压力传感器及其制作方法与流程

本发明涉及mems压力传感器及其制作方法。

背景技术：

1、mems压力传感器在航空发动机、火箭腔体、油井和新能源汽车等都有着广泛的应用。新能源车热泵需要14mpa的压力传感器，氢能源汽车的多级压力容器，最高压力达到60mpa，柴油发动机高压共轨压力传感器需要200mpa的量程。常规的硅mems压力传感器应用在高压场景下，受限于自身的单个硅杯形成单腔结构，机械可靠性和精度降低。硅悬膜是感受外界压力载荷的主要机械部件，常用的3种膜片形状有圆形、方形和矩形。当压力过大时，易造成悬膜塑性变形，甚至破裂。若增加悬膜厚度，导致压阻条在悬膜上应力分布不均匀，而降低线性度和精度。

技术实现思路

1、本公开所要解决的一个技术问题是：解决高压压力传感器机械稳定性差的问题。

2、为解决上述技术问题，本技术实施例提供压力传感器，包括：衬底和四个压敏电阻，所述衬底为单晶硅晶向晶圆，或者为绝缘体上硅晶向晶圆，或者衬底为在单晶硅衬底上覆盖一层1～3μm的sio2绝缘层后，沉积厚度为1～5μm的多晶硅，所述衬底的电阻率为1～20ω·cm,晶向为(100)，所述四个压敏电阻构成惠斯通电桥，在所述衬底的背面设有结构相同且平行排布的第一腔体和第二腔体；四个压敏电阻为轻掺压敏电阻，分别为第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻，四个压敏电阻形制和阻值相同；第一压敏电阻和第二压敏电阻串联形成第一串联电路，第一串联电路位于第一腔体之上，其中第一压敏电阻位于第一腔体中心，第二压敏电阻位于第一腔体一侧；第三压敏电阻和第四压敏电阻串联形成第二串联电路，第二串联电路位于第二腔体之上，其中第三压敏电阻位于第二腔体中心，第四压敏电阻位于与第一腔体同一侧的第二腔体一侧；第二压敏电阻距第一压敏电阻的距离与第四压敏电阻距第三压敏电阻的距离保持一致。

3、在一些实施例中，所述压力传感器的应用压力范围为5～200mpa，第一腔体和第二腔体相对于相应的刻蚀面呈倒棱台型。

4、在一些实施例中，每个压敏电阻可以分为n个平行排布小单元结构，n≥2，小单元结构之间串联形成电连接，小单元结构是指形成压阻最小的结构单元，尺寸为1～20μm。

5、在一些实施例中，所述四个压敏电阻及小单元结构通过重掺杂或者金属引线的方式实现电连接。

6、在一些实施例中，还包括绝缘层，绝缘层包括二氧化硅或/和氮化硅，覆盖衬底上的轻掺压敏电阻和重掺杂，开孔露出部分重掺杂端口。

7、在一些实施例中，当衬底为n型，重掺杂为p型掺杂，轻掺压敏电阻为p型掺杂；当衬底为p型，重掺杂为n型掺杂，轻掺压敏电阻为n型掺杂。

8、在一些实施例中，还包括焊盘，压敏电阻四个端口通过金属引线或重掺杂与焊盘相连，作为压敏电阻电气信号的引入和输出，第一串联电路和第二串联电路并联，其中一端用于连接电源电压，为高电势输入端口，另一端用于接地，第一压敏电阻和第二压敏电阻中间的节点与第三压敏电阻和第四压敏电阻中间的节点为两个电势差输出端口。

9、在一些实施例中，还包括钝化层，钝化层包括二氧化硅或/和氮化硅，覆盖金属引线和金属电极，露出焊盘部分。

10、在一些实施例中，还包括玻璃键合层，为压力传感器形成真空绝压腔体，玻璃键合层位于衬底上部或衬底下部，若位于衬底上部，玻璃为预制腔体而构成绝压腔，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻为背面感压；若位于衬底下部，玻璃与双腔构成真空绝压腔体，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻为正面感压。

11、为解决上述技术问题，本技术实施例还提供压力传感器制作方法，其特征在于：所述工艺步骤包括：

12、步骤1：对单晶硅或者绝缘体上硅衬底或者衬底为在单晶硅衬底上覆盖一层sio2绝缘层后，沉积一定厚度的多晶硅采用丙酮和/或异丙醇超声清洗，然后用去离子水冲洗，甩干机甩干衬底表面水；

13、步骤2：使用氧化炉系统进行硅热氧化工艺，氧化温度1000～1200℃，生成厚度为5～30nmsio2薄膜层；

14、步骤3：旋涂光刻胶，光刻显影形成四个压敏电阻图形，每个压敏电阻图形为n个平行排布小单元结构，n≥2，带胶注入硼离子，注入剂量为1e14～5e14cm-2，能量为60～100kev，完成注入后去胶；若衬底为单晶硅衬底上覆盖一层sio2绝缘层后，沉积一定厚度的多晶硅，还可以采用热扩散方式制备四个压敏电阻；

15、步骤4：旋涂光刻胶，光刻显影形成重掺杂电连接区域图形，带胶注入硼离子，注入剂量为8e15～2e16cm-2，能量为80～120kev，完成注入后去胶，重掺杂串联第一压敏电阻和第二压敏电阻形成第一串联电路，重掺杂串联第三压敏电阻和第四压敏电阻形成第二串联电路，重掺杂并联第一串联电路和第二串联电路，形成完整的惠斯通电桥电路；若衬底为单晶硅衬底上覆盖一层sio2绝缘层后，沉积一定厚度的多晶硅，还可以采用热扩散方式制备重掺杂区域电连接图形，即惠斯通电桥电连接；

16、步骤5：高温退火激活注入硼离子，使用炉管或者快速退火炉，退火温度950～1100℃；

17、步骤6：绝缘层sio2或/和sinx沉积，厚度200～1000nm，旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀形成重掺杂区域开孔，去胶；

18、步骤7：在绝缘层薄膜上采用磁控溅射或者蒸镀厚度为500～1200nm金属电极，涂胶光刻显影，刻蚀出引线和焊盘，去胶；或剥离(lift-off)工艺制备金属引线和焊盘；

19、步骤8：退火合金化，使用炉管或者快速退火炉，退火温度400～450°c；

20、步骤9：钝化层sio2或/和sinx沉积，厚度200～1000nm，旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀形成焊盘区域开孔，去胶；

21、步骤10：背面减薄抛光衬底至一定厚度，为300～400μm；

22、步骤11：背面沉积硬掩膜sio2或sinx沉积，厚度400～1000nm，旋涂光刻胶，光刻显影图形化，刻蚀形成双腔区域硬掩膜，双腔区域以第一压敏电阻和第三压敏电阻中心对称排布，使得第一压敏电阻和第三压敏电阻位于双腔的中心位置，第二压敏电阻和第四压敏电阻位于双腔的同一侧，且第二压敏电阻和第四压敏电阻分别距离第一压敏电阻和第三压敏电阻的距离保持一致，去胶；

23、步骤12：正面抗氢氧化钾或四甲基氢氧化铵胶保护旋涂；

24、步骤13：采用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵溶液腐蚀背部双腔至一定深度，深度为30～80μm；

25、步骤14：去除背面硬掩膜和去除正面保护胶；

26、步骤15：玻璃与衬底减薄背面进行阳极键合，为第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻形成真空绝压腔体，玻璃键合层位于衬底上部或衬底下部，若玻璃键合层位于衬底上部，玻璃成为预制腔体而形成绝压腔，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻为背面感压；若玻璃键合层位于衬底下部，玻璃与双腔形成真空绝压腔体，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻和第四压敏电阻为正面感压。

27、通过上述技术方案，本发明提出双腔式压力传感器及制作方法，双腔结构将四个压敏电阻分成2个区域，即第一腔体上的第一串联电路和第二腔体上的第二串联电路，2个串联电路形成惠斯通电桥，其中位于双腔中心的第一压敏电阻和第三压敏电阻受到外界压力载荷后，同步增大或减小，位于双腔边缘的第二压敏电阻和第四压敏电阻受到外界压力载荷后，相反变化，同步减小或增大。由于双腔结构应变比同样尺寸的单腔结构受外界影响更明显，因此可以显著提高芯片的结构的稳定性，同时提高芯片输出精度和线性。附图说明

28、为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

29、图1是本发明提出的压力传感器的原理示意图；

30、图2是本发明提出的压力传感器的平面结构图；

31、图3是本发明提出的压力传感器的剖面示意图；

32、图4是本发明提出的另一种实施案例的压力传感器的剖面示意图；

33、图5是本发明提出的压力传感器制作方法步骤1流程示意图；

34、图6是本发明提出的压力传感器制作方法步骤2流程示意图；

35、图7是本发明提出的压力传感器制作方法步骤3流程示意图；

36、图8是本发明提出的压力传感器制作方法步骤4流程示意图；

37、图9是本发明提出的压力传感器制作方法步骤6流程示意图；

38、图10是本发明提出的压力传感器制作方法步骤7流程示意图；

39、图11是本发明提出的压力传感器制作方法步骤9流程示意图；

40、图12是本发明提出的压力传感器制作方法步骤10流程示意图；

41、图13是本发明提出的压力传感器制作方法步骤13流程示意图；

42、图14是本发明提出的压力传感器制作方法步骤15流程示意图。