一种耐高温碳化硅压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种耐高温碳化硅压力传感器及其制备方法，该传感器利用4H‑SiC体型引线部分代替金属电路的新型结构，在N型高掺杂外延层刻蚀出4H‑SiC体型引线，4H‑SiC体型引线和金属焊盘之间通过欧姆接触区实现电连接，取代了金属焊盘和4H‑SiC压敏电阻条之间的全金属电路连接，有效提高了传感器电路连接的高温稳定性，并为进一步的直接键合提供了均质的4H‑SiC接触面。

【技术实现步骤摘要】
一种耐高温碳化硅压力传感器及其制备方法
本专利技术属于微机电系统(MEMS)压力传感器制造
，具体涉及一种耐高温碳化硅压力传感器及其制备方法。
技术介绍
压力传感器作为微机电系统(MEMS)的主要产品，在民用、工业和军事等领域有着广阔的应用前景和市场潜力。随着应用领域的扩展，人们对于能够直接工作在恶劣环境，尤其是高温环境下的压力传感器的需求越发迫切。例如，在石油勘探领域对压力的测量需要在275℃以上进行，汽车发动机内的压力测量在300℃以上进行，地热、电力、化工厂对于压力检测的温度需求在375℃以上，用于航空发动机、空间探测器等的压力传感器则要耐受600℃甚至1000℃以上的高温。高温压力传感器市场潜力巨大，其需求预计将以每年10％～32％的速率递增。目前，全球传感器市场主要由美国、日本、德国的几家龙头公司主导。我国高温压力传感器行业的技术水平、产品品质及产业化规模与国外同类相比还有相当大的差距。一些核心的制造技术还严重滞后于国外，高端产品几乎全部依赖进口，或者产品的关键部件采用进口。碳化硅(SiC)材料由于其优良的机械性能和高温稳定性，逐渐为人们所重视。在200余种SiC的多型体中，最常见的是3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC。其中，4H-SiC和6H-SiC的单晶衬底已经实现了商业化。相比于6H-SiC，4H-SiC材料的迁移率各项异性较小(在室温下4H-SiC沿c轴的电子迁移率大约为1200cm2V-1s-1，仅比其垂直于c轴方向的电子迁移率高20％)，因此，4H-SiC成为制造高温压力传感器的首选材料。随着高温压力传感器制造技术的不断发展和进步，其应用温度也在不断提升。在高温下的压力测量领域，以SiC为衬底材料的现有产品和技术还存在以下亟待解决的问题。一，传统的金属丝引线封装结构在高温下易导致封装材料热应力匹配失效、引线热疲劳失效，不再适用于耐高温SiC压力传感器；二，对于芯片结构而言，全金属电路构成的惠斯通电桥在高温下也容易出现断路，结构设计需要优化；三，常规的MEMS工艺(湿法腐蚀、干法刻蚀)对于4H-SiC单晶的刻蚀速率十分有限(文献中所能获得的最大刻蚀速率仅为1.35μm/min)直接限制了4H-SiC压力传感器加工效率。为了使4H-SiC材料在高温环境的压力检测领域发挥更为广泛的作用，需要提供一种耐高温4H-SiC压力传感器及其制造方法。中国专利CN109724721A公开的无引线封装的SiC高温压力传感器及其制造方法，其AlN封装基体实际上是通过Ag纳米颗粒材料与Pt接触引线烧结进行连接，并且在Ag纳米颗粒材料周围、芯片与AlN封装基体间隙填充玻璃熔胶进行固定，传感器与封装体的连接强度与高温稳定性依然受限；中国专利CN109781334A公开的一种压阻式传感器的无引线封装结构和封装方法，其通过键合连接碳化硅芯片和碳化硅杯，碳化硅芯片正面的焊盘与电阻条之间的金属电路的存在会造成碳化硅-碳化硅键合面的键合强度不够高；中国专利CN104330195A公开的基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器工艺，其采用传统的MEMS工艺对4H-SiC衬底进行加工，需要采用电镀工艺制造厚金属掩膜，并进行长达12h的RIE刻蚀，效率低能耗大，不利于4H-SiC压力传感器制造技术的推广应用。另外，以上碳化硅压力传感器均是通过金属电路连通压敏电阻条来形成惠斯通电桥，传感器的封装强度和高温稳定性尚不能满足更高的环境温度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种耐高温碳化硅压力传感器及其制备方法；以解决现有技术中全金属电路的封装结构在高温下易失效，现有的封装方法加工效率较低的问题。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种耐高温碳化硅压力传感器，包括：压敏芯片和封装结构，压敏芯片固定设置在封装结构中，所述压敏芯片为4H-SiC；压敏芯片的正面中心位置设置有敏感膜片，围绕敏感膜片设置有四个体型引线，四个体型引线分别设置在压敏芯片四角处；每一个体型引线的外侧边和压敏芯片的外侧边重合，内侧边和敏感膜片边部接触，相邻的体型引线之间设置有隔离槽，每一个体型引线中设置有金属焊盘，四个金属焊盘围绕压敏芯片的中心等分布置；所述敏感膜片上沿其周向等分设置有四对压敏电阻条，每一对压敏电阻条包括两个单独电阻条，每一对压敏电阻条中的两个单独电阻条通过短金属引线连通，每一个单独电阻条通过一个长金属引线和一个体型引线连通，一个体型引线连通有两个单独电阻条；金属焊盘和体型引线的连接区域，短金属引线和压敏电阻条的连接区域，长金属引线和体型引线的连接区域共同组成欧姆接触区。本专利技术的进一步改进在于：优选的，四对压敏电阻条均沿X方向设置，四对压敏电阻条包括两对第一压敏电阻条和两对第二压敏电阻条；两对第一压敏电阻条相对于Y方向中心线对称，两对第二压敏电阻条相对于X方向中心线对称；每一对第一压敏电阻条中的两个单独电阻条相对于X方向中心线对称，每一对第二压敏电阻条中的单独电阻条在Y方向中心线两边的距离相等。优选的，所述金属焊盘、短金属引线和长金属引线的均为多层金属及金属化合物组合，自上而下分别为Ti、TiN和Pt。优选的，所述封装结构包括盖板和四个铂线，盖板的正面和压敏芯片的正面键合，盖板的背面固定连接有底座；底座的外侧壁通过焊接连接有管壳和保护帽，保护帽在管壳的上部，保护帽将压敏芯片和盖板罩在底座和保护帽之间；管壳的底部固定连接有螺纹管；四个铂线从上到下依次贯穿盖板和底座；每一个铂线上端分别和一个金属焊盘固定连接，下端固定设置在螺纹管中。优选的，盖板和底座之间通过高性能陶瓷胶粘结。优选的，盖板和体型引线同质键合。优选的，盖板中开设有四个第一通孔，底座中开设有四个第二通孔；每一个铂线从下到上依次穿过一个第二通孔和一个第一通孔；第一通孔的直径大于金属焊盘的直径，第二通孔和第一通孔内填充有导电浆料。优选的，所述盖板的的正面开设第二凹腔；压敏芯片的背面开设有第一凹腔，第一凹腔的直径及圆心和敏感膜片相同。优选的，保护帽上开设有若干个引压孔。一种耐高温碳化硅压力传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤1，选用4H-SiC单晶片作为传感器压敏芯片制备的基材；步骤2，通过低压热壁化学气相沉积法在4H-SiC单晶片的Si面依次外延生长N型缓冲层、P型高掺杂外延层和N型高掺杂外延层，得到4H-SiC外延片；步骤3，在4H-SiC外延片的外延面旋涂光刻胶，通过压敏电阻条和体型引线的掩膜版进行光刻；使用镍靶进行磁控溅射，溅射一层覆盖整个压敏芯片正面的镍金属薄膜；用丙酮进行镍金属剥离，得到压敏电阻条和体型引线的镍金属刻蚀掩蔽层；步骤4，通过等离子体干法刻蚀带有镍金属刻蚀掩蔽层的4H-SiC外延片，刻蚀N型高掺杂外延层未被掩蔽的部分，形成压敏电阻条、体型引线和隔离槽；腐蚀剩余的镍金属刻蚀掩蔽层得到刻蚀后的基片；步骤5，通过二氧化硅靶材在刻蚀后的基片的外延面进行磁控溅射，溅射一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，包括：压敏芯片(1)和封装结构，压敏芯片(1)固定设置在封装结构中，所述压敏芯片(1)为4H-SiC；/n压敏芯片(1)的正面中心位置设置有敏感膜片(101)，围绕敏感膜片(101)设置有四个体型引线(103)，四个体型引线(103)分别设置在压敏芯片(1)四角处；每一个体型引线(103)的外侧边和压敏芯片(1)的外侧边重合，内侧边和敏感膜片(101)边部接触，相邻的体型引线(103)之间设置有隔离槽(104)，每一个体型引线(103)中设置有金属焊盘(105)，四个金属焊盘(105)围绕压敏芯片(1)的中心等分布置；/n所述敏感膜片(101)上沿其周向等分设置有四对压敏电阻条(106)，每一对压敏电阻条(106)包括两个单独电阻条(1063)，每一对压敏电阻条(106)中的两个单独电阻条(1063)通过短金属引线(107)连通，每一个单独电阻条(1063)通过一个长金属引线(108)和一个体型引线(103)连通，一个体型引线(103)连通有两个单独电阻条(1063)；/n金属焊盘(105)和体型引线(103)的连接区域，短金属引线(107)和压敏电阻条(106)的连接区域，长金属引线(108)和体型引线(106)的连接区域共同组成欧姆接触区(109)。/n...

【技术特征摘要】
1.一种耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，包括：压敏芯片(1)和封装结构，压敏芯片(1)固定设置在封装结构中，所述压敏芯片(1)为4H-SiC；
压敏芯片(1)的正面中心位置设置有敏感膜片(101)，围绕敏感膜片(101)设置有四个体型引线(103)，四个体型引线(103)分别设置在压敏芯片(1)四角处；每一个体型引线(103)的外侧边和压敏芯片(1)的外侧边重合，内侧边和敏感膜片(101)边部接触，相邻的体型引线(103)之间设置有隔离槽(104)，每一个体型引线(103)中设置有金属焊盘(105)，四个金属焊盘(105)围绕压敏芯片(1)的中心等分布置；
所述敏感膜片(101)上沿其周向等分设置有四对压敏电阻条(106)，每一对压敏电阻条(106)包括两个单独电阻条(1063)，每一对压敏电阻条(106)中的两个单独电阻条(1063)通过短金属引线(107)连通，每一个单独电阻条(1063)通过一个长金属引线(108)和一个体型引线(103)连通，一个体型引线(103)连通有两个单独电阻条(1063)；
金属焊盘(105)和体型引线(103)的连接区域，短金属引线(107)和压敏电阻条(106)的连接区域，长金属引线(108)和体型引线(106)的连接区域共同组成欧姆接触区(109)。


2.根据权利要求1所述的一种耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，四对压敏电阻条(106)均沿X方向设置，四对压敏电阻条(106)包括两对第一压敏电阻条(1061)和两对第二压敏电阻条(1062)；两对第一压敏电阻条(1061)相对于Y方向中心线对称，两对第二压敏电阻条(1062)相对于X方向中心线对称；每一对第一压敏电阻条(1061)中的两个单独电阻条(1063)相对于X方向中心线对称，每一对第二压敏电阻条(1062)中的单独电阻条(1063)在Y方向中心线两边的距离相等。


3.根据权利要求1所述的一种耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，所述金属焊盘(105)、短金属引线(107)和长金属引线(108)的均为多层金属及金属化合物组合，自上而下分别为Ti、TiN和Pt。


4.根据权利要求1-3任意一项所述的耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，所述封装结构包括盖板(2)和四个铂线(7)，盖板(2)的正面和压敏芯片(1)的正面键合，盖板(2)的背面固定连接有底座(3)；底座(3)的外侧壁通过焊接连接有管壳(4)和保护帽(5)，保护帽(5)在管壳(4)的上部，保护帽(5)将压敏芯片(1)和盖板(2)罩在底座(3)和保护帽(5)之间；管壳(4)的底部固定连接有螺纹管(6)；四个铂线(7)从上到下依次贯穿盖板(2)和底座(3)；每一个铂线(7)上端分别和一个金属焊盘(105)固定连接，下端固定设置在螺纹管(6)中。


5.根据权利要求4所述的一种耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，盖板(2)和底座(3)之间通过高性能陶瓷胶(2004)粘结。


6.根据权利要求4所述的一种耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，盖板(2)和体型引线(103)同质键合。


7.根据权利要求4所述的一种耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，盖板(2)中开设有四个第一通孔(2002)，底座(3)中开设有四个第二通孔(3001)；每一个铂线(7)从下到上依次穿过一个第二通孔(3001)和一个第一通孔(2002)；第一通孔(2002)的直径大于金属焊盘(105)的直径，第二通孔(3001)和第一通孔(3001)内填充有导电浆料(2003)。


8.根据权利要求4所述的一种耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，所述盖板(2)的的正面开设第二凹腔(2001)；压敏芯片(1)的背面开设有第一凹腔(102)，第一凹腔(102)的直径及圆心和敏感膜片(101)相同。


9.根据权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵玉龙，王鲁康，赵友，龚涛波，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61