CN101694409A - Soi机油压力传感器的全硅压力芯片制造方法 - Google Patents

Abstract

SOI机油压力传感器的全硅压力芯片制造方法，涉及传感器中全硅压力芯片技术领域。先采用高能氧离子注入技术在N型单晶硅表面

下形成

厚的氧化物埋层二氧化硅；在硅表面用气相淀积技术淀积单晶硅和用低压气相淀积技术淀积

的一层氮化硅；在晶面沿[110]晶向和[10]晶向分别光刻出四个电阻条R₁、R₂、R₃和R₄；采用等离子体刻蚀技术刻掉电阻条图形以外的氮化硅和单晶硅；在四个电阻条R₁、R₂、R₃和R₄之间分别连接压焊块，以构成由电阻条R₁、R₂、R₃和R₄组成的惠斯登测量电路。本发明工艺精准，配合在高精度、高频响的耐高温压力传感器上，能够保证较高的测量灵敏度的同时，满足高温环境的测量要求。

Description

SOI机油压力传感器的全硅压力芯片制造方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是高精度、高频响的耐高温压力传感器中全硅压力芯片技术领域。

背景技术

目前，我国石化行业，汽车动力装备等行业大量使用液压传感器。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。汽车产业自建国以来作为我国大力发展的重点，并且当今世界汽车行业向高智能方向发展的趋势，因此作为汽车内部对油压测量的压力传感器的设计制作及产业化的问题至关重要。

目前，油压压力传感器普遍采用压电式、应变式、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只能达到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；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，具有较大的线性、迟滞等静态误差。

鉴于汽车机油内部的复杂环境，普通的单晶硅材料及金属材料作为制作材料基底无法满足在高温，振动情况下对液压测量的精确性。

克服上述现有技术的缺点，必须设计一种高精度、高频响的耐高温压力传感器。

设计出的传感器设有绝缘基座，基座内设有轴向空腔，在基座内固定连接两个电路转接板，在基座的一个外端通过玻璃环固定连接全硅压力芯片。

以上传感器将硅隔离(SOI)硅微固态压阻芯片与玻璃环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压力的难题，因而该类芯片可用于高温环境(≥200℃)。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硅正方形平膜结构上，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。并且将平膜敏感芯片与玻璃环倒封，提高传感器的固有频率。

发明内容

本发明的目的在于发明一种与上述设计相适配的全硅压力芯片。

本发明包括以下步骤：

1)先采用高能氧离子注入技术在N型单晶硅表面

下形成

厚的氧化物埋层二氧化硅；

2)在硅表面用气相淀积技术淀积单晶硅和用低压气相淀积技术淀积

的一层氮化硅；

3)在晶面沿[110]晶向和[110]晶向分别光刻出四个电阻条R₁、R₂、R₃和R₄；

4)采用等离子体刻蚀技术刻掉电阻条图形以外的氮化硅和单晶硅；

5)在四个电阻条R₁、R₂、R₃和R₄之间分别连接压焊块，以构成由电阻条R₁、R₂、R₃和R₄组成的惠斯登测量电路。

本发明工艺精准，配合在高精度、高频响的耐高温压力传感器上，由于形成了均匀一致的绝缘层二氧化硅，将上层的惠斯登单晶硅测量电路与基底硅隔离开，避免了测量电路层与硅基底之间因环境温度升高而造成的漏电流，本发明的浮雕式惠斯登测量电路能够保证较高的测量灵敏度的同时，满足高温环境的测量要求。另外压力传感器的敏感元件采用平膜结构，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0～500KPa的压力传感器。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硅正方形平膜结构上，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。本发明产品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、高频下高精度压力测量的需要。

另，本发明所述压焊块为钛-铂-金梁式引线结构，其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。本发明同时采用钛-铂-金梁式引线解决了传感器高温引线技术问题，所以由传感器芯片封装而成的压力传感器具有更好的耐高温的特性。

所述压焊块中钛、铂、金的厚度比为1∶1∶6。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明形成的惠斯登测量电路原理图。

图3为本发明的断面结构示意图。

具体实施方式

如图1，在本发明的全硅压力芯片上，沿着[110]晶向布置有电阻条R₁和R₄，沿[110]晶向布置有电阻条R₂和R₃，电阻条R₁和R₂通过公共的压焊块2连接，电阻条R₃和R₄通过公共的压焊块3连接。压焊块1、4、5、6分别与电阻条R₁、R₄、R₃和R₂的另一端相连。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，亦即与硅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，压焊块1和5短接在一起至电源正极5V，压焊块4和6短接在一起与电源地连接，焊接块2和3为电桥的输出端。

如图2所示，由四臂电阻构成的惠斯登测量电路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。在此检测电路下，即可测量出与之相对应的拉力、张力、位移、扭矩、压力等。

如图3所示，本发明制作工艺：首先在N型(100)单晶硅片上，用高能氧离子注入(SIMOX)技术在硅表面

下形成约

厚的氧化物埋层二氧化硅。接着在硅表面用气相淀积技术淀积厚度约为1.2μm厚的单晶硅和用低压气相淀积(LPCVD)技术淀积

的一层氮化硅。接着在(100)晶面沿[110]晶向和[110]晶向光刻出惠斯登电桥的四个电阻条R₁、R₂、R₃和R₄。采用等离子体刻蚀(RIE)技术刻掉电阻条图形以外的氮化硅和单晶硅，得到浮雕式电阻条的惠斯登测量电路。这样得到SIMOX技术的硅隔离的传感器芯片。并通过钛-铂-金梁式引线工艺将其连接起来组成惠斯登测量电路。为提高传感器芯片的测量灵敏度，传感器的背面需减薄至约180μm，最后经过划片切片即得所设计的硅微应变固态压阻传感器。

Claims (3)

1.SOI机油压力传感器的全硅压力芯片制造方法，其特征在于包括以下步骤：

1)先采用高能氧离子注入技术在N型单晶硅表面

下形成

厚的氧化物埋层二氧化硅；

2)在硅表面用气相淀积技术淀积单晶硅和用低压气相淀积技术淀积

的一层氮化硅；

3)在晶面沿[110]晶向和[l10]晶向分别光刻出四个电阻条R₁、R₂、R₃和R₄；

4)采用等离子体刻蚀技术刻掉电阻条图形以外的氮化硅和单晶硅；

5)在四个电阻条R₁、R₂、R₃和R₄之间分别连接压焊块，以构成由电阻条R₁、R₂、R₃和R₄组成的惠斯登测量电路。

2.根据权利要求1所述SOI机油压力传感器的全硅压力芯片制造方法，其特征在于所述压焊块为钛-铂-金梁式引线结构，其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。

3.根据权利要求2所述SOI机油压力传感器的全硅压力芯片制造方法，其特征在于所述压焊块中钛、铂、金的厚度比为1∶1∶6。

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