一种碳化硅MEMS温压复合式传感器芯片及其制备方法

一种碳化硅mems温压复合式传感器芯片及其制备方法技术领域1.本发明属于mems传感器技术领域，具体涉及一种碳化硅mems温压复合式传感器芯片及其制备方法。背景技术：2.在航空航天、地热开发、燃气轮机等领域，对高温环境压力和温度的测量提出了更高的要求，特别是在航空发动机和燃气轮机燃烧室内，实时测量压力和温度对于监测发动机性能、提高燃烧效率、设计和改进新一代发动机至关重要。目前常见的高温下压力和温度的测量分别采用耐高温压力传感器和温度传感器单独测量，芯片制造成本高、对传感器安装空间要求大、引线复杂。且由于材料属性限制，目前主流的硅基压力传感器耐温一般不超过300℃，对于温度一般超过500℃的燃烧室环境，需要另加冷却装置才能使用。随着mems技术的发展，温度和压力集成传感器开始出现，但基本都是在一个芯片上分为左右两个单元分别测量温度和压力，芯片空间利用率不高，且受硅基材料属性限制，目前压力传感器适用温度不高。技术实现要素：3.本发明为了克服上述技术缺点，提出一种碳化硅mems温压复合式传感器芯片及其制备方法，能达到同时测量高温下温度和压力的目的，具备耐高温、微型化的优点。4.为达到上述目的，本发明一种碳化硅mems温压复合式传感器芯片，包括集成在同一个碳化硅芯片上的温度测量单元和压力测量单元；5.压力测量单元包括碳化硅基底和设置在碳化硅基底上的绝缘层，绝缘层上设有金属欧姆接触电路，碳化硅基底背面设有背腔，背腔的底面为压力敏感膜片，压力敏感膜片上方设有凸起岛，凸起岛为温度测量单元基底，在凸起岛与压力敏感膜片之间，沿着压力敏感膜片根部沿周向设置四个压阻条，四个压阻条通过金属欧姆接触电路连接成惠斯通电桥；6.温度测量单元包括凸起岛以及布置在凸起岛上的薄膜热电偶正极和薄膜热电偶负极，薄膜热电偶正极和薄膜热电偶负极头部交叠，交叠部分形成热结，薄膜热电偶正极的末端引脚和薄膜热电偶负极的末端引脚构成薄膜热电偶冷端，冷端通过金属引线与外部电路连接。7.进一步的，凸起岛的上端面高于上绝缘层的上端面。8.进一步的，薄膜热电偶正极和薄膜热电偶负极长度相等。9.进一步的，薄膜热电偶正极和薄膜热电偶负极为折形结构。10.进一步的，薄膜热电偶冷端引脚宽度大于薄膜热电偶正极和薄膜热电偶负极的宽度。11.进一步的，的薄膜热电偶正极的头部宽度大于薄膜热电偶负极的头部宽度。12.进一步的，温度测量单元基底、薄膜热电偶正极和薄膜热电偶负极上溅射氧化铝保护层。13.上述的碳化硅mems温压复合式传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：14.步骤1、取一片n型碳化硅晶圆，制成碳化硅基底；15.步骤2、在碳化硅基底的si面刻蚀出凸起岛；16.步骤3、在碳化硅基底上外延一层绝缘层，在绝缘层外延一层n型sic；17.步骤4、在n型sic上刻蚀四个压阻条；18.步骤5、在凸起岛之外正面沉积sio2层；19.步骤6、在sio2层上溅射金属层，再图形化金属层，然后高温退火，形成金属欧姆接触电路；20.步骤7、在凸起岛上旋涂光刻胶，图形化光刻胶，露出左半边基底的部分为薄膜热电偶正极的图形部分；21.步骤8、在薄膜热电偶正极的图形部分上磁控溅射钨铼合金，形成薄膜热电偶正极；22.步骤9、在薄膜热电偶正极的凸起岛上旋涂光刻胶，图形化光刻胶，露出右半边基底的部分为薄膜热电偶负极的图形部分；23.步骤10、在薄膜热电偶负极的图形部分磁控溅射钨铼合金，形成薄膜热电偶负极，薄膜热电偶负极与薄膜热电偶正极头部交叠形成热结；24.步骤11、在薄膜热电偶上溅射氧化铝保护层，溅射氧化铝保护层时，露出薄膜热电偶冷端；25.步骤12、碳化硅基底背面刻蚀圆形背腔，形成压力敏感膜片。26.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：27.本发明将碳化硅mems压力传感器和超高温薄膜热电偶集成在一个碳化硅芯片上，形成温压复合式的mems传感器，降低了芯片的制造成本，且可以用来同时检测高温等极端恶劣条件下的温度和压力，稳定性好。28.凸起岛和压力测量单元感应膜片一起构成中心膜岛结构，凸起岛在压力测量单元感应膜片上产生结构压力，使得当外界压力作用在膜岛结构上时，凸起岛外的压力测量单元感应膜片上应力更大，因而感应膜片上的压阻条应力集中效应更加明显，传感器的灵敏度更高。同时，由于凸起岛的存在，在外界压力作用下压力测量单元感应膜片的变形不会很大，降低了传感器的非线性度。因此，中心膜岛结构有效地克服了微压下灵敏度和非线性的矛盾，可用于高温下微压和温度的测量，灵敏度高。29.进一步的，温度测量单元的薄膜热电偶电极设计成折型，获得更大的薄膜热电偶电极长度，提高了温度测量的可靠性，同时，合理利用了芯片面积，有利于减小芯片尺寸。30.进一步的，在压力敏感单元设计中心凸起岛结构作为温度测量单元的基底，可有效减小压力造成的温度基底变形，从而减小压力对温度测量的交叉影响。31.本发明所述的方法，在压力单元基底上刻蚀出温度单元基底，然后再分别进行外延等步骤制作压力测量单元和温度测量单元，最终实现将压力测量单元和温度测量单元制作在同一个芯片上。附图说明32.图1为本发明芯片整体结构示意图；33.图2为本发明芯片剖面示意图；34.图3为本发明芯片正视图；35.图4为本发明的制备方法流程示意图。36.附图中：100‑碳化硅基底，101‑绝缘层，102‑金属欧姆接触电路，103‑背腔104‑压力敏感膜片，105‑压阻条，200‑凸起岛，201‑薄膜热电偶正极；202‑薄膜热电偶负极，203‑热结，204‑薄膜热电偶冷端；205‑保护层。具体实施方式37.为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。39.参照图1、图2和图3，一种碳化硅mems温压复合式传感器芯片，由中心温度测量单元和外围压力测量单元组成。40.芯片外围压力测量单元包括碳化硅基底100，设置在碳化硅基底100上的绝缘层101，绝缘层101上设有金属欧姆接触电路102，碳化硅基底100背面设有圆形的背腔103，背腔103的底面为压力敏感膜片104，压力敏感膜片104正面上方中心设有圆形的凸起岛200，凸起岛200的上端面高于上绝缘层101的上端面，凸起岛200为温度测量单元基底，压力敏感膜片104和凸起岛200构成膜岛结构，当压力作用在此膜岛结构上时，产生的应变效应更加明显。在凸起岛之外，压力敏感膜片之内，沿着压力敏感膜片104根部沿周向上对称设置四个压阻条105，压阻条105与凸起岛200相距150μm～200μm，且凸起岛200上端面比压阻条105上端面高，四个压阻条通过金属欧姆接触电路102连接成惠斯通电桥。41.芯片中心温度测量单元包括凸起岛200以及布置在凸起岛200上的薄膜热电偶，薄膜热电偶包括左侧的薄膜热电偶正极201和右侧的薄膜热电偶负极202，薄膜热电偶正极201和薄膜热电偶负极202采用不同成分的钨铼合金组成，对于钨铼热电偶而言具有热电极材料熔点高(高于3000℃)、输出热电势大、灵敏度高、价格便宜等特点，适合超高温下的温度测量。薄膜热电偶正极和负极采用不同成分的钨铼合金，使得正极负极材料塞贝克系数不同，以产生热电势。将薄膜热电偶正极201和薄膜热电偶负极202设计成长度相等的折形结构以获得更大的电极长度，提高温度测量的可靠性。薄膜热电偶正极201厚度比薄膜热电偶负极202厚度小，薄膜热电偶正极201头部宽度比薄膜热电偶负极202头部宽度大，薄膜热电偶正极和薄膜热电偶负极头部交叠，交叠部分形成热结203，薄膜热电偶正极201末端引脚和薄膜热电偶负极202末端引脚构成薄膜热电偶冷端204，冷端通过金属引线与外部电路连接，薄膜热电偶冷端204引脚宽度比薄膜热电偶正极201和薄膜热电偶负极202的宽度更宽，以便于连接金属引线与外部电路连接。温度测量单元基底、薄膜热电偶正极201和薄膜热电偶负极202上溅射氧化铝保护层205，将薄膜热电偶冷端两引脚204露出。42.所述的凸起岛是压力测量单元敏感膜片上的部分凸起，也是温度测量单元的基底，当压力作用在此膜岛结构上时，产生的应变效应更加明显。43.为了结构上的对称，薄膜热电偶正极和负极长度相等，使得工艺制造更加简单。44.所述的薄膜热电偶正极厚度比负极厚度略小，95％钨‑5％铼(w‑5re)作为薄膜热电偶正极，74％钨‑26％铼(w‑26re)作为薄膜热电偶负极，由于负极(w‑26re)热挥发比正极极(w‑5re)热挥发快，因此需要负极厚度略高于正极以保证热电偶的热电特性。45.所述的薄膜热电偶正极头部宽度比薄膜热电偶负极头部宽度大，利于形成均匀良好的热结。46.本发明的工作原理是：将mems压力传感器和薄膜热电偶集成在一个mems碳化硅芯片上，从结构上实现了温度测量单元和压力测量单元的复合，大大降低了芯片的制作成本。压力敏感单元的压力敏感膜片104中心设计凸起岛200构成膜岛结构，当传感器处在高温压力的环境下，膜岛结构和压阻条105检测到压力信号产生变形，由于半导体压阻效应的存在，压阻条105电阻值发生变化，打破金属欧姆接触电路102连接成的惠斯通电桥的平衡产生输出电压，电压经过金属欧姆接触电路102输出，由于压力和电压呈线性关系，当外部电路检测到电压大小就能测得压力的大小。47.凸起岛200上的薄膜热电偶测温原理是基于金属的塞贝克效应也即热电效应，薄膜热电偶正极201和薄膜热电偶负极202分别为不同成分的合金，电极头部交叠形成热结203，两电极末端引脚为薄膜热电偶冷端204，薄膜热电偶冷端204通过金属引线与外部电路连接，通过外部电路补偿将冷端温度设置为零度，当传感器处于高温环境中时，热结203和薄膜热电偶冷端204形成温度差，产生热电势，通过两电极引脚204输出。热电势与热结温度亦即高温环境温度成线性关系，当测量到输出的热电势值就能得到温度大小。48.将压力测量单元和温度测量单元高度集成在同一块碳化硅芯片上，当传感器处于高温压力的环境下，膜岛结构感应到压力产生变形，通过压阻条105和金属欧姆接触电路102检测压力信号并转换成电信号输出，同时，位于膜岛结构上的薄膜热电偶检测到温度信号并转换成电信号输出，实现了高温下温度和压力的实时同步测量。49.一种mems碳化硅温压复合式传感器芯片，包括以下步骤：50.1)取一片厚度为350μm的4英寸n型碳化硅晶圆，在丙酮溶液中浸泡，再用超纯水清洗，并脱水烘干，在对其进行减薄至230μm制成碳化硅基底100；51.2)采用rie浅刻蚀的方法在碳化硅基底100正面即si面刻蚀出凸起岛200，凸起岛高度10μm～20μm；52.3)在碳化硅基底100上外延一层p型sic作为绝缘层101，厚度为2μm，再外延一层n型sic，厚度为2μm；53.4)在n型sic上刻蚀四个压阻条105，采用rie浅刻蚀，刻蚀深度3μm；54.5)热氧化，在凸起岛200之外的压力测量单元正面沉积10nm～100nm的sio2薄层；55.6)湿法腐蚀图形化sio2层，得到金属与半导体的接触窗口300；56.7)在压力测量单元正面溅射金属层，再湿法腐蚀图形化金属层，然后高温退火，形成金属欧姆接触电路102；57.8)在凸起岛200上旋涂光刻胶，图形化光刻胶，露出左半边基底的部分为薄膜热电偶正极201的图形部分；58.9)在薄膜热电偶正极201的图形部分磁控溅射钨铼合金，成分为95％钨‑5％铼(w‑5re)，形成薄膜热电偶正极201，电极宽度为100μm，厚度为1μm～2μm，呈折形，电极下部引脚尺寸为200μm×250μm；59.10)将光刻胶及胶上w‑5re合金去除并用去离子水清洗并烘干，留下薄膜热电偶正极201；60.11)在薄膜热电偶正极的凸起岛200上旋涂光刻胶，图形化光刻胶，露出右半边基底的部分为薄膜热电偶负极202的图形部分；61.12)在薄膜热电偶负极202的图形部分磁控溅射钨铼合金，成分为74％钨‑26％铼(w‑26re)，形成薄膜热电偶负极202，电极宽度为100μm，厚度为2μm～5μm，与正极对称，呈折形，电极下部引脚尺寸为200μm×250μm，负极与正极头部交叠部分形成200μm×100μm的热结203；62.13)将光刻胶及胶上w‑26re合金去除并用去离子水清洗并烘干；63.14)对薄膜热电偶进行高温退火，然后在薄膜热电偶上溅射氧化铝保护层205，厚度为2μm～3μm，溅射氧化铝保护层205时，露出薄膜热电偶冷端204；64.15)碳化硅基底100背面刻蚀圆形的背腔103，采用icp深刻蚀，形成厚度100μm的压力敏感膜片104；65.16)划片，获得单个温压集成芯片，用于后续传感器封装。66.一种碳化硅mems温压复合式传感器芯片，包括外围压力测量单元和中心温度测量单元；压力测量单元由带凸起岛的碳化硅基底，背面刻蚀有圆形背腔形成压力敏感膜片，凸起岛和压力敏感膜片构成了膜岛结构，在凸起岛之外，压力敏感膜片之内，沿着压力敏感膜片根部圆周对称布置四个压阻条；温度测量单元包括基底凸起岛以及布置在其上的薄膜热电偶；当压力作用在芯片上时，压力测量单元通过半导体压阻效应及惠斯通电桥将压力转变成电信号输出，同时温度测量单元通过金属薄膜热电偶塞贝克效应将温度转换成热电势输出，以此完成高温下压力和温度的实时检测。本发明实现了600℃以内的高温下温度和压力的集成测量，具有耐高温、微型化、灵敏度高、稳定性好等优点。67.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。