CN1484319A

CN1484319A - 耐高温固态压阻式平膜力敏芯片及其制作方法

Info

Publication number: CN1484319A
Application number: CNA031344461A
Authority: CN
Inventors: 蒋庄德; 赵玉龙; 赵立波; 王立襄
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: XI'AN WINNER INFORMATION CONTROL CO Ltd
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2004-03-24
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: CN1182587C

Abstract

本发明提供了耐高温固态压阻式平膜力敏芯片及其制作方法，经过SIMOX工艺在硅片下注入二氧化硅绝缘层，在硅面上光刻出四个电阻R₁、R₂、R₃和R₄，得到凸出于二氧化硅表面的硅面的“浮雕式”电阻测量电路，通过钛－铂－金梁式引线技术将电阻条连接成为惠斯登测量电路；该芯片的二氧化硅绝缘层将上层的单晶硅惠斯登测量电路与基底硅隔离开，避免了测量电路层与硅基底之间因环境温度升高而造成的漏电流，提高了耐高温性能，工作温度范围为－40～350℃，钛－铂－金梁式引线技术解决了力敏芯片的高温引线技术问题。该芯片可适用于耐高温环境的力、压力、位移、加速度、扭矩及流速等传感器。

Description

耐高温固态压阻式平膜力敏芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种耐高温传感器测量芯片及其制作方法，具体的说，涉及一种用于力敏传感器的固态压阻式平膜力敏芯片及其制作方法。

背景技术

目前，力敏传感器所用的测量元件有：单个金属应变片、桥式金属应变片、硅压阻桥式应变片及体硅固态压阻芯片。

现有传感器采用单个金属应变片作为测量元件时，常需要与其它单个应变片或外围电路相匹配才能构成测量单元，这样就存在着不一致性，从而导致零位输出过大，同时其测量精度和灵敏度较低。

桥式金属应变片是把四个单个金属应变片作为惠斯登电桥上的四个电阻条的一种应变片，因金属应变效应，它存在着体积大、测量灵敏度低、零位误差大等缺点，不能对一些微小构件、微弱应变进行检测。

传统的体硅压力传感器芯片的惠斯登测量电桥的四个电阻条是利用硅平面离子注入工艺或硅平面扩散工艺，通过硅片表面的SiO₂作为注入或扩散掩膜，把待掺杂的元素从SiO₂掩膜窗口注入扩散到硅片内，在上层P型半导体电阻条与基底N型硅形成PN结。这种PN结结构的传感器工艺简单，适合在常温下工作，但当温度升高到120℃以上时，PN结漏电流很大，而使该种力敏芯片无法工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于耐高温固态压阻式平膜力敏传感器的测量芯片及其制作方法，以解决传统金属应变片体积过大、灵敏度低、零位误差大以及硅压阻桥式应变片的零位误差和温度漂移大的缺点。

为实现上述目的，本发明提供一种耐高温硅应变固态压阻式平膜力敏芯片及其制作方法，该力敏芯片是由在硅基底上加入0.3μm～0.4μm的二氧化硅隔离层，在二氧化硅隔离层上加入1.2μm～2μm硅测量电路层，以及在硅测量电路层上加入0.1μm～0.2μm氮化硅应力匹配层组成。在制作过程中，应用高能氧离子注入技术(SIMOX)在硅芯片表面下一定深度形成一定厚度的隔离层(SOI)，在硅芯片表面上用气相淀积(CVD)技术外延一定厚度单晶硅，采用低压气相淀积(LPCVD)技术在已淀积的单晶硅层上外延一层应力匹配层氮化硅，在芯片表面上(001)晶面沿[110]晶向和[1 10]晶向光刻出惠斯登电桥的四个电阻R₁、R₂、R₃和R₄，再用等离子体刻蚀(RIE)技术刻掉电阻条图形以外的氮化硅和单晶硅，得到凸出芯片表面的电阻条的测量电路。通过钛-铂-金梁式引线方法将刻出的惠斯登电桥四个电阻R₁、R₂、R₃和R₄连接起来组成惠斯登测量电路，之后将传感器芯片的背面减薄，最后经过划片切片得到所设计的SOI耐高温固态压阻式平膜力敏芯片。

采用SIMOX技术形成的均匀一致的二氧化硅绝缘层，将上层的单晶硅惠斯登测量电路与基底硅隔离开，避免了测量电路层与硅基底之间因环境温度升高而造成的漏电流。采用钛-铂-金梁式引线技术，即与硅电阻条接触的金属为钛，中间的阻挡扩散金属为铂，外界梁金属为金，采用钛-铂-金梁式

引线解决了力敏芯片的高温引线技术问题，因此由SOI耐高温固态压阻式平膜力敏芯片封装而成的传感器具有耐高温的特性。该芯片的优点就在于能够保证较高测量灵敏度的同时，满足高温环境下的测量要求。

附图说明

图1表示本发明硅隔离SOI微应变固态压阻传感器制作方法

图2表示本发明所述的力敏芯片组成结构图，

其中图2(a)为力敏芯片的电路结构图；

图2(b)为凸出于硅面的“浮雕式”电阻条测量电路；

图3表示本发明具体使用范围及方式，

其中图3(a)为力敏芯片使用在弹性梁上；

图3(b)为力敏芯片作用在弹性元件上。

具体实施方式

本发明通过实施例结合附图加以说明，并详述本发明的实施方案。

参照图1，本发明是由在硅基底1上加入0.3μm～0.4μm的二氧化硅隔离层2，在二氧化硅隔离层2上加入1.2μm～2μm硅测量电路层3，以及在硅测量电路层3上加入0.1μm～0.2μm氮化硅应力匹配层4组成。

本发明包括在一(001)晶面的硅膜的二氧化硅绝缘层2上布置四个电阻条，其中电阻条R₁和R₄沿着硅膜[110]晶向布置，电阻条R₂和R₃沿[1 10]晶向平行并列布置，惠斯登电桥结构呈蝶形。其中电阻条的宽度为10μm～20μm，电阻条长度为600μm～1200μm。

电阻条R₁和R₂通过一公共的压焊块6连接，电阻条R₃和R₄通过一公共的压焊块7连接；压焊块5、8、9、10分别与电阻条R₁、R₄、R₃和R₂的另一端相连，压焊块的作用是实现芯片内与芯片外的引线。由电阻条R₁、R₂、R₃和R₄组成惠斯登测量电路时，压焊块5和9短接在一起至电源正极5V，压焊块4和10短接在一起与电源地连接，焊接块6和7为电桥的输出端。

参照图2，说明本发明的耐高温固态压阻式平膜力敏芯片的制作方法

1)、在N型(001)单晶硅片上，用高能氧离子注入(SIMOX)技术在硅表面0.1μm～0.2μm下形成约0.3μm～0.4μm厚的二氧化硅隔离层；

2)、在二氧化硅隔离层的硅表面用气相淀积技术淀积厚度约为1.2μm～2μm厚的单晶硅测量电路层；

3)、用低压气相淀积(LPCVD)技术淀积0.1μm～0.2μm的一层应力匹配层氮化硅；

4)、在(001)晶面沿[110]晶向和[1 10]晶向光刻出惠斯登电桥的四个电阻R₁、R₂、R₃和R₄，采用等离子体刻蚀(RIE)技术刻掉电阻条图形以外的氮化硅和单晶硅，得到凸出于硅面的“浮雕式”电阻条测量电路；

5)、通过钛-铂-金梁式引线工艺将四个电阻条连接起来组成惠斯登测量电路，

6)、为提高传感器芯片的测量灵敏度，传感器的背面减薄至0.18～0.2mm，经过划片即得到所设计的SOI耐高温固态压阻式平膜力敏芯片。

由于经过SIMOX工艺形成均匀一致的绝缘层二氧化硅，将上层的单晶硅惠斯登测量电路与基底硅隔离开，避免了测量电路层与硅基底之间因环境温度升高而造成的漏电流。为保证压焊块与电阻条之间有良好的欧姆接触和传感器芯片在高温环境下外引线的可靠性，压焊块采用钛-铂-金梁式引线技术，即与硅电阻条接触的金属为钛，钛与硅具有很小的接触电阻，容易形成良好的欧姆接触；中间的阻挡扩散金属为铂，具有好的抗腐蚀性；外界梁金属为金，因金梁容易键合，容易制造，且有较高的耐蚀性，钛-铂-金的厚度比为500∶500∶5000(单位)，采用钛-铂-金梁式引线解决了力敏芯片的高温引线技术问题，所以由SOI耐高温固态压阻式平膜力敏芯片封装而成的传感器具有耐高温的特性。固态压阻式平膜力敏芯片的优点就在于在测量时能够保证较高灵敏度的同时，能够满足高温环境下的测量要求。

应用该力敏芯片可制作出多种不同作用机理上的传感器，如拉力、张力、位移、扭矩、压力等传感器，被测量体通过SOI硅力敏芯片可直接转换成电阻的变化，但要达到对被测量体方便而准确的检测，必须借助一定的弹性元件和电路形式，当应用平膜力敏芯片制作成拉力、张力、位移、扭矩、压力等传感器时，通常需要SOI耐高温固态压阻式平膜力敏芯片与金属弹性元件之间通过玻璃粉烧结等工艺固结在一起，其中金属弹性元件要求其热胀系数尽量与硅的一致，以减小热失配应力的影响，硅膜片上的受力沿晶向[110]或[1 10]方向，即SOI硅膜片(001)工作晶面上惠斯登电桥的两臂电阻R₁、R₄置于[110]晶向，另两臂电阻R₂、R₃置于[1 10]晶向。

参照图3(a)，测量力、位移、加速度时，将本发明的力敏芯片11帖在悬臂梁12的一端，外界力、位移或加速度作用于传感器悬臂梁12的另一端，引起悬臂梁的变形，并在悬臂梁的表面产生一定的应变，SOI敏感元件11在恒定电源激励下，即可将此应变转换成一定的电压信号，达到测量力、位移、加速度的目的。

参照图3(b)，测量拉力、张力时，被测拉力、张力作用在弹性元件13上，使弹性元件13发生变形，在弹性元件表面产生相应的应变，SOI耐高温固态压阻式平膜力敏芯片11可将此应变转换成与之对应的电压信号，从而达到测量拉力、张力的目的。

SOI耐高温固态压阻式平膜力敏芯片的电阻变化率ΔR/R的正负变化由应力差的正负变化来实现。对于R₁、R₄，纵向应力σ_l＝σ_y，横向应力σ_t＝σ_x；对于R₂、R₃，纵向应力σ_l＝σ_x，横向应力σ_t＝σ_y。纵向压阻系数π_l＝1/2π₄₄，横向压阻系数π_t＝-1/2π₄₄，发生应变时，惠斯登电桥上各电阻阻值变化率分别为：

\frac{Δ R_{1}}{R_{1}} = \frac{Δ R_{4}}{R_{4}} = \frac{1}{2} π_{44} (σ_{y} - σ_{x}) - - - (1)

\frac{Δ R_{2}}{R_{2}} = \frac{Δ R_{3}}{R_{3}} = \frac{1}{2} π_{44} (σ_{x} - σ_{y}) - - - (2)

其中：σ_y，σ_x分别为弹性元件测量点处纵向和横向的应力。由四个凸出于硅面的“浮雕式”电阻组成的惠斯登电桥能灵敏地反映应力所导致地电阻变化；又能有效地消除扩散电阻本身的不均匀性及电阻温度系数的影响。

以下是本发明经实施后得出的结果：SOI耐高温固态压阻式平膜力敏芯片的外形尺寸：2.0mm×2.0mm×0.18mm；灵敏度：≥0.1mv/με；应变极限：≥3000με；单个电阻条阻值：1200Ω；电源：5VDC；工作温度：-40～350℃；疲劳寿命：≥10⁷次。

Claims

1、一种耐高温固态压阻式平膜力敏芯片，该芯片包括有硅基底[1]，其特征是在硅基底[1]上加入0.3μm～0.4μm的二氧化硅隔离层[2]，在二氧化硅隔[2]离层上加入1.2μm～2μm硅测量电路层[3]，以及在硅测量电路层[3]上加入0.1μm～0.2μm氮化硅应力匹配层[4]。

2、根据权利要求1所述的耐高温固态压阻式平膜力敏芯片，其特征在于在硅基底[1]上加入0.4μm的二氧化硅隔离层[2]。

3、根据权利要求1所述的耐高温固态压阻式平膜力敏芯片，其特征在于在二氧化硅隔离层[2]加入2μm硅测量电路层[3]。

4、根据权利要求1所述的耐高温固态压阻式平膜力敏芯片，其特征在于在硅测量电路层[3]上加入0.1μm氮化硅应力匹配层[4]。

5、一种耐高温固态压阻式平膜力敏芯片的制作方法，其特征包括以下步骤：

a)、在N型(001)单晶硅片上，用高能氧离子注入法在硅表面的0.1μm～0.2μm下形成厚0.3μm～0.4μm的二氧化硅隔离层[2]；

b)、在硅表面用气相淀积技术外延厚度约为1.2μm～2μm厚的单晶硅测

量电路层[3]；

c)、用低压气相淀积技术外延0.1μm～0.2μm的一层氮化硅应力匹配层[4]；

d)、在(001)晶面沿[110]晶向和[1 10]晶向光刻出惠斯登电桥的四个电阻R₁、R₂、R₃和R₄，采用等离子体刻蚀(RIE)技术刻掉电阻条图形以外的氮化硅和单晶硅；

e)、用钛-铂-金梁式引线技术将四个电阻R₁、R₂、R₃和R₄连接起来；

f)、将芯片的背面减薄至0.18mm～0.2mm，然后划片成单个芯片。

6、如权利要求5所述的耐高温固态压阻式平膜力敏芯片的制作方法，其特征在于所说的凸出于二氧化硅绝缘层[2]表面的浮雕式电阻条的测量电路为蝶状布置在芯片上。