專利名稱：梁膜結合微壓傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種微壓傳感器，特別涉及一種梁膜結合微壓傳感
器°
背景技術：
目前，我國石化行業大量使用微壓傳感器。這些傳感器來源的絕大多數依靠進口，不僅價格昂貴，而且，由于不具有自主知識產權，很有可能暗藏潛在威脅。壓力傳感器性能的提高可以通過壓力傳感器結構的改進促進突破，從平膜結構到島膜結構再到梁膜結構，這些結構的改進都是以提高傳感器的性能為目的，但是各種結構都有不同程度的優缺點。平膜結構應用普遍，適用于中高量程的壓力傳感器，如汽車輪胎的胎壓測試，油壓測試等。當采用平膜結構進行小量程壓力應用時需要膜片腐蝕得很薄，從而提高傳感器的靈敏度；但此時膜的承壓面發生拉伸形變，即產生較大的撓度，而使傳感器機械性能的非線性明顯變大。因此，用平膜結構來制作微壓傳感器是不理想的。為了解決撓度問題，提出在平膜背面附加厚的質量塊，就是一般所謂的島膜結構，在多種島膜結構中以美國Endevcoo公司在1977年提出的雙島結構最為流行，通過增加的硬心來提高傳感器的線性。然而在提高線性減少撓度的基礎上犧牲了傳感器的靈敏度，就不得不通過增加傳感器尺寸來彌補，此外力敏電阻是制作在膜上的，考慮到電阻摻雜結深問題，因此膜的厚度就有一定的下限限制;另外電阻是從硅片正面放在應力集中區的，而應力集中區是由背面島的位置、硅片厚度與腐蝕深度等因素決定，難以精確地控制；此外，硬心相對于膜片具有相當的質量，容易受到加速度信號的干擾影響信號輸出。復旦大學在
1989年提出的專為微壓傳感器而設計的梁膜結構，它可以看作成為是一個正面的啞鈴形梁疊加在平膜上的結構，美國的Honeywell公司在1992年和德國的柏林技術大學(TUB)在1993年相繼地提出了類似的在正面進行淺腐蝕，以實現應力集中的量程為lkPa級的微壓壓力傳感器結構。這種梁膜結構使壓強作用在膜上的力就會傳遞到梁上，但是膜片中心的變形即最大撓度會影響傳感器信號輸出的線性度。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提出--種梁膜結合微壓傳感器，采用各項異性腐蝕技術及干法刻蝕技術形成"田"字形結構，采用靜電鍵合封裝技術將"田"字形結構壓阻芯片與PYREX7740玻璃環封裝結合為一體作為全硅結構的微壓傳感器的彈性敏感單元，達到應力集中、提高傳感器靈敏度、降低傳感器撓度、提高輸出線性度的作用。
為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是梁膜結合微壓傳感器，包括一配置有空腔的基座4，基座4的空腔與基座4上的進氣孔9相連通，基座4空腔內配置有帶孔的玻璃環2和電路轉接板1，玻璃環2的孔與進氣孔9對準用環氧樹脂膠相粘，電路轉接板1與基座4通過環氧樹脂膠牢固粘接，基座4空腔內還配置一100晶面的全硅微壓芯片5，全硅微壓芯片5與玻璃環2通過靜電鍵合封接在一起，全硅微壓芯片5上的壓焊塊12、 13、 14、 15和16與電路轉接板1上的焊盤7之間通過超聲熱壓焊用金絲6連接，并將引線^引出。
5所說的全硅微壓芯片5包括一硅片，在硅片的正面腐蝕形成相互垂直的梁11和梁ll'，在硅片背面腐蝕形成平膜10，梁11和梁11，與硅片四周的梁共同構成一 "田"字梁，形成梁膜結構。
所說的全硅微壓芯片5的梁11和梁ll，上沿著[llO]晶向在應力最
大處布置有電阻條Rl、 R2、 R3和R4，電阻條Rl的一端與壓焊塊12連接，電阻條R1和R4通過一公共的壓悍塊16連接，電阻條R3和R4通過一公共的壓焊塊15連接，電阻條R2和R3通過一公共的壓焊塊14連接，電阻條R2的另外一端與壓焊塊13連接。
由電阻條Rl、 R2、 R3和R4組成惠斯通測量電路時，壓焊塊15至電源恒壓源5V正極或恒流源1.5mA正極，壓焊塊12和13做完傳感器零位補償后短接一起為電橋的電源的負極，壓焊塊14和16為惠斯登測量電路的信號輸出端。
壓焊塊12、 13、 14、 15、 16采用鈦-鉬-金(Ti-Pt陽Au)梁式引線技術，亦即與電阻條R1、 R2、 R3和R4接觸的金屬為鈦，中間的阻擋擴散金屬為鉑，外界梁金屬為金，三者的厚度比為150: 300: 1500(單位A)。
所說的電阻條R1、 R2、 R3或R4形狀結構設計成兩折或兩折以上的結構。
由于本發明的"田"字形結構在國內外是首次提出，針對于此提出了相應的結構設計方案及制作工藝流程便于今后批量化生產的要求。通過調整梁尺寸來調整傳感器的機械性能，優化傳感器輸出；針對"田"字形的特殊結構，設計相應的壓敏電阻結構，使壓敏電阻充 分感應應力，電阻布置在最大應力區即梁的四端，由于此處為梁膜結 合處，尺寸較厚，因此避免了受到摻雜電阻結深問題的影響；通過對
--對電阻進行不等長電阻條結構設計，避免電阻條間距很近導致引線 間距過窄而引起短路的問題。由于半導體硅的良好的機械特性，同時 作為傳感器轉換電路的壓阻惠斯登測量電橋集成制造在全硅結構
"田"字梁上，這樣傳感器的彈性和敏感元件與轉化電路之間集成為 一體，大大降低了傳感器在測量過程中的遲滯、重復性誤差，從而提 高傳感器的測量精度。可以廣泛適用與石油測井、工業自動化、動力 裝備以及國防研究等領域的微壓下高精度，高靈敏度壓力測量的需 要。通過各項異性腐蝕及干法刻蝕工藝，在硅膜片上形成"田"字形 梁，梁膜結構起到應力集中作用，提高傳感器的靈敏度，解決了測量 微小量程壓力的難題；同時該"田"字形結構交叉處增加了厚度，提 高膜片中心的剛度，可以降低傳感器的撓度變形，使傳感器輸出更加 線性，解決傳感器線性輸出問題；由于梁膜結構相比島膜結構不存在 硬心質量塊，避免了傳感器容易受振動即加速度信號的千擾，提高了 傳感器抗干擾能力。
圖1為本發明的結構原理圖。
圖2為本發明的全硅微壓芯片5的結構原理圖，其中，圖2(a) 是俯視圖，，圖2(b)是A—A'視圖。
圖3為本發明的工藝版圖。圖4為本發明的電阻條R1、 R2、 R3或R4的結構圖；其中，圖 4(a)是一個實施例；圖4(b)是另一個實施例。
圖5為本發明的測量原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理做詳細說明。
參照圖l，本發明包括一配置有空腔的基座4，基座4的空腔與 基座4上的進氣孔9相連通，基座4空腔內依次配置有電路轉接板1 ， 電路轉接板1與基座4通過環氧樹脂膠牢固粘接，基座4空腔內還配 置-- (100.)晶面的全硅微壓芯片5，全硅微壓芯片5與PYREX7740 玻璃環2通過靜電鍵合封接在-一起，玻璃環的孔2與進氣孔9對準用 環氧樹脂膠相粘，全硅微壓芯片5上的壓焊塊12、 13、 14、 15和16 與電路轉接板1上的焊盤7之間通過超聲熱壓焊用金絲6連接，并將 引線8引出。基座4上配置有0型密封圈3，其主要是本發明的傳感 器芯體與其它結構連接時起密封作用。
參照圖2，所說的全硅微壓芯片5包括一硅片，在硅片的正面腐 蝕形成相互垂直的梁11和梁11'，在硅片背面腐蝕形成平膜10，具 體實施例是在400um厚的n型硅片背面腐蝕形成40um厚，2900um 寬的平膜，k從400um厚的n型硅片的正面刻蝕20um形成具有20um 厚，210um寬的相互垂直的梁11和梁11，，梁11和梁ll'與硅片四 周的梁共同構成一 "田"字梁，形成梁膜結構，達到應力集中，并且 在膜片變形最大的中心處增加剛度，降低撓度變形，提高傳感器線性輸出。
參照圖3，所說的全硅微壓芯片5的梁11和梁ll，上沿著[llO]
晶向在應力最大處布置有電阻條R1、 R2、 R3和R4，電阻條R1的--端與壓焊塊12連接，電阻條Rl和R4通過一公共的壓焊塊16連接， 電阻條R3和R4通過一公共的壓焊塊15連接，電阻條R2和R3通 過一公共的壓焊塊14連接，電阻條R2的另外一端與壓焊塊13連接。 壓焊塊12、 13、 14、 15、 16的作用就是通過金絲球焊實現芯片內與 芯片外的引線連接，為保證壓焊塊12、 13、 14、 15、 16與電阻條R1、 R2、 R3和R4之間有良好的歐姆接觸和傳感器芯片在高溫環境下外 引線的可靠性，通過給引線孔中濺射Pt金屬并合金化獲得低接觸電 阻，壓焊塊12、 13、 14、 15、 16采用鈦-鉬-金(Ti-Pt-Au)梁式引線 技術，亦即與電阻條R1、 R2、 R3和R4接觸的金屬為鈦，中間的阻 擋擴散金屬為鉑，外界梁金屬為金，三者的厚度比為50: 300: 1500 (單位A)。由電阻條R1、 R2、 R3和R4組成惠斯通測量電路時，壓 焊塊15至電源恒壓源5V正極或恒流源1.5mA正極，壓焊塊12和 13做完傳感器零位補償后短接一起為電橋的電源的負極，壓焊塊14 和16為惠斯登測量電路的信號輸出端。
所說的電阻條Rl、 R2、 R3或R4形狀結構如圖4中的電阻條 18所示，為提高電阻條的壓阻效應和提高傳感器靈敏度，電阻條18 的結構設計成兩折或兩折以上的結構，本發明實施例中折數為4折。 電阻條19、 20是為了使布置引線時保證引線間距，避免短路問題而 做的電阻條結構調整，在保證電阻條總長度不變的情況下，適當的將電阻條分別增加5um形成電阻條19及20。梁式引線17采用鈦-鉬-金(Ti-Pt-Au)引線技術，亦即與電阻條接觸的金屬為鈦，中間的阻 擋擴散金屬為鉑，外界梁金屬為金，三者的厚度比為150: 300: 1500 (單位A)，實現電阻條18與金絲6之間的電氣連接。
圖5為本發明的測量原理圖，被測量壓力通過殼體4的引壓孔9 及玻璃環2的玻璃孔21，作用于全硅微壓芯片5的背面，全硅微壓 芯片5的硅膜片產生彈性形變，硅膜片最大應力區域在形變下產生應 力，應力導致梁11、 ll，上的Rl、 R2、 R3和R4發生變化。為實現 微壓下全硅結構的壓力測量，本發明涉及全硅微壓芯片5的結構中， 全硅微壓芯片5的厚度為標準硅片厚度值400um,正方形芯片外形尺 寸的邊長碌計為4300um,背腔邊長尺寸設計為3410um,背腔深度加 工尺寸為360um，玻璃孔21尺寸為2000um。 PYREX7740玻璃環2 與壓力芯片5通過靜電鍵合工藝封接在一起。集成在硅膜片100
工作晶面上惠斯通電橋的兩臂電阻條R,、 R2、 R3、 R4的電阻產生變 化時，其變化率Ar/r的正負變化由應力差的正負變化來實現。對于 電阻條R,、R3，縱向應力 二 ，橫向應力J,= ；對于電阻條R2、 R4，縱向應力(T, ，橫向應力7J 。縱向壓阻系數 =1/2、4， 橫向壓阻系數",=-1/2"44，發生應變時，惠斯通電橋上電阻條R,、
R2、 R3、 R4的電阻阻值變化率分別為
, ArAr31 , 、 "、
」=J = ;^4K— ) (1) C 6 2
j = j = ;"44d .) (2)其中^， 分別為彈性元件測量點處縱向和橫向的應力；IV r2、
r3 、 f4分別為電阻條R,、 R2、 R3、 R4的電阻；Ax^、 Ar2、 Ar3、 Ar4 分別為電阻條A、 R2、 R3、 R4的電阻變化值。
由四臂電阻構成的惠斯通電橋能靈敏地反映應力所導致的電阻 變化；又能有效地消除擴散電阻本身的不均勻性及電阻溫度系數的影 響。惠斯通測量電橋在恒定電源激勵下，輸出和壓力P的大小成正比 的電信號，從而測得微壓壓力值。
本發明提供以下一個實施例 壓力傳感器芯片4.3mmx4.3mmx0.4mm; 壓力量程lOKPa; 靈敏度>7.0359mV/KPa; 精度《0.5% 應變極限》300(Vs; 電源1.5mA/5VDC; 工作溫度-40 100°C;
疲勞壽命》107次。
權利要求
1、梁膜結合微壓傳感器，包括一配置有空腔的基座(4)，基座(4)的空腔與基座(4)上的進氣孔(9)相連通，基座(4)空腔內配置有帶孔的玻璃環(2)和電路轉接板(1)，玻璃環(2)的孔與進氣孔(9)對準用環氧樹脂膠相粘，電路轉接板(1)與基座(4)通過環氧樹脂膠牢固粘接，基座(4)空腔內還配置一100晶面的全硅微壓芯片(5)，全硅微壓芯片(5)與玻璃環(2)通過靜電鍵合封接在一起，全硅微壓芯片(5)上的壓焊塊(12、13、14、15)和(16)與電路轉接板(1)上的焊盤(7)之間通過超聲熱壓焊用金絲(6)連接，并將引線(8)引出，其特征在于，所說的全硅微壓芯片(5)包括一硅片，在硅片的正面腐蝕形成相互垂直的梁(11)和梁(11’)，在硅片背面腐蝕形成平膜(10)，梁(11)和梁(11’)與硅片四周的梁共同構成一“田”字梁，形成梁膜結構。
2、 根據權利要求1所說的梁膜結合微壓傳感器，其特征在于， 所說的全硅微壓芯片(5)的梁(11)和梁(11，)上沿著110晶 向在應力最大處布置有電阻條(Rl、 R2、 R3)和(R4)，電阻條(Rl) 的一端與壓焊塊(12)連接，電阻條(Rl)和(R4)通過一公共的 壓焊塊(16)連接，電阻條(R3)和(R4)通過一公共的壓焊塊(15) 連接，電阻條(R2)和(R3)通過一公共的壓焊塊(14)連接，電 阻條(R2)的另外一端與壓焊塊'(13)連接。
3、根據權利要求2所說的梁膜結合微壓傳感器，其特征在于， 所說的電阻條(Rl、 R2、 R3)和(R4)組成惠斯通測量電路時，壓焊塊(15)至電源恒壓源5V正極或恒流源1.5mA正極，壓焊塊(12) 和(13)做完傳感器零位補償后短接一起為電橋的電源的負極，壓焊 塊(14)和(16)為惠斯登測量電路的信號輸出端。
4、 根據權利要求2或3所說的梁膜結合微壓傳感器，其特征在 于，所說的壓焊塊(12、 13、 14、 15、 16)采用鈦-鉑-金(Ti-Pt-Au) 梁式引線技術，亦即與電阻條(Rl、 R2、 R3)禾n (R4)接觸的金屬 為鈦，中間的阻擋擴散金屬為鉑，外界梁金屬為金，三者的厚度比為 150: 300: 1500 (單位A)。
5、 根據權利要求2或3所說的梁膜結合微壓傳感器，其特征在 于，所說的所說的電阻條(Rl、 R2、 R3)或(R4)形狀結構設計成 兩折或兩折以上的結構。
全文摘要
梁膜結合微壓傳感器，包括一基座4，基座4空腔內配置一(100)晶面的全硅微壓芯片5，所說的全硅微壓芯片5的硅片的正面腐蝕形成相互垂直的梁11和梁11’，在硅片背面腐蝕形成平膜10，梁11和梁11’與硅片四周的梁共同構成一“田”字梁，形成梁膜結構，被測量壓力作用于全硅微壓芯片5的背面，其硅膜片產生應力，導致梁上的電阻發生變化，從而測出壓力值，本發明使得傳感器的彈性和敏感元件與轉化電路之間集成為一體，大大降低了傳感器在測量過程中的遲滯、重復性誤差，從而提高了傳感器的測量精度；可以廣泛適用于石油測井、工業自動化、動力裝備以及國防研究等領域。
文檔編號G01L9/04GK101672710SQ20091002432
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月14日 優先權日2009年10月14日
發明者廖南生, 邊 田, 蔣莊德, 趙玉龍 申請人:西安交通大學