CN102183335B - Mems压力传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种MEMS压力传感器，包括：第一衬底，所述第一衬底包括相对的第一表面和第二表面，在所述第一表面侧设置有电容式压力传感单元的感应薄膜、电连线层和第一衬底表面的第一粘合层；第二衬底，所述第二衬底包括相对的第三表面和第四表面，在所述第三表面侧设置有导体间介质层、位于导体间介质层中的导体连线层和第二衬底表面的第二粘合层；其中，第二衬底与第一衬底相对设置，通过第一粘合层和第二粘合层固定连接，第一粘合层与第二粘合层的图案对应并且均为导电材料。该MEMS压力传感器及其制作方法，能够与集成电路制造工艺兼容，有效地降低制作成本并减小传感器尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS技术领域，特别涉及一种MEMS压力传感器及其制作方法。
背景技术
MEMS（Micro Electromechanical System，微电子机械系统）是集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。近年来，MEMS压力传感器在汽车电子、消费电子和工业电子领域逐渐取代传统的机械量传感器，具有广阔的市场前景，例如轮胎压力监测压力传感器、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器和汽车发动机进气歧管压力传感器等都广泛应用了MEMS技术。
相对于传统的机械量传感器，MEMS压力传感器的尺寸更小，控制精度更高，制作工艺可以与硅集成电路技术兼容，因而其性价比大幅度提高。目前的MEMS压力传感器有压阻式压力传感器和电容式压力传感器，两者都是在硅片上制作的MEMS传感器。
电容式压力传感器具有以空气为隔离介质的的薄膜平板电容结构，当平板电容的一个薄膜电极受到外界压力而产生形变时，电容值随之变化，经信号处理电路将电容值转换成电压信号后放大输出，具有较高的测量精度和较低的功耗。
现有技术中，通常利用多晶硅淀积和氧化层刻蚀的方法制作电容式压力传感器，该方法将放松后架空的多晶硅薄膜作为感应薄膜，在外界压力下感应薄膜产生形变而导致电容变化。
然而问题在于，上述传统的电容式压力传感器制作方法中，压力传感器芯片和信号处理电路芯片是分立的，分别制作后通过封装工艺集成，无论是带空腔加盖的塑封，或金属壳封装的方法，其封装过程都较复杂，不便于和成熟的集成电路制造技术兼容，并且器件尺寸较大，成本也由此升高。
另外，传统电容式压力传感器的感应薄膜一般位于芯片的最上表面，容易在硅衬底减薄以及芯片封装时受到破坏，影响成品率；而且在封装过程中压力传感器芯片和信号处理电路芯片需要分别覆盖保护胶以增加对环境影响的保护，导致电容式压力传感器的成本较高。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种MEMS压力传感器及其制作方法，能够与集成电路制造工艺兼容，有效地降低制作成本并减小传感器尺寸。
为解决上述问题，本发明提供一种MEMS压力传感器，包括：
第一衬底，所述第一衬底包括相对的第一表面和第二表面；
位于所述第一衬底的第一表面侧的电容式压力传感单元的感应薄膜、电连线层和第一粘合层；
第二衬底，所述第一衬底包括相对的第三表面和第四表面；
位于所述第二衬底的第三表面侧的导体间介质层、位于所述导体间介质层中的导体连线层和/或所述第二衬底表面的第二粘合层；
其中，所述第二衬底的第三表面与第一衬底的第一表面相对设置，通过第一粘合层和第二粘合层固定连接，所述第一粘合层与第二粘合层的图案对应并且均为导电材料。
所述电容式压力传感单元包括感应薄膜、参考压力腔和固定电极，所述参考压力腔位于感应薄膜与第二衬底之间，所述固定电极位于参考压力腔中；
所述第一衬底的第二表面具有开口，该开口将所述感应薄膜暴露于大气中。
所述第一粘合层和/或第二粘合层为Si层、Ge层、Au层、Al层、Au/Sn叠层或Al/Ge叠层。
所述固定电极位于第二衬底的第三表面，与所述感应薄膜的位置对应。
所述第一衬底包括：硅衬底、位于所述硅衬底上的第一介质层、位于所述第一介质层上的第二介质层、镶嵌于所述第二介质层中的第一导体层，以及所述第二介质层上的第二导体层；
所述第一粘合层位于第二导体层上；
所述电容式压力传感单元还包括位于所述参考压力腔内的可动电极，所述可动电极形成于第二导体层中且通过支撑臂与所述感应薄膜中心位置连接；
所述感应薄膜形成于第一导体层中。
所述固定电极位于第一衬底的第一表面，与所述感应薄膜的位置对应。
所述第一衬底包括：硅衬底、位于所述硅衬底上的第一介质层、位于所述第一介质层上的第二介质层、镶嵌于所述第二介质层中的第一导体层，以及所述第二介质层上的第二导体层；
所述第一粘合层位于第二导体层上；
所述感应薄膜形成于第一导体层中；
所述固定电极形成于第二导体层中且通过支撑臂与第一导体层除感应薄膜之外的部分连接。
所述参考压力腔内的第二衬底的第三表面具有自测电极，该自测电极与所述固定电极的位置对应。
所述支撑臂为第二导体层或第二介质层的一部分。
所述第二衬底为SOI衬底或者单晶硅衬底，所述第二衬底内还包括信号处理电路。
所述第二衬底的第三表面侧还包括位于导体连线层外围的多个压焊焊垫，所述多个压焊焊垫所对应的第一衬底被去除。
所述的MEMS压力传感器还包括与所述电容式压力传感单元的结构相同的参考单元。
所述的MEMS压力传感器还包括：
封装衬底，位于第二衬底的第四表面侧，具有多个压焊管脚；
封装体，位于所述封装衬底上方并将所述第一衬底和第二衬底包裹；
粘合胶，位于第二衬底和封装衬底之间；
引线，位于所述封装体内，两端分别与压焊焊垫和压焊管脚焊接。
所述封装体和固定连接的第一衬底、第二衬底之间还包括应力缓冲层。
相应的、本发明还提供一种MEMS压力传感器的制作方法，包括：
提供第一衬底，所述第一衬底包括相对的第一表面和第二表面；
在所述第一衬底的第一表面侧形成电容式压力传感单元、电连线层和第一粘合层；
提供第二衬底，所述第二衬底包括相对的第三表面和第四表面；
在所述第二衬底的第三表面侧形成导体间介质层、位于所述导体间介质层中的导体连线层和/或所述第二衬底表面的第二粘合层；
将所述第一粘合层和第二粘合层相对设置并按照图案对应的方式粘接，以固定连接及电连接所述第一衬底和第二衬底。
在所述第一衬底的第一表面侧形成电容式压力传感单元、电连线层和所述第一衬底表面的第一粘合层的步骤具体包括：
在所述第一衬底的第一表面侧形成第一介质层和所述第一介质层上的第一导体层，所述第一介质层中制作有通孔和连接插塞，所述第一导体层中制作有电容式压力传感单元的感应薄膜及电连线层；
在所述具有感应薄膜及电连线层的第一衬底的第一表面淀积第一粘合材料层；
采用第一掩模板进行光刻工艺，对第一粘合材料层进行刻蚀从而形成第一粘合层，其中，所述感应薄膜上方的第一粘合材料层也被去除。
在所述第二衬底的第三表面侧形成导体间介质层、位于所述导体间介质层中的导体连线层和第二粘合层的步骤具体包括：
在所述第二衬底的第三表面侧形成导体间介质层、位于所述导体间介质层中的导体连线层；
在所述导体连线层上淀积第二粘合材料层，或者，该第二粘合材料层为导体连线层中的最上层导体材料层；
采用第二掩模板进行光刻工艺，对第二粘合材料层进行刻蚀从而形成第二粘合层。
所述的MEMS压力传感器的制作方法还包括：在所述第二衬底的第三表面侧形成第二粘合层或导体连线层的同时在导体连线层外围的压焊焊垫区内形成多个压焊焊垫。
固定连接及电连接第一衬底和第二衬底之后或之前还包括：去除所述压焊焊垫区对应的第一衬底，以暴露出压焊焊垫区内的多个压焊焊垫，同时，去除所述感应薄膜上方的第一衬底，仅剩余感应薄膜。
将所述第一粘合层和第二粘合层相对设置并按照图案对应的方式粘接包括以下步骤：
将第一衬底的第一粘合层与第二衬底的第二粘合层的位置相对，使其图案相互接触；
从第一衬底的第二表面和第二衬底的第四表面施加压力，同时进行加热使第一粘合层和第二粘合层的接触面相互融合。
所述的MEMS压力传感器的制作方法还包括：
在所述第二衬底的第三表面侧形成第二粘合层的同时形成自测电极，或者，在第二衬底的第三表面侧形成导体连线层的同时形成自测电极，其位置对应于第一衬底上电容式压力传感单元的感应薄膜。
固定连接及电连接第一衬底和第二衬底之后还包括：
提供封装衬底，设置有多个压焊管脚；
将所述第二衬底背向所述第一衬底的一面与封装衬底连接；
通过引线将第二衬底的各个压焊焊垫与封装衬底上的相应的压焊管脚电连接；
进行塑料灌模封装，以将第一衬底和第二衬底之外的封装衬底表面的空间填充封装体。
进行塑料灌模封装之前还包括：
在所述封装体和固定连接的第一衬底、第二衬底之间形成应力缓冲层。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明实施例提供的MEMS压力传感器及其制作方法包括两个衬底，在第一衬底的第一表面侧形成电容式压力传感单元，在第二衬底的第三表面侧形成导体连线层（及信号处理电路），两个衬底面对面通过第一粘合层和第二粘合层粘合在一起，也同时形成两衬底间的密封结构，然后用硅深法刻蚀第一衬底的第二表面，同时暴露电容式压力传感单元的感应薄膜元素及第二衬底上的压焊焊垫区，最后进行封装。这样一来，第一衬底和第二衬底可以分工制作，其制作过程均与集成电路兼容，两者通过粘合工艺集成在一起，避免了封装工艺集成的复杂性，而且有利于减小器件尺寸，降低成本，具有工艺简单、方便的优点。
此外，上述方法可以使用传统的塑封方法，有效地降低成本及减小传感器体积。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为实施例一中MEMS压力传感器的结构示意图；
图2为实施例一中另一优选的MEMS压力传感器的结构示意图；
图3为实施例一中MEMS压力传感器的制作方法的流程图；
图4至图8为实施例一中MEMS压力传感器的制作方法的示意图；
图9为实施例二中MEMS压力传感器的结构示意图；
图10至图12为实施例二中MEMS压力传感器的制作方法的示意图；
图13为实施例三中MEMS压力传感器的结构示意图；
图14为实施例三中MEMS压力传感器的封装结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
实施例一
图1为本实施例中MEMS压力传感器的结构示意图，如图所示，该MEMS压力传感器包括：第一衬底100，所述第一衬底100包括相对的第一表面和第二表面，在所述第一衬底的第一表面上设置有电容式压力传感单元101的感应薄膜101a、电连线层103和第一粘合层102；第二衬底200，所述第二衬底200包括相对的第三表面和第四表面，在所述第二衬底的第三表面上设置有导体间介质层203、位于所述导体间介质层203中的导体连线层201和第二粘合层202。
其中，所述第二衬底200与第一衬底100相对设置，通过第一粘合层102和第二粘合层202固定连接，所述第一粘合层102与第二粘合层202的图案对应并且均为导电材料。所述“图案对应”是指第一粘合层102与第二粘合层202相应位置的图案匹配，尺寸、形状均可以不同，位置可以也可错位，只需要第二衬底200与第一衬底100相对设置后，图案能够具有交叠的部分可以相互接触。需要说明的是，下文中表示位置关系的“上”、“下”仅限于图1中所示的第一衬底100倒置于第二衬底200上方的情况。
所述第一粘合层102和/或第二粘合层202为Si层、Ge层、Au层、Al层、Au/Sn叠层或Al/Ge叠层，也可以为其他导体或合金材料。同为导电材料的第一粘合层102和第二粘合层202相互接触，则可以实现第一衬底100和第二衬底200的电连接，从而将第一衬底100内的电容式压力传感单元101与第二衬底200内的导体连线层集成。
电容式压力传感单元101包括感应薄膜101a、参考压力腔101b和固定电极201a。本实施例中，第一衬底100可以包括硅衬底，所述硅衬底100上还具有第一介质层105和所述第一介质层105上的第一导体层104；第二衬底200也可以为硅衬底，在所述硅衬底200上可以具有按照传统工艺形成的导体间介质层203及其中的导体连线层201。
感应薄膜101a由第一衬底100上的第一导体层104形成，固定电极由第二衬底200表面的导体连线层201形成。所述参考压力腔101b位于感应薄膜101a与第二衬底200之间，所述固定电极201a位于参考压力腔101b中，与所述感应薄膜101a的位置对应；所述第一衬底100的第二表面具有开口101c，该开口101c将所述感应薄膜101a暴露于大气中，感应薄膜101a的下方（朝向第二衬底200的一面）具有参考压力腔101b，位于第二衬底200和感应薄膜101a之间，正是由于所述开口101c和参考压力腔101b的存在，感应薄膜101a才具有沿垂直于第一衬底100和第二衬底200方向形变的自由度。所述参考压力腔101b和开口101c分别位于感应薄膜101a的两侧，并且参考压力腔101b相对于外界密封，从而为另一侧开口端的压力变化提供固定的参考压力值。
此外，所述电容式压力传感单元101及电连线层103上还可以具有保护介质层（图中未示出），用于防止在后续形成第一粘合层的过程中损伤感应薄膜，同时也可以作为后续工艺的刻蚀停止层。
所述第二衬底200可以包括SOI衬底或者单晶硅衬底，优选的，第二衬底200内具有信号处理电路（图中未示出），位于导体间介质层203和导体连线层201的下方，所述信号处理电路例如为CMOS电路，用于接收、转化和检测电容式压力传感单元101感应到的外界压力信号，导体连线层201用于连接不同的器件并连接第二粘合层202和第二衬底200内的信号处理电路。所述第二粘合层202位于导体连线层201上方，或者，所述第二粘合层202为导体连线层201中的最上层导体层。
此外，所述第二衬底200的第三表面侧还具有多个压焊焊垫204，所述压焊焊垫204位于第二衬底200的导体连线层201（及信号处理电路）之外，位于所述第二粘合层202的同一膜层。压焊焊垫204对应的第一衬底100被去除，使得压焊焊垫204暴露，与引线焊接。
本实施例的MEMS压力传感器中，电容式压力传感单元的感应薄膜101a受到外界压力变化影响，与固定电极201a之间的距离发生改变，从而转换成电容式压力传感单元的电容值变化，经由第二衬底的导体连线层201输出。
优选的，本发明的另一实施例中MEMS压力传感器还可以包括与所述电容式压力传感单元的结构相同的参考单元，如图2所示，电容式压力传感单元101和参考单元109共同组成差分式传感器，两者均由第一衬底100和第二衬底200相对连接而成，而且结构相同，但参考单元的感应薄膜109a上方的第一衬底中并没有开口。同时测量电容式压力传感单元电容和参考单元电容，取其差值做差分输出，可以减小外界环境因素（温度，应力等）对传感器输出的影响。
下面结合附图详细说明上述MEMS压力传感器的制作方法。图3为本发明实施例中所述MEMS压力传感器的制作方法的流程图，图4至图8为所述MEMS压力传感器的制作方法的示意图。如图所示，所述制作方法包括：
步骤S1：提供第一衬底100，所述第一衬底包括相对的第一表面和第二表面，在所述第一衬底100的第一表面侧形成电容式压力传感单元101、电连线层103和所述第一衬底100表面的第一粘合层102，参照图4和图5所示。
如图4所示，所述第一衬底100可以包括硅衬底，在所述第一衬底100的第一表面侧形成第一介质层105，优选的，所述第一介质层105为氧化硅膜层，进行光刻、刻蚀所述氧化硅膜层在第一介质层105中制作有通孔105a，然后在所述第一介质层105上沉积第一导体层104，优选的，所述第一导体层104为多晶硅，多晶硅沉积在通孔105a内形成连接插塞，以连接第一介质层105上下层内的电路器件。
接着，如图5所示，通过光刻、刻蚀工艺在所述第一导体层104中制作电容式压力传感单元的感应薄膜101a及电连线层103。
在所述具有感应薄膜101a及电连线层103的第一衬底100表面淀积第一粘合材料层（图中未示出），利用第一掩模板通过光刻、刻蚀工艺对第一粘合材料层进行刻蚀从而形成第一粘合层102，其中，所述感应薄膜101a上方的第一粘合材料层也被去除。该步骤的刻蚀工艺可以采用传统的湿法刻蚀或等离子刻蚀工艺，从而完成第一衬底100的制作过程。
优选的，在所述电容式压力传感单元101及电连线层103上还可以形成保护介质层（图中未示出）。
步骤S2：提供第二衬底200，所述第二衬底200包括相对的第三表面和第四表面，在所述第二衬底200的第三表面侧形成导体间介质层203和所述导体间介质层203中的导体连线层201，以及导体间介质层203上方的第二粘合层202，参照图6所示。
第二衬底200可以包括SOI衬底或者单晶硅衬底，优选的，按照传统工艺在该第二衬底200内先形成信号处理电路，所述信号处理电路例如包括CMOS电路；然后形成信号处理电路上的导体间介质层203、位于所述导体间介质层203中的导体连线层201，该步骤可以采用铜互连工艺或者铝互连工艺。
接着，在所述导体间介质层203上淀积第二粘合材料层（图中未示出），采用第二掩模板进行光刻工艺，然后对第二粘合材料层进行刻蚀从而形成第二粘合层202，该第二粘合层202可以由导体间介质层203中的通孔和连接插塞与其下方的导体连线层201电性连接。
其中，所述第一粘合层102与第二粘合层202均为导电材料，例如，所述第一粘合层102和/或第二粘合层202为Au层、Al层、Au/Sn叠层或Al/Ge叠层。当所述第一粘合102层和/或第二粘合层202为Au/Sn叠层时，采用电镀工艺形成其图形，Al/Ge叠层可以采用光刻、刻蚀工艺形成其图形。
优选的，第二粘合层202采用与导体连线层201相同的材料，例如Al，则所述第二粘合层202为导体连线层中的最上层导体层，换言之，在制造导体连线层中的最上层导体层的过程中，同时制作第二粘合层202的图案，这样可以节省一道光刻工艺，有利于降低成本。
经过光刻、刻蚀工艺后，所述第一粘合层102与第二粘合层202的图案对应，这里“对应”的含义是当第一衬底100和第二衬底200相对设置时，第一粘合层102朝向第二粘合层202，两者图案的位置和形状相互配合，能够对应连接。
形成第二粘合层202或者导体连线层201的同时，还可以在所述导体连线层201以及第二粘合层202之外的第二衬底200上形成压焊焊垫区的多个压焊焊垫204。
具体的，所述导体连线层201（及信号处理电路）位于第二衬底200的器件区内，所述器件区之外为压焊焊垫区，压焊焊垫区包括多个压焊焊垫204，用于与压焊引线连接，此外，所述器件区之外还具有芯片分割区。
步骤S3：将所述第一粘合层102和第二粘合层202相对设置并按照图案对应的方式粘接，以连接第一衬底100和第二衬底200，参照图7所示。
具体的，先将第一衬底100的第一粘合层102与第二衬底200的第二粘合层202的位置相对，使其图案相互接触，然后从两个衬底的背面施加压力，同时进行加热使第一粘合层102和第二粘合层202的接触面相互融合，例如所述第一粘合层102和第二粘合层202为Al层，通过第一衬底的第二表面和第二衬底的第四表面的吸盘对两衬底施加40k-90k牛压力，加热衬底至400℃，相互接触的Al层发生固态，降温后实现固定连接。上述连接工艺的工艺参数因第一粘合层102和第二粘合层202材料不同而不同。
第一粘合层102和第二粘合层202均为导电材料，例如导体或者合金，固定连接的同时还能够将第一衬底100的电容式压力传感单元101及电连线层103与第二衬底200的导体连线层203（及信号处理电路）电连接，实现电容式压力传感单元101与导体连线层203（及信号处理电路）的集成。
优选的，如图8所示，步骤S4，连接第一衬底100和第二衬底200之后还包括：采用刻蚀工艺去除所述压焊焊垫区对应的第一衬底100，以暴露出压焊焊垫区内的多个压焊焊垫204，同时，去除所述感应薄膜101a背面的硅衬底100和氧化硅层105，刻蚀停止在感应薄膜101a的背面。例如，先在第一衬底100背面形成刻蚀阻挡层（图中未示出），该刻蚀阻挡层暴露出开口和压焊焊垫区对应的第一衬底100的第二表面，采用第一类刻蚀气体从第一衬底100的第二表面开始刻蚀硅衬底100和氧化硅层105，当去除大部分氧化硅层105材料时，开口位置的刻蚀接近感应薄膜背面，而压焊焊垫区对应的第一衬底100仅剩余较薄的氧化硅层105，换用第二类刻蚀气体（对硅的刻蚀选择比较高）继续刻蚀，直到全部去除氧化硅层105，露出开口并且去除压焊焊垫区对应的所有第一衬底。
另外，上述步骤也可以在第一衬底100的第一粘合层102与第二衬底200的第二粘合层202的图案相互接触之前单独对第一衬底100进行，这样可以避免刻蚀工艺对第二衬底200的污染。
去除电容式压力传感单元101的感应薄膜101a对应的第一衬底100可以依次去除硅衬底100和氧化硅层105，仅剩余感应薄膜101a；也可以使刻蚀停止在氧化硅层105表面而仅去除硅衬底100，这样氧化硅层105可以起到保护感应薄膜的作用，这种方案需要在制作第一衬底的步骤S1中提前去除压焊焊垫区对应的第一衬底上的氧化硅层105。
第一衬底的感应薄膜101a、第一粘合层102和第二衬底的导体间介质层203、第二粘合层202进行粘合连接后，在与所述开口101c对应的位置围成参考压力腔101b。
本发明的另一实施例中，以上步骤S1和步骤S2的顺序可以相互调换，也可以同时进行，不分先后顺序，实际生产中第一衬底和第二衬底制作工艺可以能够在不同的机台完成，有利于提高产能。
至此，本实施例提供的MEMS压力传感器的芯片制作完成，第一衬底100上包括多个MEMS压力传感器组成的阵列，第二衬底200上包括与多个所述MEMS压力传感器芯片对应的导体连线阵列（图中未示出），接下来进行分割工艺，而后从硅片制作工艺转到芯片封装工艺，与集成电路的芯片封装工艺兼容，适合大批量制造，有利于提高产能。本实施例的封装工艺与后续的实施例基本相同，参照实施例三中的说明。
本发明实施例提供的MEMS压力传感器及其制作方法包括两个衬底，在第一衬底的第一表面侧形成电容式压力传感单元的感应薄膜，在第二衬底的第三表面侧形成固定电极和导体连线层（及其信号处理电路），两个衬底面对面通过第一粘合层和第二粘合层粘合在一起，也同时形成两衬底间的密封结构，然后用硅深法刻蚀第一衬底的第二表面，同时暴露电容式压力传感单元的感应薄膜及第二衬底上的压焊焊垫区，最后进行封装。这样一来，第一衬底和第二衬底可以分工制作，其制作过程均与集成电路兼容，两者通过粘合工艺集成在一起，避免了封装工艺集成的复杂性，而且有利于减小器件尺寸，降低成本，具有工艺简单、方便的优点。
实施例二
与实施例一中所述MEMS压力传感器的主要区别在于，本实施例中，MEMS压力传感器的固定电极和感应薄膜均位于第一衬底的第一表面侧，第一衬底和第二衬底之间形成的参考压力腔与所述感应薄膜的位置对应。
图9为本实施例中MEMS压力传感器的结构示意图。如图所示，第一衬底100’依次包括：硅衬底100’、所述硅衬底100’上的第一介质层105’、所述第一介质层105’上的第二介质层106’、镶嵌于所述第二介质层106’中的第一导体层104’，以及所述第二介质层106’上的第二导体层107’。
其中，感应薄膜101a’形成于第一导体层104’中，其对应的硅衬底100a’内具有开口101c’，固定电极201a’形成于第二导体层107’中且通过支撑臂（图中未示出）与第一导体层104’除感应薄膜之外的部分连接。第一粘合层102’位于第二导体层107’上方。
所述第二衬底200’可以包括SOI衬底或者单晶硅衬底，以及位于衬底上方的导体间介质层203’、位于所述导体间介质层203’中的导体连线层201’和所述导体连线层201’表面的第二粘合层202’。
优选的，第二衬底200’内具有信号处理电路（图中未示出），位于导体间介质层203’和导体连线层201’的下方，所述信号处理电路例如为CMOS电路，用于接收、转化和检测电容式压力传感单元101’感应到的外界压力信号，导体连线层201’用于连接不同的器件并连接第二粘合层202’和第二衬底200’内的信号处理电路。
本实施例中，所述第二粘合层202’形成于导体连线层201’上方，在本发明的其他实施例中，所述第二粘合层202’为导体连线层中的最上层导体层，换言之，在制造导体连线层中的最上层导体层的过程中，同时制作第二粘合层202’的图案，这样可以节省一道光刻工艺，有利于降低成本。
所述第一粘合层102’与第二粘合层202’的图案对应并且相互固定连接，第一粘合层102’与第二粘合层202’均为导电材料，则可以实现第一衬底100’和第二衬底200’的电连接，从而将第一衬底100’内的电容式压力传感单元101’与第二衬底200’内的导体连线层201’集成。
当第一粘合层102’与第二粘合层202’的图案对应并且相互固定连接之后，在第一衬底100’和第二衬底200’之间便形成参考压力腔101b’，参见图8，该参考压力腔101b’由第一衬底的感应薄膜101a’、第二导体层107’第一粘合层102’和第二衬底的导体连线层201’、第二粘合层202’围成，其位置与所述开口101c’对应。
本实施例中，固定电极201a’的一端与第一导体层（或第二介质层）固定连接，感应薄膜101a’形成于第一导体层104’中，通过开口101c’暴露于外部空间，当外部压力变化引起感应薄膜101a’移动时，感应薄膜101a’和固定电极201a’之间的距离改变，导致电容式压力感应单元101’的电容值变化，经由第二衬底的导体连线层201’输出。
其中，所述支撑臂为第二导体层107’或第二介质层106’的一部分,具体可以为MEMS器件中常见的悬臂梁结构。
优选的，参考压力腔101b’内的第二衬底200’表面具有自测电极205’，该自测电极205’与固定电极201a’之间具有一定距离，该自测电极205’上方与第一衬底100’表面上的固定电极201a’对准，其下方与导体连线层201’连接，在自测电极205’和感应薄膜101a’之间施加测试电压，则可以实现电容式压力传感单元的自测功能。本实施例MEMS压力传感器的其他结构均与实施例一相同，在此不再赘述。
与前述实施例类似的，本实施例中MEMS压力传感器还可以包括与所述电容式压力传感单元的结构相同的参考单元，如图9所示，电容式压力传感单元101’和参考单元109’共同组成差分式传感器，两者均由第一衬底100’和第二衬底200’相对连接而成，而且结构相同，但参考单元的感应薄膜109a’上方的第一衬底中并没有开口。同时测量电容式压力传感单元电容和参考单元电容，取其差值做差分输出，可以减小外界环境因素（温度，应力等）对传感器输出的影响。
本实施例MEMS压力传感器的制作方法与实施例一的区别主要在于第一衬底的制作工艺，需要形成第二介质层和第二导体层，最后通过结构释放形成支撑臂和固定电极。以下结合附图10-附图12具体说明。
步骤S1’：参照图10所示，提供第一衬底100’，所述第一衬底100’包括硅衬底，在所述第一衬底100’上形成第一介质层105’并在所述第一介质层105’中制作通孔（图中未标号），然后沉积第一导体层104’。接着，通过光刻、刻蚀工艺在所述第一导体层104’中制作电容式压力传感单元的感应薄膜101a’及电连线层103’。
步骤S2’：如图11所示，在所述第一导体层104’表面淀积第二介质层106’，优选的，所述第二介质层106’为氧化硅膜层，进行光刻、刻蚀所述氧化硅膜层在第二介质层106’中制作通孔，然后在所述第二介质层106’上沉积第二导体层107’，优选的，所述第二导体层107’为多晶硅，接着，通过光刻、刻蚀工艺在所述第二导体层107’中制作电容式压力传感单元的固定电极201a’。
步骤S3’：如图12所示，在所述第二导体层107’表面淀积第一粘合材料层（图中未示出），利用第一掩模板通过光刻、刻蚀工艺对第一粘合材料层进行刻蚀从而形成第一粘合层102’，其中，所述固定电极201a’上方的第一粘合材料层也被去除。该步骤的刻蚀工艺可以采用传统的湿法刻蚀或等离子刻蚀工艺，最后，去除固定电极201a’和感应薄膜101a’之间的第二介质层（参见图11），仅剩余支撑臂，从而完成第一衬底100’的制作过程。
优选的，在所述电容式压力传感单元101’及电连线层103’上还可以形成保护介质层（图中未示出）。
第二衬底200’的制作工艺、开口101c’以及压焊焊垫区与实施例一相似，此处不再赘述。
步骤S4’：将所述第一粘合层102’和第二粘合层202’相对设置并按照图案对应的方式粘接，以连接第一衬底100’和第二衬底200’。第一衬底的第一表面侧的感应薄膜101a’、第一粘合层102’和第二衬底的第三表面侧的导体间介质层203’、第二粘合层202’进行粘合连接后，在与所述开口101c’对应的位置围成参考压力腔101b’，参照图9所示。
至此，本实施例提供的MEMS压力传感器的芯片制作完成，第一衬底100’上包括多个MEMS压力传感器组成的阵列，第二衬底200’上包括与多个所述MEMS压力传感器芯片对应的导体连线阵列（图中未示出），接下来进行分割工艺，而后从硅片制作工艺转到芯片封装工艺，与集成电路的芯片封装工艺兼容，适合大批量制造，有利于提高产能。封装工艺参见实施例三的说明。
实施例三
图13为本实施例中MEMS压力传感器的结构示意图。如图所示，固定电极201a”位于第二衬底200”的第三表面侧，感应薄膜101a”和可动电极101d”位于第一衬底100”的第一表面侧；固定电极201a”与感应薄膜101a”的位置对应，他们之间形成参考压力腔101b”，所述第一衬底100”的第二表面与感应薄膜101a”对应的位置具有开口101c”，该开口101c”将所述感应薄膜101a”暴露于大气中，而参考压力腔101b”被密封在第一衬底100”和第二衬底200”之间。
第一衬底100”可以依次包括：硅衬底100a”、所述硅衬底100a”上的第一介质层105”、所述第一介质层105”上的第二介质层106”、镶嵌于所述第二介质层106”中的第一导体层104”，以及所述第二介质层106”上的第二导体层107”。
所述第二衬底200”可以包括SOI衬底或者单晶硅衬底，优选的，第二衬底200”内具有信号处理电路（图中未示出），位于导体间介质层203”和导体连线层201”的下方，所述信号处理电路例如为CMOS电路，用于接收、转化和检测电容式压力传感单元101”感应到的外界压力信号，导体连线层201”用于连接不同的器件并连接第二粘合层202”和第二衬底200”内的信号处理电路。
所述感应薄膜101a”形成于第一导体层104”中，所述可动电极101d”形成于第二导体层107”中且通过支撑臂106a”与所述感应薄膜101a”的中心位置连接，固定电极201a’’形成于导体连线层201”中；所述支撑臂106a”为第二导体层107”或第二介质层106”的一部分。
当外界压力变化时，感应薄膜101a”沿垂直于第一衬底100”和第二衬底200”的方向形变，可动电极101d”也随之移动，与固定电极201a”之间的距离发生变化，从而使得电容式压力传感单元101”的电容值改变，经由信号处理电路输出。由于支撑臂106a”与感应薄膜101a”的中心位置连接，这样，可动电极101d”的移动能够反映感应薄膜101a”的最大形变，从而实现更好的灵敏度及线性度。
本实施例中的MEMS压力传感器的其他结构，例如，第一粘合层、第二粘合层、压焊焊垫区、参考单元以及封装结构等均与前述实施例类似，不再重复说明。上述电容式压力传感器与实施例二不同之处在于，实施例二中支撑臂的一端与感应薄膜101a’之外的第二导体层或第二介质层连接，于是，感应薄膜101a”形变时支撑臂不会随之移动，支撑臂另一端的固定电极201a’也不移动，而本实施例中支撑臂106a”与感应薄膜101a”的中心位置直接连接，感应薄膜101a”形变时支撑臂106a”会随之移动，支撑臂106a”另一端的可动电极101d”会随之移动。
上述电容式压力传感器的制作方法与实施例二类似，区别之一在于，制作第一衬底的步骤中，用于光刻形成第二介质层和/或第二导体层的掩模板图案与实施例二的支撑臂位置不同。
第一衬底100”上包括多个所述MEMS压力传感器组成的阵列，第二衬底200”上包括与多个所述MEMS压力传感器对应的信号处理电路阵列（图中未示出），两者集成后再进行分割得到MEMS压力传感器的芯片，经过芯片封装工艺形成电容式压力传感器。
下面结合附图说明本发明中电容式MEMS压力传感器的封装参照图14所示，包括以下步骤：
步骤S5：提供封装衬底300”，设置有多个压焊管脚305”。所述封装衬底300”可以为陶瓷材料也可以为引线框架（Leadframe）
步骤S6：将上述MEMS压力传感器的第二衬底200”背向所述第一衬底100”的一面与封装衬底300”连接，例如采用粘合胶302”将第二衬底200”粘接在封装衬底300”上。
步骤S7：通过引线303”将第二衬底200”第三表面侧的各个压焊焊垫204”与封装衬底300”上的相应的压焊管脚305”电连接，具体的，采用压焊工艺分别将引线303”的两端与压焊焊垫204”和压焊管脚305”焊接。
步骤S8：焊接引线后的MEMS压力传感器进行塑料灌模封装，将第一衬底100”和第二衬底200”之外的封装衬底300”表面的空间填充塑料封装体301”，以保护压力传感单元101”（及信号处理电路）等功能区域，而且也起到固定引线302”的作用。
此外，在塑料灌模封装时，应用模具防止塑料灌入感应薄膜101a”上的开口101c”。最后形成的封装体301”的顶表面可以与第一衬底100”的背面平齐（参见图7），也可以相对于第一衬底100”的背面突出。为避免塑料灌入开口101c”，封装过程中用模具遮挡开口101c”。
进行封装工艺之后，如图14所示，所述MEMS压力传感器还包括位于第二衬底200”下方的封装衬底300”和封装衬底300”上方将第一衬底100”和第二衬底200”包裹的封装体301”。所述第二衬底和封装衬底之间还具有粘合胶302”。优选的，所述封装体301”和固定连接的第一衬底100”、第二衬底200”之间还包括应力缓冲层（图中未示出），用于缓冲封装体301”的应力，从而避免对感应薄膜敏感度的干扰。
此外，在塑料灌模封装时，应用模具防止塑料灌入感应薄膜101a”上的开口101c”。最后形成的封装体301”的顶表面可以与第一衬底100”的背面平齐（参见图14），也可以相对于第一衬底100”的背面突出。为避免塑料灌入开口，封装过程中用模具遮挡开口。
以上实施例所述MEMS压力传感器，其第二衬底的第三表面侧均包括至少一层导体连线层和第二粘合层，事实上，也可以仅具有一层导体连线层，该导体连线层兼作第二粘合层。
本发明实施例所述的导体连线层、导体间介质层或第一导体层、第二导体层中的“导体”包括但不限于金属、合金或半导体等材料。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (23)
1.一种MEMS压力传感器，其特征在于，包括：
第一衬底，所述第一衬底包括相对的第一表面和第二表面；
位于所述第一衬底的第一表面侧的电容式压力传感单元的感应薄膜、电连线层和第一粘合层；
第二衬底，所述第二衬底包括相对的第三表面和第四表面；
位于所述第二衬底的第三表面侧的导体间介质层、位于所述导体间介质层中的导体连线层和第二粘合层；
其中，所述第二衬底的第三表面与第一衬底的第一表面相对设置，通过第一粘合层和第二粘合层固定连接，所述第一粘合层与第二粘合层的图案对应并且均为导电材料。
2.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，电容式压力传感单元包括感应薄膜、参考压力腔和固定电极，所述参考压力腔位于感应薄膜与第二衬底之间，所述固定电极位于参考压力腔中；
所述第一衬底的第二表面具有开口，该开口将所述感应薄膜暴露于大气中。
3.根据权利要求2所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第一粘合层和/或第二粘合层为Si层、Ge层、Au层、Al层、Au/Sn叠层或Al/Ge叠层。
4.根据权利要求2所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述固定电极位于第二衬底的第三表面，与所述感应薄膜的位置对应。
5.根据权利要求4所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第一衬底包括：硅衬底、位于所述硅衬底上的第一介质层、位于所述第一介质层上的第二介质层、镶嵌于所述第二介质层中的第一导体层，以及所述第二介质层上的第二导体层；
所述第一粘合层位于第二导体层上；
所述电容式压力传感单元还包括位于所述参考压力腔内的可动电极，所 述可动电极形成于第二导体层中且通过支撑臂与所述感应薄膜中心位置连接；
所述感应薄膜形成于第一导体层中。
6.根据权利要求2所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述固定电极位于第一衬底的第一表面，与所述感应薄膜的位置对应。
7.根据权利要求6所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第一衬底包括：硅衬底、位于所述硅衬底上的第一介质层、位于所述第一介质层上的第二介质层、镶嵌于所述第二介质层中的第一导体层，以及所述第二介质层上的第二导体层；
所述第一粘合层位于第二导体层上；
所述感应薄膜形成于第一导体层中；
所述固定电极形成于第二导体层中且通过支撑臂与第一导体层除感应薄膜之外的部分连接。
8.根据权利要求7所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述参考压力腔内的第二衬底的第三表面具有自测电极，该自测电极与所述固定电极的位置对应。
9.根据权利要求5或7所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述支撑臂为第二导体层或第二介质层的一部分。
10.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第二衬底为SOI衬底或者单晶硅衬底，所述第二衬底内还包括信号处理电路。
11.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第二衬底的第三表面侧还包括位于导体连线层外围的多个压焊焊垫，所述多个压焊焊垫所对应的第一衬底被去除。
12.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，还包括与所述电容式压力传感单元的结构相同的参考单元。
13.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，还包括：
封装衬底，位于第二衬底的第四表面侧，具有多个压焊管脚；
封装体，位于所述封装衬底上方并将所述第一衬底和第二衬底包裹；
粘合胶，位于第二衬底和封装衬底之间；
引线，位于所述封装体内，两端分别与压焊焊垫和压焊管脚焊接。
14.根据权利要求13所述的MEMS压力传感器，其特征在于，
所述封装体和固定连接的第一衬底、第二衬底之间还包括应力缓冲层。
15.一种MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，包括：
提供第一衬底，所述第一衬底包括相对的第一表面和第二表面；
在所述第一衬底的第一表面侧形成电容式压力传感单元、电连线层和第一粘合层；
提供第二衬底，所述第二衬底包括相对的第三表面和第四表面；
在所述第二衬底的第三表面侧形成导体间介质层、位于所述导体间介质层中的导体连线层和所述第二衬底表面的第二粘合层；
将所述第一粘合层和第二粘合层相对设置并按照图案对应的方式粘接，以固定连接及电连接所述第一衬底和第二衬底。
16.根据权利要求15所述的MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，在所述第一衬底的第一表面侧形成电容式压力传感单元、电连线层和第一粘合层的步骤具体包括：
在所述第一衬底的第一表面侧形成第一介质层和所述第一介质层上的第一导体层，所述第一介质层中制作有通孔和连接插塞，所述第一导体层中制作有电容式压力传感单元的感应薄膜及电连线层；
在所述具有感应薄膜及电连线层的第一衬底的第一表面淀积第一粘合材料层；
采用第一掩模板进行光刻工艺，对第一粘合材料层进行刻蚀从而形成第一粘合层，其中，所述感应薄膜上方的第一粘合材料层也被去除。
17.根据权利要求15所述的MEMS压力传感器的制作方法，其特征在 于，在所述第二衬底的第三表面侧形成导体间介质层、位于所述导体间介质层中的导体连线层和第二粘合层的步骤具体包括：
在所述第二衬底的第三表面侧形成导体间介质层、位于所述导体间介质层中的导体连线层；
在所述导体连线层上淀积第二粘合材料层，或者，该第二粘合材料层为导体连线层中的最上层导体材料层；
采用第二掩模板进行光刻工艺，对第二粘合材料层进行刻蚀从而形成第二粘合层。
18.根据权利要求16所述的MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，还包括：在所述第二衬底的第三表面侧形成第二粘合层或导体连线层的同时在导体连线层外围的压焊焊垫区内形成多个压焊焊垫。
19.根据权利要求18所述的MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，固定连接及电连接第一衬底和第二衬底之后或之前还包括：去除所述压焊焊垫区对应的第一衬底，以暴露出压焊焊垫区内的多个压焊焊垫，同时，去除所述感应薄膜上方的第一衬底，仅剩余感应薄膜。
20.根据权利要求15所述的MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，将所述第一粘合层和第二粘合层相对设置并按照图案对应的方式粘接包括以下步骤：
将第一衬底的第一粘合层与第二衬底的第二粘合层的位置相对，使其图案相互接触；
从第一衬底的第二表面和第二衬底的第四表面施加压力，同时进行加热使第一粘合层和第二粘合层的接触面相互融合。
21.根据权利要求15所述的MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，还包括：
在所述第二衬底的第三表面侧形成第二粘合层的同时形成自测电极，或者，在第二衬底的第三表面侧形成导体连线层的同时形成自测电极，其位置对应于第一衬底上电容式压力传感单元的感应薄膜。
22.根据权利要求15所述的MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，固定连接及电连接第一衬底和第二衬底之后还包括：
提供封装衬底，设置有多个压焊管脚；
将所述第二衬底背向所述第一衬底的一面与封装衬底连接；
通过引线将第二衬底的各个压焊焊垫与封装衬底上的相应的压焊管脚电连接；
进行塑料灌模封装，以将第一衬底和第二衬底之外的封装衬底表面的空间填充封装体。
23.根据权利要求22所述的MEMS压力传感器的制作方法，其特征在于，进行塑料灌模封装之前还包括：
在所述封装体和固定连接的第一衬底、第二衬底之间形成应力缓冲层。
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