[发明专利]加速度计内嵌压力传感器的单硅片复合传感器结构及方法

说明书

技术领域

本发明属于硅微机械传感器技术领域，涉及一种加速度计内嵌压力传感器的单硅片复合传感器结构及方法。

背景技术

随着MEMS技术的不断进步，MEMS复合传感器以其芯片结构尺寸更小、制作成本更低、性能更出众和后续安装应用成本更低的等优势在各行各业得到了广泛应用，例如：汽车电子、航空航天、电子消费类产品、生物医学等等。为此，大量科研工作者和各大MEMS产品开发公司投入大量的科研能力来开发不同类型的复合传感器芯片以满足不断增长的市场需求。目前，复合传感器最为显著的应用如智能手机中的十轴Combos复合传感器芯片、汽车胎压监测系统用TPMS复合传感器。

传统的复合传感器芯片结构多以单层或多层键合结构为主，通常采用双面微机械制作工艺、键合工艺、Cavity-SOI工艺、表面微机械制作工艺以及CMOS-MEMS技术等加工制作。例如，传统的加速度和压力复合传感器采用硅-玻璃结构方式，通过硅片背面两步各向异性湿法刻蚀方法分别形成压力薄膜和质量块，然后利用硅-硅键合或硅-玻璃键合来密封压力传感器的压力参考腔体，形成加速度传感器质量块的运动间隙以及形成传感器芯片基座，最后再利用硅片正面干法刻蚀释放加速度传感器可动结构，[Xu J B,Zhao Y L,Jiang Z D et al.A monolithic silicon multi-sensor for measuring three-axis acceleration,pressure and temperature,Journal of Mechanical Science and Technology,2008,22:731-739]。这种双面体硅工艺和键合技术制作的复合传感器结构尺寸很大，工艺很复杂，制作成本很高。此外，不同键合材料之间的热膨胀系数不同以及键合过程中所引入的残余应力都会恶化传感器的输出稳定性，尤其在温度环境比较恶劣的条件下。为了改进上述不足，中科院上海微系统所的王权等研制出一种基于表面微机械加工工艺制作的加速度和压力单片复合传感器芯片。这种复合传感器中的压力传感器采用低压化学气相沉积(LPCVD)的低应力氮化硅薄膜作为压力敏感薄膜，通过湿法腐蚀释放牺牲层来形成压力参考腔体和敏感薄膜结构，压力检测电阻采用多晶硅硼源掺杂在氮化硅薄膜上方形成P型压敏检测电阻。此外，加速度检测方式主要采用热对流原理实现，[Wang Q,Li X X,Li T,Bao M M,et al.A novel monolithically integrated pressure,accelerometer and temperature composite sensor,Transducers 2009,Denver,CO,USA.2009:1118-1121]。这种表面微机械加工的复合传感器虽然克服的体硅微机械工艺制作复合传感器所存在的不足，但是受LPCVD沉积工艺的限制，压力敏感薄膜的厚度不可能太厚，最多很难超过3微米，因此这种压力传感器只适应于小量程范围的压力检测，且多晶硅压阻系数远小于单晶硅压阻系数导致了压力传感器检测灵敏度不会太高。此外，表面微机械制作的复合传感器还可能发生台阶覆盖失效(Step-coverage)和腐蚀牺牲层过程中产生的薄膜粘附失效，这些不确定因素都大大提高了工艺的复杂程度，降低了成品率。为了解决上述不足，中科院上海位系统所的王家畴等人研制出一种基于单硅片单面体硅微机械工艺制作的加速度和压力单片复合传感器芯片。这种复合传感器结构首次采用体硅微机械工艺制作出表面微机械效果的三维立体结构，解决了传统表面微机械制作复合传感器的种种不足，具有结构尺寸小、成本低、工艺与IC Foundry兼容等特点，[Wang J C,Xia X Y,Li,X X,Monolithic integration of pressure plus acceleration composite TPMS sensors with a single-sided micromachining technology,Journal of Microelectromechanical System,2012,21:284-293]。