本發明屬于傳感器相關的，更具體地，涉及一種耐高溫mems壓力傳感器芯片及其封裝結構。

背景技術：

1、隨著mems技術的發展，微壓力傳感器市場迅速拓展，但隨之也面臨一個問題——高溫環境下的器件穩定性、可靠性和精度等特性，傳統的壓力傳感器在超過120℃環境下使用時，會由于內部pn結出現漏電而導致傳感器性能急劇下降，進而導致失效。而工業、航天航空等領域使用的壓力傳感器需要滿足2個基本需求：高溫和高可靠性。對mems高溫壓力傳感器最基本的需求是在至少125℃環境下工作。而隨著傳感器工作溫度的升高，由于漏電流增大、材料蠕變和元件老化等因素的影響，其精度、線性度、靈敏度等特性也隨之降低，從而導致了mems壓阻式壓力傳感器性能的降低，甚至是器件失效。

2、高溫壓力傳感器在航天、航空、國防建設、能源開發等領域有著廣闊的應用需求。常溫mems壓力傳感器主要以硅(si)基壓力傳感器為主,在100℃工作溫度范圍內，商業化的si壓力傳感器工藝成熟、體積小、性能好，但是當其在超過120℃環境使用時，內部pn結會出現漏電，傳感器性能下降甚至失效。另外，si材料在大于500℃時還會發生塑性變形，不能滿足高溫環境下壓力測量的需求。

3、芯片的封裝在傳感器制造過程中占據重要作用，傳統的引線鍵合連接方式導線較長，在高頻應用中，會產生較大的電感和電阻，導致信號傳輸延遲增加、信號完整性下降。例如在5g通信、高速計算機等對高頻性能要求高的領域，引線鍵合難以滿足需求。同時，較長的引線容易產生電磁輻射，對周圍電路產生干擾，也容易受到外界電磁干擾，影響系統的穩定性和可靠性。由于需要在芯片周圍留出一定空間用于布置引線，這也限制了封裝密度的進一步提高，不適用于對小型化要求極高的產品，如智能手機、可穿戴設備等。

技術實現思路

1、針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種耐高溫mems壓力傳感器芯片及其封裝結構，其旨在通過引入具有高熱導率的ain層，結合ain之上的sio2層設計mems壓力傳感器芯片，同時借助金屬焊料層與金屬pad的連接、共晶層與soi襯底硅的連接實現封裝，由此解決現有mems壓力傳感器高溫工作下的可靠性不足的技術問題。

2、為實現上述目的，按照本發明的第一方面，提供了一種耐高溫mems壓力傳感器芯片，自下而上設有soi基底、aln層和sio2層；所述soi基底的底層中心位置設有的凹陷區，所述凹陷區對應的芯片區域為彈性膜片；

3、所述soi基底的最上層上設有多個p型壓敏電阻、所述多個p型壓敏電阻(7)均勻分布在所述彈性膜片邊緣的應力集中處；所述p型壓敏電阻的上方設有連續貫穿于所述aln層和所述sio2層的通道；所述通道中設有金屬pad；所述金屬pad的上端位于所述耐高溫mems壓力傳感器芯片最上層，下端與所述p型壓敏電阻接觸。

4、作為本發明的優選，所述soi基底自上而下包括soi頂層硅、soi埋氧層和soi襯底硅；多個所述p型壓敏電阻在所述soi頂層硅中對稱分布，并通過電氣連接形成惠斯通電橋。

5、作為本發明的優選，所述soi頂層硅上的每個所述p型壓敏電阻的壓敏電阻晶相相同。

6、作為本發明的優選，所述p型壓敏電阻為折線型壓敏電阻條，通過在所述soi頂層硅上進行b離子注入制得。

7、作為本發明的優選，所述b離子的濃度為1*1019～1*1020cm-3。

8、作為本發明的優選，所述soi埋氧層的厚度為1～3μm。

9、作為本發明的優選，所述soi襯底硅為硅杯結構。

10、作為本發明的優選，所述ain層(2)的厚度為50～200nm。

11、作為本發明的優選，所述sio2層的厚度為50～100nm。

12、按照本發明的另一方面，提供了一種耐高溫mems壓力傳感器封裝結構，包括電路板、如本發明第一方面任一項所述的耐高溫mems壓力傳感器芯片和不銹鋼底座；所述電路板與所述金屬pad通過金屬焊料層連接，所述soi襯底硅與所述不銹鋼底座通過共晶層連接；所述不銹鋼底座中心位置設有一貫穿通氣孔，直通至所述耐高溫mems壓力傳感器芯片中所述soi基底底面。

13、總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，主要具備以下的技術優點：

14、1、本發明通過設計芯片的層結構，通過引入具有高熱導率的ain層，作為散熱層和保護層能夠很好地改善壓力傳感器的溫度特性，相較于傳統的sio2散熱材料，aln具有更高的熱導率，因而aln傳熱特性較好，溫度會很快傳導到soi頂層硅；另外，sio2材料的熱膨脹系數比硅小的多，避免了類似sio2層加劇零點溫度漂移現象；同時，在aln表面沉積或濺射一層sio2無機涂層作為保護層，避免由于aln層易吸收空氣中的水分子發生水解反應，導致影響其導熱性能和絕緣性能。由此，使得本發明的傳感器在高溫工作下具備高可靠性。

15、2、優選地，四個p型壓敏電阻通過連接成惠斯通電橋來輸出電壓信號，惠斯通電橋采用恒流源供電方式，相較于恒壓源供電具有更小的靈敏度溫度漂移。

16、3、優選地，本發明的耐高溫壓力傳感器芯片包括在彈性膜片邊緣的應力集中處均勻、對稱分布的p型壓敏電阻，p型壓敏電阻晶相一致，在晶相上均達到最大靈敏度。

17、4、優選地，本發明的p型壓敏電阻采用折線型結構，能夠更好地感測應力集中區域以傳遞應力。5、優選地，本發明的p型壓敏電阻條采用1*1019～1*1020cm-3高濃度的b離子注入，具有更小的溫度漂移和高可靠性。

18、6、優選的，本發明的soi埋氧層的厚度為1～3μm，相較于傳統工藝制備的soi氧埋層只有不足450nm的厚度，本發明的耐高溫mems壓力傳感器芯片的soi氧埋層厚度更大，能夠有效避免高溫條件下漏電流的影響，保證在高溫惡劣環境下傳感器的穩定性和可靠性。

19、7、優選地，在aln表面沉積或濺射一層sio2無機涂層作為保護層。由于aln層也存在一些局限性，如易吸收空氣中的水分子發生水解反應，可能影響其導熱性能和絕緣性能，因此在aln表面沉積或濺射一層sio2無機涂層，sio2無機涂層可以通過物理阻隔的方式，防止水分到達aln表面；同時自身具有較好的化學穩定性，不易與水發生反應，同時sio2具有良好的絕緣特性，不會對aln的絕緣性產生負面影響，反而可能增強整體的絕緣效果，進一步可以作為保護層防止環境污染和腐蝕等。

20、8、本發明的耐高溫mems壓力傳感器芯片與電路板、不銹鋼底座連接，具體地，一方面芯片與不銹鋼底座通過共晶鍵合工藝形成可靠的粘合，其低溫特性有效減少對溫度敏感器件的熱損傷，并降低異質材料界面的熱應力，其次共晶鍵合氣密性高，熔融金屬可填充表面微缺陷，形成無孔隙界面，適用于mems真空或充壓封裝；另一方面，耐高溫mems壓力傳感器芯片與電路板通過倒裝焊工藝形成可靠的電氣連接，相較于傳統的引線鍵合方式，倒裝焊芯片和基板之間的連接間距小，能夠大大減小信號傳輸路徑的長度，減少了信號傳輸延遲和信號衰減；同時耐高溫mems壓力傳感器芯片與電路板通過金屬焊料連接，金屬焊料具有良好的導電性和熱傳導性，可確保電路板與耐高溫mems壓力傳感器芯片之間的穩定電氣性能和散熱效率；在高溫工作環境下，金屬焊料的物理特性不會發生顯著變化，保障了整個傳感器在極端條件下的可靠性；此外，金屬焊料通過精確控制其成分和工藝，能夠優化其機械強度和抗疲勞性能，從而延長傳感器的使用壽命。