CN117889998A - 一种带有应力放大结构的传感器芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有应力放大结构的传感器芯片及制备方法，涉及压阻式压力传感器技术领域。包括由下至上依次堆叠的碳化硅底层、硅衬底和碳化硅顶层；碳化硅顶层的中心开设有圆形通孔，硅衬底的中心开设有圆形凹槽，圆形凹槽底部对应的硅衬底和碳化硅底层构成受力应变的敏感膜片；碳化硅顶层上设置有围绕圆形凹槽布置的欧姆接触电路。敏感膜片的上表面设置有应力放大结构，应力放大结构包括与敏感膜片固定连接的两根硅柱，两根硅柱的顶端固定连接有碳化硅梁，碳化硅梁的上表面设置有多组压敏电阻；多组压敏电阻通过金属引线与欧姆接触电路连接形成闭合电路。应力放大结构避免了应力集中的问题，提高灵敏度的同时避免牺牲传感器的线性度。
Description
技术领域
本发明涉及压阻式压力传感器技术领域，具体涉及一种带有应力放大结构的传感器芯片及制备方法。
背景技术
微纳尺寸的压阻式压力传感器是迄今为止MEMS行业中最普遍的设备之一，在汽车、机器人和医疗保健等众多领域都有不同的应用。其包括承受压力的敏感膜片和膜片上的压敏电阻，当压力作用在敏感膜片上时，膜片产生形变并对压阻施加应力，通过电桥电路测量压阻的变化可获得压力的大小。硅（Si）因其较高的压阻系数、成熟的制造工艺和丰富的物理性能，一直是压阻式压力传感器的传统选择材料。然而硅的带隙很窄，而且在高温下弹性模量系数会降低，这严重限制了它在恶劣环境中的可用性。
碳化硅（SiC）是第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有宽禁带、高热导率、高击穿场强和优良的机械性能，在高温、高频、大功率和恶劣环境有着重要的应用。但随着工作温度的升高，碳化硅的压阻系数会下降，导致传感器的灵敏度降低。为了提高灵敏度，传统方法上是利用材料和结构的各向异性，然后通过将压敏电阻放置在高应力区来实现高灵敏度。例如减少敏感膜片的膜厚或设置在膜片上设置凸岛结构来提高灵敏度。然而减少膜厚会引起敏感膜片的大挠度效应，使传感器的线性度降低，在膜片上设置凸岛结构同样也会使传感器的线性度降低。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种带有应力放大结构的传感器芯片及制备方法，解决了现有技术的压阻式压力传感器中提高灵敏度与保证传感器线性度之间的矛盾。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
第一方面，提供一种带有应力放大结构的传感器芯片，其包括由下至上依次堆叠的碳化硅底层、硅衬底和碳化硅顶层；碳化硅顶层的中心开设有圆形通孔，硅衬底的中心开设有圆形凹槽，圆形凹槽底部对应的硅衬底和碳化硅底层构成受力应变的敏感膜片；碳化硅顶层上设置有围绕圆形凹槽布置的欧姆接触电路；
敏感膜片的上表面设置有应力放大结构，应力放大结构包括与敏感膜片固定连接的两根硅柱，两根硅柱的顶端固定连接有碳化硅梁，碳化硅梁的上表面设置有多组压敏电阻；多组压敏电阻通过金属引线与欧姆接触电路连接形成闭合电路。
本发明的有益效果为：外界施加的载荷传递到敏感膜片上，硅柱能够将敏感膜片受到的应力局部传递并放大到碳化硅梁中，碳化硅梁受力发生形变，其上的压敏电阻条失去平衡，转换为电信号输出，实现压力传感器应力放大的作用，可以提高传感器的灵敏度。同时应力放大结构避免了应力集中的问题，提高灵敏度的同时避免牺牲传感器的线性度。
进一步地，敏感膜片上设置有三个应力放大结构，其包括一个位于敏感膜片中心的应力放大结构、两个位于敏感膜片边缘的应力放大结构；
中心的应力放大结构上设置有两组压敏电阻，边缘的应力放大结构上设置一组压敏电阻，四组压敏电阻接入同一个惠斯通电桥中。利用电桥的平衡条件来测量压敏电阻阻值变化，并输出电压信号，以反映压力的变化情况。
进一步地，两个边缘的应力放大结构沿中心的应力放大结构对称布置；边缘的应力放大结构的碳化硅梁垂直于中心的应力放大结构的碳化硅梁；
中心的应力放大结构的两组压敏电阻分别设置在中心的应力放大结构的碳化硅梁的两端，边缘的应力放大结构的压敏电阻设置在边缘的应力放大结构的碳化硅梁靠近中心的应力放大结构的一端。
将应力放大结构设置在敏感膜片的不同位置和不同方向，以使压敏电阻全部处于敏感膜片受力变形的最大应力区域，从而获得较高的信号输出值，提高灵敏度。
进一步地，中心的应力放大结构的两组压敏电阻均位于受拉应力区，边缘的应力放大结构的两组压敏电阻均位于受压应力区。
上述技术方案的有益效果为：这样布置，中心的应力放大结构中的压敏电阻受拉，边缘的应力放大结构中的压敏电阻受压。两个受拉应变的压敏电阻与两个受压应变的压敏电阻接入同一个桥形电路中，可以构成全桥差动电路，可以放大微小的差动信号，提高信号的灵敏度和分辨率。
进一步地，碳化硅顶层的圆形通孔与圆形凹槽连通，且两者的横截面尺寸相等。碳化硅顶层中心开设圆形通孔便于碳化硅梁上的压敏电阻与设置在碳化硅顶层的欧姆接触电路形成电连接。
进一步地，碳化硅梁包括两根条形梁，两根条形梁沿硅柱的中心对称布置。
第二方面，提供一种带有应力放大结构的传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1、选取一片380μm的单晶硅硅片作为硅衬底，并在硅衬底的顶面和底面分别生长0.5μm的3C-SIC碳化硅薄膜；
S2、在碳化硅顶层薄膜上旋涂光刻胶，匀胶速率控制为1000rpm，时间为1min；光刻出欧姆接触电路的图形，并以光刻胶为掩模，采用磁控溅射沉积图形化金属电极，去除光刻胶，将金属电极经高温退火工艺形成欧姆接触电路；
S3、在碳化硅顶层旋涂光刻胶，匀胶速率控制为1000rpm，时间为1min；光刻出碳化硅梁和圆形曲线图形，并以光刻胶为掩模，采用反应离子深刻蚀将碳化硅梁刻画在碳化硅顶层上；
S4、在碳化硅顶层和硅衬底的中心刻蚀出应力放大结构的雏形，并以圆形曲线为边界线刻蚀去除碳化硅顶层和硅衬底的余量，形成最终的圆形凹槽，刻蚀深度为280μm；
S5、对硅衬底进行各向同性刻蚀，从硅衬底上释放出硅柱和碳化硅梁并完成自支撑结构，形成最终的应力放大结构。
附图说明
图1为带有应力放大结构的传感器芯片的轴测示意图；
图2为敏感膜片受力时，中心的应力放大结构的变形放大示意图；
图3为带有应力放大结构的传感器芯片的制备流程示意图。
其中，1、硅衬底；2、碳化硅底层；3、碳化硅顶层；4、圆形凹槽；5、敏感膜片；6、应力放大结构；63、硅柱；64、碳化硅梁；7、欧姆接触电路。
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所示，本方案的带有应力放大结构的传感器芯片包括由下至上依次堆叠的碳化硅底层2、硅衬底1和碳化硅顶层3；碳化硅顶层3的中心开设有圆形通孔，硅衬底1的中心开设有圆形凹槽4；碳化硅顶层3的圆形通孔与圆形凹槽4连通，且两者的横截面尺寸相等。
圆形凹槽4底部的硅衬底1部分和碳化硅底层2部分共同构成受力应变敏感膜片5。碳化硅机械性能优于硅，硅衬底1下方堆叠的碳化硅底层2可增加传感器在恶劣环境中的可用性。碳化硅是一种优良的半导体材料，具有优异的机械性能，使得压力传感器在高压力和恶劣环境下具有更高的可靠性和稳定性。硅的成本远低于碳化硅，采用硅和碳化硅的堆叠结构可以充分发挥两者的优点，降低成本的同时提高元件性能和恶劣环境中的可靠性。
碳化硅顶层3上设置有围绕圆形凹槽4布置的欧姆接触电路7；敏感膜片5的上表面设置有应力放大结构6，应力放大结构6包括与敏感膜片5固定连接的两根硅柱63，两根硅柱63的顶端固定连接有碳化硅梁64，碳化硅梁64的上表面设置有多组压敏电阻；多组压敏电阻通过金属引线与欧姆接触电路7连接形成闭合电路。
压阻式压力传感器在测量时，会将被测压力引入高压腔，敏感膜片5的两边存在压力差从而产生变形，敏感膜片5上各点产生应力，而敏感膜片5上的压敏电阻在应力作用下阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压。输出电压与敏感膜片5两边的压力差成正比，即两者之间存在线性关系。
对敏感膜片5施加相同的载荷时，敏感膜片5应变越剧烈，压力传感器检测到的应变信号越为明显，传感器的灵敏度越高，这意味着压力传感器可以更精确地检测到微小的压力变化。因此减少膜厚可以提高敏感膜片5的形变程度，进而提高传感器的灵敏度。然而敏感膜片5的厚度降低时，薄膜的微观结构会变得非常敏感，微小的变形或应力会导致晶格结构的不均匀变化，导致应变场的不均匀分布，这种不均匀性会使传感器的线性度降低。
现有技术中另一种增加灵敏度的方法是在敏感膜片5的中心设置横截面为圆形或者方形的短柱状凸岛结构，这是由于凸岛结构可以使敏感膜片5受到的应力更加集中、变形更加显著。然而，敏感膜片5受到外界压力时应力会集中在凸岛处，增大了结构上压应力与张应力分布不均匀，凸岛结构周围的薄膜会发生不均匀的变形，这种不均匀变形会导致传感器的输出信号与压力之间的关系变得非线性，并且传感器受到外界载荷越大，应力分布越不均匀，线性度越差。
参考图2，本发明的工作原理为：外界施加的载荷传递到敏感膜片5上，硅柱63能够将敏感膜片5受到的应力局部传递并放大至碳化硅梁64中，碳化硅梁64受力发生偏转，从而发生形变，其上的压敏电阻条失去平衡，转换为电信号输出。
根据挠度计算公式，挠度与截面惯性矩成反比，因此受到相同载荷时，相同材料的细长的梁比粗短的梁更易产生形变。显然地，外界载荷施加在传感器上时，碳化硅梁64较敏感膜片5更易产生形变，因此敏感膜片5的微小变形即可引起碳化硅梁64更大的变形，敏感膜片5上的应力由此被碳化硅梁64放大，提高了传感器的灵敏度。由于本方案并未降低敏感膜片5的厚度，因此敏感膜片5在变形时不至于引起应变场的不均匀分布，向硅柱63传递的应力仍然是均匀的，避免了传感器线性度的降低。
同时，相较于在敏感膜片5上设置凸岛结构的形式，本方案避免了因凸岛结构造成的应力集中不均匀问题，线性度与传感器外界受到的压力无关，提高压力灵敏度的同时，避免了非线性发生恶化，为超灵敏碳化硅/硅压力传感器的未来发展提供了广阔的前景。
再次参考图1，作为本发明的一个实施例，敏感膜片5上优选设置有三个应力放大结构6，其包括一个位于敏感膜片5中心的应力放大结构6、两个位于敏感膜片5边缘的应力放大结构6。中心的应力放大结构6上设置有两组压敏电阻，两个边缘的应力放大结构6上各设置一组压敏电阻，四组压敏电阻接入同一个惠斯通电桥中。利用电桥的平衡条件来测量压敏电阻阻值变化，并输出电压信号，以反映压力的变化情况。
具体地，边缘的应力放大结构6沿中心的应力放大结构6对称布置，且边缘的应力放大结构6的碳化硅梁64垂直于中心的应力放大结构6的碳化硅梁64。中心的应力放大结构6的两组压敏电阻分别设置在中心的应力放大结构6的碳化硅梁64的两端，边缘的应力放大结构6的压敏电阻设置在边缘的应力放大结构6的碳化硅梁64靠近中心的应力放大结构6的一端。将应力放大结构6设置在敏感膜片5的不同位置和不同方向，以使压敏电阻全部处于敏感膜片5受力变形的最大应力区域，从而获得较高的信号输出值，提高灵敏度。
中心的应力放大结构6的两组压敏电阻均位于受拉应力区，边缘的应力放大结构6的两组压敏电阻均位于受压应力区。这样布置，中心的应力放大结构6中的压敏电阻受拉，边缘的应力放大结构6中的压敏电阻受压。两个受拉应变的压敏电阻与两个受压应变的压敏电阻接入同一个桥形电路中，可以构成全桥差动电路，可以放大微小的差动信号，提高信号的灵敏度和分辨率。全桥差动电路无线性误差，同时具有一定温度补偿作用，相较于半桥差动电路其电压灵敏度更高、信号增益更高。
优选地，碳化硅梁64包括两根条形梁，两根条形梁沿着硅柱63的中心对称布置。参考图3的步骤S4，制备时，首先形成的是平板状的梁，然后在步骤S5中，会将该平板状梁的中间沿着长度方向去除一部分，碳化硅梁64最终被分割为两根细长的条形梁，这样设置可以在保证自支撑结构稳定性的前提下减小碳化硅梁64的截面积，增大了相同应力下碳化硅梁64的变形量。
如图3所示，带有应力放大结构的传感器芯片的制备方法包括以下步骤：
S1、选取一片380μm的单晶硅硅片作为硅衬底1，采用低压化学气相沉积（LPCVD）技术在硅衬底1的顶面和底面分别生长0.5μm的3C-SIC碳化硅薄膜；
S2、在碳化硅顶层3薄膜上旋涂光刻胶ProTEK PSB，匀胶速率控制为1000rpm，时间为1min。光刻出欧姆接触电路7的图形，然后以光刻胶为掩模版磁控溅射沉积图形化金属电极Al，之后使用丙酮溶液去除光刻胶，将金属电极经高温退火工艺形成欧姆接触电路7；
S3、在碳化硅顶层3旋涂光刻胶ProTEK PSB，匀胶速率控制为1000rpm，时间为1min，光刻出碳化硅梁64和圆形曲线图形，并以光刻胶为掩模，采用反应离子深刻蚀（DRIE）将碳化硅梁64刻画在碳化硅顶层3上；
S4、采用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术对碳化硅顶层3和硅衬底1的中心进行刻蚀，刻蚀出应力放大结构6的雏形，并以圆形曲线为边界线刻蚀去除碳化硅顶层3和硅衬底1的余量，形成最终的圆形凹槽4，刻蚀深度为280μm；
S5、采用XeF2对硅衬底1进行各向同性刻蚀，从硅衬底1上释放出硅柱63和碳化硅梁64并完成自支撑结构，最终得到应力放大结构6。
综上所述，本方案中的应力放大结构6实现了压力传感器应力放大的作用，同时应力放大结构6避免了应力集中的问题，提高灵敏度的同时避免了牺牲传感器的线性度。
Claims (7)
1.一种带有应力放大结构的传感器芯片，其特征在于：包括由下至上依次堆叠的碳化硅底层（2）、硅衬底（1）和碳化硅顶层（3）；所述碳化硅顶层（3）的中心开设有圆形通孔，硅衬底（1）的中心开设有圆形凹槽（4），所述圆形凹槽（4）底部对应的硅衬底（1）和碳化硅底层（2）构成受力应变的敏感膜片（5）；碳化硅顶层（3）上设置有围绕所述圆形凹槽（4）布置的欧姆接触电路（7）；
所述敏感膜片（5）的上表面设置有应力放大结构（6），所述应力放大结构（6）包括与敏感膜片（5）固定连接的两根硅柱（63），两根所述硅柱（63）的顶端固定连接有碳化硅梁（64），所述碳化硅梁（64）的上表面设置有多组压敏电阻；多组所述压敏电阻通过金属引线与欧姆接触电路（7）连接形成闭合电路。
2.根据权利要求1所述的带有应力放大结构的传感器芯片，其特征在于：所述敏感膜片（5）上设置有三个应力放大结构（6），其包括一个位于敏感膜片（5）中心的应力放大结构（6）、两个位于敏感膜片（5）边缘的应力放大结构（6）；
中心的应力放大结构（6）上设置有两组压敏电阻，边缘的应力放大结构（6）上设置一组压敏电阻，四组压敏电阻接入同一个惠斯通电桥中。
3.根据权利要求2所述的带有应力放大结构的传感器芯片，其特征在于：两个边缘的应力放大结构（6）沿中心的应力放大结构（6）对称布置；边缘的应力放大结构（6）的碳化硅梁（64）垂直于中心的应力放大结构（6）的碳化硅梁（64）；
中心的应力放大结构（6）的两组压敏电阻分别设置在中心的应力放大结构（6）的碳化硅梁（64）的两端；边缘的应力放大结构（6）的压敏电阻设置在边缘的应力放大结构（6）的碳化硅梁（64）靠近中心的应力放大结构（6）的一端。
4.根据权利要求3所述的带有应力放大结构的传感器芯片，其特征在于：中心的应力放大结构（6）的两组压敏电阻均位于受拉应力区，边缘的应力放大结构（6）的两组压敏电阻均位于受压应力区。
5.根据权利要求1所述的带有应力放大结构的传感器芯片，其特征在于：所述碳化硅顶层（3）的圆形通孔与所述圆形凹槽（4）连通，且两者的横截面尺寸相等。
6.根据权利要求1所述的带有应力放大结构的传感器芯片，其特征在于：所述碳化硅梁（64）包括两根条形梁，两根条形梁沿所述硅柱（63）的中心对称布置。
7.一种权利要求1-6任一所述的带有应力放大结构的传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取一片380μm的单晶硅硅片作为硅衬底（1），并在硅衬底（1）的顶面和底面分别生长0.5μm的3C-SIC碳化硅薄膜；
S2、在碳化硅顶层（3）薄膜上旋涂光刻胶，匀胶速率控制为1000rpm，时间为1min；光刻出欧姆接触电路（7）的图形，并以光刻胶为掩模，采用磁控溅射沉积图形化金属电极，去除光刻胶，将金属电极经高温退火工艺形成欧姆接触电路（7）；
S3、在碳化硅顶层（3）旋涂光刻胶，匀胶速率控制为1000rpm，时间为1min；光刻出碳化硅梁（64）和圆形曲线图形，并以光刻胶为掩模，采用反应离子深刻蚀将碳化硅梁（64）刻画在碳化硅顶层（3）上；
S4、在碳化硅顶层（3）和硅衬底（1）的中心刻蚀出应力放大结构（6）的雏形，并以圆形曲线为边界线刻蚀去除碳化硅顶层（3）和硅衬底（1）的余量，形成最终的圆形凹槽（4），刻蚀深度为280μm；
S5、对硅衬底（1）进行各向同性刻蚀，从硅衬底（1）上释放出硅柱（63）和碳化硅梁（64）并完成自支撑结构，形成最终的应力放大结构（6）。
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