CN100561156C - Soi全硅结构充硅油耐高温压力传感器 - Google Patents

Abstract

SOI全硅结构充硅油耐高温压力传感器，包括一配置有空腔的基座4，基座4空腔上依次配置有波纹膜片7和压环5，电极1通过玻璃绝缘子2与基座4相固接，基座4空腔内还配置一(100)晶面的全硅SOI压力芯片9，全硅SOI压力芯片9在真空环境下与PYREX7740玻璃6通过静电键合封接在一起，基座4空腔中充填有高温硅油13，全硅SOI压力芯片9上的压焊块与电极1之间通过超声热压焊用金丝8连接，解决了高温环境下测量大量程压力的难题，同时具有动态特性好、耐高温(≥200℃)、精度高、量程大(60～150MPa)、微型化、工作安全可靠、适应性强的特点。

Description

SOI全硅结构充硅油耐高温压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种SOI全硅结构充硅油、高量程、耐高温压力传感器。

背景技术

目前，高量程压力传感器普遍采用压电式、应变式或压阻式结构原理。压电式压力传感器的输出信号为电荷变化量，因此后续的信号处理电路比较繁琐且压电式压力传感器不适合在高温环境下使用，而且不具有高过载保护的能力。采用金属应变片作为敏感元件的高量程压力传感器，该种传感器存在的最大缺点就是输出信号太小，且在高温环境下，温度对金属应变片的变形影响比较大，影响传感器的输出，不适用于高温环境。压阻式压力传感器中，最常用的传感器结构为充硅油全硅压力传感器和干式压阻式压力传感器，而充硅油全硅压阻式压力传感器，普遍采用PN节隔离技术，导致其工作温度最高达到80℃左右，且由于全硅压力芯片结构的影响，压力量程最高在40MPa以下；干式压阻式压力传感器，尽管采用了耐高温的一些隔离措施和技术，具有耐高温和高量程的特点，但由于受到传感器封装结构的影响，如梁膜式、膜片式等结构导致传感器在高压测量时，具有较大的线行、迟滞等静态误差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种SOI全硅结构充硅油高精度、高量程的耐高温压力传感器，采用静电键合封装技术将硅隔离(SOI)硅微固态压阻芯片与PYREX7740玻璃片在真空环境下封装结合为一体作为全硅结构的压力传感器的弹性敏感单元，解决了高温环境下测量大量程压力的难题，同时采用高温充硅油技术，用波纹片和高温硅油将被测量介质隔离开来，具有动态特性好、耐高温(≥200℃)、精度高、量程大(60～150MPa)、微型化、工作安全可靠、适应性强的特点。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明包括一配置有空腔的基座4，基座4空腔上依次配置有波纹膜片7和压环5，电极1通过玻璃绝缘子2与基座4相固接，基座4空腔内还配置一(100)晶面的全硅SOI压力芯片9，全硅SOI压力芯片9在真空环境下与PYREX7740玻璃6通过静电键合封接在一起，基座4空腔中充填有高温硅油13，全硅SOI压力芯片9上的压焊块与电极1之间通过超声热压焊用金丝8连接。

所说的全硅SOI压力芯片9上沿着[110]晶向在应力最大处布置有电阻条R1、R2、R3和R4，电阻条R1的一端与压焊块15连接，电阻条R1和R2通过一公共的压焊块16连接，电阻条R2和R3通过一公共的压焊块17连接，电阻条R3和R4通过一公共的压焊块18连接，电阻条R4的另外一端与压焊块19连接。压焊块15、16、17、18或19采用钛-铂-金(Ti-Pt-Au)梁式引线技术，亦即与电阻条接触的金属为钛，中间的阻挡扩散金属为铂，外界梁金属为金，三者的厚度比为500∶500∶3000(单位

)。

所说的SOI压阻电阻条R1、R2、R3或R4包括一多折结构的浮雕压敏电阻条20及与之一端相连接的梁式引线21，梁式引线21采用钛-铂-金(Ti-Pt-Au)引线技术，亦即与电阻条接触的金属为钛，中间的阻挡扩散金属为铂，外界梁金属为金，三者的厚度比为500∶500∶3000(单位)，实现浮雕压敏电阻条20与金丝8之间的电气连接。

全硅SOI压力芯片9的SOI膜结构包括一硅基底26，在硅基底26上，通过高能氧离子注入工艺形成二氧化硅隔离层22，其厚度为0.375um；在二氧化硅隔离层22上有作为测量电路压阻条的SOI硅层24，其厚度为1.6um；在SOI硅层24上配有应力匹配氮化硅层25，其厚度0.1um。全硅SOI压力芯片9为正方形结构，全硅SOI压力芯片9的厚度为标准硅片厚度值0.525mm，全硅SOI压力芯片9外形尺寸的边长设计为2mm，背腔边长尺寸设计为1mm，背腔深度加工尺寸为0.15mm。

由于本发明的全硅结构电路转换元件是采用MEMS技术和SOI技术中的SIMOX技术制作的浮雕式硅微固态压阻芯片，由SIMOX技术制作的SiO₂层将芯片内的测量电路层与硅基底隔离开来，解决了在大于200℃的应用环境下因采用常规pn结隔离的芯片产生漏电路的问题，因而该类芯片可用于高温环境(≥200℃)。另外高量程高温压力传感器的弹性元件及敏感元件采用全硅结构正方形平膜结构，通过对正方形硅膜结构参数即厚度和边长的设计，可设计出量程为60～150MPa的高量程压力传感器。由于半导体硅的良好的机械特性，同时作为传感器转换电路的压阻惠斯登测量电桥集成制造在全硅结构正方形平膜结构上，这样传感器的弹性和敏感元件与转化电路之间集成为一体，大大降低了传感器在测量过程中的迟滞、重复性误差，从而提高传感器的测量精度，可以广泛适用与石油测井、工业自动化、动力装备以及国防研究等领域的高温、高压下高精度压力测量的需要。

附图说明

图1为本发明充硅油的SOI压力测量传感器结构原理图。

图2为本发明未充硅油的SOI压力测量传感器结构原理图。

图3为本发明机械结构件之间的装配关系图。

图4为本发明SOI全硅敏感元件结构图。

图5为本发明SOI压阻电阻结构图。

图6为本发明的测量原理图。

图7为SOI膜结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理做详细说明。

参照图1、图2和图3，本发明包括一配置有空腔的基座4，基座4的空腔与一销钉孔3^/相连通，基座4空腔上依次配置有波纹膜片7和压环5，波纹膜片7、压环5以及基座4之间通过激光焊接连接在一起，电极1通过玻璃绝缘子2与基座4相固接，基座4空腔内还配置一(100)晶面的全硅SOI压力芯片9，全硅SOI压力芯片9在真空环境下与PYREX7740玻璃6通过静电键合封接在一起，高温硅油13在真空的环境下通过销钉孔3^/充填于基座4空腔中，充填完硅油后，将销钉3铆入销钉孔3^/，实现硅油的密封，全硅SOI压力芯片9上的压焊块与电极1之间通过超声热压焊用金丝8连接。另外，电极1与基座4之间配置有绝缘套11，其作用是实现电极1与基座4之间的电气绝缘；与传感器电极1连接并固定在基座4上配置有补偿板12，其主要功能实现传感器零位温度漂移和灵敏度温度漂移的补偿，提高传感器工作的稳定性；传感器基座4上配置有O型密封圈10，其主要是本发明的传感器芯体与其它结构连接时起密封作用；补偿电路板12间配置有引线14，其主要实现传感器与外接电路的连接。

参照图4，所说的全硅SOI压力芯片9上沿着[110]晶向在应力最大处布置有电阻条R1、R2、R3和R4，电阻条R1的一端与压焊块15连接，电阻条R1和R2通过一公共的压焊块16连接，电阻条R2和R3通过一公共的压焊块17连接，电阻条R3和R4通过一公共的压焊块18连接，电阻条R4的另外一端与压焊块19连接。压焊块的作用就是通过金丝球焊实现芯片内与芯片外的引线，为保证压焊块与电阻条之间有良好的欧姆接触和传感器芯片在高温环境下外引线的可靠性，压焊块采用钛-铂-金(Ti-Pt-Au)梁式引线技术，亦即与电阻条接触的金属为钛，中间的阻挡扩散金属为铂，外界梁金属为金，三者的厚度比为500∶500∶3000(单位)。由电阻条R1、R2、R3和R4组成惠斯登测量电路时，压焊块17至电源恒压源5V正极或恒流源正极，压焊块15和19做完传感器零位补偿后短接一起为电桥的电源的负极，压焊块16和18为惠斯登测量电路的信号输出端。

所说的SOI压阻电阻条R1、R2、R3和R4形状结构如图5所示，其包括一浮雕压敏电阻条20及与之一端相连接的梁式引线21，为提高电阻条的压阻效应和提高传感器灵敏度，浮雕压敏电阻条20的结构设计成多折结构，本发明实施例中折数为5折。梁式引线21采用钛-铂-金(Ti-Pt-Au)引线技术，亦即与电阻条接触的金属为钛，中间的阻挡扩散金属为铂，外界梁金属为金，三者的厚度比为500∶500∶3000(单位

)，实现浮雕压敏电阻条20与金丝8之间的电气连接。

图6为本发明的测量原理图，被测量压力作用于波纹膜片7，通过高温硅油13将压力传递给全硅SOI压力芯片9，全硅SOI压力芯片9的硅膜片上受到通过高温硅油13传递来的压力，压力导致硅膜片产生弹性形变，硅膜片最大应力区域在形变下产生应力，应力导致硅膜上浮雕压敏电阻条20发生变化。全硅SOI压力芯片9上硅隔离二氧化硅层22将浮雕压敏电阻条20与全硅SOI压力芯片9的基底隔离开来。为实现高压下全硅结构的压力测量，本发明涉及的全硅SOI压力芯片9的结构中，全硅SOI压力芯片9的厚度为标准硅片厚度值0.525mm，正方形芯片外形尺寸的边长设计为2mm，背腔边长尺寸设计为1mm，背腔深度加工尺寸为0.15mm。在真空环境下，PYREX7740玻璃片6与全硅SOI压力芯片9通过静电键合工艺封接在一起，实现真空腔23与压力介质的隔离。集成在硅膜片(100)工作晶面上惠斯登电桥的两臂电阻R₁、R₂、R₃、R₄产生变化时，其变化率ΔR/R的正负变化由应力差的正负变化来实现。对于R₁、R₃，纵向应力σ_l＝σ_y，横向应力σ_t＝σ_x；对于R₂、R₄，纵向应力σ_l＝σ_x，横向应力σ_t＝σ_y。纵向压阻系数π_l＝1/2π₄₄，横向压阻系数π_t＝-1/2π₄₄，发生应变时，惠斯登电桥上各电阻阻值变化率分别为：

$\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1}=\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3}=\frac{1}{2}{\mathrm{\π}}_{44}({\mathrm{\σ}}_y-{\mathrm{\σ}}_x)---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{\ΔR}}_2}{R_2}=\frac{{\mathrm{\ΔR}}_4}{R_4}=\frac{1}{2}{\mathrm{\π}}_{44}({\mathrm{\σ}}_x-{\mathrm{\σ}}_y)---\left(2\right)$

其中：σ_y，σ_x分别为弹性元件测量点处纵向和横向的应力。

由四臂电阻构成的惠斯登电桥能灵敏地反映应力所导致的电阻变化；又能有效地消除扩散电阻本身的不均匀性及电阻温度系数的影响。惠斯登测量电桥在恒定电源激励下，输出和压力P的大小成正比的电信号，从而测得高温流体的压力值。

如图7所示为加工SOI全硅压力传感器所需的膜结构，膜结构厚度525um，全硅SOI压力芯片9的SOI膜结构包括一硅基底26，在硅基底26上，通过高能氧离子注入工艺形成二氧化硅隔离层22，其厚度为0.375um；在二氧化硅隔离层22上有作为测量电路压阻条的SOI硅层24，其厚度为1.6um；在SOI硅层24上配有应力匹配氮化硅层25，其厚度0.1um。

本发明提供以下一个实施例：

硅应变固态压阻芯片外形尺寸：2.0mm×2.0mm×1.0mm；

充硅油压力传感器结构：ф13和ф19

压力量程：100MPa；

灵敏度：≥0.6mv/με；

应变极限：≥3000με；

电源：5VDC；

工作温度：-40～350℃；

疲劳寿命：≥10⁷次。

Claims (1)

1、SOI全硅结构充硅油耐高温压力传感器，包括一配置有空腔的基座(4)，基座(4)空腔上依次配置有波纹膜片(7)和压环(5)，电极(1)通过玻璃绝缘子(2)与基座(4)相固接，基座(4)空腔内还配置一100晶面的全硅SOI压力芯片(9)，全硅SOI压力芯片(9)在真空环境下与PYREX7740玻璃(6)通过静电键合封接在一起，基座(4)空腔中充填有高温硅油(13)，全硅SOI压力芯片(9)上的压焊块与电极(1)之间通过超声热压焊用金丝(8)连接，其特征是，所说的全硅SOI压力芯片(9)为正方形结构，全硅SOI压力芯片(9)的厚度为标准硅片厚度值0.525mm，全硅SOI压力芯片(9)外形尺寸的边长设计为2mm，背腔边长尺寸设计为1mm，背腔深度加工尺寸为0.15mm。

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