高压MEMS压力传感器芯片及芯片、传感器的制备方法技术

本发明专利技术提供一种高压MEMS压力传感器芯片及芯片、传感器的制备方法，应用于敏感元件与传感器技术领域，芯片主体的正面呈正方形，芯片主体上分布有四个元件区块，元件区块包括连接端子、金属块、电阻连接件，在一个元件区块中，电阻连接件之间通过金属块连接，构成连通体，连通体的两端均为电阻连接件，其中一端与连接端子连接，另一端与相邻元件区块的连接端子连接；其中，四个元件区块中的任意一个元件区块的连接端子中间断开，使四个元件区块通过五个连接端子形成开环式惠斯通电桥结构；芯片的制备方法用于制备上述的高压MEMS压力传感器芯片；传感器的制备方法用于将上述高压MEMS压力传感器芯片与感压元件连接。压力传感器芯片与感压元件连接。压力传感器芯片与感压元件连接。

【技术实现步骤摘要】
高压MEMS压力传感器芯片及芯片、传感器的制备方法


[0001]本专利技术属于敏感元件与传感器
，具体涉及高压MEMS压力传感器芯片及芯片、传感器的制备方法。

技术介绍

[0002]压力传感器是一种可以将压力载荷信号转化为电信号的装置，根据实际应用场景中加载的压力载荷大小，压力传感器所采用的技术路线也有所不同。
[0003]其中，压力载荷10
‑
300MPa的高压压力传感器，通常采用金属（如不锈钢）作为感压元件，采用溅射薄膜电阻材料或玻璃烧结硅MEMS芯片的工艺方式，在感压元件上制作敏感元件，以实现将压力载荷转化为电信号的功能。相较而言，溅射薄膜高压压力传感器的成本高、工艺难度大，而基于硅MEMS芯片的工艺的玻璃微熔压力传感器，因可以兼容IC工艺，具有成本较低、工艺难度较低等优点，故是较为常用的技术。
[0004]玻璃微熔压力传感器的关键点在于MEMS芯片的设计，在现有技术中，例如公开号为CN114136202A的专利技术专利，名称为：应变计和应变测量组件，其MEMS芯片采用惠斯通半桥设计，即单只MEMS芯片具有两只电阻以及三个输入/输出端子。在制备传感器时，需要在金属感压元件上贴装两只MEMS芯片，以构成惠斯通全桥结构，从而实现对外界压力载荷的检测。
[0005]然而，上述方案存在一定的缺陷：第一，需要分别贴装两只MEMS芯片，导致贴装定位难度较高，容易出现因MEMS芯片贴装位置偏离而导致产品的一致性差的现象；第二，上述方案中芯片的正面图形为长方形，存在一条短边，因受限于自动化贴装设备的夹爪尺寸，故该方案不利于芯片的自动化贴装，在常规工艺流程中，该方案的贴装工序需要工人进行手动贴装，贴装效率低下；第三，上述方案中的MEMS芯片需要采用(110)外延晶圆，而非通常使用的(100)晶圆，这也会提高芯片的潜在加工成本。
[0006]因此，需要提出一种MEMS芯片结构，从而改善上述弊端。

技术实现思路

[0007]鉴于现有技术中存在上述问题，本专利技术的目的是提供高压MEMS压力传感器芯片及芯片、传感器的制备方法，通过结构设计使芯片截面呈正方形，便于自动化贴装工序；利用惠斯通全桥式结构的芯片，使传感器制备只需一只芯片，避免贴装两个芯片而出现定位偏离的问题。
[0008]一种高压MEMS压力传感器芯片，包括芯片主体，所述芯片主体包括基体层、电阻层、介质层、掩蔽层和金属层，所述电阻层位于基体层的上方，电阻层通过在基体层上掺杂离子形成，所述介质层位于电阻层的上方，所述掩蔽层位于介质层的上方，用于屏蔽外界环境对内部电阻结构的影响，所述介质层、掩蔽层上对应位置处开设有引线孔，所述金属层位于掩蔽层的上方，所述金属层通过引线孔与电阻层连接，所述金属层包括至少一个用于与外界连接的连接端子；
所述芯片主体的正面呈正方形，所述芯片主体上分布有四个元件区块，所述元件区块分别位于芯片主体的边角处，所述元件区块包括连接端子、至少一个金属块、至少一个电阻连接件，所述金属块位于金属层内，电阻连接件位于电阻层内；在一个元件区块中，电阻连接件之间通过金属块连接，构成元件区块内的连通体，所述连通体的两端均为电阻连接件，其中一端与连接端子连接，另一端与相邻元件区块的连接端子连接；其中，四个元件区块中的任意一个元件区块的连接端子中间断开，使四个元件区块通过五个连接端子形成开环式惠斯通电桥结构。
[0009]优选的，四个元件区块分为元件区块一、元件区块二、元件区块三和元件区块四，其中，元件区块一、元件区块二、元件区块三中相邻的两个元件区块通过电阻连接件、连接端子的连接而连通。
[0010]优选的，所述介质层为氧化硅，所述掩蔽层为氮化硅。
[0011]本专利技术的第二个目的是提供一种高压MEMS压力传感器芯片的制备方法，用于制备上述的高压MEMS压力传感器芯片，包括如下步骤：S1、选择(100)晶面的晶圆作为基体层；S2、在基体层上掺杂离子形成电阻层，使电阻层的纵向方向为两个相互垂直的<110>方向；S3、在电阻层上制备介质层；S4、在介质层上制备掩蔽层；S5、在介质层、掩蔽层的相应位置处开设引线孔；S6、在掩蔽层的上方制备金属层；S7、在基体层的一侧进行正面刻蚀，形成芯片的框架结构，正面刻蚀深度为8
‑
20μm；S8、在基体层的另一侧进行背面刻蚀，背面刻蚀深度=基体层的厚度
‑
正面刻蚀深度+Δ，其中，Δ=1
‑
10μm。
[0012]优选的，所述电阻层的制备方法具体为：通过外延或离子注入的方法，在基体层上掺杂硼离子，掺杂后基体层的电阻率为0.01
‑
0.1Ω
·
cm，则形成电阻层，其中的掺杂类型为轻掺杂。
[0013]优选的，所述介质层通过热氧化法或化学气相沉积法制备，介质层的厚度为200
‑
1000nm。
[0014]优选的，所述掩蔽层通过化学气相沉积法制备。
[0015]优选的，所述引线孔通过干法刻蚀或湿法刻蚀制备；所述金属层通过物理气相沉积法或磁控溅射法制备。
[0016]本专利技术的第三个目的是提供一种高压MEMS压力传感器的制备方法，将上述高压MEMS压力传感器芯片与感压元件连接，具体包括如下步骤：在感压元件的感压面边缘处印刷玻璃浆料；然后进行一次烧结，使玻璃浆料中的溶剂、添加剂挥发，形成玻璃层；再将芯片主体贴装至玻璃层的上方；最后进行二次烧结，使玻璃层软化，芯片主体通过重力作用而自然下沉入玻璃层
中，控制烧结温度，将芯片主体固定于玻璃层中。
[0017]本专利技术的有益效果是：该高压MEMS压力传感器芯片及芯片、传感器的制备方法，采用较常用的(100)晶圆作为基体层进行加工，能够缩减芯片主体的制造成本，通过结构设计形成惠斯通全桥式结构的MEMS芯片，改善了现有传感器在制备时需要两只MEMS惠斯通半桥芯片的弊端，在加工过程中，芯片主体的定位难度较低；此外，该芯片主体的截面呈正方形，有利于匹配自动贴装设备的夹爪，可实现自动化贴装，能够减少人工成本，提高生产效率。
附图说明
[0018]附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1是本专利技术的芯片主体的俯视图；图2是本专利技术的芯片主体的元件区块分布图；图3是本专利技术步骤S1时基体层示意图；图4是本专利技术步骤S2时制得电阻层后示意图；图5是本专利技术步骤S3时制得介质层后示意图；图6是本专利技术步骤S4时制得掩蔽层后示意图；图7是本专利技术步骤S5时开设引线孔后示意图；图8是本专利技术步骤S6时制得金属层后示意图；图9是本专利技术步骤S8时制得芯片主体示意图；图10是本专利技术的感压元件与芯片主体贴装的结构示意图；图11是本专利技术的传感器的剖面图。
[0019]图中标记为：100、元件区块一；200、元件区块二；300、元件区块三；400、元件区块四；1、基体层；2、电阻层；201、电阻连接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高压MEMS压力传感器芯片，其特征在于，包括芯片主体（12），所述芯片主体（12）包括基体层（1）、电阻层（2）、介质层（3）、掩蔽层（4）和金属层（5），所述电阻层（2）位于基体层（1）的上方，电阻层（2）通过在基体层（1）上掺杂离子形成，所述介质层（3）位于电阻层（2）的上方，所述掩蔽层（4）位于介质层（3）的上方，用于屏蔽外界环境对内部电阻结构的影响，所述介质层（3）、掩蔽层（4）上开设有贯穿所述介质层（3）与掩蔽层（4）的引线孔（6），所述金属层（5）位于掩蔽层（4）的上方，所述金属层（5）通过引线孔（6）与电阻层（2）连接，所述金属层（5）上分布有至少一个用于与外界连接的连接端子（502）；所述芯片主体（12）的正面呈正方形，所述芯片主体（12）上分布有四个元件区块，所述元件区块分别位于芯片主体（12）的边角处，所述元件区块包括连接端子（502）、至少一个金属块（501）、至少一个电阻连接件（201），所述金属块（501）位于金属层（5）内，电阻连接件（201）位于电阻层（2）内；在一个元件区块中，电阻连接件（201）之间通过金属块（501）连接，构成元件区块内的连通体，所述连通体的两端均为电阻连接件（201），其中一端与连接端子（502）连接，另一端与相邻元件区块的连接端子（502）连接；其中，四个元件区块中的任意一个元件区块的连接端子（502）中间断开，使四个元件区块通过五个连接端子（502）形成开环式惠斯通电桥结构。2.根据权利要求1所述的高压MEMS压力传感器芯片，其特征在于，四个元件区块分为元件区块一（100）、元件区块二（200）、元件区块三（300）和元件区块四（400），其中，元件区块一（100）、元件区块二（200）、元件区块三（300）中相邻的两个元件区块通过电阻连接件（201）、连接端子（502）的连接而连通。3.根据权利要求1所述的高压MEMS压力传感器芯片，其特征在于，所述介质层（3）为氧化硅，所述掩蔽层（4）为氮化硅。4.一种高压MEMS压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至3中任一项所述的高压MEMS压力传感器芯片，包括如下步骤：S1、选择(100)晶面的晶圆作为基体层（1）；S2、在基体层（1）上掺杂离子形成电阻层（2）；S3、在电阻层（2）上制备介质层（3）；S4、在介质层（3）上制备掩蔽层（4）；S5、在介质...

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