CN105043643B - 高温压力传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种高温压力传感器，其包括主芯片，所述主芯片具有位于第一层的衬底、位于第二层的弹性膜、位于第三层的一对金属电极及连接该对金属电极的敏感电阻层，所述高温压力传感器还具有与所述主芯片贴合的盖板，所述盖板具有开口朝向所述主芯片方向的收容腔，所述金属电极与敏感电阻层密封于所述收容腔与所述弹性膜围设的密封腔内，所述高温压力传感器还包括分别与所述金属电极连接的一对导引线并延伸出所述密封腔。所述金属电极与敏感电阻层由于金属电极与弹性膜被密封在真空腔，或者接近真空腔内，令金属电极与敏感电阻层不容易氧化而提高整个传感器更能在高温下工作，可以使传感器在600℃的使用温度条件下的寿命达到1000小时。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种用于高温环境的压力传感器。
【背景技术】
传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量重，不能提供电学输出。随着半导体技术与MEMS技术的发展，人们以硅作为主要材料，采取电容、压阻等多种形式，开发了硅微压力传感器，其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。随着应用与研究范围的扩展，人们又开始重视开发能够直接工作在恶劣环境下的微压力传感器。所谓“恶劣环境”，是指高温、强辐射、高振动或具有氧化和腐蚀性特点的环境，其中以高温环境最为常见，例如在航天航空、核能技术、石油化工、地热勘探以及汽车电子学等领域压力测量经常需要在350℃甚至更高时进行。
研制高温压力传感器目的就是能够在高温环境下对各种气液的压力进行测量。它的应用范围极为广泛，在民用方面，可用于测量锅炉、管道、高温反应容器内的压力、油井压力和各种发动机腔体内的压力，在军事方面，可用于喷气发动机、坦克发动机、舰船发动机、风洞、航天器外壳等的压力测量。
目前，半导体压力传感器以扩散硅压力传感器为主，但以下几点原因限制了以硅材料为主的传感器在高温恶劣条件下的应用：1、由于硅禁带宽度窄，所以其耐高温和抗辐射性能比较差；2、硅容易与介质发生化学反应，被氧化或者被腐蚀；3、在高温条件下硅的机械性能退化。
对于扩散硅压力传感器，它的应变电桥采用p型扩散电阻，应变膜为n型硅衬底，两者之间是自然的pn结隔离，一旦工作温度超过120℃，应变电阻与衬底间的pn结漏电加剧，就会使传感器特性严重恶化乃至失效。在没有出现真正耐高温的压力传感器前，为了解决高温压力测量的需要，人们普遍采用以下几种方式来提高硅微压力传感器的耐温性能。在对压力变化频率不高的情况下，优先使用“引压管”。所谓“引压管”就是引导高温被测介质到达压力感应芯片用的管子，可以起到隔热和散热的效果。在被测介质温度不是很高时，可以使用散热片作为传感器的外封装结构。而在测量介质温度较高，同时对压力响应也有较高要求时，如发动机燃烧室内压力的测量，最常用的方法就是对压力传感器加上水冷套进行水冷。
由于高温下硅材料的局限性，人们把目光投向新材料、新工艺，提出了多种新的高温压力传感器结构。目前已经研制出多晶硅压力传感器、绝缘体上硅(SOI，Silicon onInsulator)压力传感器、蓝宝石上硅(SOS，Silicon on Sapphire)压力传感器、金刚石压力传感器和碳化硅压力传感器等。
多晶硅与SOI压力传感器最高工作温度较低，一般在200℃左右。SOI材料是在Si材料基础上用SiO2嵌入层以提高电绝缘性。
碳化硅由于其独特的物理性质与电学特性，逐渐为人们所重视。它是第三代宽禁带半导体材料的代表，具有优良的抗辐射性能和高温稳定性，是制作高温器件的理想材料，一般都能在300℃工作。常温下，对6H-SiC，当掺杂浓度低时，其纵向应变系数大约为-25，高掺杂时大约为-20，适合用来制作压阻式压力传感器。这些特性使得碳化硅成为高温压力传感器领域最有发展前景的材料。
西安电子科技大学于2001年利用在硅衬底上外延3C-SIC膜制作了高温压力传感器，由于碳化硅敏感电阻层是在兼作弹性膜片的硅衬底外延而成，使用温度只能达到200℃，又由于上述的设计不是采用完全的SiC材料，Si与3C-SiC之间存在高温热膨胀系数不匹配的问题，容易带来噪声，同时增加了失效的可能性。
2013年，厦门大学发表了碳化硅电容式压力敏感元件的研究成果，由于未对敏感电阻层上的金属化电极进行真空防氧化保护，不能长期、可靠工作，而且仅限于敏感元件的研究，没有涉及难度更高的信号引出和封装，未制成完整的压力传感器也无法测量传感器的性能。
因此，有必要提供一种新的高温压力传感器及其制作方法来解决上述问题。
【发明内容】
本发明的主要目的在于提供一种能耐高温性能的高温压力传感器。
为实现上述目的，本发明通过如下技术方案：一种高温压力传感器，其包括主芯片，所述主芯片具有位于第一层的衬底、位于第二层的弹性膜、位于第三层的一对金属电极及连接该对金属电极的敏感电阻层，所述高温压力传感器还具有与所述主芯片贴合的的盖板，所述盖板具有开口朝向所述主芯片方向的收容腔，所述金属电极与敏感电阻层密封于所述收容腔与所述弹性膜围设的密封腔内，所述高温压力传感器还包括分别与所述金属电极连接的一对导引线并延伸出所述密封腔。
优选的，所述高温压力传感器还包括与所述盖板相结合的基座，所述基座与所述盖板之间形成一层连接层，所述连接层的热膨胀系数在所述基座与所述盖板热膨胀系数的之间。
优选的，所述导引线穿过所述基座并延伸至所述导基座外。
优选的，所述基座与所述盖板具有一对相对应的通孔，所述导引线包括收容于所述通孔内的金属物及插入所述金属物内的金属引线。
优选的，所述高温压力传感器还包括一外壳，所述基座与所述外壳通过焊接固定，所述金属引线延伸出所述外壳。
为实现上述目的，本发明还通过如下技术方案：一种高温压力传感器的制作方法，制作步骤如下，第一步：提供主芯片与单层SIC材料盖板，所述主芯片具有位于第一层的P型SIC材料衬底、位于第二层的N型SIC材料弹性膜、位于第三层的一对金属电极及连接该对金属电极的P型SIC材料敏感电阻层；所述盖板具有收容腔；第二步：分别对所述主芯片与所述盖板高温氧化；第三步：所述主芯片与盖板在超高真空环境下进行键合熔融将两者进行结合，致使所述金属电极与敏感电阻层密封于所述收容腔与所述弹性膜围设的密封腔内。第四步：提供一对导引线，分别连接所述金属电极并延伸出所述密封腔。
优选的，提供一种基座，所述盖板和所述基座之间通过一层连接层连接，所述连接层的热膨胀系数在所述基座与盖板热膨胀系数的之间。
优选的，所述基座为氮化铝陶瓷材质，所述连接层为玻璃材质。
优选的，所述基座与所述金属电极设置有相对应的通孔，所述导引线包括金属物和金属引线，所述通孔中灌入所述金属物并与所述金属电极导通，提供一金属引线插入金属物内并延伸出所述基座。
与现有技术相比，本发明高温压力传感器的有益效果在于：主芯片的金属电极与敏感电阻层密封于收容腔与弹性膜围设的密封腔内，所述金属电极与敏感电阻层由于金属电极与弹性膜被密封在真空腔，或者接近真空腔内(密封后的收容腔)，令金属电极与敏感电阻层不容易氧化而提高整个传感器更能在高温下工作，实现金属电极的真空保护，可以使传感器在600℃的使用温度条件下的寿命达到1000小时。
【附图说明】
图1为本发明高温压力传感器的示意图。
【具体实施方式】
请参照附图1所示，本发明为一种高温压力传感器，其包括主芯片10及位于主芯片10一例的盖板30。高温压力传感器还包括位于盖板30另一侧且具有至少一对通孔401的基座40。
主芯片10包括位于第一层的衬底101、位于第二层的弹性膜104、与位于第三层的一对金属电极102及连接该对金属电极102的敏感电阻层103。
本发明高温压力传感器的主芯片10制作步骤如下：采用原材为两层SIC材料，其中包括衬底101为N型SIC材料，在N型SIC材料上通过外延手法制作一层P型SIC材料，P型SIC材料即为弹性膜104。
然后，在P型SIC材料上通过外延手法制作一层N型SIC材料作为敏感电阻层103。该敏感电阻层103的厚度约为0.5um，该层材料可采用6H-SIC，SIC中杂质原子通常为氮原子、磷原子、铝原子和硼原子，为增加N型SIC材料的浓度，拟在敏感层中进行氮原子参杂，将浓度重参杂到N＞1018cm-3，采用高参杂浓度作为敏感电阻层103是因为这种参杂浓度的电阻在全温区内与温度相关的电阻较低。
此时，通过反应离子刻蚀工艺加工敏感电阻层103至所需尺寸。接下来，对形成三层SIC的主芯片10进行高温氧化处理。
由于氧化处理后，敏感电阻层103上会形成一层氧化膜，则通过引线孔光刻技术对敏感电阻层103两端进行除去氧化物处理。为满足本发明高温传感器的高温使用要求，需要对敏感电阻层103通过金属电极102引出，本发明实施方式中，金属电极102可以使用Ti或/和Ta基欧姆与除去氧化层的敏感电阻层103进行接触，或者金属电极102采用Ni基欧姆。
对衬底101的外露表面进行增加金属铂作为保护层处理，然后采用电化学腐蚀工艺可以在N型SIC材料衬底101上以很高的刻蚀速率得到几百微米以上深度的空腔1011。衬底层101为N型SIC材料，弹性膜104是P型SIC材料，作为电化学腐蚀的停止层，致使原本贴合衬底101的弹性膜104通过空腔1011外露。
盖板30材质可以采用单层SIC材料，具有开口朝向主芯片10的收容腔301，该对金属电极102与敏感电阻层103位于该收容腔301内。所述盖板还具有至少一对通孔302，通孔302贯穿盖板30且与收容腔301相贯通。通孔302分别与通孔401相对应。每对通孔302与通孔401内设有金属物50，该对金属物50灌满通孔302、通孔401，金属物50与金属电极102相接触。在金属物50内，分别插入一金属引线60。高温压力传感器还包括外壳70。金属引线50外延伸至外壳70外。本发明中，金属引线60和金属物50可以起到传导作用，可以统称为传导线。
本发明高温压力传感器的盖板30加工步骤如下：首先采用金属铂作为盖板30保护层，然后通利用光刻工艺确定腐蚀的区域，通过电化学腐蚀制成收容腔301和通孔302，该加工工艺使用的溶液为HF(氢氟酸)；再者，在完成收容腔301和通孔302工艺电化学微腔腐蚀后，为了保证通孔302的电绝缘性和下一步工艺的可实现性，对盖板30进行高温氧化。
完成主芯片10和盖板30的工艺处理后，需对两者进行结合加工。其结合加工工艺步骤如下：
首先对主芯片10进行常规清洗，然后用10％(体积分数)氢氟酸和去离子水清洗。
主芯片10与盖板30在超高真空环境下进行键合熔融将两者进行结合，温度在800～1000℃之间，单轴向压力为20MPa，持续15h。完成主芯片10和盖板30的氧化层之间圆片级键合。
为实现键合后主芯片10、盖板30和基座40之间的烧结，需要加工烧结玻璃，在盖板30与基座40之间形成一层连接层20，该连接层20所需要的热膨胀系数在基座40与盖板30热膨胀系数的之间，起到过渡作用。本发明实施方式中，该连接层20为玻璃熔融而成，或者连接层20为金属钎焊材质。同时，在盖板30的通孔302处添入金属物50，本发明实施方式，金属物50为玻璃金属焊料，该焊料可以采用玻璃粉内参入适量的金属铂，在满足耐高温的同时具有良好的导电性。盖板30的通孔302处对应基座40的通孔401以便向外延伸的金属引线60通过通孔302、401内的金属物50导通金属电极102的引入。本发明实施方式中，基座40才有AIN(氮化铝)材质，更具体的，基座40为氮化铝陶瓷基座，采用AIN材质是因为在耐高温的同时，其热膨胀系数与SIC材料较为接近，烧结后的应力较小。通过工装夹具将主芯片、上盖板、烧结玻璃、AIN管座固定好后进行高温烧结，烧结温度应低于键合温度。在完成烧结后进行外壳60与基座40之间的焊接进行固定，外壳60与基座40之间形成焊接层80，完成耐高温压力传感器关键件的制作。
本发明中，通过具有收容腔301的盖板30与主芯片10相结合，主芯片10的金属电极102与敏感电阻层103密封于收容腔301与弹性膜104围设的密封腔内，所述金属电极与敏感电阻层由于金属电极102与弹性膜104被密封在真空腔，或者接近真空腔肉(密封后的收容腔)，令金属电极102与敏感电阻层103不容易氧化而提高整个传感器更能在高温下工作，实现金属电极的真空保护，可以使传感器在600℃的使用温度条件下的寿命达到1000小时。
再者，本发明中，盖板30与基座40之间的连接层20，该连接层20所需要的热膨胀系数在基座40与盖板30热膨胀系数的之间，很好的起到了过渡作用，并能实现金属引线60倒装封接，这样，本发明压力传感器在高温环境使用中，其热能能平稳的传导。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种高温压力传感器，其包括主芯片，所述主芯片具有位于第一层的衬底、位于第二层的弹性膜、位于第三层的一对金属电极及连接该对金属电极的敏感电阻层，其特征在于：所述高温压力传感器还具有与所述主芯片贴合的的盖板，所述盖板具有开口朝向所述主芯片方向的收容腔，所述金属电极与敏感电阻层密封于所述收容腔与所述弹性膜围设的密封腔内，所述高温压力传感器还包括分别与所述金属电极连接的一对导引线并延伸出所述密封腔，所述高温压力传感器还包括与所述盖板相结合的基座，所述基座与所述盖板之间形成一层连接层，所述连接层的热膨胀系数在所述基座与所述盖板热膨胀系数的之间。
2.如权利要求1所述的高温压力传感器，其特征在于：所述导引线穿过所述基座并延伸至所述基座外。
3.如权利要求2所述的高温压力传感器，其特征在于：所述基座与所述盖板具有一对相对应的通孔，所述导引线包括收容于所述通孔内的金属物及插入所述金属物内的金属引线。
4.如权利要求3所述的高温压力传感器，其特征在于：所述高温压力传感器还包括一外壳，所述基座与所述外壳通过焊接固定，所述金属引线延伸出所述外壳。
5.一种高温压力传感器的制作方法，其特征在于：制作步骤如下，
第一步：提供主芯片与单层SIC材料盖板，所述主芯片具有位于第一层的P型SIC材料衬底、位于第二层的N型SIC材料弹性膜、位于第三层的一对金属电极及连接该对金属电极的P型SIC材料敏感电阻层；所述盖板具有收容腔；
第二步：分别对所述主芯片与所述盖板高温氧化；
第三步：所述主芯片与盖板在超高真空环境下进行键合熔融将两者进行结合，致使所述金属电极与敏感电阻层密封于所述收容腔与所述弹性膜围设的密封腔内；
第四步：提供一对导引线，分别连接所述金属电极并延伸出所述密封腔。
6.如权利要求5所述的高温压力传感器的制作方法，其特征在于：提供一种基座，所述盖板和所述基座之间通过一层连接层连接，所述连接层的热膨胀系数在所述基座与盖板热膨胀系数的之间。
7.如权利要求6所述的高温压力传感器的制作方法，其特征在于：所述基座为氮化铝陶瓷材质，所述连接层为玻璃熔融或金属钎焊材质。
8.如权利要求6或者7所述的高温压力传感器的制作方法，其特征在于：所述基座与所述金属电极设置有相对应的通孔，所述导引线包括金属物和金属引线，所述通孔中灌入所述金属物并与所述金属电极导通，提供一金属引线插入金属物内并延伸出所述基座。
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