一種浮雕式島膜應力集中結構微壓傳感器芯片及制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及MEMS壓阻式微壓傳感器技術領域，具體涉及一種浮雕式島膜應力集中結構微壓傳感器芯片及制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著微機械電子系統(tǒng)技術的發(fā)展，MEMS微壓傳感器已被廣泛應用于風洞測試、生物醫(yī)電等領域，尤其在航空航天領域，對傳感器的體積、重量有嚴格要求，并要求傳感器具有一定的靈敏度和固有頻率。MEMS傳感器無疑是十分理想的選擇。例如在航空航天領域，對于飛行器深高空高度監(jiān)測具有重要意義，而壓力與高度有一定的比例關系，因而通過壓力傳感器就可反映出飛行器高度的變化。飛行器從發(fā)射到達到預定高度，大氣壓力從約10kPa變化到幾百Pa，因而傳感器除了能檢測幾百Pa的微壓能力外，還必須具有高過載能力，以使其在地面大氣作用下不會因大氣壓力造成破壞。又如在生物儀器領域，為了精確的進行移液工作，需要精密地檢測液面高度的變化，可通過檢測液體高度產生的微壓變化來反應液面高度的變化，而毫米級液面高度對應的壓力范圍僅在幾百Pa范圍內。
[0003]不同敏感原理的壓力傳感器有著不同的優(yōu)缺點。比如壓電式壓力傳感器受其敏感原理的限制，不能測量靜態(tài)壓力，且輸出的電荷信號需要后續(xù)復雜的輔助電路進行處理；電容式壓力傳感器具有靈敏度高、溫漂小，功耗低等優(yōu)點，但輸入阻抗大，易受寄生電容的影響，對于周圍環(huán)境的干擾較敏感；諧振式壓力傳感器具有較好的靈敏度以及較低的溫漂，但與壓阻式壓力傳感器相比其制作工藝更加復雜，成品率相對較低；壓阻式壓力傳感器雖易受溫度影響，但其測量范圍廣、可測量靜態(tài)和動態(tài)信號，精度高，動態(tài)響應好，后處理電路簡單。
[0004]壓阻式壓力傳感器的關鍵結構是薄膜結構，四個壓敏電阻條布置在薄膜邊緣的應力集中位置，形成惠斯通全橋將應力轉換為電學信號。隨著薄膜結構厚度的減薄，傳感器對壓力的靈敏度會提高，但傳感器的非線性也會增加，從而加大了信號處理的難度。
[0005]我國目前的MEMS微壓傳感器主要還停留在kPa級上，不能滿足航天領域對Pa級微壓測量的要求，也不能適應諸如對深高空微壓精確測量技術、生物醫(yī)療器械中的精確微壓測量等領域的需求。因此，如何實現(xiàn)Pa級的超低微壓測量，解決靈敏度與頻響特性、靈敏度與非線性度之間的矛盾，保證微壓傳感器的高靈敏度、高頻響特性以及高過載能力，是保障微壓傳感器進行可靠、精確測量而亟待突破的關鍵技術難點。

【發(fā)明內容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種浮雕式島膜應力集中結構微壓傳感器芯片及制備方法，能夠對Pa級微壓進行測量，具有靈敏度高、線性度好、精度高、動態(tài)性能好等特點，同時能夠承受相當于滿量程若干倍的高過載，該結構制作方法簡單，可靠性高，易于批量化生產。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0008]一種浮雕式島膜應力集中結構微壓傳感器芯片，包括基底I中部設有的薄膜2，四個浮雕島3-1、3-2、3-3、3-4沿著薄膜2上部邊緣均勻分布，四個浮雕島3-1、3_2、3_3、
3-4的厚度均為薄膜2厚度的5%?90% ;四個浮雕根部4-1、4-2、4-3、4-4將四個浮雕島
3-1、3-2、3-3、3-4與基底I相連接，四個浮雕根部4-1、4-2、4-3、4-4的上表面與四個浮雕島
3-1、3-2、3-3、3-4的上表面齊平；四個壓敏電阻條7-1、7_2、7-3、7_4分別按應力分布規(guī)律均勻布置在四個浮雕根部4-1、4-2、4-3、4-4的上表面，且壓敏電阻條7-1、7_2、7-3、7_4的有效長度方向沿著壓阻系數(shù)最大的晶向；焊盤9布置在基底I上表面；金屬引線8將四個壓敏電阻條7-1、7-2、7-3、7-4相互連接成半開環(huán)惠斯通電橋，并且將電橋的輸出端與焊盤9連接；
[0009]四個凸塊6-1、6-2、6-3、6-4沿薄膜2下部邊緣均勻分布，且與基底I相連；四個質量塊5-1、5-2、5-3、5-4與凸塊6-1、6-2、6-3、6-4圖形的對稱軸相重合且與凸塊6_1、6_2、
6-3,6-4在沿對稱軸方向上間隔有距離，凸塊6-1、6-2、6-3、6-4連接在薄膜2上；
[0010]基底I背面與防過載玻璃10鍵合在一起。
[0011]所述的薄膜2的膜寬厚比為70?700:1。
[0012]所述的防過載玻璃10上制作有臺階結構；臺階結構由頂面13、底面11和兩者之間設有的臺階面12組成，底面11與臺階面12的深度以及尺寸的設計保證傳感器在正常工作情況下，質量塊5-1、5-2、5-3、5-4與頂面13、臺階面12、底面11之間不發(fā)生干涉，在過載狀態(tài)下，臺階面12與底面11能夠將質量塊5-1、5-2、5-3、5-4進行限位，當基底I和防過載玻璃10之間形成的腔體為真空時，則實現(xiàn)絕對微壓測量；當防過載玻璃結構10帶有孔時，則實現(xiàn)相對微壓測量。
[0013]所述的薄膜2選用正四邊形薄膜，四個質量塊5-1、5-2、5-3、5-4采用中空楔形結構。
[0014]所述的壓敏電阻條7-1、7-3為四折或多折電阻條結構；壓敏電阻條7-2、7-4為單根或者多折電阻條結構，壓敏電阻條7-1、7-3與7-2、7-4的初始總電阻值相同，并且其有效長度方向均沿著壓阻系數(shù)最大的晶向。
[0015]所述的一種浮雕式島膜應力集中結構微壓傳感器芯片的制備方法，包括以下步驟:
[0016]I)使用HF溶液清洗的SOI硅片，SOI硅片為N型(100)晶面；所述SOI硅片從上到下分為三層，分別是:上層單晶硅14、二氧化硅埋層15和下層單晶硅16 ;
[0017]2)對SOI硅片進行高溫氧化，在上層單晶硅14正面形成二氧化硅層17，然后用P-壓敏電阻版，對上層單晶硅14表面形成的二氧化硅層17光刻出壓敏電阻區(qū)域，去除壓敏電阻區(qū)域的二氧化硅層17，裸露出上層單晶硅14，對上層單晶硅14頂部的壓敏電阻區(qū)域注入硼離子，獲得壓敏電阻條7-1、7-2、7-3、7-4 ；
[0018]3)利用P+歐姆接觸版，去除部分的二氧化硅層17后，在上層單晶硅14表面光刻形成硼離子重摻雜區(qū)18，獲得低阻的P型重摻雜硅作為歐姆接觸區(qū)，保證壓敏電阻條7-1、
7-2、7-3、7-4的歐姆連接；
[0019]4)在歐姆接觸區(qū)，利用金屬引線版，光刻出金屬引線的形狀，濺射金屬層或者其他復合結構金屬層，形成傳感器芯片的金屬引線8和焊盤9 ;
[0020]5)利用正面刻蝕版，對上層單晶硅14正面進行光刻，將薄膜2正面去除相應深度的硅，形成四個浮雕島3-1、3-2、3-3、3-4與四個浮雕根部4-1、4_2、4-3、4_4 ；
[0021]6)利用背腔刻蝕版，對下層單晶硅16背面進行光刻，以二氧化硅層15作為刻蝕停止層去除背腔的硅材料，形成傳感器的背腔結構層；
[0022]7)將基底I背面與防過載玻璃10頂面13鍵合。
[0023]所述步驟5)、步驟6)均采用深反應離子刻蝕去除硅材料，從而保證了刻蝕邊沿的垂直度和深寬比。
[0024]本發(fā)明米用由浮雕島3-1、3_2、3-3、3_4與浮雕根部4-1、4_2、4-3、4_4以及質量塊
5-1、5-2、5-3、5-4與凸塊6-1、6_2、6-3、6_4構成浮雕式島膜應力集中結構作為MEMS微壓傳感器的芯片結構，并與防過載玻璃10鍵合制成微壓傳感器芯片，可以承受由大氣壓帶來的相當于幾百倍滿量程的高過載。四個壓敏電阻條7-1、7-2、7-3、7-4的分布位置是根據有限元計算結果確定的，通過充分利用了浮雕式島膜應力集中結構所產生的應力集中效果來提高惠斯通電橋的輸出電壓，提高了傳感器的靈敏度。質量塊5-1、5-2、5-3、5-4以及凸塊
6-1、6-2、6-3、6-4提高了薄膜2的剛度。因此，可以有效提高傳感器芯片的固有頻率，并保證傳感