CN103674112A - 一体化硅压阻式传感器芯片的制备方法及传感器芯片 - Google Patents

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尤彩虹
纪乐春
贾新彪
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Abstract

本发明提供一体化硅压阻式传感器芯片的制备方法以及该方法制备的传感器芯片，该方法使压力传感器和加速度传感器一体化集成在单晶硅同一表面，最大程度的减小了芯片体积。

Description

一体化硅压阻式传感器芯片的制备方法及传感器芯片
技术领域
本发明涉及硅微机械加工技术领域，涉及一体化硅压阻式传感器芯片的制备方法，该方法可实现绝对压力和加速度的精确测量。
背景技术
随着我国生活水平的提交，汽车作为日常交通工具，其保有量逐年提高，并且人们对交通事故防范意识也不断得到提高。据统计，在中国高速公路上发生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，而爆胎一般是由于各个轮胎的压力不均衡所致，所以实现对汽车轮胎压力的实时监控成为一项重要课题，也是一个广阔市场。通过实践证明，利用安装在各轮胎上的压力传感器可实现对轮胎压力的实时监控，并同时安装加速度传感器模块，检验汽车是否行驶，实现汽车胎压监视***的自动运行。
现有的胎压监视用传感器所采用的压力源引入方式一般是从芯片上表面引入，这样会造成传感器上表面的污染。例如中国专利ZL200820041991.8提供一种汽车胎压传感器的封装结构，所述汽车胎压传感器的封装结构包括压力传感器芯片、数字信号处理单元芯片，其还包括引线框架，所述引线框架的正反两面分别设置有安装岛，位于所述引线框架正面的安装岛向所述引线框架内侧凹陷，所述数字信号处理单元芯片塑封于所述框架反面的安装岛，所述压力传感器芯片安装于所述引线框架正面所述凹陷的岛内并用封盖封合。
而且，若加速度传感器与压力传感器在同一表面，压力源同样会作用于加速度传感器，会对加速度传感器的阻尼性能造成影响，影响加速度检测结果。为避免以上影响，必须将加速度传感器两面封装在真空中，使芯片封装工艺复杂化，增加制造成本。所以开发压力源从芯片背部引入的胎压监视用传感器是十分必要。
发明内容
本发明的目的是提供一体化硅压阻式传感器芯片的制备方法，该方法使压力传感器和加速度传感器一体化制备，解决了压力源从芯片背部引入的问题，实现了轮胎压力和加速度的精确测量，满足体积小，可实现低成本量产的要求。
所述的一体化硅压阻式传感器芯片的制备方法包括以下步骤：
步骤一、采用扩散的方法，在单晶硅片上表面形成压敏电阻条和欧姆接触区，然后制作表面钝化层；
步骤二、采用湿法刻蚀的方法，同时形成压力传感器的引压腔和加速度传感器的质量块；
步骤三、制作引线孔，并在单晶硅片上表面镀铝层，通过光刻刻蚀的方法形成引线和电极，使压力传感器和加速度传感器上的压敏电阻条连接起来，分别形成惠斯通全桥电路和电极；
步骤四、使用干法刻蚀的方法，释放单轴加速度传感器芯片结构，形成两边四梁结构；
步骤五、在硼硅玻璃底盖的上表面，与加速度传感器质量块对应位置和压力传感器方膜片对应位置，分别加工形成限位结构和圆形通孔；
步骤六、通过静电键合的方法，使经过步骤五处理过的硼硅玻璃底盖与传感器芯片的支撑框架键合，固定传感器芯片；
步骤七、在硼硅玻璃上盖的下表面，与压力传感器方膜片对应位置和加速度传感器质量块对应位置，分别加工形成凹腔和圆形通孔；
步骤八、使经过步骤七处理过的硼硅玻璃上盖与传感器芯片支撑框架的上表面键合，完成整个芯体的制作。
本发明的另一目的是提供一体化硅压阻式传感器芯片的制备方法制备得到的一体化硅压阻式传感器芯片。
一体化硅压阻式传感器芯片，使压力传感器和加速度传感器一体化集成在单晶硅同一表面。
所述的压力传感器包括支撑框架，所述支撑框架上设有方膜片，在方膜片周圈设有的压敏电阻条，硼硅玻璃底盖与支撑框架下底面键合，底盖上具有圆形通孔，硼硅玻璃上盖与支撑框架上表面键合，在上盖上设有凹腔。
所述的加速度传感器包括支撑框架，所述支撑框架上设有质量块，悬臂梁连接支撑框架与质量块，在悬臂梁端部分布有压敏电阻条，硼硅玻璃底盖与支撑框架的下底面键合，硼硅玻璃底盖的表面具有限位结构，硼硅玻璃上盖与支撑框架上表面键合，硼硅玻璃上盖具有圆形通孔。
本发明最大优点在于压力传感器和加速度传感器一体化集成在单晶硅同一表面，减小了芯片体积。尤其适合胎压监视使用。
附图说明
图1是本发明实施例中一体化硅压阻式传感器芯片的剖视图；
图2是本发明实施例中一体化硅压阻式传感器芯片的正面视图。
图中各附图标记说明如下：
1—硅/玻璃静电键合结构；  2—圆形通孔；
3—底盖；                 4—背腔
5—间隙；                 6—支撑框架；
7—绝缘层；               8—铝层；
9—真空参考腔；           10—压敏电阻条；
11—方膜片；              12—引压腔；
13—上盖；                14—引线孔；
15—浓硼扩散区；          16—质量块；
17—悬臂梁；              18—BCB材料；
20-通孔。
具体实施方式
下面给出本发明的较佳的实施例，这些实施例并非限制本发明的内容。
实施例
请见图1及图2所示，本实施例具体描述一体化硅压阻式传感器芯片的制备方法，该方法包括以下步骤：
1、使用热氧化的方法，在单晶硅片两面生长二氧化硅（SiO2）薄膜层；
2、在硅片方膜片11与悬臂梁17设计区进行光刻，形成淡硼压敏电阻条扩散区；
3、刻蚀掉淡硼压敏电阻条扩散区的SiO2薄膜层；
4、使用扩散方法，形成淡硼压敏电阻条10；
5、刻蚀掉SiO2薄膜层；
6、使用热氧化的方法，在硅片两面生长SiO2薄膜层；
7、在硅片上表面进行光刻，形成浓硼电阻欧姆接触区；
8、刻蚀掉浓硼电阻欧姆接触区的SiO2薄膜层；
9、使用扩散的方法，形成浓硼扩散区15；
10、刻蚀掉SiO2薄膜层；
11、使用低压化学气相沉积的方法，在硅片两面沉积两层SiO2/氮化硅（Si3N4）薄膜层；
12、使用光刻的方法，形成背腔4和引压腔12底部SiO2/Si3N4薄膜刻蚀图案；
13、刻蚀掉引压腔12和背腔4底部第一层的SiO2/Si3N4薄膜层；
14、使用光刻方法，形成背腔4、质量块16和引压腔12底部的SiO2/Si3N4薄膜刻蚀图案；
15、刻蚀掉质量块16底部的第一层SiO2/Si3N4薄膜层与背腔4和引压腔12底部的第二层SiO2/Si3N4薄膜层；
16、使用氢氧化钾（KOH）腐蚀，形成背腔4与引压腔12；
17、使用光刻与刻蚀的方法，去掉质量块底部第二层SiO2/Si3N4薄膜层和支撑框架6底部的第一层SiO2/Si3N4薄膜层；
18、使用KOH刻蚀质量块16、背腔4和引压腔12，使其整体厚度减少5微米，使质量块16与硼硅玻璃上表面保留间隙5，为加速度传感器质量块的振动形成气体阻尼，保留间隙；
19、刻蚀掉支撑框架底部的第二层SiO2/Si3N4薄膜层；
20、正面刻蚀Si3N4/SiO2/Si3N4薄膜层，只保留单层SiO2薄膜层，作为绝缘层7；
21、在硅片上表面使用光刻和刻蚀的方法，形成引线孔14；
22、正面镀金属铝层8；
23、使用光刻和刻蚀的方法，形成铝层引线和电极区，使压力传感器100与加速度传感器200上的淡硼压敏电阻条10，各自形成惠斯通全桥电路；
24、使用刻蚀的方法，释放质量块结构，形成悬臂梁17；
25、使用AOE的方法，刻蚀硼硅玻璃底盖3，在底盖3上表面形成五个玻璃圆柱突起的限位结构；
26、使用激光打孔的方法，在硼硅玻璃底盖3上形成圆形通孔2；
27、采用形成硅/玻璃静电键合结构1的方法，使芯片支撑框架6与底盖3键合；
28、使用AOE的方法，刻蚀硼硅玻璃上盖13，在上盖13的下表面形成凹腔；
29、使用激光打孔的方法，在上盖13形成圆形通孔20；
30、通过BCB材料18，在真空条件下，使上盖13与芯片支撑框架6上表面键合，形成压力传感器上方的真空参考腔9和加速度传感器上方的气体引入通道；
31、划片完成一体化硅压阻式传感器芯片的制备。
图中的一体化硅压阻式传感器芯片，使压力传感器100和加速度传感器200一体化集成在单晶硅同一表面。
所述的压力传感器100包括支撑框架6，所述支撑框架6上设有方膜片11，在方膜片11周圈设有的压敏电阻条10，硼硅玻璃底盖3与支撑框架6下底面键合，底盖3上具有圆形通孔2，硼硅玻璃上盖13与支撑框架6上表面键合。
所述的加速度传感器200包括支撑框架6，所述支撑框架6上设有质量块16，悬臂梁17连接支撑框架6与质量块16，在悬臂梁17端部分布有压敏电阻条10，硼硅玻璃底盖3与支撑框架6的下底面键合，硼硅玻璃底盖3的表面具有限位结构，硼硅玻璃上盖13与支撑框架6上表面键合，硼硅玻璃上盖13具有圆形通孔20。
本发明提供的一体化硅压阻式传感器芯片的特点在于：
1、加速度传感器的悬臂梁采用两边四梁结构，八个压敏电阻条合理分布在悬臂梁上，形成惠斯通全桥电路，每个桥路由两个电阻串联构成，提高电桥阻值，减小芯片工作电流，实现低功耗。
2、压力传感器的方膜片的厚度与加速度传感器的悬臂梁的厚度一致，简化制备工艺步骤。
3、质量块下面的限位结构为五个玻璃圆柱突起，作用是在加速度过载情况下，防止质量块位移过大，避免悬臂梁发生断裂现象，保护传感器芯片。
4、硼硅玻璃底盖上的圆形通孔作用是压力源可以通过芯片背部引压腔引入，克服了常规芯片正面引入压力源所引起的污染、表面氧化等影响，且避免了压力源对加速度芯片阻尼性能的影响，简化了芯体封装工艺。
5、BCB（苯并环丁烯）材料具有固化温度较低的优点，芯片与硼硅玻璃上盖键合时，不影响芯片与硼硅玻璃底盖的键合性能；BCB材料为绝缘材料，键合过程中不影响器件及电路的引线；BCB材料吸水率低，有利于气密性封装，能长时间保持真空状态。使用BCB材料键合，简化了硼硅玻璃与芯片键合工艺。
6、硼硅玻璃上盖在真空条件下，与芯片上表面键合，形成绝对压力参考腔，实现绝对压力的测量；另外硼硅玻璃上盖的下表面具有凹腔，可以使方膜片与上盖的下表面保持足够的距离，避免方膜片与上盖在键合过程中吸附在一起，影响压力的测试性能。
7、加速度传感器的原理是由质量块—弹簧—阻尼构成的运动***，完成加速度的测量。由于硼硅玻璃上盖与芯片在真空条件下键合，因此加速度传感器的硼硅玻璃上盖必须是通孔结构，在芯片与硼硅玻璃上盖键合后，气体可以通入加速度传感器，形成气体阻尼。

Claims (3)

1.一体化硅压阻式传感器芯片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、采用扩散的方法，在单晶硅片上表面形成压敏电阻条和欧姆接触区，然后制作表面钝化层；
步骤二、采用湿法刻蚀的方法，同时形成压力传感器的引压腔和加速度传感器的质量块；
步骤三、制作引线孔，并在单晶硅片上表面镀铝层，通过光刻刻蚀的方法形成引线和电极，使压力传感器和加速度传感器上的压敏电阻条连接起来，分别形成惠斯通全桥电路和电极；
步骤四、使用干法刻蚀的方法，释放单轴加速度传感器芯片结构，形成两边四梁结构；
步骤五、在硼硅玻璃底盖的上表面，与加速度传感器质量块对应位置和压力传感器方膜片对应位置，分别加工形成限位结构和圆形通孔；
步骤六、通过静电键合的方法，使经过步骤五处理过的硼硅玻璃底盖与传感器芯片的支撑框架键合，固定传感器芯片；
步骤七、在硼硅玻璃上盖的下表面，与压力传感器方膜片对应位置和加速度传感器质量块对应位置，分别加工形成凹腔和圆形通孔；
步骤八、使经过步骤七处理过的硼硅玻璃上盖与传感器芯片支撑框架的上表面键合，完成整个芯体的制作。
2.如权利要求1所述的一体化硅压阻式传感器芯片的制备方法制备的传感器芯片，其特征在于，一体化硅压阻式传感器芯片，使压力传感器和加速度传感器一体化集成在单晶硅同一表面。
3.如权利要求2所述的传感器芯片，其特征在于，所述的压力传感器包括支撑框架，所述支撑框架上设有方膜片，在方膜片周圈设有的压敏电阻条，硼硅玻璃底盖与支撑框架下底面键合，底盖上具有圆形通孔，硼硅玻璃上盖与支撑框架上表面键合,在上盖上设有凹腔；所述的加速度传感器包括支撑框架，所述支撑框架上设有质量块，悬臂梁连接支撑框架与质量块，在悬臂梁端部分布有压敏电阻条，硼硅玻璃底盖与支撑框架的下底面键合，硼硅玻璃底盖的表面具有限位结构，硼硅玻璃上盖与支撑框架上表面键合，硼硅玻璃上盖具有圆形通孔。
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