專利名稱：一種具有自封裝結(jié)構(gòu)的貼片式單電阻壓阻式壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，尤其是涉及一種具有自封裝結(jié)構(gòu)的貼片式單電阻壓阻式壓力傳感器。
背景技術(shù)：
在傳感器的各應(yīng)用領(lǐng)域中，溫度、流量、壓力、位置是最常見的測試參數(shù)。在各類傳感器中，因壓力傳感器可廣泛用于壓力、高度、液體的流量、流速、液位、壓強的測量與控制，它已成為傳感器技術(shù)最成熟、性能比穩(wěn)定的一類傳感器。根據(jù)工作原理的不同，壓力傳感器可以分為機械膜片電容式、娃膜片電容式、壓電式、壓阻式、光纖式、聲表面波式、霍爾效應(yīng)式壓力傳感器等。壓阻式壓力傳感器以其結(jié)構(gòu)簡單、輸出信號大、信號處理簡單等優(yōu)點得到人們的青睞。然而，盡管壓阻式壓力傳感器已經(jīng)是一種很成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，但作為其核心的MEMS壓阻式壓力傳感器芯片有以下三個問題影響了壓力傳感器的可靠性應(yīng)用I)芯片上組成惠斯通電橋的四個壓敏電阻的一致性差在傳統(tǒng)硅壓阻式壓力傳感器中，惠斯登電橋中的四個壓敏電阻都制作在傳感器芯片的敏感薄膜上，由于四個電阻無法制備成完全一樣，導(dǎo)致零點漂移，甚至負偏壓的產(chǎn)生，使放大器無法正常工作。為了解決上述問題，部分學(xué)者通過匹配外電路電阻使電壓值處于放大器的有效放大區(qū)間。雖然這種方法一定程度上解決了負電壓產(chǎn)生的問題，但是由于批量生產(chǎn)的不穩(wěn)定性，每個傳感器所需的外電路電阻均不相同，需要大量的人力物力來匹配這些電阻,大大增加了生產(chǎn)成本。2)壓敏電阻易受到外界環(huán)境的污染和腐蝕在傳統(tǒng)硅壓阻式壓力傳感器中，由于自作工藝的限制，壓敏電阻及其電橋連接電路通常排布在硅膜外表并暴露在外界環(huán)境中。器件在工作過程中，由于外界環(huán)境酸堿物質(zhì)、靜電顆粒、粉塵等對壓敏電阻的影響，易導(dǎo)致器件性能和使用壽命大打折扣。為了提高器件在惡劣環(huán)境下的可靠性，目前商業(yè)化普遍采用的是壓力變送的封裝技術(shù)W. P. Eaton, J.H. Smith, “Micromachined pressure sensors:review and recent developments”，SmartMater. Struct. Vol. 6pp. 530-539, 1997.，即將壓力傳感器芯片封裝于充滿硅油的密閉結(jié)構(gòu)中，外加壓力從不銹鋼膜片通過硅油傳遞到壓力傳感器芯片上。但是，硅油化學(xué)穩(wěn)定和耐溫性能不夠好，長期在高溫下工作會發(fā)生變化，其分解的化學(xué)成分里面有小顆粒的導(dǎo)電物質(zhì)，這種物質(zhì)可能會穿過芯片的鈍化層破壞芯片或者介入擴散電阻條中間，形成短路或污染，造成傳感器高溫輸出信號不穩(wěn)定，這些問題的存在將影響傳感器的長期可靠性。此外，在一些氣壓傳感器中，例如汽車輪胎壓力傳感器，為了保護薄膜上面的壓敏電阻，在封裝時用硅膠包裹壓力傳感芯片，以隔絕測試氣體的影響。這種方案不僅增加了制造成本，而且溫度的變化會引起硅膠的膨脹或收縮，進而影響壓力傳感器輸出的靈敏度和穩(wěn)定性。3)傳感器芯片與外電路連接的壓焊金絲易受環(huán)境的振動而斷裂或脫落傳統(tǒng)的硅壓阻式壓力傳感器在封裝時，通過壓焊金絲或鋁絲與外電路電極連接。由于焊盤面積小，壓焊金屬絲極細，易導(dǎo)致在振動環(huán)境中焊絲斷裂或脫落現(xiàn)象。如果增大焊盤面積并采用錫釬焊技術(shù)連接電路，必須增大傳感器尺寸，導(dǎo)致晶圓上制備的傳感器數(shù)量減少，因而成本增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供高可靠性且適用于潮濕、酸堿、靜電等惡劣環(huán)境下的一種具有自封裝結(jié)構(gòu)的貼片式單電阻壓阻式壓力傳感器。本發(fā)明設(shè)有芯片主體、壓敏電阻、連接錨點、金屬層、鑲嵌電路、印刷電路板、電極、錫釬焊和壓力腔；所述芯片主體設(shè)有帶空腔的玻璃晶圓片和硅薄膜，所述玻璃晶圓片與硅薄膜通過陽極鍵合結(jié)合；所述壓敏電阻設(shè)在硅薄膜下表面，金屬層濺射在連接錨點上，連接錨點與金屬層形成歐姆接觸，鑲嵌電路分別與壓敏電阻和連接錨點相連接，鑲嵌電路設(shè)于玻璃晶圓片表面上，電極設(shè)于印刷電路板上，芯片上的銅電極由錫釬焊與電極連接并組成惠斯登電橋；所述壓敏電阻通過鍵合界面引出電極與外界焊盤實現(xiàn)電連接，鑲嵌電路將密封的壓力腔內(nèi)的信號輸出至外部電路。所述芯片主體可采用杯狀結(jié)構(gòu)。在方形硅薄膜靠近邊緣中間最大應(yīng)力區(qū)，且壓阻系數(shù)為正的最大的晶向方向制作一個壓敏電阻。所述壓敏電阻可單獨作為壓力傳感器使用，或者與外電路的三個固定阻值電阻連接組成一個惠斯登電橋來敏感壓力變化。壓敏電阻位于芯片的硅薄膜的下表面，通過陽極鍵合將該壓敏電阻密封在密閉腔內(nèi)。硅薄膜是由絕緣體上硅SOI晶圓片減薄而成。玻璃片鍵合面的內(nèi)表面鑲嵌有金屬電極；SOI晶圓片鍵合面的內(nèi)表面鑲嵌有金屬電極；采用錫釬焊技術(shù)將具有自封裝結(jié)構(gòu)的貼片式壓阻壓力傳感器芯片與外電路基板連接在一起。本發(fā)明所述的具有自封裝結(jié)構(gòu)的貼片式壓阻壓力傳感器芯片，其惠斯登電橋有且只有一個壓敏電阻制作在芯片的敏感薄膜上。傳感器可單獨作為壓力傳感器使用，或者與外電路的三個固定阻值電阻組成一個完整的惠斯登電橋電路，使輸出的電壓值控制在放大器的工作區(qū)間，因此大大降低了生產(chǎn)成本和次品率。本發(fā)明所述的具有自封裝結(jié)構(gòu)的貼片式壓阻壓力傳感器芯片，把壓敏電阻安置在敏感薄膜下表面，并通過陽極鍵合技術(shù)把它封裝在密閉環(huán)境里面。通過鍵合面上預(yù)埋的電極把內(nèi)部電信號傳輸?shù)酵獠侩娐?，形成一個完整的壓阻式壓力傳感器。該器件的設(shè)計結(jié)構(gòu)保證了敏感單元與外界惡劣環(huán)境的隔離，使壓敏電阻不被外界酸堿環(huán)境、靜電顆粒、粉塵等惡劣條件的影響，極大地提高了器件使用的可靠性和穩(wěn)定性。此外，本發(fā)明所述的壓力傳感器具有較大的焊盤面積，可采用錫釬焊技術(shù)代替金絲壓焊技術(shù)，實現(xiàn)傳感器與外電路基板的貼片式焊接連接，大大提高了傳感器的電連接的可靠性，降低了封裝成本。


圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的局部放大圖。圖3為圖1的A-A剖視圖。圖4為圖1的B-B剖視圖。
具體實施例方式如圖f 4所示，本發(fā)明實施例設(shè)有芯片主體、壓敏電阻2、連接錨點3、金屬層4、鑲嵌電路5、印刷電路板7、電極8、錫釬焊9和壓力腔11 ;所述芯片主體設(shè)有帶空腔的玻璃晶圓片6和硅薄膜I，所述玻璃晶圓片6與硅薄膜I通過陽極鍵合結(jié)合；所述壓敏電阻2設(shè)在硅薄膜I下表面，金屬層4濺射在連接錨點3上，連接錨點3與金屬層4形成歐姆接觸，鑲嵌電路5分別與壓敏電阻2和連接錨點3相連接，鑲嵌電路5設(shè)于玻璃晶圓片6表面上，電極8設(shè)于印刷電路板7上，芯片上的銅電極由錫釬焊9與電極8連接并組成惠斯登電橋；所述壓敏電阻2通過鍵合界面引出電極與外界焊盤10實現(xiàn)電連接，鑲嵌電路5將密封的壓力腔11內(nèi)的信號輸出至外部電路。所述芯片主體可采用杯狀結(jié)構(gòu)。在方形硅薄膜靠近邊緣中間最大應(yīng)力區(qū)，且壓阻系數(shù)為正的最大的晶向方向制作一個壓敏電阻。所述壓敏電阻可單獨作為壓力傳感器使用，或者與外電路的三個固定阻值電阻連接組成一個惠斯登電橋來敏感壓力變化。壓敏電阻位于芯片的硅薄膜的下表面，通過陽極鍵合將該壓敏電阻密封在密閉腔內(nèi)。硅薄膜是由絕緣體上硅SOI晶圓片減薄而成。玻璃片鍵合面的內(nèi)表面鑲嵌有金屬電極；SOI晶圓片鍵合面的內(nèi)表面鑲嵌有金屬電極；采用錫釬焊技術(shù)將具有自封裝結(jié)構(gòu)的貼片式壓阻壓力傳感器芯片與外電路基板連接在一起。 本發(fā)明通過SOI晶圓片和玻璃晶圓片陽極鍵合而成，實現(xiàn)該芯片的工藝主要分為三個部分。它們分別為陽極鍵合前SOI晶圓片和玻璃晶圓片上的工藝流程，以及SOI晶圓片和玻璃晶圓片陽極鍵合后的工藝流程。SOI晶圓片主要有以下幾步工藝第一，對SOI晶圓片的器件層進行P型高摻雜，濃度要求在IO19CnT3以上，制作連接錨點3及在壓敏電阻橫向區(qū)域13進行高摻雜，如圖3所示。第二，對SOI晶圓片的器件層進行離子注入，注射離子注入劑量Φ=Γ8Χ1014/cm2，注射能量為8(T200KeV，制作壓敏電阻2。為了與外界形成搭接，特意設(shè)計了注射區(qū)域
12。該區(qū)域比較寬，因此電阻比較小，其作用相當(dāng)于是導(dǎo)線。如圖3所示。第三，在連接錨點3上濺射金屬，并進行合金化退火，使金屬層4與連接錨點3形成歐姆接觸。玻璃晶圓片上的主要工藝是第一，腐蝕壓力空腔。首先在玻璃晶圓片6上濺射或蒸鍍一層金屬鉻，然后涂膠、曝光、顯影，以上述金屬為掩膜層腐蝕玻璃晶圓片6得到5 50μπι深的壓力腔11。
第二，在玻璃晶圓片上鑲嵌鋁電極。在玻璃晶圓片6上腐蝕凹槽，并用濺射或者蒸鍍的方法沉積一層金屬將凹槽填滿。然后用lift-off工藝將多余的金屬去除，得到一個相對比較平整的金屬、玻璃平面。留在玻璃晶圓片6表面的金屬即為鑲嵌電路5，它將與壓敏電阻2、連接錨點3相連接。該鑲嵌電極5將密封腔內(nèi)的信號輸出到外部電路。陽極鍵合及后續(xù)工藝第一，通過陽極鍵合工藝將SOI晶圓片和玻璃晶圓片6鍵合在一起，鍵合條件為電壓 60(Tl000V，溫度 25(T400°C，真空度為 1(Γ4 l(T7Pa。第二，以SOI晶圓片中的掩埋氧化硅層為刻蝕停止層，通過濕法或者干法刻蝕工藝刻蝕SOI晶圓片的襯底層，留下SOI晶圓片的器件層作為壓力傳感器的硅薄膜I。第三，在SOI晶圓片的器件層上采用先濕法腐蝕，再干法刻蝕的工藝刻蝕引線孔，以玻璃晶圓片6上的鑲嵌電路5為干法刻蝕停止層。第四，刻蝕完成后，在暴露出來的鋁電極上利用濺射或者蒸鍍的方法沉積一層銅金屬來制作焊盤10。將陣列器件放入劃片機中進行裂片，得到單個器件。利用錫釬焊9將壓阻式壓力傳感器芯片上的銅電極與印刷電路板7上的電極8進行連接，組成一個完整的惠斯登電橋。如圖1所述芯片主體為杯狀結(jié)構(gòu)，所述芯片主體設(shè)有帶空腔的玻璃晶圓片6和硅薄膜；硅薄膜下表面設(shè)有一個壓敏電阻；玻璃晶圓片6與硅薄膜通過陽極鍵合結(jié)合；壓敏電阻通過鍵合界面引出電極與外界焊盤實現(xiàn)電連接；在方形硅薄膜靠近邊緣中間最大應(yīng)力區(qū)，且壓阻系數(shù)為正的最大的晶向方向制作一個壓敏電阻。所述壓敏電阻可單獨作為壓力傳感器使用，或者與外電路的三個固定阻值電阻連接組成一個惠斯登電橋來敏感壓力變化。壓敏電阻位于芯片的硅薄膜的下表面，通過陽極鍵合將該壓敏電阻密封在密閉腔內(nèi)。硅薄膜是由絕緣體上硅SOI晶圓片減薄而成。玻璃片鍵合面的內(nèi)表面鑲嵌有金屬電極；SOI晶圓片鍵合面的內(nèi)表面鑲嵌有金屬電極；采用錫釬焊技術(shù)將具有自封裝結(jié)構(gòu)的貼片式壓阻壓力傳感器芯片與外電路基板連接在一起。
權(quán)利要求
1.一種具有自封裝結(jié)構(gòu)的貼片式單電阻壓阻式壓力傳感器，其特征在于設(shè)有芯片主體、壓敏電阻、連接錨點、金屬層、鑲嵌電路、印刷電路板、電極、錫釬焊和壓力腔；所述芯片主體設(shè)有帶空腔的玻璃晶圓片和硅薄膜，所述玻璃晶圓片與硅薄膜通過陽極鍵合結(jié)合；所述壓敏電阻設(shè)在硅薄膜下表面，金屬層濺射在連接錨點上，連接錨點與金屬層形成歐姆接觸，鑲嵌電路分別與壓敏電阻和連接錨點相連接，鑲嵌電路設(shè)于玻璃晶圓片表面上， 電極設(shè)于印刷電路板上，芯片上的銅電極由錫釬焊與電極連接并組成惠斯登電橋；所述壓敏電阻通過鍵合界面引出電極與外界焊盤實現(xiàn)電連接，鑲嵌電路將密封的壓力腔內(nèi)的信號輸出至外部電路。
2.如權(quán)利要求I所述的一種具有自封裝結(jié)構(gòu)的貼片式單電阻壓阻式壓力傳感器，其特征在于所述芯片主體采用杯狀結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求I所述的一種具有自封裝結(jié)構(gòu)的貼片式單電阻壓阻式壓力傳感器，其特征在于所述硅薄膜由絕緣體上硅SOI晶圓片減薄而成。
4.如權(quán)利要求I所述的一種具有自封裝結(jié)構(gòu)的貼片式單電阻壓阻式壓力傳感器，其特征在于所述玻璃晶圓片鍵合面的內(nèi)表面鑲嵌有金屬電極。
5.如權(quán)利要求3所述的一種具有自封裝結(jié)構(gòu)的貼片式單電阻壓阻式壓力傳感器，其特征在于所述SOI晶圓片鍵合面的內(nèi)表面鑲嵌有金屬電極。
全文摘要
一種具有自封裝結(jié)構(gòu)的貼片式單電阻壓阻式壓力傳感器，涉及一種壓力傳感器。設(shè)芯片主體、壓敏電阻、連接錨點、金屬層、鑲嵌電路、印刷電路板、電極、錫釬焊和壓力腔；芯片主體設(shè)帶空腔的玻璃晶圓片和硅薄膜，玻璃晶圓片與硅薄膜通過陽極鍵合結(jié)合；壓敏電阻設(shè)在硅薄膜下表面，金屬層濺射在連接錨點上，連接錨點與金屬層形成歐姆接觸，鑲嵌電路分別與壓敏電阻和連接錨點相連接，鑲嵌電路設(shè)于玻璃晶圓片表面上，電極設(shè)于印刷電路板上，芯片上的銅電極由錫釬焊與電極連接并組成惠斯登電橋；壓敏電阻通過鍵合界面引出電極與外界焊盤實現(xiàn)電連接，鑲嵌電路將密封的壓力腔內(nèi)的信號輸出至外部電路。高可靠性且適用于潮濕、酸堿、靜電等惡劣環(huán)境。
文檔編號G01L9/06GK102980712SQ20121052995
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月10日
發(fā)明者傘海生, 宋子軍 申請人:廈門大學(xué)