專利名稱：抗輻射壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種抗輻射的壓力傳感器，特別是涉及一種硅壓阻式 抗輻射的壓力傳感器，該傳感器適用于具有強(qiáng)輻射環(huán)境下的壓力測(cè)量。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)的發(fā)展，核技術(shù)的和平利用也越來(lái)越廣泛農(nóng)業(yè)上的育 種、食品保鮮；工業(yè)上材料的改性、輻射技術(shù)應(yīng)用；醫(yī)學(xué)上的放射分 析、伽瑪?shù)?；考古學(xué)上的偵辨真?zhèn)?；環(huán)保上對(duì)火災(zāi)及毒氣報(bào)警、同位 素避雷針等具有核應(yīng)用的場(chǎng)合越來(lái)越多，在這些場(chǎng)合下所使用的壓力 傳感器，為了進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性、延長(zhǎng)其使用壽命，提出了要對(duì)其 進(jìn)行核加固，也就是使其具備抗輻射性能的要求。
傳統(tǒng)的壓阻式壓力傳感器在核輻射的環(huán)境下，由于a、 P、 Y、 X等射線以及中子、質(zhì)子等高能粒子的作用。造成硅單晶體內(nèi)不穩(wěn)定 的缺陷群會(huì)使其性能退化、pn結(jié)受到輻射則使反向漏電流增大減弱了 它的隔離作用，另外傳感器中所使用的有機(jī)絕緣材料在輻射的作用下 會(huì)發(fā)生裂解，產(chǎn)生變脆、絕緣性能下降而降低使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決以上不足，本發(fā)明提供一種抗輻射壓力傳感器，通過(guò)采 用抗輻射加固的壓力敏感組件和抗輻射結(jié)構(gòu)，來(lái)提高其抗輻射能力， 具有與傳統(tǒng)工藝相容、適應(yīng)面寬等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣構(gòu)成的 一種抗輻射壓力傳感器，由硅 壓阻式敏感組件和金屬殼體組成，該硅壓阻式敏感組件由具有惠斯通 電橋結(jié)構(gòu)的硅敏感元件和玻璃環(huán)組成，該金屬殼體前端設(shè)有作為引壓口的臺(tái)階孔，該硅敏感元件的背壓面環(huán)部通過(guò)該玻璃環(huán)固定于該臺(tái)階 孔的內(nèi)環(huán)面，該硅敏感元件的受壓面與該金屬殼體前端面齊平并導(dǎo)電 封裝，該惠斯通電橋結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變電阻接有金絲內(nèi)引線，該金絲內(nèi)引 線另一端連接到位于該金屬殼體尾部的輸出電纜。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該硅敏感元件由單晶硅襯底形成，該 單晶硅襯底正面依次形成二氧化硅與氮化硅復(fù)合層作為絕緣層，該絕 緣層外延上形成四個(gè)獨(dú)立的多晶硅層作為該應(yīng)變電阻，該絕緣層周部 裸露出該單晶硅襯底的環(huán)邊，該單晶硅襯底的環(huán)邊與該玻璃環(huán)固定，
形成該硅壓阻式敏感組件，該單晶硅襯底背面形成金屬化層，并與該 金屬殼體前端面齊平封裝后，覆蓋有能同時(shí)與該金屬殼體和該金屬化 層導(dǎo)電接觸的金屬箔。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)應(yīng)該金屬化層中部，該金屬箔中間
設(shè)有圓孔，箔在該金屬基座前端面和該金屬化層同時(shí)覆蓋該金屬。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該單晶硅襯底由高濃度摻雜形成，其
慘雜濃度為1019 102°cm—3。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該金屬化層厚度為1 4nm。 如權(quán)利要求2所述的抗輻射壓力傳感器，其特征在于，該多晶硅
層由高濃度的硼摻雜形成的，該硼摻雜濃度為io19 io2°cnr3。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該應(yīng)變電阻的最大寬度不超過(guò)10um。 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該玻璃環(huán)為與硅相似膨脹系數(shù)的Pyrex 玻璃環(huán)或GG—17硼硅玻璃。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該金屬殼體由金屬基座和焊固于該金
屬基座尾端的金屬罩組成，該金屬基座和金屬罩形成內(nèi)腔室，該金屬 基座前端部設(shè)有該臺(tái)階孔，該金絲內(nèi)引線另一端穿過(guò)該玻璃環(huán)后連接 到位于該內(nèi)腔室的轉(zhuǎn)接板，并通過(guò)該轉(zhuǎn)接板轉(zhuǎn)接到位于該金屬罩尾部 的該輸出電纜。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該輸出電纜依次穿套密封圈和壓線帽， 并通過(guò)該壓線帽旋固于該金屬罩尾部實(shí)現(xiàn)固定。
本發(fā)明的有益技術(shù)效果是由于該硅敏感元件的背面生成了一層 金屬化層，并且通過(guò)金屬箔與該傳感器的金屬基座形成了導(dǎo)電連接， 所以該硅敏感元件就完全被一個(gè)完整的金屬罩所罩住，當(dāng)金屬罩接地 的時(shí)候，外界的各種射線及輻射波有相當(dāng)一部分被該傳感器的整個(gè)外 殼所屏蔽；部分透過(guò)該外殼屏蔽到達(dá)該硅敏感元件的射線又由于高摻 雜的單晶硅襯底進(jìn)行了吸收，進(jìn)一步減弱了輻射強(qiáng)度；沒有被該單晶 硅襯底吸收的輻射，又被該二氧化硅(Si02)和氮化硅(Si3N4)雙層絕 緣層所阻擋；透過(guò)雙層絕緣層的輻射，由于該多晶硅應(yīng)變電阻的條寬 較窄，幾何面積縮小，而使到達(dá)應(yīng)變電阻上的輻射幾率進(jìn)一步降低； 即使有少數(shù)到達(dá)應(yīng)變電阻上的輻射粒子，但與該多晶硅薄膜的高摻雜 載流子濃度相比也會(huì)由于數(shù)量少而降低輻射對(duì)器件性能的干擾，通過(guò) 以上措施，可以將該傳感器抗輻射能力提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明中所述的硅壓阻式敏感組件結(jié)構(gòu)示意圖。 對(duì)照?qǐng)Dl和圖2作說(shuō)明
1 —單晶硅襯底
2 —二氧化硅 3—氮化硅 4一應(yīng)變電阻
6 —玻璃環(huán)
7 —金屬化層 9一金屬箔
10—硅壓阻式敏感組件
11— 金絲內(nèi)引線
12— 金屬基座
13— 密封圈 14一轉(zhuǎn)接板
15— 輸出電纜
16— 金屬罩
17— 壓線帽具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合圖l、圖2作進(jìn)一步描述 一種抗輻射壓力傳感器，由硅 壓阻式敏感組件10和金屬殼體組成，該硅壓阻式敏感組件10由具有
惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的硅敏感元件和玻璃環(huán)6組成，該金屬殼體由金屬基 座12和焊固于該金屬基座尾端的金屬罩16組成，該金屬基座12和金 屬罩16形成內(nèi)腔室，該金屬基座前端部設(shè)有作為引壓口的臺(tái)階孔，該 硅敏感元件的背壓面環(huán)部通過(guò)該玻璃環(huán)6固定于該臺(tái)階孔的內(nèi)環(huán)面， 而該硅敏感元件的受壓面與該金屬殼體前端面齊平并導(dǎo)電封裝，該惠 斯通電橋結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變電阻4接有金絲內(nèi)引線11，該金絲內(nèi)引線另一 端穿過(guò)該玻璃環(huán)后連接到位于該內(nèi)腔室的轉(zhuǎn)接板14，并通過(guò)該轉(zhuǎn)接板 轉(zhuǎn)接到位于該金屬罩尾部的該輸出電纜。
該硅敏感元件由單晶硅襯底1形成，首先在該單晶硅襯底正面形 成二氧化硅層2 (Si02)與氮化硅層3 (Si3N4)復(fù)合層作為絕緣層，在 該絕緣層外延生長(zhǎng)多晶硅敏感層，形成力敏區(qū)，通過(guò)刻蝕方法在該硅 敏感元件的力敏區(qū)域形成4個(gè)獨(dú)立的多晶硅應(yīng)變電阻4,該應(yīng)變電阻上 生長(zhǎng)絕緣層進(jìn)行保護(hù)，4個(gè)應(yīng)變電阻之間完全用介質(zhì)進(jìn)行隔離，在該絕 緣層的適當(dāng)處開口進(jìn)行金屬化，并鍵合金絲內(nèi)引線11;同時(shí)該力敏區(qū) 正面周邊部裸露出單晶硅襯底，并通過(guò)靜電封接于拋光的低膨脹系數(shù) 的玻璃環(huán)6上，形成該硅壓阻式敏感組件10;該玻璃環(huán)6另一面采用 低溫玻璃燒結(jié)工藝燒結(jié)在該金屬基座前端部臺(tái)階孔內(nèi)環(huán)面，實(shí)現(xiàn)該硅 壓阻敏感組件之硅敏感元件背面與該金屬基座前端面齊平封裝，而金 絲內(nèi)引線的另一端焊接到轉(zhuǎn)接板14上，該傳感器的輸出電纜之芯線亦 焊接于該轉(zhuǎn)接板上，實(shí)現(xiàn)該金絲內(nèi)引線與輸出電纜15相應(yīng)芯線的導(dǎo)通; 該輸出電纜依次穿套密封圈13和壓線帽17，并通過(guò)該壓線帽旋固于該 金屬罩尾部實(shí)現(xiàn)固定。
為了提高抗輻射性能，對(duì)外延生長(zhǎng)的多晶硅敏感層采用高摻雜，其慘雜濃度在10l9 102Qcm—3;該金屬化層厚度為1 4"m;該多晶硅層 由高濃度的硼摻雜形成的，該硼摻雜濃度為1019 102flCnT3;該應(yīng)變電阻 的最大寬度不應(yīng)超過(guò)10um;該玻璃環(huán)為與硅相似膨脹系數(shù)的Pyrex 玻璃環(huán)或GG—17硼硅玻璃，該金屬化層在裝配后通過(guò)一個(gè)中間有圓孔 的金屬箔與該金屬基座前端面進(jìn)行可靠的電連接。
本發(fā)明提供的抗輻射壓力傳感器，其特性測(cè)量原理是 當(dāng)傳感器受到氣體或液體介質(zhì)的作用時(shí)，傳感器的受壓面感受壓 力并產(chǎn)生微變形，在受壓面內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)變，該應(yīng)變S的大小與受壓面感受 到的壓力P有如下的關(guān)系-
式中&--—徑向應(yīng)力；《一一切向應(yīng)力；E—一硅的彈性模量 h----硅膜片的厚度；r。一--膜片的工作半徑；u--—泊松比 受壓面感受到壓力后產(chǎn)生的輸出信號(hào)為
式中n為多晶硅的壓阻系數(shù)，它依賴于多晶硅的晶體結(jié)構(gòu)及摻
雜濃度；
Vin為對(duì)傳感器施加的激勵(lì)電壓 本發(fā)明中所述的抗輻射壓力傳感器是在傳統(tǒng)的硅壓阻式壓力傳感 器的基礎(chǔ)上，全面地采取了核加固措施，主要是敏感元件采用了多晶 硅-絕緣層-單晶硅襯底的介質(zhì)隔離結(jié)構(gòu)，以避免傳統(tǒng)的PN結(jié)在輻射場(chǎng) 中造成的反向漏電流增大而產(chǎn)生的傳感器性能不穩(wěn)，為了更好地吸收 輻射粒子和輻射線減小對(duì)器件的影響，該傳感器無(wú)論對(duì)作為襯底的單 晶硅還是作為敏感層的多晶硅，均采用了高濃度摻雜，為了減小輻射 粒子和輻射線的影響，應(yīng)變電阻采用小于10um條寬的窄條技術(shù)，有 效的減少了對(duì)輻射的吸收面，為了使器件更好地對(duì)外部的電磁輻射進(jìn)行
8屏蔽，在單晶硅襯底的背面生成一層金屬化層，在傳感器裝配時(shí)將該 金屬化層與殼體形成良好的電連接，進(jìn)一步完善器件的屏蔽體系。通 過(guò)以上措施，使該器件對(duì)輻射的屏蔽性能至少能提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
權(quán)利要求
1.一種抗輻射壓力傳感器，由硅壓阻式敏感組件(10)和金屬殼體組成，其特征在于，該硅壓阻式敏感組件由具有惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的硅敏感元件和玻璃環(huán)(6)組成，該金屬殼體前端設(shè)有作為引壓口的臺(tái)階孔，該硅敏感元件的背壓面環(huán)部通過(guò)該玻璃環(huán)固定于該臺(tái)階孔的內(nèi)環(huán)面，該硅敏感元件的受壓面與該金屬殼體前端面齊平并導(dǎo)電封裝，該惠斯通電橋結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變電阻(4)接有金絲內(nèi)引線(11)，該金絲內(nèi)引線另一端連接到位于該金屬殼體尾部的輸出電纜(15)。
2. 如權(quán)利要求1所述的抗輻射壓力傳感器，其特征在于，該硅敏 感元件由單晶硅襯底(1)形成，該單晶硅襯底正面依次形成二氧化硅(2)與氮化硅(3)復(fù)合層作為絕緣層，該絕緣層上外延形成四個(gè)獨(dú) 立的多晶硅層作為該應(yīng)變電阻，該絕緣層周部裸露出該單晶硅襯底的 環(huán)邊，該單晶硅襯底的環(huán)邊與該玻璃環(huán)固定，形成該硅壓阻式敏感組 件，該單晶硅襯底背面形成金屬化層(7)，并與該金屬殼體前端面齊 平封裝后，覆蓋有能同時(shí)與該金屬殼體和該金屬化層導(dǎo)電接觸的金屬 箔(9)。
3. 如權(quán)利要求2所述的抗輻射壓力傳感器，其特征在于，對(duì)應(yīng)該 金屬化層中部，該金屬箔中間設(shè)有圓孔，箔在該金屬基座前端面和該 金屬化層同時(shí)覆蓋該金屬。
4. 如權(quán)利要求2所述的抗輻射壓力傳感器，其特征在于，該單晶 硅襯底由高濃度摻雜形成，其摻雜濃度為1019 102flcm—3。
5. 如權(quán)利要求2所述的抗輻射壓力傳感器，其特征在于，該金屬 化層厚度為1 4um。
6. 如權(quán)利要求2所述的抗輻射壓力傳感器，其特征在于，該多晶 硅層由高濃度的硼摻雜形成的，該硼摻雜濃度為1019 102Vnr3。
7. 如權(quán)利要求2所述的抗輻射壓力傳感器，其特征在于，該應(yīng)變 電阻的最大寬度不超過(guò)10 u m。
8. 如權(quán)利要求2所述的抗輻射壓力傳感器，其特征在于，該玻璃 環(huán)為與硅相似膨脹系數(shù)的Pyrex玻璃環(huán)或GG—17硼硅玻璃。
9. 如權(quán)利要求2所述的抗輻射壓力傳感器，其特征在于，該金屬 殼體由金屬基座(12)和焊固于該金屬基座尾端的金屬罩(16)組成， 該金屬基座和金屬罩形成內(nèi)腔室，該金屬基座前端部設(shè)有臺(tái)階孔，該 金絲內(nèi)引線另一端穿過(guò)該玻璃環(huán)后連接到位于該內(nèi)腔室的轉(zhuǎn)接板(14),并通過(guò)該轉(zhuǎn)接板轉(zhuǎn)接到位于該金屬罩尾部的輸出電纜(15)。
10. 如權(quán)利要求9所述的抗輻射壓力傳感器，其特征在于，該輸 出電纜依次穿套密封圈(13)和壓線帽(17)，并通過(guò)該壓線帽旋固于 該金屬罩尾部實(shí)現(xiàn)固定。
全文摘要
一種抗輻射壓力傳感器由硅壓阻式敏感組件和金屬殼體組成，敏感組件由具有惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的硅敏感元件和玻璃環(huán)組成，金屬殼體前端設(shè)有作為引壓口的臺(tái)階孔，敏感元件的背壓面環(huán)部通過(guò)玻璃環(huán)固定于臺(tái)階孔的內(nèi)環(huán)面，敏感元件的受壓面與金屬殼體前端面齊平并導(dǎo)電封裝，惠斯通電橋結(jié)構(gòu)上應(yīng)變電阻接有金絲內(nèi)引線，金絲內(nèi)引線另一端連接到位于金屬殼體尾部的輸出電纜，硅敏感元件由單晶硅襯底形成，單晶硅襯底正面依次形成二氧化硅與氮化硅復(fù)合層作為絕緣層，絕緣層上外延形成四個(gè)獨(dú)立多晶硅層作為應(yīng)變電阻，絕緣層周部裸露出單晶硅襯底的環(huán)邊，單晶硅襯底的環(huán)邊與玻璃環(huán)固定，本發(fā)明通過(guò)采用抗輻射加固的壓力敏感組件和抗輻射結(jié)構(gòu)，來(lái)提高抗輻射能力。
文檔編號(hào)G01L9/04GK101493371SQ200810019519
公開日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2008年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月21日
發(fā)明者吳如兆, 周永軍, 王善慈, 王文襄, 王景偉 申請(qǐng)人:昆山雙橋傳感器測(cè)控技術(shù)有限公司