CN216559442U - 低封装应力的mems压阻式压力传感器芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于压力传感器技术领域，具体涉及低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片，包括之间设有隔离槽的压力敏感结构和支撑框架结构，压力敏感结构通过一个悬臂梁与支撑框架结构连接，压力敏感结构的正下方设有隔离空腔。压力敏感结构通过正下方的隔离空腔实现悬空，与封装管壳或者基板完全分离。支撑框架结构实现芯片在管壳或者基板上的固定，同时，芯片PAD全部设在支撑框架结构上，以减小封装时金线键合焊点引起的应力。压力敏感结构和四周支撑框架结构通过隔离槽实现物理上的分离，特殊设计的悬臂梁保证与支撑框架部分的连接，使芯片压力敏感部分不受封装工艺的影响，对封装引起的机械应力进行隔离，减小传感器受封装应力的影响。
Description
技术领域
本实用新型属于压力传感器技术领域，具体涉及低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片。
背景技术
MEMS压阻式压力传感器具有灵敏度高、线性度好、成本低、易于小型化等特点，广泛应用于仪器仪表、航空航天、汽车和医疗设备等行业，是当前压力传感器发展的主流方向。MEMS压阻式压力传感器通常具有一个相对较薄的硅压力敏感膜，可在压力作用下发生形变。敏感膜上通过离子注入形成压敏电阻，压敏电阻可以检测到敏感膜在压力作用下的应力大小，相应的，检测出压力的数值。图1为常规MEMS压力传感器芯片结构示意图，包括密封腔A，敏感膜B以及敏感膜B上的压敏电阻C及金属引线D等。MEMS压阻式压力传感器的封装通常采用树脂粘合剂或者共晶焊料F将芯片固定在管壳或者基板E上。图2为常规MEMS压力传感器芯片封装结构示意图。树脂粘合剂在固化过程中的体积收缩和分子运动都将在粘接界面产生机械应力，这些应力在树脂粘合剂固化后继续作用在压力传感器上，影响压力传感器的性能。同时，树脂粘合剂的收缩会导致管壳或者基板轻微变形，进而影响压力传感器敏感膜的形变。共晶焊料由于老化效应，会随着时间的推移在封装界面处产生机械应力，进而导致在压力传感器敏感膜处产生机械应力，影响传感器的输出。
MEMS压阻式压力传感器芯片、树脂粘合剂或者共晶焊料、管壳等都是采用不同的材料，热膨胀系数的不匹配和不同的杨氏模量也会导致传感器热应力的不平衡，不同材料的不匹配CTE和不同的杨氏模量会导致组件之间的热应力不平衡，引起压力敏感膜形变，影响压力传感器的性能。
实用新型内容
针对上述现有技术的不足，本实用新型提供了低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片，目的是为了解决现有MEMS压阻式压力传感器芯片中，脂粘合剂或者共晶焊料将芯片固定在管壳或者基板上，产生机械应力，影响压力传感器敏感膜，影响压力传感器的性能的技术问题。
本实用新型提供的低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片，具体技术方案如下：
低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片，包括之间设有隔离槽的压力敏感结构和支撑框架结构，所述压力敏感结构通过一个悬臂梁与所述支撑框架结构连接，所述压力敏感结构的正下方设有隔离空腔。所述压力敏感结构为应力解耦结构，可最大程度地减小机械应力从支撑框架结构耦合到压力敏感结构。
在某些实施方式中，所述压力敏感结构包括敏感膜，所述敏感膜下方设有密封腔，所述敏感膜上设有多个压敏电阻，所述支撑框架结构上设有多个芯片PAD，多个所述压敏电阻的接线端与多个所述芯片PAD电连接。
进一步，多个所述压敏电阻的接线端通过金属引线与多个所述芯片PAD电连接，所述金属引线经设所述悬臂梁。
进一步，所述压力敏感结构和所述支撑框架结构由下至上均依次包括衬底层、敏感层、介质层和钝化层，所述悬臂梁由下至上依次包括敏感层、介质层和钝化层。
进一步，所述MEMS压阻式压力传感器芯片，采用体硅MEMS工艺制造。
优选地，所述压力敏感结构的敏感层形成所述敏感膜，所述压力敏感结构的敏感层与所述压力敏感结构的衬底层之间通过硅硅键合形成所述密封腔，多个所述压敏电阻嵌设在所述压力敏感结构的敏感层中。
优选地，多个所述芯片PAD设置在所述支撑框架结构的钝化层。
本实用新型具有以下有益效果：本实用新型提供的低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片，压力敏感结构通过正下方的隔离空腔实现悬空，与封装管壳或者基板完全分离。支撑框架结构实现芯片在管壳或者基板上的固定，同时，芯片PAD全部设在支撑框架结构上，以减小封装时金线键合焊点引起的应力。压力敏感结构和四周支撑框架结构通过隔离槽实现物理上的分离，以及特殊设计的悬臂梁保证与支撑框架部分的连接，从而使芯片压力敏感部分不受封装工艺的影响，对封装引起的机械应力进行隔离，减小传感器受封装应力的影响。
附图说明
图1是常规MEMS压力传感器芯片结构示意图；
图2是常规MEMS压力传感器芯片封装结构示意图；
图3是本实用新型低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片的俯视图；
图4是本实用新型低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片的剖视图；
图5-11是本实用新型实施例1的低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片的工艺流程图；
图12是本实用新型实施例1的低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片的封装结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图3-12，对本实用新型进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供的低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片，具体技术方案如下：
低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片，包括之间设有隔离槽3的压力敏感结构2和支撑框架结构1，压力敏感结构2通过一个悬臂梁4与支撑框架结构1连接，压力敏感结构2的正下方设有隔离空腔5。芯片敏感结构是自由端，可以释放掉由封装造成的残余机械应力通过隔离空腔5和悬臂梁4的配合，实现支撑框架结构1对压力敏感结构2的支撑，由最大化地实现压力敏感结构2和四周支撑框架结构1的隔离，对封装引起的机械应力进行隔离，减小传感器受封装应力的影响。
在某些实施方式中，压力敏感结构2包括敏感膜，敏感膜下方设有密封腔21，敏感膜上设有多个压敏电阻22，支撑框架结构1上设有多个芯片PAD15，多个压敏电阻22的接线端与多个芯片PAD15电连接。芯片PAD15全部位于支撑框架上，键合金线从支撑框架上引出。该封装结构能显著隔离封装时来自于芯片固定，金线键合引入的机械应力，提高传感器性能。
进一步，多个压敏电阻22的接线端通过金属引线6与多个芯片PAD15电连接，金属引线6经设悬臂梁4。
本实施例提供的低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片的体硅MEMS工艺制造方法，包括以下工艺步骤：
(1)选用一片N型<100>晶向的双抛硅片A作为衬底，正面光刻、刻蚀压力腔和衬底上的隔离槽3；背面光刻、刻蚀衬底隔离腔。如图5所示。
(2)选一片N型<100>晶向的双抛硅片B，其电阻率选择1-10ohm.cm，作为敏感层。硅片A和硅片B硅硅键合；减薄、抛光到所需敏感膜厚度。如图6所示。
(3)正面光刻出电阻区域图形；离子注入、扩散，形成压敏电阻22。如图7所示。
(4)LPCVD淀积低应力介质层；光刻、刻蚀引线孔。如图8所示。
(5)溅射金属，光刻并刻蚀金属层，形成金属引线6。如图9所示。
(6)PECVD淀积钝化层；光刻、刻蚀PAD。如图10所示。
(7)光刻并深刻蚀隔离槽3。至此完成整个芯片的制造。如图11所示。
根据上述工艺，本实施例提供的低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片，低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片，还包括如下详细结构：
具体地，压力敏感结构2由下至上均依次包括衬底层23、敏感层24、介质层25和钝化层26，支撑框架结构1由下至上均依次包括衬底层11、敏感层12、介质层13和钝化层14，悬臂梁4由下至上依次包括敏感层、介质层和钝化层，压力敏感结构2的敏感层24、支撑框架结构1的敏感层12和悬臂梁4的敏感层为一体设置，压力敏感结构2的介质层25、支撑框架结构1的介质层13和悬臂梁4的介质层为一体设置，压力敏感结构2的钝化层26、支撑框架结构1的钝化层14和悬臂梁4的钝化层为一体设置。
具体地，压力敏感结构2的敏感层24形成敏感膜，压力敏感结构2的敏感层24与压力敏感结构2的衬底层之间通过硅硅键合形成密封腔21，多个压敏电阻22嵌设在压力敏感结构2的敏感层24中。
具体地，多个芯片PAD15设置在支撑框架结构1上。
具体地，金属引线6设于压力敏感结构2的介质层25、支撑框架结构1的介质层13和悬臂梁4的介质层。
综上所述，本实用新型提供的使芯片敏感部分悬空并和四周支撑框架隔离。封装时，芯片仅支撑框架结构1和封装管壳或者基板固定、接触，能较大幅度的隔离、减小封装引入的机械应力，使传感器具有较高的性能。
上述仅本实用新型较佳可行实施例，并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不限于上述举例，本技术领域的技术人员，在本实用新型的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片，其特征在于，包括之间设有隔离槽的压力敏感结构和支撑框架结构，所述压力敏感结构通过一个悬臂梁与所述支撑框架结构连接，所述压力敏感结构的正下方设有隔离空腔。
2.根据权利要求1所述的低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片，其特征在于，所述压力敏感结构包括敏感膜，所述敏感膜下方设有密封腔，所述敏感膜上设有多个压敏电阻，所述支撑框架结构上设有多个芯片PAD，多个所述压敏电阻的接线端与多个所述芯片PAD电连接。
3.根据权利要求2所述的低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片，其特征在于，多个所述压敏电阻的接线端通过金属引线与多个所述芯片PAD电连接，所述金属引线经设所述悬臂梁。
4.根据权利要求3所述的低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片，其特征在于，所述压力敏感结构和所述支撑框架结构由下至上均依次包括衬底层、敏感层、介质层和钝化层，所述悬臂梁由下至上依次包括敏感层、介质层和钝化层。
5.根据权利要求4所述的低封装应力的MEMS压阻式压力传感器芯片，其特征在于，所述压力敏感结构的敏感层形成所述敏感膜，所述压力敏感结构的敏感层与所述压力敏感结构的衬底层之间通过硅硅键合形成所述密封腔，多个所述压敏电阻嵌设在所述压力敏感结构的敏感层中。
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| CN202122963147.9U CN216559442U (zh) | 2021-11-29 | 2021-11-29 | 低封装应力的mems压阻式压力传感器芯片 |
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Publications (1)
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| CN216559442U true CN216559442U (zh) | 2022-05-17 |
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ID=81578521
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202122963147.9U Active CN216559442U (zh) | 2021-11-29 | 2021-11-29 | 低封装应力的mems压阻式压力传感器芯片 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN216559442U (zh) |
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2021
- 2021-11-29 CN CN202122963147.9U patent/CN216559442U/zh active Active
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