CN112723301A - 一种航空用高频响压力传感器芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种航空用高频响压力传感器芯片，该压力传感器芯片包括单晶硅保护层、单晶硅压力敏感膜和SOI硅结构支撑层。本发明所提供的航空用高频响压力传感器芯片，设有三层结构，三层结构使得上下两层之间对称，解决了现有技术中的满量程输出与谐振频率相互制约的问题、满量程输出与非线性固有矛盾问题和满量程输出与过载很难同步提升的问题。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种航空用高频响压力传感器芯片。
背景技术
机载航空发动机配套压力传感器长期直接工作于高温、高振动、压力瞬变和易腐蚀等特殊环境下，对压力传感器的静态性能、动态性能均提出了非常高的要求。为了解决传感器在航空领域特殊环境下的高温动态测量、精度漂移、压力漂移等问题，国内外知名科研机构和传感器公司都投入大量资源对高频响压力传感器进行研究，并取得了大量成果。
压力传感器是MEMS传感器中研发历史最为悠久、市场需求也最为广阔的产品，在汽车工业和消费电子领域，我国已经基本实现了核心敏感元件的自主知识产权。然而在航空领域，由于其门槛台阶较高、投资回周期较长以及品种多数量少等客户现实，导致鲜有民间资本愿意投入到这个领域进行长期研究，因此我国在航空高端压力传感器的预研和国外先进技术跟踪方面一直滞后于现实需要。尽管近年来国内的高频响压力传感器技术研究已经取得不少成果，但有些科研成果尚处于实验室阶段，难以形成批量；有些是通过第三方采购国外工业级压力芯体，经过筛选后进行封装以饮鸩止渴，无法满足目前飞机、发动机及控制系统的自主保障。
高频响压力传感器的技术难点在于高频响压力传感器芯片的结构设计，压力芯片的谐振频率、上升时间是影响压力传感器动态特征的主要因素。芯片的结构、固有频率、阻尼比决定着芯片的谐振频率、上升时间，项目采用提高芯片固有频率与降低阻尼比的方式提高传感器的谐振频率，缩短传感器的上升时间。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种航空用高频响压力传感器芯片，用于解决现有技术中传感器芯片存在的问题。
本发明提供了一种航空用高频响压力传感器芯片，所述压力传感器芯片包括单晶硅保护层、单晶硅压力敏感膜和SOI硅结构支撑层。
本发明所提供的航空用高频响压力传感器芯片，还具有这样的特征，所述单晶硅保护层和单晶硅压力敏感膜中间设有真空参考压力腔；
所述单晶硅压力敏感膜与所述SOI硅结构支撑层之间设有二氧化硅绝缘层。
本发明所提供的航空用高频响压力传感器芯片，还具有这样的特征，所述传感器芯片使用时采取倒装焊方式，表面设置防护网，所述传感器芯片与所述防护网之间的距离为l，0＜l＜0.1mm。
本发明的另一目的，在于提供一种航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S1：制备SOI硅层；
S2：处理单晶硅片；
S3：通过低温硅硅键合技术，键合S1所得到的的SOI硅层和单晶硅硅片；
S4：DRIE干法刻蚀加工硅通孔；
S5：制备惠斯通电桥；
S6：利用申硅蚀刻单晶硅压力敏感膜层。
本发明所提供的航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，还具有这样的特征，所述S1包括如下步骤：
S1.1:清洗多层SOI硅片；
S1.2：制备P型压敏电阻条；
S1.3：通过刻蚀工艺，制备条形电阻，在硅片正反面沉积SI3N4保护层，得到晶圆；
S1.4：对晶圆上下两层进行高精度抛光。
本发明所提供的航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，还具有这样的特征，所述S2中制备P型压敏电阻条的过程中，离子注入浓度为4.86×1014atoms/cm2，离子注入能量为70keV，经1000℃、30min退火后，压敏电阻方阻阻值为210±10Ω/Sq。
本发明所提供的航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，还具有这样的特征，所述SI3N4保护层的厚度为200±20nm。
本发明所提供的航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，还具有这样的特征，所述S2包括如下步骤：
S2.1：清洗单晶si片；
S2.2：在高温炉中烧结清洗过的单晶si片，使得si片上覆有二氧化硅绝缘层；
S2.3：通过蚀刻工艺制备硅槽。
本发明所提供的航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，还具有这样的特征，所述清洗使用4H2SO4·1H2O2。
本发明所提供的航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，还具有这样的特征，所述S2.2在1000℃高温炉中，烧结30min，得到300±20nm的SiO2绝缘层。
本发明所提供的航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，还具有这样的特征，所述S3中退火温度为400℃，采用氮气及氧气等离子处理硅硅键合表面。
本发明所提供的航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，还具有这样的特征，所述硅通孔内壁设有绝缘层，绝缘层为SiO2或Si3N4，绝缘层上设有粘附层Ti，粘附层上设有阻挡层Ni，硅通孔刻蚀深度≥300μm。
本发明所提供的航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，还具有这样的特征，所述S5中在硅片正面测控溅射Cr-Au层，之后通过光刻工艺制备金属导线并同时制备焊盘，Cr层厚度为50nm，Au层厚度为200nm。
本发明所提供的航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，还具有这样的特征，所述S6中刻蚀深度为200μm。
有益效果
本发明所提供的航空用高频响压力传感器芯片，设有三层结构，三层结构使得上下两层之间对称，解决了现有技术中的满量程输出与谐振频率相互制约的问题、满量程输出与非线性固有矛盾问题和满量程输出与过载很难同步提升的问题。
附图说明
图1为本发明所提供的高频响压力芯片的结构示意图；
图2为本发明低应力无引线封装示意图；
图3为本发明所提供的高频响压力芯片的加工工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
如图1所示，本实施例提供了一种航空用高频响压力传感器芯片，其特征在于，所述压力传感器芯片包括单晶硅保护层、单晶硅压力敏感膜2和SOI硅结构支撑层。所述单晶硅保护层和单晶硅压力敏感膜2中间设有真空参考压力腔3；所述单晶硅压力敏感膜2与所述SOI硅结构支撑层之间设有二氧化硅绝缘层1。单晶硅压力敏感膜2紧靠真空参考压力腔3的一侧上设有PN结5和压敏电阻4，单晶硅层内设有金属布线的通孔6。如图2所示，使用时，传感器芯片7采用倒装焊方式，将传感器芯片7通过无铅焊料8倒装焊接在莫来石陶瓷基板9上，焊接后在表面设置防护网10，所述传感器芯片与所述防护网10之间的距离为l，0＜l＜0.1mm。
在上述实施例中，采用SOI硅片，通过低温硅硅键合技术、硅通孔刻蚀和保护技术实现压敏电阻真空密封保护，真空参考压力腔位于压力敏感膜电阻面上方，该结构可实现高频响封装。如图2所示，采用倒装焊方式，将芯片直接焊接到陶瓷电路板上，并通过金属防护网对芯片进行保护，芯片表面有二氧化硅绝缘层，与防护网之间的距离＜0.1mm，基本不存在管腔效应，这样传感器与传感器芯片的谐振频率、上升时间基本一致，并设计电阻网络对传感器进行温度补偿。
如图3所示，提供了一种航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S1：制备SOI硅层：
S1.1:如图3(a)，使用4H2SO4·1H2O2清洗多层SOI硅片；
S1.2：如图3(b)，制备P型压敏电阻条；
S1.3：如图3(c)，通过刻蚀工艺，制备条形电阻，在硅片正反面沉积SI3N4保护层，得到晶圆；
S1.4：如图3(d)，对晶圆上下两层进行高精度抛光。
S2：处理单晶硅片：
S2.1：如图3(e)，使用4H2SO4·1H2O2清洗单晶si片；
S2.2：如图3(f)，在高温炉中烧结清洗过的单晶si片，使得si片上覆有二氧化硅绝缘层；
S2.3：如图3(g)，通过蚀刻工艺制备硅槽，为形成真空保护腔体进行结构准备。
S3：如图3(h)，通过低温硅硅键合技术，键合S1所得到的的SOI硅层和单晶硅硅片；
S4：如图3(i)，DRIE干法刻蚀加工硅通孔；
S5：如图3(j)，制备惠斯通电桥；
S6：如图3(k)，利用申硅蚀刻单晶硅压力敏感膜层。
利用MEMS流片工艺进行压力芯片的制备。高频响压力芯片结构由两层构成，在完成敏感结构层及盖板层的加工后，需要进行圆片级键合封装。由于硅与玻璃热膨胀系数不匹配，且键合区域与敏感膜非常接近，在全温区应力干扰极大，传感器稳定性差，而硅硅高温熔融键合也不适合本结构，因为硅硅键合退火温度为1100℃，会导致压敏电阻再扩散，且残余应力极大，影响传感器的性能。因此选用低温硅硅键合技术，实现圆片级封装，形成真空参考压力腔，保护压敏电阻，并采用硅通孔刻蚀和保护技术实现两层结构的电连接。多层SOI硅片为从上到下分别为单层Si、中间层SiO2、Si层和SiO2层。
在部分实施例中，通过离子注入工艺，制备P型压敏电阻条，离子注入浓度为4.86×1014atoms/cm2，离子注入能量为70keV，经1000℃、30min退火后，压敏电阻方阻阻值为210±10Ω/Sq。
在部分实施例中，通过刻蚀工艺，制备条形电阻，再利用低压力化学气相沉积工艺，在硅片正反面沉积200±20nm SI3N4保护层。
在部分实施例中，在1000℃高温炉中，烧结30min，得到300±20nm的SiO2绝缘层。
在部分实施例中，所述S3中退火温度为400℃，采用氮气及氧气等离子处理硅硅键合表面。
在部分实施例中，硅通孔利用高深宽比的DRIE干法刻蚀加工，为了防止器件之间短路，在通孔内部设置绝缘层，绝缘层为SiO2或Si3N4，然后在绝缘层上制备粘附层Ti，粘附层上设有阻挡层Ni，为了避免盖板层在高压下产生大变形，要求硅通孔刻蚀深度≥300μm。
在部分实施例中，所述S5中在硅片正面测控溅射Cr-Au层，之后通过光刻工艺制备金属导线并同时制备焊盘，Cr层厚度为50nm，Au层厚度为200nm。
在部分实施例中，所述S6中刻蚀深度为200μm。
用上述实施例所制备的航空用高频响压力传感器芯片制备压力传感器，主要性能指标如下：
测量范围及类型：0-5Mpa，绝压；
满量程输出：≥100mV；
线性度：0.15％FS；
重复度：0.05％FS：
迟滞：0.07％FS；
综合精度：0.25％FS；
温度漂移：优于0.01％FS/℃；
长期稳定性：优于0.1％FS/年；
芯片外形尺寸：2mm×2mm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种航空用高频响压力传感器芯片，其特征在于，所述压力传感器芯片包括单晶硅保护层、单晶硅压力敏感膜和SOI硅结构支撑层。
2.根据权利要求1所述的航空用高频响压力传感器芯片，其特征在于，所述单晶硅保护层和单晶硅压力敏感膜中间设有真空参考压力腔；
所述单晶硅压力敏感膜与所述SOI硅结构支撑层之间设有二氧化硅绝缘层。
3.根据权利要求1所述的航空用高频响压力传感器芯片，其特征在于，所述传感器芯片使用时采取倒装焊方式，表面设置防护网，所述传感器芯片与所述防护网之间的距离为l，0＜l＜0.1mm。
4.一种航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：制备SOI硅层；
S2：处理单晶硅片；
S3：通过低温硅硅键合技术，键合S1所得到的的SOI硅层和单晶硅硅片；
S4：DRIE干法刻蚀加工硅通孔；
S5：制备惠斯通电桥；
S6：利用申硅蚀刻单晶硅压力敏感膜层。
5.根据权利要求4所述的航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述S1包括如下步骤：
S1.1:清洗多层SOI硅片；
S1.2：制备P型压敏电阻条；
S1.3：通过刻蚀工艺，制备条形电阻，在硅片正反面沉积SI3N4保护层，得到晶圆；
S1.4：对晶圆上下两层进行高精度抛光。
6.根据权利要求5所述的航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述S1.2中制备P型压敏电阻条的过程中，离子注入浓度为4.86×1014atoms/cm2，离子注入能量为70keV，经1000℃、30min退火后，压敏电阻方阻阻值为210±10Ω/Sq。
7.根据权利要求4所述的航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述S2包括如下步骤：
S2.1：清洗单晶si片；
S2.2：在高温炉中烧结清洗过的单晶si片，使得si片上覆有二氧化硅绝缘层；
S2.3：通过蚀刻工艺制备硅槽。
8.根据权利要求4所述的航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述S3中退火温度为400℃，采用氮气及氧气等离子处理硅硅键合表面。
9.根据权利要求4所述的航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述硅通孔内壁设有绝缘层，绝缘层为SiO2或Si3N4，绝缘层上设有粘附层Ti，粘附层上设有阻挡层Ni，硅通孔刻蚀深度≥300μm。
10.根据权利要求4所述的航空用高频响压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述制备惠斯通电桥，需在硅片正面测控溅射Cr-Au层，之后通过光刻工艺制备金属导线并同时制备焊盘，Cr层厚度为50nm，Au层厚度为200nm。
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| CN202011520792.7A Pending CN112723301A (zh) | 2020-12-21 | 2020-12-21 | 一种航空用高频响压力传感器芯片及制备方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN112723301A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114323406A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-12 | 西安交通大学 | 基于倒装技术的压力传感器芯片、封装结构与制备方法 |
| CN115127700A (zh) * | 2022-08-31 | 2022-09-30 | 南京元感微电子有限公司 | 一种耐高温压力传感器及其加工方法 |
| CN115144122A (zh) * | 2022-08-31 | 2022-10-04 | 南京元感微电子有限公司 | 一种多层结构的耐高温压力传感器及其加工方法 |
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2020
- 2020-12-21 CN CN202011520792.7A patent/CN112723301A/zh active Pending
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