[發明專利]硅-玻璃基梁膜結構的超微壓力傳感器芯片及制造方法

有效

• 申請號: 201310220562.2
• 申請日: 2013-06-05
• 公開（公告）號: CN103335753A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 傘海生;張鴻;張強;余煜璽
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18;G01L9/06;B81C1/00;B81C3/00
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及一種超微壓力傳感器，尤其是涉及一種具有自封裝結構的硅-玻璃基梁膜結構的超微壓力傳感器芯片及制造方法。

背景技術

微機電系統(MEMS)技術起源于硅傳感器的發展，最初用于生產硅壓阻式壓力傳器。當MEMS技術迅速崛起之后，大大促進了硅傳感器技術進步，各類硅傳感器獲得了商業化的廣泛應用。硅壓力傳感器是商業化的硅傳感器的重要組成部分，在汽車工業、航天工業和醫療衛生、軍事等各方面有著廣泛應用。硅超微壓壓力傳感器是硅壓力傳感器發展的一個重要分支，在空間探索、真空度測量等許多領域有著廣泛的應用，譬如：火星氣壓的測量、半導體加工中的許多工藝步驟真空度的測量與控制等。然而，盡管壓阻式壓力傳感器已經是一種很成熟的商業化產品，但傳統的硅超微壓壓阻式壓力傳感器芯片中的壓敏電阻易受到外界環境的污染和腐蝕，影響了硅超微壓壓阻式壓力傳感器的可靠性應用。

在傳統硅超微壓壓阻式壓力傳感器中，基本都把壓敏電阻排布在感壓薄膜外表面直接與外界環境接觸。器件在工作過程中，由于外界環境酸堿物質、靜電顆粒、粉塵等對壓敏電阻的影響，而導致器件可靠性降低。為了提高器件在惡劣環境下的可靠性，目前商業化普遍采用的是壓力變送的封裝技術，將壓力傳感器芯片封裝于充滿硅油的密閉結構中，外加壓力從不銹鋼膜片通過硅油傳遞到壓力傳感器芯片上（W.P.Eaton,J.H.Smith,“Micromachined?pressure?sensors:review?and?recent?developments”,Smart?Mater.Struct.Vol.6pp.530-539,1997）。但是，硅油化學穩定和耐溫性能不夠好，硅油長期在高溫下工作會發生變化，如果新分解的化學成分里面有小顆粒的導電物質，這種物質可能會穿過芯片的鈍化層破壞芯片或者介入擴散電阻條中間，形成短路或污染，造成傳感器高溫輸出信號不穩定，這些問題的存在將影響傳感器的長期可靠性。此外，在一些氣壓傳感器中，例如汽車輪胎壓力傳感器，為了保護薄膜上面的壓敏電阻，在封裝時用硅膠包裹壓力傳感芯片，以隔絕測試氣體的影響。這種方案不僅增加了制造成本，而且溫度的變化會引起硅膠的膨脹或收縮，進而影響壓力傳感器的輸出特性和穩定性。

綜上所述，進行具有自封裝結構的超微壓壓阻式壓力傳感器的研究，實現相關技術攻關，對整個壓力傳感器技術領域的進步和相關產業的發展具有積極的推動作用。

發明內容

本發明的目的是提供一種高可靠性且適用于潮濕、酸堿、靜電等惡劣環境下的具有自封裝結構的硅-玻璃基梁膜結構的超微壓力傳感器芯片及制造方法。

所述硅-玻璃基梁膜結構的超微壓力傳感器芯片為盒狀結構，設有帶空腔的基底和感壓薄膜；所述感壓薄膜設有凸起的梁結構，形成梁膜復合結構；所述感壓薄膜的應力集中區的下表面設有連接成惠斯登電橋的4個壓敏電阻，通過基底與感壓薄膜的鍵合將壓敏電阻密封于真空壓力腔中；所述惠斯登電橋通過鍵合界面預置電極與外界實現電連接。

所述基底的材料可為玻璃等。

所述空腔的形狀可為矩形或圓形等。

所述凸起的梁結構的剖面可為啞鈴狀等。

所述感壓薄膜可由絕緣體上硅晶圓片（簡稱SOI晶圓片）減薄而成，所述基底和SOI晶圓片鍵合表面都有界面預置電極，把界面預置電極對應焊盤位置上方的硅層打開制備出電極引線孔，通過壓焊金屬引線技術，得到一個完整的壓力傳感器芯片。

所述硅-玻璃基梁膜結構的超微壓力傳感器用于測量絕對壓力。

所述硅-玻璃基梁膜結構的超微壓力傳感器芯片的制造方法，包括以下步驟：

第一階段：SOI晶圓片上的工藝制作

a．清洗；氧化；

b．涂光刻膠、掩模、曝光、顯影；

c．濕法腐蝕SiO₂，腐蝕完畢后留下的SiO₂圖形作為接下來重摻雜所用的掩模；

d．濃硼擴散，形成連接導線；

e．使用濕法腐蝕去除SiO₂，重新氧化；

f．涂光刻膠、掩模、曝光、顯影；濺射金屬鋁；

g．使用剝離工藝，剝離完畢后留下來的鋁作為接下來離子注入制作壓敏電阻的掩膜；

h．使用離子注入工藝在感壓薄膜上制作壓敏電阻；

i．使用濕法腐蝕去除鋁；

j．涂光刻膠、掩模、曝光、顯影；

k．濕法腐蝕SiO₂，腐蝕完畢后留下的SiO₂和光刻膠圖形作為接下來制作與重摻雜區域形成歐姆接觸的鋁電極所用的掩模；