一種mems多晶硅納米膜壓力傳感器芯片的制作方法
【專利摘要】一種MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片，涉及一種傳感器芯片，本實(shí)用新型傳感器芯片，包括單晶硅襯底(1),在硅襯底上設(shè)置剖面為平坦型多晶硅的感壓膜（4）,以二氧化硅為犧牲層在感壓膜和襯底之間形成的密閉空腔(2)，在感壓膜（4）上表面設(shè)有四個(gè)多晶硅納米膜力敏電阻（5），力敏電阻（5）、感壓膜（4）與金屬導(dǎo)線之間為絕緣層（7）隔離，四個(gè)力敏電阻（5）通過金屬導(dǎo)線連接成惠斯通電橋，將壓力轉(zhuǎn)換成電壓輸出，感壓膜（4）邊緣外設(shè)置有密封的腐蝕孔（3）。本實(shí)用新型具有線性度和靈敏度高、工作溫度范圍寬、過載能力強(qiáng)、工藝簡(jiǎn)單和成本低等特點(diǎn)。
【專利說明】
一種MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種傳感器芯片，特別是涉及一種MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))壓力傳感器是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和良好的彈性，用集成電路工藝和微機(jī)械加工技術(shù)制備的傳感器。具有體積小和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的傳感器之一。MEMS壓力傳感器主要分為電容式和壓阻式，電容式由于工藝復(fù)雜，工藝穩(wěn)定性要求高，因此，全球90%以上MEMS壓力傳感器都為硅壓阻式。
[0003]硅壓阻式壓力傳感器按加工工藝分為體硅微機(jī)械和面微機(jī)械加工技術(shù)兩種。體硅微機(jī)械(也稱擴(kuò)散硅)技術(shù)特點(diǎn)是工藝成熟，但不易小型化和集成化。表面微機(jī)械加工技術(shù)(也稱犧牲層技術(shù))特點(diǎn)是成本低、易集成和小型化。隨著智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備的興起，以及較為成熟的汽車電子和工業(yè)控制領(lǐng)域的巨大市場(chǎng)對(duì)小型和集成化傳感器的需求，面微機(jī)械壓力傳感器蓬勃發(fā)展。
[0004]通常，面微機(jī)械壓力傳感器按結(jié)構(gòu)分為平坦型和臺(tái)階型兩種。平坦型壓力傳感器密閉空腔是由對(duì)單晶硅襯底刻蝕的凹槽與平坦的多晶硅膜構(gòu)成，臺(tái)階型壓力傳感器密閉空腔是由單晶硅襯底與凸型(感壓面與支撐面構(gòu)成)的多晶硅膜構(gòu)成。平坦型線性度好，臺(tái)階型靈敏度高。
[0005]面微機(jī)械加工的壓力傳感器力敏電阻一般采用普通多晶硅薄膜電阻(膜厚大于0.3μπι)，該電阻溫度特性好，但靈敏度較擴(kuò)散硅壓力傳感器低，因此，普通多晶硅薄膜制約了面微機(jī)械半導(dǎo)體壓力傳感器優(yōu)越結(jié)構(gòu)性能。
[0006]多晶硅納米膜是膜厚接近或小于10nm的多晶硅薄膜。厚度為80nm?10nm多晶硅納米薄膜在摻雜濃度為3 XlO2t3 cm—3附近時(shí)具有顯著的隧道壓阻效應(yīng)，表現(xiàn)出比常規(guī)多晶硅納米薄膜更優(yōu)越的壓阻特性，應(yīng)變因子可達(dá)到34，比普通多晶硅薄膜高25%以上；電阻溫度系數(shù)可小于10—4/°C，比普通薄膜小接近一個(gè)數(shù)量級(jí)；應(yīng)變因子溫度系數(shù)可小于10—3/°C，比普通薄膜小一倍以上。該材料在體硅壓力傳感器中應(yīng)用比普通多晶硅薄膜比較靈敏度明顯改善。
[0007]為了提高傳感器靈敏度，人們采用在SOI芯片上，以外延生長單晶硅為結(jié)構(gòu)層，以SOI的二氧化硅為犧牲層，擴(kuò)散硅為力敏電阻制造壓力傳感器。但由于采用SOI芯片，成本比單晶硅芯片大幅增加。
[0008]當(dāng)前，面微機(jī)械壓力傳感器存在如下問題:
[0009](I)由于面微機(jī)械壓力傳感器體積小和感壓膜薄，線性度稍差；
[0010](2)面微機(jī)械壓力傳感器通常采用普通多晶硅薄膜力敏電阻，與擴(kuò)散硅相比，溫度特性好但靈敏度比低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本實(shí)用新型的目的在于提供一種MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片，該芯片采用平坦型面微機(jī)械結(jié)構(gòu)，使傳感器的成本低、線性度高;采用多晶硅納米薄膜作為力敏電阻提高了靈敏度和溫度特性好;制備工藝與集成電路完全兼容，易集成化;采用合適腔體高度，提高過載能力;采用絕緣介質(zhì)隔離擴(kuò)大了工作溫度范圍。
[0012]本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0013]一種MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片，所述芯片包括單晶硅襯底，在單晶硅襯底上設(shè)置剖面為平坦型的感壓膜，感壓膜與單晶硅襯底相連并在二者之間構(gòu)成密閉空腔，感壓膜邊緣外四周設(shè)置有腐蝕孔，在感壓膜上面設(shè)有四個(gè)力敏電阻，四個(gè)力敏電阻通過金屬導(dǎo)線連接成惠斯通電橋，將壓力轉(zhuǎn)換成電壓輸出。
[0014]所述的MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片，感壓膜與力敏電阻之間設(shè)有絕緣層。
[0015]所述的MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片，感壓膜為多晶硅，其俯視形狀為矩形或圓形。
[0016]所述的MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片，力敏電阻為P型多晶硅納米膜電阻。
[0017]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)與效果是:
[0018]1.本實(shí)用新型是一種測(cè)量絕壓的面微機(jī)械結(jié)構(gòu)壓力傳感器芯片，目的是提高傳感器線性度、靈敏度和過載能力。
[0019]2.本實(shí)用新型壓力傳感器芯片采用平坦型面微機(jī)械結(jié)構(gòu)，使傳感器的成本低、線性度高;采用多晶硅納米薄膜作為力敏電阻提高了靈敏度和溫度特性好;制備工藝與集成電路完全兼容，易集成化;采用合適腔體高度，提高過載能力;采用絕緣介質(zhì)隔離擴(kuò)大了工作溫度范圍。
【附圖說明】
[0020]圖1是本實(shí)用新型傳感器俯視圖；
[0021 ]圖2是本實(shí)用新型傳感器剖面圖；
[0022]圖3是本實(shí)用新型傳感器電路連接圖。
[0023]其中:1.單晶硅襯底，2.空腔，3.腐蝕孔，4.感壓膜，5.力敏電阻，6.金屬導(dǎo)線，7.絕緣層，101.第一層多晶硅，102.第二層多晶硅。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0025]本實(shí)用新型包括單晶硅襯底，在單晶硅襯底上設(shè)置剖面為平坦型的感壓膜，感壓膜與單晶硅襯底相連并在二者之間構(gòu)成密閉空腔，感壓膜邊緣外四周設(shè)置有腐蝕孔，在感壓膜上面設(shè)有四個(gè)力敏電阻，四個(gè)力敏電阻通過金屬導(dǎo)線連接成惠斯通電橋，將壓力轉(zhuǎn)換成電壓輸出。
[0026]感壓膜、力敏電阻與金屬層之間設(shè)有絕緣層;空腔中近似真空;感壓膜為多晶硅，其俯視形狀為矩形或圓形;力敏電阻為多晶硅納米薄膜電阻。
[0027]實(shí)施例1:
[0028]本實(shí)用新型的主要結(jié)構(gòu)由硅襯底、感壓膜、腔體、力敏電阻、絕緣層和金屬線構(gòu)成，如圖1和圖2所示。制作方法為:首先，采用熱氧化后腐蝕的方法在硅襯底上形成凹槽，在凹槽中淀積二氧化硅為犧牲層，再淀積第一層多晶硅并刻蝕腐蝕孔，用氫氟酸通過腐蝕孔去掉犧牲層。然后，淀積第二層多晶硅封閉腐蝕孔并與第一層多晶硅構(gòu)成感壓膜，感壓膜和硅襯底構(gòu)成封閉腔體，近似為真空。在感壓膜上淀積一層二氧化硅作為絕緣層，再淀積90nm厚多晶硅，采用硼離子注入和刻蝕技術(shù)形成四個(gè)力敏電阻，淀積二氧化硅為絕緣層，刻蝕接觸孔，濺射鋁并刻蝕形成金屬導(dǎo)線。測(cè)量時(shí)，將四個(gè)力敏電阻連接成惠斯通電橋，構(gòu)成壓力測(cè)量電路，電路采用恒壓源或恒流源供電，如圖3所示。
[0029]當(dāng)壓力作用時(shí)，傳感器膜片都發(fā)生彎曲，膜片應(yīng)變作用于力敏電阻產(chǎn)生壓阻效應(yīng)，惠斯通電橋輸出差動(dòng)電壓信號(hào)與壓力值對(duì)應(yīng)。當(dāng)壓力在傳感器量程范圍時(shí)，傳感器輸出與壓力成線性關(guān)系的電壓值，當(dāng)壓力超過量程達(dá)某一值時(shí)，傳感器的感壓膜與襯底接觸，減緩膜片應(yīng)力隨壓力變化趨勢(shì)，保證大壓力下膜片不斷裂，提高過載能力。
[0030]通過改變本實(shí)用新型傳感器膜片厚度和膜片尺寸，可設(shè)計(jì)出各種量程的壓力傳感器。
[0031]本實(shí)用新型可廣泛用于智能電子產(chǎn)品、物聯(lián)網(wǎng)、環(huán)境控制壓力測(cè)量以及航空系統(tǒng)、石化、電力等領(lǐng)域中的壓力測(cè)量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片，其特征在于:所述芯片包括單晶硅襯底(1)，在單晶硅襯底(I)上設(shè)置剖面為平坦型的感壓膜(4)，感壓膜(4)與單晶硅襯底(I)相連并在二者之間構(gòu)成密閉空腔(2)，感壓膜(4)邊緣外四周設(shè)置有腐蝕孔(3)，在感壓膜(4)上面設(shè)有四個(gè)力敏電阻(5)，四個(gè)力敏電阻(5)通過金屬導(dǎo)線(6)連接成惠斯通電橋，將壓力轉(zhuǎn)換成電壓輸出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片，其特征在于:感壓膜(4)與力敏電阻(5)之間設(shè)有絕緣層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片，其特征在于:感壓膜(4)為多晶硅，其俯視形狀為矩形或圓形。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS多晶硅納米膜壓力傳感器芯片，其特征在于:力敏電阻(5)為P型多晶硅納米膜電阻。
【文檔編號(hào)】G01L9/06GK205449349SQ201620001545
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年1月4日
【發(fā)明人】王健, 揣榮巖
【申請(qǐng)人】沈陽化工大學(xué)