壓力傳感器敏感元件的制造工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種壓力傳感器敏感元件的制造工藝，其第一、第二摻硼P型微晶硅條為由若干根沿徑向排列的微晶硅電阻絲首尾連接組成；在杯形襯底附近通入高純氧氣與氬氣的混合氣體，混合氣體氧氣氬氣體積比為1：13，總氣壓大小為Pa，在250℃溫度下，用加速能量為2000eV的氬離子束轟擊99.95%的二氧化硅靶材，沉積厚度1～5μm作為絕緣隔離層的二氧化硅隔離層；以電阻率為Ω﹒m摻硼硅為靶材，在高純氬氣的氣氛中，用離子束濺射方法，生長溫度為300℃，通過覆蓋第一掩模板在二氧化硅隔離層上制備出厚度為1～5μm摻硼P型微晶硅條。本發(fā)明敏感層薄膜附著力強，既大大提升了量程，又提高了感應的精度和靈敏性，且提高了壓力傳感器的信號線性度。
【專利說明】壓力傳感器敏感元件的制造工藝
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，尤其涉及一種壓力傳感器敏感元件的制造工藝。
【背景技術】
[0002]現代工業(yè)生產、工業(yè)控制測量中壓力傳感器的作用越來越重要。很多壓力壓強測量部件，如汽車發(fā)動機壓力傳感器，火炮膛壓測量傳感器，核爆炸或化學爆炸沖擊波以及地震波的測量傳感器，要求較高的工作溫度(如200 °C以上)，同時要求傳感器的響應時間短，測量精度高。
[0003]與其它類型的壓力傳感器相比，壓阻式壓力傳感器的特點在于易于加工，信號易于測量。典型的壓阻式壓力傳感器敏感元件的結構采用P型硅襯底上外延N型硅，形成反偏PN結絕緣層，再利用硅擴散工藝形成P型壓力敏感薄膜。當壓力作用在敏感薄膜上時，膜內出現徑向和切向應力，通常在薄膜的周邊應力最大的區(qū)域用刻蝕法形成4個壓敏電阻，并形成惠斯通電橋來測量壓力大小。硅襯底通過MEMS等微加工技術制作成硅杯，最后形成引線和金屬電極。隨著溫度的提高，反偏PN結絕緣層漏電流會迅速增加，因此依靠反偏PN結絕緣的壓阻式壓力傳感器只能工作在125°C以下。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明提供一種壓力傳感器敏感元件的制造工藝，此壓力傳感器敏感元件的制造工藝其壓力敏感層薄膜附著力強，能夠增加壓力傳感器的有效壽命和測量精度的長期穩(wěn)定性；其電阻率一致性好，能夠提高壓力傳感器的信號線性度，高的響應頻率且能提高產品的成品率，既大大提升了量程，又提高了感應的精度和靈敏性。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:一種壓力傳感器敏感元件的制造工藝，所述壓力傳感器敏感元件包括由圓形基底層和位于圓形基底層周向的環(huán)形側板組成的杯形襯底、位于圓形基底層上表面的二氧化硅隔離層，此二氧化硅隔離層與圓形基底層相背的表面設有至少四條摻硼P型微晶硅條，一金屬電極層位于所述摻硼P型微晶硅條與二氧化硅隔離層相背的表面，此摻硼P型微晶硅條之間填充有二氧化硅絕緣層；所述至少四條摻硼P型微晶硅條包括至少2條位于圓形基底層內圈處的第一摻硼P型微晶硅條和至少2條位于圓形基底層外圈處的第二摻硼P型微晶硅條；
所述第一、第二摻硼P型微晶硅條為由若干根沿徑向排列的微晶硅電阻絲首尾連接組成，所述金屬電極層包括輸入電極區(qū)、輸出電極區(qū)和中間電極區(qū)，所述輸入電極區(qū)一端連接到第一摻硼P型微晶硅條一端，所述輸出電極區(qū)一端連接到第二摻硼P型微晶硅條一端，中間電極區(qū)兩端分別連接到相鄰所述第一、第二摻硼P型微晶硅條各自的另一端；
所述圓形基底層和環(huán)形側板均為17-4不銹鋼；
包括以下步驟:
步驟一、將高彈性17-4不銹鋼，用銑削工藝制成由圓形基底層和位于圓形基底層周向的環(huán)形側板組成的杯形襯底，在低氣壓為f3Pa環(huán)境中退火，退火溫度為350°C，退火時間為3小時；
步驟二、將所述杯形襯底放入離子束濺射真空腔內抽氣至Pa，然后在高彈性杯形襯底附近通入高純氧氣與氬氣的混合氣體，混合氣體氧氣氬氣體積比為1:13，總氣壓大小為Pa，在250°C溫度下，用加速能量為2000 eV的氬離子束轟擊99.95%的二氧化硅靶材，沉積厚度I?5 μ m作為絕緣隔離層的二氧化硅隔離層；
步驟三、以電阻率為Ω.m摻硼硅為靶材，在高純氬氣的氣氛中，用離子束濺射方法，生長溫度為300 V，通過覆蓋第一掩模板在二氧化硅隔離層上制備出厚度為I?5 μ m摻硼P型微晶硅條；
步驟四、用離子束濺射方法，通過覆蓋第二掩模板在摻硼P型微晶硅條上的引線位置制備出厚度為的金屬電極層，以備在作為導電膜的金屬電極層上焊接金屬內引線；
步驟五、采用第三掩模板覆蓋金屬電極層，用離子束濺射沉積厚度約的作為絕緣保護的二氧化硅絕緣層；
步驟六、在金屬電極層上通過金絲球焊技術制作若干根金絲引線。
[0006]上述技術方案中進一步的改進技術方案如下:
1.上述方案中，位于所述圓形基底層的內圈處的第一摻硼P型微晶硅條數目等于位于圓形基底層的外圈處的第二摻硼P型微晶硅條數目。
[0007]2.上述方案中，所述第一、第二摻硼P型微晶硅條等間隔排列。
[0008]3.上述方案中，所述步驟一中杯形襯底與二氧化硅隔離層接觸的表面通過金屬專用拋光液進行粗磨、精磨和精拋三道工序進行物理拋光，從而使得拋光粗糙度小于Ra0.1 μ m。
[0009]4.上述方案中，所述步驟一和步驟二之間，將杯形襯底用200 °C高溫烘箱烘焙20分鐘，溫度降至常溫后放入無水酒精中用超聲波清洗5分鐘，清洗后的金屬鋼杯I用氮氣吹干。
[0010]5.上述方案中，所述步驟三中離子束濺射真空腔內束濺射時，其氬離子轟擊能量為1000 eV，工作氣壓大小為Pa。
[0011]由于上述技術方案運用，本發(fā)明與現有技術相比具有下列優(yōu)點:
1.本發(fā)明壓力傳感器敏感元件的制造工藝，其壓力敏感層薄膜附著力強，能夠增加壓力傳感器的有效壽命和測量精度的長期穩(wěn)定性；其電阻率一致性好，能夠提高壓力傳感器的信號線性度，高的響應頻率且能提高產品的成品率；其次，掩模方法直接淀積形成，省去了敏感電阻條圖形化光刻和刻蝕工藝，有效提高了應力敏感組件的精度、固有頻率和長期穩(wěn)定性，簡化了加工工藝，降低制作成本；且特定的工藝步驟和條件，進一步提高產品的靈敏度和熱匹配度，提高了可靠性。
[0012]2.本發(fā)明壓力傳感器敏感元件的制造工藝，其第一、第二摻硼P型微晶硅條為由若干根沿徑向排列的微晶硅電阻絲首尾連接組成，所述金屬電極層包括輸入電極區(qū)、輸出電極區(qū)和中間電極區(qū)，所述輸入電極區(qū)一端連接到第一摻硼P型微晶硅條一端，所述輸出電極區(qū)一端連接到第二摻硼P型微晶硅條一端，中間電極區(qū)兩端分別連接到相鄰所述第一、第二摻硼P型微晶硅條各自的另一端；既提升了量程，又提高了感應的精度和靈敏性。
【專利附圖】
【附圖說明】[0013]附圖1為本發(fā)明壓力傳感器敏感元件結構示意圖；
附圖2為本發(fā)明壓力傳感器敏感元件局部結構示意圖；
附圖3為本發(fā)明壓力傳感器敏感元件的制造工藝流程圖。
[0014]以上附圖中:1、圓形基底層；2、環(huán)形側板；3、杯形襯底；4、二氧化硅隔離層；5、摻硼P型微晶娃條；51、第一摻硼P型微晶娃條；52、第二摻硼P型微晶娃條；6、金屬電極層；61、輸入電極區(qū)；62、輸出電極區(qū)；63、中間電極區(qū)；7、二氧化娃絕緣層；8、微晶娃電阻絲。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述:
實施例:一種壓力傳感器敏感元件的制造工藝，所述壓力傳感器敏感元件包括由圓形基底層I和位于圓形基底層I周向的環(huán)形側板2組成的杯形襯底3、位于圓形基底層I上表面的二氧化硅隔離層4，此二氧化硅隔離層4與圓形基底層I相背的表面設有至少四條摻硼P型微晶娃條5, —金屬電極層6位于所述摻硼P型微晶娃條5與二氧化娃隔離層4相背的表面，此摻硼P型微晶硅條5之間填充有二氧化硅絕緣層7 ;所述至少四條摻硼P型微晶硅條5包括至少2條位于圓形基底層I內圈處的第一摻硼P型微晶硅條51和至少2條位于圓形基底層I外圈處的第二摻硼P型微晶硅條52 ；
所述第一、第二摻硼P型微晶硅條51、52為由若干根沿徑向排列的微晶硅電阻絲8首尾連接組成，所述金屬電極層6包括輸入電極區(qū)61、輸出電極區(qū)62和中間電極區(qū)63，所述輸入電極區(qū)61 —端連接到第一摻硼P型微晶娃條51 —端,所述輸出電極區(qū)62 —端連接到第二摻硼P型微晶硅條52 —端，中間電極區(qū)63兩端分別連接到相鄰所述第一、第二摻硼P型微晶娃條51、52各自的另一端；
所述圓形基底層I和環(huán)形側板2均為17-4不銹鋼；
包括以下步驟:
步驟一、將高彈性17-4不銹鋼，用銑削工藝制成由圓形基底層I和位于圓形基底層I周向的環(huán)形側板2組成的杯形襯底3，在低氣壓為f 3Pa環(huán)境中退火，退火溫度為350°C，退火時間為3小時；
步驟二、將所述杯形襯底3放入離子束濺射真空腔內抽氣至Pa，然后在高彈性杯形襯底3附近通入高純氧氣與IS氣的混合氣體,混合氣體氧氣IS氣體積比為1:13,總氣壓大小為Pa，在250°C溫度下，用加速能量為2000 eV的氬離子束轟擊99.95%的二氧化硅靶材，沉積厚度I?5 μ m作為絕緣隔離層的二氧化硅隔離層4 ；
步驟三、以電阻率為Ω.m摻硼硅為靶材，在高純氬氣的氣氛中，用離子束濺射方法，生長溫度為300 V，通過覆蓋第一掩模板在二氧化硅隔離層上制備出厚度為I?5 μ m摻硼P型微晶硅條5，第一摻硼P型微晶硅條51、第二摻硼P型微晶硅條52寬度為4 μ m ;
步驟四、用離子束濺射方法，通過覆蓋第二掩模板在摻硼P型微晶硅條5上的引線位置制備出厚度為的金屬電極層6，以備在作為導電膜的金屬電極層6上焊接金屬內引線；步驟五、采用第三掩模板覆蓋金屬電極層6，用離子束濺射沉積厚度約的作為絕緣保護的二氧化硅絕緣層7 ；
步驟六、在金屬電極層6上通過金絲球焊技術制作若干根金絲引線。
[0016]位于所述圓形基底層I的內圈處的第一摻硼P型微晶硅條51數目等于位于圓形基底層的外圈處的第二摻硼P型微晶硅條52數目。
[0017]上述第一、第二摻硼P型微晶硅條51、52等間隔排列。
[0018]上述步驟一中杯形襯底3與二氧化硅隔離層4接觸的表面通過金屬專用拋光液進行粗磨、精磨和精拋三道工序進行物理拋光，從而使得拋光粗糙度小于Ra0.1 μ m。
[0019]上述步驟一和步驟二之間，將杯形襯底3用200 °C高溫烘箱烘焙20分鐘，溫度降至常溫后放入無水酒精中用超聲波清洗5分鐘，清洗后的金屬鋼杯I用氮氣吹干。
[0020]上述步驟三中離子束濺射真空腔內束濺射時，其氬離子轟擊能量為1000 eV，工作氣壓大小為Pa。
[0021]上述實施例只為說明本發(fā)明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發(fā)明的內容并據以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據本發(fā)明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種壓力傳感器敏感元件的制造工藝，其特征在于:所述壓力傳感器敏感元件包括由圓形基底層(I)和位于圓形基底層(I)周向的環(huán)形側板(2)組成的杯形襯底(3)、位于圓形基底層(I)上表面的二氧化硅隔離層(4)，此二氧化硅隔離層(4)與圓形基底層(I)相背的表面設有至少四條摻硼P型微晶硅條(5)，一金屬電極層(6)位于所述摻硼P型微晶硅條(5)與二氧化硅隔離層(4)相背的表面，此摻硼P型微晶硅條(5)之間填充有二氧化硅絕緣層(7);所述至少四條摻硼P型微晶硅條(5)包括至少2條位于圓形基底層(I)內圈處的第一摻硼P型微晶硅條(51)和至少2條位于圓形基底層(I)外圈處的第二摻硼P型微晶硅條(52)； 所述第一、第二摻硼P型微晶硅條(51、52)為由若干根沿徑向排列的微晶硅電阻絲(8)首尾連接組成，所述金屬電極層(6)包括輸入電極區(qū)(61)、輸出電極區(qū)(62)和中間電極區(qū)(63)，所述輸入電極區(qū)(61)—端連接到第一摻硼P型微晶硅條(51)—端，所述輸出電極區(qū)(62) 一端連接到第二摻硼P型微晶硅條(52) —端，中間電極區(qū)(63)兩端分別連接到相鄰所述第一、第二摻硼P型微晶娃條(51、52)各自的另一端； 所述圓形基底層(I)和環(huán)形側板(2)均為17-4不銹鋼； 包括以下步驟: 步驟一、將高彈性17-4不銹鋼，用銑削工藝制成由圓形基底層(I)和位于圓形基底層(I)周向的環(huán)形側板( 2)組成的杯形襯底(3)，在低氣壓為f3Pa環(huán)境中退火，退火溫度為350°C，退火時間為3小時； 步驟二、將所述杯形襯底(3)放入離子束濺射真空腔內抽氣至Pa，然后在高彈性杯形襯底(3)附近通入高純氧氣與IS氣的混合氣體,混合氣體氧氣IS氣體積比為1:13,總氣壓大小為Pa，在250°C溫度下，用加速能量為2000 eV的氬離子束轟擊99.95%的二氧化硅靶材，沉積厚度I~5μπι作為絕緣隔離層的二氧化硅隔離層(4)； 步驟三、以電阻率為Ω.m摻硼硅為靶材，在高純氬氣的氣氛中，用離子束濺射方法，生長溫度為300 V，通過覆蓋第一掩模板在二氧化硅隔離層上制備出厚度為I~5 μ m摻硼P型微晶硅條(5)； 步驟四、用離子束濺射方法，通過覆蓋第二掩模板在摻硼P型微晶硅條(5)上的引線位置制備出厚度為的金屬電極層(6)，以備在作為導電膜的金屬電極層(6)上焊接金屬內引線.步驟五、采用第三掩模板覆蓋金屬電極層(6)，用離子束濺射沉積厚度約的作為絕緣保護的二氧化硅絕緣層(7)； 步驟六、在金屬電極層(6 )上通過金絲球焊技術制作若干根金絲引線。
2.根據權利要求1所述的壓力傳感器敏感元件的制造工藝，其特征在于:位于所述圓形基底層(I)的內圈處的第一摻硼P型微晶硅條(51)數目等于位于圓形基底層的外圈處的第二摻硼P型微晶硅條(52)數目。
3.根據權利要求1所述的壓力傳感器敏感元件的制造工藝，其特征在于:所述第一、第二摻硼P型微晶硅條(51、52)等間隔排列。
4.根據權利要求1所述的壓力傳感器敏感元件的制造工藝，其特征在于:所述步驟一中杯形襯底(3)與二氧化硅隔離層(4)接觸的表面通過金屬專用拋光液進行粗磨、精磨和精拋三道工序進行物理拋光，從而使得拋光粗糙度小于Ra0.1 μ m。
5.根據權利要求1所述的壓力傳感器敏感元件的制造工藝，其特征在于:所述步驟一和步驟二之間，將杯形襯底(3)用200 °C高溫烘箱烘焙20分鐘，溫度降至常溫后放入無水酒精中用超聲波清洗5分鐘，清洗后的金屬鋼杯I用氮氣吹干。
6.根據權利要求1所述的壓力傳感器敏感元件的制造工藝，其特征在于:所述步驟三中離子束濺射真空腔內離子束濺射時，其氬離子轟擊能量為1000 eV，工作氣壓大小為Pa。
【文檔編號】G01L1/20GK103606565SQ201310613099
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權日:2013年11月27日
【發(fā)明者】程新利, 唐運海, 沈嬌艷, 王冰, 秦長發(fā), 潘濤, 臧濤成, 王文襄 申請人:蘇州科技學院, 昆山雙橋傳感器測控技術有限公司