[发明专利]一种压阻式压力计芯片结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)传感器设计领域，涉及一种MEMS压阻式压力传感器，以及采用MEMS加工工艺方法在单个圆片上制作该压力传感器的方法。

背景技术

MEMS(MicroElectroMechanical System)即微电子机械系统，是新兴的跨学科的高新技术研究领域。基于MEMS技术制造压阻式压力传感器由于其出色的精准度和可靠度以及相对便宜的制造成本在现代的市场中得到广泛的应用。自从20世纪50年代中期发现了硅材料的压阻特性，硅基的压阻式压力传感器就被广泛的应用。压阻式传感器的工作原理是在一个方形或者圆形的硅应变薄膜上通过扩散或者离子注入的方式在应力集中区制作四个压力敏感电阻，四个电阻互联构成惠斯顿电桥。当有外界压力施加在硅应变膜上，压敏电阻区域由于应变膜弯曲产生应力，通过压敏电阻的压阻特性，将应力转换为电阻值的变化，最后通过惠斯顿电桥将电阻值的变化转换为输出电压，通过对输出电压与压力值进行标定可以实现对压力的测量。典型的压阻式压力传感器的结构主要包含硅应变膜、玻璃底座以及硅应变膜和玻璃底座之间的密闭空腔，在(110)晶面的硅片上通过各向异性湿法腐蚀的方式进行制作硅应变膜和空腔，并与玻璃通过阳极键合完成空腔的密闭，空腔的侧面为(111)晶面。上述压力计传感器结构具有工艺简单、技术成熟以及易于批量化生产的优点，并因此得到了广泛的应用。上述结构存在的缺点是空腔的侧面与硅应变膜存在54.7度的倾角，空腔底部所需要的尺寸远远大于硅应变膜的尺寸，芯片实际尺寸受到上述问题的限制无法做到非常小；同时芯片的厚度受到硅片厚度的限制无法变薄到理想厚度，限制了压阻式压力传感器在芯片一些厚度敏感领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种新式压阻式压力计芯片结构及其制备方法。该结构的压力传感器相比典型器件结构具有工艺简单、芯片尺寸小的优点；同时采用阳极键合和硅片减薄工艺，该设计加工方法与标准体硅压阻式压力传感器的加工工艺兼容，器件加工成本低，具有较高的成品率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种压阻式压力计芯片结构，包括压敏电阻、重掺杂接触区、金属引线、硅应变膜、玻璃底座以及硅应变膜和玻璃底座之间的空腔，所述硅应变膜为与玻璃底座阳极键合并在非键合面上进行了减薄处理的硅片，所述空腔为位于玻璃底座内并通过玻璃底座与硅应变膜的阳极键合形成的密封空腔，所述硅应变膜的键合面上具有压敏电阻、重掺杂接触区、引线孔、金属引线和金属焊盘，所述压敏电阻密封在上述空腔内，所述金属引线和金属焊盘通过引线孔、重掺杂接触区与压敏电阻实现电信号连接。

进一步地，所述硅应变膜的键合面上具有引线凹槽，所述金属引线和金属焊盘位于引线凹槽内，所述金属引线和金属焊盘在阳极键合完成后与玻璃底座贴合在一起。

进一步地，所述硅应变膜的可动区域的形状由所述玻璃底座内空腔的开口图形决定，由设计的光刻版的图形决定。

优选地，所述玻璃底座内空腔的开口为方形或者圆形。

一种压阻式压力计芯片结构的制备方法，其步骤包括：

1)在硅片正面制作压敏电阻以及重掺杂接触区；

2)在硅片正面制作引线孔、引线凹槽、金属引线和金属焊盘；

3)在玻璃片正面制作空腔；

4)将硅片的正面与玻璃片的正面进行对准阳极键合，形成硅玻璃键合片，所述压敏电阻密封在空腔内；

5)对硅片的非键合面进行减薄处理；

6)对硅玻璃键合片的硅面进行光刻及刻蚀，直至露出下方的金属焊盘；

7)划片，芯片制作完成。

上述步骤1)通过离子注入或者杂质扩散的方式在硅片正面制作压敏电阻以及重掺杂接触区。

上述步骤2)中，在所述引线凹槽内制作金属引线和金属焊盘。

进一步地，所述金属引线和金属焊盘的材料可以采用铝或铬-金，钛-金，铬-铂，钛-铂等金属材料的组合。

上述步骤3)可以通过干法刻蚀或者湿法腐蚀的方式在所述玻璃片上制作空腔。

在完成空腔制作后，可以在玻璃片上的空腔区域通过玻璃打孔的方式制作贯穿玻璃片的通孔，在完成上述后续工艺后可以实现用于差压压力测量的压阻式压力计芯片结构。

上述步骤5)可以通过湿法腐蚀(各向同性腐蚀和各向异性腐蚀)或者化学机械抛光的方式对硅片的非键合面进行减薄处理。

可以根据器件设计要求对硅片的非键合面进行减薄处理，以达到器件设计要求的的灵敏度。