CN115979500B - 一种双气压腔芯体、压力扫描阀及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双气压腔芯体、压力扫描阀及制备方法，属于传感器技术领域，该双气压腔芯体包括双气压腔芯片和封装壳体，双气压腔芯片设置于封装壳体内；该压力扫描阀由多个双气压腔芯片和芯体密封板密封固定制得；由该双气压腔芯体制成的压力扫描阀具有上下两个气压通道，可实现两种气压的同时测试，实现单个芯体同时对两个通道的气压进行测试的目的，进而减少芯体的用量，降低压力扫描阀的体积，有效解决了现有的压力扫描阀存在体积大的问题。

Description

一种双气压腔芯体、压力扫描阀及制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种双气压腔芯体、压力扫描阀及制备方法。

背景技术

当今，信息化发展不断深入，对人类科技进步起到了重要作用，信息化技术研究内容包括信息的采集、传输及处理，其中，信息的采集离不开传感器技术。

根据测量对象的不同，传感器被分为了压力传感器、温度传感器、位移传感器、加速度计等多种传感器，其中，压力传感器技术相对成熟，市场份额占据最多。伴随着半导体技术的发展，压力传感器的性能得到逐步提升，同时为了应对航空航天、家电医疗、汽车工业等各领域的应用诉求，压力传感器逐渐向微型化、集成化方向发展，压力扫描阀便是其中的代表之一。压力扫描阀体积小、重量轻，集成了多个压力测试点，是一种可以进行多点压力测试的压力传感器，测试时，通过多路引压管将外部压力引导至压力扫描阀的多通道位置，扫描阀内部的压力传感器将接收的外部压力转换为压力数据，然后将压力数据经A/D转换后，传输至计算机，由计算机数据采集系统完成数据采集。

但是目前的压力扫描阀大多存在体积大的缺点，且无法同时对不同量程的压力进行测试，且现有的压力扫描阀对高温环境的适应能力较差。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种双气压腔芯体、压力扫描阀及其制备方法，由该双气压腔芯片制成的压力扫描阀具有上下两个气压通道，可实现两种气压的同时测试，实现单个芯体同时对两个通道的气压进行测试的目的，进而减少芯体的用量，降低压力扫描阀的体积，有效解决了现有的压力扫描阀存在体积大的问题。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种双气压腔芯体，包括双气压腔芯片和封装壳体，双气压腔芯片设置于封装壳体内，封装壳体上设置有引脚，封装壳体相对应的两侧设置有开口一和开口二；

双气压腔芯片包括第一感压结构和第二感压结构，第一感压结构内部设置有第一气压腔，第一气压腔通过第一气压通道与开口一连通，第一感压结构一侧设置有第一组压阻条和第一引线区，第一组压阻条和第一引线区与所述第一气压通道在不同侧面，第一引线区与引脚通过引线连接；

第二感压结构设置于第一感压结构上部，第二感压结构与第一感压结构之间形成密封的第二气压腔，第二感压结构上设置有第二组压阻条和第二引线区，第二引线区与引脚通过引线连接。

进一步地，第一组压阻条和第一引线区设置于远离第一气压腔一侧。

进一步地，第二组压阻条设置于远离第一感压结构一侧。

进一步地，第一感压结构包括第一基底部和第一膜层部。

进一步地，第一基底部的厚度为350-500μm，第一膜层部的厚度为5-30μm。

进一步地，第二感压结构包括支撑部和第二膜层部。

进一步地，支撑部的厚度为30-100μm，第二膜层部的厚度为5-30μm。

进一步地，第一感压结构和第二感压结构的材质为碳化硅。

上述的双气压腔芯体的制备方法，包括以下步骤：

（1）分别制备第一基底部和第一膜层部，采用真空键合的方式将第一基底部和第一膜层部键合，形成第一感压结构；然后在第一膜层部上通过热氧、掺杂、光刻、干法刻蚀等方式形成第一组压阻条和引线区；

（2）采用PEVCD沉膜的方式分别制备第二膜层部前驱体和支撑部，形成第二感压结构前驱体；

（3）将第二感压结构前驱体放置于第一感压结构上方，然后采用真空键合的方式进行键合，并对第二膜层部前驱体进行刻蚀处理，形成第二膜层部，支撑部与第二膜层部构成第二感压结构；在第二膜层部上形成第二组压阻条和第二引线区，制得双气压腔芯片；

（4）采用贴片工艺将双气压腔芯片与封装壳体固定，然后通过引线键合工艺将双气压腔芯片与所述引脚连接，然后通过焊接工艺将封装壳体进行密封，制得。

一种压力扫描阀，包括芯体密封板和双气压腔芯体，芯体密封板设置于双气压腔芯体两侧，芯体密封板上设置有通气孔，通气孔与开口一和开口二对应设置。

本发明所产生的有益效果为：

1、本发明中的双气压腔芯体可以通过单个芯体同时对两个通道的压力进行测试，与现有的压力扫描阀相比，测试相同数量通道压力的情况下，可减少一半的芯体用量，例如32通道的压力扫描阀，只需要16个双气压腔芯体即可，大大降低压力扫描阀的体积，实现压力扫描阀产品小型化的目的，节约成本。

2、本发明中可通过调整双气压腔芯体中第一膜层部和第二膜层部的厚度设计，实现对两种不同压力量程的同时测量，提高使用的方便性。

3、本发明中的双气压腔芯体采用碳化硅材料制成，碳化硅具有禁带宽、导热性好、化学稳定性好的优点，可适用于600℃的高温环境，有效解决了现有的压力扫描阀存在的高温环境应用受限的问题。

4、本发明中的制备方法利用SiC基底作为支撑结构，采用热氧及PECVD的方法沉积SiO₂和SiC膜层，通过SiC材料键合工艺和SiO₂刻蚀技术，实现SiC膜层及SiO₂膜层的剥离，制备出超薄结构的感压膜片，可提高感压灵敏度，实现小量程的压力测量，提高对气压的精准检测。

附图说明

图1为第一膜层部制备过程示意图；

图2为碳化硅衬底结构示意图；

图3为第一基底部的结构示意图；

图4为第一感压结构制备过程示意图；

图5为第二感压结构前驱体制备过程示意图；

图6为双气压腔芯片制备过程示意图；

图7为双气压腔芯体结构示意图；

图8为双气压腔芯片与引脚连接示意图；

图9为压力扫描阀结构示意图；

附图标记：1、双气压腔芯片；2、封装壳体；3、引脚；4、开口一；5、开口二；6、第一感压结构；7、第二感压结构；8、第一基底部；9、第一膜层部；10、第一气压腔；11、第一气压通道；12、第一组压阻条；13、第一引线区；14、支撑部；15、第二膜层部；16、第二气压腔；17、第二组压阻条；18、第一碳化硅基底材料；19、第一二氧化硅层；20、第一碳化硅层；21、碳化硅衬底；22、第二碳化硅基底材料；23、第二二氧化硅层；24、第二碳化硅层；25、光刻胶；26、掩膜；27、碳化硅支撑柱；28、芯体密封板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。

因此，以下对提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做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，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合实施例和附图对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

一种双气压腔芯体，包括双气压腔芯片1和封装壳体2，双气压腔芯片1设置于封装壳体2内，封装壳体2下底面上设置有引脚3，封装壳体2相对应的两侧设置有开口一4和开口二5，开口一4和开口二5设置于封装壳体2上下两侧，且设置于封装壳体2的中心，用于与外界进行连通；

双气压腔芯片1包括第一感压结构6和第二感压结构7，第一感压结构6和第二感压结构7的材质为碳化硅，第一感压结构6包括第一基底部8和第一膜层部9，第一基底部8的厚度为350-500μm，第一膜层部9的厚度为5-30μm；第一基底部8和第一膜层部9键合以后使得第一感压结构6内部设置有第一气压腔10，第一气压腔10通过第一气压通道11与开口一4连通，第一感压结构6一侧设置有第一组压阻条12和第一引线区13，第一组压阻条12和第一引线区13与第一气压通道11在不同侧面，优选地，第一组压阻条12和第一引线区13设置于远离第一气压腔10一侧；

第二感压结构7包括支撑部14和第二膜层部15，支撑部14的厚度为30-100μm，第二膜层部15的厚度为5-30μm；第二感压结构7设置于第一感压结构6上部，第二感压结构7与第一感压结构6之间形成密封的第二气压腔16，第二感压结构7上设置有第二组压阻条17和第二引线区，第二组压阻条17和第二引线区设置于远离第一感压结构6一侧。

上述的双气压腔芯体的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）分别制备第一基底部8和第一膜层部9，采用真空键合的方式将第一基底部8和第一膜层部9键合，形成第一感压结构6；然后在第一膜层部9上通过热氧、掺杂、光刻、干法刻蚀等方式形成第一组压阻条12以及第一引线区13；

具体操作为：

如图1所示，在第一碳化硅基底材料18上采用热氧工艺形成第一二氧化硅层19，厚度在500nm-1μm，然后在第一二氧化硅层19上采用PECVD法继续沉积第一碳化硅层20，厚度为5μm-30μm，制得第一膜层部前驱体，备用；

如图2-3所示，继续在厚度为350μm-500μm的碳化硅衬底21上采用CF₄和O₂作为刻蚀气体，采用光刻与等离子体刻蚀工艺刻蚀形成内凹结构和第一气压通道11，制得第一基底部8；然后，如图4（a）所示，将第一膜层部前驱体和第一基底部8置于键合机中，使得第一膜层部前驱体中沉积的第一碳化硅层20与碳化硅衬底21接触，在温度1100℃、50MPa的轴向压力下进行真空键合3h，由于两者的材料相同，最终键合为一体，并形成了第一气压腔10；

然后如图4（b）所示，采用HF、NH₄F、H₂O制成的混合溶液对第一二氧化硅层19进行刻蚀，将第一二氧化硅层19和第一碳化硅基底材料18进行分离，形成第一膜层部9；然后如图4（c）所示，采用离子注入的方式在第一膜层部9上进行P型掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁵/cm³~5×10¹⁸/cm³，形成第一组压阻条12；然后采用热氧的方式形成二氧化硅层，通过光刻形成开口区，再通过镍金属磁控溅射的方式进行掺杂，形成引线区13，进而形成第一感压结构6；

（2）采用PEVCD沉膜的方式分别制备第二膜层部前驱体和支撑部14，形成第二感压结构前驱体；

具体操作为：如图5（a-f）所示，在第二碳化硅基底材料22上采用热氧工艺形成第二二氧化硅层23，厚度在500nm-1μm，然后在第二二氧化硅层23上采用PECVD法继续沉积第二碳化硅层24，厚度为5μm-30μm，形成第二膜层部前驱体；然后第二膜层部前驱体中的第二碳化硅层24上旋涂光刻胶25，在光刻胶25中部附掩膜26并进行曝光，去除掩膜两侧的光刻胶25，形成开口区，在开口区沉积碳化硅支撑柱27，去除中部的光刻胶25，清洗后制得第二感压结构前驱体；

（3）将第二感压结构前驱体放置于第一感压结构6上方，然后采用真空键合的方式进行键合，并对第二膜层部前驱体进行刻蚀处理，形成第二膜层部15，支撑部14与第二膜层部15构成第二感压结构7；在第二膜层部15上形成第二组压阻条17和第二引线区，制得双气压腔芯片1；

具体操作为：如图6（a-c）所示，将第二感压结构前驱体上的碳化硅支撑柱27放置于第一感压结构6的上部，在真空键合机中进行真空键合，使得第一感压结构6和第二感压结构前驱体之间形成第二气压腔16；然后采用HF、NH₄F、H₂O制成的混合溶液对第二膜层部前驱体上的第二二氧化硅层23进行刻蚀，去除第二二氧化硅层23和第二碳化硅基底材料22，形成支撑部14（即碳化硅支撑柱27）和第二膜层部15，然后在第二膜层部15上进行P型掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁵/cm³~5×10¹⁸/cm³，形成第二组压阻条17，最终，制成双气压腔芯片1。

（4）双气压腔芯片1采用贴片工艺与封装壳体2固定，通过引线键合的方式与封装壳体引脚3连接，制得双气压腔芯体，如图7所示；其中引脚分为两组，第一感压结构6与第一组引脚连接，第二感压结构7与第二组引脚连接，如图8所示。

一种压力扫描阀，如图9所示，将多只双气压腔芯体置于芯体密封板28中部，形成双气压腔芯体阵列，芯体密封板28上设置有若干通气孔，通气孔与双气压腔芯体上的开口一4和开口二5相对应，芯体密封板28与双气压腔芯体之间通过密封圈进行密封，形成压力扫描阀。

该压力扫描阀通过上下芯体密封板28上的通气孔作为气压通道，气压通过上下两个通气孔进入双气压腔芯体内，利用第一膜层部9的和第二膜层部15对气压进行测量，实现减少芯体用量，减小扫描阀体积和尺寸的目的，实现扫描阀的小型化设计。

Claims (10)

1.一种双气压腔芯体，其特征在于，包括双气压腔芯片和封装壳体，所述双气压腔芯片设置于所述封装壳体内，所述封装壳体上设置有引脚，所述封装壳体相对应的两侧设置有开口一和开口二；

所述双气压腔芯片包括第一感压结构和第二感压结构，所述第一感压结构内部设置有第一气压腔，所述第一气压腔通过第一气压通道与所述开口一连通，所述第一感压结构一侧设置有第一组压阻条和第一引线区，所述第一组压阻条和第一引线区与所述第一气压通道在不同侧面，所述第一引线区与所述引脚通过引线连接；

所述第二感压结构设置于所述第一感压结构上部，所述第二感压结构与所述第一感压结构之间形成密封的第二气压腔，所述第二感压结构上设置有第二组压阻条和第二引线区，所述第二引线区与所述引脚通过引线连接。

2.根据权利要求1所述的双气压腔芯体，其特征在于，所述第一组压阻条和第一引线区设置于远离所述第一气压腔一侧。

3.根据权利要求1所述的双气压腔芯体，其特征在于，所述第二组压阻条设置于远离所述第一感压结构一侧。

4.根据权利要求1所述的双气压腔芯体，其特征在于，所述第一感压结构包括第一基底部和第一膜层部。

5.根据权利要求4所述的双气压腔芯体，其特征在于，所述第一基底部的厚度为350-500μm，所述第一膜层部的厚度为5-30μm。

6.根据权利要求1所述的双气压腔芯体，其特征在于，所述第二感压结构包括支撑部和第二膜层部。

7.根据权利要求6所述的双气压腔芯体，其特征在于，所述支撑部的厚度为30-100μm，所述第二膜层部的厚度为5-30μm。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的双气压腔芯体，其特征在于，所述第一感压结构和第二感压结构的材质为碳化硅。

9.权利要求1-7任一项所述的双气压腔芯体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）分别制备第一基底部和第一膜层部，采用真空键合的方式将第一基底部和第一膜层部键合，形成第一感压结构；然后在第一膜层部上形成第一组压阻条和引线区；

（2）采用PEVCD沉膜的方式分别制备第二膜层部前驱体和支撑部，形成第二感压结构前驱体；

（3）将第二感压结构前驱体放置于第一感压结构上方，然后采用真空键合的方式进行键合，并对第二膜层部前驱体进行刻蚀处理，形成第二膜层部，支撑部与第二膜层部构成第二感压结构；在第二膜层部上形成第二组压阻条和第二引线区，制得双气压腔芯片；

（4）采用贴片工艺将双气压腔芯片与封装壳体固定，然后通过引线键合工艺将双气压腔芯片与所述引脚连接，然后通过焊接工艺将封装壳体进行密封，制得。

10.一种压力扫描阀，其特征在于，包括芯体密封板和权利要求1-8中任一项所述的双气压腔芯体，所述芯体密封板设置于所述双气压腔芯体两侧，所述芯体密封板上设置有通气孔，所述通气孔与所述开口一和开口二对应设置。

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