一种十字岛耐高温耐腐蚀压力传感器芯片及制备方法

技术领域

本发明涉及MEMS压阻式微压传感器技术领域，具体涉及一种十字岛耐高温耐腐蚀压力传感器芯片及制备方法。

背景技术

微机械电子系统(Microelectromechanical systems，简写为MEMS)技术具有尺寸小、重量轻、功耗低、可靠性高及性能优良等特点。其中，微型压力传感器是在MEMS器件中开发最成熟的一类，并广泛广泛应用于石油化工、航空航天、能源电力、交通运输、冶金、机械制造、医疗卫生等行业。基于MEMS技术研制微型压力传感器已成为引人瞩目的发展方向。

微型压力传感器种类繁多，主要有电容式，谐振式及压阻式。电容式压力传感器容易受到信号干扰，必须集成特殊的信号处理电路，同时电容易受到污染导致电容极板间短路，因此电容式压力传感器的制作难度大，整体尺寸大，应用环境苛刻。谐振式压力传感器工作于闭环模式，具有较高的测量精度，稳定性和分辨力，但是谐振式传感器制作加工难度较高，并且对作为敏感器件的谐振子的材料品质要求严格，使得加工成本较高及生产周期较长。然而，压阻式压力传感器具有小尺寸、良好的输入输出线性关系、工艺简单成熟等优点，已经被广泛应用于汽车，移动电话及医疗器械等领域。

压阻式压力传感器利用半导体材料的压阻效应制成。当压阻式压力传感器的弹性膜片受到压力作用时，压力传感器内部弹性场发生变化，掺杂硅电阻受到应力作用，掺杂电阻的电阻率将会发生变化，然后利用测量电路将测量压力转化为成一定关系的电压输出。

高精度的压力传感器需要较高的灵敏度和较好的线性度。芯片膜厚减小可以提高传感器的灵敏度，但是膜挠度增大会导致压力传感器的线性度急剧变差。目前，市场上高精度的小量程传感器较少。因此，解决灵敏度和线性度之间的矛盾是保障高精度微压压力传感器进行可靠、精确测量而亟待突破的关键技术难点。

目前，传感器多采用充油封装，但是充油封装工作温度不能高于200℃，且波纹片不耐腐蚀，而且有一定的滞迟。因此，目前市场上缺乏200℃以上的耐腐蚀性传感器研究。

发明内容

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十字岛耐高温耐腐蚀压力传感器芯片及制备方法，能够对几十kPa级到几百kPa级小量程压力进行测量，耐300℃高温，可应用于300℃腐蚀性的测量环境，具有高灵敏度、线性度好、精度高、动态性能好等优点，并且制作方法简单，易于批量生产。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种十字岛耐高温耐腐蚀压力传感器芯片，包括基底1中部设有的薄膜2，在基底1背面刻蚀腔体内薄膜2下表面中心附着有十字型质量块3，呈轴对称分布；在薄膜2上表面的边缘中心或在十字型质量块3尾部所对应的薄膜2上表面布置四个压敏浮雕电阻条4-1、4-2、4-3、4-4，压敏浮雕电阻条4-1、4-2、4-3、4-4的有效长度方向沿着压阻系数最大的晶向；四个压敏浮雕电阻条4-1、4-2、4-3、4-4通过五个P型重掺杂硅浮雕块5-1、5-2、5-3、5-4、5-5依次连接成半开环惠斯顿电桥，相邻的P型重掺杂硅浮雕块5-1、5-2、5-3、5-4、5-5间隔10um宽的细缝；P型重掺杂硅浮雕块5-1、5-2、5-3、5-4、5-5上表面布置有点电极6-1、6-2、6-3、6-4、6-5；压敏浮雕电阻条4-1、4-2、4-3、4-4、P型重掺杂硅浮雕块5-1、5-2、5-3、5-4、5-5和点电极6-1、6-2、6-3、6-4、6-5构成传感器芯片的敏感电路部分。

基底1正面四周边缘设有浮雕圈7，浮雕圈7上表面与P型重掺杂硅浮雕块5-1、5-2、5-3、5-4、5-5上表面平齐；浮雕圈7与P型重掺杂硅浮雕块5-1、5-2、5-4、5-5间隔10um宽的细缝，浮雕圈7与P型重掺杂硅浮雕块5-3局部相连。

基底1正面与玻璃8键合在一起。

所述的薄膜2选用正方形薄膜。

所述的十字型质量块3厚度为基底1厚度的50％～90％，宽度W为薄膜2长度的10％～40％，长度L为薄膜2长度的30％～90％。

所述的玻璃8上制有五个通孔9-1、9-2、9-3、9-4、9-5，五个通孔9-1、9-2、9-3、9-4、9-5分别同心对准基底1的五个点电极6-1、6-2、6-3、6-4、6-5；玻璃8上有凹槽10，凹槽10形状为正方形，凹槽10正方形尺寸对应于薄膜2正方形尺寸，凹槽10深度的设计保证传感器在正常工作时，玻璃凹槽10底面与薄膜2上表面不发生干涉。

所述的一种十字岛耐高温耐腐蚀压力传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

a)基底1采用SOI硅片，将基底1进行标准RCA清洗；所述基地1分为三层，分别是：单晶硅器件层11、二氧化硅埋层12和单晶硅支撑层13；

b)对SOI硅片进行热氧化，在单晶硅器件层11和单晶硅支撑层13表面形成50nm二氧化硅层，对单晶硅器件层11整个表面进行硼离子轻掺杂的离子注入；

c)利用P+重掺杂引线版光刻显影重掺杂引线区域图形，掩蔽压敏电阻条图形，进行硼离子重掺杂的离子注入，然后退火实现注入离子的电激活；

d)利用电阻引线浮雕版，对单晶硅器件层11正面进行光刻，利用ICP技术刻蚀掉器件层厚度的硅，形成压敏浮雕电阻条4-1、4-2、4-3、4-4，P型重掺杂硅浮雕块5-1、5-2、5-3、5-4、5-5和浮雕圈7；

e)采用PECVD技术在硅片的正面沉积一层二氧化硅和氮化硅，作为上二氧化硅/氮化硅层14；

f)利用正面刻蚀版光刻显影，采用ICP刻蚀硅片正面的氮化硅，然后湿法腐蚀硅片正面的二氧化硅，用氢氟酸清洗硅片正面；

g)利用金属点电极版光刻显影正面的点电极图案，采用磁控溅射技术在基地1正面溅射金属，剥离得到金属点电极6-1、6-2、6-3、6-4、6-5；

h)将基底1正面与玻璃8的下表面真空键合；

i)利用背腔十字型岛刻蚀版，对单晶硅支撑层13表面进行光刻，去除相应深度的硅，形成传感器背腔的十字型质量块3；

j)采用PECVD技术在单晶硅支撑层表面沉积一层二氧化硅和氮化硅，作为下二氧化硅/氮化硅层15。

所述的步骤b)离子注入浓度为3×10

所述的步骤c)离子注入浓度为1.4×10

所述的步骤h)将基底1的点电极6-1、6-2、6-3、6-4、6-5与玻璃8的通孔9-1、9-2、9-3、9-4、9-5同心对准后键合。

所述的步骤i)采用深反应离子刻蚀去除硅材料。

本发明的有益效果为：

本发明采用由薄膜2和十字型质量块3构成的十字岛膜应力集中结构作为压力传感器的芯片结构，充分利用十字岛膜结构的应力集中效果以及高横纵向应力差效果，合理布置压敏浮雕电阻条4-1、4-2、4-3、4-4，提高惠斯顿电桥输出电压，提高传感器灵敏度。并且，十字型质量块3能够增大传感器的刚度，提高传感器的固有频率，提高传感器的线性度。因此，本发明的传感器结构能够解决高灵敏度与高线性度之间的矛盾。同时，背面十字型质量块结构简单，易于加工。

本发明采用正面真空键合技术，薄膜2上电路结构被密封保护在由基底1和玻璃8形成的真空腔内和接触区域内，敏感电路不与测试环境接触，只有基底1背腔与测试环境接触，使传感器芯片提高耐腐蚀性能。

本发明压力传感器设计了P型重掺杂硅浮雕块5-1、5-2、5-3、5-4、5-5和浮雕圈7，有利于提高压力传感器芯片真空键合后的密封性，进一步降低传感器芯片对测试环境中腐蚀性气体和蒸汽的影响。同时该设计使压力传感器既可以用于倒杯封装也可以用于无引线封装。

本发明采用SOI硅片，使压敏浮雕电阻条4-1、4-2、4-3、4-4在300℃高温下不会因PN结而失效。并且，本发明采用硅玻键合，进一步提高传感器芯片耐高温特性。

与现有技术相比，本发明传感器芯片的结构合理，能够耐300℃高温，抗300℃下的腐蚀，抗高过载，具有高灵敏度、高精度、高线性、高动态特性等特点，便于加工、成本低。

附图说明

图1(a)为本发明传感器芯片的正面轴测示意图；图1(b)为图1(a)中A位置放大图；图1(c)为图1(a)中B位置放大图；图1(d)为图1(a)中E位置放大图。

图2为本发明传感器芯片背腔轴测示意图。

图3为本发明十字型质量块的示意图。

图4为本发明正面键合后的传感器芯片的正面轴测示意图。

图5为本发明传感器芯片的玻璃轴测示意图。

图6(a)为本发明传感器芯片的玻璃正面示意图；图6(b)为图6(a)中D-D截面处的剖视示意图。

图7为本发明传感器芯片制备方法示意图；(a)为制备工艺中所使用的SOI片子结构示意图；(b)为轻掺杂示意图；(c)为重掺杂区域示意图；(d)为干刻压敏浮雕电阻条、P型重掺杂硅浮雕块和浮雕圈示意图；(e)为沉积氮化硅、二氧化硅示意图；(f)为刻蚀氮化硅、二氧化硅示意图；(g)为溅射点电极示意图；(h)为键合示意图；(i)为干刻背腔十字岛示意图；(j)为背面沉积氮化硅示意图。

图8为本发明传感器芯片在无加载状态时，图4中C-C截面处的剖视示意图。

图9为本发明传感器芯片在正常工作状态时，图4中C-C截面处的剖视示意图。

图10为本发明传感器芯片在过载状态时，图4中C-C截面处的剖视示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

参照图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)、图2，一种十字岛耐高温耐腐蚀压力传感器芯片，包括基底1中部设有的薄膜2，在基底1背面刻蚀腔体内薄膜2下表面中心附着有十字型质量块3，呈轴对称分布；在薄膜2上表面的边缘中心或在十字型质量块3尾部所对应的薄膜2上表面布置四个压敏浮雕电阻条4-1、4-2、4-3、4-4，压敏浮雕电阻条4-1、4-2、4-3、4-4的有效长度方向沿着压阻系数最大的晶向；四个压敏浮雕电阻条4-1、4-2、4-3、4-4通过五个P型重掺杂硅浮雕块5-1、5-2、5-3、5-4、5-5依次连接成半开环惠斯顿电桥，相邻的P型重掺杂硅浮雕块5-1、5-2、5-3、5-4、5-5间隔10um宽的细缝；P型重掺杂硅浮雕块5-1、5-2、5-3、5-4、5-5上表面布置有点电极6-1、6-2、6-3、6-4、6-5；压敏浮雕电阻条4-1、4-2、4-3、4-4、P型重掺杂硅浮雕块5-1、5-2、5-3、5-4、5-5和点电极6-1、6-2、6-3、6-4、6-5构成传感器芯片的敏感电路部分。

基底1正面四周边缘设有浮雕圈7，浮雕圈7上表面与P型重掺杂硅浮雕块5-1、5-2、5-3、5-4、5-5上表面平齐；浮雕圈7与P型重掺杂硅浮雕块5-1、5-2、5-4、5-5间隔10um宽的细缝，浮雕圈7与P型重掺杂硅浮雕块5-3局部相连。

参照图2和图3，所述的十字型质量块3厚度为基底厚度的50％～90％，宽度W为薄膜2长度的10％～40％，长度L为薄膜2长度的30％～90％。

参照图4，基底1正面与玻璃8键合在一起。

所述的薄膜2选用正方形薄膜。

参照图5、图6(a)、图6(b)，所述的玻璃8上制有五个通孔9-1、9-2、9-3、9-4、9-5，五个通孔9-1、9-2、9-3、9-4、9-5分别同心对准SOI硅片的五个点电极6-1、6-2、6-3、6-4、6-5；玻璃8上有凹槽10，凹槽10形状为正四边形，凹槽10正四边形尺寸对应于薄膜2正方形尺寸，凹槽10深度的设计保证传感器在正常工作时，凹槽10底面与硅基底薄膜2上表面不发生干涉。

参照图7，所述的一种十字岛耐高温耐腐蚀压力传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

a)参照图7中的(a)，基底1采用SOI硅片，将基底1进行标准RCA清洗；所述基地1分为三层，分别是：单晶硅器件层11、二氧化硅埋层12和单晶硅支撑层13；

b)参照图7中的(b)，对SOI硅片进行热氧化，在单晶硅器件层11和单晶硅支撑层13表面形成50nm二氧化硅层，对单晶硅器件层11整个表面进行硼离子轻掺杂的离子注入，离子注入浓度为3×10

c)参照图7中的(c)，利用P+重掺杂引线版光刻显影重掺杂引线区域图形，掩蔽压敏电阻条图形，进行硼离子重掺杂的离子注入，然后退火实现注入离子的电激活；离子注入浓度为1.4×10

d)参照图7中的(d)，利用电阻引线浮雕版，对单晶硅器件层11正面进行光刻，利用ICP技术刻蚀掉器件层厚度的硅，形成压敏浮雕电阻条4-1、4-2、4-3、4-4，P型重掺杂硅浮雕块5-1、5-2、5-3、5-4、5-5和浮雕圈7；

e)参照图7中的(e)，采用PECVD技术在硅片的正面沉积一层二氧化硅和氮化硅，作为上二氧化硅/氮化硅层14；

f)参照图7中的(f)，利用正面刻蚀版光刻显影，采用ICP刻蚀硅片正面的氮化硅，然后湿法腐蚀硅片正面的二氧化硅，用氢氟酸清洗硅片正面；

g)参照图7中的(g)，利用金属点电极版光刻显影正面的点电极图案，采用磁控溅射技术在基地1正面溅射金属，剥离得到金属点电极6-1、6-2、6-3、6-4、6-5；

h)参照图7中的(h)，将基底1正面与玻璃8的下表面真空键合，键合时将基底1的点电极6-1、6-2、6-3、6-4、6-5与玻璃8的通孔9-1、9-2、9-3、9-4、9-5同心对准；

i)参照图7中的(i)，利用背腔十字型岛刻蚀版，对单晶硅支撑层13表面进行光刻，深反应离子刻蚀去除相应深度的硅，形成传感器的十字型质量块3；

j)参照图7中的(j)，采用PECVD技术在单晶硅支撑层表面沉积一层二氧化硅和氮化硅，作为下二氧化硅/氮化硅层15。

本发明芯片的工作原理为：

参照图8，压力传感器处于无加载状态。

参照图9，压力传感器处于工作状态，在压强P作用下，薄膜2开始向上凸，薄膜2和十字型质量块3共同作用使布置电阻处应力集中，从而增大四个压敏浮雕电阻条4-1、4-2、4-3、4-4的应力变化量，从而提高了压力传感器的灵敏度，同时十字型质量块3增大了传感器结构刚度，从而提高压力传感器的线性度，提高压力传感器的动态响应特性。

参照图10，压力传感器处于过载状态，玻璃8会对变形的薄膜2进行限位，保护传感器在过载状态下不至失效。

本发明首次提出十字型岛薄膜相结合的压阻式压力传感器设计，压敏电阻分布于十字型质量块四个根部所对应的薄膜的上表面，或者分布在薄膜上表面的边缘中心应力集处，即十字型质量块作用下的薄膜上表面应力集中处，并且在最大化灵敏度的同时也提高了传感器的线性度。解决了传感器灵敏度与线性度之间的矛盾。同时，十字型岛薄膜结合的压阻式压力传感器结构简单，易于加工。

本发明采用正面真空键合技术，薄膜上电路结构被密封保护在由基底和玻璃形成的真空腔内和接触区域内，敏感电路不与测试环境接触，只有基底背腔与测试环境接触，使传感器芯片提高耐腐蚀性能。

本发明压力传感器设计了P型重掺杂硅浮雕块和浮雕圈，有利于提高压力传感器芯片真空键合后的密封性，进一步降低传感器芯片对测试环境中腐蚀性气体和蒸汽的影响。同时该设计使压力传感器既可以用于倒杯封装也可以用于无引线封装。

本发明采用SOI硅片，使压敏浮雕电阻条在300℃高温下不会因PN结而失效。并且，本发明采用硅玻键合，进一步提高传感器芯片耐高温特性。

下面表1是本发明的压阻式传感器与C型结构、十字梁膜结构、岛膜结构传感器的仿真性能对比，其中，压强250kPa，电阻布置在各个传感器结构的正方形薄膜四个边缘中心，即各自应力集中区域，Von Mises和σ

表格1

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。