CN105043609A - 一种微机械硅压力敏感芯片 - Google Patents

Abstract

一种微机械硅压力敏感芯片，现有技术的芯片敏感度与精确度较低，技术要点是：它以硅衬底为主体，在芯片表面设置有压力膜片，在压力膜片下有凹形硅杯，压力膜片上设置有压敏电阻；压敏电阻分为两段由P+连结区相连的电阻组成，压敏电阻通过P+连结区连接到引线孔，P+连结区的引线孔上方设置有金属引线，金属引线与焊盘连结在一起；压敏电阻周边均设置有N+隔离区，P+连结区与N+隔离区之间带有空隙，N+隔离区上方设置有一个引线孔；压敏电阻、P+连结区、N+隔离区上面有隔离层，在隔离层上面设置有屏蔽层。压力膜片下方对应位置为硅杯；硅衬底通过N+扩散区、引线孔、金属引线连接到衬底焊盘；本发明还具有结构合理、安全可靠、应用范围宽、测量精度高等优点。

Description

一种微机械硅压力敏感芯片

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体地说是一种利用单晶硅材料、利用微电子和微机械加工融合技术制作的微机械硅压力敏感芯片。

背景技术

硅压阻式压力传感器都由3个基本部分组成:①基体，直接承受被测应力;②波纹膜片，将被测应力传递到芯片;③芯片，检测被测应力。芯片是在硅弹性膜片上，用半导体制造技术沿着确定晶向制作出4个感压电阻，将它们通过金属连线连成惠斯通电桥构成了基本的压力敏感元件。

敏感芯片上的膜片即是力敏电阻的衬底，又是外加应力的承受体，所以是压力传感元件的核心部分。在硅膜片的背面用机械或化学腐蚀的方法加工成凹状结构，称为硅杯，在它的正面制作压阻全桥。如果硅杯是圆形的凹坑，就称为圆形膜片。膜片还有方形、矩形等多种形式。当存在外加应力时，膜片上各处受到的应力是不同的。4个桥臂电阻在硅膜片上的位置与方向设置要根据晶向和应力来决定。

敏感芯片的设计和制作决定了传感器的性能。

中国专利201120401883.9中公开了一种带有屏蔽层的硅压阻式压力传感器芯片，包括：硅衬底、压敏电阻、金属引线、金属焊盘、保护层、屏蔽层cap、重掺杂硅引线，硅衬底上的压力膜片表面设有由数个压敏电阻组成的惠斯通电桥，压力膜片上设有保护层，数个压敏电阻经重掺杂硅引线、金属引线与保护层上的金属焊盘连接，其特征在于压力膜片与保护层之间设有一层用于改善传感器性能经过掺杂处理的屏蔽层cap，屏蔽层cap将保护层与压敏电阻隔离。本实用新型的优点是在压力膜片与保护层之间设有一层经过掺杂处理的屏蔽层，克服了压力传感器输出漂移的问题。

该专利在芯片敏感电阻的上面增加了一层用于改善传感器性能经过掺杂处理的屏蔽层，该屏蔽层需要经过掺杂处理，其工艺增加了对前步完成的敏感电阻的性能干扰的可能，也增加了制造工艺流程的复杂性。同时由于该屏蔽层处于电悬浮态，对较强的应用环境产生的电场影响屏蔽效果可能不理想。

中国专利03104784.X公开了一种微机械压阻式压力传感器芯片及其制备方法。微机械压阻式压力传感器芯片，是一个杯状结构，包括一个方形感压膜和周围的支撑部分在感压膜的最大应变区之作了四个压敏电阻，组成电桥来敏感压力的变化，所述压敏电阻是采用离子注入工艺制作的，压敏电阻周围增加有一圈n+隔离区，感压膜的边缘制作了可以监控感压膜厚度的对准标记。采用离子注入工艺制作压阻，精度远高于以往采用的扩散工艺，可以提高压阻的控制精度及一致性，减小零点输出和零点温度漂移；压阻周围增加一圈n+隔离区，提高了芯片的长期稳定性；膜的边缘制作了可以监控膜厚度的对准标记，使腐蚀敏感膜的可控性增强，提高了感压膜厚度控制精度和芯片检测精度。

该专利给出了基本的压阻式压力传感器芯片及其制备方法。主要在敏感芯片的周围增加隔离区，但其工艺过程是先制作压力敏感电阻，在用扩散的方法制作隔离区，制作隔离区需要在一定的高温环境下，对压力敏感电阻参数控制带来一定的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用单晶硅材料、采用微电子和微机械加工融合技术制作的硅压力敏感芯片。

本发明的目的是这样实现的：它以硅衬底1为主体，在芯片表面设置有压力膜片10，在压力膜片下有凹形硅杯11，压力膜片上设置有压敏电阻2；压敏电阻2分为两段由P+连结区3相连的电阻组成，压敏电阻2通过P+连结区3连接到引线孔6，P+连结区3的引线孔6上方设置有金属引线7，金属引线7与焊盘8连结在一起；压敏电阻2周边均设置有N+隔离区4，P+连结区3与N+隔离区4之间带有空隙，N+隔离区4上方设置有一个引线孔6；压敏电阻2、P+连结区3、N+隔离区4上面有隔离层5，在隔离层5上面设置有屏蔽层9。压力膜片10下方对应位置为硅杯11；硅衬底1通过N+扩散区、引线孔、金属引线连接到衬底焊盘12。

其制备过程如下：

1、生长氧化层，

2、使用光刻、扩散浓磷或注入使氧化层上形成N+隔离区；

3、光刻、注入浓硼形成P+连接区；

4、用离子注入工艺形成压敏电阻；

5、生长氧化隔离层；

6、使用光刻制出引线孔；

7、溅射金属、光刻形成引线及焊盘；

8、合金形成完成芯片内部的电气连接；

9、溅射金属、光刻形成屏蔽层；

10、腐蚀背腔制作出硅杯；

11、芯片中测，检测敏感电阻、击穿、漏电、表面质量；

12、键合、划片；

13、完成敏感芯片加工。

本发明的优点如下

1、芯片上制备有四个压敏电阻，电阻位于芯片表面应力集中区域。每个电阻有敏感电阻周围制备独立的N+隔离区，环绕敏感电阻，间隙不大于30微米。增加N+隔离区，能有效增加敏感电阻之间对PN结隔离效果，降低对外电场对敏感电阻的干扰影响，提升敏感器件的稳定性。

2、先注入或扩散形成N+隔离区，再注入P+连结区，再注入敏感电阻。由于敏感芯片的性能决定于敏感电阻的性能，其对敏感电阻的制造过程主要是经历的高温过程非常敏感，在N+、P+工艺后制造敏感电阻，有效的避免了N+、P+工艺对敏感电阻的影响，对敏感芯片的一致性、稳定性有非常有利的保障。

3、本发明给出的制造工艺中，屏蔽层采用了与引线同材料的金属制作，相对于采用淀积多晶硅、在注入或扩散形成屏蔽层的做法，工艺流程大大简化，同时也避免了高温工艺对敏感电阻特性对不利影响，提升敏感芯片的一致性。

4、本发明中对屏蔽层做到完全覆盖敏感电阻、P+连结区，并通过引线孔与N+隔离区联通，敏感电阻处于等电位对屏蔽层及衬底之间，有效避免外界电场对敏感电阻对干扰，提升敏感电阻工作时候对稳定性和抗干扰能力。

5、芯片衬底通过N+掺杂区、引线孔、金属引线连接到独立焊盘，连接衬底的焊盘与芯片表面的电源V+焊点不直接电连接。

附图说明

图1是本发明的结构示意简图；

图2是图1的俯视图。

下面将结合附图通过实例对本发明作进一步详细说明，但下述的实例仅仅是本发明其中的例子而已，并不代表本发明所限定的权利保护范围，本发明的权利保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

实施例1

如图1~2所示，它以硅衬底1为主体，在芯片表面设置有压力膜片10，在压力膜片下有凹形硅杯11，压力膜片上设置有压敏电阻2；压敏电阻2分为两段由P+连结区3相连的电阻组成，压敏电阻2通过P+连结区3连接到引线孔6，P+连结区3的引线孔6上方设置有金属引线7，金属引线7与焊盘8连结在一起；压敏电阻2周边均设置有N+隔离区4，P+连结区3与N+隔离区4之间带有空隙，N+隔离区4上方设置有一个引线孔6；压敏电阻2、P+连结区3、N+隔离区4上面有隔离层5，在隔离层5上面设置有屏蔽层9。压力膜片10下方对应位置为硅杯11；硅衬底1通过N+扩散区、引线孔、金属引线连接到衬底焊盘12。

其工艺流程如下：

1、生长氧化层，

2、使用光刻、扩散浓磷或注入使氧化层上形成N+隔离区；

3、光刻、注入浓硼形成P+连接区；

4、用离子注入工艺形成压敏电阻；

5、生长氧化隔离层；

6、使用光刻制出引线孔；

7、溅射金属、光刻形成引线及焊盘；

8、合金形成完成芯片内部的电气连接；

9、溅射金属、光刻形成屏蔽层；

10、腐蚀背腔制作出硅杯；

11、芯片中测，检测敏感电阻、击穿、漏电、表面质量；

12、键合、划片；

13、完成敏感芯片加工。

Claims (7)

1.一种微机械硅压力敏感芯片，它包括：硅衬底1，其特征是：硅衬底1上表面设置有压力膜片10，在压力膜片下方有凹形硅杯11，硅衬底及压力膜片上方覆盖有隔离层5；压力膜片上还设置有压敏电阻2；压敏电阻2均环绕设置有N+隔离区4；压敏电阻2通过P+连结区3连接到引线孔6，P+连结区3的引线孔6上方设置有金属引线7，金属引线7与焊盘8连结，P+连结区3与N+隔离区4之间带有空隙；N+隔离区4上方的氧化层设置有一个引线孔6；在隔离层5上面设置有屏蔽层9；硅衬底1通过N+扩散区、引线孔、金属引线连接到衬底焊盘12；压敏电阻2由两段通过P+连结区3相连的压敏电阻组成。

2.微机械硅压力敏感芯片的制做方法，其特征包括以下步骤：

1）、生长氧化层，

2）、使用光刻、扩散浓磷或注入使氧化层上形成N+隔离区；

3）、光刻、注入浓硼形成P+连接区；

4）、用离子注入工艺形成压敏电阻；

5）、生长氧化隔离层；

6）、使用光刻制出引线孔；

7）、溅射金属、光刻形成引线及焊盘；

8）、合金形成完成芯片内部的电气连接；

9）、溅射金属、光刻形成屏蔽层；

10）、腐蚀背腔制作出硅杯；

11）、芯片中测，检测敏感电阻、击穿、漏电、表面质量；

12）、键合、划片；

13）、完成敏感芯片加工。

3.根据权利要求2所述微机械硅压力敏感芯片的制做方法，其特征是：先注入或扩散形成N+隔离区，再注入P+连结区，再注入敏感电阻。

4.根据权利要求2所述微机械硅压力敏感芯片的制做方法，其特征是：屏蔽层完全覆盖敏感电阻、P+连结区，并通过引线孔与N+隔离区联通，敏感电阻处于等电位对屏蔽层及衬底之间。

5.根据权利要求2所述微机械硅压力敏感芯片的制做方法，其特征是：芯片衬底通过N+掺杂区、引线孔、金属引线连接到独立的衬底焊盘，连接衬底的焊盘与芯片表面的电源V+焊点不直接电连接。

6.根据权利要求2所述微机械硅压力敏感芯片的制做方法，其特征是：芯片衬底通过N+掺杂区、引线孔、金属引线连接到独立焊盘，连接衬底的焊盘与芯片表面的电源V+焊点不直接电连接。

7.根据权利要求2所述微机械硅压力敏感芯片的制做方法，其特征是：屏蔽层采用了与引线同材料的金属制作。