CN102295262A

CN102295262A - 微型动态压阻压力传感器及其制造方法

Info

Publication number: CN102295262A
Application number: CN2010102130158A
Authority: CN
Inventors: 王文襄
Original assignee: Kunshan Shuangqiao Sensor Measurement Controlling Co Ltd
Current assignee: Kunshan Shuangqiao Sensor Measurement Controlling Co Ltd
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2011-12-28

Abstract

一种微型动态压阻压力传感器的制造方法为用MEMS硅体微机械加工方法制造微型压力敏感芯片，芯片为E型硅杯力敏结构；芯片背面与Pyrex或GG-17玻璃环片焊接形成压力敏感组件；玻璃环裸露面粘接在外周面设有花键槽的瓷管上端，花键槽设有焙银电极；压力敏感组件的电引出是在该芯片正面内压焊点焊上金丝内引线，内引线另一端焊接到焙银电极上端；外引线焊接到焙银电极下端；将压力敏感组件装入传感器外管并密封粘合；传感器外管顶端焊接顶盖，对应芯片的顶盖中心设有一个小孔；引出外引线的微型电缆和连通芯片的背压腔的微型导气管用注塑元件固定，再粘结到传感器外管底端，所制造的微型传感器具有很强抗光和抗电磁干扰性、防护破坏性撞击。

Description

微型动态压阻压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微型动态压阻压力传感器及其制造方法，特别涉及一种基于MEMS(Micro Electro Mechanical System)硅体微机械加工技术的微型动态压阻压力传感器及其制造方法，特别适用于空气动力学试验(俗称风洞试验)中的动态压力测量。

背景技术

MEMS(Micro Electro Mechanical System)技术的硅体微机械加工技术用于压阻压力传感器的制作始于20世纪70年代后期，利用硅的压阻效应，用平面集成电路工艺在硅片上一定晶向，一定位置用氧化扩散或离子注入掺杂、光刻等方法制作成的应变检测压敏电阻，并互连构成测试惠斯顿应变电桥。用双面对准光刻，硅的各向异性腐蚀等硅三维加工工艺，把衬底硅片制作成周边固支的力敏薄膜结构以代替传统的机械研磨加工硅杯工艺。这种用上述硅体微机械加工工艺制作的硅压阻压力传感器在保持了硅压阻压力传感器低量程、高灵敏度优点的同时，缩小了芯片尺寸，从而使传感器的外形尺寸缩小到φ12mm以下。

80年代至90年代，美国Kulite公司、Endevco公司等利用这种技术，制作了外径φ2mm-φ5mm的各种微型压阻压力传感器，将它们大量用于空气动力学试验中。

为了尽量减小尺寸，Kulite公司采用了C型平膜力敏结构；为了提高低量程下的线性度及频响，Endevco公司采用了双岛膜结构，它们都有各自的优点和缺点。

为了实现微型封装和内引线转接，他们都采用了各自不同的内部转换件结构。

用于空气动力学研究时，一般要求传感器有高的动态频响，小的芯片尺寸是取得高的动态频响第一要考虑的，第二要考虑的是传感器的封装不能形成管腔，必须压力敏感膜片直接面对迎向压力。Kulite公司的微型传感器的芯片有小的径向尺寸，因此固有频率本是高的，但由于要正面迎接介质，而介质灰尘的影响，光照效应的影响，使得Kulite封装产品时不得不在硅片正面的前方挡上一个用激光打有阵列孔的薄帽罩，而且为通气但又要防灰尘粒子高速撞击到最薄弱、易击穿击破的薄膜中心处，这些阵列孔通常被称为M型或S型分布于薄膜边沿外沿区，这种防护是要严重影响使用动态频响的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于MEMS技术的能用于空气动力学测试的具有低量程、高灵敏、强抗干扰、风洞试验测试动态性能优良的微型动态压阻压力传感器及其制造方法。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微型动态压阻压力传感器的制造方法，包括以下步骤：

1)用MEMS硅体微机械加工方法制造微型压力敏感芯片，该压力敏感芯片为微型E型硅杯力敏结构；

2)该压力敏感芯片背面用静电键合工艺与光学抛光的Pyrex或GG-17玻璃环片焊接在一起，形成压力敏感组件，以加强该芯片的耐封装强度；

3)该压力敏感组件的玻璃环裸露面用硅橡胶粘接剂粘接在外周面设有多条花键槽的瓷管上端面，该花键槽内设有焙银电极；

4)该压力敏感组件的力敏惠斯顿电桥的电引出是在该芯片正面内压焊点用金丝球焊机焊上金丝内引线，将该金丝内引线的另一端用微型焊机焊接到该焙银电极的上端；

5)用微型焊机将外引线焊接到该焙银电极的下端，实现引线转接引出；

6)将带有花键槽瓷管的压力敏感组件装入作为传感器外管的薄壁不锈钢管或可伐合金管内，用环氧粘合剂或硅橡胶粘合剂将该瓷管与该传感器外管密封粘合；

7)该传感器外管顶端用激光焊接方法焊接一个顶盖，对应该压力敏感芯片正面上方的该顶盖中心部设有一个小孔；

8)将引出该外引线的微型电缆和连通该压力敏感芯片的背压腔、实现与该传感器表压平衡的微型可伐导气管用注塑元件固定，再用环氧树脂胶粘结到该传感器外管底端；

所述压力敏感芯片正面覆盖有SiO₂层和Si₃N₄层而背面由该芯片边缘硬框围成的薄膜部分和该薄膜中心留有的中心岛部分组成，该中心岛覆盖有SiO₂层，该边缘硬框覆盖有SiO₂层和Si₃N₄层，该薄膜裸露硅层，该压力敏感芯片正面对应E型中心岛的部分有真空镀膜或溅射的金属化铝层覆盖；

所述压力敏感芯片为1.5×1.5mm，薄膜为1.0×1.0mm，中心岛为0.7×0.7mm，该芯片对角线为小于2.0mm，该Pyrex或GG-17玻璃环直径φ2.5～φ2.8mm，内孔φ0.5～φ0.8mm，厚度1～2mm，该芯片上方距离该顶盖小于0.5mm，该顶盖中心部的小孔为φ0.6～φ0.8mm，该花键槽瓷管外径为Φ2.5-2.8mm，内孔Φ0.5-1mm，该瓷管外周面设有4-5条键槽，槽宽0.5～0.6mm，槽深0.4～0.6mm，该传感器外管的外径φ3～φ3.5mm，内径φ2.4～φ3mm。

作为本发明所述的微型动态压阻压力传感器制造方法的进一步改进：该压力敏感组件和该花键瓷管间胶结的粘结剂，在该传感器量程小于600Kpa时用硅橡胶粘结剂，量程大于1MPa用橡胶改性环氧粘结剂。

一种用所述的微型动态压阻压力传感器制造方法所制造的微型动态压阻压力传感器，

1)两面分别覆盖SiO₂层和Si₃N₄层的微型E型硅杯力敏结构设计的压力敏感芯片背面由该芯片边缘硬框围成的薄膜部分和该薄膜中心留有的中心岛部分组成，该中心岛覆盖有SiO₂层，该边缘硬框覆盖有SiO₂层和Si₃N₄层，该薄膜裸露硅层；

2)该压力敏感芯片背面焊接有光学抛光的Pyrex或GG-17玻璃环片，形成压力敏感组件；

3)该压力敏感组件的玻璃环裸露面粘接到外周面设有多条花键槽的瓷管上端面，该花键槽内设有焙银电极；

5)该花键槽下端的焊点焊接到外引线，实现引线转接引出；

6)带有花键槽瓷管的该压力敏感组件装入作为传感器外管的薄壁不锈钢管或可伐合金管内，该瓷管与该传感器外管密封粘合；

7)该传感器外管顶端焊接一个顶盖，对应该压力敏感芯片正面上方的该顶盖中心部设有一个小孔；

8)将引出该外引线的微型电缆和连通该压力敏感芯片的背压腔、实现与该传感器表压平衡的微型可伐导气管固定于注塑元件，该注塑元件密封粘结到该传感器外管底端；

所述该压力敏感芯片正面对应E型中心岛的部分覆盖有金属化铝层；

所述压力敏感芯片尺寸为1.5×1.5mm，薄膜尺寸为1.0×1.0mm，中心岛尺寸为0.7×0.7mm，该芯片对角线尺寸为小于2.0mm，该Pyrex或GG-17玻璃环直径φ2.5～φ2.8mm，内孔φ0.5～φ0.8mm，厚度1～2mm的上，该芯片上方距离该顶盖小于0.5mm，该顶盖中心部之小孔尺寸为φ0.6～φ0.8mm，该花键槽瓷管外径为Φ2.5-2.8mm，内孔Φ0.5-1m，该瓷管外周面设有4-5条键槽，槽宽0.5～0.6mm，槽深0.4～0.6mm，该传感器外管的外径φ3～φ3.5mm，内径φ2.4～φ3mm。

作为本发明所述的微型动态压阻压力传感器进一步改进，对应压力量程10、30、50、100、400、600、1000Pa的薄膜厚度为10、15、20、25、30、35、40μm。

本发明的有益效果是：

1)由于该压力敏感芯片正面离测压面小于1mm，是典型的准齐平封装设计，充分保证了传感器的动态频响特性，完全满足空气动力学试验要求的响应频率；

2)该压力传感器的顶盖中心孔正对的该压力敏感芯片相对较厚的中心岛而不是薄膜部分，因而具有很优秀的抗光干扰性且可以防护用于爆轰类试验时飞溅尘粒的破坏性撞击。

3)该压力敏感芯片中心岛区部分的正面有真空镀膜或溅射的金属化铝层覆盖，提高了其在使用时的抗电磁干扰性能和抗光尘干扰的能力；

4)采用岛膜复合力学结构设计解决了低量程灵敏度的问题；

5)由于采用焙银瓷管及导气管，实现了该传感器的内外引线转接以及背压腔与被测环境大气沟通或差压的测量。

附图说明

图1是本发明涉及的覆盖有SiO₂层和Si₃N₄层的硅片结构示意图；

图2是本发明涉及的光刻岛膜区的芯片结构示意图；

图3是本发明涉及的腐蚀成E型硅杯的芯片结构示意图；

图4是本发明涉及的掺杂形成压力敏感电阻的芯片结构示意图；

图5是本发明涉及的形成检测电桥的芯片结构示意图；

图6是本发明涉及的静电键合硅芯片与Pyrex玻璃环、胶结玻璃环与花键瓷管形成敏感组件以及内外引线转接的示意图；

图7是本发明的结构示意图。

对图1至图7做如下进一步说明：

1-Si₃N₄层 9-微型电缆

2-SiO₂层 10-焙银花键瓷管

3-膜 11-金丝内引线

4-边缘硬框 12-注塑元件

5-岛 13-传感器外管

6-Pyrex玻璃环片 14-导气管

7-顶盖 17-花键槽

18-外引线

具体实施方式

采用MEMS硅体微机械加工工艺制作微型压力敏感芯片，该芯片的单元尺寸为1.5×1.5mm，敏感膜片的尺寸为1.0×1.0mm，膜片的中心留一岛形硬心，硬心尺寸为0.7×0.7mm，力敏检测电阻分布在硬心和边界硬框之间的薄膜上，位置按E型敏感芯片的方法设计确定。实施步骤按照如图1至图5所示实现：

图1是作弹性元件的双面抛光硅片在MEMS技术加工中先用传统的热氧化技术在两面覆盖1μm厚的SiO₂层2，再用标准的LPCVD法在两面上覆盖3000A厚的Si₃N₄层1，用两次光刻技术，刻蚀掉硅片背面相当于今后岛5和膜3部位的Si₃N₄层及膜部位的SiO₂层，保留岛部位覆盖的SiO₂层。

图3是将上述硅片在KOH腐蚀液中按标准的硅体微机械加工工艺技术进行各向异性腐蚀，由于预留在岛部位的SiO₂层的腐蚀掩蔽作用形成岛——膜复合弹性力学敏感结构。

图4是用双面光刻技术和离子注入掺杂技术，在岛——膜复合弹性芯片的正面特定位置制作成力敏电阻全桥。上述未详加叙述的都是标准的集成电路工艺。

图5是一个完成了上述微机械加工工艺和硅集成电路工艺的微型力敏芯片，它的单元尺寸是1.5×1.5mm，作为弹性敏感薄膜的尺寸为1.0×1.0mm，为改善低量程下平薄膜大挠度引起的力学非线性，在膜的中心部位的小岛的尺寸是0.7×0.7mm。

在图2所述刻蚀SiO₂层和Si₃N₄层时，在芯片单元之间的地方，硅片图形两面同时刻蚀出相当于V型分划槽部位的SiO₂层和Si₃N₄层图形。因此在图3所述的各向异性腐蚀中，正反面的分划槽部位各腐蚀出深度为1/3硅片厚度的V型硅槽，因十字交叉槽拐角的削角腐蚀作用，消除了正方单元芯片的对角线，减小了对角线尺寸对芯片直径及微封装的影响。

将制作有数百单元图形的硅大片进行划分，形成单个边长为1.5mm，但四个拐角无尖接近园润，直径小于2mm的die。将它与直径dφ2.5～dφ2.8mm，内孔φ0.5～φ0.8mm，厚度1～2mm的Pyrex或GG-17玻璃环片6静电键合在一起，键合电压1000-1200V，键合温度300-320℃；将已完成的微型压力敏感芯片正面的内压焊点用金丝球焊机焊上直径Φ40-50μm的金丝内引线11；然后再将玻璃环片的另一面与一个最大外径Φ2.5-2.8mm，内孔Φ0.5-1mm的氧化铝花键槽17焙银瓷管10的一个端面粘结在一起(视量程选用不同的粘结剂)；将压力敏感芯片的金丝内引线另一端用微型调温电烙铁焊接到花键瓷管键槽焙银电极的上端；将外引线18的微型电缆9焊接到花键瓷管焙银电极的下端。如图6所示。

将上述组件装入作为外径φ3～φ3.5mm，内径φ2.4～φ3mm的薄壁不锈钢管或可伐合金管内，视产品量程大或小，选择用环氧粘合剂或硅橡胶粘合剂粘合密封；

将加工有φ0.6-φ0.8mm中心孔，厚度0.2-0.4mm的微型传感器顶盖7通过激光焊接的方法焊接到外径φ3～φ3.5mm的薄壁不锈钢管或可伐合金管端面(靠近敏感芯片一端)；用可以固定外引线和导气管的注塑元件固定外引线及导气管并粘结到薄壁不锈钢管或可伐合金管的另一端面(外引线引出端)；将导气管粘结到瓷管背压腔出口处，实现传感器背压腔与被测环境大气沟通的目的。如图7所示。

本微型传感器的量程是由微机械加工的硅力敏芯片的薄膜厚度控制的，由于薄膜中心的岛状结构的应力集中作用，它可以改善大挠度下的非线性，薄膜可以很薄，在膜厚为10μm时，传感器的量程为10KPa；膜厚15μm时，传感器量程为30KPa；膜厚为20μm及25Pm时量程为50KPa及100KPa；膜厚为30μm时量程为400KPa；膜厚为35μm时量程为600KPa；膜厚为40μm时量程为1000KPa。薄膜用各向异性腐蚀工艺与精密控厚四电极化学腐蚀装置完成。

本传感器的敏感芯片离传感器表面小于1mm，是典型的准齐平设计，充分保证了传感器的动态频响特性，100KPa的本传感器经激波管实际标定的固有频率为250KHz，量程越大，频响越高，可以充分满足空气动力学试验的要求响应频率。

本传感器的进压口为顶盖的中心孔，它正对的是硅微芯片背面存在厚岛的区域，因此有很优秀的抗光干扰性，抗介质中微粒撞击的安全性。

本传感器硅片正面接触介质，硅芯片中心岛区部分的正面有真空镀膜或溅射的金属化铝层覆盖，提高了其在使用时的抗电磁干扰性能和抗光尘干扰的能力。

本传感器由于采用焙银瓷管及导气管，实现了该传感器的内外引线转接以及背压腔与被测环境大气沟通或差压的测量。

本传感器性能优良、稳定、抗干扰能力强，可用于空气动力学试验中的高灵敏度动态测试的用途，有着较好的市场前景。

本发明产品的主要性能指标为；

1、量程：0～10KPa、30KPa、50KPa、100KPa、400KPa、600KPa、1000KPa，输出灵敏度：15～100mV

2、外形尺寸：外径φ3～φ3.5mm；长度8～40mm

3、精度：0.1％～0.5％FS

4、动态频响：130～600KHz

5、时间稳定性：≤0.1mV

6、温度稳定性：≤5×10^-4/℃·FS

Claims

1.一种微型动态压阻压力传感器的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

2)该压力敏感芯片背面用静电键合工艺与光学抛光的Pyrex或GG-17玻璃环片(6)焊接在一起，形成压力敏感组件，以加强该芯片的耐封装强度；

3)该压力敏感组件的玻璃环裸露面用硅橡胶粘接剂粘接在外周面设有多条花键槽(7)的瓷管(10)上端面，该花键槽内设有焙银电极；

4)该压力敏感组件的力敏惠斯顿电桥的电引出是在该芯片正面内压焊点用金丝球焊机焊上金丝内引线(11)，将该金丝内引线的另一端用微型焊机焊接到该焙银电极的上端；

5)用微型焊机将外引线(18)焊接到该焙银电极的下端，实现引线转接引出；

6)将带有花键槽瓷管的压力敏感组件装入作为传感器外管(13)的薄壁不锈钢管或可伐合金管内，用环氧粘合剂或硅橡胶粘合剂将该瓷管与该传感器外管密封粘合；

7)该传感器外管顶端用激光焊接方法焊接一个顶盖(7)，对应该压力敏感芯片正面上方的该顶盖中心部设有一个小孔；

8)将引出该外引线的微型电缆(9)和连通该压力敏感芯片的背压腔、实现与该传感器表压平衡的微型可伐导气管(14)用注塑元件(12)固定，再用环氧树脂胶粘结到该传感器外管底端；

该压力敏感芯片正面覆盖有SiO₂层(2)和Si₃N₄层(1)而背面由该芯片边缘硬框(4)围成的薄膜(3)部分和该薄膜中心留有的中心岛(5)部分组成，该中心岛覆盖有SiO₂层，该边界硬框覆盖有SiO₂层和Si₃N₄层，该薄膜裸露硅层，该压力敏感芯片正面对应E型中心岛的部分有真空镀膜或溅射的金属化铝层覆盖；

所述压力敏感芯片为1.5×1.5mm，薄膜为1.0×1.0mm，中心岛为0.7×0.7mm，该芯片对角线为小于2.0mm，用静电键合工艺焊接到直径φ2.5～φ2.8mm，内孔φ0.5～φ0.8mm，厚度1～2mm的Pyrex或GG-17玻璃环上，该花键槽瓷管外径为Φ2.5-2.8mm，内孔Φ0.5-1mm，该瓷管外周面设有4-5条键槽，槽宽0.5～0.6mm，槽深0.4～0.6mm，该传感器外管的外径φ3～φ3.5mm，内径φ2.4～φ3mm。

2.如权利要求1所述的一种微型动态压阻压力传感器的制造方法，其特征在于，该压力敏感组件和该花键槽瓷管间胶结的粘结剂，在该传感器量程小于600Kpa时用硅橡胶粘结剂，量程大于1MPa用橡胶改性环氧粘结剂。

3.一种用权利要求1所述的微型动态压阻压力传感器的制造方法所制造的微型动态压阻压力传感器，其特征在于，

1)两面分别覆盖SiO₂层(2)和Si₃N₄层(1)的微型E型硅杯力敏结构设计的压力敏感芯片背面由该芯片边缘硬框(4)围成的薄膜(3)部分和该薄膜中心留有的中心岛(5)部分组成，该中心岛覆盖有SiO₂层，该边界硬框覆盖有SiO₂层和Si₃N₄层，该薄膜裸露硅层；

2)该压力敏感芯片背面焊接有光学抛光的Pyrex或GG-17玻璃环片(6)，形成压力敏感组件；

3)该压力敏感组件的玻璃环裸露面粘接到外周面设有多条花键槽(17)的瓷管(10)上端面，该花键槽内设有焙银电极；

5)该花键槽下端的焊点焊接到外引线(18)，实现引线转接引出；

6)带有花键槽瓷管的该压力敏感组件装入作为传感器外管(13)的薄壁不锈钢管或可伐合金管内，该瓷管与该传感器外管密封粘合；

7)该传感器外管顶端焊接一个顶盖(7)，对应该压力敏感芯片正面上方的该顶盖中心部设有一个小孔；

8)将引出该外引线的微型电缆(9)和连通该压力敏感芯片的背压腔、实现与该传感器表压平衡的微型可伐导气管(14)固定于注塑元件(12)，该注塑元件密封粘结到该传感器外管底端；

所述压力敏感芯片正面对应E型中心岛的部分覆盖有金属化铝层；

4.如权利要求3所述的一种微型动态压阻压力传感器，其特征在于，对应压力量程10、30、50、100、400、600、1000Pa的薄膜厚度为10、15、20、25、30、35、40μm。