技术领域
[0001] 本
发明主要涉及微机械压阻式
压力传感器，尤其涉及一种低压应用的微机械超小型压阻式压力传感器及其制造方法，该传感器是采用
晶圆键合技术在蚀刻腔上面形成
硅膜片以及深硅蚀刻的方法来确定所要制造的传感器的轮廓。
背景技术
[0002] 众所周知，在医疗过程中，对受试者血管诊断或
治疗时，监控体内定点的生理参数可以针对受试者的状况为医疗专业人员提供关键信息。
冠状动脉血管内的血压就是一个特别重要且有益的生理参数。研究表明，冠状动脉血管内的定点血压可以用于计算
血流储备分数（FFR），血流储备分数（FFR）代表了冠状动脉血流在往冠脉狭窄远端流动时潜在的血流的降低。长达数十年的临床研究表明，在冠状动脉
血管造影手术和心脏
导管插入手术中，血流储备分数（FFR）可以对冠状动脉狭窄的功能严重度的识别提供定量评估，从而帮助医生定量判定所需的进一步治疗。
[0003] 由于冠状动脉血管直径非常小，直径可以小于1毫米，拥有一个非常小的诊断设备来做定点血压测量至关重要，这样诊断设备本身不会对血压产生影响而引起数据失真。在这种情况下，将一种超小型压力传感器安装在一个超小型输送设备（如导引
导丝）的远端，形成传感器导引导丝组件。通过将传感器导引导丝组件的远端推送到冠状动脉血管的预定
位置，导引导丝远端安装的超小型压力传感器可以对体内冠状动脉血管内进行定点血压测量。传感器导引导丝组件的外径（OD）通常是0.35毫米。因此需要一种可以安装在传感器导引导丝组件远端的超小型传感器。
[0004] 因此很明显地，有必要加工一种微型压力传感器，它能安装在输送设备（如导引导丝）的远端。为了将压力传感器安装在外径约为0.35mm的导引导丝上，传感器的尺寸必须在宽度上小于0.3mm高度上小于0.1mm。制造这种小尺寸的压力传感器在量产时会是一种挑战。
发明内容
[0005] 本发明公开了一种压阻式压力传感器的制造方法。更具体地说，它公开的是一种改进后的用于制造压阻式压力传感器的MEMS工艺方法，其包含
覆盖在空腔上面的一层
薄膜膜片并利用增强工艺来提高可以安装在导引导丝远端的超小型压力传感器的灵敏度。
[0006] 本发明一方面提供一种制造压阻式压力传感器的方法，其包括：提供第一绝缘体上硅结构, 其包括第一
块状硅层上面第一
氧化层上沉积的第一硅层；提供第二绝缘体上硅结构,其包括第二块状硅层上面第二氧化层上沉积的第二硅层；将第一硅层和第二硅层面对面结合在一起；去掉第二块状硅层；去掉第二氧化层，第二绝缘体上硅结构的第二硅层留在第一硅层上；形成一个或多个预定形状和尺寸的开口，以使第二硅层暴露出一部分；在第二硅层的一个或多个开口处形成一个或多个压电
电阻器；在第二硅层和第一硅层中成形花纹沟槽，并终止于第一氧化层；去掉第一块状硅层，从而将压阻式压力传感器限定于花纹沟槽的边界内。通过该制造方法，能够精确定义压力传感器尺寸，它可以通过使用
光刻技术和蚀刻的沟槽部分包围传感器来定义传感器的尺寸以及不需要切割仅通过施加机械力就可以将传感器释放出来。
[0007] 本发明第二方面提供一种制造压阻式压力传感器的方法，其包括：提供第一绝缘体上硅结构, 其包括第一块状硅层上面第一氧化层上沉积的第一硅层,在该绝缘体上硅结构的第一硅层的表面上形成图案空腔；提供第二绝缘体上硅结构,其包括第二块状硅层上面第二氧化层上沉积的第二硅层；将第一硅层和第二硅层面对面结合在一起；去掉第二块状硅层；去掉第二氧化层，留下第二绝缘体上硅结构的第二硅层覆盖在第一硅层上面；形成一个或多个预定形状和尺寸的开口，使第二硅层暴露出一部分；在第二硅层的一个或多个开口处形成一个或多个压电
电阻器；在第二硅层和第一硅层中形成花纹沟槽，并终止于第一氧化层；去掉第一块状硅层，在花纹沟槽内形成压阻式压力传感器。通过该制造方法，能够精确定义压力传感器尺寸，它可以通过使用光刻技术和蚀刻的沟槽完全包围传感器来定义传感器的尺寸以及不需要切割仅通过标准的MEMS过程就可以将传感器释放出来。
[0008] 本发明第三方面提供一种制造压阻式压力传感器的方法，其包括：提供第一绝缘体上硅结构, 其包括第一块状硅层上面第一氧化层上沉积的第一硅层,在第一硅层的表面上形成图案空腔；提供第二绝缘体上硅结构,其包括第二块状硅层上面第二氧化层上沉积的第二硅层；将第一硅层和第二硅层面对面结合在一起；去掉第二块状硅层；去掉第二氧化层，使得第二绝缘体上硅结构的第二硅层覆盖在第一绝缘体上硅结构的第一硅层上；在去掉第二氧化层后,在第二硅层上面形成一
二氧化硅绝缘层；形成一个或多个预定形状和尺寸开口，使第二硅层暴露出一部分；在第二硅层的一个或多个开口上形成一个或多个
压电电阻器；在第二硅层和第一硅层中形成花纹沟槽，并终止于第一氧化层；去掉第一块状硅层，在花纹沟槽内形成压阻式压力传感器。
[0009] 另外，本发明还提供一种微机械超小型压阻式压力传感器，它包括具有沉积于第一氧化层上的第一硅层的第一绝缘体上硅晶片、膜片，所述膜片包括具有第二硅层的第二绝缘体上硅晶片，所述膜片通过第二硅层与第一硅层面对面的结合而与第一绝缘体上硅晶片键合在一起，所述膜片上开设有一或多个开口，所述一或多个开口使第二硅层暴露出一部分，在一或多个开口中具有一或多个压电电阻器，所述第一硅层和第二硅层中开设一沟槽，所述沟槽的深度终止于第一氧化层，该沟槽限定压阻式压力传感器的边界。
[0011] 本发明上述特征详细描述了具体的方法，上面的简要概述可通过参考实例，其中会有一些在附图中表示出来。但应当指出的是，该附图为本发明的典型实例，因此不应被视为其范围的限制，因为本发明可允许其它等效实例。
[0012] 图1A表示一个典型的压阻式压力传感器的俯视图。
[0013] 图1B表示图1A所示压力传感器的剖视图，剖视图是沿图1A的1A-1A'线剖开。
[0014] 图2A和图2B表示第一绝缘体上硅（SOI）晶片的剖视图，其作为载体晶片在它的硅层上形成空腔。。
[0015] 图3表示的是第二绝缘体上硅（SOI）晶片的剖视图，根据本发明的一个
实施例，它的硅层用来形成膜片。
[0016] 图4所示的是根据本发明的一个实施例的第一和第二SOI晶片结合在一起的结构。
[0017] 图5表示的是根据本发明的一个实施例的除掉
支撑硅晶片和第二SOI晶片的绝缘层后的结构。
[0018] 图6A表示的是根据本发明的一个实施例的压电电阻器形成后的压阻式传感器的俯视图。
[0019] 图6B表示的是压电电阻器成形后压阻式传感器的剖面图，该剖面图是沿图6A中的6A-6A'线剖开的。
[0020] 图7和图8表示的是压电电阻器的形成的步骤。
[0021] 图9A到图10显示了根据本发明的一个或多个实施例中的沟槽的形成步骤。
[0022] 图11A和11B反映了根据本发明的一个或多个实施例的除掉载体SOI晶片的块状硅层和绝缘层的步骤以及压阻式传感器的释放步骤。
具体实施方式
[0023] 以下结合附图对根据发明的几个优选实施例进行详细描述。
[0024] 图1A和图1B反映了一种制造微型压力传感器的制造方法以及利用微
机电系统（MEMS）技术来完成一个或多个压阻式压力传感器10的制造方法。图1A所示的是一个压阻式压力传感器的俯视图。图1B所示的是压阻式压力传感器的剖视图。图1B的剖视图是沿图1A中的1A-1A'线的剖开。
[0025] 压力传感器10是由一个隔膜膜片13覆盖到空腔11上面形成的。图1A中的虚线代表空腔11的边缘16以及因此形成的空腔区域11。压电电阻器12是在由扩散或
离子注入形成的空腔11内部膜片13顶部形成的。当压力被施加在膜片13的顶部时，膜片13将
变形和弯曲而进入空腔11，引起压电电阻器12上面的
应力变化而改变压电电阻器12的电阻值。
[0026] 压力传感器的一个重要特征参数是传感器的灵敏度。对于一个给定的压力变化，电阻值变化越大，则灵敏度越高。压力传感器设计的主要目标是达到尽可能高的灵敏度。
[0027] 上述的压阻式压力传感器的灵敏度受到膜片13厚度的影响。膜片13的厚度越薄，则压力传感器的灵敏度越高。然而，膜片13的厚度也影响到传感器所能测的压力范围。膜片13越薄，在压电电阻器12的电阻值变化为非线性之前，传感器能测的压力越低。选择一个最小厚度但足够厚的膜片13用于匹配尺寸已定的空腔11是有益的，这样在设备要测的所有的压力范围内，压电电阻器电阻的变化是线性的。
[0028] 压阻式压力传感器10的灵敏度也受到空腔11尺寸的影响。空腔11越大，压力传感器10则越灵敏。当空间不是一个限制因素时，这是有利于设计压阻式传感器的尺寸，根据空腔11的尺寸可以设计成足够大的尺寸来满足灵敏度要求。当空间是一个限制因素时，诸如应用于心脏内和血管内的情况下，压阻式传感器的尺寸，以及空腔11的尺寸，被设计成最大允许的空间来达到传感器的最大灵敏性。
[0029] 对于心脏内、血管内和经皮冠状动脉介入（PCI）的应用，最好是把压力传感器安装在外径（OD）大约为0.35毫米的导引导丝上，这样就不需要额外的设备进入体内进行血压定点测量。为了能将上述压阻式压力传感器安装到导引导丝上，该压力传感器的宽度必须要小于0.3mm。采用包括使用晶圆切片工艺来分离已制造的设备在内的传统的MEMS工艺来制造上述这种小尺寸的压阻式传感器是很有挑战的。第一个挑战是尺寸太小，标准的
半导体切割设备无法处理。标准的半导体切割设备只是设计用来处理任何方向的横向尺寸不小于1毫米的产品。因此需要特殊的设备来处理但这样势必会增加制造的成本。第二个挑战是切割误差，通常市面上大部分的切割机的切割误差为0.05mm。为了要保证最终的宽度小于
0.3mm，产品的宽度需要小于0.2mm，以达到算上切割的误差后其宽度仍还保证小于0.3毫米。如果宽度从0.3mm减小到0.2mm，将导致传感器面积减少33％，灵敏度则会降低33％。
[0030] 本发明的一个目的是提供一种压阻式压力传感器的制造方法，该压力传感器的尺寸可以精确定义，从而消除上面提及的因为最终产品尺寸的不确定性导致超小型压阻式压力传感器灵敏度下降的问题。本发明的另一个目的是提供一种能增强压阻式压力传感器灵敏度的制造方法和提供一种仅采用半导体兼容工艺来制造压阻式压力传感器的制造方法。而且本发明的另一个目的是提供一个MEMS的工艺流程，该工艺流程可以用于量产时制造压阻式压力传感器，同时能够到达低成本高优率。
[0031] 压阻式压力传感器的制造方法在附图中有详细描述，在图中零件一般都用参考号码和字母表示，传感器的膜片13是通过使用晶片键合成形，并且传感器的尺寸通过光刻和蚀刻工艺精确定义出来。所有附图仅用于说明，并非按比例绘制。
[0032] 根据本发明中在
真空和蚀刻工艺条件下采用融合晶圆键合工艺来定义最终压力传感器的尺寸，附图1到附图11描述了压阻式压力传感器的生产步骤。
制造过程开始于两个晶片上实现绝缘体上硅（SOI）的结构。第一SOI晶片210，如图2A所示，通常包括块状硅层213作为压力传感器的载体晶片。第一SOI晶片210还包括在块状硅层213上面的一个氧化膜层212和氧化层212上面的一个硅层114。第一SOI晶片210上的硅层114的厚度大约5微米到100微米之间。第一SOI晶片210的硅层114会用于产生压力传感器的空腔111。包括硅层114、氧化膜层212和块状硅层213在第一SOI晶片210上面因此形成一个绝缘体上硅（SOI）结构。
[0033] 首先，在诸如第一SOI晶片这样的载体晶片上形成压力传感器的空腔111。由于要形成了空腔111, 硅层114相对较厚。第一SOI晶片210上的硅层114的厚度不是影响压阻式压力传感器10性能的关键因素，然而如果传感器10高度有限制的话，硅层114的厚度要低于已完成的传感器10的高度限制。硅层114的厚度也影响着空腔111的高度极限，因为空腔需要在第一SOI上的硅层114内形成。
[0034] 对于低压的应用，例如测量血压，空腔111并不需要很高。通常空腔111的高度大约在2微米到50微米之间是足够的。因此，在第一SOI晶片210上的硅层114厚度大约5微米到100微米之间都可以使用。
[0035] 如图2B所示，空腔111的形状可以在硅层114中成形。一般来说，光刻技术所形成的带开口的光罩来形成空腔111的图案和形状。空腔111的形状决定了将要形成一个或多个压电电阻器112的区域形状。最广泛应用的形状是正方形，长方形、圆形,然而其它形状也有使用。
[0036] 在光刻之后，采用等离子蚀刻技术来形成空腔111。等离子蚀刻的持续时间和
能量决定了空腔111的高度。空腔111的高度需要比硅层114的厚度低很多，如少于硅层114厚度的一半。对于熟悉MEMS工艺过程的人员来说，他们都知道在第一SOI晶片210形成空腔111的详细步骤。在某些情况下，也能够直接使用已经做好空腔111的SOI晶片.
[0037] 图3表示的是使用第二SOI晶片220来提供一个薄硅层而形成压阻式压力传感器10的膜片13的一个例子。第二SOI晶片220通常包括一个块状硅层213、一个氧化层222和一个薄硅层113，从而形成一个第二SOI结构。硅层113的厚度可以薄至约0.5微到5微米，用于形成压力传感器10的膜片13。
[0038] 第二SOI晶片220的硅层113的厚度决定了膜片13的厚度。对于一个给定的空腔尺寸，膜片13越薄，压力传感器对压力的变化就越灵敏。另一方面，对于相同的给定的空腔尺寸下，压力传感器10的膜片13越薄，它能承受的最大压力就越小。一般情况下，对于一个给定的空腔尺寸，膜片13的厚度要足够厚，能够承受压力传感器所要
接触的最大压力，从而在目标压力范围内达到最大的灵敏度。对于微小型压力传感器来说，比如那些用于血管内压力监测时需要能够测量到敏感的血压变化，膜片13的厚度可以在约0.5微米到5微米之间。由于硅层113是用来形成膜片13，硅层113的硅材料类型应选择为与压电电阻器12硅材料类型相反的一种材料。
[0039] 当p型掺杂质用于形成压电电阻器12，可以选择带n型掺杂质的硅材料来形成硅层113。同样地，当n型掺杂质用于形成压电电阻器12，可以选择带p型掺杂质的硅材料来形成硅层113。这是为了限制压电电阻器12到膜片13基片的泄露。尽管这不是必需的，但应该优先选择低阻抗的硅材料来形成硅层113。
[0040] 接下来，如图4所示，第二SOI晶片220可以放置在第一SOI晶片210上面，使硅层113与硅层114相对，也就是载体晶片210的空腔111的位置。第一SOI晶片210和第二SOI晶片220通过使用合适的技术粘合在一起，如真空条件下熔融晶片粘合。如果在非常低的压力下进行粘合，所形成的空腔是真空密封的。此外，其它的粘合方法，如共晶焊,可用于第一硅绝缘体晶片和第二硅绝缘体晶片的粘合。
[0041] 粘合和密封后，分别采用打磨工艺和蚀刻工艺去掉第二SOI晶片220上的块状硅层223和氧化层222。因此，如图5所示，第一SOI晶片210的表面仅剩有硅层113，在上面是空腔
111和硅层114。采用真空条件下进行融合工艺来将第一SOI晶片210和第二SOI晶片220粘合在一起以及去掉硅支撑晶片223和氧化层222的详细工艺，熟悉MEMS工艺过程的人员都知道。仍然参考图5，某些情况下，不需要去掉氧化层222。如果希望这样做的话，它可以用于未来的一些过程。
[0042] 紧接着，一个或多个压电电阻器112可以在硅层113的顶部形成。图6A表示的是一个或多个压电电阻器112在晶片250上面形成之后压阻式传感器的俯视图。图6B表示的是压电电阻器112形成后压阻式传感器10的剖面图，剖面图是沿图6A的6A-6A'线剖开。
[0043] 如图7所示，首先，二氧化硅绝缘层261的薄层在硅层113的顶部沉淀形成。二氧化硅绝缘层的厚度可以在1微米左右。第二，使用带开口的光罩运用光刻技术来形成一个或多个压电电阻器112的图案和形状。
[0044] 光刻完成后，如图8所示，位于开口区域的部分二氧化硅绝缘层261被去掉，从而露出硅层113的一部分。然后，利用扩散或离子注入工艺技术，硅层113的暴露表面上形成一个或多个压电电阻器112。相应地，压电电阻器112的位置是由二氧化硅绝缘层261的开口区域决定，且应在空腔111的边缘116范围内以使压力传感器的灵敏度最大。空腔111的边缘116在图6A中采用虚线表示。如果是采用离子注入工艺来形成压电电阻器112，在离子注入过程之后应采用高温
退火工艺促使注入的离子进入硅中并修复由于注入过程产生的硅晶体的损伤，通常高温退火工艺的
温度在800摄氏度到1100摄氏度之间。
[0045] 仍然参考图6A，显而易见，压电电阻器112的数量不一定是4个，即使在示意图中有4个压电电阻。事实上，压电电阻器112的数量可以是1到任何数量。
[0046] 仍然参考图6B和图7，在第二SOI晶片220的氧化物膜层222没有去掉的情况下，氧化层222可以直接使用，而不需要沉积新的氧化层，因此可以跳过在二氧化硅绝缘层261上沉积一薄层氧化层这个步骤。
[0047] 紧接着，形成一个或多个沟槽281来定义压力传感器10的边界。图9A表示的是第一SOI晶片210上面传感器280的俯视图，这时形成的沟槽已经包围在一个或多个压电电阻器112四周。图9B表示的是沟槽281形成后晶片280的剖视图。图9B中的剖视图是沿图9A上的
9B-9B‘线剖开。图9C表示的是沟槽281形成后晶片280的另一剖视图。9C中的剖视图是沿图
9A上的9A-9A'线剖开的。
[0048] 首先，使用光刻技术，利用带开口的光罩来形成沟槽281。只要沟槽281的蚀刻是完全穿过氧化层261、硅层113和硅层114，沟槽281宽度要求不是很严格，可以是几微米到几百微米。沟槽281的边界是在空腔111的边缘116的外面，在沟槽281和空腔111之间留下一些空间285，以便空腔111不会受到影响。当沟槽281形成后，空间281里面的硅材料将支撑硅层113上的膜片区域。间间285需要设计成一定的宽度，以便在使用带有压力传感器10的器械时，保留在间间285内的硅材料有足够强度来承受任何压力。间间285的宽度通常是5微米到
50微米。
[0049] 仍然参考图9A、9B和9C，在一个实施例中，沟槽281并不完全围绕在传感器内部区域内，因此传感器280仅有部分通过区域282连接在它的表面，它可能包含二氧化硅层261薄薄的一部分、硅层113和硅层114，如图9A和9B所示。如图10所示的另一个实施例中，沟槽281可以完全围绕传感器280中的压阻式传感器区域。
[0050] 区域282将压力传感器的内部和传感器280的外围部分连在一起，它的形状最好是设计成靠近传感器中心的边缘比较容易被断开的形状，以便定义最终完成的传感器的尺寸。一种方法是将区域282的形状设计成梯形状，将梯形的宽边对着远离传感器280的中心，它的窄边对着传感器280的中心。窄边的宽度与宽边的宽度的比率最好小于等于0.75。在这样的设计中，当在后续步骤中用力将传感器280从第一SOI晶片210上释放出来时，窄边将会先断掉，因此可以得到一个精确定义的传感器尺寸。
[0051] 只要区域282的窄边足够窄以至于很容易断开将传感器280在后续步骤中从第一SOI晶片210上分离开来，它的窄边宽度就不用要求那么严格。通常区域282的窄边设计宽度为10微米到50微米。区域282的形状也不一定需要设计成梯形，但是不管哪种形状，朝向传感器中心的那边宽度是要小于朝向远离传感器中心的那条边宽度。甚至区域282的数量也不需要严格控制，而可以任何数量，比如说，如图9A所示的例子，就可能有两个或者4个区域282分布在晶片280的两侧或四周。更进一步，即使说区域282最好的位置是在晶片传感器
280的中间，如图9A种的实例所示, 区域282的位置也不用严格控制。
[0052] 光刻完成后，可采用比如蚀刻工艺，去掉部分二氧化硅绝缘层261、硅层113和开口区域处的硅层114来形成沟槽281，并停止在第一SOI晶片210的二氧化硅层212。一旦沟槽281的图案已经形成，可采用比如蚀刻工艺，将二氧化硅绝缘层261完全去掉。在某些情况下，二氧化硅绝缘层261可以不用除掉，它可以用于后续的工艺步骤。
[0053] 接下来的步骤是将传感器280从第一SOI晶片210上面分离出来。如图11A所示的一个实施例中，当沟槽281完全围绕在空腔111周围而没有形成区域282，第一SOI晶片210的具有一个或多个传感器280的一侧，被用胶
水或其它材料附在支撑材料290上。支撑材料290将一个或多个传感器280保持在第一SOI晶片210上,然后，第一SOI晶片上的块状硅层213被去掉。
[0054] 如图11B所示，紧接着，第一SOI晶片210上的二氧化硅层212被去掉。二氧化硅层212被去掉后，传感器280只由胶水或其他材料与支撑材料290连接起来。比如通过紫外光
固化的方法，可以去掉连接传感器280的胶水，因为胶水材料在紫外光照射下一定时间就失去粘力。
[0055] 支撑材料290可以是透明材料，例如玻璃或塑胶材料。块状硅层230和二氧化硅层212去掉后，传感器装置可以暴露于紫外光下，并从支撑材料290上面分离开来。相应地，制造好的压力传感器不需要切割就可以很容易从保持材料290上面分离出来。
[0056] 在沟槽281没有完全围绕在压电电阻器所处的传感器内部区域这样的例子中，第一SOI晶片上面的块状硅层213和氧化层212被蚀刻去掉后,区域282可能保持在沟槽281附近。此时将传感器保持在完整状态的唯一材料是区域282，该区域靠近传感器中心的内边缘部分是狭窄的。因此，可以采用如刀这样锋利的工具施加力去断开连接，而传感器可以一个一个分离出来。由于区域282朝向传感器中心的内边缘相比区域282朝向远离传感器的外边缘较短，当有机械力施加时，朝向传感器中心的内侧部分将会先断，从而得到一个边界分明的传感器。
[0057] 由上可知，这里有提供一种可以制造超小型压力传感器并能精确定义传感器尺寸的方法。此外，这里还提供仅采用硅兼容工艺的方法来制造压力传感器。与制造硅膜片压阻式传感器的常规方法相比，本发明具有的优点有：（1）最终完成的传感器尺寸可以精确控制，使传感器的灵敏度达到最佳。（2）完成后的传感器的高度可以精确控制。（3）无需切割过程，该传感器可以由所有半导体兼容的过程来分离。
[0058] 如上所述，我们完全按照本发明的宗旨进行了说明，但本发明并非局限于上述实施例和实施方法，相关技术领域的从业者可在本发明的技术思想
许可的范围内进行不同的变化及实施。虽然前述内容针对的是本发明的实施例，但是本发明的其它以及更多的实例不会脱离其基本范围去进行设计，并且其范围由所附的
权利要求来确定。
