封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片及制备方法
【专利摘要】本发明提供一种封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片及制备方法。所述芯片至少包括：形成在单晶硅基片一表面的两个同结构同尺寸的悬臂梁，每一悬臂梁表面开设有参考压力腔体，每一参考压力腔体表面覆盖有单晶硅压力敏感薄膜，且在每一单晶硅压力敏感薄膜表面形成有多个电阻，各电阻连接成惠斯顿全桥检测电路；此外，在临近每一悬臂梁与单晶硅基片的连接处形成有应力释放凹槽，以释放封装应力；再有，两参考压力腔体中的一者通过压力释放通道连通导压孔以便该个参考压力腔体与外界大气相通。本发明的传感器能实现对封装应力与零点温漂的自补偿，提高了传感器的检测稳定性和封装环境适应可靠性；具有芯片尺寸小、成本低、适于大批量生产等特点。
【专利说明】封装应力与温漂自补偿的双悬淳式力敏传感器芯片及制备 方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体领域，特别是涉及一种封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏 传感器芯片及制备方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着微机电系统（MEMS)技术的迅猛发展，硅基压力传感器作为MEMS传感 器传统力学检测器件之一被广泛应用于航空航天、生化医学、生命科学、汽车电子等领域。 特别是近几年来随着MEMS压力传感器首次在三星智能手机Galaxy Nexus上使用以来，越 来越多的智能手机消费市场将广泛采用压力传感器来辅助GPS定位，克服GPS对不同高度 条件下定位的不足，使得三维定位更加精准。例如：实现海拔高度测量、GPS辅助导航定位、 室内精确定位等。下一代智能手机将配备有压力传感器、陀螺仪、加速度计等检查器件组成 的10轴Combos定位系统，因此，如此巨大的电子消费市场对压力传感器的零点温漂、高精 度、低成本提出了更高要求。
[0003] 当前MEMS微机械加工技术工艺成熟，在制作传统结构力敏压力传感器时，可以 通过精确控制压敏电阻的掺杂浓度，来保证不同压敏电阻之间的一致性，然后再通过组成 惠斯顿全桥电路配置来消除半导体工艺不一致性所导致的传感器零点温度漂移问题。但 是，这种传统的力敏压力传感器结构还是无法消除封装材料热不匹配所导致的封装应力 以及传感器自身存在的残余应力对传感器零点温度漂移的影响。因此，传统的力敏压力 传感器为了消除热不匹配所导致的封装应力，提高传感器的检测精度和稳定性，需要花 费大量的人力和物力来研究封装材料和封装工艺、以及耗时过多的传感器芯片老化工艺 过程，这些都大大增加的力敏压力传感器的工艺制作成本，降低了市场的竞争力（具体可 参见文献：Bowei Li, G Q Zhang, Fengze Hou and Yang Hai. The Effect of Diaphragm on Performance of MEMS Pressure Sensor Packaging. International Conference on Electronic Packaging Technology&High Density Packaging，2010:601-606)。此外，即 便通过种种努力解决了热不匹配所导致的封装应力问题，力敏压力传感器的压力敏感薄膜 上方的绝缘钝化层所导致的传感器自身残余应力对传感器零点温度漂移的影响还是不能 消除。
【发明内容】
[0004] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种封装应力与温漂自补 偿的双悬浮式力敏传感器芯片。
[0005] 本发明的另一目的在于提供一种消除封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传 感器芯片的制作方法。
[0006] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种封装应力与温漂自补偿的双悬 浮式力敏传感器芯片，其至少包括：
[0007] 形成在单晶硅基片一表面的两个同结构同尺寸的悬臂梁，每一悬臂梁表面开设有 参考压力腔体，每一参考压力腔体表面覆盖有单晶硅压力敏感薄膜，且在每一单晶硅压力 敏感薄膜表面形成有多个电阻，各电阻连接成惠斯顿全桥检测电路；
[0008] 在临近每一悬臂梁与单晶硅基片的连接处形成有应力释放凹槽，以释放封装应 力；
[0009] 两参考压力腔体中的一者通过压力释放通道连通导压孔以便该个参考压力腔体 与外界大气相通。
[0010] 优选地，所述单晶娃基片为η型（111)晶面的单晶娃基片。
[0011] 优选地，每一悬臂梁均为六边形，且悬臂梁的轴线沿〈11〇>晶向排布。
[0012] 优选地，单晶硅压力敏感薄膜为规则六边形结构，参考压力腔体为六边形腔体。
[0013] 优选地，每一单晶硅压力敏感薄膜表面形成有四个注入式单晶硅压敏电阻，且分 别两两相对以单晶硅压力敏感薄膜的中心呈中心对称分布，分别位于单晶硅压力敏感薄膜 的两条相互垂直的对称轴上。
[0014] 优选地，所述导压孔位于一悬臂梁的轴线上，且临近该悬臂梁与单晶硅基片的连 接处。
[0015] 本发明还提供一种消除封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片的制 作方法，其至少包括：
[0016] 1)采用离子注入法在单晶硅基片中形成多个电阻；
[0017] 2)基于待形成的两单晶硅压力敏感薄膜的厚度及位置，在形成电阻的单晶硅基片 结构中开设多条微型释放窗口，其中，使各电阻处于待形成的单晶硅压力敏感薄膜表面；
[0018] 3)采用刻蚀技术由各微型释放窗口底部开始刻蚀直至深度与待形成的参考压力 腔体的深度相同；
[0019] 4)采用腐蚀法由各微型释放窗口底部的侧壁开始腐蚀以形成两个由参考压力腔 体及覆盖在参考压力腔体表面的单晶硅压力敏感薄膜构成的腔体结构、以及与其中一个参 考压力腔体连通的压力释放通道；
[0020] 5)采用低应力材料对已形成腔体结构的单晶硅基片结构的各微型释放窗口进行 填充以完成对两参考压力腔体的密封；
[0021] 6)在包含密封的参考压力腔体的单晶硅基片结构上刻蚀出两个悬臂梁的图形结 构，且在每一图形结构与单晶硅基片的连接处形成应力释放凹槽，并使每一图形结构包围 一个腔体结构；
[0022] 7)基于所述图形结构对单晶硅基片结构进行腐蚀以释放两悬臂梁；
[0023] 8)使已形成两悬臂梁的单晶硅基片结构中的各电阻进行电气互连以形成惠斯顿 全桥检测电路，并开设连通压力释放通道的导压孔。
[0024] 如上所述，本发明的封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片及制备方 法，具有以下有益效果：能有效抑制封装应力给传感器检测性能带来的不利影响及压力传 感器自身残余应力对传感器零点温漂的影响；具有对一切不利检测因素所产生应力的自补 偿功能；而且，具有尺寸小、检测精度高、便捷封装等特点，能满足大批量生产的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图Ia至Ij显示为本发明的消除封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯 片的制作方法的流程图。
[0026] 图2a至2d显示为本发明的封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片结 构示意图，其中，图2a为三维结构示意图；图2b为三维结构截面示意图；图2c为SEM实物 不意图；图2d为局部SEM实物不意图。
[0027] 图3显示为本发明制备的双悬浮式力敏传感器与传统非悬浮式力敏传感器以及 传统单悬浮式力敏传感器关于零点温漂输出对比曲线示意图。
[0028] 图4显示为本发明制备的双悬浮式力敏传感器关于压强与输出电压关系曲线示 意图。
[0029] 元件标号说明
【权利要求】
1. 一种封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片，其特征在于，所述封装应 力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片至少包括： 形成在单晶硅基片一表面的两个同结构同尺寸的悬臂梁，每一悬臂梁表面开设有参考 压力腔体，每一参考压力腔体表面覆盖有单晶硅压力敏感薄膜，且在每一单晶硅压力敏感 薄膜表面形成有多个电阻，各电阻连接成惠斯顿全桥检测电路； 在临近每一悬臂梁与单晶硅基片的连接处形成有应力释放凹槽，以释放封装应力； 两参考压力腔体中的一者通过压力释放通道连通导压孔以便该个参考压力腔体与外 界大气相通。
2. 根据权利要求1所述的封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片，其特征 在于：所述单晶娃基片为η型（111)晶面的单晶娃基片。
3. 根据权利要求1或2所述的封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片，其 特征在于：每一悬臂梁均为六边形，且悬臂梁的轴线沿〈11〇>晶向排布。
4. 根据权利要求3所述的封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片，其特征 在于：单晶硅压力敏感薄膜为规则六边形结构，参考压力腔体为六边形腔体。
5. 根据权利要求4所述的封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片，其特征 在于：每一单晶硅压力敏感薄膜表面形成有四个注入式单晶硅压敏电阻，且分别两两相对 以单晶硅压力敏感薄膜的中心呈中心对称分布，分别位于单晶硅压力敏感薄膜的两条相互 垂直的对称轴上。
6. 根据权利要求3所述的封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片，其特征 在于：所述导压孔位于一悬臂梁的轴线上，且临近该悬臂梁与单晶硅基片的连接处。
7. -种消除封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片的制作方法，其特征在 于，所述消除封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片的制作方法至少包括： 1) 采用离子注入法在单晶硅基片中形成多个电阻； 2) 基于待形成的两单晶硅压力敏感薄膜的厚度及位置，在形成电阻的单晶硅基片结构 中开设多条微型释放窗口，其中，使各电阻处于待形成的单晶硅压力敏感薄膜表面； 3) 采用刻蚀技术由各微型释放窗口底部开始刻蚀直至深度与待形成的参考压力腔体 的深度相同； 4) 采用腐蚀法由各微型释放窗口底部的侧壁开始腐蚀以形成两个由参考压力腔体及 覆盖在参考压力腔体表面的单晶硅压力敏感薄膜构成的腔体结构、以及与其中一个参考压 力腔体连通的压力释放通道； 5) 采用低应力材料对已形成腔体结构的单晶硅基片结构的各微型释放窗口进行填充 以完成对两参考压力腔体的密封； 6) 在包含密封的参考压力腔体的单晶硅基片结构上刻蚀出两个悬臂梁的图形结构，且 在每一图形结构与单晶硅基片的连接处形成应力释放凹槽，并使每一图形结构包围一个腔 体结构； 7) 基于所述图形结构对单晶硅基片结构进行腐蚀以释放两悬臂梁； 8) 使已形成两悬臂梁的单晶硅基片结构中的各电阻进行电气互连以形成惠斯顿全桥 检测电路，并开设连通压力释放通道的导压孔。
8. 根据权利要求7所述的消除封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片的 制作方法，其特征在于：所述单晶硅基片为η型（111)晶面的单晶硅基片。
9.根据权利要求8所述的消除封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片的 制作方法，其特征在于：图形结构呈六边形、且轴线沿〈11〇>晶向排布。
【文档编号】B81C1/00GK104236766SQ201310234503
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月13日 优先权日:2013年6月13日
【发明者】李昕欣, 王家畴 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所