耐高温MEMS压阻式微压敏感芯片结构及其制备方法与流程

本发明属于mems压阻式压力传感器，具体涉及耐高温微压敏感芯片结构及其制备方法。

背景技术：

1、压力传感器作为目前应用最为广泛的传感器之一，广泛应用于国防、工业、医疗、以及人类生活的各个领域。基于单晶硅压阻效应原理的微机电(micro-electro-mechanical system，mems)压阻式压力传感器由于灵敏度高、工艺成熟、低功耗、易于集成微型化等一系列优点，成为目前应用最广泛的mems压力传感器。

2、然而，目前mems压力传感器的发展仍存在两大问题：一是常规硅基压力传感器采用扩散硅工艺制备的pn结来实现压敏电阻与硅衬底之间的电流隔离，但随着温度升高，pn结的反向漏电流急剧增大，当温度超过120℃时，漏电流过大将会导致传感器性能严重劣化甚至失效。文献中常使用碳化硅、蓝宝石或者共烧陶瓷等耐高温材料来制备压力传感器，以提高其温度耐受能力，但这类新材料成本高、加工困难，尤其是不能与现有cmos工艺兼容，难以实现压力芯片的小型化和集成化；二是目前绝大多数mems压力传感器产品均用于50kpa以上的压力测量，在生物医疗和军用领域对微压传感器的需求日益增大，因此有必要进行量程小于50kpa的微压传感器设计与制备。为了提高传感器的灵敏度以保证对微小压力的感知和测量，通常需要压力敏感膜片非常薄，虽然较薄的感压膜片有利于灵敏度的提高，但在压力作用下垂直方向的挠度会变大，而过大的挠度将会导致传感器的线性度降低。为了缓解灵敏度和线性度的设计矛盾，常规方式是在压力敏感膜片中心引入岛结构，在芯片尺寸不变的情况下，该结构可通过降低膜片挠度来提高线性度，但仍然会牺牲一部分灵敏度；在保持灵敏度不变的情况下，又会增加芯片的尺寸，不利于传感器的小型化。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明主要提供了一种耐高温mems压阻式微压敏感芯片结构及其制备方法，可在不增加芯片尺寸的前提下，有效缓解灵敏度和线性度的矛盾，并同时满足高温和微压环境应用需求。所涉及的mems微压敏感芯片基于绝缘体上硅(silicon-on-insulator，soi)衬底，采用浓硼掺杂工艺将硼离子注入到soi器件层，再经刻蚀工艺去除顶层硅后形成由惠斯通电桥相连的悬浮压敏电阻，压敏电阻置于感压膜片应力集中区，当感压膜片受压力作用发生形变时，不同位置压敏电阻受应力作用而发生阻值变化，引起惠斯通电桥不平衡输出，从而将压力信号转换为电压信号，实现对压力的感知和测量。

2、在本发明的第一方面，本发明提供了一种耐高温mems压阻式微压敏感芯片结构，包括由下至上堆叠的基座层、soi基片和金属层；其中，所述soi基片包括衬底层、底硅层、埋氧层和器件层；所述衬底层包括支撑衬底和空气腔；所述底硅层、所述埋氧层和所述器件层构成梁-膜耦合型感压膜片，所述梁-膜耦合型感压膜片包括中心膜片和连接梁；所述器件层中设置有多个压敏电阻，所述多个压敏电阻分布在所述连接梁的应力集中区内；所述金属层包括金属焊盘和互联引线，所述金属焊盘、所述互联引线与所述多个压敏电阻连接，并形成惠斯通电桥电路。

3、进一步的，所述基座层的厚度大于所述梁-膜耦合型感压膜片的厚度。

4、进一步的，所述基座层的上表面与所述soi基片的衬底层键合固定；所述基座层的下表面与封装外壳粘接固定。

5、进一步的，所述梁-膜耦合型感压膜片为雪花状梁-膜耦合型感压膜片。

6、可选的，所述梁-膜耦合型感压膜片为方形梁、弧形梁与方形膜、圆形膜、弧形膜和异形膜中的任意一种梁膜组合。

7、进一步的，所述多个压敏电阻均为p型压敏电阻，所述压敏电阻的形状为折数可调的蛇形。

8、进一步的，所述多个压敏电阻的排列晶向一致。

9、在本发明的第二方面，本发明还提供了一种耐高温mems压阻式微压敏感芯片结构的制备方法，所述方法包括：

10、采用干法刻蚀或者湿法腐蚀对soi基片的衬底层进行处理，形成支撑衬底和空气腔；

11、采用硼离子掺杂工艺和刻蚀工艺对soi基片的器件层进行处理，形成压敏电阻；

12、采用光刻和刻蚀工艺定义不同形状的膜片结构并实现图形转移，形成梁-膜耦合型感压膜片；

13、采用镀膜工艺在soi基片的器件层上方生长金属材料，形成金属层；

14、采用刻蚀工艺对金属层进行处理，形成金属焊盘和互联引线，并将所述金属焊盘、所述互联引线与所述多个压敏电阻连接，形成惠斯通电桥电路；

15、采用键合工艺将所述基座层与所述soi基片的衬底层固定，形成耐高温mems压阻式微压敏感芯片结构。

16、可选的，所述空气腔可通过硅干法刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺制备形成。

17、本发明的有益效果：

18、本发明采用耐高温soi基片替代了传统硅衬底，埋氧层实现压敏结构与衬底之间的电隔离，避免了基于硅衬底的扩散硅压阻式压力传感器在温度高于120℃条件下pn结漏电流过大导致器件失效的问题，可显著增加传感器温度耐受能力，最高可实现480℃环境下的压力测量。本发明采用梁-膜耦合型感压膜片，与相同尺寸的传统方形膜片相比，可增大应力集中区内纵横向应力差，从而有效提高芯片灵敏度。本发明采用折数可调的蛇形电阻即可实现较高灵敏度，可有效较低负压阻效应对压敏电阻阻值的影响。另外，由压敏电阻、金属焊盘和互联引线组成的高对称性惠斯通电桥电路也可有效降低光刻工艺中的对准难度，提高压敏电阻的位置精度。

技术特征：

1.一种耐高温mems压阻式微压敏感芯片结构，其特征在于：包括由下至上堆叠的基座层、soi基片和金属层；其中，所述soi基片包括衬底层、底硅层、埋氧层和器件层；所述衬底层包括支撑衬底和空气腔；所述底硅层、所述埋氧层和所述器件层构成梁-膜耦合型感压膜片，所述梁-膜耦合型感压膜片包括中心膜片和连接梁；所述器件层中设置有多个压敏电阻，所述多个压敏电阻分布在所述连接梁的应力集中区内；所述金属层包括金属焊盘和互联引线，所述金属焊盘、所述互联引线与所述多个压敏电阻连接，并形成惠斯通电桥电路。

2.根据权利要求1所述的耐高温mems压阻式微压敏感芯片结构，其特征在于：所述基座层的厚度大于所述梁-膜耦合型感压膜片的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的耐高温mems压阻式微压敏感芯片结构，其特征在于：所述基座层的上表面与所述soi基片的衬底层键合固定；所述基座层的下表面与封装外壳粘接固定。

4.根据权利要求1所述的耐高温mems压阻式微压敏感芯片结构，其特征在于：所述梁-膜耦合型感压膜片为方形梁、弧形梁与方形膜、圆形膜、弧形膜和异形膜中任意一种梁膜组合。

5.根据权利要求4所述的耐高温mems压阻式微压敏感芯片结构，其特征在于：所述梁-膜耦合型感压膜片的背面设置有凸台、半岛或/和全岛结构。

6.根据权利要求1所述的耐高温mems压阻式微压敏感芯片结构，其特征在于：所述多个压敏电阻均为p型压敏电阻，所述压敏电阻的形状为折数可调的蛇形。

7.根据权利要求6所述的耐高温mems压阻式微压敏感芯片结构，其特征在于：所述多个压敏电阻的排列晶向一致。

8.一种耐高温mems压阻式微压敏感芯片结构的制备方法，用于制备如权利要求1～7任一所述的耐高温mems压阻式微压敏感芯片结构，其特征在于：

技术总结本发明属于MEMS压阻式压力传感器技术领域，具体涉及耐高温MEMS压阻式微压敏感芯片结构及其制备方法；所述结构包括由下至上堆叠的基座层、SOI基片和金属层；SOI基片包括衬底层、底硅层、埋氧层和器件层；衬底层包括支撑衬底和空气腔；底硅层、埋氧层和器件层构成梁‑膜耦合型感压膜片，梁‑膜耦合型感压膜片包括中心膜片和连接梁；器件层中设置多个压敏电阻，压敏电阻分布在连接梁的应力集中区内；金属层包括金属焊盘和互联引线，金属焊盘、互联引线与多个压敏电阻连接，并形成惠斯通电桥电路。本发明可有效增加压敏芯片的温度耐受能力，在不增加芯片尺寸的前提下，有效缓解灵敏度与线性度的设计矛盾，适用于微压环境中的压力测量。技术研发人员：吴高米,苗晋威,袁宇鹏,黄晶,张祖伟受保护的技术使用者：中电科芯片技术（集团）有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/16