一种MEMS四合一单片集成传感器

本发明涉及半导体器件，特别涉及一种mems单片集成多种功能的复合传感器。

背景技术：

1、mems(微电子机械系统)作为一种比较成熟的半导体技术，目前已经广泛用于各个领域，例如，利用mems技术制作的传感器可以应用于智能家电、应急救援、公共安全、机器人等等于。

2、以地震搜救无人机为例，为确保其功能与导航系统在危险复杂的环境中正常运行，无人机上需要安装加速度计、陀螺仪、气压传感器和超声波传感器等，这样才能使无人机的作用最大化。由于传感器经常会应用于复杂的环境中，单一功能的传感器无法同时测量多个种类的物理量，而且安装多种功能的传感器会使得占用面积和功耗都比较大，已不能满足现实需求，所以未来mems传感器的发展趋势主要集中在微型化、多功能化、集成化。

3、传统传感器的集成化所集成的传感器数量较少，因此相应功能较少，而且其中的大多数采用体硅微加工技术，器件成品率低且制作成本较高。

4、因此，需要一种新的集成传感器，以集成更多种类的传感器，且提高成品率和降低制作成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种mems四合一单片集成传感器及其制作方法，以集成压力、加速度、气体和湿度传感器4种传感器的功能，提高作业效率和成品率。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种mems四合一单片集成传感器的制作方法，用于加速度传感器、压力传感器、气体传感器、和湿度传感器的集成，包括：

3、s1：提供一硅片，在硅片上沉积一层隔离层；

4、s2：利用sio2在所述隔离层上分别制作得到加速度、压力、气体、湿度传感器各自的凸台和与各个凸台邻接的腐蚀引脚，作为牺牲层，从而得到具有牺牲层的硅片；

5、s3：在具有牺牲层的整个硅片上沉积一层低应力氮化硅，作为结构层和敏感膜片；

6、s4：在所述敏感膜片上制作基于敏感膜片形变而变化的敏感器件，所述敏感器件包括加速度和压力传感器所需的敏感电阻；并且，在所述敏感膜片上制作气体传感器的测试电极和湿度传感器的测试电极；

7、s5：对所述腐蚀引脚上方的敏感膜片进行刻蚀，得到贯穿所述敏感膜片的腐蚀释放孔；

8、s6：将硅片放置在约3％～7％ hf溶液中，使得hf溶液透过腐蚀释放孔401对牺牲层进行腐蚀，同时多次观察敏感膜片下方的凸台的颜色是否发生变化，在观察到凸台的颜色全部变化时停止腐蚀；

9、s7：在腐蚀释放孔处沉积氮化硅和二氧化硅交替堆叠而形成的多层材料，得到封堵层，来封堵所有的腐蚀释放孔；

10、s8：在气体传感器的测试电极和湿度传感器的测试电极上分别涂覆气体传感器的气敏材料和湿度传感器的敏感材料，得到mems四合一单片集成传感器。

11、所述步骤s2具体包括：

12、s21：在所述隔离层上沉积sio2，并对其进行光刻和刻蚀，以使其图形化并在对应于加速度、压力、气体、湿度传感器的位置形成加速度、压力、气体、湿度传感器各自的凸台；

13、s22：在所述隔离层上再次沉积一层sio2，并对其进行光刻和刻蚀，以使其图形化并形成与各个凸台邻接的腐蚀引脚。

14、所述步骤s4具体包括：

15、s41：在所述敏感膜片上沉积一层低应力多晶硅，对其进行硼离子注入退火，接着对多晶硅进行光刻和刻蚀，使其图形化以分别在对应于加速度和压力传感器的敏感电阻的位置形成所述加速度和压力传感器的敏感电阻；

16、s42：在所述加速度和压力传感器的敏感电阻处均沉积一层低应力氮化硅，作为加速度和压力传感器的敏感电阻的保护层；

17、s43：在加速度传感器、压力传感器的敏感电阻上分别制作电极引线；

18、s44：在气体传感器和湿度传感器处的敏感膜片上分别制作气体传感器和湿度传感器的测试电极。

19、所述步骤s43具体包括：分别刻蚀加速度、压力传感器的敏感电阻的保护层，以形成加速度和压力传感器的敏感电阻的引线孔，并在引线孔处溅射一层金作为电极引线。

20、所述步骤s4还包括：步骤s45：在加速度传感器处的敏感膜片上制作质量块，所述质量块的材质为铜，质量块的厚度在10μm以内。

21、在所述步骤s41中，所述敏感电阻的厚度约为注入退火的离子注入能量为60kev，注入剂量为5×1015离子/cm2，退火温度为1000摄氏度，通氮气；在所述步骤s42中，所述敏感电阻的保护层的厚度约为且在所述步骤s43中，所述电极引线的厚度约为

22、在所述步骤s7中，得到封堵层，具体包括：采用pecvd沉积氮化硅、二氧化硅、和氮化硅来得到氮化硅-二氧化硅-氮化硅形式的多层材料，并进行光刻和刻蚀，使得所述多层材料图形化，以此来得到封堵层。

23、所述硅片为单抛的n+型<100>硅片；所述隔离层为低应力氮化硅，其厚度为凸台的厚度为腐蚀引脚的厚度为

24、所述气体传感器的气敏材料是sno2/tio2，湿度传感器的湿敏材料是zno/peg，且气体传感器的气敏材料和湿度传感器的湿敏材料通过点样方式涂敷在气体和湿度传感器的测试电极上来得到。

25、另一方面，本发明提供一种mems四合一单片集成传感器，其基于上文所述的mems四合一单片集成传感器的制作方法制作得到。

26、本发明的mems四合一单片集成传感器的制作方法首次将气体和湿度传感器的空腔制作于硅片表面，能够制作集合有压力、加速度、气体和湿度4种传感器的功能的集成传感器，每种传感器组件均能正常工作且性能达到了一定的水平，因此可用于复杂的场景，并同时检测四个种类的物理量，从而提高作业效率；此外，四合一单片集成传感器采用表面硅微加工技术进行制作，器件的成品率较高，制作成本较低，可以大批量生产。

27、此外，本发明的mems传感器的制作方法采用多层物质填充腐蚀孔的封堵方法，多层材料的分子结构相互错开，可以提高致密性，进而提升气密性，使得器件性能的稳定性保持得更久。

技术特征：

1.一种mems四合一单片集成传感器的制作方法，用于加速度传感器、压力传感器、气体传感器、和湿度传感器的集成，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的mems四合一单片集成传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括：

3.根据权利要求1所述的mems四合一单片集成传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤s4具体包括：

4.根据权利要求3所述的mems四合一单片集成传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤s43具体包括：分别刻蚀加速度、压力传感器的敏感电阻的保护层，以形成加速度和压力传感器的敏感电阻的引线孔，并在引线孔处溅射一层金作为电极引线。

5.根据权利要求3所述的mems四合一单片集成传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤s4还包括：步骤s45：在加速度传感器处的敏感膜片上制作质量块，所述质量块的材质为铜，质量块的厚度在10μm以内。

6.根据权利要求3所述的mems四合一单片集成传感器的制作方法，其特征在于，在所述步骤s41中，所述敏感电阻的厚度为注入退火的离子注入能量为60kev，注入剂量为5×1015离子/cm2，退火温度为1000摄氏度，通氮气；在所述步骤s42中，所述敏感电阻的保护层的厚度为且在所述步骤s43中，所述电极引线的厚度为

7.根据权利要求1所述的mems四合一单片集成传感器的制作方法，其特征在于，在所述步骤s7中，得到封堵层，具体包括：采用pecvd沉积氮化硅、二氧化硅、和氮化硅来得到氮化硅-二氧化硅-氮化硅形式的多层材料，并进行光刻和刻蚀，使得所述多层材料图形化，以此来得到封堵层。

8.根据权利要求1所述的mems四合一单片集成传感器的制作方法，其特征在于，所述硅片为单抛的n+型<100>硅片；所述隔离层为低应力氮化硅，其厚度为凸台的厚度为腐蚀引脚的厚度为

9.根据权利要求1所述的mems四合一单片集成传感器的制作方法，其特征在于，所述气体传感器的气敏材料是sno2/tio2，湿度传感器的湿敏材料是zno/peg，且气体传感器的气敏材料和湿度传感器的湿敏材料通过点样方式涂敷在气体和湿度传感器的测试电极上来得到。

10.一种mems四合一单片集成传感器，其特征在于，其基于权利要求1-9之一所述的mems四合一单片集成传感器的制作方法制作得到。

技术总结本发明提供一种基于MEMS技术的四合一单片集成传感器及其制作方法。本发明的四合一单片集成传感器在单个硅片上集成了多种传感器的功能，可以同时测量压力、加速度、气体和湿度，可用于复杂场景下的多参数同步检测。该四合一集成传感器采用表面微机械加工工艺制作，为了形成压力传感器、加速度传感器、气体传感器和湿度传感器所需的空腔结构，采用SiO<subgt;2</subgt;填充且使用HF溶液腐蚀多晶硅以释放腔体的方法，这样不仅有利于各种功能传感器的工艺兼容，而且也可以提高集成传感器的成品率。同时该集成传感器的制作成本相对较低，适合于大批量生产。技术研发人员：陶虎,李晓辉,秦楠受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/1/14