CN114061797A - 一种双电桥结构mems压阻式压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双电桥结构MEMS压阻式压力传感器及其制备方法，在敏感薄膜的上表面和下表面分别制备四个压敏电阻，上表面和下表面的各压敏电阻分别正对设置，且相互正交排布；同一表面的四个压敏电阻分别正对敏感薄膜各边缘的中心位置。敏感薄膜下表面的四个压敏电阻的两端分别通过金属引线与结构上表面的电极层电连接，金属引线上设有绝缘层。上表面和下表面两组压敏电阻形成两组惠斯通电桥。本发明在不减小传感器的敏感薄膜厚度以及不增加传感器敏感薄膜的面积的前提下，有效提升了传感器的灵敏度，有助于改善传感器的可靠性能，提高传感器的集成度，降低传感器的面积和成本，简洁的布线进一步保证传感器的精度不受影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)压阻式压力传感器及其制备方法。
背景技术
MEMS压阻式压力传感器是利用半导体材料的压阻效应，通过压敏电阻互联形成惠斯通电桥将环境压力转换为电信号从而实现对压力的测量。相比于电容式压力传感器和压电式压力传感器等其他类型MEMS压力传感器，MEMS压阻式压力传感器具有良好的线性度和可靠性，因此，被广泛应用于航空航天、工业控制、环境监测以及医疗电子等领域。当前常见的MEMS压阻式压力传感器主要以敏感薄膜结构为主，压敏电阻分布在薄膜表面。为了提高传感器灵敏度，敏感薄膜的厚度被设计得越来越薄，面积被设计得越来越大，从而确保在同等压力条件下获得更大的形变和应力，进而增大压敏电阻的阻值变化以及电学输出。然而，一味减薄敏感薄膜的厚度和增大敏感薄膜的面积一方面会降低传感器的量程，另一方面也会降低传感器的寿命和可靠性，此外，还会降低传感器的集成度以及提高传感器的成本。除上述问题外，需要使用互联线将压敏电阻间形成连接构成惠斯通电桥，现有互连线排布较复杂，这会影响敏感薄膜表面的应力分布，从而影响传感器的精度，此外，互连线排布的复杂度会随压敏电阻的数量增加而显著提高。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种双电桥结构MEMS压阻式压力传感器及其制备方法，在保证传感器量程和可靠性的前提下有效提高MEMS压阻式压力传感器的灵敏度与精度。
技术方案：一种双电桥结构MEMS压阻式压力传感器，包括第一衬底，第一衬底下方设有第二衬底，所述第二衬底上表面中央设有空腔，所述空腔上方正对的所述第一衬底部分形成敏感薄膜；在所述第一衬底下表面设置四个第一压敏电阻，四个第一压敏电阻分别正对所述空腔的四条边缘的中心位置，且四个第一压敏电阻的排列方向一致；在所述第一衬底的上表面设置四个第二压敏电阻，在沿所述敏感薄膜厚度方向上，四个第二压敏电阻分别正对下表面的四个第一压敏电阻，且四个第二压敏电阻的排列方向分别与第一压敏电阻正交；所述第一衬底上表面设有电极层，四个第二压敏电阻的两端分别与对应的电极层电连接，四个第一压敏电阻的两端分别通过金属引线与对应的电极层电连接，所述金属引线上设有绝缘层；位于所述第一衬底下表面的四个第一压敏电阻构成第一惠斯通电桥，位于所述第一衬底上表面的四个第二压敏电阻构成第二惠斯通电桥。
进一步的，所述金属引线由位于所述第一衬底下方的引线层以及垂直穿过所述第一衬底的金属填充层连接构成。
进一步的，所述第一衬底的上表面还覆盖有一层绝缘层。
进一步的，所述引线层与第一衬底之间的绝缘层的厚度和材料均与所述第一衬底的上表面的绝缘层相同。
双电桥结构MEMS压阻式压力传感器的制备方法，包括：
步骤1：选用N型(100)硅片作为第一衬底；
步骤2：通过光刻和深反应离子刻蚀在第一衬底形成八个盲孔；
步骤3：通过热氧化在盲孔的内表面制备一层二氧化硅作为第一绝缘层，在第一衬底上表面制备一层二氧化硅作为第二绝缘层；
步骤4：通过光刻和反应离子刻蚀在第二绝缘层上刻蚀出压敏电阻区和阳极键合区，并通过硼离子注入在压敏电阻区完成四个第一压敏电阻的制备；
步骤5：通过磁控溅射在各盲孔内的第一绝缘层上制备Ti和Cu分别作为阻挡层和种子层，并通过电镀Cu填充盲孔形成金属填充层；
步骤6：通过光刻和磁控溅射在第二绝缘层上制备连接到各第一压敏电阻的Cr和Au作为引线层；
步骤7：通过光刻和等离子体增强化学气相沉积在各引线层的外表面制备氮化硅作为第三绝缘层；
步骤8：选用BF33型玻璃片作为第二衬底，通过光刻和反应离子刻蚀在第二衬底的上表面中央形成凹槽；
步骤9：通过阳极键合的方式，将第二衬底与倒置的第一衬底紧密贴合，形成空腔；
步骤10：通过化学机械抛光工艺将倒置的第一衬底减薄至露出金属填充层中的金属；
步骤11：通过硼离子注入，在倒置后的第一衬底上表面制备四个第二压敏电阻；
步骤12：通过等离子体增强化学气相沉积在倒置后的第一衬底上表面制备二氧化硅作为第四绝缘层；
步骤13：通过光刻在第四绝缘层上形成接触孔，并通过磁控溅射在第四绝缘层上制备Cr和Au作为电极层，完成器件的制备。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.相比于传统的MEMS压阻式压力传感器，本发明的一种双电桥结构MEMS压阻式压力传感器在敏感薄膜上、下表面各排布了四个压敏电阻组成两个惠斯通电桥，在不减小传感器的敏感薄膜厚度以及不增加传感器敏感薄膜的面积的前提下，有效提升了传感器的灵敏度，并且有助于改善传感器的可靠性能，提高传感器的集成度，降低传感器的面积和成本。
2.本发明的一种双电桥结构MEMS压阻式压力传感器利用金属填充层实现了位于敏感薄膜下方的第一压敏电阻的电极引出，便于互联线布线并简化了压敏电阻之间的电连接，简洁的布线进一步保证传感器的精度不受影响。
3.本发明采用MEMS技术制备，传感器具有尺寸小、精度高、一致性好、易于批量制造以及成本低的优点。
附图说明
图1为本发明的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器的压敏电阻排列俯视示意图；
图2为本发明的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器的压敏电阻的惠斯通电桥连接示意图；
图3为本发明的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器沿图1中A-A’方向的剖面图；
图4为本发明的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器制备步骤1得到的剖面图；
图5为本发明的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器制备步骤2得到的剖面图；
图6为本发明的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器制备步骤3得到的剖面图；
图7为本发明的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器制备步骤4得到的剖面图；
图8为本发明的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器制备步骤5得到的剖面图；
图9为本发明的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器制备步骤6得到的剖面图；
图10为本发明的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器制备步骤7得到的剖面图；
图11为本发明的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器制备步骤8得到的剖面图；
图12为本发明的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器制备步骤9得到的剖面图；
图13为本发明的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器制备步骤10得到的剖面图；
图14为本发明的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器制备步骤11得到的剖面图；
图15为本发明的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器制备步骤12得到的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1、图3所示，一种双电桥结构MEMS压阻式压力传感器，包括第一衬底1，第一衬底1下方设有第二衬底8，第二衬底8上表面中央设有空腔9，空腔9上方正对的第一衬底1部分形成敏感薄膜13。在第一衬底1下表面设置四个第一压敏电阻4，分别为R1’、R2’、R3’和R4’，四个第一压敏电阻4分别正对空腔9的四条边缘的中心位置，且四个第一压敏电阻4的排列方向一致。在第一衬底1的上表面设置四个第二压敏电阻10，分别为R1、R2、R3和R4，在沿敏感薄膜10厚度方向上，四个第二压敏电阻10分别正对下表面的四个第一压敏电阻4，且四个第二压敏电阻10的排列方向分别与第一压敏电阻4正交。第一衬底1上表面设有电极层12，四个第二压敏电阻11的两端分别与对应的电极层12电连接，四个第一压敏电阻4的两端分别通过金属引线与对应的电极层12电连接，金属引线上设有绝缘层。位于第一衬底1下表面的四个第一压敏电阻4构成第一惠斯通电桥，位于第一衬底1上表面的四个第二压敏电阻10构成第二惠斯通电桥，如图2所示。
具体的，第一衬底1的材料为单晶硅，厚度为10-50μm。第二衬底8的材料为单晶硅或玻璃，优选为BF33型玻璃片，厚度为200-1000μm。设第二衬底8上表面中央的空腔9深度为1-50μm。四个第一压敏电阻4设置在第一衬底1的下表面，并且正对空腔9的边缘中心，这样做的目的是将压敏电阻设置在敏感薄膜13的应力最大处，从而尽可能提高压力传感器的灵敏度。
金属引线由位于第一衬底1下方的引线层6以及垂直穿过第一衬底1的金属填充层5连接构成。八个金属填充层5分别相对于四个第一压敏电阻4对称设置在敏感薄膜13边缘的两侧，为了便于电镀填充孔结构，材料优选为Cu，厚度与第一衬底1相同，结合当前深槽刻蚀和孔填充工艺的能力，宽度设置为2-10μm。
在金属填充层5的四周包裹有第一绝缘层2，在引线层6与第一衬底1之间的为第二绝缘层3，在引线层6的下表面的为第三绝缘层7，第一绝缘层2、第二绝缘层3以及第三绝缘层7的材料为二氧化硅或氮化硅，厚度为50-200nm。第一绝缘层2与第二绝缘层3的作用是实现引线层6和金属填充层5与第一衬底1之间的电气隔离。第三绝缘层7的作用是实现引线层6与第二衬底8之间的电气隔离。
第一衬底1的上表面还覆盖有一层第四绝缘层11。第四绝缘层11的作用是实现电极层12与第一衬底1之间的电气隔离，同时也作为第二压敏电阻10的钝化层，用于保护第二压敏电阻10，提高传感器的稳定性。引线层6与第一衬底1之间的第二绝缘层3的厚度和材料均与第一衬底1的上表面的第四绝缘层11相同，这样可以起到应力补偿的作用，以提高传感器的机械强度和可靠性。
引线层6的材料优选Al、Ti、Au、Cu、Pt的一种，厚度为100-500nm。引线层6与金属填充层5实现电气互联，作用是实现第一压敏电阻4的电极引出。电极层12设置在金属填充层5和第二压敏电阻10的上方，材料为金属，优选为Al、Ti、Au、Cu、Pt的一种，厚度为100-500nm。电极层12作用是实现金属填充层5和第二压敏电阻10的电极引出。
本发明的一种高灵敏度MEMS压阻式压力传感器的工作原理如下：
敏感薄膜13在外界压力的作用下产生形变，敏感薄膜13的形变导致位于其上、下表面的压敏电阻产生应变，基于压阻效应，压敏电阻的阻值发生相应的变化，敏感薄膜13上下表面的应力方向相反，而敏感薄膜上下表面相对应的压敏电阻两两排布互成90°，对应压敏电阻起主导作用的压阻系数符号也相反，因此起到负负得正的效果，敏感薄膜13上下表面对应位置的压敏电阻阻值变化的大小和方向均相同，从而上下表面各四个电阻分别构成两个相同的惠斯通电桥，相比于单层压敏电阻构成单个惠斯通电桥可以得到两倍的电学输出，从而在不改变薄膜结构，不降低传感器其他性能的前提下，有效提升了传感器的灵敏度。
上述双电桥结构MEMS压阻式压力传感器的制备方法，包括：
步骤1：选用300μm厚的N型(100)硅片作为第一衬底1，如图4所示。
步骤2：通过光刻和DRIE(Deep Reactive Ion Etching，深反应离子刻蚀)在第一衬底1形成宽5μm，深40μm的八个盲孔，如图5所示。
步骤3：通过热氧化在盲孔的内表面制备一层厚度为200nm的二氧化硅作为第一绝缘层2，在第一衬底1上表面制备一层厚度为200nm的二氧化硅作为第二绝缘层3，如图6所示。
步骤4：通过光刻和RIE(Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀)在第二绝缘层3上刻蚀出压敏电阻区和阳极键合区，并通过硼离子注入在压敏电阻区完成四个第一压敏电阻4的制备，如图7所示。
步骤5：通过磁控溅射在各盲孔内的第一绝缘层2上制备20nm Ti和100nm Cu分别作为阻挡层和种子层，并通过电镀Cu填充盲孔形成金属填充层5，再通过CMP(ChemicalMechanical Polishing，化学机械抛光)工艺去除多余的Cu，提高第一衬底1上表面的平整度，如图8所示。
步骤6：通过光刻和磁控溅射在第二绝缘层3上制备连接到各第一压敏电阻4的20nm的Cr和180nm的Au作为引线层6，如图9所示。
步骤7：通过光刻和PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)在各引线层6的外表面制备厚度为200nm氮化硅作为第三绝缘层7，如图10所示。
步骤8：选用500μm厚的BF33型玻璃片作为第二衬底8，通过光刻和RIE在第二衬底8的上表面中央形成深度为50μm的凹槽，如图11所示。
步骤9：通过阳极键合的方式，将第二衬底8与倒置的第一衬底1紧密贴合，形成空腔9，如图12所示。
步骤10：通过CMP工艺将倒置的第一衬底1减薄至40μm，露出金属填充层5中的金属，如图13所示。
步骤11：通过硼离子注入，在倒置后的第一衬底1上表面制备四个第二压敏电阻10，如图14所示。
步骤12：通过PECVD在倒置后的第一衬底1上表面制备二氧化硅作为第四绝缘层11，如图15所示。
步骤13：通过光刻在第四绝缘层11上形成接触孔，并通过磁控溅射在第四绝缘层11上制备20nm的Cr和180nm作为电极层12，完成器件的制备，如图3所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种双电桥结构MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，包括第一衬底(1)，第一衬底(1)下方设有第二衬底(8)，所述第二衬底(8)上表面中央设有空腔(9)，所述空腔(9)上方正对的所述第一衬底(1)部分形成敏感薄膜(13)；在所述第一衬底(1)下表面设置四个第一压敏电阻(4)，四个第一压敏电阻(4)分别正对所述空腔(9)的四条边缘的中心位置，且四个第一压敏电阻(4)的排列方向一致；在所述第一衬底(1)的上表面设置四个第二压敏电阻(10)，在沿所述敏感薄膜(10)厚度方向上，四个第二压敏电阻(10)分别正对下表面的四个第一压敏电阻(4)，且四个第二压敏电阻(10)的排列方向分别与第一压敏电阻(4)正交；所述第一衬底(1)上表面设有电极层(12)，四个第二压敏电阻(11)的两端分别与对应的电极层(12)电连接，四个第一压敏电阻(4)的两端分别通过金属引线与对应的电极层(12)电连接，所述金属引线上设有绝缘层；位于所述第一衬底(1)下表面的四个第一压敏电阻(4)构成第一惠斯通电桥，位于所述第一衬底(1)上表面的四个第二压敏电阻(10)构成第二惠斯通电桥。
2.根据权利要求1所述的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述金属引线由位于所述第一衬底(1)下方的引线层(6)以及垂直穿过所述第一衬底(1)的金属填充层(5)连接构成。
3.根据权利要求1所述的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述第一衬底(1)的上表面还覆盖有一层绝缘层(11)。
4.根据权利要求3所述的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述引线层(6)与第一衬底(1)之间的绝缘层(3)的厚度和材料均与所述第一衬底(1)的上表面的绝缘层(11)相同。
5.根据权利要求1-4任一所述的双电桥结构MEMS压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：选用N型(100)硅片作为第一衬底(1)；
步骤2：通过光刻和深反应离子刻蚀在第一衬底(1)形成八个盲孔；
步骤3：通过热氧化在盲孔的内表面制备一层二氧化硅作为第一绝缘层(2)，在第一衬底(1)上表面制备一层二氧化硅作为第二绝缘层(3)；
步骤4：通过光刻和反应离子刻蚀在第二绝缘层(3)上刻蚀出压敏电阻区和阳极键合区，并通过硼离子注入在压敏电阻区完成四个第一压敏电阻(4)的制备；
步骤5：通过磁控溅射在各盲孔内的第一绝缘层(2)上制备Ti和Cu分别作为阻挡层和种子层，并通过电镀Cu填充盲孔形成金属填充层(5)；
步骤6：通过光刻和磁控溅射在第二绝缘层(3)上制备连接到各第一压敏电阻(4)的Cr和Au作为引线层(6)；
步骤7：通过光刻和等离子体增强化学气相沉积在各引线层(6)的外表面制备氮化硅作为第三绝缘层(7)；
步骤8：选用BF33型玻璃片作为第二衬底(8)，通过光刻和反应离子刻蚀在第二衬底(8)的上表面中央形成凹槽；
步骤9：通过阳极键合的方式，将第二衬底(8)与倒置的第一衬底(1)紧密贴合，形成空腔(9)；
步骤10：通过化学机械抛光工艺将倒置的第一衬底(1)减薄至露出金属填充层(5)中的金属；
步骤11：通过硼离子注入，在倒置后的第一衬底(1)上表面制备四个第二压敏电阻(10)；
步骤12：通过等离子体增强化学气相沉积在倒置后的第一衬底(1)上表面制备二氧化硅作为第四绝缘层(11)；
步骤13：通过光刻在第四绝缘层(11)上形成接触孔，并通过磁控溅射在第四绝缘层(11)上制备Cr和Au作为电极层(12)，完成器件的制备。
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