4.4 集成电路型（IC）大气压传感器

　　在前面的3.2.2节中说明超声波式卡曼涡旋空气流量传感器时，已提到了大气压传感器，本节就来说明集成电路型大气压传感器。这种传感器是利用半导体的IC技术与微加工技术，在一块半导体基片上形成压力传感器，温度补偿电路及放大电路的。下面就来说明IC大气压传感器的构成，制造工艺及规格等。
　4.4.1 IC大气压传感器的构成
　　（1）压力检测部分的构成 IC大气压传感器的压力检测部分如图4-41所示。在硅片的中间，从反面经异向腐蚀形成了正方形的膜片，利用膜片将压力变换成应力，在膜片的表面，通过扩散杂质形成了四个P型测量电阻，它们按桥式电路连接。利用压阻效应将加在膜片上的应力变换成电阻的变化，此电阻的变化通过桥式电路之后在桥式电路的两个输出端子之间以电位差的方式对外输出。
　　膜片的里面与硅杯之间设计成真空腔，用以缓和外部的应力。就以此真空腔的压力为基准检测大气压力。
　　压阻效应与测量电阻的传导性、杂质浓度、晶向方位有很大关系，但为了方便制成IC式大气压传感器，所以以晶向面（100）的P型单晶硅为基片，在此基片所形成的n型外延层中，设置P型测量电阻，为了在晶向面（100）上有效地输出信号，所以将测量电阻布置在膜片的周围，而且测量电阻的长边在晶轴（110）的方向上，这时的输出电压可近似用下式表示
　　　　　　　　　　　　

 　　　　　　　　　　（4.4-1）
式中，

为桥式电路的输出电压；

为压阻系数；

为泊松比；a为膜片一边的1/2长；h为膜片的厚度；P为所加压力；

为电源电压。
　　（2）电路的特性 压力传感器的主要特性有以下4项：①灵敏度，②偏置电压（0 Pa时的输出电压），③灵敏度的温度特性，④偏置电压的温度特性。电路设计的最大问题是怎样很好地对这些特性进行调整与补偿，使这些特性符合规格的要求。灵敏度、偏置电压及偏置电压的温度特性这三个项目在压力传感器的制造过程中有一定的杂散性，需要分别予以调整和补偿。
　　（3）传感器的结构 IC大气压传感器的内部结构如图4-43所示。选用与硅线膨胀系数相近、性能适于阳极键合的特殊玻璃作硅杯，通过阳极键合之后，在膜片的内面与硅杯之间形成一个基准的真空腔。这样一来，硅杯起到两个作用，一是缓和加至半导体芯片上的外部应力，二是起到形成真空腔的作用。引线框担负支承硅杯，实现芯片与外部连接的作用。引线框与硅杯是用超低应力的树脂粘合在一起的，以竭立避免外部应力传到硅杯上。半导体芯片的电极与内连接线是用金丝连起来的。用耐热性好的材料制作底座，它与盖子共同起到保护半导体芯片与引线框的作用，并夹紧引线框，再充以密封树脂粘牢。盖子上设有导压管，以便于检测特性时方便地加上压力。IC大气压传感器采用的是芯片表面受压结构，芯面表面涂有柔软的硅胶，以防止沾污其表面。
　4.4.2制造工艺
　　（1）芯片工艺 IC大气压传感器的芯片剖面结构如图4-44所示。在此传感器中，需要将压力检测部分制作到包括有放大电路、温度补偿电路的模拟式集中电路（IC）中去。因此，在制成模拟电路IC的时候，以晶向（100）的P型硅片为基片，在基片已生长成的n型外延层中，采用双极式IC工艺制成双极式晶体管、电阻及电容器等。另外，在双极式电路的工序完成之后，则用碱性溶液通过异向腐蚀法在芯片的反面形成压力检测部位的膜片。膜片的尺寸为2mm×2mm，管芯尺寸为4mm×4mm。膜片的周围集成有4个运算放大器等共300多个元件。
　　（2）元件加工工艺 IC大气压传感器元件工艺的流程如图4-45所示，下面就按流程，对元件的加工工艺加以说明。
　　①阳极键合。因为压力检测部分设有基准压力腔，所以将硅片与硅杯在真空中进行阳极键合。所谓阳极键合是二种将导体与绝缘体的连接方法，这里的导体为硅片，绝缘体为硅杯。阳极键合法具体作法是将绝缘体加热，加热到绝缘体中的离子可以移动的温度为止，然后以导体为阳极，绝缘体为阴极，二者之间加上直流电压的连接方法，本节所述IC大气压传感器采用阳极键合工艺的原因有下述两点。
　　·因为键合可达到原子程度，所以气密性非常高。
　　·可以以硅片为单元进行键合，而且杂散性小。
　　②划片。阳极键合工序已完成的硅片，还要通过划片分割成一个个带硅杯的半导体管芯。因为是要把硅片与硅杯这两种不同的材料同时切断，所以要选择刀具的种类与主轴转速，以实现最佳工艺参数。
　　③小片接合。经上道工序被切开的各个带硅杯的半导体管芯，要在本道工序固定在接线条上，为降低残余应力，缓和来自外部的应力，则采用的是超低应力型接合树脂，竭力设定较低的接合温度。
　　④引线键合。本工序是指将固定在接线条上的半导体芯片的电极与引线框的内接线端子用金丝通过电气接合在一起。就金丝来说，用超音波热压焊的方法可以键合，但因为采用的是硅杯，半导体管芯表面难以升温，超低应力的接合树脂会将超声波完全吸收，在通常的条件下无法做到引线键合，因此，专门固定了引线键合点，以及实现引线键合。
　　⑤密封。在密封时，必须满足下列条件。
　　·为了使大气压传递到半导体芯片，应留有开口处，以透进外界空气。
　　·利用密封、使压力不会加到半导体芯片上。为了满足这两个条件，将固定半导体芯片的引线框，嵌人预先注射成形的底座与盖子之间，用密封胶加以密封。底座及盖子采用耐热性能好的热可塑性树脂制成，密封胶采用热固化性的液状环氧树脂。
　　如上所述，事先将元件固定在引线框上，再将其密封起来，这种工艺与陶瓷外壳IC的元件工艺非常接近，对某些厂家来说，很容易实现大批量自动化生产。
　　⑥注人硅胶。对IC大气压传感器来说，受压部位是半导体芯片的表面，所以半导体芯片的表面需要涂敷保护层，以防站污。对涂敷材料的要求是：除保护表面之外，应能传递压力，还要保证不使应力加到半导体芯片上。作为满足上述要求的材料来说，有硅胶。本道工序就是将硅胶涂敷在半导体芯片及引线框处，保证芯片不与大气直接接触。
　　⑦加工引线。引线的加工与普通IC的引线采用同样的工艺。采用折线形的外接线条，目的是便于装配到厚膜基片上，并因此而采用了表面安装方式。到此道工序为止，传感元件已制成。
　　⑧装配至厚膜基片上。对已制好的传感元件，还要进行筛选及性能试验，性能合格的传感元件与独石电容一起都要锡焊至厚膜基片的表面上。厚膜基片的表面印刷有导带（Ag-Pd）反面印刷有厚膜电阻（RuO₂）与导带，厚膜电阻的作用是调整性能。两面都复盖有保护用玻璃层。
　　在要焊接传感元件等时，首先要锡焊用浆料印刷到厚膜基片上，而后将传感元件等配置在厚膜基片，然后在烧结炉中，使锡焊浆料熔化，进行锡焊。
　　对布满传感元件的厚膜基片再焊上引出线，以与外部连接。至此IC大气压传感器的元件工序已作完。
　　（3）性能的调整 元件工序完成之后，还要对这种程度的产品作性能调整，使其达到规定标准的要求。性能调整包括偏置电压温度特性的调整，偏置电压的调整、灵敏度调整。调整偏置电压温度特性时，先测定出传感元件分总成的偏置电压温度特性，根据此数值将厚膜电阻切边以达到规定值。在调整偏置电压与调整灵敏度时，分别加上0Pa、101.3kPa，再调整厚膜电阻，使输出电压达到规定值。
　　（4）性能检查 经上述工序加工成的IC大气压传感器，还要逐个进行性能检查，看其性能是否符合标准的要求。性能检查包括温度特性与压力特性，检查时，调整加在IC大气压传感器上的温度、压力，读取其输出值，判断是否合格。
　4.4.3规格与可靠性
　　IC大气压传感器的规格如表4-3所示。电源一电压为5V单一电源。压力灵敏度的设定值为39.49 mV/kPa，101.3 kPa（1个大气压）时的输出电压为4V。
　　常温时的输出特性如图4-46所示，非直线性误差也非常低，达到了±0.25%。-30~100℃时输出特性如图4-47所示，从图可知，它满足了目标精度±2.5％。
　　IC大气压传感器主要有两个特点，一是通过阳极键合法形成真空腔，二是半导体管芯的表面受压。表4-4是IC大气压传感器的几项可靠性试验项目。除此之外，还要进行汽车特有的环境试验及装车试验。