CN214693312U - Mems压力芯片 - Google Patents
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Abstract
本申请属于压力传感器领域，涉及一种MEMS压力芯片。该芯片包括：支撑部，具有通腔；感应膜层，悬空于通腔且通过支撑部支撑，感应膜层包括悬空区和搭接区，感应膜层通过搭接区连接于支撑部，悬空区悬空于通腔且悬空区开设有与通腔连通的至少一个应力集中槽；压敏电阻，多个压敏电阻分别设于感应膜层背向支撑部的一侧且分别与应力集中槽对应设置，压敏电阻用于根据感应膜层的形变产生电信号。本申请实施例通过在压敏电阻相对的地方设置应力集中槽，一方面，可以减薄压敏电阻在应力集中槽位置的厚度，提高压敏电阻的灵敏度，另一方面，不需要将压敏电阻整体制备的很薄，降低了制备成本。
Description
技术领域
本申请属于压力传感器领域，涉及一种MEMS压力芯片。
背景技术
MEMS(Micro Electro Mechanical System)即微电子机械系统，是新兴的跨学科的高新技术研究领域。由于MEMS技术制造的压阻式压力传感器体积小，易于集成，性能可靠、可实现非电信号到电信号的转换等优势，已经常用于汽车，航空航天、石化和生物医疗等领域中进行压力测量。根据敏感原理不同，MEMS压力敏感芯片有分为变电容式、压电式以及压阻式，其中又以压阻式MEMS压力敏感芯片的应用最广。
相关技术提供的压力传感器在硅晶圆上制备出压敏电阻结构，并使用金属引线区域或重掺杂硅引线区域将压敏电阻连接成惠斯通电桥结构，再在晶圆背面制备出腔体，使硅晶圆具有一层感压膜层，压敏电阻一般位于膜层的边缘，感压膜在承受压力变形时，感压膜层边缘处产生的应力最大，从而使压敏电阻的阻值发生改变，惠斯通电桥的输出电压也会根据阻值的改变而变化，单位压力变化下产生的输出电压改变即为灵敏度。
但是由于相关技术提供的MEMS压力敏感芯片感压膜层厚度做的非常薄才可以达到MEMS压力敏感芯片的灵敏度要求，但是将感压膜层厚度做的非常薄增加了MEMS压力敏感芯片制备工艺的难度，也使MEMS压力敏感芯片产出的良率不高。
实用新型内容
本实用新型实施例提供了一种MEMS压力芯片，能够减薄压敏电阻在应力集中槽位置的厚度，提高压敏电阻的灵敏度，不需要将压敏电阻整体制备的很薄，降低了制备成本。
第一方面，提供一种MEMS压力芯片，包括：感应膜层，悬空于通腔且通过支撑部支撑，感应膜层包括悬空区和搭接区，感应膜层通过搭接区连接于支撑部，悬空区悬空于通腔且悬空区开设有与通腔连通的至少一个应力集中槽；压敏电阻，多个压敏电阻分别设于感应膜层背向支撑部的一侧且分别与应力集中槽对应设置，压敏电阻用于根据感应膜层的形变产生电信号。
在一种可选地实施例中，沿通腔的贯通方向上、压敏电阻在感应膜层的正投影位于应力集中槽边界范围内；或者，沿通腔的贯通方向上、压敏电阻的正投影与应力集中槽的正投影至少部分重叠。
在一种可选地实施例中，感应膜层具有相背的第一表面和第二表面，第二表面朝向支撑部，应力集中槽由第二表面向感应膜层内部凹陷形成；应力集中槽与搭接区相邻。
在一种可选地实施例中，应力集中槽呈连续环形槽结构；或者，应力集中槽呈盲孔结构，多个应力集中槽相互间隔分布，且多个应力集中槽与多个压敏电阻一一对应。
在一种可选地实施例中，多个压敏电阻通过引线电连接以形成惠斯通电桥；引线包括主线区和通过主线区延伸的引脚，引脚与压敏电阻连接。
在一种可选地实施例中，感应膜层为硅基膜层，压敏电阻与引线为向硅基膜层掺杂导电粒子形成。
在一种可选地实施例中，还包括钝化层，钝化层覆盖感应膜层及压敏电阻设置。
本申请实施例提供的MEMS压力敏感芯片，通过在外界压力的作用下使传感器的感应膜层发生变形，从而使感应膜层上的压敏电阻发生变形，由于压阻效应，压敏电阻的阻值会发生变化，从而转化为对应输出电压的变化，进行压力的测量。由于感应膜层包括悬空区和搭接区，并且悬空区开设有与通腔连通的应力集中槽，多个压敏电阻在感应膜层背向支撑部的一侧与应力集中槽对应设置，一方面，可以减薄感应膜层上压敏电阻位置处的厚度，提高压敏电阻的灵敏度，另一方面，不需要将感应膜层整体制备的很薄，降低了制备成本。
附图说明
从下面结合附图对本实用新型的具体实施方式的描述中可以更好地理解本实用新型，其中：
图1为本申请实施例提供的MEMS压力芯片的平面结构示意图；
图2示出图1中A-A位置处的截面示意图；
图3为本申请实施例提供的MEMS压力敏感芯片结构示意图；
图4为本申请实施例提供的MEMS压力敏感芯片结构示意图。
附图标记说明：
1-支撑部；101-通腔；102-应力集中槽；2-压敏电阻；21-引线；3-感应膜层；31-悬空区；32-搭接区；4-钝化层；5-焊盘；6-连接衬底。
具体实施方式
下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本实用新型的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型的更好的理解。本实用新型决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本实用新型的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本实用新型造成不必要的模糊。
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，可能夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本实用新型的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本实用新型的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本实用新型的主要技术创意。
典型的压力传感器的工作原理是在外界压力的作用下使传感器的感应膜层3发生变形，从而使感应膜层3上通过扩散或者离子注入的方式制备的压敏电阻2发生变形。由于压阻效应，压敏电阻2的阻值会发生变化，从而转化为对应输出电压的变化进行压力的测量。通常压敏电阻2会以惠斯通电桥的方式分布在应变膜的应力集中处，以最大程度的提高压敏效果。
压力传感器的主要性能指标是灵敏度和线性度，但这二者之间存在矛盾，压力测量的灵敏度越高，MEMS压力芯片的感应膜层3越薄，而较薄的应变膜会导致较大的膜挠度，从而导致线性度较低。目前压力传感器主要通过创建应力集中区域来提高灵敏度，然后通过局部刚化的方法来提高线性度，但这些方法依然不能在提高灵敏度的同时保证线性度。并且对于典型的压力传感器而言，通过各向异性湿法腐蚀会导致通腔101的侧面与感应膜层3存在54.7度的倾角，通腔101底部所需要的尺寸远远大于感应膜层3的尺寸，同时芯片的厚度受到感应膜层3厚度的限制无法变薄到理想厚度，从而限制了压力传感器的尺寸和厚度。鉴于此，本申请实施例提供了一种MEMS压力芯片，旨在解决上述技术问题。
请参见图1和图2，图1为本申请实施例提供的MEMS压力芯片结构示意图，图2为本申请实施例提供的MEMS压力芯片平面结构示意图，如图1和图2所示，该芯片包括：支撑部1、感应膜层3以及压敏电阻2，其中，支撑部1具有通腔101；感应膜层3悬空于通腔101且通过支撑部1支撑，感应膜层3包括悬空区31和搭接区32，感应膜层3通过搭接区32连接于支撑部1，悬空区31悬空于通腔101且悬空区31开设有与通腔101连通的至少一个应力集中槽102；多个压敏电阻2分别设于感应膜层3背向支撑部1的一侧且分别与应力集中槽102对应设置，压敏电阻2用于根据感应膜层3的形变产生电信号。
本申请实施例提供的MEMS压力芯片，通过在外界压力的作用下使传感器的感应膜层3发生变形，从而使感应膜层3上的压敏电阻2发生变形，由于压阻效应，压敏电阻2的阻值会发生变化，从而转化为对应输出电压的变化，进行压力的测量。由于感应膜层3包括悬空区31和搭接区32，并且悬空区31开设有与通腔101连通的应力集中槽102，多个压敏电阻2在感应膜层3背向支撑部1的一侧与应力集中槽102对应设置，一方面，可以减薄感应膜层3上压敏电阻2位置处的厚度，提高压敏电阻2的灵敏度，另一方面，不需要将感应膜层3整体制备的很薄，降低了制备成本。
需要说明的是，由于感应膜层3的厚度决定了MEMS压力芯片的灵敏度，因此，感应膜层3可以根据实际需要做的很薄，以使压力传感器具有较高的灵敏度，当外部环境温度变化时，感应膜层3不易受热变形，能够改善MEMS压力芯片输出的温飘性能。
本申请实施例提供的支撑部1具有通腔101，支撑部1的形状可以根据MEMS压力芯片的具体结构进行确定。作为一种示例，当MEMS压力芯片为矩形结构时，支撑部1可以为沿该矩形MEMS压力芯片的四周设置的矩形支撑结构，支撑结构的中间为镂空状，以形成通腔101。
在一种可选地实施例中，支撑部1的通腔101可以为沿感应膜层3至通腔101开口的方向直径逐渐增大，即支撑部1的内壁为倾斜状，由此形成内径逐渐增大的通腔101，如此，可以节省支撑部1的制备材料，降低制作成本。支撑部1的通腔101也可以为等径的通腔101，即通腔101的直径不发生变化。通腔101的内径可以根据MEMS压力芯片的需要进行确定，本申请实施例对此不做限定。本申请实施例提供的支撑部1可以为通过对第二晶圆进行刻蚀得到。
感应膜层3包括悬空区31和搭接区32，其中感应膜层3通过搭接区32连接于支撑部1，作为一种示例，感应膜层3的搭接区32与支撑部1之间可以通过键合的方式连接，即感应膜层3的搭接区32为通过硅晶圆形成，支撑部1也可以通过硅晶圆形成，进而感应膜层3的搭接区32与支撑部1之间可以通过键合的方式连接。通过在悬空区31悬空于通腔101且悬空区31开设有与通腔101连通的应力集中槽102，当压力芯片受到压力时，使感应膜层3上的压敏电阻2发生变形，由于压阻效应，压敏电阻2的阻值会发生变化，从而转化为对应输出电压的变化，进行压力的测量。由于压敏电阻2与应力集中槽102对应设置，因此，减薄了压敏电阻2位置处感应膜层3的厚度，提高了压敏电阻2的感应效果，提高压力芯片测量结果的准确性。
在一些可选的实施例中，沿通腔101的贯通方向上、压敏电阻2在感应膜层3的正投影位于应力集中槽102边界范围内；或者，
沿通腔101的贯通方向上、压敏电阻2的正投影与应力集中槽102的正投影至少部分重叠。
可以理解的是，当芯片受到压力时，压敏电阻2受力发生形变，因此，当与压敏电阻2连接的感应膜层3越薄时，压敏电阻2受到的压力越明显，压敏电阻2向压力传感器传递的作用力也越精确，提高了MEMS压力芯片的测量精度。因此，通过设置压敏电阻2的正投影位于应力集中槽102边界范围内，以减小压敏电阻2位置处的感应膜层3的厚度，提高压敏电阻2的压力感应力。或者可以根据需要设置压敏电阻2的正投影与应力集中槽102的正投影相重合，既可以减小压敏电阻2位置处的感应膜层3的厚度，提高压敏电阻2的压力感应力，还可以降低MEMS压力芯片的制作难度。考虑到MEMS压力芯片的制作难度，也可以沿通腔101的贯通方向上、压敏电阻2的正投影与应力集中槽102的正投影至少部分重叠。
在一些可选的实施例中，感应膜层3具有相背的第一表面和第二表面，第二表面朝向支撑部1，应力集中槽102由第二表面向感应膜层3内部凹陷形成；应力集中槽102与搭接区32相邻。
应力集中槽102可以通过对感应膜层3的第二表面进行图案化刻蚀得到，应力集中槽102的深度可以根据具体MEMS压力芯片结构需要进行刻蚀、需要说明的是，由于应力集中槽102的深度越深，感应膜层3在此处的厚度就越薄，此处所接收到的感应力就越明显，MEMS压力芯片测量到的压力数值就越准确。
在一些可选的实施例中，应力集中槽102呈连续环形槽结构；或者，
应力集中槽102呈盲孔结构，多个应力集中槽102相互间隔分布，且多个应力集中槽102与多个压敏电阻一一对应。
本申请实施例提供的应力集中槽102开设在悬空区31，且应力集中槽102与通腔101连通，如此，可以减小与压敏电阻2连接的感应膜层3处的厚度，提高压敏电阻2的感应能力。应力集中槽102呈盲孔结构，可以在主体部31与搭接部32之间间隔设置，即只在设置有压敏电阻2的位置设置应力集中槽102，提高压敏电阻2的感应效果，也可以降低MEMS压力芯片的工艺制作难度。作为一种示例，应力集中槽102在悬空区31间隔设置，可以是根据制作工艺间隔预设距离设置，例如，当芯片结构较小，制作工艺难度较大时，应力集中槽102设置距离可以较大，只在与压敏电阻2连接的感应膜层3处设置应力集中槽102。当MEMS压力芯片结构较大时，应力集中槽102设置距离可以较小，以进一步减小感应膜层3的厚度，能够显著的改善MEMS压力芯片对微小量程压力变化进行测量时的性能指标，提高MEMS压力的感应效果。
在一些可选的实施例中，多个压敏电阻2通过引线21电连接以形成惠斯通电桥；
引线21包括主线区和通过主线区延伸的引脚，引脚与压敏电阻2连接。
请一并参见图2，图2为本申请实施例提供的图1中A-A位置处的截面示意图，从图2中可以看到本申请实施例中的引线包括主线区和通过主线区延伸的引脚，该主线区通过向感应膜层3掺杂P型导电粒子，以形成P型掺杂区域，将该P型掺杂区域作为本申请实施例中的主线区，通过延伸出的引脚与压敏电阻2连接。本申请实施例提供的主线区可以沿压敏电阻2的周围设置，每个压敏电阻2通过引脚与主线区连接。需要说明的是，本申请实施例提供的主线区也可以根据需要将主线区的区域面积减小，或根据需要增大主线区的面积。
本申请实施例提供的MEMS压力芯片，通过在第一晶圆上开设应力集中槽102，并将第二晶圆与第一晶圆具有应力集中槽102的一面键合，即应力集中槽102位于第一晶圆与第二晶圆之间，通过对第一晶圆进行减薄和抛光处理，得到感应膜层3，在感应膜层3上制备压敏电阻2，并通过P型重掺杂区域，即本申请实施例提供的引线21将压敏电阻2引出芯片外与外接电源连接。
压敏电阻2通过引线21电连接为惠斯通电桥，压敏电阻2与应力集中槽102连接，当芯片受到压力时可以更好的感受压力，将压力变化通过惠斯通电桥进行传递。
本申请实施例提供的MEMS压力芯片，通过设置应力集中槽102，当压敏电阻2在受到挤压时，由于应力集中槽102与压敏电阻2的位置对应，进而使得感应膜层3的厚度减小，提高芯片的灵敏度。
在一种可选地实施例中，感应膜层3为硅基膜层，压敏电阻2与引线21向硅基膜层掺杂导电粒子形成者。本申请实施例提供的压敏电阻2为通过P型轻掺杂形成，通过P型重掺杂形成引线21。
在一种可选地实施例中，还包括钝化层4和焊盘5，钝化层4覆盖感应膜层3及压敏电阻2设置，焊盘5与压敏电阻2过孔连接。MEMS压力芯片还可以包括钝化层4，钝化层4位于感应膜层3上，且覆盖压敏电阻2。可选地，钝化层4可以由氧化硅或氮化硅组成，也可以为氧化硅和氮化硅的复合膜层。本申请实施例对钝化层4的组成不限于此。在得到感应膜层3之后在感应膜层3上制备一层钝化层4，钝化层4覆盖压敏电阻2。覆盖支撑部1的钝化层4设置有使至少部分引线21暴露的连接孔，连接孔内形成有与引线21连接的焊盘5。本申请实施例提供的芯片，在对第一晶圆进行减薄抛光之后得到压敏电阻2，并在压敏电阻2上制备P型重掺杂区域作为引线21，在钝化层4上制备焊盘5，作为芯片输入输出的端口，焊盘5可以为金属焊盘5。
可选地，焊盘5的材料可以为选用Al、Cu、Ti、Ni、Ta、Au、Pt等金属中的一种或几种的组合。
请参阅图3和图4，图3示出本实用新型另一实施例提供的MEMS压力芯片的结构示意图。图4示出本实用新型另一实施例提供的MEMS压力芯片的结构示意图。
在一种可选地实施例中，为进一步提高MEMS压力芯片的温飘、时飘稳定性，支撑部1远离感应膜层3的一面设置有连接衬底6，连接衬底6与支撑部1、感应膜层3形成封闭或半封闭空间。
需要说明的是，连接衬底6可以为玻璃衬底，连接衬底6可以是通过阳极键合工艺与支撑部1接合。当支撑部1与玻璃衬底之间形成封闭空间时，支撑部1与玻璃衬底之间形成真空封闭腔，压敏电阻2感受到的压力是外界的绝对压力。当支撑部1与玻璃基底之间是半封闭时，压敏电阻2感受到的压力是相对压力。也就是说通过本申请实施例提供的芯片可以测量MEMS压力芯片受到的相对压力和绝对压力。即可以测量MEMS压力芯片的绝对压力和相对压力差，得到压力差，通过压力差反映MEMS压力受到的压力。如此，提高了MEMS压力芯片的测量精度。玻璃衬底与支撑部1之间键合在一起，结构稳定性好，使得MEMS压力芯片的基底牢固，不会受到外界的影响。
但是，需要明确，本实用新型并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本实用新型的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本实用新型的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本实用新型的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
本实用新型可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本实用新型的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本实用新型的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本实用新型的范围之中。
本领域技术人员应能理解，上述实施例均是示例性而非限制性的。在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合，以取得有益效果。本领域技术人员在研究附图、说明书及权利要求书的基础上，应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。在权利要求书中，术语“包括”并不排除其他装置或步骤；不定冠词“一个”不排除多个；术语“第一”、“第二”用于标示名称而非用于表示任何特定的顺序。权利要求中的任何附图标记均不应被理解为对保护范围的限制。权利要求中出现的多个部分的功能可以由一个单独的硬件或软件模块来实现。某些技术特征出现在不同的从属权利要求中并不意味着不能将这些技术特征进行组合以取得有益效果。
Claims (7)
1.一种MEMS压力芯片，其特征在于，包括：
支撑部(1)，具有通腔(101)；
感应膜层(3)，悬空于所述通腔(101)且通过所述支撑部(1)支撑，所述感应膜层(3)包括相连接的悬空区(31)和搭接区(32)，所述感应膜层(3)通过所述搭接区(32)连接于所述支撑部(1)，所述悬空区(31)悬空于所述通腔(101)且所述悬空区(31)开设有与所述通腔(101)连通的至少一个应力集中槽(102)；
压敏电阻(2)，多个所述压敏电阻(2)分别设于所述感应膜层(3)背向所述支撑部(1)的一侧且分别与所述应力集中槽(102)对应设置，所述压敏电阻(2)用于根据所述感应膜层(3)的形变产生电信号。
2.根据权利要求1所述的MEMS压力芯片，其特征在于，沿所述通腔(101)的贯通方向上、所述压敏电阻(2)在所述感应膜层(3)的正投影位于所述应力集中槽(102)边界范围内；或者，
沿所述通腔(101)的贯通方向上、所述压敏电阻(2)的正投影与所述应力集中槽(102)的正投影至少部分重叠。
3.根据权利要求1所述的MEMS压力芯片，其特征在于，所述感应膜层(3)具有相背的第一表面和第二表面，所述第二表面朝向所述支撑部(1)，所述应力集中槽(102)由所述第二表面向所述感应膜层(3)内部凹陷形成；
所述应力集中槽(102)与所述搭接区(32)相邻。
4.根据权利要求3所述的MEMS压力芯片，其特征在于，所述应力集中槽(102)呈连续环形槽结构；或者，
所述应力集中槽(102)呈盲孔结构，多个所述应力集中槽(102)相互间隔分布，且多个所述应力集中槽(102)与多个所述压敏电阻(2)一一对应。
5.根据权利要求1所述的MEMS压力芯片，其特征在于，多个压敏电阻(2)通过引线(21)电连接以形成惠斯通电桥；
所述引线(21)包括主线区和通过所述主线区延伸的引脚，所述引脚与所述压敏电阻(2)连接。
6.根据权利要求5所述的MEMS压力芯片，其特征在于，所述感应膜层(3)为硅基膜层，所述压敏电阻(2)与所述引线(21)为向所述硅基膜层掺杂导电粒子形成。
7.根据权利要求1所述的MEMS压力芯片，其特征在于，还包括钝化层(4)，所述钝化层(4)覆盖所述感应膜层(3)及所述压敏电阻(2)设置。
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