[发明专利]基于硅硅键合和绝缘层上硅的压力传感器芯片及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于硅硅键合技术和绝缘体上硅(SOI)的高灵敏低量程的压力传感器芯片及其制作方法，属于传感器芯片领域。

背景技术

硅基压力传感器作为商业化最为成功的微机电系统(MEMS)器件，过去几十年在石油、航天、医疗器械以及汽车电子等领域都获得了广泛的应用和技术的改进。但是由于硅微机械加工技术制备的体硅压力传感器采用pn结作为电学隔离手段，在125℃以上的环境由于反向漏电流的增大而导致失效；普通压力传感器通常将应力膜的长宽比做得足够大而获得高的灵敏度，但是在低量程的应用上这种设计则会使得器件的线性特性恶化进而产生矛盾，这些都是硅压力传感器发展过程中遇到的一些问题。

采用SOI材料对于压力传感器高温性能的改进可以起到显著的作用，相对于传统的体硅压力传感器，SOI压力传感器利用绝缘埋氧层隔离取代了pn结隔离，使得器件忍耐高温的能力大大增强。此外，与多晶硅压力传感器相比，由于SOI的顶层是单晶硅材料，力学性能甚优于多晶硅压力传感器，灵敏度也能得到极大的提高。

对于高灵敏的压力传感器，一般通过将应力膜的尺寸和厚度的比值做的足够大来获得，然而当两者的比例很大的时候得到的输出信号与外加压力不再是严格的线性曲线，这就是压力传感器的非线性问题。国内外学者对此曾提出过背岛结构(M.Shimazoe等人发表在Sensors and Actuators，2(1982)275-282上的“A special silicon diaphragm pressure sensor with high output andhigh accuracy”一文”)、双岛结构(Endevco Tech.Paper Tp277中的“Basicadvantages of the anisotropic etched transverse gage pressure transducer.”一文)和梁-膜结构(Minhang Bao发表在Sensors and Actuators A，28(1991)，105-112上的“Stress concentration structure with front beam for pressure sensor”一文)等方案，都对器件线性度的提高非常有效。其中背岛结构和双岛结构由于制作过程中的工艺参数控制要求非常苛刻，而且由于岛结构存在于应力膜的背面不利于器件的小型化，因此并不适于大批量生产。其中梁-膜结构是一种有效的应力集中结构，其应力集中机理是梁和膜的厚度差异会将应力集中到梁上，又由于梁在不同区域宽度的不同，应力将被集中在梁的窄区内，这样便可以在梁-膜不产生大位移即避免一部分非线性成因的前提下获得高的灵敏度。但是同样由于在制备过程中需要长时间的各向异性腐蚀来实现超薄的应力膜，这样便难以保证膜的不同位置以及不同批次的膜之间的均匀性，因此对于大规模生产而言同样存在局限性。

本发明试图通过借鉴梁-膜结构应力集中的优点，但是并不采取长时间的各向异性腐蚀形成硅杯作为制作高灵敏的应力薄膜的工艺手段，而是通过预先腐蚀好的浅槽和倒扣的SOI片键合工艺，在SOI片原本的顶层硅上形成梁和膜的结构，这样对制作工艺的要求降低，保证了器件的工艺稳定性以获得更高的成品率。结合成熟的研磨和化学机械抛光技术，在SOI背面磨片抛光剩余的薄层单晶硅上制作与梁-膜绝缘隔离的力敏电阻，可同时解决高温应用以及非线性问题，还能够同时带来工艺稳定性和器件微型化，通过调整预先腐蚀的浅槽的深度同样可以实现过压保护，进一步提高了器件的实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于硅硅键合和SOI的MEMS高灵敏低量程压力传感器芯片及制作方法，不仅可将硅压力传感器的应用温度范围扩展到200℃以上，而且器件在高灵敏的前提下仍然能保持好的线性度，而采用硅硅键合技术使器件制备的工艺稳定性和可靠性更强，并能方便的实现器件的微型化和过压保护。