CN113551815A - 一种压力传感器芯片和耐高压压力传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压力传感器芯片和耐高压压力传感器及其制造方法。该压力传感器芯片，其包括玻璃衬底、焊盘组件和硅压力应变器。焊盘组件设置在玻璃衬底上，包括第一焊盘和第二焊盘。两个硅压力应变器均安装在玻璃衬底上，且分别位于焊盘组件的两侧。硅压力应变器包括硅应变片和P型压阻片。硅应变片上并排安装有多条P型压阻片。相邻两条P型压阻片的相同端电连接，使得各条P型压阻片依次串联。两个硅压力应变器通过第一焊盘串联，并通过两个第二焊盘分别引出信号线。本发明利用玻璃耐高电压特性及其和硅键合后的稳定性，提高了压力传感器的耐高压性能。

Description

一种压力传感器芯片和耐高压压力传感器及其制造方法
技术领域
本发明属于恶劣环境下的压力检测设备，具体涉及一种在高电压工作环境下实现耐高压、不易击穿的压力传感器的设计与制作方法。
背景技术
近年来，在工业气候控制***或暖通空调***中对耐高压电的压力传感器的需求大大增加。在这些***中传统的压力开关精确度较低，用作保护设备的安全和监控装置，如空气过滤器、风扇加热器、冷却回路和防火挡板，已被压力传感器取代，然而现有的压力传感器具有较高的击穿电压和复杂的封装结构，从而降低了压力传感器的灵敏度。因此提出一种以高介电强度玻璃基板为衬底的硅应变压力传感器及其一种封装方法，解决了在高电压环境下压力传感问题。
发明内容
本发明的目的是设计一种在高电压环境下稳定工作的高灵敏度压力传感器和其封装方法与制造流程。
第一方面，本发明提供一种压力传感器芯片，其包括玻璃衬底、焊盘组件和硅压力应变器。焊盘组件设置在玻璃衬底上，包括第一焊盘和第二焊盘。两个硅压力应变器均安装在玻璃衬底上，且分别位于焊盘组件的两侧。硅压力应变器包括硅应变片和P型压阻片。硅应变片上并排安装有多条P型压阻片。相邻两条P型压阻片的相同端电连接，使得各条P型压阻片依次串联。两个硅压力应变器通过第一焊盘串联，并通过两个第二焊盘分别引出信号线。
作为优选，所述的玻璃衬底呈矩形，且厚度为50μm。
作为优选，所述的第一焊盘呈T形，包括横部和纵部。纵部的一端与横部的中间位置连接。第二焊盘呈矩形。两块第二焊盘分别设置在纵部的两侧。
作为优选，位于端部的两条硅应变片的外端分别作为引出端和连接端。连接端靠近第一焊盘。引出端靠近对应的第二焊盘。两个硅压力应变器的连接端以第一焊盘横部的两端分别连接。两个硅压力应变器的引出端与两个第二焊盘分别连接。
作为优选，相邻两条P型压阻片的相同端通过铝条连接。
第二方面，本发明提供一种耐高压压力传感器，其包括前述的压力传感器芯片、壳体、连接架、隔块、电路板、硅凝胶、支撑架和压力杆。壳体上开设有压力孔。连接架固定在壳体上，且开设有与压力孔对齐的中心通孔。所述的隔块设置在连接架的内侧，并与壳体滑动连接。隔块远离连接架的一侧安装有压力传感器芯片和硅凝胶。硅凝胶包裹住压力传感器芯片。支撑架固定在壳体的内腔端部，并抵住硅凝胶的外侧面。
所述的电路板固定在壳体内。两个第二焊盘分别通过连接线引出至电路板。电路板的信号输出线与壳体上的输出接口连接。压力杆穿过连接架的中心通孔，并抵住隔块。
作为优选，该耐高压压力传感器还包括PCB固定壳。呈筒状的PCB固定壳同轴固定在壳体的内腔中，且套置在连接架内端的外侧。电路板被夹紧在壳体内腔的台阶处与PCB固定壳之间。
作为优选，连接架固定在PCB固定壳的内侧。连接架上设置有伸出压力孔外的凸台。
作为优选，壳体包括同轴插接在一起的上壳体和下壳体。下壳体呈带阶梯的回转体状，且一端开设有一个压力孔，另一端开放设置。上壳体的外侧面上设置有凸出，且呈扁平状的线孔。输出接口设置在线孔中。
第三方面，本发明提供一种压力传感器芯片的制造方法，具体步骤如下：
步骤一、利用无碱硼铝硅酸盐玻璃作为基底和硅材料合成硅/玻璃阳极键合晶圆。
步骤二、清洗硅/玻璃阳极键合晶圆，形成亲水表面。通过化学机械抛光工艺将键合晶圆的顶部硅层减薄至4～6μm厚度。形成玻璃衬底。
步骤三、先利用等离子体增强化学气相沉积法来使缓冲氧化物沉积到50纳米；再将3×1015ions/cm2氟的以80keV注入，引起顶部硅层的预非晶化，然后将5×1015ions/cm2硼以50keV注入。注入后在600℃下进行两小时的退火处理。
步骤四、用深反应离子刻蚀方法刻蚀顶部硅层，形成硅应变片。
步骤五、通过溅射沉积Ti/Al金属层，并通过剥离工艺对金属层进行图形化。
步骤六、再次使用采用深反应离子刻蚀工艺保持1.5min，形成5μm厚的硅层，形成P型压阻片。
步骤七、在350℃下用等离子体增强化学气相沉积法沉积由50纳米的SiO2和200纳米的SiN构成的钝化层。
步骤八、用反应离子腐蚀技术法连续刻蚀金属焊盘上的钝化层，实现引线键合接触，形成焊盘组件。研磨、切削后进行切割，得到压力传感器芯片。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明利用玻璃耐高电压特性及其和硅键合后的稳定性，提出了一种以玻璃为衬底的压力传感器，以及与玻璃基板结合的单晶硅薄膜中制造应变计芯片的方法，显著提高了压力传感器的耐高压性能。
2、本发明封装出的耐高压压力传感器中使用硅凝胶包裹在压力传感器芯片的外侧，从而显著提高整个耐高压压力传感器在高电压环境下的稳定性。
3、本发明提出了新型的以玻璃作为衬底的硅应变压力传感器芯片的制作流程，实现芯片在传感器应用时的高灵敏度与可靠性等要求。
附图说明
图1本发明中压力传感器芯片结构图；
图2本发明中耐高压压力传感器的内部结构图；
图3本发明中耐高压压力传感器的***示意图；
图4本发明中压力传感器芯片的制作工艺流程图。
具体实施方式
如图1、2和3所示，一种耐高压压力传感器，包括压力传感器芯片1、壳体2、连接架3、隔块4、PCB固定壳5、电路板6、电子元器件6-1、柔性PCB 7、输出接口8、硅凝胶9、支撑架11和压力杆12。
壳体2中空设置，且一端端部开设有压力孔。压力孔将壳体2的内腔与外界环境连通。呈筒状的PCB固定壳5同轴固定在壳体2的内腔中。电路板6被夹紧在壳体2内腔的台阶处与PCB固定壳5之间。连接架3固定在PCB固定壳5的内侧。连接架3上设置有伸出压力孔外的凸台，且开设有中心通孔。隔块4设置在连接架3的内侧，并与PCB固定壳5滑动连接。隔块4远离连接架的一侧安装在压力传感器芯片1和硅凝胶9。硅凝胶9呈半球形，且包裹住压力传感器芯片1。支撑架11固定在壳体2的内腔端部。支撑架11上设置有凹球支撑面。凹球支撑面抵住硅凝胶9的外侧面。压力杆12穿过连接架3的中心通孔，并抵住隔块4。
电路板6上设置有用于处理压力传感器芯片1输出信号的电子元器件6-1。电子元器件6-1的输出信号通过柔性PCB 7引出至壳体2上的输出接口8。当压力杆12受到轴向压力时，将压力传递到硅凝胶9和压力传感器芯片1上。压力传感器芯片1受压输出压力信号。通过标定后，即可根据压力传感器芯片1输出的压力信号推导出压力杆12受到的压力大小。
压力传感器芯片1包括玻璃衬底1-1、焊盘组件1-5和硅压力应变器10。玻璃衬底1-1呈矩形，且厚度为50μm，其作用是支撑成型的硅应变片1-2，并在硅应变片1-2和隔块4之间提供高介电强度，以防止外部高电压击穿。焊盘组件1-5安装在玻璃衬底1-1正面的中间位置，其包括第一焊盘1-5-1和第二焊盘1-5-2。第一焊盘1-5-1呈T形，包括横部和纵部。纵部的一端与横部的中间位置连接。第二焊盘1-5-2呈矩形。两块第二焊盘1-5-2分别设置在纵部的两侧。第一焊盘1-5-1和两个第二焊盘1-5-2用于压力传感器芯片1与外部封装结构的电连接。
两个硅压力应变器10均安装在玻璃衬底1-1上，且分别位于焊盘组件1-5的两侧。硅压力应变器10包括硅应变片1-2、P型压阻片1-3和薄铝条1-4。硅应变片1-2上并排安装有四条P型压阻片1-3。P型压阻片1-3为P型半导体材料构成的P型压敏电阻器，其形状呈矩形。P型压阻片1-3的长度方向与玻璃衬底1-1的长度方向平行。相邻两条P型压阻片1-3的相同端通过铝薄条1-4连接一起，使得四条P型压阻片1-3呈蛇形依次串联。
两个第二焊盘1-5-2与两个硅压力应变器10分别对应。位于端部的两条硅应变片1-2的外端分别作为引出端和连接端。连接端靠近第一焊盘。引出端靠近对应第二焊盘1-5-2。两个硅压力应变器10的连接端以第一焊盘横部的两端分别连接，从而将两个硅压力应变器10串联在一起。两个硅压力应变器10的引出端与两个第二焊盘1-5-2分别连接。两个第二焊盘1-5-2分别通过引出线1-8连接到电路板6上的电子元器6-1，实现压力信号的输出。
壳体2包括同轴插接在一起的上壳体2-2和下壳体2-1。下壳体2-1呈带阶梯的回转体状，且一端开设有一个压力孔，另一端开放设置。上壳体2-2的外侧面上设置有凸出，且呈扁平状的线孔。连接架3用于支撑固定隔块4，以及固定连接PCB固定壳5。所述隔块4呈圆罩状，用于放置固定压力传感器芯片1。硅凝胶9的内部无气泡，被涂在压力传感器芯片1上用于保护硅应变片1-2和引出线1-8，避免发生高电压击穿。所述支撑架11一端呈圆弧状，其圆环曲率半径与硅凝胶9半圆曲率半径相同，与硅凝胶9接触固定，另一端与机架相连。电路板6呈圆片状，与PCB固定板5固定，中部开设有一个矩形孔，用于穿过硅凝胶9。压力杆12为一根圆柱长杆，将外部压力传输给压力传感器芯片1。所述电子元器6-1件焊接在电路板6上。
该耐高压压力传感器的工作原理如下
当外部压力激励通过连接架3传递到压力传感器1上时，此时感器芯片1由于受到硅凝胶与支撑架11的限制作用，使压力传感器芯片1中的硅应变片1-2发生应变。因为P型压阻片1-3与硅应变片1-2紧密贴合，所以硅应变片1-2的变形导致P型压阻片发生微尺度的形变，进而其阻值发生变化。因此，该传感器为一种压阻式压力传感器。通过不同的压力输入使硅应变片1-2产生不同程度的应变，进而P型压阻片的阻值发生相应的变化。经过标定后，外部电路通过测得电阻值便可得进而得出外部输入的压力大小。
前述的压力传感器芯片1的制作方法如下：
步骤一、如图4中的a部分所示，利用无碱硼铝硅酸盐玻璃作为基底和硅材料合成硅/玻璃阳极键合晶圆。
步骤二、如图4中的a部分所示，清洗硅/玻璃阳极键合晶圆，去除污染物，形成亲水表面。因为基板是无碱硼铝硅酸盐玻璃，被清洗后的硅/玻璃阳极键合晶圆在500℃下具有1750V的相对较高的电势，通过化学机械抛光工艺将键合晶圆的顶部硅层减薄至约5μm的最终厚度。形成玻璃衬底1-1。
步骤三、如图4中的b部分所示，先在350℃下利用等离子体增强化学气相沉积法来使缓冲氧化物沉积到50纳米；再将3×1015ions/cm2氟的以80keV注入，引起顶部硅层的预非晶化，然后将5×1015ions/cm2硼以50keV注入。植入物的能量和剂量由物质中离子的停止和射程(SRIM)和ATHENA模拟确定。注入后在600℃下进行两小时的退火处理。
步骤四、如图4中的c部分所示，用深反应离子刻蚀方法刻蚀顶部硅层，形成硅应变片1-2。
步骤五、通过溅射沉积Ti/Al(100nm/800nm)金属层，并通过剥离工艺对金属层进行图形化。
步骤六、如图4中的d部分所示，再次使用采用深反应离子刻蚀工艺保持1.5min，形成5μm厚的硅层，作为硅压阻材料，即P型压阻片1-3。
步骤七、如图4中的e部分所示，在350℃下用等离子体增强化学气相沉积法沉积由50纳米的SiO2和200纳米的SiN构成的钝化层。
步骤八、如图4中的f、g和h部分所示，用反应离子腐蚀技术法连续刻蚀金属焊盘上的钝化层，实现引线键合接触，形成焊盘组件1-5。通过背面玻璃研磨和切削完成应变片的制造，设计总厚度和尺寸为50μm，然后切割网格状的晶片，完成压力传感器芯片1的制作。

Claims (10)

1.一种压力传感器芯片，其特征在于：包括玻璃衬底(1-1)、焊盘组件(1-5)和硅压力应变器(10)；焊盘组件(1-5)设置在玻璃衬底(1-1)上，包括第一焊盘(1-5-1)和第二焊盘(1-5-2)；两个硅压力应变器(10)均安装在玻璃衬底(1-1)上，且分别位于焊盘组件(1-5)的两侧；硅压力应变器(10)包括硅应变片(1-2)和P型压阻片(1-3)；硅应变片(1-2)上并排安装有多条P型压阻片(1-3)；相邻两条P型压阻片(1-3)的相同端电连接，使得各条P型压阻片(1-3)依次串联；两个硅压力应变器(10)通过第一焊盘串联，并通过两个第二焊盘(1-5-2)分别引出信号线。
2.根据权利要求1所述的一种压力传感器芯片，其特征在于：所述的玻璃衬底(1-1)呈矩形，且厚度为50μm。
3.根据权利要求1所述的一种压力传感器芯片，其特征在于：所述的第一焊盘(1-5-1)呈T形，包括横部和纵部；纵部的一端与横部的中间位置连接；第二焊盘(1-5-2)呈矩形；两块第二焊盘(1-5-2)分别设置在纵部的两侧。
4.根据权利要求1所述的一种压力传感器芯片，其特征在于：位于端部的两条硅应变片(1-2)的外端分别作为引出端和连接端；连接端靠近第一焊盘；引出端靠近对应的第二焊盘(1-5-2)；两个硅压力应变器(10)的连接端以第一焊盘横部的两端分别连接；两个硅压力应变器(10)的引出端与两个第二焊盘(1-5-2)分别连接。
5.根据权利要求1所述的一种压力传感器芯片，其特征在于：相邻两条P型压阻片(1-3)的相同端通过铝条连接。
6.一种耐高压压力传感器，包括壳体(2)、连接架(3)、隔块(4)、电路板(6)、支撑架(11)和压力杆(12)；其特征在于：还包括硅凝胶(9)和如权利要求1所述的压力传感器芯片(1)；壳体(2)上开设有压力孔；连接架(3)固定在壳体(2)上，且开设有与压力孔对齐的中心通孔；所述的隔块(4)设置在连接架(3)的内侧，并与壳体(2)滑动连接；隔块(4)远离连接架的一侧安装有压力传感器芯片(1)和硅凝胶(9)；硅凝胶(9)包裹住压力传感器芯片(1)；支撑架(11)固定在壳体(2)的内腔端部，并抵住硅凝胶(9)的外侧面；
所述的电路板(6)固定在壳体(2)内；两个第二焊盘(1-5-2)分别通过连接线(1-8)引出至电路板(6)；电路板(6)的信号输出线与壳体(2)上的输出接口(8)连接；压力杆(12)穿过连接架(3)的中心通孔，并抵住隔块(4)。
7.根据权利要求6所述的一种耐高压压力传感器，其特征在于：还包括PCB固定壳(5)；呈筒状的PCB固定壳(5)同轴固定在壳体(2)的内腔中，且套置在连接架(3)内端的外侧；电路板(6)被夹紧在壳体(2)内腔的台阶处与PCB固定壳(5)之间。
8.根据权利要求6所述的一种耐高压压力传感器，其特征在于：连接架(3)固定在PCB固定壳(5)的内侧；连接架(3)上设置有伸出压力孔外的凸台。
9.根据权利要求6所述的一种耐高压压力传感器，其特征在于：壳体(2)包括同轴插接在一起的上壳体(2-2)和下壳体(2-1)；下壳体(2-1)呈带阶梯的回转体状，且一端开设有一个压力孔，另一端开放设置；上壳体(2-2)的外侧面上设置有凸出，且呈扁平状的线孔；输出接口(8)设置在线孔中。
10.如权利要求1所述的一种压力传感器芯片的制造方法，其特征在于：步骤一、利用无碱硼铝硅酸盐玻璃作为基底和硅材料合成硅/玻璃阳极键合晶圆；
步骤二、清洗硅/玻璃阳极键合晶圆，形成亲水表面；通过化学机械抛光工艺将键合晶圆的顶部硅层减薄至4～6μm厚度；形成玻璃衬底(1-1)；
步骤三、先利用等离子体增强化学气相沉积法来使缓冲氧化物沉积到50纳米；再将3×1015ions/cm2氟的以80keV注入，引起顶部硅层的预非晶化，然后将5×1015ions/cm2硼以50keV注入；注入后在600℃下进行两小时的退火处理；
步骤四、用深反应离子刻蚀方法刻蚀顶部硅层，形成硅应变片(1-2)；
步骤五、通过溅射沉积Ti/Al金属层，并通过剥离工艺对金属层进行图形化；
步骤六、再次使用采用深反应离子刻蚀工艺保持1.5min，形成5μm厚的硅层，形成P型压阻片(1-3)；
步骤七、在350℃下用等离子体增强化学气相沉积法沉积由50纳米的SiO2和200纳米的SiN构成的钝化层；
步骤八、用反应离子腐蚀技术法连续刻蚀金属焊盘上的钝化层，实现引线键合接触，形成焊盘组件(1-5)；研磨、切削后进行切割，得到压力传感器芯片。
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