一種soi矩形膜結構高壓傳感器晶片的製作方法

2023-05-21 13:28:06 3

專利名稱：一種soi矩形膜結構高壓傳感器晶片的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高壓傳感器晶片，特別涉及一種SOI矩形膜結構高壓傳感器晶片。
背景技術：
隨著世界石油化工行業的不斷發展，針對於高壓環境下的傳感器的要求在不斷的提高。同時，對於傳感器種類的需求也在不斷的增加。國內所使用的傳感器絕大部分來自於國外，這些傳感器不僅價格昂貴，並且在技術領域也處於保護範圍內，針對中國傳感器行業的技術封鎖在國外的市場上已經是屢見不鮮。因此，不斷的開發新型的傳感器來適應當前國內市場的需求是當前傳感器發展的第一要務。
石油化工等大型的工業生產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上，提高傳感器的量程也是高壓傳感器設計的發展趨勢。石化行業對壓力變送器的需求主要集中在可靠性、穩定性和高精度3個方面。目前，高量程壓力傳感器普遍採用壓電式、應變式、壓阻式三種結構。在傳感器的內部膜結構方面，傳統的高壓傳感器大部分採用的是正方形膜結構和圓形膜結構。這些結構的傳感器的加工工藝要求非常精確，使得傳感器晶片在加工中的成品率受到極大的影響。同時，這些結構的傳感器的量程也有很大的局限性。因此，針對於以上現有設計缺陷，本設計提出一種全新結構的矩形膜高壓傳感器晶片設計，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。本發明設計的矩形膜傳感器晶片在承載高壓時，在保證傳感器的靈敏度和精度的同時能夠承載更高的壓力，對石化行業高壓環境有著重要的意義。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，給設計和應用帶來方便。發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種SOI矩形膜結構高壓傳感器晶片，具有量程大、耐高溫、動態特性好、精度高、微型化、工作安全可靠、適應性強的特點。
為了達到上述目的，本發明採取的技術方案為
一種SOI矩形膜結構高壓傳感器晶片，包括高壓傳感器晶片1，高壓傳感器晶片1 的背面腐蝕形成矩形膜7，在高壓傳感器晶片1的正面，沿著[110]晶向上，在矩形膜7上的應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外圍和高壓傳感器晶片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通過一個公共的第一壓焊塊2連接，電阻條R2和電阻條R3通過一個公共的第二壓焊塊3連接，電阻條R3和電阻條R4通過一個公共的第三壓焊塊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，高壓傳感器晶片1的底部通過陽極鍵合技術和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均採用橫向排布，左右兩側的電阻條R1、電阻條R3結構相同，上下兩側的電阻條R2、電阻條R4結構相同，電阻條R1、電阻條R3由一條以上的第一電阻條9和堵頭10採用摺疊分布結構連接而成，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採用摺疊分布結構連接而成，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。
所述的高壓傳感器晶片1包括一個矽基底14，在矽基底14上，通過高能氧離子注入工藝形成二氧化矽隔離層15，在二氧化矽隔離層15上設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矽層16，在SOI矽層16上配有應力匹配氮化矽層 17。
所述的高壓傳感器晶片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 採用鈦-鉬-金(Ti-Pt-Au)梁式引線技術加工而成。
本設計提出的這種採用SOI全矽結構的新型高精度、高量程、耐高溫的SOI矩形膜結構壓力傳感器1的特點在於，在保證了壓阻式傳感器的測量精度與靈敏度的同時，提高平膜傳感器的壓力測量範圍，以及降低加工工藝的難度提高成品率。本設計將矽隔離(SOI) 矽微固態壓阻晶片與PYREX 7740#玻璃片19在真空環境下利用靜電鍵合封裝技術封裝結合為一體，作為SOI矩形膜結構高壓傳感器晶片的彈性敏感單元，此設計解決了更高量程傳感器設計的難題，使其的強度大大增強，可以承載一定範圍能的壓力。同時，採用高溫充矽油技術，用波紋片和高溫矽油將被測量介質隔離開來，具有量程大(60 150MPa)、耐高溫(》20(TC )、動態特性好、精度高、微型化、工作安全可靠、適應性強等特點。
本發明的全矽結構電路轉換元件是採用MEMS技術和SOI技術中的SIMOX技術製作的浮雕式矽微固態壓阻晶片。為了確保應力分布與電阻條分布的位置關係，同時為了使參雜電阻條有著更好的一致性，本發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範圍，同時還保證了傳感器的靈敏度與精度。由於在大於200°C的應用環境下，採用常規PN結隔離的晶片會產生漏電流的問題，所以利用由SIMOX技術製作的Si02層將晶片內的測量電路層與矽基底隔離開來以達到隔離高溫的作用，從而使得該類晶片可用於高溫環境(》2000C )。此外，高量程高溫壓力傳感器的彈性元件及敏感元件採用全矽結構矩形平膜結構，通過對矩形矽膜結構參數即厚度和邊長的設計，特別的增大了傳感器晶片的尺寸，使得傳感器承載負荷的能力大幅提高，從而設計出量程為60 150MI^的高量程壓力傳感器。由於半導體矽的良好的機械特性，同時為了降低傳感器在測量過程中的遲滯、 重複性誤差，將作為傳感器轉換電路的壓阻惠斯登測量電橋集成製造在全矽結構矩形平膜結構上，這樣傳感器的彈性和敏感元件與轉化電路之間集成為一體，從而提高傳感器的測量精度。可以廣泛適用與石油測井、工業自動化、動力裝備以及國防研究等領域的高溫、高壓下高精度壓力測量的需要。


圖1是本發明的結構示意圖。
圖2 (a)是本發明電阻條Rl、電阻條R3結構示意圖。
圖2(b)是本發明電阻條R2、電阻條R4結構示意圖。
圖3是本發明製作傳感器晶片工藝膜結構圖。
圖4是本發明的測量原理圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理做詳細說明。
參照圖1和圖3，一種SOI矩形膜結構高壓傳感器晶片，包括高壓傳感器晶片1， 高壓傳感器晶片1底面的中心區域腐蝕形成矩形膜7，在高壓傳感器晶片1的正面，沿著 [110]晶向上，在矩形膜7上的應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外圍和高壓傳感器晶片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通過一個公共的第一壓焊塊2連接，電阻條R2和電阻條R3通過一個公共的第二壓焊塊3連接，電阻條R3和電阻條R4通過一個公共的第三壓焊塊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接至電源恆壓源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償後短接一起作為電橋電源的負極，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，構成的惠斯登電橋能靈敏地反映應力所導致的電阻變化，又能有效地消除擴散電阻本身的不均勻性及電阻溫度係數的影響，惠斯登測量電橋在恆定電源激勵下，輸出和壓力P的大小成正比的電信號，從而測得高壓環境下的壓力值，高壓傳感器晶片1的底部通過陽極鍵合技術和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均採用橫向排布，左右兩側的電阻條R1、電阻條R3結構相同，上下兩側的電阻條R2、電阻條R4結構相同，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採用摺疊分布結構連接而成，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採用摺疊分布結構連接而成，與左側電阻條Rl和右側電阻條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，在所有的電阻條的摺疊處增加了堵頭10，以減小電阻條之間的跨導，從而降低的電阻條的縱向效應。
所述的高壓傳感器晶片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 採用鈦-鉬-金(Ti-Pt-Au)梁式引線技術加工而成，此設計可以使電阻條之間有良好的歐姆接觸，並使得傳感器晶片在高溫環境下外引線的可靠性大大提高。
參照圖3，所述的高壓傳感器晶片1包括一個矽基底14，在矽基底14上，通過高能氧離子注入工藝形成二氧化矽隔離層15，在二氧化矽隔離層15上設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矽層16，在SOI矽層16上配有應力匹配氮化矽層17。本發明的工作原理為參照圖4，集成在矽膜片(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的作用下產生變化時，其變化率Δ R/R 的正負變化由應力差的正負變化來實現，對於電阻條R1、電阻條R2、電阻條R3和電阻條R4， 縱向應力均為O1= oy，橫向應力均為Ot= σχ，縱向壓阻係數Ji1 = 1/2 Ji44，橫向壓阻係數Jit = -1/2 π44，發生應變時，惠斯登電橋上各電阻阻值變化率分別為
權利要求
1.一種SOI矩形膜結構高壓傳感器晶片，包括高壓傳感器晶片(1)，其特徵在於高壓傳感器晶片(1)的背面腐蝕形成矩形膜(7)，在高壓傳感器晶片(1)的正面，沿著[110]晶向上，在矩形膜(7)上的應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)外圍和高壓傳感器晶片(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通過一個公共的第一壓焊塊(2)連接，電阻條R2和電阻條R3通過一個公共的第二壓焊塊(3)連接，電阻條R3和電阻條R4通過一個公共的第三壓焊塊(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，高壓傳感器晶片(1)的底部通過陽極鍵合技術和PYREX 7740#玻璃片(19)鍵合在一起。
2.根據權利要求1所述的一種SOI矩形膜結構高壓傳感器晶片，其特徵在於所述的電阻條Rl、電阻條R2、電阻條R3和電阻條R4均採用橫向排布，左右兩側的電阻條R1、電阻條R3結構相同，上下兩側的電阻條R2、電阻條R4結構相同，電阻條R1、電阻條R3由一條以上的第一電阻條(9)和堵頭(10)採用摺疊分布結構連接而成，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)採用摺疊分布結構連接而成，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.根據權利要求1所述的一種SOI矩形膜結構高壓傳感器晶片，其特徵在於所述的高壓傳感器晶片(1)包括一個矽基底(14)，在矽基底(14)上，通過高能氧離子注入工藝形成二氧化矽隔離層(15)，在二氧化矽隔離層(15)上設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矽層(16)，在SOI矽層(16)上配有應力匹配氮化矽層 (17)。
4.根據權利要求1所述的一種SOI矩形膜結構高壓傳感器晶片，其特徵在於所述的高壓傳感器晶片(1)長為3000um 4000um、寬為3000um 4000um、厚為460um 525um。
5.根據權利要求1所述的一種SOI矩形膜結構高壓傳感器晶片，其特徵在於所述的矩形膜(7)長為 800um 1200um、寬為 400um 600um、厚為 300um 400um。
6.根據權利要求1所述的一種SOI矩形膜結構高壓傳感器晶片，其特徵在於所述的第一壓焊塊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)採用鈦-鉬-金(Ti-Pt-Au)梁式引線技術加工而成。
全文摘要
一種SOI矩形膜結構高壓傳感器晶片，包括高壓傳感器晶片，高壓傳感器晶片底面的中心區域腐蝕形成矩形膜，在高壓傳感器晶片的正面，沿著[110]晶向上，在矩形膜上的應力最大處布置有四個電阻條，在矩形膜外圍和高壓傳感器晶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，高壓傳感器晶片的底部通過陽極鍵合技術和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出電阻阻值的變化，從而達到信號輸出的目的，本發明具有量程大、耐高溫、動態特性好、精度高、微型化、工作安全可靠、適應性強的特點。
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 優先權日2011年12月16日
發明者牛喆, 王偉忠, 田邊, 趙玉龍 申請人:西安交通大學