[其他]啞鈴形梁膜結構的壓阻型壓力傳感器

無效

• 申請號: 88211370
• 申請日: 1988-01-22
• 公開（公告）號: CN88211370U
• 公開（公告）日: 1988-12-28
• 發明（設計）人: 鮑敏杭;王言;于連忠
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01L9/06
• 分類號: G01L9/06
• 代理公司: 復旦大學專利事務所
• 代理人: 陸飛,滕懷流

本實用新型屬于半導體壓力傳感器領域，是一種正面異形梁與平膜組合結構的高靈敏度硅壓阻型壓力傳感器。

1962年Tufte用擴散工藝在硅膜上制作力敏電阻并連成全橋，首先實現了彈性元件和力敏電阻一體化的半導體壓阻型壓力傳感器。實際的壓力傳感器除利用（100）硅片外，也有的由（110）硅片制成。作為壓力傳感器的敏感元件，除了使用壓阻全橋電路之外，也可以利用一個四端的電阻器（即所謂橫向電壓型壓力傳感器）。硅膜的形狀，早年最常用的是圓膜，后來已較多地由方膜或長方膜所取代。從硅膜的結構來講，長期使用的是二面互相平行的平硅膜，最近幾年開始出現了背面中間有一個質量塊的E形硅膜和背面有兩個質量塊的雙島硅膜，其性能較前有一定改善。這些帶質量塊的硅膜是利用微機械加工技術在（100）硅片上加工形成的。這種膜結構在質量塊與邊緣之間或質量塊之間的薄膜區產生應力集中區，利用這些應力集中區可以制造出靈敏度高的壓力傳感器。但由于這些背面質量塊的厚度基本上就是原始硅片的厚度，比薄膜區的厚度大十倍左右或更多，遠遠超過了應力集中的需要，而過厚的質量塊使器件的頻率響應明顯變差，受加速度、振動甚至器件的姿態的影響也加大。由于制作力敏電阻的薄膜區縮小了，工藝上對膜邊緣位置的控制要求更為準確，對正反面圖形的對準精度要求也更高。這些工藝難度的增大，不利于成品率的提高。另外，質量塊是在背面深腐蝕硅片的同時形成的，由于腐蝕過程中曝露的側面是與（100）底面夾角為54.74°的｛111｝面，因此最終形成的質量塊的寬度為原始掩模尺寸加上腐蝕深度的1.4倍，這對于器件的小型化很為不利。

本實用新型的目的是對上述壓阻型壓力傳感器的帶有質量塊的硅膜結構加以改進，以改善器件性能，降低工藝難度，提高產品合格率，并促進器件朝小型化方向發展。

本實用新型的硅膜采用正面淺腐蝕形成的具有三個細頸區和兩個寬大區的啞鈴形異形梁與從背面深腐蝕形成的平膜相結合的新結構來作為力敏電阻的彈性體。記h₁為梁的厚度，h₂為膜的厚度，梁和膜的總厚度為h₁＋h₂。力敏電阻可以是壓阻全橋的電阻，也可以是單元件四端子的橫向壓阻器件，設置在正面形成的異形梁的細頸區內。這種結構使梁區和膜區之間產生一剛度差，異形梁的寬大區和細頸區形成一寬度差，而這剛度差引起的應力集中效應和寬度差引起的應力集中效應可以使應力明顯地集中于梁的三個細頸區內。這樣可提高器件的靈敏度。同時，避免了當背面是厚質量塊時所產生的頻率響應特性退化和振動干擾等問題。力敏電阻制作在正面形成的異形梁的細頸區，工藝上對膜的邊緣控制和正反面光刻套準要求比一般平膜器件都要寬松易行，從而可以較低的成本生產性能優良的高靈敏度壓力傳感器。為了造成梁區和膜區足夠大的剛度差，啞鈴形異形梁的厚度h₁應比平膜區的厚度h₂略大，或二者相近，一般兩者取2：1～1：1間的比例。異形梁的細頸區寬度要盡可能小些，以能滿足容置力敏電阻和布線要求為準，寬大區的寬度比細頸區的寬度要盡可能大些，但不能離兩側腐蝕區邊緣過近，一般其寬度為該方向上膜的總寬度的 1/2 ～ 2/3 。

上述硅膜結構，一般在（100）晶向硅單晶片上實現，膜為方形或長方形，邊沿〈110〉方向，梁設計在膜的中間位置，使整個結構具有對稱性。一般地，當膜為方形時，梁跨接于兩個對邊的中點之間，膜為長方形時，梁跨接于兩個長邊中點之間，使整個結構具有對稱性。

由于梁的厚度h₁只比膜的厚度h₂略大或二者相近，梁的質量塊對頻率特性的影響就遠比背面質量塊對頻響特性的影響為小。因此這種異形梁膜結構硅膜的頻響特性要比有背面質量塊的膜好得多，加速度或振動引起的干擾信號也要小得多。

為了放寬光刻正反面圖形時套準精度的要求和硅片厚度或腐蝕深度的容差，在設計中把反面腐蝕圖形設計得略大，因為在反面腐蝕坑套住正面腐蝕區的條件下，膜或梁的有效邊緣基本上就是由正面腐蝕圖形決定的。力敏電阻是制作在硅片正面的，力敏電阻的光刻套準只是以正面梁的圖形為參考進行的，因此套準精度可以很高。由于正面梁的腐蝕深度不大，因此不存在腐蝕背面厚質量塊引起的對膜的最小尺寸的附加限制。相反，由于正面腐蝕減小了反面腐蝕的深度要求，這對器件的小型化有一定的好處。

圖1為啞鈴形梁膜結構壓阻型壓力傳感器芯片正面圖。

圖2為圖1中A－A′處的剖視圖。

圖3為圖1中B－A′處的剖視圖。