本發(fā)明屬于傳感器相關(guān)的，更具體地，涉及一種耐高溫mems壓力傳感器芯片及其封裝結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、隨著mems技術(shù)的發(fā)展，微壓力傳感器市場(chǎng)迅速拓展，但隨之也面臨一個(gè)問題——高溫環(huán)境下的器件穩(wěn)定性、可靠性和精度等特性，傳統(tǒng)的壓力傳感器在超過120℃環(huán)境下使用時(shí)，會(huì)由于內(nèi)部pn結(jié)出現(xiàn)漏電而導(dǎo)致傳感器性能急劇下降，進(jìn)而導(dǎo)致失效。而工業(yè)、航天航空等領(lǐng)域使用的壓力傳感器需要滿足2個(gè)基本需求：高溫和高可靠性。對(duì)mems高溫壓力傳感器最基本的需求是在至少125℃環(huán)境下工作。而隨著傳感器工作溫度的升高，由于漏電流增大、材料蠕變和元件老化等因素的影響，其精度、線性度、靈敏度等特性也隨之降低，從而導(dǎo)致了mems壓阻式壓力傳感器性能的降低，甚至是器件失效。

2、高溫壓力傳感器在航天、航空、國防建設(shè)、能源開發(fā)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用需求。常溫mems壓力傳感器主要以硅(si)基壓力傳感器為主,在100℃工作溫度范圍內(nèi)，商業(yè)化的si壓力傳感器工藝成熟、體積小、性能好，但是當(dāng)其在超過120℃環(huán)境使用時(shí)，內(nèi)部pn結(jié)會(huì)出現(xiàn)漏電，傳感器性能下降甚至失效。另外，si材料在大于500℃時(shí)還會(huì)發(fā)生塑性變形，不能滿足高溫環(huán)境下壓力測(cè)量的需求。

3、芯片的封裝在傳感器制造過程中占據(jù)重要作用，傳統(tǒng)的引線鍵合連接方式導(dǎo)線較長，在高頻應(yīng)用中，會(huì)產(chǎn)生較大的電感和電阻，導(dǎo)致信號(hào)傳輸延遲增加、信號(hào)完整性下降。例如在5g通信、高速計(jì)算機(jī)等對(duì)高頻性能要求高的領(lǐng)域，引線鍵合難以滿足需求。同時(shí)，較長的引線容易產(chǎn)生電磁輻射，對(duì)周圍電路產(chǎn)生干擾，也容易受到外界電磁干擾，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。由于需要在芯片周圍留出一定空間用于布置引線，這也限制了封裝密度的進(jìn)一步提高，不適用于對(duì)小型化要求極高的產(chǎn)品，如智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種耐高溫mems壓力傳感器芯片及其封裝結(jié)構(gòu)，其旨在通過引入具有高熱導(dǎo)率的ain層，結(jié)合ain之上的sio2層設(shè)計(jì)mems壓力傳感器芯片，同時(shí)借助金屬焊料層與金屬pad的連接、共晶層與soi襯底硅的連接實(shí)現(xiàn)封裝，由此解決現(xiàn)有mems壓力傳感器高溫工作下的可靠性不足的技術(shù)問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的第一方面，提供了一種耐高溫mems壓力傳感器芯片，自下而上設(shè)有soi基底、aln層和sio2層；所述soi基底的底層中心位置設(shè)有的凹陷區(qū)，所述凹陷區(qū)對(duì)應(yīng)的芯片區(qū)域?yàn)閺椥阅て?/p>

3、所述soi基底的最上層上設(shè)有多個(gè)p型壓敏電阻、所述多個(gè)p型壓敏電阻(7)均勻分布在所述彈性膜片邊緣的應(yīng)力集中處；所述p型壓敏電阻的上方設(shè)有連續(xù)貫穿于所述aln層和所述sio2層的通道；所述通道中設(shè)有金屬pad；所述金屬pad的上端位于所述耐高溫mems壓力傳感器芯片最上層，下端與所述p型壓敏電阻接觸。

4、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述soi基底自上而下包括soi頂層硅、soi埋氧層和soi襯底硅；多個(gè)所述p型壓敏電阻在所述soi頂層硅中對(duì)稱分布，并通過電氣連接形成惠斯通電橋。

5、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述soi頂層硅上的每個(gè)所述p型壓敏電阻的壓敏電阻晶相相同。

6、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述p型壓敏電阻為折線型壓敏電阻條，通過在所述soi頂層硅上進(jìn)行b離子注入制得。

7、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述b離子的濃度為1*1019～1*1020cm-3。

8、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述soi埋氧層的厚度為1～3μm。

9、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述soi襯底硅為硅杯結(jié)構(gòu)。

10、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述ain層(2)的厚度為50～200nm。

11、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述sio2層的厚度為50～100nm。

12、按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種耐高溫mems壓力傳感器封裝結(jié)構(gòu)，包括電路板、如本發(fā)明第一方面任一項(xiàng)所述的耐高溫mems壓力傳感器芯片和不銹鋼底座；所述電路板與所述金屬pad通過金屬焊料層連接，所述soi襯底硅與所述不銹鋼底座通過共晶層連接；所述不銹鋼底座中心位置設(shè)有一貫穿通氣孔，直通至所述耐高溫mems壓力傳感器芯片中所述soi基底底面。

13、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

14、1、本發(fā)明通過設(shè)計(jì)芯片的層結(jié)構(gòu)，通過引入具有高熱導(dǎo)率的ain層，作為散熱層和保護(hù)層能夠很好地改善壓力傳感器的溫度特性，相較于傳統(tǒng)的sio2散熱材料，aln具有更高的熱導(dǎo)率，因而aln傳熱特性較好，溫度會(huì)很快傳導(dǎo)到soi頂層硅；另外，sio2材料的熱膨脹系數(shù)比硅小的多，避免了類似sio2層加劇零點(diǎn)溫度漂移現(xiàn)象；同時(shí)，在aln表面沉積或?yàn)R射一層sio2無機(jī)涂層作為保護(hù)層，避免由于aln層易吸收空氣中的水分子發(fā)生水解反應(yīng)，導(dǎo)致影響其導(dǎo)熱性能和絕緣性能。由此，使得本發(fā)明的傳感器在高溫工作下具備高可靠性。

15、2、優(yōu)選地，四個(gè)p型壓敏電阻通過連接成惠斯通電橋來輸出電壓信號(hào)，惠斯通電橋采用恒流源供電方式，相較于恒壓源供電具有更小的靈敏度溫度漂移。

16、3、優(yōu)選地，本發(fā)明的耐高溫壓力傳感器芯片包括在彈性膜片邊緣的應(yīng)力集中處均勻、對(duì)稱分布的p型壓敏電阻，p型壓敏電阻晶相一致，在晶相上均達(dá)到最大靈敏度。

17、4、優(yōu)選地，本發(fā)明的p型壓敏電阻采用折線型結(jié)構(gòu)，能夠更好地感測(cè)應(yīng)力集中區(qū)域以傳遞應(yīng)力。5、優(yōu)選地，本發(fā)明的p型壓敏電阻條采用1*1019～1*1020cm-3高濃度的b離子注入，具有更小的溫度漂移和高可靠性。

18、6、優(yōu)選的，本發(fā)明的soi埋氧層的厚度為1～3μm，相較于傳統(tǒng)工藝制備的soi氧埋層只有不足450nm的厚度，本發(fā)明的耐高溫mems壓力傳感器芯片的soi氧埋層厚度更大，能夠有效避免高溫條件下漏電流的影響，保證在高溫惡劣環(huán)境下傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。

19、7、優(yōu)選地，在aln表面沉積或?yàn)R射一層sio2無機(jī)涂層作為保護(hù)層。由于aln層也存在一些局限性，如易吸收空氣中的水分子發(fā)生水解反應(yīng)，可能影響其導(dǎo)熱性能和絕緣性能，因此在aln表面沉積或?yàn)R射一層sio2無機(jī)涂層，sio2無機(jī)涂層可以通過物理阻隔的方式，防止水分到達(dá)aln表面；同時(shí)自身具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，不易與水發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)sio2具有良好的絕緣特性，不會(huì)對(duì)aln的絕緣性產(chǎn)生負(fù)面影響，反而可能增強(qiáng)整體的絕緣效果，進(jìn)一步可以作為保護(hù)層防止環(huán)境污染和腐蝕等。

20、8、本發(fā)明的耐高溫mems壓力傳感器芯片與電路板、不銹鋼底座連接，具體地，一方面芯片與不銹鋼底座通過共晶鍵合工藝形成可靠的粘合，其低溫特性有效減少對(duì)溫度敏感器件的熱損傷，并降低異質(zhì)材料界面的熱應(yīng)力，其次共晶鍵合氣密性高，熔融金屬可填充表面微缺陷，形成無孔隙界面，適用于mems真空或充壓封裝；另一方面，耐高溫mems壓力傳感器芯片與電路板通過倒裝焊工藝形成可靠的電氣連接，相較于傳統(tǒng)的引線鍵合方式，倒裝焊芯片和基板之間的連接間距小，能夠大大減小信號(hào)傳輸路徑的長度，減少了信號(hào)傳輸延遲和信號(hào)衰減；同時(shí)耐高溫mems壓力傳感器芯片與電路板通過金屬焊料連接，金屬焊料具有良好的導(dǎo)電性和熱傳導(dǎo)性，可確保電路板與耐高溫mems壓力傳感器芯片之間的穩(wěn)定電氣性能和散熱效率；在高溫工作環(huán)境下，金屬焊料的物理特性不會(huì)發(fā)生顯著變化，保障了整個(gè)傳感器在極端條件下的可靠性；此外，金屬焊料通過精確控制其成分和工藝，能夠優(yōu)化其機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞性能，從而延長傳感器的使用壽命。