專利名稱：單片集成的硅胎壓溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
單片集成的硅胎壓溫度傳感器屬于壓力傳感器以及溫度傳感器制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
汽車輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)是一種重要的汽車電子系統(tǒng)，可以有效保障行車安全、延長輪胎 使用壽命、降低燃油消耗。壓力傳感器和溫度傳感器是直接式輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。 輪胎內(nèi)氣體壓力和溫度是相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)物理量，必須同時(shí)測量輪胎內(nèi)部的壓力和溫度變 化，來掌握輪胎的實(shí)時(shí)信息，從而保證行車安全。 一般是將單獨(dú)的壓力傳感器和單獨(dú)的溫度 傳感器組裝在一個(gè)電路板上，這就存在體積大、精度低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。
而本實(shí)用新型則是提供一種將壓力傳感器與溫度傳感器集成在同一個(gè)芯片上的集成制 作技術(shù)，從而克服原有技術(shù)的缺點(diǎn)。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種制作簡單、單片集成的、穩(wěn)定可靠的壓力溫度集成傳感器。 本實(shí)用新型的特征在于該傳感器含有結(jié)構(gòu)芯片、封裝蓋板、壓力敏感電阻以及溫度敏 感電阻，其中結(jié)構(gòu)芯片，中間有一個(gè)硅杯，該硅杯的中央有一片硅膜，硅膜的周圍支撐的 是厚體硅；壓力敏感電阻，共四個(gè)，分別位于硅膜邊界內(nèi)應(yīng)力敏感集中區(qū)，構(gòu)成一個(gè)惠斯通 電橋，形成一個(gè)壓力傳感器；溫度敏感電阻，位于周圍厚體硅非應(yīng)力敏感區(qū)，形成一個(gè)溫度 傳感器；密封蓋板，連接在結(jié)構(gòu)芯片的下端面。所述硅膜片是方形、或圓形、或矩形、或多 邊形。所述壓力敏感電阻由硅單晶、或多晶硅、或非晶硅、或壓敏金屬材料構(gòu)成。所述溫度 敏感電阻由硅單晶、或多晶硅、或非晶硅、或溫敏金屬材料構(gòu)成。
對于滿量程為5個(gè)大氣壓的壓力傳感器，采用3V恒壓供電，其靈敏度為34mV/atm，非 線性為0.2%，零點(diǎn)輸出為15mV。對于溫度傳感器，采用另外一個(gè)恒壓源供電，電源電壓也 是3V,負(fù)載電阻為10kQ，在0^80'C的范圍內(nèi)溫度傳感器的靈敏度為1.24mV/°C，非線性為 1.6%。

圖l.單片集成的硅胎壓溫度傳感器原理圖。
圖2.采用恒壓源供電的溫度傳感部分電路原理圖。
圖3.采用恒流源供電的溫度傳感部分電路原理圖。
圖4.采用恒壓源供電的壓力傳感部分電路原理圖。
圖5.采用恒流源供電的壓力傳感部分電路原理圖。
圖6.單片集成的硅胎壓溫度傳感器之一(a)俯視圖；(b)剖面圖。
圖7.單片集成的硅胎壓溫度傳感器之二 (a)俯視圖；(b)剖面圖。
圖8.單片集成的硅胎壓溫度傳感器的制作工藝流程圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明包括兩種敏感元件，壓力敏感元件和溫度敏感元件，其壓力傳感部分是基于電阻 的壓敏效應(yīng)原理，當(dāng)有壓力作用時(shí)，電阻的阻值發(fā)生變化，通過檢測電阻阻值的變化，就可 以測知壓力的變化。其溫度傳感部分是基于電阻的溫敏效應(yīng)原理，當(dāng)有溫度作用時(shí)，電阻的 阻值發(fā)生變化，通過檢測電阻阻值的變化，就可以測知溫度的變化。
對于集成傳感器的溫度敏感部分，可以采用恒壓源供電和恒流源供電兩種方式。圖2是 采用恒壓源供電方式的電路原理圖，負(fù)載電阻阻值&,溫度敏感電阻阻值RT，由溫度作用產(chǎn) 生的溫敏電阻阻值變化為AR。電橋輸出與(AR+Rt) / (R一Rt+AR)成正比。圖3是采用恒 流源供電方式的電路原理圖。負(fù)載電阻阻值RL，溫度敏感電阻阻值RT，由溫度作用產(chǎn)生的溫 敏電阻阻值變化為AR。電橋的輸出與溫敏電阻的變化量AR成正比。
集成傳感器的壓力敏感部分利用惠斯通電橋來檢測輸入信號(hào)，惠斯通電橋可以采用恒壓 源供電和恒流源供電兩種。圖4是采用恒壓源供電方式的電路原理圖，四個(gè)橋臂電阻阻值R， 由應(yīng)力作用產(chǎn)生的電阻阻值變化為AR。電橋輸出與AR/R成正比，也就是與被測量壓力成正 比，同時(shí)又與電源電壓U成正比。這就是說電橋的輸出與電源的大小與精度都有關(guān)。圖5是 采用恒流源供電方式的電路原理圖，四個(gè)橋臂電阻阻值R，由應(yīng)力作用產(chǎn)生的電阻阻值變化 為AR。電橋的輸出與電阻的變化量AR成正比，即與被測量成正比，當(dāng)然也與電源電流成正 比，即輸出與恒流源供給的電流大小與精度有關(guān)，但是電橋的輸出與溫度無關(guān)，不受溫度影 響，這個(gè)是恒流源供電的優(yōu)點(diǎn)，恒流源供電時(shí)， 一個(gè)傳感器必須配備一個(gè)恒流源，這在使用 時(shí)不方便。
圖6是單片集成的硅胎壓溫度傳感器的結(jié)構(gòu)圖，集成傳感器由兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，上面是結(jié) 構(gòu)芯片，下面是密封蓋板。在結(jié)構(gòu)芯片中間有一個(gè)方形的硅杯，四周是厚體硅，中間是硅膜 片。在硅杯上有四個(gè)壓力敏感電阻R1、 R2、 R3、 R4，它們分布在硅杯結(jié)構(gòu)的應(yīng)力敏感集中區(qū)， 它們對由壓力產(chǎn)生的應(yīng)力敏感。在結(jié)構(gòu)芯片的厚體硅區(qū)域有一個(gè)溫度敏感電阻RT，它對由溫 度敏感，對由壓力產(chǎn)生的應(yīng)力不敏感。
圖7是本實(shí)施例的另外一種實(shí)現(xiàn)方式，集成傳感器由兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，上面是結(jié)構(gòu)芯片， 下面是密封蓋板。在結(jié)構(gòu)芯片中間有一個(gè)圓形的硅杯，四周是厚體硅，中間是硅膜片。在硅 杯上有四個(gè)壓力敏感電阻R1、 R2、 R3、 R4,它們分布在硅杯結(jié)構(gòu)的應(yīng)力敏感集中區(qū)，它們對 由壓力產(chǎn)生的應(yīng)力敏感。在結(jié)構(gòu)芯片的厚體硅區(qū)域有一個(gè)溫度敏感電阻RT，它對由溫度敏感， 對由壓力產(chǎn)生的應(yīng)力不敏感。
圖8是單片集成的硅胎壓溫度傳感器的制作工藝流程圖，采用單晶硅注入電阻的體硅工 藝。在圖8a中，采用(100)晶向的雙拋硅片，雙面生長熱氧Si02，然后雙面淀積氮化硅 Si3N4;在圖8b中，刻蝕Si3N4，漂掉窗口的Si02;在圖8c中體硅腐蝕，制作出硅杯，硅 膜的厚度約為30um;在圖8d中，用氫氟酸去除Si02和Si3N4，然后氧化生長一層Si02; 在圖8e中，用離子注入方法得到電阻；在圖8f中，濺射鋁；在圖8g中，光刻鋁，制備鋁 引線；在圖8h中，鍵合，完成傳感器流水。
權(quán)利要求1.單片集成的硅胎壓溫度傳感器，其特征在于該傳感器含有結(jié)構(gòu)芯片、封裝蓋板、壓力敏感電阻以及溫度敏感電阻，其中結(jié)構(gòu)芯片，中間有一個(gè)硅杯，該硅杯的中央有一片硅膜，硅膜的周圍支撐的是厚體硅；壓力敏感電阻，共四個(gè)，分別位于硅膜邊界內(nèi)應(yīng)力敏感集中區(qū)，構(gòu)成一個(gè)惠斯通電橋，形成一個(gè)壓力傳感器；溫度敏感電阻，位于周圍厚體硅非應(yīng)力敏感區(qū)，形成一個(gè)溫度傳感器；密封蓋板，連接在結(jié)構(gòu)芯片的下端面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成的硅胎壓溫度傳感器，其特征在于所述硅膜片是方形、 或圓形、或矩形、或多邊形。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成的硅胎壓溫度傳感器，其特征在于所述壓力敏感電阻 由硅單晶、或多晶硅、或非晶硅、或壓敏金屬材料構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成的硅胎壓溫度傳感器，其特征在于所述溫度敏感電阻 由硅單晶、或多晶硅、或非晶硅、或溫敏金屬材料構(gòu)成。
專利摘要單片集成的硅胎壓溫度傳感器屬于壓力、溫度傳感技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，含有結(jié)構(gòu)芯片，中間有一個(gè)硅杯，該硅杯中央有一個(gè)硅膜，其周圍支撐的是厚體硅；四個(gè)壓力敏感電阻，分別位于硅膜邊界內(nèi)的應(yīng)力敏感區(qū)，形成一個(gè)壓力傳感器；一個(gè)溫度敏感電阻，位于厚體硅的非應(yīng)力敏感區(qū)，形成一個(gè)溫度傳感器；密封蓋板，連接在所述結(jié)構(gòu)芯片的下表面。該集成傳感器的壓力敏感元件的輸出和壓力值直接相關(guān)，而該集成傳感器的溫度敏感元件的輸出和溫度值密切相關(guān)。該集成傳感器具有單片集成、制作簡單、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01D21/02GK201057517SQ20072010371
公開日2008年5月7日 申請日期2007年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月2日
發(fā)明者任天令, 劉理天, 張兆華, 林惠旺 申請人:清華大學(xué)