CN2888651Y - 抗高过载soi压力敏感芯片的结构 - Google Patents

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王伟
吴亚林
张彤
迟晓珠
张精华
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Abstract

本实用新型提供的是一种用于抗高过载SOI压力敏感芯片的结构。带双岛的硅膜片的薄膜区正面或背面除沿双岛长度方向的梁以外的其余薄膜为经减薄处理的、形成梁膜岛结构的硅膜片，硅膜片与硅基片或玻璃基片键合在一起。本实用新型是对带双岛膜片结构进行了改善，由于形成梁膜结构，具有灵敏度、非线性小的特点。梁膜岛膜片结构适用于中、低、微量程压力传感器，通过设置限位结构，可以承受10倍量程压力以上的过载。因此对SOI压力传感器的发展起到促进作用。

Description

抗高过载SOI压力敏感芯片的结构
(一)所述领域
本实用新型涉及的是一种传感器，属于微机械加工(MEMS)传感器技术领域。
(二)背景技术
目前在航空、航天及石油化工等领域对压力传感器的需求日益增多，而对特种环境条件下的压力测量的需求也日益迫切。因此对压力传感器提出了诸如：耐高温、抗过载、微型化等的要求。普通的硅压阻式压力传感器由于受到PN结耐温限制，最高使用温度仅为125℃。近些年，随着MEMS技术的发展，SOI(silicon on insulator)技术的不断进步，SOI高温压力传感器的研究工作也日渐成熟。SOI压力传感器是应用MEMS微加工技术的硅隔离SOI技术制作，可以耐到200℃以上的高温。随着SOI技术的发展，对SOI压力传感器在高温下的测试精度也要求越来越高。
SOI压力传感器感压膜片结构种类很多，常用的有平膜片、E型膜片、带双岛膜片、梁膜膜片等。平膜片结构多适用于高频、高压传感器，E型膜片、带双岛膜片多适用于低量程的压力传感器，而梁膜膜片多适用于微量程的压力传感器。平膜片、梁膜膜片过载能力差，E型膜片、带双岛膜片通过限位结构，可以提高过载能力。在实际应用中，常常需要压力传感器能承受较高的过载，同时要求在工作量程内具有较高的灵敏度、非线性。一般压力传感器的过载指标为量程的2～3倍，当需要承受量程压力的8～10倍以上过载指标时，往往用大量程的压力传感器来测量小量程压力，用牺牲灵敏度来满足过载指标，这样将降低线路中的信噪比，使信号抗干扰能力减弱，不利于信号的传输。
(三)发明内容
本实用新型的目的在于提供一种在承受较高的压力过载冲击后，仍具有优良性能的抗高过载SOI压力敏感芯片。
本实用新型的目的是这样实现的：带双岛的硅膜片的薄膜区正面或背面除沿双岛长度方向的梁以外的其余薄膜为经减薄处理的、形成梁膜岛结构的硅膜片，硅膜片与硅基片或玻璃基片键合在一起。
本实用新型还可以包括：
1、中间两个硅岛厚度相对硅膜边框平齐，硅基片带有凹槽，硅膜片与硅基片键合后硅岛与硅基片之间有间隙。
2、中间两个硅岛厚度相对硅膜边框凹进，玻璃基片平齐，硅膜片与玻璃基片键合后硅岛与玻璃基片之间有间隙。
3、膜片材料为(100)晶面，力敏电阻的横向布置在沿梁长度方向的[110]晶向或[110]晶向上。
4、膜片材料为(110)晶面，力敏电阻的横向布置在沿梁长度方向的[111]晶向上。
5、中心梁区宽度与边缘梁区宽度之比大于2，中心梁区宽度为膜的总宽度的1/4～1/3，梁的厚度与膜的厚度之比小于2，岛的宽度为膜的总宽度的1/4～1/5，岛的长度为膜的总长度的2/5～1/2。
本实用新型的梁膜岛结构利用其双岛，将应力集中在异性膜上狭窄的薄膜区域，同时又利用硅膜的刚度系数是与其膜厚的立方成正比的原理，只要梁区比膜区厚，便会产生足够的应力集中效应，此种结构既具有较高的灵敏度输出，同时又利用双岛结构的非线性对称自补偿特性，使传感器达到0.1％F.S的精度。另外利用双岛，通过限位结构，可以承受10倍量程以上压力的过载冲击。
梁膜岛结构对原双岛结构性能进行了改善。两个电阻条分布在梁膜岛的中心区，另两个电阻条分布在边缘区，组成惠斯顿电桥。当压力作用时，由于产生应变，使其电阻发生变化。利用双岛结构的配对的横向力敏电阻非线性对称的自补偿特性，使桥路的非线性大大降低。因此在结构设计上，我们希望将电阻条分布在横向应变较大、纵向应变较小的区域，使非线性对称的自补偿特性得到充分利用。梁膜岛结构是在原双岛结构上形成梁膜结构，使梁上产生了与同样尺寸的带双岛膜片结构相比横向应变增大，纵向应变减小。小岛的纵向宽度、中心梁区宽度、边缘梁区宽度以及梁的厚度、膜的厚度对梁膜岛的中心应力、边缘应力有很大的影响，要想得到优良的性能，需合理选取各参数。
本实用新型是对带双岛膜片结构进行了改善，由于形成梁膜结构，灵敏度、非线性都有较大提高，通过合理选取各结构参数，精度可达到0.1％F.S。梁膜岛膜片结构适用于中、低、微量程压力传感器，通过设置限位结构，可以承受10倍量程压力以上的过载。因此对SOI压力传感器的发展起到促进作用。
(四)附图说明
图1为抗高过载SOI压力敏感芯片的膜片(正面刻蚀)正视图；
图2为图1中A-A处的剖示图；
图3为图1中B-B处的剖示图；
图4为图1中C-C处的剖示图；
图5为图1中D-D处的剖示图；
图6为抗高过载SOI压力敏感芯片的膜片(背面刻蚀)正视图；
图7为图6中A-A处的剖示图；
图8为图6中B-B处的剖示图；
图9为图6中C-C处的剖示图；
图10为图6中D-D处的剖示图；
图11为抗高过载SOI压力敏感芯片结构(硅基片)图；
图12为抗高过载SOI压力敏感芯片结构(玻璃基片)图。
(五)具体实施方案
结合图1-5，取SOI硅片，尺寸为1.3×1.3mm2，厚度为0.4mm，岛的宽度为0.2mm，长度为0.4mm，压力量程为100kPa。在带双岛5膜片结构2的薄膜区正面或背面、除保留沿双岛长度方向的梁4外，其余薄膜区通过微械加工技术将厚度变薄形成梁膜岛结构。膜片结构位于边框1内，在梁膜岛的中心及边缘区分布电阻条3。当膜片材料为(100)晶面时，力敏电阻的横向布置在沿梁长度方向的[110]晶向或[110]晶向上；当膜片材料为(110)晶面时，力敏电阻的横向布置在沿梁长度方向的[111]晶向上。中心梁区宽度与边缘梁区宽度之比大于2，中心梁区宽度为膜的总宽度的1/4～1/3，梁的厚度与膜的厚度之比小于2，岛的宽度为膜的总宽度的1/4～1/5，岛的长度为膜的总长度的2/5～1/2。硅膜片6键合在硅基片7或玻璃基片8上。结合图6，中间两个硅岛厚度相对硅膜边框平齐，硅基片带有凹槽，硅膜片与硅基片键合后硅岛与硅基片之间有间隙。结合图7，中间两个硅岛厚度相对硅膜边框凹进，玻璃基片平齐，硅膜片与玻璃基片键合后硅岛与玻璃基片之间有间隙。基片上带有通气孔9。

Claims (8)

1、一种用于抗高过载SOI压力敏感芯片的结构，其特征是：带双岛的硅膜片的薄膜区正面或背面除沿双岛长度方向的梁以外的其余薄膜为经减薄处理的、形成梁膜岛结构的硅膜片，硅膜片与硅基片或玻璃基片键合在一起。
2、根据权利要求1所述的抗高过载SOI压力敏感芯片的结构，其特征是：中间两个硅岛厚度相对硅膜边框平齐，硅基片带有凹槽，硅膜片与硅基片键合后硅岛与硅基片之间有间隙。
3、根据权利要求1所述的抗高过载SOI压力敏感芯片的结构，其特征是：中间两个硅岛厚度相对硅膜边框凹进，玻璃基片平齐，硅膜片与玻璃基片键合后硅岛与玻璃基片之间有间隙。
4、根据权利要求1、2或3所述的抗高过载SOI压力敏感芯片的结构，其特征是：膜片材料为(100)晶面，力敏电阻的横向布置在沿梁长度方向的[110]晶向或[110]晶向上。
5、根据权利要求1、2或3所述的抗高过载SOI压力敏感芯片的结构，其特征是：膜片材料为(110)晶面，力敏电阻的横向布置在沿梁长度方向的[111]晶向上。
6、根据权利要求1、2或3所述的抗高过载SOI压力敏感芯片结构，其特征是：中心梁区宽度与边缘梁区宽度之比大于2，中心梁区宽度为膜的总宽度的1/4～1/3，梁的厚度与膜的厚度之比小于2，岛的宽度为膜的总宽度的1/4～1/5，岛的长度为膜的总长度的2/5～1/2。
7、根据权利要求4所述的抗高过载SOI压力敏感芯片结构，其特征是：中心梁区宽度与边缘梁区宽度之比大于2，中心梁区宽度为膜的总宽度的1/4～1/3，梁的厚度与膜的厚度之比小于2，岛的宽度为膜的总宽度的1/4～1/5，岛的长度为膜的总长度的2/5～1/2。
8、根据权利要求5所述的抗高过载SOI压力敏感芯片结构，其特征是：中心梁区宽度与边缘梁区宽度之比大于2，中心梁区宽度为膜的总宽度的1/4～1/3，梁的厚度与膜的厚度之比小于2，岛的宽度为膜的总宽度的1/4～1/5，岛的长度为膜的总长度的2/5～1/2。
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