CN105203250B - 一种热式压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热式压力传感器，其包括：一基片，其形成有凹槽，所述凹槽的开口部设置有薄膜，所述薄膜将所述凹槽封闭为腔体，所述腔体中设置有热电偶和加热器所述热电偶分别位于所述加热器的内侧和外侧。与现有技术相比，本发明制作成本低、具有高集成度、体积小，节约空间，具有高灵敏度，测量压力的精度高。

Description

一种热式压力传感器
技术领域
本发明是涉及半导体封装领域，尤其涉及一种热式MEMS压力传感器。
背景技术
随着电子产品小型化微型化的发展，电子产品对其内部元器件小型化的要求越来越高。压力传感器作为常见的传感器，应用于多种电子产品内，故压力传感器的小型化设计也成为关注重点。为了保证压力传感器的小型化设计，基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)的压力传感器越来越受到人们关注。基于MEMS技术的压力传感器，包括基板，固定于所述基板的外壳，所述基板与所述外壳构成所述压力传感器外部封装结构。所述外部封装结构内、所述基板上固定设置有压力传感器芯片和集成电路芯片，压力传感器芯片与集成电路芯片通过金属引线打线的方式电连接，基板上设置有焊盘，基板焊盘将压力传感器内部芯片与外部电子电路电连接，同时，压力传感器通过焊盘固定于外部主板上。传统结构的压力传感器，压力传感器芯片直接固定于基板上，在压力传感器装配、使用过程中，基板受到的应力会传导至压力传感器芯片上，压力传感器芯片感应该应力，使压力传感器产生误差，导致压力传感器性能问题。
现有的压力传感器不仅成本高，集成度低，而且测试压力的精度较低。
因此，有必要提出一种新的方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种低成本，高集成度，体积小，高灵敏度的热式MEMS压力传感器。
为达成前述目的，本发明的热式压力传感器，其特征在于：其包括：
一基片，其形成有凹槽，所述凹槽的开口部设置有薄膜，所述薄膜将所述凹槽封闭为腔体，所述腔体中设置有热电偶和加热器，所述热电偶分别位于所述加热器的内侧和外侧。
作为本发明一个优选的实施方式，所述热电偶和加热器位于同一平面。
作为本发明一个优选的实施方式，所述加热器内侧热电偶TP1和外侧热电偶TP2相对所述腔体中心呈对称分布。
作为本发明一个优选的实施方式，所述热电偶和加热器位于腔体内悬空的桥梁结构上。
作为本发明一个优选的实施方式，所述加热器产生热量，在腔体内建立温度场，在没有额外压力的情况下，加热器内侧热电偶TP1和外侧热电偶TP2与薄膜的间距均为d0，加热器内侧热电偶TP1感受加热器的温度为T10，加热器外侧热电偶TP2感受加热器的温度为T20，内侧热电偶TP1和外侧热电偶TP2的温差为：T10-T20＝△T0，
所述薄膜受到外部压力发生形变，内侧热电偶TP1和外侧热电偶TP2与薄膜的间距分为变为d1和d2，内侧热电偶TP1的热量同时向上和向下传递，则所述内侧热电偶TP1的温度变为T11，所述外侧热电偶TP2的热量同时向上、向下和向腔体侧壁传递，则所述外侧热电偶TP2的温度变为T21，则内侧热电偶TP1和外侧热电偶TP2的温度的温差变为：T11-T21＝△T1，
由于薄膜受到外部压力变化而导致的腔体内温度的变化可得到：
δ＝ΔT0-ΔT1，
其中，不同的δ值对应不同的薄膜的形变量和外部压力P,
ρ∞δ。
作为本发明一个优选的实施方式，所述基片的材料为硅、玻璃、石英、陶瓷中的一种或多种。
作为本发明一个优选的实施方式，所述热电偶和加热器将封闭的腔体分为上腔体和下腔体。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的具有如下优点：
(1)本发明的热式压力传感器，其制作成本低。
(2)本发明的热式压力传感器，其具有高集成度。
(3)本发明的热式压力传感器，其体积小，节约空间。
(4)本发明的热式压力传感器，其具有高灵敏度，测量压力的精度高。
附图说明
图1是本发明热式压力传感器的结构示意图；
图2是图1的俯视结构示意图；
图3是图1的剖视示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
请参阅图1-3。图1是本发明热式压力传感器未受压时的结构示意图；图2是图1的俯视结构示意图；图3是本发明热式压力传感器受压时的剖视示意图。如图1-3所示，所述热式压力传感器包括一基片100，其形成有凹槽，所述凹槽的开口部设置有可以受压形变的薄膜104，所述薄膜104将所述凹槽封闭为腔体200，所述腔体200中设置有热电偶101,102和加热器103，所述热电偶101,102分别位于所述加热器103的内侧和外侧。所述热电偶101,102和加热器103位于同一平面。在一个优选的实施例中，所述加热器103内侧热电偶TP1101和外侧热电偶TP2102相对所述腔体200中心呈对称分布。在该实施例中，所述热电偶101,102和加热器103位于腔体200内悬空的桥梁结构105上。加热器103和热电偶通过标准半导体工艺加工制作。通过深硅刻蚀和晶圆级封装技术形成空腔。受压薄膜可通过调整其厚度以满足根据不同的量程和精度需求。
传感器在工作时，加热器产生热量，在腔体200内形成温度场，内外热电偶件通过差分检测腔体内特定位置的温度变化。在该实施例中，所述腔体内特定的位置是指腔体的腔壁的任意位置。本发明中，受压腔壁和热电偶之间的热量传导主要通过三个途径：热辐射，热传导，热对流。由于传感器的功耗较低(毫瓦级别)，受压腔壁和加热器的间距很小(几十微米级别)，热传导是主导的热量传递途径。在不同的压力的状况下，受压腔壁发生不同程度的形变，同时也改变了腔体内的温度分布。外部有压力越大，受压腔壁的形变量也就越大，腔壁与热电偶间距相应的减小，造成从腔体向外散失掉的热量也就越多。内外热电偶对利用差分信号测量温度变化并转化为电信号输出。
在该实施例中，所述热电偶101,102和加热器103将封闭的腔体200分为上腔体201和下腔体202。所述薄膜104未受外界压力时，所述上腔体201和下腔体203的容积可以一致也可以不一致。
请继续参阅图3。热电偶TP1101和热电偶TP2102从加热器103获得的热量保持不变，但是由于薄膜104距离的变化，散失掉的热量的比率不同。所以热电偶TP1101和TP2102的相应温度会发生变化。所述加热器103产生热量，在腔体200内建立温度场，在没有额外压力的情况下，加热器103的内侧热电偶TP1101和外侧热电偶TP2102与薄膜104的间距均为d0，加热器103向内侧热电偶TP1101传动热量q1，内侧热电偶TP1101感受加热器103的温度为T10；加热器103向外侧热电偶TP2102传动热量q2，外侧热电偶TP2102感受加热器103的温度为T20，内侧热电偶TP1101和外侧热电偶TP2102的温差为：
T10-T20＝△T0，
所述薄膜104受到外部压力200发生形变，内侧热电偶TP1101和外侧热电偶TP2102与薄膜104的间距分为变为d1和d2，内侧热电偶TP1101的热量同时向上和向下传递(图3中腔体内箭头的指示方向)，则所述内侧热电偶TP1101的温度变为T11，所述外侧热电偶TP2102的热量同时向上、向下和向腔体侧壁传递，则所述外侧热电偶TP2102的温度变为T21，则内侧热电偶TP1101和外侧热电偶TP2102的温度的温差变为：
T11-T21＝△T1，
由于薄膜104受到外部压力变化而导致的腔体200内温度的变化可得到：
δ＝ΔT0-ΔT1，
其中，不同的δ值对应不同的薄膜的形变量和外部压力P,
ρ∞δ，即外部压力P正比于δ
需要说明的是，所述基片的材料为硅、玻璃、石英、陶瓷中的一种或多种。
本发明利用热传导的原理来实现对压力的测量，热传导的流体介质是气体，本发明需要在衬底(如硅基片)上刻蚀形成一个开放的凹槽(刻蚀腔)；在刻蚀腔的上边面有悬空的桥梁结构，在该桥梁结构上设置加热器(如电热丝)，以及测量温度用的热电偶温度传感器。温度传感器分别设置在加热器内外两侧。封装后该基片上方形成一个空腔和具有弹性的薄膜。
本发明的具有如下优点：
(1)本发明的热式压力传感器，其制作成本低。
(2)本发明的热式压力传感器，其具有高集成度。
(3)本发明的热式压力传感器，其体积小，节约空间。
(4)本发明的热式压力传感器，其具有高灵敏度，测量压力的精度高。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (7)

1.一种热式压力传感器，其特征在于：其包括：
一基片，其形成有凹槽，所述凹槽的开口部设置有薄膜，所述薄膜将所述凹槽封闭为腔体，所述腔体中设置有加热器、位于所述加热器内侧的内侧热电偶TP1和位于所述加热器外侧的外侧热电偶TP2，在没有额外压力的情况下，内侧热电偶TP1和外侧热电偶TP2与薄膜的间距均为d0，所述薄膜受到外部压力发生形变，内侧热电偶TP1和外侧热电偶TP2与薄膜的间距分别变为d1和d2，其中d1不同于d2。
2.根据权利要求1所述的热式压力传感器，其特征在于：所述热电偶和加热器位于同一平面。
3.根据权利要求1所述的热式压力传感器，其特征在于：所述加热器内侧热电偶TP1和外侧热电偶TP2相对所述腔体中心呈对称分布。
4.根据权利要求1所述的热式压力传感器，其特征在于：所述热电偶和加热器位于腔体内悬空的桥梁结构上。
5.根据权利要求1所述的热式压力传感器，其特征在于：所述加热器产生热量，在腔体内建立温度场，在没有额外压力的情况下，加热器内侧热电偶TP1感受加热器的温度为T10，加热器外侧热电偶TP2感受加热器的温度为T20，内侧热电偶TP1和外侧热电偶TP2的温差为：T10-T20＝ΔT0，
所述薄膜受到外部压力发生形变，内侧热电偶TP1的热量同时向上和向下传递，则所述内侧热电偶TP1的温度变为T11，所述外侧热电偶TP2的热量同时向上、向下和向腔体侧壁传递，则所述外侧热电偶TP2的温度变为T21，则内侧热电偶TP1和外侧热电偶TP2的温度的温差变为：T11-T21＝ΔT1，
由于薄膜受到外部压力变化而导致的腔体内温度的变化可得到：
δ＝ΔT0-ΔT1，
其中，不同的δ值对应不同的薄膜的形变量和外部压力P，
P∝δ。
6.根据权利要求1所述的热式压力传感器，其特征在于：所述基片的材料为硅、玻璃、石英、陶瓷中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的热式压力传感器，其特征在于：所述热电偶和加热器将封闭的腔体分为上腔体和下腔体。
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