硅基壓力傳感器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體說是采用微電子和微機械加工融合技術(shù)制作的硅基壓力傳感器及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著傳感器技術(shù)的高速發(fā)展，硅基壓力傳感器的應(yīng)用越來越廣泛，并逐步向高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化方向發(fā)展；其中電容型硅基壓力傳感器以其高精度、高穩(wěn)定、高可靠等突出的技術(shù)優(yōu)勢被公認為是新一代具有廣闊發(fā)展前途的新型硅基壓力傳感器，是自動化控制領(lǐng)域不可缺少的關(guān)鍵部件。電容型硅基壓力傳感器利用電容原理測量壓力，采用單晶硅材料，并利用微電子和微機械加工融合技術(shù)制作，是一種新型結(jié)構(gòu)型力敏器件，由于不存在PN結(jié)的電隔離問題，因此其測量精度、穩(wěn)定性、可靠性等方面都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。但由于受原材料狀態(tài)、工藝裝備條件、加工工藝的完善性等因素的限制與影響，現(xiàn)有的硅基壓力傳感器制造過程中存在的主要問題是制作成品率偏低、靜壓誤差具有一定的分散、封裝結(jié)構(gòu)的焊口漏油，這些問題直接影響傳感器的性能、可靠性及成品率，對這種硅基壓力傳感器的推廣應(yīng)用起到制約作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種硅基壓力傳感器及其制造方法，確保傳感器的靜壓特性、耐受性、穩(wěn)定性、可靠性更好。
[0004]本發(fā)明的硅基壓力傳感器，由差壓敏感器件、靜壓補償單元、封裝結(jié)構(gòu)三部分組成，其特征是差壓敏感器件采用差動電容結(jié)構(gòu):從上到下依次由上玻璃固定極板、硅敏感芯片可動極板、下玻璃固定極板、玻璃底板、導(dǎo)壓管封裝而成，用于采集差壓信號；靜壓補償單元:采用4點膠粘懸浮方式固定在差壓敏感器件上表面靠近燒結(jié)引線一側(cè)，與差壓敏感器件形成復(fù)合式層疊結(jié)構(gòu)，用于測量現(xiàn)場的靜壓量值；封裝結(jié)構(gòu):包括傳感器基座、兩個引壓導(dǎo)管及轉(zhuǎn)接件、引線座，上、下端蓋，傳感器基座內(nèi)中段相對設(shè)置上、下端蓋，所述復(fù)合式層疊結(jié)構(gòu)置于上、下端蓋之間，并通過差壓敏感器件下方的導(dǎo)壓管與傳感器基座焊接，懸浮封裝在具有硅油充灌液的封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)，填充陶瓷塊墊在復(fù)合式層疊結(jié)構(gòu)與傳感器基座的間隙中，引線座焊接在傳感器基座的一端，兩引壓導(dǎo)管通過轉(zhuǎn)接件焊接在傳感器基座的另一端，封裝結(jié)構(gòu)的各部件均焊接在傳感器基座上成一體。兩引壓導(dǎo)管分別與受壓部的高壓腔和低壓腔相連，外加壓力通過傳感器內(nèi)部的硅油充灌液傳遞到差壓敏感器件和靜壓補償單元，實現(xiàn)高精度差壓信號測量和靜壓誤差補償。
[0005]上述硅基壓力傳感器的制造方法如下:其特征在于差壓敏感器件的制造方法:
[0006]所述差壓敏感器件是將硅敏感芯片可動極板置于上、下玻璃固定極板中間，用雙面同時靜電封接工藝將三極板封接在一起，形成對稱的三層結(jié)構(gòu)，再將玻璃底板和導(dǎo)壓管進行靜電封接，之后將三層結(jié)構(gòu)和玻璃底板通過導(dǎo)電粘接劑粘接相連，形成差壓敏感器件；上、下玻璃固定極板、玻璃底板上均有導(dǎo)壓孔，下玻璃固定極板和玻璃底板上的導(dǎo)壓孔與置于傳感器基座內(nèi)的導(dǎo)壓管相通，上玻璃固定極板、硅敏感芯片可動極板和玻璃底板上均有壓焊點，采用引線鍵合工藝將壓焊點引出到引線座對應(yīng)的燒結(jié)引線上。
[0007]所述差壓敏感器件的硅敏感芯片可動極板的制造方法為:
[0008]對雙面拋光單晶硅片做一次氧化、之后分別進行正、反面光刻，腐蝕掉硅片正、反面中心島及膜區(qū)的二氧化硅，并用四甲基氫氧化銨溶液進行選擇性各向異性腐蝕，形成電容間隙，去掉屏蔽用二氧化硅；再對硅片進行二次氧化，分別光刻正、反面膜區(qū)，腐蝕掉膜區(qū)的二氧化硅，用氫氧化鉀溶液對膜區(qū)雙面同時進行各向異性腐蝕，形成膜區(qū)；對硅片進行濃磷重摻雜，重摻雜工藝參數(shù)為:擴散溫度T = 900?1000°C，擴散時間30?50分鐘，再擴溫度900?1000。。，時間60+30+60分鐘，最終的方塊電阻在14.2?14.8歐姆之間;再對硅片進行三次氧化，光刻中心島，在中心島部位形成二氧化硅絕緣層；再濺射鋁，光刻硅敏感芯片可動極板電極引出端即壓焊點，再進行硅鋁合金化；最后將大片的硅單晶片按所設(shè)計尺寸劃片，分割成獨立的硅敏感芯片可動極板的芯片單元。
[0009]所述差壓敏感器件的上、下玻璃固定極板的制造方法為:清洗、在玻璃固定極板背面掩膜濺射金屬鋁層，之后正面進行電極圖形光刻、留下非電極區(qū)域光刻膠、再正面濺射鋁層，采用有機溶劑浸泡加超聲振動的方法去除掉電極區(qū)以外的光刻膠和鋁膜、電極區(qū)域一次性電極成型，即形成上、下玻璃固定極板的金屬電極層。
[0010]所述硅基壓力傳感器的制造方法，其特征在于靜壓補償單元的制造及裝配方法:靜壓補償單元是由硅壓阻芯片和無孔玻璃上下疊落并真空靜電封接成具有真空密封腔的絕壓元件；將絕壓元件底面4點膠粘懸浮粘接在差壓敏感器件上表面靠近燒結(jié)引線一側(cè)，形成復(fù)合式層疊結(jié)構(gòu)；
[0011]所述硅基壓力傳感器的制造方法，其特征在于硅基壓力傳感器裝配過程:
[0012]步驟1、將封裝結(jié)構(gòu)的引線座焊接到傳感器基座上，焊前打磨、拋光焊口，去除毛刺和沾污；采用兩步直流氬弧焊接工藝焊接:先對焊口進行一次焊接，待冷卻至室溫后，再進行焊口的二次焊接，焊接參數(shù)為:氬氣流量為35?45SCFH，焊接電流30?40A，焊接轉(zhuǎn)數(shù)4-6RPM,啟動電流15A。
[0013]步驟2、通過差壓敏感器件下方的導(dǎo)壓管將復(fù)合式層疊結(jié)構(gòu)焊接到傳感器基座上:用填充陶瓷塊墊在復(fù)合式層疊結(jié)構(gòu)與基座的間隙中，采用步驟I所述的焊口處理方法和焊接工藝焊接。
[0014]步驟3、采用引線鍵合工藝將差壓敏感器件和靜壓補償單元的輸出信號端引出到引線座對應(yīng)的燒結(jié)引線上，并與后部補償處理電路相連。
[0015]步驟4、將封裝結(jié)構(gòu)的上、下端蓋，采用步驟I所述的焊口處理方法和焊接工藝焊接到傳感器基座上。
[0016]步驟5、將兩個引壓導(dǎo)管分別通過兩個轉(zhuǎn)接件，采用步驟I所述的焊口處理方法和焊接工藝焊接到傳感器基座上。
[0017]本發(fā)明的積極效果是:
[0018]1、本發(fā)明針對硅基壓力傳感器的差壓敏感器件制造，提出了一種新的玻璃固定極板的工藝實現(xiàn)方法。即對玻璃固定極板的制造采用先進行電極圖形光刻，然后選擇性地保留電極區(qū)域之外的光刻膠，再濺射鋁，接著采用有機溶劑浸泡加超聲振動的物理方法去除電極區(qū)之外的鋁膜和光刻膠，電極區(qū)域一次成型，使電極區(qū)域不再受到后續(xù)加工工藝的影響。而常規(guī)的玻璃固定極板的制造方法是:先對玻璃固定極板雙面濺射鋁，然后對玻璃極板正面進行電極圖形光刻，再在玻璃通孔部位手工點光刻膠保護通孔側(cè)壁的鋁膜，濕法化學(xué)腐蝕掉電極區(qū)域之外的鋁膜，擦拭化學(xué)腐蝕鋁后的沉積物、等離子去膠，最后電極成型。本發(fā)明的玻璃固定極板的制造方法和常規(guī)制造方法相比，省去了玻璃極板通孔部位手工點膠保護和濕法化學(xué)腐蝕鋁膜的兩步工藝，即簡化了工藝，又克服了常規(guī)工藝的不足，使玻璃極板電極制作成品率由原來的不足50%提升到近100%，而且極板電極連接的可靠性也大為提升。僅此步工藝改進的積極效果如下:
[0019]a、避免了手工點膠膠膜極易溢出到電極區(qū)之外，電極成型后出現(xiàn)邊緣毛刺或外部橋連，造成封接后極板短路，導(dǎo)致器件失效的問題。
[0020]b、避免了濕法化學(xué)腐蝕鋁膜過程中易出現(xiàn)的鉆蝕問題，從而有效地避免了通孔邊緣尖峰部位或側(cè)壁斷鋁，極大地提高了器件電連接的可靠性。
[0021]C、避免了腐蝕鋁后的擦拭造成電極表面劃傷、通孔邊緣尖峰斷鋁等問題；
[0022]d、避免了長時間的等離子去膠(手工點膠膠膜較厚)導(dǎo)致的玻璃極板上的鋁電極氧化，從而產(chǎn)生的電極導(dǎo)電性下降和壓焊成品率降低的問題。
[0023]2、本發(fā)明還提出了一種提高差壓敏感器件穩(wěn)定性的工藝實現(xiàn)方法:即在制作硅敏感芯片可動極板時，在制作中心島的二氧化硅絕緣層前，增加一步對硅可動極板濃磷重摻雜工藝，在硅片表面形成低阻的重摻雜層，目的是降低硅片的電阻率，使后續(xù)濺射的金屬鋁膜即金屬壓焊點能與硅片間形成良好的歐姆接觸，確保硅敏感芯片可動極板電極引出的可靠性，保證金屬鋁電極與硅片之間形成良好的歐姆接觸，有效地提高了差壓敏感器件的穩(wěn)定性；