一种差压传感器及其制备方法与流程

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1.本发明属于微电子传感器技术领域，涉及一种差压传感器及其制备方法。


背景技术：

2.目前，mems压力传感器是汽车、航天及生物医学等领域中重要的元件，根据应用场合不同，压力传感器可分为绝压传感器、表压传感器和差压传感器。
3.差压传感器通常用于测量某一设备或部件前后两端的压力差，在实际中有很多应用，例如它可以用于密封件的监测，使用差压传感器检测密封件相对于标准件的压力变化，进而可判断被测密封件是否有泄漏现象；差压传感器还可以测量炼油厂的油罐、储油槽的油位及自来水水位等液体的液位测量；同时，差压传感器也可以测量流体前后两点间的压力差，进而可计算出流体的流量。
4.传统的差压传感器是从芯片的正面和背面与外界连通用以检测气体或液体压力差，但制作的传感器芯片厚度通常在400um左右，而膜片的厚度约10um，因此从背面形成通气窗口需要去除硅约390um，若采用腐蚀工艺腐蚀硅可以节约成本，但腐蚀过程中会出现腐蚀角度，衬底背面的腐蚀窗口要大于感压膜片尺寸，从背面看芯片的腐蚀图形为倒梯形，为便于后续封装，衬底腐蚀窗口四周还要预留粘片尺寸，因此采用腐蚀工艺从背面形成通气窗口体积很大，同一晶圆制作的芯片数量下降；若采用刻蚀工艺从背面刻蚀硅不仅工艺成本高，而且衬底也要在刻蚀窗口四周预留粘片尺寸以便于后续封装，可以看出传统的差压传感器从背面形成通气窗口的方式阻碍了芯片向体积小、低成本的方向发展。
5.因此制作出一种体积小、低成本、精度高的差压传感器很有实际意义，也是目前急于解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种差压传感器结构，包括衬底结构，感压膜片，空腔结构，通气沟道，压阻电阻，电极引出接口。该结构牢固体积小、抗过载能力强，便于封装、成本低、精度高。
7.所述空腔结构和通气沟道位于衬底结构上方，所述感压膜片位于空腔结构上方，所述压阻电阻、电极引出接口分布在感压膜片上面。所述通气沟道从衬底侧面引出。
8.所述的通气沟道数量为n,且n≥1。通气沟道引出方式可为直线或折线形式。通气沟道深度为2-10um之间。所述的感压膜片下表面通过通气沟道和空腔结构与外界相连通。通气沟道位于空腔结构的中心边缘处呈轴对称分布；或者，所述的通气沟道位于空腔结构的四角处呈中心对称分布。衬底下表面为完整的平面，衬底的侧面有通气沟道。空腔结构的面积占传感器整体面积20％-30％。空腔结构的形状可为方形、圆形或任意多边形。
9.与现有差压传感器相比，本发明的一种差压传感器具有如下优势：
10.第一，体积小。所述结构的差压传感器采用通气沟道将感压膜片下表面的压力从衬底侧面引出，而衬底背面整个平面可以进行涂胶、粘片封装，因此可以最大程度的缩小芯
片边框尺寸，体积变小且牢固；
11.第二，抗过载能力强。当感压膜片受到较大压力时便会产生变形向下移动，当膜片中心与下面的衬底接触时便停止移动，进而防止了感压膜片因变形过大而破裂，抗负载能力强。
12.第三，成本低。所述结构的差压传感器无需对衬底背面进行大面积的腐蚀或刻蚀，减少了工艺成本及流片时间，且传感器尺寸变小，同一尺寸晶圆可制作出的传感器数量增加，因此制作成本大大减小。
13.第四，精度高。所述结构的感压膜片的厚度及尺寸大小可以精确控制，且膜片表面形貌平整，所以制作出的传感器精度高、一致性好。
14.本发明的另一个目的是提供所述差压传感器的制备方法，包括以下步骤：
15.1.衬底硅片正面进行光刻、刻蚀形成空腔及通气沟道；
16.2.衬底硅片正面生长二氧化硅，与顶层soi硅片键合并减薄形成感压膜片；
17.3.正面生长二氧化硅，进行光刻注入形成压阻电阻区；
18.4.正面生长二氧化硅，进行光刻腐蚀形成接触孔；
19.5.正面溅射金属，进行光刻腐蚀形成电桥；
20.6.正面生长氮化硅进行保护，并光刻腐蚀以便于电极信号引出；
21.7.划片；
22.本发明的优点和积极效果：
23.本发明的差压传感器，与传统的差压传感器相比，采用刻蚀工艺形成空腔及通气沟道，通气沟道从衬底侧面引出，使感压膜片通过通气沟道从衬底侧面感知外界压力，衬底背面为一完整的平面，便于后续粘片封装，结构牢固，降低了制作工艺难度，同一膜片尺寸只将通气沟道改为从衬底侧面引出，芯片体积可缩小30％左右；同时，空腔及通气沟道通过刻蚀工艺同时形成，省去了从背面腐蚀出窗口的工艺步骤，简化了制作工艺，节省了制作成本；通过刻蚀工艺形成的空腔及通气沟道，相对于腐蚀工艺操作可控性强，使形成的感压膜片尺寸与理论设计尺寸偏差小，进一步提高了传感器成品率及精度；若差压传感器受到的压力较大时，感压膜片变形到空腔下表面与衬底接触后停止运动，解决了因感压膜片的损坏而造成器件失效问题，还可以根据应用需求通过刻蚀不同的空腔及通气沟道厚度来满足传感器相应的抗过载要求。
24.本发明的差压传感器，既解决了封装时衬底背面要预留粘片尺寸与传感器体积会变大的矛盾，又避免了感压膜片因变形过大而破裂的问题，减少了制作成本与流片周期。同时，通过采用soi硅片减薄形成感压膜片及干法刻蚀工艺形成空腔，使制作出的膜片厚度及尺寸偏差小，远低于传统的差压传感器从背面腐蚀形成膜片的工艺偏差，且膜片表面形貌平整，具有体积小、抗过载能力强，成本低、精度高、成品率高的特点，同时可根据应用需要设计不同等级的抗过载能力，符合mems传感器向小型化、低成本、稳定性强的方向发展。
附图说明
25.其中图1(a)为本发明差压传感器通气沟道引出的俯视图，图1(b)为本发明差压传感器差压传感器的中心轴剖面图。
26.图2(a)至图2(f)为本发明差压传感器的主要制备过程。
27.图中：
28.1-衬底结构，2-感压膜片，3-空腔结构，4-通气沟道，5-压阻电阻，6-电极引出接口
具体实施方式
29.实施例1：差压传感器结构
30.图1所示为差压传感器的结构示意图。包括衬底结构1，感压膜片2，空腔结构3，通气沟道4、压阻电阻5及电极引出接口6。空腔结构3和通气沟道4位于衬底结构1上方，使感压膜片的下表面与外界气体相连通，感压膜片2位于空腔结构3上方，压阻电阻5、电极引出接口6分布在感压膜片2上面，压阻电阻5通过电极引出接口6与外界电路连接进行信号转换与传输。
31.实施例2：差压传感器的制备方法
32.图2所示为差压传感器的主要制备工艺。
33.1.衬底硅片正面进行光刻、刻蚀形成空腔及通气沟道，如图2(a)所示；
34.2.衬底硅片正面生长二氧化硅后与顶层soi硅片键合并减薄至二氧化硅层，腐蚀掉二氧化硅形成感压膜片，如图2(b)所示；
35.3.正面生长二氧化硅薄膜，进行光刻注入形成压阻电阻，如图2(c)所示；
36.4.正面生长二氧化硅薄膜，进行光刻腐蚀形成接触孔，如图2(d)所示；
37.5.正面溅射金属进行光刻腐蚀，使压阻电阻连接形成电桥，如图2(e)所示；
38.6.正面生长氮化硅并进行光刻腐蚀，形成电极引出接口，如图2(f)所示；
39.7.划片；
40.采用上述制备方法分别形成了差压传感器的衬底结构1，感压膜片2，空腔结构3，通气沟道4、压阻电阻5及电极引出接口6。当通气沟道4所处区域与感压膜片2的上表面存在压差时，感压膜片2便会发生变形，压阻电阻5产生的电压通过电极引出接口6传输至检测电路中进行信号采集，便可以实现环境中压力差的测量。

技术特征：
1.一种差压传感器，包括衬底结构，感压膜片，空腔结构，通气沟道，压阻电阻和电极引出接口，所述空腔结构和通气沟道位于衬底结构上方，所述感压膜片位于空腔结构上方，所述压阻电阻、电极引出接口分布在感压膜片上面；通气沟道从衬底侧面引出。2.权利要求1所述的一种差压传感器，其特征在于，所述的通气沟道数量为n,且n≥1。3.权利要求1所述的一种差压传感器，其特征在于，所述的通气沟道引出方式可为直线或折线形式。4.权利要求1所述的一种差压传感器，其特征在于，所述的通气沟道深度为2-10um之间。5.权利要求1所述的一种差压传感器，其特征在于，所述的感压膜片下表面通过通气沟道和空腔结构与外界相连通。6.权利要求1所述的一种差压传感器，其特征在于，所述的通气沟道位于空腔结构的中心边缘处呈轴对称分布；或者，所述的通气沟道位于空腔结构的四角处呈中心对称分布。7.权利要求1所述的一种差压传感器，其特征在于，所述的衬底下表面为完整的平面，衬底的侧面有通气沟道。8.权利要求1所述的一种差压传感器，其特征在于，所述空腔结构的面积占传感器整体面积20％-30％。9.权利要求1所述的一种差压传感器，其特征在于，所述空腔结构的形状可为方形、圆形或任意多边形。10.权利要求1所述的差压传感器制备方法，依次包括以下步骤：(1)衬底硅片正面进行光刻、刻蚀形成空腔及通气沟道；(2)衬底硅片正面生长二氧化硅，与顶层soi硅片键合并减薄形成感压膜片；(3)正面生长二氧化硅，进行光刻注入形成压阻电阻区；(4)正面生长二氧化硅，进行光刻腐蚀形成接触孔；(5)正面溅射金属，进行光刻腐蚀形成电桥；(6)正面生长氮化硅进行保护，并光刻腐蚀以便于电极信号引出；(7)划片。

技术总结
本发明提供了一种差压传感器及其制备方法。本发明的差压传感器包括:衬底结构，感压膜片，空腔结构，通气沟道，压阻电阻和电极引出接口。本发明的差压传感器采用刻蚀工艺形成空腔及通气沟道，使感压膜片通过通气沟道从衬底侧面感知外界压力，既解决了封装时衬底背面要预留粘片尺寸与传感器体积会变大的矛盾，又避免了感压膜片因变形过大而破裂的问题，减少了制作成本与流片周期。同时，通过采用SOI硅片减薄形成感压膜片及干法刻蚀工艺形成空腔，使制作出的膜片厚度及尺寸偏差小，远低于传统的差压传感器从背面腐蚀形成膜片的工艺偏差，且膜片表面形貌平整，与传统的差压传感器相比，体积小、抗过载能力强，成本低、精度高。精度高。精度高。


技术研发人员：周浩楠 冯艳露 李宋 张亚婷
受保护的技术使用者：北京智芯传感科技有限公司
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/7/18