硅-藍(lán)寶石差分電容式壓力傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，具體涉及一種硅-藍(lán)寶石差分電容式壓力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]在市場(chǎng)上，壓力傳感器種類繁多，目前，一般的壓力傳感器主要以硅為敏感材料。在壓力傳感器的工作原理上，硅壓力傳感器主要分為壓阻、電容和諧振式三種。
[0003]硅壓阻式制造簡(jiǎn)單，得到最廣泛的應(yīng)用，但其對(duì)溫度敏感，溫度漂移大，精度不高；硅諧振式精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，但工藝復(fù)雜、價(jià)格高，目前國(guó)際上只有2家公司能夠生產(chǎn)。
[0004]硅電容式采用的方案主要是用2個(gè)硼硅玻璃片與I個(gè)硅片通過(guò)陽(yáng)極鍵合工藝形成三明治結(jié)構(gòu)。2個(gè)硼硅玻璃片上制作金屬電極作為固定電極，硅片上以MEMS工藝形成固支邊-彈性膜-中間硬芯的一體化結(jié)構(gòu)，其中間硬芯的的上下表面作為可動(dòng)電極與相對(duì)應(yīng)的固定電極構(gòu)成隨壓力變化的差分電容。該方案的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、溫度漂移?。蝗秉c(diǎn)是由于硼硅玻璃的蠕變大，工藝過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力通過(guò)蠕變緩慢釋放造成長(zhǎng)期穩(wěn)定性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種以藍(lán)寶石與硅低溫直接鍵合為核心工藝，將帶有金屬電極的藍(lán)寶石片與具有固支邊-彈性膜-中間硬芯的一體化結(jié)構(gòu)硅片形成差分電容式硅壓力傳感器，具有工藝簡(jiǎn)單、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。
[0006]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供的硅-藍(lán)寶石差分電容式壓力傳感器采用了如下的技術(shù)方案:硅-藍(lán)寶石差分電容式壓力傳感器，包括硅可動(dòng)電極，其特征在于:所述的硅可動(dòng)電極為中心，依次對(duì)稱的在兩側(cè)裝配藍(lán)寶石片和陶瓷基板，所述的硅可動(dòng)電極、藍(lán)寶石片、陶瓷基板組成了壓力敏感芯體，所述的壓力敏感芯體的側(cè)面安裝有側(cè)電極。
[0007]優(yōu)選的，所述的藍(lán)寶石片的中間設(shè)有導(dǎo)壓孔，所述的藍(lán)寶石的兩面及導(dǎo)壓孔內(nèi)壁都設(shè)有金屬層，所述的藍(lán)寶石片與硅可動(dòng)電極的接觸面為拋光面，所述的拋光面的金屬層作為壓力傳感器的金屬化固定電極，另一面的金屬層作為釬焊工藝時(shí)的金屬化焊接層，導(dǎo)壓孔內(nèi)壁的金屬層連接金屬化固定電極和金屬化焊接層。
[0008]優(yōu)選的，所述的硅可動(dòng)電極包括固支邊、彈性膜、中間硬芯，彈性膜連接固支邊和中間硬芯，中間硬芯表面低于固支邊表面2-4微米。
[0009]優(yōu)選的，所述的藍(lán)寶石片上拋光面的金屬層與硅片上的中間硬芯相對(duì)。
[0010]優(yōu)選的，所述的陶瓷基板的中間設(shè)有加壓孔。
[0011]優(yōu)選的，所述的硅-藍(lán)寶石差分電容式壓力傳感器的制造方法如下:
[0012]第一步:以MEMS工藝在硅片上制作具有固支邊-彈性膜-中間硬芯的一體化結(jié)構(gòu)的硅可動(dòng)電極；
[0013]第二步:在單面拋光的藍(lán)寶石片上用飛秒激光器打出導(dǎo)壓孔；
[0014]第三步:在藍(lán)寶石片的表面化學(xué)鍍鎳、金，在藍(lán)寶石片的兩面及導(dǎo)壓孔表面形成總厚度I微米的金屬層；在藍(lán)寶石片的拋光面光刻，去除固定電極以外部分的金屬層；
[0015]第四步:將兩片藍(lán)寶石片的拋光面分別與硅可動(dòng)電極的兩個(gè)面對(duì)準(zhǔn)、貼合、加溫、加壓(直接鍵合)，鍵合前對(duì)藍(lán)寶石片的拋光面和硅片表面進(jìn)行清洗及等離子激活，鍵合后在300至500°C溫度下退火3至10小時(shí)；
[0016]第五步:制作陶瓷基板，并組裝傳感器:將陶瓷片化學(xué)鍍鎳、金，在陶瓷片的兩面表面形成總厚度約I微米的金屬層，打孔，用金屬釬焊工藝與藍(lán)寶石片焊接在一起；
[0017]第六步:制作側(cè)電極:將單個(gè)器件的I個(gè)側(cè)面磨平，以掩模蒸鍍的方式形成側(cè)電極。
[0018]優(yōu)選的，所述的第一步至第四步均是在整個(gè)的硅片和藍(lán)寶石片上進(jìn)行，分布有多個(gè)器件，完成第一步至第四步后用飛秒激光器劃片，分離成獨(dú)立的單個(gè)器件。
[0019]本發(fā)明的有益效果在于:采用藍(lán)寶石-硅-藍(lán)寶石直接鍵合構(gòu)成對(duì)壓力敏感的差分電容式核心部件，由于這兩種材料都沒(méi)有蠕變，避免了熱應(yīng)力通過(guò)蠕變產(chǎn)生的緩慢釋放造成傳感器特性長(zhǎng)期穩(wěn)定性變差，使壓力傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性得到提高。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
[0021]圖2為本發(fā)明藍(lán)寶石片結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
[0022]圖3為本發(fā)明硅可動(dòng)電極結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
[0023]其中:1.硅可動(dòng)電極；2.藍(lán)寶石片；3.陶瓷基板；4.壓力敏感芯體；5.側(cè)電極；11.固支邊；12.彈性膜；13.中間硬芯；21.導(dǎo)壓孔；22.拋光面；23.金屬化固定電極；24.金屬化焊接層；25.連接層；31.加壓孔。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為了更方便的理解本發(fā)明提供的技術(shù)方案，下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0025]實(shí)施例1
[0026]如圖1-圖3所示，硅-藍(lán)寶石差分電容式壓力傳感器包括硅可動(dòng)電極1，所述的硅可動(dòng)電極I為中心，依次對(duì)稱的在兩側(cè)裝配藍(lán)寶石片2和陶瓷基板3，所述的硅可動(dòng)電極1、藍(lán)寶石片2、陶瓷基板3組成了壓力敏感芯體4，所述的壓力敏感芯體4的側(cè)面安裝有側(cè)電極5。所述的藍(lán)寶石片2的中間設(shè)有導(dǎo)壓孔21，所述的藍(lán)寶石片2的兩面及導(dǎo)壓孔21內(nèi)壁都設(shè)有金屬層，所述的藍(lán)寶石片2與硅可動(dòng)電極I的接觸面為拋光面22，所述的拋光面22的金屬層作為壓力傳感器的金屬化固定電極23，另一面的金屬層作為釬焊工藝時(shí)的金屬化焊接層24，導(dǎo)壓孔21內(nèi)壁的金屬層作為連接層25連接金屬化固定電極23和金屬化焊接層24。
[0027]所述的硅可動(dòng)電極I包括固支邊11、彈性膜12、中間硬芯13，彈性膜12連接固支邊11和中間硬芯13，中間硬芯13表面低于固支邊11表面2-4微米。
[0028]所述的藍(lán)寶石片2上拋光面22的金屬化固定電極23與硅可動(dòng)電極I上的中間硬芯13相對(duì)。
[0029]所述的陶瓷基板3的中間設(shè)有加壓孔31。
[0030]硅-藍(lán)寶石差分電容式壓力傳感器的工作原理如下:硅可動(dòng)電極的中心硬芯為電容器的可動(dòng)電極，藍(lán)寶石片上的金屬層為固定電極，當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)壓孔之間有壓力差時(shí)，硅可動(dòng)電極上的彈性膜片發(fā)生形變，可動(dòng)電極與固定電極之間的間隙改變，電容的容量亦隨之改變，電容的容量的改變與壓力差存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)量電容的容量即可知壓力差的大小。
[0031]實(shí)施例2
[0032]為了制作實(shí)施例1所述的硅-藍(lán)寶石差分電容式壓力傳感器，采用了如下的方法:
[0033]1、以MEMS工藝在硅片上制作具有固支邊-彈性膜-中間硬芯的一體化結(jié)構(gòu)的硅可動(dòng)電極I ;
[0034]2、在單面拋光的藍(lán)寶石片上用飛秒激光器打出導(dǎo)壓孔；
[0035]3、藍(lán)寶石片表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳、金，在藍(lán)寶石片的兩面及導(dǎo)壓孔表面形成總厚度約I微米的金屬層；在藍(lán)寶石片的拋光面光刻，去除中間硬芯相對(duì)部分以外的金屬層；
[0036]4、將兩片藍(lán)寶石片的拋光面分別與硅可動(dòng)電極的兩個(gè)面對(duì)準(zhǔn)、貼合、加溫、加壓(直接鍵合)，鍵合前對(duì)藍(lán)寶石片的拋光面和硅片表面進(jìn)行清洗及等離子激活。鍵合后在300至500°C溫度下退火3至10小時(shí)；
[0037]5、以上工藝均是在大的硅片和藍(lán)寶石片上(直徑典型值100mm)進(jìn)行，分布有多個(gè)器件。以上工藝完成后用飛秒激光器劃片，分離成獨(dú)立的單個(gè)器件；
[0038]6、將單個(gè)器件的I個(gè)側(cè)面磨平，以掩模蒸鍍的方式形成側(cè)電極(用于電容極板的電連接);
[0039]7、三氧化二鋁陶瓷片的表面化學(xué)鍍鎳、金，在三氧化二鋁陶瓷片的兩面表面形成總厚度約I微米的金屬層，打孔，用金屬釬焊工藝與藍(lán)寶石片焊接在一起。
[0040]本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)如下:
[0041]1、采用藍(lán)寶石-硅-藍(lán)寶石直接鍵合構(gòu)成對(duì)壓力敏感的差分電容式核心部件，由于這兩種材料都沒(méi)有蠕變，避免了熱應(yīng)力通過(guò)蠕變產(chǎn)生的緩慢釋放造成傳感器特性長(zhǎng)期穩(wěn)定性變差。
[0042]2、最核心的部分是由硅材料構(gòu)成，其線脹系數(shù)是2.4X10 6，傳感器外殼通常是用不銹鋼材料，其線脹系數(shù)約20 X 10 6，相差很大。本發(fā)明由硅(線脹系數(shù)是2.4 X 10 6)-藍(lán)寶石(線脹系數(shù)5.8 X 10 6)-三氧化二鋁陶瓷(線脹系數(shù)8 X 10 6)逐漸過(guò)渡到不銹鋼外殼(線脹系數(shù)約20X 10 6)，減少了熱應(yīng)力，有利于提高傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。
[0043]本發(fā)明的有益效果在于:采用藍(lán)寶石-硅-藍(lán)寶石直接鍵合構(gòu)成對(duì)壓力敏感的差分電容式核心部件，由于這兩種材料都沒(méi)有蠕變，避免了熱應(yīng)力通過(guò)蠕變產(chǎn)生的緩慢釋放造成傳感器特性長(zhǎng)期穩(wěn)定性變差，使壓力傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性得到提高。
[0044]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.硅-藍(lán)寶石差分電容式壓力傳感器，包括硅可動(dòng)電極，其特征在于:所述的硅可動(dòng)電極為中心，依次對(duì)稱的在兩側(cè)裝配藍(lán)寶石片和陶瓷基板，所述的硅可動(dòng)電極、藍(lán)寶石片、陶瓷基板組成了壓力敏感芯體，所述的壓力敏感芯體的側(cè)面安裝有側(cè)電極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅-藍(lán)寶石差分電容式壓力傳感器，其特征在于:所述的藍(lán)寶石片的中間設(shè)有導(dǎo)壓孔，所述的藍(lán)寶石的兩面及導(dǎo)壓孔內(nèi)壁都設(shè)有金屬層，所述的藍(lán)寶石片與硅可動(dòng)電極的接觸面為拋光面，所述的拋光面的金屬層作為壓力傳感器的金屬化固定電極，另一面的金屬層作為釬焊工藝時(shí)的金屬化焊接層，導(dǎo)壓孔內(nèi)壁的金屬層連接金屬化固定電極和金屬化焊接層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅-藍(lán)寶石差分電容式壓力傳感器，其特征在于:所述的硅可動(dòng)電極包括固支邊、彈性膜、中間硬芯，彈性膜連接固支邊和中間硬芯，中間硬芯表面低于固支邊表面2-4微米。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅-藍(lán)寶石差分電容式壓力傳感器，其特征在于:所述的藍(lán)寶石片上拋光面的金屬層與硅片上的中間硬芯相對(duì)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅-藍(lán)寶石差分電容式壓力傳感器，其特征在于:所述的陶瓷基板的中間設(shè)有加壓孔。
【專利摘要】本發(fā)明提供了硅-藍(lán)寶石差分電容式壓力傳感器，其采用藍(lán)寶石-硅-藍(lán)寶石直接鍵合構(gòu)成對(duì)壓力敏感的差分電容式核心部件，由于這兩種材料都沒(méi)有蠕變，避免了熱應(yīng)力通過(guò)蠕變產(chǎn)生的緩慢釋放造成傳感器特性長(zhǎng)期穩(wěn)定性變差，使壓力傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性得到提高，而且其制作方法簡(jiǎn)單易掌握，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
【IPC分類】G01L9/12, G01L1/14
【公開(kāi)號(hào)】CN204944712
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520613700
【發(fā)明人】李策
【申請(qǐng)人】昆山泰萊宏成傳感技術(shù)有限公司
【公開(kāi)日】2016年1月6日
【申請(qǐng)日】2015年8月16日