[其他]双岛-梁-膜结构压力传感器

说明书

本实用新型属于半导体压力传感器领域。

已有的固态半导体压力传感器，其芯片一般采用由腐蚀或机械加工方法得到的膜式结构，然后在膜上制作敏感元件，成为膜式压力传感器。这种传感器除了广泛使用的平膜结构之外，也有采用膜上有单岛或双岛结构的，如1982年日本MICHITAK等人在“Sensors  and  Actuators”杂志上提出了在硅膜上加单岛以制作低量程压力传感器的方案，美国的Endervoc公司于1984年推出了一种更为先进的双岛结构。这类结构中，由于岛所在区域刚度很大，几乎没有形变，将应力集中在岛外的某些特定区域，提高了器件的灵敏度。但应力集中区是岛与岛之间和岛与边界之间的长条区域，敏感元件所在区域只占应力集中区的一小部分，整个应力集中区没有被完全利用。而且，线性度不够理想，尤其在高输出时，器件精度的进一步提高受到限制。另外，加了岛结构后，由于岛的质量较大，使器件频率响应很大地下降。

本实用新型对上述芯片的膜岛结构的压力传感器加以改进，以改善器件的线性度，并进一步提高其灵敏度。

本实用新型的芯片结构设计如下：在背面有矩形双岛的硅膜正面加了一条硅梁，该硅梁横贯两个硅岛的中部，将硅膜分为对称的两个部分，力敏元件设置在硅梁上，且位于硅岛与硅岛之间，硅岛与边界之间的相应部位，硅膜形状可以是圆形或矩形。

这种结构将原来的应力集中区域的面积进一步缩小，即从原来的长条区域缩小到岛与岛与边框之间的梁上，应力集中的效果就更为明显。如果说膜岛结构是将应力集中到岛与岛和岛与边界间隔的长条区域，则在膜岛结构中加了梁之后，长条区域中的应力集中到梁上，也就是实现了应力的第二次集中，将敏感元件设计在长条区中的梁上，则传感器的灵敏度必然提高。敏感元件可以是压阻全桥或单元件四端电阻。另外，由于梁结构具有较好的线性度，所以这种结构的传感器线性度也较好；由于硅梁的加入使硅岛与边界之间有刚度较大的硅梁相连，系统的频率响应与无梁的岛——膜结构相比有所提高。

当硅片的厚度为200～300微米时，硅膜的厚度约为10到20微米，如果量程较大，则硅膜厚些，反之则薄些。

硅梁位于硅膜中部，为矩形膜二边长中点的连线，将硅膜一分为二，硅梁的长度与硅膜的宽度相等，正面的硅梁图形和背面的硅膜图形相互套准。梁的宽度则是越窄时，应力集中效果越好，在能容得下力敏电阻和引出线的情况下，宽度小些为好。硅梁的厚度视量程而定，可为膜厚的1至3倍。

位于岛与岛和岛与边界之间的梁（共有三段）是应力集中区域，这三段梁越短，则应力集中的效果越好，所以在能容得下敏感元件的情况下，这三段间距（即岛与岛的距离和岛与边界的距离）小些为宜，每段间距可取整个硅膜宽度的5％～10％。如果将岛的长度取得大些，则应力集中的效果更加好，但是也不能太大，因为如果岛与边框过分接近，将会使岛的位移受到横向的牵制反而使灵敏度下降，可以取岛的长度为该方向硅膜长度的40％～60％。

图1为双岛－梁－膜结构压力传感器芯片正视图。

图2为图1中D－D′处的剖示图。

图3为图1中A－A′处的剖示图。

图4为图1中B－B′处的剖示图。

图5为图1中C－C′处的剖示图。

图6为压力传感器封装结构图。

其中1为矩形硅膜，2为在硅膜背面的矩形岛（虚线方框），3为横贯双岛中部的硅梁，4为设置在硅梁上的力敏元件，5为硅膜边框，6为硅芯片，7为底板，8为玻璃环柱，9为内引线，10为管脚，11为管座，12为通气孔，13为外壳。h₁为硅梁厚度，h₂为硅膜厚度，P为压力。