高温压力传感器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种高温压力传感器，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。

High temperature pressure sensor

The utility model relates to a high temperature pressure sensor, which belongs to the field of micro machine manufacture, the high temperature pressure sensor includes a silicon substrate, sensing element set on a silicon substrate, also includes an intermediate substrate disposed on the silicon substrate by high temperature conductive material is arranged in the middle and upper layer silicon substrate. The silicon substrate, the intermediate substrate and the upper silicon in bonding, a cavity containing sensitive element formed between the silicon substrate and the intermediate substrate, the high temperature pressure sensor as the silicon substrate, the intermediate substrate and the upper silicon wafer are superimposed to form the \sandwich structure of silicon substrate intermediate substrate chip\, which makes the stress mismatch offset each other, in order to achieve the balance of stress; high temperature pressure sensor and manufacturing method of the high temperature pressure sensor made of silicon substrate due to the formation of a \middle silicon substrate The sandwich structure makes the stress mismatch cancel out to achieve the stress balance.

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种高温压力传感器，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，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：所述第一子通孔的延伸形状为直线，或者曲线，或者折弯状，或者由至少一直线段和至少一曲线段连接形成的组合；所述第二子通孔的延伸形状为直线，或者曲线，或者折弯状，或者由至少一直段和至少一曲线段连接形成的组合。进一步的：所述第一子通孔呈圆台型，所述第二子通孔呈圆柱型。进一步的：所述导电柱暴露在所述上层硅片上的一端为外露端，所述上层硅片具有背向所述中间基片的顶面，所述外露端暴露在所述上层硅片的顶面上。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。本技术的有益效果在于：本技术的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。另外，由于本技术的高温压力传感器采用在形成依次贯穿中间基片和上层硅片的通孔，且在通孔内形成导电柱，由该导电柱将敏感元件的电连接引出，从而可以解决现有技术中“由于细金线或焊接而发生在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，进而引发故障”的问题。上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1为本技术一实施例所示的高温压力传感器的的纵向剖面示意图；图2至图9为图1所示的高温压力传感器的工艺流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本技术，但不用来限制本技术的范围。请参见图1，本技术一较佳实施例所示的一种高温压力传感器包括硅衬底1、设置在所述硅衬底1上的敏感元件21、设置在所述硅衬底1上且与所述敏感元件21电性连接的金属电极3、设置在所述硅衬底1上的由耐高温不导电材料所制成的中间基片4及设置在所述中间基片4上的上层硅片5。所述硅衬底1、中间基片4和上层硅片5依次键合，所述硅衬底1与中间基片4之间形成有收纳所述敏感元件21的腔体(未标号)，所述金属电极3通过电引出件6引出。在现有技术中，目前高温压力传感器的封装技术大都采用一片硅片与一片玻璃键合，由于硅片与玻璃片的热膨胀系数不匹配，存在着应力失配而不平衡问题。而本实施例中，由于将硅衬底1、中间基片4和上层硅片5依次叠加以形成“硅衬底1-中间基片4-上层硅片5”的三明治结构，使得应力失配相互抵消，以达到应力平衡，故克服了现有技术中所存在的应力不平衡的问题，特别适用于高温环境中。所述硅衬底1、中间基片4、上层硅片5依次键合。为了达到最佳的应力平衡，所述硅衬底1的厚度与上层硅片5的厚度相同；或者，硅衬底1与上层硅片5的厚度偏差范围在±10um；其中，最佳效果是硅衬底1的厚度与上层硅片5的厚度相同，但是考虑到工艺制备过程中存在的误差，可以使厚度偏差范围在±10um。现有的制备过程中采用减薄工艺控制硅衬底1和上层硅片5的厚度。为了实现极小化，硅衬底1的厚度为100～400um。所述硅衬底1为SOI硅，其晶向为<100>。所述硅衬底1从下至上依次设置有体硅层11、绝缘层12和体硅薄膜(未标号)。所述硅衬底1具有相背设置的上表面(未标号)和下表面(未标号)，位于敏感本文档来自技高网...

【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4所述的高温压力传感器，其特征在于，所述第一子通孔的延伸形状为直线，或者曲线，或者折弯状，或者由至少一直线段和至少一曲线...

【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：新型
国别省市：江苏;32