[發明專利]一種具有應力緩沖槽的超低壓壓力芯體及其制備方法

在審

• 申請號: 202211621815.2
• 申請日: 2022-12-16
• 公開（公告）號: CN115876378A
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 唐煥新;卜獻寶;趙愷;胡振朋;孫俊杰
• 申請（專利權）人: 明石創新（煙臺）微納傳感技術研究院有限公司;明石創新產業技術研究院有限公司
• 主分類號: G01L9/04
• 分類號: G01L9/04;C01B33/02
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 馬國冉

本發明涉及壓力芯體技術領域，具體公開了一種具有應力緩沖槽的超低壓壓力芯體及其制備方法，包括芯體主體和連接在芯體主體底部的基板；芯體主體包括硅晶圓支撐基底和客制化的SOI晶圓，客制化的SOI晶圓上設有空腔，客制化的SOI晶圓上設有懸于空腔上的敏感膜，敏感膜上設有通過刻蝕形成的邊緣內凹的四瓣型梁膜結構；四瓣型梁膜結構邊緣處設有壓阻區域，敏感膜邊側設有引線區域；硅晶圓支撐基底中部設有氣孔，硅晶圓支撐基底底部設有緩沖槽；本發明中采用邊緣內凹的四瓣型梁膜結構設計，增加壓阻區域的應力集中度和均一度；采用客制化帶空腔的SOI晶圓，降低了制備工藝的復雜度；采用硅晶圓，大大降低了鍵合其他非硅基材料所帶來的熱應力。

技術領域

本發明涉及壓力芯體技術領域，具體是一種具有應力緩沖槽的超低壓壓力芯體及其制備方法。

背景技術

壓力傳感器是所有微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技術中最早商品化且是目前最成功的產品之一，這是因為采用MEMS技術的壓力感測芯體具有體積小、可批量制造、易于創造高附加值等優點，而且其解析度和靈敏度均較傳統的機電系統要高，這也使得MEMS壓力傳感器廣泛應用于消費電子、醫療保健、工業控制、汽車、航空航天等領域。MEMS壓力傳感器可根據其作用原理分為五大類：壓阻式、電容式、壓電式、光學干涉式和諧振式壓力傳感器，其中以壓阻式壓力傳感器最受歡迎，絕大部分微壓感測市場需求中均以壓阻式為主。

壓阻式壓力傳感器主要由單晶硅彈性薄膜片、壓敏電阻、互聯引線和表面鈍化層構成，其作用原理為通過壓阻效應測量壓力，即利用擴散或離子注入的摻雜技術將壓敏電阻置于敏感膜片上，形成惠斯頓電橋，當被測壓力作用在薄膜片上時，薄膜片因應力發生形變，造成壓敏電阻阻值變化，惠斯頓電橋因而失去平衡，導致平衡狀態下電壓為零的電橋得到輸出電壓，傳感器基于該輸出電壓與被測壓力形成的特定比例實現壓力測量。壓阻式壓力傳感器的優點為結構簡單、易于集成、易于測量，缺點為其輸出易產生漂移現象。

理想情況下，壓力傳感器在特定壓力下的輸出是不會隨時間的流逝和外界溫度的改變而變化的，然而實際情況是溫度改變和時間流逝都會對其輸出產生影響。穩定性是評價壓力傳感器在相同輸入壓力條件下，較長時間內保持其輸出指標恒定的能力，也可稱為“長期穩定性”，其好壞直接影響測試系統數據的有效性和準確性，因此相關穩定性提升技術成為學術界和產業界廣泛關注的共性技術。影響壓力傳感器穩定性的因素主要有一下幾項：在傳感器制造過程中，不同結構的材料在不同溫度和應力條件下被加工和裝配，材料不同導致熱失配問題難以避免，比如在在制備過程中硅和玻璃的鍵合以及后續貼片時用到有機環氧樹脂膠。不同的材料和高溫的工藝步驟導致芯體產生殘余應力，在微壓感測領域，殘余應力對芯體長期穩定性的影響尤為突出。

MEMS壓力傳感器的長期穩定性與敏感材料、制造工藝以及使用環境都有關聯，是制約傳感器高一致性批量生產的難題。改善長期穩定性的方法包括采取高低溫老化的方法消除殘余應力和數據補償。數據補償可用于能復現、可量化的穩定性誤差補償，但是誤差更多的是隨機誤差，隨著殘余應力的不斷自然釋放，數據補償方法在實際應用中存在局限性。

殘余應力主要有兩個來源，其一是壓力芯體制備時的關鍵工藝—鍵合工藝。鍵合不但需要高溫，還需加載高電壓，且鍵合的基底材料往往選擇玻璃，雖然它和硅的熱膨脹系數相近，但溫度改變較大時，由于熱膨脹系數不一致，必然導致內部應力的產生。鍵合所導致的內應力的產生目前還無法避免。芯體封裝時，需要用焊料把芯體固定在金屬、陶瓷或塑料的基板上，同樣，芯體和基板材料的熱膨脹系數也不相同，這一樣造成機械應力的殘留。可見殘余應力根本原因是不同材料的層層堆疊所導致的，材料堆疊是不可避免的，但是在芯體與基板粘結時，可采取一些有效方法來降低殘余應力。針對以上問題，提出一種具有應力緩沖槽的超低壓壓力芯體及其制備方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有應力緩沖槽的超低壓壓力芯體及其制備方法，以解決上述背景技術中提出的向微壓應用領域的壓力感測芯體在固晶步驟中帶來殘余應力問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：