CN102620865A - 一种梁膜双岛结构微压高过载传感器芯片 - Google Patents

一种梁膜双岛结构微压高过载传感器芯片 Download PDF

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Abstract

一种梁膜双岛结构微压高过载传感器芯片，包括硅基底，硅基底上加工有两个质量块和三根单梁，质量块与硅基底、两个质量块之间均通过单梁连接，将硅基底、质量块及三根单梁围成的空间加工成薄膜，硅基底的背面与Pyrex7740玻璃键合，质量块与Pyrex7740玻璃之间在真空环境下留有间隙，同时将Pyrex7740玻璃上的两个防吸附电极插入键合区域，将薄膜、质量块和Pyrex7740玻璃之间形成的腔体抽真空，在硅基底的正面，四个压敏电阻条相互连接组成开环惠斯通电桥，三根单梁的引入提高了整体的刚度，再次集中了应力，具有线性好，灵敏度高，零位小的特点，同时可以抗500倍的高过载。

Description

一种梁膜双岛结构微压高过载传感器芯片
技术领域
本发明涉及MEMS压阻式绝对压力传感器技术领域，具体涉及一种梁膜双岛结构微压高过载传感器芯片。
背景技术
随着微机械电子系统技术的发展，MEMS微压传感器已被广泛应用于风洞测试，生物医电及石油化工等领域，尤其在航天，这种对传感器体积、重量有严格要求的领域，MEMS传感器无疑是十分理想的选择。
随着航天技术的发展，我国目前的MEMS微压传感器主要还停留在KPa级上，并不能满足航天领域对Pa级微压测量的需求，也不能适应航天领域的工作环境，不能满足航天领域对深高空微压精确测量技术的需求。由于飞行器飞行到深高空时，环境气压不足标准大气压的万分之一，因而传感器需要承受地面与深高空之间相当于数百倍满量程的高过载，并能高精度地测量深高空的微压。同时，在地面与深高空近100℃的温差下，传感器仍需保持高精度的测量。因此，如何解决高灵敏度与高过载，高灵敏度与高线性度之间的矛盾，同时，抑制低温对传感器测量精度的影响，是保障传感器可靠、精确地测量深高空微压，而亟待突破的关键技术难点。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种梁膜双岛结构微压高过载传感器芯片，能够对Pa级微压进行测量，具有高线性度、高精度，同时能够承受相当于满量程500倍的高过载，能够满足航天领域对深高空微压精确测量的需求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种梁膜双岛结构微压高过载传感器芯片，包括硅基底1，硅基底1上加工有两个质量块4-1、4-2和三根单梁3-1、3-2、3-3，第一质量块4-1通过第一单梁3-1与硅基底1连接，第二质量块4-2通过第三单梁3-3与硅基底1连接，第一质量块4-1和第二质量块4-2之间通过第二单梁3-2连接，将硅基底1、质量块4-1、4-2及三根单梁3-1、3-2、3-3围成的空间加工成10～30μm薄膜2，硅基底1的背面与Pyrex7740玻璃5键合，将质量块4-1、4-2的背面减薄，使质量块4-1、4-2与Pyrex7740玻璃5之间在真空环境下留有5～10μm的间隙，同时将Pyrex7740玻璃5上的防吸附电极9-1、9-2插入键合区域10，将薄膜2、质量块4-1、4-2和Pyrex7740玻璃5之间形成的腔体抽真空，在硅基底1的正面，四个压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4按照三根单梁3-1、3-2、3-3上的应力分布规律均布置在靠近其根部处，且沿着压阻系数最大的晶向，四个压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4通过硅基底1上的金属引线8相互连接组成开环惠斯通电桥，电桥的输出端与硅基底1上的焊盘7相连。
所述的三根单梁3-1、3-2、3-3厚度为10～40μm。
所述的四个压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4均由四折相同的电阻条组成，并且沿相同的晶向布置。
所述的焊盘7采用Ti-Pt-Au多层引线技术。
所述的金属引线8采用Ti-Pt-Au多层引线技术。
所述的防吸附电极9-1、9-2采用Cr材料，防吸附电极9-1、9-2为梳齿状，与质量块4-1、4-2的接触面积小。
本发明采用梁膜双岛结构作为MEMS微压传感器的芯体结构，可以承受由地面气压带来的相当于500倍满量程的高过载，三根单梁3-1、3-2、3-3上压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4的分布位置是根据有限元计算结果确定的，可以提高惠斯通电桥的输出电压，从而进一步提高传感器的灵敏度。硅基底1上的焊盘7与金属引线8采用了Ti-Pt-Au多层引线技术，即将Ti置于底层与压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4连接，以降低接触电阻，Pt置于中间阻挡层，以提高引线耐腐蚀性，Au置于上边引线键合层，以利于引线键合。此技术可以保证在航天等恶劣环境下，引线键合连接的可靠性。该传感器芯片的结构合理，能够抗高过载，同时又具备高可靠性、高精度、高线性度、便于加工、成本低等特点，有利于实现批量化生产。
附图说明
图1为本发明轴侧示意图。
图2为本发明正面示意图。
图3为本发明硅基底1的背腔示意图。
图4为图2中A-A截面的剖视示意图。
图5为本发明防吸附电极9-1、9-2以及硅基底1与Pyrex7740玻璃5键合区域10的示意图。
图6为本发明压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4连接构成的惠斯通电桥示意图。
图7为本发明正常工作时，图2中A-A截面处的示意图。
图8为本发明在地面大气环境下承受过载时，图2中A-A截面处的示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施方式。
参照图1和图2，一种梁膜双岛结构微压高过载传感器芯片，包括硅基底1，硅基底1上加工有两个质量块4-1、4-2和三根单梁3-1、3-2、3-3，第一质量块4-1通过第一单梁3-1与硅基底1连接，第二质量块4-2通过第三单梁3-3与硅基底1连接，第一质量块4-1和第二质量块4-2之间通过第二单梁3-2连接，将硅基底1、质量块4-1、4-2及三根单梁3-1、3-2、3-3围成的空间加工成10～30μm薄膜2，硅基底1的背面与Pyrex7740玻璃5键合，参照图3、图4和图5，将质量块4-1、4-2的背面减薄，使质量块4-1、4-2与Pyrex7740玻璃5之间在真空环境下留有5～10μm的间隙，同时将Pyrex7740玻璃5上的防吸附电极9-1、9-2插入键合区域10，将薄膜2、质量块4-1、4-2和Pyrex7740玻璃5之间形成的腔体抽真空，在硅基底1的正面，四个压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4按照三根单梁3-1、3-2、3-3上的应力分布规律均布置在靠近其根部处，且沿压阻系数最大的晶向。
参照图6，四个压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4通过硅基底1上的金属引线8相互连接组成开环惠斯通电桥，电桥的输出端与硅基底1上的焊盘7相连，同时电桥采用恒流源供电，可以很好地抑制由于温度对传感器信号输出的非线性影响。
所述的三根单梁3-1、3-2、3-3厚度为10～40μm。
所述的四个压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4均由四折相同的电阻条组成，并且沿相同的晶向布置。
所述的焊盘7采用Ti-Pt-Au多层引线技术。
所述的金属引线8采用Ti-Pt-Au多层引线技术。
所述的防吸附电极9-1、9-2采用Cr材料，防吸附电极9-1、9-2为梳齿状，与质量块4-1、4-2的接触面积小。
本发明的工作原理为：
参照图7，传感器在深高空微压作用下，薄膜2开始向下凹，其上的三根单梁3-1、3-2、3-3对应力进行二次集中，从而增大了梁上四个压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4的输出电压，即可提高传感器的灵敏度，同时，三根单梁3-1、3-2、3-3和两个质量块4-1、4-2的存在，增大了结构整体的刚度，明显改善了传感器的线性。
参照图8，当传感器处于地面大气环境时，要承受大气压的作用，在承受相当于500倍满量程的高过载时，质量块4-1、4-2已压在防吸附电极9-1、9-2上，起到限位保护的作用，防止薄膜2因挠度过大而破坏。防吸附电极9-1、9-2减小了与质量块4-1、4-2的接触面积，同时，防吸附电极9-1、9-2通过插入键合区域与硅基底1接触，形成等电位，从而有效避免了静电力产生的质量块4-1、4-2与Pyrex7740玻璃5吸附的问题。因此，正是由于防吸附电极9-1、9-2的存在，才使得本发明由过载状态转入工作模式时，质量块4-1、4-2可以被顺利地弹起，从而，进一步提高传感器的工作稳定性。
本发明的梁膜双岛结构微压高过载传感器芯片，相对于传统的C型平膜和E型岛膜结构，由于三根单梁3-1、3-2、3-3的引入提高了整体的刚度，再次集中了应力，因此，该结构具有线性好，灵敏度高的特点。同时，由于四个压敏电阻条6-1、6-2、6-3、6-4布置在相同的晶向上，并且三根单梁3-1、3-2、3-3上的应力分布一致性较好，因此，该结构具有较低的零位输出。此外，三根单梁3-1、3-2、3-3与质量块4-1、4-2可以较好地分担薄膜2所承受的过载，使得结构可以抗500倍的高过载。

Claims (6)

1.一种梁膜双岛结构微压高过载传感器芯片，包括硅基底(1)，其特征在于：硅基底(1)上加工有两个质量块(4-1)、(4-2)和三根单梁(3-1)、(3-2)、(3-3)，第一质量块(4-1)通过第一单梁(3-1)与硅基底(1)连接，第二质量块(4-2)通过第三单梁(3-3)与硅基底(1)连接，第一质量块(4-1)和第二质量块(4-2)之间通过第二单梁(3-2)连接，将硅基底(1)、质量块(4-1)、(4-2)及三根单梁(3-1)、(3-2)、(3-3)围成的空间加工成10～30μm薄膜(2)，硅基底(1)的背面与Pyrex7740玻璃(5)键合，将质量块(4-1)、(4-2)的背面减薄，使质量块(4-1)、(4-2)与Pyrex7740玻璃(5)之间在真空环境下留有5～10μm的间隙，同时将Pyrex7740玻璃(5)上的防吸附电极(9-1)、(9-2)插入键合区域(10)，将薄膜(2)、质量块(4-1)、(4-2)和Pyrex7740玻璃(5)之间形成的腔体抽真空，在硅基底(1)的正面，四个压敏电阻条(6-1)、(6-2)、(6-3)、(6-4)按照三根单梁(3-1)、(3-2)、(3-3)上的应力分布规律均布置在靠近其根部处，且沿着压阻系数最大的晶向，四个压敏电阻条(6-1)、(6-2)、(6-3)、(6-4)通过硅基底(1)上的金属引线(8)相互连接组成开环惠斯通电桥，电桥的输出端与硅基底(1)上的焊盘(7)相连。
2.根据权利要求1所述的一种梁膜双岛结构微压高过载传感器芯片，其特征在于：所述的三根单梁(3-1)、(3-2)、(3-3)厚度为10～40μm。
3.根据权利要求1所述的一种梁膜双岛结构微压高过载传感器芯片，其特征在于：所述的四个压敏电阻条(6-1)、(6-2)、(6-3)、(6-4)均由四折相同的电阻条组成，并且沿相同的晶向布置。
4.根据权利要求1所述的一种梁膜双岛结构微压高过载传感器芯片，其特征在于：所述的焊盘(7)采用Ti-Pt-Au多层引线技术。
5.根据权利要求1所述的一种梁膜双岛结构微压高过载传感器芯片，其特征在于：所述的金属引线(8)采用Ti-Pt-Au多层引线技术。
6.根据权利要求1所述的一种梁膜双岛结构微压高过载传感器芯片，其特征在于：所述的防吸附电极(9-1)、(9-2)采用Cr材料，防吸附电极(9-1)、(9-2)为梳齿状，与质量块(4-1)、(4-2)的接触面积小。
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