本發(fā)明涉及壓力傳感器，尤其涉及一種梁膜機構的微機電系統(tǒng)壓力傳感器芯片及其制備方法。

背景技術：

微機電系統(tǒng)(mems)壓力傳感器主要分為電容式和電阻式，電容式由于工藝復雜，成本高。現在mems壓力傳感器主要用來硅壓阻式，壓阻式傳感器具有體積小，可靠性高，成本低，適合批量生產的特點。

mems壓力傳感器的電阻芯片是根據半導體材料硅的壓阻效應。將半導體硅擴散到基片上，組成了惠斯通電橋，壓敏電阻受機械應力的時候通過惠斯通電橋，將壓力轉換成電壓輸出。傳感器壓敏電橋采用p型擴散電阻，彈性膜用n型,電阻與彈性膜之間靠反偏p-n結隔離,當工作溫度超過125℃時,p-n結漏電流加劇,使傳感器特性嚴重失效。壓敏電阻常用是單晶硅或者多晶硅材料，由于多晶硅高溫壓力傳感器采用摻雜多晶硅做應變電阻,而多晶硅具有結構上的長程無序性,使得多晶硅的壓阻系數要明顯小于單晶硅的壓阻系數,因而多晶硅電阻膜的靈敏度要小于單晶硅電阻膜的靈敏度。

通常，微壓力傳感器的膜片按機構分為平模機構和島膜機構兩種。

對于平模機構，如果減少膜片厚度可以提高靈敏度；然而，其撓度相對于膜片厚度大幅增加。

采用島膜機構可以大幅降低傳感器的撓度，通過增加膜片尺寸來補償靈敏度的輸出，但是傳感器尺寸也相應增加。

針對以上兩種膜片機構的不足，很多種梁膜機構樣式被提出，但它們還有很多存在的問題：傳感器體積小和感壓膜薄，線性度稍差，溫度特性好但是靈敏度比底，膜片的應力大但是撓度增加。

硅壓電阻式壓力傳感器加工方法主要分為表面微機械加工和體微機械加工技術兩種。表面微機械加工技術成本低，容易集成和小型化。體硅微機械加工技術特點是工藝成熟，但不容易集成化和小型化。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種梁膜機構的微機電系統(tǒng)壓力傳感器芯片及其制備方法。

本發(fā)明通過下述技術方案實現：

一種梁膜機構的微機電系統(tǒng)壓力傳感器芯片，包括如下部件：

玻璃襯底1；

n型單晶硅元件主體2；

隔離層5；

保護層6；

所述n型單晶硅元件主體2的外緣支撐在玻璃襯底1的上方，n型單晶硅元件主體2的中部為鏤空結構3，使二者之間形成密閉空腔；密閉空腔的頂壁面4設有膜片感壓結構；

所述隔離層5設置在n型單晶硅元件主體2與膜片感壓結構之間；

所述保護層6設置在隔離層5上方；

所述膜片感壓結構上設有四個p型單晶硅壓敏電阻7，該四個p型單晶硅壓敏電阻7通過金屬導線連接成惠斯通電橋，用于將施加在其應變區(qū)域的機械壓力轉換成電壓數據輸出。

所述膜片感壓結構分成平模層和梁膜機構層；

所述梁膜機構層由田字形諧振梁11和半島諧振梁10構成；

所述四個p型單晶硅壓敏電阻7分布在半島諧振梁10上。

所述引線區(qū)分布在梁膜機構層的外圍，它由五個金屬接線端子9構成；

通過這五個金屬接線端子9及金屬引線8的組合，將p型單晶硅壓敏電阻7連接成惠斯通電橋。

所述鏤空結構3的剖面形狀呈等腰梯形結構。

本發(fā)明梁膜機構的微機電系統(tǒng)壓力傳感器芯片的制備方法，如下：

對n型單晶硅元件主體2進行氧化處理；

然后用光刻腐蝕和離子注入的方法制備出p型單晶硅壓敏電阻7；

在p型單晶硅壓敏電阻7上覆蓋保護層6；

接著對n型單晶硅元件主體2的背面進行深硅刻蝕，以獲得鏤空結構3；

然后對n型單晶硅元件主體2的正面光刻腐蝕出p型單晶硅壓敏電阻7的引線區(qū)；

再通過金屬濺射的方法布好金屬引線8，并對梁膜機構層進行刻蝕；

將n型單晶硅元件主體2與(pyrex)玻璃襯底1鍵合形成密閉參考壓力腔，即使二者之間形成密閉空腔；

最后通過鍵合方法將金屬引線8與金屬接線端子9之間連接；

完成梁膜機構的微機電系統(tǒng)壓力傳感器芯片的制備。

本發(fā)明相對于現有技術，具有如下的優(yōu)點及效果：

本發(fā)明梁膜機構的微機電系統(tǒng)壓力傳感器芯片，采用了梁膜機構，線性度好、靈敏度高。

壓敏電阻采用單晶硅材料，同時感壓膜與壓敏電阻之間設有隔離層，進一步提高了靈敏度和溫度特性，克服了現有技術中由于溫度過高，而導致傳感器失效等缺陷。

本發(fā)明制備工藝簡便易行、成本低廉，易于集成化和小型化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明梁膜機構的微機電系統(tǒng)壓力傳感器芯片的結構示意圖。

圖2是本發(fā)明膜片感壓結構的示意圖。

圖3是本發(fā)明p型單晶硅壓敏電阻的電路接線圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步具體詳細描述。

如圖1至3所示。本發(fā)明公開了一種梁膜機構的微機電系統(tǒng)壓力傳感器芯片，包括如下部件：

玻璃襯底1；

n型單晶硅元件主體2；

隔離層5(sio2)；

保護層6(si3n4)；

所述n型單晶硅元件主體2的外緣支撐在玻璃襯底1的上方，n型單晶硅元件主體2的中部為鏤空結構3，使二者之間形成密閉空腔；密閉空腔的頂壁面4設有膜片感壓結構；

所述隔離層5設置在n型單晶硅元件主體2與膜片感壓結構之間；

所述保護層6設置在隔離層5上方；

所述膜片感壓結構上設有四個p型單晶硅壓敏電阻7，該四個p型單晶硅壓敏電阻7通過金屬導線連接成惠斯通電橋，用于將施加在其應變區(qū)域的機械壓力轉換成電壓數據輸出。

所述膜片感壓結構分成平模層和梁膜機構層；

所述梁膜機構層由田字形諧振梁11和半島諧振梁10構成；

所述四個p型單晶硅壓敏電阻7分布在半島諧振梁10上。

所述引線區(qū)分布在梁膜機構層的外圍，它由五個金屬接線端子9構成；

通過這五個金屬接線端子9及金屬引線8的組合，將p型單晶硅壓敏電阻7連接成惠斯通電橋。

所述鏤空結構3的剖面形狀呈等腰梯形結構。

本發(fā)明梁膜機構的微機電系統(tǒng)壓力傳感器芯片的制備方法，如下：

對n型單晶硅元件主體2進行氧化處理；

然后用光刻腐蝕和離子注入的方法制備出p型單晶硅壓敏電阻7；

在p型單晶硅壓敏電阻7上覆蓋保護層6；

接著對n型單晶硅元件主體2的背面進行深硅刻蝕，以獲得鏤空結構3；

然后對n型單晶硅元件主體2的正面光刻腐蝕出p型單晶硅壓敏電阻7的引線區(qū)；

再通過金屬濺射的方法布好金屬引線8，并對梁膜機構層進行刻蝕；

將n型單晶硅元件主體2與(pyrex)玻璃襯底1鍵合形成密閉參考壓力腔，即使二者之間形成密閉空腔；

最后通過鍵合方法將金屬引線8與金屬接線端子9之間連接；

完成梁膜機構的微機電系統(tǒng)壓力傳感器芯片的制備。

當壓力作用在0-10kpa范圍內變化時，密閉空腔的頂壁面4發(fā)生彎曲，膜片應作用于壓敏電阻效應，惠斯通電橋出差動電壓信號與壓力值對應。

當測量時通過隔離層的絕緣作用，實現p型單晶硅壓敏電阻7間的電氣隔離，解決了p-n結隔離壓力傳感器溫度高于125℃時的失效問題。

如上所述，便可較好地實現本發(fā)明。

本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。