一种梁槽结合台阶式岛膜微压传感器芯片及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及MEMS压阻式微压传感器技术领域，具体涉及一种梁槽结合台阶式岛膜微压传感器芯片及制备方法。
【背景技术】
[0002]随着微机械电子系统技术的发展，MEMS微压传感器已被广泛应用于风洞测试、生物医电等领域，尤其在航空航天领域，对传感器的体积、重量有严格要求，并要求传感器具有一定的灵敏度和固有频率。MEMS传感器无疑是十分理想的选择。例如在航空航天领域，对于飞行器深高空高度监测具有重要意义，而压力与高度有一定的比例关系，因而通过压力传感器就可反映出飞行器高度的变化。飞行器从发射到达到预定高度，大气压力从约10kPa变化到几百Pa，因而传感器除了能检测几百Pa的微压能力外，还必须具有高过载能力，以使其在地面大气作用下不会因大气压力造成破坏。又如在生物仪器领域，为了精确的进行移液工作，需要精密地检测液面高度的变化，可通过检测液体高度产生的微压变化来反应液面高度的变化，而毫米级液面高度对应的压力范围仅在几百Pa范围内。
[0003]不同敏感原理的压力传感器有着不同的优缺点。比如压电式压力传感器受其敏感原理的限制，不能测量静态压力，且输出的电荷信号需要后续复杂的辅助电路进行处理；电容式压力传感器具有灵敏度高、温漂小，功耗低等优点，但输入阻抗大，易受寄生电容的影响，对于周围环境的干扰较敏感；谐振式压力传感器具有较好的灵敏度以及较低的温漂，但与压阻式压力传感器相比其制作工艺更加复杂，成品率相对较低；压阻式压力传感器虽易受温度影响，但其测量范围广、可测量静态和动态信号，精度高，动态响应好，后处理电路简单。
[0004]压阻式压力传感器的关键结构是薄膜结构，四个压敏电阻条布置在薄膜边缘的应力集中位置，形成惠斯通全桥将应力转换为电学信号。随着薄膜结构厚度的减薄，传感器对压力的灵敏度会提高，但传感器的非线性也会增加，从而加大了信号处理的难度。
[0005]我国目前的MEMS微压传感器主要还停留在kPa级上，不能满足航天领域对Pa级微压测量的要求，也不能适应诸如对深高空微压精确测量技术、生物医疗器械中的精确微压测量等领域的需求。因此，如何实现Pa级的超低微压测量，解决灵敏度与频响特性、灵敏度与非线性度之间的矛盾，保证微压传感器的高灵敏度、高频响特性以及高过载能力，是保障微压传感器进行可靠、精确测量而亟待突破的关键技术难点。
【发明内容】
[0006]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种梁槽结合台阶式岛膜微压传感器芯片及制备方法，能够对Pa级微压进行测量，具有灵敏度高、线性度好、精度高、动态性能好等特点，同时能够承受相当于满量程若干倍的高过载，该结构制作方法简单，可靠性高，易于批量化生产。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0008]一种梁槽结合台阶式岛膜微压传感器芯片，包括基底I中部设有的薄膜2，四条浅槽3-1、3-2、3-3、3-4沿着薄膜2上部边缘均匀分布，四条浅槽3-1、3_2、3-3、3_4的深度为薄膜2厚度的5%?90% ;四条浮雕梁4-1、4-2、4-3、4-4设置于相邻两条浅槽的端部之间且与基底I相连，四条浮雕梁4-1、4-2、4-3、4-4上表面高出薄膜2上表面的高度为薄膜2厚度的5%?90%，浮雕梁4-1、4-2、4-3、4-4的上表面、薄膜2的上表面与浅槽3_1、3_2、3-3,3-4的底面组成了梁槽结合台阶式薄膜结构，四个压敏电阻条7-1、7-2、7-3、7-4分别按应力分布规律均匀布置在四条浮雕梁4-1、4-2、4-3、4-4上，且压敏电阻条7_1、7-2、7-3、7-4的有效长度方向沿着压阻系数最大的晶向；焊盘9布置在基底I上表面；金属引线8将四个压敏电阻条7-1、7-2、7-3、7-4相互连接成半开环惠斯通电桥，并且将电桥的输出端与焊盘9连接；
[0009]四个凸块6-1、6-2、6-3、6-4沿薄膜2下部边缘均匀分布，且与基底I相连；四个质量块5-1、5-2、5-3、5-4与凸块6-1、6-2、6-3、6-4图形的对称轴相重合且与凸块6_1、6_2、
6-3,6-4在沿对称轴方向上间隔有距离，凸块6-1、6-2、6-3、6-4连接在薄膜2上；
[0010]基底I背面与防过载玻璃10键合在一起。
[0011]所述的薄膜2的膜宽厚比为70?700:1。
[0012]所述的防过载玻璃10上制作有台阶结构；台阶结构由顶面13、底面11和两者之间设有的台阶面12组成，底面11与台阶面12的深度以及尺寸的设计保证传感器在正常工作情况下，质量块5-1、5-2、5-3、5-4与顶面13、台阶面12、底面11之间不发生干涉，在过载状态下，台阶面12与底面11能够将质量块5-1、5-2、5-3、5-4进行限位，当基底I和防过载玻璃10之间形成的腔体为真空时，则实现绝对微压测量；当防过载玻璃结构10带有孔时，则实现相对微压测量。
[0013]所述的薄膜2选用正四边形薄膜，四条浅槽3-1、3-2、3-3、3-4均成L形，四个质量块5-1、5-2、5-3、5-4采用中空楔形结构。
[0014]所述的压敏电阻条7-1、7-3为四折或多折电阻条结构；压敏电阻条7-2、7-4为单根或多折电阻条结构，压敏电阻条7-1、7-3与7-2、7-4的初始总电阻值相同，并且其有效长度方向均沿着压阻系数最大的晶向。
[0015]所述的一种浮雕式岛膜应力集中结构微压传感器芯片的制备方法，包括以下步骤:
[0016]I)使用HF溶液清洗的SOI硅片，SOI硅片为N型(100)晶面；所述SOI硅片从上到下分为三层，分别是:上层单晶硅14、二氧化硅埋层15和下层单晶硅16 ;
[0017]2)对SOI硅片进行高温氧化，在上层单晶硅14正面形成二氧化硅层17，然后用P-压敏电阻版，对上层单晶硅14表面形成的二氧化硅层17光刻出压敏电阻区域，去除压敏电阻区域的二氧化硅层17，裸露出上层单晶硅14，对上层单晶硅14顶部的压敏电阻区域注入硼离子，获得压敏电阻条7-1、7-2、7-3、7-4 ；
[0018]3)利用P+欧姆接触版，去除部分的二氧化硅层17后，在上层单晶硅14表面光刻形成硼离子重掺杂区18，获得低阻的P型重掺杂硅作为欧姆接触区，保证压敏电阻条7-1、
7-2、7-3、7-4的欧姆连接；
[0019]4)在欧姆接触区，利用金属引线版，光刻出金属引线的形状，溅射金属层或者其他复合结构金属层，形成传感器芯片的金属引线8和焊盘9 ;
[0020]5)利用浮雕梁结构版，对上层单晶硅14正面进行光刻，将薄膜2正面去除相应深度的硅，形成四条浮雕梁4-1、4-2、4-3、4-4 ；
[0021]6)利用浅槽结构版，继续将薄膜2正面去除相应深度的硅，形成浅槽3-1、3_2、3_3、3_4 ;
[0022]7)利用背腔刻蚀版，对下层单晶硅16背面进行光刻，以二氧化硅层15作为刻蚀停止层去除背腔的硅材料，形成传感器的背腔结构层；
[0023]8)将基底I背面与防过载玻璃10顶面13键合。
[0024]所述步骤5)、步骤6)、步骤7)均采用深反应离子刻蚀去除硅材料，从而保证了刻蚀边沿的垂直度和深宽比。
[0025]本发明采用由浮雕梁4-1、4-2、4-3、4_4与浅槽3_1、3-2、3-3、3-4以及质量块5_1、
5-2、5-3、5-4与凸块6-1、6-2、6-3、6-4构成梁槽结合台阶式岛膜结构作为MEMS微压传感器的芯片结构，并与防过载玻璃10键合制成微压传感器芯片，可以承受由大气压带来的相当于几百倍满量程的高过载。四个压敏电阻条7-1、7-2、7-3、7-4的分布位置是根据有限元计算结果确定的，通过充分利用了梁槽结合台阶式岛膜结构所产生的应力集中效果来提高惠斯通电桥的输出电压，提高了传感器的灵敏度。质量块5-1、5-2、5-3、5-4以及凸块6_1、
6-2、6-3、6-4提高了薄膜2的刚度。因此，可以有效提高传感器芯片的固有频率，并保证传感器的