一种谐振式压力传感器及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种谐振式压力传感器及其制造方法，至少包括单晶硅片、腔体及通气孔、多晶硅敏感薄膜和扭转梁、摆动板、硅岛及H型谐振梁。采用多晶硅薄膜作为感压薄膜，厚度均匀可控至3μm以下，能够提高传感器的敏感度和性能的一致性；硅岛集中薄膜应力，扭转梁及摆动板放大应力后传递给H型谐振梁，增强H型谐振梁对外部应力的感知度，提升器件的灵敏度；硅岛对应于通气孔设置且尺寸大于通气孔尺寸，避免形成通气孔过程中对多晶硅敏感薄膜造成损伤，保证器件性能稳定性，提高产品良率。本发明专利技术的敏感结构采用单片单面体硅一体加工形成，无需键合，保证器件在宽温环境中性能稳定，具有尺寸小、低成本、工艺简单和可与集成电路工艺混线生产的优势。生产的优势。生产的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种谐振式压力传感器及其制造方法


[0001]本专利技术涉及硅微机械传感
，特别是涉及一种谐振式压力传感器及其制造方法。

技术介绍

[0002]MEMS硅基压力传感器芯片广泛应用于工业过程控制、航空航天、汽车电子、石油勘探、深海探测等领用。近几年来，随着MEMS微机械加工技术的不断进步，硅基MEMS压力传感器芯片的小型化、低成本和高性能已成为未来传感器的发展趋势。相对于压阻式压力传感器芯片，谐振式压力传感器芯片以其对温度敏感性差、高精度、高分辨率、准数字输出和长期稳定性好等优势越来越受人青睐。
[0003]当前，MEMS硅基谐振式压力传感器芯片主要利用SOI硅片结合多层键合结构加工而成[Yu Zheng,Sen Zhang,Deyong Chen,et al.A Micromachined Resonant Low
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Pressure Sensor With High Quality Factor,IEEE Sensors Journal,Vol.21,No.18,pp:19840
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19846]。首先，利用SOI硅片中的顶层硅来制作谐振梁结构，通过埋氧层的腐蚀来释放可动谐振梁；其次，利用硅深度反应离子刻蚀(DRIE)技术从硅片背面大深度刻蚀Handle层的单晶硅来减薄Handle层以形成压力膜片结构；最后，利用硅
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玻璃或其他真空键合工艺对谐振梁所在位置进行真空键合封装。这种工艺加工的谐振式压力传感器芯片存在以下几点不足：(1)芯片尺寸大、工艺复杂且制造成本高；(2)受单晶硅片自身厚度均匀性限制(单晶硅片厚度的均匀性≥3μm)，导致所加工的压力膜片厚度必然要大于6μm，因此若要进一步提升传感器芯片的灵敏度，只能以牺牲芯片尺寸通过增大膜片面积的方法实现；此外，受膜片厚度均匀性限制，也会影响传感器芯片的性能特性；(3)由于芯片采用多次键合工艺制备，受不同键合材料间的热膨胀系数影响，必然会引入键合界面残余应力，影响芯片在宽温区环境下的性能稳定性。为了降低成本，厦门大学采用硅
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硅熔融键合工艺取代昂贵的SOI硅片加工压力敏感结构层和单晶硅谐振层，虽然一定程度上降低了芯片成本，但是却增大的工艺复杂度，且仍然无法避免多次键合的传感器芯片结构[Xiaohui Du,Liying Wang,Anlin Li,et al.,High Accuracy Resonant Pressure Sensor With Balanced
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Mass DETF Resonator and Twinborn Diaphragms,Journal of Microelectromechanical Systems,Vol.26,No.1,pp:235
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245]。
[0004]于此，有必要设计一种新的MEMS硅基谐振式压力传感器芯片以解决传统硅基谐振式压力传感器芯片存在的上述之不足，实现MEMS硅基谐振式压力传感器芯片的小尺寸、高性能和低成本。

技术实现思路

[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种谐振式压力传感器及其制造方法，用于解决现有技术中芯片尺寸大、制造工艺复杂、单晶硅薄膜厚度及均匀性限制和多次键合后残余应力引起的性能稳定的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种谐振式压力传感器，所述谐振式压力传感器至少包括:
[0007]单晶硅片，所述单晶硅片为(111)单晶硅片，包括相对设置的第一表面、第二表面；
[0008]腔体，所述腔体嵌入所述单晶硅片的内部，所述腔体开设有相连通且穿过所述第二表面的通气孔；
[0009]感压模块，所述感压模块包括位于所述腔体上方的多晶硅敏感薄膜，及位于所述多晶硅敏感薄膜上方的应力传导机构与H型谐振梁，所述应力传导机构对称位于所述H型谐振梁的两端，包括对应于所述通气孔设置的硅岛、与所述硅岛平行间隔分布的扭转梁及摆动板，其中，所述H型谐振梁两端分别固支在所述扭转梁的中心位置且悬浮于所述多晶硅敏感薄膜上方，所述摆动板位于所述H型谐振梁两侧且与所述扭转梁连接；
[0010]焊盘，所述焊盘位于所述单晶硅片上，与所述H型谐振梁通过金属引线互连，以完成所述H型谐振梁的激振及拾振信号检测。
[0011]优选地，所述H型谐振梁、所述扭转梁、所述摆动板及所述硅岛由所述单晶硅片一体化形成，所述H型谐振梁为单晶硅，所述扭转梁、所述摆动板及所述硅岛包括单晶硅及位于所述单晶硅上、下表面的氧化硅层。
[0012]优选地，所述通气孔的数量为2，所述通气孔的尺寸小于所述硅岛的尺寸。
[0013]优选地，所述焊盘为4个，所述焊盘位于所述扭转梁的两端，通过金属引线沿所述扭转梁与所述H型谐振梁连接。
[0014]优选地，所述多晶硅敏感薄膜为六边形薄膜，所述腔体为对应于所述多晶硅敏感薄膜形状的六边形腔体，且所述多晶硅敏感薄膜直接构成所述腔体的上表面。
[0015]优选地，所述多晶硅敏感薄膜的六个边沿<110>晶向排布，所述H型谐振梁沿<211>晶向排布。
[0016]优选地，沿所述多晶硅敏感薄膜及晶向边沿的所述单晶硅片上间隔排布着多个腐蚀通孔，通过所述腐蚀通孔形成所述腔体、所述氧化硅层及所述多晶硅敏感薄膜后由多晶硅填充，所述腐蚀通孔的孔径调节能够控制所述多晶硅敏感薄膜的厚度，所述腐蚀通孔的深度决定所述应力传导机构及所述H谐振梁的厚度。
[0017]本专利技术还提供一种谐振式压力传感器的制造方法，所述制造方法至少包括以下步骤：
[0018]S1：提供一单晶硅片，所述单晶硅片包括相对设置的第一表面、第二表面，于所述单晶硅片的所述第一表面及所述第二表面上形成第一氧化物层；
[0019]S2：于所述单晶硅片的所述第一表面、所述第一氧化物层上形成多个间隔排布的腐蚀通孔，于所述第一表面的第一氧化物层上沉积一层氮化硅层，同时所述氮化硅层也覆盖所述腐蚀通孔的侧壁及底部；
[0020]S3：刻蚀去除所述第一氧化物层上及所述腐蚀通孔底部的所述氮化硅层，沿所述腐蚀通孔继续向下刻蚀设定深度，确定出腔体的深度；
[0021]S4：通过所述腐蚀通孔在所述单晶硅片内部进行各向异性湿法腐蚀形成腔体结构，于所述腔体内表面上形成第二氧化物层；
[0022]S5：于所述第一表面的所述第一氧化物层上沉积多晶硅层填充所述腐蚀通孔，填充的同时会在所述腔体内表面上沉积一层多晶硅敏感薄膜，刻蚀去除所述第一表面上的所
述多晶硅层；
[0023]S6：于所述第二表面上刻蚀出通气孔，所述通气孔与所述腔体相连通；
[0024]S7：刻蚀去除所述第一表面上H型谐振梁区域所覆盖的所述第一氧化物层，溅射金属薄膜并图形化形成金属引线和焊盘；
[0025]S8：图形化H型谐振梁及硅岛、扭转梁和摆动板组成的应力传导机构，刻蚀除所述H型谐振梁与所述应力传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种谐振式压力传感器，其特征在于，所述谐振式压力传感器至少包括：单晶硅片，所述单晶硅片为(111)单晶硅片，包括相对设置的第一表面、第二表面；腔体，所述腔体嵌入所述单晶硅片的内部，所述腔体开设有相连通且穿过所述第二表面的通气孔；感压模块，所述感压模块包括位于所述腔体上方的多晶硅敏感薄膜，及位于所述多晶硅敏感薄膜上方的应力传导机构与H型谐振梁，所述应力传导机构对称位于所述H型谐振梁的两端，包括对应于所述通气孔设置的硅岛、与所述硅岛平行间隔分布的扭转梁及摆动板，其中，所述H型谐振梁两端分别固支在所述扭转梁的中心位置且悬浮于所述多晶硅敏感薄膜上方，所述摆动板位于所述H型谐振梁两侧且与所述扭转梁连接；焊盘，所述焊盘位于所述单晶硅片上，与所述H型谐振梁通过金属引线互连，以完成所述H型谐振梁的激振及拾振信号检测。2.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于：所述H型谐振梁、所述扭转梁、所述摆动板及所述硅岛由所述单晶硅片一体化形成，所述H型谐振梁为单晶硅，所述扭转梁、所述摆动板及所述硅岛包括单晶硅及位于所述单晶硅上、下表面的氧化硅层。3.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于：所述通气孔的数量为2，所述通气孔的尺寸小于所述硅岛的尺寸。4.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于：所述焊盘为4个，所述焊盘位于所述扭转梁的两端，通过金属引线沿所述扭转梁与所述H型谐振梁连接。5.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于：所述多晶硅敏感薄膜为六边形薄膜，所述腔体为对应于所述多晶硅敏感薄膜形状的六边形腔体，且所述多晶硅敏感薄膜直接构成所述腔体的上表面。6.根据权利要求5所述的谐振式压力传感器，其特征在于：所述多晶硅敏感薄膜的六个边沿<110>晶向排布，所述H型谐振梁沿<211>晶向排布。7.根据权利要求6所述的谐振式压力传感器，其特征在于：沿所述多晶硅敏感薄膜7.根据权利要求6所述的谐振式压力传感器，其特征在于：沿所述多晶硅敏感薄膜及晶向边沿的所述单晶硅片上间隔排布着多个腐蚀通孔，通过所述腐蚀通孔形成所述腔体、所述氧化硅层及所述多晶硅敏感薄膜后由多晶硅填充，所述腐蚀通孔的孔径调节能够控制所述多晶硅敏感薄膜的厚度，所述腐蚀通孔的深度决定所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王家畴，李昕欣，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：