一种压阻式mems压力传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种气体压力检测装置，尤其是涉及一种应用于微机电系统的压阻式MEMS压力传感器，以及传感器的制备方法。
【背景技术】
[0002]在汽车的制动系统、发动机系统、胎压监测系统，以用其他工业气体压力控制和家用燃气压力监测控制等技术领域，气体压力传感器具有广泛的应用。在这些领域中，大多采用中等量程气压传感器，所监测的气压范围通常在500kPa?1MPa之间。随着微机械电子系统(MEMS)的发展，传感器的技术发展已趋向批量化、微型化，正是由于批量化的MEMS体硅制造技术的优势，微型MEMS传感器已经替代了传统的传感器。
[0003]压力传感器根据其零基准点的不同可以分为绝压式和表压式两种。在中等量程气体压力检测领域，绝压式MEMS压力传感器基于其测量原理又可分为电容式MEMS压力传感器和压阻式MEMS压力传感器两种。电容式MEMS压力传感器以压力膜作为电容的其中一个极板，当压力膜随着外部气压发生变形的时候，电容上下极板之间的距离会随之发生变化从而导致输出电容发生改变，通过电容变化反应出气压。电容式MEMS压力传感器检测电容需要利用交流信号，处理信号的电路较为复杂，并使得封装后的传感器成本也较高。压阻式MEMS压力传感器主要利用了硅晶体的压阻效应，通过压力膜的变形导致掺杂电阻发生改变，通过电阻的变化可以反应出相应的气压。压阻式MEMS压力传感器检测电阻的变化只需通过简单的惠斯通电桥就能实现检测信号输出，电路结构较为简单，同时，压阻式MEMS压力传感器可以利用批量化的MEMS工艺制作，具有批量化、高成品的优点。
[0004]但现有技术中基于压阻原理的MEMS压力传感器存在成本高、高温条件下压阻条容易与硅衬底发生漏电从而影响稳定性的技术缺陷，如中国发明专利CN200880007360和CN201210340683，这两项专利的产品均采用SOI硅片作为压力传感器芯片的基片材料，相比使用普通单晶硅片作为压力传感器芯片成本较高；而美国专利US006006607A和US006543292B1公开的技术方案，虽然采用了普通单晶硅片作为压力传感器芯片的基片材料，从而使其产品的制造成本得以降低，但其只是简单地利用淡硼掺杂工艺在单晶硅片上制作压阻，压阻的电学绝缘性能较低，特别是在高温条件下压阻条易与硅衬底发生漏电，大大降低了传感器的稳定性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种压阻式MEMS压力传感器及其制备方法，传感器具有结构简单、成本低廉、性能稳定的优点，且其制备方法工艺简单、成品率高，并可实现批量化生产。
[0006]为解决现有技术中传统压阻式MEMS压力传感器存在的成本高，在高温条件下压阻条容易与硅衬底发生漏电从而影响稳定性的技术缺陷，本发明一种压阻式MEMS压力传感器包括单晶硅片基底、单晶硅片压力膜、压阻条、图形化金属引线、第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层，单晶硅片基底、第一绝缘层、单晶硅片压力膜、第二绝缘层、图形化金属引线、第三绝缘层的位置由下至上依次设置；单晶硅片基底的上表面开设有凹槽，第一绝缘层上开设有与凹槽的形状相同且位置对应的通孔；压阻条由单晶硅片压力膜在上表面通过淡硼掺杂形成并沿周向两两对称设置四个，四个压阻条均为P型并分布在凹槽对应区域的边缘内侧，第二绝缘层上与每个压阻条两端对应的位置均开设有电学接触孔，图形化金属引线通过电学接触孔使四个压阻条实现首尾相连；第三绝缘层上开设有四个用于图形化金属引线与外部进行打线的电极孔。
[0007]优选地，凹槽的形状为矩形或圆形，四个压阻条中的两个上下对称分布在凹槽对应区域的上下边缘内侧并沿应力方向设置，另两个压阻条左右对称分布在凹槽对应区域的左右边缘内侧并沿垂直应力方向设置。
[0008]优选地，每个压阻条均设为并排分布的四段并通过图形化金属引线连接为一个整体，单晶硅片压力膜的上表面还设有通过浓磷掺杂形成的隔离带，每个压阻条中的四段均通过隔离带彼此隔开。
[0009]优选地，每个压阻条中各个段的两端均设有通过浓硼掺杂形成的电学触点，每个压阻条中各个段的两端通过电学触点与图形化金属引线连接。
[0010]可选地，图形化金属引线的材质为具有导电性质的Al、Au、Cu、N1、Ag、Pt或者合金。
[0011]可选地，第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层的材质为具有绝缘性质的二氧化硅、氮化硅、有机薄膜或者二氧化硅和氮化硅的复合膜，第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层的厚度为Inm?100 Um0
[0012]本发明还提供了一种制备压阻式MEMS压力传感器的方法，包括以下步骤，
[0013]—、制备单晶娃片基底和单晶娃片压力月旲；
[0014]二、利用MEMS薄膜沉积工艺在单晶硅片基底上沉积形成第一绝缘层，使第一绝缘层的厚度为Inm?ΙΟΟμπι，并通过刻蚀工艺在第一绝缘层上开出矩形孔或圆形孔，在单晶硅片基底上开出相应的矩形凹槽或圆形凹槽；
[0015]三、利用键合工艺将单晶硅片压力膜键合在第一绝缘层上，并将单晶硅片压力膜加工到需要的厚度；
[0016]四、利用淡硼掺杂工艺在单晶硅片压力膜上设置压阻条；
[0017]五、利用MEMS薄膜沉积工艺在单晶硅片压力膜上沉积形成第二绝缘层，使第二绝缘层的厚度为Inm?100 μ m，并利用刻蚀工艺在第二绝缘层上开出压阻条的端点电学接触孔；
[0018]六、利用MEMS金属薄膜沉积工艺在第二绝缘层上沉积形成金属薄膜，并通过图形化工艺形成图形化金属引线；
[0019]七、利用MEMS薄膜沉积工艺在图形化金属引线的上一层沉积形成第三绝缘层，使第三绝缘层的厚度为Inm?100 μ m，并利用刻蚀工艺在第三绝缘层上开出四个图形化金属引线与外部进行打线的电极孔。
[0020]优选地，在上述步骤四中还包括利用浓磷掺杂工艺设置隔离带的工序和利用浓硼掺杂工艺设置电学触点的工序，隔离带将每个压阻条中的四段均彼此隔开，每个压阻条中的每段两端均设有电学触点，电学触点用于加强压阻条与图形化金属引线之间的欧姆接触特性。
[0021]可选地，在上述步骤二、步骤五和步骤七中的MEMS薄膜沉积工艺为氧化工艺、低压化学气相沉积(LPCVD)工艺、等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺、溶胶凝胶工艺或有机材料涂覆固化工艺。
[0022]可选地，在上述步骤二、步骤五和步骤七中的刻蚀工艺为干法离子刻蚀工艺、XeF气相腐蚀工艺、湿法各向异性腐蚀工艺、湿法各向同性腐蚀工艺、聚焦离子束刻蚀(FIB)工艺或激光刻蚀工艺。
[0023]可选地，在上述步骤三中的键合工艺为硅硅热键合工艺、涂源键合工艺、有机胶键合工艺、金属间键合工艺或玻璃浆料键合工艺。
[0024]可选地，在上述步骤六中的MEMS金属薄膜沉积工艺为溅射沉积艺、电子束蒸发沉积工艺、加热蒸发沉积工艺、电镀沉积工艺、化学镀沉积工艺或者化学置换反应工艺。
[0025]可选地，在上述步骤四中的掺杂工艺为离子注入掺杂工艺或涂源扩散掺杂工艺。
[0026]与传统压阻式压力传感器相比，本发明具有以下优点:(I)本发明利用金属膜即图形化金属引线来替代传统的浓硼掺杂来实现传感器内部的所有电学连接，从而避免了浓硼掺杂在高温条件下使压阻条容易与硅基底发生漏电的缺陷，提高了压力传感器的电学稳定性；(2)作为进一步的优化方案，本发明还通过在淡硼掺杂形成的压阻条周围增加浓磷掺杂工艺形成隔离带，使各段压阻条彼此隔开，并在使用过程中抬高浓磷掺杂区域的电位，进一步增强了压阻条与硅基底之间的PN