CN1172169C - 硅蓝宝石力敏传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅蓝宝石力敏传感器及其制备方法，它包括钛合金应力杯及组装其上的硅蓝宝石应变片、焊盘和引线座组件，其技术要点是将应变片与应力杯封接成一体，应变片实时测量刻阻后，外引线电极通过固定在绝缘体上的引线座组件与焊盘相接。其操作步骤是将硅蓝宝石外延薄片掺杂；退火与氧化；刻焊盘窗口；掩膜溅铂；划片；封接与合金化同步进行；激光刻阻；装配；测试检验，即制成硅蓝宝石力敏传感器。它不仅结构可靠，装配容易，保持现有硅蓝宝石力敏传感器的优点，充分发掘出其应有性能，而且制造工艺简单，省工、省料，生产效率高，显著降低制造成本，提高产品的质量和测量精度，有效消除对环境的污染和对操作者的伤害。
Description
技术领域
本发明涉及一种制作测量液体及气体的动态或静态压力的传感器及其制备方法，特别是一种适用于高温测量的硅蓝宝石力敏传感器及其制备方法。
背景技术
众所周知，高纯单晶体蓝宝石-三氧化二铝单晶体，其结晶情况与单晶硅相类似。因此，在蓝宝石基片上可以利用外延技术生长出单晶硅来。并且品质可以达到制造集成电路要求。利用蓝宝石-硅的外延薄片，可以制成测量应力的电子器件-应变片。利用该应变片，可以制成高级力敏传感器。
这种力敏传感器具有以下特点：在量程范围内无泄漏，安全性高；滞后小，蠕变小；输出信号大，最大400mV.DC/mA.DC；比传统应变片高出近2个数量级；硅电阻之间，绝缘电阻高，几乎无漏电；使用温区宽，抗污染；抗核辐射；抗振性能好；量程宽广，如：从0～10KPa至0～700MPa，(或0～0.01N至0～108N)都能实现；长期稳定性好，寿命长。正因为如此，也就确定了它是目前世界上最好的传感器之一。从60年代，就广泛地引起航空、航天、军事方面的重视。前苏联和美国相继制成了用于火箭及飞机上的硅蓝宝石压力传感器。除用于军事上外，在工业(仪表)变送器上也采用硅蓝宝石传感器，现有硅蓝宝石传感器的加工工艺比较复杂，其传统的制备方法是采用先刻后贴的工艺。其制备方法主要包括：
利用200μm厚的蓝宝石片进行：抛光；外延2μm厚的单晶硅；在硅中掺入杂质，形成P型硅；再进行退火；氧化硅表面形成SiO2层；刻制应变电阻及40多个补偿电阻调制电阻网络，(电阻表面虽有SiO2层保护，但电阻断层处硅已裸露出)；刻制焊盘窗口(去除焊盘处的SiO2层，露出硅层)；真空镀铝；合金化处理(即硅铝合金化)；刻铝焊盘；测试；去除铝焊盘(封接时要加高温，铝要与硅剧烈化合)；划片，制成应变片；严格清洗应变片；在真空下进行焊接。利用银铜焊片将硅蓝宝石应变片焊接到应力杯上；对封接焊完的器件，进行掩膜镀制铝焊盘；硅铝合金化(既使在真空下因钛吸气，易造成铝氧化)；测试；固定绝缘子及引线外焊点(一般用胶粘接到应力杯上去)；压焊内引线；进行测试；进行零点调整；进行反复零点温度补偿、测量等操作。在整个制造过程中，经过40多道工序，制出力敏传感器。在应用中还必须对传感器进行非线性补偿和进行灵敏度温度漂移补偿(这些非线性与温度漂移主要是由于封接造成的)。这种传感器的加工工艺复杂，流程长，费工、费料，其中任何一道工序出差错，传感器都会报废。特别是以下工序还存在着难以克服的问题：
一、将硅-蓝宝石应变片刻蚀好后，再封接到钛合金应力杯上。其存在：
1、在封接过程中单晶硅应变电阻容易偏离，很难与应力杯上的杯内应变区(内径)相对称，封接偏移会使传感器的非线性增大，成品率低；
2、由于应力杯封面与应变片封接面间不平，所以应变片与应力杯封为一体后，会产生封接应力，使传感器的输出特性发生畸变；
3、焊料封接时，由于焊料流动造成焊层不均匀，亦产生应力；
4、在封接过程中由于应力杯及其夹具局部放气，使硅阻条断层局部氧化不匀均，电阻发生变化，将造成传感器零点发生变化，满量程非线性变化在受温度影响时，温度漂移变大。
二、在加工应变片过程中先蒸镀一层铝膜，在封装前必须去除。因为封装应变片到应力杯上时，封接温度为700多度。铝与硅要发生严重的化合反应。在铝去除后，硅窗口上易残存化药和残物，在封接高温下易形成不利于欧姆接触的隔离层。
三、铝焊盘(膜层)与内引线金丝压焊后，易形成紫斑，易损坏，只能在150℃以下工作。压焊硅丝后，也只能是在200℃以下使用。
四、因为是在薄膜上压焊内引线，所以抗振性能差，将影响传感器的使用性能和使用寿命。
五、在传感器加工过程中，大量使用有毒有害物质，必须严加防护，增加制造成本，一旦泄露，不仅对环境造成污染，而且损害操作者的健康。
因此，现有传感器的制作工艺急待改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种硅蓝宝石力敏传感器及其制备方法，它不仅结构可靠，装配容易，保持现有硅蓝宝石力敏传感器的优点，充分发掘出其应有性能，而且制造工艺简单，省工、省料，生产效率高，显著降低制造成本，提高产品的质量和测量精度，有效消除对环境的污染和对操作者的伤害。
本发明的目的是这样实现的：该硅蓝宝石力敏传感器包括钛合金应力杯及组装其上的硅蓝宝石应变片、焊盘和引线座组件，其技术要点是通过静电封接或分子键合，将硅蓝宝石薄片与钛合金应力杯焊成一体，以应力杯内径为应力区定位，对应变片实时测量刻阻形成应变电阻后，将引线座组件固定在绝缘体上，外引线电极固定在引线座组件的引线筒上端或固定在引线座组件的引线焊盘上，通过引线筒内带弹簧的镀金触头或通过引线焊盘上的金丝、硅铝丝与焊盘相接。
上述固定引线座组件的绝缘体组装在与钛合金应力杯封接成一体的钛合金支撑套上，引线座组件的引线筒上端固定外引线电极，引线筒内连接固定在焊盘上的带弹簧的镀金触头。
上述固定引线座组件的绝缘体直接与钛合金应力杯封接成一体，引线焊盘一端固定外引线电极，另一端通过金丝或硅铝丝连接焊盘。
该硅蓝宝石力敏传感器工艺流程包括以下操作步骤：
将集成电路用的硅蓝宝石外延薄片进行离子掺杂；硅蓝宝石片进行退火与硅表面氧化，形成致密的SiO2层；按预定方向刻制应变电阻焊盘或触盘硅窗口；掩膜溅射铂；划片；将硅蓝宝石应变片采用静电封接或分子键合封接到应力杯上，构成一体；以应力杯内径为应力区，定位，进行实时测量刻阻形成应变电阻；将事先预制好的引线座组件，按应力杯上的标记封装上，测试检验，即制成硅蓝宝石力敏传感器。
由于本发明取消现有硅蓝宝石力敏传感器的先刻后贴工艺，即将硅-蓝宝石应变片刻蚀好后，再封接到钛合金应力杯上，而是采用先贴后刻工艺，即先将硅蓝宝石应变片利用掩膜法镀上铂触盘；在真空下将硅蓝宝石应变片采用静电封接或分子键合封接到应力杯上，构成一体；在700多度高温下，铂触盘同硅进行合金化，形成牢固稳定的电极；再以钛合金应力杯的应力区为定标点，在激光刻阻机上进行实时测量刻阻，将惠斯顿电桥的四只桥阻按设计要求加工出来，每个电阻阻值及形状十分接近，桥路输出接近于零，电阻分布准确，所以不用再进行电阻调整，不用补偿零点，不用非线性修正，不用灵敏度温度漂移补偿。电阻断面形成致密氧化层，长期稳定性好。该硅蓝宝石力敏传感器适应性强，可以做工业自动化仪表用，又可以用于各种发动机，如航发与火箭、核反应堆、汽车发动机上都可以用于测压；该方法不仅制造工艺简单，结构可靠，装配容易，几乎不用有毒有害化学物质，而且省工、省料，制造生产效率高。因此，显著降低制造成本，造价只有现有产品的1/10～1/20，明显提高产品的质量和测量精度，有效消除对环境的污染和对操作者的伤害，从根本上克服了现有技术存在难以克服的问题。
附图说明
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是现有制作工艺生产的硅蓝宝石压力传感器结构示意图。
图2是本发明制作工艺生产的硅蓝宝石压力传感器结构示意图。
具体实施方式
根据图1-2详细说明本发明的具体结构及其制备方法。包括钛合金应力杯1及组装其上的硅蓝宝石应变片2、焊盘和引线座组件，将硅蓝宝石应变片2与钛合金应力杯1采用静电封接或分子键合焊成一体，封做内引线焊盘4，以应力杯1内径为应力区定位，对应变片2实时测量刻阻形成应变电阻3后，外引线电极7通过固定在绝缘体8上的引线座组件与焊盘4相接。根据实际使用要求该引线座组件可以制成两种结构形式，其一如图1所示，即固定引线筒6的绝缘体8组装在与钛合金应力杯1封接成一体的钛合金支撑套9上，引线筒6上端固定外引线电极7，引线筒6筒内连接固定在焊盘4上的带弹簧的镀金触头5。其二如图2所示，固定引线焊盘10的绝缘体13直接与钛合金应力杯1封接成一体，引线焊盘10一端固定外引线电极11，另一端通过金丝或硅铝丝12连接焊盘4。
该硅蓝宝石力敏传感器工艺流程包括以下操作步骤：将集成电路用硅蓝宝石外延薄片，采用离子扩散或离子注入进行离子掺杂；硅蓝宝石片进行退火与硅表面氧化，形成致密的SiO2层；按预定方向刻制应变电阻焊盘或触盘硅窗口(在窗口上去除SiO2层)；掩膜溅射铂(如采用铝焊盘，封接后再真空镀铝)；划片；通过静电或其它分子键合将硅蓝宝石薄片封到应力杯上。如果是铂焊盘，就采用700℃的真空下进行静电封接或银铜焊接，同时也就进行了铂与硅的接触层上的微层合金化，形成良好牢固的结合与欧姆接触。如果采用铝焊盘，封接完硅蓝宝石应变片后，还要进行掩膜真空镀铝，同时进行硅铝合金化；以应力杯内径为应力区，定位，在激光刻蚀机(激光微调刻阻机)进行实时测量刻阻形成应变电阻。将惠斯顿电桥的四只桥阻按设计要求加工出来；然后装配：测试检验，即制成硅蓝宝石力敏传感器。
根据图1所示，将事先预制好的带有弹簧的镀金触头5、带有固定管的引线筒6、外引线电极7、固定引线筒6的绝缘体8、固定绝缘体8的钛合金支撑套9等组件，按应力杯1上的标记封装上，就制好了力敏传感器。
根据图2所示，先将绝缘体13、引线焊盘10、外引线电极11等预制件，固定到应力杯1上，用压焊机将金丝或硅铝丝12压焊到焊盘4和引线焊盘10上，形成力敏传感器。其中焊盘4为铝焊盘(或铂+钛+铂+金。但，铂+钛+铂+金焊盘制作太麻烦，造价太高，一般不用)。外引线电极11可以用软导线制作，引线焊盘10直接固定在绝缘体13上，绝缘体13直接固定到应力杯1上。
在焊盘4上再镀上钛、铂、金，用于焊金丝内引线，可以在400℃以下的高温区工作。用带弹簧的镀金触头5直接与镀铂焊盘4实现欧姆接触，耐高温、抗振性好，可以在400℃以下，在强振动下工作。
Claims (4)
1、一种硅蓝宝石力敏传感器，包括钛合金应力杯及组装其上的硅蓝宝石应变片、焊盘和引线座组件，其特征在于通过静电封接或分子键合，将硅蓝宝石应变片与钛合金应力杯焊成一体，以应力杯内径为应力区定位，对应变片实时测量刻阻形成应变电阻后，将引线座组件固定在绝缘体上，外引线电极固定在引线座组件的引线筒上端或固定在引线座组件的引线焊盘上，通过引线筒内带弹簧的镀金触头或通过引线焊盘上的金丝、硅铝丝与焊盘相接。
2、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：固定引线座组件的绝缘体组装在与钛合金应力杯封接成一体的钛合金支撑套上，引线座组件的引线筒上端固定外引线电极，引线筒内连接固定在焊盘上的带弹簧的镀金触头。
3、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：固定引线座组件的绝缘体直接与钛合金应力杯封接成一体，引线焊盘一端固定外引线电极，另一端通过金丝或硅铝丝连接焊盘。
4、一种权利要求1所述硅蓝宝石力敏传感器的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：
将集成电路用的硅蓝宝石外延薄片进行离子掺杂；硅蓝宝石片进行退火与硅表面氧化，形成致密的SiO2层；按预定方向刻制应变电阻焊盘或触盘硅窗口；掩膜溅射铂；划片；将硅蓝宝石应变片采用静电封接或分子键合封接到应力杯上，构成一体；以应力杯内径为应力区，定位，进行实时测量刻阻形成应变电阻；将事先预制好的引线座组件，按应力杯上的标记封装上，测试检验，即制成硅蓝宝石力敏传感器。
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