一种金属高压压力传感器及制备方法技术

本发明专利技术属于敏感元件与传感器技术领域，具体涉及一种金属高压压力传感器及制备方法，包括贴装在不锈钢应变片上的高压MEMS芯片，高压MEMS芯片包括压敏电阻部、金属连接部、输入/输出引脚；输入/输出引脚通过引线与输入/输出端子连接；压敏电阻部、金属连接部、输入/输出引脚从下到上均排布有第一介质层、压敏电阻层、第二介质层；金属连接部、输入/输出引脚还包括设于第二介质层上端的金属层，金属层通过第二介质层设有的引线孔与压敏电阻层连接。本发明专利技术提出的一种金属高压压力传感器及制备方法可以有效提高不锈钢压力传感器芯片的生产良率以及产品的可靠性。以及产品的可靠性。以及产品的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种金属高压压力传感器及制备方法


[0001]本专利技术属于敏感元件与传感器
，具体涉及一种金属高压压力传感器及制备方法。

技术介绍

[0002]压力传感器是一种可以将外界输入的压力载荷信号转换为电信号进行输出的装置，又被称为压力变送器。
[0003]根据压力传感器感压元件的材料，可以将其进一步细分为扩散硅压力传感器、陶瓷压力传感器、金属压力传感器。通常，扩散硅压力传感器被用于微压、低压场景，例如压力量程1KPa
‑
2MPa;陶瓷压力传感器用于中压、高压场景，压力量程0.5
‑
8MPa；金属压力传感器则常用于高压、超高压场景，压力量程5
‑
300MPa。
[0004]金属压力传感器的整体结构，主要包括金属感压元件，以及放置于感压元件上方的敏感元件。其中，敏感元件为具有压阻效应的电阻条，数量通常为两个/四个，彼此连接构成惠斯通电桥半桥/全桥电路。当外界压力载荷加载到感压元件时，其上方的敏感元件，即电阻条的阻值会随着压力载荷的大小而改变，进而输出与压力载荷相关的电信号，实现压力载荷与电信号之间的转换。
[0005]例如申请号为CN202210614715.0的专利技术专利，公开了一种高压硅MEMS压力传感器及制备方法，采用特制的MEMS硅芯片作为敏感元件，可以获得硅MEMS压力芯片所具备的高精度、高线性度、低成本，以及适于实现大批量生产的优点；不锈钢材料在高压范围内具有良好的线弹性性能，以不锈钢作为应变片，可以近乎无损的将外界压力传递至其上方的硅MEMS芯片处，从而实现在高压环境下的应用；玻璃材料用于硅MEMS芯片和不锈钢应变片的粘接，可以保证在一个宽广的温度范围，比如
‑
40～180摄氏度内产品的正常使用。此外，引线键合的位置在非感压区域，避免了引线受到压力载荷冲击的可能性，可以大幅度提升产品的可靠性。
[0006]不过，这种方案，尤其是特制MEMS芯片的制造，在工艺实现上存在若干问题，例如：后道湿法刻蚀工序中，需要将约200μm的硅通过湿法腐蚀，仅保留约10μm的硅，很容易造成过度刻蚀或者刻蚀不足的问题，造成整片晶圆报废，大幅度降低良率；前道研磨工序中，在正面具有大面积干法刻蚀腔体的情况下进行研磨，极易造成晶圆在研磨过程中碎裂，同样存在整片晶圆报废，大幅度降低良率的风险。此外，高压硅MEMS芯片与不锈钢应变片之间存在接触的可能性，存在潜在漏电的风险。

技术实现思路

[0007]针对上述不足，本专利技术的目的是提供一种金属高压压力传感器及制备方法。
[0008]本专利技术提供了如下的技术方案：一种金属高压压力传感器，包括贴装在不锈钢应变片上的高压MEMS芯片，高压MEMS芯片包括压敏电阻部、金属连接部、输入/输出引脚；输入/输出引脚通过引线与输入/
输出端子连接；压敏电阻部、金属连接部、输入/输出引脚从下到上均排布有第一介质层、压敏电阻层、第二介质层；金属连接部、输入/输出引脚还包括设于第二介质层上端的金属层，金属层通过第二介质层设有的引线孔与压敏电阻层连接。
[0009]一种金属高压压力传感器的制备方法，包括以下步骤：S1、准备两张晶圆，分别为第一晶圆和第二晶圆；S2、对第一晶圆进行热氧化处理，在其上端面制得第一介质层，其余部分作为基体硅；S3、将第一晶圆具有第一介质层的一面与第二晶圆进行硅硅键合；S4、对键合后的硅片进行研磨、抛光，得到的硅片结构从下到上依次为基体硅、第一介质层、顶层硅；S5、通过离子注入、退火将顶层硅制成压敏电阻层；S6、在压敏电阻层上端制得第二介质层；S7、通过干法刻蚀在第二介质层上制得引线孔；S8、在第二介质层上端制得金属层，并令金属层覆盖引线孔后，与压敏电阻层连接；S9、在制得的晶圆正面进行干法刻蚀，并刻蚀至基体硅上端；S10、在制得的晶圆正面填充保护介质；S11、将制得的晶圆浸泡在刻蚀液中，对基体硅进行刻蚀；S12、去除保护介质，制得高压MEMS芯片；S13、将高压MEMS芯片贴装在不锈钢应变片上；S14、将高压MEMS芯片上的输入/输出引脚通过引线与输入/输出端子连接。
[0010]S1中，晶圆的电阻率为10
‑
20Ω
·
cm，掺杂类型为p型掺杂，杂质离子为硼离子，晶圆的晶面为（110）；晶圆的抛光类型为双面抛光。
[0011]S2中，第一介质层为二氧化硅层，厚度为400纳米
‑
2微米。
[0012]S4中，通过机械研磨、化学机械研磨CMP对键合后的硅片进行研磨、抛光；研磨后基体硅的厚度为390
‑
410微米、第一介质层的厚度为400
‑
600纳米、顶层硅的厚度为6
‑
8微米。
[0013]S5中，压敏电阻层掺杂的类型为p型掺杂，杂质离子为硼离子；压敏电阻层的方阻为300
±
30KΩ/Sq。
[0014]S6中，第二介质层为氧化硅和氮化硅；氧化硅厚度为400
‑
1000纳米，氮化硅厚度为300
‑
800纳米；氧化硅通过TEOS沉积制备，氮化硅通过LPCVD制备。
[0015]S8中，金属层为铝或金或铂；金属层厚度为1
‑
2微米；金属层通过PVD或磁控溅射制备。
[0016]S10中保护介质为可挥发性蜡质材料；S12中，通过加热去除保护介质。
[0017]S13中，贴装材料为玻璃粉、玻璃浆料；贴装工艺为烧结；S14中，引线为金线。
[0018]本专利技术的有益效果是：本专利技术引入了一层介质层，可以实现刻蚀停止；取消了前道工序中的研磨工序，可以有效地提高芯片的生产良率。同时，本专利技术的高压MEMS芯片与不锈钢应变片之间的直接接触层为第一介质层，可以避免两者之间发生漏电。综上所述，本专利技术
提出的一种金属高压压力传感器及制备方法可以有效提高不锈钢压力传感器芯片的生产良率以及产品的可靠性。
附图说明
[0019]图1是本专利技术的传感器结构示意图；图2是四个电阻串联时芯片俯视图；图3是两个电阻串联时芯片俯视图；图4是步骤S1时基体硅示意图；图5是步骤S2时制得第一介质层后示意图；图6是步骤S3时进行硅硅键合后示意图；图7是步骤S4时进行研磨和抛光后示意图；图8是步骤S5时制得压敏电阻层后示意图；图9是步骤S6时制得第二介质层后示意图；图10是步骤S7时制得引线孔后示意图；图11是步骤S8时制得金属层后示意图；图12是步骤S9时进行刻蚀后示意图；图13是步骤S10时填充保护介质后示意图；图14是步骤S11时对基体硅刻蚀后示意图；图15是步骤S12时去除保护介质后示意图。
[0020]图中标记为：高压MEMS芯片1、不锈钢应变片2、贴装材料3、引线4、输入/输出端子5、压敏电阻部11、金属连接部12、输入/输出引脚13、基体硅101、第一介质层102、顶层硅103、压敏电阻层104、第二介质层105、金属层106、保护介质107。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属高压压力传感器，其特征在于：包括贴装在不锈钢应变片（2）上的高压MEMS芯片（1），高压MEMS芯片（1）包括压敏电阻部（11）、金属连接部（12）、输入/输出引脚（13）；输入/输出引脚（13）通过引线（4）与输入/输出端子（5）连接；压敏电阻部（11）、金属连接部（12）、输入/输出引脚（13）从下到上均排布有第一介质层（102）、压敏电阻层（104）、第二介质层（105）；金属连接部（12）、输入/输出引脚（13）还包括设于第二介质层（105）上端的金属层（106），金属层（106）通过第二介质层（105）设有的引线孔与压敏电阻层（104）连接。2.一种如权利要求1所述的金属高压压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、准备两张晶圆，分别为第一晶圆和第二晶圆；S2、对第一晶圆进行热氧化处理，在其上端面制得第一介质层（102），其余部分作为基体硅（101）；S3、将第一晶圆具有第一介质层（102）的一面与第二晶圆进行硅硅键合；S4、对键合后的硅片进行研磨、抛光，得到的硅片结构从下到上依次为基体硅（101）、第一介质层（102）、顶层硅（103）；S5、通过离子注入、退火将顶层硅（103）制成压敏电阻层（104）；S6、在压敏电阻层（104）上端制得第二介质层（105）；S7、通过干法刻蚀在第二介质层（105）上制得引线孔；S8、在第二介质层（105）上端制得金属层（106），并令金属层（106）覆盖引线孔后，与压敏电阻层（104）连接；S9、在制得的晶圆正面进行干法刻蚀，并刻蚀至基体硅（101）上端；S10、在制得的晶圆正面填充保护介质（107）；S11、将制得的晶圆浸泡在刻蚀液中，对基体硅（101）进行刻蚀；S12、去除保护介质（107），制得高压MEMS芯片（1）；S13、将高压MEMS芯片（1）贴装在不锈钢应变片（2）上；S14、将高压MEMS芯片（1）上的输入/输出引脚（13）通过引线（4）与输入/输出端子（5）连接。3.根据权利要求2所述的金属高压压力传感器的制备方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕勤，刘晓宇，
申请(专利权)人：无锡胜脉电子有限公司，
类型：发明
国别省市：