[发明专利]基于巨压阻特性的硅纳米线压力传感器及其封装结构

说明书

本发明公开了一种基于巨压阻特性的硅纳米线压力传感器及其封装结构，包括：壳体、传感器芯片，所述传感器芯片包括：硅纳米线巨压阻敏感结构、硅底层、绝缘二氧化硅层、硅顶层；所述硅纳米线巨压阻敏感结构包括多根硅纳米线、受力应变薄膜层、多块电极，所述多根硅纳米线包括四对平行设置的两根硅纳米线，所述四对平行设置的两根硅纳米线分别连接在四块电极与受力应变薄膜层之间；所述硅纳米线在绝缘二氧化硅层对应位置处设置有通槽。本发明提供的基于巨压阻特性的硅纳米线压力传感器及其封装结构，通过外部环境气压引起传感器芯片形成机械应力改变硅纳米线导电沟道的空穴浓度巨减，甚至夹断来实现巨压阻效应。

技术领域

本发明涉及一种基于巨压阻特性的硅纳米线压力传感器及其封装结构，属于微纳电子机械系统(MEMS/NEMS)传感器设计技术领域。

背景技术

微电子和微机械加工技术的迅猛发展极大的推动了传感器技术的进步，并大大扩展了传感器的应用范围。作为最重要的一类微电子机械系统(MEMS)产品，半导体压力传感器广泛的应用于工业自动化、航空航天等诸多领域。目前，压阻式压力传感器多采用硅杯结构，在压力作用下传感器应力膜发生弹性形变，通过压敏电阻的变化感知，并进而获得输出交由后端信号调理电路处理，通过对输出电压与压力值进行标定可以实现对压力的测量。

但是硅杯结构也存在如下问题：(1)应力膜的质量是决定传感器诸多特性的关键因素。考虑到集成度的提高和减小成本，传统的为了提高传感器的灵敏度，减小应力膜的厚度成了必然选择。但是应力膜质量轻一方面易造成传感器的响应减小速度低，谐振频率通常只有千赫兹左右，限制了传感器的应用，另一方面也导致降低压力传感器的线性度，这与满足灵敏度同时保证线性度的传感器设计原则不符；(2)在传统硅压阻式压力传感器中，由于制作工艺的限制，压敏电阻及其电桥连接电路通常排布在硅膜外表面且暴露在外界环境中，器件在工作过程中，由于外界环境酸碱物质、悬浮粉尘、静电颗粒等对压敏电阻的影响，易导致器件性能和使用寿命大打折扣，影响传感器的长期可靠性，甚至损坏传感器芯片；(3)传统体加工的硅压阻的电阻应变系数约100左右。传统掺杂工艺的硅压敏电阻的电阻应变系数较小，随着传感器尺寸的变小，传统掺杂工艺的压敏电阻已经不能满足现代超高灵敏度检测的要求，尤其是生化类压力传感器超微量超快检测的要求。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于巨压阻特性的硅纳米线压力传感器及其封装结构。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于巨压阻特性的硅纳米线压力传感器，包括：壳体、传感器芯片，所述传感器芯片包括：硅纳米线巨压阻敏感结构、硅底层、绝缘二氧化硅层、硅顶层，所述硅底层、绝缘二氧化硅层、硅顶层从下至上依次设置，所述硅底层设置有梯形凹槽；所述硅纳米线巨压阻敏感结构设置在硅顶层上，所述硅纳米线巨压阻敏感结构包括多根硅纳米线、受力应变薄膜层、多块电极，所述电极设置为四块，四块电极呈正方形分布，所述受力应变薄膜层设置在四块电极中心位置；所述多根硅纳米线包括四对平行设置的两根硅纳米线，所述四对平行设置的两根硅纳米线分别连接在四块电极与受力应变薄膜层之间；所述壳体包括塑料外壳、塑料底盖、导压管，所述塑料外壳底部设置有塑料底盖，塑料外壳顶部设置有导压管，所述导压管底部设置有导压底口、导压底口底部与传感器芯片的硅底层相连接，所述塑料外壳内壁设置有支撑框架，所述传感器芯片的硅顶层与支撑框架相接触，所述支撑框架上设置有金属引线，所述塑料底盖上设置有焊盘，所述传感器芯片的电极、金属引线、焊盘通过引线依次连接。

所述硅底层的梯形凹槽内设置有软硅胶，用于隔绝与外界环境的接触。

还包括偏置电压、偏置电极，所述偏置电极设置在硅底层末端面，所述偏置电极与壳体外的偏置电压相连接。

还包括玻璃晶圆片，玻璃晶圆片设置有空腔，所述空腔设置在受力应变薄膜层与硅纳米线上方，起到密封、保护作用。