一种压力传感器件制造技术

本发明专利技术公开了一种压力传感器件，其特征在于，包括：一个硅基片，所述硅基片由狭缝分割为内板和外板；至少３个应力集中器，所述内板和外板之间经应力集中器连接；至少一个压电结桥内建于所述应力集中器，构成压力传感器件的电传感部件。本发明专利技术可以方便地将机械传感元件和传感电路集成至同一硅基片上，便于构建单芯片的ＭＥＭＳ传感器件，例如单芯片的ＭＥＭＳ麦克风；制备方法简单，输出为线性，且芯片体积小，便于应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微机电系统(MEMS)传感器，尤其涉及其在单芯片上集成的麦克 风、应力传感器、惯性传感器或它们的组合，在同一硅衬底上组合有电子和机械元件。
技术介绍
对更小体积、更高性能和更低成本的追求是现代电子工业发展的主要动力。为了 实现这些目标，业界试图集成更多的功能，包括将机械传感元件及其传感电路集成于单一 芯片上。现有技术中，用于麦克风、应力传感器或惯性传感器(但并不局限于这些)的基于 电容式传感结构的独立传感器或单芯片传感器的实现存在缺陷和困难，以电容式MEMS麦 克风为例解释和说明如下。在电子产品中，由于其更小的尺寸和用表面组装技术(SMT)装配的稳定性能，硅 基MEMS麦克风正日益取代驻极体麦克风(ECM)。几乎所有的商用MEMS麦克风的实现都使 用了双芯片的方案，它包括基于硅MEMS的电容膜芯片和与其连接的一个模拟前置放大器 芯片。这两个芯片组装到一个合适的基板，如FR-4印刷电路板上，并进一步用封装盖保护 起来。一个典型的硅基MEMS麦克风电气参数如下 MEMS麦克风的膜片以压敏电容的原理工作。其中的一个平板(柔性平板)在声 波应力下弯曲，而使电容器的电容值改变，电容值的改变可以通过在两端加电压来检测出 来。其原理如附图1所示。一个典型的电容式MEMS麦克风膜片的物理参数是 MEMS麦克风的电容膜片，其两个平板电极通常是由空气加绝缘体互相隔离，并由曲而改变它们之间的距离；b)主要取决于两个平板电极间的绝缘柱的跨 电极气隙，以及氧化硅/氮化物绝缘层的厚度必须是恒定且可重复的。为满足这两个要求， 导致了设计的复杂性并且影响了电容式MEMS麦克风的制造成品率。由化学或物理沉积的方法形成的多晶薄膜都会产生内部应力。最值得注意的材料 通常是多晶硅，二氧化硅和氮化硅。应力可以是拉伸的或收缩的，它的产生和大小取决于厚 度、沉积的方法和工艺参数。应力的大小非常难以控制且变化可能很大，高达士 100%。相 比多晶硅和氧化硅，氮化硅的应力更大。富硅氮化物具有较低的应力，但是因为它的氧化形 成的氮氧化硅难以蚀刻，其在芯片生产过程中应用较少。由于氧化物和氮化物不是导体，在 导电极板中多晶硅经常与氮化物或氧化物一起使用，这是由于多晶硅晶界含量高，而当材 料暴露在蚀刻剂中时，晶界会导致薄弱点，所以多晶硅必须被保护起来。这种复合材料的应 力更难控制。因此，在电容式MEMS麦克风传感器的早期发展过程中，更多的是去关注那些 能消除应力的结构或者应力不敏感的结构。热生长的薄膜厚度可以非常准确地控制。但这样的生长需要在高温下(通常是 900摄氏度以上)，如以后看到的，可能不是一个电容式传感器的成型过程中所希望的部 分，除非传感器平板作为集成电路工艺本身的一部分组成。那样的话，将导致基本的IC工 艺的改变，使成本显著增加并使已经复杂的IC工艺变得更复杂。因此，跨电极控制通常由 工作在较低温度下的低温等离子体增强化学气相沉积工艺、溅射、自然蒸发甚至旋转高分 子或无机质(如旋转氧化物)等实现。用这些方法控制厚度相当不理想。在MEMS电容式传感结构制造中，水或清洗液的表面张力发挥着特殊的作用。黏 附，指的是通过水表面张力，两个相对的亲水表面粘在一起，发生在湿蚀刻和清洗后的干燥 过程中。在干燥过程中，小水滴的表面张力会将两个表面拉到一起，而表面原子力也会使表 面保持附着，因此破坏了传感器的功能。由于水处理是MEMS制造的重要组成部分，用水消 除切削过程中的硅粒子污染也是如此，黏附严重限制了电容式传感结构的实现和后处理制 作步骤。用高频蒸汽蚀刻或超临界干燥过程可以避免黏附。但是，在切削过程中，使用后者 是不可能的，这对制作工艺带来了进一步的复杂性。考虑单芯片MEMS电容式传感结构时，高温和低温材料加工的特殊顺序，与各方面 的化学和物理处理等不同材料的相容性，以及在基本IC制作工艺的基础上为增加机械元 械引入的工艺步骤。一般来说，IC工艺中，机械元件会在最后几步加入，即所谓的后CMOS工 艺。为了避免融化金属铝连接线，加工温度必须保持在低于450摄氏度，这又限制了可用于 机械结构的材料选择，导电或不导电，它们的性能和沉积的方法。在一个单芯片MEMS麦克风，一个集成电路(IC)在PECVD氮化物和氧化物下密封。 膜片上要开孔。在这两层平板电容膜片的形成过程中，有大约5层材料要蚀刻，存在5个光 刻步骤。即使其中部分层和步骤可以与基本的IC制备工艺共同完成，这个过程仍然是比较 复杂的。控制下电极的厚度是至关重要的，它决定圆形/矩形板的弯曲度，进而决定了灵敏 度。此外，控制电极间距也是至关重要的。材料的选取必须与释放工艺流程兼容。氧化物 和多晶硅晶界受到高频蒸汽、干释放化学剂的侵袭和削弱。因此，跨电极间的牺牲材料必须 仔细选择，以适合沉积温度、厚度控制、以及蚀刻时与周围材料的兼容。并不是有很多材料4的组合可供选择，它们往往非常复杂。电容式MEMS麦克风的电路部分包括了一个低噪声精准电荷泵、一个绝缘栅低噪 声放大器、和一个精准控制的阻抗，用来偏置放大器和控制MEMS传感器放大器的噪声。该 电路尺寸小如标准的VLSI，但并不能随着线宽的缩小技术而同比例的缩小。通常，电容式 MEMS麦克风的噪声受限于KT/C噪声，C是MEMS传感器的电容及其寄生电容。如果C = lpF，噪声电压就约为10uV。噪声随着电容的减小而增加，电容减小一半，噪声增加为1.4 倍。电容式MEMS膜片有一个基本的尺寸而使传感器不能缩小，否则会导致信噪比变差。在 设计电容式MEMS麦克风时，本领域技术人员通常错误地认为，在减小电容C的同时把柔性 平板变薄就可以恢复灵敏度。然而，由于静电吸引降低临界电压，会降低传感器的可工作的 最大工作电压。因此，通过电容变薄带来的改善是不可取的。电容式MEMS麦克风的信噪比 用dB值表示，它是IPa声压作用于麦克风时，输入没有经过A-weighted滤波，麦克风的输 出电压和输出噪声的比例。A-weighted滤波消除了大部分的放大器低频噪声。通常信噪比 在60dB左右。对于电容式MEMS麦克风，A-weighted滤波可以提高信噪比大约2_4dB。这 个数据也取决于放大器的低频特性。为了实现单芯片集成，现有技术中几乎所有的尝试仍然都基于使用电容式MEMS 膜片作为传感器。由于存在上面所述的很多困难和缺点，采用电容式MEMS膜片作为传感器 来实现单芯片MEMS麦克风存在很多问题，且成本很高，不能与双片式MEMS麦克风或ECM麦 克风竞争。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种新结构的压力传感器件，基于压敏原理而不是电容式原理 实现，以方便地实现单芯片的、更小体积的压力传感器件。为达到上述目的，本专利技术设计了硅片上的采用基于压敏原理(尤其是压电结原 理)的压敏器件的多个机械传感器，利用应力集中器将机械传感器的应力集中到硅片结构 上的一个狭窄区域，这种结构可以被称为应力集中桥。本专利技术采用的技术方案是一种压力传感器件，包括一个硅基片，所述硅基片由狭缝分割为内板和外板；至少3个应力集中器，所述内板和外板之间经应力集中器连接；至少一个压电结桥内建于所述应力集中器，构成压力传感器件的电传感部件。上述技术方案中，所述内板的厚度小于所述外板的厚度。优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压力传感器件，其特征在于，包括：一个硅基片，所述硅基片由狭缝分割为内板和外板；至少３个应力集中器，所述内板和外板之间经应力集中器连接；至少一个压电结桥内建于所述应力集中器，构成压力传感器件的电传感部件。

【技术特征摘要】
一种压力传感器件，其特征在于，包括一个硅基片，所述硅基片由狭缝分割为内板和外板；至少3个应力集中器，所述内板和外板之间经应力集中器连接；至少一个压电结桥内建于所述应力集中器，构成压力传感器件的电传感部件。2.根据权利要求1所述的压力传感器件，其特征在于所述内板的厚度小于所述外板 的厚度。3.根据权利要求2所述的压力传感器件，其特征在于所述内板的厚度在0.25到 0. 7iim 之间。4.根据权利要求1所述的压力传感器件，其特征在于所述狭缝宽度为1 2微米。5.根据权利要求1所述的压力传感器件，其特征在于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李秉纬，
申请(专利权)人：苏州扩达微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]