一种微压高过载传感器芯片制造技术

本发明专利技术涉及一种微压高过载传感器芯片，包括由下至上依次叠置的基底、器件层和氧化层，其中设有多个第一上凹槽和多个第二上凹槽，形成一个上部中心岛、多个上部辐射岛、多根敏感梁、多根引线梁、一个环形梁和一个上部衬底；器件层的下表面上形成有下凹槽，一个下部中心岛、多个下部辐射岛和一个下部衬底；基底中设有能够供下部中心岛和下部辐射岛下移时自由进入的通孔。本发明专利技术解决了现有技术中因应力敏感区与高应力区重叠在一起而导致的传感器的灵敏度与过载阻抗之间矛盾的问题，有利于灵敏度与过载阻抗的同步提升，并显著地改善传感器的动态特性。

【技术实现步骤摘要】
一种微压高过载传感器芯片
本专利技术属于压阻式压力传感器
，具体涉及一种微压高过载传感器芯片。
技术介绍
随着我国对制造业重点发展领域的大力推进，传感器作为必不可少的基础技术和装备核心备受关注，尤其，基于MEMS技术的微压传感器在航空航天、先进轨道交通等制造业重点发展领域需求迫切，已成为国内外研究热点。在航空航天领域，微压传感器具有高可靠性与隐蔽性的特点，在监测飞行器处于近真空环境下的高度、保障飞行轨道调整准确、确保飞行安全方面不可或缺。气压高度信息的精确测量对传感器灵敏度提出了较高要求。同时，由于地面和高空的气压差较大，用于高空微压测量的小量程传感器在承受地面大气压高过载时极易破碎。此外，飞行器的振动干扰也会对微压的测量精度产生影响。在先进轨道交通方面，微压传感器对监测动车疲劳状态、保障行车安全具有重要意义。当列车高速通过隧道或两车交会时，列车尾部过渡区及底部裙板会产生一定负压。在交变气动载荷作用下，焊缝附近、结构不连续部位以及开孔接管等区域常常会产生很高的循环应力，导致车体发生疲劳断裂。为预防车体发生疲劳断裂事故，风压的准确监测尤为关键，这对传感器灵敏度提出了较高要求。同时，列车在高速通过隧道或两车交会时产生的瞬时高过载易导致传感器芯体结构发生破损失效。此外，列车振动干扰信号也会影响传感器测量精度。综上，研制具备高灵敏度、高过载阻抗以及优异动态特性的微压传感器对促进制造业的快速发展意义重大。压阻式压力传感器利用半导体材料的压阻效应制成，是目前研究最广泛、工艺最成熟的MEMS器件，已得到了广泛的应用。典型的压阻式压力传感器的工作原理是通过在感压膜片的敏感区掺杂压敏电阻条的方式构成惠斯通电桥，当有外界压力施加在感压膜片上时，感压膜片会产生挠曲变形致使作用于压敏电阻条的应力发生改变，最后将因应力作用而改变的压敏电阻条的阻值经由惠斯通电桥转化为输出电压，根据输出电压与压力值间的标定关系实现对外界压力的测量。为了获得较高的灵敏度，压阻式压力传感器通常需将压敏电阻条布置于感压膜片上的应力敏感区，而该区域在过载下往往会产生更高的应力，应力敏感区与过载所致高应力区的重叠导致了灵敏度与过载阻抗之间的矛盾。一方面，为了提升传感器的灵敏度需增大敏感区的应力，另一方面，为了提高传感器的过载阻抗又需抑制敏感结构上的应力峰值，如何解决灵敏度与过载阻抗之间的矛盾，是亟需突破的技术难题。此外，利用深刻蚀得到的质量块作为过载保护装置明显地加大了结构的等效质量，进而极大地制约了传感器动态特性的提升。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术提供一种微压高过载传感器芯片，致力于解决现有技术中存在的因应力敏感区与过载所致高应力区重叠而导致的灵敏度与过载阻抗间矛盾的问题。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：本专利技术提供一种微压高过载传感器芯片，包括由下至上依次叠置的基底、器件层和氧化层，设有从氧化层的上表面贯穿至所述器件层的上部的多个第一上凹槽和多个第二上凹槽，所有第二上凹槽整体呈围绕所有第一上凹槽的环形布置，在所述第二上凹槽的外侧形成相对于所述第二上凹槽的槽底向上凸出的一个上部衬底，所有所述第一上凹槽彼此间隔地环向分布，所有所述第二上凹槽彼此间隔设置，在每相邻两个所述第二上凹槽之间形成引线梁，所述第一上凹槽和所述第二上凹槽之间间隔设置且在两者之间形成环形梁，所有第一上凹槽组合后的形状构造为：使叠置在一起的氧化层和器件层中形成相对于所述第一上凹槽的槽底向上突出的一个上部中心岛、多个上部辐射岛和多根敏感梁，所有所述上部辐射岛环绕在所述上部中心岛周围，每个所述上部辐射岛通过一根所述敏感梁与所述上部中心岛连接；所述器件层的下表面上形成有下凹槽，所述下凹槽的形状构造为：使所述器件层的下部中形成相对于所述下凹槽的槽底向下凸出的一个下部中心岛、多个下部辐射岛和一个下部衬底，所述下部衬底包围所述下凹槽，所述下凹槽包围所述下部中心岛和所述下部辐射岛，所有所述下部辐射岛环绕在所述下部中心岛的周围，并且所述下部中心岛与所述上部中心岛上下对应，所有下部辐射岛和所有上部辐射岛上下一一对应；所述基底中设有能够供所述下部中心岛和所述下部辐射岛下移时自由进入的通孔，在平行于所述基底的平面的投影中，所述通孔的边缘的投影和所述第二上凹槽的投影全部位于所述下凹槽的投影内。作为本专利技术的进一步改进，在平行于所述基底的平面的投影中，所述下部中心岛和所述下部辐射岛的边缘的投影距所述通孔的边缘的投影的最小距离为30-50μm；下凹槽的槽底与基底的上表面之间的间隙为10-30μm。作为本专利技术的进一步改进，四个上部辐射岛和四根敏感梁均匀围绕上部中心岛。作为本专利技术的进一步改进，四根引线梁围绕环形梁均匀布置，并且四根引线梁与四根敏感梁之间周向错开45°角。作为本专利技术的进一步改进，按照每根敏感梁的应力分布规律在每根敏感梁上的应力敏感区布置一个压敏电阻条，氧化层上还设有金属引线及焊盘，四根敏感梁上的共四个压敏电阻条通过金属引线相互连接组成开环惠斯通电桥，开环惠斯通电桥的输出端与焊盘相连。作为本专利技术的进一步改进，四根敏感梁沿着相互垂直的两晶向设置，四个压敏电阻条均由两折相同的压敏电阻组成且沿着剪切压阻系数最大的同一晶向布置。作为本专利技术的进一步改进，上部中心岛和下部中心岛均为圆形；上部辐射岛和下部辐射岛均为扇形，同时上部辐射岛和下部辐射岛的短弧边均相应地朝向上部中心岛和下部中心岛；环形梁为圆环形；所有第二上凹槽和所有引线梁整体形成圆环形；下凹槽的内周面为圆周面。作为本专利技术的进一步改进，上部中心岛和下部中心岛在平行于基底平面的投影中完全重合；上部辐射岛和下部辐射岛在平行于基底平面的投影中完全重合。作为本专利技术的进一步改进，因第一上凹槽、第二上凹槽和下凹槽的设置，在氧化层和器件层中对应于下凹槽的垂直部分内形成的位于上凹槽与下凹槽之间的等厚薄片构成感压膜片，感压膜片的厚度为10-30μm。作为本专利技术的进一步改进，敏感梁、引线梁和环形梁的厚度均为10-40μm。作为本专利技术的进一步改进，敏感梁、引线梁和环形梁的厚度相同。作为本专利技术的进一步改进，上部中心岛、上部辐射岛、敏感梁、环形梁、引线梁和上部衬底的上表面均位于同一平面内；下部中心岛、下部辐射岛和下部衬底的下表面均位于同一平面内。(三)有益效果本专利技术的有益效果是：本专利技术的传感器芯片中的岛结构设置为辐射状，即包括一个上部中心岛、一个与上部中心岛对应的下部中心岛、多个上部辐射岛和多个与上部辐射岛对应的下部辐射岛，且上部辐射岛环绕在上部中心岛的周围，下部辐射岛环绕在下部中心岛的周围，这样通过辐射岛(上部辐射岛和下部辐射岛)与中心岛(上部中心岛和下部中心岛)间形成的对敏感梁的刚性约束，可提高敏感梁在外界压力作用下的应变，同时根据感压膜片的中心位置在外界压力作用下挠度最大的特点，通过将敏感梁设置于靠近感压膜片的中心位置，可进一步提高敏感梁的应变，从而可显著地提高传感器的灵敏度。并且，通过在基底上加工有通孔，加之下凹槽与基底之间形成带有间隙的腔体，基底可为岛结构产生向下的位移提供活动空间，同时在岛结构向下产生一定位移后，感压膜片(因第一上凹槽、第二上凹槽和下凹槽的设置，在氧化层和器件层中对应于下凹槽的垂直部分内形成的位于上凹槽与下凹槽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微压高过载传感器芯片，包括由下至上依次叠置的基底(3)、器件层(2)和氧化层(1)，其特征在于：设有从所述氧化层(1)的上表面贯穿至所述器件层(2)的上部的多个第一上凹槽(4)和多个第二上凹槽(5)，所有第二上凹槽(5)整体呈围绕所有第一上凹槽(4)的环形布置，在所述第二上凹槽(5)的外侧形成相对于所述第二上凹槽(5)的槽底向上凸出的一个上部衬底(6)，所有所述第一上凹槽(4)彼此间隔地环向分布，所有所述第二上凹槽(5)彼此间隔设置，在每相邻两个所述第二上凹槽(5)之间形成引线梁(7)，所述第一上凹槽(4)和所述第二上凹槽(5)之间间隔设置且在两者之间形成环形梁(8)，所有第一上凹槽(4)组合后的形状构造为：使叠置在一起的氧化层(1)和器件层(2)中形成相对于所述第一上凹槽(4)的槽底向上突出的一个上部中心岛(9)、多个上部辐射岛(10)和多根敏感梁(11)，所有所述上部辐射岛(10)环绕在所述上部中心岛(9)周围，每个所述上部辐射岛(10)通过一根所述敏感梁(11)与所述上部中心岛(9)连接；所述器件层(2)的下表面上形成有下凹槽(12)，所述下凹槽(12)的形状构造为：使所述器件层(2)的下部中形成相对于所述下凹槽(12)的槽底向下凸出的一个下部中心岛(13)、多个下部辐射岛(14)和一个下部衬底(15)，所述下部衬底(15)包围所述下凹槽(12)，所述下凹槽(12)包围所述下部中心岛(13)和所述下部辐射岛(14)，所有所述下部辐射岛(14)环绕在所述下部中心岛(13)的周围，并且所述下部中心岛(13)与所述上部中心岛(9)上下对应，所有下部辐射岛(14)和所有上部辐射岛(10)上下一一对应；所述基底(3)中设有能够供所述下部中心岛(13)和所述下部辐射岛(14)下移时自由进入的通孔(16)，在平行于所述基底(3)的平面的投影中，所述通孔(16)的边缘的投影和所述第二上凹槽(5)的投影全部位于所述下凹槽(12)的投影内。...

【技术特征摘要】
1.一种微压高过载传感器芯片，包括由下至上依次叠置的基底(3)、器件层(2)和氧化层(1)，其特征在于：设有从所述氧化层(1)的上表面贯穿至所述器件层(2)的上部的多个第一上凹槽(4)和多个第二上凹槽(5)，所有第二上凹槽(5)整体呈围绕所有第一上凹槽(4)的环形布置，在所述第二上凹槽(5)的外侧形成相对于所述第二上凹槽(5)的槽底向上凸出的一个上部衬底(6)，所有所述第一上凹槽(4)彼此间隔地环向分布，所有所述第二上凹槽(5)彼此间隔设置，在每相邻两个所述第二上凹槽(5)之间形成引线梁(7)，所述第一上凹槽(4)和所述第二上凹槽(5)之间间隔设置且在两者之间形成环形梁(8)，所有第一上凹槽(4)组合后的形状构造为：使叠置在一起的氧化层(1)和器件层(2)中形成相对于所述第一上凹槽(4)的槽底向上突出的一个上部中心岛(9)、多个上部辐射岛(10)和多根敏感梁(11)，所有所述上部辐射岛(10)环绕在所述上部中心岛(9)周围，每个所述上部辐射岛(10)通过一根所述敏感梁(11)与所述上部中心岛(9)连接；所述器件层(2)的下表面上形成有下凹槽(12)，所述下凹槽(12)的形状构造为：使所述器件层(2)的下部中形成相对于所述下凹槽(12)的槽底向下凸出的一个下部中心岛(13)、多个下部辐射岛(14)和一个下部衬底(15)，所述下部衬底(15)包围所述下凹槽(12)，所述下凹槽(12)包围所述下部中心岛(13)和所述下部辐射岛(14)，所有所述下部辐射岛(14)环绕在所述下部中心岛(13)的周围，并且所述下部中心岛(13)与所述上部中心岛(9)上下对应，所有下部辐射岛(14)和所有上部辐射岛(10)上下一一对应；所述基底(3)中设有能够供所述下部中心岛(13)和所述下部辐射岛(14)下移时自由进入的通孔(16)，在平行于所述基底(3)的平面的投影中，所述通孔(16)的边缘的投影和所述第二上凹槽(5)的投影全部位于所述下凹槽(12)的投影内。2.如权利要求1所述的微压高过载传感器芯片，其特征在于，在平行于所述基底(3)的平面的投影中，所述下部中心岛(13)和所述下部辐射岛(14)的边缘的投影距所述通孔(16)的边缘的投影的最小距离为30-50μm；所述下凹槽(12)的槽底与所述基底(3)的上表面之间的间隙为10-30μm。3.如权利要求1所述的微压高过...

【专利技术属性】
技术研发人员：于忠亮，宋锦春，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21