CN114136511B - 一种电缆线系soi压阻压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电缆线系SOI压阻压力传感器，衬底硅（10）微腔中设有感压膜片（4），衬底硅背面制有围堰（1），感压膜片区域制有敏感桥阻和互连线（2），感压膜片区域内制有互连线（6）与对应的敏感桥阻连接，围堰上的背封玻璃（50）中设有微凹腔（51）构成压力参考腔，衬底硅正面连接封接玻璃（60）及测量接口（61），金属接嘴（62）与封接玻璃连为一体,金属空心插管（54）与金属焊盘（3）形成电连接，金属空心插管中嵌压焊接电缆线（55）。本发明具有如下优点：传感器线性压阻灵敏度正/反向对称一致性,无管座使传感器与芯片固有频率接近，尤其是适用高频的动态压力测量。
Description
技术领域
本发明属于硅基微机电传感器技术领域，具体涉及一种线性压阻灵敏度双向对称一致的电缆线系的SOI压力敏感芯片传感器。
背景技术
传感器体积越小和重量越轻，传感器输出与原位或亚原位、点阵列单元的被测压力约定真值符合越一致，同时对被测压力载体结构的变形或负面影响越小或忽略不计。
敏感芯片封装结构尺度决定传感器的功能结构尺度，即使是最小的传感器器件,不论是常规的正向封装还是倒置封装，因使用管座径向外形尺度都大于芯片对角线尺度，压力传感器功能结构最小尺度都会大于芯片对角线尺度，限制传感器的小型化。
发明内容
本发明的目的就是提供一种电缆线系SOI压阻压力传感器，封装采用无管座的异质异构叠层刚性密封方式,将芯片焊盘与敏感信号电缆直接电连接,在继承SOI压力敏感芯的线性压阻灵敏度双向对称一致的宽泛适用性的同时，使压力传感器平面尺度等同于芯片最大平面尺度。
本发明采用的技术方案如下：
一种电缆线系SOI压阻压力传感器，其特征在于包括以下组成部分：
A.一种SOI压力敏感芯片，包括，
1）衬底硅，衬底硅正面设有倒梯形的微腔，倒梯形的微腔底部区域构成感压膜片；衬底硅背面制有将衬底硅包围的顶层硅围堰，感压膜片处于顶层硅围堰中心区域，顶层硅围堰上面制有二氧化硅层；
2）衬底硅背面感压膜片区域制有四个横向平行的条形敏感桥阻R1—R4，敏感桥阻均呈现为以感压膜片区域中心对称设置，每个敏感桥阻上面制有二氧化硅层；
3）衬底硅背面位于感压膜片区域中，沿着感压膜片区域两个斜对称角分别制有一个一字型顶层硅互连线，一字型顶层硅互连线与敏感桥阻间的夹角为45度，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区内的端部制有Z字型互联线，Z字型互联线的两端分别与相邻的对应的敏感桥阻的一端连接，一字型顶层硅互连线及其Z字型互联线上面制有二氧化硅层，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区外的端部制有焊盘，焊盘穿过二氧化硅层与一字型顶层硅互连线相连；
4）在两个一字型顶层硅互连线两侧对称的感压膜片区域内，分别制有一个对称的X字型顶层硅互连线，X字型顶层硅互连线的两个内端分别与两个间隔的对应的敏感桥阻另一端连接，X字型顶层硅互连线的两个外端分别通过过度引线在感压膜片区域外汇聚成连接端，X字型顶层硅互连线及其过度引线上面制有二氧化硅层，连接端制有焊盘，焊盘穿过二氧化硅层与过度引线连接端相连。
所述顶层硅围堰、顶层硅互连线以及敏感桥阻采用高浓度掺杂硅制成。
所述Z字型互联线的中部通过L型过渡线2a与一字型顶层硅互连线内端部连接，L型过渡线2a上面制有二氧化硅层；
5）所述顶层硅围堰1和所有焊盘3表面二氧化硅层8上连接背封玻璃50，背封玻璃与感压膜片区域对应部分设有微凹腔51，微凹腔51构成芯片压力参考腔，背封玻璃与每个焊盘对应处分别设有通孔52。
B.压力测量腔
1）通过阳极键合，衬底硅10正面与热胀冷缩性能匹配的封接玻璃60气密性封接成一体构成压力测量腔20，封接玻璃60中心设有传感器测量接口61；
2）金属接嘴62与封接玻璃60气密性烧结成一体,金属接嘴62中设有导压孔63与测量口61联通；
C.传感器电学连接结构
1）背封玻璃的每个通孔52中设有导电粉料53及金属空心插管54, 通过导电粉料53熔融将金属空心插管固定在通孔52内并与金属焊盘3形成欧姆接触的电连接；
2）每个金属空心插管54中嵌压焊接电缆线55，实现相互间电连接的同时，电缆线牢固拴系芯片。
参考腔封接玻璃构造具有多重功能：微凹腔底面可作为芯片感压膜片的过载挠度的限位面，增加芯片过载压力能力。微凹腔与大气环境导通或不导通，可分别适用于表压（包括负压）或差压或绝压测量。
本发明具有如下优点：
1)传感器继承线性压阻灵敏度正/反向对称一致的SOI压力敏感芯片泛用性的优势和长处, 具有表压（包括负压）、绝压、差压三类系列和低、中、高压力量程的宽泛覆盖和高过载能力；
2) 传感器最大平面尺度等同芯片表面尺度，为最小型化和轻量化的传感器，适用于“点对点”和“原位”或“亚原位”的压力测量；
3)利用静电、烧结、嵌压焊等刚性封接工艺，传感器能在低于材料软化点以下的高宽温区环境中稳定可靠地工作；
4)无管座封装使传感器固有频率接近芯片固有频率，兼容静/动两态、尤其是适用高频的动态压力测量。
附图说明
图1为本发明的SOI压阻压力敏感芯片顶层硅平面示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为图1的半剖视透视图；
图4为图2加上烧结压力接嘴后剖视图；
图5为图4加上烧结电缆金属箍管后的剖视图。
一种电缆线系SOI压阻压力传感器，其特征在于包括以下组成部分：
A.一种SOI压力敏感芯片，如图1、图2所示，包括，
1）衬底硅10，衬底硅正面设有倒梯形的微腔20，倒梯形的微腔底部区域构成感压膜片4； 衬底硅背面制有将衬底硅包围的顶层硅围堰1，感压膜片4处于顶层硅围堰中心区域，顶层硅围堰上面制有二氧化硅层8；
2）衬底硅背面感压膜片区域制有四个横向平行的条形敏感桥阻R1—R4，敏感桥阻均呈现为以感压膜片区域中心对称设置，每个敏感桥阻上面制有二氧化硅层8；
3）衬底硅背面位于感压膜片区域中，沿着感压膜片区域两个斜对称角分别制有一个一字型顶层硅互连线2，一字型顶层硅互连线与敏感桥阻间的夹角为45度，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区内的端部制有Z字型互联线5，Z字型互联线的两端分别与相邻的对应的敏感桥阻的一端连接，一字型顶层硅互连线及其Z字型互联线上面制有二氧化硅层，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区外的端部制有焊盘3，焊盘穿过二氧化硅层与一字型顶层硅互连线相连；
4）在两个一字型顶层硅互连线两侧对称的感压膜片区域内，分别制有一个对称的X字型顶层硅互连线6，X字型顶层硅互连线的两个内端分别与两个间隔的对应的敏感桥阻另一端连接，X字型顶层硅互连线的两个外端分别通过过度引线7在感压膜片区域外汇聚成连接端，X字型顶层硅互连线及其过度引线上面制有二氧化硅层8，连接端制有焊盘3，焊盘穿过二氧化硅层与过度引线连接端相连。
所述顶层硅围堰、顶层硅互连线以及敏感桥阻采用高浓度掺杂硅制成。
所述Z字型互联线的中部通过L型过渡线2a与一字型顶层硅互连线内端部连接，L型过渡线2a上面制有二氧化硅层；
5）所述顶层硅围堰1和所有焊盘3表面二氧化硅层8上连接背封玻璃50，背封玻璃与感压膜片区域对应部分设有微凹腔51，微凹腔51构成芯片压力参考腔，背封玻璃与每个焊盘对应处分别设有通孔52。
B.压力测量腔，如图2、图3、图4所示，
1）通过阳极键合，衬底硅10正面与热胀冷缩性能匹配的封接玻璃60气密性封接成一体构成压力测量腔20，封接玻璃60中心设有传感器测量接口61；
2）金属接嘴62与封接玻璃60气密性烧结成一体,金属接嘴62中设有导压孔63与测量口61联通；
C.传感器电学连接结构，如图5所示，
1）背封玻璃的每个通孔52中设有导电粉料53及金属空心插管54, 通过导电粉料53熔融将金属空心插管固定在通孔52内并与金属焊盘3形成欧姆接触的电连接；
2）每个金属空心插管54中嵌压焊接电缆线55，实现相互间电连接的同时，电缆线牢固拴系芯片。
参考腔封接玻璃构造具有多重功能：微凹腔底面可作为芯片感压膜片的过载挠度的限位面，增加芯片过载压力能力。微凹腔与大气环境导通或不导通，可分别适用于表压（包括负压）或差压或绝压测量。
本发明还提供了一种电缆线系SOI压阻压力传感器制备方法，包括以下步骤：
一、一种SOI压阻压力敏感芯片的制造流程，包括以下步骤：
1)外延工艺精准控制SOI圆片顶层硅最终厚度及均匀性和一致性；
2) SOI压力敏感芯片晶圆和背封玻璃图形化版图设计；
3)精密控制消耗SOI圆片顶层硅厚度的二氧化硅层的热生长；
4)顶层硅表层全域的一次浓硼杂质离子注入，扩散电阻温度系数可与压阻效应温度系数近似抵消的；；
5) 除敏感桥阻外的顶层硅区域的近固体溶解度的高浓硼杂质离子注入；
6)顶层硅浓硼和高浓硼杂质无氧化氛围的高温热激活处理；
7)LPCVD方法淀积二氧化硅层；
8)依次干法过刻蚀顶层硅上二氧化硅层、刻蚀敏感电桥和背封围堰图形、焊盘引线孔图形；
9) PCVD方法淀积高宽温区使用的耐高温合金焊盘多层薄膜或单层铝焊盘薄膜；
10)干法刻蚀金属薄膜焊盘图形；
11)干法刻蚀衬底硅上的二氧化硅层和二氧化硅，制作倒梯形感压膜片的化学湿法腐蚀窗口图形；
12) 氢氧化钾液各向异性腐蚀衬底硅，倒梯形腔体底面根切边界界定感压膜片表面尺度；
13)光学冷加工背封玻璃圆片的微凹腔、电极和大气环境通孔阵列和光洁表面；
14) 静电键合封接芯片、焊盘周边顶层硅与玻璃圆片间的接触界面，形成芯片压力参考腔，背封倒装压力敏感芯片晶圆制备流程完成；
15)将芯片晶圆划片分割成背封倒装压力敏感芯片。
二、测量腔及电学连接结构的制作，包括以下步骤：
1)压力测量接嘴、绝缘粉料64的规格参数设计；
2) 芯片玻璃-单晶硅-玻璃“三明治”构造的静电封接工艺流程步骤；
3)按被封装芯片的数量将金属接嘴62平面端面朝上放在接嘴烧结模具工位中；
4)将芯片晶圆参考封接玻璃朝上，按规定方位放在接嘴烧结模具中，所有玻璃中心测量口61与金属接嘴导压孔63的圆心同心对准；
5) 扣上模具上盖，放上重量适量的压块,将接嘴烧结模具匀速平稳推进烧结炉的恒温区；
6)在高于绝缘玻璃坯料熔点的恒定温度中进行真空烧结，完成芯片测量腔玻璃与压力测量接嘴气密性封接；
7)在低于绝缘薄片坯料软化点温度的惰性气氛中进行热处理，热处理温度降至室温后，从烧结模具中取下芯片晶圆；
8)将芯片晶圆分切成单立的芯片；
9) 将将单立的芯片背封玻璃面向上、按规定方位放在芯片焊盘烧结模具中，向参考腔玻璃多个电极通孔内精准填充等量的导电粉料；
10)将若干金属毛细插管插入已填充导电粉料的电极通孔内；
11)扣上模具上盖，放上重量适量的压块,将烧结模具匀速平稳推进烧结炉的恒温区；
12)在高于导电粉料、低于绝缘玻璃坯料熔点的恒定温度中进行真空烧结，
13) 在惰性气氛中进行热处理热，处理温度降至室温，从烧结模具中取下芯片；
14)完成芯片焊盘与金属毛细插管电连接；
15)依次将四根电缆线嵌压焊接在金属毛细插管内，实现电缆线与芯片焊盘电连接和拴系。
Claims (3)
1.一种电缆线系SOI压阻压力传感器，其特征在于包括以下组成部分：
A.一种SOI压力敏感芯片，包括，
1）衬底硅（10），衬底硅正面设有倒梯形的微腔（20），倒梯形的微腔底部区域构成感压膜片（4）；衬底硅背面制有将衬底硅包围的顶层硅围堰（1），感压膜片（4）处于顶层硅围堰中心区域，顶层硅围堰上面制有二氧化硅层（8）；
2）衬底硅背面感压膜片区域制有四个横向平行的条形敏感桥阻R1—R4，敏感桥阻均呈现为以感压膜片区域中心对称设置，每个敏感桥阻上面制有二氧化硅层（8）；
3）衬底硅背面位于感压膜片区域中，沿着感压膜片区域两个斜对称角分别制有一个一字型顶层硅互连线（2），一字型顶层硅互连线与敏感桥阻间的夹角为45度，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区内的端部制有延伸的Z字型互联线（5），Z字型互联线的两端分别与相邻的对应的敏感桥阻的一端连接，一字型顶层硅互连线及其Z字型互联线上面制有二氧化硅层，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区外的端部制有焊盘（3），焊盘穿过二氧化硅层与一字型顶层硅互连线相连；
4）在两个一字型顶层硅互连线两侧对称的感压膜片区域内，分别制有一个对称的X字型顶层硅互连线（6），X字型顶层硅互连线的两个内端分别与两个间隔的对应的敏感桥阻另一端连接，X字型顶层硅互连线的两个外端分别通过延伸的过渡引线（7）在感压膜片区域外汇聚成连接端，X字型顶层硅互连线及其过渡引线上面制有二氧化硅层（8），连接端制有焊盘（3），焊盘穿过二氧化硅层与过渡引线连接端相连；
5）所述顶层硅围堰（1）和所有焊盘（3）表面二氧化硅层（8）上连接背封玻璃（50），背封玻璃与感压膜片区域对应部分设有微凹腔（51），微凹腔（51）构成芯片压力参考腔，背封玻璃与每个焊盘对应处分别设有通孔（52）；
B.压力测量腔
1）通过阳极键合，衬底硅（10）正面与热胀冷缩性能匹配的封接玻璃（60）气密性封接成一体构成压力测量腔（20），封接玻璃（60）中心设有传感器测量接口（61）；
2）金属接嘴（62）与封接玻璃（60）气密性烧结成一体 ,金属接嘴（62）中设有导压孔（63）与测量接口（61）联通；
C.传感器电学连接结构
1）背封玻璃的每个通孔（52）中设有导电粉料（53）及金属空心插管（54）, 通过导电粉料（53）熔融将金属空心插管固定在通孔（52）内并与金属焊盘（3）形成欧姆接触的电连接；
2）每个金属空心插管（54）中嵌压焊接电缆线（55），实现相互间电连接的同时，电缆线
牢固拴系芯片。
2.根据权利要求1所述的一种电缆线系SOI压阻压力传感器，其特征在于，所述Z字型互联线的中部通过L型过渡线（2a）与一字型顶层硅互连线内端部连接，L型过渡线（2a）上面制有二氧化硅层。
3.根据权利要求2所述的一种电缆线系SOI压阻压力传感器，其特征在于，所述顶层硅围堰、顶层硅互连线、敏感桥阻以及L型过渡线采用高浓度掺杂硅制成。
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