CN101672710A - 梁膜结合微压传感器 - Google Patents

Abstract

梁膜结合微压传感器，包括一基座4，基座4空腔内配置一(100)晶面的全硅微压芯片5，所说的全硅微压芯片5的硅片的正面腐蚀形成相互垂直的梁11和梁11’，在硅片背面腐蚀形成平膜10，梁11和梁11’与硅片四周的梁共同构成一“田”字梁，形成梁膜结构，被测量压力作用于全硅微压芯片5的背面，其硅膜片产生应力，导致梁上的电阻发生变化，从而测出压力值，本发明使得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，从而提高了传感器的测量精度；可以广泛适用于石油测井、工业自动化、动力装备以及国防研究等领域。

Description

梁膜结合微压传感器

技术领域

本发明涉及一种微压传感器，特别涉及一种梁膜结合微压传感器。

背景技术

目前，我国石化行业大量使用微压传感器。这些传感器来源的绝大多数依靠进口，不仅价格昂贵，而且，由于不具有自主知识产权，很有可能暗藏潜在威胁。压力传感器性能的提高可以通过压力传感器结构的改进促进突破，从平膜结构到岛膜结构再到梁膜结构，这些结构的改进都是以提高传感器的性能为目的，但是各种结构都有不同程度的优缺点。平膜结构应用普遍，适用于中高量程的压力传感器，如汽车轮胎的胎压测试，油压测试等。当采用平膜结构进行小量程压力应用时需要膜片腐蚀得很薄，从而提高传感器的灵敏度；但此时膜的承压面发生拉伸形变，即产生较大的挠度，而使传感器机械性能的非线性明显变大。因此，用平膜结构来制作微压传感器是不理想的。为了解决挠度问题，提出在平膜背面附加厚的质量块，就是一般所谓的岛膜结构，在多种岛膜结构中以美国Endevcoo公司在1977年提出的双岛结构最为流行，通过增加的硬心来提高传感器的线性。然而在提高线性减少挠度的基础上牺牲了传感器的灵敏度，就不得不通过增加传感器尺寸来弥补，此外力敏电阻是制作在膜上的，考虑到电阻掺杂结深问题，因此膜的厚度就有一定的下限限制；另外电阻是从硅片正面放在应力集中区的，而应力集中区是由背面岛的位置、硅片厚度与腐蚀深度等因素决定，难以精确地控制；此外，硬心相对于膜片具有相当的质量，容易受到加速度信号的干扰影响信号输出。复旦大学在1989年提出的专为微压传感器而设计的梁膜结构，它可以看作成为是一个正面的哑铃形梁叠加在平膜上的结构，美国的Honeywell公司在1992年和德国的柏林技术大学(TUB)在1993年相继地提出了类似的在正面进行浅腐蚀，以实现应力集中的量程为1kPa级的微压压力传感器结构。这种梁膜结构使压强作用在膜上的力就会传递到梁上，但是膜片中心的变形即最大挠度会影响传感器信号输出的线性度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种梁膜结合微压传感器，采用各项异性腐蚀技术及干法刻蚀技术形成“田”字形结构，采用静电键合封装技术将“田”字形结构压阻芯片与PYREX7740玻璃环封装结合为一体作为全硅结构的微压传感器的弹性敏感单元，达到应力集中、提高传感器灵敏度、降低传感器挠度、提高输出线性度的作用。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：梁膜结合微压传感器，包括一配置有空腔的基座4，基座4的空腔与基座4上的进气孔9相连通，基座4空腔内配置有带孔的玻璃环2和电路转接板1，玻璃环2的孔与进气孔9对准用环氧树脂胶相粘，电路转接板1与基座4通过环氧树脂胶牢固粘接，基座4空腔内还配置一【100】晶面的全硅微压芯片5，全硅微压芯片5与玻璃环2通过静电键合封接在一起，全硅微压芯片5上的压焊块12、13、14、15和16与电路转接板1上的焊盘7之间通过超声热压焊用金丝6连接，并将引线8引出。

所说的全硅微压芯片5包括一硅片，在硅片的正面腐蚀形成相互垂直的梁11和梁11’，在硅片背面腐蚀形成平膜10，梁11和梁11’与硅片四周的梁共同构成一“田”字梁，形成梁膜结构。

所说的全硅微压芯片5的梁11和梁11’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12连接，电阻条R1和R4通过一公共的压焊块16连接，电阻条R3和R4通过一公共的压焊块15连接，电阻条R2和R3通过一公共的压焊块14连接，电阻条R2的另外一端与压焊块13连接。

由电阻条R1、R2、R3和R4组成惠斯通测量电路时，压焊块15至电源恒压源5V正极或恒流源1.5mA正极，压焊块12和13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14和16为惠斯登测量电路的信号输出端。

压焊块12、13、14、15、16采用钛-铂-金(Ti-Pt-Au)梁式引线技术，亦即与电阻条R1、R2、R3和R4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150∶300∶1500(单位

)。

所说的电阻条R1、R2、R3或R4形状结构设计成两折或两折以上的结构。

由于本发明的“田”字形结构在国内外是首次提出，针对于此提出了相应的结构设计方案及制作工艺流程便于今后批量化生产的要求。通过调整梁尺寸来调整传感器的机械性能，优化传感器输出；针对“田”字形的特殊结构，设计相应的压敏电阻结构，使压敏电阻充分感应应力，电阻布置在最大应力区即梁的四端，由于此处为梁膜结合处，尺寸较厚，因此避免了受到掺杂电阻结深问题的影响；通过对一对电阻进行不等长电阻条结构设计，避免电阻条间距很近导致引线间距过窄而引起短路的问题。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“田”字梁上，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微压下高精度，高灵敏度压力测量的需要。通过各项异性腐蚀及干法刻蚀工艺，在硅膜片上形成“田”字形梁，梁膜结构起到应力集中作用，提高传感器的灵敏度，解决了测量微小量程压力的难题；同时该“田”字形结构交叉处增加了厚度，提高膜片中心的刚度，可以降低传感器的挠度变形，使传感器输出更加线性，解决传感器线性输出问题；由于梁膜结构相比岛膜结构不存在硬心质量块，避免了传感器容易受振动即加速度信号的干扰，提高了传感器抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图2为本发明的全硅微压芯片5的结构原理图，其中，图2(a)是俯视图，图2(b)是A-A’视图。

图3为本发明的工艺版图。

图4为本发明的电阻条R1、R2、R3或R4的结构图；其中，图4(a)是一个实施例；图4(b)是另一个实施例。

图5为本发明的测量原理图。

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，本发明包括一配置有空腔的基座4，基座4的空腔与基座4上的进气孔9相连通，基座4空腔内依次配置有电路转接板1，电路转接板1与基座4通过环氧树脂胶牢固粘接，基座4空腔内还配置一(100)晶面的全硅微压芯片5，全硅微压芯片5与PYREX7740玻璃环2通过静电键合封接在一起，玻璃环的孔2与进气孔9对准用环氧树脂胶相粘，全硅微压芯片5上的压焊块12、13、14、15和16与电路转接板1上的焊盘7之间通过超声热压焊用金丝6连接，并将引线8引出。基座4上配置有O型密封圈3，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。

参照图2，所说的全硅微压芯片5包括一硅片，在硅片的正面腐蚀形成相互垂直的梁11和梁11’，在硅片背面腐蚀形成平膜10，具体实施例是：在400um厚的n型硅片背面腐蚀形成40um厚，2900um宽的平膜，再从400um厚的n型硅片的正面刻蚀20um形成具有20um厚，210um宽的相互垂直的梁11和梁11’，梁11和梁11’与硅片四周的梁共同构成一“田”字梁，形成梁膜结构，达到应力集中，并且在膜片变形最大的中心处增加刚度，降低挠度变形，提高传感器线性输出。

参照图3，所说的全硅微压芯片5的梁11和梁11’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12连接，电阻条R1和R4通过一公共的压焊块16连接，电阻条R3和R4通过一公共的压焊块15连接，电阻条R2和R3通过一公共的压焊块14连接，电阻条R2的另外一端与压焊块13连接。压焊块12、13、14、15、16的作用就是通过金丝球焊实现芯片内与芯片外的引线连接，为保证压焊块12、13、14、15、16与电阻条R1、R2、R3和R4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，通过给引线孔中溅射Pt金属并合金化获得低接触电阻，压焊块12、13、14、15、16采用钛-铂-金(Ti-Pt-Au)梁式引线技术，亦即与电阻条R1、R2、R3和R4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150∶300∶1500(单位

)。由电阻条R1、R2、R3和R4组成惠斯通测量电路时，压焊块15至电源恒压源5V正极或恒流源1.5mA正极，压焊块12和13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14和16为惠斯登测量电路的信号输出端。

所说的电阻条R1、R2、R3或R4形状结构如图4中的电阻条18所示，为提高电阻条的压阻效应和提高传感器灵敏度，电阻条18的结构设计成两折或两折以上的结构，本发明实施例中折数为4折。电阻条19、20是为了使布置引线时保证引线间距，避免短路问题而做的电阻条结构调整，在保证电阻条总长度不变的情况下，适当的将电阻条分别增加5um形成电阻条19及20。梁式引线17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150∶300∶1500(单位)，实现电阻条18与金丝6之间的电气连接。

图5为本发明的测量原理图，被测量压力通过壳体4的引压孔9及玻璃环2的玻璃孔21，作用于全硅微压芯片5的背面，全硅微压芯片5的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，应力导致梁11、11’上的R1、R2、R3和R4发生变化。为实现微压下全硅结构的压力测量，本发明涉及全硅微压芯片5的结构中，全硅微压芯片5的厚度为标准硅片厚度值400um，正方形芯片外形尺寸的边长设计为4300um，背腔边长尺寸设计为3410um，背腔深度加工尺寸为360um，玻璃孔21尺寸为2000um。PYREX7740玻璃环2与压力芯片5通过静电键合工艺封接在一起。集成在硅膜片【100】工作晶面上惠斯通电桥的两臂电阻条R₁、R₂、R₃、R₄的电阻产生变化时，其变化率Δr/r的正负变化由应力差的正负变化来实现。对于电阻条R₁、R₃，纵向应力σ_l＝σ_y，横向应力σ_t＝σ_x；对于电阻条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，惠斯通电桥上电阻条R₁、R₂、R₃、R₄的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；r₁、r₂、r₃、r₄分别为电阻条R₁、R₂、R₃、R₄的电阻；Δr₁、Δr₂、Δr₃、Δr₄分别为电阻条R₁、R₂、R₃、R₄的电阻变化值。

由四臂电阻构成的惠斯通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。惠斯通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，从而测得微压压力值。

本发明提供以下一个实施例：

压力传感器芯片：4.3mm×4.3mm×0.4mm；

压力量程：10KPa；

灵敏度：≥7.0359mV/KPa；

精度：≤0.5％

应变极限：≥3000με；

电源：1.5mA/5V DC；

工作温度：-40～100℃；

疲劳寿命：≥10⁷次。

Claims (5)

1、梁膜结合微压传感器，包括一配置有空腔的基座(4)，基座(4)的空腔与基座(4)上的进气孔(9)相连通，基座(4)空腔内配置有带孔的玻璃环(2)和电路转接板(1)，玻璃环(2)的孔与进气孔(9)对准用环氧树脂胶相粘，电路转接板(1)与基座(4)通过环氧树脂胶牢固粘接，基座(4)空腔内还配置一【100】晶面的全硅微压芯片(5)，全硅微压芯片(5)与玻璃环(2)通过静电键合封接在一起，全硅微压芯片(5)上的压焊块(12、13、14、15)和(16)与电路转接板(1)上的焊盘(7)之间通过超声热压焊用金丝(6)连接，并将引线(8)引出，其特征在于，所说的全硅微压芯片(5)包括一硅片，在硅片的正面腐蚀形成相互垂直的梁(11)和梁(11’)，在硅片背面腐蚀形成平膜(10)，梁(11)和梁(11’)与硅片四周的梁共同构成一“田”字梁，形成梁膜结构。

2、根据权利要求1所说的梁膜结合微压传感器，其特征在于，所说的全硅微压芯片(5)的梁(11)和梁(11’)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(12)连接，电阻条(R1)和(R4)通过一公共的压焊块(16)连接，电阻条(R3)和(R4)通过一公共的压焊块(15)连接，电阻条(R2)和(R3)通过一公共的压焊块(14)连接，电阻条(R2)的另外一端与压焊块(13)连接。

3、根据权利要求2所说的梁膜结合微压传感器，其特征在于，所说的电阻条(R1、R2、R3)和(R4)组成惠斯通测量电路时，压焊块(15)至电源恒压源5V正极或恒流源1.5mA正极，压焊块(12)和(13)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(14)和(16)为惠斯登测量电路的信号输出端。

4、根据权利要求2或3所说的梁膜结合微压传感器，其特征在于，所说的压焊块(12、13、14、15、16)采用钛-铂-金(Ti-Pt-Au)梁式引线技术，亦即与电阻条(R1、R2、R3)和(R4)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150∶300∶1500(单位

)。

5、根据权利要求2或3所说的梁膜结合微压传感器，其特征在于，所说的所说的电阻条(R1、R2、R3)或(R4)形状结构设计成两折或两折以上的结构。

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