CN102980696B - 一种微机械系统中接触式电阻压力传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机械系统中接触式电阻压力传感器，包括顶部设有条形电极阵列的硅衬底和底部设有凹槽的硅片，硅片固定连接在硅衬底的顶面，硅片的凹槽形成密封腔体，凹槽的表面溅射一金属层，凹槽上方为作为压力感知区的顶部膜层；条形电极阵列是在硅衬底上通过掺杂方式形成的相互间隔、并行排列的条形电极；每个条形电极的中部断开，形成条形电极对；每个条形电极的两端均位于硅片外侧，且每个条形电极的两端均连接压焊块，压焊块固定连接在硅衬底上。该传感器结构简单，可准确测量压力。同时，本发明还公开了该传感器的测量方法，该测量方法通过电阻测量，即可测算压力大小，且无须电阻的精确测量，该测量方法高效、简单、易行。

Description

一种微机械系统中接触式电阻压力传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种微机械系统（文中简称MEMS）制造、性能及其可靠性测试的领域，具体来说，涉及一种微机械系统中接触式电阻压力传感器及其测量方法。

背景技术

MEMS压力传感器具有尺寸小、启动快、成本低、可靠性好等优点而广泛应用于电子、医学、生物、航空等民用和军用的各个领域。目前，研究和应用中的MEMS压力传感器主要分压阻式和电容式。其中电容式压力传感器灵敏度更高、受周围环境影响较小。但是为了检测出微小电容，与之相适应的处理电路较为复杂，从而增加了制造难度和成本。

如果在一定的工作范围内，能够设计一种相对于压阻式和电容式传感器而言更为简单的检测方式，必将有很好地应用前景。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是，提供一种微机械系统中接触式电阻压力传感器，该传感器结构简单，可准确测量压力；同时，还提供了该传感器的测量方法，该测量方法通过电阻测量，即可测算压力大小，且无须电阻的精确测量，该测量方法高效、简单、易行。

技术方案：为实现解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种微机械系统中接触式电阻压力传感器，该传感器包括顶部设有条形电极阵列的硅衬底和底部设有凹槽的硅片，硅片固定连接在硅衬底的顶面，硅片的凹槽形成密封腔体，凹槽的表面溅射一金属层，凹槽上方为作为压力感知区的顶部膜层；所述的条形电极阵列是在硅衬底上通过掺杂方式形成的相互间隔、并行排列的条形电极；每个条形电极的中部断开，形成条形电极对；每个条形电极的两端均位于硅片外侧，且每个条形电极的两端均连接压焊块，压焊块固定连接在硅衬底上。

上述的微机械系统中接触式电阻压力传感器的压力测量方法，所述的测量方法包括以下步骤：

步骤1）对顶部膜层施加压力，顶部膜层向下凹陷，

步骤2）顶部膜层向下凹陷，直至与硅衬底相接触；此时，顶部膜层接通一组或多组条形电极对，接通的条形电极对的数量由顶部膜层受压的凹陷程度决定；

步骤3）通过测量每组条形电极对两端的电阻，判断各条形电极对的接通情况；根据接通的条形电极对的数量，获得顶部膜层的凹陷程度，进而获知对顶部膜层施加的压力大小。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案采用掺杂方式形成的条形电极阵列，不影响衬底表面的平整性。通过常规的硅-硅键合工艺，可形成压力传感器所需的密封腔。在工作范围内，通过测量硅衬底上的条形电极阵列的接通情况，则可获知被测压力大小。整个测试过程采用电阻判断条形电极对的通或断，而无须精确测量电阻值，这使得传感器处理电路极为简单。另外，本发明提供的电阻压力传感器结构简单，加工、测量方便易行。

附图说明

图1为本发明的结构主视图。

图2为本发明的结构剖面图。

图3为本发明的结构衬底图。

图中有：硅衬底1、硅片4、金属层5、顶部膜层6、第一条形电极对21和31，第二条形电极对22和32、第三条形电极对23和33、第四条形电极对24和34、第五条形电极对25和35、第六条形电极对26和36、第七条形电极对27和37、第八条形电极对28和38、第九条形电极对29和39。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1至图3所示，本发明的一种微机械系统中接触式电阻压力传感器，包括顶部设有条形电极阵列的硅衬底1和底部设有凹槽的硅片4。硅片4固定连接在硅衬底1的顶面。硅片4的凹槽形成密封腔体。凹槽的表面溅射一金属层5。凹槽上方为作为压力感知区的顶部膜层6。条形电极阵列是在硅衬底1上通过掺杂方式形成的相互间隔、并行排列的条形电极。每个条形电极的中部断开，形成条形电极对。每个条形电极的两端均位于硅片4外侧，且每个条形电极的两端均连接压焊块，压焊块固定连接在硅衬底1上。每个条形电极的中部位于硅片4的凹槽下方。作为优选，每个条形电极的中部位于凹槽中部下方。

以图1为例，条形电极阵列中包含9个条形电极，形成9组条形电极对，即第一条形电极对21和31，第二条形电极对22和32、第三条形电极对23和33、第四条形电极对24和34、第五条形电极对25和35、第六条形电极对26和36、第七条形电极对27和37、第八条形电极对28和38、第九条形电极对29和39。9组条形电极对的两个末端分别与压焊块连接。当然，条形电极阵列可以包含其他数量的条形电极，例如6个、12个等等。

制备上述结构的传感器时，首先在一个硅片上刻蚀凹槽，并在凹槽表面溅射一层金属作为接触导通用。然后在另一衬底硅片上按照预先设计的电极分布图形进行离子注入掺杂，完成条形电极阵列的制作。条形电极的宽度和间隔可根据测量精度和工艺精度确定，一般为0.几个μm～几个μm均可。再采用硅-硅键合工艺将两个硅片结合在一起形成密封腔。最后对上部硅片减薄，使密封腔顶层厚度减至几个μm，具体设计厚度根据传感器工作范围和灵敏度的要求确定。

上述结构的传感器的具体测量步骤如下：

步骤1）当测量的压力在所设计的工作范围内时，传感器的顶部膜层6受到压力作用向下凹陷。压力越大，顶部膜层6凹陷越厉害，与硅衬底1相接触的区域就越大。常态下，硅衬底1的各条形电极对之间是断开的。

步骤2）测量硅衬底1上的条形电极对之间的电阻，例如图1中，测量第一条形电极对21和31之间，第二条形电极对22和32之间、第三条形电极对23和33之间、第四条形电极对24和34之间、第五条形电极对25和35之间、第六条形电极对26和36之间、第七条形电极对27和37之间、第八条形电极对28和38之间、第九条形电极对29和39之间的电阻，当电阻值小于100Ω量级，表明顶部膜层6因变形向下凹陷，已将该电极对接通，顶部膜层6触碰到该条形电极对；当电阻值大于MΩ量级，表明顶部膜层6未触碰到该条形电极对。

步骤3）根据传感器预先定标结果，由接通的条形电极对的数量，可获知顶部膜层受到的压力大小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种微机械系统中接触式电阻压力传感器，其特征在于：该传感器包括顶部设有条形电极阵列的硅衬底（1）和底部设有凹槽的硅片（4），硅片（4）固定连接在硅衬底（1）的顶面，硅片（4）的凹槽形成密封腔体，凹槽的表面溅射一金属层（5），凹槽上方为作为压力感知区的顶部膜层（6）；所述的条形电极阵列是在硅衬底（1）上通过掺杂方式形成的相互间隔、并行排列的条形电极；每个条形电极的中部断开，形成一组条形电极对；每个条形电极的两端均位于硅片（4）外侧，且每个条形电极的两端均连接压焊块，压焊块固定连接在硅衬底（1）上。

2.一种如权利要求1所述的微机械系统中接触式电阻压力传感器的压力测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括以下步骤：

步骤1）对顶部膜层（6）施加压力，顶部膜层（6）向下凹陷，

步骤2）顶部膜层（6）向下凹陷，直至与硅衬底（1）相接触；此时，顶部膜层（6）接通一组或多组条形电极对，接通的条形电极对的数量由顶部膜层（6）受压的凹陷程度决定；

步骤3）通过测量每组条形电极对两端的电阻，判断各条形电极对的接通情况；根据接通的条形电极对的数量，获得顶部膜层（6）的凹陷程度，进而获知对顶部膜层（6）施加的压力大小。