CN218381358U - 一种mems压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种MEMS压力传感器，所述MEMS压力传感器，其包括：第一衬底，其具有正面和背面；第二衬底，其具有正面和背面，所述第二衬底与所述第一衬底相对，且所述第二衬底的正面与所述第一衬底的正面相邻；背腔，其自所述第一衬底的背面贯穿所述第一衬底；敏感结构，其位于所述第二衬底的背面且与所述背腔相对。这样，应变薄膜的位置、大小、厚度和均匀性均可以被精确控制。

Description

一种MEMS压力传感器

【技术领域】

本实用新型涉及传感器技术和微机电系统技术领域，尤其涉及一种微差压MEMS压力传感器。

【背景技术】

随着社会智能化的发展需求，压力传感器的应用领域越来越广，需求量越来越大；目前以MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统)技术制作的压力传感器已成为主流，但微差压MEMS压力传感器的制造一直是一个行业难题。

现有技术中，微差压MEMS压力传感器的一种制作方法为：硅衬底加工面进行敏感结构的制作，在衬底另一面敏感结构投影区域进行湿法或干法深硅刻蚀形成应变薄膜。缺点：成膜膜厚难以准确控制，均匀性差(压力传感器的灵敏度对膜厚十分敏感)；此方法为各向异性刻蚀，成膜位置难以和敏感结构准确对位。

现有技术中，微差压MEMS压力传感器的另一种制作方法为：制作带真空腔体的SOI(Silicon-On-Insulator，即绝缘衬底上的硅)衬底(覆盖真空腔体的膜层为应变薄膜)，在真空腔体投影位置的应变薄膜表面进行敏感结构的制作，最后在衬底另一面真空腔体的投影区域进行深硅刻蚀，打通真空腔体。缺点：由于腔体为真空，敏感结构制作时，应变薄膜处于严重变形状态，MEMS工艺为平面工艺，在非平面上制作敏感结构会带来均匀性差的问题；真空腔体打通后，应变薄膜会恢复形变，此时会产生较大的零位输出，且产品间零位输出偏差很大。

因此，有必要提出一种技术方案来克服上述问题。

【实用新型内容】

本实用新型的目的之一在于提供一种MEMS压力传感器，其应变薄膜的位置、大小、厚度和均匀性均可以被精确控制。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种MEMS压力传感器，其包括：第一衬底，其具有正面和背面；第二衬底，其具有正面和背面，所述第二衬底与所述第一衬底相对，且所述第二衬底的正面与所述第一衬底的正面相邻；背腔，其自所述第一衬底的背面贯穿所述第一衬底；敏感结构，其位于所述第二衬底的背面且与所述背腔相对。

与现有技术相比，本实用新型中的MEMS压力传感器，可以对应变薄膜的位置、大小、厚度、均匀性进行精确控制，从而使产品灵敏度高，线性度好，一致性好，零位输出变动小。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本实用新型在一个实施例中的MEMS压力传感器的制作方法的流程示意图；

图2-图11为本实用新型在一个实施例中图1所示的各步骤对应的结构的纵剖面图；

图12为本实用新型在一个实施例中的MEMS压力传感器的纵剖面图。

【具体实施方式】

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。

为了克服现有技术中微差压MEMS压力传感器存在的上述问题，本实用新型提供一种MEMS压力传感器及其制作方法。本实用新型中的MEMS压力传感器可以为微差压MEMS压力传感器，也可以为常规的MEMS压力传感器。

请参考图1所示，其为本实用新型在一个实施例中的MEMS压力传感器的制作方法的流程示意图；请参考图2-图11所示，其为本实用新型在一个实施例中图1所示的各步骤对应的结构的纵剖面图。图1所示的MEMS压力传感器的制作方法包括如下步骤。

步骤110、如图2所示，提供具有正面和背面的第一衬底210。

步骤120、如图3所示，在第一衬底210的正面(或称为加工面)形成第二腔体220，第二腔体220自第一衬底210的正面延伸至第一衬底210内。

在图2和图11所示的实施例中，第一衬底210为硅衬底；第二腔体220是在第一衬底210的正面采用光刻工艺通过刻蚀形成的；第二腔体220的深度为1-100um。

步骤130、如图4所示，在形成有第二腔体220的第一衬底210的正面生长牺牲层230，牺牲层230充满第二腔体220且覆盖第一衬底210的正面。也可以说，在形成有第二腔体220的第一衬底210的整个正面生长一层牺牲层230，牺牲层230的厚度要厚于第二腔体220的深度。

步骤140、如图5所示，将第一衬底210正面上方的牺牲层230磨平并露出第一衬底210正面表面，使得第一腔体210被牺牲层230填平。在一个实施例中，采用CMP(ChemicalMechanical Polishing，化学机械抛光)工艺，将第一衬底210正面上方的牺牲层230磨平并露出第一衬底210正面表面，使得第一腔体210被牺牲层230填平。

需要特别说明的是，步骤130和步骤140的作用是：用牺牲层230填平位于第一衬底210正面的第二腔体220。在其他实施例中，也可以采用现有技术中的其他方式实现用牺牲层230填平位于第一衬底210正面的第二腔体220，在此不再赘述。在图2和图11所示的实施例中，牺牲层230为氧化硅层。

步骤150，如图6所示，提供具有正面和背面的第二衬底240，将填充有牺牲层230的第一衬底210的正面与第二衬底240的正面键合，进而使得第一衬底210和第二衬底240形成一个整体。在图2和图11所示的实施例中，第二衬底240为硅衬底。

步骤160、如图7所示，自第二衬底240的背面减薄第二衬底240。其中，减薄后的第二衬底240的厚度小于第一衬底210的厚度。

步骤170、如图8所示，在减薄后的第二衬底240的背面掺杂，以形成掺杂层280。

所述掺杂为P型掺杂，可以是P型浓掺杂，也可以P型轻掺杂，或是先P型轻掺杂后再P型浓掺杂形成P型梯度掺杂。第二衬底240为N型衬底。

步骤180、如图9所示，采用光刻工艺，在掺杂后的第二衬底240的背面进行刻蚀(或对掺杂层280进行刻蚀)，以形成敏感结构250。也可以说，通过图形化第二衬底240背面的掺杂层280，以形成敏感结构250。其中，第二腔体220在第一衬底210的正面上的垂直投影覆盖敏感结构250在第一衬底210的正面上的垂直投影。

所述敏感结构250包括一个或多个条状凸起251(在图2-图11所示的具体实施例中为4个条状凸起251)，条状凸起的侧壁至少暴露掺杂层280(例如，暴露P型掺杂层)。所述敏感结构250还包括有多个电极，各电极用于各条状凸起251接入电信号和输出电信号，各电极和各条状凸起251构成惠斯通电桥。关于所述敏感结构250的详细结构、原理以及形成过程可以参考申请人的另一项申请号为202110710324.4，申请日为2021年6月25日的中国专利申请。

需要特别说明的是，步骤170和步骤180的作用是在减薄的第二衬底240的背面形成敏感结构250，在其他实施例中，也可以采用现有技术中的其他方式在减薄的第二衬底240的背面形成敏感结构250，在此不再赘述。

步骤190、如图10所示，自第一衬底210的背面上的第二腔体220的垂直投影区域刻蚀第一衬底210，且刻蚀终止于牺牲层230。也可以说，在第一衬底210的背面形成第一腔体260，第一腔体260自第一衬底210背面贯穿第一衬底210，并终止于牺牲层23。在图2和图11所示的实施例中，第一腔体260在第一衬底210的正面上的垂直投影位于第二腔体220在第一衬底210的正面上的垂直投影内；第二腔体220在第一衬底210的正面上的垂直投影覆盖敏感结构250在第一衬底210的正面上的垂直投影。在一个优选的实施例中，采用干法深硅刻蚀或湿法深硅刻蚀形成第一腔体260。

步骤200、如图11所示，经第一腔体260对第二腔体220内的牺牲层230进行释放刻蚀，以形成背腔270和悬置于背腔270上的应变薄膜结构(未标识)。在图2和图11所示的实施例中，背腔270包括第一腔体260和第二腔体220；第一腔体260自第一衬底210的背面延伸至第一衬底210内；第二腔体220自第一腔体260近邻第一衬底210正面的一面延伸至第一衬体210的正面；背腔270在第一衬底210的正面上的垂直投影覆盖敏感结构250在第一衬底210正面上的垂直投影；第二衬底240的悬置于背腔270上的部分形成应变薄膜；减薄后的第二衬底240的厚度小于第一衬底210的厚度。在一个优选的实施例中，采用干法或湿法对牺牲层230进行释放刻蚀。

需要说明的是，在本实用新型的另一个实施例中，第一腔体260在第一衬底210的正面上的垂直投影与第二腔体220在第一衬底210的正面上的垂直投影完全重合。

根据本实用新型的另一个方面，本实用新型提供一种MEMS压力传感器。所述MEMS压力传感器优选为微压差MEMS压力传感器。请参考图12所示，其为本实用新型在一个实施例中的MEMS压力传感器的纵剖面图。图12所示的MEMS压力传感器采用图1所示的MEMS压力传感器的制作方法制得。

图12所示的MEMS压力传感器包括第一衬底210、第二衬底240、背腔270、敏感结构250。

第一衬底210具有正面和背面。第二衬底240具有正面和背面，第二衬底240与第一衬底210相对，且第二衬底240的正面与第一衬底210的正面相邻；背腔270自第一衬底210的背面贯穿第一衬底210；敏感结构250位于第二衬底240的背面且与背腔270相对。

在图12所示的实施例中，第二衬底240的正面与第一衬底210的正面紧邻；

第一衬底210的正面和第二衬底的240正面键合，进而使得第一衬底210和第二衬底240形成一个整体。背腔270自第一衬底210的背面贯穿第一衬底210，并终止于第二衬底240的正面；第二衬底240的悬置于背腔270上的部分形成应变薄膜。

在图12所示的具体实施例中，背腔270包括第一腔体260和第二腔体220，

第一腔体260自第一衬底210的背面延伸至第一衬底210内；第二腔体220自第一腔体260近邻第一衬底210正面的一面延伸至第一衬体210的正面；第一腔体260在第一衬底210的正面上的垂直投影位于第二腔体220在第一衬底210的正面上的垂直投影内；第二腔体220在第一衬底210的正面上的垂直投影覆盖敏感结构250在第一衬底210的正面上的垂直投影。

在图12所示的具体实施例中，第二衬底240的厚度小于第一衬底210的厚度；第一衬底210为硅衬底；第二衬底240为硅衬底。

在图12所示的一个实施例中，第二腔体220的深度为1-100um；敏感结构250是通过图形化第二衬底240的背面的掺杂层280制成的。敏感结构250包括一个或多个条状凸起251，条状凸起251的侧壁至少暴露掺杂层280(例如，暴露P型掺杂层)。敏感结构250还包括有多个电极，各电极用于各条状凸起251接入电信号和输出电信号，各电极和各条状凸起251构成惠斯通电桥。关于敏感结构250的详细结构、原理以及形成过程可以参考申请人的另一项申请号为202110710324.4，申请日为2021年6月25日的中国专利申请。

结合图1-图12可知，本实用新型所示的MEMS压力传感器及其制作方法，具有如下优点。

1、由于本实用新型自第二衬底240的背面减薄第二衬底240，且本实用新型形成背腔的过程是：首先，自第一衬底210的背面刻蚀第一衬底210，且刻蚀终止于牺牲层230，以形成第一腔体260；然后，经第一腔体260对第二腔体220内的牺牲层230进行释放刻蚀，以形成背腔270和悬置于背腔270上的应变薄膜结构(未标识)，因此，使得本实用新型中最终得到的应变薄膜的厚度、大小、位置、均匀性都可以被精确控制，解决了微压差压力传感器制作一致性差的问题。

2、本实用新型先在减薄后的第二衬底240的背面形成敏感结构250，然后，自第一衬底210的背面依次刻蚀第一衬底210和牺牲层230，以形成背腔270和悬置于背腔270上的应变薄膜结构。在此过程中，应变薄膜结构一直处于平面状态，敏感结构250是在绝对平面上制作的，从而解决了微差压压力传感器零位偏差过大的问题。

3、本实用新型在第一衬底210的正面设置第二腔体220，并用牺牲层230填平第二腔体220；自第一衬底210的背面的刻蚀第一衬底210，且刻蚀终止于牺牲层230；经第一腔体260对第二腔体220内的牺牲层230进行释放刻蚀，以形成背腔270和悬置于背腔270上的应变薄膜结构(未标识)，从而使得靠近第一衬底210的正面的背腔270的横截面大于靠近第一衬底210的背面的背腔270的横截面，以在保证悬置于背腔270上的应变薄膜结构的面积的同时，尽量增强背腔270结构强度、增加贴装面积，从而解决了现有微差压压力传感器尺寸较大的问题。

4、本实用新型在第一衬底210的正面(或加工面)形成第二腔体220并用牺牲层230填平第二腔体220，其中，填充有牺牲层230的第二腔体220定义出了悬置于背腔270上的应变薄膜结构的位置，从而使得本实用新型对于应变薄膜的制作，薄膜位置、大小、厚度、均匀性可以精确控制。

综上所述，本实用新型中的MEMS压力传感器及其制作方法，可以对应变薄膜的位置、大小、厚度、均匀性进行精确控制，从而使产品灵敏度高，线性度好，一致性好，零位输出变动小。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“正”、“背”、“左”、“右”、“竖直”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式，本实用新型的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本实用新型揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (6)

1.一种MEMS压力传感器，其特征在于，其包括：

第一衬底，其具有正面和背面；

第二衬底，其具有正面和背面，所述第二衬底与所述第一衬底相对，且所述第二衬底的正面与所述第一衬底的正面相邻；

背腔，其自所述第一衬底的背面贯穿所述第一衬底；

敏感结构，其位于所述第二衬底的背面且与所述背腔相对。

2.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，

所述第二衬底的正面与所述第一衬底的正面紧邻；

所述背腔自所述第一衬底的背面贯穿所述第一衬底，并终止于所述第二衬底的正面；

所述第二衬底的悬置于所述背腔上的部分形成应变薄膜。

3.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，

所述第一衬底的正面和所述第二衬底的正面键合，进而使得第一衬底和第二衬底形成一个整体。

4.根据权利要求1-3任一所述的MEMS压力传感器，其特征在于，

所述背腔包括第一腔体和第二腔体，

所述第一腔体自所述第一衬底的背面延伸至所述第一衬底内；

所述第二腔体自所述第一腔体近邻所述第一衬底正面的一面延伸至所述第一衬体的正面；

所述第一腔体在所述第一衬底的正面上的垂直投影位于所述第二腔体在所述第一衬底的正面上的垂直投影内；

所述第二腔体在所述第一衬底的正面上的垂直投影覆盖所述敏感结构在所述第一衬底的正面上的垂直投影。

5.根据权利要求4所述的MEMS压力传感器，其特征在于，

所述第二腔体的深度为1-100um；和/或

所述敏感结构是通过图形化所述第二衬底的背面的掺杂层制成的，

所述敏感结构包括：一个或多个条状凸起和多个电极，其中所述条状凸起的侧壁至少暴露所述掺杂层，各个所述电极用于各个所述条状凸起接入电信号和输出电信号，各个所述电极和各个所述条状凸起构成惠斯通电桥。

6.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第二衬底的厚度小于所述第一衬底的厚度；

所述第一衬底为硅衬底；和/或

所述第二衬底为硅衬底。

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