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一种CMOS MEMS双模态气体压力传感器及制备方法
申请号	CN202410202479.0	申请日	2024-02-23	公开(公告)号	CN118026086A	公开(公告)日	2024-05-14
申请人	北京理工大学;			发明人	王晓毅; 丁厚伯; 谢会开;
摘要	本发明公开的一种CMOS MEMS双模态气体压力传感器及制作方法，属于传感器领域。双模态气体压力传感器，包括硅衬底层和二氧化硅结构层；二氧化硅结构层设置于硅衬底层上方；二氧化硅结构层包括禁锢区域和设置于中央的电容式与压阻式双模态的压力传感结构。本发明通过压阻式与电容式的双模态检测来实现高压与低压兼容的高线性度的精确检测，并利用压阻式与电容式压力传感器各自的压力传感优势，能够同时实现低压以及高压的精确检测，增大传感器的气压检测范围。本发明还公开双模态气体压力传感器的制作方法，利用CMOS工艺在同一传感器垂直方向上同时制作电容式与压阻式两种压力传感结构，且本发明制作无需掩模的Post‑CMOS工艺，避免复杂的光刻步骤。
权利要求	1.一种CMOS MEMS双模态气体压力传感器，其特征在于：包括硅衬底层和二氧化硅结构层；所述二氧化硅结构层设置于所述硅衬底层上方；所述二氧化硅结构层包括设置于电容式与压阻式双模态的压力传感结构外围的禁锢区域和设置于中央的电容式与压阻式双模态的压力传感结构，即电容式与压阻式双模态的压力传感结构包括电容式压力传感结构和压阻式压力传感结构；所述电容式压力传感结构中二氧化硅材料与金属材料交叠排布，金属via贯穿除第六层及第五层金属外的其他金属层，第六层金属为最顶层金属；所述压阻式压力传感结构包括硅压敏膜片和分布在硅压敏膜片边缘高应力区域的多晶硅压敏电阻，多晶硅压敏电阻置于二氧化硅材料中；所述电容式压力传感结构包括固定在压敏膜片上方的二氧化硅结构层和以及悬浮在压敏膜片上与传感器边缘禁锢区域固定的二氧化硅结构层，固定在压敏膜片上方的二氧化硅结构层作为可动梳齿，悬浮在压敏膜片上与传感器边缘禁锢区域固定的二氧化硅结构层，作为固定梳齿结构；所述作为梳齿结构的二氧化硅结构层中包含第一层至第四层金属层以及贯穿这四层金属的金属via，构成电容压力传感结构。 2.如权利要求1所述的一种CMOS MEMS双模态气体压力传感器，其特征在于：制作方法采用无需掩模的Post‑CMOS工艺加工，包括如下步骤，步骤1：采用1P6M工艺制作CMOS裸片，利用第五层和第六层金属作为禁锢层在外围设置禁锢区域并在压力传感结构区域设计金属层图案作为Post‑CMOS工艺刻蚀二氧化硅的硬掩模；通过调节第一层至第四层金属层图案和金属via，使第一层至第四层金属层以及贯穿这四层金属的金属via形成梳齿电容，作为电容式压力传感结构，同时形成电容式压力传感结构的电极引线；采用多晶硅层图案，作为多晶硅压敏电阻以及释放固定梳齿悬浮结构的牺牲层；调节第一层金属图案，使第一层金属图案作为多晶硅压敏电阻的保护层，以及多晶硅压敏电阻的电极引线；步骤2：使用DRIE工艺对步骤1中所得的CMOS裸片进行背部的深硅刻蚀，得到电容式与压阻式双模态的压力传感结构的硅压敏膜片，即得到步骤2完成后的芯片；步骤3：使用AOE工艺对步骤2所得芯片进行二氧化硅刻蚀，刻蚀至多晶硅牺牲层，得到电容式与压阻式双模态的压力传感结构，包括电容式压力传感的梳齿电容结构和压阻式压力传感结构的压敏电阻，即得到步骤3完成后的芯片；步骤4：使用XeF2对步骤3所得芯片进行多晶硅的刻蚀释放，去除在固定梳齿结构下方氧化层中埋藏的多晶硅层，得到悬浮在压敏膜片上方的固定梳齿电极结构，即得到步骤4完成后的芯片；步骤5：将步骤4所得芯片进行封装，制成单片CMOS MEMS双模态气体压力传感器。 3.如权利要求2所述的一种CMOS MEMS双模态气体压力传感器，其特征在于：采用 0.18um 1P6M工艺制作CMOS裸片。
说明书全文	一种CMOS MEMS双模态气体压力传感器及制备方法技术领域 [0001] 本发明涉及一种CMOS MEMS双模态气体压力传感器及制作方法，具体涉及一种CMOS MEMS双模态气体压力传感器及其制作方法，属于传感器领域。背景技术 [0002] 气体压力是一个重要的物理量，在各个研究领域被广泛测量。微压力传感器大多采用MEMS技术制造，以电信号的形式对信息进行感知、测量和传输。通过使用压力传感器，可以测量不同类型的压力，如绝对压力、真空压力、表压和差压。制作压力传感器的MEMS技术已极为成熟，占据了传感器市场的很大一部分，被广泛应用于工业生产、汽车制造、航空航天、可穿戴设备、医疗器械等生产生活场景中。 [0003] 随着微机械加工和MEMS技术的最新进展，压力传感器成功地利用了这些技术的优势，趋于微型化、集成化，追求更小的尺寸、更高的性能、更低的功耗。 [0004] 根据工作原理，压力传感器可分为压阻式、电容式、光纤式、谐振式和压电式。其中压阻式与电容式是目前最为常见的两种压力传感方式。 [0005] 压阻式压力传感器由具有惠斯通电桥结构的压阻的膜片组成。随着压力的施加，膜片发生偏转。对于薄隔膜和小挠度，电阻随施加压力线性变化，所有的压敏电阻都有相同的电阻值。当电源电压施加在惠斯通电桥的一端时，通过检测另外两个端子之间的电压差来表征薄膜感受到的压力。压阻式压力传感器具有较大的压力检测范围，经常被用于进行MPa级别的高气压检测，同时具有极高的线性度。 [0006] 电容式压力传感器由表面正对的可动的薄膜极板、固定极板以及两个极板之间的密闭腔室组成。薄膜极板在压力的作用下向固定极板运动，两者的间距减小从而改变极板之间的电容值，来实现压力的检测。电容式压力传感器具有极高的灵敏度，适用于低压范围的小量程压力测量，但传统的电容式压力传感器的非线性输出导致其很难实现大量程的压力检测范围。 [0007] MEMS技术虽然可以采用较为灵活的工艺加工方式，且可以选择较为广泛的材料，但是较难直接和电路部分进行互连，在一定程度上限制了测试微系统的整体尺寸；由于寄生电容等问题的存在，也在一定程度上降低了器件的性能。随着CMOS 半导体技术的快速发展，成熟的CMOS加工工艺在实现器件微型化方面具有无法比拟的优势，同时还可以保证器件性能的稳定性，确保了批量化生产的可行性，缩短了产品的研发周期，因此，基于CMOS技术的气体压力传感器已成为如今科研的热门方向。然而，线性度与量程两个性能指标始终是压力传感器设计中矛盾且难以权衡的问题，且每种传感器都有对应较局限的检测范围和较单一的应用场景，例如在0～5kPa有高线性高灵敏度的传感器不会被用于0～200kPa的气压检测，而拥有0～2bar(0～200kPa)量程范围的传感器不会被用于0～5kPa的压力检测。需要开发出同时具有低压与高压的高线性检测能力、兼容多种测量场景且各项性能指标均有优势的气体压力传感器。发明内容 [0008] 本发明的目的是提供一种CMOS MEMS双模态气体压力传感器及制作方法，通过压阻式与电容式的双模态检测来实现高压与低压(或大量程)的高线性度的精确检测，兼容多种不同的生产生活应用场景，同时取代传统电容式压力传感器的变间距膜片式传感机制，利用CMOS MEMS技术的固有优势在垂直方向上同时集成压阻和电容两种传感原理，优化电容式传感模块，改善电容检测的线性度，并且在后处理过程中采用无需掩模的Post‑CMOS工艺，避免复杂的光刻步骤，显著提高整个Post‑CMOS后处理的效率。 [0009] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 [0010] 本发明公开的一种CMOS MEMS双模态气体压力传感器，包括硅衬底层和二氧化硅结构层。所述二氧化硅结构层设置于所述硅衬底层上方。所述二氧化硅结构层包括设置于电容式与压阻式双模态的压力传感结构外围的禁锢区域和设置于中央的电容式与压阻式双模态的压力传感结构，即电容式与压阻式双模态的压力传感结构包括电容式压力传感结构和压阻式压力传感结构。所述电容式压力传感结构中二氧化硅材料与金属材料交叠排布，金属via贯穿除第六层及第五层金属外的其他金属层，第六层金属为最顶层金属。所述压阻式压力传感结构包括硅压敏膜片和分布在硅压敏膜片边缘高应力区域的多晶硅压敏电阻，多晶硅压敏电阻置于二氧化硅材料中。所述电容式压力传感结构包括固定在压敏膜片上方的二氧化硅结构层和以及悬浮在压敏膜片上与传感器边缘禁锢区域固定的二氧化硅结构层，固定在压敏膜片上方的二氧化硅结构层作为可动梳齿，悬浮在压敏膜片上与传感器边缘禁锢区域固定的二氧化硅结构层，作为固定梳齿结构；所述作为梳齿结构的二氧化硅结构层中包含第一层至第四层金属层以及贯穿这四层金属的金属via，构成电容压力传感结构。 [0011] 本发明公开的一种CMOS MEMS双模态气体压力传感器的制作方法，采用无需掩模的Post‑CMOS工艺加工，包括如下步骤： [0012] 步骤1：采用1P6M工艺制作CMOS裸片，利用第六层和第五层金属作为禁锢层在外围设置禁锢区域并在压力传感结构区域设计金属层图案作为Post‑CMOS工艺刻蚀二氧化硅的硬掩模；通过调节第一层至第四层金属层图案和金属via，使第一层至第四层金属层以及贯穿这四层金属的金属via形成梳齿电容，作为电容式压力传感结构，同时形成电容式压力传感结构的电极引线；采用多晶硅层图案，作为多晶硅压敏电阻以及释放固定梳齿悬浮结构的牺牲层；调节第一层金属图案，使第一层金属图案作为多晶硅压敏电阻的保护层，以及多晶硅压敏电阻的电极引线； [0013] 作为优选，采用0.18um 1P6M工艺制备CMOS裸片。 [0014] 步骤2：使用DRIE工艺对步骤1中所得的CMOS裸片进行背部的深硅刻蚀，得到电容式与压阻式双模态的压力传感结构的硅压敏膜片，即得到步骤2完成后的芯片。 [0015] 步骤3：使用AOE工艺对步骤2所得芯片进行二氧化硅刻蚀，刻蚀至多晶硅牺牲层，得到电容式与压阻式双模态的压力传感结构，包括电容式压力传感的梳齿电容结构和压阻式压力传感的压敏电阻，即得到步骤3完成后的芯片。 [0016] 步骤4：使用XeF2对步骤3所得芯片进行多晶硅的刻蚀释放，去除在固定梳齿结构下方氧化层中埋藏的多晶硅层，得到悬浮在压敏膜片上方的固定梳齿电极结构，即得到步骤4完成后的芯片。 [0017] 步骤5：将步骤4所得芯片进行封装，制成单片CMOS MEMS双模态气体压力传感器。 [0018] 有益效果： [0019] 1、本发明公开的供一种CMOS MEMS双模态气体压力传感器及制作方法，利用CMOS工艺的优势在同一传感器垂直方向上同时制作电容式与压阻式两种压力传感结构，实现双模态的压力检测。 [0020] 2、本发明公开的供一种CMOS MEMS双模态气体压力传感器及制作方法，通过CMOS、MEMS双模态的压力检测，同时利用压阻式与电容式压力传感器各自的压力传感优势，能够同时实现低压以及高压的精确检测，增大传感器的气压检测范围，并且在大量程范围下保证线性度，能够用电容模态实现0～80kPa小范围内高线性度、高灵敏度检测，同时压阻模态实现0～300kPa大范围线性检测。 [0021] 3、本发明公开的供一种CMOS MEMS双模态气体压力传感器及制作方法，通过利用CMOS工艺的优势优化设计电容式传感结构，改变传统电容式压力传感器的变间距膜片式传感机制，利用金属层以及金属层之间的金属via实现立体的电容梳齿结构，通过电容梳齿纵向交叠面积的变化来实现压力的检测，极大地提升电容式压力传感的线性度。 [0022] 4、本发明公开的供一种CMOS MEMS双模态气体压力传感器及制作方法，能够实现单芯片双模态的压力检测，垂直方向上集成CMOS和MEMS两种传感原理，同时利用电容式压力传感器灵敏度高与压阻式压力传感器量程大的优势来实现宽范围、高精度、高线性度的压力检测，能够同时输出两种不同的压力检测信号，兼容多种应用场景，并且具有良好的稳定性，高灵敏度等优势；CMOS MEMS传感器器件体积小、集成度高、便于大规模生产，且Post‑CMOS工艺部分步骤无需掩模版，具有成本低、工艺步骤简单、便于加工等优势。附图说明 [0023] 图1是本发明CMOS MEMS双模态气体压力传感器的俯视平面示意图；其中：1‑禁锢区域(由第五层与第六层金属构成)；2‑p型掺杂的多晶硅压敏电阻(末端进入1区域的部分代表其埋藏在二氧化硅结构层中以便于金属电极引线的布置)；3‑电容式压力传感结构的可动梳齿电极结构(固定在压敏膜片上)；4‑硅压敏膜片；5‑电容式压力传感结构的固定梳齿电极结构(底部与压敏膜片分离，梁与禁锢区域相连固定)； [0024] 图2是本发明CMOS MEMS双模态气体压力传感器的制备流程图；其中图a为利用0.18um 1P6M工艺设计的CMOS裸片，图b表示用DRIE工艺对CMOS裸片进行背腔深硅刻蚀，定义压力传感器的压敏膜片，图c表示用AOE工艺刻蚀二氧化硅，定义多晶硅压敏电阻和梳齿电容结构，图d表示XeF2各向同性刻蚀多晶硅牺牲层释放固定梳齿结构； [0025] 图3是本发明CMOS MEMS双模态气体压力传感器的横截面图。 [0026] 其中：1‑禁锢区域(第五层与第六层金属构成)；2‑p型掺杂的多晶硅压敏电阻(末端进入1区域的部分代表其埋藏在二氧化硅结构层中以便于金属电极引线的布置)；3‑电容式压力传感结构的可动梳齿电极结构(固定在压敏膜片上)；4‑硅压敏膜片；5‑电容式压力传感结构的固定梳齿电极结构(底部与压敏膜片分离，梁与禁锢区域相连固定)；6‑硅衬底；7‑二氧化硅结构层。具体实施方式 [0027] 为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。 [0028] 见图1、图3所示：本实施例公开的一种CMOS MEMS双模态气体压力传感器，包括硅衬底6和二氧化硅结构层7，所述二氧化硅结构层7设置于所述硅衬底6上方；所述二氧化硅结构层7包括设置于其中的电容式压力传感结构与压阻式压力传感结构；所述电容式压力传感结构由包含在二氧化硅结构层7中的金属层以及贯穿金属层的金属via构成，即电容式压力传感结构的可动梳齿电极结构3和电容式压力传感结构的固定梳齿电极结构5；所述硅衬底6包括硅压敏膜片4；所述压阻式压力传感结构由硅压敏膜片4以及在二氧化硅结构层7中的p型掺杂多晶硅压敏电阻2构成；所述禁锢区域1由第五层与第六层金属构成。 [0029] 硅衬底6的材料是硅晶圆。 [0030] 压敏膜片的材料是硅。 [0031] 传感器压敏电阻的材料是p型掺杂的多晶硅。 [0032] 传感器电容式压力传感结构的材料是二氧化硅结构层以及包含在其中的金属层以及金属via。 [0033] 见图2所示：本实施例还提供一种CMOS MEMS双模态气体压力传感器的制作方法，图2是本实施CMOS MEMS双模态气体压力传感器的制备流程图，具体实现步骤如下： [0034] 步骤1：采用0.18um 1P6M CMOS工艺设计CMOS裸片，利用第六层和第五层金属作为禁锢层在外围设置禁锢区域并在压力传感结构区域设计金属层图案作为Post‑CMOS工艺刻蚀二氧化硅的硬掩模；设计合理的第一层至第四层金属层图案和金属via，使其形成梳齿电容，作为电容式压力传感结构，同时形成电容式压力传感结构的电极引线；设计合理的多晶硅层图案，作为多晶硅压敏电阻以及释放固定梳齿悬浮结构的牺牲层与保护层；设计合理的第一层金属图案，使其作为多晶硅压敏电阻的保护层，以及多晶硅压敏电阻的电极引线。例如：设计膜片尺寸为3000um方形，将固定梳齿与可动梳齿结构的梁在膜片边缘区域与压敏电阻间隔一段距离，降低对压敏膜片高应力区域的影响。 [0035] 步骤2：使用DRIE工艺对步骤1中所得的CMOS裸片进行背部的深硅刻蚀，该步骤定义了电容式与压阻式双模态的压力传感结构的硅压敏膜片。例如：用PI胶带作为小芯片背刻的掩模，在HSE200S(深硅刻蚀机)中使用SF6和C4F8分别进行刻蚀与钝化处理，控制刻蚀深度使压敏膜片被定义在5～10um。 [0036] 步骤3：使用AOE工艺对步骤2所得芯片进行二氧化硅刻蚀，定义压力传感结构，包括电容式压力传感结构的梳齿电容结构以及压阻式压力传感的压敏电阻。例如：在STS AOE刻蚀机中使用CF4和SF6刻蚀SiO2，控制刻蚀深度在多晶硅牺牲层时停止。 [0037] 步骤4：使用XeF2对步骤3所得芯片进行多晶硅的刻蚀释放，去除在固定梳齿结构下方氧化层中埋藏的多晶硅牺牲层，定义电容式压力传感结构的固定梳齿电极结构。例如：控制刻蚀速率使多晶硅牺牲层完全去除。 [0038] 步骤5：将步骤4所得芯片进行封装，制成单片CMOS MEMS双模态气体压力传感器。 [0039] 本实施例提供的CMOS MEMS双模态气体压力传感器的实际应用，包括：将传感器附在载体(如PCB板)上，进行气密封装，引出导线，连接外接信号处理模块，检测低压、高压等多种环境中的气体压力，如0～80kPa的较小量程压力检测及0～200kPa的较大量程压力检测。 [0040] 本实施例充分利用0.18um 1P6M CMOS工艺的优势，在垂直方向上集成压阻与电容检测的两种传感机理，并且取缔传统膜片变间距电容式压力传感器的检测原理，利用多层金属和贯穿金属层的金属via来实现立体垂直方向上的梳齿电容结构，通过梳齿交叠面积的变化产生电容值的变化，这种电容传感原理极大地提高检测电容信号的线性度；同时利用多晶硅层设计压敏电阻以及释放悬浮结构的牺牲层来实现压阻传感原理，同时满足大量程与高线性度的压力检测，适用于多种应用场景。 [0041] 本实施例采用0.18um 1P6M CMOS半导体工艺一次性设计传感器所需的结构，包括硅衬底层和二氧化硅结构层，以及包含在二氧化硅结构层中的各种功能部件，然后通过部分无需掩模版的post‑CMOS工艺得到具有悬浮结构的CMOS‑MEMS双模态气体压力传感器，工艺步骤简单。与普通的CMOS‑MEMS气体压力传感器不同，本发明首创性的提出一种单芯片实现压阻与电容双模态检测的气体压力传感器的制备方法。 [0042] 本实施例提供的一种CMOS‑MEMS单双模态气体压力传感器的制作方法，能够实现单芯片多种传感检测原理的集成，一体化设计及后续简便的加工工艺降低了传感器的成本；本实施例能够极大地提高压力检测的线性度，具有同时实现大量程与高线性度检测的优势，并且体积小，兼容性强，易于与CMOS电路相匹配。 [0043] 以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。其它结构和原理与现有技术相同，这里不再赘述。

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