一種低漂移壓力傳感器及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低漂移壓力傳感器及其制造方法，低漂移壓力傳感器包括襯底、第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻、第四壓敏電阻、金屬引線和PAD點，所述四個壓敏電阻通過金屬引線構(gòu)成惠斯通電橋，四個壓敏電阻放置在通過制作背腔形成的薄膜區(qū)域，且四個壓敏電阻均沿同一方向放置。其制作步驟為：在襯底正面利用微加工光刻、注入工藝制作濃硼區(qū)、淡硼區(qū)；在襯底正面制作引線孔、金屬引線和PAD點；在襯底背面制作空腔，從而形成薄膜層；劃片。本發(fā)明壓力傳感器能夠有效減小漏電，降低壓力傳感器的零點漂移，制造方法與標(biāo)準(zhǔn)體硅壓阻式壓力傳感器的加工工藝兼容，器件加工工藝簡單、成本低，且成品率高可批量生產(chǎn)。
【專利說明】一種低漂移壓力傳感器及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)器件及其制造方法，尤其涉及一種低漂移壓力傳感器及其制造方法，屬于微電子領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展開辟了一個全新的【技術(shù)領(lǐng)域】和產(chǎn)業(yè)，不僅可以降低機(jī)電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)。正是由于MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異及功能強(qiáng)大等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點，MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]自從20世紀(jì)50年代中期發(fā)現(xiàn)了硅材料的壓阻特性，硅基的壓阻式壓力傳感器就被廣泛的應(yīng)用。典型的壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)是由電化學(xué)或選擇性摻雜各向異性腐蝕微加工技術(shù)制成的平面薄膜。目前大多數(shù)批量銷售的微機(jī)械壓力傳感器都是這種類型。壓敏電阻放置在薄膜的邊緣附近，在其線性工作范圍內(nèi)，提高一個與薄膜壓力成正比的電輸出。零點漂移是影響壓力傳感器性能的重要指標(biāo)，受到廣泛重視。目前認(rèn)為影響零漂的重要因素在于壓敏電阻，壓敏電阻一般用擴(kuò)散或離子注入的方法制備，電阻的溫度漂移較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低漂移壓力傳感器及其制造方法，該壓力傳感器能夠有效減小漏電，降低壓力傳感器的零點漂移；該制造方法與標(biāo)準(zhǔn)體硅壓阻式壓力傳感器的加工工藝兼容，器件加工工藝簡單、成本低，且成品率高可批量生產(chǎn)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種低漂移壓力傳感器，包括襯底、第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻、第四壓敏電阻、金屬引線和PAD點；
[0006]襯底背面開有空腔，襯底位于空腔上方的部分形成薄膜層；第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻均為一字型結(jié)構(gòu)，且沿同一方向設(shè)置在薄膜層上表面，第一壓敏電阻和第三壓敏電阻、第二壓敏電阻和第四壓敏電阻分別關(guān)于薄膜層的中心對稱；
[0007]第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻均由淡硼區(qū)、引線孔和兩個濃硼區(qū)組成，兩個濃硼區(qū)之間通過淡硼區(qū)連接，每個濃硼區(qū)上均設(shè)計有引線孔；所述濃硼區(qū)為圓形或四角為圓弧狀的方形結(jié)構(gòu)，濃硼區(qū)與淡硼區(qū)交接的地方為鈍角；
[0008]所述第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻通過連接在引線孔之間的金屬引線構(gòu)成惠斯通電橋；
[0009]所述第一壓敏電阻和第二壓敏電阻之間、第二壓敏電阻和第三壓敏電阻之間、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻之間、第四壓敏電阻和第一壓敏電阻之間設(shè)置有PAD點，用于實現(xiàn)惠斯通電橋與外部電路的連接。
[0010]所述襯底為N型硅片。
[0011]所述薄膜層的形狀為方形或圓形。
[0012]所述金屬弓I線的材料為金或鋁。
[0013]制造低漂移壓力傳感器的方法，其特征在于包括如下步驟:
[0014]I)選擇一塊N型硅片作為襯底；
[0015]2)利用微加工光刻、注入工藝在襯底正面同時制作第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻的濃硼區(qū)；
[0016]3)利用微加工光刻、注入工藝在襯底正面每個壓敏電阻的兩個濃硼區(qū)之間通過高溫?zé)嵬嘶鸺せ钭⑷腚x子制作淡硼區(qū)；
[0017]4)在襯底正面，通過腐蝕工藝在濃硼區(qū)制作引線孔；
[0018]5)在襯底正面制作金屬層，在該金屬層上同時腐蝕出金屬引線和PAD點；
[0019]6)在襯底背面制作空腔，使空腔上方的襯底形成薄膜層，且第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻位于薄膜層的上表面；
[0020]7)根據(jù)劃片道進(jìn)行劃片，完成低漂移壓力傳感器的制作。
[0021]所述步驟5)中在金屬層上腐蝕出金屬引線的方法為:通過濺射工藝制作金引線，或采用蒸發(fā)工藝制作鋁引線。
[0022]所述步驟6)中制作空腔的工藝為采用反應(yīng)離子刻蝕的干法刻蝕工藝或采用KOH溶液各向異性腐蝕的濕法腐蝕工藝。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:
[0024]1、本發(fā)明的低漂移壓力傳感器通過四個壓敏電阻形成惠斯通電橋，壓敏電阻的圓弧設(shè)計以及濃硼區(qū)和淡硼區(qū)的鈍角連接解決了由電阻引入的零點漂移問題。
[0025]2、本發(fā)明制造方法工藝簡單、方式有效、成本低、適合批量生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明的低漂移壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，其中IA和IB分別為俯視圖和剖面圖；
[0027]圖2為單個壓敏電阻的俯視圖；
[0028]圖3為本發(fā)明制造方法中第二步制造完成后的示意圖，其中3A和3B分別為俯視圖和尚]面圖；
[0029]圖4為本發(fā)明制造方法中第三步制造完成后的示意圖，其中4A和4B分別為俯視圖和尚]面圖；
[0030]圖5為本發(fā)明制造方法中第四步制造完成后的示意圖，其中5A和5B分別為俯視圖和尚]面圖；
[0031]圖6為本發(fā)明制造方法中第五步制造完成后的示意圖，其中6A和6B分別為俯視圖和尚]面圖。

【具體實施方式】
[0032]本發(fā)明針對壓力傳感器漂移的問題，提出一種低漂移壓力傳感器以及制作該壓力傳感器的方法。該傳感器采用傳統(tǒng)的薄膜結(jié)構(gòu)，四個壓敏電阻(第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻)合理的分布在薄膜的應(yīng)力集中區(qū)，每個壓敏電阻設(shè)計為一字型壓敏電阻，每個壓敏電阻均由淡硼區(qū)、引線孔和兩個濃硼區(qū)組成，濃硼區(qū)的形狀采用圓弧設(shè)計，避免直角，且濃硼與淡硼交接的地方為鈍角。壓敏電阻的設(shè)計有效的避免了因壓敏電阻結(jié)構(gòu)的尖角使注入的離子成針狀分布，從而漏電大。該方法能夠有效的減小漏電，降低壓力傳感器的零點漂移。同時該設(shè)計加工方法與標(biāo)準(zhǔn)體硅壓阻式壓力傳感器的加工工藝兼容，器件加工工藝簡單、成本低，且成品率高可批量生產(chǎn)。
[0033]低漂移壓力傳感器采用壓阻式，壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的。壓阻效應(yīng)是指當(dāng)材料受到外加機(jī)械應(yīng)力時，材料的體電阻率發(fā)生變化的材料性能。晶體結(jié)構(gòu)的形變破壞能帶結(jié)構(gòu)，從而改變了電子迀移率和載流子密度，使材料的電阻率或電導(dǎo)發(fā)生變化。利用MEMS工藝在襯底上制成平面薄膜，四個壓敏電阻放置在薄膜的邊緣附近。當(dāng)有外力作用時，薄膜上的壓敏電阻阻值發(fā)生變化，在恒流源或恒壓源作用下，由四個壓敏電阻組成惠斯通電橋的輸出電壓信號將發(fā)生變化。從而檢測輸入的外力。
[0034]具體來說，本發(fā)明的低漂移壓力傳感器，包括襯底1、第一壓敏電阻41、第二壓敏電阻42、第三壓敏電阻43、第四壓敏電阻44、金屬引線和PAD點。圖1為本發(fā)明的低漂移壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，其中IA為其俯視圖，IB為其沿圖1A的X-X’線的剖面圖。
[0035]襯底I背面開有空腔2，空腔2上方的襯底I形成薄膜層3 ;第一壓敏電阻41、第二壓敏電阻42、第三壓敏電阻43和第四壓敏電阻44沿同一方向(均平行于X-X’線或均垂直于X-X’線)設(shè)置在薄膜層3上表面，且第一壓敏電阻和第三壓敏電阻、第二壓敏電阻和第四壓敏電阻分別關(guān)于薄膜層3的中心對稱；
[0036]第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻均由淡硼區(qū)、引線孔和兩個濃硼區(qū)組成，兩個濃硼區(qū)之間通過淡硼區(qū)連接，形成一字型結(jié)構(gòu)，每個濃硼區(qū)上均設(shè)計有引線孔；所述濃硼區(qū)為圓形或四角為圓弧狀的方形結(jié)構(gòu)，濃硼區(qū)與淡硼區(qū)交接的地方為鈍角；
[0037]第一壓敏電阻和第二壓敏電阻之間、第二壓敏電阻和第三壓敏電阻之間、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻之間、第四壓敏電阻和第一壓敏電阻之間設(shè)置有PAD點。
[0038]所述第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻通過連接在引線孔之間的金屬引線構(gòu)成惠斯通電橋。
[0039]圖2為單個壓敏電阻俯視圖，每個壓敏電阻由濃硼區(qū)4、淡硼區(qū)5、引線孔6組成。濃硼區(qū)4采用圓弧設(shè)計，本實施例采用四角為圓弧的方形結(jié)構(gòu)。濃硼區(qū)4與淡硼區(qū)5交接的地方為鈍角，引線孔制作在濃硼區(qū)4。由濃硼區(qū)4a、濃硼區(qū)4b、淡硼區(qū)5a、引線孔6a、弓丨線孔6b組成第一壓敏電阻41 ;濃硼區(qū)4c、濃硼區(qū)4d、淡硼區(qū)5b、引線孔6c、引線孔6d組成第二壓敏電阻42 ;濃硼區(qū)4e、濃硼區(qū)4f、淡硼區(qū)5c、引線孔6e、引線孔6f組成第三壓敏電阻43 ;濃硼區(qū)4g、濃硼區(qū)4h、淡硼區(qū)5d、引線孔6g、引線孔6h組成第四壓敏電阻44。金屬引線7a、7b、7c、7d、7e將四個壓敏電阻連接成惠斯通電橋，并引出PAD點8a、8b、8c、8d、8e。
[0040]本發(fā)明為MEMS領(lǐng)域的工藝人員提供了一種低漂移壓力傳感器及其制作方法，這種方法加工的壓力傳感器具有很好的溫度特性、零點漂移低，且工藝可靠性高。
[0041]低漂移壓力傳感器制造方法包括以下步驟:
[0042]第一步，選擇一塊N型硅片，作為襯底；
[0043]第二步:利用微加工光刻、注入工藝在襯底正面同時制作第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻的濃硼區(qū)；
[0044]第三步:利用微加工光刻、注入工藝在襯底正面每個壓敏電阻的兩個濃硼區(qū)之間通過高溫?zé)嵬嘶鸺せ钭⑷腚x子制作淡硼區(qū)；
[0045]第四步，在襯底正面的濃硼區(qū)通過腐蝕工藝制作引線孔；
[0046]第五步，在襯底正面制作金屬層，在該金屬層上同時腐蝕出金屬引線和PAD點，第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻通過金屬引線構(gòu)成惠斯通電橋，惠斯通電橋通過PAD點與外部電路連接；
[0047]第六步，在襯底背面制作空腔，在空腔上方的襯底形成薄膜層(應(yīng)變薄膜)，從而使第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻位于薄膜層的上表面；
[0048]第七步，將壓力傳感器圓片按照劃片道切割成獨立的芯片，完成低漂移壓力傳感器的制作。
[0049]本技術(shù)方案中，所述襯底為N型〈100〉單拋片，電阻率為2-4 Ω.cm，厚度無具體要求，可根據(jù)薄膜的厚度和背腔刻蝕的厚度選擇硅片厚度。第四步金屬引線的制作方法為:通過濺射工藝制作的金引線，或采用蒸發(fā)工藝制作的鋁引線。第六步所述制作背腔的工藝為干法刻蝕工藝或濕法腐蝕工藝，干法刻蝕工藝可采用反應(yīng)離子刻蝕，濕法腐蝕工藝可采用KOH溶液各向異性腐蝕。薄膜層3的形狀可為方型、圓形或其它適合的形狀。
[0050]采用上述工藝能夠完成低漂移壓力傳感器的制作，四個壓敏電阻分布在薄膜層3的邊緣，在本實施例中壓阻電阻均沿橫向(X-X’向)放置，且第一壓敏電阻和第三壓敏電阻、第二壓敏電阻和第四壓敏電阻分別關(guān)于薄膜層3的中心對稱。當(dāng)薄膜層3受到敏感方向壓力作用時，薄膜層3上四個壓敏電阻均因所受應(yīng)力而使電阻發(fā)生變化，其中相對的兩個電阻變化相同，且與另外的兩個電阻變化相反，在惠斯通電橋的作用下，電阻阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓電流的變化，根據(jù)從PAD點輸出的電壓能夠計算出薄膜層3受到的壓力，從而實現(xiàn)壓力傳感器的功能。
[0051]參照圖3-圖6，對本實施例的低漂移壓力傳感器的制造方法進(jìn)行說明。
[0052]圖3所示為第二步制造完成后的示意圖，3A為其俯視圖，3B為其沿圖3A的X_X’線的剖面圖:襯底I選擇硅基底，在襯底I的表面通過光刻工藝形成注入圖形區(qū)，在圖形區(qū)注入硼，形成濃硼區(qū)，每個壓敏電阻對應(yīng)兩個濃硼區(qū)。其中4a，4b為一組，4c Ad為一組，4e，4f為一組，4g，4h為一組。每個濃硼區(qū)是四角為圓弧的方形結(jié)構(gòu)。
[0053]圖4所示為第三步制造完成后的示意圖，4A為其俯視圖，4B為其沿圖4A的X_X’線的剖面圖:在襯底I的表面通過光刻工藝形成注入圖形區(qū)，在圖形區(qū)注入硼，形成淡硼區(qū)，淡硼區(qū)與濃硼區(qū)有交接區(qū)域，濃硼區(qū)與淡硼區(qū)交接的地方為鈍角。壓敏電阻的阻值由淡硼區(qū)決定。淡硼區(qū)5a形成在濃硼區(qū)4a，4b中間，淡硼區(qū)5b形成在濃硼區(qū)4c，4d中間，淡硼區(qū)5c形成在濃硼區(qū)4e，4f中間，淡硼區(qū)5d形成在濃硼區(qū)4g，4h中間。且每個壓敏電阻均為一字型結(jié)構(gòu)。
[0054]圖5所示為第四步制造完成后的示意圖，5A為其俯視圖，5B為其沿圖5A的X_X’線的剖面圖:在襯底I的表面，濃硼區(qū)形成引線孔，每個電阻有兩個引線孔，如圖所示，引線孔6a形成在濃硼4a區(qū)，引線孔6b形成在濃硼4b區(qū)，引線孔6a和引線孔6b為一組；引線孔6c形成在濃硼4c區(qū)，引線孔6d形成在濃硼4d區(qū)，引線孔6c和引線孔6d為一組；引線孔6e形成在濃硼4e區(qū)，引線孔6f形成在濃硼4f區(qū)，引線孔6e和引線孔6f為一組；引線孔6g形成在濃硼4g區(qū)，引線孔6h形成在濃硼4h區(qū)，引線孔6g和引線孔6h為一組。
[0055]圖6所示為第五步制造完成后的示意圖，6A為其俯視圖，6B為其沿圖6A的X_X’線的剖面圖:在襯底I的表面蒸發(fā)鋁，通過光刻工藝形成圖形區(qū)，腐蝕鋁形成金屬引線和PAD點(也可以通過濺射工藝制作金引線實現(xiàn))。如圖6所示，鋁引線7a通過引線孔6a引出，并連接PAD點8a ;鋁引線7b通過引線孔6b和引線孔6c引出，并連接PAD點Sb，即鋁引線7b連接兩個電阻的兩端；鋁引線7c通過引線孔6d和引線孔6f引出，并連接PAD點Sc，即鋁引線7c連接兩個電阻的兩端；銷引線7d通過引線孔6e和引線孔6h引出，并連接PAD點8d，即鋁引線7c連接兩個電阻的兩端；銷引線7e通過引線孔6g引出，并連接PAD點Se。鋁引線將四個壓敏電阻連接，并形成惠斯通電橋，壓力傳感器感應(yīng)外界壓力，壓敏電阻阻值發(fā)生變化，通過檢測惠斯通電橋的輸出檢測傳感器受到的壓力。
[0056]最后工序形成最終的壓力傳感器，如圖1所示。在襯底I的背面進(jìn)行刻蝕工藝，形成空腔2和薄膜3。
[0057]上面詳細(xì)敘述了微機(jī)械加工的一種低漂移壓力傳感器的特征結(jié)構(gòu)及制造方法，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行局部調(diào)整和修改，不難重復(fù)出本發(fā)明的結(jié)果，但這并不會超出本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
[0058]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種低漂移壓力傳感器，其特征在于:包括襯底(I)、第一壓敏電阻(41)、第二壓敏電阻(42)、第三壓敏電阻(43)、第四壓敏電阻(44)、金屬引線和PAD點； 襯底(I)背面開有空腔(2)，襯底(I)位于空腔(2)上方的部分形成薄膜層(3);第一壓敏電阻(41)、第二壓敏電阻(42)、第三壓敏電阻(43)和第四壓敏電阻(44)均為一字型結(jié)構(gòu)，且沿同一方向設(shè)置在薄膜層(3)上表面，第一壓敏電阻(41)和第三壓敏電阻(43)、第二壓敏電阻(42)和第四壓敏電阻(44)分別關(guān)于薄膜層(3)的中心對稱； 第一壓敏電阻(41)、第二壓敏電阻(42)、第三壓敏電阻(43)和第四壓敏電阻(44)均由淡硼區(qū)、引線孔和兩個濃硼區(qū)組成，兩個濃硼區(qū)之間通過淡硼區(qū)連接，每個濃硼區(qū)上均設(shè)計有引線孔；所述濃硼區(qū)為圓形或四角為圓弧狀的方形結(jié)構(gòu)，濃硼區(qū)與淡硼區(qū)交接的地方為鈍角； 所述第一壓敏電阻(41)、第二壓敏電阻(42)、第三壓敏電阻(43)和第四壓敏電阻(44)通過連接在引線孔之間的金屬引線構(gòu)成惠斯通電橋； 所述第一壓敏電阻(41)和第二壓敏電阻(42)之間、第二壓敏電阻(42)和第三壓敏電阻(43)之間、第三壓敏電阻(43)和第四壓敏電阻(44)之間、第四壓敏電阻(44)和第一壓敏電阻(41)之間設(shè)置有PAD點，用于實現(xiàn)惠斯通電橋與外部電路的連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低漂移壓力傳感器，其特征在于:所述襯底(I)為N型硅片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低漂移壓力傳感器，其特征在于:所述薄膜層(3)的形狀為方形或圓形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低漂移壓力傳感器，其特征在于:所述金屬引線的材料為金或銷。
5.制造權(quán)利要求1所述的低漂移壓力傳感器的方法，其特征在于包括如下步驟: 1)選擇一塊N型娃片作為襯底； 2)利用微加工光刻、注入工藝在襯底正面同時制作第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻的濃硼區(qū)； 3)利用微加工光刻、注入工藝在襯底正面每個壓敏電阻的兩個濃硼區(qū)之間通過高溫?zé)嵬嘶鸺せ钭⑷腚x子制作淡硼區(qū)； 3)在襯底正面，通過腐蝕工藝在濃硼區(qū)制作引線孔； 4)在襯底正面制作金屬層，在該金屬層上同時腐蝕出金屬引線和PAD點； 5)在襯底背面制作空腔，使空腔上方的襯底形成薄膜層，且第一壓敏電阻、第二壓敏電阻、第三壓敏電阻和第四壓敏電阻位于薄膜層的上表面； 6)根據(jù)劃片道進(jìn)行劃片，完成低漂移壓力傳感器的制作。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造低漂移壓力傳感器的方法，其特征在于:所述步驟4)中在金屬層上腐蝕出金屬引線的方法為:通過濺射工藝制作金引線，或采用蒸發(fā)工藝制作鋁引線。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造低漂移壓力傳感器的方法，其特征在于:所述步驟5)中制作空腔的工藝為采用反應(yīng)離子刻蝕的干法刻蝕工藝或采用KOH溶液各向異性腐蝕的濕法腐蝕工藝。
【文檔編號】B81B7/00GK104458103SQ201410711006
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】孟美玉, 趙元富, 張富強(qiáng), 楊靜, 李光北, 孫俊敏, 鐘立志 申請人:北京時代民芯科技有限公司, 北京微電子技術(shù)研究所