CN120947889A - 微型压差传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MEMS微传感器技术领域，公开了一种微型压差传感器及其制造方法。所述传感器基于SOI基片采用梁膜一体化结构，SOI基片包括器件层、埋氧层和衬底层，衬底层设压力敏感膜，器件层设由压敏电阻组成的惠斯通电桥；封装采用TO结构，通过U型电路板实现电极与插针连接，玻璃件经激光加工通气孔且与基片键合，腔室密封且芯片双面受压。制造方法包括SOI预处理、光刻刻蚀、LPCVD沉积、阳极键合、玻璃加工及封装等步骤。本发明通过结构优化提升传感器的灵敏度与线性度，实现100±1kPa量程下器件微型化集成与高精度测量。

Description

微型压差传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及MEMS微传感器技术领域，具体而言，涉及一种微型压差传感器及其制造方法。

背景技术

压力传感器是工业控制系统中核心的测量仪器之一，广泛应用于石油化工、冶金、电力、航空航天、汽车以及环保等领域。随着工业自动化和智能化技术的快速发展，压力测量的精度、稳定性和可靠性要求不断提升。压力传感器通过感知物体或系统内部的压力变化，并将其转化为可测量的电信号，在工业生产、环境监测、过程控制等众多领域中发挥着重要作用。

传统的微差压传感器主要依赖于电容式、压电式或其他传感原理，尽管这些技术在许多应用中得到了广泛使用，但在高精度和微小压力差的测量上常常存在一定的局限性。特别是在动态响应要求高的应用中，这些传感器的稳定性、抗干扰能力和线性度往往无法满足严格的性能要求。近年来，压阻式微差压传感器由于其卓越的灵敏度、良好的线性特性和较强的抗环境干扰能力，成为了高精度测量领域的重要技术选择。然而，尽管压阻传感器在理论上具备较高的性能，其实际应用中仍面临一些挑战，如温度变化引起的输出漂移、长期稳定性问题以及高压差下的非线性误差等。因此，如何进一步提升其精度、稳定性及适应性，成为当前压阻微差压传感器研究的重点。

微差压传感器在许多精密测量领域中起着至关重要的作用，特别是在要求高灵敏度和高精度的应用中。其主要功能是测量微小的压力差，广泛应用于气体流量监测、空气质量检测、过滤系统以及高精度设备的稳定性控制等领域。在一些高端设备中，微差压传感器的精度和可靠性对系统的整体性能至关重要，尤其是在光刻机等精密仪器中，它们用于监测气体流动和压力差，确保设备在严格的工作条件下正常运行。

然而，目前国内在高精度微差压传感器的研发方面仍面临着不小的挑战。尽管市场上已有一些微差压传感器产品，但要满足高精度、低漂移以及长期稳定性等要求的传感器仍然较为稀缺。高精度微差压传感器的制造不仅需要精密的加工技术，还要在恶劣的环境条件下保持稳定性，这对传感器的设计、材料以及工艺提出了极高的要求。

测量微压差的高精度压力传感器是光刻机光学系统、气动系统等的核心关键元器件。长期以来，光刻机用的高精度压力传感器被国外公司所垄断。为了解决核心精密元件长期受制于人的卡脖子之痛，以实现完全自助可控的国产化产品为目标，研制面向光刻机光刻系统的微型压差传感器工程样机。本发明针对光刻机光学系统对高精度压力传感器的需求，开展MEMS压力传感器的研究，研制出压力传感器样机并在光刻系统中应用验证。

发明内容

针对现有技术的缺陷与国产化需求，本发明的目的在于提供一种微型压差传感器及其制造方法，实现以下目标：

1、突破国外垄断，研制适用于光刻机光学系统、气动系统的核心压差传感器，实现完全自主可控；

2、满足100±1kPa量程下的高精度测量需求，提升传感器灵敏度、线性度及长期稳定性；

3、实现传感器微型化与高集成度封装，适配精密设备的空间约束。

为实现上述目的，本发明通过“结构优化+工艺创新”双路径实现技术目标，具体技术方案如下：

本发明提供一种微型压差传感器，包括传感器敏感芯片和封装结构；

所述传感器敏感芯片由SOI基片和应力隔离结构组成，所述SOI基片由器件层、埋氧层和衬底层依次组成，所述衬底层底面制作有压力敏感膜，所述器件层上集成有梁结构及惠斯通电桥，所述惠斯通电桥由若干个设于梁结构不同位置的压敏电阻构成，所述惠斯通电桥的两端为电极，所述梁结构与压敏电阻通过埋氧层的氧化硅与衬底层上的压力敏感膜连接在一起，形成梁膜一体化结构；所述应力隔离结构为玻璃应力隔离结构，设于衬底层底部，所述应力隔离结构的中心通过激光烧结出通孔用作导气孔。

所述封装结构为TO封装，包括U型电路板、注塑件与插针；所述传感器敏感芯片设于注塑件内部，所述U型电路板连接惠斯通电桥的电极与封装插针，所述封装结构的腔室完全密封，且传感器敏感芯片双面受压。

进一步地，所述衬底层与应力隔离结构通过阳极键合实现连接。

进一步地，所述惠斯通电桥由四个设于梁结构不同位置的压敏电阻构成，其中两个压敏电阻分别设于梁结构的两端处，另外两个压敏电阻设于梁结构的中间位置。

进一步地，所述惠斯通电桥的四个压敏电阻分别为R1、R2、R3、R4，且四个压敏电阻随压力敏感膜形变产生阻值变化，通过检测阻值变化表征差压变化。

进一步地，所述传感器的量程为100±1kPa，传感器芯片尺寸为4mm×4mm。

进一步地，所述梁膜一体化结构通过无参数约束进化算法优化得到，优化初始结构包括完整薄膜、单横梁薄膜及十字梁薄膜；所述完整薄膜与单横梁薄膜经4轮进化优化，所述十字梁薄膜经3轮进化优化，优化后结构的PI值≥71.771，且在相同挠度下，结构表面应力较平膜提升≥71.771%。

本发明还提供一种微型压差传感器的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：准备SOI基片，清洗后在器件层表面溅射Cr形成保护层；

步骤2：在SOI基片的衬底层上制作介质层薄膜，随后在介质层薄膜上甩胶，利用光刻胶制作出压力敏感膜图形；

步骤3：在SOI基片的器件层上甩胶，通过光刻机对准光刻形成惠斯通电桥图形，以光刻胶为掩膜，采用DRIE刻蚀工艺刻蚀至自停止层，形成惠斯通电桥结构；

步骤4：在SOI衬底层清洗后甩胶，通过光刻机对准光刻形成电桥图形，以光刻胶为掩膜，采用DRIE刻蚀至预定深度；清洗干净后在SOI基片背面通过LPCVD工艺沉积SiO₂和Si3N4，利用湿法腐蚀得到压力敏感膜；

步骤5：准备玻璃件，采用激光加工工艺在玻璃件上切割出通气孔，将玻璃件与步骤4中的SOI基片进行阳极键合；

步骤6：采用硬掩膜在引线孔中溅射电极，设置U型电路板连接电极与封装插针，进行TO封装形成封装结构，确保封装腔室除两面的通气孔外，其他封装面完全密封，并对传感器芯片零点进行调零。

进一步地，步骤3中“光刻形成惠斯通电桥图形”与步骤2中“光刻形成压力敏感膜图形”需满足对准精度要求，确保惠斯通电桥与压力敏感膜的位置匹配。

进一步地，步骤6中TO封装的封装结构内嵌入金属引脚，且金属引脚与U型电路板、插针的连接需满足电气隔离与电磁兼容性要求。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供一种高精度微压差传感器的制造方法，在实现100±1kPa的压差传感器微型化的基础上，保证传感器有良好性能，满足高精度测量需求，提升传感器灵敏度、线性度及长期稳定性。

2、本发明提出了一种新型敏感结构，摆脱传统的封装结构，不仅能提升传感器的灵敏度输出，并且能保证传感器有较高的线性度。

3、本发明的微型压差传感器采用梁膜一体化设计具有显著优势。该设计将敏感梁和膜片集成为一个整体，避免了传统分离设计中组件间的应力集中和机械松动，提高了传感器的结构稳定性和可靠性。

4、梁膜一体化简化了制造工艺，减少了加工误差，提升了产品一致性和良率。该设计能够有效降低传感器的尺寸和重量，满足微型化需求，同时增强抗震性和耐用性。梁膜一体化结构可实现更高的应力传递效率，提高压阻效应的灵敏度和信噪比，从而提升传感器的性能和测量精度。

5、突破国外技术垄断，核心结构与工艺自主可控，可直接应用于光刻机等高端设备。

6、采用成熟的MEMS工艺（SOI、DRIE、LPCVD），便于量产，降低制造成本。

7、芯片尺寸4mm×4mm，TO封装11.5mm×3mm×20.5mm，适配精密设备空间需求。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的拆解结构示意图。

图3为本发明的剖视图。

图4为本发明中惠斯通电桥的示意图。

图5为本发明中惠斯通电桥部分结构的示意图。

图6为本发明中惠斯通电桥的电路原理图。

图7为本发明基于无参数约束进化算法的梁膜结构优化流程。

图8为本发明制作芯片的流程示意图。

图9为本发明传感器芯片的封装图。

图中：1、器件层；2、埋氧层；3、衬底层；4、应力隔离结构；5、压力敏感膜；6、通孔；7、阳极键合；8、梁结构；9、压敏电阻；10、电极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1至9所示，本实施例提供一种微型压差传感器，包括传感器敏感芯片和封装结构；

传感器敏感芯片由SOI基片和应力隔离结构组成，SOI基片由器件层1、埋氧层2和衬底层3依次组成，衬底层3底面制作有压力敏感膜5，器件层1上集成有梁结构8及惠斯通电桥，惠斯通电桥由若干个设于梁结构8不同位置的压敏电阻9构成，惠斯通电桥的两端为电极10，梁结构8与压敏电阻9通过埋氧层2的氧化硅与衬底层3上的压力敏感膜5连接在一起，形成梁膜一体化结构；应力隔离结构4为玻璃应力隔离结构，设于衬底层3底部，应力隔离结构4的中心通过激光烧结出通孔6用作导气孔；衬底层3与应力隔离结构通过阳极键合7实现连接。

其中，传感器敏感芯片的量程为100±1kPa，传感器芯片尺寸为4mm×4mm。

封装结构为TO封装，包括U型电路板、注塑件与插针；传感器敏感芯片设于注塑件内部，U型电路板连接惠斯通电桥的电极10与封装插针，封装结构的腔室完全密封，且传感器敏感芯片双面受压。

惠斯通电桥由四个设于梁结构8不同位置的压敏电阻9构成，其中两个压敏电阻9分别设于梁结构8的两端处，另外两个压敏电阻9设于梁结构8的中间位置。惠斯通电桥的四个压敏电阻9分别为R1、R2、R3、R4，且四个压敏电阻9随压力敏感膜5形变产生阻值变化，通过检测阻值变化表征差压变化。

需要说明的是，在图4和图6中，Vi为供电电压，Vo+ 为输出电压+ ，Vo-为输出电压- ，GND为地电极，R1-R4 为压敏电阻；在图6中，Vo为输出电压。

在本实施例中，为基于无参数约束进化算法的梁膜结构优化过程，共选取了三种不同的初始结构进行了优化。随着优化轮次的增加，这三种结构表面的应力和挠度都在不断增大，这是因为进化过程以移除薄膜结构为主，薄膜的刚度会慢慢变小。三种结构的PI值都是在不断增加的，说明薄膜的性能均在持续改善。最优结构的PI值达到了71.771，说明在相同的挠度下，该结构的表面应力比平膜增加了71.771%，性能提升显著。

进一步观察图7可知，完整薄膜和单横梁薄膜经过了四轮结构进化达到了最终的最优结构，十字梁薄膜经过三轮结构进化达到了最优。不同初始结构经过优化后均得到相同的结果，这说明本文提出的进化算法对初始条件不敏感，并具备寻求全局最优解的能力。并且，三种结构在前两轮进化过程中的性能提升最为明显，而在后续的优化阶段，改进幅度则相对有限。因此，如果对结构性能的要求较宽松，通过一到两轮的结构进化就能实现较为理想的优化效果，从而能够有效缩短设计周期并降低成本。

在本实施例中，SOI基片的器件层1采用梁膜一体化结构，当压力作用到传感器上，由于两侧均有进气孔，两侧的气压差使压力敏感膜5形变，惠斯通电桥输出电压发生变化，根据电压变化评估压力变化。该结构能在传感器量程100±1kPa的压力敏感膜5形变中，有较大的满量程输出。

图9是传感器敏感芯片的封装图，封装结构为TO封装，封装后的传感器尺寸为11.5mm×3mm×20.5mm，面临的难点主要体现在封装工艺的精确性和集成度要求上。TO封装本身通常需要较大的体积来容纳传感器元件、引脚及其电气连接，但在小尺寸下，要确保这些部件的合理布局和有效连接非常具有挑战性。传感器敏感元件和信号处理电路的微型化设计需要在有限的空间内实现高集成度，这会影响元件间的热管理、电气隔离和电磁兼容性。小尺寸封装限制了内部空间，导致需要在传感器的电气接口和压力通道设计上做出更精密的调整，以确保传感器的功能不受影响。主要在注塑件内要嵌入金属引脚，并且保证整个腔室是完全密封的，对注塑的要求很高，并且要对压差传感器芯片的零点进行调零，由于空腔内部空间十分有限，设计U型电路板连接芯片电极10和插针，将传感器芯片双面受压，并且保持足够的密封性。

需要说明的是，在图9中，VCC为电源供电电压，OUT+ 为输出电压+ ， OUT- 为输出电压-，GND为地电极。

实施例2：

本实施例提供一种微型压差传感器的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：准备SOI基片，清洗后在器件层1表面溅射Cr形成保护层；

步骤2：在SOI基片的衬底层3上制作介质层薄膜，随后在介质层薄膜上甩胶，利用光刻胶制作出压力敏感膜5图形；

步骤3：在SOI基片的器件层1上甩胶，通过光刻机对准光刻形成惠斯通电桥图形，以光刻胶为掩膜，采用DRIE刻蚀工艺刻蚀至自停止层，形成惠斯通电桥结构；

步骤4：在SOI衬底层3清洗后甩胶，通过光刻机对准光刻形成电桥图形，以光刻胶为掩膜，采用DRIE刻蚀至预定深度；清洗干净后在SOI基片背面通过LPCVD工艺沉积SiO₂和Si3N4，利用湿法腐蚀得到压力敏感膜5；

步骤5：准备玻璃件，采用激光加工工艺在玻璃件上切割出通气孔，将玻璃件与步骤4中的SOI基片进行阳极键合；

步骤6：采用硬掩膜在引线孔中溅射电极10，设置U型电路板连接电极10与封装插针，进行TO封装形成封装结构，确保封装腔室除两面的通气孔外，其他封装面完全密封，并对传感器芯片零点进行调零。

在本实施例中，步骤3中“光刻形成惠斯通电桥图形”与步骤2中“光刻形成压力敏感膜5图形”需满足对准精度要求，确保惠斯通电桥与压力敏感膜5的位置匹配。

进一步说明，步骤6中TO封装的封装结构内嵌入金属引脚，且金属引脚与U型电路板、插针的连接需满足电气隔离与电磁兼容性要求。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种微型压差传感器，其特征在于，包括传感器敏感芯片和封装结构；

所述传感器敏感芯片由SOI基片和应力隔离结构（4）组成，所述SOI基片由器件层（1）、埋氧层（2）和衬底层（3）依次组成，所述衬底层（3）底面制作有压力敏感膜（5），所述器件层（1）上集成有梁结构（8）及惠斯通电桥，所述惠斯通电桥由若干个设于梁结构（8）不同位置的压敏电阻（9）构成，所述惠斯通电桥的两端为电极（10），所述梁结构（8）与压敏电阻（9）通过埋氧层（2）的氧化硅与衬底层（3）上的压力敏感膜（5）连接在一起，形成梁膜一体化结构；所述应力隔离结构（4）为玻璃应力隔离结构，设于衬底层（3）底部，所述应力隔离结构（4）的中心通过激光烧结出通孔（6）用作导气孔；

所述封装结构为TO封装，包括U型电路板、注塑件与插针；所述传感器敏感芯片设于注塑件内部，所述U型电路板连接惠斯通电桥的电极（10）与封装插针，所述封装结构的腔室除通气孔外完全密封，且传感器敏感芯片双面受压。

2.根据权利要求1所述的微型压差传感器，其特征在于：所述衬底层（3）与应力隔离结构通过阳极键合（7）实现连接。

3.根据权利要求1所述的微型压差传感器，其特征在于：所述惠斯通电桥由四个设于梁结构（8）不同位置的压敏电阻（9）构成，其中两个压敏电阻（9）分别设于梁结构（8）的两端处，另外两个压敏电阻（9）设于梁结构（8）的中间位置。

4.根据权利要求1所述的微型压差传感器，其特征在于：所述惠斯通电桥的四个压敏电阻（9）分别为R1、R2、R3、R4，且四个压敏电阻（9）随压力敏感膜（5）形变产生阻值变化，通过检测阻值变化表征差压变化。

5.根据权利要求1所述的微型压差传感器，其特征在于：所述传感器的量程为100±1kPa，传感器芯片尺寸为4mm×4mm。

6.根据权利要求1所述的微型压差传感器，其特征在于：所述梁膜一体化结构通过无参数约束进化算法优化得到，优化初始结构包括完整薄膜、单横梁薄膜及十字梁薄膜；所述完整薄膜与单横梁薄膜经4轮进化优化，所述十字梁薄膜经3轮进化优化，优化后结构的PI值≥71.771，且在相同挠度下，结构表面应力较平膜提升≥71.771%。

7.一种微型压差传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：准备SOI基片，清洗后在器件层（1）表面溅射Cr形成保护层；

步骤2：在SOI基片的衬底层（3）上制作介质层薄膜，随后在介质层薄膜上甩胶，利用光刻胶制作出压力敏感膜（5）图形；

步骤3：在SOI基片的器件层（1）上甩胶，通过光刻机对准光刻形成惠斯通电桥图形，以光刻胶为掩膜，采用DRIE刻蚀工艺刻蚀至自停止层，形成惠斯通电桥结构；

步骤4：在SOI衬底层（3）清洗后甩胶，通过光刻机对准光刻形成电桥图形，以光刻胶为掩膜，采用DRIE刻蚀至预定深度；清洗干净后在SOI基片背面通过LPCVD工艺沉积SiO₂和Si3N4，利用湿法腐蚀得到压力敏感膜（5）；

步骤5：准备玻璃件，采用激光加工工艺在玻璃件上切割出通气孔，将玻璃件与步骤4中的SOI基片进行阳极键合；

步骤6：采用硬掩膜在引线孔中溅射电极（10），设置U型电路板连接电极（10）与封装插针，进行TO封装形成封装结构，确保封装腔室除两面的通气孔外，其他封装面完全密封，并对传感器芯片零点进行调零。

8.根据权利要求7所述的微型压差传感器的制造方法，其特征在于：步骤3中“光刻形成惠斯通电桥图形”与步骤2中“光刻形成压力敏感膜（5）图形”需满足对准精度要求，确保惠斯通电桥与压力敏感膜（5）的位置匹配。

9.根据权利要求7所述的微型压差传感器的制造方法，其特征在于：步骤6中TO封装的封装结构内嵌入金属引脚，且金属引脚与U型电路板、插针的连接需满足电气隔离与电磁兼容性要求。