[发明专利]一种MEMS压阻式压力传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统（MEMS）传感器设计领域，涉及一种MEMS压阻式压力传感器，以及采用MEMS加工工艺方法在单个圆片上制作该压力传感器的方法。

背景技术

MEMS（Micro Electro Mechanical System）即微电子机械系统，是新兴的跨学科的高新技术研究领域。基于MEMS技术制造压阻式压力传感器由于其出色的精准度和可靠度以及相对便宜的制造成本在现代的市场中得到广泛的应用。自从20世纪50年代中期发现了硅材料的压阻特性，硅基的压阻式压力传感器就被广泛的应用。典型的压阻式压力传感器工作原理是在一个方形或者圆形的硅应变薄膜上通过扩散或者离子注入的方式在应力集中区制作四个压力敏感电阻，四个电阻互联构成惠斯顿电桥。当有外界压力施加在硅应变膜上，压敏电阻区域由于应变膜弯曲产生应力，通过压敏电阻的压阻特性，将应力转换为电阻值的变化，最后通过惠斯顿电桥将电阻值的变化转换为输出电压，通过对输出电压与压力值进行标定可以实现对压力的测量。

压阻式压力传感器测量压力的量程及灵敏度在加工工艺条件相同的情况下与传感器应变膜的厚度和尺寸等有关。为了提高压力传感器的灵敏度，需要增大应变膜的尺寸或者减小膜的厚度。考虑到集成度的提高和减少成本，减小应变膜的厚度成了必然的选择。但减小应变膜的厚度同时会降低压力传感器的线性度。微压压力传感器一般需要很高的灵敏度，在满足灵敏度设计要求时也要保证线性度。目前微压压力传感器通常采用梁膜岛结构，通过在应变膜的正面增加固定梁或者在膜背面中心保留岛结构增大线性度，但是这些方法有缺点，就是在保证线性度的同时也降低了器件的灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于针对上述方法，提出一种新的MEMS压阻式微压压力传感器及其制备方法。该结构的压力传感器相比典型器件结构具有高灵敏度、高线性度的优点，降低了传感器的芯片尺寸；同时该设计加工方法与标准体硅压阻式压力传感器的加工工艺兼容，器件加工成本低，具有较高的成品率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种MEMS压阻式压力传感器，包括应变膜和压敏电阻，其特征在于，所述应变膜的正面边缘分布有岛结构，所述压敏电阻位于所述岛结构上。

进一步地，所述应变膜和所述岛结构的材质为硅。

进一步地，所述岛结构在靠近应变膜边缘位置处尺寸小，在远离应变膜边缘位置处尺寸大。优选地，所述岛结构可以为“凸”字形或梯形。

优选地，所述应变膜为方形，其边线中点处各分布一个所述岛结构，每个岛结构上分布一组压敏电阻；优选地，每组压敏电阻包含4个压敏电阻条，并对称分布于岛结构上靠近应变膜边缘位置处。

一种制备上述MEMS压阻式压力传感器的方法，其步骤包括：

1)在基片正面的边缘通过离子注入的方式制作压敏电阻以及重掺杂接触区；

2)在基片正面制作引线孔和金属引线；

3)在基片正面通过光刻定义岛结构的形状，然后制作应力集中的岛结构；

4)在基片正面涂胶进行保护，在基片背面光刻背腔区域并刻蚀出背腔腐蚀窗口，然后通过各向异性腐蚀制作应变膜；

5）将基片与玻璃片键合，然后划片，制成压力传感器芯片。

上述步骤3）可以通过干法刻蚀或者湿法腐蚀的方式制作所述岛结构。干法刻蚀优选采用RIE刻蚀，湿法腐蚀优选为KOH溶液各向异性腐蚀或者HNA溶液各向同性腐蚀。采用干法刻蚀时，岛结构的制作在步骤4）前面进行，可以避免正面刻蚀岛结构时出现的应变膜崩裂的问题。

采用上述工艺能够完成正面带有应力集中硅岛的压力传感器的制作，由于压敏电阻处于应力更加集中的岛结构（硅岛）上，在相同的外力条件下，压敏电阻能够获得更大的应力，器件有更好的灵敏度；同时岛结构分布于应变膜的边缘，在应变膜承受压力时有抗弯曲作用，应变膜有更小的挠度，因此器件有更好的线性度。

本发明为MEMS领域的工艺人员提供了一种微压压力传感器及其制作方法，这种方法加工的压力传感器（压力计）具有更好的性能和较高的工艺可靠性。具体来说，本发明具有以下优势：

1）本发明的MEMS压阻式压力传感器同时具有高灵敏度和高线性度；

2）本发明的压力传感器制备方法，其工艺流程在传统的加工方式的基础上仅仅增加了一次光刻和正面刻蚀工艺，与传统工艺兼容；工艺难度比较低，易获得较高的成品率；

3）本发明压力传感器其机构设计合理，制备过程中减少了不必要的台阶，降低了光刻的难度；