压力传感器敏感元件的制造工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种压力传感器敏感元件的制造工艺，其第一、第二掺硼P型微晶硅条为由若干根沿径向排列的微晶硅电阻丝首尾连接组成；在杯形衬底附近通入高纯氧气与氩气的混合气体，混合气体氧气氩气体积比为1：13，总气压大小为Pa，在250℃温度下，用加速能量为2000eV的氩离子束轰击99.95%的二氧化硅靶材，沉积厚度1～5μm作为绝缘隔离层的二氧化硅隔离层；以电阻率为Ω﹒m掺硼硅为靶材，在高纯氩气的气氛中，用离子束溅射方法，生长温度为300℃，通过覆盖第一掩模板在二氧化硅隔离层上制备出厚度为1～5μm掺硼P型微晶硅条。本发明敏感层薄膜附着力强，既大大提升了量程，又提高了感应的精度和灵敏性，且提高了压力传感器的信号线性度。
【专利说明】压力传感器敏感元件的制造工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种压力传感器，尤其涉及一种压力传感器敏感元件的制造工艺。
【背景技术】
[0002]现代工业生产、工业控制测量中压力传感器的作用越来越重要。很多压力压强测量部件，如汽车发动机压力传感器，火炮膛压测量传感器，核爆炸或化学爆炸冲击波以及地震波的测量传感器，要求较高的工作温度(如200 °C以上)，同时要求传感器的响应时间短，测量精度高。
[0003]与其它类型的压力传感器相比，压阻式压力传感器的特点在于易于加工，信号易于测量。典型的压阻式压力传感器敏感元件的结构采用P型硅衬底上外延N型硅，形成反偏PN结绝缘层，再利用硅扩散工艺形成P型压力敏感薄膜。当压力作用在敏感薄膜上时，膜内出现径向和切向应力，通常在薄膜的周边应力最大的区域用刻蚀法形成4个压敏电阻，并形成惠斯通电桥来测量压力大小。硅衬底通过MEMS等微加工技术制作成硅杯，最后形成引线和金属电极。随着温度的提高，反偏PN结绝缘层漏电流会迅速增加，因此依靠反偏PN结绝缘的压阻式压力传感器只能工作在125°C以下。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种压力传感器敏感元件的制造工艺，此压力传感器敏感元件的制造工艺其压力敏感层薄膜附着力强，能够增加压力传感器的有效寿命和测量精度的长期稳定性；其电阻率一致性好，能够提高压力传感器的信号线性度，高的响应频率且能提高产品的成品率，既大大提升了量程，又提高了感应的精度和灵敏性。
[0005]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:一种压力传感器敏感元件的制造工艺，所述压力传感器敏感元件包括由圆形基底层和位于圆形基底层周向的环形侧板组成的杯形衬底、位于圆形基底层上表面的二氧化硅隔离层，此二氧化硅隔离层与圆形基底层相背的表面设有至少四条掺硼P型微晶硅条，一金属电极层位于所述掺硼P型微晶硅条与二氧化硅隔离层相背的表面，此掺硼P型微晶硅条之间填充有二氧化硅绝缘层；所述至少四条掺硼P型微晶硅条包括至少2条位于圆形基底层内圈处的第一掺硼P型微晶硅条和至少2条位于圆形基底层外圈处的第二掺硼P型微晶硅条；
所述第一、第二掺硼P型微晶硅条为由若干根沿径向排列的微晶硅电阻丝首尾连接组成，所述金属电极层包括输入电极区、输出电极区和中间电极区，所述输入电极区一端连接到第一掺硼P型微晶硅条一端，所述输出电极区一端连接到第二掺硼P型微晶硅条一端，中间电极区两端分别连接到相邻所述第一、第二掺硼P型微晶硅条各自的另一端；
所述圆形基底层和环形侧板均为17-4不锈钢；
包括以下步骤:
步骤一、将高弹性17-4不锈钢，用铣削工艺制成由圆形基底层和位于圆形基底层周向的环形侧板组成的杯形衬底，在低气压为f3Pa环境中退火，退火温度为350°C，退火时间为3小时；
步骤二、将所述杯形衬底放入离子束溅射真空腔内抽气至Pa，然后在高弹性杯形衬底附近通入高纯氧气与氩气的混合气体，混合气体氧气氩气体积比为1:13，总气压大小为Pa，在250°C温度下，用加速能量为2000 eV的氩离子束轰击99.95%的二氧化硅靶材，沉积厚度I?5 μ m作为绝缘隔离层的二氧化硅隔离层；
步骤三、以电阻率为Ω.m掺硼硅为靶材，在高纯氩气的气氛中，用离子束溅射方法，生长温度为300 V，通过覆盖第一掩模板在二氧化硅隔离层上制备出厚度为I?5 μ m掺硼P型微晶硅条；
步骤四、用离子束溅射方法，通过覆盖第二掩模板在掺硼P型微晶硅条上的引线位置制备出厚度为的金属电极层，以备在作为导电膜的金属电极层上焊接金属内引线；
步骤五、采用第三掩模板覆盖金属电极层，用离子束溅射沉积厚度约的作为绝缘保护的二氧化硅绝缘层；
步骤六、在金属电极层上通过金丝球焊技术制作若干根金丝引线。
[0006]上述技术方案中进一步的改进技术方案如下:
1.上述方案中，位于所述圆形基底层的内圈处的第一掺硼P型微晶硅条数目等于位于圆形基底层的外圈处的第二掺硼P型微晶硅条数目。
[0007]2.上述方案中，所述第一、第二掺硼P型微晶硅条等间隔排列。
[0008]3.上述方案中，所述步骤一中杯形衬底与二氧化硅隔离层接触的表面通过金属专用抛光液进行粗磨、精磨和精抛三道工序进行物理抛光，从而使得抛光粗糙度小于Ra0.1 μ m。
[0009]4.上述方案中，所述步骤一和步骤二之间，将杯形衬底用200 °C高温烘箱烘焙20分钟，温度降至常温后放入无水酒精中用超声波清洗5分钟，清洗后的金属钢杯I用氮气吹干。
[0010]5.上述方案中，所述步骤三中离子束溅射真空腔内束溅射时，其氩离子轰击能量为1000 eV，工作气压大小为Pa。
[0011]由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点:
1.本发明压力传感器敏感元件的制造工艺，其压力敏感层薄膜附着力强，能够增加压力传感器的有效寿命和测量精度的长期稳定性；其电阻率一致性好，能够提高压力传感器的信号线性度，高的响应频率且能提高产品的成品率；其次，掩模方法直接淀积形成，省去了敏感电阻条图形化光刻和刻蚀工艺，有效提高了应力敏感组件的精度、固有频率和长期稳定性，简化了加工工艺，降低制作成本；且特定的工艺步骤和条件，进一步提高产品的灵敏度和热匹配度，提高了可靠性。
[0012]2.本发明压力传感器敏感元件的制造工艺，其第一、第二掺硼P型微晶硅条为由若干根沿径向排列的微晶硅电阻丝首尾连接组成，所述金属电极层包括输入电极区、输出电极区和中间电极区，所述输入电极区一端连接到第一掺硼P型微晶硅条一端，所述输出电极区一端连接到第二掺硼P型微晶硅条一端，中间电极区两端分别连接到相邻所述第一、第二掺硼P型微晶硅条各自的另一端；既提升了量程，又提高了感应的精度和灵敏性。
【专利附图】
【附图说明】[0013]附图1为本发明压力传感器敏感元件结构示意图；
附图2为本发明压力传感器敏感元件局部结构示意图；
附图3为本发明压力传感器敏感元件的制造工艺流程图。
[0014]以上附图中:1、圆形基底层；2、环形侧板；3、杯形衬底；4、二氧化硅隔离层；5、掺硼P型微晶娃条；51、第一掺硼P型微晶娃条；52、第二掺硼P型微晶娃条；6、金属电极层；61、输入电极区；62、输出电极区；63、中间电极区；7、二氧化娃绝缘层；8、微晶娃电阻丝。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
实施例:一种压力传感器敏感元件的制造工艺，所述压力传感器敏感元件包括由圆形基底层I和位于圆形基底层I周向的环形侧板2组成的杯形衬底3、位于圆形基底层I上表面的二氧化硅隔离层4，此二氧化硅隔离层4与圆形基底层I相背的表面设有至少四条掺硼P型微晶娃条5, —金属电极层6位于所述掺硼P型微晶娃条5与二氧化娃隔离层4相背的表面，此掺硼P型微晶硅条5之间填充有二氧化硅绝缘层7 ;所述至少四条掺硼P型微晶硅条5包括至少2条位于圆形基底层I内圈处的第一掺硼P型微晶硅条51和至少2条位于圆形基底层I外圈处的第二掺硼P型微晶硅条52 ；
所述第一、第二掺硼P型微晶硅条51、52为由若干根沿径向排列的微晶硅电阻丝8首尾连接组成，所述金属电极层6包括输入电极区61、输出电极区62和中间电极区63，所述输入电极区61 —端连接到第一掺硼P型微晶娃条51 —端,所述输出电极区62 —端连接到第二掺硼P型微晶硅条52 —端，中间电极区63两端分别连接到相邻所述第一、第二掺硼P型微晶娃条51、52各自的另一端；
所述圆形基底层I和环形侧板2均为17-4不锈钢；
包括以下步骤:
步骤一、将高弹性17-4不锈钢，用铣削工艺制成由圆形基底层I和位于圆形基底层I周向的环形侧板2组成的杯形衬底3，在低气压为f 3Pa环境中退火，退火温度为350°C，退火时间为3小时；
步骤二、将所述杯形衬底3放入离子束溅射真空腔内抽气至Pa，然后在高弹性杯形衬底3附近通入高纯氧气与IS气的混合气体,混合气体氧气IS气体积比为1:13,总气压大小为Pa，在250°C温度下，用加速能量为2000 eV的氩离子束轰击99.95%的二氧化硅靶材，沉积厚度I?5 μ m作为绝缘隔离层的二氧化硅隔离层4 ；
步骤三、以电阻率为Ω.m掺硼硅为靶材，在高纯氩气的气氛中，用离子束溅射方法，生长温度为300 V，通过覆盖第一掩模板在二氧化硅隔离层上制备出厚度为I?5 μ m掺硼P型微晶硅条5，第一掺硼P型微晶硅条51、第二掺硼P型微晶硅条52宽度为4 μ m ;
步骤四、用离子束溅射方法，通过覆盖第二掩模板在掺硼P型微晶硅条5上的引线位置制备出厚度为的金属电极层6，以备在作为导电膜的金属电极层6上焊接金属内引线；步骤五、采用第三掩模板覆盖金属电极层6，用离子束溅射沉积厚度约的作为绝缘保护的二氧化硅绝缘层7 ；
步骤六、在金属电极层6上通过金丝球焊技术制作若干根金丝引线。
[0016]位于所述圆形基底层I的内圈处的第一掺硼P型微晶硅条51数目等于位于圆形基底层的外圈处的第二掺硼P型微晶硅条52数目。
[0017]上述第一、第二掺硼P型微晶硅条51、52等间隔排列。
[0018]上述步骤一中杯形衬底3与二氧化硅隔离层4接触的表面通过金属专用抛光液进行粗磨、精磨和精抛三道工序进行物理抛光，从而使得抛光粗糙度小于Ra0.1 μ m。
[0019]上述步骤一和步骤二之间，将杯形衬底3用200 °C高温烘箱烘焙20分钟，温度降至常温后放入无水酒精中用超声波清洗5分钟，清洗后的金属钢杯I用氮气吹干。
[0020]上述步骤三中离子束溅射真空腔内束溅射时，其氩离子轰击能量为1000 eV，工作气压大小为Pa。
[0021]上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种压力传感器敏感元件的制造工艺，其特征在于:所述压力传感器敏感元件包括由圆形基底层(I)和位于圆形基底层(I)周向的环形侧板(2)组成的杯形衬底(3)、位于圆形基底层(I)上表面的二氧化硅隔离层(4)，此二氧化硅隔离层(4)与圆形基底层(I)相背的表面设有至少四条掺硼P型微晶硅条(5)，一金属电极层(6)位于所述掺硼P型微晶硅条(5)与二氧化硅隔离层(4)相背的表面，此掺硼P型微晶硅条(5)之间填充有二氧化硅绝缘层(7);所述至少四条掺硼P型微晶硅条(5)包括至少2条位于圆形基底层(I)内圈处的第一掺硼P型微晶硅条(51)和至少2条位于圆形基底层(I)外圈处的第二掺硼P型微晶硅条(52)； 所述第一、第二掺硼P型微晶硅条(51、52)为由若干根沿径向排列的微晶硅电阻丝(8)首尾连接组成，所述金属电极层(6)包括输入电极区(61)、输出电极区(62)和中间电极区(63)，所述输入电极区(61)—端连接到第一掺硼P型微晶硅条(51)—端，所述输出电极区(62) 一端连接到第二掺硼P型微晶硅条(52) —端，中间电极区(63)两端分别连接到相邻所述第一、第二掺硼P型微晶娃条(51、52)各自的另一端； 所述圆形基底层(I)和环形侧板(2)均为17-4不锈钢； 包括以下步骤: 步骤一、将高弹性17-4不锈钢，用铣削工艺制成由圆形基底层(I)和位于圆形基底层(I)周向的环形侧板( 2)组成的杯形衬底(3)，在低气压为f3Pa环境中退火，退火温度为350°C，退火时间为3小时； 步骤二、将所述杯形衬底(3)放入离子束溅射真空腔内抽气至Pa，然后在高弹性杯形衬底(3)附近通入高纯氧气与IS气的混合气体,混合气体氧气IS气体积比为1:13,总气压大小为Pa，在250°C温度下，用加速能量为2000 eV的氩离子束轰击99.95%的二氧化硅靶材，沉积厚度I~5μπι作为绝缘隔离层的二氧化硅隔离层(4)； 步骤三、以电阻率为Ω.m掺硼硅为靶材，在高纯氩气的气氛中，用离子束溅射方法，生长温度为300 V，通过覆盖第一掩模板在二氧化硅隔离层上制备出厚度为I~5 μ m掺硼P型微晶硅条(5)； 步骤四、用离子束溅射方法，通过覆盖第二掩模板在掺硼P型微晶硅条(5)上的引线位置制备出厚度为的金属电极层(6)，以备在作为导电膜的金属电极层(6)上焊接金属内引线.步骤五、采用第三掩模板覆盖金属电极层(6)，用离子束溅射沉积厚度约的作为绝缘保护的二氧化硅绝缘层(7)； 步骤六、在金属电极层(6 )上通过金丝球焊技术制作若干根金丝引线。
2.根据权利要求1所述的压力传感器敏感元件的制造工艺，其特征在于:位于所述圆形基底层(I)的内圈处的第一掺硼P型微晶硅条(51)数目等于位于圆形基底层的外圈处的第二掺硼P型微晶硅条(52)数目。
3.根据权利要求1所述的压力传感器敏感元件的制造工艺，其特征在于:所述第一、第二掺硼P型微晶硅条(51、52)等间隔排列。
4.根据权利要求1所述的压力传感器敏感元件的制造工艺，其特征在于:所述步骤一中杯形衬底(3)与二氧化硅隔离层(4)接触的表面通过金属专用抛光液进行粗磨、精磨和精抛三道工序进行物理抛光，从而使得抛光粗糙度小于Ra0.1 μ m。
5.根据权利要求1所述的压力传感器敏感元件的制造工艺，其特征在于:所述步骤一和步骤二之间，将杯形衬底(3)用200 °C高温烘箱烘焙20分钟，温度降至常温后放入无水酒精中用超声波清洗5分钟，清洗后的金属钢杯I用氮气吹干。
6.根据权利要求1所述的压力传感器敏感元件的制造工艺，其特征在于:所述步骤三中离子束溅射真空腔内离子束溅射时，其氩离子轰击能量为1000 eV，工作气压大小为Pa。
【文档编号】G01L1/20GK103606565SQ201310613099
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年11月27日
【发明者】程新利, 唐运海, 沈娇艳, 王冰, 秦长发, 潘涛, 臧涛成, 王文襄 申请人:苏州科技学院, 昆山双桥传感器测控技术有限公司