[發明專利]無應變膜結構的MEMS壓阻式壓力傳感器及其制作方法

有效

• 申請號: 201210500461.6
• 申請日: 2012-11-29
• 公開（公告）號: CN102980694A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發明（設計）人: 黃賢;張大成;趙丹淇;林琛;何軍;楊芳;田大宇;劉鵬;王瑋;李婷;羅葵
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18;B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 余長江

技術領域

本發明屬于微電子機械系統（MEMS）傳感器設計領域，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

MEMS（Micro?Electro?Mechanical?System）即微電子機械系統，是新興的跨學科的高新技術研究領域。基于MEMS技術制造壓阻式壓力傳感器由于其出色的精準度和可靠度以及相對便宜的制造成本在現代的市場中得到廣泛的應用。自從20世紀50年代中期發現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變薄膜上通過擴散或者離子注入的方式在應力集中區制作四個壓力敏感電阻，四個電阻互聯構成惠斯通電橋。當有外界壓力施加在硅應變膜上，壓敏電阻區域由于應變膜彎曲產生應力，通過壓敏電阻的壓阻特性，將應力轉換為電阻值的變化，最后通過惠斯頓電橋將電阻值的變化轉換為輸出電壓，通過對輸出電壓與壓力值進行標定可以實現對壓力的測量。

傳統的壓阻式壓力傳感器的核心構成需要有一個應變膜作為應力集中結構，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該應變膜的厚度和尺寸等有關。由于應變膜的存在，受制于硅材料的斷裂強度，傳統壓阻式壓力傳感器的抗過載能力有限，在高壓的應用領域中的壓阻式壓力傳感器都有抗過載能力較低的不足。

發明內容

本發明的目的在于針對上述問題，提出一種無應變膜結構的MEMS壓阻式壓力傳感器，以及制作該壓力傳感器的方法。該結構的壓力傳感器相比典型器件結構最大的差異在于沒有了應力集中作用的應變膜，能夠降低傳感器的芯片尺寸，極大的增加壓力計的抗過載能力；同時該加工制作方法與標準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。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種無應變膜結構的MEMS壓阻式壓力傳感器，包括制作于基片上并構成惠斯通電橋的四組壓敏電阻，其中兩組相對的壓敏電阻沿基片的<100>晶向排列，另外兩組相對的壓敏電阻沿基片的<110>晶向排列。

優選地，所述壓敏電阻制作于普通單晶硅片或者SOI（silicon?on?insulator）硅片的(100)晶面。

上述壓力傳感器中，每組壓敏電阻中壓敏電阻條的數目為一個或由多個串聯而成。

上述壓力傳感器中，在滿足所述晶向要求并且構成惠斯通電橋的前提下，所述四組壓敏電阻的位置可以任意排列，可以串聯成開環或閉環，并在四組壓敏電阻間的連接處設置金屬pad，作為電信號輸入輸出接口。優選地，每組壓敏電阻首尾相連組成一個平行四邊形，進一步優選為菱形，其對邊的兩組壓敏電阻沿同一晶向排列，在菱形的四個頂點處分布有金屬pad（焊盤），采用這種排列方式可以最大限度的降低壓力傳感器芯片的尺寸。

一種制作上述MEMS壓阻式壓力傳感器的方法，其步驟包括：

1)在基片正面采用壓敏電阻所需劑量的摻雜濃度進行P型離子注入輕摻雜，然后通過高溫熱退火激活注入離子；

2)在基片正面通過光刻定義P型重摻雜的引線接觸區，通過離子注入在該接觸區進行重摻雜，然后通過高溫熱退火激活注入離子；

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四組壓敏電阻以及接觸區等的形狀，并通過刻蝕的方式制作壓敏電阻條；所述四組壓敏電阻構成惠斯通電橋，其中兩組相對的壓敏電阻沿所述基片的<100>晶向排列，另外兩組相對的壓敏電阻沿所述基片的<110>晶向排列；

5)劃片，制成壓力傳感器芯片。

上述方法中，步驟1）和2）的順序可以改變，即可以先進行步驟1），再進行步驟2），也可以先進行步驟2），再進行步驟1）。。

上述方法中，步驟4）所述刻蝕可以采用干法或濕法；干法優選采用RIE（反應離子刻蝕）刻蝕，濕法腐蝕優選為HNA溶液（HF酸、硝酸、醋酸的混合溶液）各向同性腐蝕。優選地，當采用SOI硅片作為器件加工基片時，刻蝕一直進行到露出硅片的埋氧層；當采用普通單晶硅片作為加工基片時，刻蝕需要至少進行到所注入離子的擴散深度以下(0.5μm到5μm)。