CN88211370U - 哑铃形梁膜结构的压阻型压力传感器 - Google Patents

Abstract

用正面哑铃形的异形梁与平膜相结合的弹性体结构，在流体压力负载下可以产生符号不同的应力集中区，在这些区域设置力敏电阻器件(压阻全桥或四端单元件的力敏器件)可以制成高性能的压阻型压力传感器。这种压力传感器有灵敏度高，频响特性好，受振动、加速度或姿态的影响小等优点。由于关键的光刻对准工艺被集中到硅片的正面，使工艺加工的难度和对加工设备的要求降低，有利于成品率的提高和成本的下降。

Description

本实用新型属于半导体压力传感器领域，是一种正面异形梁与平膜组合结构的高灵敏度硅压阻型压力传感器。

1962年Tufte用扩散工艺在硅膜上制作力敏电阻并连成全桥，首先实现了弹性元件和力敏电阻一体化的半导体压阻型压力传感器。实际的压力传感器除利用（100）硅片外，也有的由（110）硅片制成。作为压力传感器的敏感元件，除了使用压阻全桥电路之外，也可以利用一个四端的电阻器（即所谓横向电压型压力传感器）。硅膜的形状，早年最常用的是圆膜，后来已较多地由方膜或长方膜所取代。从硅膜的结构来讲，长期使用的是二面互相平行的平硅膜，最近几年开始出现了背面中间有一个质量块的E形硅膜和背面有两个质量块的双岛硅膜，其性能较前有一定改善。这些带质量块的硅膜是利用微机械加工技术在（100）硅片上加工形成的。这种膜结构在质量块与边缘之间或质量块之间的薄膜区产生应力集中区，利用这些应力集中区可以制造出灵敏度高的压力传感器。但由于这些背面质量块的厚度基本上就是原始硅片的厚度，比薄膜区的厚度大十倍左右或更多，远远超过了应力集中的需要，而过厚的质量块使器件的频率响应明显变差，受加速度、振动甚至器件的姿态的影响也加大。由于制作力敏电阻的薄膜区缩小了，工艺上对膜边缘位置的控制要求更为准确，对正反面图形的对准精度要求也更高。这些工艺难度的增大，不利于成品率的提高。另外，质量块是在背面深腐蚀硅片的同时形成的，由于腐蚀过程中曝露的侧面是与（100）底面夹角为54.74°的｛111｝面，因此最终形成的质量块的宽度为原始掩模尺寸加上腐蚀深度的1.4倍，这对于器件的小型化很为不利。

本实用新型的目的是对上述压阻型压力传感器的带有质量块的硅膜结构加以改进，以改善器件性能，降低工艺难度，提高产品合格率，并促进器件朝小型化方向发展。

本实用新型的硅膜采用正面浅腐蚀形成的具有三个细颈区和两个宽大区的哑铃形异形梁与从背面深腐蚀形成的平膜相结合的新结构来作为力敏电阻的弹性体。记h₁为梁的厚度，h₂为膜的厚度，梁和膜的总厚度为h₁＋h₂。力敏电阻可以是压阻全桥的电阻，也可以是单元件四端子的横向压阻器件，设置在正面形成的异形梁的细颈区内。这种结构使梁区和膜区之间产生一刚度差，异形梁的宽大区和细颈区形成一宽度差，而这刚度差引起的应力集中效应和宽度差引起的应力集中效应可以使应力明显地集中于梁的三个细颈区内。这样可提高器件的灵敏度。同时，避免了当背面是厚质量块时所产生的频率响应特性退化和振动干扰等问题。力敏电阻制作在正面形成的异形梁的细颈区，工艺上对膜的边缘控制和正反面光刻套准要求比一般平膜器件都要宽松易行，从而可以较低的成本生产性能优良的高灵敏度压力传感器。为了造成梁区和膜区足够大的刚度差，哑铃形异形梁的厚度h₁应比平膜区的厚度h₂略大，或二者相近，一般两者取2：1～1：1间的比例。异形梁的细颈区宽度要尽可能小些，以能满足容置力敏电阻和布线要求为准，宽大区的宽度比细颈区的宽度要尽可能大些，但不能离两侧腐蚀区边缘过近，一般其宽度为该方向上膜的总宽度的 1/2 ～ 2/3 。

上述硅膜结构，一般在（100）晶向硅单晶片上实现，膜为方形或长方形，边沿〈110〉方向，梁设计在膜的中间位置，使整个结构具有对称性。一般地，当膜为方形时，梁跨接于两个对边的中点之间，膜为长方形时，梁跨接于两个长边中点之间，使整个结构具有对称性。

由于梁的厚度h₁只比膜的厚度h₂略大或二者相近，梁的质量块对频率特性的影响就远比背面质量块对频响特性的影响为小。因此这种异形梁膜结构硅膜的频响特性要比有背面质量块的膜好得多，加速度或振动引起的干扰信号也要小得多。

为了放宽光刻正反面图形时套准精度的要求和硅片厚度或腐蚀深度的容差，在设计中把反面腐蚀图形设计得略大，因为在反面腐蚀坑套住正面腐蚀区的条件下，膜或梁的有效边缘基本上就是由正面腐蚀图形决定的。力敏电阻是制作在硅片正面的，力敏电阻的光刻套准只是以正面梁的图形为参考进行的，因此套准精度可以很高。由于正面梁的腐蚀深度不大，因此不存在腐蚀背面厚质量块引起的对膜的最小尺寸的附加限制。相反，由于正面腐蚀减小了反面腐蚀的深度要求，这对器件的小型化有一定的好处。

图1为哑铃形梁膜结构压阻型压力传感器芯片正面图。

图2为图1中A－A′处的剖视图。

图3为图1中B－A′处的剖视图。

图4为图1中C－C′处的剖视图。

图5为压力传感器封装结构图。

其中1为硅膜，2为哑铃形硅梁，3为力敏电阻，4为硅膜边框，5为硅芯片，6为玻璃杯，7为管座，8为内引线，9为外引线，10为通气孔。

实施例及制作工艺如下：取材料为（100）n型硅片，电阻率为1Ω·cm左右，2.4mm×2.4mm方形，厚度200～250μm；两面用热氧化方法生长SiO₂层，厚约5000A；在硅片正面光刻形成两个对称的E形窗口，除去窗口内SiO₂曝露出硅。光刻时，使芯片边沿〈110〉晶向；从正面腐蚀E形窗口内的硅材料，腐蚀深度为15μm，形成正面的哑铃形硅梁2；用集成电路的常规工艺形成压阻器件3（力敏器件）；在硅片背面相应于两个E字形位置（略大）光刻出方形的窗口；在保护正面的条件下，从背面腐蚀硅片，深度为170～220μm，形成E形区硅膜1和硅边框4，硅膜1厚度为15μm；用静电键合技术将硅芯片键合到抛光的玻璃环6上；将带有芯片的玻璃环粘到管座7上，管座7上有通气孔10；用超声键合工艺将芯片上的压点用内引线8连接到外引进9上；最后测试各种参数。

这种结构的硅压阻型压力传感器可广泛取代目前用于工业、医学、航空等压力传感器中的平膜结构和背面岛膜结构，使器件性能提高，尺寸减小，成本下降。

Claims (5)

1、一种硅膜为异形梁和膜组合结构的硅压阻型压力传感器，其特征在于硅膜结构为从正面浅腐蚀形成的具有三个细颈区和两个宽大区的哑铃形异形梁和从反面深腐蚀形成的平膜的结合体，力敏电阻设置在异形梁的细颈区内。

2、根据权利要求1的硅压力传感器，其特征为上述异形梁的厚度与平膜的厚度比在2：1～1：1之间，异形梁的宽大区宽度为该方向梁膜宽度的1／2～2／3，细颈区的宽度以容纳力敏电阻和布线为准。

3、根据权利要求1或2的硅压力传感器，其特征为其硅膜材料为（100）晶向的硅单晶片，膜为方形或长方形，边沿〈110〉方向。

4、根据权利要求3的硅压力传感器，其特征为异形梁跨接于方膜的两对边的中点之间，或跨接于长方膜的长边的中点之间，使整个结构具有对称性。

5、根据权利要求1或4的硅压力传感器，其特征为反面腐蚀坑底大于正面腐蚀区和梁区。

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