[發明專利]島膜自封裝結構的硅-玻璃微壓力傳感器芯片及制造方法

有效

• 申請號: 201310220922.9
• 申請日: 2013-06-05
• 公開（公告）號: CN103278270A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 傘海生;許輝明;陳然斌;余煜璽
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G01L1/20
• 分類號: G01L1/20;H01L41/22
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及微壓力傳感器，尤其是涉及一種島膜自封裝結構的硅-玻璃微壓力傳感器芯片及制造方法。

背景技術

在傳感器的各應用領域中，溫度、流量、壓力、位置是最常見的測試參數。

在各類傳感器中，因壓力傳感器可廣泛用于壓力、高度，以及液體的流量、流速、液位、壓強的測量與控制，它已成為傳感器技術最成熟、性能比穩定的一類傳感器。據日本電氣計測器工業協會對過程傳感器(溫度、流量、壓力、位置、密度等)的生產和銷售進行的統計，壓力類傳感器占整個過程傳感器的三分之一強，而且其比例還在繼續加大，以此為基礎的壓力類測量及變送儀表也在過程控制系統中占有很高的比例。

目前，壓力傳感器廣泛應用于國防工業、汽車工業、石油工業、航空航天、醫療器械以及電子消費品等領域。

在傳統的平膜結構硅壓阻式壓力傳感器中，用于微壓測量時，需要減薄硅膜的厚度以提高其靈敏度，這在工藝上有難度。而且對于相同尺寸的膜片，厚度太小使器件信號輸出的非線性變差，器件的測量精度降低，因此用平模結構設計微壓力傳感器是不理想的。

在傳統硅超微壓壓阻式壓力傳感器中，基本都把壓敏電阻排布在感壓薄膜外表面直接與外界環境接觸。器件在工作過程中，由于外界環境酸堿物質、靜電顆粒、粉塵等對壓敏電阻的影響，而導致器件可靠性降低。為了提高器件在惡劣環境下的可靠性，目前商業化普遍采用的是壓力變送的封裝技術，將壓力傳感器芯片封裝于充滿硅油的密閉結構中，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（W.P.Eaton,J.H.Smith,“Micromachined?pressure?sensors:review?and?recent?developments”,Smart?Mater.Struct.Vol.6pp.530-539,1997）。但是，硅油化學穩定和耐溫性能不夠好，硅油長期在高溫下工作會發生變化，如果新分解的化學成分里面有小顆粒的導電物質，這種物質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的輸出特性和穩定性。

綜上所述，進行具有自封裝結構的超微壓壓阻式壓力傳感器的研究，實現相關技術攻關，對整個壓力傳感器技術領域的進步和相關產業的發展具有積極的推動作用。

發明內容

本發明的目的是提供一種不僅可靠性較高，而且適用于潮濕、酸堿、靜電等惡劣環境下的島膜自封裝結構的硅-玻璃微壓力傳感器芯片及制造方法。

本發明所述島膜自封裝結構的硅-玻璃微壓力傳感器芯片設有感壓薄膜和帶空腔的底座；所述感壓薄膜為正面島膜復合結構，在島膜復合結構的應力最大的集中區設有4個壓敏電阻，所述4個壓敏電阻通過金屬電極構成惠斯登電橋，采用硅-玻璃陽極鍵合工藝將惠斯登電橋密封于密閉絕壓腔內，所述惠斯登電橋通過金屬引線將界面預置電極與外部測試設備連接，構成一個完整的壓力敏感和測量系統。

所述感壓薄膜為正面凸起的島狀結構和薄的膜狀結構復合而成。

所述感壓薄膜可由絕緣體上硅晶圓片（簡稱SOI晶圓片）器件層制備并經減薄工藝制成。

所述帶空腔的底座的材料可為玻璃等。

所述空腔的形狀可為矩形、方形或圓形等。

所述SOI晶圓片和帶空腔的底座鍵合在一起，且二者鍵合表面都有界面預置電極，把界面預置電極對應焊盤位置上方的硅層打開制備出電極引線孔，通過壓焊金屬引線技術，得到一個完整的壓力傳感器芯片。

所述島膜自封裝結構的硅-玻璃微壓力傳感器可用于測量絕對壓力。

所述島膜自封裝結構的硅-玻璃微壓力傳感器芯片的制造方法，包括以下步驟：

第一階段：SOI晶圓片上的工藝制作

1）.清洗；氧化；

2）.涂光刻膠、掩模、曝光、顯影；

3）.濕法腐蝕SiO₂，腐蝕完畢后留下的SiO₂圖形作為接下來重摻雜所用的掩模；

4）.濃硼擴散，形成連接導線；

5）.使用濕法腐蝕去除SiO₂，重新氧化；

6）.涂光刻膠、掩模、曝光、顯影；濺射金屬鋁；

7）.使用剝離工藝，剝離完畢后留下來的鋁作為接下來離子注入制作壓敏電阻的掩膜；