專利名稱：一種soi矩形膜結(jié)構(gòu)高壓傳感器芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓傳感器芯片，特別涉及一種SOI矩形膜結(jié)構(gòu)高壓傳感器芯片。
背景技術(shù)：
隨著世界石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，針對于高壓環(huán)境下的傳感器的要求在不斷的提高。同時(shí)，對于傳感器種類的需求也在不斷的增加。國內(nèi)所使用的傳感器絕大部分來自于國外，這些傳感器不僅價(jià)格昂貴，并且在技術(shù)領(lǐng)域也處于保護(hù)范圍內(nèi)，針對中國傳感器行業(yè)的技術(shù)封鎖在國外的市場上已經(jīng)是屢見不鮮。因此，不斷的開發(fā)新型的傳感器來適應(yīng)當(dāng)前國內(nèi)市場的需求是當(dāng)前傳感器發(fā)展的第一要?jiǎng)?wù)。
石油化工等大型的工業(yè)生產(chǎn)針對傳感器的壓力量程具有很高的要求，在保證傳感器的靈敏度和線性度以及精度要求的基礎(chǔ)上，提高傳感器的量程也是高壓傳感器設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。石化行業(yè)對壓力變送器的需求主要集中在可靠性、穩(wěn)定性和高精度3個(gè)方面。目前，高量程壓力傳感器普遍采用壓電式、應(yīng)變式、壓阻式三種結(jié)構(gòu)。在傳感器的內(nèi)部膜結(jié)構(gòu)方面，傳統(tǒng)的高壓傳感器大部分采用的是正方形膜結(jié)構(gòu)和圓形膜結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的傳感器的加工工藝要求非常精確，使得傳感器芯片在加工中的成品率受到極大的影響。同時(shí)，這些結(jié)構(gòu)的傳感器的量程也有很大的局限性。因此，針對于以上現(xiàn)有設(shè)計(jì)缺陷，本設(shè)計(jì)提出一種全新結(jié)構(gòu)的矩形膜高壓傳感器芯片設(shè)計(jì)，以解決壓阻式的高壓傳感器在加工工藝上的限制和量程上的局限性。本發(fā)明設(shè)計(jì)的矩形膜傳感器芯片在承載高壓時(shí)，在保證傳感器的靈敏度和精度的同時(shí)能夠承載更高的壓力，對石化行業(yè)高壓環(huán)境有著重要的意義。另外，增加傳感器量程比能夠增加壓力變送器使用的靈活性，給設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來方便。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SOI矩形膜結(jié)構(gòu)高壓傳感器芯片，具有量程大、耐高溫、動(dòng)態(tài)特性好、精度高、微型化、工作安全可靠、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為
一種SOI矩形膜結(jié)構(gòu)高壓傳感器芯片，包括高壓傳感器芯片1，高壓傳感器芯片1 的背面腐蝕形成矩形膜7，在高壓傳感器芯片1的正面，沿著[110]晶向上，在矩形膜7上的應(yīng)力最大處布置有電阻條Rl、電阻條R2、電阻條R3和電阻條R4，在矩形膜7外圍和高壓傳感器芯片1邊緣之間布置有第一壓焊塊2，第二壓焊塊3，第三壓焊塊4，第四壓焊塊5，第五壓焊塊6，電阻條Rl的一端與第五壓焊塊6連接，電阻條Rl和電阻條R2通過一個(gè)公共的第一壓焊塊2連接，電阻條R2和電阻條R3通過一個(gè)公共的第二壓焊塊3連接，電阻條R3和電阻條R4通過一個(gè)公共的第三壓焊塊4連接，電阻條R4的另外一端與第四壓焊塊5連接， 電阻條Rl、電阻條R2、電阻條R3、電阻條R4形成惠斯登電橋，高壓傳感器芯片1的底部通過陽極鍵合技術(shù)和PYREX 7740#玻璃片19鍵合在一起。
所述的電阻條Rl、電阻條R2、電阻條R3和電阻條R4均采用橫向排布，左右兩側(cè)的電阻條R1、電阻條R3結(jié)構(gòu)相同，上下兩側(cè)的電阻條R2、電阻條R4結(jié)構(gòu)相同，電阻條R1、電阻條R3由一條以上的第一電阻條9和堵頭10采用折疊分布結(jié)構(gòu)連接而成，第一電阻條9之間通過堵頭10連接，電阻條Rl和電阻條R3的兩端連接著引線接頭8 ；電阻條R2、電阻條R4 由一條以上的第二電阻條11和堵頭10采用折疊分布結(jié)構(gòu)連接而成，第二電阻條11之間通過堵頭10連接，電阻條R2和電阻條R4的兩端連接著引線接頭8。
所述的高壓傳感器芯片1包括一個(gè)硅基底14，在硅基底14上，通過高能氧離子注入工藝形成二氧化硅隔離層15，在二氧化硅隔離層15上設(shè)有作為測量電路的電阻條R1、電阻條R2、電阻條R3和電阻條R4的SOI硅層16，在SOI硅層16上配有應(yīng)力匹配氮化硅層 17。
所述的高壓傳感器芯片1長為3000um 4000um、寬為3000um 4000um、厚為 460um 525um。
所述的矩形膜7長為800um 1200um、寬為400um 600um、厚為300um 400um。
所述的第一壓焊塊2、第二壓焊塊3、第三壓焊塊4、第四壓焊塊5和第五壓焊塊6 采用鈦-鉬-金(Ti-Pt-Au)梁式引線技術(shù)加工而成。
本設(shè)計(jì)提出的這種采用SOI全硅結(jié)構(gòu)的新型高精度、高量程、耐高溫的SOI矩形膜結(jié)構(gòu)壓力傳感器1的特點(diǎn)在于，在保證了壓阻式傳感器的測量精度與靈敏度的同時(shí)，提高平膜傳感器的壓力測量范圍，以及降低加工工藝的難度提高成品率。本設(shè)計(jì)將硅隔離(SOI) 硅微固態(tài)壓阻芯片與PYREX 7740#玻璃片19在真空環(huán)境下利用靜電鍵合封裝技術(shù)封裝結(jié)合為一體，作為SOI矩形膜結(jié)構(gòu)高壓傳感器芯片的彈性敏感單元，此設(shè)計(jì)解決了更高量程傳感器設(shè)計(jì)的難題，使其的強(qiáng)度大大增強(qiáng)，可以承載一定范圍能的壓力。同時(shí)，采用高溫充硅油技術(shù)，用波紋片和高溫硅油將被測量介質(zhì)隔離開來，具有量程大(60 150MPa)、耐高溫(》20(TC )、動(dòng)態(tài)特性好、精度高、微型化、工作安全可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。
本發(fā)明的全硅結(jié)構(gòu)電路轉(zhuǎn)換元件是采用MEMS技術(shù)和SOI技術(shù)中的SIMOX技術(shù)制作的浮雕式硅微固態(tài)壓阻芯片。為了確保應(yīng)力分布與電阻條分布的位置關(guān)系，同時(shí)為了使參雜電阻條有著更好的一致性，本發(fā)明選擇了中心分布電阻的電阻排布方式，不僅提高了壓力測量量程范圍，同時(shí)還保證了傳感器的靈敏度與精度。由于在大于200°C的應(yīng)用環(huán)境下，采用常規(guī)PN結(jié)隔離的芯片會(huì)產(chǎn)生漏電流的問題，所以利用由SIMOX技術(shù)制作的Si02層將芯片內(nèi)的測量電路層與硅基底隔離開來以達(dá)到隔離高溫的作用，從而使得該類芯片可用于高溫環(huán)境(》2000C )。此外，高量程高溫壓力傳感器的彈性元件及敏感元件采用全硅結(jié)構(gòu)矩形平膜結(jié)構(gòu)，通過對矩形硅膜結(jié)構(gòu)參數(shù)即厚度和邊長的設(shè)計(jì)，特別的增大了傳感器芯片的尺寸，使得傳感器承載負(fù)荷的能力大幅提高，從而設(shè)計(jì)出量程為60 150MI^的高量程壓力傳感器。由于半導(dǎo)體硅的良好的機(jī)械特性，同時(shí)為了降低傳感器在測量過程中的遲滯、 重復(fù)性誤差，將作為傳感器轉(zhuǎn)換電路的壓阻惠斯登測量電橋集成制造在全硅結(jié)構(gòu)矩形平膜結(jié)構(gòu)上，這樣傳感器的彈性和敏感元件與轉(zhuǎn)化電路之間集成為一體，從而提高傳感器的測量精度?？梢詮V泛適用與石油測井、工業(yè)自動(dòng)化、動(dòng)力裝備以及國防研究等領(lǐng)域的高溫、高壓下高精度壓力測量的需要。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2 (a)是本發(fā)明電阻條Rl、電阻條R3結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2(b)是本發(fā)明電阻條R2、電阻條R4結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明制作傳感器芯片工藝膜結(jié)構(gòu)圖。
圖4是本發(fā)明的測量原理圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理做詳細(xì)說明。
參照圖1和圖3，一種SOI矩形膜結(jié)構(gòu)高壓傳感器芯片，包括高壓傳感器芯片1， 高壓傳感器芯片1底面的中心區(qū)域腐蝕形成矩形膜7，在高壓傳感器芯片1的正面，沿著 [110]晶向上，在矩形膜7上的應(yīng)力最大處布置有電阻條R1、電阻條R2、電阻條R3和電阻條 R4，在矩形膜7外圍和高壓傳感器芯片1邊緣之間布置有第一壓焊塊2，第二壓焊塊3，第三壓焊塊4，第四壓焊塊5，第五壓焊塊6，電阻條Rl的一端與第五壓焊塊6連接，電阻條Rl和電阻條R2通過一個(gè)公共的第一壓焊塊2連接，電阻條R2和電阻條R3通過一個(gè)公共的第二壓焊塊3連接，電阻條R3和電阻條R4通過一個(gè)公共的第三壓焊塊4連接，電阻條R4的另外一端與第四壓焊塊5連接，電阻條R1、電阻條R2、電阻條R3、電阻條R4形成惠斯登電橋， 第三壓焊塊3接至電源恒壓源5V正極，第五壓焊塊5和第六壓焊塊6在做完傳感器零位補(bǔ)償后短接一起作為電橋電源的負(fù)極，第二壓焊塊2和第四壓焊塊4為惠斯登測量電路的信號輸出端，構(gòu)成的惠斯登電橋能靈敏地反映應(yīng)力所導(dǎo)致的電阻變化，又能有效地消除擴(kuò)散電阻本身的不均勻性及電阻溫度系數(shù)的影響，惠斯登測量電橋在恒定電源激勵(lì)下，輸出和壓力P的大小成正比的電信號，從而測得高壓環(huán)境下的壓力值，高壓傳感器芯片1的底部通過陽極鍵合技術(shù)和PYREX 7740#玻璃片19鍵合在一起。
所述的電阻條Rl、電阻條R2、電阻條R3和電阻條R4均采用橫向排布，左右兩側(cè)的電阻條R1、電阻條R3結(jié)構(gòu)相同，上下兩側(cè)的電阻條R2、電阻條R4結(jié)構(gòu)相同，參照圖2(a)，電阻條R1、電阻條R3由一條以上的第一電阻條9和堵頭10采用折疊分布結(jié)構(gòu)連接而成，第一電阻條9之間通過堵頭10連接，電阻條Rl和電阻條R3的兩端連接著引線接頭8 ；參照圖 2(b)，電阻條R2、電阻條R4由一條以上的第二電阻條11、第三電阻條13、第四電阻條12和堵頭10采用折疊分布結(jié)構(gòu)連接而成，與左側(cè)電阻條Rl和右側(cè)電阻條R3中的單條電阻條9 一致，第二電阻條11、第三電阻條13、第四電阻條12之間通過堵頭10連接，電阻條R2和電阻條R4的兩端連接著引線接頭8，在所有的電阻條的折疊處增加了堵頭10，以減小電阻條之間的跨導(dǎo)，從而降低的電阻條的縱向效應(yīng)。
所述的高壓傳感器芯片1長為3000um 4000um、寬為3000um 4000um、厚為 460um 525um。
所述的矩形膜7長為800um 1200um、寬為400um 600um、厚為300um 400um。
所述的第一電阻條9的長為50um、寬為10um，第二電阻條11的長為142um、寬為 10um，第四電阻條12的長為25um、寬為10um，第三電阻條13的長為50um、寬為10um。
所述的第一壓焊塊2、第二壓焊塊3、第三壓焊塊4、第四壓焊塊5和第五壓焊塊6 采用鈦-鉬-金(Ti-Pt-Au)梁式引線技術(shù)加工而成，此設(shè)計(jì)可以使電阻條之間有良好的歐姆接觸，并使得傳感器芯片在高溫環(huán)境下外引線的可靠性大大提高。
參照圖3，所述的高壓傳感器芯片1包括一個(gè)硅基底14，在硅基底14上，通過高能氧離子注入工藝形成二氧化硅隔離層15，在二氧化硅隔離層15上設(shè)有作為測量電路的電阻條Rl、電阻條R2、電阻條R3和電阻條R4的SOI硅層16，在SOI硅層16上配有應(yīng)力匹配氮化硅層17。本發(fā)明的工作原理為參照圖4，集成在硅膜片(100)工作晶面上惠斯登電橋的兩臂電阻18，即電阻條 R1、電阻條R2、電阻條R3和電阻條R4在外界壓力P的作用下產(chǎn)生變化時(shí)，其變化率Δ R/R 的正負(fù)變化由應(yīng)力差的正負(fù)變化來實(shí)現(xiàn)，對于電阻條R1、電阻條R2、電阻條R3和電阻條R4， 縱向應(yīng)力均為O1= oy，橫向應(yīng)力均為Ot= σχ，縱向壓阻系數(shù)Ji1 = 1/2 Ji44，橫向壓阻系數(shù)Jit = -1/2 π44，發(fā)生應(yīng)變時(shí)，惠斯登電橋上各電阻阻值變化率分別為
權(quán)利要求
1.一種SOI矩形膜結(jié)構(gòu)高壓傳感器芯片，包括高壓傳感器芯片(1)，其特征在于高壓傳感器芯片(1)的背面腐蝕形成矩形膜(7)，在高壓傳感器芯片(1)的正面，沿著[110]晶向上，在矩形膜(7)上的應(yīng)力最大處布置有電阻條R1、電阻條R2、電阻條R3和電阻條R4，在矩形膜(7)外圍和高壓傳感器芯片(1)邊緣之間布置有第一壓焊塊O)、第二壓焊塊(3)、 第三壓焊塊(4)、第四壓焊塊5和第五壓焊塊(6)，電阻條Rl的一端與第五壓焊塊(6)連接， 電阻條Rl和電阻條R2通過一個(gè)公共的第一壓焊塊(2)連接，電阻條R2和電阻條R3通過一個(gè)公共的第二壓焊塊(3)連接，電阻條R3和電阻條R4通過一個(gè)公共的第三壓焊塊(4) 連接，電阻條R4的另外一端與第四壓焊塊(5)連接，電阻條R1、電阻條R2、電阻條R3、電阻條R4形成惠斯登電橋，高壓傳感器芯片(1)的底部通過陽極鍵合技術(shù)和PYREX 7740#玻璃片(19)鍵合在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SOI矩形膜結(jié)構(gòu)高壓傳感器芯片，其特征在于所述的電阻條Rl、電阻條R2、電阻條R3和電阻條R4均采用橫向排布，左右兩側(cè)的電阻條R1、電阻條R3結(jié)構(gòu)相同，上下兩側(cè)的電阻條R2、電阻條R4結(jié)構(gòu)相同，電阻條R1、電阻條R3由一條以上的第一電阻條(9)和堵頭(10)采用折疊分布結(jié)構(gòu)連接而成，第一電阻條(9)之間通過堵頭(10)連接，電阻條Rl和電阻條R3的兩端連接著引線接頭(8)；電阻條R2、電阻條R4由一條以上的第二電阻條(11)和堵頭(10)采用折疊分布結(jié)構(gòu)連接而成，第二電阻條(11)之間通過堵頭(10)連接，電阻條R2和電阻條R4的兩端連接著引線接頭(8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SOI矩形膜結(jié)構(gòu)高壓傳感器芯片，其特征在于所述的高壓傳感器芯片(1)包括一個(gè)硅基底(14)，在硅基底(14)上，通過高能氧離子注入工藝形成二氧化硅隔離層(15)，在二氧化硅隔離層(15)上設(shè)有作為測量電路的電阻條R1、電阻條R2、電阻條R3和電阻條R4的SOI硅層(16)，在SOI硅層(16)上配有應(yīng)力匹配氮化硅層 (17)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SOI矩形膜結(jié)構(gòu)高壓傳感器芯片，其特征在于所述的高壓傳感器芯片(1)長為3000um 4000um、寬為3000um 4000um、厚為460um 525um。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SOI矩形膜結(jié)構(gòu)高壓傳感器芯片，其特征在于所述的矩形膜(7)長為 800um 1200um、寬為 400um 600um、厚為 300um 400um。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SOI矩形膜結(jié)構(gòu)高壓傳感器芯片，其特征在于所述的第一壓焊塊O)、第二壓焊塊(3)、第三壓焊塊G)、第四壓焊塊( 和第五壓焊塊(6)采用鈦-鉬-金(Ti-Pt-Au)梁式引線技術(shù)加工而成。
全文摘要
一種SOI矩形膜結(jié)構(gòu)高壓傳感器芯片，包括高壓傳感器芯片，高壓傳感器芯片底面的中心區(qū)域腐蝕形成矩形膜，在高壓傳感器芯片的正面，沿著[110]晶向上，在矩形膜上的應(yīng)力最大處布置有四個(gè)電阻條，在矩形膜外圍和高壓傳感器芯片邊緣之間布置有壓焊塊，電阻條和壓焊塊連接形成惠斯登電橋，高壓傳感器芯片的底部通過陽極鍵合技術(shù)和PYREX 7740號玻璃片鍵合在一起，惠斯登測量電路能夠精確地反應(yīng)出電阻阻值的變化，從而達(dá)到信號輸出的目的，本發(fā)明具有量程大、耐高溫、動(dòng)態(tài)特性好、精度高、微型化、工作安全可靠、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。
文檔編號G01L19/06GK102539063SQ20111043404
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者牛喆, 王偉忠, 田邊, 趙玉龍 申請人:西安交通大學(xué)