一種車載MEMS壓力傳感器的結構及工藝方法與流程

本發明涉及微機電系統(mems)，具體為能夠應用于極端環境下的一種mems壓力傳感器芯片及制作方法。

背景技術：

1、壓力傳感器廣泛應用于汽車、醫療和航天等領域，其基本原理就是將受到的壓力變化或者變形時的變化值轉化為電信號。其中mems壓力傳感器主要有壓阻式和電容式兩種，目前主流的mems壓力傳感器是基于壓敏電阻的原理即是壓阻式壓力傳感器，被廣泛的應用與汽車系統中來測試氣囊壓力、燃油壓力、發動機機油壓力、進氣管道壓力等關鍵參數的監測。

2、針對mems傳感器的技術改進，已有專利文獻給出了提高mems壓力傳感器的靈敏度和測量范圍的方法，例如專利文獻cn220153774u公開的一種mems傳感器安裝結構，其核心原理是內部集成了采集芯片、保護模塊、控制模塊、供電電源模塊以及控制芯片，實現了對壓力變化的精確測量，同時增強了設備的自我保護能力和長期使用的可靠性，在一定程度上提高了測量精度。

3、但是依舊存在測量范圍有限，敏感度低，易腐蝕等問題和缺陷，限制了其更廣泛的應用。且現有的部分傳感器對細微壓力變化的響應不夠靈敏，影響了測量精度，在某些惡劣環境下，如高濕度或含有腐蝕性物質的環境中，傳感器也很容易受到損壞。隨著科學技術的發展，市場對mems的需求的擴大，解決目前存在的問題勢在必行。

4、因此本發明設計并提供出一種新型mems絕壓壓力傳感器的結構與制造方法，通過特殊的工藝處理，實現精確、靈敏且穩定的壓力測量。

技術實現思路

1、本發明的目的是提供一種新型mems壓力傳感器的結構模型，傳感器芯片減薄，有助于多應用場景的使用，對應用過程中高溫高壓環境有一定的韌性，最終的封裝會采用不銹鋼支撐，能提升在高壓應用環境的使用周期，還能提高芯片可靠性和穩定性。

2、為實現上述目的，本發明提出以下技術方案。一種車載mems壓力傳感器的結構及工藝方法，其特征在于絕緣隔離層，通孔隔離層，絕緣封裝層，以及作為感應壓力的傳感器膜層還包含了用于連接傳感器薄膜層的導電材料組件；傳感器薄膜層通過多次金屬互聯將信號傳輸出去。

3、所述傳感器薄膜層設有壓阻電阻連接成惠斯通電橋的金屬接觸層；所述中間絕緣隔離層通過光刻刻蝕出與傳感器膜層的開口，用金屬導電材料引出金屬接觸層；所述通孔層設有分別與金屬接觸層上的惠斯通電橋連接的通孔，通孔內填充有導電材料，通孔連接傳感器薄膜金屬接觸層和封裝層金屬連接端。

4、所述絕緣封裝層與通孔層相連接，通孔均與絕緣層通過絕緣層開口的導電材料相連接；所述壓力傳感器中設有一真空腔，真空腔一端為傳感器膜層，真空腔比襯底凹槽口底部尺寸大。

5、針對權利要求1，本發明通過結構組成實現完整的壓力傳感器技術。其中絕緣隔離層用于電氣隔離，確保傳感器各部分之間不會發生短路。通孔隔離層用于連接不同層之間的電路，確保電信號的有效傳輸。絕緣封裝層用于保護傳感器內部結構，防止外界環境的干擾。傳感器膜層作為感應壓力的主要部件，包含壓阻電阻，通過金屬接觸層連接成惠斯通電橋結構。導電材料組件用于連接傳感器薄膜層與其他電路，確保電信號的傳輸。

6、soi硅襯底是一種特殊的半導體材料結構，由一層薄的單晶硅(頂硅)、一層絕緣體和一個較厚的硅襯底組成。頂硅厚度頂硅的厚度為20-80μm，以適應車載環境的應用需求。

7、優選的，針對權利要求2與權利要求3，所述傳感器薄膜層上設有四個壓阻電阻，電阻通過金屬接觸層連接成惠斯通電橋結構。電阻設置，壓阻電阻通過離子注入等方式形成，長度150-250μm，寬度10-20μm，深度2-5μm，對稱分布在薄膜層上。

8、針對權利要求4，所述傳感器薄膜層上，通過離子注入等方式形成四個壓阻電阻。四個壓阻電阻對稱地分布在薄膜層上，形成惠斯通電橋結構。進一步的，采用離子注入的方法形成四個壓阻電阻，能夠精確控制電阻的形成位置和電阻值。惠斯通電橋的輸出電壓發生變化，經過放大、濾波和模數轉換，最終輸出數字信號，表示具體的壓力值。

9、更進一步的，針對權利要求5，所述壓力傳感器膜層為正方形，邊長600-900μm，厚度20-80μm，呈工字型布局，能夠均勻分散應力，減少熱應力集中效應。傳感器膜層尺寸較襯底小，呈工字型結構。采用工字型結構，即在中心部分較寬，兩端較窄，能夠在傳感器膜片受到外界機械應力時均勻分散應力分布，減少熱應力集中效應避免了應力集中在某一點而導致的局部變形或裂紋。使得所述傳感器在高溫高壓環境下仍可保持較高的機械強度和穩定性。

10、所述真空腔是通過通孔隔離層與襯底鍵合形成的，使得傳感器能夠在高壓和真空環境下保持較高的結構穩定性。通過將通孔隔離層與襯底鍵合，形成了一個封閉的真空環境，確保傳感器在極端條件下的可靠性和精度。

11、所述中間絕緣層采用二氧化硅sio2或氮化硅sin薄膜中的一種或多種組合而成，厚度為1-5um。進一步的，所述中間絕緣層用于保護傳感器膜層，并提供必要的電氣隔離。更進一步的，采用高質量的sio2或sin薄膜可以有效減少寄生電容和電阻，提高電路的電氣性能。適當的厚度確保良好的絕緣性能和機械強度。

12、優選的，針對權利要求8，所述絕緣封裝層采用有機環氧的有機物填充而成。絕緣封裝層用于保護整個傳感器結構，防止外界環境對傳感器的影響。

13、進一步的，有機環氧材料具有良好的絕緣性能、耐腐蝕性和機械強度，能夠有效地屏蔽電磁干擾并保護內部結構。保證在特殊環境中的壓力傳感器芯片不會因支撐架脆弱和氧化導致的產品變形。

14、所述通孔隔離層采用硅材料，厚度為200-600um，通孔隔離層槽深度為30-100um。進一步的，通孔隔離層采用硅材料，具有良好的機械強度和加工性能。通孔隔離層的厚度為200-600um，確保足夠的機械支撐和結構穩定性。通孔隔離層槽深度為30-100um，提供足夠的空間來形成真空腔。

15、優選的，有效地增加支撐架位置的耐磨性和硬度，對應用過程中高溫高壓環境有一定的韌性，保證在特殊環境中的壓力傳感器芯片不會因支撐架脆弱，導致芯片功能失效。

16、所述壓阻電阻的阻值變化，惠斯通電橋的輸出電壓也會發生變化。電壓變化反映了傳感器薄膜層所受的壓力大小。進一步的，電壓變化通常是微小的，需要通過放大電路進行放大，以便于后續處理和讀取。輸出電壓變化通過放大電路進行放大，以提高信號的幅度，使其更容易被檢測和處理。

17、進一步的，放大的信號經過濾波電路，去除高頻噪聲和其他干擾信號，確保信號的純凈度。濾波后的模擬信號通過模數轉換器(adc)轉換為數字信號，將連續的模擬信號轉換為離散的數字信號，便于后續的數字處理。

18、更進一步的，處理后的數字信號通過預設的算法或校準曲線轉換為對應的壓力值。這個過程通常涉及將數字信號與已知的壓力標準進行比較和校準，以獲得精確的壓力讀數。

19、所述壓力傳感器的制造步驟共十四步，其中步驟一是在第一襯底通過圖形選擇，采用離子注入方式對頂硅正面注入硼離子，在頂硅上形成四個壓阻電阻。步驟二，采用cvd方式形成sio2或者sin膜保護住器件層，形成絕緣隔離層。步驟三，通過刻蝕方式將絕緣層連接的下地的器件層壓阻電阻置暴露出來。步驟四，通過pvd或者cvd方式形成ti和tin阻擋層，然后高溫退火形成歐姆接觸。步驟五，通過cvd方式成膜一層金屬鎢，通過機械研磨方式，研磨掉表面的金屬鎢，留下絕緣隔離層開孔位置鎢柱形成，形成傳感器膜層的金屬接觸層。步驟六，將通孔的襯底硅和傳感器膜層襯底圖形化，通過刻蝕方法，形成真空腔的兩個凹槽，深度30-100um。

20、進一步的，步驟七，采用鍵和方式將傳感器膜層襯底和通孔襯底形成一個整體的硅片。步驟八，采用研磨方式將第一襯底研磨至300-500um，第二襯底研磨至300-500um，通孔層形成。步驟九，采用cvd方法在第一襯底表面形成一層s102膜層，厚度1-3um形成支撐保護層，同時可作為硬掩膜層來完成背面開口凹槽刻蝕。步驟十，通過光刻刻蝕工藝在通孔隔離層開孔，打通連接步驟五所涉傳感器膜層的金屬接觸層位置。步驟十一，通過pvd或者cvd或電鍍等方式在通孔處成膜金屬導電材料，形成金屬連接，通過圖形化后，刻蝕掉多余的部分形成金屬接觸點。

21、更進一步的，步驟十二，采用有機環氧或者其他絕緣物質填充通孔后，研平整，形成絕緣封裝層。步驟十三，通過光刻和刻蝕工藝將絕緣封裝層打開通孔連接出來的金屬接觸點，采用pvd或者電鍍工藝形成金屬接觸連接出來。步驟十四，第一襯底通過圖形化，將步驟九所述硬掩模層刻蝕出圖形，然后再用干法刻蝕工藝刻蝕出襯底凹槽至傳感器膜層停止。

22、上述技術方案能得到以下有益效果：

23、本發明與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果：

24、(1).本發明提供的壓力傳感器芯片減薄，有助于多應用場景的使用，對應用過程中高溫高壓環境有一定的韌性，最終的封裝會采用不銹鋼支撐，能提升在高壓應用環境的使用周期，還能提高芯片可靠性和穩定性。

25、(2).本發明通過在傳感器膜層與通孔層之間設計真空腔，并采用多層膜封裝工藝，使得傳感器在高壓和真空環境下能夠保持較高的結構穩定性，避免傳統傳感器在劇烈壓力波動中因膜層疲勞或變形而導致失效。

26、(3).本發明在設計中采用了ti/tin阻擋層與金屬鎢柱接觸層組合，通過優化歐姆接觸界面，實現了低接觸電阻及高導電性的金屬互聯。此外，絕緣封裝層的引入可有效屏蔽外界電磁干擾，提升整體器件的信號傳輸穩定性。

27、(4).本發明中的傳感器膜層采用工字型結構設計，該結構能在傳感器膜片受到外界機械應力時均勻分散應力分布，減少熱應力集中效應，從而避免傳統矩形或圓形膜層在壓力作用下容易產生裂紋或形變的現象。

28、(5).本發明提供一種壓力傳感器的結構模型，可以有效的增加支撐架位置的耐磨性和硬度，對應用過程中高溫高壓環境有一定的韌性，保證在特殊環境中的壓力傳感器芯片不會因支撐架脆弱和氧化導致的產品變形，從而導致芯片功能失效。