一种压力传感器
技术领域
本实用新型涉及压力传感技术领域，特别涉及一种压力传感器。
背景技术
压力传感器在工业生产、医疗卫生、环境监测以及科学研究等众多领域有着广泛的应用，其基本原理是将压力变化值转换为电信号的变化。利用压力传感器将压力变化信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能复合的微型智能系统，不仅可以降低整个机电系统的成本，而且还可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务；此外，还可以将压力传感器嵌入大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。压力传感器是传统机械上的微小型化成果，是整个纳米科学技术的重要组成部分。近年来，由于采用MEMS工艺制作的硅压阻式压力传感器具有体积小、精度高、成本低等特点，在工业领域得到了广泛应用。
压力传感器用于压力测量时，其传感器芯片通常必须直接暴露在被测量的各种恶劣环境中，这就要求压力传感器的封装既能保护芯片，又能真实传递压力，因此，其封装要求和难度相当高。压力传感器的可靠性在很大程度上取决于封装的可靠性，使得压力传感器的封装结构及工艺的设计显得尤为重要。
对于采用MEMS工艺制作的硅压阻式压力传感器来说，目前通常采用感压面正对被测介质或芯片背面粘贴的封装方式，由于压力传感器使用环境的不同，目前的封装方式难以满足多种环境下的封装需求。
发明内容
基于此，本实用新型的目的在于提供一种能够采用不同方式进行封装的压力传感器。
一种压力传感器，包括衬底、位于所述衬底上方的支座，以及用于感应压力的压力敏感膜片，还包括用于接收并处理所述压力敏感膜片感应到的压力信号的压力处理组件，所述支座内设有导电组件，所述导电组件的一端与所述压力处理组件连接，所述导电组件的另一端延伸至所述支座的外部，所述衬底设有一开口腔，所述开口腔的开口方向背向所述导电组件的延伸方向，所述开口腔中设有压力敏感膜片，所述压力传感器中设有一真空腔，所述真空腔中设有压阻膜片，所述压阻膜片用于保护所述压力处理组件，所述压力传感器通过所述导电组件、或所述导电组件与所述衬底一同进行封装。
上述方案中，真空腔中的压阻膜片对压力处理组件起到保护作用，导电组件将压力处理组件与外部连通，支座能够对感应到的应力进行隔离，从而对压力感应器整体起到保护作用，使得压力感应器能够适应不同的环境，在具体封装的时候，可以只通过导电组件封装也可以通过导电组件以及衬底一同进行封装，使得面对不同的环境的时候，能够选用更合适的封装方式，满足用户的使用需求。
进一步的，所述衬底与所述支座之间设有绝缘层，所述压力处理组件包括压敏电阻以及与所述压敏电阻连接的电极，所述电极以及所述压敏电阻固定于所述衬底上，所述真空腔的腔口朝向所述绝缘层，所述压敏电阻、所述电极与所述绝缘层贴合。
进一步的，所述导电组件包括导电柱以及分别位于所述导电柱两端的第一导电垫片、第二导电垫片，所述第一导电垫片透过所述绝缘层并与所述电极连接，所述第二导电垫片位于所述支座的外侧，所述压力传感器通过所述第二导电垫片进行封装，当所述压力处理组件的长宽尺寸小于1.6×1.6mm时，两组所述第二导电垫片之间较大的中心间距大于1.1mm。
进一步的，所述导电柱包括金属层以及填充层，所述支座上设有通孔，所述金属层涂覆于所述通孔的表面，所述填充层填充于所述通孔中，所述通孔的深宽比大于等于3∶1。
进一步的，所述开口腔的形状为梯形或矩形，所述开口腔的腔底设有圆角结构。
进一步的，所述支座的一侧设有导电材料，所述导电组件通过所述导电材料与外部设备电性连接，所述支座通过焊接或黏连的方式固定到所述外部设备上。
进一步的，所述导电组件位于所述支座外部的部分与导线连接，所述衬底的底部固定一基座，所述基座上设有导通孔，所述导通孔使所述压力敏感膜片与外界连通。
进一步的，所述支座外部设有与所述导电组件紧贴的焊球。
进一步的，所述焊球焊接于电路板上。
进一步的，所述焊球焊接于玻璃密封导电柱上。
进一步的，所述衬底与所述支座键合，所述衬底与所述支座表面均经过抛光处理。
附图说明
图1为本实用新型第一实施例中压力传感器的结构示意图；
图2为本实用新型第一实施例中压力传感器的衬底以及压力处理组件的结构示意图；
图3为本实用新型第一实施例中导电组件的结构示意图；
图4为本实用新型第一实施例中压力传感器封装状态的结构示意图；
图5为本实用新型第二实施例中压力传感器封装状态的结构示意图；
图6为本实用新型第三实施例中压力传感器封装状态的结构示意图；
图7为本实用新型第三实施例中压力传感器封装状态的结构示意图。
主要元素符号说明
衬底-10；支座-20；压力处理组件-30；导电组件-40；绝缘层-50；压力敏感膜片-60；压敏电阻-31；电极-32；第一导电垫片-41；导电柱-42；第二导电垫片-43；真空腔-21；开口腔-11；金属层-421；填充层-422；基座-70；导通孔-71；导线-72；焊球-80；电路板-81；玻璃密封导电柱-82；导电胶-83。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本实用新型的若干实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1-4，所示为本实用新型第一实施例中的一种压力传感器，包括衬底10以及位于所述衬底10上方的支座20，还包括用于感应并处理压力的压力处理组件30，所述支座20内设有导电组件40，所述导电组件40的一端与所述压力处理组件30连接，所述导电组件40的另一端延伸至所述支座20的外部，所述衬底10设有一开口腔11，所述开口腔11的开口方向背向所述导电组件40的延伸方向，所述开口腔11中设有压力敏感膜片60，所述压力传感器通过所述导电组件40、或所述导电组件40与所述衬底10一同进行封装。
为了对压力处理组件30进行保护，使得压力传感器能够适应各种环境，压力传感器中设有一真空腔21，所述真空腔21中设有压阻膜片，所述压阻膜片用于保护所述压力处理组件30，具体设置时，真空腔21位于压力处理组件30上方或下方，具体为刻蚀支座20的一侧或衬底10的一侧形成。
本实施例中，真空腔21中的压阻膜片对压力处理组件30起到保护作用，导电组件40将压力处理组件30与外部连通，支座20能够对感应到的应力进行隔离，从而对压力感应器整体起到保护作用，使得压力感应器能够适应不同的环境，在具体封装的时候，可以只通过导电组件40封装也可以通过导电组件40以及衬底10一同进行封装，使得面对不同的环境的时候，能够选用更合适的封装方式，满足用户的使用需求。
在此实施例中，关于压力处理组件30的部分，所述衬底10与所述支座20之间设有绝缘层50，所述压力处理组件30还包括压敏电阻31以及与所述压敏电阻31连接的电极32，所述电极32以及所述压敏电阻31固定于所述衬底10上，所述真空腔21的腔口朝向所述绝缘层50，所述压敏电阻31、所述电极32与所述绝缘层50贴合。
具体的，在制作过程中：
在衬底10上制作压敏电阻31以及引出电极32，以衬底10的一表面注入掺杂低浓度硼元素的硅离子形成器件层。
将压敏电阻31图形化，即采用刻蚀工艺刻除掉器件区内非电阻条图形部分的器件层，制作压敏电阻31。
形成淀积钝化层对压敏电阻31进行保护，即采用PECVD 工艺依次淀积SiO2和Si3N4，制作压敏电阻31钝化保护层。
刻蚀欧姆接触区域，即采用刻蚀工艺刻除压敏电阻31条顶部直接与金属引线欧姆接触区域的钝化层，且为了降低金属引线与压敏电阻31的接触阻抗，采用离子注入工艺对欧姆接触区域进行重掺杂。
制作金属引线，即采用溅射工艺依次溅射Ti，Pt，Au等三层金属制作金属引线与引线键合焊盘，其中Ti 为粘附层，Pt为阻挡层，Au 为钝化导电层。再通过快速退火工艺使金属引线与电阻条欧姆接触区域形成合金，降低界面接触阻抗。在实际生产中，还可以根据情况选择其它的MEMS电极材料进行制作。
在此实施例中，关于导电组件40的部分，所述导电组件40包括导电柱42以及分别位于所述导电柱42两端的第一导电垫片41、第二导电垫片43，所述第一导电垫片41透过所述绝缘层50并与所述电极32连接，所述第二导电垫片43位于所述支座20的外侧，所述压力传感器通过所述第二导电垫片43进行封装。
可以理解的，以上述方式制作后，压敏电阻31以及电极32位于衬底10的表层，然后再在压敏电阻31以及电极32的上方设置绝缘层50，绝缘层50上设置有通孔，第一导电垫片41位于通孔中，从而将导电柱42与电极32电性连接。
此外，所述导电柱42包括金属层以及填充层，所述支座20上设有通孔，所述金属层421涂覆于所述通孔的表面，所述填充层422填充于所述通孔中。
具体的支座20上通孔及第一导电垫片41的制作中：
通过深反应离子刻蚀工艺在支座20上形成通孔；
通过PECVD工艺淀积SiO2、Si3N4等绝缘层50材料；
通过PVD、PECVD或磁控溅射工艺在通孔及下表面垫积金属粘附层/阻挡层/种子层；
采用有机环氧填充通孔；
通过抛光或研磨将晶圆表面平坦化；
通过光刻及蚀刻工艺图形化电极32；
在通孔上形成第一导电垫片41以及第二导电垫片43。
其中，本实施例中的通孔为硅通孔，通孔中设置的导电组件40需要避免外界应力的影响，因此需要采用较大的硅通孔直径，通孔的深宽比大于等于3:1。填充层422采用有机环氧或其它的有机绝缘材料填充，能够避免金属层421由于不同金属热膨胀系数不一致造成的金属层421开裂，对于大直径的硅通孔尤其重要。第一导电垫片41以及第二导电垫片43可以设置在通孔外侧也可以在通孔内侧，在压力处理组件30尺寸较小的条件下，具体为长宽小于1.6×1.6mm的情况下，可以在通孔外侧形成第一导电垫片41以及第二导电垫片43。
在此实施例中，第一导电垫片41以及第二导电垫片43位于通孔外侧，且支座20上设有至少两组通孔，每一个通孔中对应的设有一组导电组件40，在压力处理组件30如上述尺寸较小的情况下，两组通孔之间可以保持较大的间距，进而使得两组第二导电垫片43之间间距大于1.1mm，以利于后续在零部件上实现封装。
关于压力敏感膜片60的部分，具体制作时，此时实施例中对衬底10进行深刻蚀形成腔体结构，即为开口腔11，再制作压力敏感膜片60到需要的厚度，压力敏感膜片60的厚度随腔体大小及压力量程大小来设置。开口腔11的形状可以为矩形、梯形或其它的可实现的形状结构，本实施例中开口腔11为梯形，具体来说，开口腔11从腔口到腔底逐渐变窄。且为了更好地将压力敏感膜片60安装，本实施例中开口腔的腔底设有圆角结构。
此外，此实施例中衬底10与支座20键合，衬底10与支座20表面均经过抛光处理，且两者的粗糙度小于2nm，将待键合的压敏电阻31以及电极32等进行湿法化学清洗。将经过湿法化学清洗和等离子体处理后的压敏电阻31以及电极32用双面光刻机的定位对准功能对准并贴合进行熔融硅键合。
本实施例中，压力传感器通过导电组件40进行封装，具体来说，支座20中设有第二导电垫片43的一侧设有导电材料，支座20通过焊接或黏连的方式固定到外部设备上，本实施例中导电材料具体为导电胶83，压力处理组件30通过导电组件40、导电胶83与外部设备电性连接。
请参阅图5，所示为本实用新型第二实施例中的一种压力传感器，在此实施例中，所述导电组件40位于所述支座20外部的部分与导线72连接，所述衬底10的底部固定一基座70，所述基座70上设有导通孔71，所述导通孔71使所述压力敏感膜片60与外界连通。
具体来说，此实施例中压力传感器通过导电组件40以及衬底10一同进行封装。
请参阅图6，所示为本实用新型第二实施例中的一种压力传感器，在此实施例中，所述支座20外部设有与所述导电组件40紧贴的焊球80。具体来说，焊球80与第二导电垫片43紧贴。所述焊球80焊接于电路板81上。
请参阅图7，所示为本实用新型第四实施例中的一种压力传感器，在此实施例中，所述支座20外部设有与所述导电组件40紧贴的焊球80。具体来说，焊球80与第二导电垫片43紧贴。所述焊球80焊接于玻璃密封导电柱82上。
上述实施例描述了本实用新型的技术原理，这些描述只是为了解释本实用新型的原理，而不能以任何方式解释为本实用新型保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其他具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型的保护范围内。
