CN205449349U - 一种mems多晶硅纳米膜压力传感器芯片 - Google Patents
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Abstract
一种MEMS多晶硅纳米膜压力传感器芯片，涉及一种传感器芯片，本实用新型传感器芯片，包括单晶硅衬底(1),在硅衬底上设置剖面为平坦型多晶硅的感压膜（4）,以二氧化硅为牺牲层在感压膜和衬底之间形成的密闭空腔(2)，在感压膜（4）上表面设有四个多晶硅纳米膜力敏电阻（5），力敏电阻（5）、感压膜（4）与金属导线之间为绝缘层（7）隔离，四个力敏电阻（5）通过金属导线连接成惠斯通电桥，将压力转换成电压输出，感压膜（4）边缘外设置有密封的腐蚀孔（3）。本实用新型具有线性度和灵敏度高、工作温度范围宽、过载能力强、工艺简单和成本低等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种传感器芯片，特别是涉及一种MEMS多晶硅纳米膜压力传感器芯片。
背景技术
MEMS(微机电系统)压力传感器是利用半导体材料的压阻效应和良好的弹性，用集成电路工艺和微机械加工技术制备的传感器。具有体积小和灵敏度高的优点，是应用最为广泛的传感器之一。MEMS压力传感器主要分为电容式和压阻式，电容式由于工艺复杂，工艺稳定性要求高，因此，全球90％以上MEMS压力传感器都为硅压阻式。
硅压阻式压力传感器按加工工艺分为体硅微机械和面微机械加工技术两种。体硅微机械（也称扩散硅）技术特点是工艺成熟，但不易小型化和集成化。表面微机械加工技术（也称牺牲层技术）特点是成本低、易集成和小型化。随着智能手机、平板电脑、可穿戴设备的兴起，以及较为成熟的汽车电子和工业控制领域的巨大市场对小型和集成化传感器的需求，面微机械压力传感器蓬勃发展。
通常，面微机械压力传感器按结构分为平坦型和台阶型两种。平坦型压力传感器密闭空腔是由对单晶硅衬底刻蚀的凹槽与平坦的多晶硅膜构成，台阶型压力传感器密闭空腔是由单晶硅衬底与凸型（感压面与支撑面构成）的多晶硅膜构成。平坦型线性度好，台阶型灵敏度高。
面微机械加工的压力传感器力敏电阻一般采用普通多晶硅薄膜电阻（膜厚大于0.3μm），该电阻温度特性好，但灵敏度较扩散硅压力传感器低，因此，普通多晶硅薄膜制约了面微机械半导体压力传感器优越结构性能。
多晶硅纳米膜是膜厚接近或小于100nm的多晶硅薄膜。厚度为80nm～100nm多晶硅纳米薄膜在掺杂浓度为3×1020cm-3附近时具有显著的隧道压阻效应，表现出比常规多晶硅纳米薄膜更优越的压阻特性，应变因子可达到34，比普通多晶硅薄膜高25%以上；电阻温度系数可小于10-4/℃，比普通薄膜小接近一个数量级；应变因子温度系数可小于10-3/℃，比普通薄膜小一倍以上。该材料在体硅压力传感器中应用比普通多晶硅薄膜比较灵敏度明显改善。
为了提高传感器灵敏度，人们采用在SOI芯片上，以外延生长单晶硅为结构层，以SOI的二氧化硅为牺牲层，扩散硅为力敏电阻制造压力传感器。但由于采用SOI芯片，成本比单晶硅芯片大幅增加。
当前，面微机械压力传感器存在如下问题：
（1）由于面微机械压力传感器体积小和感压膜薄，线性度稍差；
（2）面微机械压力传感器通常采用普通多晶硅薄膜力敏电阻，与扩散硅相比，温度特性好但灵敏度比低。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种MEMS多晶硅纳米膜压力传感器芯片，该芯片采用平坦型面微机械结构，使传感器的成本低、线性度高；采用多晶硅纳米薄膜作为力敏电阻提高了灵敏度和温度特性好;制备工艺与集成电路完全兼容，易集成化；采用合适腔体高度，提高过载能力；采用绝缘介质隔离扩大了工作温度范围。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
一种MEMS多晶硅纳米膜压力传感器芯片，所述芯片包括单晶硅衬底，在单晶硅衬底上设置剖面为平坦型的感压膜，感压膜与单晶硅衬底相连并在二者之间构成密闭空腔，感压膜边缘外四周设置有腐蚀孔，在感压膜上面设有四个力敏电阻，四个力敏电阻通过金属导线连接成惠斯通电桥，将压力转换成电压输出。
所述的MEMS多晶硅纳米膜压力传感器芯片，感压膜与力敏电阻之间设有绝缘层。
所述的MEMS多晶硅纳米膜压力传感器芯片，感压膜为多晶硅，其俯视形状为矩形或圆形。
所述的MEMS多晶硅纳米膜压力传感器芯片，力敏电阻为P型多晶硅纳米膜电阻。
本实用新型的优点与效果是：
1.本实用新型是一种测量绝压的面微机械结构压力传感器芯片，目的是提高传感器线性度、灵敏度和过载能力。
2.本实用新型压力传感器芯片采用平坦型面微机械结构，使传感器的成本低、线性度高；采用多晶硅纳米薄膜作为力敏电阻提高了灵敏度和温度特性好;制备工艺与集成电路完全兼容，易集成化；采用合适腔体高度，提高过载能力；采用绝缘介质隔离扩大了工作温度范围。
附图说明
图1是本实用新型传感器俯视图；
图2是本实用新型传感器剖面图；
图3是本实用新型传感器电路连接图。
其中：1.单晶硅衬底，2.空腔，3.腐蚀孔，4.感压膜，5.力敏电阻，6.金属导线，7.绝缘层,101.第一层多晶硅，102.第二层多晶硅。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型进行详细说明。
本实用新型包括单晶硅衬底，在单晶硅衬底上设置剖面为平坦型的感压膜，感压膜与单晶硅衬底相连并在二者之间构成密闭空腔，感压膜边缘外四周设置有腐蚀孔，在感压膜上面设有四个力敏电阻，四个力敏电阻通过金属导线连接成惠斯通电桥，将压力转换成电压输出。
感压膜、力敏电阻与金属层之间设有绝缘层；空腔中近似真空；感压膜为多晶硅，其俯视形状为矩形或圆形；力敏电阻为多晶硅纳米薄膜电阻。
实施例1：
本实用新型的主要结构由硅衬底、感压膜、腔体、力敏电阻、绝缘层和金属线构成，如图1和图2所示。制作方法为：首先，采用热氧化后腐蚀的方法在硅衬底上形成凹槽，在凹槽中淀积二氧化硅为牺牲层，再淀积第一层多晶硅并刻蚀腐蚀孔，用氢氟酸通过腐蚀孔去掉牺牲层。然后，淀积第二层多晶硅封闭腐蚀孔并与第一层多晶硅构成感压膜，感压膜和硅衬底构成封闭腔体，近似为真空。在感压膜上淀积一层二氧化硅作为绝缘层，再淀积90nm厚多晶硅，采用硼离子注入和刻蚀技术形成四个力敏电阻，淀积二氧化硅为绝缘层，刻蚀接触孔，溅射铝并刻蚀形成金属导线。测量时，将四个力敏电阻连接成惠斯通电桥，构成压力测量电路，电路采用恒压源或恒流源供电,如图3所示。
当压力作用时，传感器膜片都发生弯曲，膜片应变作用于力敏电阻产生压阻效应，惠斯通电桥输出差动电压信号与压力值对应。当压力在传感器量程范围时，传感器输出与压力成线性关系的电压值，当压力超过量程达某一值时，传感器的感压膜与衬底接触，减缓膜片应力随压力变化趋势，保证大压力下膜片不断裂，提高过载能力。
通过改变本实用新型传感器膜片厚度和膜片尺寸，可设计出各种量程的压力传感器。
本实用新型可广泛用于智能电子产品、物联网、环境控制压力测量以及航空系统、石化、电力等领域中的压力测量。
Claims (4)
1.一种MEMS多晶硅纳米膜压力传感器芯片，其特征在于：所述芯片包括单晶硅衬底（1），在单晶硅衬底（1）上设置剖面为平坦型的感压膜（4），感压膜（4）与单晶硅衬底（1）相连并在二者之间构成密闭空腔（2），感压膜（4）边缘外四周设置有腐蚀孔（3），在感压膜（4）上面设有四个力敏电阻（5），四个力敏电阻（5）通过金属导线（6）连接成惠斯通电桥，将压力转换成电压输出。
2.根据权利要求1所述的MEMS多晶硅纳米膜压力传感器芯片，其特征在于：感压膜（4）与力敏电阻（5）之间设有绝缘层。
3.根据权利要求1所述的MEMS多晶硅纳米膜压力传感器芯片，其特征在于：感压膜（4）为多晶硅，其俯视形状为矩形或圆形。
4.根据权利要求1所述的MEMS多晶硅纳米膜压力传感器芯片，其特征在于：力敏电阻（5）为P型多晶硅纳米膜电阻。
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