CN102980712B - 一种具有自封装结构的贴片式单电阻压阻式压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种具有自封装结构的贴片式单电阻压阻式压力传感器，涉及一种压力传感器。设芯片主体、压敏电阻、连接锚点、金属层、镶嵌电路、印刷电路板、电极、锡钎焊和压力腔；芯片主体设带空腔的玻璃晶圆片和硅薄膜，玻璃晶圆片与硅薄膜通过阳极键合结合；压敏电阻设在硅薄膜下表面，金属层溅射在连接锚点上，连接锚点与金属层形成欧姆接触，镶嵌电路分别与压敏电阻和连接锚点相连接，镶嵌电路设于玻璃晶圆片表面上，电极设于印刷电路板上，芯片上的铜电极由锡钎焊与电极连接并组成惠斯登电桥；压敏电阻通过键合界面引出电极与外界焊盘实现电连接，镶嵌电路将密封的压力腔内的信号输出至外部电路。高可靠性且适用于潮湿、酸碱、静电等恶劣环境。

Description

一种具有自封装结构的贴片式单电阻压阻式压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，尤其是涉及一种具有自封装结构的贴片式单电阻压阻式压力传感器。

背景技术

在传感器的各应用领域中，温度、流量、压力、位置是最常见的测试参数。在各类传感器中，因压力传感器可广泛用于压力、高度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制，它已成为传感器技术最成熟、性能比稳定的一类传感器。根据工作原理的不同，压力传感器可以分为机械膜片电容式、硅膜片电容式、压电式、压阻式、光纤式、声表面波式、霍尔效应式压力传感器等。压阻式压力传感器以其结构简单、输出信号大、信号处理简单等优点得到人们的青睐。然而，尽管压阻式压力传感器已经是一种很成熟的商业化产品，但作为其核心的MEMS压阻式压力传感器芯片有以下三个问题影响了压力传感器的可靠性应用：

1）芯片上组成惠斯通电桥的四个压敏电阻的一致性差

在传统硅压阻式压力传感器中，惠斯登电桥中的四个压敏电阻都制作在传感器芯片的敏感薄膜上，由于四个电阻无法制备成完全一样，导致零点漂移，甚至负偏压的产生，使放大器无法正常工作。为了解决上述问题，部分学者通过匹配外电路电阻使电压值处于放大器的有效放大区间。虽然这种方法一定程度上解决了负电压产生的问题，但是由于批量生产的不稳定性，每个传感器所需的外电路电阻均不相同，需要大量的人力物力来匹配这些电阻，大大增加了生产成本。

2）压敏电阻易受到外界环境的污染和腐蚀

在传统硅压阻式压力传感器中，由于自作工艺的限制，压敏电阻及其电桥连接电路通常排布在硅膜外表并暴露在外界环境中。器件在工作过程中，由于外界环境酸碱物质、静电颗粒、粉尘等对压敏电阻的影响，易导致器件性能和使用寿命大打折扣。为了提高器件在恶劣环境下的可靠性，目前商业化普遍采用的是压力变送的封装技术W.P.Eaton,J.H.Smith,“Micromachined pressure sensors:review and recent developments”,Smart Mater.Struct.Vol.6pp.530-539,1997.，即将压力传感器芯片封装于充满硅油的密闭结构中，外加压力从不锈钢膜片通过硅油传递到压力传感器芯片上。但是，硅油化学稳定和耐温性能不够好，长期在高温下工作会发生变化，其分解的化学成分里面有小颗粒的导电物质,这种物质可能会穿过芯片的钝化层破坏芯片或者介入扩散电阻条中间,形成短路或污染，造成传感器高温输出信号不稳定,这些问题的存在将影响传感器的长期可靠性。此外，在一些气压传感器中，例如汽车轮胎压力传感器，为了保护薄膜上面的压敏电阻，在封装时用硅胶包裹压力传感芯片，以隔绝测试气体的影响。这种方案不仅增加了制造成本，而且温度的变化会引起硅胶的膨胀或收缩，进而影响压力传感器输出的灵敏度和稳定性。

3）传感器芯片与外电路连接的压焊金丝易受环境的振动而断裂或脱落

传统的硅压阻式压力传感器在封装时，通过压焊金丝或铝丝与外电路电极连接。由于焊盘面积小，压焊金属丝极细，易导致在振动环境中焊丝断裂或脱落现象。如果增大焊盘面积并采用锡钎焊技术连接电路，必须增大传感器尺寸，导致晶圆上制备的传感器数量减少，因而成本增加。

发明内容

本发明的目的是提供高可靠性且适用于潮湿、酸碱、静电等恶劣环境下的一种具有自封装结构的贴片式单电阻压阻式压力传感器。

本发明设有芯片主体、压敏电阻、连接锚点、金属层、镶嵌电路、印刷电路板、电极、锡钎焊和压力腔；所述芯片主体设有带空腔的玻璃晶圆片和硅薄膜，所述玻璃晶圆片与硅薄膜通过阳极键合结合；

所述压敏电阻设在硅薄膜下表面，金属层溅射在连接锚点上，连接锚点与金属层形成欧姆接触，镶嵌电路分别与压敏电阻和连接锚点相连接，镶嵌电路设于玻璃晶圆片表面上，电极设于印刷电路板上，芯片上的铜电极由锡钎焊与电极连接并组成惠斯登电桥；所述压敏电阻通过键合界面引出电极与外界焊盘实现电连接，镶嵌电路将密封的压力腔内的信号输出至外部电路。

所述芯片主体可采用杯状结构。

在方形硅薄膜靠近边缘中间最大应力区，且压阻系数为正的最大的晶向方向制作一个压敏电阻。

所述压敏电阻可单独作为压力传感器使用，或者与外电路的三个固定阻值电阻连接组成一个惠斯登电桥来敏感压力变化。压敏电阻位于芯片的硅薄膜的下表面，通过阳极键合将该压敏电阻密封在密闭腔内。

硅薄膜是由绝缘体上硅SOI晶圆片减薄而成。

玻璃片键合面的内表面镶嵌有金属电极；SOI晶圆片键合面的内表面镶嵌有金属电极；

采用锡钎焊技术将具有自封装结构的贴片式压阻压力传感器芯片与外电路基板连接在一起。

本发明所述的具有自封装结构的贴片式压阻压力传感器芯片，其惠斯登电桥有且只有一个压敏电阻制作在芯片的敏感薄膜上。传感器可单独作为压力传感器使用，或者与外电路的三个固定阻值电阻组成一个完整的惠斯登电桥电路，使输出的电压值控制在放大器的工作区间，因此大大降低了生产成本和次品率。

本发明所述的具有自封装结构的贴片式压阻压力传感器芯片，把压敏电阻安置在敏感薄膜下表面，并通过阳极键合技术把它封装在密闭环境里面。通过键合面上预埋的电极把内部电信号传输到外部电路，形成一个完整的压阻式压力传感器。该器件的设计结构保证了敏感单元与外界恶劣环境的隔离，使压敏电阻不被外界酸碱环境、静电颗粒、粉尘等恶劣条件的影响，极大地提高了器件使用的可靠性和稳定性。

此外，本发明所述的压力传感器具有较大的焊盘面积，可采用锡钎焊技术代替金丝压焊技术，实现传感器与外电路基板的贴片式焊接连接，大大提高了传感器的电连接的可靠性，降低了封装成本。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为图1的局部放大图。

图3为图1的A-A剖视图。

图4为图1的B-B剖视图。

具体实施方式

如图1~4所示，本发明实施例设有芯片主体、压敏电阻2、连接锚点3、金属层4、镶嵌电路5、印刷电路板7、电极8、锡钎焊9和压力腔11；所述芯片主体设有带空腔的玻璃晶圆片6和硅薄膜1，所述玻璃晶圆片6与硅薄膜1通过阳极键合结合；

所述压敏电阻2设在硅薄膜1下表面，金属层4溅射在连接锚点3上，连接锚点3与金属层4形成欧姆接触，镶嵌电路5分别与压敏电阻2和连接锚点3相连接，镶嵌电路5设于玻璃晶圆片6表面上，电极8设于印刷电路板7上，芯片上的铜电极由锡钎焊9与电极8连接并组成惠斯登电桥；所述压敏电阻2通过键合界面引出电极与外界焊盘10实现电连接，镶嵌电路5将密封的压力腔11内的信号输出至外部电路。

所述芯片主体可采用杯状结构。

在方形硅薄膜靠近边缘中间最大应力区，且压阻系数为正的最大的晶向方向制作一个压敏电阻。

所述压敏电阻可单独作为压力传感器使用，或者与外电路的三个固定阻值电阻连接组成一个惠斯登电桥来敏感压力变化。压敏电阻位于芯片的硅薄膜的下表面，通过阳极键合将该压敏电阻密封在密闭腔内。

硅薄膜是由绝缘体上硅SOI晶圆片减薄而成。

玻璃片键合面的内表面镶嵌有金属电极；SOI晶圆片键合面的内表面镶嵌有金属电极；

采用锡钎焊技术将具有自封装结构的贴片式压阻压力传感器芯片与外电路基板连接在一起。

本发明通过SOI晶圆片和玻璃晶圆片阳极键合而成，实现该芯片的工艺主要分为三个部分。它们分别为阳极键合前SOI晶圆片和玻璃晶圆片上的工艺流程，以及SOI晶圆片和玻璃晶圆片阳极键合后的工艺流程。

SOI晶圆片主要有以下几步工艺：

第一，对SOI晶圆片的器件层进行P型高掺杂，浓度要求在10¹⁹cm^-3以上，制作连接锚点3及在压敏电阻横向区域13进行高掺杂，如图3所示。

第二，对SOI晶圆片的器件层进行离子注入，注射离子注入剂量Φ=4~8×10¹⁴/cm²，注射能量为80~200KeV，制作压敏电阻2。为了与外界形成搭接，特意设计了注射区域12。该区域比较宽，因此电阻比较小，其作用相当于是导线。如图3所示。

第三，在连接锚点3上溅射金属，并进行合金化退火，使金属层4与连接锚点3形成欧姆接触。

玻璃晶圆片上的主要工艺是：

第一，腐蚀压力空腔。首先在玻璃晶圆片6上溅射或蒸镀一层金属铬，然后涂胶、曝光、显影，以上述金属为掩膜层腐蚀玻璃晶圆片6得到5~50μm深的压力腔11。

第二，在玻璃晶圆片上镶嵌铝电极。在玻璃晶圆片6上腐蚀凹槽，并用溅射或者蒸镀的方法沉积一层金属将凹槽填满。然后用lift-off工艺将多余的金属去除，得到一个相对比较平整的金属、玻璃平面。留在玻璃晶圆片6表面的金属即为镶嵌电路5，它将与压敏电阻2、连接锚点3相连接。该镶嵌电极5将密封腔内的信号输出到外部电路。

阳极键合及后续工艺：

第一，通过阳极键合工艺将SOI晶圆片和玻璃晶圆片6键合在一起，键合条件为：电压600~1000V，温度250~400℃，真空度为10^-4~10^-7Pa。

第二，以SOI晶圆片中的掩埋氧化硅层为刻蚀停止层，通过湿法或者干法刻蚀工艺刻蚀SOI晶圆片的衬底层，留下SOI晶圆片的器件层作为压力传感器的硅薄膜1。

第三，在SOI晶圆片的器件层上采用先湿法腐蚀，再干法刻蚀的工艺刻蚀引线孔，以玻璃晶圆片6上的镶嵌电路5为干法刻蚀停止层。

第四，刻蚀完成后，在暴露出来的铝电极上利用溅射或者蒸镀的方法沉积一层铜金属来制作焊盘10。将阵列器件放入划片机中进行裂片，得到单个器件。利用锡钎焊9将压阻式压力传感器芯片上的铜电极与印刷电路板7上的电极8进行连接，组成一个完整的惠斯登电桥。

如图1所述芯片主体为杯状结构，所述芯片主体设有带空腔的玻璃晶圆片6和硅薄膜；硅薄膜下表面设有一个压敏电阻；玻璃晶圆片6与硅薄膜通过阳极键合结合；压敏电阻通过键合界面引出电极与外界焊盘实现电连接；

在方形硅薄膜靠近边缘中间最大应力区，且压阻系数为正的最大的晶向方向制作一个压敏电阻。

所述压敏电阻可单独作为压力传感器使用，或者与外电路的三个固定阻值电阻连接组成一个惠斯登电桥来敏感压力变化。压敏电阻位于芯片的硅薄膜的下表面，通过阳极键合将该压敏电阻密封在密闭腔内。

硅薄膜是由绝缘体上硅SOI晶圆片减薄而成。

玻璃片键合面的内表面镶嵌有金属电极；SOI晶圆片键合面的内表面镶嵌有金属电极；

采用锡钎焊技术将具有自封装结构的贴片式压阻压力传感器芯片与外电路基板连接在一起。

Claims (4)

1.一种具有自封装结构的贴片式单电阻压阻式压力传感器，包括芯片主体、压敏电阻、连接锚点、镶嵌电路、印刷电路板、电极和压力腔，芯片主体设有带空腔的玻璃晶圆片和硅薄膜，玻璃晶圆片与硅薄膜通过阳极键合结合；压敏电阻设在硅薄膜的下表面，镶嵌电路分别与压敏电阻和连接锚点相连接，镶嵌电路设于玻璃晶圆片表面上，Al电极设于印刷电路板上，通过溅射和弹射过程从键合界面引出Al电极，四个压敏电阻连接组成惠斯登电桥，压敏电阻通过键合界面引出电极与外界焊盘实现电连接，镶嵌电路将密封的压力腔内的信号输出至外部电路；其特征在于，还设有金属层和锡钎焊；所述金属层溅射在连接锚点上，连接锚点与金属层形成欧姆接触；所述芯片主体采用杯状结构。

2.如权利要求1所述的一种具有自封装结构的贴片式单电阻压阻式压力传感器，其特征在于所述硅薄膜由绝缘体上硅SOI晶圆片减薄而成。

3.如权利要求1所述的一种具有自封装结构的贴片式单电阻压阻式压力传感器，其特征在于所述玻璃晶圆片键合面的内表面镶嵌有金属电极。

4.如权利要求2所述的一种具有自封装结构的贴片式单电阻压阻式压力传感器，其特征在于所述SOI晶圆片键合面的内表面镶嵌有金属电极。