加速度計(jì)內(nèi)嵌壓力傳感器的單硅片復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于硅微機(jī)械傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種加速度計(jì)內(nèi)嵌壓力傳感器的單硅片復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著MEMS技術(shù)的不斷進(jìn)步，MEMS復(fù)合傳感器以其芯片結(jié)構(gòu)尺寸更小、制作成本更低、性能更出眾和后續(xù)安裝應(yīng)用成本更低的等優(yōu)勢(shì)在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，例如:汽車電子、航空航天、電子消費(fèi)類產(chǎn)品、生物醫(yī)學(xué)等等。為此，大量科研工作者和各大MEMS產(chǎn)品開發(fā)公司投入大量的科研能力來開發(fā)不同類型的復(fù)合傳感器芯片以滿足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。目前，復(fù)合傳感器最為顯著的應(yīng)用如智能手機(jī)中的十軸Combos復(fù)合傳感器芯片、汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用TPMS復(fù)合傳感器。
[0003]傳統(tǒng)的復(fù)合傳感器芯片結(jié)構(gòu)多以單層或多層鍵合結(jié)構(gòu)為主，通常采用雙面微機(jī)械制作工藝、鍵合工藝、Cavity-SOI工藝、表面微機(jī)械制作工藝以及CM0S-MEMS技術(shù)等加工制作。例如，傳統(tǒng)的加速度和壓力復(fù)合傳感器采用硅-玻璃結(jié)構(gòu)方式，通過硅片背面兩步各向異性濕法刻蝕方法分別形成壓力薄膜和質(zhì)量塊，然后利用硅-硅鍵合或硅-玻璃鍵合來密封壓力傳感器的壓力參考腔體，形成加速度傳感器質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)間隙以及形成傳感器芯片基座，最后再利用硅片正面干法刻蝕釋放加速度傳感器可動(dòng)結(jié)構(gòu)，[Xu JB，Zhao Y Lj Jiang Z D et al.A monolithic silicon mult1-sensor for measuringthree-axis accelerat1n, pressure and temperature, Journal of Mechanical Scienceand Technology，2008，22:731-739]。這種雙面體硅工藝和鍵合技術(shù)制作的復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)尺寸很大，工藝很復(fù)雜，制作成本很高。此外，不同鍵合材料之間的熱膨脹系數(shù)不同以及鍵合過程中所引入的殘余應(yīng)力都會(huì)惡化傳感器的輸出穩(wěn)定性，尤其在溫度環(huán)境比較惡劣的條件下。為了改進(jìn)上述不足，中科院上海微系統(tǒng)所的王權(quán)等研制出一種基于表面微機(jī)械加工工藝制作的加速度和壓力單片復(fù)合傳感器芯片。這種復(fù)合傳感器中的壓力傳感器采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)的低應(yīng)力氮化硅薄膜作為壓力敏感薄膜，通過濕法腐蝕釋放犧牲層來形成壓力參考腔體和敏感薄膜結(jié)構(gòu)，壓力檢測(cè)電阻采用多晶硅硼源摻雜在氮化硅薄膜上方形成P型壓敏檢測(cè)電阻。此外，加速度檢測(cè)方式主要采用熱對(duì)流原理實(shí)現(xiàn)，[Wang Q, Li X X, Li T, Bao M M, et al.A novel monolithically integratedpressure, accelerometer and temperature composite sensor,Transducers 2009,Denver, CO, USA.2009:1118-1121]。這種表面微機(jī)械加工的復(fù)合傳感器雖然克服的體硅微機(jī)械工藝制作復(fù)合傳感器所存在的不足，但是受LPCVD沉積工藝的限制，壓力敏感薄膜的厚度不可能太厚，最多很難超過3微米，因此這種壓力傳感器只適應(yīng)于小量程范圍的壓力檢測(cè)，且多晶硅壓阻系數(shù)遠(yuǎn)小于單晶硅壓阻系數(shù)導(dǎo)致了壓力傳感器檢測(cè)靈敏度不會(huì)太高。此夕卜，表面微機(jī)械制作的復(fù)合傳感器還可能發(fā)生臺(tái)階覆蓋失效(Step-coverage)和腐蝕犧牲層過程中產(chǎn)生的薄膜粘附失效，這些不確定因素都大大提高了工藝的復(fù)雜程度，降低了成品率。為了解決上述不足，中科院上海位系統(tǒng)所的王家疇等人研制出一種基于單硅片單面體硅微機(jī)械工藝制作的加速度和壓力單片復(fù)合傳感器芯片。這種復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)首次采用體硅微機(jī)械工藝制作出表面微機(jī)械效果的三維立體結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)表面微機(jī)械制作復(fù)合傳感器的種種不足，具有結(jié)構(gòu)尺寸小、成本低、工藝與IC Foundry兼容等特點(diǎn)，[Wang J C，Xia X Y, Li, X X, Monolithic integrat1n of pressure plus accelerat1ncomposite TPMS sensors with a single-sided micromachining technology, Journal ofMicroelectromechanical System, 2012，21:284-293]0
[0004]到目前為止，傳統(tǒng)的加速度和壓力復(fù)合傳感器芯片尺寸雖然已經(jīng)從尺寸很大的多片鍵合結(jié)構(gòu)發(fā)展到了芯片尺寸較小的單硅片單面復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)，但是這些復(fù)合傳感器中各個(gè)檢測(cè)單元均采用Side-by-Side的集成方式，這種集成方式會(huì)占用大量的芯片空間，限制了復(fù)合傳感器芯片尺寸的進(jìn)一步減小，進(jìn)一步降低成本。為了解決這一問題，臺(tái)灣方為倫等研制出一款 PinG(Pressure sensor embedded into accelerometer)復(fù)合傳感器芯片[W.Yeh, C.Chan, J.Hsieh, C.Hu, F.Hsu, W.Fang, Novel TPMS sensing chip withpressure sensor embedded in accelerometer, Transducers 2013，Barcelona, June16-20，2013，pp.1759-1762]。這種復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)通過采用價(jià)格昂貴的Cavity-SOI工藝、雙面微機(jī)械加工技術(shù)以及硅-玻璃陽(yáng)極鍵合工藝制作完成。通過將壓力傳感器集成到加速度傳感器的質(zhì)量塊中，將復(fù)合傳感器芯片的尺寸壓縮到的極限。但是這種結(jié)構(gòu)存在以下幾點(diǎn)不足:(I)制作工藝異常復(fù)雜，工藝無法與IC工藝兼容且制作成本很高；(2)采用硅一玻璃鍵合結(jié)構(gòu)，鍵合過程中所引入的殘余應(yīng)力和不同鍵合材料之間的熱膨脹系數(shù)匹配失調(diào)，都使得傳感器輸出很不穩(wěn)定，尤其在溫度環(huán)境變化比較大的情況下；(3)復(fù)合傳感器中加速度傳感器對(duì)壓力傳感器的輸出信號(hào)串?dāng)_很大，嚴(yán)重影響到了壓力傳感器的檢測(cè)精度。
[0005]鑒于此，本發(fā)明提出了一種新的基于單硅片的加速度和壓力傳感器集成芯片結(jié)構(gòu)及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題在于提供一種加速度計(jì)內(nèi)嵌壓力傳感器的單硅片復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)及方法，以解決傳統(tǒng)復(fù)合傳感器芯片結(jié)構(gòu)尺寸大、成本高、制作工藝復(fù)雜等問題。實(shí)現(xiàn)了單片復(fù)合傳感器的小型化、低成本、高性能與大批量生產(chǎn)。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車電子、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)MEMS多功能復(fù)合傳感器器件小型化發(fā)展，提高M(jìn)EMS器件在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力具有舉足輕重的作用。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種加速度計(jì)內(nèi)嵌壓力傳感器的單硅片復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)，所述加速度計(jì)內(nèi)嵌壓力傳感器的單硅片復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)包括:
[0008]一塊單晶硅基片和均集成在所述單晶硅基片上的加速度傳感器及壓力傳感器；所述加速度傳感器與壓力傳感器集成于所述單晶硅基片的同一表面；
[0009]所述加速度傳感器包括:質(zhì)量塊，與所述質(zhì)量塊連接的懸臂梁，位于所述懸臂梁上的第一應(yīng)力敏感電阻，位于所述單晶硅基片表面的參考電阻，位于所述質(zhì)量塊與懸臂梁周圍及下方的所述單晶硅基片內(nèi)的運(yùn)動(dòng)間隙；所述第一應(yīng)力敏感電阻與所述參考電阻連接成加速度檢測(cè)電路；
[0010]所述壓力傳感器嵌入在所述質(zhì)量塊的中心位置，包括:壓力敏感薄膜，多個(gè)位于所述壓力敏感薄膜上的第二應(yīng)力敏感電阻，以及位于所述壓力敏感薄膜下方埋入在所述質(zhì)量塊內(nèi)的壓力參考腔體；所述多個(gè)第二應(yīng)力敏感電阻連接成壓力檢測(cè)電路；
[0011]其中，在沿所述壓力傳感器周邊的質(zhì)量塊內(nèi)設(shè)有微槽，所述微槽將所述壓力傳感器隔離為懸浮在所述質(zhì)量塊中心位置的懸浮結(jié)構(gòu)，所述懸浮結(jié)構(gòu)的根部與所述質(zhì)量塊的末端中心位置相連接。
[0012]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述單晶硅基片為(111)晶面的單晶硅基片。
[0013]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述懸浮結(jié)構(gòu)為六邊形。
[0014]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述懸浮結(jié)構(gòu)的厚度與所述質(zhì)量塊的厚度相同。
[0015]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述壓力敏感薄膜、所述懸浮結(jié)構(gòu)及所述質(zhì)量塊的上表面位于同一平面。
[0016]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述加速度傳感器設(shè)有兩根所述懸臂梁以及兩個(gè)分別位于兩根所述懸臂梁上的第一應(yīng)力敏感電阻，并且設(shè)有兩個(gè)所述參考電阻；兩個(gè)所述參考電阻與兩個(gè)所述第一應(yīng)力敏感電阻連接成惠斯頓半橋檢測(cè)電路。
[0017]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述壓力傳感器設(shè)有四個(gè)第二應(yīng)力敏感電阻，分別兩兩相對(duì)的以所述壓力敏感薄膜的中心呈中心對(duì)稱分布，且分別位于所述壓力敏感薄膜的兩條相互垂直的對(duì)稱軸上；四個(gè)所述第二應(yīng)力敏感電阻連接成惠斯頓全橋檢測(cè)電路。
[0018]此外，本發(fā)明還提供一種上述加速