專(zhuān)利名稱(chēng)：Soi機(jī)油壓力傳感器的全硅壓力芯片制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是高精度、高頻響的耐高溫壓力傳感器中全硅 壓力芯片技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，我國(guó)石化行業(yè)，汽車(chē)動(dòng)力裝備等行業(yè)大量使用液壓傳感器。這些傳感器來(lái)源 的絕大多數(shù)依靠進(jìn)口 ，不僅價(jià)格昂貴，而且，由于不具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，很有可能暗藏潛在 威脅。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)自建國(guó)以來(lái)作為我國(guó)大力發(fā)展的重點(diǎn)，并且當(dāng)今世界汽車(chē)行業(yè)向高智能方 向發(fā)展的趨勢(shì)，因此作為汽車(chē)內(nèi)部對(duì)油壓測(cè)量的壓力傳感器的設(shè)計(jì)制作及產(chǎn)業(yè)化的問(wèn)題至
關(guān)重要。 目前，油壓壓力傳感器普遍采用壓電式、應(yīng)變式、壓阻式結(jié)構(gòu)原理。壓電式壓力傳 感器的輸出信號(hào)為電荷變化量，因此后續(xù)的信號(hào)處理電路比較繁瑣且壓電式壓力傳感器不 適合在高溫環(huán)境下使用，而且不具有高過(guò)載保護(hù)的能力。采用金屬應(yīng)變片作為敏感元件的 高量程壓力傳感器，該種傳感器存在的最大缺點(diǎn)就是輸出信號(hào)太小，且在高溫環(huán)境下，溫度 對(duì)金屬應(yīng)變片的變形影響比較大，影響傳感器的輸出，不適用于高溫環(huán)境。壓阻式壓力傳 感器中，最常用的傳感器結(jié)構(gòu)為充硅油全硅壓力傳感器和干式壓阻式壓力傳感器，而充硅 油全硅壓阻式壓力傳感器，普遍采用PN節(jié)隔離技術(shù)，導(dǎo)致其工作溫度最高只能達(dá)到8(TC左 右，且由于全硅壓力芯片結(jié)構(gòu)的影響，壓力量程最高在40MPa;干式壓阻式壓力傳感器，盡 管采用了耐高溫的一些隔離措施和技術(shù)，具有耐高溫和高量程的特點(diǎn)，但由于受到傳感器 封裝結(jié)構(gòu)的影響(如梁膜式、膜片式等結(jié)構(gòu))，導(dǎo)致傳感器在高壓測(cè)量時(shí)，具有較大的線性、 遲滯等靜態(tài)誤差。 鑒于汽車(chē)機(jī)油內(nèi)部的復(fù)雜環(huán)境，普通的單晶硅材料及金屬材料作為制作材料基底 無(wú)法滿(mǎn)足在高溫，振動(dòng)情況下對(duì)液壓測(cè)量的精確性。 克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，必須設(shè)計(jì)一種高精度、高頻響的耐高溫壓力傳感器。
設(shè)計(jì)出的傳感器設(shè)有絕緣基座，基座內(nèi)設(shè)有軸向空腔，在基座內(nèi)固定連接兩個(gè)電 路轉(zhuǎn)接板，在基座的一個(gè)外端通過(guò)玻璃環(huán)固定連接全硅壓力芯片。 以上傳感器將硅隔離(SOI)硅微固態(tài)壓阻芯片與玻璃環(huán)在真空環(huán)境下封裝結(jié)合 為一體作為全硅結(jié)構(gòu)的壓力傳感器的彈性敏感單元，解決了高溫環(huán)境下測(cè)量壓力的難題，
因而該類(lèi)芯片可用于高溫環(huán)境(> 200°C )。由于半導(dǎo)體硅的良好的機(jī)械特性，同時(shí)作為傳 感器轉(zhuǎn)換電路的壓阻惠斯登測(cè)量電橋集成制造在硅正方形平膜結(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，大大降低了傳感器在測(cè)量過(guò)程中的遲滯、重復(fù)性 誤差，從而提高傳感器的測(cè)量精度。并且將平膜敏感芯片與玻璃環(huán)倒封，提高傳感器的固有 頻率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于發(fā)明一種與上述設(shè)計(jì)相適配的全硅壓力芯片。
本發(fā)明包括以下步驟l)先采用高能氧離子注入技術(shù)在N型單晶硅表面2000A下形成4000A厚的氧化
物埋層二氧化硅； 2)在硅表面用氣相淀積技術(shù)淀積單晶硅和用低壓氣相淀積技術(shù)淀積ioooA的一
層氮化硅； 3)在晶面沿[110]晶向禾口 [110]晶向分別光刻出四個(gè)電阻條HR3和R4 ; 4)采用等離子體刻蝕技術(shù)刻掉電阻條圖形以外的氮化硅和單晶硅； 5)在四個(gè)電阻條& 、R2、R3和R4之間分別連接壓焊塊，以構(gòu)成由電阻條& 、R2、R3和
尺4組成的惠斯登測(cè)量電路。 本發(fā)明工藝精準(zhǔn)，配合在高精度、高頻響的耐高溫壓力傳感器上，由于形成了均 勻一致的絕緣層二氧化硅，將上層的惠斯登單晶硅測(cè)量電路與基底硅隔離開(kāi)，避免了測(cè)量 電路層與硅基底之間因環(huán)境溫度升高而造成的漏電流，本發(fā)明的浮雕式惠斯登測(cè)量電路能 夠保證較高的測(cè)量靈敏度的同時(shí)，滿(mǎn)足高溫環(huán)境的測(cè)量要求。另外壓力傳感器的敏感元 件采用平膜結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)正方形硅膜結(jié)構(gòu)參數(shù)即厚度和邊長(zhǎng)的設(shè)計(jì)，可設(shè)計(jì)出量程為0 500KPa的壓力傳感器。由于半導(dǎo)體硅的良好的機(jī)械特性，同時(shí)作為傳感器轉(zhuǎn)換電路的壓阻 惠斯登測(cè)量電橋集成制造在硅正方形平膜結(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，大大降低了傳感器在測(cè)量過(guò)程中的遲滯、重復(fù)性誤差，從而提高傳感器 的測(cè)量精度。本發(fā)明產(chǎn)品可以廣泛適用與石油測(cè)井、工業(yè)自動(dòng)化、動(dòng)力裝備以及國(guó)防研究等 領(lǐng)域的高溫、高頻下高精度壓力測(cè)量的需要。 另，本發(fā)明所述壓焊塊為鈦-鉑-金梁式引線結(jié)構(gòu)，其與電阻條接觸的金屬為鈦， 中間的阻擋擴(kuò)散金屬為鉑，外界梁金屬為金。本發(fā)明同時(shí)采用鈦-鉑-金梁式引線解決了 傳感器高溫引線技術(shù)問(wèn)題，所以由傳感器芯片封裝而成的壓力傳感器具有更好的耐高溫的 特性。 所述壓焊塊中鈦、鉬、金的厚度比為1 :1:6。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本發(fā)明形成的惠斯登測(cè)量電路原理圖。 圖3為本發(fā)明的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖l，在本發(fā)明的全硅壓力芯片上，沿著[110]晶向布置有電阻條I^和R4，沿 [110]晶向布置有電阻條R2和R3，電阻條&和R2通過(guò)公共的壓焊塊2連接，電阻條R3和 R4通過(guò)公共的壓焊塊3連接。壓焊塊1、4、5、6分別與電阻條RpRpRs和R2的另一端相連。 壓焊塊的作用就是通過(guò)金絲球焊實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)與芯片外的引線，為保證壓焊塊與電阻條之間 有良好的歐姆接觸和傳感器芯片在高溫環(huán)境下外引線的可靠性，壓焊塊采用鈦_鉑_金 (Ti-Pt-Au)梁式引線技術(shù)，亦即與硅電阻條接觸的金屬為鈦，中間的阻擋擴(kuò)散金屬為鉑，外
界梁金屬為金，三者的厚度比為500 : 500 : 3000(單位A)。由電阻條&、 R2、 &和1 4組
成惠斯登測(cè)量電路，壓焊塊1和5短接在一起至電源正極5V，壓焊塊4和6短接在一起與電源地連接，焊接塊2和3為電橋的輸出端。 如圖2所示，由四臂電阻構(gòu)成的惠斯登測(cè)量電路能靈敏地反映應(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。在此檢測(cè)電路下， 即可測(cè)量出與之相對(duì)應(yīng)的拉力、張力、位移、扭矩、壓力等。 如圖3所示，本發(fā)明制作工藝首先在N型(100)單晶硅片上，用高能氧離子注 入(SIM0X)技術(shù)在硅表面2000A下形成約4000A厚的氧化物埋層二氧化硅。接著在硅表 面用氣相淀積技術(shù)淀積厚度約為1.2ym厚的單晶硅和用低壓氣相淀積(LPCVD)技術(shù)淀積 IOOO人的一層氮化硅。接著在(100)晶面沿[110]晶向和[110]晶向光刻出惠斯登電橋的 四個(gè)電阻條1^、1 2、1 3和1 4。采用等離子體刻蝕(RIE)技術(shù)刻掉電阻條圖形以外的氮化硅和 單晶硅，得到浮雕式電阻條的惠斯登測(cè)量電路。這樣得到SIMOX技術(shù)的硅隔離的傳感器芯 片。并通過(guò)鈦-鉑-金梁式引線工藝將其連接起來(lái)組成惠斯登測(cè)量電路。為提高傳感器芯 片的測(cè)量靈敏度，傳感器的背面需減薄至約180ym，最后經(jīng)過(guò)劃片切片即得所設(shè)計(jì)的硅微 應(yīng)變固態(tài)壓阻傳感器。
權(quán)利要求
SOI機(jī)油壓力傳感器的全硅壓力芯片制造方法，其特征在于包括以下步驟1)先采用高能氧離子注入技術(shù)在N型單晶硅表面下形成厚的氧化物埋層二氧化硅；2)在硅表面用氣相淀積技術(shù)淀積單晶硅和用低壓氣相淀積技術(shù)淀積的一層氮化硅；3)在晶面沿[110]晶向和[l10]晶向分別光刻出四個(gè)電阻條R1、R2、R3和R4；4)采用等離子體刻蝕技術(shù)刻掉電阻條圖形以外的氮化硅和單晶硅；5)在四個(gè)電阻條R1、R2、R3和R4之間分別連接壓焊塊，以構(gòu)成由電阻條R1、R2、R3和R4組成的惠斯登測(cè)量電路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述SOI機(jī)油壓力傳感器的全硅壓力芯片制造方法，其特征在于所 述壓焊塊為鈦-鉑-金梁式引線結(jié)構(gòu)，其與電阻條接觸的金屬為鈦，中間的阻擋擴(kuò)散金屬為 鉬，外界梁金屬為金。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述SOI機(jī)油壓力傳感器的全硅壓力芯片制造方法，其特征在于所述壓焊塊中鈦、鉬、金的厚度比為l:i:6。
全文摘要
SOI機(jī)油壓力傳感器的全硅壓力芯片制造方法，涉及傳感器中全硅壓力芯片技術(shù)領(lǐng)域。先采用高能氧離子注入技術(shù)在N型單晶硅表面下形成厚的氧化物埋層二氧化硅；在硅表面用氣相淀積技術(shù)淀積單晶硅和用低壓氣相淀積技術(shù)淀積的一層氮化硅；在晶面沿[110]晶向和[10]晶向分別光刻出四個(gè)電阻條R1、R2、R3和R4；采用等離子體刻蝕技術(shù)刻掉電阻條圖形以外的氮化硅和單晶硅；在四個(gè)電阻條R1、R2、R3和R4之間分別連接壓焊塊，以構(gòu)成由電阻條R1、R2、R3和R4組成的惠斯登測(cè)量電路。本發(fā)明工藝精準(zhǔn)，配合在高精度、高頻響的耐高溫壓力傳感器上，能夠保證較高的測(cè)量靈敏度的同時(shí)，滿(mǎn)足高溫環(huán)境的測(cè)量要求。
文檔編號(hào)G01L9/06GK101694409SQ200910234000
公開(kāi)日2010年4月14日 申請(qǐng)日期2009年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月22日
發(fā)明者趙山華, 趙玉龍 申請(qǐng)人:揚(yáng)州奧力威傳感器有限公司;