专利名称：Soi全硅结构充硅油耐高温压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种SOI全硅结构充硅油、高量程、耐高温压力传感器。
技术背景目前，高量程压力传感器普遍采用压电式、应变式或压阻式结构 原理。压电式压力传感器的输出信号为电荷变化量，因此后续的信号 处理电路比较繁琐且压电式压力传感器不适合在高温环境下使用，而 且不具有高过载保护的能力。采用金属应变片作为敏感元件的高量程 压力传感器，该种传感器存在的最大缺点就是输出信号太小，且在高 温环境下，温度对金属应变片的变形影响比较大，影响传感器的输出， 不适用于高温环境。压阻式压力传感器中，最常用的传感器结构为充 硅油全硅压力传感器和干式压阻式压力传感器，而充硅油全硅压阻式压力传感器，普遍采用PN节隔离技术，导致其工作温度最高达到80 'C左右，且由于全硅压力芯片结构的影响，压力量程最高在40MPa 以下；干式压阻式压力传感器，尽管采用了耐高温的一些隔离措施和 技术，具有耐高温和高量程的特点，但由于受到传感器封装结构的影 响，如梁膜式、膜片式等结构导致传感器在高压测量时，具有较大的 线行、迟滞等静态误差。 发明内容本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种SOI全硅 结构充硅油高精度、高量程的耐高温压力传感器，采用静电键合封装技术将硅隔离(SOI)硅微固态压阻芯片与PYREX7740玻璃片在真 空环境下封装结合为一体作为全硅结构的压力传感器的弹性敏感单 元，解决了高温环境下测量大量程压力的难题，同时采用高温充硅油 技术，用波纹片和高温硅油将被测量介质隔离开来，具有动态特性好、 耐高温(>200°C)、精度高、量程大(60~150MPa)、微型化、工作 安全可靠、适应性强的特点。本发明的技术方案是这样实现的本发明包括一配置有空腔的基 座4，基座4空腔上依次配置有波纹膜片7和压环5，电极l通过玻 璃绝缘子2与基座4相固接，基座4空腔内还配置一 (100)晶面的 全硅SOI压力芯片9，全硅SOI压力芯片9在真空环境下与 PYREX7740玻璃6通过静电键合封接在一起，基座4空腔中充填有 高温硅油13，全硅SOI压力芯片9上的压焊块与电极1之间通过超 声热压焊用金丝8连接。所说的全硅SOI压力芯片9上沿着[110]晶向在应力最大处布置 有电阻条R1、 R2、 R3禾PR4，电阻条Rl的一端与压焊块15连接， 电阻条Rl和R2通过一公共的压焊块16连接，电阻条R2和R3通 过一公共的压焊块17连接，电阻条R3和R4通过一公共的压焊块18 连接，电阻条R4的另外一端与压焊块19连接。压焊块l 5、 1 6、 17、 1 8或1 9采用钛-钼-金(Ti-Pt-Au)梁式引线技术，亦即与 电阻条接触的金属为钛，中间的阻挡扩散金属为铂，外界梁金属为金，三者的厚度比为500: 500: 3000 (单位A)。
所说的S0I压阻电阻条R1、 R2、 R3或R4包括一多折结构的浮 雕压敏电阻条20及与之一端相连接的梁式引线21，梁式引线21采 用钛-铂-金(Ti-Pt-Au)引线技术，亦即与电阻条接触的金属为钛， 中间的阻挡扩散金属为铂，外界梁金属为金，三者的厚度比为500: 500: 3000 (单位A)，实现浮雕压敏电阻条20与金丝8之间的电气 连接。
全硅SOI压力芯片9的SOI膜结构包括一硅基底26，在硅基底 26上，通过高能氧离子注入工艺形成二氧化硅隔离层22，其厚度为 0.375um;在二氧化硅隔离层22上有作为测量电路压阻条的SOI硅层 24,其厚度为1.6um;在SOI硅层24上配有应力匹配氮化硅层25， 其厚度O.lum。全硅SOI压力芯片9为正方形结构，全硅SOI压力芯 片9的厚度为标准硅片厚度值0.525mm,正方形芯片外形尺寸的边 长设计为2mm，背腔边长尺寸设计为lmm,背腔深度加工尺寸为 0.15mm。
由于本发明的全硅结构电路转换元件是采用MEMS技术和SOI 技术中的SIMOX技术制作的浮雕式硅微固态压阻芯片，由SIMOX
技术制作的Si02层将芯片内的测量电路层与硅基底隔离开来，解决
了在大于20(TC的应用环境下因采用常规pn结隔离的芯片产生漏电 路的问题，因而该类芯片可用于高温环境(》200°C)。另外高量程高 温压力传感器的弹性元件及敏感元件采用全硅结构正方形平膜结构， 通过对正方形硅膜结构参数即厚度和边长的设计，可设计出量程为60 150MPa的高量程压力传感器。由于半导体硅的良好的机械特性， 同时作为传感器转换电路的压阻惠斯登测量电桥集成制造在全硅结 构正方形平膜结构上，这样传感器的弹性和敏感元件与转化电路之间 集成为一体，大大降低了传感器在测量过程中的迟滞、重复性误差， 从而提高传感器的测量精度，可以广泛适用与石油测井、工业自动化、 动力装备以及国防研究等领域的高温、高压下高精度压力测量的需 要。
图1为本发明充硅油的SOI压力测量传感器结构原理图。 图2为本发明未充硅油的SOI压力测量传感器结构原理图。 图3为本发明机械结构件之间的装配关系图。 图4为本发明SOI全硅敏感元件结构图。 图5为本发明SOI压阻电阻结构图。 图6为本发明的测量原理图。 图7为SOI膜结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理做详细说明。 参照图1、图2和图3，本发明包括一配置有空腔的基座4，基 座4的空腔与一销钉孔y相连通，基座4空腔上依次配置有波纹膜 片7和压环5，波纹膜片7、压环5以及基座4之间通过激光焊接连 接在一起，电极1通过玻璃绝缘子2与基座4相固接，基座4空腔内 还配置一 (100)晶面的全硅SOI压力芯片9，全硅SOI压力芯片9在真空环境下与PYREX7740玻璃6通过静电键合封接在一起，高温 硅油13在真空的环境下通过销钉孔y充填于基座4空腔中，充填完 硅油后，将销钉3铆入销钉孔3、实现硅油的密封，全硅SOI压力芯 片9上的压焊块与电极1之间通过超声热压焊用金丝8连接。另外， 电极1与基座4之间配置有绝缘套11，其作用是实现电极1与基座4 之间的电气绝缘；与传感器电极1连接并固定在基座4上配置有补偿 板12，其主要功能实现传感器零位温度漂移和灵敏度温度漂移的补 偿，提高传感器工作的稳定性；传感器基座4上配置有O型密封圈 10，其主要是本发明的传感器芯体与其它结构连接时起密封作用；补 偿电路板12间配置有引线14，其主要实现传感器与外接电路的连接。 参照图4 ，所说的全硅SOI压力芯片9上沿着[110]晶向在应力 最大处布置有电阻条R1、 R2、 R3和R4，电阻条R1的一端与压焊块 15连接，电阻条R1和R2通过一公共的压焊块16连接，电阻条R2 和R3通过一公共的压焊块17连接，电阻条R3和R4通过一公共的 压焊块18连接，电阻条R4的另外一端与压焊块19连接。压焊块的 作用就是通过金丝球焊实现芯片内与芯片外的引线，为保证压焊块与 电阻条之间有良好的欧姆接触和传感器芯片在高温环境下外引线的 可靠性，压焊块采用钛-铂-金(Ti-Pt-Au)梁式引线技术，亦即与电 阻条接触的金属为钛，中间的阻挡扩散金属为铂，外界梁金属为金， 三者的厚度比为500: 500: 3000 (单位A)。由电阻条R1、 R2、 R3 和R4组成惠斯登测量电路时，压焊块17至电源恒压源5V正极或恒 流源正极，压焊块15和19做完传感器零位补偿后短接一起为电桥的电源的负极，压焊块16和18为惠斯登测量电路的信号输出端。
所说的SOI压阻电阻条Rl、 R2、 R3和R4形状结构如图5所示， 其包括一浮雕压敏电阻条20及与之一端相连接的梁式引线21，为提 高电阻条的压阻效应和提高传感器灵敏度，浮雕压敏电阻条20的结 构设计成多折结构，本发明实施例中折数为5折。梁式引线21采用 钛-铂-金(Ti-Pt-Au)引线技术，亦即与电阻条接触的金属为钛，中 间的阻挡扩散金属为铂，外界梁金属为金，三者的厚度比为500: 500: 3000 (单位A)，实现浮雕压敏电阻条20与金丝8之间的电气连接。
图6为本发明的测量原理图，被测量压力作用于波纹膜片7，通 过高温硅油13将压力传递给全硅SOI压力芯片9 ，全硅SOI压力芯 片9的硅膜片上受到通过高温硅油13传递来的压力，压力导致硅膜 片产生弹性形变，硅膜片最大应力区域在形变下产生应力，应力导致 硅膜上浮雕压敏电阻条20发生变化。全硅SOI压力芯片9上硅隔离 二氧化硅层22将浮雕压敏电阻条20与全硅SOI压力芯片9的基底隔 离开来。为实现高压下全硅结构的压力测量，本发明涉及的全硅SOI 压力芯片9的结构中，全硅SOI压力芯片9的厚度为标准硅片厚度值 0.525mm，正方形芯片外形尺寸的边长设计为2mm,背腔边长尺寸设 计为lmm,背腔深度加工尺寸为0.15mm。在真空环境下，PYREX7740 玻璃片6与全硅SOI压力芯片9通过静电键合工艺封接在一起，实现 真空腔23与压力介质的隔离。集成在硅膜片(100)工作晶面上惠斯登 电桥的两臂电阻Ri、 R2、 R3、 R4产生变化时，其变化率AR/R的正 负变化由应力差的正负变化来实现。对于R!、 R3，纵向应力 = ，纵向压阻系数;r,"/2^，横向压阻系数5=-1/2冗44，发生应变时，惠 斯登电桥上各电阻阻值变化率分别为<formula>formula see original document page 10</formula>其中^， 分别为弹性元件测量点处纵向和横向的应力。由四臂电阻构成的惠斯登电桥能灵敏地反映应力所导致的电 阻变化；又能有效地消除扩散电阻本身的不均匀性及电阻温度系数 的影响。惠斯登测量电桥在恒定电源激励下，输出和压力P的大小 成正比的电信号，从而测得高温流体的压力值。如图7所示为加工SOI全硅压力传感器所需的膜结构，膜结构厚 度525um，全硅SOI压力芯片9的SOI膜结构包括一硅基底26，在 硅基底26上，通过高能氧离子注入工艺形成二氧化硅隔离层22，其 厚度为0.375um;在二氧化硅隔离层22上有作为测量电路压阻条的 SOI硅层24,其厚度为1.6um;在SOI硅层24上配有应力匹配氮化硅 层25，其厚度0.1um。本发明提供以下一个实施例硅应变固态压阻芯片外形尺寸2.0mmx2.0mmxl.0mm; 充硅油压力传感器结构(t)13和d)19 压力量程lOOMPa; 灵敏度>0.6mV/ps; 应变极限》3000^is;电源5VDC;工作温度-40 350°C; 疲劳寿命>107次。
权利要求
1、SOI全硅结构充硅油耐高温压力传感器，包括一配置有空腔的基座(4)，其特征是，基座(4)空腔上依次配置有波纹膜片(7)和压环(5)，电极(1)通过玻璃绝缘子(2)与基座(4)相固接，基座(4)空腔内还配置一(100)晶面的全硅SOI压力芯片(9)，全硅SOI压力芯片(9)在真空环境下与PYREX7740玻璃(6)通过静电键合封接在一起，基座(4)空腔中充填有高温硅油(13)，全硅SOI压力芯片(9)上的压焊块与电极(1)之间通过超声热压焊用金丝(8)连接。
2 、根据权利要求1所说的压力传感器，其特征是，所说的全硅 SOI压力芯片(9)上沿着[110]晶向在应力最大处布置有电阻条(R1)、(R2)、 (R3)和(R4)，电阻条(Rl)的一端与压焊块(15)连接， 电阻条(Rl)和(R2)通过一公共的压焊块(16)连接，电阻条(R2) 和(R3)通过一公共的压焊块(17)连接，电阻条(R3)和(R4) 通过一公共的压焊块(18)连接，电阻条(R4)的另外一端与压焊 块(19)连接。
3 、根据权利要求1或2所说的压力传感器，其特征是，所说的 压焊块(15)、 (16)、 (17)、 (18)或(19)采用钛-钼-金(Ti-Pt-Au)梁式引 线技术，亦即与电阻条接触的金属为钛，中间的阻挡扩散金属为钼， 外界梁金属为金，三者的厚度比为500: 500: 3000 (单位A)。
4、根据权利要求1或2所说的压力传感器，其特征是，所说的 所说的SOI压阻电阻条(R1)、 (R2)、 (R3)或(R4)包括一多折结构的浮雕压敏电阻条(20)及与之一端相连接的梁式引线(21)，梁式引线(21) 采用钛-钼-金(Ti-Pt-Au)引线技术，亦即与电阻条接触的金属为钛， 中间的阻挡扩散金属为铂，外界梁金属为金，三者的厚度比为500: 500: 3000 (单位A)，实现浮雕压敏电阻条(20)与金丝(8)之间的电气连接。
5 、根据权利要求1所说的压力传感器，其特征是，所说的全硅 SOI压力芯片(9 )的SOI膜结构包括一硅基底(26)，在硅基底(26)上， 通过高能氧离子注入工艺形成二氧化硅隔离层(22)，其厚度为 0.375um;在二氧化硅隔离层(22)上有作为测量电路压阻条的SOI硅 层(24),其厚度为1.6um;在SOI硅层(24)上配有应力匹配氮化硅层 (25)，其厚度O.lum。
6、根据权利要求1或5所说的压力传感器，其特征是，所说的 全硅SOI压力芯片(9)为正方形结构，全硅SOI压力芯片(9)的厚度为 标准硅片厚度值0.525mm,正方形芯片外形尺寸的边长设计为2mm, 背腔边长尺寸设计为lmm,背腔深度加工尺寸为0.15mm。
全文摘要
SOI全硅结构充硅油耐高温压力传感器，包括一配置有空腔的基座4，基座4空腔上依次配置有波纹膜片7和压环5，电极1通过玻璃绝缘子2与基座4相固接，基座4空腔内还配置一(100)晶面的全硅SOI压力芯片9，全硅SOI压力芯片9在真空环境下与PYREX7740玻璃6通过静电键合封接在一起，基座4空腔中充填有高温硅油13，全硅SOI压力芯片9上的压焊块与电极1之间通过超声热压焊用金丝8连接，解决了高温环境下测量大量程压力的难题，同时具有动态特性好、耐高温(≥200℃)、精度高、量程大(60～150MPa)、微型化、工作安全可靠、适应性强的特点。
文档编号G01L9/04GK101226092SQ200810017298
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月16日 优先权日2008年1月16日
发明者袁展荣, 赵玉龙, 赵立波 申请人:西安维纳信息测控有限公司