本發(fā)明涉及硅基壓阻式高壓壓力傳感器，具體涉及一種帶應力孔的一字梁雙島結(jié)構(gòu)高壓壓力傳感器芯片及制備方法。

背景技術：

1、硅基壓阻式壓力傳感器利用硅材料的壓阻效應，將壓力引起的機械應變直接轉(zhuǎn)化為電信號輸出。當壓力作用在傳感器膜片上時，膜片的變形使壓阻元件的電阻發(fā)生變化，隨后通過惠斯通電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)換為電壓信號。該傳感器成本低且適用范圍廣，憑借硅材料優(yōu)越的性能和成熟的制造工藝，展現(xiàn)出高靈敏度、高精度、響應快等特點，已在汽車、航空航天、醫(yī)療器械及工業(yè)自動化領域得到廣泛應用。

2、高壓壓力傳感器為極端壓力條件設計，名稱為“一種適用于高壓小分子介質(zhì)的mems壓力傳感器充油芯體”的專利申請(公開號：cn116989933a)采用充油封裝式壓力傳感器，通過波紋金屬膜片與硅油的協(xié)同作用，將輸入的高壓有效降低至傳感器芯片的承受范圍；然而在超過200℃的高溫環(huán)境中，硅油體積會因熱膨脹而增加，可能引發(fā)液體泄漏，導致傳感器失效，此外硅油的填充工藝對技術精度要求較高，封裝過程復雜，增加了制造難度和成本。名稱為“一種壓力傳感器芯片和耐高壓壓力傳感器及其制造方法”的專利申請(公開號：cn113551815a)將壓力傳感器芯片通過硅凝膠粘接于隔板表面，隔板底部與外界環(huán)境相連，壓力施加時，隔板表面的玻璃襯底及硅基壓力應變器受到作用力，導致芯片上的壓敏電阻阻值發(fā)生變化，從而輸出對應的信號，該封裝結(jié)構(gòu)有效避免連接線與外界環(huán)境接觸，顯著提高了傳感器的抗干擾能力和耐溫性能；然而由于傳感器芯片背部承受壓力作用，在長時間使用過程中，芯片因向上凸起而對連接線與焊盤造成的額外應力會增加連接線脫落的風險，進而可能導致傳感器失效。文獻“zhang?g?d,zhao?y?l,zhao?y,et?al.research?of?anovel?ultra-high?pressure?sensor?with?high-temperature?resistance[j].micromachines,2018,9(1):5.”相比于傳統(tǒng)傳感器的正面或背面承壓方式，通過將傳感器芯片貼附在圓柱體側(cè)面，并采用芯片側(cè)向承壓的設計，成功將傳感器的量程提升至吉帕(gpa)水平；然而由于壓力施加在圓柱體上，其變形行為會受到質(zhì)量分布和形狀因素的影響，導致變形不均勻性，由此產(chǎn)生的輸出信號較小，且伴隨顯著的非線性特征，限制了該設計在工程實際中的廣泛應用。

3、綜上所述，現(xiàn)有高壓壓力傳感器存在高溫環(huán)境下液體泄漏、封裝工藝復雜、長期使用引線脫落以及靈敏度低且線性度差等缺點。

技術實現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供了一種帶應力孔的一字梁雙島結(jié)構(gòu)高壓壓力傳感器芯片及制備方法，通過在傳感器芯片中引入矩形厚膜結(jié)構(gòu)，有效提升其壓力承受極限，并在芯片表面刻蝕帶應力孔的一字梁雙島結(jié)構(gòu)，大幅增強應力集中區(qū)的應力分布與部分結(jié)構(gòu)剛度，從而在確保高量程的同時，實現(xiàn)優(yōu)異的靈敏度和線性度表現(xiàn)；此外，為滿足高溫環(huán)境下的可靠性要求，通過硅通孔(tsv)技術與電子束蒸發(fā)導電金屬填充孔的工藝設計實現(xiàn)芯片與外部電路的連接，避免了長期使用過程中引線脫落的問題，同時解決了充油封裝式傳感器在超過200℃條件下硅油泄漏的風險；該傳感器具備數(shù)十至數(shù)百兆帕高壓測量能力，耐受溫度高達400℃，廣泛適用于石油、天然氣、化工及高壓設備監(jiān)測等領域。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)：

3、一種帶應力孔的一字梁雙島結(jié)構(gòu)高壓壓力傳感器芯片，包括由下向上設置的支撐層1、絕緣層2和器件層3；支撐層1背部刻蝕有空腔1-1，空腔1-1正上方為敏感膜1-2，敏感膜1-2上設有一字梁雙島結(jié)構(gòu)4；在一字梁雙島結(jié)構(gòu)4的邊緣與中心處分別布置有四個壓敏電阻條5-1、5-2、5-3、5-4，四個壓敏電阻條5-1、5-2、5-3、5-4通過五個p型重摻雜硅引線6-1、6-2、6-3、6-4、6-5連接成半開環(huán)惠斯通電橋，五個p型重摻雜硅引線6-1、6-2、6-3、6-4、6-5區(qū)域中心處設置有五個金屬點電極7-1、7-2、7-3、7-4、7-5，周圍外側(cè)設有密封圈8，相鄰p型重摻雜硅引線6-1、6-2、6-3、6-4、6-5與密封圈8間通過細縫9相隔。

4、所述敏感膜1-2采用矩形厚膜，膜厚為芯片厚度的0.5-0.7倍；空腔1-1上表面與敏感膜1-2平面形狀大小相同；四個壓敏電阻條5-1、5-2、5-3、5-4的布置采用面“中邊”設計，四個壓敏電阻條5-1、5-2、5-3、5-4的有效長度方向均沿著(100)晶面壓阻系數(shù)最大的晶向。

5、所述一字梁雙島結(jié)構(gòu)4包括兩個方形島4-1、4-2，兩個方形島4-1、4-2分別和一個梁4-3連接，梁4-3中心處設置有一個應力孔4-4，應力孔4-4深度與兩個方形島4-1、4-2和梁4-3高度一致；兩個方形島4-1、4-2之間的距離和邊長、梁4-3的寬度及應力孔4-4的長寬均通過仿真優(yōu)化確定。

6、所述梁4-3厚度為10-40μm，根據(jù)不同的靈敏度范圍調(diào)節(jié)梁厚。

7、所述一字梁雙島結(jié)構(gòu)4上邊緣處兩個壓敏電阻條5-1、5-4和中心處兩個壓敏電阻條5-2、5-3的橫縱應力差方向相反，對應惠斯通電橋?qū)螂娮枳兓喾础?/p>

8、所述壓敏電阻條5-1、5-2、5-3、5-4為p型重摻雜，摻雜濃度與p型重摻雜硅引線6-1、6-2、6-3、6-4、6-5相同，壓敏電阻條5-1、5-2、5-3、5-4上表面與p型重摻雜硅引線6-1、6-2、6-3、6-4、6-5上表面平齊。

9、所述細縫9深度為1.5μm，深度與器件層3深度相等。

10、所述器件層3正面與硅晶圓10真空鍵合在一起，將敏感電路保護在由器件層3和硅晶圓10組成的真空腔內(nèi)。

11、所述硅晶圓10設有五個硅通孔11-1、11-2、11-3、11-4、11-5，分別與五個金屬點電極7-1、7-2、7-3、7-4、7-5形狀對應；五個硅通孔11-1、11-2、11-3、11-4、11-5內(nèi)填充有導電金屬12；硅晶圓10中心設有凹槽13，凹槽13形狀為矩形，凹槽13的寬與敏感膜1-2對應，凹槽13的長與邊緣處兩個壓敏電阻條5-1、5-4相距最遠距離對應，凹槽13深度保證在有高壓輸入時，凹槽13底面與一字梁雙島結(jié)構(gòu)4不會接觸。

12、所述一種帶應力孔的一字梁雙島結(jié)構(gòu)高壓壓力傳感器芯片的制備方法，包括以下步驟：

13、1)芯片采用soi硅片，soi硅片從上至下分別是器件層3、絕緣層2、支撐層1，其中器件層3與支撐層1為n型單晶硅，器件層3上表面為(100)晶面，絕緣層2為sio2層；

14、2)芯片進行熱氧化，對器件層3表面進行硼離子重摻雜離子注入，退火使注入離子均勻分布在器件層3中，實現(xiàn)電激活；

15、3)利用icp技術刻蝕掉器件層3厚度的硅，形成四個壓敏電阻條5-1、5-2、5-3、5-4；五個p型重摻雜硅引線6-1、6-2、6-3、6-4、6-5；密封圈8；

16、4)采用pecvd技術在整個芯片表面沉積二氧化硅和氮化硅2-1；

17、5)利用icp技術刻蝕掉支撐層1背部的二氧化硅和氮化硅2-1，刻蝕區(qū)域以空腔1-1的正表面積為準，而后采用濕法腐蝕，刻蝕深度到敏感膜1-2(芯片厚度的0.5-0.7倍)底部為止；

18、6)利用icp技術刻蝕掉芯片表面的二氧化硅和氮化硅2-1，露出點電極區(qū)域，而后通過金屬濺射和剝離工藝形成五個金屬點電極7-1、7-2、7-3、7-4、7-5；

19、7)利用icp技術刻蝕器件層3、絕緣層2和支撐層1，刻蝕深度為10-40μm，以形成完整的帶應力孔的一字梁雙島結(jié)構(gòu)4立體結(jié)構(gòu)；

20、8)將器件層3表面與硅晶圓10作真空鍵合，鍵合時五個硅通孔11-1、11-2、11-3、11-4、11-5對準器件層3上五個金屬點電極7-1、7-2、7-3、7-4、7-5的位置；

21、9)利用電子束蒸發(fā)技術在五個硅通孔11-1、11-2、11-3、11-4、11-5填充導電金屬12。

22、和現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

23、本發(fā)明敏感膜采用矩形形狀，相較于方形和圓形膜片，矩形膜片能保持較高的固有頻率和過載能力，這種設計的優(yōu)勢在于提高了傳感器在高頻動態(tài)響應工況下的輸出穩(wěn)定性，確保傳感器在快速變化的高壓環(huán)境中能夠迅速且準確地反應，從而滿足現(xiàn)代工業(yè)對高性能傳感器的需求。

24、本發(fā)明由正面帶應力孔的一字梁雙島結(jié)構(gòu)、敏感膜和背部空腔構(gòu)成的應力集中結(jié)構(gòu)作為壓阻式壓力傳感器的芯片結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)的梁結(jié)構(gòu)，一字梁雙島結(jié)構(gòu)的設計允許通過精確調(diào)節(jié)島與島之間的距離及島的邊長，從而顯著增強應力集中區(qū)域的橫向和縱向應力差，同時，為使應力集中效果更加顯著，提出一字梁雙島結(jié)構(gòu)中心區(qū)域刻蝕出應力孔進一步提高傳感器的靈敏度；敏感膜采用平膜結(jié)構(gòu)，成功解決了傳統(tǒng)梁膜-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)在背部刻蝕過程中可能引入的質(zhì)量塊導致的加速度干擾，這一改進有效減少了噪聲輸出，從而提高了信號的清晰度和準確性。

25、本發(fā)明采用p型重摻雜硅引線、p型重摻雜壓阻條組成傳感器芯片的敏感電路，這種選擇在高溫環(huán)境下展現(xiàn)了出色的穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)傳感器所使用的p型輕摻雜壓阻條和金屬引線相比，重摻雜材料不僅靈敏度溫漂小，還有效簡化了生產(chǎn)工藝，減少了材料的使用和工藝步驟，從而提升了整體生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，確保了更高的產(chǎn)量。

26、本發(fā)明采用半開環(huán)惠斯通電橋，設有五個p型重摻雜硅引線及五個金屬點電極，允許后期方便添加溫度補償電路，從而進一步增強傳感器的耐溫性，提高了其在不同溫度環(huán)境下的測量精度，確保在復雜的操作條件下依然保持良好的性能和穩(wěn)定性。

27、本發(fā)明壓力傳感器在焊盤外圍設計了密封圈，有利于提高壓力傳感器芯片真空鍵合后的密封性，進一步降低傳感器芯片對測試環(huán)境中腐蝕性氣體和蒸汽的影響，該傳感器結(jié)構(gòu)靈活多樣，適用于全固態(tài)封裝和無引線封裝，能夠滿足不同應用場景的需求。

28、本發(fā)明采用soi硅片，這種材料具有較低的工藝制備成本和較高的成品率，能夠滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求，其理論工作溫度可達600℃，在高溫條件下，絕緣層的存在有效防止了pn結(jié)擊穿和漏電現(xiàn)象的發(fā)生，確保了傳感器的長期穩(wěn)定性和可靠性，使其在高溫應用中依然表現(xiàn)優(yōu)異。

29、本發(fā)明采用硅晶圓取代玻璃進行真空鍵合，在熱循環(huán)工況下硅硅鍵合相比于硅玻鍵合產(chǎn)生的熱應力小，可大大提高傳感器在寬溫度范圍內(nèi)工作的壽命。

30、綜上，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明傳感器芯片為傳感器在實際應用中提供了更強的適應能力和精確度，具有廣泛的市場前景。