高温压力传感器及其制作方法技术

本发明专利技术涉及一种高温压力传感器及其制作方法，属于微机械制造领域，该高温压力传感器，包括硅衬底、设置在硅衬底上的敏感元件，还包括设置在硅衬底上的由耐高温不导电材料所制成的中间基片及设置在中间基片上的上层硅片，硅衬底、中间基片和上层硅片依次键合，硅衬底与中间基片之间形成有收纳敏感元件的腔体，该高温压力传感器由于将硅衬底、中间基片和上层硅片依次叠加以形成“硅衬底‑中间基片‑硅片”的三明治结构，使得应力失配相互抵消，以达到应力平衡；而该高温压力传感器的制作方法所制成的高温压力传感器由于形成了“硅衬底‑中间基片‑硅片”的三明治结构，使得应力失配相互抵消，以达到应力平衡。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高温压力传感器及其制作方法，属于微机械制造领域。
技术介绍
耐高温压力传感器作为微机电系统(MEMS)的主要产品之一，已广泛用于石油化工、汽车电子、航空航天等领域高温环境下的压力测量。目前商用的压力传感器主要是硅扩散型压阻式压力传感器，因其以单晶硅为基片，在N型硅衬底上制作P型扩散电阻，依靠反偏PN结实现电学隔离，当工作温度超过120℃时，PN结漏电流加剧，传感器的性能会严重恶化以至失效。此外，耐高温封装工艺也是制约高温压力传感器发展的另一关键因素。在压力传感器芯片的封装工艺中，大多采用玻璃浆料低温烧结的方法将芯片与弹性元件结合为一体，或者采用芯片/玻璃静电键合技术，两种工艺中都存在材料间热膨胀系数的匹配或应力消除问题。并且，对于传感器芯片和外围的连接，主要还是将细金属线焊接到传感器芯片的金属焊点上，然后再到管脚或印刷电路板上。这些细金线或焊接处容易因高振动或快速的压力循环而产生疲劳，甚至出现故障。为了解决压力传感器在高温等恶劣条件下的漏电和性能失效问题，国内外相关知名科研机构和传感器公司都投入大量资源对耐高温压力传感器做了大量研究，并取得了不少研究成果。譬如，采用绝缘体上硅(SOI)衬底材料有利于改善压力传感器的高温性能，相对于传统的体硅压力传感器，SOI压力传感器利用绝缘埋氧层隔离来取代PN结隔离，使得器件忍耐高温的能力大大增强。再有，美国森萨塔公司研发了基于密封式硅应变片MSG技术的汽油直喷轨压传感器，其采用压阻技术，将硅应变片通过玻璃微融贴在金属隔膜上，经过密封，工作温度可达-40～140℃。然而，对于150℃以上更高温度环境下的压力测量，该传感器还不适用。又譬如，美国科莱特公司采用BESOI技术和“无焊接引线”设计封装制备的SOI超高温压力传感器，工作温度可达-55～482℃。此外，科莱特还将传感器芯片和保护层晶片通过静电粘结技术组装成传感器膜片，再用高温传导玻璃在感应芯片和特殊设计接头之间作为电路连接，解决了传统压力传感器的金线焊接点容易疲劳的问题，然而其键合封装后的应力平衡问题仍难以消除。综上所述，现有高温压力传感器的封装大多采用玻璃浆料低温烧结的方法或者采用单片硅片-玻璃静电键合技术，存在着应力平衡问题；传统地传感器将硅芯片和电路通过细金丝相连接，细金线或焊接处容易因高振动或快速的压力循环而产生疲劳，甚至出现故障；现有技术方案中有些高温压力传感器所能承受的温度还不是很高，有待进一步提高耐高温性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可使应力失配相互抵消，以达到应力平衡的高温压力传感器。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种高温压力传感器，包括硅衬底、设置在所述硅衬底上的敏感元件，还包括设置在所述硅衬底上的由耐高温不导电材料所制成的中间基片及设置在所述中间基片上的上层硅片，所述硅衬底、中间基片和上层硅片依次键合，所述硅衬底与中间基片之间形成有收纳所述敏感元件的腔体。进一步的：所述硅衬底的厚度与上层硅片的厚度相同；或者，所述硅衬底与上层硅片的厚度偏差范围在±10um。进一步的：所述高温压力传感器上形成有至少两个通孔，每个所述通孔顺次贯穿中间基片和上层硅片，每个所述通孔内形成有导电柱，所述导电柱的一端与敏感元件电性连接，另一端暴露在所述上层硅片上。进一步的：每个所述通孔包括贯穿所述中间基片的第一子通孔和贯穿所述上层硅片的第二子通孔；所述第一子通孔和第二子通孔的形状相同，或者所述第一子通孔和第二子通孔的形状不相同。进一步的：所述中间基片上设有开口朝向所述硅衬底的凹槽，所述腔体由所述硅衬底封闭所述中间基片上的所述凹槽形成；或者，所述硅衬底上设有开口朝向所述中间基片的凹槽，所述腔体由所述中间基片封闭所述硅衬底上的所述凹槽形成；或者，所述中间基片上设有开口朝向所述硅衬底的上凹槽，所述硅衬底上开设有开口朝向所述中间基片的下凹槽，所述下凹槽和上凹槽对称设置，所述腔体由所述下凹槽和上凹槽围设形成。进一步的：所述敏感元件为压敏电阻或基于电容式的敏感膜片。进一步的：所述中间基片为玻璃片。本专利技术还提供了一种高温压力传感器的制作方法，包括如下步骤：S1：提供硅衬底，所述硅衬底从下至上依次设置有体硅层、绝缘层和体硅薄膜，所述硅衬底具有相背设置的上表面和下表面；S2：在所述硅衬底的上表面上形成敏感元件和与所述敏感元件电性连接的金属电极；S3：提供一由耐高温不导电材料所制成的中间基片，所述中间基片具有相背设置的正面和背面，在所述中间基片的背面上形成凹槽；所述中间基片的背面与所述硅衬底的上表面键合，密封凹槽以形成密封敏感元件的腔体；S4：提供硅片，所述硅片包括相背设置的顶面和底面；将所述硅片的底面与中间基片的正面键合；S5：引出金属电极。本专利技术还提供了一种高温压力传感器的制作方法，包括如下步骤：S1：提供硅衬底，所述硅衬底从下至上依次设置有体硅层、绝缘层和体硅薄膜，所述硅衬底具有相背设置的上表面和下表面，所述硅衬底的上表面上形成有下凹槽；S2：在所述硅衬底的上表面上形成敏感元件和与所述敏感元件电性连接的金属电极，所述敏感元件位于所述下凹槽内；S3：提供一由耐高温不导电材料所制成的中间基片，所述中间基片具有相背设置的正面和背面，所述中间基片的背面与所述硅衬底的上表面键合，使下凹槽密封以形成密封敏感元件的腔体；S4：提供硅片，所述硅片包括相背设置的顶面和底面；将所述硅片的底面与中间基片的正面键合；S5：引出金属电极。进一步的：所述硅衬底的厚度与硅片的厚度相同；或者，所述硅衬底与硅片的厚度偏差范围在±10um。进一步的：所述步骤S4还包括：将硅片的底面与中间基片的正面进行阳极键合，并对硅片进行减薄使其厚度与硅衬底的厚度相同或使两者的厚度偏差范围在±10um。进一步的：所述步骤S3还包括：在所述中间基片上形成贯通该中间基片的正面和背面的第一子通孔；当所述中间基片与所述硅衬底键合时，所述金属电极通过第一子通孔与外部连通；所述步骤S4还包括：在所述硅片上形成贯通该硅片的顶面和底面的第二子通孔，当所述硅片与中间基片键合时，所述第一子通孔与第二子通孔连通以形成通孔；所述步骤S5具体为：在所述通孔内注入金属浆料以引出金属电极。进一步的：所述步骤S3还包括：在所述中间基片上形成贯通该中间基片的正面和背面的第一子通孔；当所述中间基片与所述硅衬底键合时，所述金属电极通过第一子通孔与外部连通；所述步骤S4还包括：在所述硅片上形成贯通该硅片的顶面和底面的第二子通孔，当所述硅片与中间基片键合时，所述第一子通孔与第二子通孔连通以形成通孔；所述步骤S5具体为：在所述通孔内注入金属浆料以引出金属电极。进一步的：所述步骤S2具体包括：S21：对硅衬底上的体硅薄膜进行浓硼掺杂，形成掺杂层；对所述掺杂层进行光刻、刻蚀，制备构成惠斯通电桥的压敏电阻和电阻层；S22：在所述电阻层上通过金属薄膜淀积和微纳加工的方法制备形成金属电极。进一步的：所述硅衬底上设置有下凹槽，所述下凹槽与中间基片的凹槽对称设置，在步骤S3中，当所述硅衬底与中间基片键合时，所述腔体由下凹槽与中间基片的凹槽围设形成。进一步的：在所述步骤S1或者步骤S3中还包括：去除位于敏感元件下方的部分体硅层，以形成硅衬底的空腔及压力敏感膜。本专利技术的有益效果在于：本专利技术的高温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温压力传感器，包括硅衬底、设置在所述硅衬底上的敏感元件，其特征在于，还包括设置在所述硅衬底上的由耐高温不导电材料所制成的中间基片及设置在所述中间基片上的上层硅片，所述硅衬底、中间基片和上层硅片依次键合，所述硅衬底与中间基片之间形成有收纳所述敏感元件的腔体。

【技术特征摘要】
1.一种高温压力传感器，包括硅衬底、设置在所述硅衬底上的敏感元件，其特征在于，还包括设置在所述硅衬底上的由耐高温不导电材料所制成的中间基片及设置在所述中间基片上的上层硅片，所述硅衬底、中间基片和上层硅片依次键合，所述硅衬底与中间基片之间形成有收纳所述敏感元件的腔体。2.如权利要求1所述的高温压力传感器，其特征在于，所述硅衬底的厚度与上层硅片的厚度相同；或者，所述硅衬底与上层硅片的厚度偏差范围在±10um。3.如权利要求1或2所述的高温压力传感器，其特征在于，所述高温压力传感器上形成有至少两个通孔，每个所述通孔顺次贯穿中间基片和上层硅片，每个所述通孔内形成有导电柱，所述导电柱的一端与敏感元件电性连接，另一端暴露在所述上层硅片上。4.如权利要求3所述的高温压力传感器，其特征在于，每个所述通孔包括贯穿所述中间基片的第一子通孔和贯穿所述上层硅片的第二子通孔；所述第一子通孔和第二子通孔的形状相同，或者所述第一子通孔和第二子通孔的形状不相同。5.如权利要求1所述的高温压力传感器，其特征在于，所述中间基片上设有开口朝向所述硅衬底的凹槽，所述腔体由所述硅衬底封闭所述中间基片上的所述凹槽形成；或者，所述硅衬底上设有开口朝向所述中间基片的凹槽，所述腔体由所述中间基片封闭所述硅衬底上的所述凹槽形成；或者，所述中间基片上设有开口朝向所述硅衬底的上凹槽，所述硅衬底上开设有开口朝向所述中间基片的下凹槽，所述下凹槽和上凹槽对称设置，所述腔体由所述下凹槽和上凹槽围设形成。6.如权利要求1所述的高温压力传感器，其特征在于，所述敏感元件为压敏电阻或基于电容式的敏感膜片。7.如权利要求1所述的高温压力传感器，其特征在于，所述中间基片为玻璃片。8.一种高温压力传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：提供硅衬底，所述硅衬底从下至上依次设置有体硅层、绝缘层和体硅薄膜，所述硅衬底具有相背设置的上表面和下表面；S2：在所述硅衬底的上表面上形成敏感元件和与所述敏感元件电性连接的金属电极；S3：提供一由耐高温不导电材料所制成的中间基片，所述中间基片具有相背设置的正面和背面，在所述中间基片的背面上形成凹槽；所述中间基片的背面与所述硅衬底的上表面键合，密封凹槽以形成密封敏感元件的腔体；S4：提供硅片，所述硅片包括相背设置的顶面和底面；将所述硅片的底面与中间基片的正面键合；S5：引出金属电极。9.一种高温压力传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：提供硅衬底，所述硅衬底从下至上依次设置有体硅层、绝缘层和体硅薄膜，所述硅衬底具有相背设置的上表面和下表面，所述硅衬底的上表面上形成有下凹槽；S2：在所述硅衬底的上...

【专利技术属性】
技术研发人员：王敏锐，孙福河，
申请(专利权)人：苏州工业园区纳米产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32