CN88211371U

CN88211371U - 双岛-梁-膜结构压力传感器

Info

Publication number: CN88211371U
Application number: CN 88211371
Authority: CN
Inventors: 王言; 于连忠; 鲍敏杭
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 1988-01-22
Filing date: 1988-01-22
Publication date: 1988-12-28

Abstract

本实用新型是一种芯片为双岛——梁——膜结构的半导体压力传感器。碰梁横贯双岛，并将硅膜分为对称的两个部分，力敏元件设置在硅梁上。与传统的膜式结果相比。有将应力二次集中的效果，提高了传感器的灵敏度和线性度。可用于微压测量领域，也可用力和加速度的测量领域。

Description

双岛-梁-膜结构压力传感器

本实用新型属于半导体压力传感器领域。

已有的固态半导体压力传感器，其芯片一般采用由腐蚀或机械加工方法得到的膜式结构，然后在膜上制作敏感元件，成为膜式压力传感器。这种传感器除了广泛使用的平膜结构之外，也有采用膜上有单岛或双岛结构的，如1982年日本MICHITAK等人在“Sensors and Actuators”杂志上提出了在硅膜上加单岛以制作低量程压力传感器的方案，美国的Endervoc公司于1984年推出了一种更为先进的双岛结构。这类结构中，由于岛所在区域刚度很大，几乎没有形变，将应力集中在岛外的某些特定区域，提高了器件的灵敏度。但应力集中区是岛与岛之间和岛与边界之间的长条区域，敏感元件所在区域只占应力集中区的一小部分，整个应力集中区没有被完全利用。而且，线性度不够理想，尤其在高输出时，器件精度的进一步提高受到限制。另外，加了岛结构后，由于岛的质量较大，使器件频率响应很大地下降。

本实用新型对上述芯片的膜岛结构的压力传感器加以改进，以改善器件的线性度，并进一步提高其灵敏度。

本实用新型的芯片结构设计如下：在背面有矩形双岛的硅膜正面加了一条硅梁，该硅梁横贯两个硅岛的中部，将硅膜分为对称的两个部分，力敏元件设置在硅梁上，且位于硅岛与硅岛之间，硅岛与边界之间的相应部位，硅膜形状可以是圆形或矩形。

这种结构将原来的应力集中区域的面积进一步缩小，即从原来的长条区域缩小到岛与岛与边框之间的梁上，应力集中的效果就更为明显。如果说膜岛结构是将应力集中到岛与岛和岛与边界间隔的长条区域，则在膜岛结构中加了梁之后，长条区域中的应力集中到梁上，也就是实现了应力的第二次集中，将敏感元件设计在长条区中的梁上，则传感器的灵敏度必然提高。敏感元件可以是压阻全桥或单元件四端电阻。另外，由于梁结构具有较好的线性度，所以这种结构的传感器线性度也较好；由于硅梁的加入使硅岛与边界之间有刚度较大的硅梁相连，系统的频率响应与无梁的岛——膜结构相比有所提高。

当硅片的厚度为200～300微米时，硅膜的厚度约为10到20微米，如果量程较大，则硅膜厚些，反之则薄些。

硅梁位于硅膜中部，为矩形膜二边长中点的连线，将硅膜一分为二，硅梁的长度与硅膜的宽度相等，正面的硅梁图形和背面的硅膜图形相互套准。梁的宽度则是越窄时，应力集中效果越好，在能容得下力敏电阻和引出线的情况下，宽度小些为好。硅梁的厚度视量程而定，可为膜厚的1至3倍。

位于岛与岛和岛与边界之间的梁（共有三段）是应力集中区域，这三段梁越短，则应力集中的效果越好，所以在能容得下敏感元件的情况下，这三段间距（即岛与岛的距离和岛与边界的距离）小些为宜，每段间距可取整个硅膜宽度的5％～10％。如果将岛的长度取得大些，则应力集中的效果更加好，但是也不能太大，因为如果岛与边框过分接近，将会使岛的位移受到横向的牵制反而使灵敏度下降，可以取岛的长度为该方向硅膜长度的40％～60％。

图1为双岛－梁－膜结构压力传感器芯片正视图。

图2为图1中D－D′处的剖示图。

图3为图1中A－A′处的剖示图。

图4为图1中B－B′处的剖示图。

图5为图1中C－C′处的剖示图。

图6为压力传感器封装结构图。

其中1为矩形硅膜，2为在硅膜背面的矩形岛（虚线方框），3为横贯双岛中部的硅梁，4为设置在硅梁上的力敏元件，5为硅膜边框，6为硅芯片，7为底板，8为玻璃环柱，9为内引线，10为管脚，11为管座，12为通气孔，13为外壳。h₁为硅梁厚度，h₂为硅膜厚度，P为压力。

实施例及制作工艺如下：选用n型（001）晶面的抛光硅片，尺寸为2.8mm×3.2mm矩形，厚度为200～250μm；两面用热氧化方法生长SiO₂层，厚约5000⁰A；用硅材料的腐蚀工艺在硅片背面深腐蚀得到2.1×2.3mm²的矩形坑，中间部分留矩形双岛2，深度为170－200μm，岛与岛及岛与边框5之间的距离为0.2mm，岛的尺寸为0.7×1.2mm²；在硅膜正面浅腐蚀2.0×1.0mm²两个矩形坑，深度h₁为40μm，形成硅膜1，厚度为15μm，两个矩形坑之间的剩余部分即为硅梁3，其宽度为0.2mm；用半导体常规工艺形成力敏器件4，将两个电阻设在岛与岛之间的梁上，另两个电阻分别设置在岛与边框之间的梁上，并连全桥电路（如果采用横向压阻器件，则设置在岛与岛之间或岛与边框之间的梁上），即制成硅芯片；最后封装，用静电封结方法将硅芯片6键合在玻璃底板7上，再将底板粘合在玻璃环柱8上，然后固定在管座11上，用金丝或铝线作内引线9，将内引线9与管脚10压焊，管脚也作外引线，底板7与管座11之间通过玻璃环柱8有通气孔12相通，再封于外壳13内。

本实用新型可广泛用微压测量领域，也可用于力和加速度测量领域。

Claims

1、一种芯片为双岛、梁、膜结构的半导体压力传感器，双岛在硅膜背面，其特征为在硅膜正面有一横贯两个硅岛，并将硅膜分为对称两个部分的硅梁，力敏元件设置在岛与岛之间及岛与边界的硅梁上。

2、根据权利要求1的半导体压力传感器，其特征为硅梁的长度等于硅膜的宽度，硅梁的宽度以能容纳力敏元件和引出线为准，硅梁的高度为膜厚度的1至3倍。

3、根据权利要求1或2的半导体压力传感器，其特征为两个硅岛之间的距离及硅岛与边界之间的距离为硅膜宽度的5％～10％，硅岛的长度为该方向硅膜长度的40％～60％。