一种含有硅通孔的电容式压力传感器及其制造方法

摘要

本发明公开了一种含有硅通孔的电容式压力传感器及其制造方法，属于微机械电子技术领域。本发明的电容式压力传感器包括含固定电极的基片，含可动电极的膜片，和与所述固定电极和可动电极电连接的测量电路；所述固定电极和所述可动电极之间存在间距，形成电容；所述可动电极位于所述膜片的梯形槽内，所述可动电极四周设有多个和所述可动电极相接的彼此间隔的经填充的通孔，所述通孔位于所述梯形槽的斜面中，将所述可动电极和部分所述斜面分隔。本发明还公开了含有硅通孔的电容式压力传感器的制造方法。本发明可用于现代工业生产、科学研究及日常生活中的多个应用领域。

说明书

技术领域

本发明涉及电容式压力传感器，具体涉及一种含有硅通孔的电容式压力传感器及其制造方法，属于微机械电子技术领域。

背景技术

在现代工业生产、科学研究及日常生活中，凡是利用液体、气体或蒸汽等作为传递介质的都要体现压力的作用。为了保证生产和科研能正确控制、顺利实施，需要利用压力传感器来指示压力的有无、大小和变化等情况。其中，电容式压力传感器因其低功耗、高灵敏度、高输出阻抗、以及良好的动态响应特性等优点，已成为压力传感器研究的一大热点。

电容式压力传感器的基本结构由两部分组成，即包括固定电极8的基片B和包括可动电极9的膜片A，如图1(b)和(c)所示。可动电极9是一个能在压力作用情况下发生挠度形变的敏感膜。固定电极8和可动电极9之间存在一定的间距，形成电容。压力作用于弹性敏感膜(可动电极9)，膜发生形变，使得两个电极间距发生变化，产生相应的电容值变化。由于电容值随着压力变化而变化，电容值又与压力值相互对应，由此形成压力到电容的信号转换。

由于表面加工技术所带来的薄膜应力和粘附问题很难解决，现有的电容式压力传感器通常以体硅湿法腐蚀工艺为基础，对硅片的特定区域进行腐蚀形成硅膜，然后将此硅片贴装到制作有固定电极的另一硅片(或玻璃)上，形成密封的腔体，如周伟等人于2006年10月在《传感技术学报》上发表的名称为基于“倒装技术的电容式绝对压力传感器研究”的论文中所采用的结构。

这种传感器制造方法存在着如下问题：一方面，密封腔内可动电极难以通过低阻、低损耗的方式从膜片引出，使得电容信号的测量值出现较大误差，从而影响压力信号的准确测量；另一方面，对于给定的压力，硅膜的挠度依赖于膜的等效刚度，因此，当传感器标定完成后，硅膜的刚度务必要保持恒定。然而，就体硅湿法腐蚀工艺制造的电容式压力传感器而言，由于硅膜与经腐蚀后的硅片梯形槽斜面相连，当传感器正常工作时，硅片梯形槽斜面也要受到传递介质压力的作用发生形变，使得硅膜除受到待测压力的作用外，还要额外受到硅片梯形槽斜面的力学影响，此干扰力可以分解成对硅膜的轴向力与垂直力作用，其中，轴向向内的力会降低硅膜的刚度，轴向向外的力会增加硅膜的刚度，垂直力的作用方向与待测压力的方向一致，使得所测得的结果不准。

以上两方面问题均会影响电容式压力传感器的测量精度。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，在传感器中设计硅通孔结构，提出一种改进型的电容式压力传感器。

和现有技术相同，本发明公开的电容式压力传感器也包括：

含固定电极的基片，

含可动电极的膜片，和

与所述固定电极和可动电极电连接的测量电路；

所述固定电极和所述可动电极之间存在间距，形成电容；

所述可动电极位于所述膜片的梯形槽内，

和现有技术不同之处在于，所述可动电极四周设有多个和所述可动电极相接的彼此间隔的经填充的通孔，所述通孔位于所述梯形槽的斜面中，将所述可动电极和部分所述斜面分隔。

优选地，所述基片还包括金球凸点，所述金球凸点位于所述基片的表面，并和所述通孔相接。

优选地，所述通孔可等间距彼此间隔；通孔的径向截面可呈正方形；位于所述可动电极相对两侧的通孔的数量可以相同。

优选地，所述电容式压力传感器还包括现有技术中的封装片，所述封装片包括压力介质传递通道。

本发明还公开了一种含有硅通孔的电容式压力传感器的制造方法，其包括下列步骤：

a)通过下列步骤制造膜片：

i.在第一硅衬底的第一表面上通过掺杂形成导电层；

ii.在第一硅衬底的第二表面上通过刻蚀形成梯形槽，使所述导电层的一个表面裸露；

iii.在所述梯形槽的斜面和所述导电层接触处通过刻蚀形成多个通孔，所述通孔彼此间隔，位于所述导电层四周；

iv.通过电镀在所述通孔内进行填充材料的填充，所述填充材料的填充高度超过所述导电层的厚度；

b)通过下列步骤制造基片：

i.在第二硅衬底的第一表面上形成氧化层；

ii.在所述氧化层上通过金属溅射和光刻形成固定电极；

iii.在所述固定电极上覆盖钝化层；

iv.在所述钝化层上制作金球凸点，并使所述金球凸点和测量电路的输入端相连，所述金球凸点和所述通孔的位置相对应；

v.在所述第二硅衬底上制造经填充的过孔，并使所述过孔和测量电路的输出端相连；

c)将所述膜片贴装于所述基片上，使所述金球凸点和所述通孔相连。

优选地，所述方法还包括通过下列步骤制造封装片，并在步骤c)中将所述封装片贴装于所述基片上：

i.在第三硅衬底的第一表面上形成梯形槽；

ii.在梯形槽底部形成多个压力介质传递通道；

iii.在第三硅衬底的第一表面上制作与基片的过孔相应的金球焊点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)膜片上垂直互连通孔经填充、与基片焊接后，可以起到固定可动电极的作用。当传感器受到传递介质外加压力作用时，能够有效减小梯形槽斜面对可动电极形变的干扰影响；

2)可动电极通过垂直互连通孔引出，有效的减小了电容信号在传输过程中的损耗，从而测量得到比较精确的信号，提高了传感器的测量精度。

附图说明

图1(a)是现有技术的传感器可动电极的俯视图，图1(b)是图1(a)沿aa’方向的剖面图，图1(c)是图1(b)的分解示意图；

图2(a)是本发明的传感器可动电极的俯视图，图2(b)是图2(a)沿aa’方向的剖面图，图2(c)是可动电极，通孔和梯形槽斜面的立体示意图；

图3是实施例1膜片的制造流程示意图；

图4是实施例1基片的制造流程示意图；

图5是实施例1封装片的制造流程示意图；

图6是实施例1传感器的组装结构示意图；

图7是实施例2基片的制造流程示意图；

图8是实施例2信号测量片的制造流程示意图；

图9是实施例2传感器的结构示意图；

其中：

A-膜片；B-基片；C-密封片；

1-第一硅衬底；2-第二硅衬底；31，32，33，34-金球凸点；4-通孔；5-梯形槽斜面；6-钝化层；7-氧化层；8-固定电极；9-可动电极；10-Cr粘附层与Au金属层；11-压力传递介质通道；12-第三硅衬底；131，132-过孔；14-焊球；15-载体硅片；16-信号测量片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

参考图2，在本实施例中，通孔4经过填充后将可动电极9固定，并将电容信号引出。可动电极9的边长为600μm，通孔4的水平截面为边长40μm的正方形，可动电极9的每一边被7个通孔4所固定。通孔4中填充的金属必须与可动电极9有良好的接触，以减小信号损失。

最终制备的传感器的结构如图6所示，整个传感器由膜片A、基片B以及封装片C构成。

I、膜片A的工艺流程如图3所示，包括：

1、准备n型<100>双面抛光硅片作为第一硅衬底1，如图3(a)所示；

2、在第一硅衬底1的第一表面涂胶，在硅膜设计区光刻出扩散窗口，采用固态掺杂源进行浓硼扩散形成导电层，得到可动电极9，如图3(b)所示；

3、采用正胶保护，在膜片用于密封的地方进行光刻。然后用ICP刻蚀出凹槽，凹槽的深度约为40μm，如图3(c)所示；

4、先后在凹槽中溅射的Cr粘附层和的Au金属层10，如图3(d)所示；

5、金属剥离；

6、在第一硅衬底1的第二表面光刻出窗口，去除氧化层，采用KOH溶液进行湿法腐蚀，实现可动电极9的释放，然后跟载体15键合，如图3(e)所示；

7、保护好可动电极9，在梯形槽上需要垂直过孔连接的地方用掩膜进行DRIE过刻蚀，形成通孔4。其中，SF₆气体流量为130sccm，C₄F₈气体流量为100sccm，载台功率为600W，APC(自动压力控制)选择60。每刻蚀9s后钝化7s，让刻蚀和钝化交替进行，最终形成符合要求的通孔4，如图3(f)所示；

8、在通孔4内生长SiO₂，制作绝缘层；利用带倾角的RIE，刻蚀掉通孔4内壁绝缘层与可动电极9接触的部分；在通孔4内溅射Ti/W/Cu，制作扩散阻挡层和种子层；将可动电极9保护好，然后对通孔4进行高深宽比的铜电镀，直至电镀的铜高过可动电极9为止，如图3(g)所示；

9、进行后续工艺，将载体15解键合，如图3(h)所示

II、基片B的工艺流程如图4所示，包括

1、选择已制作好信号测量电路的第二硅衬底2，将器件层的电路保护好，如图4(a)所示。

2、采用干氧-湿氧-干氧的方式，在硅片空白处生长一层厚度约为1μm的氧化层7，如图4(b)所示。

3、金属溅射，光刻出固定电极8及互连线。

4、采用PECVD工艺淀积出1-2μm氮化硅钝化保护层6，刻蚀出用于和金球凸点互连的金属区，如图4(c)所示。

5、制作金球凸点31和32，将与通孔4对齐的金球凸点32与信号测量电路的输入端相连，如图4(d)所示。

6、保护好衬底上制作好的结构和电路，与载体15键合，如图4(e)所示。

7、在衬底上需要垂直过孔连接的地方用掩膜进行DRIE过刻蚀，形成过孔131，如图4(f)所示。

8、在过孔131内生长SiO₂，制作绝缘层；在过孔内溅射Ti/W/Cu，制作扩散阻挡层和种子层；将衬底上的结构保护好，然后对过孔131进行高深宽比的铜电镀，直到电镀满整个过孔131为止，如图4(g)所示。

11、对过孔131与测量电路的输出端相连，将载体15解键合，如图4(h)所示。

12、在过孔131的另一端制作焊球14，如图4(i)所示。

III、封装片C的工艺流程如图5所示，包括

1、准备n型<100>双面抛光硅片作为第三硅衬底12；

2、涂胶，光刻出正面的窗口，采用KOH溶液进行湿法腐蚀形成梯形槽，如图5(a)所示。

3、在硅片背面涂胶，在梯形槽底部光刻出若干窗口，利用ICP刻蚀出通孔作为压力传递介质通道11，如图5(b)所示。

4、在硅片背面未被KOH腐蚀处制作与基片B的过孔131对齐的金球焊点33，如图5(c)所示。

先后将膜片A和封装片C贴装到基片B上，即可制成电容式压力传感器，如图6所示。

实施例2

最终制备的传感器的结构如图9所示，整个传感器由膜片A、基片B、信号测量片D以及封装片C构成。

膜片A与封装片C的工艺流程与实例一的工艺流程一样，不再赘述。

基片B的工艺流程如图7所示，包括

1、准备空白硅片作为第二硅衬底2，如图7(a)所示。

2、采用干氧-湿氧-干氧的方式，在硅片空白处生长一层厚度约为1μm的氧化层7，如图7(b)所示。

3、金属溅射，光刻出固定电极8及互连线。

4、采用PECVD工艺淀积出1-2μm氮化硅钝化保护层6，刻蚀出用于和金球凸点互连的金属区，如图7(c)所示。

5、制作金球凸点31和32，如图7(d)所示。

6、保护好制作好的结构和互连，与载体15键合，如图7(e)所示。

7、在衬底上需要用垂直过孔引出电容信号的的地方用掩膜进行DRIE过刻蚀，形成过孔131，如图7(f)所示。

8、在过孔131内生长SiO₂，制作绝缘层；在过孔内溅射Ti/W/Cu，制作扩散阻挡层和种子层；将衬底上的敏感结构保护好，然后对过孔131进行高深宽比的铜电镀，直到电镀满整个过孔131为止，如图7(g)所示。

11、将载体15解键合，如图7(h)所示。

信号测量片的工艺流程如图8所示，包括

1、选择已制作好信号测量电路的硅片作为信号测量片16，将器件层的电路保护好，如图8(a)所示。

2、制作金球凸点34，将它与信号测量电路的输入端相连，如图8(b)所示。

3、保护好信号测量片16上制作好的结构和电路，与载体15键合；

4、在信号测量片上16需要用垂直过孔互连的地方用掩膜进行DRIE过刻蚀，形成过孔132，如图8(c)所示。

5、在过孔132内生长SiO₂，制作绝缘层；在过孔内溅射Ti/W/Cu，制作扩散阻挡层和种子层；将信号测量片16上的敏感结构保护好，然后对过孔132进行高深宽比的铜电镀，直到电镀满整个过孔132为止，如图8(d)所示。

8、将过孔与测量电路的输出端相连，将载体15解键合；

9、在过孔的另一端制作焊球14，如图8(e)所示。

先后将膜片A和封装片C与基片B、信号测量片16组装起来，即可制成电容式压力传感器，如图9所示。

以上通过详细实例描述了本发明，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。