基于SOI的电阻中心放置的压阻式压力传感器的制作方法

基于soi的电阻中心放置的压阻式压力传感器
技术领域
1.本发明涉及mems微传感器技术领域，尤其涉及基于soi的电阻中心放置的压阻式压力传感器。


背景技术：

2.压阻式压力传感器以压敏电阻元件为核心部件，具备低成本、低功耗、高精度、易批量制造等优点，广泛应用于医疗诊断、工业控制、车辆工程、航空航天、气象监测等领域。
3.压力传感器按照检测原理可以分为电容式、谐振式、压电式、压阻式等种类。电容式压力传感器的压力敏感元件为一组电容，通过检测电容的变化来检测待测压力，具备功耗低、灵敏度大、响应速度快等优势，但是电容式压阻传感器输出信号微弱，非线性度大，信噪比低，限制了其应用；谐振式压力传感器利用谐振梁谐振频率的变化来准确反应待测压力，具备精度高、分辨率高、稳定性好等优点，但是谐振式传感器易受真空度的影响，且制造工艺相对复杂，成品率较低；压电式压力传感器通过压电晶体将待测压力直接转化为电压或电荷信号，工作频率高、稳定性好、动态响应快，但是，压电式压力传感器测量低频率压力信号的能力较差，易受环境影响，使其只能应用于少数领域。压阻式压力传感器的体积小、精度高且制作工艺简单，是应用最为广泛的压力传感器之一。
4.压阻式压力传感器以压敏电阻为压力敏感元件。在外界压力下，压力敏感膜以及位于其上的压敏电阻发生变形，使压敏电阻的阻值发生改变。通过惠斯通电桥，电阻值的改变可以转化为相应的电压输出。输出电压的灵敏度与线性度是衡量压阻传感器性能的两个关键参数，高的灵敏度通常意味着高分辨率与高信噪比，高线性度使传感器的输出变化能够被更好地预测，从而简化电路以及增加传感器的精度。
5.通常来说，增加灵敏度的最简单方法是减小压敏薄膜的厚度，使得薄膜在一定压力下产生更大的形变，进而在压敏电阻区域产生更大的应力。但是，这种方法也会同时增加薄膜形变的非线性度，使得传感器的输出性能变差。另外经常使用的方法是使用梁膜复合结构——在薄膜的正面制作梁式的应力集中结构，在不增加薄膜形变非线性度的前提下增加压敏电阻附近的应力从而增加传感器的灵敏度。但是，这种方法需要额外在薄膜正面再进行一次刻蚀，使得传感器的制作工艺更加复杂。
6.此外，除了薄膜形变的非线性之外，压敏电阻之间的应力匹配也是影响传感器输出线性度的关键因素之一。通常要求在一定施加压力下，四个压敏电组具备绝对值相等，大小相反的应力。压敏电阻之间的应力绝对值差别越大，惠斯通电桥输出的非线性度越高。因此，在结构设计的时候也必须考虑到压敏电阻之间的应力匹配问题。
7.金属材料通常被用于压敏电阻之间的电连接，以形成完整的惠斯通电桥，但是，金属材料的使用存在一些问题：1、需要额外的光刻、蒸发/溅射工艺，增加了传感器制作的周期与成本；2、金属材料与压敏电阻之间的热膨胀系数相差较大，当金属材料与压敏电阻直接连接时，会产生较大的热应力，影响传感器的热性能。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于soi的电阻中心放置的压阻式压力传感器，以期解决上述技术问题。
9.为了实现上述目的，本发明提供了一种基于soi的电阻中心放置的压阻式压力传感器，包括：
10.传感器芯体和玻璃板，所述传感器芯体与玻璃板通过阳极键合在一起；其中，
11.所述传感器芯体包括器件层、埋氧层和衬底层，埋氧层夹在衬底层和器件层之间；
12.所述衬底层上制作有压力敏感膜；
13.所述器件层上制作有多个压敏电阻、硅导线以及引线电极；
14.四个压敏电阻沿纵向排列在压力敏感膜的中心线上，四个压敏电阻中的两个压敏电阻放置在压力敏感膜的边缘位置，四个压敏电阻中的另外两个压敏电阻放置在压力敏感膜的中心位置。所述压敏电阻朝向si晶体的[110]方向。
[0015]
所述压敏电阻通过硅导线连接，在连接两个相邻的压敏电阻的硅导线上，连接有引线电极。进一步地，在不同硅导线之间、硅导线与压敏电阻之间具有电信号隔离槽。
[0016]
进一步地，刻蚀形成的电信号隔离槽在不同硅导线之间、硅导线与压敏电阻之间形成了电隔离，形成了完整的惠斯通电桥结构。
[0017]
进一步地，埋氧层在器件层与衬底层之间形成了电隔离。
[0018]
进一步地，四个压敏电阻通过硅导线连接形成了惠斯通电桥结构。压敏电阻是突出于压力敏感膜的方块结构，其底部与埋氧层直接相连。压敏电阻的横向截面是从埋氧层表面突出的正方形。
[0019]
进一步地，所述硅导线为电连接结构。
[0020]
进一步地，所述四个压敏电阻中的两个压敏电阻放置在压力敏感膜的边缘位置包括：在压力敏感膜上，纵向应力的最大值在压力敏感膜两个相反边缘的中心，为正值；将所述两个压敏电阻分别放置在所述两个相反边缘的中心。
[0021]
进一步地，所述四个压敏电阻中的另外两个压敏电阻放置在压力敏感膜的中心位置包括：在压力敏感膜上，纵向应力的最小值在压力敏感膜中心，为负值，将另外两个压敏电阻放置在压力敏感膜中心。
[0022]
进一步地，所述压敏电阻具有完全相同的结构。
[0023]
进一步地，所述的压敏电阻通过刻蚀形成，其厚度为器件层厚度。
[0024]
进一步地，所述的电信号隔离槽通过刻蚀形成，其厚度为器件层厚度。除了电信号隔离槽以及压敏电阻，压力敏感膜区域剩余的硅材料都被用作硅导线。
[0025]
进一步地，所述玻璃板包括玻璃板材料和吸气剂，玻璃板材料上制作有吸气剂，将玻璃板与soi衬底层的底部进行键合，形成真空参考腔，使得吸气剂位于真空参考腔内。真空参考腔内无其余部件。
[0026]
进一步地，所述凹槽底部沉积有吸气剂。
[0027]
进一步地，所述引线电极上蒸发金属薄膜电极。
[0028]
进一步地，所述吸气剂包括ti基吸气剂。
[0029]
进一步地，所述引线电极上的金属薄膜电极包括cr/au、al或cu中的一种或多种。
[0030]
进一步地，压敏电阻、硅导线结构和引线电极均为p型硅，同时承担压力敏感以及
电连接功能。
[0031]
进一步地，除了必要的电信号隔离槽以及压敏电阻，薄膜区域剩余的硅材料都被用作电连接结构，以尽可能减小导线的电阻。从形状上讲，硅导线结构大体为正方形结构，长宽比基本相同，方阻基本达到最小值1。
[0032]
利用soi的器件层来制作压敏电阻，压敏电阻的厚度与器件层的厚度一致，且四个压敏电阻均沿纵向排列在压力敏感膜的中心线上，其中两个压敏电阻放置在薄膜的边缘位置，其电阻变化与压力正相关，另外两个压敏电阻放置在薄膜的中心位置，其电阻变化与压力负相关。由于soi结构的压敏电阻具有一定的厚度，压力敏感膜的应力在沿着厚度方向往压敏电阻上部传递的过程中将会逐渐损失。同时，由于压敏电阻的长宽比通常很大，导致沿其宽度方向的横向应力损失严重而沿其长度方向的纵向应力损失很小。因此，可以近似认为压敏电阻只受纵向应力而不受横向应力。在压力敏感膜上，薄膜边缘的纵向应力为最大的正值，薄膜中心的纵向应力为最小的负值。因此，将两个压敏电阻放置在薄膜边缘，两个压敏电阻放置在薄膜中心，将会使惠斯通电桥产生最大的输出，从而在不采用额外应力集中结构的前提下使传感器达到最高的灵敏度。同时，薄膜边缘压敏电阻与薄膜中心压敏电阻纵向应力绝对值的差异不大，惠斯通电桥的平衡不会受到明显影响，从而保证惠斯通电桥输出的高线性度。
[0033]
所述传感器芯体器件层中的少部分面积被刻蚀，以形成电绝缘，大部分区域被保留以形成压敏电阻之间的导线结构。此种方法无需进行额外的金属导线沉积，从而大大简化了工艺。并且，金属与压敏电阻结构的直接接触也被避免，消除了热失配导致的热应力，提升了传感器的热性能。硅导线结构的面积足够大，且被设计成正方形的形状，使其方阻达到最小，从而最小化硅导线的电阻值。另外，四个硅导线的形状基本对称，从而在传导电信号的同时基本不会影响惠斯通电桥的平衡，基本不会影响到传感器的性能。
[0034]
作为本发明的另一个方面，提供了一种压阻式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0035]
步骤a:在soi衬底层上刻蚀出真空腔；
[0036]
步骤b:在soi器件层上通过一步刻蚀形成压敏电阻、导线结构以及引线电极，刻蚀到埋氧层自停止；
[0037]
步骤c：在玻璃板材料上蒸发吸气剂材料，以使真空参考腔达到高真空度；
[0038]
步骤d：利用阳极键合将玻璃板与soi进行键合，以制作真空参考腔；
[0039]
步骤e：在soi器件层上蒸发铝电极，以便于惠斯通电桥电信号的导出；
[0040]
基于以上技术方案，本发明的压阻式压力传感器至少具有如下有益效果之一：
[0041]
1.将两个压敏电阻放置在了薄膜中心，从而提高了压敏电阻受到的纵向应力，增加了压敏电阻在给定压力下的电阻变化量，进而提高了传感器的灵敏度；另外，将两个压敏电阻放置在薄膜中心将会使四个压敏电阻的应力绝对值的差异减小，从而提高传感器的线性度；
[0042]
2.使用soi器件层的硅来制作连接压敏电阻的导线，省去了金属薄膜沉积、金属薄膜剥离等步骤，简化了工艺，并且避免了金属与压敏电阻的直接连接，避免了热失配导致的应力对压敏电阻的影响。另外，硅导线的面积被设计得尽可能大，并且具有基本相同且对称的方形图形设计，使得惠斯通电桥的平衡以及电桥输出电压的线性度基本不会受到影响。
附图说明
[0043]
图1为本发明实施例电阻中心放置的压阻式压力传感器的三维立体图；
[0044]
图2为本发明实施例传感器芯体中器件层薄膜区域结构示意图；
[0045]
图3为本发明实施例压敏电阻分层示意图；
[0046]
图4为本发明实施例传感器芯体中惠斯通电桥示意图；
[0047]
图5为本发明实施例背面真空腔以及玻璃板的结构示意图；
[0048]
其中上述附图中，附图标识的具体含义如下所示：
[0049]
100—soi器件层；
[0050]
200—soi埋氧层；
[0051]
300—soi衬底层；
[0052]
310—真空参考腔；
[0053]
101、102、103、104—四个压敏电阻；
[0054]
102a、102b、102c、102d、102e—压敏电阻102的不同厚度层；
[0055]
102e、102f、102g、102h、102i—压敏电阻102的不同厚度层中的低应力区域；
[0056]
111、112、113、114—惠斯通电桥的四个引线电极；
[0057]
121、122、123、124—连接压敏电阻的硅导线结构；
[0058]
130—电信号隔离槽；
[0059]
140—器件层边框；
[0060]
150—压力敏感薄膜；
[0061]
160—惠斯通电桥；
[0062]
400—玻璃板材料；
[0063]
410—吸气剂材料。
具体实施方式
[0064]
需要说明的是在本实施例中所提到的方向术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”等仅仅是作为附图方向的参考，并非用来限制本发明的保护范围；
[0065]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加明确，以下结合具体实施例，并参照附图进行进一步详细说明；
[0066]
作为本发明的一个方面，提供了一种基于soi的电阻中心放置的压阻式压力传感器。如图1所示为本发明实施例压阻式压力传感器的三维立体图，在本实施例中压阻式压力传感器主要由两部分组成，分别传感器芯体(包括soi器件层100、soi埋氧层200、soi衬底层300)和玻璃板(包括玻璃板材料400和吸气剂材料410)。埋氧层200夹在衬底层300和器件层100之间。所述衬底层300上制作有压力敏感膜150。所述器件层100具有器件层边框140。在压力敏感薄膜150区域上，所述器件层100上制作有四个压敏电阻101、102、103、104，连接压敏电阻的硅导线结构121、122、123、124以及惠斯通电桥160的四个引线电极111、112、113、114。四个压敏电阻101、102、103、104均沿纵向排列在压力敏感膜的中心线上。其中两个压敏电阻101、104分别放置在压力敏感膜150的左、右边缘位置，另外两个压敏电阻102、103放置在压力敏感膜的中心位置。各个压敏电阻通过硅导线结构连接，形成惠斯通电桥结构。在连接两个相邻的压敏电阻的硅导线结构上，连接有引线电极。在不同硅导线结构之间、硅导
线结构与压敏电阻之间具有电信号隔离槽130。
[0067]
如图2所示为本发明实施例传感器芯体中器件层薄膜区域150的结构示意图，刻蚀穿透整个器件层100，直至埋氧层200才停止。刻蚀形成的电信号隔离槽130在不同硅导线之间、导线与压敏电阻之间形成了电隔离，形成了完整的惠斯通电桥160结构。同时，埋氧层200在器件层100与衬底层300之间形成了电隔离。与pn结不同，二氧化硅的稳定性很好，能够在高温下实现稳定的电气隔离，从而避免漏电流的产生，从根本上提升传感器的温度稳定性，使得器件能够在高温下工作。
[0068]
压敏电阻的基本原理是在应力作用下产生与应力大小成正比的电阻变化，从而使惠斯通电桥160能够产生更大的电压输出。本发明实施例中的四个压敏电阻101、102、103、104朝向si晶体的[110]方向，在此方向上，压敏电阻的阻值变化量与电阻所受的纵横应力差成正比。也就是说，电阻所受的纵向(长度方向)应力越大，横向(宽度方向)应力越小，压敏电阻的阻值变化量就越大。
[0069]
本发明实施例使用soi器件层100来制作压敏电阻，器件层100的厚度即为压敏电阻的厚度，本发明实施例器件层100的厚度为2μm。由于压敏电阻可以看做是突出于薄膜的方块结构，其内部的应力与薄膜上的应力存在差异。压敏电阻的厚度越厚，此应力差异就越大。因此，不能仅仅参考薄膜上的应力分布就将四个压敏电阻放置在薄膜应力最大的区域，即薄膜四个边缘的中心。由于压敏电阻具有一定的厚度，所以，即使被放置在薄膜上应力最大的区域，压敏电阻内部的平均应力也未必能够达到最大值。
[0070]
如图3所示为本发明实施例压敏电阻102的纵向与横向截面图。为了方便说明不同厚度层中的应力与应变，将单个压敏电阻分成了具备一定厚度的若干层。为了简介方便地说明，将压敏电阻分为了102a、102b、102c、102d、102e这5个厚度层。102a层位于压敏电阻102底部，与埋氧层200直接相连，102e层位于压敏电阻102顶部。
[0071]
从压敏电阻的纵向来看，压敏电阻的长度远远比厚度长，因此压敏电阻102的纵向截面可以看作是从埋氧层200表面突出的长宽比很大的长方形。当薄膜向下发生弯曲时，压敏电阻最底部的区域102a因为与薄膜直接相连接，所以会产生与薄膜区域基本相同的压应变与基本相同的纵向应力。在小形变下，硅具有弹性材料的性质，应变与应力向上传递时将会有所损耗。因此，与区域102a直接相连的区域102b将会产生比区域102a略小的应变。同时，由于区域102b的两个端点处于悬空状态，这两端将会产生一小段低应力区域102g。区域102g的应力接近为0，使得区域102b的平均纵向应力的绝对值略微降低。在向上传递的过程中，应变与应力继续降低，灰色的低应力区域的面积也持续增大。在压敏电阻102的顶部区域102e，由薄膜变形引起的压应变最小，低应力区域102j的面积最大，从而使得区域102e的平均纵向应力的绝对值也最小。
[0072]
不同厚度处占据面积不同的低应力区域相互连接，在压敏电阻102的纵向截面上形成了两个倒三角形的低应力区域。该区域的应力很小，基本可以视为0，存在于压敏电阻102上表面的两个角落处。除了这两个区域之外的压敏电阻102的内部区域的应力基本不受影响，与薄膜上的应力基本相同。由于压敏电阻102的长度很长，低应力区域只占据了一小部分面积，所以压敏电阻102的平均纵向应力的绝对值只略微减小了一点。
[0073]
从压敏电阻的横向来看，压敏电阻的宽度与厚度相差不大，因此压敏电阻102的横向截面可以看作是从埋氧层200表面突出的正方形。与纵向应力的分析类似，压敏电阻102
的横向截面上依然存在两个低应力区域。但是，由于压敏电阻102的宽度较窄，与低应力区域的长度相当或更短，所以导致低应力区域重合在一起，占据了压敏电阻102横向截面的大部分面积，使得压敏电阻102的平均横向应力的绝对值大幅减小，接近为0。
[0074]
压敏电阻101、103、104与压敏电阻102具有完全相同的结构，因此它们的应力分布规律也相同。由上述分析可知，由于压敏电阻101、102、103、104具有一定的厚度，相对于薄膜应力来说，它们的纵向应力被小幅降低，横向应力被大幅降低。因此，可以近似认为压敏电阻101、102、103、104只受纵向应力，不受横向应力。
[0075]
在本发明实施例的设计中，压敏电阻阻值的变化与压敏电阻的纵横应力差成正比。通过上述的分析近似，可以认为本发明实施例中压敏电阻101、102、103、104阻值的变化只与压敏电阻的纵向应力成正比。
[0076]
在薄膜150上，纵向应力的最大值在左右边缘的中心，为正值，纵向应力的最小值在薄膜中心，为负值。因此，将两个压敏电阻101、104放置在薄膜左右边缘，将另外两个压敏电阻102、103放置在薄膜中心，就能使每个压敏电阻都获得最大的阻值变化量，使得惠斯通电桥的输出电压增大，传感器输出的灵敏度提升。
[0077]
在薄膜150上，左右边缘的纵向应力为最大的正值，上下边缘的纵向应力为绝对值很小的负值，薄膜中心的纵向应力为绝对值较大的负值。如果将压敏电阻101、104放置在左右边缘的中心，将压敏电阻102、103放置在上下边缘的中心，那么压敏电阻101、104的应力将会比压敏电阻102、103的应力绝对值大很多，四个压敏电阻之间的电阻变化量将会有较大的失配，使得惠斯通电桥160输出的线性度很差；本发明实施例将压敏电阻102、103放置在薄膜中心，该处纵向应力的绝对值与左右边缘处更为接近，降低了四个压敏电阻之间的电阻变化量的失配，从而提升了惠斯通电桥160输出的线性度。
[0078]
通过对soi器件层100的刻蚀，压敏电阻101、102、103、104，硅导线结构121、122、123、124和引线电极111、112、113、114被一步制作出来，无需多余步骤。以上的所有结构均为p型硅，同时承担压力敏感以及电连接功能。
[0079]
从面积上讲，硅连接结构121、122、123、124的面积尽可能地大。实际上，除了必要的电信号隔离槽130以及压敏电阻101、102、103、104，薄膜区域剩余的硅材料都被用作电连接结构，以尽可能减小导线的电阻。从形状上讲，硅导线结构121、122、123、124大体为正方形结构，长宽比基本相同，方阻基本达到最小值1，从而在形状上使得导线的电阻率达到最低，使得惠斯通电桥依然受压敏电阻的主导。
[0080]
由于使用了具有一定电阻的硅导线结构，所以导线部分将会分得一部分惠斯通电桥160的输入电压，使得施加在压敏电阻101、102、103、104上的有效电压略为减小，惠斯通电桥的输出电压将产生轻微的可以忽略的降低；另外，由于硅导线结构位于对称的四个位置，电桥的平衡不会被破坏，惠斯通电桥160依然是由压敏电阻所主导，电桥输出的线性度不会受到影响；
[0081]
由于所有的压敏电阻、硅导线以及引线电极都使用器件层的硅来制作，所有部分都是一个整体，所以，正面器件层的结构仅需一个刻蚀步骤即可完成，无需多余的金属薄膜沉积步骤，工艺步骤被极大地简化。另外，由于没有金属与压敏电阻直接接触，由金属和压敏电阻引起的热失配将不会存在，器件的热性能将会得到提升。
[0082]
如图4所示为本发明实施例传感器芯体中惠斯通电桥示意图。四个压敏电阻101、
102、103、104之间分别通过硅导线结构121、122、123、124串联连接，形成惠斯通电桥160。在四个硅导线结构121、122、123、124分别连接有四个引线电极111、112、113、114。所述引线电极上蒸发金属电极。
[0083]
如图5所示为本发明实施例背面真空腔以及玻璃板的结构示意图。玻璃板400包括玻璃板材料和吸气剂，玻璃板材料上制作有吸气剂。将玻璃板400与soi衬底层300的底部进行键合，形成真空参考腔310，使得吸气剂位于真空参考腔310内。真空参考腔310内无其余部件。
[0084]
至此，本实施例中压阻式压力传感器的结构特征介绍完毕。
[0085]
作为本发明的另一个方面，提供了压阻式压力传感器的制备方法，具体步骤如下：
[0086]
步骤a：在soi衬底层背面上以光刻胶作为掩膜，利用深反应离子刻蚀技术刻蚀出压力敏感膜。由于需要刻蚀的深度较深，因此需要使用较为粘稠的光刻胶来进行光刻，以期达到较厚的厚度，能够抵挡足够多周期的离子刻蚀；
[0087]
步骤b：在soi器件层正面以光刻胶作为掩膜，利用深反应离子刻蚀技术刻蚀出压敏电阻、硅导线以及引线电极。由于需要刻蚀的深度较浅且图形需要较高的精度，因此需要使用较为稀薄的光刻胶来进行光刻，以期达到较薄的厚度和较高精度的图形；
[0088]
步骤c：制作带有吸气剂的玻璃板，主要包括以下子步骤；
[0089]
子步骤c1：使用激光加工在另一块玻璃板上烧蚀出图形化的通孔，对应需要沉积的吸气剂的位置。之后清洗玻璃片，制成硬掩模；
[0090]
子步骤c2：清洗用于阳极键合的玻璃板材料，并进行表面活化；
[0091]
子步骤c3：将硬掩模与玻璃板材料使用高温胶带粘贴到一起，并蒸发吸气剂；
[0092]
步骤d：利用阳极键合将带有吸气剂的玻璃板与soi衬底层的底面进行键合，形成真空参考腔310，使得吸气剂材料位于真空参考腔内，真空参考腔内无其余部件；
[0093]
步骤e：制作铝电极的硬掩模，然后利用硬掩模在soi的器件层的引线电极上蒸发金属电极：
[0094]
至此，完成如图1所示的压阻式压力传感器的制备过程；
[0095]
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细的描述。需要说明的是，在附图或说明正文中，未描述的实现方式均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不局限于实施例中提到的各种具体结构、形状、方式等，本领域的普通技术人员可以对其进行简单更改或替换。
[0096]
(1)玻璃凹槽底部制作的吸气剂包括但不限于ti基吸气剂或其他商用吸气剂；
[0097]
(2)器件层引线电极上的金属薄膜电极包括且不限于cr/au、al、cu等。
[0098]
综上所述，本发明提出了一种基于soi的电阻中心放置的压阻式压力传感器，通过将两个压敏电阻放置在薄膜中心，另外两个压敏电阻放置在薄膜边缘，提高了传感器输出的灵敏度，降低了传感器输出的非线性度；另外，使用硅而非铝作为导线结构，在不影响传感器性能的前提下，极大简化了传感器的制作工艺，提升了传感器的热性能，对传感器综合性能指标的提升有着非常积极的作用。
[0099]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行详细说明，应该理解为以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所做的任何修改、等同替换或改进均应包含在本发明的保护范围汇总。