專利名稱：一種梁膜雙島結構微壓高過載傳感器芯片的制作方法
技術領域：
本發明涉及MEMS壓阻式絕對壓力傳感器技術領域，具體涉及一種梁膜雙島結構微壓高過載傳感器芯片。
背景技術：
隨著微機械電子系統技術的發展，MEMS微壓傳感器已被廣泛應用于風洞測試，生物醫電及石油化工等領域，尤其在航天，這種對傳感器體積、重量有嚴格要求的領域，MEMS 傳感器無疑是十分理想的選擇。
隨著航天技術的發展，我國目前的MEMS微壓傳感器主要還停留在KPa級上，并不能滿足航天領域對Pa級微壓測量的需求，也不能適應航天領域的工作環境，不能滿足航天領域對深高空微壓精確測量技術的需求。由于飛行器飛行到深高空時，環境氣壓不足標準大氣壓的萬分之一，因而傳感器需要承受地面與深高空之間相當于數百倍滿量程的高過載，并能高精度地測量深高空的微壓。同時，在地面與深高空近100°C的溫差下，傳感器仍需保持高精度的測量。因此，如何解決高靈敏度與高過載，高靈敏度與高線性度之間的矛盾， 同時，抑制低溫對傳感器測量精度的影響，是保障傳感器可靠、精確地測量深高空微壓，而亟待突破的關鍵技術難點。
發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種梁膜雙島結構微壓高過載傳感器芯片，能夠對Pa級微壓進行測量，具有高線性度、高精度，同時能夠承受相當于滿量程500倍的高過載，能夠滿足航天領域對深高空微壓精確測量的需求。為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下一種梁膜雙島結構微壓高過載傳感器芯片，包括硅基底1，硅基底I上加工有兩個質量塊4-1、4-2和三根單梁3-1、3-2、3-3，第一質量塊4_1通過第一單梁3_1與硅基底I連接，第二質量塊4-2通過第三單梁3-3與硅基底I連接，第一質量塊4-1和第二質量塊4-2 之間通過第二單梁3-2連接，將硅基底I、質量塊4-1、4-2及三根單梁3-1、3-2、3-3圍成的空間加工成10 30 μ m薄膜2，硅基底I的背面與Pyrex7740玻璃5鍵合，將質量塊4_1、 4-2的背面減薄，使質量塊4-1、4-2與Pyrex7740玻璃5之間在真空環境下留有5 10 μ m 的間隙，同時將Pyrex7740玻璃5上的防吸附電極9_1、9_2插入鍵合區域10，將薄膜2、質量塊4-1、4-2和Pyrex7740玻璃5之間形成的腔體抽真空，在硅基底I的正面，四個壓敏電阻條6-1、6-2、6-3、6-4按照三根單梁3_1、3-2、3-3上的應力分布規律均布置在靠近其根部處，且沿著壓阻系數最大的晶向，四個壓敏電阻條6-1、6-2、6-3、6-4通過硅基底I上的金屬引線8相互連接組成開環惠斯通電橋，電橋的輸出端與硅基底I上的焊盤7相連。所述的三根單梁3-1、3-2、3_3厚度為10 40 μ m。所述的四個壓敏電阻條6-1、6-2、6-3、6-4均由四折相同的電阻條組成，并且沿相同的晶向布置。
所述的焊盤7采用Ti-Pt-Au多層引線技術。所述的金屬引線8采用Ti-Pt-Au多層引線技術。所述的防吸附電極9-1、9-2采用Cr材料，防吸附電極9-1、9-2為梳齒狀，與質量塊4-1、4-2的接觸面積小。本發明采用梁膜雙島結構作為MEMS微壓傳感器的芯體結構，可以承受由地面氣壓帶來的相當于500倍滿量程的高過載，三根單梁3-1、3-2、3-3上壓敏電阻條6_1、6_2、
6-3、6-4的分布位置是根據有限元計算結果確定的，可以提高惠斯通電橋的輸出電壓，從而進一步提高傳感器的靈敏度。硅基底I上的焊盤7與金屬引線8采用了 Ti-Pt-Au多層引線技術，即將Ti置于底層與壓敏電阻條6-1、6-2、6-3、6-4連接，以降低接觸電阻，Pt置于中間阻擋層，以提高引線耐腐蝕性，Au置于上邊引線鍵合層，以利于引線鍵合。此技術可以保證在航天等惡劣環境下，引線鍵合連接的可靠性。該傳感器芯片的結構合理，能夠抗高過載，同時又具備高可靠性、高精度、高線性度、便于加工、成本低等特點，有利于實現批量化生產。
圖I為本發明軸側示意圖。圖2為本發明正面示意圖。圖3為本發明硅基底I的背腔示意圖。圖4為圖2中A-A截面的剖視示意圖。圖5為本發明防吸附電極9-1、9_2以及硅基底I與Pyrex7740玻璃5鍵合區域10 的示意圖。圖6為本發明壓敏電阻條6-1、6-2、6-3、6_4連接構成的惠斯通電橋示意圖。圖7為本發明正常工作時，圖2中A-A截面處的示意圖。圖8為本發明在地面大氣環境下承受過載時，圖2中A-A截面處的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明的實施方式。參照圖I和圖2，一種梁膜雙島結構微壓高過載傳感器芯片，包括硅基底1，硅基底 I上加工有兩個質量塊4-1、4-2和三根單梁3-1、3-2、3-3，第一質量塊4_1通過第一單梁 3-1與硅基底I連接，第二質量塊4-2通過第三單梁3-3與硅基底I連接，第一質量塊4-1和第二質量塊4-2之間通過第二單梁3-2連接，將硅基底I、質量塊4-1、4-2及三根單梁3_1、 3-2,3-3圍成的空間加工成10 30 μ m薄膜2，硅基底I的背面與Pyrex7740玻璃5鍵合， 參照圖3、圖4和圖5，將質量塊4-1、4-2的背面減薄，使質量塊4-1、4-2與Pyrex7740玻璃 5之間在真空環境下留有5 10 μ m的間隙，同時將Pyrex7740玻璃5上的防吸附電極9_1、 9-2插入鍵合區域10，將薄膜2、質量塊4-1、4-2和Pyrex7740玻璃5之間形成的腔體抽真空，在硅基底I的正面，四個壓敏電阻條6-1、6-2、6-3、6-4按照三根單梁3_1、3_2、3_3上的應力分布規律均布置在靠近其根部處，且沿壓阻系數最大的晶向。參照圖6，四個壓敏電阻條6-1、6-2、6-3、6-4通過硅基底I上的金屬引線8相互連接組成開環惠斯通電橋，電橋的輸出端與硅基底I上的焊盤7相連，同時電橋采用恒流源供電，可以很好地抑制由于溫度對傳感器信號輸出的非線性影響。所述的三根單梁3-1、3-2、3_3厚度為10 40 μ m。所述的四個壓敏電阻條6-1、6-2、6-3、6-4均由四折相同的電阻條組成，并且沿相同的晶向布置。所述的焊盤7采用Ti-Pt-Au多層引線技術。所述的金屬引線8采用Ti-Pt-Au多層引線技術。所述的防吸附電極9-1、9_2采用Cr材料，防吸附電極9_1、9_2為梳齒狀，與質量塊4-1、4-2的接觸面積小。本發明的工作原理為
參照圖7，傳感器在深高空微壓作用下，薄膜2開始向下凹，其上的三根單梁3-1、 3-2、3-3對應力進行二次集中，從而增大了梁上四個壓敏電阻條6-1、6-2、6-3、6-4的輸出電壓，即可提高傳感器的靈敏度，同時，三根單梁3-1、3-2、3-3和兩個質量塊4-1、4-2的存在，增大了結構整體的剛度，明顯改善了傳感器的線性。參照圖8，當傳感器處于地面大氣環境時，要承受大氣壓的作用，在承受相當于 500倍滿量程的高過載時，質量塊4-1、4-2已壓在防吸附電極9-1、9-2上，起到限位保護的作用，防止薄膜2因撓度過大而破壞。防吸附電極9-1、9-2減小了與質量塊4-1、4-2的接觸面積，同時，防吸附電極9-1、9-2通過插入鍵合區域與硅基底I接觸，形成等電位，從而有效避免了靜電力產生的質量塊4-1、4-2與Pyrex7740玻璃5吸附的問題。因此，正是由于防吸附電極9-1、9-2的存在，才使得本發明由過載狀態轉入工作模式時，質量塊4-1、4-2可以被順利地彈起，從而，進一步提高傳感器的工作穩定性。本發明的梁膜雙島結構微壓高過載傳感器芯片，相對于傳統的C型平膜和E型島膜結構，由于三根單梁3-1、3-2、3-3的引入提高了整體的剛度，再次集中了應力，因此，該結構具有線性好，靈敏度高的特點。同時，由于四個壓敏電阻條6-1、6-2、6-3、6-4布置在相同的晶向上，并且三根單梁3-1、3-2、3-3上的應力分布一致性較好，因此，該結構具有較低的零位輸出。此外，三根單梁3-1、3-2、3-3與質量塊4-1、4-2可以較好地分擔薄膜2所承受的過載，使得結構可以抗500倍的高過載。
權利要求
1.一種梁膜雙島結構微壓高過載傳感器芯片，包括硅基底(1)，其特征在于硅基底(I)上加工有兩個質量塊(4-1)、(4-2)和三根單梁(3-1)、(3-2)、(3-3)，第一質量塊(4_1)通過第一單梁(3-1)與硅基底(I)連接，第二質量塊(4-2)通過第三單梁(3-3)與硅基底(I)連接，第一質量塊(4-1)和第二質量塊(4-2)之間通過第二單梁(3-2)連接，將硅基底(1)、質量塊(4-1)、(4-2)及三根單梁(3-1)、(3-2)、(3-3)圍成的空間加工成10 30μ m薄膜(2)，硅基底(I)的背面與Pyrex7740玻璃(5)鍵合，將質量塊(4_1)、(4_2)的背面減薄，使質量塊(4-1)、(4-2)與Pyrex7740玻璃(5)之間在真空環境下留有5 10 μ m的間隙，同時將Pyrex7740玻璃(5)上的防吸附電極(9-1)、(9-2)插入鍵合區域(10)，將薄膜(2)、質量塊(4-1)、(4-2)和Pyrex7740玻璃(5)之間形成的腔體抽真空，在硅基底(I)的正面，四個壓敏電阻條(6-1)、(6-2)、(6-3)、(6-4)按照三根單梁(3_1)、(3-2)、(3-3)上的應力分布規律均布置在靠近其根部處，且沿著壓阻系數最大的晶向，四個壓敏電阻條(6-1)、 (6-2)、(6-3)、(6-4)通過硅基底(I)上的金屬引線(8)相互連接組成開環惠斯通電橋，電橋的輸出端與硅基底⑴上的焊盤(7)相連。
2.根據權利要求I所述的一種梁膜雙島結構微壓高過載傳感器芯片，其特征在于所述的三根單梁(3-1)、(3-2)、(3-3)厚度為10 40 μ m。
3.根據權利要求I所述的一種梁膜雙島結構微壓高過載傳感器芯片，其特征在于所述的四個壓敏電阻條(6-1)、(6-2)、(6-3)、(6-4)均由四折相同的電阻條組成，并且沿相同的晶向布置。
4.根據權利要求I所述的一種梁膜雙島結構微壓高過載傳感器芯片，其特征在于所述的焊盤(7)采用Ti-Pt-Au多層引線技術。
5.根據權利要求I所述的一種梁膜雙島結構微壓高過載傳感器芯片，其特征在于所述的金屬引線(8)采用Ti-Pt-Au多層引線技術。
6.根據權利要求I所述的一種梁膜雙島結構微壓高過載傳感器芯片，其特征在于所述的防吸附電極(9-1)、(9-2)采用Cr材料，防吸附電極(9-1)、(9-2)為梳齒狀，與質量塊(4-1)、(4-2)的接觸面積小。
全文摘要
一種梁膜雙島結構微壓高過載傳感器芯片，包括硅基底，硅基底上加工有兩個質量塊和三根單梁，質量塊與硅基底、兩個質量塊之間均通過單梁連接，將硅基底、質量塊及三根單梁圍成的空間加工成薄膜，硅基底的背面與Pyrex7740玻璃鍵合，質量塊與Pyrex7740玻璃之間在真空環境下留有間隙，同時將Pyrex7740玻璃上的兩個防吸附電極插入鍵合區域，將薄膜、質量塊和Pyrex7740玻璃之間形成的腔體抽真空，在硅基底的正面，四個壓敏電阻條相互連接組成開環惠斯通電橋，三根單梁的引入提高了整體的剛度，再次集中了應力，具有線性好，靈敏度高，零位小的特點，同時可以抗500倍的高過載。
文檔編號G01L1/18GK102620865SQ20121006897
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月16日 優先權日2012年3月16日
發明者于忠亮, 劉巖, 孟夏薇, 張學鋒, 王偉忠, 趙玉龍 申請人:西安交通大學