一种双向应变的MEMS压力传感器制备方法及其传感器与流程

本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种双向应变的mems压力传感器制备方法及其传感器。

背景技术：

压力是工业生产中的重要参数之一，为了保证安全、高效的生产，必须对压力进行实时监测和控制。mems压力传感器具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化等优点。

按工作原理分类，mems压力传感器可以分为压阻式、压电式和电容式等几类。压阻式mems压力传感器一般采用半导体作为压力敏感膜，并采用惠斯通电桥测量敏感膜阻值的变化，进而实现压力测量。

kistler、kulite等知名mems压力传感器生产厂商多采用掺杂si作为压力敏感膜，并采用soi工艺制备压力传感器，该类mems压力传感器是目前市场上最常见的压力传感器。但高温下si压力敏感膜退化、漏电流增大以及si高温蠕变等因素的限制，此外，采用硅油和气体等压力介质封装使得压阻式压力传感器固有频率降低，上述缺陷限制了现有压阻式压力传感器在高温、高频动态压力测量领域的应用；压电式mems压力传感器采用压电石英、压电陶瓷等压电材料作为压力敏感膜，外接电荷放大器，并基于压电效应实现压力测量，该类压力传感器能够实现较高频率的压力测量，但其温度适应性较差，并且量程有限；电容式mems压力传感器一般采用sic作为压力敏感膜，与绝压腔构成电容结构。该类压力传感器具有灵敏度高、动态响应快等优点，但同时高温导致的热膨胀会导致压力传感器精度降低，此外，同质外延掺杂工艺为sic引入大量的损伤和缺陷，导致器件严重非线性温漂，存在重复性差、灵敏度低等问题。

因此，开发基于新材料、新结构的高温、高频响、大量程压力传感器及制备工艺是目前压力传感领域发展的主流趋势和亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供了一种双向应变的mems压力传感器制备方法及其传感器，可以提高传感器的耐高温性能，具有高灵敏度和高频响的特点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种双向应变的mems压力传感器制备方法，包括以下步骤如下：

s1、清洗si片；

s2、si基板引线柱制备；

s3、si基板、si压力接受膜片的抛光和减薄；

s4、在si基板上加工空腔，在si压力接受膜片上加工十字凹槽；

s5、底电极制备；

s6、压力敏感膜制备：

s7、顶电极制备；

s8、压力传感器腔体密封；

s9、压力传感器壳体封装。

所述s2中：引线柱制备方法采用si通孔技术制备，制备方法依次包括光刻形成通孔掩膜、深反应离子气体刻蚀形成引线盲孔、干法氧化形成sio2钝化层、溅射法形成cu种子层、电镀法填充通孔形成cu引线柱。

所述s4中：采用反应离子气体刻蚀或者湿法刻蚀加工空腔和十字凹槽。

所述s5中：底电极的制备方法采用磁控溅射、蒸镀和离子镀，底电极材料采用金，在制备底电极前先在si表面干法氧化形成钝化绝缘层。

所述s6中：压力敏感膜可选择氮化硼做衬底的氮化硼/石墨烯异质结构压力敏感膜或sic做衬底的sic/石墨烯压力敏感膜，其中氮化硼/石墨烯异质结构压力敏感膜采用湿法转移的方法制备，依次包括氮化硼湿法转移，石墨烯湿法转移。

所述s7中：采用磁控溅射、蒸镀或离子镀的方法制备顶电极，使石墨烯压力敏感膜的边缘底电极和顶电极被锚定住，十字凹槽交叉处被石墨烯压力敏感膜覆盖。

一种双向应变的mems压力传感器，包括封装外壳、基板腔和压力敏感膜，所述基板腔和压力敏感膜从下到上依次设置在封装外壳内，压力敏感膜上设有压力接受膜片，通过压力接受膜片将压力敏感膜密封于封装外壳内，免受环境污染和干扰；所述压力敏感膜两端分别联接有薄膜电极，通过两薄膜电极和压力敏感膜将基板腔的空腔封闭，每个薄膜电极分别连接有引线柱。

所述压力接受膜片与压力敏感膜相对的一面上设有十字凹槽，压力接收膜片正面受压时，十字凹槽向外扩张使压力敏感膜产生双向应变，增大了压力传感的灵敏度。

所述压力敏感膜采用石墨烯压力敏感膜。

基板腔的内边长设置为500mm~1000mm，压力接受膜片的厚度为80mm~120mm，十字凹槽的长度为400mm~800mm，十字凹槽的宽度和深度分别为40mm~60mm和50mm~70mm，使压力传感器的固有频率维持在1mhz以上。

所述封装外壳底部设有陶瓷基座。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明所述mems压力传感器在其压力接收膜片背面设计有十字凹槽结构，压力敏感膜设置在覆盖十字凹槽中心交叉位置，当压力接收膜片正面受压时，膜片产生位移而发生弯曲，十字凹槽向外扩张使压力敏感膜发生应变，并且敏感膜应变为双向应变，能够提高压力传感灵敏度；

本发明所述mems压力传感器的压力敏感膜采用石墨烯新型碳纳米材料，石墨烯具有较高的熔点、较大的抗拉伸强度、应变——电阻线性响应，因此，本发明所述的mems压力传感器具有耐高温、大量程和线性性好等优点；

本发明所述mems压力传感器的压力接收膜片和基板采用si材料，在si基板上构建方形腔体，并采用si通孔技术（tsv）实现压力接收膜片与si腔键合密封。该压力传感器为单腔结构，根据合适的腔体尺寸和压力接收膜片厚度能够设计出固有频率较高的传感器，并且压力敏感膜被封装在腔内，免受环境污染和干扰；

本发明所述mems压力传感器的压力所引起压力敏感膜的电阻值变化，采用惠斯通电桥进行测量，惠斯通电桥能够实时、高灵敏和高精度的测量压力敏感膜的阻值，保证了mems压力传感的可靠性和重复性。

附图说明

图1是本发明整体结构的原理图；

图2是本发明压力接受膜片的结构示意图；

图3是本发明压力接受膜片的轴测图；

图4是本发明压力接受膜片变形示意图；

图5是本发明压力传感器的剖面结构示意图；

其中：1为压力接受膜片，2为第一薄膜电极，3为密封胶，4为第一焊接盘，5为基板腔，6为第一引线柱，7为封装外壳，8为基座，9为电缆包层，10为压力敏感膜，11为第二引线柱，12为第二焊接盘，13为检测电路，14为第二薄膜电极。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至5所示，一种双向应变的mems压力传感器，包括封装外壳7、基板腔5、压力敏感膜10和压力接受膜片1，基板腔5、压力敏感膜10和压力接受膜片1从下到上依次设置在封装外壳7内，压力敏感膜10两端分别联接有薄膜电极，通过两薄膜电极和压力敏感膜10将基板腔5的空腔封闭，每个薄膜电极分别连接有引线柱。

具体的，为了便于描述两个薄膜电极分别命名为第一薄膜电极2和第二薄膜电极14；引线柱分别为第一引线柱6和第二引线柱11。第一引线柱6的一端通过第一焊接盘4与第一薄膜电极2联接，第二引线柱11的一端通过第二焊接盘12与第二薄膜电极14联接。

通过两薄膜电极和压力敏感膜10将基板腔5的空腔封闭时，为了提高密封性能，可以填充相应的密封胶3或通过设置密封圈实现。

引线柱可以直接联接导线，但为了起到固定作用，在封装外壳7底部设有电缆包层9，导线穿过该电缆包层9，电缆包层9上设有相应的通孔。

进一步，压力接受膜片1在其背面设计有十字凹槽结构。当压力传感器应用于压力测量时，待测压力作用于压力传感器的压力接受膜片1。

如图2所示，当压力接收膜片正面受压时，膜片产生压力方向的位移而发生弯曲，同时十字凹槽向外扩张；如图3所示，石墨烯压力敏感膜10（通过薄膜电极（2,14）固定支撑在十字凹槽交叉上方，覆盖十字凹槽交叉位置。在压力作用下，十字凹槽向外扩张使石墨烯压力敏感膜10产生沿x和y方向上的双向应变，并使石墨烯压力敏感膜10的电阻值发生变化，其原理可以描述为

其中，沿x和y方向上的应变分别用和表示，和分别表示石墨烯压力敏感膜10载流子浓度和载流子迁移率，这两个电学参数都随石墨烯压力敏感膜10的应变发生变化。l和w为石墨烯压力敏感膜10的导电长度和宽度。由式（1）能够看出，石墨烯压力敏感膜10产生的应变越大，其电阻的阻值变化越大。对于该十字凹槽结构压力接受膜片1，当受到压力作用时，石墨烯压力敏感膜10产生的双向应变至少是常规单向压力传感器应变的倍，并且压力敏感膜10被封装在腔内，免受环境污染和干扰。本发明压力传感器为单腔结构，根据合适的腔体尺寸和压力接收膜片厚度能够设计出固有频率较高，响应较快和灵敏度较高的压力传感器。

为了能够将压力传感器检测到的压力信号转变为可读出和显示的电学信号，采用惠斯通电桥进行测量。检测电路13包括电源，两个比率臂电阻（r2，r3），一个匹配电阻r1。依据图1所示的压力传感器及测试原理结构示意图，将压力传感器接入惠斯通电桥的一个臂中，整个压力传感器的电阻值为，两个比率臂电阻分别和，一个匹配电阻，并设压力传感器的供电电压为。

当压力传感器加工制作好后，接入测量电路。首先，在没有压力作用的情况下，调节匹配电阻的阻值，使得传感器的输出电压为0，完成压力传感器的调零操作；其次，在已知压力大小情况下对压力传感器进行压力值与输出电压关系的定标，并进一步确定压力传感器的灵敏度，线性度和测量范围等参数定标；再次完成压力传感器的耐高温，可靠性以及迟滞等特性测试。

进一步，石墨烯压力敏感膜10片可采用氮化硼/石墨烯异质结构或sic/石墨烯膜片。

进一步，石墨烯压力传感膜片被薄膜电极（2、14）锚定支撑在槽十字凹槽交叉处上方。

进一步，封装外壳7底部设有陶瓷基座8。

该压力传感器为单腔结构，并且压力敏感膜10被封装在腔内，免受环境污染和干扰。基板腔5的内边长设置为500mm~1000mm，压力接受膜片1的厚度为80mm~120mm，十字凹槽的长度为400mm~800mm，十字凹槽的宽度和深度分别为40mm~60mm和50mm~70mm。

实施例一、基板腔5的边长设置为500mm，压力接受膜片1的厚度为80mm，十字凹槽的长度为400mm，十字凹槽的宽度和深度约为40mm和50mm，使压力传感器的固有频率维持在1mhz以上。

实施例二、基板腔5的边长设置为800mm，压力接受膜片1的厚度为100mm，十字凹槽的长度为650mm，十字凹槽的宽度和深度约为50mm和60mm。

实施例三、基板腔5的边长设置为1000mm，压力接受膜片1的厚度为120mm，十字凹槽的长度为800mm，十字凹槽的宽度和深度约为60mm和70mm。

一种双向应变的mems压力传感器制备方法，包括以下步骤如下：

s1、清洗si片；

s2、si基板引线柱制备；

s3、si基板、si压力接受膜片的抛光和减薄；

s4、在si基板上加工空腔，在si压力接受膜片上加工十字凹槽；

s5、底电极制备；

s6、压力敏感膜制备：

s7、顶电极制备；

s8、压力传感器腔体密封；

s9、压力传感器壳体封装。

压力接受膜片设计有十字凹槽结构，当压力接收膜片正面受压时，膜片产生压力方向的位移而发生弯曲，同时十字凹槽向外扩张使石墨烯压力敏感膜片产生双向应变，能够提高压力传感灵敏度。

进一步，采用改进rca方法清洗si片；

进一步，si基板上引线柱制备：引线柱制备方法采用si通孔技术（tsv）制备，制备方法依次包括光刻形成通孔掩膜、深反应离子气体刻蚀形成引线盲孔、干法氧化形成sio2钝化层、溅射法形成cu种子层、电镀法填充通孔形成cu引线柱；

进一步，si基板、si压力接受膜片的抛光和减薄：抛光和减薄的方法为常用的化学机械抛光（cmp）方法，控制si基片的厚度约为500mm，控制si压力接受膜片的厚度约为100um；

进一步，si基板腔、si压力接受膜片上十字凹槽制备：基板腔和十字凹槽制备方法采用反应离子气体刻蚀或者湿法刻蚀，制备方法依次包括光刻掩膜、刻蚀基板方腔和十字凹槽。为了保证压力传感器具有较大的固有频率，并能够响应较高频率的压力测量，基板腔5的内边长设置为500mm~1000mm，压力接受膜片1的厚度为80mm~120mm，十字凹槽的长度为400mm~800mm，十字凹槽的宽度和深度分别为40mm~60mm和50mm~70mm。

进一步，底电极制备：底电极的制备方法可采用磁控溅射、蒸镀和离子镀等方法，底电极材料采用金，在制备底电极前先在si表面干法氧化形成钝化绝缘层；

进一步，石墨烯压力敏感膜制备：压力敏感膜可选择氮化硼做衬底的氮化硼/石墨烯异质结构压力敏感膜或sic做衬底的sic/石墨烯压力敏感膜，其中氮化硼/石墨烯异质结构压力敏感膜采用湿法转移的方法制备，依次包括氮化硼湿法转移，石墨烯湿法转移。其中sic/石墨烯压力敏感膜采用sic外延法生长石墨烯；制备好的石墨烯压力敏感膜支撑在十字凹槽交叉上方；

进一步，顶电极制备：采用磁控溅射、蒸镀或离子镀的方法制备顶电极，使石墨烯压力敏感膜的边缘底电极和顶电极被锚定住，十字凹槽交叉处被石墨烯压力敏感膜覆盖；

进一步，压力传感器腔体密封：压力传感器腔体密封依次包括，在电极薄膜与引线柱接触焊点上镀制锡薄膜，并键合形成金/锡/铜互联导通；对压力传感器腔体内充入he或者n2等惰性气体，采用绝缘密封胶将压力传感器腔体里封入标准大气压；

进一步，压力传感器壳体封装：壳体分装工艺依次包括压力传感器芯片从si晶圆上裂片，转移至陶瓷基座上，封装壳体，焊接信号输出导线。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。