專利名稱：加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成了加速度傳感器和壓力傳感器的芯片及制作方法，尤其是一種單硅片單面體微機(jī)械加工的加速度和壓力傳感器集成芯片及制作方法，可用于TPMS (輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng))，屬于硅微機(jī)械傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在航空航天、工業(yè)自動(dòng)化控制、汽車電子、航海以及消費(fèi)電子等領(lǐng)域中，需同時(shí)測(cè)量加速度、壓力等參數(shù)。如在汽車TPMS (輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng))中，利用安裝各輪胎里的壓力傳感器來實(shí)時(shí)檢測(cè)輪胎氣壓情況，并將各個(gè)輪胎氣壓狀況信息反饋到控制面板進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及監(jiān)測(cè)，確保汽車安全運(yùn)行。當(dāng)輪胎氣壓過低或有滲漏現(xiàn)象存在時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。輪胎中同時(shí)安裝有加速度傳感器模塊，加速度傳感器用于檢測(cè)汽車是否在行駛，利用其對(duì)運(yùn)動(dòng)的敏感性，實(shí)現(xiàn)汽車移動(dòng)即時(shí)開機(jī)，進(jìn)入系統(tǒng)自檢、自動(dòng)喚醒。汽車高速行駛時(shí)，按運(yùn)動(dòng)速度自動(dòng)智能確定檢測(cè)時(shí)間周期，并通過輔助軟件對(duì)汽車行駛過程中的安全期、敏感期和危險(xiǎn)期進(jìn)行監(jiān)控并做出預(yù)警判斷，以逐漸縮短巡回檢測(cè)周期和提高預(yù)警能力、從而大大地降低系統(tǒng)功耗。當(dāng)前，基于壓阻檢測(cè)的TPMS集成芯片結(jié)構(gòu)主要有以下兩種(1)利用硅片雙面微加工方法結(jié)合鍵合技術(shù)制作集成芯片，即采用兩步各向異性濕法刻蝕方法分別形成壓力薄膜和質(zhì)量塊。通過硅_硅鍵合或硅_玻璃鍵合來制作壓力傳感器的參考?jí)毫η惑w和加速度傳感器的結(jié)構(gòu)支撐框架，最后再利用硅片正面干法刻蝕釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)。[Xu J B, Zhao Y L, Jiang Z D et al. A monolithic siliconmulti—sensor for measuring three-axis acceleration, pressure and temperature Journalof Mechanical Science and Technology, 2008, 22 731-739] 0 (2)壓力傳感器敏感薄膜由LPCVD (低壓化學(xué)氣相沉積)沉積薄膜材料組成，例如低應(yīng)力氮化硅、多晶硅等，在薄膜上方制作多晶硅壓敏電阻形成檢測(cè)電路；加速度傳感器采用熱對(duì)流原理實(shí)現(xiàn)檢測(cè)[Wang Q，Li X X，Li Τ, Bao M Μ, et al.A novel monolithicalIyintegrated pressure, accelerometer and temperature composite sensor Transducers2009, Denver, CO, USA. 2009 :1118-1121]。上述第一種結(jié)構(gòu)方式主要采用硅體微機(jī)械工藝制作，采用兩步背面KOH刻蝕減薄硅片和高溫鍵合制作壓力傳感器的腔體及加速度傳感器懸臂梁和質(zhì)量塊，這種制作方式不僅使加工后的芯片尺寸偏大，增加了生產(chǎn)成本，而且加工后壓力薄膜厚度不均勻，影響傳感器輸出特性。同時(shí)，鍵合過程中不同材料間的熱不匹配所導(dǎo)致的殘余應(yīng)力對(duì)傳感器溫漂也會(huì)產(chǎn)生較大的影響[Kovacs GTA, Maluf Ni, Petersen KE. Bulk micromachining of silicon, P IEEE,1998,86(8) 1536 1551]。第二種結(jié)構(gòu)方式采用表面微機(jī)械工藝替代體微機(jī)械工藝，通過采用低應(yīng)力氮化硅或其他楊氏模量較大的沉積薄膜作為壓力傳感器的敏感結(jié)構(gòu)層，解決了體硅微機(jī)械加工薄膜厚度不均勻的問題。并且加工后整體尺寸較小，可有效降低加工成本。但是，由于其通過多晶硅摻雜的方法來加工檢測(cè)電阻，且多晶硅電阻壓阻系數(shù)遠(yuǎn)小于單晶硅，壓阻系數(shù)約為單晶硅壓阻系數(shù)的二分之一，因此靈敏度偏低，不適于在高靈敏度檢測(cè)場(chǎng)合應(yīng)用。還有就是由于這種結(jié)構(gòu)的傳感器需要通過濕法刻蝕犧牲層來釋放結(jié)構(gòu)，很容易導(dǎo)致薄膜黏附失效，且由于受到薄膜沉積限制，不易制作大量程壓力傳感器。鑒于此，本發(fā)明提出了一種新的基于單硅片的加速度和壓力傳感器集成芯片結(jié)構(gòu)及其制作方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題在于提供一種加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片及制作方法，可實(shí)現(xiàn)多傳感器芯片集成制造，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)芯片的微小型化，滿足芯片低成本、 大批量生產(chǎn)的要求。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案—種加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片，包括一塊單晶硅基片和均集成在所述單晶硅基片上的加速度傳感器及壓力傳感器；所述加速度傳感器與壓力傳感器集成于所述單晶硅基片的同一表面；其中，所述加速度傳感器包括質(zhì)量塊，與所述質(zhì)量塊連接的彈性懸臂梁，位于所述彈性懸臂梁上的第一應(yīng)力敏感電阻，位于所述單晶硅基片表面的參考電阻，位于所述質(zhì)量塊與彈性懸臂梁周圍嵌入在所述單晶硅基片內(nèi)的運(yùn)動(dòng)空腔，以及具有凹腔的蓋板硅片；所述蓋板硅片覆蓋在質(zhì)量塊和彈性懸臂梁外，使所述運(yùn)動(dòng)空腔與凹腔配合形成密閉腔體；所述質(zhì)量塊由第一單晶硅薄膜和位于所述第一單晶硅薄膜之上的金屬塊組成；所述第一應(yīng)力敏感電阻與所述參考電阻連接成加速度檢測(cè)電路；所述壓力傳感器包括第二單晶硅薄膜，多個(gè)位于所述第二單晶硅薄膜上的第二應(yīng)力敏感電阻，以及位于所述第二單晶硅薄膜之下嵌入在所述單晶硅基片內(nèi)的密封壓力腔；所述多個(gè)第二應(yīng)力敏感電阻連接成壓力檢測(cè)電路。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述第一應(yīng)力敏感電阻和第二應(yīng)力敏感電阻均為單晶硅應(yīng)力敏感電阻。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述單晶硅基片為(111)晶面的單晶硅基片。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述第一單晶硅薄膜和第二單晶硅薄膜均為六邊形，且相鄰兩邊的夾角均為120°。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述加速度傳感器設(shè)有兩根所述彈性懸臂梁以及兩個(gè)分別位于兩根所述彈性懸臂梁上的第一應(yīng)力敏感電阻，并且設(shè)有兩個(gè)所述參考電阻；兩個(gè)所述參考電阻與兩個(gè)所述第一應(yīng)力敏感電阻連接成半橋檢測(cè)電路。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述加速度傳感器中的金屬塊為銅塊，厚度為20 μ m 30 μ m0作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述壓力傳感器設(shè)有四個(gè)第二應(yīng)力敏感電阻，分別兩兩相對(duì)的以所述第二單晶硅薄膜的中心呈中心對(duì)稱分布，且分別位于所述第二單晶硅薄膜的兩條相互垂直的對(duì)稱軸上，四個(gè)所述第二應(yīng)力敏感電阻連接成惠斯頓全橋檢測(cè)電路。此外，本發(fā)明還提供一種上述加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片的制作方法， 包括以下步驟步驟一、采用離子注入的方法在單晶硅基片上制作應(yīng)力敏感電阻，然后制作表面鈍化保護(hù)層；
步驟二、利用反應(yīng)離子刻蝕工藝在單晶硅基片上間隔的制作多個(gè)釋放窗口，多個(gè)釋放窗口分為兩組分別勾勒出所需第一單晶硅薄膜和第二單晶硅薄膜的輪廓，兩組釋放窗口的深度分別與所需第一單晶硅薄膜和第二單晶硅薄膜的厚度一致；然后在釋放窗口內(nèi)沉積鈍化材料制作側(cè)壁鈍化保護(hù)層；步驟三、利用反應(yīng)離子刻蝕工藝剝離釋放窗口底部的鈍化材料，然后再利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕工藝?yán)^續(xù)向下刻蝕，兩組釋放窗口分別刻蝕至所需運(yùn)動(dòng)空腔和密封壓力腔的深度；步驟四、通過釋放窗口利用濕法刻蝕工藝橫向腐蝕單晶硅基片，從而制作嵌入在單晶硅基片內(nèi)的運(yùn)動(dòng)空腔和壓力腔體，釋放第一單晶硅薄膜和第二單晶硅薄膜；并通過在釋放窗口內(nèi)沉積多晶硅縫合釋放窗口，完成壓力傳感器中壓力腔體的密封；步驟五、去除部分表面鈍化保護(hù)層，制作歐姆接觸區(qū)和引線孔，并形成引線和焊盤；步驟六、在第一單晶硅薄膜上制作金屬塊，然后利用刻蝕工藝釋放由第一單晶硅薄膜和金屬塊構(gòu)成的質(zhì)量塊，并釋放彈性懸臂梁；步驟七、制作具有凹腔的蓋板硅片，并利用BCB(BenzocycIobuene)膠將所述蓋板硅片粘貼在單晶硅基片上，使蓋板硅片覆蓋質(zhì)量塊和彈性懸臂梁，其凹腔與運(yùn)動(dòng)空腔形成密閉空腔，完成整個(gè)集成芯片的制作。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述單晶硅基片采用η型(111)晶面的單晶硅基片。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟一通過向η型(111)晶面的單晶硅基片進(jìn)行硼離子注入的方法制作應(yīng)力敏感電阻，注入傾斜角為7° 10°，應(yīng)力敏感電阻的方塊電阻值為 82 90歐姆。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟一利用低壓化學(xué)氣相沉積工藝(LPCVD)順序沉積低應(yīng)力氮化硅和氧化硅的方法制作表面鈍化保護(hù)層。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟二中沿著η型(111)晶面的單晶硅基片的<111>晶向等間距地制作多個(gè)柵格長(zhǎng)條式釋放窗口，所述多個(gè)釋放窗口分為兩組分別勾勒出第一單晶硅薄膜和第二單晶硅薄膜的輪廓，使第一單晶硅薄膜和第二單晶硅薄膜的輪廓均為六邊形且相鄰兩邊的夾角均為120°。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟二中利用低壓化學(xué)氣相沉積工藝順序沉積低應(yīng)力氮化硅和氧化硅，或者直接利用低壓化學(xué)氣相沉積工藝沉積低應(yīng)力氮化硅，從而制作出側(cè)壁鈍化保護(hù)層。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟四中利用KOH溶液或者TMAH溶液從單晶硅基片內(nèi)部橫向腐蝕單晶硅基片。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟四中利用低壓化學(xué)氣相沉積工藝沉積低應(yīng)力多晶硅縫合釋放窗口。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟六所述金屬塊為銅塊，通過濺射銅電鍍種子層，完成銅電鍍，從而在第一單晶硅薄膜上制作銅塊。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明采用非鍵合的同一套單硅片微機(jī)械工藝通過單面加工將壓力傳感器和加速度傳感器集成在同一顆單晶硅芯片的同一表面上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，構(gòu)思巧妙，可應(yīng)用于TPMS系統(tǒng)中，完成對(duì)加速度和壓力各參數(shù)的檢測(cè)。本發(fā)明不僅解決了當(dāng)前體硅微加工的壓阻式壓力和加速度傳感器集成芯片尺寸過大、不同鍵合材料間熱不比配所導(dǎo)致的殘余應(yīng)力和壓力傳感器薄膜厚度不均的問題，而且還具有表面微機(jī)械加工所特有的優(yōu)勢(shì)，加工后的芯片便于封裝，具有尺寸小、成本低、靈敏度高、穩(wěn)定性好、精度佳等特點(diǎn)，適合于大批量生產(chǎn)。


圖1為實(shí)施例中的加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片的三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實(shí)施例中的加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片的三維結(jié)構(gòu)截面示意圖。圖3為實(shí)施例中的加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片的制作工藝流程圖，其中 (a)制作應(yīng)力敏感電阻；(b)刻蝕釋放窗口 ；(c)結(jié)構(gòu)側(cè)壁保護(hù)并加工犧牲間隙；(d)側(cè)壁根部橫向濕法刻蝕；(e)縫合釋放窗口 ；(f)加工引線；(g)電鍍加速度傳感器銅塊；(h)BCB鍵
合封裝。
圖ζI為實(shí)施例中的加速度傳感器SEM實(shí)物圖片。
圖5為實(shí)施例中的壓力傳感器SEM實(shí)物圖片。
圖6為實(shí)施例中的加速度傳感器測(cè)試曲線。
圖、7為實(shí)施例中的壓力傳感器測(cè)試曲線。
圖中各附圖標(biāo)記說明如下
1—一加速度傳感器；
2—一壓力傳感器；
3—一引線和焊盤；
4—一規(guī)則六邊形壓力薄膜；
5—一壓力傳感器的應(yīng)力敏感電阻；
61-——加速度傳感器的應(yīng)力敏感電阻；
62-——加速度傳感器的參考電阻；
6—一加速度傳感器的彈性懸臂梁；
7—一加速度傳感器的質(zhì)量塊，亦即硅島(由銅電鍍而成)
8—一可動(dòng)間隙；
9—一密封壓力腔；
10-——加速度傳感器的法向運(yùn)動(dòng)間隙。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本實(shí)施例制作一種加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片，如圖1和圖2所示，該芯片包括一塊單晶硅基片和均集成在所述單晶硅基片上的加速度傳感器1及壓力傳感器2 ； 所述加速度傳感器1與壓力傳感器2集成于所述單晶硅基片的同一表面。其中，所述加速度傳感器1包括質(zhì)量塊7，與所述質(zhì)量塊7連接的彈性懸臂梁6， 位于所述彈性懸臂梁6上的第一應(yīng)力敏感電阻61，位于所述單晶硅基片表面的參考電阻 62，位于所述質(zhì)量塊7與彈性懸臂梁6周圍嵌入在所述單晶硅基片內(nèi)的運(yùn)動(dòng)空腔(圖1-2 中的可動(dòng)間隙8和法向運(yùn)動(dòng)間隙10組成運(yùn)動(dòng)空腔)，以及具有凹腔的蓋板硅片(圖中未示出)；所述蓋板硅片覆蓋在質(zhì)量塊和彈性懸臂梁外，使所述運(yùn)動(dòng)空腔與凹腔配合形成密閉腔體；所述質(zhì)量塊7由第一單晶硅薄膜和位于所述第一單晶硅薄膜之上的金屬塊組成，金屬塊優(yōu)選為銅塊；所述第一應(yīng)力敏感電阻61與所述參考電阻62連接成加速度檢測(cè)電路。 其中，第一單晶硅薄膜主要起到后續(xù)電鍍銅塊時(shí)的支撐作用，銅塊厚度為20 μ m 30 μ m， 主要用于增加質(zhì)量塊的質(zhì)量，提高加速度傳感器的輸出特性。所述壓力傳感器包括第二單晶硅薄膜(即圖1-2中的規(guī)則六邊形壓力薄膜4)， 多個(gè)位于所述第二單晶硅薄膜上的第二應(yīng)力敏感電阻5，以及位于所述第二單晶硅薄膜之下嵌入在所述單晶硅基片內(nèi)的密封壓力腔9 ；所述多個(gè)第二應(yīng)力敏感電阻5連接成壓力檢測(cè)電路。在本實(shí)施例中，優(yōu)選地，采用η型(111)晶面硅片作為單晶硅基片進(jìn)行單硅片單面微機(jī)械制作，通過單晶硅側(cè)壁根部橫向濕法刻蝕形成單晶硅薄膜和嵌入式腔體結(jié)構(gòu)。所述第一應(yīng)力敏感電阻和第二應(yīng)力敏感電阻均為單晶硅應(yīng)力敏感電阻，相對(duì)于多晶硅壓敏電阻有更高的靈敏度；第一單晶硅薄膜和第二單晶硅薄膜均為六邊形，相鄰兩邊的夾角均為 120°。加速度傳感器優(yōu)選地采用雙懸臂梁和質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，即設(shè)有兩根所述彈性懸臂梁6 以及兩個(gè)分別位于兩根所述彈性懸臂梁6上的第一應(yīng)力敏感電阻61，并且設(shè)有兩個(gè)分別位于兩根彈性懸臂梁外側(cè)的參考電阻62，兩根所述彈性懸臂梁互相平行，且以第一單晶硅薄膜的對(duì)稱軸呈軸對(duì)稱布置，兩個(gè)所述參考電阻62與兩個(gè)所述第一應(yīng)力敏感電阻61連接成半橋檢測(cè)電路。其中，第一應(yīng)力敏感電阻61和參考電阻62的電阻阻值大小相等，均為 3. 5k Ω-6. 5k Ω范圍。制作時(shí)第一單晶硅薄膜和第二單晶硅薄膜的厚度一致，通過在第一單晶硅薄膜表面選擇性電鍍銅塊來增加質(zhì)量塊的質(zhì)量和提高傳感器的檢測(cè)靈敏度。當(dāng)加速度傳感器受到外部加速度作用時(shí)，兩根檢測(cè)懸臂梁在外力作用下產(chǎn)生彈性形變，相應(yīng)地，位于懸臂梁上表面根部位置的第一應(yīng)力敏感電阻受拉(或受壓)，根據(jù)壓阻效應(yīng)，第一應(yīng)力敏感電阻的阻值相應(yīng)增大(或減小)，通過與兩個(gè)參考電阻組成半橋檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)外部加速度檢測(cè)。壓力傳感器根據(jù)薄膜區(qū)的應(yīng)力分布，充分利用電阻條的縱向壓阻效應(yīng)設(shè)計(jì)壓阻排布方式，優(yōu)選地，采用了四個(gè)第二應(yīng)力敏感電阻5，分別兩兩相對(duì)的以規(guī)則六邊形壓力薄膜 4的中心呈中心對(duì)稱分布，且分別位于規(guī)則六邊形壓力薄膜4的兩條相互垂直的對(duì)稱軸上， 即分布在其上下左右位置。當(dāng)外部壓力作用在壓力薄膜上時(shí)，薄膜發(fā)生彈性形變，根據(jù)壓阻效應(yīng)，上下位置兩個(gè)電阻由于受到拉應(yīng)力，阻值增大，左右兩個(gè)電阻受到壓應(yīng)力，阻值減小， 這四個(gè)第二應(yīng)力敏感電阻5阻值相等，組成惠斯頓全橋檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部壓力檢測(cè)。制作該加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片的整個(gè)工藝過程采用同一套光刻版通過微機(jī)械工藝加工。參看圖3中的(a)-(h)，其優(yōu)選實(shí)施步驟如下步驟一、采用η型(111)晶面的單晶硅基片，通過向該單晶硅基片進(jìn)行硼離子注入的方法制作應(yīng)力敏感電阻，注入傾斜角為7° 10°，應(yīng)力敏感電阻的方塊電阻值為82 90歐姆。然后制作表面鈍化保護(hù)層利用LPCVD順序沉積低應(yīng)力氮化硅和氧化硅。步驟二、利用反應(yīng)離子刻蝕工藝在單晶硅基片上沿著η型(111)晶面的單晶硅基片的<111>晶向等間距地制作多個(gè)柵格長(zhǎng)條式釋放窗口，所述多個(gè)釋放窗口分為兩組分別勾勒出第一單晶硅薄膜和第二單晶硅薄膜的輪廓，其中，所需第一單晶硅薄膜的輪廓和第
8二單晶硅薄膜的輪廓均為六邊形且相鄰兩邊的夾角均為120°，兩組釋放窗口的深度分別與所需第一單晶硅薄膜和第二單晶硅薄膜的厚度一致。然后在釋放窗口內(nèi)LPCVD沉積鈍化材料制作側(cè)壁鈍化保護(hù)層，例如可利用LPCVD順序沉積低應(yīng)力氮化硅和氧化硅，或者直接利用LPCVD沉積低應(yīng)力氮化硅，從而制作出側(cè)壁鈍化保護(hù)層。步驟三、利用反應(yīng)離子刻蝕工藝剝離釋放窗口底部的鈍化材料，然后再利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕工藝?yán)^續(xù)向下刻蝕，兩組釋放窗口分別刻蝕至所需運(yùn)動(dòng)空腔和密封壓力腔的深度。步驟四、在釋放窗口的側(cè)壁根部利用KOH溶液或者TMAH溶液橫向腐蝕單晶硅基片，從而制作嵌入在單晶硅基片內(nèi)的運(yùn)動(dòng)空腔和壓力腔體，釋放第一單晶硅薄膜和第二單晶硅薄膜，并通過在釋放窗口內(nèi)LPCVD沉積多晶硅縫合釋放窗口，完成壓力傳感器中壓力腔體的密封，然后，采用硅深度反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)去除硅表面多余的多晶硅。步驟五、采用150°C，85%磷酸腐蝕去除部分表面氮化硅鈍化保護(hù)層(氮化硅亦可以保留用作器件絕緣層)，然后制作歐姆接觸區(qū)和引線孔，濺射鋁薄膜并形成引線和焊盤。步驟六、在第一單晶硅薄膜上制作銅塊，可以通過正面濺射鈦鎢銅電鍍種子層，完成加速度傳感器質(zhì)量塊的銅電鍍。然后在硅片正面噴膠光刻，利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)釋放加速度傳感器可動(dòng)結(jié)構(gòu)(由第一單晶硅薄膜和銅塊構(gòu)成的質(zhì)量塊以及釋放彈性懸臂梁)。步驟七、制作具有凹腔的蓋板硅片，并利用BCB(BenzocycIobuene)膠將所述蓋板硅片粘貼在單晶硅基片上，使蓋板硅片覆蓋質(zhì)量塊和彈性懸臂梁，其凹腔與運(yùn)動(dòng)空腔形成密閉空腔，完成整個(gè)集成芯片的制作。最后進(jìn)行劃片及測(cè)試。圖4、圖5分別是本實(shí)施例制作的集成芯片中加速度傳感器和壓力傳感器的SEM實(shí)物圖片。圖6、圖7分別是本實(shí)施例制作的集成芯片中加速度傳感器和壓力傳感器的測(cè)試曲線。由圖可見，該集成芯片上所有功能部件均位于單芯片一面，單芯片另一面不參與工藝制作，加工后的芯片便于封裝，具有尺寸小、成本低、靈敏度高、穩(wěn)定性好、精度佳等特點(diǎn)，適合于大批量生產(chǎn)。上述實(shí)施例僅列示性說明本發(fā)明的原理及功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范圍下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修改。因此，本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。
權(quán)利要求
1.一種加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片，其特征在于，包括一塊單晶硅基片和均集成在所述單晶硅基片上的加速度傳感器及壓力傳感器；所述加速度傳感器與壓力傳感器集成于所述單晶硅基片的同一表面；其中，所述加速度傳感器包括質(zhì)量塊，與所述質(zhì)量塊連接的彈性懸臂梁，位于所述彈性懸臂梁上的第一應(yīng)力敏感電阻，位于所述單晶硅基片表面的參考電阻，位于所述質(zhì)量塊與彈性懸臂梁周圍嵌入在所述單晶硅基片內(nèi)的運(yùn)動(dòng)空腔，以及具有凹腔的蓋板硅片；所述蓋板硅片覆蓋在質(zhì)量塊和彈性懸臂梁外，使所述運(yùn)動(dòng)空腔與凹腔配合形成密閉腔體；所述質(zhì)量塊由第一單晶硅薄膜和位于所述第一單晶硅薄膜之上的金屬塊組成；所述第一應(yīng)力敏感電阻與所述參考電阻連接成加速度檢測(cè)電路；所述壓力傳感器包括第二單晶硅薄膜，多個(gè)位于所述第二單晶硅薄膜上的第二應(yīng)力敏感電阻，以及位于所述第二單晶硅薄膜之下嵌入在所述單晶硅基片內(nèi)的密封壓力腔；所述多個(gè)第二應(yīng)力敏感電阻連接成壓力檢測(cè)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片，其特征在于所述第一應(yīng)力敏感電阻和第二應(yīng)力敏感電阻均為單晶硅應(yīng)力敏感電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片，其特征在于所述單晶硅基片為(111)晶面的單晶硅基片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片，其特征在于所述第一單晶硅薄膜和第二單晶硅薄膜均為六邊形，且相鄰兩邊的夾角均為120°。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片，其特征在于所述加速度傳感器設(shè)有兩根所述彈性懸臂梁以及兩個(gè)分別位于兩根所述彈性懸臂梁上的第一應(yīng)力敏感電阻，并且設(shè)有兩個(gè)所述參考電阻；兩個(gè)所述參考電阻與兩個(gè)所述第一應(yīng)力敏感電阻連接成半橋檢測(cè)電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片，其特征在于所述加速度傳感器中的金屬塊為銅塊，厚度為20 μ m 30 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片，其特征在于所述壓力傳感器設(shè)有四個(gè)第二應(yīng)力敏感電阻，分別兩兩相對(duì)的以所述第二單晶硅薄膜的中心呈中心對(duì)稱分布，且分別位于所述第二單晶硅薄膜的兩條相互垂直的對(duì)稱軸上；四個(gè)所述第二應(yīng)力敏感電阻連接成惠斯頓全橋檢測(cè)電路。
8.一種加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一、采用離子注入的方法在單晶硅基片上制作應(yīng)力敏感電阻，然后制作表面鈍化保護(hù)層；步驟二、利用反應(yīng)離子刻蝕工藝在單晶硅基片上間隔的制作多個(gè)釋放窗口，多個(gè)釋放窗口分為兩組分別勾勒出所需第一單晶硅薄膜和第二單晶硅薄膜的輪廓，兩組釋放窗口的深度分別與所需第一單晶硅薄膜和第二單晶硅薄膜的厚度一致；然后在釋放窗口內(nèi)沉積鈍化材料制作側(cè)壁鈍化保護(hù)層；步驟三、利用反應(yīng)離子刻蝕工藝剝離釋放窗口底部的鈍化材料，然后再利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕工藝?yán)^續(xù)向下刻蝕，兩組釋放窗口分別刻蝕至所需運(yùn)動(dòng)空腔和密封壓力腔的深度；步驟四、通過釋放窗口利用濕法刻蝕工藝橫向腐蝕單晶硅基片，從而制作嵌入在單晶硅基片內(nèi)的運(yùn)動(dòng)空腔和壓力腔體，釋放第一單晶硅薄膜和第二單晶硅薄膜，并通過在釋放窗口內(nèi)沉積多晶硅縫合釋放窗口，完成壓力傳感器中壓力腔體的密封；步驟五、去除部分表面鈍化保護(hù)層，制作歐姆接觸區(qū)和引線孔，并形成引線和焊盤；步驟六、在第一單晶硅薄膜上制作金屬塊，然后利用刻蝕工藝釋放由第一單晶硅薄膜和金屬塊構(gòu)成的質(zhì)量塊，并釋放彈性懸臂梁；步驟七、制作具有凹腔的蓋板硅片，并利用 BCB膠將所述蓋板硅片粘貼在單晶硅基片上，使蓋板硅片覆蓋質(zhì)量塊和彈性懸臂梁，其凹腔與運(yùn)動(dòng)空腔形成密閉空腔，完成整個(gè)集成芯片的制作。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片的制作方法，其特征在于所述單晶硅基片采用η型(111)晶面的單晶硅基片。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片的制作方法，其特征在于步驟一通過向η型(111)晶面的單晶硅基片進(jìn)行硼離子注入的方法制作應(yīng)力敏感電阻， 注入傾斜角為7° 10°，應(yīng)力敏感電阻的方塊電阻值為82 90歐姆。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片的制作方法，其特征在于步驟一利用低壓化學(xué)氣相沉積工藝順序沉積低應(yīng)力氮化硅和氧化硅的方法制作表面鈍化保護(hù)層。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片的制作方法，其特征在于步驟二中沿著η型(111)晶面的單晶硅基片的<111>晶向等間距地制作多個(gè)柵格長(zhǎng)條式釋放窗口，所述多個(gè)釋放窗口分為兩組分別勾勒出第一單晶硅薄膜和第二單晶硅薄膜的輪廓，使第一單晶硅薄膜和第二單晶硅薄膜的輪廓均為六邊形且相鄰兩邊的夾角均為 120°。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片的制作方法，其特征在于步驟二中利用低壓化學(xué)氣相沉積工藝順序沉積低應(yīng)力氮化硅和氧化硅，或者直接利用低壓化學(xué)氣相沉積工藝沉積低應(yīng)力氮化硅，從而制作出側(cè)壁鈍化保護(hù)層。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片的制作方法，其特征在于步驟四中利用KOH溶液或者TMAH溶液從單晶硅基片內(nèi)部橫向腐蝕單晶硅基片。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片的制作方法，其特征在于步驟四中利用低壓化學(xué)氣相沉積工藝沉積低應(yīng)力多晶硅縫合釋放窗口。
16.根據(jù)權(quán)利要求8所述加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片的制作方法，其特征在于步驟六所述金屬塊為銅塊，通過濺射銅電鍍種子層，完成銅電鍍，從而在第一單晶硅薄膜上制作銅塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種加速度和壓力傳感器單硅片集成芯片及制作方法。該芯片包括一塊單晶硅基片和均集成在該單晶硅基片上的加速度傳感器及壓力傳感器；采用單硅片單面微加工方法把壓力和加速度傳感器集成在該單晶硅基片的同一表面，通過側(cè)壁根部橫向刻蝕技術(shù)形成厚度均勻可控的單晶硅薄膜和嵌入式腔體，并在單晶硅薄膜上表面合理分布?jí)鹤柚谱鲏毫鞲衅鳎患铀俣葌鞲衅鞑捎秒p懸臂梁和質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，通過對(duì)單晶硅薄膜的后續(xù)選擇性電鍍和刻蝕，加工并釋放質(zhì)量塊和懸臂梁，采用電鍍銅方法增加質(zhì)量塊質(zhì)量，提高靈敏度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用非鍵合的單硅片微機(jī)械工藝實(shí)現(xiàn)集成芯片單面結(jié)構(gòu)制作，滿足了TPMS應(yīng)用中對(duì)傳感器芯片小尺寸、低成本及大批量生產(chǎn)的要求。
文檔編號(hào)G01P15/12GK102476786SQ20101055394
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者李昕欣, 王家疇 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所