专利摘要

本发明公开了一种MEMS压力传感器，包括体硅层、埋氧层、衬底、压敏电阻、第一钝化层、电极层、第二钝化层。压敏电阻位于埋氧层上表面，第一钝化层为位于埋氧层上表面的长方体壳体，长方体壳体的顶部中央设有通孔，第一钝化层盖合在压敏电阻上，与压敏电阻之间的空隙构成隔离腔。电极层位于第一钝化层的上表面，并通过通孔与压敏电阻连接。第二钝化层位于电极层的上表面。通过设置隔开的钝化层，有效抑制钝化层中缺陷及其电荷俘获造成的压敏电阻性能漂移，从而提高传感器的长期稳定性，同时缓解钝化层与压敏电阻之间的材料特性失配引起的稳定性问题以及抑制环境气氛和辐照等对压敏电阻性能的影响。

权利要求

1.一种MEMS压力传感器，其特征在于，包括体硅层（1）、埋氧层（10）、衬底（2）、压敏电阻（3）、第一钝化层（5）、电极层（6）、第二钝化层（7）；所述体硅层（1）位于衬底（2）上表面，所述埋氧层（10）位于所述体硅层（1）上表面，所述体硅层（1）内部设有空腔（11），所述空腔（11）正上方的体硅层（1）与所述埋氧层（10）共同形成压力敏感薄膜（8）；所述压敏电阻（3）位于所述埋氧层（10）上表面，所述第一钝化层（5）为位于所述埋氧层（10）上表面的长方体壳体，所述长方体壳体的顶部中央设有通孔（9），所述第一钝化层（5）盖合在所述压敏电阻（3）上，与所述压敏电阻（3）之间的空隙构成隔离腔（4）；所述电极层（6）位于所述第一钝化层（5）的上表面，并通过所述通孔（9）与所述压敏电阻（3）连接；所述第二钝化层（7）位于所述电极层（6）的上表面。

2.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述压力传感器包括设置在所述埋氧层（10）上表面的共四个所述压敏电阻（3），四个所述压敏电阻（3）分别设置在所述空腔（11）四边的中点正上方位置，每个所述压敏电阻（3）单独设置有所述第一钝化层（5）、电极层（6）、第二钝化层（7）；四个所述压敏电阻（3）采用惠斯通电桥方式连接。

3.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述电极层（6）完全覆盖所述第一钝化层（5）的上表面。

4.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第一钝化层（5）和第二钝化层（7）的材料和厚度均一致。

5.根据权利要求1-4任一所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述衬底（2）的材料为单晶硅或玻璃，厚度为200-2000μm。

6.根据权利要求1-4任一所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述压力敏感薄膜（8）的厚度为1-50μm。

7.根据权利要求1-4任一所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第一钝化层（5）的材料为二氧化硅或氮化硅，厚度为1-20μm。

8.根据权利要求7所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第一钝化层（5）的材料为氢化二氧化硅或氢化氮化硅。

9.一种制备如权利要求1-8任一所述MEMS压力传感器的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：准备SOI片，所述SOI片由体硅层（1）、埋氧层（10）和器件层构成；

步骤2：通过对SOI片的器件层进行光刻和离子注入，形成压敏电阻（3）；

步骤3：通过剥离技术和电子束蒸发在压敏电阻（3）的上表面和侧壁制备牺牲层；

步骤4：通过等离子体增强化学气相沉积和光刻在牺牲层表面制备第一钝化层（5），并通过光刻在第一钝化层（5）和牺牲层的中央形成通孔（9）；

步骤5：在第一钝化层（5）的上表面通过剥离技术和电子束蒸发制备电极层（6），并通过光刻在电极层（6）和第一钝化层（5）中形成牺牲层腐蚀孔，再通过腐蚀牺牲层在第一钝化层（5）和压敏电阻（3）之间形成隔离腔（4）；

步骤6：通过等离子体增强化学气相沉积和光刻在电极层（6）上表面淀积形成第二钝化层（7），所述第二钝化层（7）密封牺牲层腐蚀孔；

步骤7：对体硅层（1）的下表面进行光刻，形成开放腔体；

步骤8：准备一片衬底（2），通过阳极键合使衬底（2）和SOI片底部贴合，形成空腔（11），完成所述MEMS压力传感器的制备。

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）压力传感器及其制备方法。

背景技术

压力传感器在航空航天、工业生产、农业监测、环境监控、国防军事等众多国计民生领域得到广泛应用。相比于机械式压力传感器，MEMS压力传感器具有体积小、精度高、成本低及易集成等特点，目前已发展成为压力传感器一个重要分支。MEMS压阻式压力传感器基于压阻效应实现压力检测，它具有结构简单、性能优和价格低等优点，因此，一直占据着MEMS压力传感器的主要份额。传统的MEMS压阻式压力传感器的压敏电阻与基底之间通常采用pn结隔离，因为pn结漏电流随着温度升高会急剧上升，所以传统MEMS压阻式压力传感器往往难以应用于高温场合。在此背景下，近年来出现了SOI （Silicon On Insulator） MEMS压阻式压力传感器。这种传感器的压敏电阻与基底之间采用了全介质隔离，因此，有效解决了传统MEMS压阻式压力传感器存在的漏电问题，在航空航天、石油化工等高温恶劣环境应用广泛。

现有的SOI MEMS压阻式压力传感器的压敏电阻通常被钝化层紧密包裹，并通过在钝化层开孔实现压敏电阻的电极引出。一方面，现有的钝化层材料，如二氧化硅、氮化硅和制备工艺，如化学气相沉积、物理气相沉积造成钝化层存在数目可观的缺陷，这些缺陷会俘获电荷；另一方面，SOI MEMS压阻式压力传感器往往面临极端恶劣的环境，如高温、高湿、高辐照，这些环境极易导致钝化层中俘获的电荷产生漂移以及造成钝化层产生新的缺陷与电荷，这不利于传感器的稳定性能。此外，在以上极端恶劣的环境中，钝化层与压敏电阻之间的材料特性失配，如热膨胀系数失配，也会造成压敏电阻的损伤。以上问题导致现有的SOIMEMS压阻式压力传感器存在长期稳定性问题。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种MEMS压力传感器及其制备方法，有效解决现有SOI MEMS压阻式压力传感器存在的长期稳定性问题。

技术方案：一种MEMS压力传感器，包括体硅层、埋氧层、衬底、压敏电阻、第一钝化层、电极层、第二钝化层；所述体硅层位于衬底上表面，所述埋氧层位于所述体硅层上表面，所述体硅层内部设有空腔，所述空腔正上方的体硅层与所述埋氧层共同形成压力敏感薄膜；所述压敏电阻位于所述埋氧层上表面，所述第一钝化层为位于所述埋氧层上表面的长方体壳体，所述长方体壳体的顶部中央设有通孔，所述第一钝化层盖合在所述压敏电阻上，与所述压敏电阻之间的空隙构成隔离腔；所述电极层位于所述第一钝化层的上表面，并通过所述通孔与所述压敏电阻连接；所述第二钝化层位于所述电极层的上表面。

进一步的，所述压力传感器包括设置在所述埋氧层上表面的共四个所述压敏电阻，四个所述压敏电阻分别设置在所述空腔四边的中点正上方位置，每个所述压敏电阻单独设置有所述第一钝化层、电极层、第二钝化层；四个所述压敏电阻采用惠斯通电桥方式连接。

进一步的，所述电极层完全覆盖所述第一钝化层的上表面。

进一步的，所述第一钝化层和第二钝化层的材料和厚度均一致。

进一步的，所述衬底的材料为单晶硅或玻璃，厚度为200-2000μm。

进一步的，所述压力敏感薄膜的厚度为1-50μm。

进一步的，所述第一钝化层的材料为二氧化硅或氮化硅，厚度为1-20μm。

进一步的，所述第一钝化层的材料为氢化二氧化硅或氢化氮化硅。

一种制备所述MEMS压力传感器的方法，包括如下步骤：

步骤1：准备SOI片，所述SOI片由体硅层、埋氧层和器件层构成；

步骤2：通过对SOI片的器件层进行光刻和离子注入，形成压敏电阻；

步骤3：通过剥离技术和电子束蒸发在压敏电阻的上表面和侧壁制备牺牲层；

步骤4：通过等离子体增强化学气相沉积和光刻在牺牲层表面制备第一钝化层，并通过光刻在第一钝化层和牺牲层的中央形成通孔；

步骤5：在第一钝化层的上表面通过剥离技术和电子束蒸发制备电极层，并通过光刻在电极层和第一钝化层中形成牺牲层腐蚀孔，再通过腐蚀牺牲层在第一钝化层和压敏电阻之间形成隔离腔；

步骤6：通过等离子体增强化学气相沉积和光刻在电极层上表面淀积形成第二钝化层，所述第二钝化层密封牺牲层腐蚀孔；

步骤7：对体硅层的下表面进行光刻，形成开放腔体；

步骤8：准备一片衬底，通过阳极键合使衬底和SOI片底部贴合，形成空腔，完成所述MEMS压力传感器的制备。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的MEMS压力传感器既实现了钝化层对压敏电阻的基本保护功能，又实现了钝化层与压敏电阻之间的物理隔离，这可有效抑制钝化层中缺陷及其电荷俘获造成的压敏电阻性能漂移，从而提高传感器的长期稳定性。钝化层与压敏电阻之间的物理隔离，还可缓解钝化层与压敏电阻之间的材料特性失配引起的稳定性问题，进一步改善传感器的长期稳定性。此外，本发明的MEMS压力传感器的电极层设置既实现了压敏电阻电极引出的功能，又有助于抑制环境气氛和辐照等对压敏电阻性能的影响，这亦有助于提升传感器的稳定性能。因此，较之现有技术，本发明的MEMS压力传感器具有更优的长期稳定性。

2、本发明采用MEMS技术制备，传感器具有尺寸小、精度高、一致性好、易于批量制造以及成本低的优点。

附图说明

图1为本发明的MEMS压力传感器的压敏电阻排列俯视示意图；

图2为本发明的MEMS压力传感器的压敏电阻的惠斯通电桥连接示意图；

图3所示为本发明的MEMS压力传感器沿图1中A-A’方向的剖面图；

图4所示为本发明的MEMS压力传感器的制备步骤1对应的结构示意图；

图5所示为本发明的MEMS压力传感器的制备步骤2对应的结构示意图；

图6所示为本发明的MEMS压力传感器的制备步骤3对应的结构示意图；

图7所示为本发明的MEMS压力传感器的制备步骤4对应的结构示意图；

图8所示为本发明的MEMS压力传感器的制备步骤5对应的结构示意图；

图9所示为本发明的MEMS压力传感器的制备步骤6对应的结构示意图；

图10所示为本发明的MEMS压力传感器的制备步骤7对应的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1、图3所示，一种MEMS压力传感器，包括体硅层1、埋氧层10、衬底2、压敏电阻3、第一钝化层5、电极层6、第二钝化层7。体硅层1位于衬底2上表面，埋氧层10位于体硅层1上表面，体硅层1内部设有长方体空腔11，空腔11正上方的体硅层1与埋氧层10共同形成压力敏感薄膜8。

四个压敏电阻3位于埋氧层10上表面，并分别设置在空腔11四边的中点正上方位置。每个压敏电阻3单独设置有第一钝化层5、电极层6、第二钝化层7。具体的，第一钝化层5为位于埋氧层10上表面的长方体壳体，长方体壳体的顶部中央设有通孔9，第一钝化层5盖合在压敏电阻3上，与压敏电阻3之间的空隙构成隔离腔4；电极层6位于第一钝化层5的上表面，并通过通孔9与压敏电阻3连接，用于实现压敏电阻3的电极引出；第二钝化层7位于电极层6的上表面。四个压敏电阻3采用惠斯通电桥方式连接，如图2所示。其中，电极层6完全覆盖第一钝化层5的上表面。

衬底2的材料为单晶硅或玻璃，厚度为200-2000μm。压力敏感薄膜8的厚度为1-50μm。第一钝化层5的材料为二氧化硅或氮化硅，优选为氢化二氧化硅或氢化氮化硅，氢化有助于减少和抑制薄膜的缺陷，厚度为1-20μm。第二钝化层5和第一钝化层7的材料和厚度均一致，这样可以起到应力补偿的作用，以提高传感器的机械强度和可靠性。电极层6的材料为金属，优选为Al、Ti、Au、Cu、Pt的一种。

本发明的MEMS压力传感器的工作原理如下：

压力敏感薄膜8在外界压力的作用下产生形变，压力敏感薄膜8的形变导致压敏电阻3产生应变，基于压阻效应，压敏电阻3的阻值发生相应的变化，环境压力越大，压力敏感薄膜8的形变量也越大，相应的压敏电阻3的阻值变化量也越大，通过惠斯通电桥进行阻值变化量的测量，从而实现压力信号到电学信号的转换。

一种制备上述MEMS压力传感器的方法，包括如下步骤：

步骤1：准备N型(100)SOI片，埋氧层10厚度为2μm，体硅层1厚度为300μm，器件层厚度为5μm，如图4所示。

步骤2：通过对SOI片的器件层进行光刻和离子注入，形成压敏电阻3，如图5所示。

步骤3：通过剥离技术和电子束蒸发在压敏电阻3的上表面和侧壁制备500nm厚的Ti作为牺牲层，如图6所示。

步骤4：通过等离子体增强化学气相沉积和光刻在牺牲层表面制备一层厚度为2μm的氢化氮化硅作为第一钝化层5，并通过光刻在第一钝化层5和牺牲层的中央形成通孔9，如图7所示。

步骤5：在第一钝化层5的上表面通过剥离技术和电子束蒸发制备3μm厚的 Au作为电极层6，并通过光刻在电极层6和第一钝化层5中形成牺牲层腐蚀孔，再通过腐蚀牺牲层在第一钝化层5和压敏电阻3之间形成隔离腔4，如图8所示。

步骤6：通过等离子体增强化学气相沉积和光刻在电极层6上表面淀积一层厚度为2μm的氢化氮化硅填充和密封牺牲层腐蚀孔，形成第二钝化层7，如图9所示。

步骤7：对体硅层1的下表面进行光刻，形成开放腔体，开放腔体顶部的体硅层厚度为30μm，如图10所示。

步骤8：准备一片厚度为400μm的BF33型玻璃片作为衬底2，通过阳极键合使衬底2和SOI片底部紧密贴合，从而形成空腔11，完成该MEMS压力传感器的制备，如图1所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

一种MEMS压力传感器及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。