[发明专利]一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于硅微机械传感器技术领域。涉及力敏传感器芯片及其制作方法，特别是涉及一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片及其制作方法，可有效自行抑制封装应力对力敏传感器检测性能的不利影响，特别适于对不同材料封装基板的友好封装。

背景技术

近年来，随着微机电系统（MEMS）技术的迅猛发展，硅基压力传感器作为MEMS传感器传统力学检测器件之一被广泛应用于航空航天、生化医学、生命科学、汽车电子等领域。例如，力敏传感器中的压力传感器检测精度、线性度、重复性等性能不仅依赖于传感器芯片合理的传感器结构设计及其相关制作工艺的严格控制，而且传感器芯片在后续应用过程中的封装好坏也会很大程度影响到传感器的检测性能[H Krassow,D Heimlich,F Campabadal and Lora-Tamayo.Novel Packaging Technique and its Application to a Wet/Wet Differential Pressure Silicon Sensor.International Conference on Solid-State Sensors and Actuators(Transducers’97),1997:275-278]。传感器芯片封装目的主要用来固定和保护传感器芯片在不同检测环境中能够保持正常作业并免受外部因素破坏。在这些封装中，由于传感器芯片通常被固定在不同材料的基板上，然后封装在金属管壳里[Bowei Li,G Q Zhang,Fengze Hou and Yang Hai.The Effect of Diaphragm on Performance of MEMS Pressure Sensor Packaging.International Conference on Electronic Packaging Technology&High Density Packaging,2010:601-606]，由于力敏传感器不仅对需要检测的工作应力敏感，而且对热匹配失调以及机械封装所导入的应力也一样敏感。因此，封装过程机械管壳安装所引入的机械应力以及不同材料封装基板的热膨胀系数与传感器芯片衬底材料的热膨胀系数存在差异，在不同物理环境下两者之间由于热匹配失调而导致了内在应力，都会使得传感器压力敏检测单元（例如：压力敏感薄膜）发生不可预期的形变，从而影响力敏传感器的检测精度和稳定性。因此，力敏传感器芯片的封装越来越受到业界的广泛关注。

目前，为解决这些封装上的难题，通常从封装材料特性选择以及封装结构设计两方面入手。在封装材料选择方面，首先，选择柔性材料（即，杨氏模量较小的材料）作为外力缓冲中介来尽可能的降低封装过程中机械应力对传感器力敏检测单元造成的不利影响，同时还要求所选取的封装材料热膨胀系数尽可能与传感器芯片的材料相匹配，进一步降低热匹配失调所导致的内在封装应力；在封装结构设计方面，最常用的方法是在芯片封装过程中，采用细长导压管实现传感器芯片与金属封装管壳的连接，使芯片在垂直于封装基板方向上尽可能远离封装基板，这就使得封装应力所引起的封装基板形变很难传递到力敏传感器芯片，进而削弱了封装应力对传感器检测性能的影响。

虽然这些努力能够有效地减低了封装应力对力敏传感器芯片性能的影响，但是，这些封装方法工艺复杂、成本高，特别不适于时下在消费类电子产品中力敏器件的SMT（表面贴装封装）封装。

鉴于此，本发明从力敏传感器芯片自身结构设计入手，提出了一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片及其制作方法。

发明内容

本发明主要解决的技术问题在于提供一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片及制作方法，用于解决现有力敏传感器芯片在后道封装应用过程中，由于不同材料的封装基板在不同物理环境下形变所产生的封装应力给力敏传感器检测性能带来了不利影响，进而实现力敏压力传感器芯片低成本、高效率、与不同材料封装基板的友好且便捷式封装。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片，其特征在于，所述悬浮式力敏传感器芯片包括：

单晶硅基片；

集成在所述单晶硅基片同一表面上的悬臂梁及压力传感器；

所述压力传感器集成在所述悬臂梁上且远离悬臂梁根部位置；

其中，所述悬臂梁根部与单晶硅基片连接，且在悬臂梁根部两侧分别制作一个用于释放悬臂梁受到横向封装应力的应力释放凹槽；