一种耐高温多冗余硅压阻压力敏感单片集成芯片及其制备方法与流程

本发明涉及mems传感器，具体是一种耐高温多冗余硅压阻压力敏感单片集成芯片及其制备方法。

背景技术：

1、行业上习惯用分立的敏感芯片或敏感元件的备份数量，来标称传感器冗余度。这意味每当敏感芯片或敏感元件备份数字增加1时，传感器封装管座或基座等组件备份数必然等比增加，单点失效概率的增加不可避免，制约传感器可靠性增长初衷的实现。显而易见，随着分立敏感芯片或敏感元件备份数量增加，冗余传感器整机容积和重量都会大幅增加，阻碍冗余传感器体量进一步轻小型化。

2、为了能适应被测压力高温、振动冲击、体量等方面严苛、复杂的被测介质和空间环境适应性要求，无须隔离液体、无须横向键合引线、倒置封装的耐高温多冗余硅压阻压力敏感单片集成芯片的需求应运而生。

3、本发明的耐高温多冗余硅压阻压力敏感单片集成芯片的平面尺度，与分立敏感芯片的常规单片平面尺度等同，替代双、三、四备份的分立敏感芯片封装，能够成倍缩小耐高温多冗余硅压阻压力敏感器件体积和重量。

技术实现思路

1、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

2、为此，本发明提供了能够可靠适应125℃以上、556℃以下温度环境的一种耐高温多冗余硅压阻压力敏感单片集成芯片及其制备方法。在等同分立硅压阻压力敏感芯片的常规单片表面尺度内，设置双、三、四硅压阻压力敏感子芯片的阵列，分别呈“吕”字形、“品”字形和“田”字形分布。soi叠层的上、下顶层硅和上、下sio2埋层的设定厚度之和界定压力敏感子芯片的感压膜片厚度，上顶层硅和上、下sio2埋层设定厚度之和与下顶层硅设定厚度相比可忽略不计，感压膜片厚度界定取决于下顶层硅的设定厚度，与被测压力额定量程一一对应。soi叠层衬底硅上设置矩形垂直壁压力测量腔，腔底根切下sio2埋层，根切边的设定边长界定被固支的感压膜片的边长，感压膜片表面积与矩形感压腔开口表面积比1:1，敏感芯片具有最大的面积效益。soi叠层上顶层硅上设置扩散硅压阻压力敏感闭合电桥和周边封接围堰，敏感子芯片其余的上顶层硅被去除。敏感闭合电桥因soi叠层上sio2埋层的隔离而与soi叠层下顶层硅电绝缘，闭合电桥扩散硅桥阻、扩散硅连线、扩散硅电极和与周边封接围堰之间因上顶层硅的空隙间隔而电绝缘。替代高温失效的pn结，扩散硅压阻效应可适应单晶硅理想杨氏模量极限温度556℃以下的高温环境。扩散硅电极上设置耐高温金属叠层电极，与外部电极冶金电连接的高温热稳定性长期健壮和可靠。封接玻璃衬片上居中设置矩形沉槽，与敏感芯片的上顶层硅层叠作为压力敏感子芯片的压力参考腔。其上设置的与耐高温金属膜叠层电极圆心重叠的漏斗状填充通孔，可填充与外部电极垂直连接的导电料，替代键合引线。衬底硅压力测量腔兼容与非腐蚀性、高温被测气、液压力介质的直接接触，无须不可压缩液体隔离。封接玻璃矩形沉槽居中设置参考压通孔，适用表压和差压测量，绝压型封接玻璃矩形沉槽未设置参考压通孔。

3、本发明实施的技术方案如下：

4、一种耐高温多冗余硅压阻压力敏感单片集成芯片，由耐高温soi叠层多冗余硅压阻压力敏感单片集成裸芯片的上顶层硅面与封接玻璃衬片矩形沉槽顶面刚性气密层叠构成。

5、进一步地；在不大于分立硅压阻压力敏感芯片的常规单片边长尺度内，设置双、三、四硅压阻压力敏感子芯片阵列。每个压力敏感子芯片同构等面积，其对角线交点与冗余芯片对角线交点等间距。单片集成裸芯片的一对同构等面积压力敏感子芯片呈“吕”字形分布，三冗余压力敏感单片集成裸芯片上的三个同构等面积压力敏感子芯片呈“品”字形分布，四冗余压力敏感单片集成裸芯片上的四个同构等面积压力敏感子芯片呈“田”字形分布。

6、进一步地；soi叠层的上、下顶层硅和上、下sio2埋层的设定厚度之和界定了感压膜片的厚度，soi叠层的下顶层硅设定厚度至少10微米及以上，上sio2埋层、上顶层硅和下sio2埋层的设定厚度之和小于1微米。后三者之和厚度对感压膜片厚度的界定影响可忽略不计，下顶层硅厚度设定与被测压力额定量程一一对应。

7、进一步地；在敏感子芯片的soi叠层上顶层硅上，居中设置四个扩散硅压阻桥阻、扩散硅桥阻连线、扩散硅电极构成的扩散硅压阻压力敏感闭合电桥和周边封接围堰，上sio2埋层替代反向pn结，实现闭合电桥和周边封接围堰与下顶层硅之间的电绝缘隔离。刻蚀去除压力敏感闭合电桥和周边封接围堰以外的上顶层硅，裸露出上sio2埋层，去除上顶层硅形成的空隙间隔，实现扩散硅压阻桥阻、扩散硅连线、扩散硅电极间和与周边封接围堰之间的电绝缘隔离，在扩散硅电极上，设置与圆心重叠的耐高温金属膜叠层电极，使压力敏感单片集成裸芯片电极的欧姆特性在556℃以下高温范围内稳定和可靠，设定耐高温金属膜叠层电极的直径等于扩散硅电极的半径。

8、进一步地；利用干法刻蚀工艺替代伴生侧向腐蚀的湿法腐蚀工艺，在soi叠层的衬底硅上，居中设置被测压力的矩形垂直壁压力测量腔，可与相兼容的被测压力气、液介质直接接触，垂直壁腔体底边根切soi叠层感压膜片的下sio2埋层面，设定的根切边长界定感压膜片的边长，感压膜片表面积与矩形垂直壁压力测量腔开口表面积比1:1。垂直壁节省了湿法腐蚀斜坡壁开口边长，使芯片表面边长缩小。

9、进一步地；在与单晶硅热胀冷缩特性相匹配的封接玻璃衬片上，设置与压力敏感子芯片冗余数相等的矩形沉槽，矩形沉槽边长对角线交点与感压膜片边长对角线交点上下重叠，设定边长等于或大于感压膜片的边长，矩形沉槽深度大于感压膜片在额定量程上限的被测压力作用下发生的挠度，小于在上限过载压力作用下发生的挠度，有限增强芯片常规过载压力能力，在矩形沉槽外邻近四个角的位置上，设置耐高温金属膜叠层电极与外部电连接导电料漏斗状填充通孔，圆心与耐高温金属膜叠层电极圆心重叠，填充通孔小直径口位于矩形沉槽顶面，孔径大于金属膜叠层电极直径、小于扩散硅电极直径，表压型或差压型封接玻璃衬片的矩形沉槽上，居中设置参考压通孔，绝压型封接玻璃衬片上不设置参考压通孔。

10、进一步地；封接玻璃衬片的矩形沉槽顶面与压力敏感子芯片的上顶层硅周边封接围堰和裸露的扩散硅电极刚性气密层叠，被封盖的矩形沉槽腔体用作压力敏感子芯片的压力参考腔，耐高温金属膜叠层电极凸露在填充通孔中，表压型或差压型压力敏感子芯片压力参考腔连通环境大气压或差压低压，绝压型压力敏感子芯片压力参考腔的氛围为刚性气密层叠时的真空。

11、进一步地；上述耐高温多冗余硅压阻压力敏感单片集成芯片制备方法，包括以下步骤：

12、s1、采用si平面工艺，在子芯片的soi叠层上顶层硅上，居中制备扩散硅压阻桥阻、扩散硅桥阻连线、扩散硅电极构成的扩散硅压阻压力敏感闭合电桥；

13、s2、采用硅干法刻蚀工艺，去除扩散硅压阻压力敏感闭合电桥和周边封接围堰之外的soi叠层上顶层硅；

14、s3、采用薄膜金属化工艺，在扩散硅电极上，制作与其欧姆接触且圆心重叠的耐高温金属膜叠层电极；

15、s4、采用深硅刻蚀工艺，在压力敏感子芯片的soi叠层衬底硅上，制作腔底根切soi叠层sio2埋层的矩形垂直壁压力测量腔；

16、s5、采用lg加工和光学加工组合技术，在封接玻璃衬片上制作与冗余度等同数量的矩形沉槽、导电料漏斗状填充通孔、表压型或差压型的参考压通孔；

17、s6、采用真空静电封接工艺，将封接玻璃衬片矩形沉槽顶面与单片集成裸芯片的上顶层硅周边封接围堰和裸露的扩散硅电极刚性气密层叠。

18、本发明有益效果为：

19、本发明芯片的电绝缘隔离采用非反向pn结方法，与外部电连接的金属电极采用耐高温金属膜叠层，使硅压阻压力敏感原理的温度适应性上限，由常规的125℃扩展至单晶硅健壮的杨氏模量极限温度556℃；

20、本发明芯片压力测量腔采用垂直壁结构替代常规压力测量腔的斜坡壁结构，消除斜坡壁对芯片平面面积的占比，使感压膜片与压力测量腔的开口表面积比为1:1，加上子芯片间划片槽面积明显减少，大幅提高冗余硅压阻压力敏感单片集成芯片表面积的效益；

21、本发明芯片单座封装替代分立芯片的多座封装，减少分立封装部件的数量，内部连接和封接节点的等比减少，有益于降低冗余硅压阻压力传感器整机失效率；

22、本发明芯片的无液体、无粘接剂、无横向引线键合的倒置封装的结构特征，使耐高温冗余硅压阻压力传感器封装效益最大化，利于冗余硅压阻压力传感器体量轻小型化，适应容积限制和快响应等特殊和复杂的动、静态压力高温测量环境。