專(zhuān)利名稱(chēng)：一種梁膜單島結(jié)構(gòu)微壓高過(guò)載傳感器芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS壓阻式絕對(duì)壓力傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種梁膜單島結(jié)構(gòu)微壓高過(guò)載傳感器芯片。
背景技術(shù)：
隨著微機(jī)械電子系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，MEMS微壓傳感器已被廣泛應(yīng)用于風(fēng)洞測(cè)試，生物醫(yī)電及石油化工等領(lǐng)域，尤其在航天，這種對(duì)傳感器體積、重量有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，MEMS 傳感器無(wú)疑是十分理想的選擇。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)目前的MEMS微壓傳感器主要還停留在KPa級(jí)上，并不能滿足航天領(lǐng)域?qū)a級(jí)微壓測(cè)量的需求，也不能適應(yīng)航天領(lǐng)域的工作環(huán)境，不能滿足航天領(lǐng)域?qū)ι罡呖瘴壕_測(cè)量技術(shù)的需求。由于飛行器飛行到深高空時(shí)，環(huán)境氣壓不足標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的萬(wàn)分之一，因而傳感器需要承受地面與深高空之間相當(dāng)于數(shù)百倍滿量程的高過(guò)載，并能高精度地測(cè)量深高空的微壓。同時(shí)，在地面與深高空近100°C的溫差下，傳感器仍需保持高精度的測(cè)量。因此，如何解決高靈敏度與高過(guò)載，高靈敏度與高線性度之間的矛盾， 同時(shí)，抑制低溫對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響，是保障傳感器可靠、精確地測(cè)量深高空微壓，而亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種梁膜單島結(jié)構(gòu)微壓高過(guò)載傳感器芯片，能夠?qū)a級(jí)微壓進(jìn)行測(cè)量，具有高線性度、高精度，同時(shí)能夠承受相當(dāng)于滿量程500倍的高過(guò)載，能夠滿足航天領(lǐng)域?qū)ι罡呖瘴壕_測(cè)量的需求。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種梁膜單島結(jié)構(gòu)微壓高過(guò)載傳感器芯片，包括硅基底1，硅基底I的中部加工有一質(zhì)量塊4和四根單梁3-1、3-2、3-3、3-4，質(zhì)量塊4通過(guò)四根單梁3-1、3_2、3-3、3_4與硅基底I連接，將硅基底I、質(zhì)量塊4及四根單梁3-1、3-2、3-3、3-4圍成的區(qū)間加工成10 30 μ m后的薄膜2，硅基底I的背面與PyreX7740玻璃5鍵合，將質(zhì)量塊4的背面減薄使質(zhì)量塊4與Pyrex7740玻璃5之間在真空環(huán)境下留有5_10 μ m的間隙，同時(shí)將Pyrex7740玻璃5上的防吸附電極9插入鍵合區(qū)域10，將薄膜2、質(zhì)量塊4和Pyrex7740玻璃5之間形成的腔體抽真空，在硅基底I的正面，四個(gè)壓敏電阻條6-1、6-2、6-3、6-4按照四根單梁3_1、 3-2,3-3,3-4上的應(yīng)力分布規(guī)律均布置在靠近其根部處，且沿著壓阻系數(shù)最大的兩晶向，四個(gè)壓敏電阻條6-1、6-2、6-3、6-4通過(guò)硅基底I上的金屬引線8相互連接組成半開(kāi)環(huán)惠斯通電橋，電橋的輸出端與娃基底I上的焊盤(pán)7相連。所述的四根單梁3-1、3-2、3-3、3-4厚度為10 40 μ m。所述的四個(gè)壓敏電阻條6-1、6-2、6-3、6-4均由四折相同的電阻條組成。所述的焊盤(pán)7采用Ti-Pt-Au多層引線技術(shù)。所述的金屬引線8采用Ti-Pt-Au多層引線技術(shù)。
所述的防吸附電極9采用Cr材料，防吸附電極9為梳齒狀，與質(zhì)量塊4的接觸面積小。本發(fā)明采用梁膜單島結(jié)構(gòu)作為MEMS微壓傳感器的芯體結(jié)構(gòu)，可以承受由地面氣壓帶來(lái)的相當(dāng)于500倍滿量程的高過(guò)載，四根單梁3-1、3-2、3-3、3-4上壓敏電阻條6_1、 6-2、6-3、6-4的分布位置是根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果確定的，可以提高惠斯通電橋的輸出電壓， 從而進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度。硅基底I上的焊盤(pán)7與金屬引線8采用了 Ti-Pt-Au多層引線技術(shù)，即將Ti置于底層與壓敏電阻條6-1 6-4聯(lián)接，以降低接觸電阻，Pt置于中間阻擋層，以提高引線耐腐蝕性，Au置于上邊引線鍵合層，以利于引線鍵合。此技術(shù)可以保證在航天等惡劣環(huán)境下，引線鍵合聯(lián)接的可靠性。該傳感器芯片的結(jié)構(gòu)合理，能夠抗高過(guò)載，同時(shí)又具備高可靠性、高精度、高線性度、便于加工、成本低等特點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。


圖I為本發(fā)明軸側(cè)示意圖。
圖2為本發(fā)明正面示意圖。
圖3為本發(fā)明硅基底I的背腔示意圖。
圖4為本發(fā)明防吸附電極9以及硅基底I與Pyrex7740玻璃5鍵合區(qū)域10的示意圖。
圖5為本發(fā)明壓敏電阻條6-1、6-2、6-3、6-4連接構(gòu)成的半開(kāi)環(huán)惠斯通電橋示意圖。
圖6為本發(fā)明正常工作時(shí)的示意圖。
圖7為本發(fā)明在地面大氣環(huán)境下承受過(guò)載時(shí)的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。
參照?qǐng)DI和圖2，一種梁膜單島結(jié)構(gòu)微壓高過(guò)載傳感器芯片，包括硅基底1，硅基
底I的中部加工有一質(zhì)量塊4和四根單梁3-1、3-2、3-3、3-4，質(zhì)量塊4通過(guò)四根單梁3_1、 3-2、3-3、3-4與硅基底I連接，將硅基底I、質(zhì)量塊4及四根單梁3-1、3_2、3-3、3_4圍成的區(qū)間加工成10 30 μ m厚的薄膜2，硅基底I的背面與PyreX7740玻璃5鍵合，將質(zhì)量塊 4的背面減薄使質(zhì)量塊4與Pyrex7740玻璃5之間在真空環(huán)境下留有5_10 μ m的間隙，參照?qǐng)D3和圖4，將Pyrex7740玻璃5上的防吸附電極9插入鍵合區(qū)域10，將薄膜2、質(zhì)量塊4 和Pyrex7740玻璃5之間形成的腔體抽真空，在硅基底I的正面，四個(gè)壓敏電阻條6_1、6_2、 6-3,6-4按照四根單梁3-1、3-2、3-3、3-4上的應(yīng)力分布規(guī)律均布置在靠近其根部處，且沿著壓阻系數(shù)最大的兩晶向。參照?qǐng)D5，四個(gè)壓敏電阻條6-1、6-2、6-3、6-4通過(guò)硅基底I上的金屬引線8相互連接組成半開(kāi)環(huán)惠斯通電橋，電橋的輸出端與硅基底I上的焊盤(pán)7相連，同時(shí)電橋采用恒流源供電，可以很好地抑制由于溫度對(duì)傳感器信號(hào)輸出的非線性影響。所述的四根單梁3-1、3-2、3-3、3_4厚度為10 40 μ m。所述的四個(gè)壓敏電阻條6-1、6-2、6-3、6-4均由四折相同的電阻條組成。所述的焊盤(pán)7采用Ti-Pt-Au多層引線技術(shù)。
所述的金屬引線8采用Ti-Pt-Au多層引線技術(shù)。所述的防吸附電極9采用Cr材料，防吸附電極9為梳齒狀，與質(zhì)量塊4的接觸面積小。本發(fā)明的工作原理為參照?qǐng)D6，傳感器在深高空微壓作用下，薄膜2開(kāi)始向下凹，其上的四根單梁3-1、 3-2、3-3、3-4對(duì)應(yīng)力進(jìn)行二次集中，從而增大了梁上四個(gè)壓敏電阻條6-1、6-2、6-3、6-4的輸出電壓，即可提高傳感器的靈敏度，同時(shí)，四根單梁3-1、3-2、3-3、3-4和中心質(zhì)量塊4的存在，增大了結(jié)構(gòu)整體的剛度，明顯改善了傳感器的線性。參照?qǐng)D7，當(dāng)傳感器處于地面大氣環(huán)境時(shí)，要承受大氣壓的作用，在承受相當(dāng)于 500倍滿量程的高過(guò)載時(shí)，質(zhì)量塊4已壓在防吸附電極9上，起到限位保護(hù)的作用，防止感壓薄膜2因撓度過(guò)大而破壞。防吸附電極9減小了與質(zhì)量塊4的接觸面積，同時(shí)，防吸附電極 9通過(guò)插入鍵合區(qū)域與硅基底I接觸，形成等電位，從而有效避免了靜電力產(chǎn)生的質(zhì)量塊4 與Pyrex7740玻璃5吸附的問(wèn)題。因此，正是由于防吸附電極9的存在，才使得本發(fā)明由過(guò)載狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作模式時(shí)，質(zhì)量塊4可以被順利地彈起。從而，進(jìn)一步提高傳感器的工作穩(wěn)定性。本發(fā)明的梁膜單島結(jié)構(gòu)微壓高過(guò)載傳感器芯片，相對(duì)于傳統(tǒng)的C型平膜和E型島膜結(jié)構(gòu)，由于四根單梁3-1、3-2、3-3、3-4的引入提高了整體的剛度，再次集中了應(yīng)力，因此，該結(jié)構(gòu)具有線性好，靈敏度高的特點(diǎn)。同時(shí)，由于四根單梁3-1、3-2、3-3、3-4與質(zhì)量塊 4的共同作用，使得結(jié)構(gòu)可以抗500倍的高過(guò)載。
權(quán)利要求
1.一種梁膜單島結(jié)構(gòu)微壓高過(guò)載傳感器芯片，包括硅基底(1)，其特征在于硅基底 ⑴的中部加工有一質(zhì)量塊⑷和四根單梁(3-1)、(3-2)、(3-3)、(3-4)，質(zhì)量塊⑷通過(guò)四根單梁(3-1)、(3-2)、(3-3)、(3-4)與硅基底(I)連接，將硅基底(I)、質(zhì)量塊(4)及四根單梁(3-1)、(3-2)、(3-3)、(3-4)圍成的區(qū)間加工成10 30 μ m厚的薄膜(2)，硅基底(I) 的背面與Pyrex7740玻璃(5)鍵合，將質(zhì)量塊(4)的背面減薄使質(zhì)量塊(4)與PyreX7740 玻璃(5)之間在真空環(huán)境下留有5-1(^111的間隙，同時(shí)將？71'以7740玻璃(5)上的防吸附電極(9)插入鍵合區(qū)域(10)，將薄膜(2)、質(zhì)量塊(4)和Pyrex7740玻璃(5)之間形成的腔體抽真空，在硅基底(I)的正面，四個(gè)壓敏電阻條(6-1)、(6-2)、(6-3)、(6-4)按照四根單梁(3-1)、(3-2)、(3-3)、(3-4)上的應(yīng)力分布規(guī)律均布置在靠近其根部處，且沿著壓阻系數(shù)最大的兩晶向，四個(gè)壓敏電阻條(6-1)、(6-2)、(6-3)、(6-4)通過(guò)硅基底(I)上的金屬引線 (8)相互連接組成半開(kāi)環(huán)惠斯通電橋，電橋的輸出端與硅基底(I)上的焊盤(pán)(7)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種梁膜單島結(jié)構(gòu)微壓高過(guò)載傳感器芯片，其特征在于所述的四根單梁(3-1)、(3-2)、(3-3)、(3-4)厚度為10 40 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種梁膜單島結(jié)構(gòu)微壓高過(guò)載傳感器芯片，其特征在于所述的四個(gè)壓敏電阻條(6-1)、(6-2)、(6-3)、(6-4)均由四折相同的電阻條組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種梁膜單島結(jié)構(gòu)微壓高過(guò)載傳感器芯片，其特征在于所述的焊盤(pán)(7)采用Ti-Pt-Au多層引線技術(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種梁膜單島結(jié)構(gòu)微壓高過(guò)載傳感器芯片，其特征在于所述的金屬引線(8)采用Ti-Pt-Au多層引線技術(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種梁膜單島結(jié)構(gòu)微壓高過(guò)載傳感器芯片，其特征在于所述的防吸附電極(9)采用Cr材料，防吸附電極(9)為梳齒狀，與質(zhì)量塊(4)的接觸面積小。
全文摘要
一種梁膜單島結(jié)構(gòu)微壓高過(guò)載傳感器芯片，包括硅基底，硅基底的中部加工有一質(zhì)量塊和四根單梁，將硅基底、質(zhì)量塊及四根單梁圍成的區(qū)間加工成10～30μm厚的薄膜，硅基底的背面與Pyrex7740玻璃鍵合，將質(zhì)量塊的背面減薄使質(zhì)量塊與Pyrex7740玻璃之間在真空環(huán)境下留有5-10μm的間隙，同時(shí)將Pyrex7740玻璃上的防吸附電極插入鍵合區(qū)域，將薄膜、質(zhì)量塊和Pyrex7740玻璃之間形成的腔體抽真空，在硅基底的正面，四個(gè)壓敏電阻條相互連接組成半開(kāi)環(huán)惠斯通電橋，四根單梁的引入提高了整體的剛度，再次集中了應(yīng)力，具有線性好，靈敏度高的特點(diǎn)，同時(shí)可以抗500倍的高過(guò)載。
文檔編號(hào)B81B3/00GK102589762SQ201210059808
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月8日
發(fā)明者于忠亮, 孟夏薇, 王偉忠, 田邊, 趙玉龍 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)