專利名稱：固態(tài)壓阻式耐高溫壓力傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓力傳感器及其制備方法，特別是一種固態(tài)壓阻式耐高溫壓力傳感器及應(yīng)用高能氧離子注入(SIMOX)技術(shù)制備硅隔離(SOI)固態(tài)壓阻式硅杯結(jié)構(gòu)耐高溫壓力傳感器芯片的方法。
背景技術(shù)：
目前，國(guó)內(nèi)外壓力傳感器一般采用充硅油、陶瓷隔離、濺射薄膜、半導(dǎo)體體硅技術(shù)等。其中充硅油、陶瓷隔離技術(shù)的壓力傳感器，由于硅油或陶瓷介質(zhì)材料等因素的影響，其傳感器的耐高溫特性較差，一般工作溫度在10～100℃范圍內(nèi)； 濺射薄膜技術(shù)方法制作的壓力傳感器，因?yàn)槠鋸椥栽挠绊?，降低了傳感器?dòng)態(tài)特性指標(biāo)，同時(shí)在高溫環(huán)境下，因彈性元件存在熱膨脹從而產(chǎn)生附加的熱應(yīng)力，影響了濺射薄膜傳感器的精度；半導(dǎo)體體硅技術(shù)壓力傳感器，雖具有體積小、靈敏度高等特點(diǎn)，但由于其測(cè)量電路與硅基底之間的PN在環(huán)境溫度升高時(shí)存在漏電流的影響，當(dāng)工作溫度達(dá)到120℃以上時(shí)，傳感器就無(wú)法工作，從而造成傳感器不能在高溫條件下工作的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述傳感器存在的技術(shù)缺陷，提出一種固態(tài)壓阻式耐高溫壓力傳感器及其制備方法，以提高壓力傳感器的耐高溫性、穩(wěn)定性以及測(cè)量的靈敏度。
本發(fā)明的內(nèi)容是改進(jìn)壓力傳感器的組成結(jié)構(gòu)及采用高能氧離子注入(SIMOX)制作方法改進(jìn)壓力傳感器芯片的絕緣隔離SiO2層；采用氣相淀積(CVD)技術(shù)外延絕緣層上硅測(cè)量電路層；采用低壓氣相淀積(LPCVD)技術(shù)外延氮化硅應(yīng)力匹配層；采用等離子體刻蝕技術(shù)制作凸出于芯片SiO2表面的“浮雕式”測(cè)量電路以及采用鈦-鉑-金梁式引線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下的芯片內(nèi)引線；通過(guò)濕法刻蝕制作出所需的硅杯結(jié)構(gòu)芯片并進(jìn)行減薄處理，最后通過(guò)后道封裝工藝，制備出固態(tài)壓阻式耐高溫壓力傳感器。
本發(fā)明壓力傳感器的組成結(jié)構(gòu)包括有基座、玻璃環(huán)、SIMOX硅杯結(jié)構(gòu)壓阻芯片、電路轉(zhuǎn)接板、壓焊引線、上蓋以及連接電纜，基座可與被測(cè)壓力容器或管道相連接，通過(guò)玻璃粉燒結(jié)工藝將玻璃環(huán)與基座1固定連接，并通過(guò)靜電鍵合工藝將玻璃環(huán)與SIMOX硅杯結(jié)構(gòu)壓阻芯片固定連接在一起。
本發(fā)明制備SIMOX耐高溫壓力傳感器芯片的方法，首先是在(100)單晶硅的表面通過(guò)高能氧離子注入(SIMOX)工藝，在單晶硅片表面下0.2μm深處形成0.35μm～0.45μm厚的絕緣SiO2層，其后通過(guò)氣相淀積技術(shù)外延上層單晶硅厚度至1.5μm～2.5μm，通過(guò)低壓氣相淀積(LPCVD)外延應(yīng)力Si3N4匹配層厚度0.12μm。再以摻雜和等離子體刻蝕技術(shù)制作出四個(gè)凸出于芯片SiO2表面的“浮雕式”電阻，并通過(guò)鈦-鉑-金梁式引線工藝將其連接起來(lái)組成惠斯登測(cè)量電路，最后通過(guò)背面刻蝕、減薄和劃片處理形成硅杯結(jié)構(gòu)的SIMOX耐高溫壓力傳感器芯片。


圖1是本發(fā)明固態(tài)壓阻式耐高溫壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖；
圖2是本發(fā)明SIMOX硅杯結(jié)構(gòu)壓阻芯片的制備過(guò)程；圖3(a)是本發(fā)明凸出于芯片SiO2表面的浮雕式電阻的硅杯結(jié)構(gòu)壓阻芯片；圖3(b)是本發(fā)明SIMOX硅杯結(jié)構(gòu)壓阻芯片的電路布置圖；圖4是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)效果圖。
具體實(shí)施方案和效果以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理、耐高溫壓力芯片的制作過(guò)程及工作原理作更詳細(xì)的說(shuō)明。
參照?qǐng)D1，本發(fā)明包括基座1，玻璃環(huán)2，SIMOX硅杯結(jié)構(gòu)壓阻芯片3，電路轉(zhuǎn)接板4，壓焊引線5，上蓋6及連接電纜7，基座1可與被測(cè)壓力容器或管道相連接，玻璃環(huán)2起連接作用并通過(guò)玻璃粉燒結(jié)工藝與基座1連接、通過(guò)靜電鍵合工藝與SIMOX硅杯結(jié)構(gòu)壓阻芯片3固接在一起，壓阻芯片3上的壓焊引線5經(jīng)過(guò)電路轉(zhuǎn)接板4與電纜7連接，通過(guò)連接電纜7為傳感器提供橋路電源和輸出與壓力相關(guān)的電壓信號(hào)。傳感器工作時(shí)，被測(cè)外界流體壓力通過(guò)基座1和玻璃環(huán)2直接作用在SIMOX硅杯結(jié)構(gòu)壓阻芯片3上，SIMOX壓阻芯片3在外加被測(cè)流體壓力下輸出與之相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，SIMOX硅杯結(jié)構(gòu)壓阻芯片3上的惠斯登測(cè)量電路的橋路電壓和輸出信號(hào)通過(guò)壓阻芯片3上的壓焊引線5、經(jīng)電路轉(zhuǎn)接板4、連接電纜7供給和輸出。
由于被測(cè)壓力直接作用于SIMOX硅杯結(jié)構(gòu)壓阻芯片3上，因此，SIMOX硅杯結(jié)構(gòu)壓阻芯片3既作彈性元件又作為敏感元件，從而簡(jiǎn)化了傳感器的結(jié)構(gòu)；由于SIMOX硅杯結(jié)構(gòu)壓阻芯片3不需要封裝在其他的彈性承載元件上，當(dāng)在高溫條件下時(shí)，就不存在因壓阻芯片與其他彈性材料的熱膨脹系數(shù)不一致而產(chǎn)生的附加熱應(yīng)力，而且壓阻芯片3直接感受被測(cè)流體的壓力，不存在中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，因而具有精度高、靈敏度好等優(yōu)點(diǎn)，適用于溫度范圍變化較大的環(huán)境。通過(guò)改變SIMOX硅杯結(jié)構(gòu)壓阻芯片3的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以制作出較寬量程范圍的傳感器，甚至超低壓傳感器。
參照?qǐng)D2，說(shuō)明本發(fā)明SIMOX耐高溫壓力傳感器芯片的制作過(guò)程，首先在600℃～650℃狀態(tài)下，在(100)單晶硅的表面通過(guò)高能氧離子注入(SIMOX)工藝，在單晶硅片表面下0.2μm深處形成0.35μm～0.45μm厚的絕緣SiO2層，尤其是在單晶硅片表面下0.2μm深處形成0.4μm厚的絕緣SiO2層；其次是通過(guò)氣相淀積(CVD)技術(shù)外延上層單晶硅厚度至1.5μm～2.5μm，特別是用氣相淀積技術(shù)外延上層單晶硅厚度至2μm；第三步是通過(guò)低壓氣相淀積(LPCVD)外延應(yīng)力氮化硅Si3N4匹配層厚度0.12μm；再以摻雜和等離子體刻蝕技術(shù)制作出凸出于SiO2隔離層表面的“浮雕式”的四個(gè)電阻，并通過(guò)鈦-鉑-金梁式引線工藝將其連接起來(lái)組成惠斯登測(cè)量電路，最后通過(guò)背面刻蝕、減薄和劃片處理形成硅杯狀結(jié)構(gòu)的SIMOX耐高溫壓力傳感器芯片。
由于經(jīng)過(guò)SIMOX工藝形成均勻一致的絕緣層二氧化硅，將上層的惠斯登單晶硅測(cè)量電路與基底硅隔離開，避免了測(cè)量電路層與硅基底之間因環(huán)境溫度升高而造成的漏電流，同時(shí)采用鈦-鉑-金梁式引線解決了傳感器在高溫條件下的引線技術(shù)問(wèn)題，提高了引線的可靠性。由于該芯片采用了“浮雕式”的電阻條，它不同于通常的硅平面工藝，電阻條單獨(dú)懸浮于表面上，消除了其他材質(zhì)(比如硅)與電阻條因材料特性不同不匹配而產(chǎn)生的負(fù)面影響，如高溫時(shí)存在附加熱應(yīng)力的問(wèn)題。同時(shí)在電路測(cè)量層上外延的Si3N4應(yīng)力匹配層消除了部分附加應(yīng)力。所以由SIMOX硅杯結(jié)構(gòu)的耐高溫壓力傳感器芯片封裝而成的壓力傳感器具有耐高溫的特性，其工作溫度可達(dá)200℃以上。
參照?qǐng)D3(a)，凸出于芯片SiO2表面的浮雕式電阻的硅杯結(jié)構(gòu)壓阻芯片由于將芯片的底部中間刻劃減薄，壓阻芯片呈倒杯狀結(jié)構(gòu)。
參照?qǐng)D3(b)，在傳感器壓阻芯片3的電路版圖設(shè)計(jì)中，SIMOX耐高溫壓力傳感器芯片惠斯登測(cè)量電橋的電阻R1，R3沿晶向[110]方向，電阻R2和R4沿晶向[110]方向，并通過(guò)鈦-鉑-金梁式引線將橋路組成的壓焊點(diǎn)8、壓焊點(diǎn)9、壓焊點(diǎn)10、壓焊點(diǎn)11、壓焊點(diǎn)12連接起來(lái)，通過(guò)壓焊點(diǎn)的壓焊引線5，實(shí)現(xiàn)了傳感器芯片內(nèi)外引線。在此種電路版圖中，由于惠斯登測(cè)量電橋的四個(gè)電阻是沿著杯狀結(jié)構(gòu)的邊緣布置，從而能最大限度地利用硅半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，提高其測(cè)量靈敏度。其中電阻條的寬度為10μm～15μm，電阻條長(zhǎng)度為600μm～900μm。
通過(guò)壓焊點(diǎn)和壓焊引線將測(cè)量電阻組成開環(huán)惠斯登電路時(shí)，壓焊點(diǎn)8引線為電源正極，壓焊點(diǎn)11和12引線為電源負(fù)極，壓焊點(diǎn)9和壓焊點(diǎn)10引線為傳感器的信號(hào)輸出。
圖4為本發(fā)明的實(shí)施效果圖，其中橫座標(biāo)表示被測(cè)壓力，縱座標(biāo)表示輸出電壓；所使用的SIMOX耐高溫壓力傳感器為外型尺寸為φ15mm×50mm；安裝接口為M12×1(單位mm)；量程為30MPa；在200℃下的使用效果為線性度0.05％FS；重復(fù)性0.02％FS；遲滯0.02％FS；供電電源5VDC或5mA；耐高溫200℃以上。
由圖可看出，傳感器的輸出電壓與被測(cè)壓力成線性關(guān)系，輸出電壓與被測(cè)壓力的變化規(guī)律符合性好，說(shuō)明了傳感器的測(cè)量精度和靈敏度較高且適應(yīng)在200℃以上的高溫環(huán)境下使用。
本發(fā)明與現(xiàn)有的傳感器相比，由于采用了被測(cè)壓力直接作用于耐高溫壓力傳感器倒杯狀電阻芯片上的結(jié)構(gòu)形式，采用了SIMOX制備方法制作的倒杯狀電阻芯片；采用了等離子體刻蝕的浮雕式測(cè)量電路以及采用鈦-鉑-金梁式引線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下的芯片內(nèi)引線等方法，制備出固態(tài)壓阻式耐高溫壓力傳感器。
該傳感器具有靈敏度高、可靠性好、精度高，量程范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，可在200℃以上等惡劣環(huán)境條件下穩(wěn)定工作。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)壓阻式耐高溫壓力傳感器，由基座[1]、壓阻芯片[3]、壓焊引線[5]、上蓋[6]及連接電纜[7]組成，其特征在于還包括有玻璃環(huán)[2]、電路轉(zhuǎn)接板[4]；上述的壓阻芯片[3]設(shè)計(jì)為倒硅杯狀結(jié)構(gòu)并裝在傳感器的玻璃環(huán)[2]上，玻璃環(huán)[2]與基座[1]連接，壓焊引線[5]通過(guò)電路轉(zhuǎn)接板[4]與連接電纜[7]連接。
2.一種固態(tài)壓阻式耐高溫壓力傳感器芯片的制作方法，其特征包括下述步驟a)、在(100)單晶硅上的表面下0.2μm深處用高能氧離子注入法形成0.35μm～0.45μm厚的絕緣SiO2層；b)、用氣相淀積技術(shù)外延上層單晶硅厚度至1.5μm～2.5μm；c)、采用低壓氣相淀積外延應(yīng)力Si3N4匹配層厚度0.12μm；d)、用摻雜和等離子體刻蝕方法制作凸出SiO2隔離層表面的橋式電路；e)、通過(guò)鈦-鉑-金梁引線法將凸出部分連接成惠斯登測(cè)量電路；f)、經(jīng)背面刻蝕、減薄和切片形成硅杯狀的壓力芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種固態(tài)壓阻式耐高溫壓力傳感器芯片的制作方法，其特征在于在單晶硅片表面下0.2μm深處注入形成0.4μm厚的絕緣SiO2層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種固態(tài)壓阻式耐高溫壓力傳感器芯片的制作方法，其特征在于用氣相淀積技術(shù)外延上層單晶硅厚度至2μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種固態(tài)壓阻式耐高溫壓力傳感器芯片的制作方法，所說(shuō)的凸出SiO2隔離層表面的橋式電路的電阻條寬度為10μm～15μm，長(zhǎng)度為600μm～900μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種固態(tài)壓阻式耐高溫壓力傳感器芯片的制作方法，其特征在于所說(shuō)的凸出表面的橋式測(cè)量電路電阻布置為沿著倒杯狀結(jié)構(gòu)芯片的邊緣處，用鈦-鉑-金梁式引線組成壓焊點(diǎn)1、壓焊點(diǎn)2、壓焊點(diǎn)3、壓焊點(diǎn)4和壓焊點(diǎn)5，并將橋路連接起來(lái)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種固態(tài)壓阻式耐高溫壓力傳感器及其制作方法，該傳感器包括基座1，玻璃環(huán)2，SIMOX硅杯結(jié)構(gòu)壓阻芯片3，電路轉(zhuǎn)接板4，壓焊引線5，上蓋6及連接電纜7；基座1與被測(cè)壓力容器或管道相連接。玻璃環(huán)2與基座1和SIMOX硅杯結(jié)構(gòu)壓阻芯片3固接在一起。SIMOX硅杯結(jié)構(gòu)壓阻芯片3既作彈性元件又作為敏感元件，從而簡(jiǎn)化了傳感器的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明由于經(jīng)過(guò)SIMOX方法制作壓阻芯片使其形成均勻一致的絕緣層二氧化硅，將上層的惠斯登單晶硅測(cè)量電路與基底硅隔離開，避免了測(cè)量電路層與硅基底之間因環(huán)境溫度升高而造成的漏電流，提高了傳感器的耐高溫能力、測(cè)量的精確度、靈敏度和可靠性。
文檔編號(hào)G01L9/06GK1514219SQ0313444
公開日2004年7月21日 申請(qǐng)日期2003年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月31日
發(fā)明者蔣莊德, 趙立波, 趙玉龍, 王立襄 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)