CN113049172A - 一种多通道压力测量单元及压力测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种压力测量单元及压力测量装置，该压力测量单元包括：压力传感器芯片、温度敏感芯片、互连衬底、陶瓷封装衬底；压力传感器芯片与温度敏感芯片分别粘结于互连衬底上，压力传感器芯片与温度敏感芯片相邻设置，互连衬底粘接在陶瓷封装衬底上，互连衬底的材质采用与压力传感器芯片和温度敏感芯片相同的材质；互连衬底上开设第一导气通道、第二导气通道；陶瓷封装衬底上开设第三导气通道、第四导气通道；通过第四导气通道通入参考压，通过第三导气通道通入测试压，压力传感器芯片的正面与背面之间形成压力差，解决该压力传感器芯片和温度敏感芯片分别与陶瓷封装衬底之间的热力学参数失配的问题，提高了产品性能。

Description

一种多通道压力测量单元及压力测量装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种多通道压力测量单元及压力测量装置。
背景技术
现有的多通道压力测量装置，将压阻MEMS传感器芯片以阵列形式安装在电路板上，整个电路板装配在合金基座上，在电路板上集成温度敏感芯片，用于监测压阻MEMS传感器芯片阵列的现场温度，以实现温漂补偿，进而提高测量精度。
但是，在电路板上直接安装压阻MEMS传感器和温度敏感芯片时，存在热力学参数失配的技术问题。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的多通道压力测量单元及压力测量装置。
第一方面，本发明实施例提供了一种压力测量单元，包括：
压力传感器芯片、温度敏感芯片、互连衬底、陶瓷封装衬底；
其中，所述压力传感器芯片与所述温度敏感芯片分别粘结于所述互连衬底上，且所述压力传感器芯片与所述温度敏感芯片相邻设置，所述互连衬底粘接在所述陶瓷封装衬底上，所述互连衬底的材质采用与所述压力传感器芯片和所述温度敏感芯片相同的材质；
所述互连衬底上开设有与所述压力传感器芯片对应的第一导气通道、以及与所述温度敏感芯片对应的第二导气通道；
所述陶瓷封装衬底上开设有与所述第一导气孔对应的第三导气通道、以及与所述第二导气通道对应的第四导气通道；
通过所述第四导气通道通入参考压，作用于所述压力传感器芯片的正面，通过所述第三导气通道通入测试压，作用于所述压力传感器芯片的背面，以在所述压力传感器芯片的正面与背面之间形成压力差。
优选地，还包括：
在所述陶瓷封装衬底底端与所述第三导气通道连接有第一金属管，所述第一金属管连接第一接入软管，所述第一接入软管用于通入所述参考压；
在所述陶瓷封装衬底底端与所述第四导气通道连接有第二金属管，所述第二金属管连接第二接入软管，用于通入测试压。
优选地，还包括：密封盖，罩设于所述陶瓷封装衬底上，且包覆所述压力传感器芯片、所述温度敏感芯片以及所述互连衬底。
优选地，所述互连衬底具体为如下任意一种：
TSV互连衬底、TGV互连衬底。
优选地，所述压力传感器芯片和所述温度敏感芯片均为差压式压阻MEMS芯片或绝压式压阻MEMS芯片。
优选地，在所述压力传感器芯片和所述温度敏感芯片均为差压式压阻MEMS芯片时，所述差压式压阻MEMS芯片包括：
由下至上的第一硅衬底、第一钝化层，所述第一硅衬底上开设第一背腔结构；
所述第一钝化层上设置有第一电极，位于所述第一钝化层内部的第一压阻结构。
优选地，所述差压式压阻MEMS芯片的所述第一硅衬底通过密封粘结材料粘结于所述互连衬底上。
优选地，在所述压力传感器芯片和所述温度敏感芯片均为绝压式压阻MEMS芯片时，所述绝压式压阻MEMS芯片包括：
由下至上的第二钝化层、第二硅衬底以及第三硅衬底，所述第二硅衬底开设第二背腔结构，所述第三硅衬底用于密封所述第二背腔结构；
所述第二钝化层上设置有第二电极，位于所述第二钝化层内部的第二压阻结构。
优选地，所述绝压式压阻MEMS芯片的所述第二钝化层通过密封环与所述互连衬底连接。
第二方面，本发明还提供了一种压力测量装置，包括：
第一基板、第二基板、多个如权利要求1-9中任一权项所述的压力测量单元、运算放大器、模数转换单元、处理器；
每个压力测量单元分别通过双列直插式的电极引脚焊接于所述第一基板上；
所述第一基板下方通过板间电互连结构连接所述第二基板；
所述运算放大器、所述模数转换单元以及所述处理器均集成在所述第二基板上，且所述运算放大器、所述模数转换单元以及所述处理器依次连接。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供的一种压力测量单元，包括：压力传感器芯片、温度敏感芯片、互连衬底、陶瓷封装衬底；该压力传感器芯片与温度敏感芯片分别粘结于互连衬底上，且压力传感器芯片与温度敏感芯片相邻设置，互连衬底粘接在陶瓷封装衬底上，该互连衬底的材质采用与压力传感器芯片和温度敏感芯片相同的材质，该互连衬底上开设有与压力传感器芯片对应的第一导气通道，以及与温度敏感芯片对应的第一导气通道；陶瓷衬底上开设与第一导气通道对应的第三导气通道、以及与第二导气通道对应的第四导气通道；通过第四导气通道通入参考压，作用于压力传感器芯片和温度敏感芯片的正面，通过第三导气通道通入测试压，作用于压力传感器芯片的背面，以在压力传感器芯片正面和背面之间形成压力差，进而在压力传感器芯片和温度敏感芯片分别与陶瓷衬底的连接处设置互连衬底，由于该互连衬底与压力传感器芯片和温度敏感芯片都采用相同材质，解决了该压力传感器芯片和温度敏感芯片分别与陶瓷封装衬底之间的热力学参数失配的问题，进而提高了产品性能。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明实施例中压力测量单元的结构示意图；
图2示出了本发明实施例中差压式MEMS芯片的结构示意图；
图3示出了本发明实施例中差压式MEMS芯片粘结于互连衬底上的结构示意图；
图4示出了本发明实施例中绝压式MEMS芯片的结构示意图；
图5示出了本发明实施例中绝压式MEMS芯片粘结于互连衬底上的结构示意图；
图6示出了本发明实施例中压力测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供了一种压力测量单元，如图1所示，包括：
压力传感器芯片020、温度敏感芯片010、互连衬底040、陶瓷封装衬底080；
其中，该压力传感器芯片020与温度敏感芯片010分别粘结于互连衬底040上，且压力传感器芯片020与温度敏感芯片010相邻设置，互连衬底040粘接在陶瓷封装衬底080上，互连衬底040的材质采用与压力传感器芯片020和温度敏感芯片010相同的材质；
互连衬底040上开设有与压力传感器芯片020对应的第一导气通道041、以及与温度敏感芯片010对应的第二导气通道042；陶瓷封装衬底上开设有与第一导气通道041对应的第三导气通道081、以及与第二导气通道042对应的第四导气通道083；通过第四导气通道083通入参考压，作用于压力传感器芯片020和温度敏感芯片010的正面，通过第三导气通道081通入测试压，作用于压力传感器芯片020的背面，以在压力传感器芯片020的正面与背面之间形成压力差。
在一种可选的实施方式中，该互连衬底040具体采用如下任意一种：TSV互连衬底、TGV互连衬底。
由于压力传感器芯片020和温度敏感芯片010分别采用硅材料，而TSV互连衬底、TGV互连衬底也都采用硅材料，因此，将压力传感器芯片202和温度敏感芯片010粘结在该采用硅材料的互连衬底040上，能够解决材料热力学参数失配的问题。
同时，在互连衬底040上开设与压力传感器芯片020对应的第一导气通道041、以及与温度敏感芯片对应的第二导气通道042。具体地，由于该互连衬底040具体是采用TSV互连衬底或者TGV互连衬底，因此，在TSV互连衬底或者TGV互连衬底上开设导气通道，能够将压力传感器芯片020与温度敏感芯片010紧凑集成，能够适应当前装置体积小的需求。
其中，TSV互连衬底具体是在芯片与芯片之间或者晶圆与晶圆之间制作垂直通孔的封装技术的衬底；TGV互连衬底是玻璃通孔的封装技术的衬底，这两种衬底均采用硅材质或与硅具有相近热膨胀系数的玻璃材质。
在每个压力测量单元中，将压力传感器芯片020与温度敏感芯片010相邻设置，即在紧靠压力传感器芯片020的位置设置温度敏感芯片010，能够为温度漂移抑制提供更准确的温度值的参考信号。
该单个压力测量单元，通过陶瓷封装衬底080上开设的第三导气通道081通入测试压，通过陶瓷封装衬底080上开设的第四导气通道083通入参考压，使得参考压到达压力传感器芯片020和温度敏感芯片010的正面，使得测试压到达压力传感器芯片020的背面，以使压力传感器芯片020的正面与背面之间的压力差，基于该压力差，得到正比于压力差变化的电信号，以得到实际的压力值。
其中，该第三导气通道081与第一导气通道041相连通，以使通过该第三导气通道081通入的测试压直接到达压力传感器芯片020的背面，即背腔结构。第二导气通道042一端连接至温度敏感芯片010的背面，即背腔结构，另一端连接至互连衬底040的表面，通过将该温度敏感芯片010的两边的压力差置零，即两边设置的压力相同，使该温度敏感芯片010保持零点输出状态，此时该温度敏感芯片010的输出即直接反应了温度的变化，所以可通过测量该温度敏感芯片的压阻条变化获取压力传感器芯片020压阻条的工作温度。
在一种可选的实施方式中，在陶瓷封装衬底080底端与第三导气通道081连接有第一金属管082，该第一金属管082连接第一接入软管400，该第一接入软管400用于通入参考压。
在陶瓷封装衬底080底端与第四导气通道083连接有第二金属管084，该第二金属管084连接第二接入软管500，该第二接入软管500用于通入测试压。
采用在导气通道处插入金属管，然后连接接入软管的方式，提高了通入气源的气密性，而且，采用这样的连接方式也便于拆装。
在一种可选的实施方式中，该压力测量单元还包括：密封盖050，该密封盖050罩设在陶瓷封装衬底080上，且包覆压力传感器芯片020、温度敏感芯片020以及互连衬底040。
该密封盖050具体采用铝制材料，用于保护罩设在内的芯片并密封。
其中，该密封盖050采用低应力粘结剂070粘结至陶瓷封装衬底080上，以确保导气通道的气密性良好。
该压力传感器芯片020和温度敏感芯片010均为差压式MEMS芯片。
具体如图2所示为采用差压式MEMS芯片的单个压力测量单元的结构。
该差压式压阻MEMS芯片包括：由下至上的第一硅衬底014、第一钝化层013，该第一硅衬底014上开设有第一背腔结构A；第一钝化层上设置有第一电极012，位于第一钝化层013内部的第一压阻结构011。
其中，第一电极012至少包括一个电源电极，一个接地电极，两个信号电极。
如图3所示，在采用差压式MEMS芯片时，该差压式MEMS芯片的第一硅衬底014通过密封粘结材料031粘结于互连衬底040上，以实现密封连接。
如图4所示，在本发明的一种实施例中，还采用了绝压式压阻MEMS芯片结构，该绝压式压阻MEMS芯片包括：由下至上的第二钝化层016、第二硅衬底017以及第三硅衬底015，该第二硅衬底017开设第二背面空腔B，第三硅衬底015用于密封该第二背面空腔B。
在本发明的一个实施例中，该绝压式压阻MEMS芯片相较于差压式压阻MEMS芯片是倒置的，在第二钝化层016上设置有第二电极018，位于第二钝化层016内部设置有第二压阻结构019。该第二电极018也至少包括一个电源电极，一个接地电极，两个信号电极。
如图5所示，在采用绝压式压阻MEMS芯片与互连衬底040连接时，由于第二钝化层016上具有突出的第二电极018结构，因此在将绝压式压阻MEMS芯片的第二钝化层016与互连衬底040连接时，具体是通过密封环032与互连衬底040连接，实现了密封连接，该密封环032可以采用硅橡胶或硅密封胶，在此并不作限定。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供的一种压力测量单元，包括：压力传感器芯片、温度敏感芯片、互连衬底、陶瓷封装衬底；该压力传感器芯片与温度敏感芯片分别粘结于互连衬底上，且压力传感器芯片与温度敏感芯片相邻设置，互连衬底粘接在陶瓷封装衬底上，该互连衬底的材质采用与压力传感器芯片和温度敏感芯片相同的材质，该互连衬底上开设有与压力传感器芯片对应的第一导气通道，以及与温度敏感芯片对应的第一导气通道；陶瓷衬底上开设与第一导气通道对应的第三导气通道、以及与第二导气通道对应的第四导气通道；通过第四导气通道通入参考压，作用于压力传感器芯片和温度敏感芯片的正面，通过第三导气通道通入测试压，作用于压力传感器芯片的背面，以在压力传感器芯片正面和背面之间形成压力差，进而在压力传感器芯片和温度敏感芯片分别与陶瓷衬底的连接处设置互连衬底，由于该互连衬底与压力传感器芯片和温度敏感芯片都采用相同材质，解决了该压力传感器芯片和温度敏感芯片分别与陶瓷封装衬底之间的热力学参数失配的问题，进而提高了产品性能。
实施例二
基于相同的发明构思，本发明实施例二还提供了一种压力测量装置，如图6所示，包括：
第一基板100、第二基板300、多个如实施例一中所述的压力测量单元000、运算放大器310、模数转换单元320、处理器330；
每个压力测量单元000分别通过双列直插式的电极引脚060焊接于第一基板100上；
第一基板100通过板间电互连结构200连接第二基板300；
该运算放大器310、模数转换单元320以及处理器330均集成在第二基板300上，且该运算放大器310、模数转换单元320以及处理器330依次连接。
在一种可选的实施方式中，该第一基板100与第二基板300均为PCB基板。
在一种可选的实施方式中，运算放大器310、模数转换单元320以及处理器330均通过打线或者粘贴的方式集成在该第二基板300上。
该板间电互连结构200的高度根据该运算放大器310、模数转换单元320以及处理器330的高度来设定。
该板间电互连结构200可采用焊球或者焊柱等形式，在此并不作限定。
在一种可选的实施方式中，基于此电路系统设置，进行数字化拟合与补偿，提高测量精度，具体步骤包括：
数字化拟合与补偿设置状态，将压力测量装置放入温度控制环境下，设置环境温度以及通入的气压源P1、P2、P3、P4……以及参考气压源，每个压力测量单元基于压力差和环境温度所产生的电学信号传输至运算放大器310，经过信号放大，进入模数转换单元320，进行模数转换处理，最后进入处理器330，记录不同的环境温度条件下对应的输入压强和所产生的电学信号，建立不同环境温度条件下的输入压强与所产生的电学信号的关系式。
测试状态下，处理器根据选择的气压通道和温度敏感芯片测量的实际温度，调用拟合曲线，由压力传感芯片输出的电压值计算测量压力。
采用上述的压力测量装置，还可以在误差超过预设范围时，实现校准和故障检测，提高了测量精度。应用于风洞试验或飞行试验中，可实现压力的多通道快速测量。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种压力测量单元，其特征在于，包括：
压力传感器芯片、温度敏感芯片、互连衬底、陶瓷封装衬底；
其中，所述压力传感器芯片与所述温度敏感芯片分别粘结于所述互连衬底上，且所述压力传感器芯片与所述温度敏感芯片相邻设置，所述互连衬底粘接在所述陶瓷封装衬底上，所述互连衬底的材质采用与所述压力传感器芯片和所述温度敏感芯片相同的材质；
所述互连衬底上开设有与所述压力传感器芯片对应的第一导气通道、以及与所述温度敏感芯片对应的第二导气通道；
所述陶瓷封装衬底上开设有与所述第一导气孔对应的第三导气通道、以及与所述第二导气通道对应的第四导气通道；
通过所述第四导气通道通入参考压，作用于所述压力传感器芯片的正面，通过所述第三导气通道通入测试压，作用于所述压力传感器芯片的背面，以在所述压力传感器芯片的正面与背面之间形成压力差。
2.如权利要求1所述的压力测量单元，其特征在于，还包括：
在所述陶瓷封装衬底底端与所述第三导气通道连接有第一金属管，所述第一金属管连接第一接入软管，所述第一接入软管用于通入所述参考压；
在所述陶瓷封装衬底底端与所述第四导气通道连接有第二金属管，所述第二金属管连接第二接入软管，用于通入测试压。
3.如权利要求1所述的压力测量单元，其特征在于，还包括：密封盖，罩设于所述陶瓷封装衬底上，且包覆所述压力传感器芯片、所述温度敏感芯片以及所述互连衬底。
4.如权利要求1所述的压力测量单元，其特征在于，所述互连衬底具体为如下任意一种：
TSV互连衬底、TGV互连衬底。
5.如权利要求1所述的压力测量单元，其特征在于，所述压力传感器芯片和所述温度敏感芯片均为差压式压阻MEMS芯片或绝压式压阻MEMS芯片。
6.如权利要求5所述的压力测量单元，其特征在于，在所述压力传感器芯片和所述温度敏感芯片均为差压式压阻MEMS芯片时，所述差压式压阻MEMS芯片包括：
由下至上的第一硅衬底、第一钝化层，所述第一硅衬底上开设第一背腔结构；
所述第一钝化层上设置有第一电极，位于所述第一钝化层内部的第一压阻结构。
7.如权利要求6所述的压力测量单元，其特征在于，所述差压式压阻MEMS芯片的所述第一硅衬底通过密封粘结材料粘结于所述互连衬底上。
8.如权利要求5所述的压力测量单元，其特征在于，在所述压力传感器芯片和所述温度敏感芯片均为绝压式压阻MEMS芯片时，所述绝压式压阻MEMS芯片包括：
由下至上的第二钝化层、第二硅衬底以及第三硅衬底，所述第二硅衬底开设第二背腔结构，所述第三硅衬底用于密封所述第二背腔结构；
所述第二钝化层上设置有第二电极，位于所述第二钝化层内部的第二压阻结构。
9.如权利要求8所述的压力测量单元，其特征在于，所述绝压式压阻MEMS芯片的所述第二钝化层通过密封环与所述互连衬底连接。
10.一种压力测量装置，其特征在于，包括：
第一基板、第二基板、多个如权利要求1-9中任一权项所述的压力测量单元、运算放大器、模数转换单元、处理器；
每个压力测量单元分别通过双列直插式的电极引脚焊接于所述第一基板上；
所述第一基板下方通过板间电互连结构连接所述第二基板；
所述运算放大器、所述模数转换单元以及所述处理器均集成在所述第二基板上，且所述运算放大器、所述模数转换单元以及所述处理器依次连接。
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