CN113624368A - 一种耐高温充油soi压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高温充油SOI压力传感器，包括壳体，壳体的顶部设置有压环，压环的内部设置有波纹膜片，且压环、波纹膜片以及壳体的上部构成密闭的充油腔，充油腔通过真空度为10‑4Pa的高真空硅油灌充***进行高温净化、高真空度高温硅油灌充；壳体的内部密封设置有玻璃绝缘子，玻璃绝缘子的顶部设置有SOI压力敏感芯片，金属导线的一端穿过玻璃绝缘子并与SOI压力敏感芯片的底部电连接；SOI压力敏感芯片位于充油腔内，SOI压力敏感芯片与高温硅油接触，SOI压力敏感芯片与波纹膜片之间设置有陶瓷片，陶瓷片的中部设置有贯通孔。本发明实现了高温环境下压力测量，同时具有动态特性好、耐高温、精度高的特点，具有较好的实用性。
Description
技术领域
本发明属于压力传感器的技术领域，具体涉及一种耐高温充油SOI压力传感器。
背景技术
传统的硅压力传感器通常通过PN结隔离，这种工艺的缺点是工作温度较低，在高温环境（≥85℃）下PN结漏电流增大，会导致器件失效。为满足航空航天、石油化工、内燃机等高温恶劣工况条件下的压力测试需求，基于硅隔离SOI(Silicon on Insulator)技术的耐高温压力传感器得到了广泛应用。
SOI压力传感器是一种新型的半导体高温压力传感器，常规的SOI压力传感器是以N型硅作为衬底材料，通过浓硼扩散在上面加工一组P型电阻，在P型电阻与N型衬底通过氧化层作为介质隔离层，各电阻之间连接形成惠斯通电桥，扩散电阻在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过电路将力学信号转化为等比例电信号输出，实现测压目的。它与扩散硅压力传感器相比具有更高的工作温度，与多晶硅高温压力传感器相比具有更高的灵敏度，有高灵敏度、高使用温度范围、高稳定性的特点。
目前SOI压力传感器通常通过热压球焊键合、超声球焊键合等方法来实现芯片与外引线的有引线连接，而引线键合的失效比例高达30%，且抗震性能较差。常规的充油封装方式由于硅油灌充工艺及硅油使用温度限制，长期使用温度不能超过150℃。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温充油SOI压力传感器，旨在解决上述问题。
本发明主要通过以下技术方案实现：
一种耐高温充油SOI压力传感器，包括壳体，所述壳体的顶部设置有压环，所述压环的内部设置有波纹膜片，且压环、波纹膜片以及壳体的上部构成密闭的充油腔，所述充油腔通过真空度为10-4Pa的高真空硅油灌充***进行高温净化、高真空度高温硅油灌充；所述壳体的内部密封设置有玻璃绝缘子，所述玻璃绝缘子的顶部设置有SOI压力敏感芯片，金属导线的一端穿过玻璃绝缘子并与SOI压力敏感芯片的底部电连接；所述SOI压力敏感芯片位于充油腔内，所述SOI压力敏感芯片与高温硅油接触，所述SOI压力敏感芯片与波纹膜片之间设置有陶瓷片，所述陶瓷片的中部设置有贯通孔。
本发明在使用时，当SOI压力传感器受到压力时，波纹膜片将压力通过高温硅油传导至SOI压力敏感芯片，SOI压力敏感芯片受到高温硅油传递的压力，导致SOI压力敏感芯片的硅膜片产生弹性形变，硅膜片上的应力变化导致电阻产生变化，惠斯通电桥失去平衡，产生随电阻率变化的电压信号，SOI压力敏感芯片在电压或电流激励下，通过金属导线输出与被测压力成比例的模拟电压测量信号。高温硅油避免了SOI压力敏感芯片与待测介质的直接接触，保护了芯片；使用陶瓷片减少充油腔体积，贯通孔的设置避免了高温硅油传递压力被陶瓷片抵消，提高了检测的准确度，具有较好的实用性。
本发明采用SOI芯片作为材料制作压力敏感芯片，使用SiO2作为介质隔离层替代了传统的PN结隔离，该绝缘隔离方式使器件与衬底之间不存在电流通道，规避了体硅电路中常见闩锁效应，提高了电路的可靠性。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述SOI压力敏感芯片的（100）晶面上沿着[110]晶向并在最大应力处通过浓硼扩散形成4个电阻条，且4个电阻条连接成惠斯通电桥。
所述SOI压力敏感芯片的衬底与顶层硅之间引入一层SiO2形成介质隔离层，在顶层硅沿[110]晶向在受压应力最大位置处使用浓硼扩散工艺制作了一组大小近似相等的电阻条，电阻条互联形成惠斯通电桥，正面键合硼硅玻璃形成真空腔，背面采用深硅刻蚀形成感压膜。使用SiO2作为介质隔离层替代了传统的PN结隔离，该绝缘隔离方式使器件与衬底之间不存在电流通道，规避了体硅电路中常见闩锁效应，提高了电路的可靠性。所述SOI压力敏感芯片为现有技术且不是本发明的主要改进点，故不再赘述。所述（100）晶面和[110]晶向为本领域的常规术语，故不再赘述。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述SOI压力敏感芯片的底部设置有锥形孔，所述金属导线伸入填充有导电银浆的锥形孔中，实现电连接。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述SOI压力敏感芯片的底部设置有5个锥形孔。
本发明使用无引线封装技术对SOI芯片进行封装，在芯片的硼硅玻璃上通过微加工的方法制作出外引线连接锥形孔，然后将SOI压力敏感芯片与玻璃绝缘子过玻璃烧结的方法封接在一起，金属导线通过银浆烧结的方式与锥形孔实现电连接，可耐温度达300℃，可满足使用温度达300℃各种高温压力测量***使用要求。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述SOI压力敏感芯片、金属导线、玻璃绝缘子、壳体一体化烧结成型。
本发明采用无引线高温烧结组成所述耐高温充油SOI压力传感器，采用SOI硅压阻敏感芯片、壳体、玻璃绝缘子与金属导线烧结组成感压基座，与金丝搭线封装方式相比，体积小巧，体积不大于直径Φ13mm×长度12.5mm。
本发明采用高真空硅油灌充***（真空度10-4Pa）进行高温硅油灌充，该***采用高温净化、高真空度灌充的方式进行硅油灌充，灌充后的高温硅油在密封环境下可满足-60℃~250℃的宽温区高稳定性使用要求。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述充油腔的底部使用钢珠焊接密封。充油腔底部使用的密封件为硬密封，钢珠精度在0.2mm以上。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述压环与壳体焊接，所述陶瓷片与充油腔粘接。焊接的连接方式有利于提高传感器的连接强度；陶瓷片与充油腔通过环氧胶粘接。
本发明的有益效果是：
（1）可靠性高：本发明采用SOI芯片作为材料制作压力敏感芯片，使用SiO2作为介质隔离层替代了传统的PN结隔离，该绝缘隔离方式使器件与衬底之间不存在电流通道，规避了体硅电路中常见闩锁效应，提高了电路的可靠性。
（2）使用温度高：本发明使用无引线封装技术对SOI芯片进行封装，在芯片的硼硅玻璃上通过微加工的方法制作出外引线连接锥形孔，然后将SOI压力敏感芯片与玻璃绝缘子过玻璃烧结的方法封接在一起，金属导线通过银浆烧结的方式与锥形孔实现电连接，使用高真空硅油灌充***（真空度10-4Pa）进行高温硅油灌充，可耐温度达-60℃~250℃，可满足使用温度-55℃~220℃各种高温压力测量***使用要求。
（3）体积小：本发明采用无引线高温烧结组成所述耐高温充油SOI压力传感器，采用SOI硅压阻敏感芯片、壳体、玻璃绝缘子与金属导线烧结组成感压基座，与金丝搭线封装方式相比，体积小巧，体积不大于直径Φ13mm×长度12.5mm。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
其中：1、压环；2、波纹膜片；3、陶瓷片；4、充油腔；5、SOI压力敏感芯片；6、玻璃绝缘子；7、钢珠；8、壳体；9、金属导线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
实施例1：
一种耐高温充油SOI压力传感器，如图1所示，包括壳体8，所述壳体8的顶部设置有压环1，所述压环1的内部设置有波纹膜片2，且压环1、波纹膜片2以及壳体8的上部构成密闭的充油腔4，所述充油腔4通过真空度为10-4Pa的高真空硅油灌充***进行高温净化、高真空度高温硅油灌充；所述壳体8的内部密封设置有玻璃绝缘子6，所述玻璃绝缘子6的顶部设置有SOI压力敏感芯片5，金属导线9的一端穿过玻璃绝缘子6并与SOI压力敏感芯片5的底部电连接；所述SOI压力敏感芯片5位于充油腔4内，所述SOI压力敏感芯片5与高温硅油接触，所述SOI压力敏感芯片5与波纹膜片2之间设置有陶瓷片3，所述陶瓷片3的中部设置有贯通孔。
本发明在使用时，当SOI压力传感器受到压力时，波纹膜片2将压力通过高温硅油传导至SOI压力敏感芯片5，SOI压力敏感芯片5受到高温硅油传递的压力，SOI压力敏感芯片5在电压或电流激励下，通过金属导线9输出与被测压力成比例的模拟电压测量信号。高温硅油避免了SOI压力敏感芯片5与待测介质的直接接触，保护了芯片；使用陶瓷片3减少充油腔4体积，贯通孔的设置避免了高温硅油传递压力被陶瓷片3抵消，提高了检测的准确度，具有较好的实用性。
实施例2：
本实施例是在实施例1的基础上进行优化，所述SOI压力敏感芯片5的晶面上沿着晶向并在最大应力处通过浓硼扩散形成4个电阻条，且4个电阻条连接成惠斯通电桥。
所述SOI压力敏感芯片5的衬底与顶层硅之间引入一层SiO2形成介质隔离层，在顶层硅沿晶向在受压应力最大位置处使用浓硼扩散工艺制作了一组大小近似相等的电阻条，电阻条互联形成惠斯通电桥，正面键合硼硅玻璃形成真空腔，背面采用深硅刻蚀形成感压膜。本发明使用SiO2作为介质隔离层替代了传统的PN结隔离，该绝缘隔离方式使器件与衬底之间不存在电流通道，规避了体硅电路中常见闩锁效应，提高了电路的可靠性。
本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例是在实施例1或2的基础上进行优化，所述SOI压力敏感芯片5的底部设置有锥形孔，所述金属导线9伸入填充有导电银浆的锥形孔中，实现电连接。
进一步地，所述SOI压力敏感芯片5的底部设置有5个锥形孔。
本发明使用无引线封装技术对SOI压力敏感芯片5进行封装，在芯片的硼硅玻璃上通过微加工的方法制作出外引线连接锥形孔，然后将SOI压力敏感芯片5与玻璃绝缘子6过玻璃烧结的方法封接在一起，金属导线9通过银浆烧结的方式与锥形孔实现电连接，可耐温度达300℃，可满足使用温度达300℃各种高温压力测量***使用要求。
本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例是在实施例1的基础上进行优化，如图1所示，所述SOI压力敏感芯片5、金属导线9、玻璃绝缘子6、壳体8一体化烧结成型。
本发明采用无引线高温烧结组成所述耐高温充油SOI压力传感器，采用SOI硅压阻敏感芯片、壳体8、玻璃绝缘子6与金属导线9烧结组成感压基座，与金丝搭线封装方式相比，体积小巧，体积不大于直径Φ13mm×长度12.5mm。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
实施例5：
本实施例是在实施例1的基础上进行优化，使用高真空硅油灌充***（真空度10- 4Pa）进行高温硅油灌充，该***采用高温净化、高真空度灌充的方式进行硅油灌充，灌充后的高温硅油在密封环境下可满足-60℃~250℃的宽温区高稳定性使用要求，所述充油腔4的底部使用钢珠7焊接密封。充油腔4底部使用的密封件为硬密封，钢珠7精度在0.2mm以上。
进一步地，所述压环1与壳体8焊接，所述陶瓷片3与充油腔4粘接。焊接的连接方式有利于提高传感器的连接强度；陶瓷片3与充油腔4通过环氧胶粘接。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
实施例6：
一种耐高温充油SOI压力传感器，如图1所示，包括：使用MEMS工艺加工成的SOI压力敏感芯片5，且底部制有锥形孔，以与金属导线9对位固定。所述金属导线9穿过玻璃绝缘子6，并伸入填充有导电银浆的锥形孔中。连同固定在SOI压力敏感芯片5下方的玻璃绝缘子6与壳体8一体高温烧结组成承受被测压力的基座。所述外壳8的顶部依次焊接有压环1和波纹膜片2，并形成密闭的充油腔4，使用环氧胶将陶瓷片3固定在充油腔4内，以减少充油腔4体积，充油腔4中填充有高温硅油，充油腔4使用钢珠7焊接密封。
SOISOI压力敏感芯片5的衬底与顶层硅之间引入一层SiO2形成介质隔离层，在顶层硅沿晶向在受压应力最大位置处使用浓硼扩散工艺制作了一组大小近似相等的电阻条，电阻条互联形成惠斯通电桥，正面键合硼硅玻璃形成真空腔，背面采用深硅刻蚀形成感压膜。当SOI压力传感器受到压力时，波纹膜片2将压力通过高温硅油传导至SOI压力敏感芯片5，SOI压力敏感芯片5受到高温硅油传递的压力，导致感压膜产生弹性形变，感压膜上的应力变化导致电阻产生变化，惠斯通电桥失去平衡，产生随电阻率变化的电压信号，SOI压力敏感芯片5在电压或电流激励下，通过金属导线9输出与被测压力成比例的模拟电压测量信号。
本发明通过高温硅油避免了SOI压力敏感芯片5与待测介质的直接接触，保护了芯片；使用陶瓷片3减少充油腔4体积，贯通孔的设置避免了高温硅油传递压力被陶瓷片3抵消，提高了检测的准确度。本发明实现了高温环境下压力测量，同时具有动态特性好、耐高温（220℃）、精度高的特点，具有较好的实用性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种耐高温充油SOI压力传感器，其特征在于，包括壳体（8），所述壳体（8）的顶部设置有压环（1），所述压环（1）的内部设置有波纹膜片（2），且压环（1）、波纹膜片（2）以及壳体（8）的上部构成密闭的充油腔（4），所述充油腔（4）通过真空度为10-4Pa的高真空硅油灌充***进行高温净化、高真空度高温硅油灌充；所述壳体（8）的内部密封设置有玻璃绝缘子（6），所述玻璃绝缘子（6）的顶部设置有SOI压力敏感芯片（5），金属导线（9）的一端穿过玻璃绝缘子（6）并与SOI压力敏感芯片（5）的底部电连接；所述SOI压力敏感芯片（5）位于充油腔（4）内，所述SOI压力敏感芯片（5）与高温硅油接触，所述SOI压力敏感芯片（5）与波纹膜片（2）之间设置有陶瓷片（3），所述陶瓷片（3）的中部设置有贯通孔。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温充油SOI压力传感器，其特征在于，所述SOI压力敏感芯片（5）的晶面上沿着晶向并在最大应力处通过浓硼扩散形成4个电阻条，且4个电阻条连接成惠斯通电桥。
3.根据权利要求2所述的一种耐高温充油SOI压力传感器，其特征在于，所述SOI压力敏感芯片（5）的底部设置有锥形孔，所述金属导线（9）伸入填充有导电银浆的锥形孔中，实现电连接。
4.根据权利要求3所述的一种耐高温充油SOI压力传感器，其特征在于，所述SOI压力敏感芯片（5）的底部设置有5个锥形孔。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种耐高温充油SOI压力传感器，其特征在于，所述SOI压力敏感芯片（5）、金属导线（9）、玻璃绝缘子（6）、壳体（8）一体化烧结成型。
6.根据权利要求1所述的一种耐高温充油SOI压力传感器，其特征在于，所述充油腔（4）的底部使用钢珠（7）焊接密封。
7.根据权利要求1所述的一种耐高温充油SOI压力传感器，其特征在于，所述压环（1）与壳体（8）焊接，所述陶瓷片（3）与充油腔（4）粘接。
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- 2021-06-22 CN CN202110693944.1A patent/CN113624368A/zh active Pending
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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