一种基于soi敏感芯片的小型压力传感器
技术领域
1.本发明属于硅基微机电传感器技术领域，具体涉及一种线性压阻灵敏度双向对称一致的电缆线系的soi压力敏感芯片传感器。
背景技术：
2.常规硅基压阻压力传感器以敏感芯片敏感电桥面作为压力测量腔，芯片封装采用液体或胶质材料, 将电子元件和部件与被测压力介质和环境隔离。这类封装结构传感器的功能和性能上存在诸多的局限性，不仅使压力传感器的体积尺度大于敏感芯片尺度的数倍，不利于传感器的小型化。同时液体或胶质固有的物理和化学特性的局限性和劣化作用，如液体或胶热特性、黏滞、惯性等特性，会使封装后的敏感芯片初始的热漂移、热迟滞等附加误差增大，传感器的动态频响、较高或较低的温度、振动、冲击等苛刻环境的适应性受到制约和退化。
技术实现要素：
3.本发明的目的就是提供一种电缆线系soi压阻压力传感器，以解决现有技术存在的压力传感器尺度大、固封液体或胶质易劣化的缺点。
4.本发明采用的技术如下：一种基于soi敏感芯片的小型压力传感器，其特征在于包括以下组成部分：a.一种soi压力敏感芯片，包括，1）衬底硅，衬底硅正面设有倒梯形的微腔，倒梯形的微腔底部区域构成感压膜片； 衬底硅背面制有将衬底硅包围的顶层硅围堰，感压膜片处于顶层硅围堰中心区域，顶层硅围堰上面制有二氧化硅层；2）衬底硅背面感压膜片区域制有四个横向平行的条形敏感桥阻r1—r4，敏感桥阻均呈现为以感压膜片区域中心对称设置，每个敏感桥阻上面制有二氧化硅层；3）衬底硅背面位于感压膜片区域中，沿着感压膜片区域两个斜对称角分别制有一个一字型顶层硅互连线，一字型顶层硅互连线与敏感桥阻间的夹角为45度，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区内的端部制有z字型互联线，z字型互联线的两端分别与相邻的对应的敏感桥阻的一端连接，一字型顶层硅互连线及其z字型互联线上面制有二氧化硅层，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区外的端部制有焊盘，焊盘穿过二氧化硅层与一字型顶层硅互连线相连；4）在两个一字型顶层硅互连线两侧对称的感压膜片区域内，分别制有一个对称的x字型顶层硅互连线，x字型顶层硅互连线的两个内端分别与两个间隔的对应的敏感桥阻另一端连接，x字型顶层硅互连线的两个外端分别通过过度引线在感压膜片区域外汇聚成连接端，x字型顶层硅互连线及其过度引线上面制有二氧化硅层，连接端制有焊盘，焊盘穿过二氧化硅层与过度引线连接端相连。
5.所述顶层硅围堰、顶层硅互连线以及敏感桥阻采用高浓度掺杂硅制成。
6.所述z字型互联线的中部通过l型过渡线与一字型顶层硅互连线内端部连接，l型过渡线上面制有二氧化硅层；5）所述顶层硅围堰1和所有焊盘表面二氧化硅层上连接背封玻璃，背封玻璃与感压膜片区域对应部分设有微凹腔，微凹腔构成芯片压力参考腔，背封玻璃与每个焊盘对应处分别设有通孔。
7.b. 小型倒装的合金管座1）合金管座内腔设有主体为硬质玻璃或陶瓷脆性的绝缘材料，合金管座内绝缘材料的正面设有绝缘粉料封接层；作为芯片倒置熔融封装的载体，能够长期在传感器高温使用范围内，绝缘电阻和耐压气密性无退化；管座合金外壳能够长期适应在传高温、交变压力载荷环境下，弹性和强度无蠕变和疲劳、无氧化变色；2）合金管座的绝缘材料及绝缘粉料封接层连接中，连接一组由金属箍管与电极插针组成复合电极，每个电极插针分别被嵌压焊接在对应的金属箍管中并具有良好的电接触，每个电极插针分别伸出绝缘粉料封接层并伸入到对应的敏感芯片中的通孔中与金属焊盘同轴，并由通孔中的导电粉料经熔融后将电极插针与焊盘电学连接；3）绝缘粉料封接层与烧结后将背封玻璃与合金管座连为一体。
8.本发明具有如下优点：1)传感器继承线性压阻灵敏度正/反向对称一致的soi压力敏感芯片泛用性的优势和长处, 具有表压（包括负压）、绝压、差压三类系列和低、中、高压力量程的宽泛覆盖和高过载能力；2) 传感器最大平面尺度等同芯片表面尺度，为最小型化和轻量化的传感器，适用于“点对点”和“原位”或“亚原位”的压力测量；3)利用静电、烧结、嵌压焊等刚性封接工艺，传感器能在低于材料软化点以下的高宽温区环境中稳定可靠地工作；4)无管座封装使传感器固有频率接近芯片固有频率，兼容静/动两态、尤其是适用高频的动态压力测量。
附图说明
9.图1为本发明的soi压阻压力敏感芯片顶层硅平面示意图；图2为图1的a-a剖视图；图3为图1的半剖视透视图；图4为图2加上烧结电缆金属箍管后的剖视图。
10.一种电缆线系soi压阻压力传感器，其特征在于包括以下组成部分：a.一种soi压力敏感芯片，如图1、图2所示，包括，1）衬底硅10，衬底硅正面设有倒梯形的微腔20，倒梯形的微腔底部区域构成感压膜片4； 衬底硅背面制有将衬底硅包围的顶层硅围堰1，感压膜片4处于顶层硅围堰中心区域，顶层硅围堰上面制有二氧化硅层8；2）衬底硅背面感压膜片区域制有四个横向平行的条形敏感桥阻r1—r4，敏感桥阻均呈现为以感压膜片区域中心对称设置，每个敏感桥阻上面制有二氧化硅层8；
3）衬底硅背面位于感压膜片区域中，沿着感压膜片区域两个斜对称角分别制有一个一字型顶层硅互连线2，一字型顶层硅互连线与敏感桥阻间的夹角为45度，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区内的端部制有z字型互联线5，z字型互联线的两端分别与相邻的对应的敏感桥阻的一端连接，一字型顶层硅互连线及其z字型互联线上面制有二氧化硅层，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区外的端部制有焊盘3，焊盘穿过二氧化硅层与一字型顶层硅互连线相连；4）在两个一字型顶层硅互连线两侧对称的感压膜片区域内，分别制有一个对称的x字型顶层硅互连线6，x字型顶层硅互连线的两个内端分别与两个间隔的对应的敏感桥阻另一端连接，x字型顶层硅互连线的两个外端分别通过过度引线7在感压膜片区域外汇聚成连接端，x字型顶层硅互连线及其过度引线上面制有二氧化硅层8，连接端制有焊盘3，焊盘穿过二氧化硅层与过度引线连接端相连。
11.所述顶层硅围堰、顶层硅互连线以及敏感桥阻采用高浓度掺杂硅制成。
12.所述z字型互联线的中部通过l型过渡线2a与一字型顶层硅互连线内端部连接，l型过渡线2a上面制有二氧化硅层；5）所述顶层硅围堰1和所有焊盘3表面二氧化硅层8上连接背封玻璃50，背封玻璃与感压膜片区域对应部分设有微凹腔51，微凹腔51构成芯片压力参考腔，背封玻璃与每个焊盘对应处分别设有通孔52。
13.b. 小型倒装的合金管座601）合金管座60内腔设有主体为硬质玻璃或陶瓷的脆性绝缘材料61，合金管座60内绝缘材料61的正面设有绝缘粉料封接层64；作为芯片倒置熔融封装的载体，能够长期在传感器高温使用范围内，绝缘电阻和耐压气密性无退化；管座合金外壳能够长期适应在传高温、交变压力载荷环境下，弹性和强度无蠕变和疲劳、无氧化变色；2）合金管座的绝缘材料61及绝缘粉料封接层64连接中，连接一组由金属箍管63与电极插针62组成复合电极，每个电极插针分别被嵌压焊接在对应的金属箍管中并具有良好的电接触，每个电极插针分别伸出绝缘粉料封接层64并伸入到对应的敏感芯片中的通孔52中与金属焊盘3同轴，并由背封玻璃通孔52中设置的导电粉料53经熔融后将电极插针53与焊盘3电学连接。
14.3）绝缘粉料封接层64与烧结后将背封玻璃50与合金管座60连为一体。
15.所述一组电极插针62亚微米直径的，电极插针高温下表面无氧化、变色，无须抛光和电镀，每个电极插针分别与芯片中的金属焊盘同轴连接，插针悬立高度与芯片背封玻璃多个通孔深度和尺度匹配；所述一组金属箍管63，箍管嵌压部分用作外电连接的端子，具有可靠的连接强度和稳定性；所述管座制备温度远高于芯片倒置熔融密封的温度，异质异构密封界面气密性耐压强度高于被测压力过载额定量上限, 后者工艺完全兼容前者工艺；所述管座径向尺度与芯片表面外形尺度为同一单位和量级。
16.本发明还提供了一种电缆线系soi压阻压力传感器制备方法，包括以下步骤：一、一种soi压阻压力敏感芯片的制造流程，包括以下步骤：
1)外延工艺精准控制soi圆片顶层硅最终厚度及均匀性和一致性；2) soi压力敏感芯片晶圆和背封玻璃图形化版图设计；3)精密控制消耗soi圆片顶层硅厚度的二氧化硅层的热生长；4)顶层硅表层全域的一次浓硼杂质离子注入，扩散电阻温度系数可与压阻效应温度系数近似抵消的；；5) 除敏感桥阻外的顶层硅区域的近固体溶解度的高浓硼杂质离子注入；6)顶层硅浓硼和高浓硼杂质无氧化氛围的高温热激活处理；7)lpcvd方法淀积二氧化硅层；8)依次干法过刻蚀顶层硅上二氧化硅层、刻蚀敏感电桥和背封围堰图形、焊盘引线孔图形；9) pcvd方法淀积高宽温区使用的耐高温合金焊盘多层薄膜或单层铝焊盘薄膜；10)干法刻蚀金属薄膜焊盘图形；11)干法刻蚀衬底硅上的二氧化硅层和二氧化硅，制作倒梯形感压膜片的化学湿法腐蚀窗口图形；12) 氢氧化钾液各向异性腐蚀衬底硅，倒梯形腔体底面根切边界界定感压膜片表面尺度；13)光学冷加工背封玻璃圆片的微凹腔、电极和大气环境通孔阵列和光洁表面；14) 静电键合封接芯片、焊盘周边顶层硅与玻璃圆片间的接触界面，形成芯片压力参考腔，背封倒装压力敏感芯片晶圆制备流程完成；15)将芯片晶圆划片分割成背封倒装压力敏感芯片。
17.二、合金管座与压力敏感芯片制作步骤；3)绝缘坯料和导电粉料规格参数设计；
⑴
芯片表面批量干法清洁；
⑵
将芯片背封玻璃面向上、按规定方位倒置在烧结模具中；
⑶
从芯片背封玻璃多个电极通孔开口端，精准填充等量的导电粉料；
⑷
将绝缘坯料精准放置在芯片上，上下电极通孔一一对准；
⑸
将管座放置在绝缘坯料薄片上，多个电极插针精准、同步并行插入填充导电粉料芯片背封玻璃电极通孔内；
⑹
扣上模具上盖，放上重量适量的压块,将烧结模具匀速平稳推进烧结炉的恒温区；
⑺
在高于绝缘坯料和导电粉料熔点的恒定温度中进行真空烧结，同时完成芯片背封玻璃与管座的倒置无缝密封和芯片金属焊盘与管座悬立的电极插针的电连接；
⑻
在低于绝缘薄片坯料软化点温度的惰性气氛中进行热处理；
⑼
温度降至室温后，从烧结模具上取下线性压阻灵敏度正/反双向对称一致soi芯片倒置封装的小型压力传感器。
技术领域
1.本发明属于硅基微机电传感器技术领域，具体涉及一种线性压阻灵敏度双向对称一致的电缆线系的soi压力敏感芯片传感器。
背景技术：
2.常规硅基压阻压力传感器以敏感芯片敏感电桥面作为压力测量腔，芯片封装采用液体或胶质材料, 将电子元件和部件与被测压力介质和环境隔离。这类封装结构传感器的功能和性能上存在诸多的局限性，不仅使压力传感器的体积尺度大于敏感芯片尺度的数倍，不利于传感器的小型化。同时液体或胶质固有的物理和化学特性的局限性和劣化作用，如液体或胶热特性、黏滞、惯性等特性，会使封装后的敏感芯片初始的热漂移、热迟滞等附加误差增大，传感器的动态频响、较高或较低的温度、振动、冲击等苛刻环境的适应性受到制约和退化。
技术实现要素：
3.本发明的目的就是提供一种电缆线系soi压阻压力传感器，以解决现有技术存在的压力传感器尺度大、固封液体或胶质易劣化的缺点。
4.本发明采用的技术如下：一种基于soi敏感芯片的小型压力传感器，其特征在于包括以下组成部分：a.一种soi压力敏感芯片，包括，1）衬底硅，衬底硅正面设有倒梯形的微腔，倒梯形的微腔底部区域构成感压膜片； 衬底硅背面制有将衬底硅包围的顶层硅围堰，感压膜片处于顶层硅围堰中心区域，顶层硅围堰上面制有二氧化硅层；2）衬底硅背面感压膜片区域制有四个横向平行的条形敏感桥阻r1—r4，敏感桥阻均呈现为以感压膜片区域中心对称设置，每个敏感桥阻上面制有二氧化硅层；3）衬底硅背面位于感压膜片区域中，沿着感压膜片区域两个斜对称角分别制有一个一字型顶层硅互连线，一字型顶层硅互连线与敏感桥阻间的夹角为45度，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区内的端部制有z字型互联线，z字型互联线的两端分别与相邻的对应的敏感桥阻的一端连接，一字型顶层硅互连线及其z字型互联线上面制有二氧化硅层，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区外的端部制有焊盘，焊盘穿过二氧化硅层与一字型顶层硅互连线相连；4）在两个一字型顶层硅互连线两侧对称的感压膜片区域内，分别制有一个对称的x字型顶层硅互连线，x字型顶层硅互连线的两个内端分别与两个间隔的对应的敏感桥阻另一端连接，x字型顶层硅互连线的两个外端分别通过过度引线在感压膜片区域外汇聚成连接端，x字型顶层硅互连线及其过度引线上面制有二氧化硅层，连接端制有焊盘，焊盘穿过二氧化硅层与过度引线连接端相连。
5.所述顶层硅围堰、顶层硅互连线以及敏感桥阻采用高浓度掺杂硅制成。
6.所述z字型互联线的中部通过l型过渡线与一字型顶层硅互连线内端部连接，l型过渡线上面制有二氧化硅层；5）所述顶层硅围堰1和所有焊盘表面二氧化硅层上连接背封玻璃，背封玻璃与感压膜片区域对应部分设有微凹腔，微凹腔构成芯片压力参考腔，背封玻璃与每个焊盘对应处分别设有通孔。
7.b. 小型倒装的合金管座1）合金管座内腔设有主体为硬质玻璃或陶瓷脆性的绝缘材料，合金管座内绝缘材料的正面设有绝缘粉料封接层；作为芯片倒置熔融封装的载体，能够长期在传感器高温使用范围内，绝缘电阻和耐压气密性无退化；管座合金外壳能够长期适应在传高温、交变压力载荷环境下，弹性和强度无蠕变和疲劳、无氧化变色；2）合金管座的绝缘材料及绝缘粉料封接层连接中，连接一组由金属箍管与电极插针组成复合电极，每个电极插针分别被嵌压焊接在对应的金属箍管中并具有良好的电接触，每个电极插针分别伸出绝缘粉料封接层并伸入到对应的敏感芯片中的通孔中与金属焊盘同轴，并由通孔中的导电粉料经熔融后将电极插针与焊盘电学连接；3）绝缘粉料封接层与烧结后将背封玻璃与合金管座连为一体。
8.本发明具有如下优点：1)传感器继承线性压阻灵敏度正/反向对称一致的soi压力敏感芯片泛用性的优势和长处, 具有表压（包括负压）、绝压、差压三类系列和低、中、高压力量程的宽泛覆盖和高过载能力；2) 传感器最大平面尺度等同芯片表面尺度，为最小型化和轻量化的传感器，适用于“点对点”和“原位”或“亚原位”的压力测量；3)利用静电、烧结、嵌压焊等刚性封接工艺，传感器能在低于材料软化点以下的高宽温区环境中稳定可靠地工作；4)无管座封装使传感器固有频率接近芯片固有频率，兼容静/动两态、尤其是适用高频的动态压力测量。
附图说明
9.图1为本发明的soi压阻压力敏感芯片顶层硅平面示意图；图2为图1的a-a剖视图；图3为图1的半剖视透视图；图4为图2加上烧结电缆金属箍管后的剖视图。
10.一种电缆线系soi压阻压力传感器，其特征在于包括以下组成部分：a.一种soi压力敏感芯片，如图1、图2所示，包括，1）衬底硅10，衬底硅正面设有倒梯形的微腔20，倒梯形的微腔底部区域构成感压膜片4； 衬底硅背面制有将衬底硅包围的顶层硅围堰1，感压膜片4处于顶层硅围堰中心区域，顶层硅围堰上面制有二氧化硅层8；2）衬底硅背面感压膜片区域制有四个横向平行的条形敏感桥阻r1—r4，敏感桥阻均呈现为以感压膜片区域中心对称设置，每个敏感桥阻上面制有二氧化硅层8；
3）衬底硅背面位于感压膜片区域中，沿着感压膜片区域两个斜对称角分别制有一个一字型顶层硅互连线2，一字型顶层硅互连线与敏感桥阻间的夹角为45度，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区内的端部制有z字型互联线5，z字型互联线的两端分别与相邻的对应的敏感桥阻的一端连接，一字型顶层硅互连线及其z字型互联线上面制有二氧化硅层，一字型顶层硅互连线位于感压膜片区外的端部制有焊盘3，焊盘穿过二氧化硅层与一字型顶层硅互连线相连；4）在两个一字型顶层硅互连线两侧对称的感压膜片区域内，分别制有一个对称的x字型顶层硅互连线6，x字型顶层硅互连线的两个内端分别与两个间隔的对应的敏感桥阻另一端连接，x字型顶层硅互连线的两个外端分别通过过度引线7在感压膜片区域外汇聚成连接端，x字型顶层硅互连线及其过度引线上面制有二氧化硅层8，连接端制有焊盘3，焊盘穿过二氧化硅层与过度引线连接端相连。
11.所述顶层硅围堰、顶层硅互连线以及敏感桥阻采用高浓度掺杂硅制成。
12.所述z字型互联线的中部通过l型过渡线2a与一字型顶层硅互连线内端部连接，l型过渡线2a上面制有二氧化硅层；5）所述顶层硅围堰1和所有焊盘3表面二氧化硅层8上连接背封玻璃50，背封玻璃与感压膜片区域对应部分设有微凹腔51，微凹腔51构成芯片压力参考腔，背封玻璃与每个焊盘对应处分别设有通孔52。
13.b. 小型倒装的合金管座601）合金管座60内腔设有主体为硬质玻璃或陶瓷的脆性绝缘材料61，合金管座60内绝缘材料61的正面设有绝缘粉料封接层64；作为芯片倒置熔融封装的载体，能够长期在传感器高温使用范围内，绝缘电阻和耐压气密性无退化；管座合金外壳能够长期适应在传高温、交变压力载荷环境下，弹性和强度无蠕变和疲劳、无氧化变色；2）合金管座的绝缘材料61及绝缘粉料封接层64连接中，连接一组由金属箍管63与电极插针62组成复合电极，每个电极插针分别被嵌压焊接在对应的金属箍管中并具有良好的电接触，每个电极插针分别伸出绝缘粉料封接层64并伸入到对应的敏感芯片中的通孔52中与金属焊盘3同轴，并由背封玻璃通孔52中设置的导电粉料53经熔融后将电极插针53与焊盘3电学连接。
14.3）绝缘粉料封接层64与烧结后将背封玻璃50与合金管座60连为一体。
15.所述一组电极插针62亚微米直径的，电极插针高温下表面无氧化、变色，无须抛光和电镀，每个电极插针分别与芯片中的金属焊盘同轴连接，插针悬立高度与芯片背封玻璃多个通孔深度和尺度匹配；所述一组金属箍管63，箍管嵌压部分用作外电连接的端子，具有可靠的连接强度和稳定性；所述管座制备温度远高于芯片倒置熔融密封的温度，异质异构密封界面气密性耐压强度高于被测压力过载额定量上限, 后者工艺完全兼容前者工艺；所述管座径向尺度与芯片表面外形尺度为同一单位和量级。
16.本发明还提供了一种电缆线系soi压阻压力传感器制备方法，包括以下步骤：一、一种soi压阻压力敏感芯片的制造流程，包括以下步骤：
1)外延工艺精准控制soi圆片顶层硅最终厚度及均匀性和一致性；2) soi压力敏感芯片晶圆和背封玻璃图形化版图设计；3)精密控制消耗soi圆片顶层硅厚度的二氧化硅层的热生长；4)顶层硅表层全域的一次浓硼杂质离子注入，扩散电阻温度系数可与压阻效应温度系数近似抵消的；；5) 除敏感桥阻外的顶层硅区域的近固体溶解度的高浓硼杂质离子注入；6)顶层硅浓硼和高浓硼杂质无氧化氛围的高温热激活处理；7)lpcvd方法淀积二氧化硅层；8)依次干法过刻蚀顶层硅上二氧化硅层、刻蚀敏感电桥和背封围堰图形、焊盘引线孔图形；9) pcvd方法淀积高宽温区使用的耐高温合金焊盘多层薄膜或单层铝焊盘薄膜；10)干法刻蚀金属薄膜焊盘图形；11)干法刻蚀衬底硅上的二氧化硅层和二氧化硅，制作倒梯形感压膜片的化学湿法腐蚀窗口图形；12) 氢氧化钾液各向异性腐蚀衬底硅，倒梯形腔体底面根切边界界定感压膜片表面尺度；13)光学冷加工背封玻璃圆片的微凹腔、电极和大气环境通孔阵列和光洁表面；14) 静电键合封接芯片、焊盘周边顶层硅与玻璃圆片间的接触界面，形成芯片压力参考腔，背封倒装压力敏感芯片晶圆制备流程完成；15)将芯片晶圆划片分割成背封倒装压力敏感芯片。
17.二、合金管座与压力敏感芯片制作步骤；3)绝缘坯料和导电粉料规格参数设计；
⑴
芯片表面批量干法清洁；
⑵
将芯片背封玻璃面向上、按规定方位倒置在烧结模具中；
⑶
从芯片背封玻璃多个电极通孔开口端，精准填充等量的导电粉料；
⑷
将绝缘坯料精准放置在芯片上，上下电极通孔一一对准；
⑸
将管座放置在绝缘坯料薄片上，多个电极插针精准、同步并行插入填充导电粉料芯片背封玻璃电极通孔内；
⑹
扣上模具上盖，放上重量适量的压块,将烧结模具匀速平稳推进烧结炉的恒温区；
⑺
在高于绝缘坯料和导电粉料熔点的恒定温度中进行真空烧结，同时完成芯片背封玻璃与管座的倒置无缝密封和芯片金属焊盘与管座悬立的电极插针的电连接；
⑻
在低于绝缘薄片坯料软化点温度的惰性气氛中进行热处理；
⑼
温度降至室温后，从烧结模具上取下线性压阻灵敏度正/反双向对称一致soi芯片倒置封装的小型压力传感器。
再多了解一些
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