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硅基压力 传感器及其制造方法

阅读：957发布：2020-11-12

专利汇可以提供硅基压力传感器及其制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且硅基压力传感器及其制造方法，传感器由差压敏感器件、静压补偿单元、封装结构组成，差压敏感器件采用差动电容结构，其特征是从上到下依次由上玻璃固定极板、硅敏感芯片可动极板、下玻璃固定极板、玻璃底板、导压管封装而成；静压补偿单元采用绝压封装的硅压阻芯片测量静压量值，其特征是它采用点式悬浮方式固定于差压敏感器件上方，信号漂移量小，节省空间，和差压敏感器件形成复合式层叠结构悬浮焊接于封装结构中。封装结构包括传感器基座、引压导管，引线座等，其特征是它采用悬浮式结构设计，差压、静压的复合结构悬浮封装在传感器基座内，引线座位于基座一端，引压导管位于基座另一端，各个部件通过改进的焊接工艺焊接在传感器基座上成一体。，下面是硅基压力传感器及其制造方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.硅基压力传感器，由差压敏感器件(12)、静压补偿单元(18)、封装结构三部分组成，其特征是差压敏感器件采用差动电容结构：从上到下依次由上玻璃固定极板(2)、硅敏感芯片可动极板(1)、下玻璃固定极板(2’)、玻璃底板(3)、导压管(4)封装而成，用于采集差压信号；静压补偿单元(18)：悬浮固定在差压敏感器件(12)上表面靠近烧结引线(10)一侧，与差压敏感器件(12)形成复合式层叠结构，用于测量现场的静压量值；封装结构：包括传感器基座(5)、两个引压导管(16)及转接件(17)、引线座(10’)，上、下端盖(13、14)，传感器基座(5)内中段相对设置上、下端盖(13、14)，所述复合式层叠结构置于上、下端盖(13、14)之间，并通过差压敏感器件(12)下方的导压管(4)与传感器基座(5)焊接，悬浮封装在具有硅油充灌液的封装结构内，填充陶瓷块(15)垫在复合式层叠结构与传感器基座(5)的间隙中，引线座(10’)焊接在传感器基座(5)的一端，两引压导管(16)通过转接件(17)焊接在传感器基座(5)的另一端，封装结构的各部件均焊接在传感器基座(5)上成一体；两引压导管(16)分别与受压部的高压腔和低压腔相连，外加压力通过传感器内部的硅油充灌液传递到差压敏感器件(12)和静压补偿单元(18)，实现高精度差压信号测量和静压误差补偿。
2.一种制造硅基压力传感器的方法,其特征在于：其中的差压敏感器件的制造方法：
所述差压敏感器件(12)是将硅敏感芯片可动极板(1)置于上、下玻璃固定极板(2、2’)中间，用双面同时静电封接工艺将三极板封接在一起，形成对称的三层结构，再将玻璃底板(3)和导压管(4)进行静电封接，之后将三层结构和封接后的玻璃底板(3)通过导电粘接剂粘接，形成差压敏感器件(12)；硅敏感芯片可动极板(1)和玻璃底板(3)尺寸大于上、下玻璃固定极板(2、2’)的尺寸，使得硅敏感芯片可动极板(1)的压焊点(9)伸出，保证硅铝丝引线(11)与烧结引线(10)的连接；上、下玻璃固定极板(2、2’)、玻璃底板(3)上均有导压孔(7)，下玻璃固定极板(2’)和玻璃底板(3)上的导压孔(7)与置于传感器基座(5)内的导压管(4)相通，上玻璃固定极板(2)、硅敏感芯片可动极板(1)和玻璃底板上(3)均有压焊点(9)，采用引线键合工艺用硅铝丝连线(11)连接压焊点(9)和传感器基座(5)的引线座(10’)上对应的烧结引线(10)。
3.根据权利要求2所述的制造硅基压力传感器的方法,其特征在于：所述差压敏感器件的硅敏感芯片可动极板(1)的制造方法：
对厚度为360～420微米、双面抛光、大片的单晶硅片进行一次氧化，之后分别进行正、反面光刻，腐蚀掉硅片正、反面中心岛及膜区的二氧化硅，并用四甲基氢氧化铵溶液进行选择性各向异性腐蚀，形成电容间隙，去掉屏蔽用二氧化硅；再对双面抛光单晶硅片进行二次氧化，分别光刻正、反面膜区，腐蚀掉膜区的二氧化硅，用氢氧化钾溶液对膜区双面同时进行各向异性腐蚀，形成膜区(8a)；对单晶硅片进行浓磷重掺杂，在单晶硅片表面形成低阻的重掺杂层(8d)，重掺杂工艺参数为：扩散温度T＝900～1000℃,扩散时间30～50分钟，再扩温度900～1000℃，时间60+30+60分钟，最终的方块电阻在14.2～14.8欧姆之间；再对单晶硅片进行三次氧化，光刻中心岛(8)，在中心岛(8)表面形成二氧化硅绝缘层(8c)；再溅射铝，光刻硅敏感芯片可动极板(1)电极引出端即压焊点(9)，再进行硅铝合金化；最后将大片的单晶硅片按所设计尺寸划片，分割成独立的硅敏感芯片可动极板(1)的芯片单元。
4.根据权利要求2所述的制造硅基压力传感器的方法，其特征在于：所述差压敏感器件(12)的上、下玻璃固定极板(2、2’)的制造方法：
a、对双面抛光玻璃进行表面清洗处理：先用H2SO4：H2O2＝3:1煮沸，再用H20：H2O2:HCL＝6:1:1煮沸，最后用去离子水清洗30min；
b、在玻璃固定极板背面掩膜溅射金属铝层(6a)：厚度为1200～1500μm；
c、在玻璃固定极板正面甩正型光刻胶(6z)；
d、对玻璃固定极板正面进行电极图形光刻，选择性留下非电极区域光刻胶(6z)，光刻参量为：甩胶速度3000～3500转/min，曝光时间1～2min，显影时间2～3min；
e、在玻璃固定极板正面溅射铝膜(6b)，铝膜厚度1200～1500μm；
f、制备玻璃固定极板金属电极层(6)：先将e步骤处理后的玻璃固定极板在丙酮溶液中浸泡1hr，之后用丙酮溶液超声振动20min，用此方法去除掉电极区以外的光刻胶(6z)和铝膜(6b)、电极区域一次性电极成型，即形成上、下玻璃固定极板(2、2’)的金属电极层(6)。
5.根据权利要求4所述的制造硅基压力传感器的方法，其区别特征在于在玻璃底板(3)一边缘也用溅射金属的方法形成金属层作为压焊点(9)，下玻璃固定极板(2’)与玻璃底板(3)之间采用导电粘接剂相连，间接的将下玻璃固定极板(2’)的金属电极层(6)引出到玻璃底板(3)的金属压焊点(9)上；硅敏感芯片可动极板(1)、上玻璃固定极板(2)和玻璃底板(3)上均有压焊点(9)，分别作为硅敏感芯片可动极板(1)，上、下玻璃固定极板(2、
2’)的电极引出端。
6.根据权利要求2所述的制造硅基压力传感器的方法，其特征在于静压补偿单元(18)的制造方法：在硅芯片(18a)上表面的设计位置采用微机械加工工艺形成4个压力敏感电阻R1、R2、R3、R4，连接成惠斯通电桥；在硅芯片(18a)背面用湿法化学腐蚀工艺加工出背面凹腔，将加工完的硅芯片(18a)背面与无孔双抛玻璃(18b)上下叠落、并真空静电封接成具有真空密封腔(18c)的静压补偿单元(18)，用以测量现场的静压量值；将封接后的静压补偿单元(18)的玻璃底面(18d)的边缘四角采用胶粘剂悬浮粘接在差压敏感器件(12)上玻璃固定极板(2)靠近烧结引线(10)一侧，与差压敏感器件(12)形成复合式层叠结构，胶粘剂形成的胶柱(19)位于静压补偿单元(18)的玻璃底面(18d)上，对称分布于边缘四角，粘接区域总面积小于所述玻璃底面(18d)面积的四分之一，胶柱(19)的高度控制要满足使元件底面(18d)非粘合区未粘附到差压敏感器件(12)的上玻璃固定极板(2)上，并避开上玻璃固定极板(2)中心通孔(7)的位置，不影响下方的差压敏感器件(12)感压，所述层叠式复合结构置于传感器基座(5)的受压腔体内，被封装在由金属隔离膜片隔离密封的硅油充灌液中，静压补偿单元(18)的输出信号通过引线键合工艺由引线座(10’)的对应烧结引线(10)导出，并与后部补偿处理电路相连。
7.根据权利要求2所述硅基压力传感器的制造方法，其特征在于硅基压力传感器装配过程：
步骤1、将封装结构的引线座(10’)焊接到传感器基座(5)上，焊前打磨、抛光焊口，去除毛刺和沾污；采用两步直流氩弧焊接工艺焊接：先对焊口进行一次焊接，待冷却至室温后，再进行焊口的二次焊接，焊接参数为：氩气流量为35～45SCFH，焊接电流30～40A，焊接转数4-6RPM，启动电流15A；
步骤2、通过差压敏感器件(12)下方的导压管(4)将复合式层叠结构焊接到传感器基座(5)上：用填充陶瓷块(15)垫在复合式层叠结构与基座(5)的间隙中，采用步骤1所述的焊口处理方法和焊接工艺焊接；
步骤3、采用引线键合工艺将差压敏感器件(12)和静压补偿单元(18)的输出信号端经压焊点(9)用硅铝丝连线(11)引出到引线座(10’)对应的烧结引线(10)上，烧结引线(10)包括7个烧结引线(10a～10g)，其中烧结引线(10a,10b,10c)和差压敏感器件(12)的电极引出端经压焊点(9)采用硅铝丝(11)连接；烧结引线(10d,10e,10f,10g)分别和静压补偿单元(18)的输入端IN+，IN-，输出端out1,out2经压焊点(9)采用硅铝丝(11)连接；
步骤4、将封装结构的上、下端盖(13、14)，采用步骤1所述的焊口处理方法和焊接工艺焊接到传感器基座(5)上；
步骤5、将两个引压导管(16)分别通过两个转接件(17)，采用步骤1所述的焊口处理方法和焊接工艺焊接到传感器基座(5)上。

说明书全文

硅基压力 传感器及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于传感器技术领域,具体说是采用微电子和微机械加工融合技术制作的硅基压力传感器及其制造方法。

背景技术

[0002] 随着传感器技术的高速发展，硅基压力传感器的应用越来越广泛，并逐步向高精度、高稳定性、高可靠性、网络化、智能化、集成化方向发展；其中电容型硅基压力传感器以其高精度、高稳定、高可靠等突出的技术优势被公认为是新一代具有广阔发展前途的新型硅基压力传感器，是自动化控制领域不可缺少的关键部件。电容型硅基压力传感器利用电容原理测量压力,采用单晶硅材料，并利用微电子和微机械加工融合技术制作，是一种新型结构型力敏器件，由于不存在PN结的电隔离问题，因此其测量精度、稳定性、可靠性等方面都具有明显的技术优势。但由于受原材料状态、工艺装备条件、加工工艺的完善性等因素的限制与影响，现有的硅基压力传感器制造过程中存在的主要问题是制作成品率偏低、静压误差具有一定的分散、封装结构的焊口漏油，这些问题直接影响传感器的性能、可靠性及成品率，对这种硅基压力传感器的推广应用起到制约作用。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种硅基压力传感器及其制造方法，确保传感器的静压特性、耐受性、稳定性、可靠性更好。

[0004] 本发明的硅基压力传感器，由差压敏感器件、静压补偿单元、封装结构三部分组成，其特征是差压敏感器件采用差动电容结构：从上到下依次由上玻璃固定极板、硅敏感芯片可动极板、下玻璃固定极板、玻璃底板、导压管封装而成，用于采集差压信号；静压补偿单元：采用4点胶粘悬浮方式固定在差压敏感器件上表面靠近烧结引线一侧，与差压敏感器件形成复合式层叠结构，用于测量现场的静压量值；封装结构：包括传感器基座、两个引压导管及转接件、引线座，上、下端盖，传感器基座内中段相对设置上、下端盖，所述复合式层叠结构置于上、下端盖之间，并通过差压敏感器件下方的导压管与传感器基座焊接，悬浮封装在具有硅油充灌液的封装结构内，填充陶瓷块垫在复合式层叠结构与传感器基座的间隙中，引线座焊接在传感器基座的一端，两引压导管通过转接件焊接在传感器基座的另一端，封装结构的各部件均焊接在传感器基座上成一体。两引压导管分别与受压部的高压腔和低压腔相连，外加压力通过传感器内部的硅油充灌液传递到差压敏感器件和静压补偿单元，实现高精度差压信号测量和静压误差补偿。

[0005] 上述硅基压力传感器的制造方法如下：其特征在于差压敏感器件的制造方法：

[0006] 所述差压敏感器件是将硅敏感芯片可动极板置于上、下玻璃固定极板中间，用双面同时静电封接工艺将三极板封接在一起，形成对称的三层结构，再将玻璃底板和导压管进行静电封接，之后将三层结构和玻璃底板通过导电粘接剂粘接相连，形成差压敏感器件；上、下玻璃固定极板、玻璃底板上均有导压孔，下玻璃固定极板和玻璃底板上的导压孔与置于传感器基座内的导压管相通，上玻璃固定极板、硅敏感芯片可动极板和玻璃底板上均有压焊点，采用引线键合工艺将压焊点引出到引线座对应的烧结引线上。

[0007] 所述差压敏感器件的硅敏感芯片可动极板的制造方法为：

[0008] 对双面抛光单晶硅片做一次氧化、之后分别进行正、反面光刻，腐蚀掉硅片正、反面中心岛及膜区的二氧化硅，并用四甲基氢氧化铵溶液进行选择性各向异性腐蚀，形成电容间隙，去掉屏蔽用二氧化硅；再对硅片进行二次氧化，分别光刻正、反面膜区，腐蚀掉膜区的二氧化硅，用氢氧化钾溶液对膜区双面同时进行各向异性腐蚀，形成膜区；对硅片进行浓磷重掺杂，重掺杂工艺参数为：扩散温度T＝900～1000℃,扩散时间30～50分钟，再扩温度900～1000℃，时间60+30+60分钟，最终的方块电阻在14.2～14.8欧姆之间；再对硅片进行三次氧化，光刻中心岛，在中心岛部位形成二氧化硅绝缘层；再溅射铝，光刻硅敏感芯片可动极板电极引出端即压焊点，再进行硅铝合金化；最后将大片的硅单晶片按所设计尺寸划片，分割成独立的硅敏感芯片可动极板的芯片单元。

[0009] 所述差压敏感器件的上、下玻璃固定极板的制造方法为：清洗、在玻璃固定极板背面掩膜溅射金属铝层，之后正面进行电极图形光刻、留下非电极区域光刻胶、再正面溅射铝层，采用有机溶剂浸泡加超声振动的方法去除掉电极区以外的光刻胶和铝膜、电极区域一次性电极成型，即形成上、下玻璃固定极板的金属电极层。

[0010] 所述硅基压力传感器的制造方法，其特征在于静压补偿单元的制造及装配方法：静压补偿单元是由硅压阻芯片和无孔玻璃上下叠落并真空静电封接成具有真空密封腔的绝压元件；将绝压元件底面4点胶粘悬浮粘接在差压敏感器件上表面靠近烧结引线一侧，形成复合式层叠结构；

[0011] 所述硅基压力传感器的制造方法，其特征在于硅基压力传感器装配过程：

[0012] 步骤1、将封装结构的引线座焊接到传感器基座上，焊前打磨、抛光焊口，去除毛刺和沾污；采用两步直流氩弧焊接工艺焊接：先对焊口进行一次焊接，待冷却至室温后，再进行焊口的二次焊接，焊接参数为：氩气流量为35～45SCFH，焊接电流30～40A，焊接转数4-6RPM,启动电流15A。

[0013] 步骤2、通过差压敏感器件下方的导压管将复合式层叠结构焊接到传感器基座上：用填充陶瓷块垫在复合式层叠结构与基座的间隙中，采用步骤1所述的焊口处理方法和焊接工艺焊接。

[0014] 步骤3、采用引线键合工艺将差压敏感器件和静压补偿单元的输出信号端引出到引线座对应的烧结引线上，并与后部补偿处理电路相连。

[0015] 步骤4、将封装结构的上、下端盖，采用步骤1所述的焊口处理方法和焊接工艺焊接到传感器基座上。

[0016] 步骤5、将两个引压导管分别通过两个转接件，采用步骤1所述的焊口处理方法和焊接工艺焊接到传感器基座上。

[0017] 本发明的积极效果是：

[0018] 1、本发明针对硅基压力传感器的差压敏感器件制造，提出了一种新的玻璃固定极板的工艺实现方法。即对玻璃固定极板的制造采用先进行电极图形光刻，然后选择性地保留电极区域之外的光刻胶，再溅射铝，接着采用有机溶剂浸泡加超声振动的物理方法去除电极区之外的铝膜和光刻胶，电极区域一次成型，使电极区域不再受到后续加工工艺的影响。而常规的玻璃固定极板的制造方法是：先对玻璃固定极板双面溅射铝，然后对玻璃极板正面进行电极图形光刻，再在玻璃通孔部位手工点光刻胶保护通孔侧壁的铝膜，湿法化学腐蚀掉电极区域之外的铝膜，擦拭化学腐蚀铝后的沉积物、等离子去胶，最后电极成型。本发明的玻璃固定极板的制造方法和常规制造方法相比，省去了玻璃极板通孔部位手工点胶保护和湿法化学腐蚀铝膜的两步工艺，即简化了工艺，又克服了常规工艺的不足，使玻璃极板电极制作成品率由原来的不足50％提升到近100％，而且极板电极连接的可靠性也大为提升。仅此步工艺改进的积极效果如下：

[0019] a、避免了手工点胶胶膜极易溢出到电极区之外，电极成型后出现边缘毛刺或外部桥连，造成封接后极板短路，导致器件失效的问题。

[0020] b、避免了湿法化学腐蚀铝膜过程中易出现的钻蚀问题，从而有效地避免了通孔边缘尖峰部位或侧壁断铝，极大地提高了器件电连接的可靠性。

[0021] c、避免了腐蚀铝后的擦拭造成电极表面划伤、通孔边缘尖峰断铝等问题；

[0022] d、避免了长时间的等离子去胶(手工点胶胶膜较厚)导致的玻璃极板上的铝电极氧化，从而产生的电极导电性下降和压焊成品率降低的问题。

[0023] 2、本发明还提出了一种提高差压敏感器件稳定性的工艺实现方法：即在制作硅敏感芯片可动极板时，在制作中心岛的二氧化硅绝缘层前，增加一步对硅可动极板浓磷重掺杂工艺，在硅片表面形成低阻的重掺杂层,目的是降低硅片的电阻率，使后续溅射的金属铝膜即金属压焊点能与硅片间形成良好的欧姆接触，确保硅敏感芯片可动极板电极引出的可靠性，保证金属铝电极与硅片之间形成良好的欧姆接触，有效地提高了差压敏感器件的稳定性；

[0024] 3、本发明的积极效果还在于静压补偿单元的装配方式上，采用胶粘剂将静压补偿单元4点式悬浮方式粘接在差压敏感器件上方靠近烧结引线一侧，和差压敏感器件形成复合式层叠结构，粘接点位于绝压元件底面边缘四角，粘接区域总面积小于绝压元件底面面积的四分之一，静压补偿单元的非粘合区底面未粘附到差压敏感器件上玻璃固定极板上，不仅使静压补偿单元的性能受外部封装结构的影响小，而且使其对振动具有很高的抵抗力，信号漂移显著降低，实现了静压信号的高稳定、高精准采集。利用静压补偿单元的静压测量值对差压敏感器件的差压测量值进行补偿，实现硅基压力传感器的静压误差补偿，有效地解决了静压误差分散的问题，提高传感器的综合精度。此外，所述静压补偿单元和差压敏感器件形成的层叠式复合结构置于传感器基座的受压腔体内，被封装在由金属隔离膜片隔离密封的硅油充灌液中，结构紧凑，节省空间，不增加封装结构配件。

[0025] 4、本发明的积极效果还在于封装结构件的焊接方式上：对封装结构件引线座、导压管、端盖、引压导管的焊接，都采用焊前用粒度1200目的金相砂纸打磨抛光焊口的方法去除焊口毛刺和沾污，有效地解决了焊接后焊缝出现的砂眼和斑点的问题；直流氩弧焊接由原来的一次连续焊接两圈改为两圈分步二次焊接：即将焊口先进行一次焊接，待冷却至室温后，再进行焊口的二次焊接，不仅使封装结构内差压敏感器件及静压补偿单元所受的温度冲击降低一半，降低了对敏感器件和静压补偿单元性能的影响，而且提高了焊口的焊接强度和可靠性，使其在不增加任何生产成本并和现有工艺相兼容的前提下，有效地提高了传感器的焊接质量，使焊口漏油问题得到有效的解决。

[0026] 本发明方法所制造的这种硅基压力传感器，利用微电子和微机械加工融合技术制作，精度高、稳定性好、可靠性高、一致性好，易于大批量生产，能很好地满足了工业自动控制系统对高精度压力传感器的需求，具有广阔的发展应用前景。附图说明

[0027] 图1是硅基压力传感器结构示意图；

[0028] 图2虚框中是差压敏感器件和静压补偿单元复合式层叠结构示意图；

[0029] 图3是图2中差压敏感器件硅敏感芯片可动极板俯视图；

[0030] 图4是图3中差压敏感器件硅敏感芯片可动极板正面剖视图；

[0031] 图5是图2中差压敏感器件硅敏感芯片可动极板制造工艺流程简图；

[0032] 图6是图2中差压敏感器件玻璃固定极板俯视图；

[0033] 图7是图2中差压敏感器件玻璃底板示意图；

[0034] 图8是图2中差压敏感器件上下玻璃固定极板制造工艺流程简图；

[0035] 图9是静压补偿单元结构示意图；

[0036] 图10是静压补偿单元的压力敏感电阻18r构成的惠斯通电桥示意图；

[0037] 图11是本发明封装结构引线座剖视图；

[0038] 图12是本发明封装结构引线座俯视图。

具体实施方式

[0039] 如图1所示，本发明的硅基压力传感器，其特征在于：硅基压力传感器的结构：由差压敏感器件12、静压补偿单元18和封装结构三部分组成。如图2所示,所述差压敏感器件12，其特征是从上到下依次由上玻璃固定极板2、硅敏感芯片可动极板1、下玻璃固定极板2’、玻璃底板3、导压管4封装而成，形成差动电容结构，用以完成差压信号的采集。所述的静压补偿单元是由硅压阻芯片18a和无孔玻璃18b真空静电封接，形成具有真空密封腔18c的绝压元件，用以测量现场的静压量值。静压补偿单元18被悬浮固定于差压敏感器件
12的上玻璃固定极板2上靠近烧结引线10一侧，和差压敏感器件12形成复合式层叠结构。
如图1所示，封装结构，包括传感器基座5、两个引压导管16及转接件17、引线座10’、上、下端盖13和14，其特征在于传感器基座5内中段相对设置上、下端盖13、14，复合式层叠结构置于上端盖13与下端盖14之间，填充陶瓷块15垫在复合式层叠结构与基座5的间隙中，该复合式层叠结构通过差压敏感器件12下方的导压管4被悬浮焊接在具有硅油充灌液的封装结构内。如图2所示，用硅铝丝连线11将差压敏感器件12和静压补偿单元18的各自压焊点9与相邻的引线座10’中对应的烧结引线10压焊连接，并与后部处理电路相连。见图1，引线座10’位于传感器基座5一端，两个引压导管16通过转接件17置于传感器基座
5另一端，各部件均焊接在传感器基座5内成一体。封装结构的两引压导管16分别与受压部的高压腔和低压腔相连，外加压力通过传感器内部的硅油充灌液传递到差压敏感器件12和静压补偿单元18，实现高精度差压信号测量和静压误差补偿。

[0040] 差压敏感器件12的结构，见图2中虚线框内：硅敏感芯片可动极板1的中心岛8与其两面的上、下玻璃固定极板2、2’的间隙大小相同；上、下玻璃固定极板2、2’相对于硅敏感芯片可动极板1中心岛8部位有金属电极层6，上、下玻璃固定极板2、2’、玻璃底板3的上均有导压孔7，在下玻璃固定极板2’和玻璃底板3上的导压孔7都与传感器基座5内的导压管4相通；在上、下玻璃固定极板2、2’导压孔7的内壁上有溅射金属层，作为上、下玻璃固定极板2、2’的金属电极层6的电极引出通道，保证金属电极层6从导压孔7中引出到金属压焊点9,其中，在玻璃底板3一边缘有金属压焊点9，下玻璃固定极板2’与玻璃底板3之间采用导电粘接剂相连，间接的将下玻璃固定极板2’的金属电极层6引出到玻璃底板3的金属压焊点9上；硅敏感芯片可动极板1则是采用浓磷重掺杂工艺、溅射铝及合金化工艺制作金属压焊点9，作为硅敏感芯片可动极板1的欧姆接触电极引出端；传感器基座5上的引线座10’引出烧结引线10，用硅铝丝连线11连接压焊点9和烧结引线10，将差压敏感器件12的输出信号引出到传感器基座5的烧结引线10上。

[0041] 所述差压敏感器件12的硅敏感芯片可动极板1采用岛膜结构，见图3和图4，由中心岛8、膜区8a、支撑区8b三部分组成。中心岛8和硅敏感芯片可动极板1为一体，位于硅敏感芯片可动极板1的中心，其两面相对膜区8a凹槽形成的中心凸面即为中心岛8，上下两面是以中心面为对称面的对称结构。当有外加压力作用于中心岛8的上或下表面时，中心岛8在其周围膜区形变弯曲的情况下，会上下移动，导致中心岛8相对于玻璃固定极板2、2’的间隙发生变化，进而硅敏感芯片可动极板1中心岛8和两玻璃固定极板2、2’上的电极层6所形成的敏感电容发生变化，这种变化可以用来检测外加压力的变化。

[0042] 硅敏感芯片可动极板的制造方法为：

[0043] 硅敏感芯片可动极板1的材质是双面抛光的硅单晶片，厚度为360～420微米，大片的硅单晶片按设计规格可以同时加工多个硅敏感芯片可动极板1，见图3、4。硅敏感芯片可动极板的制造工艺流程如图5所示，首先对硅敏感芯片可动极板1的双面抛光单晶硅片进行一次氧化，流程A；然后正面光刻，去胶，腐蚀掉硅片正面中心岛及膜区的二氧化硅，流程B；反面光刻，去胶，腐蚀硅片反面中心岛及膜区的二氧化硅，流程C；采用四甲基氢氧化铵溶液对硅片正、反面中心岛及膜区区域同时进行各向异性腐蚀，形成电容间隙，流程D；再对硅片二次氧化，流程E；正面光刻膜区，腐蚀掉膜区的二氧化硅，流程F；再反面光刻膜区，腐蚀掉膜区的二氧化硅，流程G；采用KOH溶液对膜区双面同时进行各向异性腐蚀，形成膜区8a，流程H；对硅片进行浓磷重掺杂，在硅片表面形成低阻的重掺杂层8d,流程I，目的是降低硅片的电阻率，使后续溅射的金属铝膜即金属压焊点9能与硅片间形成良好的欧姆接触，确保硅敏感芯片可动极板电极引出的可靠性，重掺杂工艺参数为：扩散温度T＝
900～1000℃,扩散时间30～50分钟，再扩温度900～1000℃，时间60+30+60分钟，最终的方块电阻在14.2～14.8欧姆之间；之后对硅片进行三次氧化，光刻中心岛，在中心岛部位形成二氧化硅绝缘层8c，流程J；再溅射铝，光刻硅敏感芯片可动极板电极引出端即压焊点9，流程K；再进行硅铝合金化，使硅敏感芯片可动极板1的金属压焊点9和低阻的硅片之间进一步形成良好的欧姆接触；最后将大片的硅单晶片按所设计规格尺寸划片，对硅片进行分割，形成独立的硅敏感芯片可动极板1的芯片单元。

[0044] 上、下玻璃固定极板2、2’由双抛面玻璃制作，见图6，在其中心有通孔为导压孔7，采用先进行电极图形光刻，之后再溅射铝一次性电极成型，在其表面形成金属电极层6，并留出边缘；上、下玻璃固定极板2、2’中心的导压孔7的内壁溅射有金属层，作为上、下玻璃固定极板2、2’电极层6的电极引出通道。玻璃底板3和上、下玻璃固定极板2、2’外观相似，见图6、图7，其区别特征在于在玻璃底板3一边缘也用溅射金属的方法形成的金属层作为压焊点9，下玻璃固定极板2’与玻璃底板3之间采用导电粘接剂相连，间接的将下玻璃固定极板2’的金属电极层6引出到玻璃底板3的金属压焊点9上；硅敏感芯片可动极板1、上玻璃固定极板2和玻璃底板3上均有压焊点9，分别作为硅敏感芯片可动极板1，上、下玻璃固定极板2、2’的电极引出端。上述硅敏感芯片可动极板1与上、下玻璃固定极板2、2’采用对称的玻璃－硅－玻璃结构，玻璃和硅之间采用免粘连的多层静电封接工艺实现硬连接。硅敏感芯片可动极板1和玻璃底板3尺寸大于上、下玻璃固定极板2、2’的尺寸，使得硅敏感芯片可动极板1的压焊点9伸出，保证硅铝丝引线11与烧结引线10的连接。玻璃底板3与导压管4采用静电封接工艺连接在一起，导压管4和传感器基座5之间采用焊接工艺实现气密连接。采用引线键合工艺用硅铝丝引线11连接压焊点9和引线座上对应的烧结引线10，实现电容输出信号的引出。

[0045] 上、下玻璃固定极板2、2’的制造工艺流程简图见图8，制造方法为：

[0046] 流程a：对双面抛光玻璃进行表面清洗处理：先用H2SO4：H2O2＝3:1煮沸，再用H20：H2O2:HCL＝6:1:1煮沸，最后用去离子水清洗30min；

[0047] 流程b：在玻璃固定极板背面掩膜溅射金属铝层6a：厚度为1200～1500μm；

[0048] 流程c：在玻璃固定极板正面甩正型光刻胶6z；

[0049] 流程d：对玻璃固定极板正面进行电极图形光刻，选择性留下非电极区域光刻胶6z，光刻参量为：甩胶速度3000～3500转/min,曝光时间1～2min，显影时间2～3min。
在光刻过程中此三参量的选择至关重要，直接决定最终玻璃极板通孔的电极导通效果。甩胶速度决定匀胶效果及胶层厚度；曝光时间及显影时间要确保通孔曝光时间充分及显影干净，以使孔壁的胶去除干净，保证后序溅射铝层在孔壁上的附着力和导通率；

[0050] 流程e：在玻璃固定极板正面溅射铝膜6b，铝膜厚度1200～1500μm；

[0051] 流程f：制备玻璃固定极板金属电极层6：先将e步骤处理后的玻璃固定极板在丙酮溶液中浸泡1hr，之后用丙酮溶液超声振动20min，用此方法去除掉电极区以外的光刻胶6z和铝膜6b、电极区域一次性电极成型，即形成上、下玻璃固定极板2、2’的电极层6。

[0052] 静压补偿单元18的结构示意图如图9所示，硅压阻芯片18a上表面在设计位置采用微机械加工工艺形成4个压力敏感电阻18r即R1、R2、R3、R4，R1，R2、R3、R4按照图10所示的布局连接成惠斯通电桥；其特征在于该静压补偿单元同样是采用微机械加工工艺制作，其中硅压阻芯片18a尺寸为2.75*2.75mm，采用离子注入、退火激活、再扩氧化等工艺形成压敏电阻。在硅压阻芯片18a背面用湿法化学腐蚀工艺加工出凹腔，将加工完的硅芯片18a背面与无孔双抛玻璃18b上下叠落、并通过真空静电封接工艺连接在一起，形成具有真空密封腔18c的静压补偿单元18，用以测量现场的静压量值；如图2所示，封接后的静压补偿单元18的玻璃底面18d的边缘四角采用胶粘剂悬浮粘接在差压敏感器件12上玻璃固定极板2靠近烧结引线10一侧，胶粘剂形成的胶柱19位于静压补偿单元18的玻璃底面18d上，对称分布于边缘四角，粘接区域总面积小于所述玻璃底面18d面积的四分之一，胶柱19的高度控制要满足使元件底面18d非粘合区未粘附到差压敏感器件12的上玻璃固定极板
2上，并避开上玻璃固定极板2中心通孔7的位置，不影响下方的差压敏感器件12感压，和差压敏感器件12集成一体形成层叠式复合结构置于传感器基座5的受压腔体内，被封装在由金属隔离膜片隔离密封的硅油充灌液中，结构紧凑，节省空间，不增加封装结构配件。静压补偿单元18的输出信号通过引线键合工艺由引线座10’的对应烧结引线10导出，并与后部补偿处理电路相连。本文所述后部补偿处理电路是本传感器输出信号的用户后续处理单元。

[0053] 硅基压力传感器装配过程：

[0054] 步骤1、将封装结构的引线座10’的焊口部位用粒度1200目金相砂纸打磨抛光去除焊口毛刺和沾污，之后将引线座10’装配到传感器基座5上，采用两步直流氩弧焊接工艺焊接：先对焊口进行一次焊接，待冷却至室温后，再进行焊口的二次焊接，焊接参数为：氩气流量为35～45SCFH，焊接电流30～40A，焊接转数4-6RPM,启动电流15A，将引线座10’焊接到传感器基座5上。

[0055] 步骤2、将差压敏感器件12和静压补偿单元18的复合式层叠结构装到传感器基座5内，用填充陶瓷块15垫在复合式层叠结构与基座5的间隙中，采用步骤1所述的焊口处理方法和两步焊接工艺焊接差压敏感器件12下方的导压管4和传感器基座5的连接处焊口，将复合式层叠结构焊接到传感器基座5上，使差压敏感器件12和静压补偿单元18都悬浮封装在封装结构内成一体。

[0056] 步骤3、采用引线键合工艺将差压敏感器件12和静压补偿单元18的输出信号端即压焊点9用硅铝丝引出到引线座10’对应的烧结引线10上。图11和图12是引线座的结构示意图，引线座10’上的烧结引线10包括7个烧结引线10a～10g，其中烧结引线10a,10b,10c和差压敏感器件12的电极引出端经压焊点9采用硅铝丝11连接；烧结引线
10d,10e,10f,10g分别和静压补偿单元18的输入端IN+，IN-，输出端out1,out2经压焊点
9(见图10，图12)采用硅铝丝11连接。

[0057] 步骤4、将封装结构的上、下端盖13和14的焊口部位用步骤1所述的焊口处理方法处理后，装到传感器基座5上，采用步骤1所述的焊接方法将两个端盖13和14焊接到传感器基座5上。

[0058] 步骤5、将两个引压导管16分别通过两个转接件17置于传感器基座5另一端，采用步骤1所述的焊口处理方法和两部焊接工艺将引压导管16焊接到传感器基座5上，各部件均焊接在传感器基座5内成一体。

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硅基压力传感器及其制造方法

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