一种新型压阻式压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术新型压阻式压力传感器，包括内引线、封装外套、外引线、引线孔、衬底和压敏电阻，在所述衬底上设置有闭合框结构压敏电阻和条状压敏电阻，所述四个压敏电阻形成惠斯通全桥互连结构，在所述引线孔中溅射有铝合金，在所述闭合框压敏电阻的表面设置有电子玻璃质量块。其制备方法，按照下述步骤进行：（１）掺杂；（２）表面热氧化；（３）光刻蚀和等离子刻蚀技术加工；（４）光刻引线孔；（５）溅射铝合金；（６）静电封接电子玻璃质量块；（７）测试，封装。本发明专利技术的技术方案使制作工艺大为简化，并与ＣＭＯＳ集成电路平面工艺兼容，具有较高的谐振频率，能在高温环境中工作，产品性能的一致性得到保证。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种压力传感器及其制备方法，更确切地说，涉及一种利用SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上硅)材料制作的无膜压阻式压力传感器及其制备方法。
技术介绍
人类已进入信息时代，传感器作为各类信息的采集装置其重要性不言而喻。而微电子和微机械加工技术的迅猛发展更是极大地推动了传感器技术的进步，并大大扩展了传感器的应用范围。作为最重要的一类微电子机械系统(MEMS)产品，半导体压力传感器广泛应用于工业自动化、航空航天、石油测井、汽车发动机等诸多领域。目前，压阻式压力传感器多采用硅杯结构，在压力作用下传感器应力膜发生弹性形变，通过压敏电阻的变化感知，并进而获得输出。但是硅杯结构也存在如下问题(1)由于应力膜片的质量轻，造成传感器的响应速度低，谐振频率通常只在千赫兹左右，限制了传感器的应用；(2)由于大尺寸衬底材料厚度的不均匀性和表面光滑度的限制，利用各向异性腐蚀工艺刻蚀工艺制备的硅杯很难实现不同传感器应力膜厚度的一致性，而应力膜的质量是决定传感器诸多特性的关键因素，从而造成传感器间性能差异较大；(3)深度各向异性腐蚀工艺难以与互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路平面工艺兼容。
技术实现思路
为了克服硅杯型压阻式压力传感器存在的问题，本专利技术公开的技术方案提出了一种充分利用SOI材料特殊结构，并利用玻璃质量块和闭合框结构实现压力倍增效应以消除应力膜的新型压阻式无膜压力传感器，具有谐振频率高，工作温区宽、工艺简单且一致性好，与CMOS集成电路平面工艺兼容等特点。本专利技术一种新型压阻式压力传感器，包括内引线1、封装外套2、外引线3、引线孔13、衬底和压敏电阻，在所述衬底上设置有闭合框结构压敏电阻9、10和条状压敏电阻11、12，所述四个压敏电阻形成惠斯通(Wheatstone)全桥互连结构，在所述引线孔中溅射有铝，在所述闭合框压敏电阻的顶部设置有电子玻璃质量块4。所述的衬底由下层的硅基体5和设置于硅基体上的SiO2埋层8组成。所述的压敏电阻由上层的热氧化生长SiO2层6和设置于所述热氧化生长SiO2层下面的经过掺杂的硅薄膜层7组成。所述的SiO2埋层8上面设置有经过掺杂的硅薄膜层7。SOI材料是在顶层硅膜和硅衬底之间引入了一层埋层氧化物。通过在绝缘体上形成半导体薄膜，SOI材料具有体硅所无法比拟的优点即可通过绝缘介质实现集成电路中元器件的电隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应。采用这种材料制成的集成电路还具有抗辐射、寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小以及特别适用于低压低功耗电路等优势。根据压力传感器技术指标要求，利用SOI材料表面硅膜，采用外延、扩散或离子注入方法、光刻、等离子刻蚀等工艺，制作闭合框结构压敏电阻与条状压敏电阻，并直接形成惠斯通全桥互连结构。在两闭合框压敏电阻表面通过静电封接工艺安装电子玻璃质量块。受压后，作用在玻璃质量块上的压力将对其下方的闭合框产生压强倍增效应，从而较大地改变闭合框压敏电阻阻值。条状压敏电阻直接受外压力作用，阻值变化较小，起到参考电阻作用，从而形成集优良静、动态特性和温度特性于一身的无膜结构半导体压力传感器。由于采用SOI材料和刻蚀工艺制作闭合框结构压敏电阻与条状压敏电阻，并直接组成惠斯通全桥互连结构，在压力传感器中不存在“硅杯”，所以这种新型压力传感器的输出灵敏度取决于闭合框所包围面积与框面积之比，谐振频率取决于电子玻璃质量块的质量，而二氧化硅埋层在压敏电阻和硅基体之间起到了有效的电隔离作用，可确保传感器可靠地工作在高温环境中。本专利技术的一种制备新型压阻式压力传感器的方法，按照下述步骤进行(1)采用离子注入或扩散工艺，对SOI材料表面硅膜进行掺杂；(2)将SOI材料进行表面热氧化；(3)采用光刻技术刻除除闭合框和条状电阻外其它区域的热氧化生长的SiO2层，形成闭合框结构压敏电阻、条状压敏电阻以及惠斯通全桥互连结构；(4)采用等离子刻蚀技术刻除除闭合框和条状电阻外其它区域的经过掺杂的硅薄膜层，形成闭合框结构压敏电阻、条状压敏电阻以及惠斯通全桥互连结构；(5)光刻引线孔；(6)溅射铝，合金；(7)划片后，将电子玻璃质量块静电封接在闭合框结构压敏电阻的表面；(8)测试，封装。本专利技术的一种制备新型压阻式压力传感器的方法在进行第一步掺杂之前，可以根据压力传感器技术指标要求，将SOI材料表面硅膜外延至合适厚度，如2μm-5μm。。步骤(1)所述的扩散掺杂工艺为预淀积温度960-980℃，再分布温度1100-1200℃，时间50-90分钟。步骤(2)所述的热氧化表面硅膜生长SiO2层的工艺为温度1100-1200℃，时间10-30分钟，厚度为300-350nm。步骤(6)所述的溅射铝后合金的工艺为温度400-450℃，时间30-50分钟。步骤(7)所述静电封接的工艺为电压1100-1200V，温度300-400℃，时间20-40分钟。本专利技术的技术方案具有以下的有益效果(1)放弃了压阻式压力传感器中传统的应力膜结构，使制作工艺大为简化，并与CMOS集成电路平面工艺兼容。(2)玻璃质量块的存在确保了压力传感器具有较高的谐振频率，大大改善了传感器的动态性能。传统硅杯型压阻式压力传感器由于存在应力膜结构，其谐振频率通常在千赫兹左右，而采用SOI材料的无膜结构压力传感器的谐振频率可高达数百千赫兹。(3)利用玻璃质量块和闭合框结构将压强倍增后传递给压敏电阻。可通过调节闭合框结构与尺寸、玻璃质量块结构与尺寸获得较高灵敏度。(4)采用SiO2埋层作为压敏电阻与衬底之间的电隔离，可确保传感器可靠地工作在高温环境中。(5)由于压力传感器的输出灵敏度等特性不再由应力膜厚度决定，因此产品性能的一致性得到保证。(6)传感器中的压敏电阻和衬底均由SOI材料直接形成；光刻形成压敏电阻的同时直接形成四电阻的惠斯通全桥互连结构，消除了金属连线，进一步简化了传感器的制作工艺。附图说明图1压阻式压力传感器的产品示意图；图2压阻式压力传感器中压敏电阻形成四电阻的惠斯通全桥互连结构示意图；图3制备压阻式压力传感器的方法流程图；图4SOI材料结构示意图；图5掺杂后的SOI材料结构示意图；图6表面热氧化的SOI材料结构示意图；图7经过光刻和等离子刻蚀的SOI材料结构示意图；图8光刻引线孔的材料结构示意图；图9溅射铝、合金后的材料结构示意图；图10经过加工后的SOI材料与玻璃质量块的静电封接结构示意图；图11压阻式压力传感器中压敏电阻静电封接玻璃质量块的俯视示意图。具体实施例方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。实施例1采用4英寸表面硅膜为P型的SOI晶圆制备压力传感器(1)外延使表面硅膜厚度达到2μm；(2)采用扩散工艺对SOI材料表面硅膜进行硼掺杂，预淀积温度980℃；再分布温度1100℃，时间60分钟，压敏电阻的表面掺杂浓度为5×1019cm-3；(3)热氧化表面硅膜生长SiO2，温度1100℃，时间20分钟，厚度为320nm； (4)采用光刻技术刻除除闭合框和条状电阻外其它区域的热氧化生长的SiO2层，形成闭合框结构压敏电阻、条状压敏电阻以及惠斯通全桥互连结构；(5)采用等离子刻蚀技术刻除除闭合框和条状电阻外其它区域的经过掺杂的硅薄膜层，形成闭合框结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型压阻式压力传感器，包括内引线［１］、封装外套［２］、外引线［３］、引线孔［１３］、衬底和压敏电阻，其特征在于，在所述衬底上设置有闭合框结构压敏电阻［９］、［１０］和条状压敏电阻［１１］、［１２］，所述四个压敏电阻形成惠斯通全桥互连结构，在所述引线孔中溅射有铝，在所述闭合框压敏电阻的顶部设置有电子玻璃质量块［４］。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张为，李丹，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]