CN102539063B - 一种soi矩形膜结构高压传感器芯片 - Google Patents

Abstract

一种SOI矩形膜结构高压传感器芯片，包括高压传感器芯片，高压传感器芯片底面的中心区域腐蚀形成矩形膜，在高压传感器芯片的正面，沿着[110]晶向上，在矩形膜上的应力最大处布置有四个电阻条，在矩形膜外围和高压传感器芯片边缘之间布置有压焊块，电阻条和压焊块连接形成惠斯登电桥，高压传感器芯片的底部通过阳极键合技术和PYREX 7740#玻璃片键合在一起，惠斯登测量电路能够精确地反应出电阻阻值的变化，从而达到信号输出的目的，本发明具有量程大、耐高温、动态特性好、精度高、微型化、工作安全可靠、适应性强的特点。

Description

一种SOI矩形膜结构高压传感器芯片

技术领域

本发明涉及一种高压传感器芯片，特别涉及一种SOI矩形膜结构高压传感器芯片。

背景技术

随着世界石油化工行业的不断发展，针对于高压环境下的传感器的要求在不断的提高。同时，对于传感器种类的需求也在不断的增加。国内所使用的传感器绝大部分来自于国外，这些传感器不仅价格昂贵，并且在技术领域也处于保护范围内，针对中国传感器行业的技术封锁在国外的市场上已经是屡见不鲜。因此，不断的开发新型的传感器来适应当前国内市场的需求是当前传感器发展的第一要务。

石油化工等大型的工业生产针对传感器的压力量程具有很高的要求，在保证传感器的灵敏度和线性度以及精度要求的基础上，提高传感器的量程也是高压传感器设计的发展趋势。石化行业对压力变送器的需求主要集中在可靠性、稳定性和高精度3个方面。目前，高量程压力传感器普遍采用压电式、应变式、压阻式三种结构。在传感器的内部膜结构方面，传统的高压传感器大部分采用的是正方形膜结构和圆形膜结构。这些结构的传感器的加工工艺要求非常精确，使得传感器芯片在加工中的成品率受到极大的影响。同时，这些结构的传感器的量程也有很大的局限性。因此，针对于以上现有设计缺陷，本设计提出一种全新结构的矩形膜高压传感器芯片设计，以解决压阻式的高压传感器在加工工艺上的限制和量程上的局限性。本发明设计的矩形膜传感器芯片在承载高压时，在保证传感器的灵敏度和精度的同时能够承载更高的压力，对石化行业高压环境有着重要的意义。另外，增加传感器量程比能够增加压力变送器使用的灵活性，给设计和应用带来方便。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种SOI矩形膜结构高压传感器芯片，具有量程大、耐高温、动态特性好、精度高、微型化、工作安全可靠、适应性强的特点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种SOI矩形膜结构高压传感器芯片，包括高压传感器芯片1，高压传感器芯片1的背面腐蚀形成矩形膜7，在高压传感器芯片1的正面，沿着[110]晶向上，在矩形膜7上的应力最大处布置有电阻条R1、电阻条R2、电阻条R3和电阻条R4，在矩形膜7外围和高压传感器芯片1边缘之间布置有第一压焊块2，第二压焊块3，第三压焊块4，第四压焊块5，第五压焊块6，电阻条R1的一端与第五压焊块6连接，电阻条R1和电阻条R2通过一个公共的第一压焊块2连接，电阻条R2和电阻条R3通过一个公共的第二压焊块3连接，电阻条R3和电阻条R4通过一个公共的第三压焊块4连接，电阻条R4的另外一端与第四压焊块5连接，电阻条R1、电阻条R2、电阻条R3、电阻条R4形成惠斯登电桥，高压传感器芯片1的底部通过阳极键合技术和PYREX 7740#玻璃片19键合在一起。

所述的电阻条R1、电阻条R2、电阻条R3和电阻条R4均采用横向排布，左右两侧的电阻条R1、电阻条R3结构相同，上下两侧的电阻条R2、电阻条R4结构相同，电阻条R1、电阻条R3由一条以上的第一电阻条9和堵头10采用折叠分布结构连接而成，第一电阻条9之间通过堵头10连接，电阻条R1和电阻条R3的两端连接着引线接头8；电阻条R2、电阻条R4由一条以上的第二电阻条11和堵头10采用折叠分布结构连接而成，第二电阻条11之间通过堵头10连接，电阻条R2和电阻条R4的两端连接着引线接头8。

所述的高压传感器芯片1包括一个硅基底14，在硅基底14上，通过高能氧离子注入工艺形成二氧化硅隔离层15，在二氧化硅隔离层15上设有作为测量电路的电阻条R1、电阻条R2、电阻条R3和电阻条R4的SOI硅层16，在SOI硅层16上配有应力匹配氮化硅层17。

所述的高压传感器芯片1长为3000um～4000um、宽为3000um～4000um、厚为460um～525um。

所述的矩形膜7长为800um～1200um、宽为400um～600um、厚为300um～400um。

所述的第一压焊块2、第二压焊块3、第三压焊块4、第四压焊块5和第五压焊块6采用钛-铂-金(Ti-Pt-Au)梁式引线技术加工而成。

本设计提出的这种采用SOI全硅结构的新型高精度、高量程、耐高温的SOI矩形膜结构压力传感器1的特点在于，在保证了压阻式传感器的测量精度与灵敏度的同时，提高平膜传感器的压力测量范围，以及降低加工工艺的难度提高成品率。本设计将硅隔离(SOI)硅微固态压阻芯片与PYREX 7740#玻璃片19在真空环境下利用静电键合封装技术封装结合为一体，作为SOI矩形膜结构高压传感器芯片的弹性敏感单元，此设计解决了更高量程传感器设计的难题，使其的强度大大增强，可以承载一定范围能的压力。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，具有量程大(60～150MPa)、耐高温(≥200℃)、动态特性好、精度高、微型化、工作安全可靠、适应性强等特点。

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。为了确保应力分布与电阻条分布的位置关系，同时为了使参杂电阻条有着更好的一致性，本发明选择了中心分布电阻的电阻排布方式，不仅提高了压力测量量程范围，同时还保证了传感器的灵敏度与精度。由于在大于200℃的应用环境下，采用常规PN结隔离的芯片会产生漏电流的问题，所以利用由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以达到隔离高温的作用，从而使得该类芯片可用于高温环境(≥200℃)。此外，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矩形平膜结构，通过对矩形硅膜结构参数即厚度和边长的设计，特别的增大了传感器芯片的尺寸，使得传感器承载负荷的能力大幅提高，从而设计出量程为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，同时为了降低传感器在测量过程中的迟滞、重复性误差，将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矩形平膜结构上，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，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是本发明的结构示意图。

图2(a)是本发明电阻条R1、电阻条R3结构示意图。

图2(b)是本发明电阻条R2、电阻条R4结构示意图。

图3是本发明制作传感器芯片工艺膜结构图。

图4是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和图3，一种SOI矩形膜结构高压传感器芯片，包括高压传感器芯片1，高压传感器芯片1底面的中心区域腐蚀形成矩形膜7，在高压传感器芯片1的正面，沿着[110]晶向上，在矩形膜7上的应力最大处布置有电阻条R1、电阻条R2、电阻条R3和电阻条R4，在矩形膜7外围和高压传感器芯片1边缘之间布置有第一压焊块2，第二压焊块3，第三压焊块4，第四压焊块5，第五压焊块6，电阻条R1的一端与第五压焊块6连接，电阻条R1和电阻条R2通过一个公共的第一压焊块2连接，电阻条R2和电阻条R3通过一个公共的第二压焊块3连接，电阻条R3和电阻条R4通过一个公共的第三压焊块4连接，电阻条R4的另外一端与第四压焊块5连接，电阻条R1、电阻条R2、电阻条R3、电阻条R4形成惠斯登电桥，第三压焊块3接至电源恒压源5V正极，第五压焊块5和第六压焊块6在做完传感器零位补偿后短接一起作为电桥电源的负极，第二压焊块2和第四压焊块4为惠斯登测量电路的信号输出端，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，从而测得高压环境下的压力值，高压传感器芯片1的底部通过阳极键合技术和PYREX 7740#玻璃片19键合在一起。

所述的电阻条R1、电阻条R2、电阻条R3和电阻条R4均采用横向排布，左右两侧的电阻条R1、电阻条R3结构相同，上下两侧的电阻条R2、电阻条R4结构相同，参照图2(a)，电阻条R1、电阻条R3由一条以上的第一电阻条9和堵头10采用折叠分布结构连接而成，第一电阻条9之间通过堵头10连接，电阻条R1和电阻条R3的两端连接着引线接头8；参照图2(b)，电阻条R2、电阻条R4由一条以上的第二电阻条11、第三电阻条13、第四电阻条12和堵头10采用折叠分布结构连接而成，与左侧电阻条R1和右侧电阻条R3中的单条电阻条9一致，第二电阻条11、第三电阻条13、第四电阻条12之间通过堵头10连接，电阻条R2和电阻条R4的两端连接着引线接头8，在所有的电阻条的折叠处增加了堵头10，以减小电阻条之间的跨导，从而降低的电阻条的纵向效应。

所述的高压传感器芯片1长为3000um～4000um、宽为3000um～4000um、厚为460um～525um。

所述的矩形膜7长为800um～1200um、宽为400um～600um、厚为300um～400um。

所述的第一电阻条9的长为50um、宽为10um，第二电阻条11的长为142um、宽为10um，第四电阻条12的长为25um、宽为10um，第三电阻条13的长为50um、宽为10um。

所述的第一压焊块2、第二压焊块3、第三压焊块4、第四压焊块5和第五压焊块6采用钛-铂-金(Ti-Pt-Au)梁式引线技术加工而成，此设计可以使电阻条之间有良好的欧姆接触，并使得传感器芯片在高温环境下外引线的可靠性大大提高。

参照图3，所述的高压传感器芯片1包括一个硅基底14，在硅基底14上，通过高能氧离子注入工艺形成二氧化硅隔离层15，在二氧化硅隔离层15上设有作为测量电路的电阻条R1、电阻条R2、电阻条R3和电阻条R4的SOI硅层16，在SOI硅层16上配有应力匹配氮化硅层17。

本发明的工作原理为：

参照图4，集成在硅膜片(100)工作晶面上惠斯登电桥的两臂电阻18，即电阻条R1、电阻条R2、电阻条R3和电阻条R4在外界压力P的作用下产生变化时，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、电阻条R2、电阻条R3和电阻条R4，纵向应力均为σ_l＝σ_y，横向应力均为σ_t＝σ_x，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：

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

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

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。

由于横向电阻条分布在正应力区，纵向电阻条分布在负应力区，两个应力区的应力大小相等，但是方向相反，所以电阻的变化相反，使得电阻R₁、R₂、R₃和R₄所组成的惠斯登测量电路能够精确地反应出电阻阻值的变化，从而达到信号输出的目的。

Claims (4)

1.一种SOI矩形膜结构高压传感器芯片，包括高压传感器芯片（1），其特征在于：高压传感器芯片（1）的背面腐蚀形成矩形膜（7），在高压传感器芯片（1）的正面，沿着[110]晶向上，在矩形膜（7）上的应力最大处布置有电阻条R1、电阻条R2、电阻条R3和电阻条R4，在矩形膜（7）外围和高压传感器芯片（1）边缘之间布置有第一压焊块（2）、第二压焊块（3）、第三压焊块（4）、第四压焊块5和第五压焊块（6），电阻条R1的一端与第五压焊块（6）连接，电阻条R1和电阻条R2通过一个公共的第一压焊块（2）连接，电阻条R2和电阻条R3通过一个公共的第二压焊块（3）连接，电阻条R3和电阻条R4通过一个公共的第三压焊块（4）连接，电阻条R4的另外一端与第四压焊块（5）连接，电阻条R1、电阻条R2、电阻条R3、电阻条R4形成惠斯登电桥，高压传感器芯片（1）的底部通过阳极键合技术和PYREX7740#玻璃片（19）键合在一起；

所述的高压传感器芯片（1）长为3000um～4000um、宽为3000um～4000um、厚为460um～525um；

所述的矩形膜（7）长为800um～1200um、宽为400um～600um、厚为300um～400um。

2.根据权利要求1所述的一种SOI矩形膜结构高压传感器芯片，其特征在于：所述的电阻条R1、电阻条R2、电阻条R3和电阻条R4均采用横向排布，左右两侧的电阻条R1、电阻条R3结构相同，上下两侧的电阻条R2、电阻条R4结构相同，电阻条R1、电阻条R3由一条以上的第一电阻条（9）和堵头（10）采用折叠分布结构连接而成，第一电阻条（9）之间通过堵头（10）连接，电阻条R1和电阻条R3的两端连接着引线接头（8）；电阻条R2、电阻条R4由一条以上的第二电阻条（11）和堵头（10）采用折叠分布结构连接而成，第二电阻条（11）之间通过堵头（10）连接，电阻条R2和电阻条R4的两端连接着引线接头（8）。

3.根据权利要求1所述的一种SOI矩形膜结构高压传感器芯片，其特征在于：所述的高压传感器芯片（1）包括一个硅基底（14），在硅基底（14）上，通过高能氧离子注入工艺形成二氧化硅隔离层（15），在二氧化硅隔离层（15）上设有作为测量电路的电阻条R1、电阻条R2、电阻条R3和电阻条R4的SOI硅层（16），在SOI硅层（16）上配有应力匹配氮化硅层（17）。

4.根据权利要求1所述的一种SOI矩形膜结构高压传感器芯片，其特征在于：所述的第一压焊块（2）、第二压焊块（3）、第三压焊块（4）、第四压焊块（5）和第五压焊块（6）采用钛-铂-金（Ti-Pt-Au）梁式引线技术加工而成。

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