CN104215362A - 压阻式高过载压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压阻式高过载压力传感器及制造方法，涉及压阻式压力传感器领域，它解决了测量时存在的过载能力差、体积大、可靠性差的缺点。该压阻式高过载压力传感器从上至下由玻璃-硅-玻璃三层结构键合而成，中间主芯片层划分为抗过载区和传感区，敏感电阻分别布置在形变最大区内，最大应变区和键合区交叉不重合，上层键合玻璃的键合区与抗过载区重合，在超过形变的时候抗过载区的玻璃框架就变成了限位框架。利用压阻效应原理，在工作时提高芯片的抗过载能力和可靠性。

Description

压阻式高过载压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及电子行业传感器技术领域，尤其涉及一种压阻式高过载压力传感器及其制作方法。

背景技术

压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成并应用于压力、拉力、压力差的测量和控制。其原理为单晶硅材料在受到力的作用后，晶体中的晶格产生变形，引起内部载流子的迁移率发生变化，从而使硅的电阻率发生变化，通过捕捉、测量这些变化就可得到正比于压力变化的电信号输出。

压力传感器通常是要求工作在规定的量程范围内，但在实际现场工作环境中可能会遇到导致压力传感器所处的压力超过传感器量程范围的情况。在实际应用中遇到压力相对较高的情况时，需要压力传感器不能被损坏，性能不能变差，这就要求所使用的压力传感器必须具有良好的抗过载能力。常见的压力传感器产品以硅-玻璃结构为主，而压力测试系统以及其他一些应用场合往往需要面对超过工作范围10倍以上的情况，目前多数压力传感器不具备限位功能，因而会导致过载过程中产品失效的缺点。

发明内容

为了解决目前压力传感器在测量时都存在的抗过载能力差、可靠性差、体积大的缺点，本发明提供了一种压阻式高过载压力传感器及其制造方法，

以提高压阻式压力传感器的抗过载能力和可靠性，同时缩小压阻式压力传感器的整体尺寸。

根据本发明的一个方面，提供了一种压阻式高过载压力传感器，该传感器从上至下由玻璃-硅-玻璃三层结构，其中上层玻璃设有绝压腔和过载限位；中间为主芯片层，主芯片设有抗过载区和传感区；下层玻璃设有引压孔；上层玻璃的键合区与主芯片的抗过载区重合，主芯片的最大应变区与键合区交叉不重合，敏感电阻分别布置在最大应变区内，在超过形变的时候抗过载区的玻璃框架就变成了限位框架。

所述的玻璃-硅-玻璃三层结构通过阳极键合组合一起

所述的上层玻璃的绝压腔通过强碱腐蚀形成

所述的上层玻璃通过划片露出表面电极；

所述的中间主芯片层为硅衬底形成的C型硅杯

所述的中间主芯片层经过强碱各向异性腐蚀，形成敏感膜区，并将组成惠斯通电桥的敏感电阻分别安置在最大应变区内；

所述的下层玻璃的引压孔是通过机械方法进行打孔形成，

根据本发明的另一个方面，还提供了一种压阻式高过载压力传感器的制备方法，其制备步骤如下

步骤一：对N型单晶硅片进行清洗和一次氧化和氮化硅沉积，在N型单晶硅片的上下表面分别生成二氧化硅层和氮化硅层；

步骤二：通过干法刻蚀与湿法腐蚀相结合去除N型单晶硅片的上表面的二氧化硅层和氮化硅层；

步骤三：对N型单晶硅片进行清洗和一次氧化，在N型单晶硅片的上表面生成上层二氧化硅层；

步骤四：根据传感区内周围的保护环位置对上层二氧化硅层进行光刻形成保护环区注入孔；并通过大束流注入机向保护环区注入孔内的N型单晶硅片上注入磷，形成保护环区；

步骤五：根据传感区内敏感电阻的欧姆接触区对上层二氧化硅进行光刻形成欧姆接触区注入孔，通过大束流注入机向欧姆接触区注入孔内的N型单晶硅片上注入硼，形成欧姆接触区；

步骤六：去除N型单晶硅上表面上的所有二氧化硅层

步骤七：根据传感区内的压阻位置对上层N型单晶硅硅层进行光刻形成压阻区注入孔,通过大束流注入机向压阻区注入孔内的N型单晶硅片上注入硼，形成压力传感器的压敏电阻。

步骤八：进行氧化退火，形成二氧化硅绝缘层

步骤九：根据对过欧姆接触区、过载区进行光刻、腐蚀，形成欧姆接触孔和键合区。

步骤十：对上层进行溅射铝

步骤十一：通过光刻形成光刻胶掩膜，刻蚀裸露出来的铝，形成铝引线和电极；

步骤十二：根据传感区所对应的硅杯腐蚀位置对N型单晶硅片下表面进行光刻，形成下表面硅杯腐蚀区，并用干法刻蚀和湿法腐蚀相结合，去除裸露部分的氮化硅层和二氧化硅层，露出硅杯腐蚀区。

步骤十三：通过强碱对硅杯腐进行湿法腐蚀，形成硅杯结构

步骤十四：根据键合位置对上层玻璃进行光刻，通过强酸进行腐蚀，形成绝压腔

步骤十五：根据键合位置用机械打孔设备对下层玻璃进行打孔，形成引压孔

步骤十六：使用真空键合机进行玻璃-硅-玻璃键合

步骤十七：通过划片机高度进行划片，使其电极部分露出。

步骤十八：最后进行封装、压焊和性能测试

本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明采用硅微机械加工技术研制的压阻式高过载压力传感器，将限位原理与传感器设计相结合，通过采用玻璃-硅-玻璃三层结构的键合而成。上层玻璃的键合区与主芯片的抗过载区重合，在超过形变的时候抗过载区的玻璃框架就变成了限位框架，这样上层玻璃的键合区域可有效地控制形变范围，使压阻式压力传感器在过载工作时不会发生失效甚至破碎；

2、敏感电阻分别布置在主芯片的最大应变区，主芯片的最大应变区又和键合区交叉不重合，这样可以使压阻式压力传感器不会因为外界压力超限影响的测量精度。

3、本发明压阻式高过载压力传感器可在不影响传感器工作范围内精度的同时又提高了其抗过载性能，同时又能缩小压阻式压力传感器的整体尺寸，使压阻式压力传感器具有抗过载能力强，可靠性高，体积小的特点。

附图说明

图1为压阻式高过载压力传感器的结构示意图

图2为压阻式高过载压力传感器的俯视图

图3为执行压阻式高过载传感器制备步骤一一次氧化与氮化硅沉积示意图

图4为执行压阻式高过载传感器制备步骤二去除上表面二氧化硅与氮化硅示意图

图5为执行压阻式高过载传感器制备步骤三上表面生成二氧化硅示意图

图6为执行压阻式高过载传感器制备步骤四示意图

图6A为形成保护环区侧视图，图6B为形成保护环区俯视图

图7为执行压阻式高过载传感器制备步骤五示意图

图7A为形成欧姆接触区侧视图，图7B为形成欧姆接触区俯视图

图8为执行压阻式高过载传感器制备步骤六去除上层所有二氧化硅示意图

图9为执行压阻式高过载传感器制备步骤七形成压敏电阻示意图

图9A为形成压敏电阻侧视图，图9B为形成压敏电阻俯视图

图10为执行压阻式高过载传感器制备步骤八氧化退火形成二氧化硅层示意图

图11为执行压阻式高过载传感器制备步骤九形成欧姆接触孔和键合区示意图

图11A为形成欧姆接触孔和键合区侧视图，图11B形成欧姆接触孔和键合区俯视图

图12为执行压阻式高过载传感器制备步骤十溅射铝示意图

图13为执行压阻式高过载传感器制备步骤十一形成铝引线和电极示意图

图13A为形成铝引线和电极侧视图，图13B为形成铝引线和电极俯视图

图14为执行压阻式高过载传感器制备步骤十二形成硅杯腐蚀窗口示意图

图14A为形成硅杯腐蚀窗口侧视图，图14B为形成硅杯腐蚀窗口俯视图

图15为执行压阻式高过载传感器制备步骤十三形成硅杯示意图

图16为执行压阻式高过载传感器制备步骤十四上层玻璃形成绝压腔示意图

图17为执行压阻式高过载传感器制备步骤十五下层玻璃形成引压孔示意图

图18为执行压阻式高过载传感器制备步骤十六进行玻璃-硅-玻璃键合示意图

图19为执行压阻式高过载传感器制备步骤十七划片露出示意图

图20为压阻式高过载传感器压敏电阻位置示意图

图21为压阻式高过载传感器内部惠斯通电桥示意图

主要元件符号说明

1-上层玻璃

2-中间主芯片层

3-下层玻璃层

4-绝压腔

5-硅杯

6-引压孔

7-表面电极

8-氮化硅层

9-二氧化硅层

10-磷保护环区

11-硼欧姆接触区

12-硼压敏电阻

13-欧姆接触孔

14-键合区

15-铝引线

16-硅杯腐蚀窗口

17-压敏电阻

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或者说明书描述中，相似或相同的部分都是用相同的图号。且在附图中，实施例的形状或者厚度可以扩大，并以简化或是方便标示。附图中未绘示或描述的元件或者实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另，虽然文本可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种压阻式高过载压力传感器。图1为本发明实施例压阻式高过载压力传感器的结构示意图。图2为本发明实施例压阻式高过载压力传感器的俯视图。

如图1所示，本实施例压阻式高过载压力传感器从上至下由玻璃-硅-玻璃三层结构键合组成，其中上层玻璃1设有绝压腔4和过载限位；中间层为主芯片部分，主芯片设有抗过载区和传感区，主芯片为硅衬底形成的C型硅杯5；下层玻璃设有引压孔6；上层玻璃的键合区与主芯片的抗过载区重合，主芯片的最大应变区和键合区交叉不重合，敏感电阻分别布置在形变最大区内。

上层玻璃通过氢氧化钾腐蚀形成绝压腔4，绝压腔腐蚀深度为50～100um。与中间层主芯片进行阳极键合，并通过划片露出表面电极7；

中间层主芯片部分经过氢氧化钾各向异性腐蚀，形成敏感膜区，并将组成惠斯通电桥的敏感电阻分别安置在最大应变区内；

下层玻璃的通过机械方法进行打孔形成引压孔6，孔直径为0.5mm，下层玻璃与中间层主芯片是通过阳极键合，实现三层键合结构的压阻式高过载压力传感器。

在本发明的另一个示例性实施例中，提出上述压阻式高过载压力传感器的制备方法：该方法包括以下步骤：

步骤一：对N型单晶硅片进行清洗和一次氧化和氮化硅沉积，在N型单晶硅片的上下表面分别生成二氧化硅层9厚度为200nm和氮化硅层8厚度为100nm，如图3所示；

步骤二：通过干法刻蚀和湿法腐蚀相结合祛除N型单晶硅片的上表面的二氧化硅层9和氮化硅层8，如图4所示；

步骤三：对N型单晶硅片进行清洗和一次氧化，在N型单晶硅片的上表面生成二氧化硅层9厚度为50nm，如图5所示；

步骤四：根据传感区内周围的保护环对上层二氧化硅层进行光刻形成注入孔；并通过大束流注入机对保护环区的注入孔内N型单晶硅片注入剂量为4el5～6el5、注入能量为80kev的磷，形成保护环区10，如图6所示；

步骤五：根据传感区内敏感电阻的欧姆接触区对上层二氧化硅层进行光刻形成欧姆接触区注入孔；并通过大束流注入机对欧姆接触区的注入孔内N型单晶硅片注入剂量为4el5～6el5、注入能量为80kev的硼，形成欧姆接触区11，如图7所示；

步骤六：去除N型单晶硅片上表面上的所有上层二氧化硅层9厚度50nm，如图8所示；

步骤七：根据传感区的压阻位置对上层N型单晶硅硅层进行光刻形成压阻区注入孔；通过大束流注入机对压阻区的注入孔内N型单晶硅片注入剂量为4el4～6el4、注入能量为60kev的硼，形成压力传感器的压敏电阻12，如图9所示；

步骤八：进行氧化退火，形成二氧化硅绝缘层9厚度200nm，如图10所示；

步骤九：根据欧姆接触区、过载区进行光刻，通过光刻胶保护用BOE腐蚀裸露出来的二氧化硅层，形成欧姆接触孔13和键合区14，如图11所示；

步骤十：对上层进行溅射铝15，厚度为1um，如图12所示；

步骤十一：通过光刻形成光刻胶掩膜，刻蚀裸露出来的铝，形成铝引线15和电极7，如图13所示；

步骤十二：根据传感区所对应的硅杯腐蚀位置对N型单晶硅片背面进行光刻，形成背面硅杯腐蚀区；并用干法刻蚀和BOE湿法腐蚀相结合，祛除裸露部分的氮化硅层和二氧化硅层，露出硅杯腐蚀窗口16，如图14所示；

步骤十三：通过氢氧化钾对硅杯进行湿法腐蚀，形成C型硅杯结构，以400KPa量程的压力传感器为例，腐蚀后剩余厚度为15um，如图15所示；

步骤十四：对上面玻璃进行光刻，通过氢氟酸腐蚀形成绝压腔，腔深度为50～100um，如图16所示；

步骤十五：通过机械打孔设备对下面玻璃进行打孔，形成引压孔6，直径为0.5mm，如图17所示；

步骤十六：使用真空键合机进行玻璃-硅-玻璃键合，如图18所示；

步骤十七：通过调整划片机高度进行划片，使其电极部分露出，如图19所示；

步骤十八：封装、压焊和性能测试，最终完成。

压阻式高过载压力传感器所采用的工作原理：

单晶硅受到形变作用后其电阻率发生变化，进而导致电阻发生变化，传感器中压敏电阻的位置如图20所示，压敏电阻A，B，C，D，位于最大应变区；工作时，四个压敏电阻17受到不同应力作用组成的惠斯通电桥如图20所示在其中一组对角上施加电压V_i，另一组对角产生输出V₀，由下式计算： $V_0=\frac{(R_1\×R_3-R_2\×R_4)}{(R_1+R_2)(R_3+R_4)}{V}_i$

器件的抗过载能力主要由上层玻璃决定。在正常工作范围内，器件会产生形变；随着施加的压力越大，形变就越大，大到一定程度会使器件发生弹性失效甚至破碎，上层玻璃的键合区域有效地控制了形变范围，使其在过载工作时不会发生失效甚至破碎。

Claims (6)

1.一种压阻式高过载压力传感器：该传感器从上至下由玻璃-硅-玻璃三层结构，其中上层玻璃设有绝压腔和过载限位；中间为主芯片层，主芯片设有抗过载区和传感区；下层玻璃设有引压孔；上层玻璃的键合区与主芯片的抗过载区重合，主芯片的最大应变区与键合区交叉不重合，敏感电阻分别布置在最大应变区内。

2.一种压阻式高过载压力传感器的制备方法，包括：根据键合位置对上层玻璃进行光刻，通过强酸进行腐蚀，形成绝压腔；根据键合位置用机械打孔设备对下层玻璃进行打孔，形成引压孔；根据抗过载区与传感区的位置通过集成电路工艺和微加工工艺技术在中间主芯片层形成欧姆接触区、压敏电阻、欧姆接触孔键合区、铝引线、电极和硅杯结构。

3.根据权利要求1或7所述的压阻式高过载压力传感器，所述的玻璃-硅-玻璃三层结构采用真空键合机通过阳极键合组合一起。

4.根据权利要求1或7所述的压阻式高过载压力传感器，所述的上层玻璃通过划片露出表面电极。

5.根据权利要求1或7所述的压阻式高过载压力传感器的中间主芯片层为硅衬底形成的C型硅杯。

6.根据权利要求1或7所述的中间主芯片层经过强碱各向异性腐蚀，形成敏感膜区，并将组成惠斯通电桥的敏感电阻分别安置在最大应变区内。