CN203719812U - 气压与加速度传感器相集成的mems芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片，包括单晶硅片、玻璃盖板和玻璃底板，单晶硅片上集成有气压传感器和加速度传感器，气压传感器包括第一感应硅膜、多个位于第一感应硅膜上的第一应力敏感电阻、以及从玻璃盖板底端向上嵌入玻璃盖板内的第一凹槽，玻璃底板上设有上下贯通的气体导入孔；加速度传感器包括质量块、与质量块一端连接的弹性悬臂梁、位于弹性悬臂梁上的多个第二应力敏感电阻、以及从玻璃盖板底端向上嵌入玻璃盖板内的第二凹槽。本实用新型优点：将气压传感器与加速度传感器用同一套工艺集成在一个芯片中，尺寸小，结构紧凑；灵敏度高，可靠性及稳定性好。该芯片制作工艺简单，成本低。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种运用于TPMS（轮胎压力监测系统）的MEMS（微机电系统）芯片，尤其涉及的是一种气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片，属于MEMS技术领域。
背景技术
TPMS主要用于汽车行驶过程中实时监测轮胎气压，并对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全。在传感器模块中，气压传感器检测轮胎的压力，并通过射频将数值传送到接收机，接收机根据软件设定进行预警判断。气压传感器是否检测及检测的频率则由加速度传感器决定，利用加速度传感器对运动的敏感性，可以实现汽车启动时自动开机唤醒，汽车高速行驶时按运动速度确定检测周期，保证预警能力的同时降低功耗。
气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片的结构及制作方法在现有技术中已经有所涉及，但均存在一些显著的缺陷。如专利号为ZL 200910051766.1的专利，公开了一种测试加速度、压力和温度的集成硅芯片及制作方法，其采用多晶硅薄膜形成力敏电阻条制作压力传感器，采用热电堆检测由加速度引起的密封空腔内的温度差来检测加速度。该专利采用的多晶硅材料压阻系数远低于单晶硅，所以灵敏度偏低；采用多晶硅电阻做加热器，使得系统的功耗增加，使得电池电量会很快耗尽，另外汽车在高速运动时，温度的上升对密封腔内的温度差影响较大。再如专利号为ZL 201010553946.2的专利，也公开了一种加速度和压力传感器单单晶硅片集成芯片及制作方法，其通过横向刻蚀技术形成单晶硅薄膜和嵌入式腔体，并在单晶硅薄膜上表面分布压阻制作压力传感器，加速度传感器采用双悬臂梁和质量块结构，采用电镀铜方法增加质量块质量，提高灵敏度。该专利采用侧壁根部横向刻蚀技术形成薄膜和腔体，刻蚀速率不易控制；另外，无法形成较大的质量块，需要额外采用镀铜的方式增加质量块的质量。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片，该芯片将气压传感器与加速度传感器集成在一个芯片中，结构紧凑，性能可靠；且该芯片的制作方法简单，容易控制，成本低，适于大批量生产。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
本实用新型提供的一种气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片，包括作为主体的单晶硅片、以及分别位于所述单晶硅片顶端和底端的玻璃盖板和玻璃底板，所述单晶硅片上集成有气压传感器和加速度传感器，其中,
所述气压传感器包括位于单晶硅片顶端的第一感应硅膜、多个位于所述第一感应硅膜上的第一应力敏感电阻、以及从所述玻璃盖板底端向上嵌入所述玻璃盖板内的第一凹槽，所述第一凹槽位于所述第一感应硅膜之上且能完全覆盖住所述第一感应硅膜，所述第一凹槽与所述单晶硅片的顶端形成一个密封的第一真空腔，所述单晶硅片在第一感应膜之下设有下端开口的第一空腔，所述玻璃底板上设有上下贯通的气体导入孔，所述气体导入孔与所述第一空腔连通，所述多个第一应力敏感电阻连接成压力检测电路；
所述加速度传感器包括质量块、与所述质量块一端连接的弹性悬臂梁、位于所述弹性悬臂梁上的多个第二应力敏感电阻、以及从所述玻璃盖板底端向上嵌入所述玻璃盖板内的第二凹槽，所述弹性悬臂梁位于所述单晶硅片顶端，所述第二凹槽位于所述质量块和弹性悬臂梁之上且能完全覆盖住所述质量块和弹性悬臂梁，所述单晶硅片在质量块和弹性悬臂梁之下设有下端开口的第二空腔，所述第二空腔的底端经过所述玻璃底板密闭，所述第二空腔与所述第二凹槽通过质量块周围的间隙连通为一个整体式的密封的第二真空腔，所述多个第二应力敏感电阻连接成加速度检测电路；所述压力检测电路和加速度检测电路通过引线和焊盘引出单晶硅片外。
作为上述技术方案的进一步优化，所述玻璃底板的气体导入孔被第一空腔覆盖且位于所述第一感应硅膜的中心位置处。
作为上述技术方案的进一步优化，所述压力检测电路为四个等阻值的第一应力敏感电阻连接组成惠斯通电桥。
作为上述技术方案的进一步优化，所述加速度检测电路为四个等阻值的第二应力敏感电阻连接组成惠斯通电桥。
作为上述技术方案的进一步优化，所述单晶硅片为N型(100)晶面的单晶硅片。
作为上述技术方案的进一步优化，所述质量块向下凸出且所述质量块呈上大下小的梯形块。
作为上述技术方案的进一步优化，所述单晶硅片与所述玻璃盖板和玻璃底板均通过阳极键合。
本实用新型还提供了上述气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片的制作方法，包括如下步骤：
（1）双面抛光单晶硅片并清洗；采用光刻胶做掩膜，采用离子注入淡硼的方法在单晶硅片上制作多个第一应力敏感电阻以及多个第二应力敏感电阻的电阻条，电阻条沿着<111>晶向；
（2）在单晶硅片顶端上与玻璃盖板的阳极键合区域以及每根电阻条的两端区域为浓硼区，对浓硼区采用离子注入的方法注入浓硼形成浓硼导线；
（3）采用低压化学气相沉积法依次在单晶硅片顶端生长一层二氧化硅层和一层氮化硅层作为绝缘层；
（4）以光刻胶为掩膜，采用反应离子刻蚀工艺，去除单晶硅片顶端上的欧姆接触区、引线孔以及阳极键合区域内的氮化硅层和二氧化硅层；然后溅射金属铝，以光刻胶为掩膜，湿法腐蚀多余铝，形成引线和焊盘；
（5）采用二次掩膜法湿法腐蚀单晶硅片的背腔，从而制作形成所需的第一感应硅膜、质量块，具体过程如下：
（5.1）同样采用低压化学气相沉积法的方法在单晶硅片底端依次生长二氧化硅层和氮化硅层，以光刻胶为掩膜，采用反应离子刻蚀工艺去除所需第一空腔和第二空腔所对应区域的氮化硅只留下二氧化硅层；然后在第二空腔对应的二氧化硅层中，以光刻胶为掩膜，采用反应离子刻蚀工艺去除位于质量块四周的四个矩形条区域的二氧化硅，位于质量块四周的四个矩形条区域露出单晶硅片来，形成一次掩膜；
（5.2）利用一次掩膜，采用四甲基氢氧化铵或氢氧化钾对单晶硅片进行各向异性腐蚀，腐蚀速率由四甲基氢氧化铵或氢氧化钾腐蚀液的浓度和温度调控，使得位于质量块四周的四个矩形条区域形成V型槽，深度不再增加；第一空腔所对应的区域由于有二氧化硅的存在没有被腐蚀；
（5.3）采用氢氟酸腐蚀一次掩膜露出的二氧化硅层使该区域露出单晶硅片来，形成二次掩膜，二次掩膜的无掩膜区域对应单晶硅片上所需第一空腔和第二空腔的区域；利用二次掩膜，采用四甲基氢氧化铵或氢氧化钾继续对单晶硅片进行各向异性腐蚀，从而形成了气压传感器的第一空腔，第一空腔的底面形成一个平面，作为气压传感器的第一感应硅膜，以及形成了加速度传感器凸起的质量块；
（6）采用反应离子刻蚀工艺刻蚀单晶硅片底端的氮化硅层，然后用氢氟酸漂去二氧化硅层，从而实现玻璃与单晶硅片的直接键合；
（7）采用机械加工方法加工玻璃底板对应的气体导入孔，然后将单晶硅片与玻璃底板阳极键合，使得玻璃底板的气体导入孔与单晶硅片的第一空腔相通；
（8）采用感应耦合等离子体刻蚀工艺释放质量块，与质量块周围相连接的硅薄膜便部分镂空形成弹性悬臂梁结构；
（9）采用机械加工方法加工玻璃盖板对应的第一凹槽和第二凹槽，然后将单晶硅片与玻璃盖板阳极键合，使第一凹槽完全覆盖住第一感应硅膜，第二凹槽完全覆盖住质量块和弹性悬臂梁，第二凹槽与第二空腔连通为一个整体式的密封的第二真空腔。
作为上述气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片的制作方法的优选实施方式，所述玻璃底板与单晶硅片键合后，其气体导入孔被所述第一空腔覆盖且位于所述第一感应硅膜的中心位置处。
作为上述气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片的制作方法的优选实施方式，所述单晶硅片为N型(100)晶面的单晶硅片。
本实用新型相比现有技术具有以下优点：
本实用新型提供的气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片，采用独特的玻璃-硅片-玻璃三明治结构，将气压传感器与加速度传感器采用同一套工艺集成在一个芯片中，尺寸小，结构紧凑，内部电路通过引线和焊盘引出，便于与ASIC引线键合及封装成单一芯片；用于TPMS系统中，可同时完成对气压和加速度各参数的检测，采用单晶硅片，灵敏度高，可靠性及稳定性好。该芯片的制作方法采用独特的二次掩膜方法湿法腐蚀单晶硅片的背腔，同时形成气压传感器的第一感应硅膜、以及加速度传感器的质量块和弹性悬臂梁，可直接形成较大质量的质量块，无需额外采用镀铜或其他方式来增加质量块的质量，采用同一套工艺同时完成气压传感器及加速度传感器的制作，且制作工艺简单，容易控制，成本低，适于大批量生产。
附图说明
图1是气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片外观结构示意图。
图2是气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片的正面纵剖结构示意图。
图3是压力检测电路及加速度检测电路示意图。
图4是玻璃盖板立体结构示意图。
图5是玻璃底板立体结构示意图。
图6是压力检测电路及加速度检测电路在单晶硅片顶端的布局图。
图7是二次掩膜法所采用的一次掩膜。
图8是二次掩膜法所采用的二次掩膜。
图9是采用二次掩膜法后所得到的单晶硅片立体结构示意图。
具体实施方式
下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1、图2、图4、图5、图9，本实用新型提供的一种气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片，包括作为主体的单晶硅片2、以及分别位于单晶硅片2顶端和底端的玻璃盖板1和玻璃底板3，单晶硅片2为N型(100)晶面的单晶硅片，单晶硅片2与玻璃盖板1和玻璃底板3均通过阳极键合。单晶硅片2上集成有气压传感器和加速度传感器，其中,
气压传感器包括位于单晶硅片2顶端的第一感应硅膜21、多个位于第一感应硅膜21上的第一应力敏感电阻R1、以及从玻璃盖板1底端向上嵌入玻璃盖板1内的第一凹槽11，第一凹槽11位于第一感应硅膜21之上且能完全覆盖住第一感应硅膜21，第一凹槽11与单晶硅片2的顶端形成一个密封的第一真空腔，单晶硅片2在第一感应膜21之下设有下端开口的第一空腔24。玻璃底板3上设有上下贯通的气体导入孔31，气体导入孔31与第一空腔24连通，玻璃底板3的气体导入孔31被第一空腔24覆盖且位于第一感应硅膜21的中心位置处，从而保证了气压传感器检测的准确性。多个第一应力敏感电阻R1连接成压力检测电路；
加速度传感器包括质量块23、与质量块23一端连接的弹性悬臂梁22、位于弹性悬臂梁22上的多个第二应力敏感电阻R2、以及从玻璃盖板1底端向上嵌入玻璃盖板1内的第二凹槽12，弹性悬臂梁22位于单晶硅片2顶端，质量块23向下凸出且质量块23呈上大下小的梯形块。第二凹槽12位于质量块23和弹性悬臂梁22之上且能完全覆盖住质量块23和弹性悬臂梁22，单晶硅片2在质量块23和弹性悬臂梁22之下设有下端开口的第二空腔25，第二空腔25的底端经过玻璃底板3密闭，第二空腔25与第二凹槽12通过质量块23周围的间隙连通为一个整体式的密封的第二真空腔，多个第二应力敏感电阻R2连接成加速度检测电路。
参见图3、图6，压力检测电路为四个等阻值的第一应力敏感电阻R1连接组成惠斯通电桥。加速度检测电路为四个等阻值的第二应力敏感电阻R2连接组成惠斯通电桥。压力检测电路和加速度检测电路通过引线和焊盘26引出单晶硅片2外。图3中，4脚为电源输入的正极，2脚和6脚分别为电源输入的负极；气压传感器的四个第一应力敏感电阻R1分布在第一感应硅膜21上，当第一感应硅膜21的两侧存在压差时，第一感应硅膜21发生形变，根据硅的压阻效应，四个第一应力敏感电阻R1的阻值将发生变化，通过测量1脚和3脚的电压差即可推算出气压的大小。加速度传感器的四个第二应力敏感电阻R2分布在弹性悬臂梁22上，当存在加速度时，质量块23受力使得弹性悬臂梁22弯曲变形，根据硅的压阻效应，四个第二应力敏感电阻R2的阻值将发生变化，通过测量5脚和7脚的电压差即可推算出加速度的大小。
本实用新型提供的气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片，采用独特的玻璃-硅片-玻璃三明治结构，将气压传感器与加速度传感器采用同一套工艺集成在一个芯片中，尺寸小，结构紧凑，内部电路通过引线和焊盘26引出，便于与ASIC引线键合及封装成单一芯片；用于TPMS系统中，可同时完成对气压和加速度各参数的检测，采用单晶硅片2，灵敏度高，可靠性及稳定性好。
本实用新型还提供了上述的气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片的制作方法，包括如下步骤：
（1）单晶硅片2优先选取N型(100)晶面的单晶硅片，双面抛光单晶硅片2并清洗；采用光刻胶做掩膜，对图6中的电阻条位置采用离子注入淡硼的方法在单晶硅片2上制作多个第一应力敏感电阻R1以及多个第二应力敏感电阻R2的电阻条，电阻条沿着<111>晶向；
（2）在单晶硅片2顶端上与玻璃盖板1的阳极键合区域以及每根电阻条的两端区域为浓硼区，对浓硼区采用离子注入的方法注入浓硼形成浓硼导线。在电阻条的两端注入浓硼是为了实现铝电极与电阻条之间形成欧姆接触；由于玻璃盖板与单晶硅片的阳极键合处不能布置铝导线，所以在此区域对硅片进行浓硼掺杂形成浓硼导线。
（3）采用低压化学气相沉积法依次在单晶硅片2顶端生长一层二氧化硅层和一层氮化硅层作为绝缘层；
（4）以光刻胶为掩膜，采用反应离子刻蚀工艺，去除单晶硅片2顶端上的欧姆接触区、引线孔以及阳极键合区域内的氮化硅层和二氧化硅层；然后溅射金属铝，以光刻胶为掩膜，湿法腐蚀多余铝，形成引线和焊盘26；
（5）采用二次掩膜法湿法腐蚀单晶硅片2的背腔，从而制作形成所需的第一感应硅膜21、质量块23，具体过程如下：
（5.1）同样采用低压化学气相沉积法的方法在单晶硅片2底端依次生长二氧化硅层和氮化硅层，参见图7，以光刻胶为掩膜，采用反应离子刻蚀工艺去除所需的第一空腔24和第二空腔25所对应区域的氮化硅只留下二氧化硅层；然后在第二空腔25对应的二氧化硅层中，以光刻胶为掩膜，采用反应离子刻蚀工艺去除位于所需质量块23四周的四个矩形条27区域的二氧化硅，位于质量块23四周的四个矩形条27区域露出单晶硅片2来，构成无掩膜区域，从而形成一次掩膜；
（5.2）利用一次掩膜，采用四甲基氢氧化铵或氢氧化钾对单晶硅片2进行各向异性腐蚀，腐蚀速率由四甲基氢氧化铵或氢氧化钾腐蚀液的浓度和温度调控，使得位于质量块23四周的四个矩形条27区域（即图7中的无掩膜区域）形成V型槽，深度不再增加；第一空腔24所对应的区域由于有二氧化硅的存在没有被腐蚀；
（5.3）参见图8，采用氢氟酸腐蚀一次掩膜露出的二氧化硅层使该区域露出单晶硅片2来，形成二次掩膜，图8中二次掩膜的无掩膜区域对应单晶硅片2上所需第一空腔24和第二空腔25的区域；利用二次掩膜，采用四甲基氢氧化铵或氢氧化钾继续对单晶硅片2进行各向异性腐蚀，从而形成了气压传感器的第一空腔24，第一空腔24的底面形成一个平面，作为气压传感器的第一感应硅膜21，以及形成了加速度传感器凸起的质量块23；采用二次掩膜法湿法腐蚀单晶硅片2的背腔后，所得到的单晶硅片2的立体结构如图9所示。
（6）采用反应离子刻蚀工艺刻蚀单晶硅片2底端的氮化硅层，然后用氢氟酸漂去二氧化硅层，从而实现玻璃与单晶硅片2的直接键合；
（7）采用机械加工方法加工玻璃底板3对应的气体导入孔31，然后将单晶硅片2与玻璃底板3阳极键合，使得玻璃底板3的气体导入孔31与单晶硅片2的第一空腔24相通；作为优选，玻璃底板3与单晶硅片2键合后，其气体导入孔31被第一空腔24完全覆盖且位于第一感应硅膜21的中心位置处；
（8）采用感应耦合等离子体刻蚀工艺释放质量块23，与质量块23周围相连接的硅薄膜便部分镂空形成弹性悬臂梁22结构；
（9）采用机械加工方法加工玻璃盖板1对应的第一凹槽11和第二凹槽12，然后将单晶硅片2与玻璃盖板1阳极键合，使第一凹槽11完全覆盖住第一感应硅膜21，第二凹槽12完全覆盖住质量块23和弹性悬臂梁22，第二凹槽12与第二空腔25连通为一个整体式的密封的第二真空腔。
该芯片的制作方法采用独特的二次掩膜方法湿法腐蚀单晶硅片2的背腔，同时形成气压传感器的第一感应硅膜21、以及加速度传感器的质量块23和弹性悬臂梁22，可直接形成较大质量的质量块23，无需额外采用镀铜或其他方式来增加质量块23的质量，即采用同一套工艺同时完成气压传感器及加速度传感器的制作，且制作工艺简单，容易控制，成本低，适于大批量生产。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片，其特征在于：包括作为主体的单晶硅片、以及分别位于所述单晶硅片顶端和底端的玻璃盖板和玻璃底板，所述单晶硅片上集成有气压传感器和加速度传感器，其中,
所述气压传感器包括位于单晶硅片顶端的第一感应硅膜、多个位于所述第一感应硅膜上的第一应力敏感电阻、以及从所述玻璃盖板底端向上嵌入所述玻璃盖板内的第一凹槽，所述第一凹槽位于所述第一感应硅膜之上且能完全覆盖住所述第一感应硅膜，所述第一凹槽与所述单晶硅片的顶端形成一个密封的第一真空腔，所述单晶硅片在第一感应膜之下设有下端开口的第一空腔，所述玻璃底板上设有上下贯通的气体导入孔，所述气体导入孔与所述第一空腔连通，所述多个第一应力敏感电阻连接成压力检测电路；
所述加速度传感器包括质量块、与所述质量块一端连接的弹性悬臂梁、位于所述弹性悬臂梁上的多个第二应力敏感电阻、以及从所述玻璃盖板底端向上嵌入所述玻璃盖板内的第二凹槽，所述弹性悬臂梁位于所述单晶硅片顶端，所述第二凹槽位于所述质量块和弹性悬臂梁之上且能完全覆盖住所述质量块和弹性悬臂梁，所述单晶硅片在质量块和弹性悬臂梁之下设有下端开口的第二空腔，所述第二空腔的底端经过所述玻璃底板密闭，所述第二空腔与所述第二凹槽通过质量块周围的间隙连通为一个整体式的密封的第二真空腔，所述多个第二应力敏感电阻连接成加速度检测电路；所述压力检测电路和加速度检测电路通过引线和焊盘引出单晶硅片外。
2.根据权利要求1所述的气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片，其特征在于：所述玻璃底板的气体导入孔被第一空腔覆盖且位于所述第一感应硅膜的中心位置处。
3.根据权利要求1所述的气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片，其特征在于：所述压力检测电路为四个等阻值的第一应力敏感电阻连接组成惠斯通电桥。
4.根据权利要求1所述的气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片，其特征在于：所述加速度检测电路为四个等阻值的第二应力敏感电阻连接组成惠斯通电桥。
5.根据权利要求1所述的气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片，其特征在于：所述单晶硅片为N型(100)晶面的单晶硅片。
6.根据权利要求1至5任一所述的气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片，其特征在于：所述质量块向下凸出且所述质量块呈上大下小的梯形块。
7.根据权利要求6所述的气压与加速度传感器相集成的MEMS芯片，其特征在于：所述单晶硅片与所述玻璃盖板和玻璃底板均通过阳极键合。
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