一种碳化硅MEMS温压复合式传感器芯片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳化硅MEMS温压复合式传感器芯片及其制备方法，传感器芯片包括外围压力测量单元和中心温度测量单元；压力测量单元由带凸起岛的碳化硅基底，背面刻蚀有圆形背腔形成压力敏感膜片，凸起岛和压力敏感膜片构成了膜岛结构，在凸起岛之外，压力敏感膜片之内，沿着压力敏感膜片根部圆周对称布置四个压阻条；温度测量单元包括基底凸起岛以及布置在其上的薄膜热电偶；当压力作用在芯片上时，压力测量单元通过半导体压阻效应及惠斯通电桥将压力转变成电信号输出，同时温度测量单元通过金属薄膜热电偶塞贝克效应将温度转换成热电势输出，以此完成高温下压力和温度的实时检测，具有耐高温、微型化、灵敏度高、稳定性好等优点。优点。优点。

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅MEMS温压复合式传感器芯片及其制备方法


[0001]本专利技术属于MEMS传感器
，具体涉及一种碳化硅MEMS温压复合式传感器芯片及其制备方法。

技术介绍

[0002]在航空航天、地热开发、燃气轮机等领域，对高温环境压力和温度的测量提出了更高的要求，特别是在航空发动机和燃气轮机燃烧室内，实时测量压力和温度对于监测发动机性能、提高燃烧效率、设计和改进新一代发动机至关重要。目前常见的高温下压力和温度的测量分别采用耐高温压力传感器和温度传感器单独测量，芯片制造成本高、对传感器安装空间要求大、引线复杂。且由于材料属性限制，目前主流的硅基压力传感器耐温一般不超过300℃，对于温度一般超过500℃的燃烧室环境，需要另加冷却装置才能使用。随着MEMS技术的发展，温度和压力集成传感器开始出现，但基本都是在一个芯片上分为左右两个单元分别测量温度和压力，芯片空间利用率不高，且受硅基材料属性限制，目前压力传感器适用温度不高。

技术实现思路

[0003]本专利技术为了克服上述技术缺点，提出一种碳化硅MEMS温压复合式传感器芯片及其制备方法，能达到同时测量高温下温度和压力的目的，具备耐高温、微型化的优点。
[0004]为达到上述目的，本专利技术一种碳化硅MEMS温压复合式传感器芯片，包括集成在同一个碳化硅芯片上的温度测量单元和压力测量单元；
[0005]压力测量单元包括碳化硅基底和设置在碳化硅基底上的绝缘层，绝缘层上设有金属欧姆接触电路，碳化硅基底背面设有背腔，背腔的底面为压力敏感膜片，压力敏感膜片上方设有凸起岛，凸起岛为温度测量单元基底，在凸起岛与压力敏感膜片之间，沿着压力敏感膜片根部沿周向设置四个压阻条，四个压阻条通过金属欧姆接触电路连接成惠斯通电桥；
[0006]温度测量单元包括凸起岛以及布置在凸起岛上的薄膜热电偶正极和薄膜热电偶负极，薄膜热电偶正极和薄膜热电偶负极头部交叠，交叠部分形成热结，薄膜热电偶正极的末端引脚和薄膜热电偶负极的末端引脚构成薄膜热电偶冷端，冷端通过金属引线与外部电路连接。
[0007]进一步的，凸起岛的上端面高于上绝缘层的上端面。
[0008]进一步的，薄膜热电偶正极和薄膜热电偶负极长度相等。
[0009]进一步的，薄膜热电偶正极和薄膜热电偶负极为折形结构。
[0010]进一步的，薄膜热电偶冷端引脚宽度大于薄膜热电偶正极和薄膜热电偶负极的宽度。
[0011]进一步的，的薄膜热电偶正极的头部宽度大于薄膜热电偶负极的头部宽度。
[0012]进一步的，温度测量单元基底、薄膜热电偶正极和薄膜热电偶负极上溅射氧化铝保护层。
[0013]上述的碳化硅MEMS温压复合式传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
[0014]步骤1、取一片n型碳化硅晶圆，制成碳化硅基底；
[0015]步骤2、在碳化硅基底的Si面刻蚀出凸起岛；
[0016]步骤3、在碳化硅基底上外延一层绝缘层，在绝缘层外延一层n型SiC；
[0017]步骤4、在n型SiC上刻蚀四个压阻条；
[0018]步骤5、在凸起岛之外正面沉积SiO2层；
[0019]步骤6、在SiO2层上溅射金属层，再图形化金属层，然后高温退火，形成金属欧姆接触电路；
[0020]步骤7、在凸起岛上旋涂光刻胶，图形化光刻胶，露出左半边基底的部分为薄膜热电偶正极的图形部分；
[0021]步骤8、在薄膜热电偶正极的图形部分上磁控溅射钨铼合金，形成薄膜热电偶正极；
[0022]步骤9、在薄膜热电偶正极的凸起岛上旋涂光刻胶，图形化光刻胶，露出右半边基底的部分为薄膜热电偶负极的图形部分；
[0023]步骤10、在薄膜热电偶负极的图形部分磁控溅射钨铼合金，形成薄膜热电偶负极，薄膜热电偶负极与薄膜热电偶正极头部交叠形成热结；
[0024]步骤11、在薄膜热电偶上溅射氧化铝保护层，溅射氧化铝保护层时，露出薄膜热电偶冷端；
[0025]步骤12、碳化硅基底背面刻蚀圆形背腔，形成压力敏感膜片。
[0026]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果：
[0027]本专利技术将碳化硅MEMS压力传感器和超高温薄膜热电偶集成在一个碳化硅芯片上，形成温压复合式的MEMS传感器，降低了芯片的制造成本，且可以用来同时检测高温等极端恶劣条件下的温度和压力，稳定性好。
[0028]凸起岛和压力测量单元感应膜片一起构成中心膜岛结构，凸起岛在压力测量单元感应膜片上产生结构压力，使得当外界压力作用在膜岛结构上时，凸起岛外的压力测量单元感应膜片上应力更大，因而感应膜片上的压阻条应力集中效应更加明显，传感器的灵敏度更高。同时，由于凸起岛的存在，在外界压力作用下压力测量单元感应膜片的变形不会很大，降低了传感器的非线性度。因此，中心膜岛结构有效地克服了微压下灵敏度和非线性的矛盾，可用于高温下微压和温度的测量，灵敏度高。
[0029]进一步的，温度测量单元的薄膜热电偶电极设计成折型，获得更大的薄膜热电偶电极长度，提高了温度测量的可靠性，同时，合理利用了芯片面积，有利于减小芯片尺寸。
[0030]进一步的，在压力敏感单元设计中心凸起岛结构作为温度测量单元的基底，可有效减小压力造成的温度基底变形，从而减小压力对温度测量的交叉影响。
[0031]本专利技术所述的方法，在压力单元基底上刻蚀出温度单元基底，然后再分别进行外延等步骤制作压力测量单元和温度测量单元，最终实现将压力测量单元和温度测量单元制作在同一个芯片上。
附图说明
[0032]图1为本专利技术芯片整体结构示意图；
[0033]图2为本专利技术芯片剖面示意图；
[0034]图3为本专利技术芯片正视图；
[0035]图4为本专利技术的制备方法流程示意图。
[0036]附图中：100
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碳化硅基底，101
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绝缘层，102
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金属欧姆接触电路，103
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背腔104
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压力敏感膜片，105
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压阻条，200
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凸起岛，201
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薄膜热电偶正极；202
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薄膜热电偶负极，203
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热结，204
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薄膜热电偶冷端；205
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保护层。
具体实施方式
[0037]为了使本专利技术的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本专利技术进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术。
[0038]在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅MEMS温压复合式传感器芯片，其特征在于，包括集成在同一个碳化硅芯片上的温度测量单元和压力测量单元；所述压力测量单元包括碳化硅基底(100)和设置在碳化硅基底(100)上的绝缘层(101)，绝缘层(101)上设有金属欧姆接触电路(102)，碳化硅基底(100)背面设有背腔(103)，背腔(103)的底面为压力敏感膜片(104)，压力敏感膜片(104)上方设有凸起岛(200)，凸起岛(200)为温度测量单元基底，在凸起岛(200)与压力敏感膜片(104)之间，沿着压力敏感膜片(104)根部沿周向设置四个压阻条(105)，四个压阻条(105)通过金属欧姆接触电路(102)连接成惠斯通电桥；所述温度测量单元包括凸起岛(200)以及布置在凸起岛(200)上的薄膜热电偶正极(201)和薄膜热电偶负极(202)，薄膜热电偶正极(201)和薄膜热电偶负极(202)头部交叠，交叠部分形成热结(203)，薄膜热电偶正极(201)的末端引脚和薄膜热电偶负极(202)的末端引脚构成薄膜热电偶冷端(204)，冷端(204)通过金属引线与外部电路连接。2.根据权利要求1所述的一种碳化硅MEMS温压复合式传感器芯片，其特征在于，所述凸起岛(200)的上端面高于上绝缘层(101)的上端面。3.根据权利要求1所述的一种碳化硅MEMS温压复合式传感器芯片，其特征在于，所述薄膜热电偶正极(201)和薄膜热电偶负极(202)长度相等。4.根据权利要求1或3所述的一种碳化硅MEMS温压复合式传感器芯片，其特征在于，所述薄膜热电偶正极(201)和薄膜热电偶负极(202)为折形结构。5.根据权利要求1所述的一种碳化硅MEMS温压复合式传感器芯片，其特征在于，所述薄膜热电偶冷端(204)引脚宽度大于薄膜热电偶正极(201)和薄膜热电偶负极(202)的宽度。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：方续东，方子艳，吴晨，孙昊，赵立波，田边，蒋庄德，邓武彬，高博楠，吴俊侠，王淞立，朱楠，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：