一种十字梁膜应力集中微压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十字梁膜应力集中微压传感器芯片及其制备方法，感器芯片包括承压薄膜、硅基底、压敏电阻条、金属引线和防过载玻璃基底等。具体结构为在硅基底背面刻蚀形成承压薄膜以及半岛与岛屿结构，在硅基底正面刻蚀四块钻石形区域形成十字梁。芯片背腔相邻的岛屿与岛屿之间、岛屿与半岛之间的间隙所对应的芯片正面形成应力集中区域，四个压敏电阻条布置在该应力集中区域上，利用重掺杂欧姆接触区、金属引线以及金属焊盘将压敏电阻条连接形成惠斯通电桥，十字梁的存在可以进一步提高压敏电阻条处的应力集中效果。电阻条处的应力集中效果。电阻条处的应力集中效果。

【技术实现步骤摘要】
一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片及其制备方法


[0001]本专利技术属于微机电传感器
，具体涉及一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着MEMS技术的发展，MEMS微压传感器已被广泛应用于航空航天、食品工业、智能家居、生物医疗等领域；随着各领域飞速的发展，对传感器的性能、体积等提出了更高的要求，特别在生物医药领域急需性能稳定且具有高动态性能、高灵敏度、高线性度的MEMS微压传感器来进行保障。
[0003]根据不同的测量原理，MEMS微压传感器主要分为压阻式、压电式、电容式、谐振式等几种。与其他原理的MEMS微压传感器相比，MEMS压阻式微压传感器具有测量范围宽、线性度高、后端处理电路简单、灵敏度高、加工成本低廉等优点，从而得到广泛的应用。
[0004]MEMS压阻式微压传感器灵敏度以及非线性是其重要指标，但是传感器的动态性能同样不容忽略。目前市场上存在的微压传感器多追求高灵敏度以及低非线性指标，而忽略了其动态性能。灵敏度以及非线性的不足可以通过后端处理电路进行弥补，动态性能影响着传感器的响应速度以及稳定性，无法通过后端处理电路来弥补。
[0005]传统的通过降低膜厚和提高膜片尺寸的方法可以提高传感器的灵敏度，但是会使承压薄膜刚度下降，导致传感器线性度的降低，并且会影响传感器的动态性能。在MEMS压阻式微压传感器设计中，弱化传感器灵敏度与线性度和动态性能相互制约关系，在保证灵敏度的条件下和提升其线性度以及动态性能显得尤为重要。
[0006]目前，市场上较为成熟的MEMS压阻式微压传感器产品的最小量程大多是kPa量级，仅有的Pa量级产品灵敏度较低，且非线性和动态性能较差，难以实现精确测量。因此，如何在保证传感器的灵敏度的前提下降低其非线性提高其动态性能是MEMS压阻式微压传感器进行可靠精确测量亟需突破的难点。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片及其制备方法，该结构芯片具有较高灵敏度、低非线性度、高动态性能以及高抗过载等能力。
[0008]为达到上述目的，本专利技术所述一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片，包括硅基底以及与硅基底键合的玻璃基底，所述硅基底背面刻蚀有背腔，承压薄膜正面连接有十字梁，所述十字梁上布置有四个压敏电阻条；背腔的底面为承压薄膜，承压薄膜背面连接有第一半岛、第二半岛、第一岛屿、第二岛屿和第三岛屿；其中，第一半岛，第二半岛与背腔的内侧壁连接，第一半岛、第一岛屿、第二岛屿、第三岛屿和第二半岛依次间隔设置，共形成四个间隙，所述四个压敏电阻条分别设置在所述四个间隙正上方，所述四个压敏电阻条通过金属引线和金属焊盘连接形成惠斯通电桥。
[0009]进一步的，四个间隙宽度相同。
[0010]进一步的，承压薄膜为八边形。
[0011]进一步的，十字梁的高度为承压薄膜厚度的10％～150％。
[0012]进一步的，玻璃基底上开设有凹槽以及通孔，所述凹槽的宽度大于背腔的宽度。
[0013]进一步的，第一岛屿、第二岛屿、第三岛屿、第一半岛和第二半岛的宽度相等，均为 160μm～250μm。
[0014]进一步的，四个压敏电阻条通过欧姆接触区和金属引线连接。
[0015]一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
[0016]步骤1、在SOI硅片正面沉积二氧化硅，刻蚀掉四个压敏电阻条区域上方的二氧化硅，对 SOI硅片露出的顶层单晶硅进行硼离子轻掺杂，形成四个压敏电阻条，然后去除剩余二氧化硅；
[0017]步骤2、对步骤1得到的结构正面方式沉积一层二氧化硅，去除引线孔区域的二氧化硅；
[0018]步骤3、在步骤2得到的结构正面溅射金属，利用金属引线版进行光刻，并形成金属引线和金属焊盘；
[0019]步骤4、对步骤3得到的SOI片背面进行光刻，以SOI片中的二氧化硅埋层(13)作为刻蚀停止层去除多余的硅，形成背腔、第一半岛、第二半岛、第一岛屿、第二岛屿和第三岛屿；
[0020]步骤5、对步骤6得到的结构正面进行光刻和刻蚀，形成十字梁，得到硅基底；
[0021]步骤6、将步骤5制作的硅基底与玻璃基底键合，得到微压传感器芯片。
[0022]进一步的，在步骤1完成后，步骤2开始前，对步骤1得到的结构的正面沉积一层二氧化硅，刻蚀掉欧姆接触区域上方的二氧化硅，露出欧姆接触区上方的顶层单晶硅，并对所述顶层单晶硅进行硼离子重掺杂，形成欧姆接触区，之后去除剩余二氧化硅并退火。
[0023]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：
[0024]本专利技术提出的传感器芯片具备较高灵敏度、高线性度、高动态性能、低成本等特点，有利于实现批量化生产。
[0025]本专利技术在承压薄膜背腔增加了半岛和岛屿结构，且岛屿与岛屿、半岛与岛屿之间存在间隙，由于该间隙存在刚度突变，将产生应力集中效果。将压敏电阻条布置在间隙的正上方，可以极大地提高传感器的灵敏度。此外，半岛与岛屿结构的引入还极大地增加了承压薄膜的刚度，降低了承压薄膜几何非线性引起的非线性问题；根据固有频率f0计算公式
[0026][0027]式中k表示薄承压膜的刚度，m表示承压薄膜的质量。通过适当的调整岛屿尺寸改变承压薄膜刚度以及承压薄膜质量，可以提高传感器的固有频率。
[0028]虽然传感器的非线性可以通过后续处理来解决，但在部分实际应用中，都是直接从传感器的输出中读取压力值，较低的非线性也将降低后续处理的难度。固有频率的提升可以降低传感器的响应时间，也提高了传感器的可靠性。
[0029]为了进一步提升传感器芯片的灵敏度，通过制作十字梁引入了横向的刚度突变，使得横向应力集中十字梁上。通过同时引入半岛与岛屿结构、十字梁结构使得应力集中区域在横向位置和纵向位置都得到了限制，应力集中区域面积进一步减小，获得了更好的应
力集中效果，提高了通过压阻效应转换成电压输出的幅值，最终提升了传感器的测量灵敏度。同时，十字梁结构的存在增加了承压薄膜的刚度，减轻了承压膜片的挠曲变形，降低了传感器的非线性。
[0030]进一步的，四个间隙宽度相同，保证四个应力集中区域应力大小一致。
[0031]进一步的，承压薄膜为八边形，相对于正方形膜片，在几乎不降低应力得条件下可以增加键合面积，增加键合强度。
[0032]进一步的，十字梁的高度为承压薄膜厚度的10％～150％，十字梁高度较低时增加应力的效果不显著，十字梁高度较高时会增加刻蚀时间和刻蚀成本，且对进一步提升应力帮助不大。
[0033]进一步的，玻璃基底上开设有凹槽以及通孔，所述凹槽的宽度大于背腔宽度，保证键合后玻璃基底不会阻碍岛屿和半岛的移动。
[0034]进一步的，第一岛屿、第二岛屿、第三岛屿、第一半岛和第二半岛宽度均相等，均为 160μm～250μm，岛屿和半岛的宽度较小会不足以布置足够长度的压敏电阻条，岛屿和半岛的宽度较大会增大应力集中区域的宽度，降低本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片，其特征在于，包括硅基底(1)以及与硅基底(1)键合的玻璃基底(8)，所述硅基底(1)背面刻蚀有背腔，承压薄膜(2)正面连接有十字梁(3)，所述十字梁(3)上布置有四个压敏电阻条；背腔的底面为承压薄膜(2)，承压薄膜(2)背面连接有第一半岛(9
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1)、第二半岛(9
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2)、第一岛屿(10
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1)、第二岛屿(10
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2)和第三岛屿(10
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3)；其中，第一半岛(9
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1)，第二半岛(9
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2)与背腔的内侧壁连接，第一半岛(9
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1)、第一岛屿(10
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1)、第二岛屿(10
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2)、第三岛屿(10
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3)和第二半岛(9
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2)依次间隔设置，共形成四个间隙，所述四个压敏电阻条分别设置在所述四个间隙正上方，所述四个压敏电阻条通过金属引线(6)和金属焊盘(7)连接形成惠斯通电桥。2.根据权利要求1所述的一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片，其特征在于，所述四个间隙宽度相同。3.根据权利要求1所述的一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片，其特征在于，所述承压薄膜(2)为八边形。4.根据权利要求3所述的一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片，其特征在于，所述十字梁(3)的高度为承压薄膜(2)厚度的10％～150％。5.根据权利要求1所述的一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片，其特征在于，所述玻璃基底(8)上开设有凹槽(11)以及通孔(12)，所述凹槽(11)的宽度大于背腔的宽度。6.根据权利要求1所述的一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片，其特征在于，所述第一岛屿(10
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【专利技术属性】
技术研发人员：王鸿雁，李学琛，关卫军，吴永顺，魏于昆，山涛，王爱华，付磊，赵立波，韩香广，皇咪咪，徐廷中，杨萍，王李，陈翠兰，罗国希，王永录，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：