CN104089642B - 一种压阻式加速度、压力集成传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器及其制造方法，所述的传感器同时集成了压阻式加速度传感器和压阻式压力传感器，并且具有第一键合玻璃‑硅基‑第二键合玻璃三明治结构；本发明压阻式加速度、压力集成传感器结构新颖、重量轻、体积小、稳定性好、抗污染能力强；此外，本发明中，同一片芯片上使用相同的工艺，不同的设计来实现压力测量和加速度测量这两种能力，工艺流程简单易行；本发明压阻式加速度、压力集成传感器在航空航天、军事、汽车、环境监测等领域具有一定的应用前景。

Description

一种压阻式加速度、压力集成传感器及其制造方法

(一)技术领域

本发明涉及MEMS(微机电系统)传感器领域中的压阻式加速度、压力集成传感器及其制造方法，具体涉及一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器及其制造方法。

(二)背景技术

在航空航天、军事、汽车、环境监测等领域中，经常要同时测量加速度、压力等参数。但在这些应用中，由于环境适应性、体积、成本和功能等的严格限制，要求传感器具有微型化、集成化、多功能的特点。集成传感器能够在同一芯片上集成多个不同的传感器，用以对不同的物理量同时进行检测，而且体积小、单位成本低，在上述领域具有广泛的潜在应用前景，因此受到国内外越来越多的关注。然而和集成电路相比，传感器的集成显得更为困难，原因是不同传感器的工作原理和结构方案差别很大，从工作原理上看，有的传感器是电阻敏感原理，有的传感器是电容敏感原理；从结构方案上看，有些需要薄膜等特殊结构，有些则需要特殊的敏感材料。因此将这些不同原理和结构的传感器进行集成制造，需要研究一套特定的工艺方法。

(三)发明内容

本发明的目的是提供了一种基于阳极键合封装技术、表面微加工、体微加工工艺的压阻式加速度、压力集成传感器及其制造方法，实现直接将两种传感器在一个圆片上进行集成制造。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种压阻式加速度、压力集成传感器，所述的传感器同时集成了压阻式加速度传感器和压阻式压力传感器，并且具有第一键合玻璃-硅基-第二键合玻璃三明治结构；所述的硅基内部形成有压阻式加速度传感器悬臂梁和压阻式压力传感器膈膜，硅基的正面形成有两个压阻区域，分别是压阻式加速度传感器的压阻区域和压阻式压力传感器的压阻区域；所述压阻式加速度传感器的压阻区域位于压阻式加速度传感器悬臂梁的上表面根部，并且注入有淡硼形成4根淡硼扩散压阻，同时淡硼扩散压阻的内部注入有浓硼形成浓硼欧姆接触区；所述压阻式压力传感器的压阻区域位于压阻式压力传感器膈膜的上表面，也注入有淡硼形成4根淡硼扩散压阻，并且淡硼扩散压阻的内部注入有浓硼形成浓硼欧姆接触区；所述的两个压阻区域的上方沉积有二氧化硅层，二氧化硅层上方沉积有第一氮化硅层，所述的二氧化硅层和第一氮化硅层一起作为绝缘钝化层，所述的绝缘钝化层开有引线孔，利用金属导线连通两个压阻区域，并且压阻式加速度传感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻通过金属导线构成惠斯顿全桥连接，压阻式压力传感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻通过金属导线也构成惠斯顿全桥连接；所述金属导线的上方沉积有第二氮化硅层，所述第二氮化硅层的上方沉积有非晶硅层，所述的非晶硅与第一键合玻璃阳极键合，并且，利用非晶硅作为台阶，所述的非晶硅与第一键合玻璃键合后形成一个真空腔体，连通压阻式加速度传感器和压阻式压力传感器；所述硅基的背面与第二键合玻璃阳极键合，所述的第二键合玻璃带有通气孔，并且所述的通气孔位于压阻式压力传感器膈膜的下方；所述硅基的正面还形成有浓硼导线，所述浓硼导线的上方连接有金属管脚，浓硼导线将传感器工作区与金属管脚连通。

本发明压阻式加速度、压力集成传感器，优选所述的硅基为n型(100)硅片；优选所述第二氮化硅层的上方沉积的非晶硅的厚度为2～4μm。

本发明压阻式加速度、压力集成传感器的工作原理如下：本发明MEMS压阻式加速度、压力集成传感器主要基于硼掺杂后单晶硅的压阻特性，压阻式加速度传感器悬臂梁和压阻式压力传感器膈膜上的压阻受到力的作用后，电阻率发生变化，通过惠斯顿全桥可以得到正比于力变化的电信号输出，通过测量电信号输出就能知道所测物理量的大小。本发明中我们向n型(100)晶向硅片注入硼来实现P型压阻，利用PN结实现压阻的电学隔绝，由于压阻的压阻系数的各向异性，不同方向的应力对压阻有不同的影响，为了尽可能增加灵敏度，本发明所述的压阻式加速度传感器压阻区域的淡硼扩散压阻和压阻式压力传感器压阻区域的淡硼扩散压阻的排布方式为：纵向沿硅基的(1,1,0)晶向方向、横向沿硅基的(1，-1,0)晶向方向分布，纵向压阻系数、横向压阻系数分别为71.8，-66.3。

本发明所述的压阻式加速度传感器为双悬臂梁设计，压阻式加速度传感器压阻区域的淡硼扩散压阻为4组，每组由两个平行的淡硼扩散压阻组成，两组对桥臂淡硼扩散压阻对称分布在悬臂梁上表面根部的应力集中区域，另外两组淡硼扩散压阻对称分布在零应力区。当然，根据不同的灵敏度需要也可以采用不同的悬臂梁结构，如单边单梁、双边双梁、双边四梁、四边四梁、四边八梁等。并且，所述的淡硼扩散压阻也可以采用不同的分布方式，4组淡硼扩散压阻(可以是4根，也可以8根对折型等)通过金属导线连接构成惠斯顿全桥，本发明压阻式加速度传感器金属管脚的一种连接方式为：第四管脚接电源正极，与本发明中压阻式压力传感器共用，第五管脚接压阻式加速度传感器输出负，第六管脚接地，第七管脚接压阻式加速度传感器输出正。

本发明压阻式压力传感器采用长方膜设计，4根淡硼扩散压阻平行排布，充分利用横向压阻效应，这样的压阻式压力传感器具有桥臂阻值分布均匀，输出线性度和一致性较好的优点，当然，根据不同的灵敏度需要，所述的淡硼扩散压阻可以采用不同的分布方式。本发明压阻式压力传感器的4根淡硼扩散压阻通过金属导线连接构成惠斯顿全桥，并且，压阻式压力传感器金属管脚的一种连接方式为：第一管脚接压阻式压力传感器输出正，第二管脚接地，第三管脚接压阻式压力传感器输出负，第四管脚接电源正极，与本发明中压阻式加速度传感器共用电源正极。

本发明还提供了所述压阻式加速度、压力集成传感器的制造方法，所述的制造方法包括如下步骤：

a)在硅基正面热氧长一层二氧化硅保护层，正面光刻胶作掩膜光刻出压阻式加速度传感器的压阻区域和压阻式压力传感器的压阻区域，然后分别在两个压阻区域注入淡硼，形成淡硼扩散压阻，去除光刻胶；

b)正面光刻胶作掩膜在淡硼扩散压阻区域光刻出浓硼区域，然后注入浓硼，在淡硼扩散压阻内部形成浓硼欧姆接触区，去除光刻胶，退火；

c)先双面沉积二氧化硅层，再双面沉积氮化硅层，正面的二氧化硅层和氮化硅层一起作为绝缘钝化层，正面光刻胶作掩膜光刻出引线孔，干法RIE刻蚀绝缘钝化层至硅基顶面，去除光刻胶，形成引线孔；

d)正面沉积金属导线层，正面光刻胶作掩膜光刻出金属导线及管脚图形，腐蚀没有光刻胶覆盖区域的金属，去除光刻胶，合金化处理，形成金属导线及金属管脚；

e)正面沉积一层氮化硅覆盖金属导线，隔离外界与电路，正面光刻胶作掩膜光刻出分片槽图形，干法RIE刻蚀氮化硅层、二氧化硅层至硅基顶面，去除光刻胶；

f)正面沉积一层非晶硅，在分片槽区域非晶硅与硅基顶面直接接触；

g)正面光刻胶作掩膜光刻出传感器工作区域以及金属管脚区域图形，RIE刻蚀非晶硅至氮化硅层，去除光刻胶；

h)正面光刻胶作掩膜光刻出金属管脚区域图形，RIE刻蚀氮化硅至金属管脚层，去除光刻胶；

i)背面光刻胶作掩膜光刻出腐蚀硅窗口，RIE刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基底面，去除光刻胶，氮化硅层、二氧化硅层作掩膜湿法腐蚀硅基形成压阻式加速度传感器、压阻式压力传感器薄膜；

j)干法RIE刻蚀背面剩余的氮化硅、二氧化硅至硅基底面，背面进行硅-玻璃阳极键合；

k)正面光刻胶作掩膜光刻出悬臂梁释放图形，DRIE刻穿氮化硅、二氧化硅、硅基形成压阻式加速度传感器的悬臂梁结构，去除光刻胶，正面进行非晶硅-玻璃阳极键合；

l)划片，实现单个芯片的封装，划片分两次完成，第一次划片，去除金属管脚上方玻璃，第二次划片划去分片槽中结构，分离单个芯片，完成封装。

本发明所述的压阻式加速度、压力集成传感器的制造方法，步骤j)中，推荐背面进行硅-玻璃阳极键合的工艺参数为：电压300～500V，电流15～20mA，温度300～400℃，压力2000～3000N，时间5～10min。

本发明所述的压阻式加速度、压力集成传感器的制造方法，步骤k)中，推荐正面进行非晶硅-玻璃阳极键合的工艺参数为：电压450～1000V，电流15～25mA，温度300～400℃，压力2000～3000N，时间15～25min。

本发明所述的阳极键合技术是一种现有技术，该技术是本领域技术人员所熟知的，其工作原理为：将直流电源正极接硅片，负极接玻璃片，由于玻璃在一定高温下的性能类似于电解质，而硅片在温度升高到300℃～400℃时，电阻率将因本征激发而降至0.1Ω·m，此时玻璃中的导电粒子(如Na⁺)在外电场作用下漂移到负电极的玻璃表面，而在紧邻硅片的玻璃表面留下负电荷，由于Na⁺的漂移使电路中产生电流流动，紧邻硅片的玻璃表面会形成一层极薄的宽度约为几微米的空间电荷区(或称耗尽层)。由于耗尽层带负电荷，硅片带正电荷，所以硅片与玻璃之间存在着较大的静电吸引力，使两者紧密接触，并在键合面发生物理化学反应，形成牢固结合的Si-O共价键，将硅与玻璃界面牢固地连接在一起。根据所述的原理，阳极键合技术并不适合在注入硼的n型硅与玻璃的键合中使用，原因在于：注入硼的n型硅实质上是个PN结，在阳极键合过程中强电压在通过硅基的同时轻而易举就能将其反向击穿，导致其漏电，破坏器件的电学性能。在硅-玻璃键合面附近存在PN结或其他对高压比较敏感的电路结构时，键合过程中500～1500V的高压容易击穿MEMS器件中尤其是键合区域附近的电路，影响器件的性能。

针对上述现有的阳极键合技术中存在的问题，本发明第二次键合工艺利用非晶硅作为硅基、玻璃之间的导通层，使键合电流尽可能的沿硅-非晶硅-玻璃方向通过，有效使所述PN结避开强电场，最终实现上层非晶硅与玻璃的阳极键合，实验证明，这种非晶硅-玻璃阳极键合依旧能保证接近硅-玻璃的键合强度和气密性。所述基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器的封装需要经过两次阳极键合，第一次键合是背面硅-玻璃阳极键合，相对比较容易实现，第二次键合是正面非晶硅与玻璃的阳极键合，相对比较困难，可以适当加强键合电压，增加键合时间。本发明中，利用非晶硅与玻璃键合还有一个非常大的优点，所述键合方法避免了玻璃与硅的直接接触，杜绝了本来玻璃与硅键合表面可能会产生的Na⁺等离子的污染。

本发明MEMS压阻式加速度、压力集成传感器结构中，正面非晶硅-玻璃键合过程中，利用非晶硅作为台阶形成一个真空腔体，来连通压阻式加速度传感器和压阻式压力传感器。所述的非晶硅作为台阶，并且两个传感器共用一个真空腔的设计方法有两个非常显著的优点：(1)去除了两个传感器之间的键合区域，减小了本发明压阻式加速度、压力集成传感器的体积，降低了单个芯片的成本；(2)第一键合玻璃不需要进行开槽加工直接就能进行键合。本发明MEMS压阻式加速度、压力集成传感器结构中，上真空腔体的厚度直接取决于非晶硅沉积的厚度，由于非晶硅沉积得过厚其致密度、粘附性都会受到影响，并且会加大下步光刻的难度，所以为了避免在键合过程中玻璃与氮化硅直接键合，同时保证非晶硅良好的性能，本发明传感器中的非晶硅厚度可以取2～4μm。

本发明是利用阳极键合封装的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器，该传感器同时集成了压阻式加速度传感器和压阻式压力传感器，推荐用n型硅片(100)作硅基，采用表面微加工技术与体微加工技术制造带有淡硼扩散压阻的悬臂梁、膈膜分别作为压阻式加速度传感器、压阻式压力传感器结构，并且利用二次阳极键合技术进行圆片级封装，第一次阳极键合采用硅-玻璃阳极键合，第二次阳极键合利用非晶硅层作为中间层使键合电流不通过PN结，保护传感器PN结，实现非晶硅-玻璃阳极键合。利用非晶硅-玻璃阳极键合技术的封装解决了传统硅-玻璃阳极键合过程中容易击穿硅表面PN结和产生离子污染等缺点。本发明压阻式加速度、压力集成传感器结构新颖、重量轻、体积小、稳定性好、抗污染能力强。此外，本发明中，同一片芯片上使用相同的工艺，不同的设计来实现压力测量和加速度测量这两种能力，工艺流程简单易行。本发明传感器在航空航天、军事、汽车、环境监测等领域具有一定的应用前景。

(四)附图说明

图1为本发明压阻式加速度、压力集成传感器的剖面结构示意图；

图2为本发明压阻式加速度、压力集成传感器的俯视图；

图3～图14为本发明压阻式加速度、压力集成传感器的制造工艺流程剖面示意图：

图3为形成压阻式加速度传感器压阻区域的淡硼扩散压阻和压阻式压力传感器压阻区域的淡硼扩散压阻的示意图；

图4为形成浓硼欧姆接触区和浓硼内部导线的示意图；

图5为沉积绝缘钝化层并形成引线孔的示意图；

图6为形成金属导线和金属管脚的示意图；

图7为正面沉积氮化硅层隔绝外界与电路，并刻蚀出分片槽区域的示意图；

图8为正面沉积非晶硅的示意图；

图9为刻蚀非晶硅，形成传感器工作区以及金属管脚区的示意图；

图10为刻蚀出金属管脚的示意图；

图11为形成压阻式加速度传感器、压阻式压力传感器薄膜的示意图；

图12为背面进行硅-玻璃阳极键合的示意图；

图13为形成压阻式加速度传感器的悬臂梁结构之后，正面再进行非晶硅-玻璃阳极键合的示意图；

图14为划片完成封装的示意图；

图1～图14中：1－第一键合玻璃、2－二氧化硅层、2’－硅基背面的二氧化硅层、3－金属导线、4－第一氮化硅层、4’－硅基背面的氮化硅层、5－第二氮化硅层、6－非晶硅、7－浓硼导线、8－金属管脚、9－硅基、10－第二键合玻璃、11－压阻式压力传感器膈膜、12－通气孔、13－真空腔体、14－压阻式加速度传感器悬臂梁、15－压阻式加速度传感器淡硼扩散压阻内部的浓硼欧姆接触区、16－压阻式加速度传感器的淡硼扩散压阻、17－压阻式压力传感器的淡硼扩散压阻、18－压阻式压力传感器淡硼扩散压阻内部的浓硼欧姆接触区、19分片槽，并且，图2中8a～8g依次表示第一～第七管脚；

图15为本发明压阻式加速度、压力集成传感器的一种管脚连接方式；

图15中管脚定义：①－第一管脚接压阻式压力传感器输出正、②－第二管脚接地、③－第三管脚接压阻式压力传感器输出负、④－第四管脚接电源正极、⑤第五管脚接压阻式加速度传感器输出负、⑥－第六管脚接地、⑦－第七管脚接压阻式加速度传感器输出正。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

如图1所示，所述基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器，采用了第一键合玻璃－硅基－第二键合玻璃三明治结构，所述的压阻式加速度、压力集成传感器主要包括：硅基(9)、用于测量单轴加速度的压阻式加速度传感器悬臂梁(14)、用于测量压力的压阻式压力传感器膈膜(11)、浓硼导线(7)、金属管脚(8)、与硅基阳极键合的第二键合玻璃(10)以及与非晶硅(6)进行阳极键合的第一键合玻璃(1)。

其中，用于测量单轴加速度的压阻式加速度传感器悬臂梁(14)的上表面根部注入了淡硼作为压阻式加速度传感器的淡硼扩散压阻(16)，并在压阻式加速度传感器淡硼扩散压阻内部注入浓硼形成浓硼欧姆接触区(15)，压阻式加速度传感器的压阻区域上方沉积有二氧化硅层(2)与第一氮化硅层(4)作为绝缘钝化层，绝缘钝化层上开有引线孔并利用金属导线(3)连通压阻式加速度、压力传感器的压阻区域，导线上方沉积有第二氮化硅层(5)作为绝缘钝化层用来隔离外界与电路，提高电路的可靠性；压阻式加速度传感器的压阻区域包含4组淡硼扩散压阻，每组由两个平行的淡硼扩散压阻组成，两组对桥臂淡硼扩散压阻对称分布在悬臂梁上表面根部的应力集中区域，另外两组对称分布在零应力区，并通过金属导线(3)构成惠斯顿全桥连接，当存在一个垂直于器件表面的加速度后，压阻式加速度传感器的悬臂梁(14)弯曲，位于压阻式加速度传感器悬臂梁上表面根部的压阻受到力的作用，电阻率发生变化，如图2所示压阻式加速度传感器悬臂梁上表面根部的压阻位于惠斯顿全桥的对桥，通过惠斯顿全桥可以得到正比于力变化的电信号输出，通过测量电信号输出就能知道加速度的大小。利用惠斯顿全桥的设计提高了本发明中压阻式加速度传感器部分的灵敏度并且能保证良好的线性。

压阻式压力传感器膈膜(11)可以用于测量流体压力(包括压力、水压)，所述压阻式压力传感器膈膜(11)的上表面注入有淡硼作为压阻式压力传感器的淡硼扩散压阻(17)，压阻式压力传感器淡硼扩散压阻内部注入浓硼形成浓硼欧姆接触区(18)，压阻式压力传感器的压阻区域上方沉积有二氧化硅层(2)与第一氮化硅层(4)作为绝缘钝化层，绝缘钝化层上开有引线孔并利用金属导线(3)连通压阻式加速度、压力传感器的压阻区域，导线上方沉积有第二氮化硅层(5)作为绝缘钝化层用来隔离外界与电路；压阻式压力传感器的压阻区域同样包含4根淡硼扩散压阻，4根淡硼扩散压阻平行排布并通过金属导线(3)构成惠斯顿全桥连接，当存在一个垂直于器件表面的压力后，压阻式压力传感器膈膜变形，位于压阻式压力传感器膈膜上表面的压阻受到力的作用，电阻率发生变化，如图2所示压阻式压力传感器膈膜上表面中部两根压阻条和外侧两根压阻条分别位于惠斯顿全桥的对桥，通过惠斯顿全桥可以得到正比于力变化的电信号输出，通过测量电信号输出就能知道所测压力的大小。利用惠斯顿全桥的设计提高了本发明中压阻式压力传感器部分的灵敏度并且能保证良好的线性。

芯片的封装采用二次阳极键合技术。第一次阳极键合是芯片背面带有通气孔(12)的第二键合玻璃(10)与硅基进行硅-玻璃阳极键合；第二次阳极键合采用非晶硅层作为中间层使键合电流不通过PN结，保护传感器PN结，实现正面非晶硅(6)与第一键合玻璃(1)的非晶硅-玻璃阳极键合，第二次阳极键合没有采用硅-玻璃键合的原因在于：硅-玻璃阳极键合的键合面上存在着PN结，键合时的强电压容易击穿PN结，破坏电路的电学性能。

为了避免非晶硅(6)与第一键合玻璃(1)键合面的不平整性，保证封装的气密性，本发明压阻式加速度、压力集成传感器并没有采用金属导线连接芯片工作区与金属管脚(8)，而是利用浓硼导线(7)作为内部导线将传感器工作区与金属管脚相连。

如图3～图14所示，本发明所述的基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器的制造工艺包括如下步骤：

a)如图3所示：在硅基(9)正面热氧长一层薄的二氧化硅作为注入前的保护层，正面光刻胶作掩膜光刻出压阻式加速度传感器的压阻区域和压阻式压力传感器的压阻区域，然后进行硼离子注入(淡硼)，形成压阻式加速度传感器的淡硼扩散压阻(16)和压阻式压力传感器的淡硼扩散压阻(17)，去除光刻胶；所述的硅基为n型(100)硅片；

b)如图4所示：正面光刻胶作掩膜在压阻式加速度传感器的淡硼扩散压阻区域(16)和压阻式压力传感器的淡硼扩散压阻(17)区域分别光刻出浓硼区域，然后进行硼离子注入(浓硼)，形成压阻式加速度传感器淡硼扩散压阻内部的浓硼欧姆接触区(15)和压阻式压力传感器淡硼扩散压阻内部的浓硼欧姆接触区(18)，去除光刻胶，退火；

c)如图5所示：采用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺先双面沉积0.8μm厚的二氧化硅层(2)、(2’)，再用LPCVD工艺双面沉积0.2μm厚的氮化硅层(4)、(4’)，二氧化硅层(2)和氮化硅层(4)一起作为绝缘钝化层，正面光刻胶作掩膜光刻出引线孔图形，干法RIE刻蚀绝缘钝化层至硅基(9)顶面，去除光刻胶，形成引线孔；

d)如图6所示：正面溅射1μm厚的金属铝，正面光刻胶作掩膜光刻出金属铝导线(3)及金属管脚(8)图形，腐蚀没有光刻胶覆盖区域的铝，去除光刻胶，合金化处理，形成金属铝导线(3)及金属管脚(8)；e)如图7所示：采用等离子体增强型化学气相沉积法(PECVD)正面沉积一层0.2μm厚的氮化硅(5)覆盖铝导线，作为绝缘钝化层隔绝外界与电路，保护芯片电学性能，正面光刻胶作掩膜光刻出分片槽图形，干法RIE刻蚀氮化硅(4)、(5)，二氧化硅(2)至硅基(9)顶面，去除光刻胶；

f)如图8所示：正面沉积一层3μm厚的非晶硅(6)，在分片槽区域非晶硅(6)与硅基(9)顶面直接接触；

g)如图9所示：正面光刻胶作掩膜光刻出传感器工作区域以及金属管脚(8)区域图形，RIE刻蚀非晶硅(6)至氮化硅层(5)，去除光刻胶；

h)如图10所示：正面光刻胶作掩膜光刻出金属管脚(8)区域图形，RIE刻蚀氮化硅(5)至金属铝管脚(8)层，去除光刻胶；

i)如图11所示：背面光刻胶作掩膜光刻出腐蚀硅窗口，RIE刻蚀氮化硅(4’)、二氧化硅(2’)至硅基(9)顶面，去除光刻胶，氮化硅层(4’)、二氧化硅(2’)层作掩膜湿法腐蚀硅基形成压阻式加速度传感器、压阻式压力传感器膈膜；

j)如图12所示：干法RIE刻蚀背面剩余的氮化硅(4’)、二氧化硅(2’)至硅基(9)底面，背面进行硅-玻璃阳极键合；

k)如图13所示：正面光刻胶作掩膜光刻出悬臂梁(14)释放图形，深度反应离子刻蚀(DRIE)刻穿氮化硅(4)、(5)，二氧化硅(2)，硅基形成压阻式加速度传感器部分的悬臂梁结构，去除光刻胶，正面进行非晶硅-玻璃阳极键合；

l)如图14所示：划片，实现单个芯片的封装，划片分两次完成，第一次划片，去除金属管脚上方玻璃，第二次划片划去分片槽中结构，分离单个芯片，完成封装。进一步地，按所述工艺流程制造的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器，压阻式加速度传感器的悬臂梁和压阻式压力传感器膈膜的厚度相同，为了获得两者不同的厚度来调整压阻式加速度、压阻式压力传感器的灵敏度，所述工艺步骤(i)中背面硅腐蚀可以分两次完成。如图11所示，根据压阻式加速度、压阻式压力传感器对灵敏度的不同要求，本实施例中压阻式加速度传感器的悬臂梁厚度为12μm，而压阻式压力传感器膈膜的厚度为30μm，这时需要先腐蚀压阻式压力传感器背腔，腐蚀出深度差后再一起腐蚀，具体工艺流程为：背面光刻胶作掩膜光刻打开压阻式压力传感器背面腐蚀窗口，RIE刻蚀掉氮化硅、二氧化硅至硅基底面，氮化硅、二氧化硅层作掩膜，40％KOH溶液湿法腐蚀硅衬底，腐蚀深度控制在18μm，形成两个传感器背腔的腐蚀深度差，然后再光刻胶作掩膜光刻打开压阻式加速度传感器背面腐蚀窗口，RIE刻蚀掉氮化硅、二氧化硅至硅基底面，40％KOH溶液湿法腐蚀硅基直到腐蚀出想要的压阻式加速度传感器悬臂梁与压阻式压力传感器膈膜，两次腐蚀以后形成厚度不同的压阻式加速度传感器悬臂梁和压阻式压力传感器膈膜结构。

进一步，为了保证两次阳极键合的质量，通过多次试验，本发明给出了所述MEMS压阻式加速度、压力集成传感器的最优键合参数，如表1，2所示。

表1第一次阳极键合(硅-玻璃)参数

表2第二次阳极键合(非晶硅-玻璃)参数

进一步地，本发明中压阻式加速度传感器的悬臂梁除了图2中所示的单边双悬臂结构以外，根据不同的灵敏度、谐振频率要求也可以采用单边单悬臂梁、双边双梁、双边四梁、四边四梁、四边八梁等结构，淡硼扩散压阻也可以分布在其它位置。本发明中压阻式压力传感器部分采用长方膜设计，4根淡硼扩散压阻平行排布，充分利用横向压阻效应，这样的压阻式压力传感器具有桥臂阻值分布均匀，输出线性度和一致性较好的优点，当然，根据不同的灵敏度需要，淡硼扩散压阻可以采用不同的分布方式。

需要说明的是，本发明并不对传感器部分的悬臂梁结构尺寸、膈膜尺寸、压阻数目、压阻尺寸大小与排列分布等参数进行限定，也不对本发明制造工艺的工艺参数进行限定，且该实施例仅为说明性的，并不对本发明做任何限定。

Claims (10)

1.一种压阻式加速度、压力集成传感器，其特征在于所述的传感器同时集成了压阻式加速度传感器和压阻式压力传感器，并且具有第一键合玻璃-硅基-第二键合玻璃三明治结构；所述的硅基内部形成有压阻式加速度传感器悬臂梁和压阻式压力传感器膈膜，硅基的正面形成有两个压阻区域，分别是压阻式加速度传感器的压阻区域和压阻式压力传感器的压阻区域；所述压阻式加速度传感器的压阻区域位于压阻式加速度传感器悬臂梁的上表面根部，并且注入有淡硼形成4根淡硼扩散压阻，同时淡硼扩散压阻的内部注入有浓硼形成浓硼欧姆接触区；所述压阻式压力传感器的压阻区域位于压阻式压力传感器膈膜的上表面，也注入有淡硼形成4根淡硼扩散压阻，并且淡硼扩散压阻的内部注入有浓硼形成浓硼欧姆接触区；所述的两个压阻区域的上方沉积有二氧化硅层，二氧化硅层上方沉积有第一氮化硅层，所述的二氧化硅层和第一氮化硅层一起作为绝缘钝化层，所述的绝缘钝化层开有引线孔，利用金属导线连通两个压阻区域，并且压阻式加速度传感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻通过金属导线构成惠斯顿全桥连接，压阻式压力传感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻通过金属导线也构成惠斯顿全桥连接；所述金属导线的上方沉积有第二氮化硅层，所述第二氮化硅层的上方沉积有非晶硅层，所述的非晶硅与第一键合玻璃阳极键合，并且，利用非晶硅作为台阶，所述的非晶硅与第一键合玻璃键合后形成一个真空腔体，连通压阻式加速度传感器和压阻式压力传感器；所述硅基的背面与第二键合玻璃阳极键合，所述的第二键合玻璃带有通气孔，并且所述的通气孔位于压阻式压力传感器膈膜的下方；所述硅基的正面还形成有浓硼导线，所述浓硼导线的上方连接有金属管脚，浓硼导线将传感器工作区与金属管脚连通。

2.如权利要求1所述的压阻式加速度、压力集成传感器，其特征在于所述的压阻式加速度传感器压阻区域的淡硼扩散压阻和压阻式压力传感器压阻区域的淡硼扩散压阻的排布方式为：纵向沿硅基的(1,1,0)晶向方向、横向沿硅基的(1,-1,0)晶向方向分布，纵向压阻系数、横向压阻系数分别为71.8、-66.3。

3.如权利要求1所述的压阻式加速度、压力集成传感器，其特征在于所述的压阻式加速度传感器为双悬臂梁设计，压阻式加速度传感器压阻区域的淡硼扩散压阻为4组，每组由两个平行的淡硼扩散压阻组成，其中两组对桥臂淡硼扩散压阻对称分布在悬臂梁根部的应力集中区域，另外两组淡硼扩散压阻对称分布在零应力区。

4.如权利要求1所述的压阻式加速度、压力集成传感器，其特征在于所述的压阻式压力传感器采用长方膜设计，压阻式压力传感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻平行排布。

5.如权利要求1所述的压阻式加速度、压力集成传感器，其特征在于所述的金属管脚有7个，第一管脚接压阻式压力传感器输出正、第二管脚接地、第三管脚接压阻式压力传感器输出负、第四管脚接电源正极、第五管脚接压阻式加速度传感器输出负、第六管脚接地、第七管脚接压阻式加速度传感器输出正，压阻式压力传感器和压阻式加速度传感器共用电源正极。

6.如权利要求1～5中任一权利要求所述的压阻式加速度、压力集成传感器，其特征在于所述的硅基为n型(100)硅片。

7.如权利要求1～5中任一权利要求所述的压阻式加速度、压力集成传感器，其特征在于所述的第二氮化硅层上方沉积的非晶硅的厚度为2～4μm。

8.如权利要求1所述的压阻式加速度、压力集成传感器的制造方法，其特征在于所述的制造方法按如下步骤进行：

a)在硅基正面热氧长一层二氧化硅保护层，正面光刻胶作掩膜光刻出压阻式加速度传感器的压阻区域和压阻式压力传感器的压阻区域，然后分别在两个压阻区域注入淡硼，形成淡硼扩散压阻，去除光刻胶；

b)正面光刻胶作掩膜在淡硼扩散压阻区域光刻出浓硼区域，然后注入浓硼，在淡硼扩散压阻内部形成浓硼欧姆接触区，去除光刻胶，退火；

c)先双面沉积二氧化硅层，再双面沉积氮化硅层，正面的二氧化硅层和氮化硅层一起作为绝缘钝化层，正面光刻胶作掩膜光刻出引线孔，干法RIE刻蚀绝缘钝化层至硅基顶面，去除光刻胶，形成引线孔；

d)正面沉积金属导线层，正面光刻胶作掩膜光刻出金属导线及管脚图形，腐蚀没有光刻胶覆盖区域的金属，去除光刻胶，合金化处理，形成金属导线及金属管脚；

e)正面沉积一层氮化硅覆盖金属导线，隔离外界与电路，正面光刻胶作掩膜光刻出分片槽图形，干法RIE刻蚀氮化硅层、二氧化硅层至硅基顶面，去除光刻胶；

f)正面沉积一层非晶硅，在分片槽区域非晶硅与硅基顶面直接接触；

g)正面光刻胶作掩膜光刻出传感器工作区域以及金属管脚区域图形，RIE刻蚀非晶硅至氮化硅层，去除光刻胶；

h)正面光刻胶作掩膜光刻出金属管脚区域图形，RIE刻蚀氮化硅至金属管脚层，去除光刻胶；

i)背面光刻胶作掩膜光刻出腐蚀硅窗口，RIE刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基底面，去除光刻胶，氮化硅层、二氧化硅层作掩膜湿法腐蚀硅基形成压阻式加速度传感器、压阻式压力传感器薄膜；

j)干法RIE刻蚀背面剩余的氮化硅、二氧化硅至硅基底面，背面进行硅-玻璃阳极键合；

k)正面光刻胶作掩膜光刻出悬臂梁释放图形，DRIE刻穿氮化硅、二氧化硅、硅基形成压阻式加速度传感器的悬臂梁结构，去除光刻胶，正面进行非晶硅-玻璃阳极键合；

l)划片，实现单个芯片的封装，划片分两次完成，第一次划片，去除金属管脚上方玻璃，第二次划片划去分片槽中结构，分离单个芯片，完成封装。

9.如权利要求8所述的压阻式加速度、压力集成传感器的制造方法，其特征在于步骤j)中背面进行硅-玻璃阳极键合的工艺参数为：电压300～500V，电流15～20mA，温度300～400℃，压力2000～3000N，时间5～10min。

10.如权利要求8所述的压阻式加速度、压力集成传感器的制造方法，其特征在于步骤k)中正面进行非晶硅-玻璃阳极键合的工艺参数为：电压450～1000V，电流15～25mA，温度300～400℃，压力2000～3000N，时间15～25min。