CN1209609C - 固态压阻式耐高温压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种固态压阻式耐高温压力传感器及其制作方法，该传感器包括基座(1)，玻璃环(2)，SIMOX硅杯结构压阻芯片(3)，电路转接板(4)，压焊引线(5)，上盖(6)及连接电缆(7)；基座(1)与被测压力容器或管道相连接。玻璃环(2)与基座(1)和SIMOX硅杯结构压阻芯片(3)固接在一起。SIMOX硅杯结构压阻芯片(3)既作弹性元件又作为敏感元件，从而简化了传感器的结构。本发明由于经过SIMOX方法制作压阻芯片使其形成均匀一致的绝缘层二氧化硅，将上层的惠斯登单晶硅测量电路与基底硅隔离开，避免了测量电路层与硅基底之间因环境温度升高而造成的漏电流，提高了传感器的耐高温能力、测量的精确度、灵敏度和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器及其制备方法，特别是一种固态压阻式耐高温压力传感器及应用高能氧离子注入(SIMOX)技术制备硅隔离(SOI)固态压阻式硅杯结构耐高温压力传感器芯片的方法。
背景技术
目前，国内外压力传感器一般采用充硅油、陶瓷隔离、溅射薄膜、半导体体硅技术等。其中充硅油、陶瓷隔离技术的压力传感器，由于硅油或陶瓷介质材料等因素的影响，其传感器的耐高温特性较差，一般工作温度在10～100℃范围内；溅射薄膜技术方法制作的压力传感器，因为其弹性元件的影响，降低了传感器动态特性指标，同时在高温环境下，因弹性元件存在热膨胀从而产生附加的热应力，影响了溅射薄膜传感器的精度；半导体体硅技术压力传感器，虽具有体积小、灵敏度高等特点，但由于其测量电路与硅基底之间的PN在环境温度升高时存在漏电流的影响，当工作温度达到120℃以上时，传感器就无法工作，从而造成传感器不能在高温条件下工作的局限性。
发明内容
本发明的目的在于解决上述传感器存在的技术缺陷，提出一种固态压阻式耐高温压力传感器及其制备方法，以提高压力传感器的耐高温性、稳定性以及测量的灵敏度。
本发明的内容是改进压力传感器的组成结构及采用高能氧离子注入(SIMOX)制作方法改进压力传感器芯片的SiO2隔离层；采用气相淀积(CVD)技术外延绝缘层上硅测量电路层；采用低压气相淀积(LPCVD)技术外延氮化硅应力匹配层；采用等离子体刻蚀技术制作凸出于芯片SiO2表面的“浮雕式”测量电路以及采用钛-铂-金梁式引线系统实现高温环境下的芯片内引线；通过湿法刻蚀制作出所需的硅杯结构芯片并进行减薄处理，最后通过后道封装工艺，制备出固态压阻式耐高温压力传感器。
本发明压力传感器的组成结构包括有基座、玻璃环、SIMOX硅杯结构压阻芯片、电路转接板、压焊引线、上盖以及连接电缆，基座可与被测压力容器或管道相连接，通过玻璃粉烧结工艺将玻璃环与基座1固定连接，并通过静电键合工艺将玻璃环与SIMOX硅杯结构压阻芯片固定连接在一起。
本发明制备SIMOX耐高温压力传感器芯片的方法，首先是在(100)单晶硅的表面通过高能氧离子注入(SIMOX)工艺，在单晶硅片表面下0.2μm深处形成0.35μm～0.45μm厚的SiO2隔离层，其后通过气相淀积技术外延上层单晶硅厚度至1.5μm～2.5μm，通过低压气相淀积(LPCVD)外延应力Si3N4匹配层厚度0.12μm。再以掺杂和等离子体刻蚀技术制作出四个凸出于芯片SiO2表面的“浮雕式”电阻，并通过钛-铂-金梁式引线工艺将其连接起来组成惠斯登测量电路，最后通过背面刻蚀、减薄和划片处理形成硅杯结构的SIMOX耐高温压力传感器芯片。
附图说明
图1是本发明固态压阻式耐高温压力传感器的结构图；
图2是本发明SIMOX硅杯结构压阻芯片的制备过程；
图3(a)是本发明凸出于芯片SiO2表面的浮雕式电阻的硅杯结构压阻芯片；
图3(b)是本发明SIMOX硅杯结构压阻芯片的电路布置图；
图4是本发明的实验数据效果图。
具体实施方案和效果
以下结合附图对本发明的结构原理、耐高温压力芯片的制作过程及工作原理作更详细的说明。
参照图1，本发明包括基座1，玻璃环2，SIMOX硅杯结构压阻芯片3，电路转接板4，压焊引线5，上盖6及连接电缆7，基座1可与被测压力容器或管道相连接，玻璃环2起连接作用并通过玻璃粉烧结工艺与基座1连接、通过静电键合工艺与SIMOX硅杯结构压阻芯片3固接在一起，压阻芯片3上的压焊引线5经过电路转接板4与电缆7连接，通过连接电缆7为传感器提供桥路电源和输出与压力相关的电压信号。传感器工作时，被测外界流体压力通过基座1和玻璃环2直接作用在SIMOX硅杯结构压阻芯片3上，SIMOX压阻芯片3在外加被测流体压力下输出与之相对应的电压信号，SIMOX硅杯结构压阻芯片3上的惠斯登测量电路的桥路电压和输出信号通过压阻芯片3上的压焊引线5、经电路转接板4、连接电缆7供给和输出。
由于被测压力直接作用于SIMOX硅杯结构压阻芯片3上，因此，SIMOX硅杯结构压阻芯片3既作弹性元件又作为敏感元件，从而简化了传感器的结构；由于SIMOX硅杯结构压阻芯片3不需要封装在其他的弹性承载元件上，当在高温条件下时，就不存在因压阻芯片与其他弹性材料的热膨胀系数不一致而产生的附加热应力，而且压阻芯片3直接感受被测流体的压力，不存在中间转换环节，因而具有精度高、灵敏度好等优点，适用于温度范围变化较大的环境。通过改变SIMOX硅杯结构压阻芯片3的结构参数，可以制作出较宽量程范围的传感器，甚至超低压传感器。
参照图2，说明本发明SIMOX耐高温压力传感器芯片的制作过程，首先在600℃～650℃状态下， 在(100)单晶硅的表面通过高能氧离子注入(SIMOX)工艺，在单晶硅片表面下0.2μm深处形成0.35μm～0.45μm厚的SiO2隔离层，尤其是在单晶硅片表面下0.2μm深处形成0.4μm厚的SiO2隔离层；其次是通过气相淀积(CVD)技术外延上层单晶硅厚度至1.5μm～2.5μm，特别是用气相淀积技术外延上层单晶硅厚度至2μm；第三步是通过低压气相淀积(LPCVD)外延应力氮化硅Si3N4匹配层厚度0.12μm；再以掺杂和等离子体刻蚀技术制作出凸出于SiO2隔离层表面的“浮雕式”的四个电阻，并通过钛-铂-金梁式引线工艺将其连接起来组成惠斯登测量电路，最后通过背面刻蚀、减薄和划片处理形成硅杯状结构的SIMOX耐高温压力传感器芯片。
由于经过SIMOX工艺形成均匀一致的绝缘层二氧化硅，将上层的惠斯登单晶硅测量电路与基底硅隔离开，避免了测量电路层与硅基底之间因环境温度升高而造成的漏电流，同时采用钛-铂-金梁式引线解决了传感器在高温条件下的引线技术问题，提高了引线的可靠性。由于该芯片采用了“浮雕式”的电阻条，它不同于通常的硅平面工艺，电阻条单独悬浮于表面上，消除了其他材质(比如硅)与电阻条因材料特性不同不匹配而产生的负面影响，如高温时存在附加热应力的问题。同时在电路测量层上外延的Si3N4应力匹配层消除了部分附加应力。所以由SIMOX硅杯结构的耐高温压力传感器芯片封装而成的压力传感器具有耐高温的特性，其工作温度可达200℃以上。
参照图3(a)，凸出于芯片SiO2表面的浮雕式电阻的硅杯结构压阻芯片由于将芯片的底部中间刻划减薄，压阻芯片呈倒杯状结构。
参照图3(b)，在传感器压阻芯片3的电路版图设计中，SIMOX耐高温压力传感器芯片惠斯登测量电桥的电阻R1，R3沿晶向[110]方向，电阻R2和R4沿晶向[1
10]方向，并通过钛-铂-金梁式引线将桥路组成的压焊点8、压焊点9、压焊点10、压焊点11、压焊点12连接起来，通过压焊点的压焊引线5，实现了传感器芯片内外引线。在此种电路版图中，由于惠斯登测量电桥的四个电阻是沿着杯状结构的边缘布置，从而能最大限度地利用硅半导体的压阻效应，提高其测量灵敏度。其中电阻条的宽度为10μm～15μm，电阻条长度为600μm～900μm。
通过压焊点和压焊引线将测量电阻组成开环惠斯登电路时，压焊点8引线为电源正极，压焊点11和12引线为电源负极，压焊点9和压焊点10引线为传感器的信号输出。
图4为本发明的实施效果图，其中横座标表示被测压力，纵座标表示输出电压；所使用的SIMOX耐高温压力传感器为：
外型尺寸为ф15mm×50mm；安装接口为M12×1(单位：mm)；量程为30MPa；在200℃下的使用效果为线性度：0.05％FS；重复性：0.02％FS；迟滞：0.02％FS；供电电源：5VDC或5mA；耐高温：200℃以上。
由图可看出，传感器的输出电压与被测压力成线性关系，输出电压与被测压力的变化规律符合性好，说明了传感器的测量精度和灵敏度较高且适应在200℃以上的高温环境下使用。
本发明与现有的传感器相比，由于采用了被测压力直接作用于耐高温压力传感器倒杯状电阻芯片上的结构形式，采用了SIMOX制备方法制作的倒杯状电阻芯片；采用了等离子体刻蚀的浮雕式测量电路以及采用钛-铂-金梁式引线系统实现高温环境下的芯片内引线等方法，制备出固态压阻式耐高温压力传感器。
该传感器具有灵敏度高、可靠性好、精度高，量程范围宽等优点，可在200℃以上等恶劣环境条件下稳定工作。
Claims (6)
1、一种固态压阻式耐高温压力传感器芯片的制作方法，其特征包括下述步骤：
a)、在(100)单晶硅上的表面下0.2μm深处用高能氧离子注入法形成0.35μm～0.45μm厚的SiO2隔离层；
b)、用气相淀积技术外延上层单晶硅厚度至1.5μm～2.5μm；
c)、采用低压气相淀积外延应力Si3N4匹配层厚度0.12μm；
d)、用掺杂和等离子体刻蚀方法制作凸出SiO2隔离层表面的桥式测量电路电阻；
e)、通过钛-铂-金梁引线法将凸出部分连接成惠斯登测量电路；
f)、经背面刻蚀、减薄和切片形成硅杯状的压力芯片。
2、根据权利要求1所述的一种固态压阻式耐高温压力传感器芯片的制作方法，其特征在于在单晶硅片表面下0.2μm深处注入形成0.4μm厚的SiO2隔离层。
3、根据权利要求1所述的一种固态压阻式耐高温压力传感器芯片的制作方法，其特征在于用气相淀积技术外延上层单晶硅厚度至2μm。
4、根据权利要求1所述的一种固态压阻式耐高温压力传感器芯片的制作方法，所说的凸出SiO2隔离层表面的桥式测量电路的电阻条宽度为10μm～15μm，长度为600μm～900μm。
5、根据权利要求1所述的一种固态压阻式耐高温压力传感器芯片的制作方法，其特征在于所说的凸出SiO2隔离层表面的桥式测量电路电阻布置为沿着倒杯状结构芯片的边缘处，用钛-铂-金梁式引线组成压焊点1、压焊点2、压焊点3、压焊点4和压焊点5，并将桥路连接起来。
6、一种固态压阻式耐高温压力传感器，由基座[1]、压阻芯片[3]、压焊引线[5]、上盖[6]及连接电缆[7]组成，其特征在于还包括有玻璃环[2]、电路转接板[4]；
上述的压阻芯片[3]设计为倒硅杯状结构并装在传感器的玻璃环[2]上，玻璃环[2]与基座[1]连接，压阻芯片[3]上的压焊引线[5]通过电路转接板[4]与连接电缆[7]连接；
上述的压阻芯片[3]是根据权利要求1所述的制作方法制作的固态压阻式耐高温压力传感器芯片。
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