高温压力传感器及其制作方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种用于高温环境的压力传感器。
【【背景技术】】
[0002]传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量重，不能提供电学输出。随着半导体技术与MEMS技术的发展，人们以硅作为主要材料，采取电容、压阻等多种形式，开发了硅微压力传感器，其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。随着应用与研究范围的扩展，人们又开始重视开发能够直接工作在恶劣环境下的微压力传感器。所谓“恶劣环境”，是指高温、强辐射、高振动或具有氧化和腐蚀性特点的环境，其中以高温环境最为常见，例如在航天航空、核能技术、石油化工、地热勘探以及汽车电子学等领域压力测量经常需要在350°C甚至更高时进行。
[0003]研制高温压力传感器目的就是能够在高温环境下对各种气液的压力进行测量。它的应用范围极为广泛，在民用方面，可用于测量锅炉、管道、高温反应容器内的压力、油井压力和各种发动机腔体内的压力，在军事方面，可用于喷气发动机、坦克发动机、舰船发动机、风洞、航天器外壳等的压力测量。
[0004]目前，半导体压力传感器以扩散硅压力传感器为主，但以下几点原因限制了以硅材料为主的传感器在高温恶劣条件下的应用:1、由于硅禁带宽度窄，所以其耐高温和抗辐射性能比较差；2、硅容易与介质发生化学反应，被氧化或者被腐蚀；3、在高温条件下硅的机械性能退化。
[0005]对于扩散硅压力传感器，它的应变电桥采用P型扩散电阻，应变膜为η型硅衬底，两者之间是自然的ρη结隔离，一旦工作温度超过120°C，应变电阻与衬底间的ρη结漏电加剧，就会使传感器特性严重恶化乃至失效。在没有出现真正耐高温的压力传感器前，为了解决高温压力测量的需要，人们普遍采用以下几种方式来提高硅微压力传感器的耐温性能。在对压力变化频率不高的情况下，优先使用“引压管”。所谓“引压管”就是引导高温被测介质到达压力感应芯片用的管子，可以起到隔热和散热的效果。在被测介质温度不是很高时，可以使用散热片作为传感器的外封装结构。而在测量介质温度较高，同时对压力响应也有较高要求时，如发动机燃烧室内压力的测量，最常用的方法就是对压力传感器加上水冷套进行水冷。
[0006]由于高温下硅材料的局限性，人们把目光投向新材料、新工艺，提出了多种新的高温压力传感器结构。目前已经研制出多晶硅压力传感器、绝缘体上硅(SOI，Silicon onInsulator)压力传感器、蓝宝石上娃(SOS，Silicon on Sapphire)压力传感器、金刚石压力传感器和碳化娃压力传感器等。
[0007]多晶硅与SOI压力传感器最高工作温度较低，一般在200°C左右。SOI材料是在Si材料基础上用Si02嵌入层以提高电绝缘性。
[0008]碳化硅由于其独特的物理性质与电学特性，逐渐为人们所重视。它是第三代宽禁带半导体材料的代表，具有优良的抗辐射性能和高温稳定性，是制作高温器件的理想材料，一般都能在300°C工作。常温下，对6H-SiC，当掺杂浓度低时，其纵向应变系数大约为-25，高掺杂时大约为-20，适合用来制作压阻式压力传感器。这些特性使得碳化硅成为高温压力传感器领域最有发展前景的材料。
[0009]西安电子科技大学于2001年利用在硅衬底上外延3C-SIC膜制作了高温压力传感器，由于碳化硅敏感电阻层是在兼作弹性膜片的硅衬底外延而成，使用温度只能达到200°C，又由于上述的设计不是采用完全的SiC材料，Si与3C-SiC之间存在高温热膨胀系数不匹配的问题，容易带来噪声，同时增加了失效的可能性。
[0010]2013年，厦门大学发表了碳化硅电容式压力敏感元件的研究成果，由于未对敏感电阻层上的金属化电极进行真空防氧化保护，不能长期、可靠工作，而且仅限于敏感元件的研究，没有涉及难度更高的信号引出和封装，未制成完整的压力传感器也无法测量传感器的性能。
[0011]因此，有必要提供一种新的高温压力传感器及其制作方法来解决上述问题。
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【发明内容】
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[0012]本发明的主要目的在于提供一种能耐高温性能的高温压力传感器。
[0013]为实现上述目的，本发明通过如下技术方案:一种高温压力传感器，其包括主芯片，所述主芯片具有位于第一层的衬底、位于第二层的弹性膜、位于第三层的一对金属电极及连接该对金属电极的敏感电阻层，所述高温压力传感器还具有与所述主芯片贴合的的盖板，所述盖板具有开口朝向所述主芯片方向的收容腔，所述金属电极与敏感电阻层密封于所述收容腔与所述弹性膜围设的密封腔内，所述高温压力传感器还包括分别与所述金属电极连接的一对导引线并延伸出所述密封腔。
[0014]优选的，所述高温压力传感器还包括与所述盖板相结合的基座，所述基座与所述盖板之间形成一层连接层，所述连接层的热膨胀系数在所述基座与所述盖板热膨胀系数的之间。
[0015]优选的，所述导引线穿过所述基座并延伸至所述导基座外。
[0016]优选的，所述基座与所述盖板具有一对相对应的通孔，所述导引线包括收容于所述通孔内的金属物及插入所述金属物内的金属引线。
[0017]优选的，所述高温压力传感器还包括一外壳，所述基座与所述外壳通过焊接固定，所述金属引线延伸出所述外壳。
[0018]为实现上述目的，本发明还通过如下技术方案:一种高温压力传感器的制造方法，制作步骤如下，第一步:提供主芯片与单层SIC材料盖板，所述主芯片具有位于第一层的P型SIC材料衬底、位于第二层的N型SIC材料弹性膜、位于第三层的一对金属电极及连接该对金属电极的P型SIC材料敏感电阻层；所述盖板具有收容腔；第二步:分别对所述主芯片与所述盖板高温氧化；第三步:所述主芯片与盖板在超高真空环境下进行键合熔融将两者进行结合，致使所述金属电极与敏感电阻层密封于所述收容腔与所述弹性膜围设的密封腔内。第四步:提供一对导引线，分别连接所述金属电极并延伸出所述密封腔。
[0019]优选的，提供一种基座，所述盖板和所述基座之间通过一层连接层连接，所述连接层的热膨胀系数在所述基座与盖板热膨胀系数的之间。
[0020]优选的，所述基座为氮化铝陶瓷材质，所述连接层为玻璃材质。
[0021]优选的，所述基座与所述金属电极设置有相对应的通孔，所述导引线包括金属物和金属引线，所述通孔中灌入所述金属物并与所述金属电极导通，提供一金属引线插入金属物内并延伸出所述基座。
[0022]与现有技术相比，本发明高温压力传感器的有益效果在于:主芯片的金属电极与敏感电阻层密封于收容腔与弹性膜围设的密封腔内，所述金属电极与敏感电阻层由于金属电极与弹性膜被密封在真空腔，或者接近真空腔内(密封后的收容腔)，令金属电极与敏感电阻层不容易氧化而提高整个传感器更能在高温下工作，实现金属电极的真空保护，可以使传感器在600°C的使用温度条件下的寿命达到1000小时。
【【附图说明】】
[0023]图1为本发明高温压力传感器的示意图。
【【具体实施方式】】
[0024]请参照附图1所示，本发明为一种高温压力传感器，其包括主芯片10及位于主芯片10 —例的盖板30。高温压力传感器还包括位于盖板30另一侧且具有至少一对通孔401的基座40。
[0025]主芯片10包括位于第一层的衬底101、位于第二层的弹性膜104、与位于第三层的一对金属电极102及连接该对金属电极102的敏感电阻层103。
[0026]本发明高温压力传感器的主芯片10制作步骤如下:采用原材为两层SIC材料，其中包括衬底101为N型SIC材料，在N型SIC材料上通过外延手法制作一层P型SIC材料，P型SIC材料即为弹性膜104。
[0027]然后，在P型SIC材料上通过外延手法制作一层N型SIC材料作为敏感电阻层103。该敏感电阻层103的厚度约为0.5um，该层材料可采用6H-SIC，SIC中杂质原子通常为氮原子、磷原子、铝原子和硼原子，为增加N型SIC材料的浓度，拟在敏感层中进行氮原子参杂，将浓度重参杂到N > 1018cm-3，采用高参杂浓度作为敏感电阻层103是因为这种参杂浓度的电阻在全温区内与