CN201653605U - 一种基于硅硅键合的压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于硅硅键合的压力传感器。其衬底硅片上设有结构硅片，结构硅片与衬底硅片通过硅键合固定连接；结构硅片上设有浅杯槽，浅杯槽的槽底设有背岛；结构硅片对应于与衬底硅片相连接的另一端表面设有敏感电阻，结构硅片上的敏感电阻分别形成惠斯通电桥的桥臂电阻；结构硅片对应于设置敏感电阻的表面上分别依次设置有氧化层及绝缘介质层；绝缘介质层上设有电极，电极与敏感电阻电性连接；结构硅片上还设有对准深孔，对准深孔位于浅杯槽的外圈；对准深孔的深度由绝缘介质层的表面延伸到衬底硅片。本实用新型提高了敏感膜厚度的均匀性，提高了成品率，降低了光刻对准偏差的影响，提高了灵敏度和线性度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种压力传感器，尤其是一种基于硅硅键合的压力传感器，具体地说是一种利用MEMS工艺形成的压力传感器。
背景技术
MEMS(微电子机械***)压力传感器是一种用于压力测量的微型传感器，它是最早开始研制的MEMS器件，也是商品化最成功的MEMS产品。工作在常温条件下的压力传感器在医疗器械、气象监控、汽车电子等领域得到了广泛应用并有大量的需求。
根据不同的敏感机理压力传感器主要有压阻式、压电式、电容式及谐振式等。压阻式压力传感器由于制造简单、设计成熟且性能较好，是目前应用较多的压力传感器。传统的压阻式压力传感器采用体微机械加工工艺，在硅片上制作好敏感电阻及电阻互连后，用各向异性湿法腐蚀制作出背腔，然后与玻璃衬底键合在一起，完成压力传感器的制备。但是由于体微机械加工中的湿法腐蚀对于压力敏感膜厚度控制的一致性较差，使得制备的芯片成品率较低；结构设计上采用C型平膜结构，使得传感器灵敏度及线性度较低；而且由于硅材料与衬底玻璃的热膨胀系数不匹配，使压力传感器在温度稍高的条件下应用时性能变差。这些问题成为了使用硅-玻璃键合及湿法腐蚀制备压力传感器的过程中降低成本，提高芯片性能及成品率的障碍。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于硅硅键合的压力传感器，其提高了敏感膜厚度的均匀性，提高了成品率，降低了光刻对准偏差的影响，提高了灵敏度和线性度。
按照本实用新型提供的技术方案，所述基于硅硅键合的压力传感器，包括衬底硅片；所述衬底硅片上设有结构硅片，所述结构硅片与衬底硅片通过硅键合相固定连接；所述结构硅片对应于与衬底硅片相接触的表面上设有浅杯槽，所述浅杯槽的槽底设有背岛；所述浅杯槽的槽口由衬底硅片封闭，所述背岛位于浅杯槽与衬底硅片相密闭的空腔内；结构硅片对应于与衬底硅片相连接的另一端表面设有敏感电阻，所述结构硅片上的敏感电阻分别形成惠斯通电桥的桥臂电阻；所述敏感电阻位于浅杯槽槽底的上方；结构硅片对应于设置敏感电阻的表面上分别依次设置有氧化层及绝缘介质层；所述绝缘介质层上设有电极，所述电极分别穿过绝缘介质层、氧化层后与敏感电阻电性连接；所述结构硅片上还设有对准深孔，对准深孔位于浅杯槽的外圈；所述对准深孔的深度由绝缘介质层的表面延伸到衬底硅片。
所述绝缘介质层的材料包括氮化硅。所述结构硅片对应于浅杯槽槽底上方的表面形成压力敏感膜，所述压力敏感膜上设置敏感电阻。所述电极的材料包括铝。所述氧化层为二氧化硅层。所述衬底硅片对应于与结构硅片相接触的表面上设有氧化层。
本实用新型的优点：利用硅/硅直接键合技术及化学机械抛光技术制备压力传感器，避免了硅-玻璃键合过程中，由于材料热膨胀系数不匹配引起的传感器性能漂移，避免了长时间的湿法腐蚀，改善了敏感膜厚度均匀性，提高了成品率；采用单独的腐蚀深孔做为光刻对准标记，避免了双面光刻工艺，降低了光刻对准偏差的影响；结构中增加了背岛设计，提高了芯片的灵敏度和线性度。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示：本实用新型包括衬底硅片1、结构硅片2、浅杯槽3、背岛4、对准深刻5、敏感电阻6、压力敏感膜7、氧化层8、绝缘介质层9及电极10。
如图1所示：所述衬底硅片1一端的表面上设有氧化层8，衬底硅片1对应于设置氧化层8的表面上设有结构硅片2，所述结构硅片2与衬底硅片1通过硅硅键合相固定连接。所述结构硅片2对应于与衬底硅片1相接触的表面设有浅杯槽3，所述浅杯槽3凹设在结构硅片2内。所述浅杯槽3的槽口由衬底硅片1封闭，衬底硅片1封闭浅杯槽3的槽口。衬底硅片1与结构硅片2对应于设置浅杯槽3的部分形成密闭的腔体。所述浅杯槽3的槽底上设有背岛4，所述背岛4与衬底硅片1不接触。结构硅片2对应于浅杯槽3槽底上方的表面形成压力敏感膜7，所述压力敏感膜7上设有敏感电阻6，所述敏感电阻6形成惠斯通电桥的桥臂电阻。结构硅片2对应于设置敏感电阻6外的其余部分分别覆盖有氧化层8，所述氧化层8上淀积有绝缘介质层9，所述绝缘介质层9的材料包括氮化硅等。所述绝缘介质层9上设有电极10，所述电极10分别穿过绝缘介质层9与氧化层8后与敏感电阻6电性连接；所述电极10的材料通常为铝。所述结构硅片2上设有对准深孔5，所述对准深孔5位于浅杯槽3的外侧；对准深孔5从绝缘介质层9的表面延伸到衬底硅片1的表面。
上述结构的压力传感器通过下述工艺步骤实现：
(1)、根据量程要求，采用有限元分析软件确定压力敏感膜7及背岛4的厚度，并确定压力敏感膜7上的应力区域，并将敏感电阻6布置在线性应力最大区域；
(2)、根据过载要求，采用有限元分析软件确定压力敏感膜7的中心最大位移，从而确定浅杯槽3的最大深度，进而确定光刻对准深孔的深度，并完成光刻版的制作；
(3)、选用结构硅片2，采用氧化、光刻及腐蚀工艺，在结构硅片2上形成对准深孔5、浅杯槽3及背岛4；
(4)、选择衬底硅片1，并将衬底硅片1一个表面进行氧化，得到氧化层8，利用硅硅键合工艺，将结构硅片2与衬底硅片1固定连接；所述结构硅片2对应于设置浅杯槽3的端面与衬底硅片1相接触；
(5)、将结构硅片2进行减薄、化学机械抛光(CMP)至所需的厚度；
(6)、在结构硅片2对应于与衬底硅片1相连的另一端面通过离子注入和热扩散制作出敏感电阻6及用于形成欧姆接触的浓硼区；并在设有敏感电阻6的表面形成氧化层8，所述氧化层8覆盖在结构硅片2的表面；
(7)、采用LPCVD(低压化学气相沉积)工艺，在氧化层8上淀积绝缘介质层9，所述绝缘介质层9的材料可为氮化硅等材料；并在绝缘介质层9的表面刻蚀出引线孔，所述引线孔的刻蚀深度由绝缘介质层9的表面延伸到敏感电阻6的表面；所述引线孔位于敏感电阻6的正上方；
(8)、在绝缘介质层9的表面淀积金属，所述金属包括铝；所述金属填充在引线孔内，并与敏感电阻6电性连接；
(9)、划片、芯片性能测试，完成压力传感器的制备。
如图1所示，使用时，所述电极10与相应的外部设备相连，电极10与敏感电阻6电性连接。由于敏感电阻6均为惠斯通电桥的桥臂电阻，因此当压力传感器不受外部压力时，所述惠斯通电桥输出的电压为零电位；当压力传感器上有外部压力时，所述电极10与敏感电阻6形成的惠斯通电桥输出相应的电压信号，通过检测所述惠斯通电桥的输出电压，得到压力传感器的灵敏度。所述浅杯槽3与衬底硅片1间形成密闭空腔，浅杯槽3的槽底上设有背岛4，当压力传感器受到压力时，结构硅片2能够利用浅杯槽3形成的腔体产生相应的应变量，具有较好的灵敏度；同时设置背岛4提高了压力传感器的过载能力，增强了可靠性。
本实用新型利用硅/硅键合技术及化学机械抛光技术制备压力传感器，避免了硅-玻璃键合过程中，由于材料热膨胀系数不匹配引起的传感器性能漂移，避免了长时间的湿法腐蚀，改善了敏感膜厚度均匀性，提高了成品率；采用单独的腐蚀深孔做为光刻对准标记，避免了双面光刻工艺，降低了光刻对准偏差的影响；结构中增加了背岛设计，提高了芯片的灵敏度和线性度。
Claims (6)
1.一种基于硅硅键合的压力传感器，包括衬底硅片(1)；其特征是：所述衬底硅片(1)上设有结构硅片(2)，所述结构硅片(2)与衬底硅片(1)通过硅硅键合相固定连接；所述结构硅片(2)对应于与衬底硅片(1)相接触的表面上设有浅杯槽(3)，所述浅杯槽(3)的槽底设有背岛(4)；所述浅杯槽(3)的槽口由衬底硅片(1)封闭，所述背岛(4)位于浅杯槽(3)与衬底硅片(1)相密闭的空腔内；结构硅片(2)对应于与衬底硅片(1)相连接的另一端表面设有敏感电阻(6)，所述结构硅片(2)上的敏感电阻(6)分别形成惠斯通电桥的桥臂电阻；所述敏感电阻(6)位于浅杯槽(3)槽底的上方；结构硅片(2)对应于设置敏感电阻(6)的表面上分别依次设置有氧化层(8)及绝缘介质层(9)；所述绝缘介质层(9)上设有电极(10)，所述电极(10)分别穿过绝缘介质层(9)、氧化层(8)后与敏感电阻(6)电性连接；所述结构硅片(2)上还设有对准深孔(5)，对准深孔(5)位于浅杯槽(3)的外圈；所述对准深孔(5)的深度由绝缘介质层(9)的表面延伸到衬底硅片(1)。
2.根据权利要求1所述基于硅硅键合的压力传感器，其特征是：所述绝缘介质层(9)的材料包括氮化硅。
3.根据权利要求1所述基于硅硅键合的压力传感器，其特征是：所述结构硅片(2)对应于浅杯槽(3)槽底上方的表面形成压力敏感膜(7)，所述压力敏感膜(7)上设置敏感电阻(6)。
4.根据权利要求1所述基于硅硅键合的压力传感器，其特征是：所述电极(10)的材料包括铝。
5.根据权利要求1所述基于硅硅键合的压力传感器，其特征是：所述氧化层(8)为二氧化硅层。
6.根据权利要求1所述的基于硅硅键合的压力传感器，其特征是：所述衬底硅片(1)对应于与结构硅片(2)相接触的表面上设有氧化层(8)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101124 Termination date: 20130409 |