一种MEMS芯片的制作方法

本实用新型涉及传感器测量领域，特别涉及一种MEMS芯片。

背景技术：

消费类电子产品集成的传感器的发展方向之一是小型化与多功能化，传感器组合是一种很好的发展方向。目前，传感器的组合形式仅限于把两种或两种以上的MEMS芯片组合封装在一起，如将压力传感器和气体传感器组合形成气体压力组合MEMS芯片。

大多数气体压力组合MEMS芯片在同一块硅片上制备而成，即压力传感器和气体传感器分别制备在同一块硅片的正反面，用以同时测量气压和气体。这种组合传感器对封装技术具有较高要求，常规的平面贴装技术难以满足这种组合传感器的封装要求，需要倒装焊(Flip Chip，简称FC)等高级的封装技术，增加了封装难度，且这种正反面结构也使得两种传感器无法共用一个ASIC芯片(特殊应用电路)，给客户的电路设计带来不便。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种MEMS芯片，以解决现有组合传感器封装难度大，给客户的电路设计带来不便的问题。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型提供了一种MEMS芯片，集成了气压传感部和气体传感部，气压传感部和气体传感部共用衬底1，气压传感部包括下电极3、支撑部4和对气压敏感的上电极5，气体传感部包括测量电极12和对气体敏感的敏感材料膜13；

下电极3和测量电极12互不接触地设置在衬底1的上端面上，上电极5通过支撑部4支撑在下电极3上，下电极3、支撑部4和上电极5形成用于测量气压的平板电容传感器；

测量电极12上设置裸露在外的敏感材料膜13，测量电极12和敏感材料膜13形成用于测量气体浓度的电阻传感器。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过在共用衬底的同一侧端面设置平板电容传感器和电阻传感器，使得可以在同一芯片上制备平板电容传感器和电阻传感器，从而减小MEMS芯片的尺寸，提高集成度，并方便该MEMS芯片上的两个传感器共用一个ASIC芯片，便于封装。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的MEMS芯片的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的MEMS芯片的制备方法流程图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

本实用新型提供了一种MEMS芯片，该MEMS芯片为气压传感部和气体传感部的组合MEMS芯片，包括共用的衬底以及形成在衬底同一侧的气压传感部和气体传感部，使得可以在同一芯片上制备气压传感部和气体传感部，从而减小MEMS芯片的尺寸，提高集成度，并方便该MEMS芯片上的两个传感器共用一个ASIC芯片，便于封装。

图1为本实用新型实施例提供的MEMS芯片的结构示意图，如图1所示，该MEMS芯片集成了气压传感部和气体传感部，气压传感部和气体传感部共用衬底1，气压传感部包括下电极3、支撑部4和对气压敏感的上电极5；气体传感部包括测量电极12和对气体敏感的敏感材料膜13；

下电极3和测量电极12互不接触地设置在衬底1的上端面上，上电极5通过支撑部4支撑在下电极3上，下电极3、支撑部4和上电极5形成用于测量气压的平板电容传感器；

测量电极12上设置裸露在外的敏感材料膜13，测量电极12和敏感材料膜13形成用于测量气体浓度的电阻传感器。

应理解的是，本实施例所述衬底的上端面和下端面为相对端面，图1中的示例性示出下电极3和测量电极12互不接触地设置在衬底1的上端面，实际应用中，下电极3和测量电极12也可以互不接触地设置在衬底1的下端面；图1中示例性示出下电极3和测量电极12各占上端面的一半面积；显然，在实际应用中，可以根据需要设计下电极3和测量电极12所占用衬底上端面的面积，本实施例对此不做限制。

本实施例通过在共用衬底的同一侧端面设置平板电容传感器和电阻传感器，使得可以在同一芯片上制备平板电容传感器和电阻传感器，从而减小MEMS芯片的尺寸，提高集成度，并方便该MEMS芯片上的两个传感器共用一个ASIC芯片，便于封装。

具体地，本案的衬底1可以采用单晶硅材料，为了使衬底1与其上的平板电容传感器和电阻传感器绝缘，在衬底1相对的两侧分别设置了第一绝缘层和第二绝缘层；即第一绝缘层设置在衬底1的上端面上，且位于衬底1的上端面与下电极3、测量电极12之间；第二绝缘层设置在衬底1的下端面上。

其中，第一绝缘层2_1、第二绝缘层2_2可以采用本领域技术人员所熟知的二氧化硅SiO2材料，四氮化三硅Si3N4材料等，可通过沉积的方式形成在衬底1两侧的端面上，在此不再具体说明。

如图1所示，第一绝缘层2_1的上方部分设置有下电极3，上电极5通过支撑部4位于下电极3上方，上电极5、下电极3以及支撑部4围成了密闭的容腔9，使得上电极5、下电极3与支撑部4形成了可以测量外界气体压力的平板电容传感器。其中，下电极3示例性地可通过沉积的方式形成在第一绝缘层2_1上，可以在下电极3上沉积并刻蚀氧化层(氧化层材料可以为SiO2材料，Si3N4材料等)形成支撑部4，在支撑部4上键合如对气压敏感的柔性多晶硅材料，形成上电极5。

当该平板电容传感器受到外界气压时，上电极5的压力敏感膜发生形变，平板电容传感器两极板间距变小，电容发生变化，导致平行板电容器极板电压发生变化，通过测量该电压变化来测量气压大小，最终可以输出表征环境压力信息的电信号。

本实用新型的平板电容传感器，为了将下电极3的电信号引出，在支撑部4内设置有导电部8，示例性地，可对支撑部4进行刻蚀形成贯通孔，并在该贯通孔内沉积导电部8，以将下电极3的电信号引出，并在支撑部4的端面上形成焊盘7；为将上电极5的电信号引出，在上电极5上形成上电极5的电信号引出的焊盘6。如图1所示，本实用新型的MEMS传感器在衬底1的上端面的第一绝缘层2_1上的另一部分还设置测量电极12，该测量电极12可以采用本领域技术人员所熟知的金、铂或铂金等材料，可以以沉积的方式形成在第一绝缘层2_1上。在测量电极12上设置有裸露在外的敏感材料膜13，测量电极12、敏感材料膜13形成了用于测量气体浓度的电阻传感器，使得敏感材料膜13感应的气体浓度信息可以通过该测量电极12以电信号的方式进行输出，如图1所示，可在测量电极12上形成焊盘15，通过焊盘15导出测量电极12的电信号。

其中，敏感材料膜13感应到外界的气体浓度信息后，其自身电阻会发生变化，从而使得测量电极12输出的电阻信号发生变化。这种电阻传感器的结构及其工作原理属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。

由于本实用新型的电阻传感器的灵敏度会受到周围检测环境的温度、湿度等外界因素的影响，本实用新型为了提高电阻传感器的敏感度，在第一绝缘层2_1上设置加热电极10，并在加热电极10和测量电极12之间形成第三绝缘层11。参考图1，加热电极10、测量电极12、第二绝缘层11可以通过本领域技术人员所熟知的逐层沉积、逐层刻蚀的方式得到。其中，加热电极10可以选用多晶硅、铂、钨等材料。

为了将加热电极10的电信号引出，可以设置加热电极10两对端突出第三绝缘层11的边缘形成相应的突出部，在突出部上形成加热电极10的焊盘14。通过加热电极10可以对敏感材料膜13进行加热，来调节电阻传感器的工作温度，从而使得敏感材料膜13对周围环境中的气体更为敏感，使该电阻传感器检测到的数据更为准确。

为了避免加热电极10加热时对平板电容传感器带来影响，在衬底1的下端面所在侧设置有正对测量电极12的背腔1_1，降低加热电极10产生的热量通过衬底1传递至平板电容传感器上的可能，并使热量能够最大地约束在敏感材料膜13上。

与前述MEMS芯片的实施例相对应，本实用新型还提供了MEMS芯片的制备方法的实施例，本实施例中的MEMS芯片集成了气压传感部和气体传感部。

图2为本实用新型实施例提供的MEMS芯片的制备方法流程图，如图2所示，该方法包括：

S200，在衬底的上端面的一部分区域上沉积导电材料作为气压传感部的下电极，在上端面的另一部分区域上沉积制备气体传感部的测量电极。

优选地，将下电极和测量电极各设计为占上端面的一半面积。

S210，在下电极上沉积并刻蚀氧化层作为气压传感部的支撑部，并在支撑部上键合气压敏感膜作为气压传感部的上电极，形成位于下电极和上电极之间的空腔，使下电极、支撑部和上电极形成用于测量气压的平板电容传感器。

在一个实现方案中，本实施例的方法还包括：

刻蚀支撑部形成连通下电极通孔，并利用导电材料填充该通孔形成将下电极的电信号引出的导电部；

在支撑部的端面上沉积连通导电部的焊盘，以及在上电极沉积将上电极5的电信号引出的焊盘。

S220，在所测量电极上沉积制备裸露在外且对气体敏感的敏感材料膜，使测量电极和敏感材料膜形成用于测量气体种类和浓度的电阻传感器。

本实施例通过在共用衬底的同一侧端面设置平板电容传感器和电阻传感器，使得可以在同一芯片上制备平板电容传感器和电阻传感器，从而减小MEMS芯片的尺寸，提高集成度，并方便该MEMS芯片上的两个传感器共用一个ASIC芯片，便于封装。

其中，本实施例的衬底可以采用单晶硅材质，相应的图2中的方法还包括：

在衬底的上端面上沉积第一绝缘层，使第一绝缘层位于衬底的上端面与下电极、测量电极之间；以及在衬底的下端面上沉积第二绝缘层；

相应的，在上端面的另一部分区域上沉积制备测量电极包括：

在第一绝缘层对应于上端面的另一部分区域上沉积制备加热电极，并在加热电极上沉积第三绝缘层，使第三绝缘层位于加热电极和测量电极之间；以及在加热电极两对端突出第三绝缘层的边缘所形成的突出部上制备加热电极的焊盘。

为了避免加热电极加热时对平板电容传感器带来影响，本实施例的方法包括：在衬底的下端面所在侧形成正对测量电极的背腔，降低加热电极产生的热量通过衬底传递至平板电容传感器上的可能，并使热量能够最大地约束在敏感材料膜上。

本实用新型方法实施例中各步骤的具体执行方式，可以参见本实用新型MEMS芯片实施例的具体内容，在此不再赘述。

为了便于清楚描述本实用新型实施例的技术方案，在实用新型的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，在本实用新型的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本实用新型的目的，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。