一种温压一体传感器及其制作方法与流程

本发明涉及传感器，尤其涉及一种温压一体传感器及其制作方法。

背景技术：

1、光纤陀螺是一种利用sagnac效应制作的光学角速率传感器，具有环境适应能力强、精度高的特点，在惯性导航系统中得到广泛的应用。光纤陀螺的核心部件为光纤环，光纤环受到温度影响会产生变化，从而影响光纤陀螺的精度。光纤陀螺内部是一个密闭环境，其在使用过程中一旦发生泄漏，光纤陀螺的精度会迅速下降，甚至失效，因此在使用过程中对光纤陀螺的内部气体压力进行实时监测显得尤为必要。实际上，当外界环境温度快速变化时，内部压力的温度也快速变化，容易影响监测的精度，因此需要一款能够实时监测光纤陀螺内部压力变化的压力传感器，并且能够符合其快速温变特性。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种温压一体传感器及其制作方法，用以解决如何实时监测光纤陀螺内部压力变化的压力传感器，并且能够符合其快速温变特性的问题。

2、一方面，本发明实施例提供了一种温压一体传感器的制作方法，包括：通过离子注入工艺在第一硅片中形成多个压阻条；利用刻蚀工艺在第二硅片中刻蚀四棱台形空腔；通过第一键合工艺将所述第一硅片与所述第二硅片键合以形成硅层结构，其中，所述多个压阻条面对所述四棱台形空腔的顶面；利用喷砂打孔工艺在玻璃基底中形成基底通孔，并将铂电阻设置在所述玻璃基底的顶面上方；以及利用第二键合工艺将所述硅层结构与所述玻璃基底键合，其中，所述铂电阻面对所述四棱台形空腔的底面。

3、上述技术方案的有益效果如下：在温压一体传感器的制作方法的过程中，通过压阻条和温度传感器内置的温度压力一体化方案，可以在同一位置感受压力和温度，若光纤陀螺处于快速温变环境中，由于压力和温度来自于同一区域，因此可对压力传感器进行快速温变的高精度温度补偿，准确反映光纤陀螺内部的气压变化，通过该方法制作的温压一体传感器也可以推广至任何需要对快速温变压力进行精确监测的场合。

4、基于上述方法的进一步改进，通过离子注入工艺在第一硅片中形成多个压阻条还包括：通过研磨工艺减薄所述第一硅片；通过所述离子注入工艺在所述第一硅片的中部形成多个压阻条；利用镀铝工艺在所述第一硅片的顶面上方形成多个第一引出电极，其中，第一引出电极与对应的压阻条电连接，所述镀铝工艺包括电子束蒸发镀铝工艺或者磁控溅射镀铝工艺。

5、基于上述方法的进一步改进，利用刻蚀工艺在第二硅片中刻蚀四棱台形空腔包括：利用湿法刻蚀工艺在所述第二硅片中刻蚀出所述四棱台形空腔，所述四棱台形空腔穿透所述第二硅片，其中，所述四棱台形空腔的顶面为第一正方形，所述四棱台形空腔的底面为第二正方形，以及所述第一正方形的面积小于所述第二正方形的面积；在所述四棱台形空腔部分侧壁以及所述第二硅片的底面上形成铝电极。

6、基于上述方法的进一步改进，通过第一键合工艺将所述第一硅片与所述第二硅片键合以形成硅层结构包括：通过所述第一键合工艺将所述第一硅片的顶面与所述第二硅片的顶面键合以将所述第一硅片形成为所述四棱台形空腔的顶面，并将键合的第一硅片和第二硅片作为硅层结构，其中，所述多个压阻条位于所述四棱台形空腔的正方形顶面的正上方处并且位于所述正方形顶面的四条边部，其中，所述第一键合工艺为硅硅键合工艺。

7、基于上述方法的进一步改进，利用喷砂打孔工艺在玻璃基底中形成基底通孔，并将铂电阻设置在所述玻璃基底的顶面上方包括：利用所述喷砂打孔工艺在所述玻璃基底中形成多个通孔；在所述玻璃基底的顶面上方形成铂电阻作为温度传感器，其中，所述多个压阻条与所述铂电阻在水平和垂直方向上彼此间隔开；对所述玻璃基底进行光刻并对所述玻璃基底的顶面进行镀铝以形成第二引出电极，对所述多个基底通孔的侧壁进行镀铝以形成引出所述铂电阻的温度电信号的第二基底电极，同时形成引出所述铝电极的压力电信号的第一基底电极。

8、基于上述方法的进一步改进，利用第二键合工艺将所述硅层结构与所述玻璃基底键合包括：利用第二键合工艺将所述硅层结构的底面与所述玻璃基底的顶面键合以形成四棱台形空腔的底面，其中，所述第二键合工艺为阳极键合工艺，并对所述四棱台形空腔进行抽真空处理，使得所述多个压阻条和所述铂电阻位于同一四棱台形空腔内。

9、基于上述方法的进一步改进，所述多个压阻条包括四个压阻条，其中，通过多个第一引出电极将所述多个压阻条连接为惠斯通电桥，经由四个铝电极将多个第一引出电极的压力电信号引出至四个第一基底通孔使得单片机经由所述四个第一基底电极采集压力电信号；以及通过两个第二引出电极将所述温度电信号引出至两个第二基底电极，使得所述单片机经由所述两个第二基底电极采集温度电信号。

10、另一方面，本发明实施例提供了一种温压一体传感器，包括：玻璃基底，包括位于所述玻璃基底的顶面上的铂电阻和位于所述玻璃基底中的多个基底通孔；硅层结构，位于所述玻璃基底上方，包括第一硅片和位于第一硅片下方的第二硅片；所述第一硅片的底面上设置有多个压阻条；以及所述第二硅片包括四棱台形空腔，其中，所述第一硅片的底面作为所述四棱台形空腔的顶面以及所述玻璃基底的顶面作为所述四棱台形空腔的底面，使得所述多个压阻条和所述铂电阻暴露于所述四棱台形空腔中。

11、基于上述装置进一步改进，所述四棱台形空腔包括正方形顶面和正方形底面；所述多个压阻条为四个压阻条，其中，所述四个压阻条，位于所述正方形顶面的四条边部处，经由位于所述正方形顶面上的多个第一引出电极连接为惠斯通电桥。

12、基于上述装置进一步改进，温压一体传感器还包括：四个铝电极，位于所述四棱台形空腔的侧壁以及所述第二硅片的底面上；四个第一基底电极，位于所述正方形顶面的角部正下方并且位于所述多个基底通孔中的四个基底通孔的侧壁上，经由所述多个第一引出电极和所述四个铝电极与所述四个压阻条连接；两个第二引出电极，在所述玻璃基底的顶面上位于所述铂电阻两侧；两个第二基底电极，位于所述多个基底通孔中的两个基底通孔的侧壁上，经由所述两个引出电极与所述铂电阻连接。

13、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

14、1、在温压一体传感器的制作方法的过程中，通过压阻条和温度传感器内置的温度压力一体化方案，可以在同一位置感受压力和温度，若光纤陀螺处于快速温变环境中，由于压力和温度来自于同一区域，因此可对压力传感器进行快速温变的高精度温度补偿，准确反映光纤陀螺内部的气压变化，通过该方法制作的温压一体传感器也可以推广至任何需要对快速温变压力进行精确监测的场合；

15、2、根据本发明实施例的温压一体芯片，可用于光纤陀螺的密封性实时监测，由于将温度传感器与压力传感器集成在一个硅片上，其导热较好，能够实时测量，当外界环境温度迅速变化时的准确压力；

16、3、该温度压力芯片与传统芯片的不同之处在于，其压阻条在真空腔内部，而非芯片表面，传统的压力芯片，由于压阻条在芯片表面，因此为了对其保护，通常会加一层氧化硅和一层氮化硅，其中一层将会对硅片提供压应力，另一层会对硅片提供拉应力，所以达到压应力和拉应力平衡，该方案由于压阻条在真空环境中，不需要对其进行任何保护，因此其不需要进行保护层的应力匹配，具有更好的长期稳定性；

17、4、传统的压力传感器电极与压力作用面都在同一侧，而本方案压力作用在芯片上端，而电极从芯片下端的厚玻璃处引出，由于厚玻璃可以很好的隔离粘接应力，因此具有较小的粘接应力，理论上其长期稳定性和精度应比传统芯片方案高；

18、5、此外，温压一体传感器可推广至任何需要进行温度压力一体化测量的监测、监控场景。

19、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。