CN117268600A - 一种mems压力传感器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS压力传感器芯片及其制备方法，属于压力传感器技术领域，MEMS压力传感器芯片包括芯片基底层，芯片基底层上键合有加速度敏感层，加速度敏感层与芯片基底层形成中间键合体；中间键合体的顶部设置有压力敏感层；芯片基底层上设置有第二电极区，加速度敏感层上设置有加速度敏感膜片和第一电极区，压力敏感层上设置有压力敏感膜片；第二电极区与第一电极区形成可变电容结构，本发明中的MEMS压力传感器芯片采用双层敏感膜片设计，提高硅压阻压力传感器的输出精度和实现压力测试与加速度测试的一体化集成设计，形成一体化封装，可减小传感器的占用空间及使用数量，具有较高的经济价值。
Description
技术领域
本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种MEMS压力传感器芯片及其制备方法。
背景技术
利用半导体材料(硅)的压阻效应制做而成的压力传感器称为压阻式压力传感器，采用半导体工艺在硅衬底上形成压敏电阻条，并构成惠斯通电桥，在压力作用下，电桥形成输出，从而将压力信号转变为电信号，实现对压力的测量。这类传感器具有频率响应高、稳定性好、体积小、精度高的特点，在航空航天、气象测量、石油化工等领域具有广泛应用。
目前硅压阻式压力传感器所采用的敏感膜片结构主要有平膜和岛膜结构，平膜结构简单，便于工艺实现，主要用于中高量程，但若想要提高传感器灵敏度，就必须牺牲敏感膜厚度来实现，这使得传感器在同样的外界压力下，敏感膜的形变量变大，导致其非线性剧烈增加，稳定性变差。与平膜结构相比，岛膜结构在保证高灵敏度的情况下，可以极大的减少中心挠度，显著降低非线性误差。但是，对于岛膜结构来说，中间的硅岛等效为一个质量块，受加速度的影响较大，当受到来自器件外的加速度冲击时，硅岛会对敏感膜产生额外的应力，从而造成不必要的电信号输出，导致传感器测量精度变差。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种MEMS压力传感器芯片及其制备方法，解决了目前硅压阻式压力传感器采用岛膜结构而导致受加速度的影响较大，降低传感器测量精度的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供了一种MEMS压力传感器芯片，其包括芯片基底层，芯片基底层上键合有加速度敏感层，加速度敏感层与芯片基底层形成中间键合体；中间键合体的顶部设置有压力敏感层；
加速度敏感层与芯片基底层之间设置有第一真空腔；压力敏感层与中间键合体之间设置有第二真空腔；
加速度敏感层上设置有加速度敏感膜片，加速度敏感膜片上设置有位于第一真空腔内的第一质量块和位于加速度敏感膜片上的多个第一压阻条和第一电极区；
压力敏感层上设置有压力敏感膜片，压力敏感膜片上设置有第二质量块和多个第二压阻条；第二质量块位于第二真空腔内；
芯片基底层上设置有第二电极区；
多个第一压阻条、第一电极区、多个第二压阻条和第二电极区均通过金属引线和金属焊盘与外界处理器电性连接；芯片基底层、加速度敏感层和压力敏感层上均设置有金属焊盘；第二电极区与第一电极区形成可变电容结构。
本方案中的一种MEMS压力传感器芯片的基本原理为：通过在芯片基底层上设置加速度敏感层和压力敏感层，压力敏感层通过硅压阻效应检测敏感膜片所感受到的压力变化，并将信号输出至处理器，经过数据补偿后，形成压力信号输出；加速度敏感层利用可变电容结构在受加速度、冲击环境下将接受的加速度变化转化为独立的加速度信号输出；通常在传感器运动过程中，其受到的加速度是变化的，该加速度会产生额外应力输出，降低测试精度，通过对该加速度的实时监测，可以对压力传感器的信号输出进行实时补偿，以提高传感器精度；同时，加速度敏感层和压力敏感层的双层复合结构设计实现了对压力、加速度两种参数测试的集成，减少了传感器的使用数量、节约了设备空间，具有较高的经济效益。
进一步地，加速度敏感膜片上设置有4个相互并联的第一压阻条，4个第一压阻条分别对应电阻R5、R6、R7和R8。
进一步地，压力敏感膜片上设置有4个相互并联的第二压阻条，4个第二压阻条分别对应电阻R1、R2、R3和R4。
进一步地，压力敏感膜片与加速度敏感膜片的长宽和厚度尺寸相同；第一质量块和第二质量块的长宽和及厚度尺寸相同；第一压阻条和第二压阻条的尺寸和掺杂浓度相同。
本方案还提供了一种MEMS压力传感器芯片的制备方法，其包括以下步骤：
S1、制备压力敏感层：选用预设厚度的硅衬底，采用掺杂工艺在硅衬底的正面加工出预设数量的第二压阻条；
采用磁控溅射工艺在硅衬底上形成金属引线以及金属焊盘，并将第二压阻条与金属焊盘连接；
采用湿法刻蚀工艺在硅衬底的背面刻蚀出背腔以及第二质量块，硅衬底的背面刻蚀出区域为压力敏感膜片，制得压力敏感层作为备用；
S2、制备加速度敏感层：选用预设厚度的硅衬底，采用掺杂工艺在硅衬底的正面加工出预设数量的第一压阻条；
采用磁控溅射工艺或化学气相沉积法在硅衬底形成第一电极区，采用磁控溅射工艺在硅衬底上形成金属引线以及金属焊盘，并将第一压阻条和第一电极区与金属焊盘连接；
采用湿法刻蚀工艺在硅衬底的背面刻蚀出背腔以及第一质量块，硅衬底的背面刻蚀出区域为加速度敏感膜片，制得加速度敏感层作为备用；
S3、制备芯片基底层：选用预设厚度的硅衬底，采用磁控溅射工艺或化学气相沉积法在硅衬底形成第二电极区，采用磁控溅射工艺形成金属引线及金属焊盘，并将第二电极区与金属焊盘连接；制得芯片基底层作为备用；
S4、制备MEMS压力传感器芯片：采用真空键合工艺将加速度敏感层与芯片基底层在温度1100℃和50MPa的轴向压力下键合3小时，形成中间键合体，然后再次使用真空键合工艺将压力敏感层与中间键合体键合形成MEMS压力传感器芯片。
进一步地，第一压阻条和第二压阻条的掺杂浓度为1×1015/cm3～5×1018/cm3。
进一步地，所述第一电极区和第二电极区所使用的材料可以是铝、钽等金属材料，也可以是石墨烯、1T-MoS2等新型薄膜材料，所述金属铝、钽可以采用磁控溅射法制备，新型薄膜材料可以采用化学气相沉积法制备。。
本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明中的MEMS压力传感器芯片采用双层敏感膜片设计，这样设计带来的好处为：一方面通过硅压阻效应检测敏感膜片所感受到的压力变化，另一方面，下层敏感膜片利用电容测试原理，检测岛膜结构在受加速度、冲击环境下的电信号输出。本发明中的MEMS压力传感器芯片通过这种结构设计可以实现两大技术效果：第一、提高硅压阻压力传感器的输出精度；通常在传感器运动过程中，其受到的加速度是变化的，该加速度会产生额外应力输出，降低测试精度，通过对该加速度的实时监测，可以对压力传感器的信号输出进行实时补偿，以提高传感器精度；第二、上、下层敏感膜片的复合结构设计实现了对压力、加速度两种参数测试的集成，减少了传感器的使用数量、节约了设备空间，具有较高的经济效益。
附图说明
图1为MEMS压力传感器芯片的剖视结构示意图。
图2为MEMS压力传感器芯片的多层结构分离结构示意图。
图3为MEMS压力传感器芯片的电路连接示意图。
其中，1、芯片基底层；2、加速度敏感层；3、中间键合体；4、压力敏感层；5、第一真空腔；6、第二真空腔；7、加速度敏感膜片；8、第一质量块；9、第一压阻条；10、第一电极区；11、压力敏感膜片；12、第二质量块；13、第二压阻条；14、金属焊盘；15、外界处理器；16、可变电容结构；17、第二电极区。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1～3所示，本发明提供了一种MEMS压力传感器芯片，其包括芯片基底层1，芯片基底层1上键合有加速度敏感层2，加速度敏感层2与芯片基底层1形成中间键合体3；中间键合体3的顶部设置有压力敏感层4。
加速度敏感层2与芯片基底层1之间设置有第一真空腔5；压力敏感层4与中间键合体3之间设置有第二真空腔6。
加速度敏感层2上设置有加速度敏感膜片7，加速度敏感膜片7上设置有位于第一真空腔5内的第一质量块8和加速度敏感膜片7上的多个第一压阻条9和第一电极区10。
压力敏感层4上设置有压力敏感膜片11，压力敏感膜片11上设置有第二质量块12和多个第二压阻条13；第二质量块12位于第二真空腔6内。
芯片基底层1上设置有第二电极区17。
多个第一压阻条9、第一电极区10、多个第二压阻条13和第二电极区17均通过金属引线和金属焊盘14与外界处理器15电性连接；芯片基底层1、加速度敏感层2和压力敏感层4上均设置有多个金属焊盘14，采用引线键合的方式通过金属焊盘14将引线与外电路连接形成闭环，压力敏感层4与加速度敏感层2输入电压应保持一致，输出电压经过电路处理后完成补偿，最终以补偿后的压力信号输出。
如图2和图3所示，第二电极区17与第一电极区10形成可变电容结构16，可变电容结构16独立连接至外界处理器15，经过外界处理器15的电容检测，将电容输出转化为加速度值，输出为加速度信号。
具体地，如图2所示，加速度敏感膜片7上设置有4个相互并联的第一压阻条9，4个第一压阻条9分别对应电阻R5、R6、R7和R8。
压力敏感膜片11上设置有4个相互并联的第二压阻条13，4个第二压阻条13分别对应电阻R1、R2、R3和R4。
压力敏感膜片11与加速度敏感膜片7的长宽和厚度尺寸相同；第一质量块8和第二质量块12的长宽及厚度尺寸相同；第一压阻条9和第二压阻条13的尺寸和掺杂浓度相同。
通过在芯片基底层1上设置加速度敏感层2和压力敏感层4，压力敏感层4通过硅压阻效应检测敏感膜片所感受到的压力变化，并将信号输出至处理器，经过数据补偿后，形成压力信号输出；加速度敏感层2利用可变电容结构16在受加速度、冲击环境下将接受的加速度变化转化为独立的加速度信号输出；通常在传感器运动过程中，其受到的加速度是变化的，该加速度会产生额外应力输出，降低测试精度，通过对该加速度的实时监测，可以对压力传感器的信号输出进行实时补偿，以提高传感器精度；同时，加速度敏感层2和压力敏感层4的双层复合结构设计实现了对压力、加速度两种参数测试的集成，减少了传感器的使用数量、节约了设备空间，具有较高的经济效益。
本发明还提供了一种MEMS压力传感器芯片的制备方法，其包括以下步骤：
S1、制备压力敏感层4：选用预设厚度的硅衬底，采用掺杂工艺在硅衬底的正面加工出预设数量的第二压阻条13；
采用磁控溅射工艺在硅衬底上形成金属引线以及金属焊盘14，并将第二压阻条13与金属焊盘14连接；
采用湿法刻蚀工艺在硅衬底的背面刻蚀出背腔以及第二质量块12，硅衬底的背面刻蚀出区域为压力敏感膜片11，制得压力敏感层4作为备用；
S2、制备加速度敏感层2：选用预设厚度的硅衬底，采用掺杂工艺在硅衬底的正面加工出预设数量的第一压阻条9；
采用磁控溅射工艺或化学气相沉积法在硅衬底形成第一电极区10，采用磁控溅射工艺在硅衬底上形成金属引线以及金属焊盘14，并将第一压阻条9和第一电极区10与金属焊盘14连接；
采用湿法刻蚀工艺在硅衬底的背面刻蚀出背腔以及第一质量块8，硅衬底的背面刻蚀出区域为加速度敏感膜片7，制得加速度敏感层2作为备用；
S3、制备芯片基底层1：选用预设厚度的硅衬底；采用磁控溅射工艺或化学气相沉积法在硅衬底形成第二电极区17，采用磁控溅射工艺形成金属引线及金属焊盘14，并将第二电极区17与金属焊盘14连接；制得芯片基底层1作为备用；
S4、制备MEMS压力传感器芯片：采用真空键合工艺将加速度敏感层2与芯片基底层1在温度1100℃和50MPa的轴向压力下键合3小时，形成中间键合体3，然后再次使用真空键合工艺将压力敏感层4与中间键合体3键合形成MEMS压力传感器芯片。
具体地，第一压阻条9和第二压阻条13的掺杂浓度相同，均为1×1015/cm3～5×1018/cm3。
第一电极区和第二电极区所使用的材料可以是铝、钽等金属材料，也可以是石墨烯、1T-MoS2等新型薄膜材料，所述金属铝、钽可以采用磁控溅射法制备，新型薄膜材料可以采用化学气相沉积法制备。
通过上述方法对MEMS压力传感器芯片进行制备，加速度敏感层2的信号输出可独立接入数据处理器，实现加速度信号的独立输出，进一步实现压力测试与加速度测试的一体化集成设计，形成一体化封装，可减小传感器的占用空间及使用数量，具有较高的经济价值。
Claims (7)
1.一种MEMS压力传感器芯片，其特征在于，包括芯片基底层，所述芯片基底层上键合有加速度敏感层，所述加速度敏感层与芯片基底层形成中间键合体；所述中间键合体的顶部设置有压力敏感层；
所述加速度敏感层与芯片基底层之间设置有第一真空腔；所述压力敏感层与中间键合体之间设置有第二真空腔；
加速度敏感层上设置有加速度敏感膜片，所述加速度敏感膜片上设置有多个第一压阻条和第一电极区以及位于所述第一真空腔内的第一质量块；
压力敏感层上设置有压力敏感膜片，所述压力敏感膜片上设置有第二质量块和多个第二压阻条；所述第二质量块位于所述第二真空腔内；
芯片基底层上设置有第二电极区；
多个第一压阻条、第一电极区、多个第二压阻条和第二电极区均通过金属引线和金属焊盘与外界处理器电性连接；芯片基底层、加速度敏感层和压力敏感层上均设置有所述金属焊盘；所述第二电极区与第一电极区形成可变电容结构。
2.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器芯片，其特征在于，所述加速度敏感膜片上设置有4个相互并联的所述第一压阻条，4个第一压阻条分别对应电阻R5、R6、R7和R8。
3.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器芯片，其特征在于，所述压力敏感膜片上设置有4个相互并联的所述第二压阻条，4个第二压阻条分别对应电阻R1、R2、R3和R4。
4.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器芯片，其特征在于，所述压力敏感膜片与加速度敏感膜片的长宽和厚度尺寸相同；所述第一质量块和第二质量块的长宽和及厚度尺寸相同；所述第一压阻条和第二压阻条的尺寸和掺杂浓度相同。
5.一种根据权利要求1～4任一所述的MEMS压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备压力敏感层：选用预设厚度的硅衬底，采用掺杂工艺在硅衬底的正面加工出预设数量的第二压阻条；
采用磁控溅射工艺在硅衬底上形成金属引线以及金属焊盘，并将第二压阻条与金属焊盘连接；
采用湿法刻蚀工艺在硅衬底的背面刻蚀出背腔以及第二质量块，硅衬底的背面刻蚀出区域为压力敏感膜片，制得压力敏感层作为备用；
S2、制备加速度敏感层：选用预设厚度的硅衬底，采用掺杂工艺在硅衬底的正面加工出预设数量的第一压阻条；
采用磁控溅射工艺或化学气相沉积法在硅衬底形成第一电极区，采用磁控溅射工艺在硅衬底上形成金属引线以及金属焊盘，并将第一压阻条和第一电极区与金属焊盘连接；
采用湿法刻蚀工艺在硅衬底的背面刻蚀出背腔以及第一质量块，硅衬底的背面刻蚀出区域为加速度敏感膜片，制得加速度敏感层作为备用；
S3、制备芯片基底层：选用预设厚度的硅衬底，采用磁控溅射工艺或化学气相沉积法在硅衬底形成第二电极区，采用磁控溅射工艺形成金属引线及金属焊盘，并将第二电极区与金属焊盘连接；制得芯片基底层作为备用；
S4、制备MEMS压力传感器芯片：采用真空键合工艺将加速度敏感层与芯片基底层在温度1100℃和50MPa的轴向压力下键合3小时，形成中间键合体，然后再次使用真空键合工艺将压力敏感层与中间键合体键合形成MEMS压力传感器芯片。
6.根据权利要求5所述的MEMS压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述第一压阻条和第二压阻条的掺杂浓度为1×1015/cm3～5×1018/cm3。
7.根据权利要求5所述的MEMS压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述第一电极区和第二电极区所使用的材料为金属材料或新型薄膜材料，金属材料采用磁控溅射法制备，新型薄膜材料采用化学气相沉积法制备。
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