CN114061796A - 一种硅压阻式压力传感器芯体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅压阻式压力传感器芯体及其制备方法，涉及传感器技术领域。本发明是为了解决现有硅压阻式压力传感器应力应变的非线性影响小量程压力传感器对压力信号的高灵敏度的问题。本发明所述的一种硅压阻式压力传感器芯体，上盖和下盖相互盖合在一起、并形成中空腔体结构，下盖底部开有将中空腔与外部连通的通孔，上盖侧壁开有将中空腔与外部连通的引压通道，敏感芯片位于中空腔体内部，且覆盖在通孔上，敏感芯片通过外引线与外部进行电气连接。本发明可应用于传感器技术领域。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域。
背景技术
机动陆面载体的姿态调整往往采用人工手动操作。但是，随着时代的发展，手动操作己经难以满足机动陆面载体对高精度调整的要求，需采用机电式自动调整装置，该装置需要使用硅压阻式压力传感器芯体，以达到精确调整的目的。由于姿态调整需要精确调整水平基准和竖起角度，因此必须实现小量程压力传感器的测压，根据反馈数据对系统进行实时监测和控制，来保证载体驱动过程中的同步精度。
硅压阻式压力传感器在设计制造的生产制造成本及产品性价比等方面具有明显的优势。然而，当压力测量量程低至几十千帕甚至数百帕时，基于薄膜力敏结构设计的力敏元件的力学非线性问题显得很突出，即气球效应。薄膜大挠度带来的应力应变的非线性问题，影响小量程压力传感器对压力信号的高灵敏度测量。
发明内容
本发明是为了解决现有硅压阻式压力传感器应力应变的非线性影响小量程压力传感器对压力信号的高灵敏度的问题，现提供一种硅压阻式压力传感器芯体。
一种硅压阻式压力传感器芯体，包括敏感芯片1和外壳，外壳包括上盖3-1和下盖3-2，上盖3-1和下盖3-2相互盖合在一起、并形成中空腔体结构，下盖3-2底部开有将中空腔与外部连通的通孔5，上盖3-1侧壁开有将中空腔与外部连通的引压通道6，
敏感芯片1位于中空腔体内部，且覆盖在通孔5上，敏感芯片1通过外引线4与外部进行电气连接。
进一步的，上述敏感芯片1通过贴片胶7固定在下盖3-2底部。
进一步的，上述外壳材料为环氧树脂。
进一步的，上述敏感芯片1与外引线4之间通过金丝2压焊连接。
进一步的，上述敏感芯片1、金丝2、以及金丝2与敏感芯片1之间的焊点、金丝2与外引线4之间的焊点上均涂覆有Parylene胶。
进一步的，上述敏感芯片1为梁膜结构，掺杂面和非掺杂面的镂空区域边缘均为弧形，掺杂面的镂空区域内设有两个轴对称设置的梁组，每个梁组包括两个横梁和两个斜梁，两个横梁呈一条直线排布、且二者之间通过电阻条相连，两个横梁的外端通过电阻条与镂空区域相连，两个斜梁的分别与两个横梁相连、另一端与镂空区域相连。
上述一种硅压阻式压力传感器芯体的制备方法包括以下步骤：
步骤一：采用离子注入工艺对单晶硅晶圆进行掺杂，晶圆包括4个桥臂，每个桥臂包括2条电阻条，
步骤二：采用LPCVD工艺在掺杂后的晶圆上淀积氮化硅保护层，
步骤三：在80℃恒温条件下，使用磷酸去除晶圆未掺杂面的氮化硅保护层，
步骤四：采用光刻和干法刻蚀工艺在晶圆掺杂面制作引线孔，
步骤五：采用热蒸发和光刻工艺在晶圆掺杂面制作铝电极，之后置于真空退火炉中对电极进行退火，
步骤六：采用PECVD工艺在晶圆掺杂面依次淀积SiO2钝化层和Si3N4钝化层，并采用光刻和干法刻蚀工艺去除铝电极表面的SiO2钝化层和Si3N4钝化层，
步骤七：采用光刻和ICP刻蚀工艺分别在晶圆的掺杂面和未掺杂面制作圆弧异形复合梁膜结构，
步骤八：采用阳极键合工艺，将晶圆未掺杂面和硼硅玻璃片键合在一起，然后将晶圆分离成单只的敏感芯片1，
步骤九：将敏感芯片1粘接在下盖3-2的通孔5上，然后将粘接有敏感芯片1的下盖3-2固定在压焊台上，使用超声热压球焊机完成金丝2与敏感芯片电极之间的压焊，
步骤十：在敏感芯片1、金丝2、以及金丝2与敏感芯片1之间的焊点、金丝2与外引线4之间的焊点上沉积Parylene胶，
步骤十一：采用热注塑工艺将上盖3-1和下盖3-2进行封装。
进一步的，上述步骤一中，掺杂浓度为3×1018～5×1018cm-3，电阻条尺寸为32.3μm×6μm，步骤二中，氮化硅的厚度为
步骤六中，SiO2钝化层的厚度为360±20nm，Si3N4钝化层的厚度为120±20nm。步骤八中，键合参数为真空度0.01mbar、电压1000V、压力500N、温度360℃、键合时间15min。
本发明所述的一种硅压阻式压力传感器芯体及其制备方法，通过MEMS工艺制作敏感芯片，保证了压力敏感芯片的一致性，降低了敏感芯片的制造成本；同时减小了灵敏度牺牲，增加了敏感芯片周边固支键合面积，实现传感器对压力信号的高灵敏度测量。另外，本发明采用了环氧树脂材料制作芯体外壳，并采用Parylene芯片保护胶涂覆敏感芯片、金丝和焊点，起到保护敏感芯片、改善芯体性能的作用。本发明芯体采用硅压阻原理，内部无电子元件，降低了硅压阻式压力传感器芯体的功耗；可在高冲击、高温等恶劣环境下准确地进行振动测量。
本发明所述的硅压阻式压力传感器芯体主要用于机动陆面载体内部的压力信号测量，工作温度范围在-40℃～125℃，可测量压力为0-50kPa。本发明可应用于传感器技术领域，为机动陆面载体进行高精度姿态调整提供技术支撑。
附图说明
图1为一种硅压阻式压力传感器芯体的俯视图；
图2为一种硅压阻式压力传感器芯体的剖视图；
图3为传感器芯体上盖结构的俯视图；
图4为传感器芯体下盖结构的俯视图；
图5为敏感芯片的正面示意图；
图6为敏感芯片的背面示意图。
具体实施方式
为了解决现有50kPa硅压阻式压力传感器芯体输出灵敏度与非线性之间存在矛盾、测量误差大、结构复杂的问题。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：参照图1至图6具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种硅压阻式压力传感器芯体，包括敏感芯片1和外壳，外壳包括上盖3-1和下盖3-2，外壳材料为环氧树脂。上盖3-1和下盖3-2相互盖合在一起、并形成中空腔体结构。下盖3-2底部开有将中空腔与外部连通的通孔5。上盖3-1侧壁开有将中空腔与外部连通的引压通道6。敏感芯片1位于中空腔体内部，敏感芯片1通过贴片胶7固定在下盖3-2底部，且覆盖在通孔5上。敏感芯片1通过外引线4与外部进行电气连接，其中敏感芯片1与外引线4之间通过金丝2压焊连接。
敏感芯片1、金丝2、以及金丝2与敏感芯片1之间的焊点、金丝2与外引线4之间的焊点上均涂覆有Parylene(派瑞林、聚对二甲苯)胶。采用气相沉积的方法涂覆Parylene保护胶，涂覆厚度精确可控，厚度3um，避免了传统硅胶灌封保护，因硅胶太厚带来的迟滞大的问题；优点是对潮湿及其他腐蚀性气体具有低渗透性。
敏感芯片1为梁膜结构，灵敏度高。具体的，掺杂面和非掺杂面的镂空区域边缘均为弧形，掺杂面的镂空区域内设有两个轴对称设置的梁组，每个梁组包括两个横梁和两个斜梁，两个横梁呈一条直线排布、且二者之间通过电阻条相连，两个横梁的外端通过电阻条与镂空区域相连，两个斜梁的分别与两个横梁相连、另一端与镂空区域相连。
本实施方式中，敏感芯片1采用MEMS工艺在单晶硅晶圆上制作而成，且采用一种圆弧异形复合结构设计，该结构能够减小灵敏度牺牲，增加敏感芯片周边固支键合面积，实现硅压阻式压力传感器芯体的高灵敏度测量。环氧树脂外壳由硅微粉、环氧树脂、阻燃剂按一定比例混合，经高速搅拌，熔融挤出，压片冷却，粉碎，打饼，包装，冷冻保存等工艺后制备完成。
实际应用时，将硅压阻式压力传感器芯体安装在测试位置上，外界的压力信号通过环氧树脂外壳设置的引压通道6作用到敏感芯片1上，敏感芯片1在压力信号的作用下发生形变产生相应的电信号，电信号通过金丝2和外引线4导出到外部，从而实现对压力信号的测量。
具体实施方式二：本实施方式所述的一种硅压阻式压力传感器芯体的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：采用离子注入工艺对单晶硅晶圆进行掺杂，晶圆包括4个桥臂，每个桥臂包括2条电阻条，掺杂浓度为3×1018～5×1018cm-3，电阻条尺寸为32.3μm×6μm。
步骤二：采用LPCVD(低压力化学气相沉积)工艺在掺杂后的晶圆上淀积氮化硅保护层，氮化硅的厚度为
步骤三：在80℃恒温条件下，使用磷酸去除晶圆未掺杂面的氮化硅保护层。
步骤四：采用光刻和干法刻蚀工艺在晶圆掺杂面制作引线孔。
步骤五：采用热蒸发和光刻工艺在晶圆掺杂面制作铝电极，之后置于真空退火炉中对电极进行退火，实现电极和晶圆具有良好的欧姆接触。
步骤六：采用PECVD(等离子体增强化学的气相沉积法)工艺在晶圆掺杂面依次淀积SiO2钝化层和Si3N4钝化层，并采用光刻和干法刻蚀工艺去除铝电极表面的SiO2钝化层和Si3N4钝化层，SiO2钝化层的厚度为360±20nm，Si3N4钝化层的厚度为120±20nm。
步骤七：采用光刻和ICP(电感耦合等离子体)刻蚀工艺分别在晶圆的掺杂面和未掺杂面制作圆弧异形复合梁膜结构。
步骤八：采用阳极键合工艺，将晶圆未掺杂面和硼硅玻璃片键合在一起。将静电键合好待划切的晶圆小心的贴到UV膜上并固定在贴膜架上，在显微镜下经过对准及修整后，将晶圆分离成单只敏感芯片，划切速度设置为(0.1～1.0)mm/s，键合参数为真空度0.01mbar、电压1000V、压力500N、温度360℃、键合时间15min。
步骤九：蘸取少量贴片胶，将敏感芯片1粘接在下盖3-2的通孔5上，并稍用力按压，形成良好粘接。然后将粘接有敏感芯片1的下盖3-2固定在压焊台上，使用超声热压球焊机完成金丝2与敏感芯片电极之间的压焊。压焊参数：超声功率为”1.5～3”档；时间为”2～4”档；压力为”2～4”档之间；线弧为”4～8”档，金丝长度由压焊两点时自动形成；金丝与外引线之间的压焊(第二焊点)。压焊参数：超声功率为”2～4.5”档；时间为”3～6”档；压力为”3～4”档之间。按超声热压球焊机的操作规程，完成对第二焊点的补球。
步骤十：在敏感芯片1、金丝2、以及金丝2与敏感芯片1之间的焊点、金丝2与外引线4之间的焊点上沉积Parylene胶进行保护。具体的，首先是聚对Parylene原料在蒸发腔内升温至175℃升华，第二步是升华后的Parylene气体导入进裂解腔，在680℃左右的温度下，Parylene的分子键被断开,产生活性的Parylene单体，最后Parylene单体被送到室温的真空沉积室里，在敏感芯片、金丝及焊点表面完成聚合沉积。
步骤十一：采用热注塑工艺将上盖3-1和下盖3-2进行封装。
本发明能够有效解决现有50kPa硅压阻式压力传感器芯体输出灵敏度与非线性之间的矛盾。本发明采用硅压阻原理和MEMS工艺制造，内部无电子元件，在高温及振动等恶劣环境下仍具备优良的性能，并且具有体积小、制造成本低的优点。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种硅压阻式压力传感器芯体，其特征在于，包括敏感芯片(1)和外壳，外壳包括上盖(3-1)和下盖(3-2)，上盖(3-1)和下盖(3-2)相互盖合在一起、并形成中空腔体结构，下盖(3-2)底部开有将中空腔与外部连通的通孔(5)，上盖(3-1)侧壁开有将中空腔与外部连通的引压通道(6)，
敏感芯片(1)位于中空腔体内部，且覆盖在通孔(5)上，敏感芯片(1)通过外引线(4)与外部进行电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种硅压阻式压力传感器芯体，其特征在于，敏感芯片(1)通过贴片胶(7)固定在下盖(3-2)底部。
3.根据权利要求1所述的一种硅压阻式压力传感器芯体，其特征在于，外壳材料为环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的一种硅压阻式压力传感器芯体，其特征在于，敏感芯片(1)与外引线(4)之间通过金丝(2)压焊连接。
5.根据权利要求4所述的一种硅压阻式压力传感器芯体，其特征在于，敏感芯片(1)、金丝(2)、以及金丝(2)与敏感芯片(1)之间的焊点、金丝(2)与外引线(4)之间的焊点上均涂覆有Parylene胶。
6.根据权利要求1所述的一种硅压阻式压力传感器芯体，其特征在于，
敏感芯片(1)为梁膜结构，掺杂面和非掺杂面的镂空区域边缘均为弧形，掺杂面的镂空区域内设有两个轴对称设置的梁组，每个梁组包括两个横梁和两个斜梁，两个横梁呈一条直线排布、且二者之间通过电阻条相连，两个横梁的外端通过电阻条与镂空区域相连，两个斜梁的分别与两个横梁相连、另一端与镂空区域相连。
7.权利要求1所述的一种硅压阻式压力传感器芯体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：采用离子注入工艺对单晶硅晶圆进行掺杂，晶圆包括4个桥臂，每个桥臂包括2条电阻条，
步骤二：采用LPCVD工艺在掺杂后的晶圆上淀积氮化硅保护层，
步骤三：在80℃恒温条件下，使用磷酸去除晶圆未掺杂面的氮化硅保护层，
步骤四：采用光刻和干法刻蚀工艺在晶圆掺杂面制作引线孔，
步骤五：采用热蒸发和光刻工艺在晶圆掺杂面制作铝电极，之后置于真空退火炉中对电极进行退火，
步骤六：采用PECVD工艺在晶圆掺杂面依次淀积SiO2钝化层和Si3N4钝化层，并采用光刻和干法刻蚀工艺去除铝电极表面的SiO2钝化层和Si3N4钝化层，
步骤七：采用光刻和ICP刻蚀工艺分别在晶圆的掺杂面和未掺杂面制作圆弧异形复合梁膜结构，
步骤八：采用阳极键合工艺，将晶圆未掺杂面和硼硅玻璃片键合在一起，然后将晶圆分离成单只的敏感芯片(1)，
步骤九：将敏感芯片(1)粘接在下盖(3-2)的通孔(5)上，然后将粘接有敏感芯片(1)的下盖(3-2)固定在压焊台上，使用超声热压球焊机完成金丝(2)与敏感芯片电极之间的压焊，
步骤十：在敏感芯片(1)、金丝(2)、以及金丝(2)与敏感芯片(1)之间的焊点、金丝(2)与外引线(4)之间的焊点上沉积Parylene胶，
步骤十一：采用热注塑工艺将上盖(3-1)和下盖(3-2)进行封装。
8.根据权利要求7所述的一种硅压阻式压力传感器芯体的制备方法，其特征在于，
步骤一中，掺杂浓度为3×1018～5×1018cm-3，电阻条尺寸为32.3μm×6μm，
步骤二中，氮化硅的厚度为
9.根据权利要求7所述的一种硅压阻式压力传感器芯体的制备方法，其特征在于，步骤六中，SiO2钝化层的厚度为360±20nm，Si3N4钝化层的厚度为120±20nm。
10.根据权利要求7所述的一种硅压阻式压力传感器芯体的制备方法，其特征在于，步骤八中，键合参数为真空度0.01mbar、电压1000V、压力500N、温度360℃、键合时间15min。
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