加速度计内嵌压力传感器的单硅片复合传感器结构及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于硅微机械传感器技术领域，涉及一种加速度计内嵌压力传感器的单硅片复合传感器结构及方法。
【背景技术】
[0002]随着MEMS技术的不断进步，MEMS复合传感器以其芯片结构尺寸更小、制作成本更低、性能更出众和后续安装应用成本更低的等优势在各行各业得到了广泛应用，例如:汽车电子、航空航天、电子消费类产品、生物医学等等。为此，大量科研工作者和各大MEMS产品开发公司投入大量的科研能力来开发不同类型的复合传感器芯片以满足不断增长的市场需求。目前，复合传感器最为显著的应用如智能手机中的十轴Combos复合传感器芯片、汽车胎压监测系统用TPMS复合传感器。
[0003]传统的复合传感器芯片结构多以单层或多层键合结构为主，通常采用双面微机械制作工艺、键合工艺、Cavity-SOI工艺、表面微机械制作工艺以及CM0S-MEMS技术等加工制作。例如，传统的加速度和压力复合传感器采用硅-玻璃结构方式，通过硅片背面两步各向异性湿法刻蚀方法分别形成压力薄膜和质量块，然后利用硅-硅键合或硅-玻璃键合来密封压力传感器的压力参考腔体，形成加速度传感器质量块的运动间隙以及形成传感器芯片基座，最后再利用硅片正面干法刻蚀释放加速度传感器可动结构，[Xu JB，Zhao Y Lj Jiang Z D et al.A monolithic silicon mult1-sensor for measuringthree-axis accelerat1n, pressure and temperature, Journal of Mechanical Scienceand Technology，2008，22:731-739]。这种双面体硅工艺和键合技术制作的复合传感器结构尺寸很大，工艺很复杂，制作成本很高。此外，不同键合材料之间的热膨胀系数不同以及键合过程中所引入的残余应力都会恶化传感器的输出稳定性，尤其在温度环境比较恶劣的条件下。为了改进上述不足，中科院上海微系统所的王权等研制出一种基于表面微机械加工工艺制作的加速度和压力单片复合传感器芯片。这种复合传感器中的压力传感器采用低压化学气相沉积(LPCVD)的低应力氮化硅薄膜作为压力敏感薄膜，通过湿法腐蚀释放牺牲层来形成压力参考腔体和敏感薄膜结构，压力检测电阻采用多晶硅硼源掺杂在氮化硅薄膜上方形成P型压敏检测电阻。此外，加速度检测方式主要采用热对流原理实现，[Wang Q, Li X X, Li T, Bao M M, et al.A novel monolithically integratedpressure, accelerometer and temperature composite sensor,Transducers 2009,Denver, CO, USA.2009:1118-1121]。这种表面微机械加工的复合传感器虽然克服的体硅微机械工艺制作复合传感器所存在的不足，但是受LPCVD沉积工艺的限制，压力敏感薄膜的厚度不可能太厚，最多很难超过3微米，因此这种压力传感器只适应于小量程范围的压力检测，且多晶硅压阻系数远小于单晶硅压阻系数导致了压力传感器检测灵敏度不会太高。此夕卜，表面微机械制作的复合传感器还可能发生台阶覆盖失效(Step-coverage)和腐蚀牺牲层过程中产生的薄膜粘附失效，这些不确定因素都大大提高了工艺的复杂程度，降低了成品率。为了解决上述不足，中科院上海位系统所的王家畴等人研制出一种基于单硅片单面体硅微机械工艺制作的加速度和压力单片复合传感器芯片。这种复合传感器结构首次采用体硅微机械工艺制作出表面微机械效果的三维立体结构，解决了传统表面微机械制作复合传感器的种种不足，具有结构尺寸小、成本低、工艺与IC Foundry兼容等特点，[Wang J C，Xia X Y, Li, X X, Monolithic integrat1n of pressure plus accelerat1ncomposite TPMS sensors with a single-sided micromachining technology, Journal ofMicroelectromechanical System, 2012，21:284-293]0
[0004]到目前为止，传统的加速度和压力复合传感器芯片尺寸虽然已经从尺寸很大的多片键合结构发展到了芯片尺寸较小的单硅片单面复合传感器结构，但是这些复合传感器中各个检测单元均采用Side-by-Side的集成方式，这种集成方式会占用大量的芯片空间，限制了复合传感器芯片尺寸的进一步减小，进一步降低成本。为了解决这一问题，台湾方为伦等研制出一款 PinG(Pressure sensor embedded into accelerometer)复合传感器芯片[W.Yeh, C.Chan, J.Hsieh, C.Hu, F.Hsu, W.Fang, Novel TPMS sensing chip withpressure sensor embedded in accelerometer, Transducers 2013，Barcelona, June16-20，2013，pp.1759-1762]。这种复合传感器结构通过采用价格昂贵的Cavity-SOI工艺、双面微机械加工技术以及硅-玻璃阳极键合工艺制作完成。通过将压力传感器集成到加速度传感器的质量块中，将复合传感器芯片的尺寸压缩到的极限。但是这种结构存在以下几点不足:(I)制作工艺异常复杂，工艺无法与IC工艺兼容且制作成本很高；(2)采用硅一玻璃键合结构，键合过程中所引入的残余应力和不同键合材料之间的热膨胀系数匹配失调，都使得传感器输出很不稳定，尤其在温度环境变化比较大的情况下；(3)复合传感器中加速度传感器对压力传感器的输出信号串扰很大，严重影响到了压力传感器的检测精度。
[0005]鉴于此，本发明提出了一种新的基于单硅片的加速度和压力传感器集成芯片结构及方法。
【发明内容】
[0006]本发明主要解决的技术问题在于提供一种加速度计内嵌压力传感器的单硅片复合传感器结构及方法，以解决传统复合传感器芯片结构尺寸大、成本高、制作工艺复杂等问题。实现了单片复合传感器的小型化、低成本、高性能与大批量生产。本发明可广泛应用于航空航天、汽车电子、消费类电子等领域，对于促进我国MEMS多功能复合传感器器件小型化发展，提高MEMS器件在国际上的竞争力具有举足轻重的作用。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明提供一种加速度计内嵌压力传感器的单硅片复合传感器结构，所述加速度计内嵌压力传感器的单硅片复合传感器结构包括:
[0008]一块单晶硅基片和均集成在所述单晶硅基片上的加速度传感器及压力传感器；所述加速度传感器与压力传感器集成于所述单晶硅基片的同一表面；
[0009]所述加速度传感器包括:质量块，与所述质量块连接的悬臂梁，位于所述悬臂梁上的第一应力敏感电阻，位于所述单晶硅基片表面的参考电阻，位于所述质量块与悬臂梁周围及下方的所述单晶硅基片内的运动间隙；所述第一应力敏感电阻与所述参考电阻连接成加速度检测电路；
[0010]所述压力传感器嵌入在所述质量块的中心位置，包括:压力敏感薄膜，多个位于所述压力敏感薄膜上的第二应力敏感电阻，以及位于所述压力敏感薄膜下方埋入在所述质量块内的压力参考腔体；所述多个第二应力敏感电阻连接成压力检测电路；
[0011]其中，在沿所述压力传感器周边的质量块内设有微槽，所述微槽将所述压力传感器隔离为悬浮在所述质量块中心位置的悬浮结构，所述悬浮结构的根部与所述质量块的末端中心位置相连接。
[0012]作为本发明的优选方案，所述单晶硅基片为(111)晶面的单晶硅基片。
[0013]作为本发明的优选方案，所述悬浮结构为六边形。
[0014]作为本发明的优选方案，所述悬浮结构的厚度与所述质量块的厚度相同。
[0015]作为本发明的优选方案，所述压力敏感薄膜、所述悬浮结构及所述质量块的上表面位于同一平面。
[0016]作为本发明的优选方案，所述加速度传感器设有两根所述悬臂梁以及两个分别位于两根所述悬臂梁上的第一应力敏感电阻，并且设有两个所述参考电阻；两个所述参考电阻与两个所述第一应力敏感电阻连接成惠斯顿半桥检测电路。
[0017]作为本发明的优选方案，所述压力传感器设有四个第二应力敏感电阻，分别两两相对的以所述压力敏感薄膜的中心呈中心对称分布，且分别位于所述压力敏感薄膜的两条相互垂直的对称轴上；四个所述第二应力敏感电阻连接成惠斯顿全桥检测电路。
[0018]此外，本发明还提供一种上述加速