[发明专利]一种宽量程压力传感器芯片及其单片集成制备方法

说明书

本发明公开了一种宽量程压力传感器芯片及其单片集成制备方法。现有的压力传感器芯片存在线性度和灵敏度低以及量程较窄的问题。本发明涉及压阻式压力传感器的单片微加工制备。该压力传感器主要由真空腔室、压力敏感膜以及由四个压阻形成的惠斯通电桥构成。其中，压力敏感膜由硅膜和聚酰亚胺膜构成，这种新型的硅‑聚酰亚胺复合压敏膜一方面可以通过增加膜厚来增大压力传感器的测量范围，另一方面通过刚性和柔性的结合可以提高压力传感器的灵敏度和线性度。当外界压力变化时，硅膜和聚酰亚胺膜的共同形变引起压阻的阻值变化并使得惠斯通电桥的输出电压改变。

技术领域

本发明属于MEMS传感器技术领域，具体涉及一种用于宽量程压力传感器芯片的单片集成制备方法，该芯片是通过MEMS微加工技术在SOI(绝缘体上的硅)衬底上实现压力传感器的原位集成。

背景技术

随着硅基微加工技术的发展，硅基压力传感器在工业和商业应用中得到了很好的发展和广泛的应用。近年来，随着汽车、航空航天、生物医疗、物联网以及便携式电子器件等电子器件市场的扩大，研制多功能、高可靠性、低成本、具备大规模制造能力的单片集成硅基微压力传感器芯片成为当下消费市场追逐的热点。

浙江大学的Jian Dong等人在论文“Monolithic-integrated piezoresistiveMEMS accelerometerpressure sensor with glass-silicon-glass sandwichstructure”开发一种新型单片复合MEMS传感器。该复合传感器在一块芯片上集成了压阻式压力传感器和压阻式加速度计。通过采用批量微加工工艺和阳极键合技术实现了夹层结构的多传感器芯片制备。其中，压力传感器采用矩形敏感膜结构。利用单掩模刻蚀压力传感器的压力传感膜。采用Pyrex7740玻璃和背面的硅层进行阳极键合，形成压力传感器的真空腔室。在晶片正面键合区域的周围，设计并制作了沟槽，以保证LPCVD非晶硅层与硅衬底之间的导电，在阳极键合过程中可以保护压阻不受P-N结击穿的影响。然而，这种压力传感器芯片中的敏感膜是通过湿法刻蚀制备，其重复性和一致性难以保证，这不利于进行批量化生产。最后，压力传感器的压力测量范围较小，难以适应高压环境的压力检测。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷，使用SOI(绝缘体上的硅)硅片作为传感器的衬底，通过埋氧层刻蚀停止技术实现对压力敏感膜厚度的精确控制；通过在硅膜上旋涂聚酰亚胺(PI)薄膜来形成硅-PI复合压敏膜结构。这种新型的硅-PI复合压敏膜一方面可以通过增加膜厚来增大压力传感器的测量范围，另一方面通过刚性和柔性的结合可以提高压力传感器的灵敏度和线性度。

本发明一种宽量程压力传感器芯片，包括从下至上依次层叠设置的背面玻璃层、SOI底硅层、SOI埋氧层、SOI顶硅层、聚酰亚胺钝化层，共同构成传感器芯片结构；所述的背面玻璃层与SOI底硅层通过阳极键合工艺键合在一起，并形成压力传感器的真空腔室；SOI顶硅层和聚酰亚胺钝化层共同构成压力敏感膜。分布在SOI顶硅层上的四个压阻构成惠斯通电桥结构。当外界压力变化时，压力敏感膜的形变引起四个压阻的阻值发生变化并导致惠斯通电桥结构的输出电压变化。通过检测该输出电压的大小推算出外界压力的大小。

作为优选，SOI顶硅层中的压阻由低浓度的硼掺杂硅形成。背面玻璃层与SOI底硅层通过阳极键合工艺键合前，在SOI硅片的边缘通过高功率溅射一层金属铝，形成SOI硅片正反面之间的导电通路，避免阳极键合过程的失败或击穿压阻。

作为优选，各压阻之间的互连线由蒸发沉积的铝构成，通过铝与掺杂硅之间的欧姆接触来实现导通。

作为优选，压阻的长和宽分别为250微米和20微米。四个压阻分别为依次排列的压阻R1、R2、R3、R4；压阻R1与压阻R2的间距，以及压阻R3与压阻R4的间距均为140微米；压阻R2与压阻R3的间距为50微米。SOI顶硅层的长、宽、厚分别为900、450、50微米。

该宽量程压力传感器芯片的单片集成制备方法，具体步骤为：