一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片及其制备方法

1.本发明属于微机电传感器技术领域，具体涉及一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片及其制备方法。


背景技术：

2.随着mems技术的发展，mems微压传感器已被广泛应用于航空航天、食品工业、智能家居、生物医疗等领域；随着各领域飞速的发展，对传感器的性能、体积等提出了更高的要求，特别在生物医药领域急需性能稳定且具有高动态性能、高灵敏度、高线性度的mems微压传感器来进行保障。
3.根据不同的测量原理，mems微压传感器主要分为压阻式、压电式、电容式、谐振式等几种。与其他原理的mems微压传感器相比，mems压阻式微压传感器具有测量范围宽、线性度高、后端处理电路简单、灵敏度高、加工成本低廉等优点，从而得到广泛的应用。
4.mems压阻式微压传感器灵敏度以及非线性是其重要指标，但是传感器的动态性能同样不容忽略。目前市场上存在的微压传感器多追求高灵敏度以及低非线性指标，而忽略了其动态性能。灵敏度以及非线性的不足可以通过后端处理电路进行弥补，动态性能影响着传感器的响应速度以及稳定性，无法通过后端处理电路来弥补。
5.传统的通过降低膜厚和提高膜片尺寸的方法可以提高传感器的灵敏度，但是会使承压薄膜刚度下降，导致传感器线性度的降低，并且会影响传感器的动态性能。在mems压阻式微压传感器设计中，弱化传感器灵敏度与线性度和动态性能相互制约关系，在保证灵敏度的条件下和提升其线性度以及动态性能显得尤为重要。
6.目前，市场上较为成熟的mems压阻式微压传感器产品的最小量程大多是kpa量级，仅有的pa量级产品灵敏度较低，且非线性和动态性能较差，难以实现精确测量。因此，如何在保证传感器的灵敏度的前提下降低其非线性提高其动态性能是mems压阻式微压传感器进行可靠精确测量亟需突破的难点。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片及其制备方法，该结构芯片具有较高灵敏度、低非线性度、高动态性能以及高抗过载等能力。
8.为达到上述目的，本发明所述一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片，包括硅基底以及与硅基底键合的玻璃基底，所述硅基底背面刻蚀有背腔，承压薄膜正面连接有十字梁，所述十字梁上布置有四个压敏电阻条；背腔的底面为承压薄膜，承压薄膜背面连接有第一半岛、第二半岛、第一岛屿、第二岛屿和第三岛屿；其中，第一半岛，第二半岛与背腔的内侧壁连接，第一半岛、第一岛屿、第二岛屿、第三岛屿和第二半岛依次间隔设置，共形成四个间隙，所述四个压敏电阻条分别设置在所述四个间隙正上方，所述四个压敏电阻条通过金属引线和金属焊盘连接形成惠斯通电桥。
9.进一步的，四个间隙宽度相同。
10.进一步的，承压薄膜为八边形。
11.进一步的，十字梁的高度为承压薄膜厚度的10％～150％。
12.进一步的，玻璃基底上开设有凹槽以及通孔，所述凹槽的宽度大于背腔的宽度。
13.进一步的，第一岛屿、第二岛屿、第三岛屿、第一半岛和第二半岛的宽度相等，均为 160μm～250μm。
14.进一步的，四个压敏电阻条通过欧姆接触区和金属引线连接。
15.一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
16.步骤1、在soi硅片正面沉积二氧化硅，刻蚀掉四个压敏电阻条区域上方的二氧化硅，对 soi硅片露出的顶层单晶硅进行硼离子轻掺杂，形成四个压敏电阻条，然后去除剩余二氧化硅；
17.步骤2、对步骤1得到的结构正面方式沉积一层二氧化硅，去除引线孔区域的二氧化硅；
18.步骤3、在步骤2得到的结构正面溅射金属，利用金属引线版进行光刻，并形成金属引线和金属焊盘；
19.步骤4、对步骤3得到的soi片背面进行光刻，以soi片中的二氧化硅埋层(13)作为刻蚀停止层去除多余的硅，形成背腔、第一半岛、第二半岛、第一岛屿、第二岛屿和第三岛屿；
20.步骤5、对步骤6得到的结构正面进行光刻和刻蚀，形成十字梁，得到硅基底；
21.步骤6、将步骤5制作的硅基底与玻璃基底键合，得到微压传感器芯片。
22.进一步的，在步骤1完成后，步骤2开始前，对步骤1得到的结构的正面沉积一层二氧化硅，刻蚀掉欧姆接触区域上方的二氧化硅，露出欧姆接触区上方的顶层单晶硅，并对所述顶层单晶硅进行硼离子重掺杂，形成欧姆接触区，之后去除剩余二氧化硅并退火。
23.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
24.本发明提出的传感器芯片具备较高灵敏度、高线性度、高动态性能、低成本等特点，有利于实现批量化生产。
25.本发明在承压薄膜背腔增加了半岛和岛屿结构，且岛屿与岛屿、半岛与岛屿之间存在间隙，由于该间隙存在刚度突变，将产生应力集中效果。将压敏电阻条布置在间隙的正上方，可以极大地提高传感器的灵敏度。此外，半岛与岛屿结构的引入还极大地增加了承压薄膜的刚度，降低了承压薄膜几何非线性引起的非线性问题；根据固有频率f0计算公式
[0026][0027]
式中k表示薄承压膜的刚度，m表示承压薄膜的质量。通过适当的调整岛屿尺寸改变承压薄膜刚度以及承压薄膜质量，可以提高传感器的固有频率。
[0028]
虽然传感器的非线性可以通过后续处理来解决，但在部分实际应用中，都是直接从传感器的输出中读取压力值，较低的非线性也将降低后续处理的难度。固有频率的提升可以降低传感器的响应时间，也提高了传感器的可靠性。
[0029]
为了进一步提升传感器芯片的灵敏度，通过制作十字梁引入了横向的刚度突变，使得横向应力集中十字梁上。通过同时引入半岛与岛屿结构、十字梁结构使得应力集中区域在横向位置和纵向位置都得到了限制，应力集中区域面积进一步减小，获得了更好的应
力集中效果，提高了通过压阻效应转换成电压输出的幅值，最终提升了传感器的测量灵敏度。同时，十字梁结构的存在增加了承压薄膜的刚度，减轻了承压膜片的挠曲变形，降低了传感器的非线性。
[0030]
进一步的，四个间隙宽度相同，保证四个应力集中区域应力大小一致。
[0031]
进一步的，承压薄膜为八边形，相对于正方形膜片，在几乎不降低应力得条件下可以增加键合面积，增加键合强度。
[0032]
进一步的，十字梁的高度为承压薄膜厚度的10％～150％，十字梁高度较低时增加应力的效果不显著，十字梁高度较高时会增加刻蚀时间和刻蚀成本，且对进一步提升应力帮助不大。
[0033]
进一步的，玻璃基底上开设有凹槽以及通孔，所述凹槽的宽度大于背腔宽度，保证键合后玻璃基底不会阻碍岛屿和半岛的移动。
[0034]
进一步的，第一岛屿、第二岛屿、第三岛屿、第一半岛和第二半岛宽度均相等，均为 160μm～250μm，岛屿和半岛的宽度较小会不足以布置足够长度的压敏电阻条，岛屿和半岛的宽度较大会增大应力集中区域的宽度，降低传感器的灵敏度。
[0035]
进一步的，四个压敏电阻条通过欧姆接触区和金属引线连接，欧姆接触区连接压敏电阻和金属引线，降低压敏电阻和金属引线直接接触的电阻。
[0036]
本发明所述的传感器芯片的制备方法，均采用常规成熟工艺，不用新建生产线或开发新的生产工艺，成本低、可靠性高，易于批量化生产。
附图说明
[0037]
图1为本发明轴测示意图；
[0038]
图2为本发明结构示意图；
[0039]
图3为本发明正面示意图；
[0040]
图4为本发明背面轴测示意图；
[0041]
图5为本发明防过载玻璃基底轴测示意图；
[0042]
图6a为图1局部放大a示意图；
[0043]
图6b为图1局部放大b示意图；
[0044]
图7为本发明压敏电阻条形成的惠斯通电桥示意图；
[0045]
图8为本发明的制造工艺流程示意图；
[0046]
图9a为本发明在无加载状态下图3a
‑
a剖面处示意图；
[0047]
图9b为本发明在加载状态下图3a
‑
a剖面处示意图；
[0048]
图9c为本发明在过载状态下图3a
‑
a剖面处示意图；
[0049]
图10a为本发明在压力作用下应力分布示意图；
[0050]
图10b为与本发明同尺寸平膜结构在压力作用下应力分布示意图；
[0051]
图11a为本发明模态分析示意图；
[0052]
图11b为与本发明同尺寸平膜结构模态分析示意图。
[0053]
附图中：1、硅基底，2、承压薄膜，3、十字梁，4
‑
1、第一压敏电阻条，4
‑
2、第二压敏电阻条，4
‑
3、第三压敏电阻条，4
‑4‑
第四压敏电阻条，5、欧姆接触区，6、金属引线，7、金属焊盘，8、玻璃基底，9
‑
1、第一半岛，9
‑
2、第二半岛，10
‑
1、第一岛屿，10
‑
2、第二岛屿、 10
‑
3、第
三岛屿，11、凹槽，12、通孔，13、顶层单晶硅，14、二氧化硅埋层，15底层单晶硅。
具体实施方式
[0054]
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
[0055]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0056]
参照图1和图2，一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片，传感器芯片包括键合在一起的硅基底1和玻璃基底8，硅基底1背部刻蚀有背腔，硅基底1从结构上分为承压薄膜正面结构层和背腔结构层。
[0057]
参照图3，承压薄膜正面结构层包括：八边形的承压薄膜2、位于承压薄膜2正面正中央位置的十字梁3，十字梁3包括相互垂直的横梁和竖梁，十字梁高度为承压薄膜2厚度的 10％～150％，宽度为100μm～300μm。十字梁3与承压薄膜2存在高度差，形成刚度突变，在十字梁3上形成应力集中区域。
[0058]
参考图4，背腔结构层主要包括：与硅基底侧壁相连的第一半岛9
‑
1和第二半岛9
‑
2，以及与承压薄膜2背面相连接的第一岛屿10
‑
1，第二岛屿10
‑
2和第三岛屿10
‑
3。第一半岛9
‑
1、第一岛屿10
‑
1，第二岛屿10
‑
2、第三岛屿10
‑
3、第二半岛9
‑
2依次排列，且其中轴线位于同一条直线上。第一半岛9
‑
1与第一岛屿10
‑
1之间具有第一间隙，第一岛屿10
‑
1与第二岛屿10
‑
2 之间具有第二间隙、第二岛屿10
‑
2与第三岛屿10
‑
3之间具有第三间隙、第三岛屿10
‑
3与第二半岛9
‑
2之间具有第四间隙，间隙宽度为20μm～100μm，使得应力集中在间隙区域。第一岛屿 10
‑
1，第二岛屿10
‑
2和第三岛屿10
‑
3、第一半岛9
‑
1，第二半岛9
‑
2的宽度一致，为160μm～250μm，所有半岛和岛屿的长度以使传感器获得最大测量灵敏度为准进行优化设计。
[0059]
参考图1至图4，第一压敏电阻条4
‑
1，第二压敏电阻条4
‑
2，第三压敏电阻条4
‑
3和第四压敏电阻条4
‑
4布置在十字梁3上。其中，第一压敏电阻条4
‑
1，第二压敏电阻条4
‑
2，第三压敏电阻条4
‑
3和第四压敏电阻条4
‑
4均位于横梁上，且分别位于第一半岛9
‑
1与第一岛屿10
‑
1，第一岛屿10
‑
1与第二岛屿10
‑
2，第二岛屿10
‑
2与三岛屿10
‑
3，三岛屿10
‑
3与第二半岛9
‑
2 之间的间隙的正上方，第一压敏电阻条4
‑
1，第二压敏电阻条4
‑
2，第三压敏电阻条4
‑
3和第四压敏电阻条4
‑
4尺寸相同，方向均沿着压阻系数最大的晶向，欧姆接触区5与连接金属引线6 将四条第一压敏电阻条4
‑
1，第二压敏电阻条4
‑
2，第三压敏电阻条4
‑
3和第四压敏电阻条4
‑
4 依次相连，形成全开环惠斯通电桥，并通过金属焊盘7实现电信号的输入和输出，如图7所示。
[0060]
参照图5，玻璃基底8为防过载玻璃基底，基底8上刻蚀有凹槽11和通孔12，通孔12穿过凹槽的底面，凹槽11的宽度略大于承压薄膜2的宽度，凹槽11的深度视满量程时承压薄膜 2的位移以及防过载倍数决定，以最大防过载时第一岛屿10
‑
1，第二岛屿10
‑
2和第三岛屿10
‑
3 不与凹槽11发生干涉为准。通孔12通过机械加工或者激光加工等工艺制作，以实现差压测量。
[0061]
参照图6a和图6b，第一压敏电阻条4
‑
1，第二压敏电阻条4
‑
2，第三压敏电阻条4
‑
3和第四压敏电阻条4
‑
4均采用单根电阻条结构，尺寸和结构均相同，四条电阻条初始阻值相同，其长度方向均沿着最大压阻系数的晶向。第一压敏电阻条4
‑
1，第二压敏电阻条4
‑
2，第三压敏电阻条4
‑
3和第四压敏电阻条4
‑
4分别通过四个欧姆接触区5与金属引线6连接，金属引线6 将第一压敏电阻条4
‑
1，第二压敏电阻条4
‑
2，第三压敏电阻条4
‑
3和第四压敏电阻条4
‑
4连接成全开环惠斯通电桥。
[0062]
一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片的工作原理为：
[0063]
在无加载状态时，本发明芯片的截面图如图9a所示；图9b为传感器芯片正面在受到压力 p作用时，承压薄膜2开始下凹，其中第一半岛9
‑
1与第一岛屿10
‑
1间隙正上方的压敏电阻条 4
‑
1所在区域为受拉区域，根据硅的压阻效应，其电阻值增大；其中第二半岛9
‑
2与第三岛屿 10
‑
3间隙正上方的压敏电阻条4
‑
3所在区域也为受拉区域，根据硅的压阻效应，其电阻值增大；第一岛屿10
‑
1与第二岛屿10
‑
2间隙正上方的第二压敏电阻条4
‑
2所在区域为受压区域，根据硅的压阻效应，其电阻值减小；第二岛屿10
‑
2与第三岛屿10
‑
3间隙正上方的第四压敏电阻条 4
‑
4所在区域也为受压区域，根据硅的压阻效应，其电阻值减小。两个阻值增加的压敏电阻和两个阻值降低的压敏电阻可以通过连接形成惠斯通全桥，提高测量灵敏度。
[0064]
十字梁3使得第一压敏电阻条4
‑
1，第二压敏电阻条4
‑
2，第三压敏电阻条4
‑
3和第四压敏电阻条4
‑
4所在区域应力更为集中，压敏电阻阻值可以有更大的变化，提高了传感器的测量灵敏度。第一半岛9
‑
1，第二半岛9
‑
2，第一岛屿10
‑
1，第二岛屿10
‑
2和第三岛屿10
‑
3结构使得承压薄膜2的刚度进一步增加，同时降低了传感器的非线性。
[0065]
将所有的半岛与岛屿布置在同一条直线上可以让传感器的压阻非线性更低。记压敏电阻条 r1、r2、r3、r4的压阻非线性分别为nl1、nl2、nl3、nl4，则对于将半岛与岛屿均匀布置在承压薄膜边缘上的传感器结构，其整体非线性nl1的计算公式为：
[0066][0067]
对于将半岛与岛屿结构布置在同一条直线上的传感器结构，其整体非线性nl2的计算公式为：
[0068]
这表明：将半岛与岛屿结构布置在同一条直线上时四个压敏电阻的非线性在一定程度上可以相互抵消。因此，使用半岛与岛屿结构布置在同一条直线上的结构的压力传感
器具有能够降低整体非线性的特点。
[0069]
参照图9c，在传感器过载时，第一岛屿10
‑
1，第二岛屿10
‑
2和第三岛屿10
‑
3开始接触凹槽12底部，基底8起到限位保护作用，限制了薄膜的进一步变形，可以防止承压薄膜2因为应力过大发生破坏。
[0070]
参照图8，上述传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
[0071]
步骤1、清洗soi硅片，所述soi硅片由依次设置的顶层单晶硅13、二氧化硅埋层14和底层单晶硅15组成；
[0072]
步骤2、对清洗后的soi硅片正面通过等离子体增强化学气相沉积法pecvd或其他方式沉积一层二氧化硅，利用压敏电阻版，刻蚀掉第一压敏电阻条4
‑
1，第二压敏电阻条4
‑
2，第三压敏电阻条4
‑
3和第四压敏电阻条4
‑
4所在区域上方的二氧化硅，露出顶层单晶硅，并对裸露的顶层单晶硅并进行硼离子轻掺杂，形成第一压敏电阻条4
‑
1，第二压敏电阻条4
‑
2，第三压敏电阻条4
‑
3和第四压敏电阻条4
‑
4，然后去除剩余二氧化硅；
[0073]
步骤3、对步骤2得到的结构的正面通过pecvd等方式沉积一层二氧化硅，利用欧姆接触版刻蚀掉欧姆接触区域上方的二氧化硅，露出欧姆接触区域的顶层单晶硅，并对所述顶层单晶硅进行硼离子重掺杂，形成欧姆接触区5，之后去除剩余二氧化硅并退火；
[0074]
步骤4、对步骤3得到的结构的正面通过pecvd等方式沉积二氧化硅，利用引线孔版去除金属引线孔区域的二氧化硅；
[0075]
步骤5、在步骤4得到的结构正面，溅射金属，利用金属引线版进行光刻，并通过剥离、腐蚀等方式形成金属引线6以及金属焊盘7；
[0076]
步骤6、使用背腔刻蚀版对步骤5结构背面进行光刻，以soi片中二氧化硅埋层13作为刻蚀停止层干法去除多余的硅，形成背腔、以及位于背腔中的第一半岛9
‑
1，第二半岛9
‑
2、第一岛屿10
‑
1，第二岛屿10
‑
2和第三岛屿10
‑
3，背腔的底面即为承压薄膜2；
[0077]
步骤7、对步骤6得到的结构正面进行光刻和干法刻蚀，形成十字梁3，得到硅基底1；
[0078]
步骤8、使用玻璃刻蚀版在防过载玻璃上进行刻蚀形成凹槽11，并在防过载玻璃上通过机械、激光加工等方式制作通孔12，得到基底8；
[0079]
步骤9、将步骤7制作的硅基底1与步骤8处理后的玻璃基底8)进行阳极键合，得到微压传感器芯片。
[0080]
参照图10a和图10b，本发明在500pa压力作用下应力相对于与本发明同尺寸平膜结构提升超过100％，故本发明存在高灵敏度的特点。
[0081]
参照图11a和图11b，本发明的一阶固有频率相对于与本发明同尺寸平膜结构提升超过 20％，故本发明存在动态性能好的特点。
[0082]
本发明所设计的十字梁膜应力集中微压传感器芯片，相对于传统c型膜、e型膜结构传感器芯片，由于采用了第一半岛9
‑
1，第二半岛9
‑
2、第一岛屿10
‑
1，第二岛屿10
‑
2和第三岛屿 10
‑
3结构增强了承压薄膜2的整体刚度，提升了传感器的动态性能；采用第一半岛9
‑
1，第二半岛9
‑
2，第一岛屿10
‑
1，第二岛屿10
‑
2和第三岛屿10
‑
3之间的间隙以及十字梁同时形成横向和纵向的刚度突变，增强了第一压敏电阻条4
‑
1，第二压敏电阻条4
‑
2，第三压敏电阻条4
‑
3 和第四压敏电阻条4
‑
4所在区域的应力。因此，该传感器芯片具有灵敏度高、线性度好、防过载能力强、动态性能好等特点。
[0083]
本发明所达到的主要技术指标如下：
[0084]
1、测量范围：0～500pa；
[0085]
2、测量精度：优于0.5％fs；
[0086]
3、灵敏度：大于30μv/v/pa；
[0087]
4、工作温度：
‑
50～120℃；
[0088]
5、固有频率：大于5khz。
[0089]
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书面对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。