doi: 10.11857/j.issn.1674-5124.2020100066
李 村1， 杨鑫婉1， 赵玉龙1， 程 鑫2， 田 雷2
(1. 西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710049; 2. 中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 100048)摘 要: 无引线封装技术能够将采用SOI 技术的MEMS 压力传感器的工作温度提高到300
℃以上，解决传统充油封装无法耐受高温的问题，然而，无引线封装亦对SOI 压力敏感芯片结构提出新的挑战。为应对此问题，该文提出适用于无引线封装的压力敏感芯片总体结构，主要研究压敏电阻掺杂浓度选择、重掺杂引线盘和金属点电极、键合玻璃结构、硅玻键合静电密封环等内容。通过大面积重掺杂的引线盘及金属点电极的设计解决硅-玻璃在电路器件层的静电键合问题。在键合玻璃上设计通孔，其位置对应金属点电极，解决电极厚度对键合的影响问题，同时实现欧姆接触。设计静电密封环结构，解决压力敏感膜片及测量电路的密封问题。最后，研制适用于无引线封装的SOI 压力敏感芯片样片，证明该文压力敏感芯片总体结构有效。关键词: 耐高温; SOI; 压力传感器; 无引线封装; MEMS; 压阻效应中图分类号: TP212.1文献标志码: A 文章编号: 1674–5124(2020)12–0054–06
SOI pressure sensor chip suitable for leadless package
LI Cun 1, YANG Xinwan 1, ZHAO Yulong 1, CHENG Xin 2, TIAN Lei 2
(1. School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China;
2. The 49th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Harbin 100048, China)
自动加油泵
Abstract : Leadless package technology can increase the operating temperature of MEMS pressure sensors using SOI technology to above 300 ℃, which can replace traditional oil-filled package. However, leadless package also proposes new challenges for the design of SOI pressure sensor chips. In order to solve this problem, this paper proposes a new pressure sensor chip which is suitable for leadless package. This paper mainly studies the doping concentration of piezoresistor, heavily doped lead pads, metal point electrodes,bonding glass structure, and seal ring. The design of large-area heavily doped lead plates and metal point electrodes solve the problem of silicon-glass bonding in the top device layer. Through holes are designed on the bonding glass, and their position corresponds to the metal point electrode, which solves the influence of electrode thickness on the bonding and realizes ohmic contact at the same time. The sealing ring is designed to solve the sealing problem of pressure sensitive diaphragm and measuring circuit. Finally, a sample of SOI pressure sensor chip suitable for leadless package is developed, which proves the effectiveness of the pressure
收稿日期: 2020-10-20；收到修改稿日期: 2020-11-20基金项目: 国家重点研发计划(2018YFB2002900)
作者简介: 李 村（1986-），男，山东潍坊市人，讲师，博士，研究方向为微纳传感与制造技术。
通信作者: 赵玉龙（1968-），男，山西运城市人，教授，博导，主要从事MEMS 技术、传感器技术及微纳制造等领域的基础理论和工程应用方面的研究工作。
第 46 卷 第 12 期中国测试铂钛催化剂
Vol.46 No.122020 年 12 月
CHINA MEASUREMENT & TEST December, 2020
sensor chip proposed in this paper.
Keywords: high temperature; SOI; pressure sensor; leadless package; MEMS; piezoresistive effect
0 引 言
压强是工业生产过程中最常见的用于检测与控制的工业参数之一，因此用于检测压强的压力传感器具有广泛的应用与市场需求，尤其在航空航天、汽车工业、石油化工、生物医疗等诸多领域。随着微机电系统（micro-electro-mechanical systems，MEMS）技术的发展，基于MEMS技术的微型压力传感器受到工业和科研人员的青睐，取得了长足发展，并逐渐占领了压力传感器市场[1]。
利用MEMS技术和单晶硅的压阻效应研制的压阻式压力传感器是近年来研究与应用最为广泛的一种传感器，它具有灵敏度高、工艺成熟、可靠性高、精度较高、低功耗、易于微型化和集成化等一系列优点[2]。在航空航天、石油化工等环境温度变化较大的特殊领域，对压阻式压力传感器的耐高温能力提出了更高的要求。例如，航空发动机领域要求压力传感器工作环境温度可至200 ℃以上。
利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的传统扩散硅压力传感器，由于其力敏电阻与硅基底是p-n 结隔离，在使用温度大于120 ℃时，因p-n结产生漏电流而使传感器的性能恶化甚至失效，因而，传统扩散硅压力传感器难以解决高温120 ℃以上的压力测量难题。针对石油化工、航空航天、军工等领域对高温（120 ℃以上）条件下的压力测量需求，需要基于SOI（silicon on insulator）技术的耐高温压阻式压力传感器芯片，使其满足高温200 ℃以上的压力测量需求[3-4]。通过SiO2绝缘层将压力敏感芯片的检测电路层与硅基底隔离开，避免了高温下检测电路与基底之间的漏电流产生，提高压力敏感芯片的耐高温特性。
地面网SOI技术解决了压力敏感芯片的耐高温问题，但是目前高温压力传感器的封装方式已经成了制约其工作温度的核心因素。目前普遍采用的耐高温硅油隔离封装技术（充油封装）可以将传感器的工作温度提高到200 ℃[5-6]。为了进一步提高传感器的工作温度，无引线封装首先由Kurtz等提出[7]。无引线封装相比充油封装，具有耐高温、体积小、动态特性好等优点。而无引线封装方式对SOI压力敏感芯片的设计提出了新的要求。因此，本文重点分析适用于无引线封装的SOI压力敏感芯片设计方法，解决
压力敏感芯片的压敏电阻、焊盘、硅玻键合等关键问题，为用于300 ℃以上高温环境下的耐高温压力传感器的设计提供基础。
1 无引线封装对SOI压力敏感芯片的挑战1.1 无引线封装及其与充油封装的对比
最常用的耐高温压力传感器封装方案为充油封装，如图1（a）所示，主要包括金属芯体、SOI压力敏感芯片、波纹膜片、压环等。压环和波纹膜片将被测介质与SOI压力敏感芯片隔离，充油区域内填充高温硅油实现压强传递。因此，充油封装可以通过高温硅油来隔离被测介质，保护SOI压力敏感芯片的压敏电阻和电极，同时为金丝引线提供物理保护，提高了传感器的耐腐蚀性和可靠性。充油封装方案广泛应用于化工、航空航天等领域，最高使用温度受高温硅油的限制，一般在200 ℃以内。
金丝引线
波纹膜片SOI 压力
敏感芯片
充油区域
密封烧结
接线柱接线柱
密封烧结
导电填料
SOI
敏感芯片
图 1 充油封装与无引线封装对比
充油封装能够实现被测介质与SOI压阻式压力敏感芯片的隔离，提高了传感器封装的可靠性。与此同时，由于硅油隔离结构的设计，充油封装亦存在一定不足，主要表现为：受限于硅油闪点，传感器使用温度不高于200 ℃；硅油隔离会降低传感器的动态特性和分辨力，无法实现高动态压力信号的测量；充油封装尺寸偏大。
无引线封装可以很好地解决充油封装存在的不足，如图1（b）所示，其与充油封装最明显的区别是MEMS压力芯片的焊盘与镀金接线柱之间不再通过金丝引线，而是通过导电填料连接。镀金接线柱伸入MEMS压力芯片的键合玻璃孔，孔中填充导电填料，通过烧结后实现芯片与接线柱的物理连接和
第 46 卷 第 12 期李 村，等：适用于无引线封装的SOI压力敏感芯片总体结构55
电气连接，从而省却了金丝引线。无引线封装的压力敏感芯片背部直接与被测压强介质接触，提高传感器动态特性和分辨力，敏感芯片与金属或陶瓷壳体通过玻璃烧结固定。由于压敏电阻检测电路所在的器件面受到键合玻璃的保护，因此无需进行充油封装保护，从而减小封装尺寸。
1.2 适用于无引线封装的SOI 压力敏感芯片总
体结构
根据图1（b ）耐高温无引线封装结构的要求，SOI 压力敏感芯片的结构需要进行改进和优化。通过分析，可以得出适用于无引线封装的SOI 压力敏感芯片需要满足如下要求：
1）硅片与玻璃的键合位置由充油封装的背部键合修改为检测电路所在表面的正面键合，即：玻璃与硅片在器件层进行键合。
2）玻璃上打孔，用于填充导电填料。
3）MEMS 压力芯片上的检测电路不能沉积金属引线，否则影响键合。
4）压敏电阻采用SOI 浮雕式电阻，二氧化硅用于实现敏感电阻的绝缘隔离。
5）压敏电阻采用合理的掺杂浓度，降低传感器的温漂。
根据无引线封装对MEMS 压阻式压力敏感芯片的要求，本文设计了一种SOI 压力敏感芯片总体结构如图2所示，主要包括浮雕式压敏电阻、重掺杂引线盘、金属点电极、静封环、键合导电通道等核心结构。芯片采用SOI 技术和浮雕式压敏电阻结构，实现高温下压敏电阻、重掺杂引线盘等检测电路与硅基底的电隔离。背面采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺加工背腔，形成压力敏感膜片。重掺杂引线盘替代传统SOI 压力敏感芯片的金属引线结构，用于实现压敏电阻的电气连接和正面硅玻键合。点电极为金属电极，实现金属-硅欧姆接触，同时点电极的尺寸和位置对应正面键合玻璃的通孔和无引线封装外壳的接线柱位置，实现芯片与外界的电气连接。
金属电极
纵向浮雕式压力敏感膜片
金属点电极
浮雕式压敏电阻
二氧化硅隔离层引线盘之间静封环
键合导电通道
①
(a) 芯片总体结构
二氧化硅
图 2 适用于无引线封装的SOI 压力敏感芯片总体结构
2 压力敏感芯片的重要细节研究
压力敏感膜片的尺寸和厚度需要根据传感器量程和精度要求进行详细设计，与用于传统充油封装的压力芯片敏感膜优化方法相同，本文不再进行赘述。浮雕式压敏电阻、重掺杂引线盘和金属点电极、键合用玻璃及静电密封环是图2所示的SOI 压力敏感芯片的核心部分，是决定SOI 压力敏感芯片是否可以满足无引线封装要求的关键，接下来进行详细分析。
2.1 压敏电阻
在（100）晶面内，压敏电阻平行或垂直于[011]晶向时压阻系数最大，此时硅膜上的压敏电阻在应
wmi服务
式中：σl ——纵向应力；
σt ——横向应力；π44——压阻系数。
压敏电阻应布置在膜片表面上纵向、横向应力差最大的区域；通过选择合理的掺杂类型、晶向和离子掺杂浓度以获得最大的压阻系数。为提高传感器的内阻，压敏电阻一般设计成多折结构，如图2（b ）所示。纵向电阻为有效电阻，阻值在应力作用下按照上式所示变化，横向电阻相对于纵向电阻为负向
56中国测试2020 年 12 月
效应，为降低其影响，需要在横向电阻上沉积金属电极将其短接。
p-Si型压敏电阻的压阻系数与掺杂表面浓度及温度的关系如图3所示[8]。由图3可知，掺杂表面浓度的大小直接关系到电阻压阻因子的大小，掺杂表面浓度越大，其电阻的压阻因子越小，从而导致压阻系数越小。此外，温度系数也会影响压阻因子变化的程度，从而导致压阻系数的改变。在掺杂表面浓度小于3×1019 cm–3的范围内，随着温度的增加，压阻系数减小；当掺杂表面浓度大于3×1019 cm–3时，压阻系数将几乎不随温度变化；当掺杂表面浓度在3×1017 cm–3和3×1019 cm–3之间，随着掺杂表面浓度的增加，压阻系数在减小，同时压阻系数的温度系数也在减小；当掺杂表面浓度在1×1019 cm–3和3×1019 cm–3之间，压阻系数和压阻系数的温度系数都比较小。
101610171018
N/cm−3101910
p-Si
T=−75 ℃
T=−50 ℃
T=−25 ℃
T=0℃
T=25℃
T=175℃
图 3 压阻系数P(N,T)与掺杂浓度N 、温度T的关系
自封袋设备
考虑压阻传感器的供电方式，在恒压与恒流两种方式下，灵敏度的温度系数（TCS）可表示为如下：
恒压供电方式下，灵敏度的温度系数：TCSv= TCπ；TCπ为压阻系数随温度的变化。
恒流供电方式下，灵敏度的温度系数：TCSi= TCπ+TCR；TCR为压敏电阻随温度的变化。
由上两式可见，在恒压源供电的情况下，灵敏度的温度系数（TCSv）仅与TCπ有关（π44的温度系数）。因此，为了降低温度漂移的影响需提高掺杂浓度，然而这又会降低传感器灵敏度。当采用恒流源供电时，灵敏度的温度系数（TCSi）不仅与π44的温度系数TCπ有关，还与电阻的温度系数TCR相关。TCπ和TCR在300K温度下随掺杂浓度的变化关系如图4所示[9]。由于两者温度系数的符号相反，因此可选择恰当的掺杂浓度使两者相互抵消，进而实现对温度漂移的自补偿。
3×10182×1020
掺杂浓度/cm−3
T=300 K
R (TCR)
π
44
(TCπ)
|π
44
|
图 4 p-Si型电阻温度系数和π44温度系数随掺杂浓度的变化关系
从图4可以得知，当在恒流供电的条件下，掺杂浓度为3×1018 cm–3或2×1020 cm–3时，TCR与TCπ正好抵消，因此理想情况下，此时灵敏度的温度系数为零。而在高温情况下，以上两个浓度中，推荐较大浓度2×1020 cm–3作为最终的掺杂浓度。由上可知，当掺杂浓度越大的时候，压阻系数在减小，同时压阻系数的温度系数也在减小，这代表着，随着浓度的增加，灵敏度系数减小，而灵敏度的温度系数也随之减小，因此，为了避免较大的温度漂移系数，推荐较大浓度2×1020 cm–3作为最终的掺杂浓度。
2.2 重掺杂引线盘和金属点电极
无引线封装的硅结构与玻璃在芯片的器件层进行键合。传统芯片在器件层通过溅射耐高温电极将敏感
电阻连接到焊盘上，电极一般采用梁式引线形式，电极厚度为100~300 nm，溅射于SOI器件层上，因此无法在硅片正面进行硅玻键合，也就无法适用于无引线封装技术。
为解决此问题，将金属引线改为硅重掺杂引线盘的形式，如图2（a）所示。重掺杂引线盘进行重掺杂，且尽可能地具有较大面积，从而降低重掺杂引线盘电阻对压敏电阻的影响。此外，重掺杂可以与金属点电极更好地形成欧姆接触，增大重掺杂引线盘的面积亦可以增加硅玻键合面积，提高键合的强度和密封性，同时可以防止玻璃通孔中的导电填料渗透导致不同硅重掺杂引线盘之间的短路。
重掺杂引线盘上溅射金属点电极，其尺寸和位置对应正面键合玻璃孔的结构，实现欧姆接触的同
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时，不会对硅玻键合界面产生影响。重掺杂引线盘实现4个敏感电阻之间的电气连接，形成惠斯通电桥。重掺杂引线盘之间通过刻蚀掉器件层的硅来实现引线盘之间的电气隔离。
惠斯通桥臂电阻连接方式有3种：闭环状态、半开环状态和开环状态。3种电桥连接方式各有利弊：闭环方式的引线数量较少，在加工中有利于降低加工版图的复杂程度，对设计要求较低，但闭环方式无法对4个桥臂电阻的阻值进行直接测量，不利于电桥的调平衡补偿；半开环方式的引线数量比闭环方式多一条，对加工版图的复杂程度并无影响，方便了测量单根桥臂电阻的阻值，有利于电桥的调平衡
补偿；开环方式的虽然对测量单根桥臂电阻的阻值最为方便，且电桥调平衡补偿方式最易，但引线数量较多，对设计要求较高。考虑到引线以及补偿方式的难易，一般将电桥设计为半开环方式，如图5所示。
R1
R2R3
R4
图 5 压敏电阻的半开环连接
2.3 玻璃设计及静电密封环结构
用于硅芯片正面键合的玻璃结构如图6所示，玻璃上通孔位置对应硅芯片上的金属点电极（见图2），玻璃底部采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺加工出浅槽，为压力敏感膜片的变形提供空间。
(a) 正面键合玻璃
通孔 (用于插入引线柱和导电填料压力敏感膜形变的间隙
图 6 玻璃结构示意图
硅-玻璃键合结构如图7所示，键合区域包括静封环和重掺杂引线盘，金属点电极对应硅片上的通孔。正如2.2节中，设计重掺杂引线盘时需要使其面积最大化，从而增大硅玻键合面积，提高强度和
j型密封圈
可靠性。静封环位于压力敏感芯片的周边，通过硅玻键合，实现芯片中央压力敏感膜与外界被测介质的物理隔离。为实现硅-玻璃阳极键合工艺中重掺杂引线盘的导电，在静封环上设计了键合导电通道，使得静封环通过此通道能够与重掺杂引线盘实现导电连接。
图 7 硅-玻璃正面键合示意图
3 结果与讨论
上述章节详细介绍了用于小型化耐高温无引线封装的SOI 压力敏感芯片设计方法。在实际科研和生产过程中，需要根据传感器尺寸、量程、精度等参数，具体设计芯片尺寸。但是，硅压力敏感芯片和玻璃的结构，总体设计方法和要求基本相同。如图8所示为完成硅-玻璃键合的压力敏感芯片，证明了本论文设计的压力敏感芯片的有效性。为减小芯片尺寸，重掺杂引线盘的位置进行了调整，不过总体设计方法与本论文的典型结构设计要求一致。
图 8 用于无引线封装的压力敏感芯片
4 结束语
本文提出了一种适用于无引线封装的SOI 压力敏感芯片总体结构，并对压敏电阻、重掺杂引线盘及金属点电极、键和玻璃和静电密封环等关键细节进行了分析。所提出的重掺杂引线盘及金属点电极设计，解决了硅-玻璃在电路器件层的键合问题，并实现了欧姆接触。设计的静电密封环结构，解决了压力敏感膜片及测量电路的密封问题。最后，用研制案例实证了该文压力敏感芯片总体结构有效。
58中国测试2020 年 12 月
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