CN117297569A - 一种带有力传导结构的力传感器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带有力传导结构的力传感器芯片及其制备方法，包括:力传导结构，薄膜结构和衬底结构。所述力传导结构位于整个结构的上方，由力的感知端、弹簧、力的施加端及固定端组成；所述薄膜结构位于整个结构的中间，由悬臂梁、夹缝和电极引出接口组成；所述衬底结构位于整个结构的下方，由空腔结构和衬底固定端组成。本发明的力传感器在芯片内部集成了力传导结构，可直接感受外界力信号，无需外加媒介进行力的传导，便于后续封装。同时，通过工艺制作的力传导结构，确保了力的施加端可以精准定位向悬臂梁的尖端施加力信号，提高了传感器性能的稳定性，使其具有易集成封装、施力点定位精准、线性度好、灵敏度高、体积小等特点。
Description
技术领域
本发明属于微电子传感器技术、MEMS传感器芯片领域，具体涉及一种带有力传导结构的力传感器芯片及其制备方法。
背景技术
近年来，健康医疗类智能穿戴产品发展迅速，其中最受欢迎的产品就是运动手环，它可以对人体血压进行长期连续、实时监测，携带方便、操作简单，其内部需要安装一个精准定位、易集成封装的力传感器对血压信号进行采集。而传统的力传感器需要外加力传导结构来感知外界力信号，这种方式存在很多问题，其一力传导结构通常采用塑性材料制作，重复性差、易变形、寿命短；其二力传导结构采用胶粘方式与力传感器结合，粘附性差、易脱落；其三力传导结构与力传感器的接触位置不精准，使力传感器的输出产生差异性；其四外加力传导结构会增加封装难度，体积也会增大。基于以上问题，传统的力传感器性能稳定性差，不易于向微型化方向发展。
因此制作出一种体积小、灵敏度高、线性度好、施力点精准定位、易集成封装的力传感器芯片是目前急于解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有力传导结构的力传感器，包括力传导结构，薄膜结构和衬底结构。所述力传导结构位于整个结构的上方，由力的感知端、弹簧、力的施加端及固定端组成，其中力的感知端位于力的施加端上方，用于感知外界的信号，力的施加端在受到力的作用时向薄膜结构中的悬臂梁传递力信号，弹簧将力的感知端连接到力传导结构的固定端；所述薄膜结构位于整个结构的中间，由悬臂梁、夹缝和电极引出接口组成，其中夹缝夹在悬臂梁之间，使每个悬臂梁变形互不影响，电极引出接口位于薄膜结构的边缘处，用于信号的引出；所述衬底结构位于整个结构的下方，由空腔结构和衬底固定端组成。
所述的力传导结构通过工艺直接键合到力传感器芯片内部，无需外加媒介可直接感受外界力的信号进行检测；所述的力的感知端位于悬臂梁的中心位置上方，其形状可为倒圆锥、倒棱锥或任一下表面小于上表面的多面体；所述的力的施加端位于整个结构的中心处，其下表面的面积大于力的感知端上表面的面积，其形状可为圆柱体、正方体或任一多面体；所述的弹簧可为环绕力的感知端的环形梁或与力的感知端成中心对称分布的蛇形梁或其他形式的弹性梁结构，其弹簧组数大于1；所述的力的感知端、弹簧、力的施加端为一个整体，由同一硅片通过刻蚀或腐蚀工艺形成；所述薄膜结构中的夹缝呈中心对称分布，悬臂梁之间的夹缝可为平行等宽形式或从中心到芯片边缘逐渐变宽形式，中心和边缘四角处的夹缝可为方形、圆形或任意多边形；所述薄膜结构中的悬臂梁被夹缝包围，呈中心对称分布，每个悬臂梁尖端断开，根部通过固定端连接在一起。
与现有结构相比，本发明的带有力传导结构的力传感器芯片具有如下优势：第一、易集成封装。本发明提出的力传感器芯片，其中力传导结构直接通过工艺集成到力传感器芯片内部，易于后续封装。第二、施力点定位精准。本发明提出的力传感器芯片，其中力传导结构的施加端可以精确定位向悬臂梁施加力的信号，避免了因力的施加位置不同而造成的输出信号的差异性，提高了芯片的稳定性。第三、灵敏度高。本发明提出的力传感器芯片采用悬臂梁形式感知外界力信号，悬臂梁中间位置为夹缝，当悬臂梁表面受到力的作用时变形较大，进而可提高灵敏度。同时，力的施加端制作为倒锥体，与悬臂梁接触的力施加点面积很小，可进一步放大力的作用效果，提高传感器灵敏度。第四、线性度好。本发明提出的力传感器芯片，其中悬臂梁表面受到力作用时，悬臂梁的尖端会发生较大变形能量大部分被吸收，而在根部附近的压阻区变形很小，因此线性度好。第五、体积小，抗过载能力强。本发明的提出的力传感器芯片，其中悬臂梁表面受到较大力作用时会与下面的衬底固定端接触而停止运动，避免了因变形过大而造成的损坏，同时因力传导结构可直接做到芯片内部，减小了芯片的尺寸，降低了成本。
本发明的另一个目的是提供所述带有力传导结构的力传感器芯片制备方法，该方法工艺简单，包括以下步骤：
1.硅片1正面光刻、刻蚀形成腔体；
2.硅片1双面淀积二氧化硅，与硅片2正面进行键合，形成键合片1；
3.键合片1背面淀积氮化硅，腐蚀正面硅及二氧化硅；
4.键合片1正面进行热氧化，光刻、注入形成压敏电阻；
5.键合片1正面推进、淀积二氧化硅，并进行光刻、腐蚀形成电极接触孔；
6.键合片1正面溅射金属，光刻、腐蚀金属形成引线进行电阻连接；
7.键合片1正面淀积二氧化硅，光刻、腐蚀形成pad；
8.键合片1正面光刻、刻蚀形成悬臂梁结构；
9.硅片3双面淀积二氧化硅及氮化硅，背面进行光刻腐蚀形成力传导结构的施加端；
10.硅片3去除氮化硅及二氧化硅，背面与键合片1正面键合，形成键合片2；
11.键合片2正面光刻、刻蚀，使pad区引出；
12.键合片2正面光刻、刻蚀，使力传导结构悬空释放；
13.划片。
本发明的带有力传导结构的力传感器芯片，在芯片内部结构中集成了力传导结构，使其可直接感受外界力的信号，无需外加媒介进行力的传导，极大的降低了后续封装工艺难度。同时，通过工艺制作的力传导结构，确保了力的施加端可以精准定位向悬臂梁的尖端施加力的信号，提高了传感器性能的稳定性；通过设计力的感知端、弹簧、力的施加端的形状，使芯片不仅易于感知外界力信号，同时还可降低力信号传递过程中损耗，提高了芯片的信号感知能力及灵敏度。若受力过大时，悬臂梁的尖端会发生较大位移吸收大部分能量，并与衬底的固定端接触，避免了悬臂梁因变形过大而出现的非线性问题及结构损坏的问题。
与传统的力传感器芯片相比，本发明的带有力传导结构的力传感器芯片既解决了力传导结构与芯片不易结合及无法精准定位的问题，又提高了受力区的信号感知能力及芯片的灵敏度和稳定性，且制作工艺简单，使制作出的力传感器芯片具有易集成封装、施力点定位精准、线性度好、灵敏度高、体积小等特点。
附图说明
图1（a）为本发明带有力传导结构的力传感器芯片的力传导结构俯视图，图1（b）为本发明带有力传导结构的力传感器芯片的薄膜结构俯视图，图1（c）为本发明带有力传导结构的力传感器芯片的中心轴剖面图。
图2（a）至图2（l）为本发明带有力传导结构的力传感器芯片主要制备过程。
图中：1-力的施加端 2-力的感知端 3-弹簧 4-力的固定端 5-电极引出接口 6-悬臂梁 7-夹缝 8-衬底固定端 9-空腔结构
具体实施方式
实施例1：带有力传导结构的力传感器芯片结构
如图1所示为带有力传导结构的力传感器芯片结构示意图。该结构由上至下分别是力传导结构、薄膜结构和衬底结构。所述力传导结构由力的施加端1、力的感知端2、弹簧3、力的固定端4组成，位于整个结构的上方，它们是由硅片3通过刻蚀或腐蚀工艺形成，主要作用为将接受到的外界力信号传递给薄膜结构；所述薄膜结构由电极引出接口5、悬臂梁6、夹缝7组成，位于整个结构的中间，主要作用为将传递到的力信号转换成电信号进行输出；所述衬底结构由衬底固定端8、空腔结构9组成，位于整个结构的下方，起到整个结构的支撑和保护作用。
实施例2：带有力传导结构的力传感器芯片制备方法
图2所示为带有力传导结构的力传感器芯片主要制备工艺。
1.硅片1正面光刻、刻蚀形成空腔结构，如图2（a）所示；
2.硅片1双面淀积二氧化硅，与硅片2正面进行键合，形成键合片1，如图2（b）所示；
3.键合片1背面淀积氮化硅，腐蚀正面硅及二氧化硅形成薄膜结构，如图2（c）所示；
4.键合片1进行热氧化，光刻、注入硼离子，形成p-、p+压阻区，如图2（d）所示；
5.键合片1正面推进、淀积二氧化硅，光刻、腐蚀形成电极引出孔，如图2（e）所示；
6.键合片1正面溅射金属，光刻、腐蚀金属形成pad，使结构可以与外界连接进行信号转换，如图2（f）所示；
7.键合片1正面淀积二氧化硅，光刻、腐蚀形成电极引出接口，如图2（g）所示；
8.键合片1正面光刻、刻蚀释放结构，形成悬臂梁及夹缝，如图2（h）所示；
9.硅片3双面淀积二氧化硅及氮化硅，背面进行光刻腐蚀形成力传导结构的施加端, 如图2（i）所示；
10.硅片3去除氮化硅及二氧化硅，背面与键合片1正面键合，形成键合片2，如图2（j）所示；
11.键合片2正面进行光刻、刻蚀，将薄膜结构的pad区引出，如图2（k）所示；
12.键合片2正面光刻、刻蚀，形成力传导结构的感知端和弹簧，如图2（l）所示；
13.划片。
采用上述方法制备了带有力传导结构的力传感器芯片，其结构从上至下分为三层，分别是力传导结构、薄膜结构和衬底结构，三个结构通过键合工艺形成一个整体。当外界力作用到力的感知端2时，弹簧3会发生变形，带动力的施加端1向下移动与悬臂梁6接触，悬臂梁6受到力的作用而变形进行信号转换，并通过电极引出接口5将信号传输到外部检测电路中。
本发明提出的带有力传导结构的力传感器芯片，通过工艺制作将力传导结构集成到芯片内部，可直接感知外界力信号，易于后续封装，减小了芯片的体积，解决了传统力传感器芯片因在芯片外面胶粘力传导结构而出现施力点定位不准问题，芯片的稳定性强，重复性好，避免了因施力点位置改变而造成输出信号的差异。
力的感知端2的图形面积设计较大，便于接受外界信号，并通过弹簧3与力传导结构的固定端4连接，采用硅材料制作弹簧3结构，具有刚度小、恢复能力强、不易变形损坏、寿命长的特点，解决了传统力传感器芯片因使用塑性材料制作力传导结构而出现的易损坏问题；力的施加端1与力的感知端2由同一硅片制作为一整体，解决了传统力传感器芯片因使用胶粘方式将两者结合而出现易脱落分离问题；力的施加端1制作成倒锥体，使其与悬臂梁6接触面积很小，进一步放大了对悬臂梁6的作用效果，同时将梁结构设计成中心有夹缝7的悬臂梁6，悬臂梁6的尖端变形大，而根部变形很小，因此该结构的力传感器芯片具有灵敏度高、线性度好、信号感知能力强的特点，解决了传统力传感器芯片灵敏度与线性度之间的矛盾。
Claims (9)
1.一种带有力传导结构的力传感器芯片，其特征在于，包括力传导结构，薄膜结构和衬底结构；
所述力传导结构位于整个结构的上方，由力的感知端、弹簧、力的施加端及力传导结构的固定端组成；其中力的感知端位于力的施加端上方，用于感知外界的信号；力的施加端在受到力的作用时向薄膜结构中的悬臂梁传递力信号，弹簧将力的感知端连接到力传导结构的固定端；
所述薄膜结构位于整个结构的中间，由悬臂梁、夹缝和电极引出接口组成；其中夹缝夹在悬臂梁之间，使每个悬臂梁变形互不影响；电极引出接口位于薄膜结构的边缘处，用于信号的引出；
所述衬底结构位于整个结构的下方，由空腔结构和衬底固定端组成。
2.根据权利要求1所述的一种带有力传导结构的力传感器芯片，其特征在于，所述的力传导结构直接键合到力传感器芯片内部。
3.根据权利要求1所述的一种带有力传导结构的力传感器芯片，其特征在于，所述的力的感知端位于悬臂梁的中心位置上方，其下表面面积小于上表面面积。
4.根据权利要求1所述的一种带有力传导结构的力传感器芯片，其特征在于，所述的力的施加端位于整个结构的中心处，其下表面的面积大于力的感知端上表面的面积，其形状为圆柱体、正方体或任一多面体。
5.根据权利要求1所述的一种带有力传导结构的力传感器芯片，其特征在于，所述的弹簧为环绕力的感知端的环形梁或与力的感知端成中心对称分布的蛇形梁或其他形式的弹性梁结构，其弹簧组数大于1。
6.根据权利要求1所述的一种带有力传导结构的力传感器芯片，其特征在于，所述的力的感知端、弹簧、力的施加端为一个整体，由同一硅片通过刻蚀或腐蚀工艺形成。
7.根据权利要求1所述的一种带有力传导结构的力传感器芯片，其特征在于，所述薄膜结构中的夹缝呈中心对称分布，所述夹缝为平行等宽形式或从中心到芯片边缘逐渐变宽形式，中心和边缘四角处的夹缝为方形、圆形或任意多边形。
8.根据权利要求1所述的一种带有力传导结构的力传感器芯片，其特征在于，所述薄膜结构中的悬臂梁被夹缝包围，呈中心对称分布，每个悬臂梁尖端断开，根部通过力传导结构的固定端连接在一起。
9.一种带有力传导结构的力传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）硅片1正面光刻、刻蚀形成腔体；
（2）硅片1双面淀积二氧化硅，与硅片2正面进行键合，形成键合片1；
（3）键合片1背面淀积氮化硅，腐蚀正面硅及二氧化硅；
（4）键合片1正面进行热氧化，光刻、注入形成压敏电阻；
（5）键合片1正面推进、淀积二氧化硅，并进行光刻、腐蚀形成电极接触孔；
（6）键合片1正面溅射金属，光刻、腐蚀金属形成引线进行电阻连接；
（7）键合片1正面淀积二氧化硅，光刻、腐蚀形成pad；
（8）键合片1正面光刻、刻蚀形成悬臂梁结构；
（9）硅片3双面淀积二氧化硅及氮化硅，背面进行光刻腐蚀形成力传导结构的施加端；
（10）硅片3去除氮化硅及二氧化硅，背面与键合片1正面键合，形成键合片2；
（11）键合片2正面光刻、刻蚀，使pad区引出；
（12）键合片2正面光刻、刻蚀，使力传导结构悬空释放；
（13）划片。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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