[0001] 本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种低温漂MEMS压阻式压力传感器及其制备方法。

[0002] MEMS(Micro‑Electro‑Mechanical System，微机电系统)压力传感器具有灵敏度高、尺寸小、功耗低、一致性好且易于大批量生产等诸多优势而在工业生产、汽车电子、生物
医疗、国防军事、科学研究与航空航天等各方面得到了普遍应用。对于MEMS压力传感器的种
类，它主要包括了MEMS压阻式压力传感器、MEMS电容式压力传感器、MEMS谐振式压力传感器
与MEMS压电式压力传感器，其中的MEMS压阻式压力传感器因具有良好的线性度与可靠性而
成为了市场上最为常见的一种压力传感器。典型的MEMS压阻式压力传感器是在敏感薄膜边
缘通过扩散或离子注入的方式制作四个压敏电阻条，并且这四个压敏电阻条再经过合理排
布与互连构成了惠斯通电桥，当有外力作用迫使薄膜发生形变时，压敏电阻条的阻值在应
力作用下发生改变并通过惠斯通电桥转化为相应的电信号输出。

[0003] 但是，MEMS压阻式压力传感器在实际应用中会因压敏电阻条中压阻系数的温度特性与阳极键合工艺所产生的热应力(键合热应力)而分别产生显著的灵敏度温漂与零点温
漂，从而导致传感器的测量精度降低。为了应对MEMS压阻式压力传感器的上述两个温漂问
题，传统方法是在MEMS压阻式压力传感器制备时分别提高压敏电阻条的掺杂浓度与选用更
低键合温度的阳极键合工艺。然而，随着压敏电阻条中掺杂浓度的提高与阳极键合工艺中
键合温度的降低，传感器压敏电阻条中的压阻效应与阳极键合界面强度会迅速减弱，从而
导致传感器的灵敏度与可靠性也会迅速减小。

[0056] 现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本
申请的范围。

[0057] 下面将详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考
附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本
申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实
施例，都属于本申请保护的范围。

[0058] 本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或
两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符
“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

[0059] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0060] 在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
申请中的具体含义。

[0061] 根据本发明的第一方面，参见图1，提供了一种低温漂MEMS压阻式压力传感器，其可以显著降低现有技术中的压力传感器因压阻系数温度特性而导致的灵敏度温漂，也可以
降低因键合热应力而导致的零点温漂，从而有效提高压力传感器的测量精度。

[0062] 具体地，该低温漂MEMS压阻式压力传感器包括：

[0063] 第一衬底2和第二衬底9，所述第一衬底2的下表面设置有第一凹槽，所述第二衬底9固定于所述第一衬底2并封闭所述第一凹槽，所述第一衬底2和第二衬底9之间形成密闭空
腔8；所述第一凹槽的底面周边设置环状的第二凹槽；所述第一衬底2的材质为单晶硅；示例
性的，第一衬底2的最大厚度为500μm；

[0064] 第一结构层5和第二结构层6，所述第一衬底2的上表面的中部设置有第三凹槽；所述第三凹槽内设置所述第一结构层5，所述第二凹槽内设置所述第二结构层6，且所述第二
结构层6环绕所述第一结构层5的外侧；所述第一结构层5和第二结构层6的材质均为金属；

[0065] 压敏电阻条3，所述第一衬底2的上表面环绕所述第一结构层5设置有多个压敏电阻条3，且多个所述压敏电阻条3均与所述第二结构层6相对应；其中，压敏电阻条3可以为P
型掺杂的单晶硅；

[0066] 所述第一结构层5、所述第二结构层6、所述第一结构层5下方的第一衬底2、所述第二结构层6上方的第一衬底2共同构成压力敏感薄膜7，多个所述压敏电阻条3均位于所述压
力敏感薄膜7并用于根据所述压力敏感薄膜7的形变测量压力。

[0067] 在本申请实施例中，该低温漂MEMS压阻式压力传感器的压力敏感薄膜7采用了具有弹性模量随温度变化明显的第一结构层5以及第二结构层6，从而可以在温度变化时弥补
压力传感器因压阻系数的温度特性所导致的灵敏度温漂，最终使得压力传感器获得更精确
的检测结果。

[0068] 而且，第一结构层5与第二结构层6中金属材料的热膨胀系数较大，当这两部分结构因温度发生收缩(膨胀)时能够对压力传感器中压敏电阻条3所受键合热应力进行抵消，
从而能够对压力传感器因键合热应力而导致的零点温漂进行补偿，进一步提升传感器的测
量精度和可靠性。

[0069] 另外，压力敏感薄膜7分别由金属材料制备的第一结构层5和第二结构层6以及第一结构层5下方的第一衬底2、第二结构层6上方的第一衬底2共同构成，当该压力敏感薄膜7
受到压力传感器过载压力作用后，其中的第一结构层5与第二结构层6能够凭借金属材料的
延展性有效承担形变，从而使得传感器的抗过载能力显著增强。

[0070] 需要说明的是，该低温漂MEMS压阻式压力传感器的工作原理如下：

[0071] 当输入压力作用于低温漂MEMS压阻式压力传感器的压力敏感薄膜7时，将在第一结构层5和第二结构层6处形成压缩应力区，并在压力敏感薄膜7的其他位置形成拉伸应力
区。本发明中，第一结构层5与第二结构层6的材料为金属，压力敏感薄膜7的其他位置材料
仍为单晶硅。因此，当工作中的压力传感器所处环境温度升高(降低)后，处于压缩状态的第
一结构层5与第二结构层6中金属材料弹性模量会随之显著减小(增大)，使得第一结构层5
与第二结构层6的压缩形变显著增大(减小)，并使得第一结构层5与第二结构层6带动压力
敏感薄膜7其他位置的拉伸形变增大(减小)，从而使得位于压力敏感薄膜7上的所述压敏电
阻条3在全量程范围内所受应力都等比例增大(减小)，最终使得本发明的低温漂MEMS压阻
式压力传感器的灵敏度随环境温度升高(降低)而增大(减小)，进而可对所述压敏电阻条3
中压阻系数随环境温度升高(降低)而减小(增大)所产生的灵敏度温漂进行补偿。

[0072] 此外，由于第一结构层5与第二结构层6中金属材料的热膨胀系数会比压力敏感薄膜7的其他位置中单晶硅介质大，当这第一结构层5与第二结构层6从溅射温度置于常温后
会产生收缩并带动所述压力敏感薄膜7的其他位置拉伸，并在压敏电阻条3上产生与键合热
应力相反的应力，从而减小乃至消除键合热应力对压力传感器所产生的零点温漂影响。

[0073] 可选地，低温漂MEMS压阻式压力传感器还包括钝化层1；

[0074] 所述钝化层1设置于所述第一衬底2的上表面周边并覆盖所述压敏电阻条3。

[0075] 在上述实施方式中，钝化层1能够对所述压敏电阻条3进行较好的隔离保护。

[0076] 可选地，低温漂MEMS压阻式压力传感器还包括欧姆接触4；

[0077] 所述压敏电阻条3的两端分别设置有欧姆接触4，所述欧姆接触4用于实现压敏电阻条3和引线的电连接。

[0078] 在上述实施方式中，欧姆接触4位于压敏电阻条3的两端以实现压敏电阻条3与引线之间良好电互连。示例性的，欧姆接触4的材料为P型重掺杂单晶硅，厚度为1μm‑3μm，其形
状由具体布局布线而定。

[0079] 可选地，所述第一结构层5在所述第一衬底2的上表面的投影与所述第二结构层6在所述第一衬底2的上表面的投影不重叠；

[0080] 所述第一结构层5在所述第一衬底2的上表面的投影面积与第二结构层6在所述第一衬底2的上表面的投影面积之和与所述第一凹槽的底面在所述第一衬底2的上表面的投
影面积相同。

[0081] 在上述实施方式中，第一结构层5和第二结构层6的设计较为合理，有助于保证压力传感器的灵敏度与可靠性。

[0082] 示例性的，第一结构层5位于压力敏感薄膜7一侧表面(即正面)的中间位置并呈四叶玫瑰线形状，其中，四叶玫瑰线的具体形状则需根据具体压力敏感薄膜7的仿真应力云图
确定。第二结构层6位于压力敏感薄膜7另一侧表面(也即背面)边缘位置，其形状为压力敏
感薄膜7的面积减去第一结构层5在压力敏感薄膜7的面积投影所剩面积对应形状。

[0083] 可选地，所述第一结构层5的材料与所述第二结构层6的材料相同，并为铅、金、锌、镁、铝与铜中的至少一种。这使得弹性模量第一结构层5和第二结构层6具有较稳定的弹性
模量。

[0084] 可选地，所述第一结构层5具有四个圆弧角，且相邻的圆弧角之间通过弧线连接。第一结构层5设计较为合理，有助于第一结构层5和第二结构层6的配合以保证压力传感器
工作的稳定性和可靠性。

[0085] 可选地，所述第一结构层5以及所述第二结构层6的厚度均为所述压力敏感薄膜7的厚度的一半。这使得压力敏感薄膜7能够在温度变化时较好地弥补压力传感器因压阻系
数的温度特性所导致的灵敏度温漂。

[0086] 可选地，所述压敏电阻条3的厚度为1μm‑3μm，所述欧姆接触4的厚度为1μm‑3μm。这有助于压敏电阻条3通过欧姆接触4稳定地实现与引线的电连接。

[0087] 可选地，所述钝化层1的材质至少为氧化硅和氮化硅中的至少一种，厚度为0.1μm‑5nm。

[0088] 在上述实施方式中，钝化层1的厚度较薄，材质合理，不仅能够提升钝化层1能够对压敏电阻条3的隔离保护效果，还有助于降低压阻式压力传感器的质量。

[0089] 示例性的，第二衬底9位于第一衬底2的正下方，其材料为硼硅玻璃，厚度为500μm。

[0090] 根据本发明的第二方面，提供了一种低温漂MEMS压阻式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

[0091] 步骤S1，准备单晶硅片作为第一衬底2，参见图2；例如，单晶硅片的厚度为500μm，并为N型单晶硅片；

[0092] 步骤S2，对所述单晶硅片的上表面进行P型掺杂以形成压敏电阻，参见图3和图4；

[0093] 步骤S3，在所述压敏电阻的两端进行P型重掺杂以形成欧姆接触4区，参见图5；

[0094] 步骤S4，在单晶硅片的上表面沉积二氧化硅层，参见图6；

[0095] 步骤S5，对二氧化硅层进行光刻以露出单晶硅片；其中，光刻后的二氧化硅层作为钝化层1，参见图7和图8；

[0096] 步骤S6，对所述单晶硅片的上表面进行光刻以形成第三凹槽，参见图9；

[0097] 步骤S7，在所述第三凹槽内溅射金属并进行光刻，以制备第一结构层5，参见图10和图11；

[0098] 步骤S8，对所述单晶硅片的下表面进行刻蚀以形成第一凹槽，参见图12和图13；

[0099] 步骤S9，对第一凹槽的底面周边进行刻蚀以形成第二凹槽，参见图14和图15；例如，刻蚀方式可以为湿法腐蚀；

[0100] 步骤S10，在所述第二凹槽内进行磁控溅射并进行光刻，以制备第二结构层6，参见图16和图17；

[0101] 步骤S11，将单晶硅片的下表面与玻璃衬底的表面进行键合，以在单晶硅片和玻璃衬底之间形成密闭空腔8；其中，玻璃衬底作为第二衬底9，参见图18。

[0102] 在上述实施方式中，低温漂MEMS压阻式压力传感器的制备方法较为合理，有助于简单且快速地制备上述的压力传感器。

[0103] 可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精
神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。