CN103776568A - 压力传感器 - Google Patents

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张新伟
夏长奉
李祥
苏巍
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    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
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    • G—PHYSICS
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    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation

Abstract

本发明公开了一种压力传感器，其包括硅杯、压敏电阻、绝缘层和金属膜。其中，所述硅杯包括位于该硅杯上部的感压膜和位于该硅杯侧边的支撑架；所述压敏电阻位于该硅杯的感压膜边界内；所述绝缘层覆盖于所述硅杯上表面；所述金属膜位于所述感压膜上方。利用金属具有热胀冷缩的特性，在感压膜上方放置金属膜，通过金属膜在温度升高时变长，迫使硅杯上感压膜发生更大变形来抵消或减少因使用温度升高使传感器输出信号减小的缺陷。

Description

压力传感器
技术领域
本发明涉及传感器，具体涉及一种微机电系统MEMS技术的压力传感器。 
背景技术
压力传感器的应用范围非常广泛，包括石化、液压、食品、医药、机械、采矿、电器以及医疗仪器等，几乎遍及各行各业。 
目前，压力传感器通过由做在硅膜上的由应力引起电阻阻值变化的压力敏感元件。该传感器在工作温度升高时，硅膜的压阻系数降低，从而导致在相同压力下器件的输出信号降低（也即是器件的灵敏度下降）。例如：如图1（a）所示的P型硅的压阻系数随着掺杂浓度和温度的变化趋势图，图1（b）所示的N型硅的压阻系数随着掺杂浓度和温度的变化趋势图。籍此，表明该类压力传感器存在温度特性，尤其对于一些高要求应用场合（例如：高温高压等特殊场合），特别要求压力传感器的这种温度特性很小，甚至没有。 
有鉴于此，有必要提出一种改善压力传感器的温度特性灵敏度的新型压力传感器。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种可改善温度特性灵敏度的压力传感器。 
为实现以上目的或者其他目的，本发明提供如下技术方案： 
一种压力传感器包括硅杯、压敏电阻、绝缘层和金属膜；其中，所述硅杯包括位于该硅杯上部的感压膜和位于该硅杯侧边的支撑架；所述压敏电阻位于该硅杯的感压膜边界内；所述绝缘层覆盖于所述硅杯上表面；所述金属膜位于所述感压膜上方。
按照本发明一实施例，其中，所述金属膜是圆形或多边形。 
进一步地，所述金属膜是矩形。 
按照本发明一实施例，其中，所述金属膜的材料选自Al、Au、Ti、Cu中的一种或多种。 
按照本发明一实施例，其中，所述金属膜设置于所述绝缘层之上，由所述绝缘层将其与所述感压膜隔开。 
按照本发明一实施例，其中，所述绝缘层的材料为二氧化硅或氮化硅。 
按照本发明一实施例，其中，所述压敏电阻介于所述感压膜与所述绝缘层之间，由位于其两端的电阻引出端引出。 
按照本发明一实施例，其中，所述硅杯还设有衬底引出端，该衬底引出端位于所述硅杯的支撑架上方。 
按照本发明一实施例，其中，所述压力传感器还包括与所述硅杯下方通过键合封接工艺连接在一起的密封片。 
进一步地，所述密封片材料为玻璃片或单晶硅片。 
本发明的技术效果是，该压力传感器利用金属具有热胀冷缩的特性，在感压膜上方放置金属膜，通过金属膜在温度升高时变长，迫使硅杯上感压膜发生更大变形来抵消或减少因使用温度升高使传感器输出信号减小的问题。改善压力传感器的因使用温度的升高而使输出信号减小的技术问题。此外，本发明还在硅杯上设置衬底引出端，以有利于该压力传感器信号的输出效果。 
附图说明
从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完全清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。 
图1（a）是P型硅的压阻系数随着掺杂浓度和温度的变化趋势图。 
图1（b）是N型硅的压阻系数随着掺杂浓度和温度的变化趋势图。 
图2是本发明一实施例的压力传感器的俯视图。 
图3是图2在本发明一实施例的压力传感器的主视图。 
图4是图2在本发明一实施例中压力传感器的剖面图。 
具体实施方式
本发明以下结合附图和实施例作详细说明： 
图2是本发明一实施例的压力传感器的俯视图；图3是图2中压力传感器的主视图；图4是图2中压力传感器的剖面图。本实施例通过图2、图3和图4对压力传感器进行说明。本实施例的原理是：采用一种由做在感压膜上的由应力引起电阻阻值变化的压敏电阻以及利用了金属的热胀冷缩的特性来对压力传感器进行信号补偿，也就是通过传感器温度的升高，让金属膜变长，从而迫使硅杯上的感压膜发生更大的形变以使输出信号增加，这样也就能相互抵消或减少因温度升高造成的传感器输出信号减小。
如图2所示，本发明提供的压力传感器，主要由硅杯20、压敏电阻30、绝缘层40和金属膜50组成。 
如图2并结合图3和图4所示，该硅杯20包括位于硅杯上部的感压膜202和位于硅杯两边的支撑架201，该感压膜202可为方形或圆形或矩形或多边形，其厚度一般大于5μm，甚至有时候可达几百微米。所述感压膜202加上压力时，膜片将发生变化，并引起桥路电阻值发生变化，从而实现压力的测量。通常对单晶硅衬底双面抛光，然后使其衬底下表面淀积由LPTOES和SiN组成的掩膜层，采用温度恒定在50℃-90℃之间，浓度为25%TAMH的溶液腐蚀而成所述硅杯20，并在其背面形成一腔体21。而一般为了有利于压力传感器信号的输出，也通常在所述压力传感器的硅杯20上通过N型硅高浓度掺杂光刻注入形成衬底引出端22。如本实施例中图2和图3所示，该衬底引出端22位于所述硅杯20的支撑架201的边界内，且通过与穿过所述绝缘层40的金属引线65电性连接并向外界电路导出信号。 
如图4所示，该压敏电阻30通常由P型硅低浓度掺杂后光刻注入而成，其位于该硅杯20的感压膜202边界内，介于所述感压膜202与所述绝缘层40之间，其厚度为0.1～10μm。在本实施例中，该压敏电阻30共计4个，并构成惠斯顿电桥。除此之外所述压敏电阻还可以为1个或8个，也就是说所述压敏电阻的个数可根据实际使用的要求选择，在此不作多加限定。所述压敏电阻30是将感压膜202产生的应力变化转换为电阻值变化的输出信号。该压敏电阻30包括电阻引出端301，该电阻引出端301是由P型硅高浓度掺杂后光刻注入而成，并与穿过所述绝缘层40的金属引线61、62、63、64电性连接。其中，所述金属引线60通过电性连接所述压敏电阻30，以实现该压力传感器与外接电路（图中未示）的连接。所述金属引线60通常优选用Al（铝），除此之外还可以选用Au（金）或Ti（钛）或Cu（铜）。 
该绝缘层40是与所述硅杯20连接的，并通过CVD（化学气象法）或热氧工艺制作成二氧化硅层（或氮化硅层），其厚度为0.1μm~2μm。所述绝缘层40是用于隔离所述感压膜202与金属引线60以及所述感压膜202与所述金属膜50，起到绝缘作用。 
继续如图4所示，该金属膜50的材料可选自Al（铝）、Au（金）、Ti（钛）、Cu（铜）中的一种或多种，或者其他热膨胀系数较大的材料。在本实施例中，优选Al（铝）材。该金属膜50位于所述感压膜202上方。由于根据不同的工艺要求，对金属膜的尺寸和厚度也有要求，而所述金属膜的尺寸是随着不同器件中的所述感压膜的厚度不同而不同。比如在本实施例中，所述金属膜的尺寸为2mm×2mm，厚度为0.7 mm。在压力传感器中，由于金属的热胀冷缩，该金属膜50随着传感器使用温度的升高而变长，迫使所述硅杯20上的感压膜202发生更大的形变以使输出信号增加，从而相互抵消或减少因传感器的使用温度升高造成输出信号减少的问题。 
在本发明中，有时根据工艺要求，需要实现腔体与压力介质隔离。在本实施例中，该压力传感器还可以包括密封片（图中未示），该密封片可为玻璃密封片或硅密封片。密封片以玻璃片为例，可采用真空环境下的键合工艺使密封片与硅杯下方封接在一起，也即是与硅杯的支撑架相连接。此结构也为本领域技术人员所知晓的常用技术，在此不再赘述。 
上述实施例所述压力传感器涉及到的一般工艺流程具体说明如下：第一、在双面抛光的单晶硅衬底的下表面淀积由LPTOES和SiN组成的掩膜层（图中未示）；第二、通过对单晶硅衬底进行P型低浓度掺杂得到压敏电阻30，继续在压敏电阻30两端进行P型高浓度掺杂得到电阻引出端301；第三、根据器件使用需要，对单晶硅衬底进行N型高浓度掺杂得到衬底引出端22；第四、在单晶硅衬底的正面氧化生长二氧化硅层（或氮化硅层）和金属Al层，其中所述二氧化硅层为绝缘层，所述金属Al层一部分形成金属引线，另一部分形成金属膜；第五、采用温度恒定在80℃，浓度为25%TAMH的溶液腐蚀单晶硅衬底背面，最终形成所述硅杯20，其硅杯20背面呈一腔体21；第六、可根据工艺要求以及器件的使用不同通过键合工艺将与硅杯长度相同地密封片封接在硅杯20下方。 
该压力传感器利用金属具有热胀冷缩的特性，在感压膜上方放置金属膜，通过金属膜在温度升高时变长，可以迫使硅杯上感压膜发生更大变形从而来抵消或减少因使用温度升高使传感器输出信号减小的问题。 
以上例子主要说明了本发明的压力传感器。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。  

Claims (10)

1.一种压力传感器，其特征在于，该压力传感器包括硅杯、压敏电阻、绝缘层和金属膜；其中，所述硅杯包括位于该硅杯上部的感压膜和位于该硅杯侧边的支撑架；所述压敏电阻位于该硅杯的感压膜边界内；所述绝缘层覆盖于所述硅杯上表面；所述金属膜位于所述感压膜上方。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述金属膜是圆形或多边形。
3.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述金属膜是矩形。
4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述金属膜的材料选自Al、Au、Ti、Cu中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述金属膜设置于所述绝缘层之上，由所述绝缘层将其与所述感压膜隔开。
6.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述绝缘层的材料为二氧化硅或氮化硅。
7.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述压敏电阻介于所述感压膜与所述绝缘层之间，由位于其两端的电阻引出端引出。
8.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述硅杯还设有衬底引出端，该衬底引出端位于所述硅杯的支撑架上方。
9.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器还包括与所述硅杯下方通过键合封接工艺连接在一起的密封片。
10.根据权利要求9所述的压力传感器，其特征在于，所述密封片材料为玻璃片或单晶硅片。
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