[發明專利]一種寬量程壓力傳感器芯片及其單片集成制備方法

在審

• 申請號: 202110593586.7
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113371674A
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 王高峰;王明浩;程瑜華
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學溫州研究院有限公司;杭州電子科技大學
• 主分類號: B81B7/02
• 分類號: B81B7/02;B81C1/00
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 陳煒

本發明公開了一種寬量程壓力傳感器芯片及其單片集成制備方法。現有的壓力傳感器芯片存在線性度和靈敏度低以及量程較窄的問題。本發明涉及壓阻式壓力傳感器的單片微加工制備。該壓力傳感器主要由真空腔室、壓力敏感膜以及由四個壓阻形成的惠斯通電橋構成。其中，壓力敏感膜由硅膜和聚酰亞胺膜構成，這種新型的硅?聚酰亞胺復合壓敏膜一方面可以通過增加膜厚來增大壓力傳感器的測量范圍，另一方面通過剛性和柔性的結合可以提高壓力傳感器的靈敏度和線性度。當外界壓力變化時，硅膜和聚酰亞胺膜的共同形變引起壓阻的阻值變化并使得惠斯通電橋的輸出電壓改變。

技術領域

本發明屬于MEMS傳感器技術領域，具體涉及一種用于寬量程壓力傳感器芯片的單片集成制備方法，該芯片是通過MEMS微加工技術在SOI(絕緣體上的硅)襯底上實現壓力傳感器的原位集成。

背景技術

隨著硅基微加工技術的發展，硅基壓力傳感器在工業和商業應用中得到了很好的發展和廣泛的應用。近年來，隨著汽車、航空航天、生物醫療、物聯網以及便攜式電子器件等電子器件市場的擴大，研制多功能、高可靠性、低成本、具備大規模制造能力的單片集成硅基微壓力傳感器芯片成為當下消費市場追逐的熱點。

浙江大學的Jian Dong等人在論文“Monolithic-integrated piezoresistiveMEMS accelerometerpressure sensor with glass-silicon-glass sandwichstructure”開發一種新型單片復合MEMS傳感器。該復合傳感器在一塊芯片上集成了壓阻式壓力傳感器和壓阻式加速度計。通過采用批量微加工工藝和陽極鍵合技術實現了夾層結構的多傳感器芯片制備。其中，壓力傳感器采用矩形敏感膜結構。利用單掩模刻蝕壓力傳感器的壓力傳感膜。采用Pyrex7740玻璃和背面的硅層進行陽極鍵合，形成壓力傳感器的真空腔室。在晶片正面鍵合區域的周圍，設計并制作了溝槽，以保證LPCVD非晶硅層與硅襯底之間的導電，在陽極鍵合過程中可以保護壓阻不受P-N結擊穿的影響。然而，這種壓力傳感器芯片中的敏感膜是通過濕法刻蝕制備，其重復性和一致性難以保證，這不利于進行批量化生產。最后，壓力傳感器的壓力測量范圍較小，難以適應高壓環境的壓力檢測。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術中的缺陷，使用SOI(絕緣體上的硅)硅片作為傳感器的襯底，通過埋氧層刻蝕停止技術實現對壓力敏感膜厚度的精確控制；通過在硅膜上旋涂聚酰亞胺(PI)薄膜來形成硅-PI復合壓敏膜結構。這種新型的硅-PI復合壓敏膜一方面可以通過增加膜厚來增大壓力傳感器的測量范圍，另一方面通過剛性和柔性的結合可以提高壓力傳感器的靈敏度和線性度。

本發明一種寬量程壓力傳感器芯片，包括從下至上依次層疊設置的背面玻璃層、SOI底硅層、SOI埋氧層、SOI頂硅層、聚酰亞胺鈍化層，共同構成傳感器芯片結構；所述的背面玻璃層與SOI底硅層通過陽極鍵合工藝鍵合在一起，并形成壓力傳感器的真空腔室；SOI頂硅層和聚酰亞胺鈍化層共同構成壓力敏感膜。分布在SOI頂硅層上的四個壓阻構成惠斯通電橋結構。當外界壓力變化時，壓力敏感膜的形變引起四個壓阻的阻值發生變化并導致惠斯通電橋結構的輸出電壓變化。通過檢測該輸出電壓的大小推算出外界壓力的大小。

作為優選，SOI頂硅層中的壓阻由低濃度的硼摻雜硅形成。背面玻璃層與SOI底硅層通過陽極鍵合工藝鍵合前，在SOI硅片的邊緣通過高功率濺射一層金屬鋁，形成SOI硅片正反面之間的導電通路，避免陽極鍵合過程的失敗或擊穿壓阻。

作為優選，各壓阻之間的互連線由蒸發沉積的鋁構成，通過鋁與摻雜硅之間的歐姆接觸來實現導通。

作為優選，壓阻的長和寬分別為250微米和20微米。四個壓阻分別為依次排列的壓阻R1、R2、R3、R4；壓阻R1與壓阻R2的間距，以及壓阻R3與壓阻R4的間距均為140微米；壓阻R2與壓阻R3的間距為50微米。SOI頂硅層的長、寬、厚分別為900、450、50微米。

該寬量程壓力傳感器芯片的單片集成制備方法，具體步驟為：