CN219368989U - 一种mems压阻式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种MEMS压阻式压力传感器，包括具有线性渐变梁膜结构的硅应变膜、压敏电阻、重掺杂接触区域，金属引线，所述硅应变膜为硅衬底的正面经过腐蚀工艺并键合硅片层所形成的，所述压敏电阻位于梁膜结构的端部，所述金属引线和重掺杂接触区在硅应变梁膜的正面形成欧姆接触。本实用新型通过采用在硅衬底的正面设置具有线性渐变的梁膜结构、压敏电阻、重掺杂接触区以及金属引线并键合硅片所形成的压阻式压力传感器，使得通过调节渐变梁结构的线性变化比例，达到提高压力传感器线性度的目的，以及通过调整压敏电阻与渐变梁结构之间的尺寸大小，实现提高灵敏度的目的。

Description

一种MEMS压阻式压力传感器

技术领域

本实用新型属于微电子机械系统传感器技术领域，具体涉及一种MEMS压阻式压力传感器。

背景技术

MEMS压阻式压力传感器是基于单晶硅压阻效应将外界压力变化转变为相应的电信号，通过四个等值电阻组成惠斯通电桥实现对外界压力的测量。MEMS压阻式压力传感器主要应用于工业控制、汽车电子、消费电子、医疗电子和航空航天等相关领域。MEMS压阻式压力传感器采用MEMS技术进行设计和工艺开发，其内部由采用硅晶圆得到的硅膜片作为力敏元件、通过掺杂、刻蚀等MEMS工艺制作的四对等值电阻和低阻值的互连线、蒸发沉积的金属引线等多种材料集成的多功能层所组成。

此外，MEMS梁膜压阻式压力传感器(如图1所示，其中，附图标记9指代玻璃底座)具有优异的线性度，但流片制造过程中涉及到深硅刻蚀，目前大尺寸深硅刻蚀径向深度误差较大(±10％)，使得正面梁膜刻蚀后平膜层厚度均一性得不到保障，增大了传感器应变膜片破片的风险；对于压阻式压力传感器来说，应变膜片的厚度最为关键，厚度不均导致同一批传感器性能差异较大，增大了后续调试补偿的难度，增大了制造成本。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种MEMS压阻式压力传感器，解决了现有技术中的MEMS压阻式压力传感器的线性度差、灵敏度不佳、容易破片且硅应变膜厚度不均所导致的性能差异大、后期调试补偿难度大的问题。

本实用新型的目的还在于提供一种上述MEMS压阻式压力传感器的制备方法。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：一种MEMS压阻式压力传感器，包括具有线性渐变梁膜结构的硅应变膜、压敏电阻、重掺杂接触区域，金属引线，所述硅应变膜为硅衬底的正面经过腐蚀工艺并键合硅片层所形成的，所述压敏电阻位于梁膜结构的端部，所述金属引线和重掺杂接触区在硅应变梁膜的正面形成欧姆接触。

优选地，所述硅衬底为N型<100>晶面硅片。

优选地，所述线性渐变梁膜结构为线性渐变十字形，且位于所述硅应变膜的中心区域。

优选地，所述线性渐变梁膜结构包括线性渐变十字梁，且所述梁膜结构由所述线性渐变十字梁与圆形凸台或正方形凸台组成。

优选地，所述压敏电阻至少设置有四组且对称的设置在所述线性渐变梁膜结构的端部。

优选地，每组所述压敏电阻包括若干个压敏电阻条。

优选地，所述金属引线选为Al、Cr/Au、Ti/Au材料中的至少一种

与现有技术相比，本实用新型通过采用在硅衬底的正面设置具有线性渐变的梁膜结构、压敏电阻、重掺杂接触区以及金属引线并键合硅片所形成的压阻式压力传感器，使得通过调节渐变梁结构的线性变化比例，达到提高压力传感器线性度和降低后期调试补偿难度的目的，以及通过调整压敏电阻与渐变梁结构之间的尺寸大小，实现提高灵敏度的目的；此外，本实用新型压阻式压力传感器的实用性好，性价比高，值得大力推广使用。

附图说明

图1为现有技术中MEMS压阻式压力传感器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种MEMS压阻式压力传感器示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种MEMS压阻式压力传感器的剖视图；

图4为本实用新型实施例提供的一种MEMS压阻式压力传感器的主视图；

图5为实用新型实施例提供的一种MEMS压阻式压力传感器的制作工艺流程示意图，其中：

图5a为本实用新型实施例提供的一种MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的备片减薄工艺示意图；

图5b为本实用新型实施例提供的一种MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的空腔刻蚀和键合制作示意图；

图5c为本实用新型实施例提供的一种MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的压敏电阻制作示意图；

图5d为本实用新型实施例提供的一种MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的重掺接触区制作示意图；

图5e为本实用新型实施例提供的一种MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的开电极孔制作示意图；

图5f为本实用新型实施例提供的一种MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的金属引线制作示意图；

图5g为本实用新型实施例提供的一种MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的渐变梁膜刻蚀制作示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种MEMS压阻式压力传感器的制备方法中的不同形式的梁膜结构示意图，其中：

图6a为第一种形式的梁膜结构示意图；

图6b为第二种形式的梁膜结构示意图；

图6c为第三种形式的梁膜结构示意图。

图中：1—硅片；2—空腔；3—硅应变膜；4—压敏电阻；5—重掺接触区；6—电极孔；7—金属引线；8—渐变梁结构；9—玻璃底座。

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，以下结合附图及实施例，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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要明确的是，术语“垂直”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“水平”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本实用新型，而不是意味着所指的装置或元件必须具有特有的方位或位置，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例提供的一种MEMS压阻式压力传感器，如图1-4所示，包括具有线性渐变梁结构的硅应变膜、压敏电阻、重掺杂接触区域，金属引线，所述硅应变膜为硅衬底的正面经过腐蚀工艺并键合硅片基底层所形成的，所述压敏电阻位于梁膜结构的端部，所述金属引线和重掺杂接触区在硅应变梁膜的正面形成欧姆接触。

采用上述方案后，通过采用在硅衬底的正面设置具有线性渐变的梁膜结构、压敏电阻、重掺杂接触区以及金属引线并键合硅片层所形成的压阻式压力传感器，使得通过调节渐变梁结构的线性变化比例，达到提高压力传感器线性度和降低后期调试补偿难度的目的，以及通过调整压敏电阻与渐变梁结构之间的尺寸大小，实现提高灵敏度的目的；此外，该压阻式压力传感器的实用性好，性价比高，值得大力推广使用。

进一步地，所述硅衬底为N型<100>晶面硅片。

进一步地，所述线性渐变梁膜结构为线性渐变十字形，且位于所述硅应变膜的中心区域。

进一步地，所述线性渐变梁膜结构包括线性渐变十字梁，且所述梁膜结构由所述线性渐变十字梁与圆形凸台或正方形凸台组成。

进一步地，所述压敏电阻至少设置有四组且对称的设置在所述线性渐变梁膜结构的端部。

进一步地，每组所述压敏电阻包括若干个压敏电阻条，具体的说，压敏电阻条的设置个数是不受限制的。

本实用新型实施例提供的MEMS压阻式压力传感器是通过以下方法获得，该方法具体包括以下步骤：

S1、在硅片1的正面进行刻蚀形成空腔2，并键合硅衬底且将所述硅衬底减薄至合适的厚度；

S2、在所述硅衬底的正面制作相互连接的压敏电阻4和重掺杂接触区5；

S3、在所述硅衬底正面制作引线孔6和金属引线7；

S4、在所述硅衬底的正面通过光刻刻蚀制作线性渐变梁膜结构8，得到具有线性渐变梁膜结构的硅应变膜3；

S5、将S4得到的具有线性渐变梁膜结构的硅应变膜3进行划片封装，获得线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器。

本制备本实施例提供的MEMS压阻式压力传感器的过程中，通过采用先在硅片的正面刻蚀形成空腔，并键合硅衬底，再在硅衬底的正面光刻刻蚀制作线性渐变梁膜结构、制作相互连接的压敏电阻、重掺杂接触区、引线孔和金属引线，这样，不仅有效的减少了大尺寸深硅刻蚀径向深度误差较大带来的应变膜片破片风险，而且还减少了制造成本。

进一步地，所述S2中是通过离子注入的方式制作压敏电阻和重掺杂接触区。

进一步地，所述S3中，所述金属引线选为Al、Cr/Au、Ti/Au材料中的至少一种。

进一步地，本实用新型提供的MEMS压阻式压力传感器具体是通过以下的工艺流程实现：

a)备片，减薄：将N型<100>晶面硅片1减薄至合适厚度，如图5a所示；

b)空腔2刻蚀，硅硅键合：湿法刻蚀空腔窗口，键合N型硅膜片3，5b所示；

c)光刻压敏电阻4：在硅片正面区域光刻压敏电阻图案，离子注入B+，退火得到压敏电阻，如图5c所示；

d)光刻重掺接触区5：在硅片正面区域光刻重掺接触区图案，离子注入B+，退火得到重掺杂接触区，如图5d所示；

e)开电极孔6：采用LPCVD工艺获得SiO₂层或SiN层，光刻刻蚀得到电极孔，如图5e所示；

f)制作金属引线7，欧姆连接：采用蒸发或溅射等工艺淀积金属层，刻蚀得到金属引线，退火合金化，形成欧姆接触，如图5f所示；

g)渐变梁膜结构8制作：正面光刻定义线性渐变十字梁形状，采用浅层刻蚀的方式获得十字梁结构，如图5g所示；

此外，在具体的实施过程中，所述线性渐变梁膜结构形状不局限于传统十字梁结构，还可以变化成其他结构，如图6a-6c所示；传感器不局限于N型<100>晶面硅片制作的差压/绝压传感器；所述渐变梁膜结构还适用于倒装结构压力传感器。

本实用新型的突出特点在于首次提出具有线性渐变梁膜结构的压阻式压力传感器，并且压敏电阻位于线性渐变梁膜结构的端部，使得在保证压力传感器的线性度的同时又提高了压力传感器的高灵敏度。

下表1是通过本方法制备方法获得的MEMS压阻式压力传感器与传统压阻式压力传感器的实际测试的性能对比。

表1本实用新型获得的MEMS压阻式压力传感器与传统压阻式压力传感器的实际性能数据对比

从表1中的数据可知，本实用新型获得的MEMS压阻式压力传感器具有较高的灵敏度和线性度。

综上所述，本实用新型通过采用在硅衬底的正面设置具有线性渐变的梁膜结构、压敏电阻、重掺杂接触区以及金属引线并键合硅片所形成的压阻式压力传感器，使得通过调节渐变梁结构的线性变化比例，达到提高压力传感器线性度和降低后期调试补偿难度的目的，以及通过调整压敏电阻与渐变梁结构之间的尺寸大小，实现提高灵敏度的目的；此外，本实用新型压阻式压力传感器的实用性好，性价比高，值得大力推广使用。

另外，通过采用本实用新型先在硅片的正面刻蚀形成空腔，并键合硅衬底，再在硅衬底的正面光刻刻蚀制作线性渐变梁膜结构、制作相互连接的压敏电阻、重掺杂接触区、引线孔和金属引线，这样，不仅有效的减少了大尺寸深硅刻蚀径向深度误差较大带来的应变膜片破片风险；而且还减少了制造成本，同时在制造工艺上能够弥补梁膜式的不足，调节渐变梁的线性变化形状，减少大尺寸深硅刻蚀径向深度误差较大(过刻蚀)带来的应变膜片破片风险，原本中心及四周危险区域最大位移为0.42um，渐变梁可以减小到0.39um，甚至更小。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，包括具有线性渐变梁膜结构的硅应变膜、压敏电阻、重掺杂接触区域，金属引线，所述硅应变膜由硅衬底与硅片层键合组成，所述压敏电阻位于梁膜结构的端部，所述金属引线和重掺杂接触区在硅应变梁膜的正面形成欧姆接触。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述硅衬底为N型<100>晶面硅片。

3.根据权利要求2所述的一种MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述线性渐变梁膜结构为线性渐变十字形，且位于所述硅应变膜的中心区域。

4.根据权利要求3所述的一种MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述线性渐变梁膜结构包括线性渐变十字梁，且所述梁膜结构由所述线性渐变十字梁与圆形凸台或正方形凸台组成。

5.根据权利要求4所述的一种MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述压敏电阻至少设置有四组且对称的设置在所述线性渐变梁膜结构的端部。

6.根据权利要求5所述的一种MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，每组所述压敏电阻包括若干个压敏电阻条。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述金属引线选为Al、Cr/Au、Ti/Au材料中的至少一种。