物聯網無源無線壓力傳感芯片的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及壓力傳感芯片，尤其涉及一種物聯網用無源無線壓力傳感芯片。
【背景技術】
[0002] 物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后信息產業的第三次浪潮，為二十一世紀全球 工業化、城市化進程提供了革命性的信息技術和智能技術。作為物聯網的基礎底層器件以 及物聯網終端節點一傳感器，將是整個物聯網產業鏈中需求總量最大和最基礎的環節，物 聯網終端節點及其相關產業的技術水平和發展速度將直接影響物聯網的發展速度。
[0003] 壓力傳感器是最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業自控環境，包括水 利水電、汽車、航空航天、軍工等眾多行業；以及日常生活中，如氣壓測量、血壓測量、高度測 量等。隨著微機電MEMS(Micr〇-Electr〇-Mechanical Systems，微機電系統）產業的興起， 壓力傳感器逐漸向微型化、集成化方向發展。MEMS壓力傳感芯片具有體積小、質量輕、成本 低等優點，目前已廣泛應用于汽車電子類：如TPMS、發動機機油壓力傳感器、汽車剎車系統 空氣壓力傳感器等；消費電子類：如血壓計、櫥用秤、洗衣機、洗碗機、電冰箱、家用空調等 領域。
[0004] 用于物聯網的壓力傳感器件除要求其靈敏度高，可靠性好外，還要具有低功耗和 低成本的特點。而現在的壓力傳感器大多都是采用單一的壓力感應單元，靈敏度有限，且都 是有源方式的，在一些安裝條件不便的情況下，如地下結構，高空建筑結構等處，更換物聯 網傳感器節點器件的電池就成了很大的問題，從而大大影響了該傳感器的廣泛應用。 【實用新型內容】
[0005] 本實用新型要解決的技術問題在于針對現有壓力傳感器多為單一壓力感應方式 導致傳感器靈敏度低和傳感器工作都是有源方式的缺陷，提供一種全新的MEMS結構和信 號傳輸方法，實現一種適合物聯網使用的無源無線高靈敏度MEMS壓力傳感芯片，該芯片無 需電源就可以以無線方式將壓力信號傳遞給接收端。
[0006] 本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0007] 提供一種物聯網無源無線壓力傳感芯片，包括相連接的上層結構和下層結構；
[0008] 所述下層結構包括下層襯底片，該下層襯底片上設有串聯的MEMS平行平板電容 和MEMS電感線圈結構；
[0009] 上層結構包括上層襯底片、MEMS壓力感應膜、MEMS電容介質板和金屬層，MEMS壓 力感應膜固定在上層襯底片上，且置于下層襯底片上方，MEMS電容介質板和金屬層均固定 在MEMS壓力感應膜的下表面上；MEMS電容介質板置于MEMS平行平板電容的兩個電極板之 間，金屬層位于MEMS電感的上方；
[0010] MEMS壓力感應膜受壓產生縱向位移，并帶動MEMS電容介質板和金屬層移動，使得 MEMS電容介質板插入MEMS平行平板電容的深度發生改變，且金屬層與MEMS電感線圈結構 之間的磁間隙也發生變化。
[0011] 本實用新型所述的物聯網無源無線壓力傳感芯片中，所述金屬層為MEMS電感軟 磁合金層。
[0012] 本實用新型所述的物聯網無源無線壓力傳感芯片中，上層襯底片和下層襯底片通 過鍵合工藝連接成一個整體。
[0013] 本實用新型所述的物聯網無源無線壓力傳感芯片中，上層襯底片、MEMS壓力感應 膜、MEMS電容介質板和金屬層為一體結構。
[0014] 本實用新型所述的物聯網無源無線壓力傳感芯片中，MEMS電感線圈結構為在下層 襯底片上的平面螺旋結構結構。
[0015] 本實用新型所述的物聯網無源無線壓力傳感芯片中，MEMS壓力感應膜的上表面為 空洞結構。
[0016] 本實用新型還提供一種物聯網無源無線壓力傳感芯片的加工方法，包括以下步 驟：
[0017] 在下層襯底片上淀積一層絕緣層，并利用標準的光刻和干法腐蝕工藝將下層襯底 片的周邊鍵合區域的絕緣層去除；
[0018] 在絕緣層上濺射一層金屬層，在該金屬層上通過光刻和金屬腐蝕工藝得到MEMS 平行平板電容的平面圖形結構，包括兩個電極板和接線端，以及MEMS電感螺旋結構的一個 接線端，該接線端與MEMS平行平板電容的一個平行平板電極的接線端連接；
[0019] 在金屬層上淀積一層絕緣層，用標準的光刻和干法腐蝕去除多余部分，露出MEMS 平行平板電容的平面圖形結構，并在MEMS電感螺旋結構的接線端處形成一個開孔，將開孔 下面的金屬層露出來；
[0020] 在下層襯底片上再旋涂一層厚膠，并通過標準的光刻顯影工藝，露出MEMS平行平 板電容的平面圖形結構；再利用金屬電鍍工藝，電鍍具有一定高度的MEMS平行平板電容結 構，實現三維MEMS平行平板電容結構；
[0021] 在MEMS電感螺旋結構區域所在的絕緣層上淀積另外一層金屬層，該金屬層和開 孔處的MEMS電感螺旋結構的接線端形成電連接，再通過光刻和金屬腐蝕工藝得到所需要 的MEMS電感螺旋結構，以及該MEMS電感螺旋結構的另外一個接線端，該接線端與之前MEMS 平行平板電容的另外一個平行平板電極的接線端形成電連接；
[0022] 在MEMS電感區域旋涂一層厚膠，并光刻出MEMS電感螺旋結構的圖形，再利用金屬 電鍍工藝，電鍍具有一定厚度的MEMS螺旋電感結構；
[0023] 上層襯底片先通過標準機械研磨工藝減薄，再在上層襯底片的上部利用標準光刻 和腐蝕工藝制作一個空腔，該空腔的底部為MEMS壓力感應可動膜的上表面；
[0024] 在上層襯底片的下部利用多步標準光刻和深度反應離子刻蝕工藝，可以得到帶 MEMS電容介質板的MEMS壓力感應膜結構；并得到上層襯底片與下層襯底片的鍵合區域；
[0025] 在上層襯底片的下部淀積一層金屬，采用標準光刻和腐蝕工藝去除其它部位的金 屬，僅保留其與下層結構中的MEMS電感螺旋結構所對應部位的金屬層部分；
[0026] 將上層襯底片與下層襯底片鍵合。
[0027] 本實用新型所述的加工方法中，制作所述空腔時采用的腐蝕工藝為深度反應離子 刻蝕或濕法腐蝕。
[0028] 本實用新型所述的加工方法中，上層襯底片的下部所淀積的一層金屬為具有高導 磁率非晶體軟磁合金。
[0029] 本實用新型所述的加工方法中，當上層襯底片與下層襯底片均采用硅片時，通過 標準的MEMS硅-硅直接鍵合工藝將兩個襯底片連接成一個整體。
[0030] 本實用新型產生的有益效果是：本實用新型的壓力傳感芯片通過壓力變化引起 MEMS電容和電感的改變，繼而改變無源諧振電路的諧振頻率；而壓力的變化信號以外部電 感耦合無線方式傳出，傳感器芯片的工作無需電源，實現無源無線的壓力傳感。本實用新型 能解決現有壓力傳感芯片在物聯網應用中所遇到的靈敏度不夠和更換電源不變等引起的 問題。
【附圖說明】
[0031] 下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中：
[0032] 圖1為本實用新型無源無線壓力傳感芯片原理圖；
[0033] 圖2為本實用新型MEMS壓力傳感芯片的LC諧振回路；
[0034] 圖3(a)為本實用新型實施例下層結構的俯視圖；
[0035] 圖3 (b)為圖3 (a)中A-A剖面視圖；
[0036] 圖3 (c)為圖3 (a)中B-B剖面視圖；
[0037] 圖4(a)為本實用新型實施例上層結構的俯視圖；
[0038] 圖4(b)為本實用新型實施例上層結構的側視圖；
[0039] 圖5為本實用新型實施例無源無線壓力傳感芯片結構示意圖。
【具體實施方式】
[0040] 為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施 例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本 實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0041] 如圖1、圖2所示，本實用新型實施例的傳感器芯片由MEMS電容和MEMS電感組成 LC諧振回路，其中的MEMS電感由螺旋線圈和MEMS壓力感應可動金屬膜組成，其中的壓力感 應可動金屬膜懸浮支撐在螺旋線圈上方；其中的MEMS電容由固定式平行平板電容和MEMS 壓力感應電容介質板組成，其中的壓力感應電容介質板懸浮支撐在平行平板電容的兩個極 板之間。當有壓力變化時，MEMS壓力感應膜發生垂直于膜面的縱向位移。這一方面使得固 定在壓力感應膜上的電容介質板插入到兩個固定式極板的深度發生改變，使得電容極板間 的介電介質常數發生變化，從而引起MEMS電容值發生變化。另一方面，MEMS壓力感應膜的 移動也使得固定在其上的金屬膜導體層和電感螺旋線圈層的間距發生變化，從而引起MEMS 電感值發生變化。所以，壓力的變化會引起回路中的電容和電感都發生變化，最終導致LC 諧振回路的頻率發生變化。這樣，壓力的變化就可以表征為LC諧振回路的諧振頻率的變 化。當傳感器工作時，可由外部讀取電路的耦合電感將傳感器的諧振頻率信號耦合輸出，繼 而轉換成電壓值。
[0042] 本實用新型的一個實施例中，物聯網用無源無線的壓力傳感芯片，包括上層結構 和下層結構。如圖3(a) -圖3(c)所示，下層結構是在下層襯底片1上用MEMS工藝實現的 串聯連接的MEMS平行平板電容2和MEMS電感螺旋線圈3。其中的MEMS電容可以，但不限 于，是以微電鍍方式實現的三維平行平板（圖3b)電容結構。其中的MEMS電感螺旋線圈 可以，但不限于，是濺射或電鍍的螺旋線圈結構（如圖3(a)、圖3(b)所示）。其中的MEMS 電容和MEMS電感螺旋線圈采用串聯的方式連接，如圖1和圖2所示。
[0043] 芯片的上層結構如圖4(a)和圖4(b)所示，上層結構包括上層襯底片6,固定在襯 底片6上的一個懸浮結構的MEMS壓力感應膜7