一种封装结构的压力、加速度二合一传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种MEMS传感器芯片，尤其涉及的是一种封装结构的压力、加速度二合一传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]汽车轮胎压力监测系统(英文简称TPMS)，主要用于汽车行驶过程中实时监测轮胎气压，并对轮胎漏气、低气压以及超高气压进行报警，以保障行车安全。据统计，在高速公路上发生的交通事故约有70%是由于爆胎引起。防止爆胎是安全驾驶的一个重要课题，保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。TPMS是一种理想的解决方案。
[0003]轮胎压力传感器芯片(以下简称胎压传感器)是整个TPMS系统的核心部分，主要包括监测轮胎内压力的压力传感器和作为触发开关的加速度传感器。胎压传感器结合外围的电路、MCU处理器、RF射频模块，就能够实现将轮胎内压力信号无线传输到显示终端，让司机可以实时查看轮胎的压力状况，并在胎压发生异常时发出警报。胎压传感器具体工作过程为:当轮胎静止时，无需进行胎压监测，压力传感器处于关闭状态；当轮胎开始转动时，加速度传感器检测到轮胎的离心加速度，就会发出信号让MCU把压力传感器开启，压力传感器实时检测胎压并把数据通过RF芯片传输给显示终端。
[0004]目前，在我国已经有一些胎压传感器的技术产生，其产品所对应的代表性专利有:
(I)中国发明专利CN200910053308.1，表面横向波动模式轮胎压力传感器；(2)中国实用新型专利CN201420199177.4，胎压传感器；(3)中国发明专利CN201010534154.0，外置式汽车胎压传感器；(4)中国实用新型专利CN201120269839.7，胎压传感器；(5)中国实用新型专利CN201320326069.4，一种胎压传感器；(6)中国发明专利CN201110185860.3，复合集成传感器结构及其制造方法。其中专利(1)，(2)和(3)所介绍的胎压传感器只包含压力传感器，而没有作为触发开关的加速度传感器。专利(4)和(5)则介绍胎压传感系统的整体模块，包含传感器、发射模块、处理电路、MCU等，而并没有深入介绍其中作为核心的传感器芯片技术。而专利(6)则介绍了一种压力、加速度传感器二合一的集成MEMS芯片及制作方法，此芯片可用于胎压检测，但此专利并未涉及传感器的芯片级封装，所有传感结构都暴露在芯片上表面，使其难以承受汽车轮胎的恶劣条件，从而可靠性较差。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种封装结构的压力、加速度二合一传感器及其制备方法，把压力传感器和加速度传感器集成在一个传感器芯片上。
[0006]本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括上盖板、下盖板、硅片、悬臂梁、质量块、多个压阻条、绝缘层、金属引线、中间层；
[0007]所述上盖板上开设第一凹槽和第二凹槽，所述硅片的反面分别开设第一凹陷区和第二凹陷区，所述悬臂梁的一端固定在硅片的反面，另一端悬空，所述质量块设置在悬臂梁的悬空端上，所述悬臂梁位于第一凹陷区的底部，第一凹陷区连通上盖板上对应的第一凹槽；所述硅片的正面分别掺杂制得多个加速度压阻条和压力压阻条，所述加速度压阻条设置于悬臂梁和/或质量块上，所述第二凹陷区的底部和压力压阻条之间形成压力感应膜，第二凹槽正对压力压阻条；所述绝缘层覆盖在硅片的正面，金属引线设置在绝缘层之上，金属引线分别连通各个压阻条；所述上盖板通过中间层键合在硅片的正面，所述下盖板键合在硅片的反面，所述下盖板上正对压力感应膜的一面开设导气孔。
[0008]所述压阻条和金属引线的接触区域通过重掺杂设有重掺杂区。
[0009]所述压力压阻条构成惠斯通全桥结构，所述加速度压阻条构成惠斯通全桥结构。
[0010]—种封装结构的压力、加速度二合一传感器的制备方法，包括以下步骤:
[0011](I)准备一片衬底单晶硅片；
[0012](2)利用掺杂工艺在硅片正面形成压阻条、欧姆接触区和重掺杂区；
[0013](3)在硅片的反面沉积两层绝缘层，在硅片的正面沉积一层绝缘层，在硅片正面的绝缘层上图形化以及刻蚀出电学接触孔；
[0014](4)在硅片正面的绝缘层上沉积出金属层，并通过刻蚀将金属层图形化，引出金属引线，金属引线通过绝缘层的电学接触孔与压阻条形成电连接；
[0015](5)对硅片反面的绝缘层依次进行图形化和刻蚀，分别作为第一次和第二次腐蚀的掩膜，最外层的绝缘层作为第二次腐蚀的掩膜，内层的绝缘层作为第一次腐蚀的掩膜；
[0016](6)通过湿法腐蚀工艺对硅片进行第一次腐蚀，对硅片进行各向异性腐蚀，制得第一凹陷区和第二凹陷区；
[0017](7)通过刻蚀工艺，以硅片反面最外层的绝缘层作为掩膜刻蚀里层的绝缘层，使得里层绝缘层的腐蚀窗口与外层绝缘层完全一致，形成第二次腐蚀掩膜，然后进行第二次各向异性腐蚀，最终在加速度传感器上形成质量块和悬臂梁的结构，而压力传感器上形成一个平整的压力感应膜结构；
[0018](8)利用刻蚀工艺，去除硅片反面的两层绝缘层；
[0019](9)在硅片的反面键合下盖板；
[0020](10)利用图形化和刻蚀工艺，把质量块和悬臂梁刻蚀释放出来；
[0021](11)在硅片的正面沉积中间层，然后在中间层上键合上盖板。
[0022]所述图形化工艺选自光刻工艺、聚焦离子束刻蚀、激光扫描刻蚀工艺中的任一种。
[0023]所述掺杂工艺选自离子注入掺杂、涂源扩散掺杂中的任一种。所述步骤(3)中，绝缘层的沉积工艺选自氧化、低压化学气相沉积、等离子增强化学气相沉积、溅射沉积工艺、溶胶凝胶工艺、有机材料涂覆固化工艺中任一种；沉积的材料选用二氧化硅、氮化硅、二氧化娃和氮化娃复合膜、有机薄膜中的任一种，制得的绝缘层的厚度范围为Inm?100 μπι。
[0024]所述步骤(4)中，金属层的沉积工艺选自溅射沉积、电子束蒸发沉积、加热蒸发沉积、电镀沉积、化学镀沉积、化学沉积中的任一种，所沉积的金属层的厚度范围为Inm?100 μ mD
[0025]所述步骤(3)、(5)、(7)、⑶中的绝缘掩膜刻蚀工艺选自干法离子刻蚀、XeF、HF气体腐蚀、湿法各向异性腐蚀、湿法各向同性腐蚀、聚焦离子束刻蚀、激光刻蚀中的任一种。
[0026]所述步骤(6)、(7)中的腐蚀工艺选自KOH溶液腐蚀、TMAH溶液腐蚀中的任一种。
[0027]本发明把压力传感器和加速度传感器做在单颗传感器芯片上，并利用MEMS微加工批量化制备工艺制作传感器，不仅提高了胎压传感器的集成度，而且还能实现低成本化、高成品率等；采用特有的三明治封装结构，不仅能够实现芯片级的真空封装，而且还能保护所有加速度、压力传感结构不受外部恶劣环境的影响，具有很高的可靠性和稳定性。
[0028]本发明相比现有技术具有以下优点:本发明利用二次掩膜法腐蚀工艺技术，实现在同一颗MEMS芯片中同时制作出加速度传感器和压力传感器，提高了传统胎压传感器的芯片集成度；利用上、下盖板对中间的单晶硅器件层进行键合，从而形成三明治的封装结构，这样不仅保证了器件内部的真空度，而且还对器件内部的传感结构、电路结构实现最大程度的保护，从而使得器件在高温、高压、多尘、腐蚀性气体等恶劣的环境当中依然能保持高的可靠性和稳定性，完全适合汽车轮胎压力监测的应用场合。
【附图说明】
[0029]图1是本发明的主视图图；
[0030]图2是本发明的剖视图；
[0031]图3是本发明的惠斯通全桥的等效电路图；
[0032]图4是本发明的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0033]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0034]如图4所示，本实施例包括以下步骤:
[0035](I)准备一片衬底单晶硅片I ;
[0036](2)利用掺杂工艺在硅片I正面形成压阻条8、欧姆接触区和重掺杂区；
[0037](3)在硅片I的反面沉积两层绝缘层9，在硅片I的正面沉积一层绝缘层9，在硅片I正面的绝缘层9上图形化以及刻蚀出电学接触孔；
[0038](4)在硅片I正面的绝缘层9上沉积出金属层，并通过刻蚀将金属层图形化，引出金属引线10，金属引线10通过绝缘层9的电学接触孔与压阻条8形成电连接；
[0039](5)对硅片I反面的绝缘层9依次进行图形化和刻蚀，分别作为第一次和第二次腐蚀的掩膜，最外层的绝缘层9作为第二次腐蚀的掩膜，内层的绝缘层9作为第一次腐蚀的掩膜；
[0040](6)通过湿法腐蚀工艺对硅片I进行第一次腐蚀，对硅片I进行各向异性腐蚀，制得第一凹陷区和第二凹陷区；
[0041](7)通过刻蚀工艺，以硅片I反面最外层的绝缘层9作为掩膜刻蚀里层的绝缘层9，使得里层绝缘层9的腐蚀窗口与外层绝缘层9完全一致，形成第二次腐蚀掩膜，然后进行第二次各向异性腐蚀，最终在加速度传感器上形成质量块4和悬臂梁5的结构，而压力传感器上形成一个平整的压力感应膜6结构；
[0042](8)利用刻蚀工艺，去除硅片I反面的两层绝缘层9 ;
[0043](9)在硅片I的反面键合下盖板3 ；
[0044](10)利用图形化和刻蚀工艺，把质量块4和悬臂梁5刻蚀释放出来；
[0045](11)在硅片I的正面沉积中间层，然后在中间层上键合上盖板2。
[0046]本实施例中，图形化工艺为光刻工艺，其他实施例中可以选用聚焦离子束刻蚀、激光扫描刻蚀工艺中的任一种。
[0047]本实施例的掺杂工艺为离子注入掺杂，其他实施例中可以选用涂源掺杂。
[0048]本实施例的步骤(3)中，绝缘层9的沉积工艺为低压化学气相沉积，其他实施例中可以选用等离子增强化学气相沉积、溅射沉积工艺、溶胶凝胶工艺、有机材料涂覆固化工艺中任一种；沉积的材料选用二氧