CN201653604U - 一种压力传感器 - Google Patents

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刘同庆
沈绍群
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无锡芯感智半导体有限公司
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Abstract

本实用新型涉及一种压力传感器,包括衬底;所述衬底上部凹设有浅杯槽;衬底对应于设置浅杯槽的表面淀积有压力敏感膜,所述压力敏感膜上淀积有氧化层;所述氧化层与压力敏感膜覆盖浅杯槽的槽口;所述压力敏感膜、氧化层与衬底对应于设置浅杯槽上部形成密闭空腔;所述氧化层上设有敏感电阻;所述敏感电阻分别形成惠斯通电桥的桥臂,氧化层的表面对应于设置敏感电阻外的其余部分覆盖有绝缘介质层,所述绝缘介质层上设有电极;所述电极穿过绝缘介质层并与敏感电阻电性连接。本实用新型压力敏感膜的均匀性好、工艺操作简单及加工成本低。

Description

一种压力传感器
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种压力传感器,具体地说是一种基于表面微机械加工工艺的压 力传感器,属于微传感器的技术领域。
背景技术
[0002] 传感器技术是一项发展迅速的高新技术,也是世界科技发展的重要标志之一,与 通讯技术、计算机技术并称为信息产业的三大支柱。传感器是一种将外界物理量或化学量 信号转换为可测量的电信号的器件,是人类获取信息的重要手段之一。基于MEMS(微电子 机械系统)加工工艺的微传感器凭借体积小、功耗低、响应快等传统传感器所无法比拟的 优点在汽车电子、医疗器械、家用电器、环境监测及航空航天等领域得到了广泛的应用。
[0003] 压阻式微压力传感器是微传感器的一种,其原理是基于C. S Smith与1954年发现 的压阻效应,即当半导体受到应力作用时,由于载流子迁移率的变化导致半导体的电阻率 发生变化的现象。目前大多数压阻式压力传感器都采用MEMS体微机械加工工艺制备,即 在硅片表面通过氧化、光刻、离子注入等平面IC工艺制备出应力敏感电阻与金属互连引线 后,从硅片背面进行各向异性湿法腐蚀,通过调整腐蚀速率及时间来控制压力敏感膜的厚 度,腐蚀完成后需用玻璃或硅材料衬底进行键合,作为芯片的支撑结构。采用上述工艺制备 的压力传感器不仅压力敏感膜的厚度均勻性差,芯片体积大,而且需要键合工艺,使得制备 的压力传感器成品率低、性能不稳定、成本高。
发明内容
[0004] 本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足,提供一种压力传感器,其压力 敏感膜的均勻性好、工艺操作简单及加工成本低。
[0005] 按照本实用新型提供的技术方案,所述压力传感器,包括衬底;所述衬底上部凹设 有浅杯槽;衬底对应于设置浅杯槽的表面淀积有压力敏感膜,所述压力敏感膜上淀积有氧 化层;所述氧化层与压力敏感膜覆盖浅杯槽的槽口 ;所述压力敏感膜、氧化层与衬底对应 于设置浅杯槽上部形成密闭空腔;所述氧化层上设有敏感电阻;所述敏感电阻分别形成惠 斯通电桥的桥臂,氧化层的表面对应于设置敏感电阻外的其余部分覆盖有绝缘介质层,所 述绝缘介质层上设有电极;所述电极穿过绝缘介质层并与敏感电阻电性连接。
[0006] 所述绝缘介质层的材料包括氮化硅。所述压力敏感膜通过LPCVD淀积在衬底上。 所述压力敏感膜的材料包括导电多晶硅。所述敏感电阻的材料包括导电多晶硅;所述导电 多晶硅通过LPCVD淀积在氧化层上,在所述导电多晶硅上掺杂刻蚀后,形成敏感电阻。所述 压力敏感膜上设有释放孔,所述释放孔内填充有氧化层;所述释放孔位于敏感电阻的外侧。 所述压力敏感膜通过干法刻蚀形成释放孔。所述衬底通过刻蚀形成浅杯槽。所述衬底的材 料为单晶硅。
[0007] 本实用新型的优点:采用表面微机械加工工艺制备,避免了采用长时间的各向异 性湿法腐蚀的工艺。采用LPCVD淀积的多晶硅作为压力敏感膜,使得压力敏感膜具有良好的均勻性。通过在衬底上设置浅杯槽,在浅杯槽内设置牺牲层;通过对牺牲层的处理避免了 对时间控制的依赖及粘连现象的发生。工艺实现上更加简单,利于传感器与后续信号检测 电路的集成,实现机电一体化,且有助于传感器成本的降低。
附图说明
[0008] 图1为本实用新型的腐蚀图。
[0009] 图2为图1的A-A剖视图。
具体实施方式
[0010] 下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0011] 如图1和图2所示:本实用新型衬底1、浅杯槽2、压力敏感膜3、氧化层4、敏感电 阻5、电极6、释放孔7及绝缘介质层8。
[0012] 如图1和图2所示,所述衬底1上凹设有浅杯槽2,衬底1的材料为单晶硅。所述 衬底1对应于设置浅杯槽2的端面淀积有压力敏感膜3,所述压力敏感膜3的材料包括导电 多晶硅,所述压力敏感膜3上设有释放孔7,用于释放浅杯槽2内的牺牲层。所述浅杯槽2 内淀积有牺牲层,通过浅杯槽2内的牺牲层作用,将压力敏感膜3利用LPCVD(低压化学气 相沉积)的方法淀积在衬底1和牺牲层上。所述压力敏感膜3上生长有氧化层4,所述氧 化层4覆盖在压力敏感膜3的表面并填充在释放孔7内,使压力敏感膜3与氧化层4覆盖 浅杯槽2的槽口,压力敏感膜3与衬底1形成密闭的空腔。所述氧化层4上淀积有敏感电 阻5,氧化层4对应于设置敏感电阻5外的其余表面均覆盖有绝缘介质层8。所述敏感电阻 5分别形成惠斯通电桥的桥臂,所述敏感电阻5的材料包括导电多晶硅。所述绝缘介质层8 上设有电极6,所述电极6穿过绝缘介质层8并与敏感电阻5电性连接。
[0013] 上述结构的压力传感器通过下述工艺步骤实现:
[0014] (1)、依据压力传感器的量程要求,确定芯片及压力敏感膜3的尺寸,采用有限元 分析软件确定压力敏感膜3的应力分布,布置敏感电阻5及电极,并制作对应的光刻版;
[0015] (2)、对衬底1进行氧化,刻蚀出浅杯槽2及与浅杯槽2相连通的释放通道;所述衬 底1通过干法腐蚀或湿法腐蚀形成浅杯槽2 ;并在浅杯槽2内填充牺牲层,所述牺牲层的材 料可为磷硅玻璃(PSG);
[0016] (3)、采用LPCVD在衬底1对应于设置浅杯槽2的表面淀积多晶硅,根据压力传感 器量程要求决定多晶硅的厚度,形成压力敏感膜3 ;
[0017] (4)、采用干法刻蚀在压力敏感膜3上形成释放孔7,所述释放孔7从压力敏感膜3 的表面延伸到牺牲层的表面;
[0018] (5)、采用湿法或干法腐蚀牺牲层,所述牺牲层通过释放孔7进行释放,所述压力 敏感膜3作为牺牲层释放的阻挡墙,释放时间无需精确控制;
[0019] (6)在压力敏感膜3上热氧化生长氧化层4,所述氧化层4填充在释放孔7内,将释 放孔7封闭;所述氧化层4与压力敏感膜3将浅杯槽2封闭,使浅杯槽2形成密闭的空腔;
[0020] (7)、在所述氧化层4上通过LPCVD的方法淀积多晶硅,对多晶硅掺杂后进行刻蚀, 在氧化层4上形成敏感电阻5,所述敏感电阻5分别形成惠斯通电桥的桥臂;然后在所述敏 感电阻5上进行离子注入形成欧姆接触区;所述敏感电阻5布置在压力敏感膜3上张应力与压应力的对称区;
[0021] (8)、在氧化层4上对应于敏感电阻5外的其余部分均通过LPCVD淀积绝缘介质层 8,所述绝缘介质层8的材料可为氮化硅;绝缘介质层8作为金属隔离层;
[0022] (9)、在绝缘介质层8的表面刻蚀形成引线孔,所述引线孔内淀积金属,得到电极 6 ;所述电极6位于敏感电阻5的上方;电极6与敏感电阻5电性连接;
[0023] (10)、划片、封装、测试,完成压力传感器的制备。
[0024] 如图1和图2所示,使用时,将电极6与相应的外部设备相连。电极6与敏感电 阻5电性连接,敏感电阻5均为惠斯通电桥的桥臂。当压力传感器不受压力时,由敏感电阻 5组成的惠斯通电桥输出的电压为零。当压力传感器受到压力时,所述电极6与敏感电阻 5形成的惠斯通电桥输出对应的电压信号,通过检测所述惠斯通电桥的输出电压,得到压力 传感器的灵敏度。所述衬底1与压力敏感膜3、氧化层4间密闭的空腔,即通过浅杯槽2的 作用,当压力传感器受到外界压力时,压力敏感膜3发生形变,上面的敏感电阻5也产生形 变,引起压阻效应,通过检测惠斯通电桥的输出电压,得到压力传感器的灵敏度。
[0025] 本实用新型采用表面微机械加工工艺制备,避免了采用长时间的各向异性湿法腐 蚀的工艺。采用LPCVD淀积的多晶硅作为压力敏感膜3,使得压力敏感膜3具有良好的均勻 性。通过在衬底1上设置浅杯槽2,在浅杯槽2内设置牺牲层;通过设置释放孔7,并采取隔 离层,避免了对释放时间控制的依赖。工艺实现上更加简单,利于传感器与后续信号检测电 路的集成,并降低成本。

Claims (9)

  1. 一种压力传感器,包括衬底(1);其特征是:所述衬底(1)上部凹设有浅杯槽(2);衬底(1)对应于设置浅杯槽(2)的表面淀积有压力敏感膜(3),所述压力敏感膜(2)上淀积有氧化层(4);所述氧化层(4)与压力敏感膜(3)覆盖浅杯槽(2)的槽口;所述压力敏感膜(3)、氧化层(4)与衬底(1)对应于设置浅杯槽(2)上部形成密闭空腔;所述氧化层(4)上设有敏感电阻(5);所述敏感电阻(5)分别形成惠斯通电桥的桥臂,氧化层(4)的表面对应于设置敏感电阻(5)外的其余部分覆盖有绝缘介质层(8),所述绝缘介质层(8)上设有电极(6);所述电极(6)穿过绝缘介质层(8)并与敏感电阻(5)电性连接。
  2. 2.根据权利要求1所述的压力传感器,其特征是:所述绝缘介质层(8)的材料包括氮 化硅。
  3. 3.根据权利要求1所述的压力传感器,其特征是:所述压力敏感膜(3)通过LPCVD淀 积在衬底⑴上。
  4. 4.根据权利要求1所述的压力传感器,其特征是:所述压力敏感膜(3)的材料包括导 电多晶娃。
  5. 5.根据权利要求1所述的压力传感器,其特征是:所述敏感电阻(5)的材料包括导电 多晶硅;所述导电多晶硅通过LPCVD淀积在氧化层4上,在所述导电多晶硅上掺杂刻蚀后, 形成敏感电阻(5)。
  6. 6.根据权利要求1所述的压力传感器,其特征是:所述压力敏感膜(3)上设有释放孔(7),所述释放孔(7)内填充有氧化层⑷;所述释放孔(7)位于敏感电阻(5)的外侧。
  7. 7.根据权利要求6所述的压力传感器,其特征是:所述压力敏感膜(3)通过干法刻蚀 形成释放孔(7)。
  8. 8.根据权利要求1所述的压力传感器,其特征是:所述衬底(1)通过刻蚀形成浅杯槽⑵。
  9. 9.根据权利要求1所述的压力传感器,其特征是:所述衬底(1)的材料为单晶硅。
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