压力传感芯片及其加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及压力传感芯片，尤其涉及一种物联网用无源无线压力传感芯片及其加 工方法。
【背景技术】
[0002] 物联网被称为继计算机、互联网之后信息产业的第三次浪潮，为二十一世纪全球 工业化、城市化进程提供了革命性的信息技术和智能技术。作为物联网的基础底层器件以 及物联网终端节点一传感器，将是整个物联网产业链中需求总量最大和最基础的环节，物 联网终端节点及其相关产业的技术水平和发展速度将直接影响物联网的发展速度。
[0003] 压力传感器是最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，包括水 利水电、汽车、航空航天、军工等众多行业；以及日常生活中，如气压测量、血压测量、高度测 量等。随着微机电MEMS(Micr〇-Electro_MechanicalSystems，微机电系统）产业的兴起， 压力传感器逐渐向微型化、集成化方向发展。MEMS压力传感芯片具有体积小、质量轻、成本 低等优点，目前已广泛应用于汽车电子类：如TPMS、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统 空气压力传感器等；消费电子类：如血压计、橱用秤、洗衣机、洗碗机、电冰箱、家用空调等 领域。
[0004]用于物联网的压力传感器件除要求其灵敏度高，可靠性好外，还要具有低功耗和 低成本的特点。而现在的压力传感器大多都是采用单一的压力感应单元，灵敏度有限，且都 是有源方式的，在一些安装条件不便的情况下，如地下结构，高空建筑结构等处，更换物联 网传感器节点器件的电池就成了很大的问题，从而大大影响了该传感器的广泛应用。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题在于针对现有压力传感器多为单一压力感应方式导致 传感器灵敏度低和传感器工作都是有源方式的缺陷，提供一种全新的MEMS结构和信号传 输方法，实现一种适合物联网使用的无源无线高灵敏度MEMS压力传感芯片，该芯片无需电 源就可以以无线方式将压力信号传递给接收端。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] 提供一种压力传感芯片，包括相连接的上层结构和下层结构；
[0008] 所述下层结构包括下层衬底片，该下层衬底片上设有串联的MEMS平行平板电容 和MEMS电感线圈结构；
[0009] 上层结构包括上层衬底片、MEMS压力感应膜、MEMS电容介质板和金属层，MEMS压 力感应膜固定在上层衬底片上，且置于下层衬底片上方，MEMS电容介质板和金属层均固定 在MEMS压力感应膜的下表面上；MEMS电容介质板置于MEMS平行平板电容的两个电极板之 间，金属层位于MEMS电感的上方；
[0010]MEMS压力感应膜受压产生纵向位移，并带动MEMS电容介质板和金属层移动，使得 MEMS电容介质板插入MEMS平行平板电容的深度发生改变，且金属层与MEMS电感线圈结构 之间的磁间隙也发生变化。
[0011] 本发明所述的压力传感芯片中，所述金属层为MEMS电感软磁合金层。
[0012] 本发明所述的压力传感芯片中，上层衬底片和下层衬底片通过键合工艺连接成一 个整体。
[0013] 本发明所述的压力传感芯片中，上层衬底片、MEMS压力感应膜、MEMS电容介质板 和金属层为一体结构。
[0014] 本发明所述的压力传感芯片中，MEMS电感线圈结构为在下层衬底片上的平面螺旋 结构结构。
[0015] 本发明所述的压力传感芯片中，MEMS压力感应膜的上表面为空洞结构。
[0016] 本发明还提供一种压力传感芯片的加工方法，包括以下步骤：
[0017] 在下层衬底片上淀积一层绝缘层，并利用标准的光刻和干法腐蚀工艺将下层衬底 片的周边键合区域的绝缘层去除；
[0018] 在绝缘层上溅射一层金属层，在该金属层上通过光刻和金属腐蚀工艺得到MEMS 平行平板电容的平面图形结构，包括两个电极板和接线端，以及MEMS电感螺旋结构的一个 接线端，该接线端与MEMS平行平板电容的一个平行平板电极的接线端连接；
[0019] 在金属层上淀积一层绝缘层，用标准的光刻和干法腐蚀去除多余部分，露出MEMS 平行平板电容的平面图形结构，并在MEMS电感螺旋结构的接线端处形成一个开孔，将开孔 下面的金属层露出来；
[0020] 在下层衬底片上再旋涂一层厚胶，并通过标准的光刻显影工艺，露出MEMS平行平 板电容的平面图形结构；再利用金属电镀工艺，电镀具有一定高度的MEMS平行平板电容结 构，实现三维MEMS平行平板电容结构；
[0021] 在MEMS电感螺旋结构区域所在的绝缘层上淀积另外一层金属层，该金属层和开 孔处的MEMS电感螺旋结构的接线端形成电连接，再通过光刻和金属腐蚀工艺得到所需要 的MEMS电感螺旋结构，以及该MEMS电感螺旋结构的另外一个接线端，该接线端与之前MEMS 平行平板电容的另外一个平行平板电极的接线端形成电连接；
[0022] 在MEMS电感区域旋涂一层厚胶，并光刻出MEMS电感螺旋结构的图形，再利用金属 电镀工艺，电镀具有一定厚度的MEMS螺旋电感结构；
[0023] 上层衬底片先通过标准机械研磨工艺减薄，再在上层衬底片的上部利用标准光刻 和腐蚀工艺制作一个空腔，该空腔的底部为MEMS压力感应可动膜的上表面；
[0024] 在上层衬底片的下部利用多步标准光刻和深度反应离子刻蚀工艺，可以得到带 MEMS电容介质板的MEMS压力感应膜结构；并得到上层衬底片与下层衬底片的键合区域；
[0025] 在上层衬底片的下部淀积一层金属，采用标准光刻和腐蚀工艺去除其它部位的金 属，仅保留其与下层结构中的MEMS电感螺旋结构所对应部位的金属层部分；
[0026] 将上层衬底片与下层衬底片键合。
[0027] 本发明所述的加工方法中，制作所述空腔时采用的腐蚀工艺为深度反应离子刻蚀 或湿法腐蚀。
[0028] 本发明所述的加工方法中，上层衬底片的下部所淀积的一层金属为具有高导磁率 非晶体软磁合金。
[0029] 本发明所述的加工方法中，当上层衬底片与下层衬底片均采用硅片时，通过标准 的MEMS硅-硅直接键合工艺将两个衬底片连接成一个整体。
[0030] 本发明产生的有益效果是：本发明的压力传感芯片通过压力变化引起MEMS电容 和电感的改变，继而改变无源谐振电路的谐振频率；而压力的变化信号以外部电感耦合无 线方式传出，传感器芯片的工作无需电源，实现无源无线的压力传感。本发明能解决现有压 力传感芯片在物联网应用中所遇到的灵敏度不够和更换电源不变等引起的问题。
【附图说明】
[0031] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0032] 图1为本发明无源无线压力传感芯片原理图；
[0033] 图2为本发明MEMS压力传感芯片的LC谐振回路；
[0034] 图3 (a)为本发明实施例下层结构的俯视图；
[0035] 图3 (b)为图3 (a)中A-A剖面视图；
[0036] 图3 (c)为图3 (a)中B-B剖面视图；
[0037] 图4(a)为本发明实施例上层结构的俯视图；
[0038] 图4(b)为本发明实施例上层结构的侧视图；
[0039] 图5为本发明实施例无源无线压力传感芯片结构示意图。
【具体实施方式】
[0040] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0041] 如图1、图2所示，本发明实施例的传感器芯片由MEMS电容和MEMS电感组成LC谐 振回路，其中的MEMS电感由螺旋线圈和MEMS压力感应可动金属膜组成，其中的压力感应可 动金属膜悬浮支撑在螺旋线圈上方；其中的MEMS电容由固定式平行平板电容和MEMS压力 感应电容介质板组成，其中的压力感应电容介质板悬浮支撑在平行平板电容的两个极板之 间。当有压力变化时，MEMS压力感应膜发生垂直于膜面的纵向位移。这一方面使得固定在 压力感应膜上的电容介质板插入到两个固定式极板的深度发生改变，使得电容极板间的介 电介质常数发生变化，从而引起MEMS电容值发生变化。另一方面，MEMS压力感应膜的移动 也使得固定在其上的金属膜导体层和电感螺旋线圈层的间距发生变化，从而引起MEMS电 感值发生变化。所以，压力的变化会引起回路中的电容和电感都发生变化，最终导致LC谐 振回路的频率发生变化。这样，压力的变化就可以表征为LC谐振回路的谐振频率的变化。 当传感器工作时，可由外部读取电路的耦合电感将传感器的谐振频率信号耦合输出，继而 转换成电压值。
[0042] 本发明的一个实施例中，压力传感芯片为物联网用无源无线的压力传感芯片，包 括上层结构和下层结构。如图3(a)-图3(c)所示，下层结构是在下层衬底片1上用MEMS 工艺实现的串联连接的MEMS平行平板电容2和MEMS电感螺旋线圈3。其中的MEMS电容可 以，但不限于，是以微电镀方式实现的三维平行平板（图3b)电容结构。其中的MEMS电 感螺旋线圈可以，但不限于，是溅射或电镀的螺旋线圈结构（如图3(a)、图3(b)所示）。其 中的MEMS电容和MEMS电感螺旋线圈采用串联的方式连接，如图1和图2所示。
[0043] 芯片的上层结构如图4(a)和图4(b)所示，上层结构包括上层衬底片6,固定在衬 底片6上的一个悬浮结构的MEMS压力感应膜7,以及固定在该MEMS压力感应膜7下表面的 MEMS电容介质板8和金属层9 (可为MEMS电感软磁合金层）。通过对上层衬底片6的上表 面采用磨片减薄，和深槽腐蚀的微加工方法，如传统的湿法或干法腐蚀工艺，可得到压力感 应膜7上表面的空洞结构。一般，压力感应膜很薄，只有约10微米，感应膜下面的电容介质 板也很薄（约10微米）。所以整个上层结构在不包括空洞的情况下都会很薄，这样就无法 拿取，为了拿取的方便，所以要保证上层衬底片的一定厚度（如约100微米）。本发明在压 力感应膜7表面形成空洞结构，以增加压力感应膜7的厚度，从而方便拿取。
[0044] 通过对上层衬底片6下表面采用多步标准光刻和深度反应离子刻蚀工艺，可以实 现带MEMS电容介质板的MEMS压力感应膜结构。采用标准淀积，光刻和腐蚀工艺可以得到 淀积到MEMS压力感应膜7下表面的金属层9 (如图4 (b)所示）。该金属层9可以，但不限 于，是非晶体软磁合金，具有高的导磁率。
[0045] 芯片的上下两层结构，可由下层衬底片1(可以是硅片，玻璃或陶瓷材料等）和上 层衬底片6 (可以是硅片）以标准的MEMS键合工艺（如硅-硅键合，玻璃-硅键合，钎焊 等）完成键合，如图5所示。当有压力作用于MEMS压力感应膜7的上表面时