一種壓阻式mems壓力傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣體壓力檢測(cè)裝置，尤其是涉及一種應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)的壓阻式MEMS壓力傳感器，以及傳感器的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在汽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以用其他工業(yè)氣體壓力控制和家用燃?xì)鈮毫ΡO(jiān)測(cè)控制等技術(shù)領(lǐng)域，氣體壓力傳感器具有廣泛的應(yīng)用。在這些領(lǐng)域中，大多采用中等量程氣壓傳感器，所監(jiān)測(cè)的氣壓范圍通常在500kPa?1MPa之間。隨著微機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展，傳感器的技術(shù)發(fā)展已趨向批量化、微型化，正是由于批量化的MEMS體硅制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，微型MEMS傳感器已經(jīng)替代了傳統(tǒng)的傳感器。
[0003]壓力傳感器根據(jù)其零基準(zhǔn)點(diǎn)的不同可以分為絕壓式和表壓式兩種。在中等量程氣體壓力檢測(cè)領(lǐng)域，絕壓式MEMS壓力傳感器基于其測(cè)量原理又可分為電容式MEMS壓力傳感器和壓阻式MEMS壓力傳感器兩種。電容式MEMS壓力傳感器以壓力膜作為電容的其中一個(gè)極板，當(dāng)壓力膜隨著外部氣壓發(fā)生變形的時(shí)候，電容上下極板之間的距離會(huì)隨之發(fā)生變化從而導(dǎo)致輸出電容發(fā)生改變，通過(guò)電容變化反應(yīng)出氣壓。電容式MEMS壓力傳感器檢測(cè)電容需要利用交流信號(hào)，處理信號(hào)的電路較為復(fù)雜，并使得封裝后的傳感器成本也較高。壓阻式MEMS壓力傳感器主要利用了硅晶體的壓阻效應(yīng)，通過(guò)壓力膜的變形導(dǎo)致?lián)诫s電阻發(fā)生改變，通過(guò)電阻的變化可以反應(yīng)出相應(yīng)的氣壓。壓阻式MEMS壓力傳感器檢測(cè)電阻的變化只需通過(guò)簡(jiǎn)單的惠斯通電橋就能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)輸出，電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，同時(shí)，壓阻式MEMS壓力傳感器可以利用批量化的MEMS工藝制作，具有批量化、高成品的優(yōu)點(diǎn)。
[0004]但現(xiàn)有技術(shù)中基于壓阻原理的MEMS壓力傳感器存在成本高、高溫條件下壓阻條容易與硅襯底發(fā)生漏電從而影響穩(wěn)定性的技術(shù)缺陷，如中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利CN200880007360和CN201210340683，這兩項(xiàng)專(zhuān)利的產(chǎn)品均采用SOI硅片作為壓力傳感器芯片的基片材料，相比使用普通單晶硅片作為壓力傳感器芯片成本較高；而美國(guó)專(zhuān)利US006006607A和US006543292B1公開(kāi)的技術(shù)方案，雖然采用了普通單晶硅片作為壓力傳感器芯片的基片材料，從而使其產(chǎn)品的制造成本得以降低，但其只是簡(jiǎn)單地利用淡硼摻雜工藝在單晶硅片上制作壓阻，壓阻的電學(xué)絕緣性能較低，特別是在高溫條件下壓阻條易與硅襯底發(fā)生漏電，大大降低了傳感器的穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種壓阻式MEMS壓力傳感器及其制備方法，傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，且其制備方法工藝簡(jiǎn)單、成品率高，并可實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
[0006]為解決現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)壓阻式MEMS壓力傳感器存在的成本高，在高溫條件下壓阻條容易與硅襯底發(fā)生漏電從而影響穩(wěn)定性的技術(shù)缺陷，本發(fā)明一種壓阻式MEMS壓力傳感器包括單晶硅片基底、單晶硅片壓力膜、壓阻條、圖形化金屬引線(xiàn)、第一絕緣層、第二絕緣層、第三絕緣層，單晶硅片基底、第一絕緣層、單晶硅片壓力膜、第二絕緣層、圖形化金屬引線(xiàn)、第三絕緣層的位置由下至上依次設(shè)置；單晶硅片基底的上表面開(kāi)設(shè)有凹槽，第一絕緣層上開(kāi)設(shè)有與凹槽的形狀相同且位置對(duì)應(yīng)的通孔；壓阻條由單晶硅片壓力膜在上表面通過(guò)淡硼摻雜形成并沿周向兩兩對(duì)稱(chēng)設(shè)置四個(gè)，四個(gè)壓阻條均為P型并分布在凹槽對(duì)應(yīng)區(qū)域的邊緣內(nèi)側(cè)，第二絕緣層上與每個(gè)壓阻條兩端對(duì)應(yīng)的位置均開(kāi)設(shè)有電學(xué)接觸孔，圖形化金屬引線(xiàn)通過(guò)電學(xué)接觸孔使四個(gè)壓阻條實(shí)現(xiàn)首尾相連；第三絕緣層上開(kāi)設(shè)有四個(gè)用于圖形化金屬引線(xiàn)與外部進(jìn)行打線(xiàn)的電極孔。
[0007]優(yōu)選地，凹槽的形狀為矩形或圓形，四個(gè)壓阻條中的兩個(gè)上下對(duì)稱(chēng)分布在凹槽對(duì)應(yīng)區(qū)域的上下邊緣內(nèi)側(cè)并沿應(yīng)力方向設(shè)置，另兩個(gè)壓阻條左右對(duì)稱(chēng)分布在凹槽對(duì)應(yīng)區(qū)域的左右邊緣內(nèi)側(cè)并沿垂直應(yīng)力方向設(shè)置。
[0008]優(yōu)選地，每個(gè)壓阻條均設(shè)為并排分布的四段并通過(guò)圖形化金屬引線(xiàn)連接為一個(gè)整體，單晶硅片壓力膜的上表面還設(shè)有通過(guò)濃磷摻雜形成的隔離帶，每個(gè)壓阻條中的四段均通過(guò)隔離帶彼此隔開(kāi)。
[0009]優(yōu)選地，每個(gè)壓阻條中各個(gè)段的兩端均設(shè)有通過(guò)濃硼摻雜形成的電學(xué)觸點(diǎn)，每個(gè)壓阻條中各個(gè)段的兩端通過(guò)電學(xué)觸點(diǎn)與圖形化金屬引線(xiàn)連接。
[0010]可選地，圖形化金屬引線(xiàn)的材質(zhì)為具有導(dǎo)電性質(zhì)的Al、Au、Cu、N1、Ag、Pt或者合金。
[0011]可選地，第一絕緣層、第二絕緣層、第三絕緣層的材質(zhì)為具有絕緣性質(zhì)的二氧化硅、氮化硅、有機(jī)薄膜或者二氧化硅和氮化硅的復(fù)合膜，第一絕緣層、第二絕緣層、第三絕緣層的厚度為Inm?100 Um0
[0012]本發(fā)明還提供了一種制備壓阻式MEMS壓力傳感器的方法，包括以下步驟，
[0013]—、制備單晶娃片基底和單晶娃片壓力月旲；
[0014]二、利用MEMS薄膜沉積工藝在單晶硅片基底上沉積形成第一絕緣層，使第一絕緣層的厚度為Inm?ΙΟΟμπι，并通過(guò)刻蝕工藝在第一絕緣層上開(kāi)出矩形孔或圓形孔，在單晶硅片基底上開(kāi)出相應(yīng)的矩形凹槽或圓形凹槽；
[0015]三、利用鍵合工藝將單晶硅片壓力膜鍵合在第一絕緣層上，并將單晶硅片壓力膜加工到需要的厚度；
[0016]四、利用淡硼摻雜工藝在單晶硅片壓力膜上設(shè)置壓阻條；
[0017]五、利用MEMS薄膜沉積工藝在單晶硅片壓力膜上沉積形成第二絕緣層，使第二絕緣層的厚度為Inm?100 μ m，并利用刻蝕工藝在第二絕緣層上開(kāi)出壓阻條的端點(diǎn)電學(xué)接觸孔；
[0018]六、利用MEMS金屬薄膜沉積工藝在第二絕緣層上沉積形成金屬薄膜，并通過(guò)圖形化工藝形成圖形化金屬引線(xiàn)；
[0019]七、利用MEMS薄膜沉積工藝在圖形化金屬引線(xiàn)的上一層沉積形成第三絕緣層，使第三絕緣層的厚度為Inm?100 μ m，并利用刻蝕工藝在第三絕緣層上開(kāi)出四個(gè)圖形化金屬引線(xiàn)與外部進(jìn)行打線(xiàn)的電極孔。
[0020]優(yōu)選地，在上述步驟四中還包括利用濃磷摻雜工藝設(shè)置隔離帶的工序和利用濃硼摻雜工藝設(shè)置電學(xué)觸點(diǎn)的工序，隔離帶將每個(gè)壓阻條中的四段均彼此隔開(kāi)，每個(gè)壓阻條中的每段兩端均設(shè)有電學(xué)觸點(diǎn)，電學(xué)觸點(diǎn)用于加強(qiáng)壓阻條與圖形化金屬引線(xiàn)之間的歐姆接觸特性。
[0021]可選地，在上述步驟二、步驟五和步驟七中的MEMS薄膜沉積工藝為氧化工藝、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)工藝、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝、溶膠凝膠工藝或有機(jī)材料涂覆固化工藝。
[0022]可選地，在上述步驟二、步驟五和步驟七中的刻蝕工藝為干法離子刻蝕工藝、XeF氣相腐蝕工藝、濕法各向異性腐蝕工藝、濕法各向同性腐蝕工藝、聚焦離子束刻蝕(FIB)工藝或激光刻蝕工藝。
[0023]可選地，在上述步驟三中的鍵合工藝為硅硅熱鍵合工藝、涂源鍵合工藝、有機(jī)膠鍵合工藝、金屬間鍵合工藝或玻璃漿料鍵合工藝。
[0024]可選地，在上述步驟六中的MEMS金屬薄膜沉積工藝為濺射沉積藝、電子束蒸發(fā)沉積工藝、加熱蒸發(fā)沉積工藝、電鍍沉積工藝、化學(xué)鍍沉積工藝或者化學(xué)置換反應(yīng)工藝。
[0025]可選地，在上述步驟四中的摻雜工藝為離子注入摻雜工藝或涂源擴(kuò)散摻雜工藝。
[0026]與傳統(tǒng)壓阻式壓力傳感器相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):(I)本發(fā)明利用金屬膜即圖形化金屬引線(xiàn)來(lái)替代傳統(tǒng)的濃硼摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器內(nèi)部的所有電學(xué)連接，從而避免了濃硼摻雜在高溫條件下使壓阻條容易與硅基底發(fā)生漏電的缺陷，提高了壓力傳感器的電學(xué)穩(wěn)定性；(2)作為進(jìn)一步的優(yōu)化方案，本發(fā)明還通過(guò)在淡硼摻雜形成的壓阻條周?chē)黾訚饬讚诫s工藝形成隔離帶，使各段壓阻條彼此隔開(kāi)，并在使用過(guò)程中抬高濃磷摻雜區(qū)域的電位，進(jìn)一步增強(qiáng)了壓阻條與硅基底之間的PN