[發明專利]一種MEMS絕壓式壓力傳感器及其加工方法

有效

• 申請號: 202110070350.5
• 申請日: 2021-01-19
• 公開（公告）號: CN112897450B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 郭偉龍;焦海龍;陳家林;楊挺;王曉宇;張曉永;張洪濤;張皓;王健
• 申請（專利權）人: 北京遙測技術研究所;航天長征火箭技術有限公司
• 主分類號: B81B7/00
• 分類號: B81B7/00;B81B7/02;B81C1/00;G01L1/14;G01L9/12
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 陳鵬

1.一種MEMS絕壓式壓力傳感器，其特征在于，包括玻璃蓋板(100)、硅感壓膜(200)和玻璃襯底(300)；所述硅感壓膜(200)的一面與玻璃襯底(300)陽極鍵合，并形成兩個連通的真空參考腔，硅感壓膜(200)的另一面與玻璃蓋板(100)陽極鍵合，并形成兩個獨立的開放式氣體感壓結構，兩個連通的真空參考腔與兩個獨立的開放式氣體感壓結構上下對應，兩個連通的真空參考腔與硅感壓膜(200)構成串聯互感雙電容結構，硅感壓膜(200)上加工有引線電極(202)，用于引出氣壓檢測信號；

所述玻璃蓋板(100)上加工有兩個引壓通孔(101)和兩個分別與引壓通孔(101)靠近的電極通孔(102)，引壓通孔(101)用于硅感壓膜(200)與玻璃蓋板(100)陽極鍵合后與硅感壓膜(200)形成兩個獨立的開放式氣體感壓結構，電極通孔(102)用于在硅感壓膜(200)上形成引線電極(202)，使電極引線自傳感器上部引出；

所述硅感壓膜(200)與玻璃蓋板(100)的鍵合面的背面上刻蝕兩處分立的硅電極板(201)，硅感壓膜(200)與玻璃蓋板(100)陽極鍵合后硅電極板(201)的覆蓋范圍包括引壓通孔(101)和電極通孔(102)對應區域，兩個電極通孔(102)底面包圍的硅電極板(201)上分別加工有引線電極(202)；

所述玻璃襯底(300)的中心區域加工有兩個坑槽(301)，硅感壓膜(200)與玻璃蓋板(100)、玻璃襯底(300)陽極鍵合后坑槽(301)與引壓通孔(101)靠近硅感壓膜(200)側的孔形一致，且位于硅電極板(201)的區域內，并與硅電極板(201)形成真空參考腔；坑槽(301)中間有長條形溝槽連通，整體形似啞鈴，兩個坑槽(301)的底面濺射小于坑槽(301)底面積的電極膜(302)。

2.根據權利要求1所述的MEMS絕壓式壓力傳感器，其特征在于，所述兩個引壓通孔(101)靠近硅感壓膜(200)側的孔形為圓形，且孔徑相同。

3.根據權利要求1所述的MEMS絕壓式壓力傳感器，其特征在于，所述硅感壓膜(200)的基體材料為晶圓級N型單晶硅，電阻率＜0.001Ω·cm。

4.根據權利要求1所述的MEMS絕壓式壓力傳感器，其特征在于，所述坑槽(301)的深度為5μm～100μm，且兩個坑槽(301)的深度相同；和/或

所述電極膜(302)的材料為吸氣劑金屬。

5.根據權利要求1至4之一所述的MEMS絕壓式壓力傳感器，其特征在于，所述硅感壓膜(200)的厚度為0.5±0.1μm至2000±0.3μm，引壓通孔(101)靠近硅感壓膜(200)側的孔徑為0.5～5mm，傳感器的測壓量程為1kpa～50Mpa。

6.根據權利要求1所述的MEMS絕壓式壓力傳感器，其特征在于，所述坑槽(301)的深度為5μm～100μm，電極膜(302)的厚度為100nm-1μm，傳感器電容的本征值大小為1pF～15pF。

7.一種權利要求1至6之一所述的MEMS絕壓式壓力傳感器的加工方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，對玻璃晶圓雙面濺射金屬薄膜層和涂覆光刻膠，作為抗干法刻蝕或濕法腐蝕的掩模層，利用光刻及金屬腐蝕在玻璃晶圓上完成引壓通孔(101)和電極通孔(102)掩膜圖形化，并使用濕法腐蝕完成引壓通孔(101)和電極通孔(102)的制備；

步驟2，將經過濕法清洗和干法活化后的玻璃蓋板(100)與硅感壓膜(200)進行陽極鍵合，其中玻璃蓋板(100)的鍵合面為引壓通孔(101)錐形孔孔徑較小的一面，硅感壓膜(200)晶圓則任選一面；

步驟3，利用光刻圖形化結合干法刻蝕，將與玻璃蓋板(100)鍵合后的硅感壓膜(200)的未鍵合面刻蝕出分立的硅電極板(201)；

步驟4，對玻璃晶圓濺射金屬薄膜層和涂覆光刻膠，作為抗干法刻蝕或濕法腐蝕的掩模層，經曝光顯影并對掩膜層金屬腐蝕圖形化后，使用濕法腐蝕或干法刻蝕玻璃襯底(300)得到兩個相等大小的坑槽(301)，坑槽(301)直徑與引壓通孔(101)錐形孔小徑相同，均小于硅電極板(201)；經涂覆光刻膠、曝光、顯影、濺射吸氣劑金屬、lift-off工藝在所述各個坑槽(301)的底面完成電極膜(302)的制備；

步驟5，經濕法清洗、干法活化的硅感壓膜(200)的硅面與玻璃襯底(300)加工了硅電極板(201)的一面陽極鍵合，然后在惰性氣氛下高溫退火激活電極膜(302)獲得真空參考腔；

步驟6，在玻璃蓋板(100)非鍵合的一面涂覆光刻膠、曝光、顯影后采用等離子濺射方法沉積金屬材料，而后通過lift-off工藝去除光刻膠及其上的多余金屬，在電極通孔(102)中留下引線電極(202)，經退火后與硅感壓膜(200)形成歐姆接觸。