CN113776703A - 一种线性渐变梁结构的mems压阻式压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器及其制备方法，其中，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、金属引线和玻璃底座，硅应变膜为硅衬底的正面经过光刻刻蚀和背面经过背腔刻蚀工艺后形成的具有线性渐变梁膜结构的硅膜，压敏电阻位于线性渐变梁膜结构的端部，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，玻璃底座位于硅应变膜的背面且与硅应变膜键合。通过采用本发明的压阻式压力传感器，不仅实现了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，而且还实现了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
技术领域
本发明属于微电子机械***传感器技术领域，具体涉及一种线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器及其制备方法。
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。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种线性渐变梁结构的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。
本发明的目的还在于提供一种上述线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器的制备方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种线性渐变梁结构的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、金属引线和玻璃底座，所述硅应变膜为硅衬底的正面经过光刻刻蚀和背面经过背腔刻蚀工艺后形成的具有线性渐变梁膜结构的硅膜，所述压敏电阻位于线性渐变梁膜结构的端部，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，所述玻璃底座位于硅应变膜的背面且与所述硅应变膜键合。
优选地，所述硅衬底为N型<100>晶面硅片或N型<100>晶面SOI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。
本发明的第二个技术方案是这样实现的：一种上述的线性渐变梁结构的 MEMS压阻式压力传感器的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
S1、在硅衬底正面制作相互连接的压敏电阻和重掺杂接触区；
S2、在所述硅衬底正面制作引线孔和金属引线；
S3、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；
S4、在所述硅衬底的背面进行背腔刻蚀，直至合适的厚度停止，制成具有线性渐变梁膜结构的硅应变膜；
S5、将所述S4得到的具有线性渐变梁膜结构的硅应变膜与玻璃底座键合，划片，获得具有线性渐变梁膜结构的MEMS压阻式压力传感器。
优选地，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。
优选地，所述S2中，所述金属引线选为Al、Cr/Au、Ti/Au材料中的至少一种。
优选地，所述S3的具体方法为：在所述硅衬底的正面通过光刻定义十字梁形状，再刻蚀制作十字梁结构，得到具有线性渐变梁膜结构的硅应变膜。
与现有技术相比，本发明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，在硅衬底的背面设置空腔并键合玻璃底座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，本发明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，本发明制作方法通过采用先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，再在硅衬底的背面刻蚀形成空腔，并键合玻璃底座，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。
附图说明
图1为本发明实施例中第一种制作工艺获得的线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器的立体示意图；
图2为本发明实施例中第一种制作工艺获得的线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器的剖视图一；
图3为本发明实施例中第一种制作工艺获得的线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器的剖视图二；
图4为本发明实施例中第一种制作工艺获得的线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器的主视图；
图5为发明实施例提供的一种线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器的第一种制作工艺流程示意图，其中：
图5a为备片减薄工艺示意图；
图5b为压敏电阻制作示意图；
图5c为重掺接触区制作示意图；
图5d为电极孔制作示意图；
图5e为金属引线制作示意图；
图5f为线性渐变梁膜结构制作示意图；
图5g为背腔刻蚀制作图；
图5h为硅玻键合示意图示意图一；
图5i为硅玻键合示意图示意图二；
图6为本发明实施例中第一种制作工艺获得的线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器的立体示意图；
图7为本发明实施例中第一种制作工艺获得的线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器的剖视图一；
图8为本发明实施例中第一种制作工艺获得的线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器的剖视图二；
图9为本发明实施例中第一种制作工艺获得的线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器的主视图；
图10为发明实施例提供的一种线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器的第二种制作工艺流程示意图，其中：
图10a为备片减薄工艺示意图；
图10b为压敏电阻制作示意图；
图10c为重掺接触区制作示意图；
图10d为电极孔制作示意图；
图10e为金属引线制作示意图；
图10f为线性渐变梁膜结构制作示意图；
图10g为背腔刻蚀制作图；
图10h为硅玻键合示意图示意图一；
图10i为硅玻键合示意图示意图二；
图11为本发明实施例提供的一种线性渐变梁结构的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11a为第一种形式的梁膜结构示意图；
图11b为第二种形式的梁膜结构示意图；
图11c为第三种形式的梁膜结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，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发明，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发明的限制。
在本发明的描述中，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发明中的具体含义。
实施例1
本发明实施例1提供的一种线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器，具体如图1-4、图6-图9所示，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、金属引线和玻璃底座，所述硅应变膜为硅衬底的正面经过光刻刻蚀和背面经过背腔刻蚀工艺后形成的具有线性渐变梁膜结构的硅膜，所述压敏电阻位于线性渐变梁膜结构的端部，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，所述玻璃底座位于硅应变膜的背面且与所述硅应变膜键合。
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，在硅衬底的背面设置空腔并键合玻璃底座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。
进一步地，所述硅衬底为N型<100>晶面硅片或N型<100>晶面SOI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。
实施例2
本发明实施例2提供了实施例1中所述的线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
S1、在硅衬底正面制作相互连接的压敏电阻和重掺杂接触区；
S2、在所述硅衬底正面制作引线孔和金属引线；
S3、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；
S4、在所述硅衬底的背面进行背腔刻蚀，直至合适的厚度停止，制成具有线性渐变梁膜结构的硅应变膜；
S5、将所述S4得到的具有线性渐变梁膜结构的硅应变膜与玻璃底座键合，划片，获得具有线性渐变梁膜结构的MEMS压阻式压力传感器。
采用上述方案后，通过采用先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，再在硅衬底的背面刻蚀形成空腔，并键合玻璃底座，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S2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，所述S3的具体方法为：在所述硅衬底的正面通过光刻定义十字梁形状，再刻蚀制作十字梁结构，得到具有线性渐变梁膜结构的硅应变膜。
下面对本发明实施例2中所述的制备方法进行详细阐述，并且实施例1中所述的线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器可以通过以下两种方法获得：
方法一(该方法主要是选用N型<100>晶面硅片作为硅衬底制作具有线性渐变梁膜结构的MEMS压阻式压力传感器)：
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)光刻压敏电阻2：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5b所示；
c)光刻重掺接触区3：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5c所示；
d)开电极孔4：光刻刻蚀得到电极孔，如图5d所示；
e)制作金属引线5，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5e所示；
f)渐变梁膜结构6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5f所示；
g)背腔刻蚀7：湿法刻蚀空腔窗口，刻蚀至平膜所需要的尺寸，如图5g 所示；
h)阳极键合、划片：阳极键合将硅片1与Pyrex 7740玻璃8在真空下键合在一起，形成真空密闭空腔，根据键合玻璃开不开孔，制作差压或绝压传感器，如图5h和图5i所示。
其中，所述Pyrex 7740玻璃8可以为打孔的(如图2所示)或不打孔的(如图3所示)，当选用打孔的时，此类传感器为差压传感器；当选用不打孔的时，此类传感器为绝压传感器。
方法二(该方法主要是选用N型<100>晶面SOI硅片作为硅衬底制作具有线性渐变梁膜结构的MEMS压阻式压力传感器)：
a)备片，标记层刻蚀：对N型<100>晶面SOI(Silicon-On-Insulator)硅片 1'零层对准刻蚀标记，硅片表面热氧
二氧化硅11'，如图10a所示；
b)光刻压敏电阻2'：在SOI硅片器件层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10b所示；
c)光刻重掺接触区3'：在SOI硅片器件层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10c所示；
d)开电极孔4'：采用LPCVD工艺获得SiO2层或SiN层，光刻刻蚀得到电极孔，如图10d所示；
e)制作金属引线5'，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10e所示；
f)渐变梁膜结构6'制作：正面光刻定义渐变十字梁形状，采用浅层刻蚀的方式获得渐变十字梁结构，如图10f所示；
g)背腔7'刻蚀：正反套刻深硅刻蚀背腔，直到遇到埋氧层为止，如图10g 所示；
h)硅玻键合、划片：将硅应变膜片与玻璃/打孔玻璃阳极键合，划片得到绝压传感器或差压传感器，如图10h和图10i所示。
其中，当玻璃底座8'可以为打孔的(如图7所示)或不打孔的(如图8所示)，当选用打孔的时，此类传感器为差压传感器；当选用不打孔的时，此类传感器为绝压传感器。
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11a-11c所示；所述渐变梁膜结构还适用于倒装结构压力传感器。
本发明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本发明获得的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，本发明获得的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，本发明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，在硅衬底的背面设置空腔并键合玻璃底座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，本发明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，本发明制作方法通过采用先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，再在硅衬底的背面刻蚀形成空腔，并键合玻璃底座，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，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种线性渐变梁结构的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、金属引线和玻璃底座，所述硅应变膜为硅衬底的正面经过光刻刻蚀和背面经过背腔刻蚀工艺后形成的具有线性渐变梁膜结构的硅膜，所述压敏电阻位于线性渐变梁膜结构的端部，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，所述玻璃底座位于硅应变膜的背面且与所述硅应变膜键合。
2.根据权利要求1所述的一种线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述硅衬底为N型<100>晶面硅片或N型<100>晶面SOI硅片。
3.根据权利要求2所述的一种线性渐变梁结构的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所述的一种线性渐变梁结构的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所述的一种线性渐变梁结构的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所述的一种线性渐变梁结构的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。
7.一种权利要求1-6任意一项所述的线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1、在硅衬底正面制作相互连接的压敏电阻和重掺杂接触区；
S2、在所述硅衬底正面制作引线孔和金属引线；
S3、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；
S4、在所述硅衬底的背面进行背腔刻蚀，直至合适的厚度停止，制成具有线性渐变梁膜结构的硅应变膜；
S5、将所述S4得到的具有线性渐变梁膜结构的硅应变膜与玻璃底座键合，划片，获得具有线性渐变梁膜结构的MEMS压阻式压力传感器。
8.根据权利要求要求7所述的一种线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，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。
9.根据权利要求要求7所述的一种线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述S2中，所述金属引线选为Al、Cr/Au、Ti/Au材料中的至少一种。
10.根据权利要求要求7所述的一种线性渐变梁结构的MEMS压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述S3的具体方法为：在所述硅衬底的正面通过光刻定义十字梁形状，再刻蚀制作十字梁结构，得到具有线性渐变梁膜结构的硅应变膜。
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- 2021-06-30 CN CN202110742854.7A patent/CN113776703A/zh active Pending
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