CN206132279U - 高温压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高温压力传感器，属于微机械制造领域，该高温压力传感器包括硅衬底、设置在硅衬底上的敏感元件，还包括设置在硅衬底上的由耐高温不导电材料所制成的中间基片及设置在中间基片上的上层硅片，硅衬底、中间基片和上层硅片依次键合，硅衬底与中间基片之间形成有收纳敏感元件的腔体，该高温压力传感器由于将硅衬底、中间基片和上层硅片依次叠加以形成“硅衬底‑中间基片‑硅片”的三明治结构，使得应力失配相互抵消，以达到应力平衡；而该高温压力传感器的制作方法所制成的高温压力传感器由于形成了“硅衬底‑中间基片‑硅片”的三明治结构，使得应力失配相互抵消，以达到应力平衡。

Description

高温压力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种高温压力传感器，属于微机械制造领域。

背景技术

耐高温压力传感器作为微机电系统(MEMS)的主要产品之一，已广泛用于石油化工、汽车电子、航空航天等领域高温环境下的压力测量。目前商用的压力传感器主要是硅扩散型压阻式压力传感器，因其以单晶硅为基片，在N型硅衬底上制作P型扩散电阻，依靠反偏PN结实现电学隔离，当工作温度超过120℃时，PN结漏电流加剧，传感器的性能会严重恶化以至失效。

此外，耐高温封装工艺也是制约高温压力传感器发展的另一关键因素。在压力传感器芯片的封装工艺中，大多采用玻璃浆料低温烧结的方法将芯片与弹性元件结合为一体，或者采用芯片/玻璃静电键合技术，两种工艺中都存在材料间热膨胀系数的匹配或应力消除问题。并且，对于传感器芯片和外围的连接，主要还是将细金属线焊接到传感器芯片的金属焊点上，然后再到管脚或印刷电路板上。这些细金线或焊接处容易因高振动或快速的压力循环而产生疲劳，甚至出现故障。

为了解决压力传感器在高温等恶劣条件下的漏电和性能失效问题，国内外相关知名科研机构和传感器公司都投入大量资源对耐高温压力传感器做了大量研究，并取得了不少研究成果。譬如，采用绝缘体上硅(SOI)衬底材料有利于改善压力传感器的高温性能，相对于传统的体硅压力传感器，SOI压力传感器利用绝缘埋氧层隔离来取代PN结隔离，使得器件忍耐高温的能力大大增强。

再有，美国森萨塔公司研发了基于密封式硅应变片MSG技术的汽油直喷轨压传感器，其采用压阻技术，将硅应变片通过玻璃微融贴在金属隔膜上，经过密封，工作温度可达-40～140℃。然而，对于150℃以上更高温度环境下的压力测量，该传感器还不适用。

又譬如，美国科莱特公司采用BESOI技术和“无焊接引线”设计封装制备的SOI超高温压力传感器，工作温度可达-55～482℃。此外，科莱特还将传感器芯片和保护层晶片通过静电粘结技术组装成传感器膜片，再用高温传导玻璃在感应芯片和特殊设计接头之间作为电路连接，解决了传统压力传感器的金线焊接点容易疲劳的问题，然而其键合封装后的应力平衡问题仍难以消除。

综上所述，现有高温压力传感器的封装大多采用玻璃浆料低温烧结的方法或者采用单片硅片-玻璃静电键合技术，存在着应力平衡问题；传统地传感器将硅芯片和电路通过细金丝相连接，细金线或焊接处容易因高振动或快速的压力循环而产生疲劳，甚至出现故障；现有技术方案中有些高温压力传感器所能承受的温度还不是很高，有待进一步提高耐高温性能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可使应力失配相互抵消，以达到应力平衡的高温压力传感器。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种高温压力传感器，包括硅衬底、设置在所述硅衬底上的敏感元件，还包括设置在所述硅衬底上的由耐高温不导电材料所制成的中间基片及设置在所述中间基片上的上层硅片，所述硅衬底、中间基片和上层硅片依次键合，所述硅衬底与中间基片之间形成有收纳所述敏感元件的腔体。

进一步的：所述硅衬底的厚度与上层硅片的厚度相同；或者，硅衬底与上层硅片的厚度偏差范围在±10um。

进一步的：所述高温压力传感器上形成有至少两个通孔，每个所述通孔顺次贯穿中间基片和上层硅片，每个所述通孔内形成有导电柱，所述导电柱的一端与敏感元件电性连接，另一端暴露在所述上层硅片上。

进一步的：每个所述通孔包括贯穿所述中间基片的第一子通孔和贯穿所述上层硅片的第二子通孔；所述第一子通孔和第二子通孔的形状相同，或者所述第一子通孔和第二子通孔的形状不相同。

进一步的：所述第一子通孔的延伸形状为直线，或者曲线，或者折弯状，或者由至少一直线段和至少一曲线段连接形成的组合；所述第二子通孔的延伸形状为直线，或者曲线，或者折弯状，或者由至少一直段和至少一曲线段连接形成的组合。

进一步的：所述第一子通孔呈圆台型，所述第二子通孔呈圆柱型。

进一步的：所述导电柱暴露在所述上层硅片上的一端为外露端，所述上层硅片具有背向所述中间基片的顶面，所述外露端暴露在所述上层硅片的顶面上。

进一步的：所述中间基片上设有开口朝向所述硅衬底的凹槽，所述腔体由所述硅衬底封闭所述中间基片上的所述凹槽形成；或者，所述硅衬底上设有开口朝向所述中间基片的凹槽，所述腔体由所述中间基片封闭所述硅衬底上的所述凹槽形成；或者，所述中间基片上设有开口朝向所述硅衬底的上凹槽，所述硅衬底上开设有开口朝向所述中间基片的下凹槽，所述下凹槽和上凹槽对称设置，所述腔体由所述下凹槽和上凹槽围设形成。

进一步的：所述敏感元件为压敏电阻或基于电容式的敏感膜片。

进一步的：所述中间基片为玻璃片。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型的高温压力传感器由于将硅衬底、中间基片和上层硅片依次叠加以形成“硅衬底-中间基片-硅片”的三明治结构，使得应力失配相互抵消，以达到应力平衡。

另外，由于本实用新型的高温压力传感器采用在形成依次贯穿中间基片和上层硅片的通孔，且在通孔内形成导电柱，由该导电柱将敏感元件的电连接引出，从而可以解决现有技术中“由于细金线或焊接而发生在细金线或焊接处容易因高振动或快速的压力循环而产生疲劳，进而引发故障”的问题。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本实用新型一实施例所示的高温压力传感器的的纵向剖面示意图；

图2至图9为图1所示的高温压力传感器的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

请参见图1，本实用新型一较佳实施例所示的一种高温压力传感器包括硅衬底1、设置在所述硅衬底1上的敏感元件21、设置在所述硅衬底1上且与所述敏感元件21电性连接的金属电极3、设置在所述硅衬底1上的由耐高温不导电材料所制成的中间基片4及设置在所述中间基片4上的上层硅片5。所述硅衬底1、中间基片4和上层硅片5依次键合，所述硅衬底1与中间基片4之间形成有收纳所述敏感元件21的腔体(未标号)，所述金属电极3通过电引出件6引出。在现有技术中，目前高温压力传感器的封装技术大都采用一片硅片与一片玻璃键合，由于硅片与玻璃片的热膨胀系数不匹配，存在着应力失配而不平衡问题。而本实施例中，由于将硅衬底1、中间基片4和上层硅片5依次叠加以形成“硅衬底1-中间基片4-上层硅片5”的三明治结构，使得应力失配相互抵消，以达到应力平衡，故克服了现有技术中所存在的应力不平衡的问题，特别适用于高温环境中。所述硅衬底1、中间基片4、上层硅片5依次键合。

为了达到最佳的应力平衡，所述硅衬底1的厚度与上层硅片5的厚度相同；或者，硅衬底1与上层硅片5的厚度偏差范围在±10um；其中，最佳效果是硅衬底1的厚度与上层硅片5的厚度相同，但是考虑到工艺制备过程中存在的误差，可以使厚度偏差范围在±10um。现有的制备过程中采用减薄工艺控制硅衬底1和上层硅片5的厚度。为了实现极小化，硅衬底1的厚度为100～400um。所述硅衬底1为SOI硅，其晶向为<100>。所述硅衬底1从下至上依次设置有体硅层11、绝缘层12和体硅薄膜(未标号)。所述硅衬底1具有相背设置的上表面(未标号)和下表面(未标号)，位于敏感元件21下方的部分体硅层11被去除以形成有空腔14及压力敏感膜15，该压力敏感膜15为体硅层11的一部分，空腔14自硅衬底1的下表面朝上表面延伸形成。所述敏感元件21可以为压敏电阻或基于电容式的敏感膜片，但鉴于压敏电阻具有灵敏度高、精度好的优点，优选为压敏电阻，具体为惠斯通电桥的压敏电阻。所述硅衬底1上还设置有电阻层22，所述敏感元件21和电阻层22为通过对所述体硅薄膜13进行浓硼掺杂和刻蚀而构成。所述金属电极3形成在电阻层22上，所述金属电极3的材料为耐高温的金属材料，优选为Ti、Ni、Pt、Cr等一种或多种耐高温金属材料的组合。

所述中间基片4可采用玻璃片。在本实施例中，所述中间基片4上设有开口朝向所述硅衬底1的凹槽41，所述腔体由所述硅衬底1封闭所述中间基片4上的所述凹槽41形成。诚然，所述硅衬底1上设有开口朝向所述中间基片4的凹槽，所述腔体由所述中间基片4封闭所述硅衬底1上的所述凹槽形成(未图示)；或者，所述中间基片4上设有开口朝向所述硅衬底1的上凹槽，所述硅衬底1上开设有开口朝向所述中间基片4的下凹槽，所述下凹槽和上凹槽对称设置，所述腔体由所述下凹槽和上凹槽围设形成(未图示)。

为了实现无引线封装设计，所述高温压力传感器上形成有至少两个通孔，每个所述通孔顺次贯穿中间基片4和上层硅片5，每个所述通孔内形成有导电柱，所述导电柱的一端与敏感元件21电性连接，另一端暴露在所述上层硅片5上，该导电柱即为电引出件6。通过此种设计可以解决现有技术中“由于细金线或焊接而发生在细金线或焊接处容易因高振动或快速的压力循环而产生疲劳，进而引发故障”的问题。所述导电柱6通过向通孔内灌注金属浆料而形成，以实现引出金属电极3。

每个所述通孔包括贯穿所述中间基片4的第一子通孔42和贯穿所述上层硅片5的第二子通孔51；所述第一子通孔42和第二子通孔51的形状可以相同，或者所述第一子通孔42和第二子通孔51的形状也可以不相同。在本实施例中，所述第一子通孔42呈圆台型，所述第二子通孔51呈圆柱型。

所述第一子通孔42的延伸形状为直线，或者曲线，或者折弯状，或者由至少一直线段和至少一曲线段连接形成的组合；所述第二子通孔51的延伸形状为直线，或者曲线，或者折弯状，或者由至少一直段和至少一曲线段连接形成的组合。在本实施例中，为了电性连接稳定，传导性更强，所述第一子通孔42的延伸形状为直线，所述第二子通孔51的延伸形成为直线。所述中间基片4具有相背设置的正面(未标号)和背面(未标号)，所述上层硅片5具有相背设置的顶面(未标号)和底面(未标号)，所述上层硅片5的顶面背向中间基片4设置，所述第一子通孔42自所述正面朝背面延伸并贯穿背面，所述第二子通孔51自所述顶面朝底面延伸并贯穿底面。所述导电柱6暴露在所述上层硅片5上的一端为外露端61，为了便于外接电路，所述外露端61暴露在所述上层硅片5的顶面上。

实施例一，上述高温压力传感器的制作方法包括如下包括如下步骤S1至S5。

请结合图2，S1：提供硅衬底1，所述硅衬底1从下至上依次设置有体硅层11、绝缘层12和体硅薄膜13，所述硅衬底1具有相背设置的上表面16和下表面17。所述硅衬底1为晶向为<100>的SOI衬底。

请结合图3和图4，S2：在所述硅衬底1的上表面(未标号)上形成敏感元件21和与所述敏感元件21电性连接的金属电极3。所述敏感元件21为压敏电阻或基于电容式的敏感膜片，但鉴于压敏电阻具有灵敏度高、精度好的优点，优选为压敏电阻，具体为惠斯通电桥的压敏电阻。该步骤S2具体为：

请结合图3，S21：对SOI衬底1上的体硅薄膜进行浓硼掺杂，形成掺杂层；并对该掺杂层进行光刻、刻蚀，制备构成惠斯通电桥的压敏电阻21和电阻层22；

请结合图4，S22：在电阻层22上通过金属薄膜淀积和微纳加工的方法制备形成金属电极3，该金属电极3的材料为耐高温的金属材料，优选为Ti、Ni、Pt、Cr等一种或多种耐高温金属材料的组合。

请结合图5至8，S3：提供一由耐高温不导电材料所制成的中间基片4，所述中间基片4具有相背设置的正面43和背面44，在所述中间基片4的背面44上形成凹槽41；所述中间基片4的背面44与所述硅衬底1的上表面键合，密封凹槽41以形成密封敏感元件21的腔体。所述中间基片4采用玻璃片。该步骤S3具体包括：

结合图5，S31：提供一玻璃片4，对其背面44进行光刻、刻蚀以形成凹槽41；而后再采用激光或喷砂工艺在所述玻璃片4上形成贯穿该玻璃片4的正面43和背面44的第一子通孔42；

结合图6，S32：将硅衬底1的上表面与玻璃片4的正面进行阳极键合，使凹槽41密封以形成密封压敏电阻21的腔体；且当所述中间基片4与所述硅衬底1键合时，金属电极3通过玻璃片4上的第一子通孔42与外部连通；

结合图7，S33：采用减薄工艺分别对键合后的玻璃片4的正面和硅衬底1的下表面进行减薄，再通过光刻、干法刻蚀或湿法腐蚀的方法去除位于压敏电阻21下方的部分体硅层11，以形成硅衬底1的空腔14及压力敏感膜15；

请结合图8和图9，S4：提供硅片5，所述硅片5包括相背设置的顶面52和底面53；将所述硅片5的底面53与中间基片4的正面键合。具体的：

请结合图8，提供一硅片5，该包括相背设置的顶面52和底面53，其采用硅通孔技术在所述硅片5上形成贯通该硅片5的顶面52和底面53的第二子通孔51；

请结合图9，将硅片5与玻璃片4的背面进行阳极键合，此时，所述第一子通孔42与第二子通孔51连通以形成通孔；并对硅片5进行减薄使其厚度与硅衬底1的厚度相同，从而形成“SOI硅-玻璃-硅”三明治结构。考虑到工艺制备过程中存在的误差，可以允许最终硅片5与硅衬底1的厚度偏差范围在±10um。

请结合图1，S5：引出金属电极3。具体为：在所述通孔内注入金属浆料形成导电柱6以引出金属电极3。该金属浆料优选为银浆。

除本实施例外，在具体制作高温压力传感器时，可以在硅衬底上设置下凹槽，所述下凹槽与中间基片的凹槽对称设置，在步骤S3中，当所述硅衬底与中间基片键合时，所述腔体由下凹槽与中间基片的凹槽围设形成。另外，硅衬底的腔体及压力敏感膜可以在步骤S1中形成，即在所述步骤S1中包括：去除位于敏感元件下方的部分体硅层，以形成硅衬底的空腔及压力敏感膜；又或者，步骤S1所提供的硅衬底已经形成有空腔及压力敏感膜。

实施例二，上述高温压力传感器还可以采用如下制作方法：包括如下步骤：

S1：提供硅衬底，所述硅衬底从下至上依次设置有体硅层、绝缘层和体硅薄膜，所述硅衬底具有相背设置的上表面和下表面，所述硅衬底的上表面上形成有下凹槽；

S2：在所述硅衬底的上表面上形成敏感元件和与所述敏感元件电性连接的金属电极，所述敏感元件位于所述下凹槽内；

S3：提供一由耐高温不导电材料所制成的中间基片，所述中间基片具有相背设置的正面和背面，所述中间基片的背面与所述硅衬底的上表面键合，使下凹槽密封以形成密封敏感元件的腔体；

S4：提供硅片，所述硅片包括相背设置的顶面和底面；将所述硅片的底面与中间基片的正面键合；

S5：引出金属电极。

其中，所述步骤S4还可以包括：将硅片的底面与中间基片的正面进行阳极键合，并对硅片进行减薄使其厚度与硅衬底的厚度相同或使两者的厚度偏差范围在±10um。

其中，所述步骤S3还包括：在所述中间基片上形成贯通该中间基片的正面和背面的第一子通孔；当所述中间基片与所述硅衬底键合时，所述金属电极通过第一子通孔与外部连通；

所述步骤S4还包括：在所述硅片上形成贯通该硅片的顶面和底面的第二子通孔，当所述硅片与中间基片键合时，所述第一子通孔与第二子通孔连通以形成通孔；

所述步骤S5具体为：在所述通孔内注入金属浆料以引出金属电极。

上述本实施例二的高温压力传感器的制作方法与实施例一的高温压力传感器的制作方法除腔体的形成方式和时机不同外，基本相似，故在实施例一中可采用的方案及替代方法，在实施例二中同样适用，如：在所述步骤S1或者步骤S3中还包括：去除位于敏感元件下方的部分体硅层，以形成硅衬底的空腔及压力敏感膜；又或者，步骤S1所提供的硅衬底已经形成有空腔及压力敏感膜。

综上所述：上述高温压力传感器由于将硅衬底、中间基片和上层硅片依次叠加以形成“硅衬底-中间基片-硅片”的三明治结构，使得应力失配相互抵消，以达到应力平衡；而该高温压力传感器的制作方法所制成的高温压力传感器由于形成了“硅衬底-中间基片-硅片”的三明治结构，使得应力失配相互抵消，以达到应力平衡。

另外，由于本实用新型的高温压力传感器采用在形成依次贯穿中间基片和上层硅片的通孔，且在通孔内形成导电柱，由该导电柱将敏感元件的电连接引出，从而可以解决现有技术中“由于细金线或焊接而发生在细金线或焊接处容易因高振动或快速的压力循环而产生疲劳，进而引发故障”的问题。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高温压力传感器，包括硅衬底、设置在所述硅衬底上的敏感元件，其特征在于，还包括设置在所述硅衬底上的由耐高温不导电材料所制成的中间基片及设置在所述中间基片上的上层硅片，所述硅衬底、中间基片和上层硅片依次键合，所述硅衬底与中间基片之间形成有收纳所述敏感元件的腔体。

2.如权利要求1所述的高温压力传感器，其特征在于，所述硅衬底的厚度与上层硅片的厚度相同；或者，所述硅衬底与上层硅片的厚度偏差范围在±10um。

3.如权利要求1或2所述的高温压力传感器，其特征在于，所述高温压力传感器上形成有至少两个通孔，每个所述通孔顺次贯穿中间基片和上层硅片，每个所述通孔内形成有导电柱，所述导电柱的一端与敏感元件电性连接，另一端暴露在所述上层硅片上。

4.如权利要求3所述的高温压力传感器，其特征在于，每个所述通孔包括贯穿所述中间基片的第一子通孔和贯穿所述上层硅片的第二子通孔；所述第一子通孔和第二子通孔的形状相同，或者所述第一子通孔和第二子通孔的形状不相同。

5.如权利要求4所述的高温压力传感器，其特征在于，所述第一子通孔的延伸形状为直线，或者曲线，或者折弯状，或者由至少一直线段和至少一曲线段连接形成的组合；所述第二子通孔的延伸形状为直线，或者曲线，或者折弯状，或者由至少一直段和至少一曲线段连接形成的组合。

6.如权利要求5所述的高温压力传感器，其特征在于，所述第一子通孔呈圆台型，所述第二子通孔呈圆柱型。

7.如权利要求3所述的高温压力传感器，其特征在于，所述导电柱暴露在所述上层硅片上的一端为外露端，所述上层硅片具有背向所述中间基片的顶面，所述外露端暴露在所述上层硅片的顶面上。

8.如权利要求1所述的高温压力传感器，其特征在于，所述中间基片上设有开口朝向所述硅衬底的凹槽，所述腔体由所述硅衬底封闭所述中间基片上的所述凹槽形成；或者，所述硅衬底上设有开口朝向所述中间基片的凹槽，所述腔体由所述中间基片封闭所述硅衬底上的所述凹槽形成；或者，所述中间基片上设有开口朝向所述硅衬底的上凹槽，所述硅衬底上开设有开口朝向所述中间基片的下凹槽，所述下凹槽和上凹槽对称设置，所述腔体由所述下凹槽和上凹槽围设形成。

9.如权利要求1所述的高温压力传感器，其特征在于，所述敏感元件为压敏电阻或基于电容式的敏感膜片。

10.如权利要求1所述的高温压力传感器，其特征在于，所述中间基片为玻璃片。