CN203519215U

CN203519215U - 一种高倍过载1KPa硅微压传感器芯片结构

Info

Publication number: CN203519215U
Application number: CN201320574844.8U
Authority: CN
Inventors: 徐淑霞; 张治国; 郑东明; 梁峭; 徐长伍; 唐慧; 张纯棣; 刘芙; 常伟; 陈琳
Original assignee: Shenyang Academy of Instrumentation Science Co Ltd
Current assignee: Shenyang Academy of Instrumentation Science Co Ltd
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2023-09-16

Abstract

一种高倍过载1KPa硅微压传感器芯片结构，其特征在于梁—单岛双面双片微结构：上芯片正面“I”形梁上“U”形压力敏感电阻，浅槽外周为铝电极引线及引线焊盘；上芯片背面，相对于浅槽部位，剩余膜片厚度与中心方形支撑相连，即为单硬芯形敏感膜片；下芯片正面除周边封接面外是过压截止槽，中心有引压通孔；上、下芯片由硅橡胶密封后，经划片分割后形成单个微压传感器芯片。效果：本芯片结构的传感器压力量程仅为1KPa，因梁结构的应力集中效应，1KPa压力时灵敏度输出达到20mV/1KPa(1mA激励）,线性度达到0.05%FS.采用了用双抛硅单晶片代替封接玻璃，高强度密封胶在室温下粘接固化实现了无应力封接；当上芯片承受高倍过载时，硬芯形敏感膜片向下弯曲触在浅槽上而截止，这种结构实现了抗50倍过压的保护。

Description

一种高倍过载1KPa硅微压传感器芯片结构

技术领域

本实用新型涉及一种硅压力传感器制造技术，尤其涉及一种用MEMS技术制造的高倍过载1KPa微压传感器芯片结构。

背景技术

硅压阻式压力传感器是利用硅压阻效应进行压力测量的特种电子元器件。是用IC工艺中离子注入或扩散技术在硅片表面形成一组阻值均匀的扩散电阻，将其连接成惠斯登电桥。当弹性敏感膜片在应力作用下而发生应变时，其上的桥路电阻即随之产生相应的变化，传感器输出一个与外部压力成比例的电信号，从而实现对压力的测量。

在硅压阻式压力传感器中，影响芯片非线性的主要因素有二个：一是外加压力与弹性敏感膜片弯曲应力不成线性关系，二是应力引起的电阻变化与应力不成线性关系，即压阻效应本身的非线性。在低压应用时，当芯片尺寸限定后，为了提高灵敏度必须大大减薄膜片厚度，这不仅在工艺上实施困难，由于大挠度效应和芯片尺寸加工能力限制，平膜片结构无法满足20KPa以下微压传感器要求。

为提高传感器灵敏度输出改进非线性，人们研究改进敏感膜片结构，例如1977年美国Endevco公司提出的双岛结构（Whittier R M..Endevco Tech Paper），1982年日本日立公司提出的E形杯和EI形杯结构（机械式研磨加工方式）以及复旦大学传感器研究室在1989年提出的梁—膜结构（Minhang Bao,LianzhongYu,Yan Wang.Micromachined beam—diaphragm sructures improve performance ofpressure transducer.Transducers’89,1990:98～99）。这些结构很好地解决了输出灵敏度和线性度的矛盾。然而，这些理论上的突破与应用于生产中的成熟技术之间还需要更多技术革新，截止目前仍未见到硅压阻式压力传感器中有1KPa以下微压传感器批量制造工艺出现的报导。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种高倍过载1KPa硅微压传感器芯片结构，采用双面双片微结构实现1KPa微压时高灵敏度输出和线性度0.1%FS，过载时自动触碰截止而具有高倍过载保护功能，并且可批量生产。

本实用新型的高倍过载1KPa硅微压传感器芯片结构，芯片采用双面抛光的硅基片，其特征在于上芯片双面的微结构：即正面“I”形梁结构，背面单硬芯膜片结构；上芯片正面腐蚀形成的“回”字形浅槽，并留下2个“I”形梁，对称分隔“回”字，梁上各有2个“U”形压力敏感电阻，浅槽外周为铝电极引线及引线焊盘；在上芯片背面，相对于所述浅槽部位有膜片与中心方形支撑相连，即为单硬芯形敏感膜片；下芯片上过压截止槽和引压孔微结构：下芯片正面除周边封接面外是过压截止槽，在背面中心有通孔作为引压孔；上芯片的下表面与下芯片上表面由密封硅橡胶层密封后，经划片分割后形成单个微压传感器芯片。

本发明获得如下效果：

1.采用本新型芯片结构的传感器压力量程仅为1KPa，属于微压量程传感器，敏感电阻设计位于垂直于芯片边长的一对“I”形梁上，每个梁上放置一对敏感电阻，分布在正、负应变区，由于梁结构的应力集中效应，压敏电阻可获得最大的应变，获得微压量程的灵敏度。

2.常规量程的传感器芯片的扩散电阻在考虑压阻系数温度特性后，通常选择表面掺杂浓度为3×10²⁰cm^-3，由于4个桥路电阻可均布在4边，可以设计足够的方块数达到电阻值。本设计的1对电阻位于梁上，梁的尺寸仅为180μm×500μm，限定了每个桥阻的几何尺寸，同时为了获得最大的压阻系数，决定采用比常压量程压阻系数高一倍的掺杂浓度3×10¹⁸cm^-3，使方块电阻为300Ω∕□，每个阻条有15个方块，阻值达到4.5KΩ。

3.本新型的芯片结构中，在上芯片正面刻蚀出500μm宽、10μm深“回”字形浅槽，是采用与集成电路工艺相兼容的碱性腐蚀液TMAH（四甲基氢氧化铵），比专用刻蚀设备DRIE（深反应离子刻蚀）成本要低很多，且工艺容易实施。由于后续还要进行低温淀积和光刻工艺，TMAH不会造成工艺线污染。

4.本新型的芯片结构的微压敏感膜片的厚度仅有20μm，常规4吋双抛硅单晶片厚度400μm左右，因此要用KOH腐蚀到380μm，并且保留表面的SiO₂—Si₃N₄复合钝化膜不仅有应力互补作用，Si₃N₄在热KOH溶液中腐蚀速率极低，很好地保护了背面单硬芯结构敏感膜片的腐蚀成形。

5.本芯片结构创造性地采用了用双抛硅单晶片代替封接玻璃，用高强度密封胶在室温下粘接固化代替高温高电压下的阳极静电封接，实现了无应力封接，封接面强度对100KPa以下压力测量的传感器芯片是足够的。

6.本芯片结构在封接用的下芯片上用KOH湿法腐蚀出一个方形浅槽，槽口与上芯片硬芯尺寸基本相同，同时在背面腐蚀一个光刻尺寸500μm×500μm通孔作为通大气的表压孔，当上芯片承受高倍过载时，硬芯向下弯曲触在浅槽上而截止，阻止芯片进一步弯曲，这种结构实现了抗50倍过压的保护。

7.本发明采用梁—单岛双面微结构，比单纯的双梁、单硬芯、双硬芯结构具有更高的灵敏度和优良的线性度。

附图说明

图1为本发明1KPa微压传感器上芯片敏感电阻和微结构正面示意图；

图2为本发明上芯片背面单硬芯形敏感膜片剖面示意图；

图3为本发明下芯片正面示意图；

图4为本发明上下芯片封接后微压传感器芯片剖面示意图。

其中，1为上芯片，2为4个单弯头“U”形压力敏感电阻，3为形成梁结构的“回”字形浅槽，4为电阻所在的“I”形梁，5为铝电极引线及引线焊盘，6为SiO₂-Si₃N₄复合钝化膜，7为单硬芯形敏感膜片，8为下芯片，9为下芯片正面截止槽，10为下芯片引压孔，11为封接面处的密封胶。

具体实施方式

本新型的高倍过载1KPa硅微压传感器芯片结构，芯片采用硅基片材料，双面抛光，其特征在于上芯片1双面加工出的微结构：即正面“I”形梁结构，背面单硬芯膜片结构；见图1，上芯片1腐蚀形成的“回”字形浅槽3，留下2个“I”形梁4，对称分隔“回”字，“I”形梁4上各有2个单弯头“U”形压力敏感电阻2，浅槽3外周为铝电极引线及引线焊盘5。在上芯片1背面，相对于浅槽3部位加工除去膜片厚度所需以外的材料，如图2所示的，剩余下的厚度为膜片，膜片与中心方形支撑相连，即为单硬芯形敏感膜片7，上芯片1上表面仍保留SiO₂-Si₃N₄复合钝化膜6。下芯片8过压槽和引压孔微结构见图3：下芯片8正面除封接面外腐蚀出过压截止槽9，在背面中心腐蚀出通孔作为引压孔10。将上芯片1的下表面与下芯片8上表面用密封硅橡胶11密封后，经划片分割后形成单个微压传感器芯片，见图4。

上述芯片中某些部位的规格：浅槽3，槽宽500μm，槽深10μm，槽内边长1720μm，在浅槽3上平面电阻区对称保留两个“I”形梁4，梁长度为槽宽500μm，梁宽度180μm。在“I”形梁4上、“U”形压力敏感电阻2形状外，腐蚀出的浅槽深度小于10μm，使“U”形压力敏感电阻2位于一对“I”形梁4上。Si₃N₄复合钝化膜6的厚度

单硬芯形敏感膜片7，膜片厚度仅有8～13μm，中心硬芯厚度是硅片初始厚度400μm。

采用本发明芯片的高倍过载1KPa微压传感器主要技术指标：

量程：0～1KPa；

满量程输出：≧20mV（1mA恒流激励)；

线性度：≧0.1%FS;

过载能力：10倍量程

桥路电阻：4.5±0.5KΩ

使用温区：0～50℃。

Claims

1.一种高倍过载1KPa硅微压传感器芯片结构，芯片采用双面抛光的硅基片，其特征在于结构特征：上芯片(1)双面加工出的微结构：即正面“I”形梁结构，背面单硬芯膜片结构；上芯片(1)正面腐蚀形成的“回”字形浅槽(3)，并留下2个“I”形梁(4)，对称分隔“回”字，“I”形梁(4)上各有2个“U”形压力敏感电阻(2)，浅槽(3)外周为铝电极引线及引线焊盘(5)；在上芯片(1)背面，相对于正面浅槽(3)部位有膜片与中心方形支撑相连，即为单硬芯形敏感膜片(7)；下芯片上过压截止槽和引压孔微结构：下芯片(8)正面周边封接面是过压截止槽(9)，在背面中心有通孔作为引压孔(10)；上芯片(1)的下表面与下芯片(8)上表面由密封硅橡胶层(11)密封后，经划片分割后形成单个微压传感器芯片。

2.根据权利要求1所述的高倍过载1KPa硅微压传感器芯片结构，其特征在于所述单个的微压传感器芯片的规格4mm×4mm；

该芯片微结构的尺寸：①上芯片1正面SiO₂层腐蚀形成的“回”字形浅槽(3)，槽宽500μm、槽深10μm，槽内边长1720μm；②在浅槽(3)上平面电阻区对称保留两个“I”形梁(4)，梁长度为槽宽500μm，梁宽度180μm；③在“I”形梁(4)上、“U”形压力敏感电阻(2)形状外，腐蚀出的浅槽深度小于10μm；④Si₃N₄复合钝化膜(6)厚度

上芯片(1)中的单硬芯形敏感膜片(7)，膜片厚度仅有8～13μm，中心硬芯厚度是硅片初始厚度400μm。