CN211696759U - 一种压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种压力传感器，该压力传感器包括自下而上叠至的硅衬底、粘结层、检测电路及硅膜结构，其中，该粘结层中设置空腔，检测电路设置于该硅膜结构朝向该硅衬底的一侧。本实用新型提供的压力传感器能够克服检测电路暴露环境中造成传感器的稳定性降低的问题，以及，避免压力传感器的膜结构的破裂问题。

Description

一种压力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种压力传感器，属于微电子机械技术领域。

背景技术

MEMS(微电子机械系统)压力传感器是利用半导体工艺，如薄膜生长、离子注入、金属溅射、干法刻蚀、湿法腐蚀、晶圆键合工艺、减薄、研磨抛光等工艺，将感应压力的敏感膜等机械结构以及检测电路加工到半导体衬底上而形成的，其具有将看不到摸不着的压力信号转变为易识别、易处理的电学信号的特性，广泛应用于消费类电子、医疗电子、汽车电子、工业控制、石油化工等领域。

目前常见的MEMS压力传感器结构主要有两种，一种是通过各向异性湿法腐蚀工艺和硅-玻璃阳极键合工艺形成具有倒梯形空腔的MEMS压力传感器结构，简称传统结构；另一种是通过高温硅硅键合工艺形成预埋空腔上或预埋空腔绝缘层上硅结构，简称Cavity SOI或C-SOI结构。

图1所示传统结构压力传感器10，包括硅衬底1、位于硅衬底1上的膜结构2、位于膜结构2表面上的检测电路5、位于硅衬底1内的倒梯形空腔3以及位于硅衬底1下方的玻璃基底4。这种传统结构的MEMS压力传感器的劣势在于，独特的倒梯形空腔结构3以及玻璃基底4使得压力传感器10的尺寸大，厚度厚，晶圆的芯片密度小，晶圆利用率低，切割难度增大，切割成本高，同时不利于封装结构的小型化。此外，检测电路5位于膜结构2的上表面，暴露在测量环境中，极易受到测量环境尤其是恶劣环境的影响，导致MEMS压力传感器测量误差增大，严重时可能导致MEMS压力传感器失效甚至损坏。

图2所示C-SOI结构压力传感器20，包括硅衬底1、位于硅衬底1上的膜结构2、位于硅衬底1中的空腔6以及位于膜结构2上的检测电路5。C-SOI结构压力传感器20与传统结构压力传感器10相比，用较浅的空腔6，深度通常为5-10μm，取代了较深的倒梯形空腔3，减少了冗余面积，增加了芯片颗数，提高了晶圆利用率。

但C-SOI结构压力传感器的检测电路5依然暴露在测量环境中、制程中因空腔的存在而导致破膜甚至碎片、一种晶圆只能对应一种量程而导致的灵活性差，成本高等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种新型压力传感器，能够有效的解决上述传统结构和C-SOI结构MEMS压力传感器的存在的问题。

本实用新型提供一种压力传感器，该压力传感器包括自下而上叠至的硅衬底、粘结层、检测电路及硅膜结构，其中，该粘结层中设置空腔，检测电路设置于该硅膜结构朝向该硅衬底的一侧。

作为可选的技术方案，该粘结层为致密二氧化硅层。

作为可选的技术方案，该空腔的深度为1-2μm。

作为可选的技术方案，该硅膜结构上设置镂空部，该检测电路的焊垫自该镂空部中露出。

作为可选的技术方案，该硅膜结构中设置贯孔，该硅膜结构远离该硅衬底的一侧设置引线焊垫，其中，该贯孔的底端对应该检测电路的焊垫，该贯孔的顶端对应该引线焊垫。

作为可选的技术方案，该贯孔中还填充导电材料，该导电材料电性连接该引线焊垫与该检测电路的焊垫。

作为可选的技术方案，该导电材料为铜、铝、钛、钨、多晶硅或者其组合。

作为可选的技术方案，该硅膜结构与该硅衬底通过该粘结层进行低温硅硅键合。

作为可选的技术方案，该低温硅硅键合的温度为小于400℃。

与现有技术相比，本实用新型提供的压力传感器不仅具有C-SOI结构的无冗余面积、全硅结构等优点，还具有以下优点：第一，由于将空腔设置于粘结层中，其深度为1-2um，当远大于压力传感器额定量程的压力作用于压力传感器时，压力传感器膜结构中心变形量极大，当该变形量超过空腔深度时，膜结构塌陷在硅衬底上，限制其继续形变，防止硅膜结构因变形过大而破裂，有效地提高了压力传感器的抗过压能力；第二，将检测电路埋设在硅膜结构和硅衬底之间，因此检测电路与测量环境相互隔离，有效的避免了测量环境对压力传感器的影响；第三，在制程上，检测电路和粘结层先于膜结构和空腔的形成，有效的避免了工艺中的各种破膜甚至碎片风险；第四，由于膜结构形成于检测电路之后，可以根据需要制备不同厚度的膜结构，进而实现所需要的量程，灵活性高，不存在浪费的问题。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述，但不作为对本实用新型的限定。

附图说明

图1为现有的传统结构的压力传感器的剖面示意图。

图2为现有的C-SOI结构压力传感器的剖面示意图。

图3为本实用新型一实施例中的压力传感器的剖面示意图。

图4为图3中的压力传感器的一种引出检测电路的剖面示意图。

图5为图3中的压力传感器的另一种引出检测电路的剖面示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例及附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图3为本实用新型一实施例中的压力传感器的剖面示意图。

如图3所示，本实用新型提供的压力传感器100，属于微机械电子类的压力传感器，具体的，属于微机械电子类的压阻式压力传感器。压力传感器100包括自下而上叠至的硅衬底101、粘结层106以及硅膜结构2，其中，粘结层106上设置空腔103，检测电路105位于硅膜结构102与粘结层106之间。

作为一个具体的实施方式，粘结层106形成于检测电路105之上，为致密的二氧化硅层，其形成温度低于400℃，典型方式为高密度等离子体增强化学气相淀积(HDPECVD)。为了实现能够粘结硅膜结构102与硅衬底101的目的，粘结层106需要通过如化学机械研磨抛光(CMP)等工艺进行抛光使其平坦化，并通过如等离子体等对其表面进行活性化激活处理。位于粘结层106上的空腔103通过半导体工艺中的湿法腐蚀工艺或干法刻蚀工艺加工而成，空腔103的深度为2-50μm。空腔103的深度方向与压力传感器100的厚度方向相同。

空腔103形成于粘结层106上，压力传感器100测量压力时，空腔103在用于测量外界的压力。相对于现有的压力传感器10、20中的空腔形成在硅结构层中来讲，空腔103的深度可以较小，这样，当远大于压力传感器额定量程的压力作用于压力传感器100时，压力传感器膜结构的中心变形超过空腔103的深度，因而受到限制，防止膜结构变形过大而破裂，起到提高压力传感器抗压力能力的作用。

于硅膜结构102上预先加工形成检测电路105，检测电路105可通过与集成电路或CMOS工艺相兼容的半导体工艺中如光刻、干法刻蚀、湿法腐蚀、离子注入、薄膜淀积、金属溅射或蒸发镀膜等工艺加工而成。将硅膜结构102形成有检测电路105的一侧与硅衬底101通过粘结层106进行低温硅硅键合，这样检测电路105被夹设于膜结构102与硅衬底101之间。其中，低温是指硅硅键合在低于400℃的温度下进行。

由于检测电路105埋设在硅膜结构102和硅衬底101之间，因此检测电路105与测量环境相互隔离，有效的避免了测量环境对压力传感器100的测量性能的影响，即使在外界环境恶劣的测量环境中，压力传感器100还能稳定进行测量。

此外，硅膜结构102实质上为硅圆片，而预先在硅圆片上形成检测电路105的工艺与传统的IC或者CMOS工艺兼容，技术成熟，便于批量化生产，节约生产成本，同时，还可有效避免制程中因空腔的存在导致的硅膜结构102的破损或碎片的风险。

进一步，在低于400℃的温度进行硅硅键合工艺，有效避免了高温键合下对检测电路105的破坏，同时实现高强度的键合质量和高可靠性的密封效果。高强度的键合质量通过在硅衬底101和粘结层106的结合界面以及硅膜结构102和粘结层106的结合界面处分别形成Si-O-Si共价键实现。

由于硅衬底101和硅膜结构102分别采用硅晶圆片，因此，压力传感器100为全硅结构，芯片整体尺寸小，后续划片切割简单，成本低，有利于小型化封装。

在硅膜结构102与硅衬底101完成低温硅硅键合后，通过减薄工艺，将硅膜结构102背离硅衬底101的一侧减薄至需要的厚度，例如15μm。其中，减薄工艺包括机械减薄、化学机械研磨抛光(CMP)、湿法腐蚀、深硅刻蚀等工艺。

需要说明的是，C-SOI结构的压力传感器，首先要确定压力量程，然后加工对应量程的C-SOI晶圆，灵活性较差；对于本专利所述的压力传感器而言，不同厚度的硅膜结构102对应于不同量程的压力传感器，因此，在硅膜结构102与硅衬底101完成低温硅硅键合后，减薄硅膜结构102便于获得不同压力量程的压力传感器，使得整个工艺制程的灵活性增加，晶圆利用率提高。

另外，上述空腔103和检测电路105的制备均是通过现有的半导体工艺进行制作，固不赘述其详细半导体工艺制程。

压力传感器100的检测电路105被埋设于硅衬底101与硅膜结构102之间，为了将检测电路105中产生的电信号引导至外界的电路板(未图示)上，并被电路板识别，需要对图3中所示的压力传感器100的检测电路105进行引出操作。

图4为图3中的压力传感器的一种引出检测电路的剖面示意图。

如图4所示，压力传感器100’通过半导体工艺中的干法蚀刻工艺或者湿法蚀刻工艺对硅膜结构2进行蚀刻形成镂空部107，检测电路105的焊盘自镂空部107中暴露出来。检测电路105中的焊盘可通过打线封装的方式将检测电路105中的电信号导出。

图5为图3中的压力传感器的另一种引出检测电路的剖面示意图。

如图5所示，压力传感器100’通过半导体工艺中的深蚀刻工艺，在硅膜结构2中贯孔108，贯孔108的底端对应于检测电路105的焊垫，贯孔108的顶端对应引线焊垫110，其中，贯孔108中填充导电材料109，导电材料109电性导通检测电路105的焊垫与引线焊垫110。引线焊垫110通过打线封装的方式将检测电路105中的电信号导出。导电材料109例如是铜、铝、钛、钨或多晶硅等导电材料。

继续参照图4与图5，压力传感器100、100’分别在硅膜结构2中蚀刻出镂空部107或者贯孔108，再经由打线封装的方式将检测电路105中的电信号导出.相较于现有的从硅衬底一侧蚀刻出镂空部或者贯孔，再通过表面贴装SMT或倒装焊接Flip chip的方式将检测电路中的电信号导出，上述从硅膜结构一侧蚀刻形成镂空部或者贯孔，经打线封装的方式导出电信号，具有封装应力小，工艺简单等优势。

本申请还提供一种压力传感器的制备方法，其制备方法包括：

步骤S1：提供第一硅圆片，依次形成检测电路、粘结层于第一硅圆片的一侧；

步骤S2：形成空腔于所述粘结层中，并对粘结层进行平坦化抛光和表面活性化激活处理；

步骤S3：提供第二硅圆片；

步骤S4：低温硅硅键合第一硅圆片与第二硅圆片，使得检测电路夹设于第一硅圆片与第二硅圆片之间；以及

步骤S5：减薄第一硅圆片远离第二硅圆片一侧的厚度；

其中，所述粘结层为致密二氧化硅层，所述低温硅硅键合的温度为小于400℃。

所述制备方法中，对应于压力传感器100，第一硅圆片对应于硅膜结构102，第二硅圆片对应于硅衬底101。

综上，本实用新型提供的压力传感器中将空腔设置于粘结层中，可防止硅膜结构破膜，即，抗过压能力提升；并且，将检测电路埋设在硅膜结构和硅衬底之间，因此检测电路与测量环境相互隔离，有效的避免了测量环境对压力传感器的测量性能的影响，即使在外界环境恶劣的测量环境中，压力传感器还能稳定进行测量。

当然，本实用新型还可有其他多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种压力传感器，其特征在于，

该压力传感器包括自下而上叠至的硅衬底、粘结层、检测电路及硅膜结构，

其中，该粘结层中设置空腔，检测电路设置于该硅膜结构朝向该硅衬底的一侧。

2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，该粘结层为致密二氧化硅层。

3.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，该空腔的深度为1-2μm。

4.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，该硅膜结构上设置镂空部，该检测电路的焊垫自该镂空部中露出。

5.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，该硅膜结构中设置贯孔，该硅膜结构远离该硅衬底的一侧设置引线焊垫，其中，该贯孔的底端对应该检测电路的焊垫，该贯孔的顶端对应该引线焊垫。

6.如权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，该贯孔中还填充导电材料，该导电材料电性连接该引线焊垫与该检测电路的焊垫。

7.如权利要求6所述的压力传感器，其特征在于，该导电材料为金属铜导电材料、金属铝导电材料、金属钛导电材料、金属钨导电材料或者多晶硅导电材料。

8.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，该硅膜结构与该硅衬底通过该粘结层进行低温硅硅键合形成该压力传感器。

9.如权利要求8所述的压力传感器，其特征在于，该低温硅硅键合的温度为小于400℃。

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