一种压阻式压力传感器及其制造方法技术

一种压阻式压力传感器及其制造方法。本发明专利技术提供了一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式压力传感器，所述的传感器具有第一键合玻璃-硅基-第二键合玻璃三明治结构；所述硅基通过采用表面微加工技术与体微加工技术制造带有淡硼扩散压阻的膈膜作为压阻式压力传感器结构，并且利用二次阳极键合技术进行圆片级封装，第一次阳极键合采用硅-玻璃阳极键合，第二次阳极键合利用非晶硅-玻璃阳极键合技术的封装解决了传统硅-玻璃阳极键合过程中容易击穿硅表面PN结和产生离子污染等缺点；本发明专利技术压力传感器结构新颖、重量轻、体积小、稳定性好、抗污染能力强、可靠性好，在航空航天、军事、汽车、环境监测等领域具有一定的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
(一）
本专利技术涉及MEMS (微机电系统）传感器领域中的压力传感器及其制造方法，具体 涉及一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式压力传感器及其制造方法。 (二）
技术介绍
MEMS压力传感器由于体积小、质量轻、成本低、可靠性高等优点，在航空航天、环境 监测、军事、汽车等领域备受关注，尤其对器件体积、质量及可靠性有很高要求的航空航天 及兵器科学领域有很大的应用前景。MEMS压阻式压力传感器体积小，线性好，测量压力的范 围也宽，直接输出电压信号，相比电容式压力传感器，不需要复杂的电路接口，大批量生产 时价格低廉，可重复生产性好，可直接测量连续的压力和稳态压力。然而，应用环境的复杂 和恶劣导致MEMS压力传感器的可靠性逐渐成为器件设计时主要考虑的问题之一，传感器 长期稳定性和可靠性对于器件应用来说非常重要。基于此，有必要专利技术一种MEMS压阻式压 力传感器芯片，以保证压力传感器在应用时的稳定性与可靠性。 (三）
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于阳极键合封装技术、表面微加工、体微加工工艺的 MEMS压阻式压力传感器芯片，以保证压力传感器在应用时的可靠性。 为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案： -种基于阳极键合封装的MEMS压阻式压力传感器，所述的传感器具有第一键合 玻璃-硅基-第二键合玻璃三明治结构；所述的硅基内部形成有压阻式压力传感器膈膜，硅 基的正面形成有压阻式压力传感器的压阻区域，所述压阻式压力传感器的压阻区域位于压 阻式压力传感器膈膜的上表面，并且注入有淡硼形成4根淡硼扩散压阻，同时淡硼扩散压 阻的内部注入有浓硼形成浓硼欧姆接触区，所述压阻式压力传感器压阻区域的上方沉积有 二氧化娃层，二氧化娃层上方沉积有氮化娃层，所述的二氧化娃层和氮化娃层一起作为绝 缘钝化层，所述的绝缘钝化层开有引线孔，利用金属导线连通压阻区域，并且压阻式压力传 感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻通过金属导线构成惠斯顿全桥连接，所述绝缘钝化层的 上方沉积有非晶硅，所述的非晶硅与第一键合玻璃阳极键合；所述硅基的正面还形成有浓 硼导线，所述浓硼导线的上方连接有金属管脚，浓硼导线将传感器工作区与金属管脚连通， 所述硅基的背面与第二键合玻璃阳极键合，所述的第二键合玻璃带有通气孔，并且所述的 通气孔位于压阻式压力传感器膈膜的下方。 本专利技术MEMS压阻式压力传感器，优选所述的硅基为η型（100)硅片；优选所述绝 缘钝化层的上方沉积的非晶硅的厚度为2?4 μ m。 本专利技术MEMS压阻式压力传感器的工作原理如下：本专利技术MEMS压阻式压力传感器 主要基于硼掺杂后单晶硅的压阻特性，压阻式压力传感器悬臂梁上的淡硼扩散压阻受到力 的作用后，电阻率发生变化，通过惠斯顿全桥可以得到正比于力变化的电信号输出，通过测 量电信号输出就能知道所测物理量的大小。本专利技术中我们向η型（100)晶向硅片注入硼来 实现P型压阻，利用PN结实现压阻的隔绝，由于压阻的压阻系数的各向异性，不同方向的 应力对压阻有不同的影响，为了尽可能增加灵敏度，本专利技术所述的MEMS压阻式压力传感器 压阻区域的淡硼扩散压阻的排布方式为：纵向沿硅基的（1，1，〇)晶向方向、横向沿硅基的 (1，-1，〇)晶向方向分布，纵向压阻系数、横向压阻系数分别为71. 8, -66. 3。 本专利技术压阻式压力传感器采用长方膜设计，4根淡硼扩散压阻平行排布，充分利用 横向压阻效应，这样的压阻式压力传感器具有桥臂阻值分布均匀，输出线性度和一致性较 好的优点，当然，根据不同的灵敏度需要，所述的淡硼扩散压阻可以采用不同的分布方式。 本专利技术压阻式压力传感器的4根淡硼扩散压阻通过金属导线连接构成惠斯顿全桥，并且， 压阻式压力传感器金属管脚的一种连接方式为：第一管脚接压阻式压力传感器输出正，第 二管脚接地，第三管脚接压阻式压力传感器输出负，第四管脚接电源正极。 本专利技术还提供了一种所述的基于阳极键合封装的压阻式压力传感器的制造方法， 所述的制造方法按如下步骤进行： a)取娃片作为娃基，双面抛光，清洗，先双面沉积一层二氧化娃，再双面沉积一层 氮化硅； b)正面干法刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基顶面； c)正面热氧长一层二氧化硅保护层，正面光刻胶作掩膜光刻出压阻式压力传感器 的压阻区域，然后注入淡硼，形成淡硼扩散压阻，去除光刻胶； d)正面光刻胶作掩膜光刻出浓硼导线区域，并在淡硼扩散压阻区域光刻出浓硼欧 姆接触区域，然后注入浓硼，形成硅基内部的浓硼导线，以及在淡硼扩散压阻内部形成浓硼 欧姆接触区，去除光刻胶，退火； e)先双面沉积一层二氧化硅，再双面沉积一层氮化硅，正面的二氧化硅层和氮化 娃层一起作为绝缘钝化层； f)正面光刻胶作掩膜光刻出分片槽区域，干法反应离子刻蚀（RIE)氮化硅、二氧 化硅至硅基顶面，露出分片槽区域硅基； g)正面沉积一层非晶硅，在分片槽区域非晶硅与硅基直接接触； h)正面光刻胶作掩膜光刻出传感器工作区域以及金属管脚区域图形，RIE刻蚀非 晶硅至氮化硅层，去除光刻胶； i)正面光刻胶作掩膜光刻出引线孔，干法RIE刻蚀氮化硅、二氧化硅层至硅基顶 面，去除光刻胶，形成引线孔； j)正面沉积金属导线层，正面光刻胶作掩膜光刻出金属导线及金属管脚图形，腐 蚀没有光刻胶覆盖区域的金属，去除光刻胶，合金化处理，形成金属导线及金属管脚； k)背面光刻胶作掩膜光刻出腐蚀硅窗口，RIE刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基底面， 去除光刻胶； 1)氮化硅、二氧化硅层作掩膜湿法腐蚀硅基形成压阻式压力传感器背腔； m)干法RIE刻蚀背面剩余的氮化硅、二氧化硅至硅基底面，背面进行硅-玻璃阳极 键合； η)正面进行非晶硅-玻璃阳极键合； 〇)划片，实现单个芯片的封装，划片分两次完成：第一次划片，去除金属管脚上方 玻璃；第二次划片划去分片槽中结构，分离单个芯片，完成封装。 本专利技术基于阳极键合封装的压阻式压力传感器的制造方法，步骤m)中，推荐背面 进行硅-玻璃阳极键合的工艺参数为：电压300?500V，电流15?20mA，温度300?400°C， 压力2000?3000N，时间5?lOmin。 本专利技术基于阳极键合封装的压阻式压力传感器的制造方法，步骤η)中，推荐正面 进行非晶硅-玻璃阳极键合的工艺参数为：电压450?1000V，电流15?25mA，温度300? 400°C，压力 2000 ?3000N，时间 15 ?25min。 本专利技术所述的阳极键合技术是一种现有技术，该技术是本领域技术人员所熟知 的，其工作原理为：将直流电源正极接硅片，负极接玻璃片，由于玻璃在一定高温下的性 能类似于电解质，而硅片在温度升高到300°C?400°C时，电阻率将因本征激发而降至 0. 1Ω ·πι，此时玻璃中的导电粒子（如Na+)在外电场作用下漂移到负电极的玻璃表面，而 在紧邻硅片的玻璃表面留下负电荷，由于Na+的漂移使电路中产生电流流动，紧邻硅片的玻 璃表面会形成一层极薄的宽度约为几微米的空间电荷区（或称耗尽层）。由于耗尽层带负 电荷，硅片带正电荷，所以硅片与玻璃之间存在着较大的静电吸引力，使两者紧密接触，并 在键合面发生物理化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于所述的传感器具有第一键合玻璃‑硅基‑第二键合玻璃三明治结构；所述的硅基内部形成有压阻式压力传感器膈膜，硅基的正面形成有压阻式压力传感器的压阻区域，所述压阻式压力传感器的压阻区域位于压阻式压力传感器膈膜的上表面，并且注入有淡硼形成4根淡硼扩散压阻，同时淡硼扩散压阻的内部注入有浓硼形成浓硼欧姆接触区，所述压阻式压力传感器压阻区域的上方沉积有二氧化硅层，二氧化硅层上方沉积有氮化硅层，所述的二氧化硅层和氮化硅层一起作为绝缘钝化层，所述的绝缘钝化层开有引线孔，利用金属导线连通压阻区域，并且压阻式压力传感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻通过金属导线构成惠斯顿全桥连接，所述绝缘钝化层的上方沉积有非晶硅，所述的非晶硅与第一键合玻璃阳极键合；所述硅基的正面还形成有浓硼导线，所述浓硼导线的上方连接有金属管脚，浓硼导线将传感器工作区与金属管脚连通，所述硅基的背面与第二键合玻璃阳极键合，所述的第二键合玻璃带有通气孔，并且所述的通气孔位于压阻式压力传感器膈膜的下方。

【技术特征摘要】
1. 一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于所述的传感器具有 第一键合玻璃-硅基-第二键合玻璃三明治结构；所述的硅基内部形成有压阻式压力传感 器膈膜，硅基的正面形成有压阻式压力传感器的压阻区域，所述压阻式压力传感器的压阻 区域位于压阻式压力传感器膈膜的上表面，并且注入有淡硼形成4根淡硼扩散压阻，同时 淡硼扩散压阻的内部注入有浓硼形成浓硼欧姆接触区，所述压阻式压力传感器压阻区域的 上方沉积有二氧化硅层，二氧化硅层上方沉积有氮化硅层，所述的二氧化硅层和氮化硅层 一起作为绝缘钝化层，所述的绝缘钝化层开有引线孔，利用金属导线连通压阻区域，并且压 阻式压力传感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻通过金属导线构成惠斯顿全桥连接，所述绝 缘钝化层的上方沉积有非晶娃，所述的非晶娃与第一键合玻璃阳极键合；所述娃基的正面 还形成有浓硼导线，所述浓硼导线的上方连接有金属管脚，浓硼导线将传感器工作区与金 属管脚连通，所述硅基的背面与第二键合玻璃阳极键合，所述的第二键合玻璃带有通气孔， 并且所述的通气孔位于压阻式压力传感器膈膜的下方。2. 如权利要求1所述的基于阳极键合封装的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于所 述的压阻式压力传感器压阻区域的淡硼扩散压阻的排布方式为：纵向沿硅基的（1，1，〇) 晶向方向、横向沿硅基的（1，_1，〇)晶向方向分布，纵向压阻系数、横向压阻系数分别为 71. 8λ -66. 3〇3. 如权利要求1所述的基于阳极键合封装的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于所 述的压阻式压力传感器采用长方膜设计，压阻式压力传感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻 平行排布。4. 如权利要求1所述的基于阳极键合封装的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于所述 的金属管脚有4个，第一管脚接压阻式压力传感器输出负，第二管脚接地，第三管脚接压阻 式压力传感器输出正，第四管脚接电源正极。5. 如权利要求1?4所述的基于阳极键合封装的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于 所述的娃基为η型（100)娃片。6. 如权利要求1?4所述的基于阳极键合封装的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于 所述的绝缘钝化层上方沉积的非晶硅的厚度为2?4 μ m。7. 如权利要求1所述的基于阳极键合封装的MEMS压阻式压力传感器的制造方法，其特 征在于所述的制造方法按如下步骤进行： a) 取娃片作为娃基，双面抛光，清洗，先双面沉积一层二氧化娃...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋恒，孙笠，董健，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33