高过载背压式绝压传感器模块的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了高过载背压式绝压传感器模块，包括盖板、硅芯片以及金属基座，硅芯片上设置有硅弹性膜区，盖板与硅芯片的正面密封连接，盖板上设置有背腔形成绝压真空腔，所述硅弹性膜区位于该绝压真空腔中，绝压真空腔内的铝引线与腔外的铝热压脚电连接，硅芯片背面与金属基座连接，金属基座上设置有容置外部被测介质的通道，硅芯片的背面对应通道设置有背腔区，背腔区与所述硅弹性膜区对应，所述背腔内朝向硅芯片的正面延伸出有限位岛，该限位岛与所述硅芯片的硅弹性膜区之间存在限位间隙，实现了背压式绝压传感器的高过载性能，结构简单，过载能力大，实施成本低廉，很好的适应了国内外对压敏传感器的需求。
【专利说明】高过载背压式绝压传感器模块
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及压敏传感器，具体来说是高过载背压式绝压传感器模块。
【背景技术】
[0002]由于硅压力传感器芯片的正面存在不能接触腐蚀性气体或液体的金属引线(一般为铝引线)，虽然采用了凝胶保护硅片表面，但其可靠性并不高，仅适用于防潮的应用中，无法浸泡在水中工作；而用不锈钢波纹膜充油体保护芯片表面，虽然能够达到接触水和油等介质的目的，但制造工艺较复杂，成本很高，很难让传感器价格下浮。因此目前国内外在传感器芯片的封装技术上逐步开始向背压式结构发展。采用背压式结构需要解决过载能力问题:由于背压式结构的过载压力是从背面引入的，而芯片正面没有实现过载限位的岛膜结构，因此普通的背压式传感器芯片只能承受最多2.5倍的过载压力。
[0003]传感器在不同的使用场合下，需要二种不同的压力参考形式，即表压和绝压两种，表压是相对于一个大气压强而言，正面可暴露在空气中，检测的压力从芯片背部引入，压力强度的计量是以一个大气压强作为计量的坐标原点，而在某些特殊场合下，需要测量绝对的压力强度数据，例如在海拔高度的测量中，我们需要测量该高度下的绝对压力大小，因此计量的坐标原点必须是接近于零的压力强度，这样芯片的硅弹性膜区就必须处于真空的腔体中，才能满足上述计量要求。
[0004]另外，还需要解决硅芯片与金属基座的连接问题。目前国内许多传感器公司采用高分子有机化合物(类似于环氧树脂等)作粘结剂，让芯片背面与金属基座连接在一起，保证不泄漏。这种结构在传感器工作环境温度低于80°C时，是一种成本低廉的封装结构，但当传感器工作在较高温度时，因大多数高分子有机化合物粘结剂在高于110°C的环境下就会软化，降低了粘结强度，容易造成传感器输出不稳定，甚至失效。
实用新型内容
[0005]为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种高过载背压式绝压传感器模块及其制造工艺，解决了过载限位问题。
[0006]本实用新型解决技术上述技术问题所采用的技术方案是:
[0007]高过载背压式绝压传感器模块，包括盖板、硅芯片以及金属基座，硅芯片上设置有硅弹性膜区，盖板与硅芯片的正面密封连接，盖板上设置有背腔形成绝压真空腔，所述硅弹性膜区位于该绝压真空腔中，绝压真空腔内的铝引线与腔外的铝热压脚电连接，硅芯片背面与金属基座连接，金属基座上设置有容置外部被测介质的通道，硅芯片的背面对应通道设置有背腔区，背腔区与所述硅弹性膜区对应，所述背腔内朝向硅芯片的正面延伸出有限位岛，该限位岛与所述硅芯片的硅弹性膜区之间存在限位间隙。
[0008]作为上述技术方案的改进，所述限位岛与硅芯片的硅弹性膜区之间的限位间隙为4?6 μ m0
[0009]作为上述技术方案的进一步改进，所述绝压真空腔内的铝引线和铝热压脚通过硅芯片上的浓硼埋层引线实现电连接。
[0010]优选的，所述硅芯片的硅弹性膜区为由梁区和膜区构成的梁膜区，在所述梁区内设置四个压敏电阻构成惠斯顿电桥，膜区厚度为梁区厚度的二分之一。
[0011]进一步，所述梁区包括依次排列的边窄梁区一岛区一中心宽梁区一岛区一边窄梁区，在所述中心宽梁区上设置两个所述压敏电阻，两个边窄梁区上各设置一个所述压敏电阻，所述岛区的长度为边窄梁区或中心宽梁区长度的2倍以上。
[0012]进一步，所述金属基座为具有与硅芯片相同数量级的热膨胀系数的可阀金属，硅芯片的背部采用真空镀膜工艺生成一层钛镍银或铬镍金背金层，金属基座与背金层在高温下形成共晶层。
[0013]优选的，还包括软金属基座，软金属基座由比可阀金属软的金属材料制成，所述金属基座上设置有密封槽和应力隔离缺口，将金属基座压入软金属基座的安装孔位中，金属基座在压入的过程中对安装孔位的内壁进行推挤，使得安装孔位内壁塑性变形而填充所述密封槽，所述应力隔离缺口比密封槽更靠近硅芯片，且不与安装孔位内壁接触形成应力隔
WW
两7I曰O
[0014]进一步，所述盖板静电键合在硅芯正面，或者盖板与硅芯片的正面共晶结合，或者盖板涂胶粘结在硅芯片的正面。
[0015]本实用新型的有益效果是:本实用新型通过在盖板上设置背腔形成绝压真空腔，在背腔内朝向硅芯片的正面延伸出有限位岛，该限位岛与硅芯片的硅弹性膜区之间存在限位间隙，实现了背压式绝压传感器的高过载性能，结构简单，过载能力大，制造工艺简单，实施成本低廉，很好的适应了国内外对压敏传感器的需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本实用新型高过载背压式绝压传感器模块(隐藏掉金属基座和软金属基座)的正面示意图；
[0017]图2是图1中A-A’截面的剖面示意图；
[0018]图3是本实用新型高过载背压式绝压传感器模块的结构示意图；
[0019]图4是本实用新型共晶装配示意图；
[0020]图5是本实用新型中硅芯片与盖板的结构示意图；
[0021]图6是本实用新型中由梁区和膜区构成的梁膜区的结构示意图；
[0022]图7是图6中截面B-B’的首I]面不意图；
[0023]图8是图6中截面C-C’的剖面示意图；
[0024]图9是本实用新型中的惠斯顿电桥；
[0025]图10是本实用新型中梁膜区的应力分布示意图；
[0026]图11?图24是对应制造方法步骤的说明示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的说明。
[0028]参照图f图10，本实用新型的高过载背压式绝压传感器模块，包括盖板1、硅芯片2以及金属基座3，盖板I设置在硅芯片2的正面，用以保护硅芯片2表面，硅芯片2上设置有硅弹性膜区，硅芯片2的背面与金属基座3连接，金属基座3上设置有容置外部被测介质的通道31，硅芯片2的背面对应通道31设置有背腔区21，背腔区21与所述硅弹性膜区对应，背腔区21的深度决定了硅弹性膜区的厚度，硅弹性膜区的厚度越大即背腔区21越浅，则硅芯片被测的量程越大，反之越小，介质通过引入的通道31和背腔区21后对硅弹性膜区施加压力，使得硅弹性膜区发生形变，所述盖板I与硅芯片2的正面密封连接，为实现密封连接，盖板I可通过静电键合在硅芯片2正面，盖板I采用GG-17玻璃或单晶硅制成，为了实现静电键合，在硅芯片2的键合接触面刻去表面的二氧化硅/氮化硅复合膜，形成静电键合面25，盖板I的边框与静电键合面25需要在真空条件下实现键合，在盖板I上设置有背腔形成绝压真空腔D，所述硅弹性膜区位于该绝压真空腔D中，绝压真空腔D内的铝引线26与腔外的铝热压脚4电连接，铝热压脚4是在绝压真空腔D外的硅芯片表面，通过超声键压与铝丝外引线相连，所述背腔内朝向硅芯片2的正面延伸出有限位岛11，该限位岛11与所述硅芯片2的硅弹性膜区之间存在限位间隙X。
[0029]在本实施例中，所述限位岛11与硅芯片2的硅弹性膜区之间的限位间隙X优选为4~6 μ m0盖板I上限位岛11的制造过程如下:在盖板I的背面真空镀膜一层金，通过光刻背腔所在区域使得背腔所在区域下沉4飞微米，然后再真空镀膜一层金，光刻限位岛11以外的背腔所在区域，再深刻蚀100微米，形成所要求的盖板。
[0030]所述绝压真空腔D内的铝引线26和铝热压脚4通过硅芯片2上的浓硼埋层引线5实现电连接。用GG-17玻璃或单晶硅与硅芯片2表面进行800V以上的高压静电封接时，要求静电封接面必须是光洁而平整的硅表面，为此，本实用新型中采用离子束注入工艺，在硅表面先热氧化生成一层70(T900 A的二氧化硅，然后用光刻胶作钝化膜，在需要离子注入区暴露氧化层，硼离子通过薄氧化层打入硅表面，其他区域有光刻胶作钝化膜而无法注入硅表面，形成了局部扩散工艺，离子束注入工艺完成后，漂净表面氧化层就暴露光洁、明亮、平整的硅表面，因这种硅表面由于不存在因多次氧化而形成的台阶，不会造成绝压真空腔D的泄漏现象，很好的解决了绝压真空腔D的腔内和腔外的电性能连接。
[0031]在本实施例中，所述硅芯片2的硅弹性膜区为由梁区22和膜区23构成的梁膜区，在所述梁区22内设置四个压敏电阻24构成惠斯顿电桥，所述膜区23厚度为梁区22厚度的二分之一。这就使得作用于膜区23的压力会集中到梁区22上，其工作原理如同帆船上的帆布，当风力作用在帆布上时，帆布上的作用力会集中到与帆布相连的旗杆上，推动船只向前行驶，大大的提高了硅弹性膜区的灵敏度。
[0032]作为本实施例的进一步改进，具体参见图1和图6，所述梁区22包括依次排列的边窄梁区221—岛区222—中心宽梁区223—岛区222—边窄梁区221，在所述中心宽梁区223上设置两个所述压敏电阻24，两个边窄梁区221上各设置一个所述压敏电阻24，中心宽梁区223的宽度b’最好为边窄梁区221宽度a’的两倍，以适应压敏电阻24的数量布置，所述岛区222的长度d’为边窄梁区221或中心宽梁区223长度c’的2倍以上，边窄梁区221和中心宽梁区223的长度相同。由于岛区222的长度d’比边窄梁区221或中心宽梁区223的长度c’大一倍以上，这种结构可近似把岛区222看成不会变形的刚体，而边窄梁区221和中心宽梁区223在应力的作用下发生形变，从而使得应力进一步集中到中心宽梁区223和边窄梁区221，岛区222起到非线性内补偿作用，当应力从正面作用时，两个边窄梁区221产生正应力，而中心宽梁区产生负应力，可在中心宽梁区制作R2和R3两个压敏电阻，在两个边窄梁区分别制作Rl和R4压敏电阻，如图9和图10所示，显然正应力和负应力的作用使得桥路失去平衡，在桥路的输出端输出与压力成线性关系的电信号，由于边窄梁区221内的应力变化与梁区位置成线性关系，所以这种结构具有非线性的自补偿作用，其中在图10中，a表示中心宽梁区，b表示岛区，c表示边窄梁区，E表示梁膜区的应力变化曲线。
[0033]上述的梁膜结构还具有加工精度要求低等特点，由图6可以看出，梁膜区光刻和压敏电阻区光刻均在单面(硅芯片2的正面)完成，不需要通过双面光刻机来完成，这就大大的提高了光刻精度，并且，由于背腔区21的面积要比梁膜区大很多，即使在双面光刻背腔区21过程中引进10-20微米的套准误差，也不会引起梁膜区域压敏电阻区之间相对位置的变化，确保了测量灵敏度。另外，上述的梁膜结构还具有如下优点:当背腔区21的腐蚀深度完成以后，如果发现抽样检测的硅芯片灵敏度太低，可以采用干法刻蚀法对正面的硅弹性膜区减薄，达到提高灵敏度的目的，需要指出的是，采用ICP干法刻蚀法仅对暴露的硅弹性膜区有刻蚀作用，而对硅芯片2正面的其他区域由于有氮化硅和二氧化硅复合膜保护与铝引线覆盖，对ICP刻蚀气体具有钝化作用，不会受到影响。
[0034]作为本实施例的优选，所述金属基座3为具有与硅芯片2的相同数量级的热膨胀系数的可阀金属，硅芯片2的背部采用真空镀膜工艺生成一层钛镍银或铬镍金背金层6，金属基座3与背金层6在高温下形成共晶层。其共晶工艺方法是先把硅芯片2放在模具7的底部，硅芯片2的正面朝下，背面朝上，在金属基座3的表面通过丝网印刷的方法涂抹一薄层金属焊剂，然后将金属基座3扣在模具7中，利用金属基座3的自重与硅芯片2背面边框的背金层6相接触，再在金属基座3的背面压上后压板8，把装配好的模具放在高温(300°C)下，通过金属焊接烧结在金属基座3上，使得背金层6与金属基座3之间形成耐高温的固-固结合。这种结构摒弃了传统技术中通过高分子有机化合物作粘结剂的连接方式，确保了硅芯片2的背面与金属基座3连接在一起而不发生泄漏，能够满足传感器模块在高温下工作。
[0035]进一步优选，还包括软金属基座9，软金属基座9由比可阀金属软的金属材料制成，也可以采用铝材质，所述金属基座3上设置有密封槽32和应力隔离缺口，将金属基座3压入软金属基座9的安装孔位91中，金属基座3在压入的过程中对安装孔位91的内壁进行推挤，使得安装孔位91的内壁塑性变形而填充所述密封槽32，所述应力隔离缺口比密封槽32更靠近硅芯片2，且不与安装孔位91的内壁接触形成应力隔离槽92，金属基座3可通过挤压、压锻或冲压的方法压入软金属基座9的安装孔位91中，上述软金属基座9与金属基座3之间的固定方式称作金属流工艺。软金属基座9的设置以及金属流工艺保证了软金属基座9背面受高压作用不泄漏，并且也保证了软金属基座9背部受压时与金属基座3之间通过应力隔离槽92具有应力隔离作用，有效的降低了软金属基座9受到的外界压力对硅芯片2的影响，提闻了测量精度。
[0036]传感器模块的制造工艺，包括如下步骤:
[0037](I)、材料准备:准备SOI绝缘硅片和盖板待用，SOI绝缘硅片为自制或者外购，根据量程的大小决定SOI绝缘硅片表层单晶硅薄膜的厚度，表层单晶硅必须是N-Si，晶向(100)，电阻率是0.8~1.2 Ω-Cm，硅片总厚度为400um±10，如图11所示，其中I’为硅衬底，2’为绝缘膜，3’为单晶硅薄膜。
[0038](2)、将SOI绝缘硅片在80(Tll0(TC下热氧化30~50分钟，本实施例中将SOI绝缘硅片在900°C下热氧化30分钟，得到如图12所示结构，其中4’为薄氧化层。
[0039](3)、光刻浓硼埋层引线区，然后用光刻胶作钝化膜，如图13所示，其中5’为光刻胶；然后采用离子束注入技术，在浓硼埋层引线区中掺入硼原子，使其成为P型导电层，并保证表面的平整，如图14所示。
[0040](4)、光刻压敏电阻区，如图15所示；然后采用离子束注入技术或热扩散技术，在压敏电阻区中掺入硼原子，使其成为P型导电层，如图16所示；
[0041](5)、通过离子束退火兼热氧化工艺，调节电阻区的方块电阻成为所需要的设计值，如图17所示；
[0042](6)、淀积生长氮化硅1500± 100A，通过LPCVD或PECVD淀积生长氮化硅，如图18所示，其中6’为氮化硅，7’为二氧化硅；
[0043](7)、光刻引线孔和静电键合接触区表面及背面的二氧化硅/氮化硅复合膜，如图19所示；
[0044](8)、正面真空镀铝层1.5^2.0 μ m,背面真空镀背金层2.5 μ m，如图20所示，其中8’为铝层，9’为钛镍银合金；
[0045](9)、正面光刻铝电极和铝热压脚，如图21所示，其中10’为铝电极；
[0046](10)、采用双面光刻机，在背面光刻背腔区的背金层，参见图21 ；
[0047](11)、正面用Primer和Protex胶保护，背面腐蚀背腔区至所需要的量程,参见图22 ；
[0048](12)、把盖板通过静电键合工艺与SOI绝缘硅片正面键合在一起，参见图23 ;
[0049](13)、通过共晶工艺，把背金层6与金属基座3的正面结合成密封的共晶层，参见图24 ； [0050](14)通过金属流工艺把金属基座与软金属基座结合在一起，得到图3所示传感器模块。
[0051 ] 在步骤(1)中，自制SOI绝缘硅片的步骤如下:
[0052]a、取二片厚度为0.4-0.6毫米双面抛光、表面平整、晶向为(100)、电阻率为1 Ω-Cm、导电类型为N型的单晶硅片，将其中一片表面热生长二氧化硅I μ m厚度，然后把二片硅片在H2SO4 = H2O2=1:1溶剂中浸泡2~3小时，使硅片表面形成大量OF1原子团，在去离子水中冲洗半小时以上，然后甩干待用；
[0053]b、在超净化室内，把步骤a中具有氧化层的一片硅片放在予键合夹具中，让硅片的(110)晶向切边靠紧夹具的对准边，然后把另一片覆盖在其上面，并把二片硅片的(110)晶向切边对齐并紧靠夹具的对准边；
[0054]C、在硅片的重心位置加压，使二片硅片的接触面由中心点向四周径向延伸，通过OF1原子团的键结合，使二片硅片吸附在一起；
[0055]d、把步骤c中得到的硅片放在900°C高温下热处理8小时，然后把键合后的硅片正面采用减薄抛光机减薄至2~10 μ m，最终形成SOI绝缘硅片。
[0056]为实现盖板I与硅芯片2的正面密封连接，也可将盖板I与硅芯片2的正面共晶结合，采用共晶结合工艺的盖板I选用单晶硅，其中共晶结合的工艺与硅芯片2同金属基座3之间形成共晶层的连接方式相同，也即在盖板I的底面设置背金层，然后将背金层与硅芯片2的正面贴合并在高温下形成耐高温且密封性能好的固-固结合；还可以将盖板I涂胶粘结在硅芯片2的正面，只是该种方式不耐高温，只能在低温环境中使用。
[0057]本实用新型通过在盖板I上设置背腔形成绝压真空腔D，在背腔内朝向硅芯片2的正面延伸出有限位岛11，该限位岛11与硅芯片2的硅弹性膜区之间存在限位间隙X，实现了背压式绝压传感器的高过载性能，结构简单，过载能力大，制造工艺简单，实施成本低廉，很好的适应了国内外对压敏传感器的需求。
[0058]以上所述，只是本实用新型的较佳实施方式而已，但本实用新型并不限于上述实施例，只要其以任何相同或相似手段达到本实用新型的技术效果，都应落入本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.高过载背压式绝压传感器模块，包括盖板、硅芯片以及金属基座，硅芯片上设置有硅弹性膜区，盖板与硅芯片的正面密封连接，盖板上设置有背腔形成绝压真空腔，所述硅弹性膜区位于该绝压真空腔中，绝压真空腔内的铝引线与腔外的铝热压脚电连接，硅芯片背面与金属基座连接，金属基座上设置有容置外部被测介质的通道，硅芯片的背面对应通道设置有背腔区，背腔区与所述硅弹性膜区对应，其特征在于:所述背腔内朝向硅芯片的正面延伸出有限位岛，该限位岛与所述硅芯片的硅弹性膜区之间存在限位间隙。
2.根据权利要求1所述的高过载背压式绝压传感器模块，其特征在于:所述限位岛与硅芯片的硅弹性膜区之间的限位间隙为4飞μ m。
3.根据权利要求1或2所述的高过载背压式绝压传感器模块，其特征在于:所述绝压真空腔内的铝引线和铝热压脚通过硅芯片上的浓硼埋层引线实现电连接。
4.根据权利要求3所述的高过载背压式绝压传感器模块，其特征在于:所述硅芯片的硅弹性膜区为由梁区和膜区构成的梁膜区，在所述梁区内设置四个压敏电阻构成惠斯顿电桥，膜区厚度为梁区厚度的二分之一。
5.根据权利要求4所述的高过载背压式绝压传感器模块，其特征在于:所述梁区包括依次排列的边窄梁区一岛区一中心宽梁区一岛区一边窄梁区，在所述中心宽梁区上设置两个所述压敏电阻，两个边窄梁区上各设置一个所述压敏电阻，所述岛区的长度为边窄梁区或中心宽梁区长度的2倍以上。
6.根据权利要求5所述的高过载背压式绝压传感器模块，其特征在于:所述金属基座为具有与硅芯片相同数量级的热膨胀系数的可阀金属，硅芯片的背部采用真空镀膜工艺生成一层钛镍银或铬镍金背金层，金属基座与背金层在高温下形成共晶层。
7.根据权利要求6所述的高过载背压式绝压传感器模块，其特征在于:还包括软金属基座，软金属基座由比可阀金属软的金属材料制成，所述金属基座上设置有密封槽和应力隔离缺口，将金属基座压入软金属基座的安装孔位中，金属基座在压入的过程中对安装孔位的内壁进行推挤，使得安装孔位内壁塑性变形而填充所述密封槽，所述应力隔离缺口比密封槽更靠近硅芯片，且不与安装孔位内壁接触形成应力隔离槽。
8.根据权利要求1所述的高过载背压式绝压传感器模块，其特征在于:所述盖板静电键合在硅芯正面，或者盖板与硅芯片的正面共晶结合，或者盖板涂胶粘结在硅芯片的正面。
【文档编号】B81B3/00GK203616041SQ201320789606
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】沈绍群, 罗小勇 申请人:新会康宇测控仪器仪表工程有限公司, 上海旦宇传感器科技有限公司