專利名稱：一種mems壓阻式壓力傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)傳感器設(shè)計領(lǐng)域，涉及一種MEMS壓阻式壓力傳感器，以及采用MEMS加工工藝方法在單個圓片上制作該壓力傳感器的方法。
背景技術(shù)：
MEMS (Micro Electro Mechanical System)即微電子機(jī)械系統(tǒng),是新興的跨學(xué)科的高新技術(shù)研究領(lǐng)域?；贛EMS技術(shù)制造壓阻式壓力傳感器由于其出色的精準(zhǔn)度和可靠度以及相對便宜的制造成本在現(xiàn)代的市場中得到廣泛的應(yīng)用。自從20世紀(jì)50年代中期發(fā)現(xiàn)了硅材料的壓阻特性，硅基的壓阻式壓力傳感器就被廣泛的應(yīng)用。典型的壓阻式壓力傳感器工作原理是在一個方形或者圓形的硅應(yīng)變薄膜上通過擴(kuò)散或者離子注入的方式在應(yīng) 力集中區(qū)制作四個壓力敏感電阻，四個電阻互聯(lián)構(gòu)成惠斯頓電橋。當(dāng)有外界壓力施加在硅應(yīng)變膜上，壓敏電阻區(qū)域由于應(yīng)變膜彎曲產(chǎn)生應(yīng)力，通過壓敏電阻的壓阻特性，將應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，最后通過惠斯頓電橋?qū)㈦娮柚档淖兓D(zhuǎn)換為輸出電壓，通過對輸出電壓與壓力值進(jìn)行標(biāo)定可以實現(xiàn)對壓力的測量。壓阻式壓力傳感器測量壓力的量程及靈敏度在加工工藝條件相同的情況下與傳感器應(yīng)變膜的厚度和尺寸等有關(guān)。為了提高壓力傳感器的靈敏度，需要增大應(yīng)變膜的尺寸或者減小膜的厚度?？紤]到集成度的提高和減少成本，減小應(yīng)變膜的厚度成了必然的選擇。但減小應(yīng)變膜的厚度同時會降低壓力傳感器的線性度。微壓壓力傳感器一般需要很高的靈敏度，在滿足靈敏度設(shè)計要求時也要保證線性度。目前微壓壓力傳感器通常采用梁膜島結(jié)構(gòu)，通過在應(yīng)變膜的正面增加固定梁或者在膜背面中心保留島結(jié)構(gòu)增大線性度，但是這些方法有缺點，就是在保證線性度的同時也降低了器件的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述方法，提出一種新的MEMS壓阻式微壓壓力傳感器及其制備方法。該結(jié)構(gòu)的壓力傳感器相比典型器件結(jié)構(gòu)具有高靈敏度、高線性度的優(yōu)點，降低了傳感器的芯片尺寸；同時該設(shè)計加工方法與標(biāo)準(zhǔn)體硅壓阻式壓力傳感器的加工工藝兼容，器件加工成本低，具有較高的成品率。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種MEMS壓阻式壓力傳感器，包括應(yīng)變膜和壓敏電阻，其特征在于，所述應(yīng)變膜的正面邊緣分布有島結(jié)構(gòu)，所述壓敏電阻位于所述島結(jié)構(gòu)上。進(jìn)一步地，所述應(yīng)變膜和所述島結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為硅。進(jìn)一步地，所述島結(jié)構(gòu)在靠近應(yīng)變膜邊緣位置處尺寸小，在遠(yuǎn)離應(yīng)變膜邊緣位置處尺寸大。優(yōu)選地，所述島結(jié)構(gòu)可以為“凸”字形或梯形。優(yōu)選地，所述應(yīng)變膜為方形，其邊線中點處各分布一個所述島結(jié)構(gòu)，每個島結(jié)構(gòu)上分布一組壓敏電阻；優(yōu)選地，每組壓敏電阻包含4個壓敏電阻條，并對稱分布于島結(jié)構(gòu)上靠近應(yīng)變膜邊緣位置處。
一種制備上述MEMS壓阻式壓力傳感器的方法，其步驟包括I)在基片正面的邊緣通過離子注入的方式制作壓敏電阻以及重?fù)诫s接觸區(qū)；2)在基片正面制作引線孔和金屬引線；3)在基片正面通過光刻定義島結(jié)構(gòu)的形狀,然后制作應(yīng)力集中的島結(jié)構(gòu)；4)在基片正面涂膠進(jìn)行保護(hù)，在基片背面光刻背腔區(qū)域并刻蝕出背腔腐蝕窗口，然后通過各向異性腐蝕制作應(yīng)變膜；5)將基片與玻璃片鍵合，然后劃片，制成壓力傳感器芯片。上述步驟3)可以通過干法刻蝕或者濕法腐蝕的方式制作所述島結(jié)構(gòu)。干法刻蝕優(yōu)
選采用RIE刻蝕，濕法腐蝕優(yōu)選為KOH溶液各向異性腐蝕或者HNA溶液各向同性腐蝕。采用干法刻蝕時，島結(jié)構(gòu)的制作在步驟4)前面進(jìn)行，可以避免正面刻蝕島結(jié)構(gòu)時出現(xiàn)的應(yīng)變膜崩裂的問題。采用上述工藝能夠完成正面帶有應(yīng)力集中硅島的壓力傳感器的制作，由于壓敏電阻處于應(yīng)力更加集中的島結(jié)構(gòu)(硅島)上，在相同的外力條件下，壓敏電阻能夠獲得更大的應(yīng)力，器件有更好的靈敏度；同時島結(jié)構(gòu)分布于應(yīng)變膜的邊緣，在應(yīng)變膜承受壓力時有抗彎曲作用，應(yīng)變膜有更小的撓度，因此器件有更好的線性度。本發(fā)明為MEMS領(lǐng)域的工藝人員提供了一種微壓壓力傳感器及其制作方法，這種方法加工的壓力傳感器(壓力計)具有更好的性能和較高的工藝可靠性。具體來說，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢I)本發(fā)明的MEMS壓阻式壓力傳感器同時具有高靈敏度和高線性度；2)本發(fā)明的壓力傳感器制備方法，其工藝流程在傳統(tǒng)的加工方式的基礎(chǔ)上僅僅增加了一次光刻和正面刻蝕工藝，與傳統(tǒng)工藝兼容；工藝難度比較低，易獲得較高的成品率；3)本發(fā)明壓力傳感器其機(jī)構(gòu)設(shè)計合理，制備過程中減少了不必要的臺階，降低了光刻的難度；4)本發(fā)明設(shè)計的工藝流程中將正面島結(jié)構(gòu)的刻蝕放在了背腔各向異性腐蝕的前面，避免了正面刻蝕島結(jié)構(gòu)時可能出現(xiàn)的應(yīng)變膜崩裂的情況，提高了工藝的可靠性。


圖I為具體實施例中微壓壓力計工藝流程示意圖，其中圖1(a)為芯片基片的不意圖；圖I (b)為離子注入方式制作壓敏電阻的示意圖；圖1(c)為制作重?fù)诫s接觸區(qū)的示意圖；圖1(d)為制作接觸孔和金屬引線的示意圖；圖1(e)為正面刻蝕硅島的示意圖；圖1(f)為正面涂膠保護(hù)的示意圖；圖1(g)為背面刻蝕應(yīng)變膜的示意圖；圖1(h)為制作完成的壓力計的示意圖。圖2為硅島結(jié)構(gòu)處的版圖和壓敏電阻分布示意圖。圖中1 一基片；2—氧化娃；3一壓敏電阻；4一重慘雜接觸區(qū)；5—金屬接觸孔及金屬引線；6—氮化娃；7一正面刻蝕出的娃島；8—保護(hù)I父；9一背腔；10—玻璃。
具體實施例方式下面通過具體實施例，并配合附圖，對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。本實施例的MEMS壓阻式壓力傳感器的制備方法，在方形基片的邊線中點處(其它實施例也可以采用圓形基片)通過離子注入方式制作四組沿著基片的〈110〉晶向?qū)ΨQ分布的壓敏電阻，每組壓敏電阻的個數(shù)可以是任意的(一般是I到5個)，本實施例為4個；在傳感器背面進(jìn)行各向異性腐蝕前，在正面增加一次光刻，在正面壓敏電阻周圍刻蝕出應(yīng)力集中的硅島，完成該刻蝕后壓敏電阻分布在應(yīng)力集中的硅島上。具體來說，該方法的步驟包括I)選擇(100)晶面的單晶娃片或者(100)晶面的SOI (silicon on insulator)硅片作為芯片基片；2)在基片正面的邊緣通過離子注入的方式制作4組壓敏電阻以及重?fù)诫s接觸區(qū)； 3)在基片正面制作引線孔和金屬引線；4)在基片正面通過光刻定義娃島的形狀,然后通過刻蝕制作應(yīng)力集中的娃島；5)在基片正面涂膠進(jìn)行保護(hù)，在基片背面光刻背腔區(qū)域并刻蝕出背腔腐蝕窗口，然后通過各向異性腐蝕制作出應(yīng)變膜；6)將基片與玻璃片鍵合，然后劃片，制成壓力傳感器芯片。下面提供一個具體制備實例，如圖I所示，該MEMS壓阻式微壓壓力傳感器的制造工藝為a)備片單晶娃基片作為芯片的基片I，基片厚度為400 μ m,基片表面有氧化娃2,氧化硅厚度為3000 A,如圖1(a)所示；b)采用標(biāo)準(zhǔn)壓阻工藝在硅片上制作壓敏電阻3和重?fù)诫s接觸區(qū)4，如圖I (b)、(C)所示，包括光刻淡硼區(qū)；RIE (反應(yīng)離子刻蝕)SiO2 2500 A:離子注入B+ ;硼推進(jìn)；光刻濃硼區(qū)，RIE SiO2 ;離子注入B+;硼推進(jìn)；c)制作引線孔(即接觸孔)和金屬引線5，如圖1(d)所示，包括LPCVD(低壓化學(xué)氣相淀積)Si02 2500 A; LPCVD Si3N41100 A; RIE 正面 Si3N41 iooA;正面光刻引線孔；RIE SiO2 ；濺射A1，0. 8-1. Oym ;光刻金屬引線；濕法腐蝕Al ； MEMSAl合金；d)正面制作應(yīng)力集中娃島7,如圖I (e)所示，包括光刻娃島區(qū)域；刻蝕Si022 500A;反應(yīng)離子刻蝕Sigym;硅島的高度由器件的量程和靈敏度決定可以有不同的高度；e)正面涂保護(hù)膠8，本實例采用Primer (—種耐腐蝕的保護(hù)膠)進(jìn)行保護(hù)，如圖1(f)所示；背面KOH各向異性腐蝕制作壓力計應(yīng)變膜，如圖1(g)所示，包括正面涂Primer保護(hù)；背面光刻背腔區(qū)域9 ；RIE刻蝕背面Si3N4 1100 A； RiE刻蝕SiO2 2500A;去膠；Κ0Η腐蝕背面Si，腐蝕深度為380 μ m ;f)Si_玻璃鍵合；劃片，如圖1(h)所示。該步驟將整個硅片切割成小片，每個小片是一個完整的壓力計，每個硅片根據(jù)設(shè)計的壓力計的大小不同可以分割出100到200個壓力計小片。上述制備工藝中，采取先在正面制作應(yīng)力集中硅島后進(jìn)行背腔各向異性腐蝕的方式，能夠避免背腔腐蝕完成以后再進(jìn)行正面刻蝕時可能造成的壓力計應(yīng)變膜崩裂的危險。其中，LPCVD Si3N4的溫度范圍是750到800°C, LPCVD SiO2的溫度為680°C到700。。，而金屬鋁的熔點是660°C，因此在完成了 Al金屬引線的制作后不能進(jìn)行LPCVD Si3N4或者Si02。為了完成KOH各向異性腐蝕時對硅片正面區(qū)域的保護(hù)，采用了涂Primer的方式。圖2為硅島結(jié)構(gòu)處的版圖和壓敏電阻分布示意圖，其中(a)和(b)表示壓敏電阻在硅島中的兩種分布方式。該硅島的幾何形狀呈“凸”字型，靠近應(yīng)變膜邊緣位置處尺寸小，遠(yuǎn)離邊緣位置處尺寸大，在兩者之前的過度區(qū)域通過一定角度直線連接，也可以采用弧線連接。4個壓敏電阻條對稱分布于硅島上小尺寸區(qū)域中靠近邊緣的位置。本發(fā)明的壓力傳感器中，壓阻條的數(shù)目不限于圖2中的數(shù)目，壓阻條的連接方式不限于圖2中的連接方式；硅島的幾何形狀也可以是其它形狀，比如為梯形，仍然使靠近應(yīng)變膜邊緣位置處尺寸小，遠(yuǎn)離邊緣位置處尺寸大。本發(fā)明的突出特點是壓敏電阻盡量靠近了島結(jié)構(gòu)與外部連接梁的邊緣，可以最大 限度的增加靈敏度，靈敏度增加幅度在20%到30%左右。下面表I是上述實例中的壓力傳感器(壓力計)與傳統(tǒng)梁結(jié)構(gòu)壓力計在相同壓力計尺寸下的性能對比數(shù)據(jù)(ANASYS仿真軟件的仿真結(jié)果)其中，撓度是在應(yīng)變膜在壓力作用下垂直方向上的位移，同樣壓力作用下?lián)隙仍酱笠馕吨骷木€性度會越差。由該表可以看出，本發(fā)明的MEMS壓阻式壓力傳感器同時具有高靈敏度和高線性度。表I.本發(fā)明的壓力傳感器與傳統(tǒng)梁結(jié)構(gòu)壓力計的性能數(shù)據(jù)對比
i件名稱I傳統(tǒng)梁結(jié)構(gòu)壓力計I本設(shè)計中的凸島結(jié)構(gòu)Jjj力計
滿量程壓力__5kpa__5kpa_
方形應(yīng)變膜長寬 1900 μ mX 1900 μ m1900μ mX 1900 μ m
形應(yīng)變膜厚— IlPmIlPm
梁/凸島厚度__9 μ m__9 P m_
滿量程壓.力下4.0 μ m2.207 P m(SkPa)器件中心
撓度___
輸入電壓為 5v 情 86.615mV112.05ImV
況下理論上的滿量
程輸出電壓-___
器件理論上的靈敏 17.323mV/kPa22.4102mV/kPa
/乂___上述實施例中的硅島制作工藝僅是選擇了一種典型硅島結(jié)構(gòu)作例子說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實質(zhì)的范圍內(nèi)，可以針對本發(fā)明中硅島的結(jié)構(gòu)和尺寸選擇做一定的變化和修改。其制備方法也不限于實施例中所公開的內(nèi)容，比如正面硅島也可以采用KOH溶液各向異性腐蝕的方式或者HNA溶液(氫氟酸加上硝酸加上冰醋酸三種酸的混合溶液，能夠?qū)尉Ч璁a(chǎn)生各向同性的腐蝕效果)各向同性腐蝕的方式制備。本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所述為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種MEMS壓阻式壓力傳感器，包括應(yīng)變膜和壓敏電阻，其特征在于，所述應(yīng)變膜的正面邊緣分布有島結(jié)構(gòu)，所述壓敏電阻位于所述島結(jié)構(gòu)上。
2.如權(quán)利要求I所述的MEMS壓阻式壓力傳感器，其特征在于所述應(yīng)變膜和所述島結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為硅。
3.如權(quán)利要求I或2所述的MEMS壓阻式壓力傳感器，其特征在于所述島結(jié)構(gòu)在靠近應(yīng)變膜邊緣位置處尺寸小，在遠(yuǎn)離應(yīng)變膜邊緣位置處尺寸大。
4.如權(quán)利要求3所述的MEMS壓阻式壓力傳感器，其特征在于所述島結(jié)構(gòu)為“凸”字形或梯形。
5.如權(quán)利要求I或2所述的MEMS壓阻式壓力傳感器，其特征在于所述應(yīng)變膜為方形，其邊線中點處各分布一個島結(jié)構(gòu)，每個島結(jié)構(gòu)上分布一組壓敏電阻。
6.如權(quán)利要求5所述的MEMS壓阻式壓力傳感器，其特征在于每組壓敏電阻包含4個壓敏電阻條，并對稱分布于島結(jié)構(gòu)上靠近應(yīng)變膜邊緣位置處。
7.一種MEMS壓阻式壓力傳感器的制備方法，其步驟包括 1)在基片正面的邊緣通過離子注入的方式制作壓敏電阻以及重?fù)诫s接觸區(qū)； 2)在基片正面制作引線孔和金屬引線； 3)在基片正面通過光刻定義島結(jié)構(gòu)的形狀，然后制作應(yīng)力集中的島結(jié)構(gòu)； 4)在基片正面涂膠進(jìn)行保護(hù)，在基片背面光刻背腔區(qū)域并刻蝕出背腔腐蝕窗口，然后通過各向異性腐蝕制作應(yīng)變膜； 5)將基片與玻璃片鍵合，然后劃片，制成壓力傳感器芯片。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述晶片為單晶硅片或SOI硅片。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于通過干法刻蝕或者濕法腐蝕的方法制作所述島結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述干法刻蝕為RIE刻蝕，所述濕法腐蝕為KOH溶液各向異性腐蝕或者HNA溶液各向同性腐蝕。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種MEMS壓阻式壓力傳感器及其制備方法，該MEMS壓阻式壓力傳感器包括應(yīng)變膜和壓敏電阻，應(yīng)變膜的正面邊緣分布有島結(jié)構(gòu)，壓敏電阻位于所述島結(jié)構(gòu)上。在制備時基片正面島結(jié)構(gòu)的制作在背腔各向異性腐蝕之前，避免正面制作島結(jié)構(gòu)時應(yīng)變膜出現(xiàn)崩裂。本發(fā)明的壓力傳感器同時具有高靈敏度和高線性度，其制備方法與傳統(tǒng)工藝兼容，成品率高。
文檔編號B81B7/00GK102944339SQ20121040485
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者黃賢, 張大成, 趙丹淇, 何軍, 楊芳, 田大宇, 劉鵬, 王瑋, 李婷, 羅葵 申請人:北京大學(xué)