多量程cmos mems電容式壓力傳感器芯片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多量程CMOS?MEMS電容式壓力傳感器芯片，包括玻璃基座和硅基底，其特征是：在所述硅基底上設(shè)置第一壓力傳感器單元、第二壓力傳感器單元、第三壓力傳感器單元、第四壓力傳感器單元、第五壓力傳感器單元和第六壓力傳感器單元；所述第一壓力傳感器單元、第二壓力傳感器單元、第三壓力傳感器單元、第四壓力傳感器單元、第五壓力傳感器單元和第六壓力傳感器單元包括上電極、下電極和壓力膜；所述第一壓力傳感器單元、第二壓力傳感器單元、第三壓力傳感器單元、第四壓力傳感器單元、第五壓力傳感器單元和第六壓力傳感器單元的下電極通過金屬鋁線合并連接。本發(fā)明采用多個(gè)不同尺寸的電容壓力傳感器單元實(shí)現(xiàn)多量程，靈敏度高，量程范圍大。
【專利說(shuō)明】多量程CMOS MEMS電容式壓力傳感器芯片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓力傳感器芯片，尤其是一種多量程CMOS MEMS電容式壓力傳感器芯片，屬于MEMS器件設(shè)計(jì)制造【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]壓力測(cè)量是MEMS技術(shù)的一個(gè)主要應(yīng)用方面，壓力傳感器的應(yīng)用主要有三個(gè)方面:壓力監(jiān)控、壓力控制和物理量測(cè)量。壓力傳感器有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括汽車工程，航空導(dǎo)航，消費(fèi)電子和軍事運(yùn)用等方面。
[0003]如今主流的壓力檢測(cè)技術(shù)有:電容壓力檢測(cè)技術(shù)、壓阻壓力檢測(cè)技術(shù)以及熱型壓力檢測(cè)技術(shù)等。電容式壓力傳感器是硅微壓力傳感器的一種主要類型，其基本原理是將壓力變化轉(zhuǎn)換為電容的變化。壓力作用于彈性膜，膜發(fā)生形變，使得兩個(gè)電極間介質(zhì)介電常數(shù)發(fā)生變化，產(chǎn)生相應(yīng)的電容值變化，電容值隨著壓力變化單調(diào)變化，電容值與壓力值相互對(duì)應(yīng)，形成由壓力到電容的傳感轉(zhuǎn)換功能。多量程電容式壓力傳感器芯片具有多方面的優(yōu)勢(shì)，例如較大的測(cè)量范圍、較高的靈敏度、較低的溫度偏移系數(shù)、更加堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)以及更低的功耗等等。傳統(tǒng)電容式壓力傳感器芯片主要缺點(diǎn)如下:(1)無(wú)法使其與CMOS工藝兼容，傳感器芯片的CMOS工藝集成化是傳感器研究和發(fā)展的趨勢(shì)；(2)單一的量程，只能針對(duì)某一特定的量程范圍進(jìn)行測(cè)試，使其不能得到最大限度的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種多量程CMOS MEMS電容式壓力傳感器芯片，采用多個(gè)不同尺寸的電容壓力傳感器單元實(shí)現(xiàn)多量程，靈敏度高，量程范圍大，并且提高了可制造性，制造成本低。
[0005]按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述多量程CMOS MEMS電容式壓力傳感器芯片，包括玻璃基座和設(shè)置在玻璃基座上的硅基底，其特征是:在所述硅基底上表面設(shè)置第一壓力傳感器單元、第二壓力傳感器單元、第三壓力傳感器單元、第四壓力傳感器單元、第五壓力傳感器單元和第六壓力傳感器單元；所述第一壓力傳感器單元、第二壓力傳感器單元、第三壓力傳感器單元、第四壓力傳感器單元、第五壓力傳感器單元和第六壓力傳感器單元分別包括上電極、下電極和壓力膜；所述第一壓力傳感器單元、第二壓力傳感器單元、第三壓力傳感器單元、第四壓力傳感器單元、第五壓力傳感器單元和第六壓力傳感器單元的下電極分別通過金屬鋁線合并連接后輸出。
[0006]在所述娃基底的上部設(shè)置由娃基底的上表面向下表面延伸的P講，在P講的上表面依次設(shè)置氧化硅層和多晶硅，在硅基底的下部設(shè)置真空密封腔；所述真空密封腔上部的P阱、氧化硅層和多晶硅構(gòu)成壓力膜；在所述P阱的一側(cè)設(shè)置P+區(qū)，在氧化硅層上表面的兩側(cè)分別設(shè)置氮化硅層，在兩側(cè)的氮化硅層上表面分別設(shè)置第一金屬層和第二金屬層，在兩側(cè)的氮化硅層中設(shè)置第一鎢塞和第二鎢塞，第一鎢塞依次穿過氮化硅層和氧化硅層連接第一金屬層和P+區(qū)，第二鎢塞穿過氮化硅層連接第二金屬層和氮化硅層下部的多晶硅；所述第一鶴塞和第一金屬層構(gòu)成了下電極，第二鶴塞和第二金屬層構(gòu)成了上電極，下電極由第一鎢塞與P+區(qū)歐姆接觸引出。
[0007]所述第一壓力傳感器單元、第二壓力傳感器單元、第三壓力傳感器單元、第四壓力傳感器單元、第五壓力傳感器單元和第六壓力傳感器單元的壓力膜的尺寸不同。
[0008]所述壓力膜為正方形；所述第一壓力傳感器單元的壓力膜邊長(zhǎng)為400 μ m，第二傳感器單元的壓力膜邊長(zhǎng)為600 μ m,第三傳感器單元的壓力膜邊長(zhǎng)為800 μ m，第四傳感器單元的壓力膜邊長(zhǎng)為1000 μ m，第五傳感器單元的壓力膜邊長(zhǎng)為1500 μ m，第六傳感器單元的壓力膜邊長(zhǎng)為2000 μ m。
[0009]所述真空密封腔由硅基底的下表面延伸至P阱的下表面。
[0010]所述第一金屬層、第二金屬層和金屬連線采用金屬鋁。
[0011]本發(fā)明在傳統(tǒng)電容式壓力傳感器芯片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種由多個(gè)基本傳感器單元構(gòu)成，并與CMOS工藝兼容的多量程電容壓力傳感器芯片；本發(fā)明采用了多個(gè)不同壓力膜尺寸的電容壓力傳感器單元實(shí)現(xiàn)多量程，電容壓力傳感器芯片靈敏度高，量程范圍大，并且提高了可制造性，制造成本低。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本發(fā)明所述壓力傳感器的俯視圖。
[0013]圖2為本發(fā)明所述傳感器單元的俯視圖。
[0014]圖3為本發(fā)明所述傳感器單元的剖視圖。
[0015]圖中的序號(hào)為:第一金屬層101、第二金屬層102、第一鶴塞103、P+區(qū)104、真空密封腔105、玻璃基座106、氮化硅層107、多晶硅108、氧化硅層109、P阱110、硅基底111、第二鎢塞112、第一壓力傳感器單元201、第二壓力傳感器單元202、第三壓力傳感器單元203、第四壓力傳感器單元204、第五壓力傳感器單元205、第六壓力傳感器單元206、金屬連線207、第一上電極211、第二上電極212、第三上電極213、第四上電極214、第五上電極215、第六上電極216、上電極301、下電極302、壓力膜303。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合具體附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0017]如圖1、圖2所示:所述多量程CMOS MEMS電容式壓力傳感器芯片包括玻璃基座106和設(shè)置在玻璃基座106上的硅基底111，在硅基底111的上表面分別設(shè)置有第一壓力傳感器單元201、第二壓力傳感器單元202、第三壓力傳感器單元203、第四壓力傳感器單元204、第五壓力傳感器單元205和第六壓力傳感器單元206 ；
如圖2所示，所述第一壓力傳感器單元201、第二壓力傳感器單元202、第三壓力傳感器單元203、第四壓力傳感器單元204、第五壓力傳感器單元205和第六壓力傳感器單元206分別包括上電極301 (第一壓力傳感器單元201、第二壓力傳感器單元202、第三壓力傳感器單元203、第四壓力傳感器單元204、第五壓力傳感器單元205和第六壓力傳感器單元206的上電極分別為第一上電極211、第二上電極212、第三上電極213、第四上電極214、第五上電極215和第六上電極216)、下電極302和壓力膜303 ；
如圖1所示，在所述硅基底111的上部設(shè)置由硅基底111的上表面向下表面延伸的P阱110，在P阱110的上表面依次設(shè)置氧化硅層109和多晶硅108，在硅基底111的下部設(shè)置真空密封腔105，真空密封腔105由硅基底111的下表面延伸至P阱110的下表面；所述真空密封腔105上部的P阱110、氧化硅層109和多晶硅108構(gòu)成壓力膜303 ;在所述P阱110的一側(cè)設(shè)置P+區(qū)104，在所述氧化硅層109上表面的兩側(cè)分別設(shè)置氮化硅層107，在兩側(cè)的氮化娃層107上表面分別設(shè)置第一金屬層101和第二金屬層102,在兩側(cè)的氮化娃層107中設(shè)置第一鎢塞103和第二鎢塞112，第一鎢塞103依次穿過氮化硅層107和氧化硅層109連接第一金屬層101和P+區(qū)104，第二鎢塞112穿過氮化硅層107連接第二金屬層102和氮化娃層107下部的多晶娃108 ;所述第一鶴塞103和第一金屬層101構(gòu)成了下電極302,第二鎢塞112和第二金屬層102構(gòu)成了上電極301，下電極302由第一鎢塞103與P+區(qū)104歐姆接觸引出；
所述第一壓力傳感器單元201、第二壓力傳感器單元202、第三壓力傳感器單元203、第四壓力傳感器單元204、第五壓力傳感器單元205和第六壓力傳感器單元206的下電極302分別通過金屬鋁線207合并連接后輸出(如圖1所示，各個(gè)傳感器單元的下電極合并連接后輸出，形成共同的輸出端217)；
所述第一壓力傳感器單元201、第二壓力傳感器單元202、第三壓力傳感器單元203、第四壓力傳感器單元204、第五壓力傳感器單元205和第六壓力傳感器單元206的壓力膜303的尺寸不同，壓力膜303為正方形；其中，所述第一壓力傳感器單元201的壓力膜邊長(zhǎng)為400 μ m,第二傳感器單元202的壓力膜邊長(zhǎng)為600 μ m,第三傳感器單元203的壓力膜邊長(zhǎng)為800 μ m,第四傳感器單元204的壓力膜邊長(zhǎng)為1000 μ m,第五傳感器單元205的壓力膜邊長(zhǎng)為1500 μ m,第六傳感器單元206的壓力膜邊長(zhǎng)為2000 μ m ；
所述第一金屬層101、第二金屬層102和金屬連線207米用金屬招。
[0018]本發(fā)明所述多量程CMOS MEMS電容式壓力傳感器芯片包含五個(gè)不同壓力膜大小的傳感器單元(第一壓力傳感器單元201、第二傳感器單元202、第三傳感器單元203、第五傳感器單元205和第六傳感器單元206)和一個(gè)不隨壓力變化的參考傳感器單元(第四傳感器單元204)，每個(gè)傳感器單元的壓力膜面積大小不同，分別用于不同范圍的壓力測(cè)量。在工作時(shí)，在某一壓力情況下，第一壓力傳感器單元201已經(jīng)飽和，而第二傳感器單元202在此壓力情況下變形很小，這時(shí)就可以選擇第三傳感器單元203作為測(cè)量單元，以實(shí)現(xiàn)一定的靈敏度；采用這種方法設(shè)計(jì)的傳感器芯片可以在測(cè)量范圍和靈敏度之間選擇，實(shí)現(xiàn)了傳感器的智能化，提高了電容式壓力傳感器的靈敏度和測(cè)量范圍。本發(fā)明采用了不同壓力膜面積的六個(gè)壓力傳感器單元進(jìn)行分段壓力測(cè)量的方式，從而通過一個(gè)傳感器陣列來(lái)提高測(cè)量范圍，彌補(bǔ)了單個(gè)傳感器測(cè)量范圍的不足。
【權(quán)利要求】
1.一種多量程CMOS MEMS電容式壓力傳感器芯片，包括玻璃基座(106)和設(shè)置在玻璃基座(106)上的硅基底(111)，其特征是:在所述硅基底(111)上表面設(shè)置第一壓力傳感器單元(201)、第二壓力傳感器單元(202)、第三壓力傳感器單元(203)、第四壓力傳感器單元(204)、第五壓力傳感器單元(205)和第六壓力傳感器單元(206);所述第一壓力傳感器單元(201)、第二壓力傳感器單元(202)、第三壓力傳感器單元(203)、第四壓力傳感器單元(204)、第五壓力傳感器單元(205)和第六壓力傳感器單元(206)分別包括上電極(301)、下電極(302)和壓力膜(303);所述第一壓力傳感器單元(201)、第二壓力傳感器單元(202)、第三壓力傳感器單元(203)、第四壓力傳感器單元(204)、第五壓力傳感器單元(205)和第六壓力傳感器單元(206 )的下電極(302 )分別通過金屬鋁線(207 )合并連接后輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的多量程CMOSMEMS電容式壓力傳感器芯片，其特征是:在所述硅基底(111)的上部設(shè)置由硅基底(111)的上表面向下表面延伸的P阱(110)，在P阱(110)的上表面依次設(shè)置氧化硅層(109)和多晶硅(108)，在硅基底(111)的下部設(shè)置真空密封腔(105);所述真空密封腔(105)上部的P阱(110)、氧化硅層(109)和多晶硅(108)構(gòu)成壓力膜(303);在所述P阱(110)的一側(cè)設(shè)置P+區(qū)(104)，在氧化硅層(109)上表面的兩側(cè)分別設(shè)置氮化硅層(107)，在兩側(cè)的氮化硅層(107)上表面分別設(shè)置第一金屬層(101)和第二金屬層(102)，在兩側(cè)的氮化硅層(107)中設(shè)置第一鎢塞(103)和第二鎢塞(112)，第一鎢塞(103)依次穿過氮化硅層(107)和氧化硅層(109)連接第一金屬層(101)和P+區(qū)(104)，第二鎢塞(112)穿過氮化硅層(107)連接第二金屬層(102)和氮化硅層(107)下部的多晶硅(108);所述第一鶴塞(103)和第一金屬層(101)構(gòu)成了下電極(302),第二鶴塞(112)和第二金屬層(102)構(gòu)成了上電極(301 )，下電極(302)由第一鎢塞(103)與P+區(qū)(104)歐姆接觸引出。
3.如權(quán)利要求1所述的多量程CMOSMEMS電容式壓力傳感器芯片，其特征是:所述第一壓力傳感器單元(201)、第二壓力傳感器單元(202)、第三壓力傳感器單元(203)、第四壓力傳感器單元(204)、第五壓力傳感器單元(205)和第六壓力傳感器單元(206)的壓力膜(303)的尺寸不同。
4.如權(quán)利要求1所述的多量程CMOSMEMS電容式壓力傳感器芯片，其特征是:所述壓力膜(303)為正方形；所述第一壓力傳感器單元(201)的壓力膜邊長(zhǎng)為400 μ m,第二傳感器單元(202)的壓力膜邊長(zhǎng)為600μπι，第三傳感器單元(203)的壓力膜邊長(zhǎng)為800μπι，第四傳感器單元(204)的壓力膜邊長(zhǎng)為ΙΟΟΟμπι，第五傳感器單元(205)的壓力膜邊長(zhǎng)為1500μπι，第六傳感器單元(206)的壓力膜邊長(zhǎng)為2000 μ m。
5.如權(quán)利要求2所述的多量程CMOSMEMS電容式壓力傳感器芯片，其特征是:所述真空密封腔(105)由硅基底(111)的下表面延伸至P阱(110)的下表面。
6.如權(quán)利要求2所述的多量程CMOSMEMS電容式壓力傳感器芯片，其特征是:所述第一金屬層(101)、第二金屬層(102)和金屬連線(207)米用金屬招。
【文檔編號(hào)】G01L1/14GK103644985SQ201310676335
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】薛惠瓊, 王瑋冰, 田龍坤 申請(qǐng)人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心