压力传感器芯片及制备方法、绝压传感器芯片与流程

本发明涉及微电子机械加工领域，尤其涉及一种压力传感器芯片及制备方法。

背景技术：

在航空、航天、航海、石油化工、汽车制造等领域，压力传感器有着广泛的应用。压力传感器属于微电子机械压阻式传感器，即通过微电子机械加工技术利用单晶硅的压阻效应制造出的传感器芯片。现有的压力传感器芯片分为差压传感器芯片和绝压传感器芯片，其中，差压传感器芯片用于测量两个压力之间的差值。绝压传感器芯片用于感受绝对压力并将绝对压力值进行输出。如果要实现对差压和绝压的测量，则必须通过一个差压传感器芯片和一个绝压传感器芯片组合检测的方式逐个实现。

此外，现有的大量程压力传感器芯片在测量微小压力时输出信号较低无法满足检测要求，而小量程压力传感器能够满足微小压力的检测要求但无法应用于高压压力的测量，即传统压力传感器芯片一直存在着测量范围小的技术难点。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于提供一种压力传感器芯片，其能够实现差压和绝压的同步检测，并且具有较大的测量范围，以解决现有技术中压力传感器芯片所存在的技术难题。

根据本发明的实施例，提供了一种压力传感器芯片，包括依次设置的玻璃底座、硅基座和硅膜片，其中，

所述硅基座的上表面设置有第一凹腔，在第一凹腔外围、间距第一凹腔设置有环形第二凹腔，第二凹腔的下方设有连通第二凹腔与所述硅基座下表面的环形贯通空腔；所述贯通空腔的内环位于第二凹腔内环的外围，且所述贯通空腔内环与外环之间的距离小于第二凹腔内环与外环之间的距离；

所述硅膜片固定于所述硅基座的上表面并覆盖第一凹腔和第二凹腔；

在所述硅膜片表面对应第一凹腔的区域边缘，设置有绝压压敏电阻和输出绝压信号的第一惠斯通电桥；以及，在所述硅膜片表面对应第二凹腔的区域边缘，设置有差压压敏电阻和输出差压信号的第二惠斯通电桥；

所述玻璃底座设置有连通所述贯通空腔与所述玻璃底座外部的通气孔。

进一步地，在所述贯通空腔与所述通气孔之间设有第三凹腔，第三凹腔自所述玻璃底座的上表面向下凹陷,第三凹腔的开口面积大于所述贯通空腔外环的横截面积。

优选地，第一凹腔、第二凹腔、所述贯通空腔和第三凹腔的中心重合。

进一步优选地，所述玻璃底座、所述硅基座和所述硅膜片的中心重合，所述硅基座的中心与第一凹腔的中心重合或平行。

其中，第一惠斯通电桥中的所述绝压压敏电阻通过第一重掺杂接触区和第一金属引线将所述绝压信号输出；

第二惠斯通电桥中的所述差压压敏电阻通过第二重掺杂接触区和第二金属引线将所述差压信号输出。

根据本发明的另一方面，提供了制备上述压力传感器芯片的制备方法，包括：

采用双面抛光硅片作为硅基座；

在所述硅基座的上表面制作第一凹腔和第二凹腔，其中，第二凹腔环绕于所述第一凹腔的外围并距离第一凹腔设定长度；

在SOI硅片的表面制备二氧化硅层；SOI硅片的器件层采用N型掺杂，标记所述SOI硅片器件层所在的面为SOI硅片的下表面；

将所述SOI硅片的下表面与所述硅基座的上表面利用高温热熔键合的方式进行键合；所述SOI硅片将第一凹腔和第二凹腔覆盖，第一凹腔与所述SOI硅片的下表面形成真空腔；

对所述SOI硅片的中上部进行减薄，直至露出SOI硅片中间的氧化层；

在所述SOI硅片减薄后的表面上制作包括绝压压敏电阻的第一惠斯通电桥和包括差压压敏电阻的第二惠斯通电桥；

在所述硅基座的下表面制作与第二凹腔连通的环形贯通空腔，所述贯通空腔的内环位于第二凹腔内环的外围，且所述贯通空腔内环与外环之间的距离小于第二凹腔内环与外环之间的距离；所述贯通空腔中的硅基座形成硅岛；

在玻璃基座上制备连通玻璃基座上表面和下表面的通气孔；使所述通气孔与所述贯通空腔连通，在温度为350～400℃、压力为500～1200N，电压为800～1200V的环境下对所述硅基座和玻璃基座进行阳极键合。

进一步地，在所述在玻璃基座上制备连通玻璃基座上表面和下表面的通气孔之后，使所述通气孔与所述贯通空腔连通之前，还包括：

在所述玻璃基座的上表面采用HF酸进行腐蚀以制备第三凹腔，第三凹腔的开口面积大于所述贯通空腔外环的横截面积，第三凹腔位于所述贯通空腔与所述通气孔之间。

优选地，所述压力传感器芯片的制备方法中，包括如下技术方案中的至少一种：

在所述在硅基座的上表面制作第一凹腔和第二凹腔的步骤中：利用湿法腐蚀或者干法刻蚀的方式制作第一凹腔和第二凹腔；

在所述在SOI硅片的表面制备二氧化硅层的步骤中，采用高温热氧化的方式制备所述二氧化硅层；

在所述在所述硅基座的下表面制作与第二凹腔连通的环形贯通空腔的步骤中，采用DRIE的深硅刻蚀技术进行深刻蚀，以形成所述贯通空腔；

在所述在玻璃基座上制备连通玻璃基座上表面和下表面的通气孔的步骤中，采用激光或者喷砂的方式在所述玻璃基座上制备所述通气孔；

在所述在所述SOI硅片的氧化层的上表面制作包括绝压压敏电阻的第一惠斯通电桥和包括差压压敏电阻的第二惠斯通电桥的步骤中包括：

在所述SOI硅片减薄后的表面上、所述第一凹腔和第二凹腔上方的边缘通过硼离子注入的方式同步制备绝压压敏电阻、差压压敏电阻；制备绝压压敏电阻和差压压敏电阻后继续在所述第一凹腔和第二凹腔上方的边缘位置通过第二次硼离子注入的方式制备第一重掺杂接触区和第二重掺杂接触区，通过高温退火的方式同步激活两次注入的杂质离子，光刻刻蚀引线孔、垫积金属并完成金属的图形化形成第一金属引线、第二金属引线和引线孔。

根据本发明的再一方面，还提供了一种绝压传感器芯片，包括依次设置的玻璃底座、硅基座和硅膜片，所述硅基座的上表面设置有第一凹腔，在第一凹腔外围、间距第一凹腔设置有环形第二凹腔，第二凹腔的下方设有连通第二凹腔与所述硅基座下表面的环形贯通空腔；所述贯通空腔的内环位于第二凹腔内环的外围，且所述贯通空腔内环与外环之间的距离小于第二凹腔内环与外环之间的距离；

所述硅膜片固定于所述硅基座的上表面并覆盖第一凹腔和第二凹腔；

在所述硅膜片表面对应第一凹腔的区域边缘，设置有第一绝压压敏电阻和输出绝压信号的第一惠斯通电桥；以及，在所述硅膜片表面对应第二凹腔的区域边缘，设置有第二压敏电阻和输出绝压信号的第二惠斯通电桥。

进一步地，所述玻璃底座的上表面开有第三凹腔，第三凹腔的开口面积大于所述贯通空腔外环的横截面积。

由以上技术方案可知，本申请中的压力传感器芯片不仅能够实现差压和绝压的同步测量，同时其量程范围大幅增加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据一优选实施例示出的压力传感器芯片的正面图；

图2为图1中A-B向的截面图；

图3(a)-3(j)为根据一优选实施例示出的压力传感器芯片的主要工艺过程剖面示意图；

图4为根据一优选实施例示出的绝压传感器芯片的中心剖面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有技术中差压和绝压不能同步测量的缺陷，本申请的发明人将差压传感器芯片和绝压传感器芯片集成到一个压力传感器芯片中，同时将芯片内部结构进行优化，增大压力传感器芯片的量程范围，以使本申请中的压力传感器芯片与传统压力传感器芯片相比，具有测量压力范围广、抗过载能力强、实现差压和绝压同步检测等特点。

下面对本申请中的压力传感器芯片的结构及工作原理进行详细阐述。

图1为根据一优选实施例示出的压力传感器芯片的正面图。图2为图1中A-B向的截面图。

如图1和图2所示，压力传感器芯片包括依次设置的玻璃底座1、硅基座2和硅膜片3。优选地，玻璃底座1、硅基座2和硅膜片3的中心重合。

硅基座2的上表面设置有第一凹腔4。在第一凹腔4外围、间距第一凹腔4设置有环形第二凹腔5。在本实施例中，第二凹腔5的包括但不限于圆形环或正多边形环。第二凹腔5的下方设有连通第二凹腔5与硅基座2下表面的环形贯通空腔6。贯通空腔6的内环位于第二凹腔5内环的外围，且贯通空腔6内环与外环之间的距离小于第二凹腔5内环与外环之间的距离。第二凹腔5中间的硅基座2和贯通空腔6中间的硅基座2构成硅岛13。优选地，本 实施例中的贯通空腔6的形状包括但不限于圆形环或正多边形环。作为各实施例中的优选实施例，本申请中第二凹腔5的形状与贯通空腔6的形状相同，即第二凹腔5的形状为圆形环时，贯通空腔6的形状也为圆形环；第二凹腔5的形状为正多边形环时，贯通空腔6的形状也为正多边形环。

作为各实施例中的优选实施例，第一凹腔4、第二凹腔5和贯通空腔6的中心重合，第一凹腔4的中心与硅基座2的中心重合或平行。

硅膜片3固定于硅基座2的上表面并覆盖第一凹腔4和第二凹腔5。硅膜片3的上表面和下表面分别设置二氧化硅层14。在本申请中，硅膜片3与硅基座2可通过高温热熔键合的方式进行键合进而实现固定连接。在硅膜片3固定于硅基座2的上表面时，第一凹腔4与其上的硅膜片3构成真空腔。此时，真空腔区域上方的硅膜片为第一应变膜30，第二凹腔5区域上方的硅膜片为第二应变膜31。

在第一应变膜30的边缘，即硅膜片3表面对应第一凹腔4的区域边缘，设置有绝压压敏电阻Ra1、Ra2、Ra3和Ra4，第一重掺杂接触区7和第一金属引线8。绝压压敏电阻Ra1、Ra2、Ra3和Ra4构成第一惠斯通电桥。第一惠斯通电桥中的绝压压敏电阻通过第一重掺杂接触区7和第一金属引线8将绝压信号输出。

在第二应变膜31的边缘，即硅膜片3表面对应第二凹腔5的区域边缘，设置有差压压敏电阻Rd1、Rd2、Rd3和Rd4,第二重掺杂接触区9和第二金属引线10。差压压敏电阻Rd1、Rd2、Rd3和Rd4构成第二惠斯通电桥。第二惠斯通电桥中的差压压敏电阻通过第二重掺杂接触区9和第二金属引线10将差压信号输出。

玻璃底座1设置有连通贯通空腔6与玻璃底座1外部的通气孔11。

下面对上述实施例中的压力传感器芯片的工作原理进行详细阐述。

如图2所示，芯片中的第一凹腔4、第一应变膜30、第一惠斯通电桥、第一重掺杂接触区7和第一金属引线8组成压力传感器I，即绝压传感器。芯片中的第二凹腔5、贯通空腔6、通气孔11、第二应变膜31、第二惠斯通电桥、第二重掺杂接触区9和第二金属引线10组成压力传感器Ⅱ，即差压传感器。

对于压力传感器I，通过第一应变膜30和第一凹腔4密封形成真空腔。当第一应变膜30的上端存在压力时，第一应变膜30会产生弯曲变形，弯曲变形产生的应力由绝压压敏电阻Ra1、Ra2、Ra3和Ra4以及由上述压敏电阻组成的第一惠斯通电桥转换成电压信号输出。由于第一应变膜30的下端为真空零压力，因此压力传感器I可以实现绝压的测量。

对于压力传感器II，第二应变膜31的下端通过第二空腔、贯通空腔6和玻璃底座1上的通气孔11实现了与外界环境的连通，当第二应变膜31的上端与通气孔11连接的区域存在 压力差时，第二应变膜31会在压力差的作用下产生完全变形，变形产生的应力由差压压敏电阻Rd1、Rd2、Rd3和Rd4和由上述差压压敏电阻构成的第二惠斯通电桥转换成电压信号输出，因此压力传感器II可以实现差压的测量。

通过压力传感器I和压力传感器II的组合，本申请中的压力传感器芯片可以实现绝压和差压的同步测量。

当在第二应变膜31的上表面施加压力时，第二应变膜31发生向下弯曲变形，玻璃基座为硅岛提供支撑可以抵消第二应变膜31上的部分压力。若贯通空腔6的上方不设置第二凹腔5，则第二应变膜31与贯通空腔6的开口接触，由于贯通空腔6的开口与第二应变膜31的接触面积较小，当第二应变膜31上的压力逐渐增大时，第二应变膜31承受的压力有限，当压力超过一定限额时，第二应变膜31则会断裂。因此本申请中的压力传感器芯片在贯通空腔6的上方设置第二凹腔5，贯通空腔6内环与外环之间的距离小于第二凹腔5内环与外环之间的距离，即第二凹腔5的受力面积大于贯穿空腔的受力面积。由于大大增加了第二应变膜31的接触面积，第二应变膜31承受的压力限额增大，第二应变膜31不会轻易断裂。同时第二凹腔5的受力面积大于贯穿空腔的受力面积，因而第二应变膜31具有较大的形变空间，故其差压传感器的量程大大增加。

需要说明的是，本申请中贯通空腔6内环与外环之间的距离和第二凹腔5内环与外环之间的距离的差值越大，差压传感器的量程范围就越大。本申请中，对于两者之间的比例关系不做具体限定，本领域人员可根据实际生产过程中需要的量程范围来确定两者的比例关系。

需要注意的是，当芯片中的大量程差压传感器正常工作时，绝压传感器的第一应变膜30所承受的压力已经远大于大量程差压传感器的工作范围，即小量程绝压传感器芯片需要承受极高的过载压力。为避免小量程绝压传感器失效，保证本申请中压力传感器芯片的大量程范围，本申请进一步优选地，在贯通空腔6与通气孔11之间设有第三凹腔12。第三凹腔12自玻璃底座1的上表面向下凹陷,第三凹腔12的开口面积大于贯通空腔6外环的横截面积。作为优选方案，第三凹腔12的中心与第一凹腔4、第二凹腔5和贯通空腔6的中心重合，与硅基座2的中心重合或平行。

在玻璃底座1的上表面设置第三凹腔12，当第一应变膜30上承受的压力不断增大时，第一应变膜30发生向下弯曲变形，第一应变膜30下方的硅岛逐渐向玻璃基座上的第三凹腔12靠近。由于第三凹腔12使得第一应变膜30具有较大的形变空间，故绝压传感器的量程大大增加。第三凹腔12的深度决定了第一应变膜30的量程范围。本申请中对于第三凹腔12的深度不做具体限定，本领域人员可根据实际生产过程中需要的量程范围来确定第三凹腔12的深度。当硅岛与第三凹腔12的底部接触后，玻璃基座为硅岛提供支撑并抵消第一应变膜30上的部分压力，从而还能够减小第一应变膜30在过载压力(远远大于第一应变膜正常工作范围的压力称为过载压力)作用下发生断裂的可能性。

由以上技术方案可知，本申请中的压力传感器芯片不仅能够实现差压和绝压的同步测量，同时其量程范围大幅增加。

根据本发明的另一方面，还提供了一种制备上述压力传感器芯片的制备方法.图3(a)-3(b)为根据一优选实施例示出的压力传感器芯片的主要工艺过程剖面示意图。

图3(a)中，采用双面抛光的硅片作为硅基座2。

图3(b)中，在硅基座2的上表面利用湿法腐蚀或者干法刻蚀的方式制作第一凹腔4和第二凹腔5。其中，第二凹腔5环绕于第一凹腔4的外围并距离第一凹腔4设定长度。

图3(c)中进行SOI硅片备片。选用器件层为N型掺杂的SOI硅片作为备片，并在SOI硅片的表面采用高温热氧化的方式制备二氧化硅层14，以及标记SOI硅片中器件层(对应传感器的硅膜片3)所在的面为SOI硅片的下表面。

图3(d)中，将SOI硅片的下表面与硅基座2的上表面利用高温热熔键合的方式进行键合。SOI硅片将第一凹腔4和第二凹腔5覆盖，第一凹腔4与SOI硅片的下表面形成真空腔。

图3(e)中，对SOI硅片的中上部进行减薄，直至露出SOI硅片中的氧化层。

图3(f)中，在SOI硅片减薄后的表面上制作包括绝压压敏电阻的第一惠斯通电桥和包括差压压敏电阻的第二惠斯通电桥。

具体地，在SOI硅片减薄后的表面上制作包括绝压压敏电阻的第一惠斯通电桥包括：

在所述SOI硅片减薄后的表面上、第一凹腔4和第二凹腔5上方的边缘通过硼离子注入的方式同步制备绝压压敏电阻、差压压敏电阻。制备绝压压敏电阻和差压压敏电阻后继续在第一凹腔和第二凹腔上方的边缘位置通过第二次硼离子注入的方式制备第一重掺杂接触区7和第二重掺杂接触区9，通过高温退火的方式同步激活两次注入的杂质离子，光刻刻蚀引线孔、垫积金属并完成金属的图形化形成第一金属引线8、第二金属引线10和引线孔。

图3(g)中，在硅基座2的下表面采用DRIE的深硅刻蚀技术进行深刻蚀以制作与第二凹腔5连通的环形贯通空腔6，贯通空腔6的内环位于第二凹腔5内环的外围，且贯通空腔6内环与外环之间的距离小于第二凹腔5内环与外环之间的距离；贯通空腔6中的硅基座2形成硅岛。

图3(h)中，在玻璃基座的上表面采用HF酸进行腐蚀以制备第三凹腔12，第三凹腔12的开口面积大于贯通空腔6外环的横截面积；

图3(i)中，在玻璃基座上采用激光或者喷砂的方式制备连通玻璃基座上表面和下表面的通气孔11；使通气孔11与第三凹腔12连通。

图3(j)中，在温度为350～400℃、压力为500～1200N，电压为800～1200V的环境下将硅基座2和玻璃基座进行阳极键合。

根据本发明的再一方面，还提供了一种大量程的绝压传感器芯片。图4为根据一优选实施例示出的绝压传感器芯片的中心剖面图。如图4所示，绝压传感器芯片包括依次设置且中心重合的玻璃底座1、硅基座2和硅膜片3。硅基座2的上表面设置有第一凹腔4，在第一凹腔4外围、间距第一凹腔4设置有环形第二凹腔5，第二凹腔5的下方设有连通第二凹腔5与硅基座2下表面的环形贯通空腔6。贯通空腔6的内环位于第二凹腔5内环的外围，且所述贯通空腔6内环与外环之间的距离小于第二凹腔5内环与外环之间的距离。第二凹腔5中间的硅基座2和贯通空腔6中间的硅基座2构成硅岛13。

优选地，本实施例中的贯通空腔6的形状包括但不限于圆形环或正多边形环。作为各实施例中的优选实施例，本申请中第二凹腔5的形状与贯通空腔6的形状相同，即第二凹腔5的形状为圆形环时，贯通空腔6的形状也为圆形环；第二凹腔5的形状为正多边形环时，贯通空腔6的形状也为正多边形环。作为各实施例中的优选实施例，第一凹腔4、第二凹腔5和贯通空腔6的中心重合，第一凹腔4的中心与硅基座2的中心重合或平行。

进一步地，玻璃底座1的上表面开有第三凹腔12，第三凹腔12的开口面积大于贯通空腔6外环的横截面积。

硅膜片3固定于硅基座2的上表面并覆盖第一凹腔4和第二凹腔5，覆盖于第一凹腔4形成第一真空腔，第二凹腔5、贯通空腔6和第三凹腔12构成第二真空腔。第一真空腔上方的硅膜片3为第一应变膜30，第二真空腔上方的硅膜片3为第二应变膜31。

在第一真空腔的区域边缘，即硅膜片3表面对应第一凹腔4的区域边缘，设置有第一绝压压敏电阻Ra1、Ra2、Ra3和Ra4，第一重掺杂接触区7和第一金属引线8。绝压压敏电阻Ra1、Ra2、Ra3和Ra4构成第一惠斯通电桥。第一惠斯通电桥中的绝压压敏电阻通过第一重掺杂接触区7和第一金属引线8将绝压信号输出。在第二真空腔的区域边缘，即在硅膜片3表面对应第二凹腔5的区域边缘，设置有第二压敏电阻Rd1、Rd2、Rd3和Rd4,第二重掺杂接触区9和第二金属引线10。绝压压敏电阻Rd1、Rd2、Rd3和Rd4构成第二惠斯通电桥。第二惠斯通电桥中的绝压压敏电阻通过第二重掺杂接触区9和第二金属引线10将绝压信号输出。

其中，第一真空腔、第一应变膜和第一惠斯通电桥构成大量程绝压传感器I，第二真空腔、第二应变膜和第二惠斯通电桥构成小量程绝压传感器II。相比图1中的压力传感器芯片结构，本实施例中的玻璃底座1不设置通气孔。第二凹腔5、贯通空腔6和第三凹腔12构成真空密封。大量程绝压传感器I上方的第一应变膜30和小量程绝压传感器II上方的第二应变膜31具有相同的厚度但具有不同的截面面积，由于小量程绝压传感器II上方的第二应变 膜的截面面积更大，因此在进行压力测量时第二应变膜的变形量大，传感器灵敏度高，故第二应变膜可适用于制作量程较小的绝压传感器。第一应变膜的截面积较小，在相同压力作用下第一应变膜变形量小，传感器灵敏度低，故第一应变膜可适用于制作量程较小的绝压传感器。通过上述两个绝压传感器的组合可以成倍的拓展绝压传感器芯片的测量范围。

故上述实施例中的绝压传感器芯片即可测量小量程范围的绝压，亦可测量大量程范围的绝压，其量程范围与单独的小量程绝压传感器和大量程绝压传感器相比，其量程大幅扩大，适用范围更广。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。