差压/绝压/温度三参数单片集成传感器芯片及其制备方法

摘要

一种差压/绝压/温度三参数单片集成传感器芯片，芯片结构包括敏感电阻、硅膜片和玻璃基底，其特征在于在芯片中间形成2个相对独立的差压敏感单元和绝压敏感单元：1个硅电阻为温度敏感电阻，分布在膜正面周边的支撑硅基上，与电极引线和压焊焊盘金属键合形成温度敏感单元III。本发明的关键技术在于制作过程的工艺兼容性，差压敏感单元I和绝压敏感单元II是利用硅材料的压阻效应，将被测压力信息转换成电阻变化信号输出；温度敏感单元III是利用硅材料的热阻效应，将环境温度信息转换成电阻变化信号输出。本发明方法使差压/绝压/温度三参数传感器性能可靠、成本降低，得以批量生产。

说明书

技术领域

本发明属于微电子和微机械加工融合技术领域，涉及差压/绝压/温度三参数单片集成传感器芯片及其制备方法。

背景技术

传感器技术是目前世界上发展最迅速的高新技术之一，其生产能力和应用水平决定着信息技术和工业自动化技术的发展速度。发展高性能、高可靠性、多参数和智能化的传感器已经成为工业控制系统的迫切需要。传感器正在向新的高度发展，大量采用新技术，实现智能化、小型化、精密化、多参数化。

目前国内对传感器集成研究有：将敏感芯片和处理电路集成在一块芯片上，从而减小传感器的封装体积，提高其测量精度；在同一芯片上集成温度和湿度两个敏感元件；在同一芯片上集成压力、温度、湿度三个敏感元件；在同一芯片上集成压力、加速度、温度、湿度四个敏感元件。

国际上首先由美国霍尼威尔公司在八十年代推出的ST3000型传感器将差压、静压、温度三个敏感元件集成在同一芯片上，再将敏感芯片与CPU、EPROM等组合，从数字运算上解决传感器的静压补偿，温度补偿问题，改变了以前静压无法补偿、仅靠工艺解决以及温度补偿仅靠硬件电路的局面，显著提高了传感器的测量精度，不过ST3000型的多参数敏感元件中的差压单元的敏感膜片是采用各向同性腐蚀形成圆形硅杯，静压单元无敏感膜片，其4个电阻布置在差压圆形膜片的外围，只作为对其差压传感器的静压补偿使用。此后，国际上各大公司纷纷研制多功能传感器，如：美国Rosemount、ABB公司、日本日立公司等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种差压/绝压/温度三参数单片集成传感器芯片及其制备方法，在同一芯片上集成差压、绝压、温度三个敏感单元，体积小、置信度高、易于批量生产，降低智能化仪表的成本。

一种差压/绝压/温度三参数单片集成传感器芯片，芯片结构包括敏感电阻、硅膜片和玻璃基底，其特征在于在芯片中间形成2个相对独立的差压敏感膜空腔区域和绝压敏感膜片空腔区域：多个凸起的独立P型硅电阻分别分布在膜片正面这两个区域和周边的支撑区域，与电极引线、压焊焊盘连接构成两个惠斯登电桥和1个独立电阻；其中一个区域的膜片背面是由支撑硅基及空腔区与玻璃基底有孔处形成导压的钢性连接压腔，构成差压敏感单元I，另一区域膜片背面周边的支撑硅基及空腔区与玻璃基底无孔处形成真空腔，构成绝压敏感单元II，1个硅电阻为温度敏感电阻7，分布在膜正面周边的支撑硅基上，与电极引线和压焊焊盘金属键合形成温度敏感单元III。

制备方法：在双面抛光的SOI硅单晶晶面上，采用微电子和微机械加工融合技术将差压敏感单元、绝压敏感单元、温度敏感单元单片集成在面积为3.5×4.0mm²的管芯上、并采用静电封接技术使敏感芯片与玻璃实现全固态连接，实现差压/绝压/温度传感功能。

随着近年来国民经济的飞速发展，石油、化工、冶金、电力、水利等行业大型工程项目纷纷开工建设，在其控制系统中需要应用高性能传感器对现场环境进行数据采集，差压/绝压/温度三参数单片集成传感器作为总线仪表、智能仪表的核心部件，将以其显著的优点被采用，尤其在航空航天领域、军事工业领域、汽车领域等特定领域中，具有重要的应用前景。

差压/绝压/温度三参数单片集成传感器作为工业智能差压变送器的核心部件，能够同时实现测量现场中的差压、压力、温度变化，压力和温度的测量数据可修正被测环境的差压输出信号，从而可提高差压传感器的精度；与流量测试软件相结合，也可直接测得被测介质的流量。优点是：体积小、成本低、置信度高、性能稳定；能够无滞后同步输出差压、压力、温度信息，运用数字处理技术提高测量仪表的精度、扩展测量仪表的功能。

本发明方法使差压/绝压/温度三参数传感器性能可靠、成本降低，得以批量生产。本发明的关键技术在于制作过程的工艺兼容性。三个敏感元件的工作原理有所不同，差压敏感单元I和绝压敏感单元II是利用硅材料的压阻效应，将被测压力信息转换成电阻变化信号输出；温度敏感单元III是利用硅材料的热阻效应，将环境温度信息转换成电阻变化信号输出。

附图说明

图1是本发明的差压/绝压/温度三参数单片集成传感器芯片结构主视图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明芯片中差压敏感电桥的电阻5结构示意图；

图4是本发明芯片中绝压敏感电桥的电阻6结构示意图；

图5是本发明中压力敏感单元的工作原理示意图；

图6是本发明中温度敏感单元的电阻7结构示意图；

图7是本发明的芯片产品实物照片；

图8是本方法工序步骤框图；

具体实施方式

参照附图说明，本发明差压/绝压/温度三参数单片集成传感器芯片结构是：采用SOI(100)晶面双抛硅单晶片，见图1-3，在面积为3.5×4.0mm²的硅敏感芯片1的基底中间部位形成2个相对独立的差压敏感膜空腔区域和绝压敏感膜片空腔区域：其中一个区域正面制作4个凸起的独立P型硅电阻作为差压敏感电阻5，沿[110]晶向应力集中处分布在由各向异性腐蚀技术形成的差压敏感膜片10上，膜片厚度为10～100um，差压敏感电阻5的电阻条两端绝缘层上各开一个引线孔，与电极引线8和金属键合的压焊焊盘9系列构成惠斯登差压电桥，差压敏感膜片10的背面及空腔区域与玻璃基底12的有孔处形成可导压的钢性连接压腔，共同构成差压敏感单元I，用于测量敏感芯片两面所受的压力差P₁-P₂，即差压；芯片1上另外4个P型硅电阻作为绝压敏感电阻6，见图4-5，沿[110]晶向应力集中处分布在由各向异性腐蚀技术形成的绝压敏感膜片11上，膜片厚度为40～200um，绝压敏感电阻6的电阻条两端绝缘层上各开一个引线孔与电极引线8和金属键合的压焊焊盘9系列构成惠斯登绝压电桥；绝压敏感膜片11及空腔区域周边的硅膜片支撑硅基与玻璃基底12的无孔处形成真空腔，共同构成绝压敏感单元II，用于测量敏感芯片正面的所受压力P₁，即绝压；1个硅电阻为温度敏感电阻7，见图6，沿[110]晶向布置分布在硅膜周边的支撑硅基上，电阻条的两端绝缘层上各开一个引线孔与电极引线8和金属键合的压焊焊盘9系列构成温度敏感单元III，用于测量敏感芯片所受的温度。

制作方法的主要工序结合框图说明：

(1)SOI硅晶园：购买SOI-P型(100)晶面双抛硅单晶片，简称SOI硅晶园；

(2)硅片清洗：清洗SOI硅单晶片1，以去除硅片表面沾附的各种杂质和污染；

(3)氧化：将清洗后的SOI硅单晶片1进行氧化，形成50～100nm的二氧化硅层3；

(4)正面光刻电阻条：在SOI硅单晶片1正面二氧化硅层3上涂覆一层光刻胶，用电阻条掩膜版光刻出差压敏感电阻5、绝压敏感电阻6和温度敏感电阻7的电阻条结构形状；

(5)背面涂胶保护：在SOI硅单晶片1背面二氧化硅层上涂覆一层光刻胶进行二氧化硅膜保护；

(6)腐蚀二氧化硅：用二氧化硅腐蚀液腐蚀掉差压敏感电阻5、绝压敏感电阻6和温度敏感电阻7的电阻条结构以外的二氧化硅膜。

二氧化硅腐蚀液的配比为去离子水∶氢氟酸∶氟化氨＝10(毫升)∶3(毫升)∶6(克)。

(7)去胶清洗：去除SOI硅单晶片1上的光刻胶，用去离子水清洗SOI硅单晶片1；

(8)各向异性腐蚀获得电阻条：用四甲基氢氧化胺腐蚀液腐蚀掉差压电阻5、绝压电阻6和温度电阻7的电阻条结构以外的SOI晶园上的顶层硅单晶。

(9)硅片清洗：清洗SOI硅单晶片1，以去除硅片表面在工艺过程中引进的各种杂质和污染；

(10)离子注入：采用离子注入方法对SOI硅单晶片1正面进行硼离子掺杂；

(11)硅片清洗：清洗SOI硅单晶片1，以去除硅片表面在工艺过程中引进的各种杂质和污染；

(12)退火再扩散：将清洗后的SOI硅单晶片1进行退火再扩散，形成方块电阻为20～200Ω/□、深度为SOI晶园上的顶层硅厚度的P型差压敏感电阻5、绝压敏感电阻6和温度敏感电阻7。

(13)淀积高温氮化硅：通过LPCVD气相淀积一层厚度为80～120nm的高温氮化硅膜4作为正面差压电阻5、绝压敏感电阻6、温度敏感电阻7和背面敏感膜片加工的保护层。

(14)正面光刻引线孔：在正面高温氮化硅层4上涂覆一层光刻胶，用孔掩膜版光刻出差压单元I、绝压单元II和温度单元III的引线孔图形；

(15)刻蚀高温氮化硅和二氧化硅：用RIE刻蚀掉差压单元I、绝压单元II和温度单元III的引线孔上的高温氮化硅层4和二氧化硅层3。

(16)背面光刻差压和绝压膜片：在背面高温氮化硅层上涂覆一层光刻胶，用差压/绝压背腔掩膜版光刻出差压膜片敏感10和绝压敏感膜片11的区域图形；

(17)刻蚀高温氮化硅和二氧化硅：用RIE刻蚀掉差压敏感膜片10和绝压敏感膜片11上的高温氮化硅层4和二氧化硅层3。

(18)硅片清洗：清洗SOI硅单晶片1，以去除硅片表面在工艺过程中引进的各种杂质和污染；

(19)背面淀积低温氮化硅：在SOI硅单晶片1背面再次通过LPCVD气相淀积一层厚度为100～200nm的低温氮化硅膜作绝压敏感膜片11加工的保护层。

(20)背面光刻差压膜片：在背面低温氮化硅层上涂覆一层光刻胶，用差压背腔掩膜版光刻出差压敏感膜片10的图形；

(21)正面涂胶保护：在SOI硅单晶片1正面涂覆一层光刻胶对正面图形进行保护；

(22)腐蚀低温氮化硅：用上述二氧化硅腐蚀液腐蚀掉差压敏感膜片10窗口上的低温氮化硅层；

(23)硅片清洗：清洗SOI硅单晶片1，以去除硅片表面在工艺过程中引进的各种杂质和污染；

(24)正面溅射铝：正面进行金属铝溅射，形成厚度为1um～1.5um的Al膜8。

(25)光刻获得铝引线：在SOI硅单晶片1正面上涂覆一层光刻胶，用电极掩膜版光刻出差压单元I、绝压单元II和温度单元III的引线8及焊盘9结构；

(26)腐蚀获得铝引线：用磷酸腐蚀液腐蚀掉差压单元I、绝压单元II和温度单元III的引线8及焊盘9以外的金属Al膜，形成差压单元I、绝压单元II和温度单元III的引线8及焊盘9系列。

(27)清洗去胶：用去离子水清洗SOI硅单晶片1，以去除硅片表面磷酸的污染，再用等离子刻蚀去掉光刻胶；

(28)金属化处理：在温度为450～500℃的N₂保护中进行30～60分钟的金属化处理，形成欧姆接触。

(29)正面涂覆黑蜡：在SIMOX硅片正面涂覆上一层黑蜡，对正面图形进行保护；

(30)各向异性腐蚀差压膜片：将加工好的硅片放入氢氧化钾腐蚀液中，进行各向异性腐蚀，将差压敏感膜片区腐蚀掉深度为D的厚度，D＝绝压量程规定敏感膜片厚度-差压量程规定敏感膜片厚度；

(31)腐蚀绝压膜片上的低温氮化硅：用上述二氧化硅腐蚀液溶液腐蚀掉绝压敏感膜片11上的低温氮化硅层；

(32)各向异性同步腐蚀差压和绝压膜片：再次将SIMOX硅片放入氢氧化钾腐蚀液中进行各向异性腐蚀，同步腐蚀出差压量程和绝压量程所规定厚度的差压敏感膜片10和绝压敏感膜片11；

(33)腐蚀背面氮化硅和二氧化硅：完成上述步骤后，用氢氟酸腐蚀液去掉背面所有氮化硅膜4和二氧化硅膜3；

(34)硅片清洗：用甲苯、丙酮、乙醇去掉SOI硅单晶片1正面黑腊，用去离子水清洗SOI硅单晶片1；

(35)静电封接：进行真空静电封接，将敏感芯片封装在1mm厚的玻璃基座12上，绝压敏感膜片11的空腔区域与玻璃基座12无孔处形成真空度高于1×10^-1～1×10^-3Pa的周边固支真空腔，用于检测环境中的绝压或静压；差压敏感膜片10的空腔区域与玻璃基座12有孔处形成可导压的周边固支压腔，用于检测环境中的压差。

(36)划片：进行划片分割成单个传感器芯片。