一種浮雕式島膜應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)微壓傳感器芯片及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及MEMS壓阻式微壓傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種浮雕式島膜應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)微壓傳感器芯片及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微機(jī)械電子系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，MEMS微壓傳感器已被廣泛應(yīng)用于風(fēng)洞測(cè)試、生物醫(yī)電等領(lǐng)域，尤其在航空航天領(lǐng)域，對(duì)傳感器的體積、重量有嚴(yán)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(wú)疑是十分理想的選擇。例如在航空航天領(lǐng)域，對(duì)于飛行器深高空高度監(jiān)測(cè)具有重要意義，而壓力與高度有一定的比例關(guān)系，因而通過(guò)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(dá)到預(yù)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(cè)幾百Pa的微壓能力外，還必須具有高過(guò)載能力，以使其在地面大氣作用下不會(huì)因大氣壓力造成破壞。又如在生物儀器領(lǐng)域，為了精確的進(jìn)行移液工作，需要精密地檢測(cè)液面高度的變化，可通過(guò)檢測(cè)液體高度產(chǎn)生的微壓變化來(lái)反應(yīng)液面高度的變化，而毫米級(jí)液面高度對(duì)應(yīng)的壓力范圍僅在幾百Pa范圍內(nèi)。
[0003]不同敏感原理的壓力傳感器有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)。比如壓電式壓力傳感器受其敏感原理的限制，不能測(cè)量靜態(tài)壓力，且輸出的電荷信號(hào)需要后續(xù)復(fù)雜的輔助電路進(jìn)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(diǎn)，但輸入阻抗大，易受寄生電容的影響，對(duì)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(fù)雜，成品率相對(duì)較低；壓阻式壓力傳感器雖易受溫度影響，但其測(cè)量范圍廣、可測(cè)量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信號(hào)，精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，后處理電路簡(jiǎn)單。
[0004]壓阻式壓力傳感器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是薄膜結(jié)構(gòu)，四個(gè)壓敏電阻條布置在薄膜邊緣的應(yīng)力集中位置，形成惠斯通全橋?qū)?yīng)力轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)。隨著薄膜結(jié)構(gòu)厚度的減薄，傳感器對(duì)壓力的靈敏度會(huì)提高，但傳感器的非線性也會(huì)增加，從而加大了信號(hào)處理的難度。
[0005]我國(guó)目前的MEMS微壓傳感器主要還停留在kPa級(jí)上，不能滿足航天領(lǐng)域?qū)a級(jí)微壓測(cè)量的要求，也不能適應(yīng)諸如對(duì)深高空微壓精確測(cè)量技術(shù)、生物醫(yī)療器械中的精確微壓測(cè)量等領(lǐng)域的需求。因此，如何實(shí)現(xiàn)Pa級(jí)的超低微壓測(cè)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(guò)載能力，是保障微壓傳感器進(jìn)行可靠、精確測(cè)量而亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種浮雕式島膜應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)微壓傳感器芯片及制備方法，能夠?qū)a級(jí)微壓進(jìn)行測(cè)量，具有靈敏度高、線性度好、精度高、動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)，同時(shí)能夠承受相當(dāng)于滿量程若干倍的高過(guò)載，該結(jié)構(gòu)制作方法簡(jiǎn)單，可靠性高，易于批量化生產(chǎn)。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種浮雕式島膜應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)微壓傳感器芯片，包括基底I中部設(shè)有的薄膜2，四個(gè)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(gè)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(gè)浮雕根部4-1、4-2、4-3、4-4將四個(gè)浮雕島
3-1、3-2、3-3、3-4與基底I相連接，四個(gè)浮雕根部4-1、4-2、4-3、4-4的上表面與四個(gè)浮雕島
3-1、3-2、3-3、3-4的上表面齊平；四個(gè)壓敏電阻條7-1、7_2、7-3、7_4分別按應(yīng)力分布規(guī)律均勻布置在四個(gè)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(zhǎng)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(gè)壓敏電阻條7-1、7-2、7-3、7-4相互連接成半開(kāi)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(gè)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(gè)質(zhì)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(duì)稱軸相重合且與凸塊6_1、6_2、
6-3,6-4在沿對(duì)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(guò)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(guò)載玻璃10上制作有臺(tái)階結(jié)構(gòu)；臺(tái)階結(jié)構(gòu)由頂面13、底面11和兩者之間設(shè)有的臺(tái)階面12組成，底面11與臺(tái)階面12的深度以及尺寸的設(shè)計(jì)保證傳感器在正常工作情況下，質(zhì)量塊5-1、5-2、5-3、5-4與頂面13、臺(tái)階面12、底面11之間不發(fā)生干涉，在過(guò)載狀態(tài)下，臺(tái)階面12與底面11能夠?qū)①|(zhì)量塊5-1、5-2、5-3、5-4進(jìn)行限位，當(dāng)基底I和防過(guò)載玻璃10之間形成的腔體為真空時(shí)，則實(shí)現(xiàn)絕對(duì)微壓測(cè)量；當(dāng)防過(guò)載玻璃結(jié)構(gòu)10帶有孔時(shí)，則實(shí)現(xiàn)相對(duì)微壓測(cè)量。
[0013]所述的薄膜2選用正四邊形薄膜，四個(gè)質(zhì)量塊5-1、5-2、5-3、5-4采用中空楔形結(jié)構(gòu)。
[0014]所述的壓敏電阻條7-1、7-3為四折或多折電阻條結(jié)構(gòu)；壓敏電阻條7-2、7-4為單根或者多折電阻條結(jié)構(gòu)，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(zhǎng)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(yīng)力集中結(jié)構(gòu)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(duì)SOI硅片進(jìn)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(duì)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(duì)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?fù)诫s區(qū)18，獲得低阻的P型重?fù)诫s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(fù)合結(jié)構(gòu)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(duì)上層單晶硅14正面進(jìn)行光刻，將薄膜2正面去除相應(yīng)深度的硅，形成四個(gè)浮雕島3-1、3-2、3-3、3-4與四個(gè)浮雕根部4-1、4_2、4-3、4_4 ；
[0021]6)利用背腔刻蝕版，對(duì)下層單晶硅16背面進(jìn)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(jié)構(gòu)層；
[0022]7)將基底I背面與防過(guò)載玻璃10頂面13鍵合。
[0023]所述步驟5)、步驟6)均采用深反應(yīng)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(zhì)量塊
5-1、5-2、5-3、5-4與凸塊6-1、6_2、6-3、6_4構(gòu)成浮雕式島膜應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)作為MEMS微壓傳感器的芯片結(jié)構(gòu)，并與防過(guò)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(lái)的相當(dāng)于幾百倍滿量程的高過(guò)載。四個(gè)壓敏電阻條7-1、7-2、7-3、7-4的分布位置是根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果確定的，通過(guò)充分利用了浮雕式島膜應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的應(yīng)力集中效果來(lái)提高惠斯通電橋的輸出電壓，提高了傳感器的靈敏度。質(zhì)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