[发明专利]一种MEMS压阻式压力传感器及其制造方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及MEMS(微机电系统)传感器领域中的压力传感器及其制造方法，具体涉及一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式压力传感器及其制造方法。

(二)背景技术

压力传感器是用来测量流体或气体压力的大批量规模生产的计量或传感元件。微压力传感器在整个MEMS行业，无论是设计研究还是产业应用中都占主要地位。随着工业技术的发展，越来越多的MEMS压力传感器工作于潮湿、酸碱腐蚀溶液或者充满静电颗粒和粉尘等恶劣环境中。例如基于汽车电子的发动机油压传感器、喷油压力传感器，以及汽车胎压传感器等。为了提高器件在恶劣环境下的可靠性，目前普遍采用的是压力变送的封装技术，将压力传感器芯片封装于充满硅油的密闭结构中，外加压力通过硅油从不锈钢膜片传递到压力传感器芯片上。但是，硅油的化学稳定性和耐温性能不够好，硅油长期在高温下工作会发生变化，如果新分解的化学成分里面有小颗粒的导电物质，这种物质可能会穿过芯片的钝化层破坏芯片或者介入扩散电阻条中间，形成短路或污染，造成传感器高温输出信号不稳定，这些问题将影响传感器的长期可靠性。由于阳极键合工艺简单、键合强度高、气密性好，有必要发明一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式压力传感器芯片，以保证压力传感器在应用时的稳定性与可靠性。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种基于阳极键合封装技术、表面微加工、体微加工工艺的MEMS压阻式压力传感器芯片，以保证压力传感器在应用时的可靠性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式压力传感器，所述的传感器具有第一键合玻璃-硅基-第二键合玻璃三明治结构；所述的硅基内部形成有压阻式压力传感器膈膜，硅基的正面形成有压阻式压力传感器的压阻区域，所述压阻式压力传感器的压阻区域位于压阻式压力传感器膈膜的上表面，并且注入有淡硼形成4根淡硼扩散压阻，同时淡硼扩散压阻的内部注入有浓硼形成浓硼欧姆接触区，所述压阻式压力传感器压阻区域的上方沉积有二氧化硅层，二氧化硅层上方沉积有第一氮化硅层，所述的二氧化硅层和第一氮化硅层一起作为绝缘钝化层，所述的绝缘钝化层开有引线孔，利用金属导线连通压阻区域，并且压阻式压力传感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻通过金属导线构成惠斯顿全桥连接，所述金属导线的上方沉积有第二氮化硅层，所述第二氮化硅层的上方沉积有非晶硅，所述的非晶硅与第一键合玻璃阳极键合；所述硅基的正面还形成有浓硼导线，所述浓硼导线的上方连接有金属管脚，浓硼导线将传感器工作区与金属管脚连通，所述硅基的背面与第二键合玻璃阳极键合，所述的第二键合玻璃带有通气孔，并且所述的通气孔位于压阻式压力传感器膈膜的下方。

本发明MEMS压阻式压力传感器，优选所述的硅基为n型(100)硅片；优选所述第二氮化硅层的上方沉积的非晶硅的厚度为2～4μm。

本发明MEMS压阻式压力传感器的工作原理如下：本发明MEMS压阻式压力传感器主要基于硼掺杂后单晶硅的压阻特性，压阻式压力传感器悬臂梁上的淡硼扩散压阻受到力的作用后，电阻率发生变化，通过惠斯顿全桥可以得到正比于力变化的电信号输出，通过测量电信号输出就能知道所测物理量的大小。本发明中我们向n型(100)晶向硅片注入硼来实现P型压阻，利用PN结实现压阻的隔绝，由于压阻的压阻系数的各向异性，不同方向的应力对压阻有不同的影响，为了尽可能增加灵敏度，本发明所述的MEMS压阻式压力传感器压阻区域的淡硼扩散压阻的排布方式为：纵向沿硅基的(1,1,0)晶向方向、横向沿硅基的(1,-1,0)晶向方向分布，纵向压阻系数、横向压阻系数分别为71.8，-66.3。

本发明压阻式压力传感器采用长方膜设计，4根淡硼扩散压阻平行排布，充分利用横向压阻效应，这样的压阻式压力传感器具有桥臂阻值分布均匀，输出线性度和一致性较好的优点，当然，根据不同的灵敏度需要，所述的淡硼扩散压阻可以采用不同的分布方式。本发明压阻式压力传感器的4根淡硼扩散压阻通过金属导线连接构成惠斯顿全桥，并且，压阻式压力传感器金属管脚的一种连接方式为：第一管脚接压阻式压力传感器输出正，第二管脚接地，第三管脚接压阻式压力传感器输出负，第四管脚接电源正极。

本发明还提供了一种所述的MEMS压阻式压力传感器的制造方法，所述的制造方法按如下步骤进行：

a)取硅片作为硅基，双面抛光，清洗，正面热氧长一层二氧化硅保护层，正面光刻胶作掩膜光刻出压阻式压力传感器的压阻区域，然后在压阻区域注入淡硼，形成淡硼扩散压阻，去除光刻胶；