壓力傳感器芯片及制備方法、絕壓傳感器芯片與流程

本發明涉及微電子機械加工領域，尤其涉及一種壓力傳感器芯片及制備方法。

背景技術：

在航空、航天、航海、石油化工、汽車制造等領域，壓力傳感器有著廣泛的應用。壓力傳感器屬于微電子機械壓阻式傳感器，即通過微電子機械加工技術利用單晶硅的壓阻效應制造出的傳感器芯片。現有的壓力傳感器芯片分為差壓傳感器芯片和絕壓傳感器芯片，其中，差壓傳感器芯片用于測量兩個壓力之間的差值。絕壓傳感器芯片用于感受絕對壓力并將絕對壓力值進行輸出。如果要實現對差壓和絕壓的測量，則必須通過一個差壓傳感器芯片和一個絕壓傳感器芯片組合檢測的方式逐個實現。

此外，現有的大量程壓力傳感器芯片在測量微小壓力時輸出信號較低無法滿足檢測要求，而小量程壓力傳感器能夠滿足微小壓力的檢測要求但無法應用于高壓壓力的測量，即傳統壓力傳感器芯片一直存在著測量范圍小的技術難點。

技術實現要素：

本發明的發明目的在于提供一種壓力傳感器芯片，其能夠實現差壓和絕壓的同步檢測，并且具有較大的測量范圍，以解決現有技術中壓力傳感器芯片所存在的技術難題。

根據本發明的實施例，提供了一種壓力傳感器芯片，包括依次設置的玻璃底座、硅基座和硅膜片，其中，

所述硅基座的上表面設置有第一凹腔，在第一凹腔外圍、間距第一凹腔設置有環形第二凹腔，第二凹腔的下方設有連通第二凹腔與所述硅基座下表面的環形貫通空腔；所述貫通空腔的內環位于第二凹腔內環的外圍，且所述貫通空腔內環與外環之間的距離小于第二凹腔內環與外環之間的距離；

所述硅膜片固定于所述硅基座的上表面并覆蓋第一凹腔和第二凹腔；

在所述硅膜片表面對應第一凹腔的區域邊緣，設置有絕壓壓敏電阻和輸出絕壓信號的第一惠斯通電橋；以及，在所述硅膜片表面對應第二凹腔的區域邊緣，設置有差壓壓敏電阻和輸出差壓信號的第二惠斯通電橋；

所述玻璃底座設置有連通所述貫通空腔與所述玻璃底座外部的通氣孔。

進一步地，在所述貫通空腔與所述通氣孔之間設有第三凹腔，第三凹腔自所述玻璃底座的上表面向下凹陷,第三凹腔的開口面積大于所述貫通空腔外環的橫截面積。

優選地，第一凹腔、第二凹腔、所述貫通空腔和第三凹腔的中心重合。

進一步優選地，所述玻璃底座、所述硅基座和所述硅膜片的中心重合，所述硅基座的中心與第一凹腔的中心重合或平行。

其中，第一惠斯通電橋中的所述絕壓壓敏電阻通過第一重摻雜接觸區和第一金屬引線將所述絕壓信號輸出；

第二惠斯通電橋中的所述差壓壓敏電阻通過第二重摻雜接觸區和第二金屬引線將所述差壓信號輸出。

根據本發明的另一方面，提供了制備上述壓力傳感器芯片的制備方法，包括：

采用雙面拋光硅片作為硅基座；

在所述硅基座的上表面制作第一凹腔和第二凹腔，其中，第二凹腔環繞于所述第一凹腔的外圍并距離第一凹腔設定長度；

在SOI硅片的表面制備二氧化硅層；SOI硅片的器件層采用N型摻雜，標記所述SOI硅片器件層所在的面為SOI硅片的下表面；

將所述SOI硅片的下表面與所述硅基座的上表面利用高溫熱熔鍵合的方式進行鍵合；所述SOI硅片將第一凹腔和第二凹腔覆蓋，第一凹腔與所述SOI硅片的下表面形成真空腔；

對所述SOI硅片的中上部進行減薄，直至露出SOI硅片中間的氧化層；

在所述SOI硅片減薄后的表面上制作包括絕壓壓敏電阻的第一惠斯通電橋和包括差壓壓敏電阻的第二惠斯通電橋；

在所述硅基座的下表面制作與第二凹腔連通的環形貫通空腔，所述貫通空腔的內環位于第二凹腔內環的外圍，且所述貫通空腔內環與外環之間的距離小于第二凹腔內環與外環之間的距離；所述貫通空腔中的硅基座形成硅島；

在玻璃基座上制備連通玻璃基座上表面和下表面的通氣孔；使所述通氣孔與所述貫通空腔連通，在溫度為350～400℃、壓力為500～1200N，電壓為800～1200V的環境下對所述硅基座和玻璃基座進行陽極鍵合。

進一步地，在所述在玻璃基座上制備連通玻璃基座上表面和下表面的通氣孔之后，使所述通氣孔與所述貫通空腔連通之前，還包括：

在所述玻璃基座的上表面采用HF酸進行腐蝕以制備第三凹腔，第三凹腔的開口面積大于所述貫通空腔外環的橫截面積，第三凹腔位于所述貫通空腔與所述通氣孔之間。

優選地，所述壓力傳感器芯片的制備方法中，包括如下技術方案中的至少一種：

在所述在硅基座的上表面制作第一凹腔和第二凹腔的步驟中：利用濕法腐蝕或者干法刻蝕的方式制作第一凹腔和第二凹腔；

在所述在SOI硅片的表面制備二氧化硅層的步驟中，采用高溫熱氧化的方式制備所述二氧化硅層；

在所述在所述硅基座的下表面制作與第二凹腔連通的環形貫通空腔的步驟中，采用DRIE的深硅刻蝕技術進行深刻蝕，以形成所述貫通空腔；

在所述在玻璃基座上制備連通玻璃基座上表面和下表面的通氣孔的步驟中，采用激光或者噴砂的方式在所述玻璃基座上制備所述通氣孔；

在所述在所述SOI硅片的氧化層的上表面制作包括絕壓壓敏電阻的第一惠斯通電橋和包括差壓壓敏電阻的第二惠斯通電橋的步驟中包括：

在所述SOI硅片減薄后的表面上、所述第一凹腔和第二凹腔上方的邊緣通過硼離子注入的方式同步制備絕壓壓敏電阻、差壓壓敏電阻；制備絕壓壓敏電阻和差壓壓敏電阻后繼續在所述第一凹腔和第二凹腔上方的邊緣位置通過第二次硼離子注入的方式制備第一重摻雜接觸區和第二重摻雜接觸區，通過高溫退火的方式同步激活兩次注入的雜質離子，光刻刻蝕引線孔、墊積金屬并完成金屬的圖形化形成第一金屬引線、第二金屬引線和引線孔。

根據本發明的再一方面，還提供了一種絕壓傳感器芯片，包括依次設置的玻璃底座、硅基座和硅膜片，所述硅基座的上表面設置有第一凹腔，在第一凹腔外圍、間距第一凹腔設置有環形第二凹腔，第二凹腔的下方設有連通第二凹腔與所述硅基座下表面的環形貫通空腔；所述貫通空腔的內環位于第二凹腔內環的外圍，且所述貫通空腔內環與外環之間的距離小于第二凹腔內環與外環之間的距離；

所述硅膜片固定于所述硅基座的上表面并覆蓋第一凹腔和第二凹腔；

在所述硅膜片表面對應第一凹腔的區域邊緣，設置有第一絕壓壓敏電阻和輸出絕壓信號的第一惠斯通電橋；以及，在所述硅膜片表面對應第二凹腔的區域邊緣，設置有第二壓敏電阻和輸出絕壓信號的第二惠斯通電橋。

進一步地，所述玻璃底座的上表面開有第三凹腔，第三凹腔的開口面積大于所述貫通空腔外環的橫截面積。

由以上技術方案可知，本申請中的壓力傳感器芯片不僅能夠實現差壓和絕壓的同步測量，同時其量程范圍大幅增加。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為根據一優選實施例示出的壓力傳感器芯片的正面圖；

圖2為圖1中A-B向的截面圖；

圖3(a)-3(j)為根據一優選實施例示出的壓力傳感器芯片的主要工藝過程剖面示意圖；

圖4為根據一優選實施例示出的絕壓傳感器芯片的中心剖面圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

為了解決現有技術中差壓和絕壓不能同步測量的缺陷，本申請的發明人將差壓傳感器芯片和絕壓傳感器芯片集成到一個壓力傳感器芯片中，同時將芯片內部結構進行優化，增大壓力傳感器芯片的量程范圍，以使本申請中的壓力傳感器芯片與傳統壓力傳感器芯片相比，具有測量壓力范圍廣、抗過載能力強、實現差壓和絕壓同步檢測等特點。

下面對本申請中的壓力傳感器芯片的結構及工作原理進行詳細闡述。

圖1為根據一優選實施例示出的壓力傳感器芯片的正面圖。圖2為圖1中A-B向的截面圖。

如圖1和圖2所示，壓力傳感器芯片包括依次設置的玻璃底座1、硅基座2和硅膜片3。優選地，玻璃底座1、硅基座2和硅膜片3的中心重合。

硅基座2的上表面設置有第一凹腔4。在第一凹腔4外圍、間距第一凹腔4設置有環形第二凹腔5。在本實施例中，第二凹腔5的包括但不限于圓形環或正多邊形環。第二凹腔5的下方設有連通第二凹腔5與硅基座2下表面的環形貫通空腔6。貫通空腔6的內環位于第二凹腔5內環的外圍，且貫通空腔6內環與外環之間的距離小于第二凹腔5內環與外環之間的距離。第二凹腔5中間的硅基座2和貫通空腔6中間的硅基座2構成硅島13。優選地，本 實施例中的貫通空腔6的形狀包括但不限于圓形環或正多邊形環。作為各實施例中的優選實施例，本申請中第二凹腔5的形狀與貫通空腔6的形狀相同，即第二凹腔5的形狀為圓形環時，貫通空腔6的形狀也為圓形環；第二凹腔5的形狀為正多邊形環時，貫通空腔6的形狀也為正多邊形環。

作為各實施例中的優選實施例，第一凹腔4、第二凹腔5和貫通空腔6的中心重合，第一凹腔4的中心與硅基座2的中心重合或平行。

硅膜片3固定于硅基座2的上表面并覆蓋第一凹腔4和第二凹腔5。硅膜片3的上表面和下表面分別設置二氧化硅層14。在本申請中，硅膜片3與硅基座2可通過高溫熱熔鍵合的方式進行鍵合進而實現固定連接。在硅膜片3固定于硅基座2的上表面時，第一凹腔4與其上的硅膜片3構成真空腔。此時，真空腔區域上方的硅膜片為第一應變膜30，第二凹腔5區域上方的硅膜片為第二應變膜31。

在第一應變膜30的邊緣，即硅膜片3表面對應第一凹腔4的區域邊緣，設置有絕壓壓敏電阻Ra1、Ra2、Ra3和Ra4，第一重摻雜接觸區7和第一金屬引線8。絕壓壓敏電阻Ra1、Ra2、Ra3和Ra4構成第一惠斯通電橋。第一惠斯通電橋中的絕壓壓敏電阻通過第一重摻雜接觸區7和第一金屬引線8將絕壓信號輸出。

在第二應變膜31的邊緣，即硅膜片3表面對應第二凹腔5的區域邊緣，設置有差壓壓敏電阻Rd1、Rd2、Rd3和Rd4,第二重摻雜接觸區9和第二金屬引線10。差壓壓敏電阻Rd1、Rd2、Rd3和Rd4構成第二惠斯通電橋。第二惠斯通電橋中的差壓壓敏電阻通過第二重摻雜接觸區9和第二金屬引線10將差壓信號輸出。

玻璃底座1設置有連通貫通空腔6與玻璃底座1外部的通氣孔11。

下面對上述實施例中的壓力傳感器芯片的工作原理進行詳細闡述。

如圖2所示，芯片中的第一凹腔4、第一應變膜30、第一惠斯通電橋、第一重摻雜接觸區7和第一金屬引線8組成壓力傳感器I，即絕壓傳感器。芯片中的第二凹腔5、貫通空腔6、通氣孔11、第二應變膜31、第二惠斯通電橋、第二重摻雜接觸區9和第二金屬引線10組成壓力傳感器Ⅱ，即差壓傳感器。

對于壓力傳感器I，通過第一應變膜30和第一凹腔4密封形成真空腔。當第一應變膜30的上端存在壓力時，第一應變膜30會產生彎曲變形，彎曲變形產生的應力由絕壓壓敏電阻Ra1、Ra2、Ra3和Ra4以及由上述壓敏電阻組成的第一惠斯通電橋轉換成電壓信號輸出。由于第一應變膜30的下端為真空零壓力，因此壓力傳感器I可以實現絕壓的測量。

對于壓力傳感器II，第二應變膜31的下端通過第二空腔、貫通空腔6和玻璃底座1上的通氣孔11實現了與外界環境的連通，當第二應變膜31的上端與通氣孔11連接的區域存在 壓力差時，第二應變膜31會在壓力差的作用下產生完全變形，變形產生的應力由差壓壓敏電阻Rd1、Rd2、Rd3和Rd4和由上述差壓壓敏電阻構成的第二惠斯通電橋轉換成電壓信號輸出，因此壓力傳感器II可以實現差壓的測量。

通過壓力傳感器I和壓力傳感器II的組合，本申請中的壓力傳感器芯片可以實現絕壓和差壓的同步測量。

當在第二應變膜31的上表面施加壓力時，第二應變膜31發生向下彎曲變形，玻璃基座為硅島提供支撐可以抵消第二應變膜31上的部分壓力。若貫通空腔6的上方不設置第二凹腔5，則第二應變膜31與貫通空腔6的開口接觸，由于貫通空腔6的開口與第二應變膜31的接觸面積較小，當第二應變膜31上的壓力逐漸增大時，第二應變膜31承受的壓力有限，當壓力超過一定限額時，第二應變膜31則會斷裂。因此本申請中的壓力傳感器芯片在貫通空腔6的上方設置第二凹腔5，貫通空腔6內環與外環之間的距離小于第二凹腔5內環與外環之間的距離，即第二凹腔5的受力面積大于貫穿空腔的受力面積。由于大大增加了第二應變膜31的接觸面積，第二應變膜31承受的壓力限額增大，第二應變膜31不會輕易斷裂。同時第二凹腔5的受力面積大于貫穿空腔的受力面積，因而第二應變膜31具有較大的形變空間，故其差壓傳感器的量程大大增加。

需要說明的是，本申請中貫通空腔6內環與外環之間的距離和第二凹腔5內環與外環之間的距離的差值越大，差壓傳感器的量程范圍就越大。本申請中，對于兩者之間的比例關系不做具體限定，本領域人員可根據實際生產過程中需要的量程范圍來確定兩者的比例關系。

需要注意的是，當芯片中的大量程差壓傳感器正常工作時，絕壓傳感器的第一應變膜30所承受的壓力已經遠大于大量程差壓傳感器的工作范圍，即小量程絕壓傳感器芯片需要承受極高的過載壓力。為避免小量程絕壓傳感器失效，保證本申請中壓力傳感器芯片的大量程范圍，本申請進一步優選地，在貫通空腔6與通氣孔11之間設有第三凹腔12。第三凹腔12自玻璃底座1的上表面向下凹陷,第三凹腔12的開口面積大于貫通空腔6外環的橫截面積。作為優選方案，第三凹腔12的中心與第一凹腔4、第二凹腔5和貫通空腔6的中心重合，與硅基座2的中心重合或平行。

在玻璃底座1的上表面設置第三凹腔12，當第一應變膜30上承受的壓力不斷增大時，第一應變膜30發生向下彎曲變形，第一應變膜30下方的硅島逐漸向玻璃基座上的第三凹腔12靠近。由于第三凹腔12使得第一應變膜30具有較大的形變空間，故絕壓傳感器的量程大大增加。第三凹腔12的深度決定了第一應變膜30的量程范圍。本申請中對于第三凹腔12的深度不做具體限定，本領域人員可根據實際生產過程中需要的量程范圍來確定第三凹腔12的深度。當硅島與第三凹腔12的底部接觸后，玻璃基座為硅島提供支撐并抵消第一應變膜30上的部分壓力，從而還能夠減小第一應變膜30在過載壓力(遠遠大于第一應變膜正常工作范圍的壓力稱為過載壓力)作用下發生斷裂的可能性。

由以上技術方案可知，本申請中的壓力傳感器芯片不僅能夠實現差壓和絕壓的同步測量，同時其量程范圍大幅增加。

根據本發明的另一方面，還提供了一種制備上述壓力傳感器芯片的制備方法.圖3(a)-3(b)為根據一優選實施例示出的壓力傳感器芯片的主要工藝過程剖面示意圖。

圖3(a)中，采用雙面拋光的硅片作為硅基座2。

圖3(b)中，在硅基座2的上表面利用濕法腐蝕或者干法刻蝕的方式制作第一凹腔4和第二凹腔5。其中，第二凹腔5環繞于第一凹腔4的外圍并距離第一凹腔4設定長度。

圖3(c)中進行SOI硅片備片。選用器件層為N型摻雜的SOI硅片作為備片，并在SOI硅片的表面采用高溫熱氧化的方式制備二氧化硅層14，以及標記SOI硅片中器件層(對應傳感器的硅膜片3)所在的面為SOI硅片的下表面。

圖3(d)中，將SOI硅片的下表面與硅基座2的上表面利用高溫熱熔鍵合的方式進行鍵合。SOI硅片將第一凹腔4和第二凹腔5覆蓋，第一凹腔4與SOI硅片的下表面形成真空腔。

圖3(e)中，對SOI硅片的中上部進行減薄，直至露出SOI硅片中的氧化層。

圖3(f)中，在SOI硅片減薄后的表面上制作包括絕壓壓敏電阻的第一惠斯通電橋和包括差壓壓敏電阻的第二惠斯通電橋。

具體地，在SOI硅片減薄后的表面上制作包括絕壓壓敏電阻的第一惠斯通電橋包括：

在所述SOI硅片減薄后的表面上、第一凹腔4和第二凹腔5上方的邊緣通過硼離子注入的方式同步制備絕壓壓敏電阻、差壓壓敏電阻。制備絕壓壓敏電阻和差壓壓敏電阻后繼續在第一凹腔和第二凹腔上方的邊緣位置通過第二次硼離子注入的方式制備第一重摻雜接觸區7和第二重摻雜接觸區9，通過高溫退火的方式同步激活兩次注入的雜質離子，光刻刻蝕引線孔、墊積金屬并完成金屬的圖形化形成第一金屬引線8、第二金屬引線10和引線孔。

圖3(g)中，在硅基座2的下表面采用DRIE的深硅刻蝕技術進行深刻蝕以制作與第二凹腔5連通的環形貫通空腔6，貫通空腔6的內環位于第二凹腔5內環的外圍，且貫通空腔6內環與外環之間的距離小于第二凹腔5內環與外環之間的距離；貫通空腔6中的硅基座2形成硅島。

圖3(h)中，在玻璃基座的上表面采用HF酸進行腐蝕以制備第三凹腔12，第三凹腔12的開口面積大于貫通空腔6外環的橫截面積；

圖3(i)中，在玻璃基座上采用激光或者噴砂的方式制備連通玻璃基座上表面和下表面的通氣孔11；使通氣孔11與第三凹腔12連通。

圖3(j)中，在溫度為350～400℃、壓力為500～1200N，電壓為800～1200V的環境下將硅基座2和玻璃基座進行陽極鍵合。

根據本發明的再一方面，還提供了一種大量程的絕壓傳感器芯片。圖4為根據一優選實施例示出的絕壓傳感器芯片的中心剖面圖。如圖4所示，絕壓傳感器芯片包括依次設置且中心重合的玻璃底座1、硅基座2和硅膜片3。硅基座2的上表面設置有第一凹腔4，在第一凹腔4外圍、間距第一凹腔4設置有環形第二凹腔5，第二凹腔5的下方設有連通第二凹腔5與硅基座2下表面的環形貫通空腔6。貫通空腔6的內環位于第二凹腔5內環的外圍，且所述貫通空腔6內環與外環之間的距離小于第二凹腔5內環與外環之間的距離。第二凹腔5中間的硅基座2和貫通空腔6中間的硅基座2構成硅島13。

優選地，本實施例中的貫通空腔6的形狀包括但不限于圓形環或正多邊形環。作為各實施例中的優選實施例，本申請中第二凹腔5的形狀與貫通空腔6的形狀相同，即第二凹腔5的形狀為圓形環時，貫通空腔6的形狀也為圓形環；第二凹腔5的形狀為正多邊形環時，貫通空腔6的形狀也為正多邊形環。作為各實施例中的優選實施例，第一凹腔4、第二凹腔5和貫通空腔6的中心重合，第一凹腔4的中心與硅基座2的中心重合或平行。

進一步地，玻璃底座1的上表面開有第三凹腔12，第三凹腔12的開口面積大于貫通空腔6外環的橫截面積。

硅膜片3固定于硅基座2的上表面并覆蓋第一凹腔4和第二凹腔5，覆蓋于第一凹腔4形成第一真空腔，第二凹腔5、貫通空腔6和第三凹腔12構成第二真空腔。第一真空腔上方的硅膜片3為第一應變膜30，第二真空腔上方的硅膜片3為第二應變膜31。

在第一真空腔的區域邊緣，即硅膜片3表面對應第一凹腔4的區域邊緣，設置有第一絕壓壓敏電阻Ra1、Ra2、Ra3和Ra4，第一重摻雜接觸區7和第一金屬引線8。絕壓壓敏電阻Ra1、Ra2、Ra3和Ra4構成第一惠斯通電橋。第一惠斯通電橋中的絕壓壓敏電阻通過第一重摻雜接觸區7和第一金屬引線8將絕壓信號輸出。在第二真空腔的區域邊緣，即在硅膜片3表面對應第二凹腔5的區域邊緣，設置有第二壓敏電阻Rd1、Rd2、Rd3和Rd4,第二重摻雜接觸區9和第二金屬引線10。絕壓壓敏電阻Rd1、Rd2、Rd3和Rd4構成第二惠斯通電橋。第二惠斯通電橋中的絕壓壓敏電阻通過第二重摻雜接觸區9和第二金屬引線10將絕壓信號輸出。

其中，第一真空腔、第一應變膜和第一惠斯通電橋構成大量程絕壓傳感器I，第二真空腔、第二應變膜和第二惠斯通電橋構成小量程絕壓傳感器II。相比圖1中的壓力傳感器芯片結構，本實施例中的玻璃底座1不設置通氣孔。第二凹腔5、貫通空腔6和第三凹腔12構成真空密封。大量程絕壓傳感器I上方的第一應變膜30和小量程絕壓傳感器II上方的第二應變膜31具有相同的厚度但具有不同的截面面積，由于小量程絕壓傳感器II上方的第二應變 膜的截面面積更大，因此在進行壓力測量時第二應變膜的變形量大，傳感器靈敏度高，故第二應變膜可適用于制作量程較小的絕壓傳感器。第一應變膜的截面積較小，在相同壓力作用下第一應變膜變形量小，傳感器靈敏度低，故第一應變膜可適用于制作量程較小的絕壓傳感器。通過上述兩個絕壓傳感器的組合可以成倍的拓展絕壓傳感器芯片的測量范圍。

故上述實施例中的絕壓傳感器芯片即可測量小量程范圍的絕壓，亦可測量大量程范圍的絕壓，其量程范圍與單獨的小量程絕壓傳感器和大量程絕壓傳感器相比，其量程大幅擴大，適用范圍更廣。

應當理解的是，本發明并不局限于上面已經描述并在附圖中示出的精確結構，并且可以在不脫離其范圍進行各種修改和改變。本發明的范圍僅由所附的權利要求來限制。