CN102980692B - 一种高温耐冲击压力传感器及其制备方法 - Google Patents

一种高温耐冲击压力传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温耐冲击压力传感器及其制备方法，该传感器包括金属套管以及套在金属套管内的芯体，芯体与金属套管的连接部分设有螺纹，芯体与金属套管通过螺纹加激光焊接的方式连接在一起；芯体包括圆柱状的壳体，在壳体的上端设置有水平凹槽，水平凹槽内设有SOI芯片；壳体内设置有引线电极，SOI芯片的压焊点电极通过金丝与壳体的引线电极连接；壳体的引线电极引出为内引线，该内引线通过夹具连接至外引线。该压力传感器将扩散硅PN结隔离工艺设计方案改进为绝缘层隔离SOI工艺方案。使其温度可达300℃，解决了PN结隔离因高温下漏电流过大而使传感器无法工作问题。

Description

一种高温耐冲击压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种压力传感器，尤其是一种高温耐冲击压力传感器及其制备方法。
背景技术
现有技术中，传感器制作是利用集成电路工艺，在N型硅片上扩散进P型杂质，在两者接触面上形成PN结，再以一系列工序，做成惠斯顿电桥，用以感受压力。再通过焊锡，将内外引线焊接，再用螺纹加胶接方式进行各部件的装配。用此工艺制作的传感器，由于是PN结隔离，随着温度升高，漏电流增大，以至性能严重恶化，其极限温度是125℃。再是引线焊接，通用焊锡温度168℃，高温焊锡说是300~400℃，实际到250℃就熔化了，另外，就是装配问题，利用胶接和螺纹方式，在高温和强烈振动的环境中，胶粘剂就会炭化，螺纹就会松动，从而引起传感器失效。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高温耐冲击压力传感器及其制备方法，该压力传感器将扩散硅PN结隔离工艺设计方案改进为绝缘层隔离SOI工艺方案。使其温度可达300℃，解决了PN结隔离因高温下漏电流过大而使传感器无法工作问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
这种高温耐冲击压力传感器，包括金属套管以及套在金属套管内的芯体，所述芯体与金属套管的连接部分设有螺纹，芯体与金属套管通过螺纹加激光焊接的方式连接在一起；所述芯体包括圆柱状的壳体，在所述壳体的上端设置有水平凹槽，所述水平凹槽内设有SOI芯片；所述壳体内设置有引线电极，所述SOI芯片的压焊点电极通过金丝与壳体的引线电极连接；壳体的引线电极引出为内引线，该内引线通过夹具连接至外引线。
上述壳体的下部设置有环形凹槽；壳体的内部设置有内引线通道。
上述金属套管的一端设置有外螺纹，金属套管中部通过套设并固定有螺母。
上述SOI芯片是采用集成电路平面工艺技术，在弹性膜的应力极值区内制造四个桥路电阻，组成一个惠斯顿电桥，四个桥路电阻采用SOI材料组成；电阻材料为单晶硅或多晶硅，各电阻之间通过绝缘层隔离开，在电学性能上完全独立。
本发明还提出一种上述高温耐冲击压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备金属套管
根据金属套管的形状加工；
（2）制备芯体
1）加工壳体
按照壳体的结构进行加工；
2）加工SOI芯片
SOI芯片按照以下步骤进行：
①采用氧离子注入SIMOX技术，在硅衬底表面热氧化生成SIO2作为隔离层；
②基于CVD技术，在SIO2薄层上淀积多晶硅；
③刻蚀出电阻图形，作为测量压力的检测电路；
④抗高温力敏结构设计及压阻力敏芯片与钛-铂-金引线压焊点工艺实施；
⑤采用表面微机械加工技术，进行SOI固态浮雕式压阻力敏芯片制作及7740玻璃的键合工艺实施；
3）组装芯体
将壳体与SOI芯片焊接组成芯体；
（3）总组装
将芯体插入金属套管内，先用螺纹拧紧，然后进行激光焊接使其牢固连接。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
与现有技术相比，在使用温度上，绝缘层隔离的SOI敏感元件使用温度超过了扩散硅PN结隔离敏感元件极限温度的200%100。扩散硅极限温度125℃（一般60℃左右性能较好，125℃性能近乎失效），SOI极限温度300℃，（一般使用在200~250℃）。并提高了高温环境下，随机轴向、径向两个方向振动和冲击的可靠性。通过随机轴向、径向两个方向振动实验:均方根值18.46Grms/2min  ；冲击轴向、径向两个方向复杂波形试验：容差±6dB。试验前后相比，外观无异常现象，性能可靠。并去掉了焊锡焊接这道工序，减少了焊锡内铅对操作者及环境的污染。接线方法和结构的改进，提高了传感器在高温、振动、冲击环境下使用的可靠性。
附图说明
图1为本发明芯体A抽出金属套管B的结构示意图；
图2为本发明完整装配后结构示意图；
图3为本发明的芯体A结构剖视图；
图4为本发明SOI芯片的等效电路图；
图5为本发明SOI芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1-3，本发明的高温耐冲击压力传感器，包括金属套管B以及套在金属套管B内的芯体A，芯体A与金属套管B的连接部分设有螺纹，芯体A与金属套管B通过螺纹加激光焊接的方式连接在一起；芯体A包括圆柱状的壳体1，在壳体1的上端设置有水平凹槽4，水平凹槽4内设有SOI芯片2；壳体1内设置有引线电极，SOI芯片2的压焊点电极通过金丝3与壳体1的引线电极连接；壳体1的引线电极引出为内引线8，该内引线8通过夹具7连接至外引线9。壳体1的下部设置有环形凹槽5。壳体1的内部设置有内引线通道。金属套管B的一端设置有外螺纹E，金属套管B中部通过套设并固定有螺母D。
如图4和图5所示，本发明的SOI芯片2是采用集成电路平面工艺技术，在弹性膜的应力极值区内制造四个桥路电阻，组成一个惠斯顿电桥，四个桥路电阻采用SOI材料组成；电阻材料为单晶硅或多晶硅，各电阻之间通过绝缘层隔离开，在电学性能上完全独立。
本发明还提出一种上述高温耐冲击压力传感器的制备方法，具体按照以下步骤进行：
（1）制备金属套管B
根据金属套管B的形状加工；
（2）制备芯体A
1）加工壳体1
按照壳体1的结构进行加工；
2）加工SOI芯片2
SOI芯片2按照以下步骤进行：
①采用氧离子注入SIMOX技术，在硅衬底表面热氧化生成SIO2作为隔离层；
②基于CVD技术，在SIO2薄层上淀积多晶硅；
③相关的双面光刻技术、LPCVD（Low pressure ChemicalVapor Deposition）技术及等离子刻蚀RIE(Reactive IonEtching)技术，刻蚀出电阻图形，作为测量压力的检测电路；
④抗高温力敏结构设计及压阻力敏芯片与钛-铂-金引线压焊点工艺实施；
⑤采用表面微机械加工技术，进行SOI固态浮雕式压阻力敏芯片制作及7740玻璃的键合工艺实施；
3）组装芯体A
将壳体1与SOI芯片2焊接组成芯体A；
（3）总组装
将芯体A插入金属套管B内，先用螺纹拧紧，然后进行激光焊接使其牢固连接。
综上所述，本发明为了解决传感器敏感元件耐高温问题，将扩散硅PN结隔离工艺设计方案改为绝缘层隔离SOI工艺方案。使其温度可达300℃，解决了PN结隔离因高温下漏电流过大而使传感器无法工作问题；传感器各部件的装配采用螺纹加激光焊接方案，解决了单纯的激光焊接或胶接在高温及强烈冲击和振动的环境中开裂、脱焊和泄露问题；内外引线用金属环夹紧的方式，解决了焊锡焊接因温度过冲而起的焊锡熔化使传感器检测失效问题。

Claims (2)

1.一种高温耐冲击压力传感器，其特征在于，包括金属套管(B)以及套在金属套管(B)内的芯体(A)，所述芯体(A)与金属套管(B)的连接部分设有螺纹，芯体(A)与金属套管(B)通过螺纹加激光焊接的方式连接在一起；所述芯体(A)包括圆柱状的壳体(1)，在所述壳体(1)的上端设置有水平凹槽(4)，所述水平凹槽(4)内设有SOI芯片(2)；所述壳体(1)内设置有引线电极，所述SOI芯片(2)的压焊点电极通过金丝(3)与壳体(1)的引线电极连接；壳体(1)的引线电极引出为内引线(8)，该内引线(8)通过夹具(7)连接至外引线(9)；壳体(1)的下部设置有环形凹槽(5)；壳体(1)的内部设置有内引线通道；所述金属套管(B)的一端设置有外螺纹(E)，金属套管(B)中部通过套设并固定有螺母(D)；所述SOI芯片(2)是采用集成电路平面工艺技术，在弹性膜的应力极值区内制造四个桥路电阻，组成一个惠斯顿电桥，四个桥路电阻采用SOI材料组成；电阻材料为单晶硅或多晶硅，各电阻之间通过绝缘层隔离开，在电学性能上完全独立。
2.一种权利要求1所述高温耐冲击压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备金属套管(B)
根据金属套管(B)的形状加工；
(2)制备芯体(A)
1)加工壳体(1)
按照壳体(1)的结构进行加工；
2)加工SOI芯片(2)
SOI芯片(2)按照以下步骤进行：
①采用氧离子注入SIMOX技术，在硅衬底表面热氧化生成SIO2作为隔离层；
②基于CVD技术，在SIO2薄层上淀积多晶硅；
③刻蚀出电阻图形，作为测量压力的检测电路；
④抗高温力敏结构设计及压阻力敏芯片与钛-铂-金引线压焊点工艺实施；
⑤采用表面微机械加工技术，进行SOI固态浮雕式压阻力敏芯片制作及7740玻璃的键合工艺实施；
3)组装芯体(A)
将壳体(1)与SOI芯片(2)焊接组成芯体(A)；
(3)总组装
将芯体(A)插入金属套管(B)内，先用螺纹拧紧，然后进行激光焊接使其牢固连接。
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