硅基壓力傳感器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體說(shuō)是采用微電子和微機(jī)械加工融合技術(shù)制作的硅基壓力傳感器及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著傳感器技術(shù)的高速發(fā)展，硅基壓力傳感器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并逐步向高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化方向發(fā)展；其中電容型硅基壓力傳感器以其高精度、高穩(wěn)定、高可靠等突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)被公認(rèn)為是新一代具有廣闊發(fā)展前途的新型硅基壓力傳感器，是自動(dòng)化控制領(lǐng)域不可缺少的關(guān)鍵部件。電容型硅基壓力傳感器利用電容原理測(cè)量壓力，采用單晶硅材料，并利用微電子和微機(jī)械加工融合技術(shù)制作，是一種新型結(jié)構(gòu)型力敏器件，由于不存在PN結(jié)的電隔離問(wèn)題，因此其測(cè)量精度、穩(wěn)定性、可靠性等方面都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但由于受原材料狀態(tài)、工藝裝備條件、加工工藝的完善性等因素的限制與影響，現(xiàn)有的硅基壓力傳感器制造過(guò)程中存在的主要問(wèn)題是制作成品率偏低、靜壓誤差具有一定的分散、封裝結(jié)構(gòu)的焊口漏油，這些問(wèn)題直接影響傳感器的性能、可靠性及成品率，對(duì)這種硅基壓力傳感器的推廣應(yīng)用起到制約作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種硅基壓力傳感器及其制造方法，確保傳感器的靜壓特性、耐受性、穩(wěn)定性、可靠性更好。
[0004]本發(fā)明的硅基壓力傳感器，由差壓敏感器件、靜壓補(bǔ)償單元、封裝結(jié)構(gòu)三部分組成，其特征是差壓敏感器件采用差動(dòng)電容結(jié)構(gòu):從上到下依次由上玻璃固定極板、硅敏感芯片可動(dòng)極板、下玻璃固定極板、玻璃底板、導(dǎo)壓管封裝而成，用于采集差壓信號(hào)；靜壓補(bǔ)償單元:采用4點(diǎn)膠粘懸浮方式固定在差壓敏感器件上表面靠近燒結(jié)引線一側(cè)，與差壓敏感器件形成復(fù)合式層疊結(jié)構(gòu)，用于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的靜壓量值；封裝結(jié)構(gòu):包括傳感器基座、兩個(gè)引壓導(dǎo)管及轉(zhuǎn)接件、引線座，上、下端蓋，傳感器基座內(nèi)中段相對(duì)設(shè)置上、下端蓋，所述復(fù)合式層疊結(jié)構(gòu)置于上、下端蓋之間，并通過(guò)差壓敏感器件下方的導(dǎo)壓管與傳感器基座焊接，懸浮封裝在具有硅油充灌液的封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)，填充陶瓷塊墊在復(fù)合式層疊結(jié)構(gòu)與傳感器基座的間隙中，引線座焊接在傳感器基座的一端，兩引壓導(dǎo)管通過(guò)轉(zhuǎn)接件焊接在傳感器基座的另一端，封裝結(jié)構(gòu)的各部件均焊接在傳感器基座上成一體。兩引壓導(dǎo)管分別與受壓部的高壓腔和低壓腔相連，外加壓力通過(guò)傳感器內(nèi)部的硅油充灌液傳遞到差壓敏感器件和靜壓補(bǔ)償單元，實(shí)現(xiàn)高精度差壓信號(hào)測(cè)量和靜壓誤差補(bǔ)償。
[0005]上述硅基壓力傳感器的制造方法如下:其特征在于差壓敏感器件的制造方法:
[0006]所述差壓敏感器件是將硅敏感芯片可動(dòng)極板置于上、下玻璃固定極板中間，用雙面同時(shí)靜電封接工藝將三極板封接在一起，形成對(duì)稱的三層結(jié)構(gòu)，再將玻璃底板和導(dǎo)壓管進(jìn)行靜電封接，之后將三層結(jié)構(gòu)和玻璃底板通過(guò)導(dǎo)電粘接劑粘接相連，形成差壓敏感器件；上、下玻璃固定極板、玻璃底板上均有導(dǎo)壓孔，下玻璃固定極板和玻璃底板上的導(dǎo)壓孔與置于傳感器基座內(nèi)的導(dǎo)壓管相通，上玻璃固定極板、硅敏感芯片可動(dòng)極板和玻璃底板上均有壓焊點(diǎn)，采用引線鍵合工藝將壓焊點(diǎn)引出到引線座對(duì)應(yīng)的燒結(jié)引線上。
[0007]所述差壓敏感器件的硅敏感芯片可動(dòng)極板的制造方法為:
[0008]對(duì)雙面拋光單晶硅片做一次氧化、之后分別進(jìn)行正、反面光刻，腐蝕掉硅片正、反面中心島及膜區(qū)的二氧化硅，并用四甲基氫氧化銨溶液進(jìn)行選擇性各向異性腐蝕，形成電容間隙，去掉屏蔽用二氧化硅；再對(duì)硅片進(jìn)行二次氧化，分別光刻正、反面膜區(qū)，腐蝕掉膜區(qū)的二氧化硅，用氫氧化鉀溶液對(duì)膜區(qū)雙面同時(shí)進(jìn)行各向異性腐蝕，形成膜區(qū)；對(duì)硅片進(jìn)行濃磷重?fù)诫s，重?fù)诫s工藝參數(shù)為:擴(kuò)散溫度T = 900?1000°C，擴(kuò)散時(shí)間30?50分鐘，再擴(kuò)溫度900?1000。。，時(shí)間60+30+60分鐘，最終的方塊電阻在14.2?14.8歐姆之間;再對(duì)硅片進(jìn)行三次氧化，光刻中心島，在中心島部位形成二氧化硅絕緣層；再濺射鋁，光刻硅敏感芯片可動(dòng)極板電極引出端即壓焊點(diǎn)，再進(jìn)行硅鋁合金化；最后將大片的硅單晶片按所設(shè)計(jì)尺寸劃片，分割成獨(dú)立的硅敏感芯片可動(dòng)極板的芯片單元。
[0009]所述差壓敏感器件的上、下玻璃固定極板的制造方法為:清洗、在玻璃固定極板背面掩膜濺射金屬鋁層，之后正面進(jìn)行電極圖形光刻、留下非電極區(qū)域光刻膠、再正面濺射鋁層，采用有機(jī)溶劑浸泡加超聲振動(dòng)的方法去除掉電極區(qū)以外的光刻膠和鋁膜、電極區(qū)域一次性電極成型，即形成上、下玻璃固定極板的金屬電極層。
[0010]所述硅基壓力傳感器的制造方法，其特征在于靜壓補(bǔ)償單元的制造及裝配方法:靜壓補(bǔ)償單元是由硅壓阻芯片和無(wú)孔玻璃上下疊落并真空靜電封接成具有真空密封腔的絕壓元件；將絕壓元件底面4點(diǎn)膠粘懸浮粘接在差壓敏感器件上表面靠近燒結(jié)引線一側(cè)，形成復(fù)合式層疊結(jié)構(gòu)；
[0011]所述硅基壓力傳感器的制造方法，其特征在于硅基壓力傳感器裝配過(guò)程:
[0012]步驟1、將封裝結(jié)構(gòu)的引線座焊接到傳感器基座上，焊前打磨、拋光焊口，去除毛刺和沾污；采用兩步直流氬弧焊接工藝焊接:先對(duì)焊口進(jìn)行一次焊接，待冷卻至室溫后，再進(jìn)行焊口的二次焊接，焊接參數(shù)為:氬氣流量為35?45SCFH，焊接電流30?40A，焊接轉(zhuǎn)數(shù)4-6RPM,啟動(dòng)電流15A。
[0013]步驟2、通過(guò)差壓敏感器件下方的導(dǎo)壓管將復(fù)合式層疊結(jié)構(gòu)焊接到傳感器基座上:用填充陶瓷塊墊在復(fù)合式層疊結(jié)構(gòu)與基座的間隙中，采用步驟I所述的焊口處理方法和焊接工藝焊接。
[0014]步驟3、采用引線鍵合工藝將差壓敏感器件和靜壓補(bǔ)償單元的輸出信號(hào)端引出到引線座對(duì)應(yīng)的燒結(jié)引線上，并與后部補(bǔ)償處理電路相連。
[0015]步驟4、將封裝結(jié)構(gòu)的上、下端蓋，采用步驟I所述的焊口處理方法和焊接工藝焊接到傳感器基座上。
[0016]步驟5、將兩個(gè)引壓導(dǎo)管分別通過(guò)兩個(gè)轉(zhuǎn)接件，采用步驟I所述的焊口處理方法和焊接工藝焊接到傳感器基座上。
[0017]本發(fā)明的積極效果是:
[0018]1、本發(fā)明針對(duì)硅基壓力傳感器的差壓敏感器件制造，提出了一種新的玻璃固定極板的工藝實(shí)現(xiàn)方法。即對(duì)玻璃固定極板的制造采用先進(jìn)行電極圖形光刻，然后選擇性地保留電極區(qū)域之外的光刻膠，再濺射鋁，接著采用有機(jī)溶劑浸泡加超聲振動(dòng)的物理方法去除電極區(qū)之外的鋁膜和光刻膠，電極區(qū)域一次成型，使電極區(qū)域不再受到后續(xù)加工工藝的影響。而常規(guī)的玻璃固定極板的制造方法是:先對(duì)玻璃固定極板雙面濺射鋁，然后對(duì)玻璃極板正面進(jìn)行電極圖形光刻，再在玻璃通孔部位手工點(diǎn)光刻膠保護(hù)通孔側(cè)壁的鋁膜，濕法化學(xué)腐蝕掉電極區(qū)域之外的鋁膜，擦拭化學(xué)腐蝕鋁后的沉積物、等離子去膠，最后電極成型。本發(fā)明的玻璃固定極板的制造方法和常規(guī)制造方法相比，省去了玻璃極板通孔部位手工點(diǎn)膠保護(hù)和濕法化學(xué)腐蝕鋁膜的兩步工藝，即簡(jiǎn)化了工藝，又克服了常規(guī)工藝的不足，使玻璃極板電極制作成品率由原來(lái)的不足50%提升到近100%，而且極板電極連接的可靠性也大為提升。僅此步工藝改進(jìn)的積極效果如下:
[0019]a、避免了手工點(diǎn)膠膠膜極易溢出到電極區(qū)之外，電極成型后出現(xiàn)邊緣毛刺或外部橋連，造成封接后極板短路，導(dǎo)致器件失效的問(wèn)題。
[0020]b、避免了濕法化學(xué)腐蝕鋁膜過(guò)程中易出現(xiàn)的鉆蝕問(wèn)題，從而有效地避免了通孔邊緣尖峰部位或側(cè)壁斷鋁，極大地提高了器件電連接的可靠性。
[0021]C、避免了腐蝕鋁后的擦拭造成電極表面劃傷、通孔邊緣尖峰斷鋁等問(wèn)題；
[0022]d、避免了長(zhǎng)時(shí)間的等離子去膠(手工點(diǎn)膠膠膜較厚)導(dǎo)致的玻璃極板上的鋁電極氧化，從而產(chǎn)生的電極導(dǎo)電性下降和壓焊成品率降低的問(wèn)題。
[0023]2、本發(fā)明還提出了一種提高差壓敏感器件穩(wěn)定性的工藝實(shí)現(xiàn)方法:即在制作硅敏感芯片可動(dòng)極板時(shí)，在制作中心島的二氧化硅絕緣層前，增加一步對(duì)硅可動(dòng)極板濃磷重?fù)诫s工藝，在硅片表面形成低阻的重?fù)诫s層，目的是降低硅片的電阻率，使后續(xù)濺射的金屬鋁膜即金屬壓焊點(diǎn)能與硅片間形成良好的歐姆接觸，確保硅敏感芯片可動(dòng)極板電極引出的可靠性，保證金屬鋁電極與硅片之間形成良好的歐姆接觸，有效地提高了差壓敏感器件的穩(wěn)定性；