[0001] 本发明属于压力传感器技术领域，涉及的一种阶梯十字梁群岛错位膜高过载压力传感器芯片及其制备方法。

[0002] 自20世纪50年代史密斯发现半导体中的压阻效应以来，压阻式压力传感器受到了广泛关注。硅已被证明是制造压力传感器的最佳材料之一。压阻式压力传感器因其结构紧
凑、易于集成、性能好、可靠性高、成本低等特点，广泛用于汽车工业、航空航天、生物医疗、工业机器人、船舶系统、工业检测等多个领域的压力测量、压力监控和压力控制。当压力传
感器用于航空航天、石油化工、海洋科学等恶劣环境时，由于测量介质的流动性和波动性，
经常会产生高于压力传感器测量范围的情况，甚至可能发生“水锤”的严重过载情况，这就
要求压力传感器具有很强的过载能力。

[0003] 大量的研究证实，通过压力传感器的敏感膜片结构设计可以显著提高传感器的性能。发明专利CN 111504526 B公开了一种具有应力集中结构的压阻式压力传感器芯片及其
制备方法。该发明运用应力突变的原理，通过半岛岛屿结构、应力集中槽和应力调节槽将应
力集中在硅杯空腔半岛岛屿的空隙，显著提高了传感器的灵敏度和线性度。压力传感器的
过载破损与最大应力的分布和数值密切相关，较为理想的最大应力点应位于压敏电阻区。
上述发明敏感膜片结构的最大应力分布位于硅杯空腔背部的应力集中处，导致其过载能力
十分受限。目前，大多数传感器结构与该发明类似，通过设计不同的结构提高压敏电阻区域
的应力，从而提高传感器的灵敏度，但是最大应力点仍然分布在硅压力传感器空腔顶部薄
膜边缘的中间。以上最大应力分布导致外界压力的增加时最大应力点的应力值迅速增加，
当最大应力数值达到硅的断裂强度时压力传感器会破损失效。因此，学者们又提出了一些
其它措施来提高压力传感器的过载能力。

[0004] 发明专利CN 112345157 A公开了一种抗高过载的压力传感器。该发明基于相应流体力学原理，在导压孔内增设压力缓冲结构，并在压力缓冲结构上增设合适长度的流道来
缓冲过载压力，从而实现对瞬态过载压力的抑制，提高压力传感器的过载能力。该发明的压
力缓冲机构的存在增大了压力传感器的整体尺寸，而且只能检测单向压力，不能实现双向
抗过载。同时，受限于缓冲结构中流道的长度，该发明只能抑制瞬态的过载压力，当承受持
续的过载压力时，该发明的缓冲结构将不起作用，传感器仍会破损失效。

[0005] 发明专利CN 116399484 A公开了一种高过载压力传感器及其制备方法。该发明提出一种硅杯、硅凸台和玻璃的三层结构，硅凸台起限位作用，位于硅杯空腔内部，和硅杯一
起分别与玻璃基底键合。当承受过载压力时，硅杯的薄膜会变形并与硅凸台接触，从而抵抗
外界的压力，提高压力传感器的过载能力。但是，硅凸台的制作需要增加键合、低压化学气
相沉积、光刻、反应离子刻蚀和湿法腐蚀等多道工艺，较为繁琐，硅凸台和硅杯空腔的尺寸
精度要求也较高。同时，硅杯、硅凸台和玻璃的三层结构决定了其只能承受自上而下的过载
压力，不能实现双向抗过载。

[0006] 综上所述，现有的提高压力传感器过载能力的方法仍存在着一些问题。一方面现有的压力传感器的结构设计只是做一些应力集中结构单纯地提高压敏电阻区的应力。虽然
传感器的灵敏度到很大的提升，但是过载能力并未得到改善，甚至会出现传感器的灵敏度
很高而过载能力极差的现象。另一方面，一些抗过载装置，例如：压力缓冲结构、膜盒装置
等，虽然一定程度上提高传感器的过载能力，但也存在不少弊端：只能抵抗瞬时过载、装置
相对压力传感器过于庞大、只能实现单向抗过载。此外，也有学者提出诸如硅凸台的止挡结
构，但受限于复杂的工艺和极高的尺寸精度，难以实现。因此，现有工艺简单的硅结构设计
很难实现压力传感器的双向高过载。在现有研究和技术基础上，本发明提出一种阶梯十字
梁群岛错位膜高过载压力传感器芯片及其制备方法，基于简洁的硅压阻式压力传感器工艺
和硅的本体结构设计理念，实现压力传感器的双向高过载。

[0057] 为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于
限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提
下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0058] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义
是两个或两个以上。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发
明中的具体含义。

[0059] 参照图1，一种阶梯十字梁群岛错位膜高过载压力传感器芯片，传感器芯片从结构上分为阶梯十字梁群岛薄膜结构层和背腔结构层。

[0060] 参照图1，阶梯十字梁群岛薄膜结构包括：正方形的薄膜7，位于薄膜7内侧且沿薄膜7中心依次设置的第一阶梯梁2‑1、第二阶梯梁2‑2、第三阶梯梁2‑3、第四阶梯梁2‑4和位于薄膜7中四个区域均匀分布的第一群岛6‑1、第二群岛6‑2、第三群岛6‑3和第四群岛6‑4。
第一阶梯梁至第四阶梯梁以及第一群岛至第四群岛的厚度为薄膜7厚度的100％～200％。

[0061] 阶梯十字梁由四个阶梯梁组成，阶梯梁的阶梯处由圆角平滑连接且形成应力集中区域，第一阶梯梁的应力集中区域设置有第一压敏电阻条3‑1，第二阶梯梁的应力集中区域
设置有第二压敏电阻条3‑2，第三阶梯梁的应力集中区域设置有第三压敏电阻条3‑3，第四
阶梯梁的应力集中区域设置有第四压敏电阻条3‑4。且所有压敏电阻条的有效长度沿着压
阻系数最大的晶向，金属引线将第一至第四压敏电阻条连接，组成半开环惠斯通全桥，并将
惠斯通全桥与布置在基体1上的五个焊盘连接实现电信号的输入输出。

[0062] 参照图1和图4，第一金属引线4‑1将第一压敏电阻条3‑1的第一端与第一焊盘5‑1连接，第二金属引线4‑2将第一压敏电阻条3‑1的第二端与第二焊盘5‑2连接；第三金属引线
4‑3将第二压敏电阻条3‑2的第一端与第二焊盘5‑2连接，第四金属引线4‑4将第二压敏电阻
条3‑2的第二端与第三焊盘5‑3连接；第五金属引线4‑5将第三压敏电阻条3‑3的第一端与第
四焊盘5‑4连接，第六金属引线4‑6将第三压敏电阻条3‑3的第二端与第五焊盘5‑5连接；第
七金属引线4‑7将第四压敏电阻条3‑4的第一端与第五焊盘5‑5连接，第八金属引线4‑8将第
四压敏电阻条3‑4的第二端与第一焊盘5‑1连接。第三焊盘5‑3和第四焊盘5‑4设置为开环，
用于与外界电阻连接从而起到补偿四个压敏电阻条因工艺误差导致的电阻不一致的现象。

[0063] 参照图2，背腔结构主要包括：与基体1相连且均匀分布在薄膜7边界中部的宽度相等的第一短梁9‑1、第二短梁9‑2、第三短梁9‑3、第四短梁9‑4、第一长梁10‑1、第二长梁10‑
2、第三长梁10‑3和第四长梁10‑4。第一短梁9‑1、第一长梁10‑1、第三长梁10‑3和第三短梁
9‑3的中轴线重回；第二短梁9‑2、第二长梁10‑2、第四长梁10‑4和第四短梁9‑4的中轴线重合；第一短梁9‑1和第一长梁10‑1之间，第二短梁9‑2和第二长梁10‑2之间，第三短梁9‑3和第三长梁10‑3之间，第四短梁9‑4和第四长梁10‑4之间，均设置有300μm～400μm的间隙。该间隙可以将应力进一步得到集中。在背腔薄膜7的中间设置有孤岛11，孤岛11与第一至第四
长梁间均设置200μm～300μm的间隔。第一至第四短梁，第一至第四长梁和孤岛11的宽度相
等，均为150μm～200μm。在背腔薄膜7表面，与正面四个群岛对应位置，设置第一群岛12‑1、第二群岛12‑2、第三群岛12‑3和第四群岛12‑4，宽度和正面四个群岛大小相同，均为200μm～300μm。

[0064] 参照图3，基体1背面与玻璃基底8通过真空键合结合在一起。其中，基体1背腔的第一群岛12‑1、第二群岛12‑2、第三群岛12‑3、第四群岛12‑4、第一长梁10‑1、第二长梁10‑2、第三长梁10‑3、第四长梁10‑4和孤岛11的高度均相同，由传感器膜片在最大应力时的位移
决定，保证第一至第四长梁和孤岛11不与玻璃基底8发生干涉，通过通孔13实现差压的测
量。

[0065] 参照图5‑1和图5‑2，第一压敏电阻条3‑1位于第一阶梯梁2‑1的阶梯处中间；第二压敏电阻条3‑2位于第二阶梯梁2‑2的阶梯处中间；第三压敏电阻条3‑3与第一压敏电阻条
3‑1结构、布局相同，位于第三阶梯梁2‑3的阶梯处中间；第四压敏电阻条3‑4与第二压敏电
阻条3‑2结构、布局相同，位于第四阶梯梁2‑4的阶梯处中间。四条压敏电阻均为四折结构，
初始的电阻值相同，且其有效长度方向均沿着压阻系数最大的晶向。

[0066] 作为本发明的优选实施例，薄膜7为正方形薄膜，垂直于薄膜边缘中点分布的第一阶梯梁2‑1、第二阶梯梁2‑2、第三阶梯梁2‑3、第四阶梯梁2‑4均为从大到小的阶梯形，四者长宽高均相同，共同组成阶梯十字梁。

[0067] 本发明的工作原理为：

[0068] 当传感器芯片上下受到不同的压力时，薄膜在差压的作用下开始变形，膜上的阶梯十字梁和背腔的短梁、长梁使分别应力集中在阶梯十字梁阶梯处和短梁、长梁的间隙处。
而阶梯与间隙的空间错位使得最大应力集中在阶梯十字梁处，不但增大了第一至第四压敏
电阻条的阻值变化量，提高了传感器的灵敏度，而且使应力的增加不像传统平膜的那样剧
烈，提高了传感器的过载能力。如图6所示，与同尺寸和同量程的平膜相比，本发明传感器芯
片的最大应力更小，可以实现更强的过载能力。同时薄膜上的群岛与背腔的群岛、孤岛增大
了结构的支撑及质量从而增加了结构的刚度，提高了传感器的线性度。所以，本发明传感器
芯片具有双向过载能力强、灵敏度高和线性度好的优点。

[0069] 本发明传感器芯片的制备方法如下：

[0070] 参照图7所示，本发明一种阶梯十字梁群岛错位膜高过载压力传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

[0071] 步骤1、使用N型(100)晶面双面抛光硅片，进行标准RCA清洗；

[0072] 步骤2、在清洗后的硅片1正面使用压敏电阻掩膜版进行光刻，然后通过离子注入进行硼离子轻掺杂，分别形成第一压敏电阻条3‑1、第二压敏电阻条3‑2、第三压敏电阻条3‑
3、第四压敏电阻条3‑4，然后进行退火，使得压敏电阻区的杂质掺杂浓度进一步均匀；

[0073] 步骤3、在步骤2得到的产品正面用欧姆接触掩膜版进行光刻，通过离子注入进行硼离子重掺杂，形成欧姆接触区14，然后进行退火，使得欧姆接触区14的杂质掺杂浓度进一
步均匀；

[0074] 步骤4、在步骤3得到的产品正面使用等离子增强化学气相沉积工艺沉积一层氮化硅层15，使用ICP技术刻蚀接触孔16；

[0075] 步骤5、在步骤4得到的产品正面用金属引线掩膜版进行光刻，接着进行磁控溅射并剥离形成金属引线4和焊盘5，然后进行高温合金化处理；

[0076] 步骤6、在步骤5得到的产品正面光刻，使用ICP技术刻蚀出正面的阶梯十字梁2和群岛6：阶梯十字梁2包括第一阶梯梁2‑1、第二阶梯梁2‑2、第三阶梯梁2‑3和第四阶梯梁2‑
4，正面的群岛6包括第一群岛6‑1、第二群岛6‑2、第三群岛6‑3和第四群岛6‑4，第一阶梯梁至第四阶梯梁以及第一群岛至第四群岛的厚度为薄膜7厚度的100％～200％；

[0077] 步骤7、使用背腔刻蚀掩模版对步骤6得到的产品背面进行光刻，使用ICP技术刻蚀形成背腔的短梁9、长梁10、孤岛11和群岛12：短梁9包括第一短梁9‑1、第二短梁9‑2、第三短梁9‑3和第四短梁9‑4，长梁10包括第一长梁10‑1、第二长梁10‑2、第三长梁10‑3和第四长梁
10‑4，背腔的群岛12包括第一群岛12‑1、第二群岛12‑2、第三群岛12‑3和第四群岛12‑4，短梁距离背腔底面50μm～150μm；

[0078] 步骤、在步骤7得到的产品背面光刻，使用ICP技术将长梁10、孤岛11和群岛12的厚度减薄，长梁10、孤岛11和群岛12的厚度相等，距离背腔底面50μm～100μm；

[0079] 步骤9、对玻璃基底8进行激光打孔形成0.5mm～1mm的通孔13；

[0080] 步骤10、将步骤8制作的硅基体1与步骤9处理后的玻璃基底8进行阳极键合，得到高过载的压力传感器芯片。

[0081] 经本实施方式所制作出来的压力传感器量程为100kPa，过载能力可达6倍满量程以上。相比于麦克传感器股份有限公司生产的MPM288型压阻式OEM压力敏感元件，测量范围
0～100kPa，过载能力为1.5倍满量程，本发明的过载能力提高了4倍以上。相比于德国
Siemens公司的QBE2003‑P1型压力传感器测量范围0～100kPa，过载能力为2.5倍满量程，本
发明的过载能力提高了2.4倍以上。相比于美国Merit Sensor公司的7000系列产品，量程
15psi(103kPa)，过载能力为3倍满量程，本发明的过载能力提高了2倍以上。可见，采用本发
明方法能够显著提高压力传感器的过载能力。

[0082] 以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书面对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明
的权利要求所涵盖。