一种MEMS压力传感器 |
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| 申请号 | CN202211461552.3 | 申请日 | 2022-11-21 | 公开(公告)号 | CN118057134A | 公开(公告)日 | 2024-05-21 |
| 申请人 | 苏州跃芯微传感技术有限公司; | 发明人 | 马清杰; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种MEMS压 力 传感器 ，其包括：结构层，其具有 正面 和背面，在结构层形成有敏感结构、应变 薄膜 、第一导电结构和第二导电结构；第三绝缘层，其设置于结构层的正面；多个导电窗口，其自第三绝缘层远离结构层的一侧表面至少贯穿所述第三绝缘层，以暴露第二导电结构；导电层，其填充并 覆盖 导电窗口，以及覆盖第三绝缘层远离结构层的一侧表面，导电层在导电窗口的对应区域外围被分割形成多个相互间隔的导电通道，每个导电通道的一端位于对应的导电窗口内，并与暴露的第二导电结构电 接触 ，另一端与对应的金属 电极 电接触。与 现有技术 相比，本发明不仅可以提高传感器性能，而且可以降低加工技术难度、提高产品良率、降低产品成本。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种MEMS压力传感器，其特征在于，其包括： |
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| 说明书全文 | 一种MEMS压力传感器【技术领域】 [0002] 随着社会智能化的发展需求，压力传感器的应用领域越来越广，需求量越来越大；目前以MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统)技术制作的压力传感器已 成为主流，MEMS压阻式压力传感器以其低成本、高灵敏度、高分辨率受到市场的青睐。 [0003] 但是，现有技术中的压阻式压力传感器存在如下缺点： [0004] 1.现有技术中，压阻式压力传感器的压敏电阻是在N型硅衬底上进行局部P型掺杂实现的，这样P型掺杂区会和N型衬底之间形成PN结，当压力传感器通电后，PN结有漏电流存在，且漏电流会随环境温度增加而增大。 [0005] 2.压阻式压力传感器最大的缺点是输出特性受温度影响较大。提高掺杂浓度可有效降低温度对输出特性的影响，但是由于杂质在N型硅中的扩散作用，掺杂浓度达到一定程度很难继续提高。 [0009] 6.国际上现有高温压力传感器，多采用掺杂层与玻璃键合技术，此技术键合面和敏感结构同层，键合带来的应力会影响敏感结构，降低传感器性能。玻璃加工技术难度大，良率低，成本高。 [0010] 因此，有必要提出一种技术方案来克服上述问题。【发明内容】 [0011] 本发明的目的之一在于提供一种MEMS压力传感器，不仅可以提高传感器性能，而且可以降低加工技术难度、提高产品良率、降低产品成本。 [0012] 根据本发明的一个方面，本发明提供一种MEMS压力传感器，其包括：结构层，其具有正面和背面，所述结构层包括第一区域和第二区域，在所述结构层的第一区域形成有敏感结构、第一导电结构和应变薄膜，在所述结构层的第二区域形成有第二导电结构；第三绝缘层，其设置于所述结构层的正面；多个导电窗口，所述多个导电窗口相互间隔排布，每个所述导电窗口自所述第三绝缘层远离所述结构层的一侧表面至少贯穿所述第三绝缘层，以 暴露所述第二导电结构；导电层，其填充并覆盖所述导电窗口，以及覆盖所述第三绝缘层远离所述结构层的一侧表面，所述导电层在多个所述导电窗口的对应区域的外围被多个刻蚀 沟槽分割形成多个相互间隔的导电通道，其中，每个所述刻蚀沟槽贯穿所述导电层，每个所述导电通道的一端位于对应的所述导电窗口内，并与该导电窗口暴露的所述第二导电结构 电接触；多个金属电极，其设置于所述导电层远离所述第三绝缘层的一侧，所述金属电极与对应的所述导电通道的另一端电接触。 [0013] 进一步的，MEMS压力传感器还包括：保护层，其设置于所述导电层远离所述第三绝缘层的一侧表面，所述保护层于多个所述导电通道的对应处设置有多个贯穿所述保护层的电极接触窗口，每个所述导电通道的另一端通过对应的电极接触窗口与对应的金属电极电 接触。 [0017] 进一步的，所述保护层为第四绝缘层；所述金属电极填充并覆盖对应的所述电极接触窗口；或所述保护层为与所述导电层键合的玻璃衬底，所述电极接触窗口为通孔，所述通孔内长有所述金属电极。 [0018] 进一步的，所述结构层包括支撑层、第一绝缘层和掺杂层，所述支撑层、第一绝缘层和掺杂层自所述结构层的背面向正面方向依次层叠设置；所述支撑层内形成有与和所述应变薄膜对应的第一背腔；所述敏感结构、第一导电结构和第二导电结构是通过自所述掺 杂层远离所述支撑层的一侧表面向所述支撑层方向图形化所述结构层形成的凸起结构，所 述凸起结构至少包括所述掺杂层；所述敏感结构及第一导电结构与所述第一背腔相对，所 述第二导电结构位于所述第一背腔在所述结构层正面垂直投影的外围。 [0019] 进一步的，所述结构层还包括第二绝缘层，所述第二绝缘层位于所述结构层中正面最外层，其覆盖形成有所述敏感结构、第一导电结构和第二导电结构的一侧表面；所述导电窗口自所述第三绝缘层远离所述结构层的一侧表面依次贯穿所述第三绝缘层和所述第 二绝缘层，以暴露所述第二导电结构中的所述掺杂层。 [0020] 进一步的，所述第三绝缘层应覆盖所述第二导电结构的外侧壁；所述第二导电结构的外侧壁远离所述应变薄膜。 [0021] 进一步的，所述凸起结构包括所述掺杂层、所述第一绝缘层和部分所述支撑层；所述第三绝缘层覆盖所述第二导电结构中的所述掺杂层、所述第一绝缘层和部分所述支撑层的外侧面。 [0022] 进一步的，所述第一背腔内悬置有背岛，所述背岛位于所述应变薄膜远离所述第三绝缘层的一侧表面的中部；所述第一背腔和所述背岛是刻蚀所述支撑层形成的。 [0023] 进一步的，一部分所述敏感结构分布于所述应变薄膜边缘的应力集中区域； [0024] 另一部分所述敏感结构分布于所述应变薄膜上位于所述背岛边缘的应力集中区域。 [0025] 进一步的，所述MEMS压力传感器还包括衬底，所述衬底具有正面和背面，所述结构层设置于所述衬底的正面，所述结构层的背面与所述衬底的正面相邻，所述结构层的正面与所述衬底的正面相背离；所述衬底中设置有贯穿所述衬底的第二背腔；所述第二背腔与 所述第一背腔连通，且背岛在应变薄膜上的垂直投影应位于第二背腔在应变薄膜垂直投影 内。 [0027] 与现有技术相比，本发明中的MEMS压力传感器在掺杂层无键合工艺，不会为敏感结构引入键合应力，从而不仅可以提高传感器性能，而且可以降低加工技术难度、提高产品良率、降低产品成本。 【附图说明】 [0028] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它 的附图。其中： [0029] 图1为本发明在第一个实施例中的MEMS压力传感器的立体剖面图； [0030] 图2为图1中A部分的放大示意图； [0031] 图3为图1中B部分的放大示意图； [0032] 图4为本发明在一个实施例中如图1所示的应变薄膜、背岛和敏感结构的分布示意图； [0033] 图5为本发明在第二个实施例中的MEMS压力传感器的立体剖面图； [0034] 图6为本发明在第三个实施例中的MEMS压力传感器的立体剖面图； [0035] 图7为本发明在第三个实施例中的MEMS压力传感器的纵剖面示意图； [0036] 图8为本发明在第四个实施例中的MEMS压力传感器的立体剖面图。【具体实施方式】 [0037] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 [0038] 此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。 [0039] 请参考图1所示，其为本发明在第一个实施例中的MEMS压力传感器的立体剖面图；请参考图2所示，其为图1中A部分的放大示意图；请参考图3所示，其为图1中B部分的放大示意图。图1所示的MEMS压力传感器包括衬底110、结构层120、第三绝缘层130、导电层140、保护层150、多个导电窗口160和多个金属电极170。 [0040] 衬底110具有正面和背面。 [0041] 结构层120具有正面和背面，结构层120设置于衬底110的正面，其中，结构层120的背面与衬底110的正面相邻，结构层120的正面与衬底110的正面相背离。结构层120包括第一区域(未标识)和第二区域(未标识)，其中，在结构层120的第一区域形成有敏感结构121 和应变薄膜122和第一导电结构128，在结构层120的第二区域形成有第二导电结构123。在 图1所示的具体实施例中，结构层120的第二区域(未标识)位于第一区域(未标识)的外围。 [0042] 第三绝缘层130设置于结构层120远离衬底110的一侧(或设置于结构层120的正面)。多个导电窗口160相互间隔排布，其中，每个导电窗口160自第三绝缘层130远离结构层 120的一侧表面至少贯穿第三绝缘层130，以暴露第二导电结构123。 [0043] 导电层140填充并覆盖导电窗口160，以及覆盖第三绝缘层130远离结构层120的一侧表面，导电层140在多个导电窗口160的对应区域外围被多个刻蚀沟槽142分割形成多个 相互间隔的导电通道144，其中，每个刻蚀沟槽142贯穿导电层140，每个导电通道144的一端位于对应的导电窗口160内，并与该导电窗口160暴露的第二导电结构123电接触(或电连 接)，该导电通道144的另一端与对应的金属电极170电接触(或电连接)。 [0044] 在与结构层120的应变薄膜122的对应位置处刻蚀有贯穿第三绝缘层130的第一腔体182；应变薄膜122在衬底110正面(或结构层120正面)的垂直投影位于第一腔体182在衬 底110正面(或结构层120正面)的垂直投影内，也可以说，第一腔体132对应应变薄膜122且 面积大于应变薄膜122。 [0045] 在图1至图3所示的实施例中，第一腔体182的侧壁与相邻的第三绝缘层130的侧壁之间的间隙D填充有导电层140的一部分，第一腔体182的顶壁为导电层140的另一部分；第 一腔体132的底壁为结构层120的第一区域(未标识)；第一腔体182可以为真空腔体。也可以说，图1至图3所示的实施例采用的是绝压设计。 [0046] 保护层150设置于导电层140远离第三绝缘层130的一侧表面，保护层150于多个导电通道144的对应处设置有多个贯穿保护层150的电极接触窗口152，电极接触窗口152在导 电层140远离衬底110一侧表面的垂直投影应位于导电通道144在导电层140远离衬底110一 侧表面的垂直投影内，每个导电通道144的另一端通过对应的电极接触窗口152与对应的金 属电极170电接触(或电连接)。 [0047] 在图1所示的具体实施例中，保护层150为第四绝缘层；每个金属电极170填充并覆盖对应的电极接触窗口152。也就是说，图1至图3所示的实施例可以应用于打线封装。 [0048] 在图1‑图3所示的实施例中，结构层120包括支撑层124、第一绝缘层125、掺杂层126和第二绝缘层127。其中，支撑层124、第一绝缘层125和掺杂层126自衬底110的正面且沿衬底110的背面向正面的方向(或自结构层120的背面向正面的方向)依次层叠设置；支撑层 124内形成有与应变薄膜122对应的第一背腔192；敏感结构121、第一导电结构128和第二导电结构123是通过自掺杂层126远离支撑层124的一侧表面向支撑层124方向图形化结构层 120形成的凸起结构C，其中，凸起结构C至少包括掺杂层126(或凸起结构C至少刻蚀到掺杂 层126)。 [0049] 在图1‑图3所示的具体实施例中，敏感结构121、第一导电结构128和第二导电结构123是通过自掺杂层126远离支撑层124的一侧表面向支撑层124方向图形化掺杂层126、第 一绝缘层125和部分支撑层124形成，也可以说，凸起结构C包括掺杂层126、第一绝缘层125和部分支撑层124(或凸起结构C刻蚀掺杂层126、第一绝缘层125和部分支撑层124)；在结构层120远离衬底110一侧表面(或在结构层120的正面)，敏感结构121和第一导电结构128与 第一背腔192相对，第二导电结构123位于第一背腔192在结构层120远离衬底110一侧表面 (或在结构层120的正面)垂直投影的外围。 [0050] 在图1‑图3所示的实施例中，第二绝缘层127位于结构层120中正面最外层，其覆盖形成有敏感结构121、第一导电结构128和第二导电结构123的一侧表面，且第二绝缘层127与结构层120中形成有敏感结构121、第一导电结构128和第二导电结构123的一侧表面共 形。对应的，导电窗口160自第三绝缘层130远离结构层120的一侧表面依次贯穿第三绝缘层 130和第二绝缘层127，以暴露第二导电结构123中的掺杂层126。 [0051] 第三绝缘层130应覆盖第二导电结构123的外侧壁E。在图1‑图3所示的具体实施例中，第三绝缘层130覆盖第二导电结构123中的掺杂层126、第一绝缘层125和部分支撑层124的外侧壁(或第二导电结构123的外侧壁)，其中，第二导电结构123的外侧壁E远离应变薄膜 122。 [0052] 在图1所示的实施例中，第一背腔192内悬置有背岛1242，背岛1242位于应变薄膜122邻近衬底110的一侧表面(或远离第三绝缘层130的一侧表面)的中部，且第一背腔192和 背岛1242是刻蚀支撑层124形成的。这样，在应变薄膜122受压力时，应力集中于应变薄膜 122边缘区域和应变薄膜122上位于背岛1242边缘的区域。请参考图4所示，其为本发明在一个实施例中如图1所示的应变薄膜122、背岛1242和敏感结构121的分布示意图。在图4所示 的俯视图实施例中，一部分敏感结构121分布于应变薄膜122边缘的应力集中区域(或应力 最大区域)，另一部分敏感结构121分布于应变薄膜122上位于背岛1242边缘的应力集中区 域(或应力最大区域)。 [0053] 在图1所示的实施例中，衬底110中设置有贯穿衬底110的第二背腔194；第二背腔194贯穿衬底110并与第一背腔192连通，且背岛1242在应变薄膜122上的垂直投影应位于第 二背腔194在应变薄膜122垂直投影内。 [0054] 需要说明的是，背岛1242并不是必须的，应变薄膜122的背面也可以没有背岛结构，如果没有背岛1242的话也在本发明的保护范围内，其敏感结构及应变薄膜结构可参考 此前专利申请，该专利申请的申请号为2022112363706。 [0055] 综上可知，在本发明图1‑图3所示的MEMS压力传感器中： [0056] 衬底110：衬底110起到支撑作用，其可以提高整个传感器的机械强度。在一个实施例中，衬底110的材料可以为玻璃或硅。 [0057] 支撑层124：支撑层124用于支撑，并通过刻蚀支撑层124形成第一背腔19、背岛1242和应变薄膜122； [0058] 第一绝缘层125：第一绝缘层125用于阻断掺杂层126和支撑层124之间的漏电流，阻止掺杂层126杂质进一步扩散，提高掺杂层126的掺杂浓度。第一绝缘层125的材质可以为氧化硅。 [0059] 掺杂层126：掺杂层126可以为P型浓掺杂，通过至少刻蚀掺杂层126形成敏感结构121、第一导电结构128和第二导电结构123； [0060] 第二绝缘层127：第二绝缘层127用于绝缘并保护凸起结构C(或敏感结构121、第一导电结构128和第二导电结构123)，并且第二绝缘层127提供与掺杂层126电接触的导电窗 口160。第二绝缘层127的材质可以为氮化硅或氧化铝。 [0061] 第三绝缘层130：第三绝缘层130对掺杂层126的侧面进行绝缘保护；在第三绝缘层130的中部区域进行刻蚀，最终形成真空的第一腔体182，刻蚀区域对应应变薄膜122且大于应变薄膜122；第三绝缘层130提供与与掺杂层126电接触的导电窗口160。第三绝缘层130的材质可以为氧化硅或氮化硅。 [0062] 导电层140：导电层140内的刻蚀沟槽142将导电层140分割形成多个导电通道144，导电通道144的一端在第二绝缘层127和第三绝缘层130的导电窗口160处与掺杂层126电接 触，另一端与对应的金属电极170电接触。导电层140的材质可以为多晶硅但不限于多晶硅。 在一个实施例中，导电层140的刻蚀沟槽142内填充氧化硅或氮化硅。 [0063] 第四绝缘层150：一方面，保护整个导电层140；另一方面：在导电层140的导电通道144处提供电极接触窗口152，供金属电极170与导电通道144电接触。第四绝缘层150的材质可以为氧化硅或氮化硅。 [0064] 应变薄膜122：根据凸起结构C(或敏感结构121、第一导电结构128和第二导电结构123)的刻蚀情况，以及刻蚀支撑层124形成第一背腔192和背岛1242的刻蚀情况，在图1‑图3所示的具体实施例中，应变薄膜122包括支撑层124分别从背面(或邻近衬底110的一侧表 面)和正面(或远离衬底110的一侧表面)刻蚀区域刻蚀后的剩余部分和第二绝缘层127，凸 起结构C(或敏感结构121、第一导电结构128和第二导电结构123)包括掺杂层126、第一绝缘层125和部分支撑层124)。在另一个实施例中，应变薄膜122也可以包括支撑层124背面(或 邻近衬底110的一侧表面)刻蚀区域刻蚀后的剩余部分、第一绝缘层125和第二绝缘层127， 凸起结构C(或敏感结构121、第一导电结构128和第二导电结构123)只包括掺杂层126。 [0065] 背岛1242：背岛1242设置于应变薄膜122背面(或邻近衬底110的一侧表面)中部，应变薄膜122受压力时，应力集中于应变薄膜122边缘区域和应变薄膜122上位于背岛1242 边缘的区域。 [0066] 凸起结构C：凸起结构C包括敏感结构121、第一导电结构128和第二导电结构123，其至少暴露掺杂层126，其中，敏感结构121分布于应变薄膜122的应力集中区域(如图4所 示)。 [0067] 请参考图5所示，其为本发明在第二个实施例中的MEMS压力传感器的立体剖面图。图5与图1所示的MEMS压力传感器的结构基本一致，图5与图1所示的MEMS压力传感器的主要 区别在于，图5所示的MEMS压力传感器还包括第二腔体184，第二腔体184依次贯穿导电层 140和保护层150，且第一腔体182经第二腔体184与外部连通。也可以说，图5所示的实施例采用的是差压设计，其与图1所示的实施例可以用于打线封装。 [0068] 请参考图6所示，其为本发明在第三个实施例中的MEMS压力传感器的立体剖面图。请参考图7所示，其为本发明在第三个实施例中的MEMS压力传感器的纵剖面示意图。图6和 图7与图1所示的MEMS压力传感器的结构基本一致，图6和图7与图1所示的MEMS压力传感器 的主要区别在于：图6和图7中的保护层不是第四绝缘层，取而代之的是与导电层140键合的玻璃衬底650；图6和图7中的电极接触窗口为通孔652，即玻璃衬底650与导电层140的导电 通道144的对应位置处打有梯形通孔652；通孔652中(即底部与侧壁)长有金属电极670，该 金属电极670与通孔652暴露出的导电通道144的另一端电接触。也可以说，图6和7所示的实施可以用于无引线封装。 [0069] 请参考图8所示，其为本发明在第四个实施例中的MEMS压力传感器的立体剖面图。图8与图6所示的MEMS压力传感器的结构基本一致，图8与图6所示的MEMS压力传感器的主要 区别在于，图8所示的MEMS压力传感器还包括第二腔体884，第二腔体884依次贯穿导电层 140和玻璃衬底650，且第一空腔182经第二空腔884与外部连通。也可以说，图8所示的实施例采用的是差压设计，可以用于无引线封装。 [0070] 需要特别说明的是，因为上层键合的玻璃衬底650足够厚，对于图6、7、8所示的MEMS压力传感器可以没有衬底110，所以，在本发明中衬底110并不是必须的。 [0071] 综上所述，本发明提供的MEMS压力传感器具有如下优点： [0072] 1、第一绝缘层125代替PN结，其可以完全阻断掺杂层126和支撑层124之间的漏电流，阻止掺杂层126杂质进一步扩散，提高掺杂层126的掺杂浓度，降低温度对输出特性的影响。 [0073] 2、通过刻蚀掺杂层126形成的敏感结构121、第一导电结构128和第二导电结构123被第一绝缘层125、第二绝缘层126和第三绝缘层130包围和保护，从而可以实现无漏电流，恶劣环境下无短路，可靠性更高。 [0074] 3、掺杂层126的浓掺杂设计，可以使输出性能受温度影响小，有更低的温度系数，可应用于更宽的温度范围。 [0075] 4、背岛1242的引入，增加了应力最集中区域数量，使得电桥的四部分敏感结构121都能分布于应力最集中区，从而提高了输出，弥补了低压阻系数带来的低输出的问题；还可以降低膜位移，提高线性度。 [0076] 5、掺杂层126无键合工艺，不会为敏感结构121引入键合应力，从而不仅可以提高传感器性能，而且可以降低加工技术难度、提高产品良率、降低产品成本。 [0077] 6、现有技术高温压力传感器采用掺杂层玻璃键合的方法做绝缘保护，只适用于绝压器件。本发明可以满足绝压和差压的设计，且防护效果相同。 [0078] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“正”、“背”、“左”、“右”、“竖直”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的 限制。 [0079] 以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利 要求书中记载的保护范围内。 |
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