一种智能压力传感器及其芯片制造工艺制造技术

技术编号：40300007 阅读：7 留言：0更新日期：2024-02-07 20:47

本发明专利技术公开了一种智能压力传感器及其芯片制造工艺，其构建了一种双膜片式的芯片结构，可通过分别控制膜片结构尺寸适配于不同量程；第一敏感膜片采用梁结构并结合FPGA控制电路，可实现两个敏感膜片独立进行结构尺寸设计，当待测压力较小或较大时，分别提取第一种压力信号、第二种压力信号，提高该智能压力传感器芯片的使用量程范围，并保证测试灵敏度和测试精度；通过控制敏感膜片的厚度实现微小压力的测量，并采用一种压力传导梁和压力受感梁的结构设计，压力传导梁和压力受感梁与压力敏感膜片形成悬空结构，敏感膜片在受压力情况下，该悬空结构可以减小压力受感梁纵向位移，提高压力受感梁的应力集中，保证非线性性能以及提高传感器灵敏度。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及压力传感器及其芯片制造，具体涉及一种智能压力传感器及其芯片制造工艺。

技术介绍

1、在当今信息化高速发展的时代中，传感器技术已经受到人们的高度重视。传感器又被称为“数据之母”，是物联网、大数据、人工智能以及智能制造等新一代信息技术的接受“窗口”。目前，以声、光、力、磁、气、温湿度、生物、射频等为代表的传感器技术，已广泛应用于飞机、高铁、汽车、机器人等移动终端中，充当它们的“电子五官”。在万物互联的未来，智能化产品与装备形成了对传感器巨大的需求。随着工业时代的进步，人们对传感器性能的要求越来越高，而使用环境也越来越复杂，比如在极端气候条件下的使用，现如今，硅压阻式压力传感器因为其具有频率响应高、稳定性好、体积小、精度高的特点，广泛应用于各个工业、气象测量以及消费电子等领域。根据传感器芯片的结构尺寸设计，硅压阻式压力传感器主要分为微压、低压、中压以及高压量程范围，也就意味着一种传感器芯片只能应用于某个量程条件下，否则无法达到传感器的灵敏度及非线性性能要求。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种智能压力传感器及其芯片制造工艺解决了现有技术中传感器芯片只能应用于某个量程条件下，否则无法达到传感器的灵敏度及非线性性能要求，从而导致其测量精度低的问题。

2、为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：

3、提供了一种智能压力传感器，其包括智能压力传感器电路板以及封装外壳；智能压力传感器电路板固定在封装外壳内；

<p>4、智能压力传感器电路板包括双膜片式压力传感器芯片、印制电路板、fpga器件、第一金属焊盘和外接引脚；双膜片式压力传感器芯片和fpga器件分别固定在印制电路板上的两侧；第一金属焊盘位于印制电路板上，通过金属引线将第一金属焊盘与双膜片式压力传感器芯片连接；外接引脚置于印制电路板外侧并与印制电路板连接，穿过封装外壳与外部电路连接。

5、进一步地，双膜片式压力传感器芯片包括第一敏感膜片和第二敏感膜片；第一敏感膜片和第二敏感膜片集成于双膜片式压力传感器芯片上，并分别形成第一背腔、第二背腔。

6、进一步地，印制电路板通过引线键合工艺与双膜片式压力传感器芯片电气连通。

7、进一步地，第一敏感膜片采用四个梁结构，第二敏感膜片采用平膜结构。

8、进一步地，每个梁结构均包括支撑柱、压力传导梁和压力受感梁，四个梁结构在第一敏感膜片的表面旋转对称，并形成螺旋型结构；支撑柱固定在第一敏感膜片的离心位置上；压力传导梁的中端与压力受感梁固定连接，压力传导梁的下端设有凸块，且凸块与支撑柱固定连接。

9、进一步地，压力传导梁的厚度h大于压力传导梁的宽度a。

10、进一步地，四个梁结构形成的螺旋型结构上设有第一电路和四个第二金属焊盘；第一电路包括四个第一压敏电阻；四个第一压敏电阻分别为电阻r1、电阻r2、电阻r3以及电阻r4，且分别设置在各压力受感梁上；四个第一压敏电阻的输出端分别连接四个第二金属焊盘的一端；

11、第二敏感膜片设有第二电路和四个第三金属焊盘；第二电路包括四个第二压敏电阻；四个第二压敏电阻分别为电阻r5、电阻r6、电阻r7以及电阻r8，且分别置于第二敏感膜片每一侧的中间位置；四个第二压敏电阻的输出端分别连接四个第三金属焊盘的一端；四个第二金属焊盘和四个第三金属焊盘的另一端分别连接第一金属焊盘。

12、提供了一种用于智能压力传感器的芯片制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：

13、s1、选用掺杂类型为n型的第一soi衬底；

14、s2、采用光刻工艺在第一soi衬底的顶层硅刻蚀形成支撑柱；

15、s3、选用掺杂类型为n型的第二soi衬底；

16、s4、通过阳极键合工艺将第一soi衬底和第二soi衬底键合为一体，并刻蚀去除第二soi衬底的底层硅部分，得到键合后的硅衬底；

17、s5、采用光刻工艺对键合后的硅衬底的上表面进行刻蚀，形成压力传导梁、压力受感梁；

18、s6、采用掺杂工艺在键合后的硅衬底表面形成第一压敏电阻和第二压敏电阻；

19、s7、采用磁控溅射工艺形成金属引线以及第二金属焊盘和第三金属焊盘；通过金属引线分别将第二金属焊盘和第三金属焊盘与对应的第一压敏电阻和第二压敏电阻连接；

20、s8、采用湿法刻蚀工艺，在硅衬底背面分别刻蚀形成第一背腔和第二背腔；

21、s9、采用硼硅玻璃通过阳极键合工艺与基底键合形成双膜片式压力传感器芯片。

22、进一步地，第一soi衬底的顶层硅厚度为2～5μm，底层硅厚度350～450μm，中间氧化层厚度1～3μm；

23、第二soi衬底的顶层硅厚度为6～12μm，底层硅厚度350～450μm，中间氧化层厚度1～3μm；

24、步骤s6采用的掺杂浓度为1×1015/cm3～5×1018/cm3。

25、本专利技术的有益效果为：该智能压力传感器构建了一种双膜片式的芯片结构，可通过分别控制膜片结构尺寸，适配于不同量程；第一敏感膜片采用梁结构并结合fpga控制电路，可实现第一敏感膜片、第二敏感膜片独立进行结构尺寸设计，当待测压力较小时，可提取第一种压力信号，当待测压力较大时，可提取第二种压力信号，提高了该智能压力传感器芯片的使用量程范围，并保证了测试灵敏度和测试精度；通过控制敏感膜片的厚度实现微小压力的测量，并采用一种压力传导梁和压力受感梁的结构设计，压力传导梁和压力受感梁与压力敏感膜片形成悬空结构，敏感膜片在受压力情况下，该悬空结构可以减小压力受感梁纵向位移，提高压力受感梁的应力集中，保证非线性性能以及提高传感器灵敏度，达到高精度测量。

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【技术保护点】

1.一种智能压力传感器，其特征在于：包括智能压力传感器电路板(24)以及封装外壳(25)；所述智能压力传感器电路板(24)固定在封装外壳(25)内；

2.根据权利要求1所述的一种智能压力传感器，其特征在于：所述双膜片式压力传感器芯片(1)包括第一敏感膜片(7)和第二敏感膜片(10)；所述第一敏感膜片(7)和第二敏感膜片(10)集成于双膜片式压力传感器芯片(1)上，并分别形成第一背腔(13)、第二背腔(12)。

3.根据权利要求2所述的一种智能压力传感器，其特征在于：所述印制电路板(20)通过引线键合工艺与双膜片式压力传感器芯片(1)电气连通。

4.根据权利要求2所述的一种智能压力传感器，其特征在于：所述第一敏感膜片(7)采用四个梁结构(4)，第二敏感膜片(10)采用平膜结构。

5.根据权利要求4所述的一种智能压力传感器，其特征在于：每个所述梁结构(4)均包括支撑柱(6)、压力传导梁(18)和压力受感梁(19)，四个梁结构(4)在第一敏感膜片(7)的表面旋转对称，并形成螺旋型结构；所述支撑柱(6)固定在第一敏感膜片(7)的离心位置上；

6.根据权利要求5所述的一种智能压力传感器，其特征在于：所述压力传导梁(18)的厚度h大于压力传导梁(18)的宽度a。

7.根据权利要求5所述的一种智能压力传感器，其特征在于：四个所述梁结构(4)形成的螺旋型结构上设有第一电路(2)和四个第二金属焊盘(3)；所述第一电路(2)包括四个第一压敏电阻(5)；四个所述第一压敏电阻(5)分别为电阻R1、电阻R2、电阻R3以及电阻R4，且分别设置在各压力受感梁(19)上；四个所述第一压敏电阻(5)的输出端分别连接四个第二金属焊盘(3)的一端；

8.一种用于智能压力传感器的芯片制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种用于智能压力传感器的芯片制造工艺，其特征在于：所述第一SOI衬底(27)的顶层硅厚度为2～5μm，底层硅厚度350～450μm，中间氧化层厚度1～3μm；

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【技术特征摘要】

1.一种智能压力传感器，其特征在于：包括智能压力传感器电路板(24)以及封装外壳(25)；所述智能压力传感器电路板(24)固定在封装外壳(25)内；

3.根据权利要求2所述的一种智能压力传感器，其特征在于：所述印制电路板(20)通过引线键合工艺与双膜片式压力传感器芯片(1)电气连通。

4.根据权利要求2所述的一种智能压力传感器，其特征在于：所述第一敏感膜片(7)采用四个梁结构(4)，第二敏感膜片(10)采用平膜结构。

5.根据权利要求4所述的一种智能压力传感器，其特征在于：每个所述梁结构(4)均包括支撑柱(6)、压力传导梁(18)和压力受感梁(19)，四个梁结构(4)在第一敏感膜片(7)的表面旋转对称，并形成螺旋型结构；所述支撑柱(6...

【专利技术属性】
技术研发人员：张林，胡宗达，张坤，李宁，彭鹏，
申请(专利权)人：成都凯天电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：

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