梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片及制造方法技术

一种梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片及制造方法，特点是在单一硅片正面制作谐振梁在背面制作压力敏感膜，谐振梁由两个半岛结构支撑，通过多孔硅牺牲层技术实现，材料选用低应力厚氮化硅。这样不仅简化微谐振式压力传感器的制作工艺，而且提高了压力灵敏度。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微结构传感器的制造方法，特别是一种梁膜一体结构的谐振式压力传感器芯片的制造方法。
技术介绍
微机械谐振式压力传感器因其精度高、稳定性好、体积小、易批量生产等一些优良的特性，被誉为新一代的压力传感器，是微电子机械(MEMS)技术继压阻式压力传感器之后的又一项典型应用。为了隔离待测介质及增加了压力灵敏度，微谐振式压力传感器通常并不直接反映压力的变化，即外加待测压力并不直接作用于谐振器，而是通过压力膜间接改变谐振器的刚度，从而改变谐振频率，属于二次敏感原理。其制造方法有两大类，一类是梁膜分体，需要两块硅片，通过减薄键合等工艺再结合成一整体，缺点是涉及键合，工艺复杂，成品率不高；另一类应用表明微机械技术，在单一硅片上完成梁膜的制作，常用牺牲层技术释放谐振梁，牺牲层可以是二氧化硅、多晶硅、多孔硅等，其中多孔硅因制作、去除相对容易，而且厚度可以达到几百微米，而受到广泛的关注。在牺牲层厚度的选择上存在矛盾，如果牺牲层太薄，横向钻蚀释放谐振梁就比较困难，还存在粘连现象，就是梁与下面的衬底层粘在一起，影响梁的振动。而如果牺牲层太厚，压力膜的厚度就不能很小，至少大于牺牲层的厚度，这就限制的传感器灵敏度的提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述方法的缺点，提供一种梁膜一体结构谐振式压力传感器芯片及制造方法，设法改变传感器的结构，消除了牺牲层厚度限制灵敏度提高的影响，既简化工艺，降低工艺难度，同时又能保证有较高的压力灵敏度。本专利技术的目的是通过以下方法实现的本专利技术一种梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片，其特征在于，其中包括一硅片，硅片上制作有一层氮化硅薄膜；在氮化硅薄膜和硅片上开有一凹槽，该凹槽概似一工字形，形成两矩形半岛，该两矩形半岛上的氮化硅连通为谐振梁；该硅片上开的凹槽周围为矩形框架，该凹槽的底部为矩形压力膜。其中所述的硅片为低电阻率单晶硅片。其中所述的氮化硅薄膜是低压化学气相沉积生长的低应力厚氮化硅，厚度2微米以上。其中所述的半岛是长方体形，宽度是谐振梁的3倍以上。本专利技术一种梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤1)在P型(100)晶向低电阻率的双面抛光单晶硅片上，采用低压化学气相沉积方法沉积低应力厚氮化硅薄膜，用于制作谐振梁；2)应用光刻剥离方法溅射铂电阻，制作激振、拾振及测温电阻，蒸发或溅射金作电极引线；3)反应离子刻蚀氮化硅，制作氮化硅梁及半岛结构，阳极氧化生长多孔硅，利用多孔硅生长的横向钻蚀特性，使氮化硅梁底下的硅都变成多孔硅；4)在硅片背面各向同性或各向异性腐蚀C型硅杯感压膜形成硅框架，用稀氢氧化钾溶液腐蚀多孔硅以释放出氮化硅梁，完成压力传感器芯片的制造。其中所述的硅片为低电阻率单晶硅片。其中所述的氮化硅薄膜是低压化学气相沉积生长的低应力厚氮化硅，厚度2微米以上。其中所述的激振、拾振电阻及测温电阻均采用铂薄膜电阻。其中所述的氮化硅谐振梁由两个半岛结构支撑。其中通过多孔硅阳极氧化技术制作正面半岛型结构。其中多孔硅的生长深度保证氮化硅梁底下的单晶硅全部多孔化。其中所述的半岛是长方体形，宽度是梁宽的3倍以上，厚度与多孔硅深度相同。附图说明图1是本专利技术新型梁膜一体结构谐振式压力传感器芯片结构示意图；图2是本专利技术梁膜一体结构谐振式压力传感器芯片制造工艺流程图。具体实施例方式请参阅图1所示，本专利技术一种梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片，其中包括一硅片11，硅片11上制作有一层氮化硅薄膜12，所述的硅片11为低电阻率单晶硅片；所述的氮化硅薄膜12是低压化学气相沉积LPCVD生长的低应力厚氮化硅，厚度2微米以上。在氮化硅薄膜12和硅片11上开有一凹槽17，该凹槽17概似一工字形，形成两矩形半岛14，该两矩形半岛14上的氮化硅12连通为谐振梁13；所述的半岛14是长方体形，宽度是谐振梁13的3倍以上。该硅片11上开的凹槽17周围为矩形框架16，该凹槽17的底部为矩形压力膜15。请参阅图2，本专利技术一种梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片的制造方法，包括以下步骤1)在P型(100)晶向低电阻率的双面抛光单晶硅片21上，采用低压化学气相沉积方法沉积低应力厚氮化硅薄膜22，用于制作谐振梁(图2a)；所述的硅片21为低电阻率单晶硅片；所述的氮化硅薄膜22是低压化学气相沉积生长的低应力厚氮化硅，厚度2微米以上；2)应用光刻剥离方法溅射铂电阻，制作激振、拾振及测温电阻23，蒸发或溅射金作电极引线24(图2b)；所述的激振、拾振电阻及测温电阻23均采用铂薄膜电阻；3)反应离子刻蚀氮化硅22，制作氮化硅梁及半岛结构，阳极氧化生长多孔硅25，利用多孔硅生长的横向钻蚀特性，使氮化硅梁底下的硅都变成多孔硅25(图2c)；多孔硅25的生长深度保证氮化硅梁底下的单晶硅全部多孔化；所述的半岛是长方体形，宽度是梁宽的3倍以上，厚度与多孔硅深度相同；所述的氮化硅谐振梁由两个半岛结构支撑；该半岛结构是通过多孔硅阳极氧化技术制作正面半岛型结构；4)在硅片背面各向同性或各向异性腐蚀C型硅杯感压膜26形成硅框架27，用稀氢氧化钾(KOH)溶液腐蚀多孔硅以释放出氮化硅梁，完成压力传感器芯片的制造(图2d)。本专利技术改进谐振梁结构设计，使梁仅由两个半岛支撑，并通过多孔硅牺牲层技术实现梁的释放，无需键合与减薄工艺即可完成谐振式压力传感器芯片的制造，同时保证有较高的灵敏度。这对提高成品率，降低成本，实现批量生产有重要的意义。有限元模拟分析及实验结果证实了采用这种新型结构的有效性。权利要求1.一种梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片，其特征在于，其中包括一硅片，硅片上制作有一层氮化硅薄膜；在氮化硅薄膜和硅片上开有一凹槽，该凹槽概似一工字形，形成两矩形半岛，该两矩形半岛上的氮化硅连通为谐振梁；该硅片上开的凹槽周围为矩形框架，该凹槽的底部为矩形压力膜。2.按权利要求1所述的梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片，其特征在于，其中所述的硅片为低电阻率单晶硅片。3.按权利要求1所述的梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片，其特征在于，其中所述的氮化硅薄膜是低压化学气相沉积生长的低应力厚氮化硅，厚度2微米以上。4.按权利要求1所述的梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片，其特征在于，其中所述的半岛是长方体形，宽度是谐振梁的3倍以上。5.一种梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤1)在P型(100)晶向低电阻率的双面抛光单晶硅片上，采用低压化学气相沉积方法沉积低应力厚氮化硅薄膜，用于制作谐振梁；2)应用光刻剥离方法溅射铂电阻，制作激振、拾振及测温电阻，蒸发或溅射金作电极引线；3)反应离子刻蚀氮化硅，制作氮化硅梁及半岛结构，阳极氧化生长多孔硅，利用多孔硅生长的横向钻蚀特性，使氮化硅梁底下的硅都变成多孔硅；4)在硅片背面各向同性或各向异性腐蚀C型硅杯感压膜形成硅框架，用稀氢氧化钾溶液腐蚀多孔硅以释放出氮化硅梁，完成压力传感器芯片的制造。6.按权利要求5所述的梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片的制造方法，其特征在于，其中所述的硅片为低电阻率单晶硅片。7.按权利要求5所述的梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片的制造方法，其特征在于，其中所述的氮化硅薄膜是低压化学气相沉积生长的低应力厚氮化硅，厚度2微米以上。8.按权利要求5所述的梁膜一体结构谐振梁压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片，其特征在于，其中包括：一硅片，硅片上制作有一层氮化硅薄膜；在氮化硅薄膜和硅片上开有一凹槽，该凹槽概似一工字形，形成两矩形半岛，该两矩形半岛上的氮化硅连通为谐振梁；该硅片上开的凹槽周围为矩形框 架，该凹槽的底部为矩形压力膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈德勇，崔大付，王利，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]