壓力傳感芯片及其加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及壓力傳感芯片，尤其涉及一種物聯(lián)網(wǎng)用無(wú)源無(wú)線壓力傳感芯片及其加 工方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，為二十一世紀(jì)全球 工業(yè)化、城市化進(jìn)程提供了革命性的信息技術(shù)和智能技術(shù)。作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)底層器件以 及物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)一傳感器，將是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中需求總量最大和最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，物 聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平和發(fā)展速度將直接影響物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展速度。
[0003] 壓力傳感器是最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，包括水 利水電、汽車(chē)、航空航天、軍工等眾多行業(yè)；以及日常生活中，如氣壓測(cè)量、血壓測(cè)量、高度測(cè) 量等。隨著微機(jī)電MEMS(Micr〇-Electro_MechanicalSystems，微機(jī)電系統(tǒng)）產(chǎn)業(yè)的興起， 壓力傳感器逐漸向微型化、集成化方向發(fā)展。MEMS壓力傳感芯片具有體積小、質(zhì)量輕、成本 低等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子類：如TPMS、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車(chē)剎車(chē)系統(tǒng) 空氣壓力傳感器等；消費(fèi)電子類：如血壓計(jì)、櫥用秤、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電冰箱、家用空調(diào)等 領(lǐng)域。
[0004]用于物聯(lián)網(wǎng)的壓力傳感器件除要求其靈敏度高，可靠性好外，還要具有低功耗和 低成本的特點(diǎn)。而現(xiàn)在的壓力傳感器大多都是采用單一的壓力感應(yīng)單元，靈敏度有限，且都 是有源方式的，在一些安裝條件不便的情況下，如地下結(jié)構(gòu)，高空建筑結(jié)構(gòu)等處，更換物聯(lián) 網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)器件的電池就成了很大的問(wèn)題，從而大大影響了該傳感器的廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)現(xiàn)有壓力傳感器多為單一壓力感應(yīng)方式導(dǎo)致 傳感器靈敏度低和傳感器工作都是有源方式的缺陷，提供一種全新的MEMS結(jié)構(gòu)和信號(hào)傳 輸方法，實(shí)現(xiàn)一種適合物聯(lián)網(wǎng)使用的無(wú)源無(wú)線高靈敏度MEMS壓力傳感芯片，該芯片無(wú)需電 源就可以以無(wú)線方式將壓力信號(hào)傳遞給接收端。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 提供一種壓力傳感芯片，包括相連接的上層結(jié)構(gòu)和下層結(jié)構(gòu)；
[0008] 所述下層結(jié)構(gòu)包括下層襯底片，該下層襯底片上設(shè)有串聯(lián)的MEMS平行平板電容 和MEMS電感線圈結(jié)構(gòu)；
[0009] 上層結(jié)構(gòu)包括上層襯底片、MEMS壓力感應(yīng)膜、MEMS電容介質(zhì)板和金屬層，MEMS壓 力感應(yīng)膜固定在上層襯底片上，且置于下層襯底片上方，MEMS電容介質(zhì)板和金屬層均固定 在MEMS壓力感應(yīng)膜的下表面上；MEMS電容介質(zhì)板置于MEMS平行平板電容的兩個(gè)電極板之 間，金屬層位于MEMS電感的上方；
[0010]MEMS壓力感應(yīng)膜受壓產(chǎn)生縱向位移，并帶動(dòng)MEMS電容介質(zhì)板和金屬層移動(dòng)，使得 MEMS電容介質(zhì)板插入MEMS平行平板電容的深度發(fā)生改變，且金屬層與MEMS電感線圈結(jié)構(gòu) 之間的磁間隙也發(fā)生變化。
[0011] 本發(fā)明所述的壓力傳感芯片中，所述金屬層為MEMS電感軟磁合金層。
[0012] 本發(fā)明所述的壓力傳感芯片中，上層襯底片和下層襯底片通過(guò)鍵合工藝連接成一 個(gè)整體。
[0013] 本發(fā)明所述的壓力傳感芯片中，上層襯底片、MEMS壓力感應(yīng)膜、MEMS電容介質(zhì)板 和金屬層為一體結(jié)構(gòu)。
[0014] 本發(fā)明所述的壓力傳感芯片中，MEMS電感線圈結(jié)構(gòu)為在下層襯底片上的平面螺旋 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。
[0015] 本發(fā)明所述的壓力傳感芯片中，MEMS壓力感應(yīng)膜的上表面為空洞結(jié)構(gòu)。
[0016] 本發(fā)明還提供一種壓力傳感芯片的加工方法，包括以下步驟：
[0017] 在下層襯底片上淀積一層絕緣層，并利用標(biāo)準(zhǔn)的光刻和干法腐蝕工藝將下層襯底 片的周邊鍵合區(qū)域的絕緣層去除；
[0018] 在絕緣層上濺射一層金屬層，在該金屬層上通過(guò)光刻和金屬腐蝕工藝得到MEMS 平行平板電容的平面圖形結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)電極板和接線端，以及MEMS電感螺旋結(jié)構(gòu)的一個(gè) 接線端，該接線端與MEMS平行平板電容的一個(gè)平行平板電極的接線端連接；
[0019] 在金屬層上淀積一層絕緣層，用標(biāo)準(zhǔn)的光刻和干法腐蝕去除多余部分，露出MEMS 平行平板電容的平面圖形結(jié)構(gòu)，并在MEMS電感螺旋結(jié)構(gòu)的接線端處形成一個(gè)開(kāi)孔，將開(kāi)孔 下面的金屬層露出來(lái)；
[0020] 在下層襯底片上再旋涂一層厚膠，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的光刻顯影工藝，露出MEMS平行平 板電容的平面圖形結(jié)構(gòu)；再利用金屬電鍍工藝，電鍍具有一定高度的MEMS平行平板電容結(jié) 構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三維MEMS平行平板電容結(jié)構(gòu)；
[0021] 在MEMS電感螺旋結(jié)構(gòu)區(qū)域所在的絕緣層上淀積另外一層金屬層，該金屬層和開(kāi) 孔處的MEMS電感螺旋結(jié)構(gòu)的接線端形成電連接，再通過(guò)光刻和金屬腐蝕工藝得到所需要 的MEMS電感螺旋結(jié)構(gòu)，以及該MEMS電感螺旋結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)接線端，該接線端與之前MEMS 平行平板電容的另外一個(gè)平行平板電極的接線端形成電連接；
[0022] 在MEMS電感區(qū)域旋涂一層厚膠，并光刻出MEMS電感螺旋結(jié)構(gòu)的圖形，再利用金屬 電鍍工藝，電鍍具有一定厚度的MEMS螺旋電感結(jié)構(gòu)；
[0023] 上層襯底片先通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械研磨工藝減薄，再在上層襯底片的上部利用標(biāo)準(zhǔn)光刻 和腐蝕工藝制作一個(gè)空腔，該空腔的底部為MEMS壓力感應(yīng)可動(dòng)膜的上表面；
[0024] 在上層襯底片的下部利用多步標(biāo)準(zhǔn)光刻和深度反應(yīng)離子刻蝕工藝，可以得到帶 MEMS電容介質(zhì)板的MEMS壓力感應(yīng)膜結(jié)構(gòu)；并得到上層襯底片與下層襯底片的鍵合區(qū)域；
[0025] 在上層襯底片的下部淀積一層金屬，采用標(biāo)準(zhǔn)光刻和腐蝕工藝去除其它部位的金 屬，僅保留其與下層結(jié)構(gòu)中的MEMS電感螺旋結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)部位的金屬層部分；
[0026] 將上層襯底片與下層襯底片鍵合。
[0027] 本發(fā)明所述的加工方法中，制作所述空腔時(shí)采用的腐蝕工藝為深度反應(yīng)離子刻蝕 或濕法腐蝕。
[0028] 本發(fā)明所述的加工方法中，上層襯底片的下部所淀積的一層金屬為具有高導(dǎo)磁率 非晶體軟磁合金。
[0029] 本發(fā)明所述的加工方法中，當(dāng)上層襯底片與下層襯底片均采用硅片時(shí)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) 的MEMS硅-硅直接鍵合工藝將兩個(gè)襯底片連接成一個(gè)整體。
[0030] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明的壓力傳感芯片通過(guò)壓力變化引起MEMS電容 和電感的改變，繼而改變無(wú)源諧振電路的諧振頻率；而壓力的變化信號(hào)以外部電感耦合無(wú) 線方式傳出，傳感器芯片的工作無(wú)需電源，實(shí)現(xiàn)無(wú)源無(wú)線的壓力傳感。本發(fā)明能解決現(xiàn)有壓 力傳感芯片在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中所遇到的靈敏度不夠和更換電源不變等引起的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中：
[0032] 圖1為本發(fā)明無(wú)源無(wú)線壓力傳感芯片原理圖；
[0033] 圖2為本發(fā)明MEMS壓力傳感芯片的LC諧振回路；
[0034] 圖3 (a)為本發(fā)明實(shí)施例下層結(jié)構(gòu)的俯視圖；
[0035] 圖3 (b)為圖3 (a)中A-A剖面視圖；
[0036] 圖3 (c)為圖3 (a)中B-B剖面視圖；
[0037] 圖4(a)為本發(fā)明實(shí)施例上層結(jié)構(gòu)的俯視圖；
[0038] 圖4(b)為本發(fā)明實(shí)施例上層結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；
[0039] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例無(wú)源無(wú)線壓力傳感芯片結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0041] 如圖1、圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例的傳感器芯片由MEMS電容和MEMS電感組成LC諧 振回路，其中的MEMS電感由螺旋線圈和MEMS壓力感應(yīng)可動(dòng)金屬膜組成，其中的壓力感應(yīng)可 動(dòng)金屬膜懸浮支撐在螺旋線圈上方；其中的MEMS電容由固定式平行平板電容和MEMS壓力 感應(yīng)電容介質(zhì)板組成，其中的壓力感應(yīng)電容介質(zhì)板懸浮支撐在平行平板電容的兩個(gè)極板之 間。當(dāng)有壓力變化時(shí)，MEMS壓力感應(yīng)膜發(fā)生垂直于膜面的縱向位移。這一方面使得固定在 壓力感應(yīng)膜上的電容介質(zhì)板插入到兩個(gè)固定式極板的深度發(fā)生改變，使得電容極板間的介 電介質(zhì)常數(shù)發(fā)生變化，從而引起MEMS電容值發(fā)生變化。另一方面，MEMS壓力感應(yīng)膜的移動(dòng) 也使得固定在其上的金屬膜導(dǎo)體層和電感螺旋線圈層的間距發(fā)生變化，從而引起MEMS電 感值發(fā)生變化。所以，壓力的變化會(huì)引起回路中的電容和電感都發(fā)生變化，最終導(dǎo)致LC諧 振回路的頻率發(fā)生變化。這樣，壓力的變化就可以表征為L(zhǎng)C諧振回路的諧振頻率的變化。 當(dāng)傳感器工作時(shí)，可由外部讀取電路的耦合電感將傳感器的諧振頻率信號(hào)耦合輸出，繼而 轉(zhuǎn)換成電壓值。
[0042] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，壓力傳感芯片為物聯(lián)網(wǎng)用無(wú)源無(wú)線的壓力傳感芯片，包 括上層結(jié)構(gòu)和下層結(jié)構(gòu)。如圖3(a)-圖3(c)所示，下層結(jié)構(gòu)是在下層襯底片1上用MEMS 工藝實(shí)現(xiàn)的串聯(lián)連接的MEMS平行平板電容2和MEMS電感螺旋線圈3。其中的MEMS電容可 以，但不限于，是以微電鍍方式實(shí)現(xiàn)的三維平行平板（圖3b)電容結(jié)構(gòu)。其中的MEMS電 感螺旋線圈可以，但不限于，是濺射或電鍍的螺旋線圈結(jié)構(gòu)（如圖3(a)、圖3(b)所示）。其 中的MEMS電容和MEMS電感螺旋線圈采用串聯(lián)的方式連接，如圖1和圖2所示。
[0043] 芯片的上層結(jié)構(gòu)如圖4(a)和圖4(b)所示，上層結(jié)構(gòu)包括上層襯底片6,固定在襯 底片6上的一個(gè)懸浮結(jié)構(gòu)的MEMS壓力感應(yīng)膜7,以及固定在該MEMS壓力感應(yīng)膜7下表面的 MEMS電容介質(zhì)板8和金屬層9 (可為MEMS電感軟磁合金層）。通過(guò)對(duì)上層襯底片6的上表 面采用磨片減薄，和深槽腐蝕的微加工方法，如傳統(tǒng)的濕法或干法腐蝕工藝，可得到壓力感 應(yīng)膜7上表面的空洞結(jié)構(gòu)。一般，壓力感應(yīng)膜很薄，只有約10微米，感應(yīng)膜下面的電容介質(zhì) 板也很?。s10微米）。所以整個(gè)上層結(jié)構(gòu)在不包括空洞的情況下都會(huì)很薄，這樣就無(wú)法 拿取，為了拿取的方便，所以要保證上層襯底片的一定厚度（如約100微米）。本發(fā)明在壓 力感應(yīng)膜7表面形成空洞結(jié)構(gòu)，以增加壓力感應(yīng)膜7的厚度，從而方便拿取。
[0044] 通過(guò)對(duì)上層襯底片6下表面采用多步標(biāo)準(zhǔn)光刻和深度反應(yīng)離子刻蝕工藝，可以實(shí) 現(xiàn)帶MEMS電容介質(zhì)板的MEMS壓力感應(yīng)膜結(jié)構(gòu)。采用標(biāo)準(zhǔn)淀積，光刻和腐蝕工藝可以得到 淀積到MEMS壓力感應(yīng)膜7下表面的金屬層9 (如圖4 (b)所示）。該金屬層9可以，但不限 于，是非晶體軟磁合金，具有高的導(dǎo)磁率。
[0045] 芯片的上下兩層結(jié)構(gòu)，可由下層襯底片1(可以是硅片，玻璃或陶瓷材料等）和上 層襯底片6 (可以是硅片）以標(biāo)準(zhǔn)的MEMS鍵合工藝（如硅-硅鍵合，玻璃-硅鍵合，釬焊 等）完成鍵合，如圖5所示。當(dāng)有壓力作用于MEMS壓力感應(yīng)膜7的上表面時(shí)