[發明專利]硅島膜結構的MEMS壓力傳感器及其制作方法

有效

• 申請號: 201510317403.3
• 申請日: 2015-06-10
• 公開（公告）號: CN104864988B
• 公開（公告）日: 2017-07-04
• 發明（設計）人: 杜少博;何洪濤;王偉忠;楊擁軍
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第十三研究所
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18;G01L9/06
• 代理公司: 石家莊國為知識產權事務所13120
• 代理人: 黃輝本

技術領域

本發明涉及壓力傳感器技術領域，尤其涉及一種硅島膜結構的MEMS壓力傳感器及其制作方法。

背景技術

MEMS硅壓力傳感器是目前工業生產中最為重要的一類傳感器，廣泛應用于汽車工業、航天工業、軍事、醫療衛生等領域。目前，國內市場上的硅壓力傳感器的量程大都在10KPa以上，更低量程的產品主要依靠國外進口。

壓阻式壓力傳感器是目前最為廣泛的一類壓力傳感器，利用硅的良好的機械性能和電學性能，通過擴散或者離子注入的方法將力敏電阻注入到敏感薄膜中實現了感壓元件和轉換電路的集成。評測傳感器的最重要的兩個性能參數是靈敏度和線性度。對于傳統的C型硅杯結構式壓力傳感器，周邊固支的平膜作為敏感膜時，通常采用減薄敏感薄膜厚度來提高其感壓能力，在減薄敏感薄膜的同時，薄膜表面的壓力應力變換引起的非線性也會嚴重增大，因此，這種平膜結構不適合于低量程壓力傳感器，一般適用范圍為中高量程。如專利名稱為：壓力傳感器件及其制作方法，公開號是CN103837289A，公開日是2014年6月4日，所述壓力傳感器包括一中間設有空腔的多層SOI材料制備的壓力傳感器芯片和兩端設有導通孔的正面玻璃和一用于應力匹配的背面玻璃，通過硅玻璃鍵合將三層連接在一起，其制作芯片的多層SOI材料成本昂貴，工藝復雜，適合于一些特殊場合使用。

為了解決這一問題，必須減小敏感薄膜的厚度以提高靈敏度，這就給器件的加工工藝提出了更高的要求。島膜結構在相同的膜厚下可以獲得比平膜結構更高的靈敏度。島膜結構的芯片受壓時，應力會高度集中于島與邊緣之間的溝槽區域，從而使靈敏度獲得顯著提高，而且它還可實現過壓保護和非線性內補償。此外，為了保證壓力測試的頻率響應輸出，避免環境因素對測試的干擾，硅島高度受到了嚴格控制，一般小于100μm，但這種結構的制備由于受到了高深寬比深槽結構上制備干法刻蝕掩膜層工藝的限制，大多采用各項異性體硅濕法腐蝕工藝制備島膜結構，此工藝腐蝕后腔體側壁與底部會形成大于90°的夾角，不利于縮小芯片面積，降低了硅片利用率，這也是島膜結構壓力傳感器發展受到制約的一個重要原因。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種硅島膜結構的MEMS壓力傳感器及其制作方法，所述傳感器具有測量靈敏度高、精度高的特點，能夠保證在300℃高溫環境下正常工作，所述方法具有工藝簡單，成本低的特點。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：一種硅島膜結構的MEMS壓力傳感器，其特征在于：所述傳感器包括第二硅層，所述第二硅層的下表面設有硅島膜結構，所述第二硅層的上表面設有第三絕緣層，所述第三絕緣層的上表面設有四個壓阻，四個壓阻通過金屬布線進行互聯構成惠斯通電橋，所述第三絕緣層的上表面設有引線孔。

進一步的技術方案在于：所述硅島膜結構包括間隔設置的左硅島膜組件、中間硅島膜組件和右硅島膜組件，左硅島膜組件、中間硅島膜組件和右硅島膜組件從上到下為第二絕緣層和第一硅層，所述左硅島膜組件和右硅島膜組件的結構相同，所述左硅島膜組件和右硅島膜組件上的第一硅層的厚度大于中間硅島膜組件上的第一硅層的厚度。

進一步的技術方案在于：所述左硅島膜組件與中間硅島膜組件之間以及中間硅島膜組件與右硅島膜組件之間形成間隔，所述壓阻與上述間隔相對。

一種硅島膜結構的MEMS壓力傳感器制作方法，其特征在于包括如下步驟：

1）在第一硅層的下表面覆蓋或形成第一絕緣層，在第一硅層的上表面覆蓋或形成第二絕緣層，在第二絕緣層的上表面覆蓋或形成第二硅層，以上多層材料構成SOI材料；

2）在第二硅層的上表面覆蓋或形成第三絕緣層；

3）在所述第三絕緣層的上表面覆蓋或形成一層多晶硅薄膜，并對所述多晶硅薄膜進行高劑量的濃硼摻雜工藝，形成壓阻層；

4）在形成的壓阻層表面通過旋涂的方式涂覆一層光刻膠，并進行光刻工藝，對進行光刻工藝后的壓阻層進行干法刻蝕工藝，去除光刻膠后形成四個壓阻；

5）在壓阻上濺射用于連接四個壓阻的金屬層，在上述器件的上表面通過化學氣相沉積法淀積鈍化層，用于保護器件；

6）利用光刻工藝和刻蝕工藝對鈍化層進行刻蝕，刻蝕的終點為第三絕緣層的上表面，形成壓阻的引線孔，將壓阻的引線電極露出；

7）對第一絕緣層進行選擇性刻蝕，刻蝕后的第一絕緣層形成用于刻蝕硅島膜結構的第一掩膜層；

8）對選擇性刻蝕后的第一絕緣層表面進行光刻膠涂覆，利用光刻工藝，形成用于刻蝕所述島膜結構工藝進行時的第二掩膜層；