具有多阶应力集中区的压力传感器的制作方法

[0001]
本实用新型属于压力传感器技术领域，具体涉及一种具有多阶应力集中区的压力传感器。


背景技术：

[0002]
传统地，压力传感器包括硅衬底以及设置在所述硅衬底上的应力敏感膜和四个压敏电阻等结构，四个压敏电阻通过引线相互电连接形成惠斯通电桥结构。
[0003]
但是，经过本实用新型的发明人多次试验研究，虽然传统地压力传感器为了提高压力检测灵敏度，在衬底上设置有空腔，但是对于一些微弱的压力，却无法检测出，灵敏度较差。
[0004]
此外，传统地压力传感器在形成空腔时，往往利用刻蚀液从衬底的背面开始刻蚀，通过控制刻蚀液的刻蚀时间来获得所需要的空腔，这有可能会导致空腔刻蚀深度不一，导致器件的一致性和可靠性变差。


技术实现要素：

[0005]
本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种具有多阶应力集中区的压力传感器。
[0006]
本实用新型提供一种具有多阶应力集中区的压力传感器，包括衬底、压力敏感单元、绝缘钝化层以及导线层；其中，
[0007]
所述衬底沿其厚度方向的第一表面设置有空腔，所述第一表面上设置有所述压力敏感单元；
[0008]
所述绝缘钝化层设置在所述压力敏感单元背离所述衬底的一侧，所述绝缘钝化层上设置有贯穿其厚度的金属化过孔，所述导线层设置在所述绝缘钝化层背离所述衬底的一侧，所述导线层通过所述金属化过孔与所述压力敏感单元电连接；并且，
[0009]
所述绝缘钝化层上还设置有多阶应力集中区，所述多阶应力集中区与所述压力敏感单元相对应，以在所述压力敏感单元处产生应力集中。
[0010]
在一些可选地实施方式中，所述多阶应力集中区包括多个应力集中台阶，所述多个应力集中台阶沿所述绝缘钝化层的长度方向间隔设置。
[0011]
在一些可选地实施方式中，在所述多个应力集中台阶中，靠近所述压力敏感单元的应力集中台阶的厚度小于远离所述压力敏感单元的应力集中台阶的厚度。
[0012]
在一些可选地实施方式中，所述多个应力集中台阶的厚度自靠近所述压力敏感单元的一侧向远离所述压力敏感单元的一侧依次递增。
[0013]
在一些可选地实施方式中，所述衬底包括底座和基底，所述基底设置在所述底座上，所述基底上设置有所述空腔，所述底座上设置有应力释放结构。
[0014]
在一些可选地实施方式中，所述底座的横截面呈倒梯形结构，所述倒梯形结构形成所述应力释放结构。
[0015]
在一些可选地实施方式中，所述压力传感器还包括刻蚀停止层，所述刻蚀停止层夹设在所述衬底与所述压力敏感单元之间。
[0016]
本实用新型的压力传感器，其在绝缘钝化层上设置有多阶应力集中区，所述多阶应力集中区与所述压力敏感单元相对应，这样，在压力传感器受到外界作用力时，所设置的多阶应力集中区可以在压力敏感单元处产生应力集中，从而在相同量程的情况下，可以有效提高压力传感器的线性度和灵敏度。
附图说明
[0017]
图1为本实用新型一实施例的具有多阶应力集中区的压力传感器的x轴方向截面图；
[0018]
图2为本实用新型另一实施例的具有多阶应力集中区的压力传感器的y轴方向截面图；
[0019]
图3为本实用新型另一实施例的多阶应力集中区的俯视图；
[0020]
图4为本实用新型另一实施例的环形惠斯通电桥的结构示意图；
[0021]
图5为本实用新型另一实施例的电阻隔离环与压敏电阻的位置关系图。
具体实施方式
[0022]
为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。
[0023]
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
[0024]
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中术语“至少一个/至少一种”表示多个/多种中的任意一个/一种，或多个/多种中的至少两个/两种的任意组合，例如，包括a、b和c中的至少一种，可以表示包括从a、b和c构成的集合中选择的任意一个或多个元素。
[0025]
另外，为了更好地说明本实用新型，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本实用新型同样可以实施。在一些实施例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本实用新型的主旨。
[0026]
本实用新型的一方面，如图1和图2所示，涉及一种具有多阶应力集中区的压力传感器100，包括衬底110、压力敏感单元120、绝缘钝化层130以及导线层140。
[0027]
示例性的，如图1和图2所示，所述衬底110可以采用硅衬底或蓝宝石衬底等，所述衬底110沿其厚度方向的第一表面设置有空腔111，也就是说，如图1所示，在所述衬底110的上表面设置有所述空腔111，对于该空腔111的尺寸并没有作出限定，本领域技术人员可以根据实际需要进行设计，本实施例对此并不限制。
[0028]
示例性的，如图1和图2所示，所述压力敏感单元120可以包括应力敏感膜121、多个压敏电阻122以及多根引线123。所述应力敏感膜121设置在所述衬底110的第一表面上，也就是说，如图1和图2所示，所述应力敏感膜121设置在所述衬底110的上表面，与所述空腔
111相对应。所述多个压敏电阻122设置在所述应力敏感膜121背离所述衬底110的一侧，也就是说，如图1所示，所述多个压敏电阻122设置在所述应力敏感膜121的上表面。
[0029]
示例性的，如图1和图2所示，所述绝缘钝化层130设置在所述压力敏感单元120背离所述衬底110的一侧，也就是说，如图1和图2所示，在衬底110的上表面以及压敏电阻122、引线123的上方覆盖有所述绝缘钝化层130，该绝缘钝化层130的具体制作材料并没有作出限定，例如，可以采用氧化硅、氮化硅等绝缘材料制作形成。如图1和图2所示，所述绝缘钝化层130上设置有贯穿其厚度的多个金属化过孔131，所述多个金属化过孔131的位置应当与多个引线123的位置相对应，以便通过该金属化过孔131将引线123与导线层140电连接，实现电信号的传输。
[0030]
示例性的，如图1和图2所示，所述导线层140设置在所述绝缘钝化层130背离所述衬底110的一侧，也就是说，如图1和图2所示，所述导线层140设置在所述绝缘钝化层130的上表面，该导线层140可以采用常规的金属材料制作形成，例如，铝导线层、铜导线层等，本实施例并不限制。所述导线层140通过所述金属化过孔131与对应的所述引线123电连接。
[0031]
示例性的，如图1和图2所示，所述绝缘钝化层130上还设置有多阶应力集中区132，所述多阶应力集中区132与所述压力敏感单元120相对应，以在所述压力敏感单元120处产生应力集中。
[0032]
本实施例的压力传感器，其在绝缘钝化层上设置有多阶应力集中区，所述多阶应力集中区与所述压力敏感单元相对应，这样，在压力传感器受到外界作用力时，所设置的多阶应力集中区可以在压力敏感单元处产生应力集中，从而在相同量程的情况下，可以有效提高压力传感器的线性度和灵敏度。
[0033]
需要说明的是，对于多阶应力集中区的具体结构并没有作出限定，例如，该多阶应力集中区可以采用开槽结构，或者，该多阶应力集中区可以采用台阶结构等，凡是可以产生应力集中的结构均可，本实施例对此不作具体限制。
[0034]
示例性的，如图1、图2和图3所示，所述多阶应力集中区132包括多个应力集中台阶，所述多个应力集中台阶沿所述绝缘钝化层130的长度方向间隔设置。例如，如图1和图2所示，多阶应力集中区132包括两个应力集中台阶，分别为第一应力集中台阶132a和第二应力集中台阶132b，第一应力集中台阶132a靠近所述压力敏感单元120，第二应力集中台阶132b远离所述压力敏感单元120，并且，第一应力集中台阶132a的厚度小于第二应力集中台阶132b的厚度，这样，可以进一步在压力敏感单元120处产生较强的应力集中现象，从而在相同量程的情况下，可以进一步有效提高压力传感器的线性度和灵敏度。
[0035]
需要说明的是，本实施例的多阶应力集中区并不局限于如图1所示包括两个应力集中台阶，本领域技术人员根据实际需要，还可以根据实际需要，设计更多数量的应力集中台阶，例如，三个或三个以上等，本实施例对此并不限制。
[0036]
为了进一步在压力敏感单元处产生较强的应力集中现象，在多阶应力集中区包括多个应力集中台阶时，所述多个应力集中台阶的厚度自靠近所述压力敏感单元的一侧向远离所述压力敏感单元的一侧依次递增。也就是说，处于内侧的应力集中台阶的厚度最小，处于外侧的应力集中台阶的厚度最大，例如，如图1所示，处于内侧的第一应力集中台阶132a的厚度最小，处于外侧的第二应力集中台阶132b的厚度最大。
[0037]
示例性的，如图1和图2所示，所述衬底110包括底座112和基底113，所述基底113设
置在所述底座112上，所述基底113上设置有所述空腔111，所述底座112上设置有应力释放结构。
[0038]
本实施例的压力传感器，通过在底座上设置应力释放结构，该应力释放结构可以对压力传感器所产生的应力吸收，实现应力释放，从而可以减少器件温漂。
[0039]
需要说明的是，对于应力释放结构没有具体限制，例如，可以直接将底座设置呈倒梯形结构，也即该底座呈倒梯形底座，该倒梯形底座由于其下底边尺寸小于上底边尺寸，因此可以对压力传感器所产生的应力吸收，实现应力释放，从而可以减少器件温漂。当然，除此以外，本领域技术人员还可以根据实际需要，设计其他一些应力释放结构，本实施例对此并不限制。
[0040]
示例性的，如图1和图2所示，所述压力传感器100还包括刻蚀停止层170，所述刻蚀停止层170夹设在所述基底113与所述应力敏感膜121之间。
[0041]
本实施例的压力传感器，通过在基底和应力感应膜之间设置刻蚀停止层，这样，在刻蚀形成空腔时，可以确保刻蚀过程停止在所述刻蚀停止层处，也就是说，本实施例采用了自停止腐蚀技术，空腔腐蚀可以停止在自停止层位置，可以有效提高器件的一致性和可靠性。
[0042]
需要说明的是，对于刻蚀停止层的具体材料并没有作出限定，示例性的，该刻蚀停止层可以采用氧化硅、浓硼注入等材料制作形成，本实施例对此并不限制。
[0043]
另外，如图1和图4所示，在压力敏感单元120中，所述多个压敏电阻122平行间隔设置，所述多个压敏电阻122通过所述多根引线123电连接形成多平行环形惠斯通电桥150，所谓的多平行环形惠斯通电桥150是指，所述多个压敏电阻122之间形成多个平行间隔设置的环形桥臂，示例性的，如图4所示，四个压敏电阻122形成两个平行间隔设置的环形桥臂，当然，本实施例并不以此为限，在实际应用时，本领域技术人员还可以根据实际需要，设计其他一些呈平行间隔设置的环形桥臂，如三个或三个以上等，本实施例对此并不限制。
[0044]
本实施例的压力传感器，所述多个压敏电阻平行间隔设置，所述多个压敏电阻通过所述多根引线电连接形成多平行环形惠斯通电桥，这样，可以有效提高器件的线性度和灵敏度。
[0045]
示例性的，如图4所示，所述多平行环形惠斯通电桥150包括平行间隔设置的两个环形桥臂，分别为第一环形桥臂151和第二环形桥臂152。所述压力敏感单元120包括四个压敏电阻122以及四根引线123，分别为第一压敏电阻r1、第二压敏电阻r2、第三压敏电阻r3、第四压敏电阻r4、第一引线y1、第二引线y2、第三引线y3以及第四引线y4。
[0046]
如图4所示，所述第一压敏电阻r1与所述第三压敏电阻r3平行间隔设置，且所述第一压敏电阻r1与所述第三压敏电阻r3通过所述第一引线y1和所述第二引线y2电连接形成所述第一环形桥臂151。所述第二压敏电阻r2与所述第四压敏电阻r4平行间隔设置，且所述第二压敏电阻r2与所述第四压敏电阻r4通过所述第三引线y3和所述第四引线y4电连接形成所述第二环形桥臂152。
[0047]
另外，如图1和图2所示，所述压力敏感单元120还包括多个电阻隔离环124，一并结合图5，所述电阻隔离环124环设在对应的所述压敏电阻122四周。
[0048]
本实施例的压力传感器，通过在压敏电阻的四周设置电阻隔离环，该电阻隔离环可以有效的减少器件的漏电，减少温漂，提高可靠性，同时，还可以进一步提高器件的线性
度和灵敏度。
[0049]
需要说明的是，对于电阻隔离环的具体结构并没有作出限定，优选地，该电阻隔离环可以采用pn结电阻隔离环，这样，可以利用pn结电阻的单向导通特性，进一步有效防止器件漏电，减少温漂，进一步提高器件的线性度和灵敏度。当然，除此以外，本领域技术人员还可以根据实际需要，设计电阻隔离环的其余一些结构，本实施例对此并不限制。
[0050]
进一步需要说明的是，对于电阻隔离环尺寸及其与压敏电阻之间的间隔并没有作出限定，为了确保减少器件漏电效果，本实用新型的实用新型人经过多次试验研究，发现当所述电阻隔离环的宽度范围在10um～100um之间，以及所述电阻隔离环与对应的所述压敏电阻之间的间距范围为2um～100um之间时，可以极大地减少器件漏电效果，减少温漂，提高可靠性。
[0051]
示例性的，如图1和图2所示，所述压力传感器100还包括金属电磁屏蔽件160，所述金属电磁屏蔽件160设置在所述导线层140背离所述衬底110的一侧，也就是说，如图1所示，所述金属电磁屏蔽件160设置在所述导线层140的上表面。所述金属电磁屏蔽件160分别与所述导线层140和所述衬底110相连，以使得所述环形惠斯通电桥上下两侧处于同一电位。
[0052]
本实施例的压力传感器，在导线层背离衬底的一侧设置有金属电磁屏蔽件，该金属电磁屏蔽件分别与导线层和衬底相连，这样，可以使得环形惠斯通电桥的正上方和正下方均处于同电位，也即处于等电位，从而可以有效的减小静电和电磁干扰，提高器件的可靠性。
[0053]
示例性的，如图1和图2所示，所述金属电磁屏蔽件160包括屏蔽件主体161和连接件162。所述屏蔽件主体161设置在所述导线层140背离所述衬底110的一侧，也就是说，如图1和图2所示，所述屏蔽件主体161设置在所述衬底110的上表面，并且所述屏蔽件主体161在所述环形惠斯通电桥150上的正投影与所述环形惠斯通电桥150重合或落在其外侧，也就是说，如图1和图2所示，所述屏蔽件主体161完全覆盖住环形惠斯通电桥150。同时，如图1和图2所示，所述连接件162的第一端与所述屏蔽件主体161相连，所述连接件162的第二端与所述衬底110相连，例如，该连接件162的第二端可以通过设置在所述衬底110上的一个金属化过孔实现与衬底110相连。
[0054]
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。