CN109115391A - 一种mems压力传感器 - Google Patents

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缪建民
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Abstract

本发明实施例提供了一种MEMS压力传感器，包括基板和传感器芯片；所述基板与所述传感器芯片电连接；所述传感器芯片用于探测作用在所述传感器芯片上的压力值大小；所述传感器芯片和/或所述基板相对的一侧形成至少一个凸起。本发明实施例提供一种MEMS压力传感器，以实现提高MEMS压力传感器的测量精度。

Description

一种MEMS压力传感器
技术领域
本发明实施例涉及微电子机械系统领域，尤其涉及一种MEMS压力传感器。
背景技术
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，体积大，成本高。MEMS压力传感器可以用类似集成电路(IC)设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产，从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门，使压力控制变得简单易用和智能化。相对于传统的机械量传感器，MEMS压力传感器的尺寸更小，最大的不超过0.5cm，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。
MEMS微机电系统(Microelectro Mechanical Systems)压力传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器(TMAP)、柴油机共轨压力传感器；消费电子：如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器，空调压力传感器，洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器；工业电子：如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。比如针对汽车，压力传感器大有所为。在计量部门，汽车工业，航空，石油开采，家电产品，医疗仪器中应用广泛。
一般而言，压力传感器通过压力传感器膜的形变来探测压力的变化，通常压力传感器芯片需要封装后使用，需要粘贴在PCB板等基板上。然而基板与压力传感器芯片的热膨胀系数不同，导致传感器芯片受到基板变形引起的拉应力或压应力，影响MEMS压力传感器的测量精度。
发明内容
本发明实施例提供一种MEMS压力传感器，以实现提高MEMS压力传感器的测量精度。
本发明实施例提供了一种MEMS压力传感器，包括基板和传感器芯片；所述基板与所述传感器芯片电连接；所述传感器芯片用于探测作用在所述传感器芯片上的压力值大小；
所述传感器芯片和/或所述基板相对的一侧形成至少一个凸起。
可选地，所述传感器芯片包括芯片基底和固定在所述芯片基底上的敏感膜；所述敏感膜与所述芯片基底形成空腔。
可选地，所述传感器芯片还包括形成在所述敏感膜上的惠斯通电桥。
可选地，所述MEMS压力传感器，还包括位于所述芯片基底与所述基板之间的粘胶层，所述粘胶层用于将所述芯片基底固定在所述基板上。
可选地，所述凸起的高度为20μm～70μm。
可选地，所述粘胶层与所述基板接触并与所述芯片基底悬空。
可选地，所述粘胶层与所述基板接触；所述粘胶层与所述芯片基底接触。
可选地，包括一个所述凸起，所述凸起在所述基板上的垂直投影位于所述芯片基底在所述基板上垂直投影的中心。
可选地，所述凸起在所述基板上的垂直投影面积S1，所述芯片基底在所述基板上垂直投影面积S2，S2/3<S1<S2。
可选地，所述凸起在所述基板上的垂直投影的边缘与所述芯片基底在所述基板上垂直投影的边缘之间的最小距离大于或等于100μm。
可选地，所述MEMS压力传感器，包括多个所述凸起，多个所述凸起均匀排列。
可选地，所述传感器芯片在与所述基板相对的一侧具有多个第一凸起；所述基板在与所述传感器芯片相对的一侧具有多个第二凸起；所述多个第一凸起在所述基板上的垂直投影和所述多个第二凸起在所述基板上的垂直投影重合。
本发明实施例提供的MEMS压力传感器包括基板和传感器芯片，基板例如可以是PCB板，传感器芯片用于探测作用在传感器芯片上的压力大小，基板与传感器芯片电连接，传感器芯片上的电路部分可以由基板上的驱动电路驱动并将探测到的电压、电流等信号传导给基板，重要的是，本发明实施中，传感器芯片与基板之间不是直接贴合，而是通过位于传感器芯片和/或基板相对一侧形成的凸起接触，因此减小了传感器芯片和基板的接触面积，增加了传感器芯片和基板之间的距离，减弱了基板和传感器芯片因热膨胀系数不同造成的应力传导至传感器芯片的过程，以及降低了基板的热膨胀变形对传感器芯片造成的影响，提高了MEMS压力传感器的测量精度。
附图说明
图1a为本发明实施例提供的一种MEMS压力传感器的剖面结构示意图；
图1b为图1a中MEMS压力传感器的俯视图；
图2为本发明实施例提供的一种敏感膜的示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种MEMS压力传感器的剖面结构示意图；
图4a为本发明实施例提供的另一种MEMS压力传感器的剖面结构示意图；
图4b为图4a中MEMS压力传感器的俯视图；
图5为本发明实施例提供的另一种MEMS压力传感器的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1a为本发明实施例提供的一种MEMS压力传感器的剖面结构示意图，参考图1a，本发明实施例提供的MEMS压力传感器包括基板10和传感器芯片20，基板10与传感器芯片20电连接，传感器芯片20用于探测作用在传感器芯片20上的压力值大小，传感器芯片20和/或基板10相对的一侧形成至少一个凸起30。需要说明的是，图1a中以凸起30形成在传感器芯片20上为例进行了解释说明，但并不以此为限，在其他实施方式中，凸起30还可以形成在基板10上，或者凸起30同时形成在传感器芯片20和基板10上。
本发明实施例提供的MEMS压力传感器包括基板和传感器芯片，基板例如可以是PCB板，传感器芯片用于探测作用在传感器芯片上的压力大小，基板与传感器芯片电连接，传感器芯片上的电路部分可以由基板上的驱动电路驱动并将探测到的电压、电流等信号传导给基板，重要的是，本发明实施中，传感器芯片与基板之间不是直接贴合，而是通过位于传感器芯片和/或基板相对一侧形成的凸起接触，因此减小了传感器芯片和基板的接触面积，增加了传感器芯片和基板之间的距离，减弱了基板和传感器芯片因热膨胀系数不同造成的应力传导至传感器芯片的过程，以及降低了基板的热膨胀变形对传感器芯片造成的影响，提高了MEMS压力传感器的测量精度。
可选地，参考图1a，传感器芯片20包括芯片基底50和固定在芯片基底50上的敏感膜40，敏感膜40与芯片基底50形成空腔。当有外加压力作用在传感器芯片20上的敏感膜40上时，敏感膜40与芯片基底50形成空腔为敏感膜40提供了可供弯曲的空间。
可选地，参考图1a，MEMS压力传感器还包括位于芯片基底50与基板10之间的粘胶层60，粘胶层60用于将芯片基底50固定在基板10上，以便将传感器芯片20固定在基板10上，进而使得传感器芯片20和基板10作为一个整体，防止传感器芯片20在基板10上移动。粘胶层60可以为水胶或者双面胶，且粘胶层60可以为一层或多层，本发明实施例对此不做限定。
可选地，参考图1a，凸起30的高度为20μm～70μm，当凸起30的高度小于20μm时，降低基板10的热膨胀变形对传感器芯片20造成的影响的效果不够好，可以理解的是，凸起30的高度越大降低基板10的热膨胀变形对传感器芯片20造成的影响的效果越好，但是当凸起30的高度大于70μm时，一方面会造成传感器芯片20与基板10粘结的牢固性降低，即传感器芯片20容易倾倒，另一方面也会造成将MEMS压力传感器封装后的成品的体积增加。
可选地，参考图1a，粘胶层60与基板10接触并与芯片基底50悬空。由于在芯片基底50朝向基板10的一侧形成有凸起30，粘胶层60仅仅形成在凸起30与基板10之间，凸起30增大了芯片基底50与基板10之间的距离，且将芯片基底50悬空，由此芯片基底50便与基底10隔离，大大降低了基板10的热膨胀变形对传感器芯片20造成的影响，提高了MEMS压力传感器的测量精度。
图1b为图1a中MEMS压力传感器的俯视图，参考图1a和图1b，可选地，MEMS压力传感器包括一个凸起30，凸起30在基板10上的垂直投影位于芯片基底50在基板10上垂直投影的中心，此时传感器芯片20的重心为图1b中阴影圆环的圆心，传感器芯片20的稳定性好。需要说明的是，图1a和图1b中示例性地以圆柱形凸起为例进行了说明，在其他实施方式中还可以设置凸起的形状为圆台、棱柱或棱台等。本发明实施例对于传感器芯片的形状也不做限定，其可以为矩形、圆形或六边形等。
可选地，参考图1a和图1b，凸起30在基板10上的垂直投影31的面积S1，芯片基底50在基板10上垂直投影51的面积S2，S2/3<S1<S2，此时凸起30和基板10之间有足够的粘胶层60，因此有足够的粘结力，传感器芯片20可以牢固地固定在基板10上。
可选地，参考图1a和图1b，凸起30在基板10上的垂直投影的边缘与芯片基底50在基板10上垂直投影的边缘之间的最小距离L大于或等于100μm。由于MEMS压力传感器是通过敏感膜40的形变来探测压力的，而敏感膜40的边缘与芯片基底50的边缘接触并形成空腔，所以芯片基底50的边缘的形变相对于芯片基底50的其他地方来说更容易引起敏感膜40的形变，因此将凸起30设置得距离芯片基底50的边缘足够远，便可以有效减弱材料热膨胀引起的应力对于敏感膜40的影响，从而进一步提高了MEMS压力传感器的测量精度。
图2为本发明实施例提供的一种敏感膜的示意图，可选地，如图2所示，传感器芯片20还包括形成在敏感膜40上的惠斯通电桥。图2中示例性地示出了惠斯通电桥在敏感膜40的排布和电连接情况，并非对惠斯通电桥中电阻和走线的具体设置的限定，在实际应用中，电阻R1、R2、R3和R4为压敏电阻，敏感膜40可以使用硅材料制作，压敏电阻R1、R2、R3和R4可以采用光刻、掩膜、扩散或离子注入等工艺，在单晶硅膜边缘处制作4个电阻并电连接成惠斯通电桥结构，设置压敏电阻R1、R2、R3和R4位于敏感膜40的边缘，当敏感膜40受到压力时，各压敏电阻受到的应力最大，从而压敏电阻的阻值变化最大，因此可以提高探测的灵敏度。
压力探测的原理为：当外界无压力时，惠斯通电桥处于平衡态，传感器芯片20输出电压为零；当外界压力使敏感膜40发生形变时，传感器芯片20输出一非零电压，并可根据该非零电压得到外界压力的大小，进而实现压力探测。
图3为本发明实施例提供的另一种MEMS压力传感器的剖面结构示意图，可选地，如图3所示，粘胶层60与基板10接触，粘胶层60与芯片基底10接触。粘胶层60将凸起30包裹，且与基板10以及传感器芯片20拥有最大的接触面积，因此能够提供最大的粘结力，将传感器芯片20牢固定在基板10上。
图4a为本发明实施例提供的另一种MEMS压力传感器的剖面结构示意图，图4b为图4a中MEMS压力传感器的俯视图，结合图4a和图4b所示，MEMS压力传感器包括多个凸起30，多个凸起30均匀排列。设置多个凸起30均匀排列简化了制作工艺，且使传感器芯片20的重力以及作用传感器芯片20上的压力能够均匀地分布在基底10上，增强了传感器芯片20和基底10粘结的稳定性。需要说明的是，本发明实施例对于多个凸起的分布形状不做限定，其可以为图4b中所示的方形阵列，也可以为圆形阵列等。
图5为本发明实施例提供的另一种MEMS压力传感器的剖面结构示意图，如图5所示，传感器芯片20在与基板10相对的一侧具有多个第一凸起301，基板10在与传感器芯片20相对的一侧具有多个第二凸起302，多个第一凸起301在基板10上的垂直投影和多个第二凸起302在基板10上的垂直投影重合。即第一凸起301和第二凸起302对应设置，在有第一凸起301的位置对应设置有第二凸起302，第一凸起301和第二凸起302的长度可以相同，也可以不同，优选地，第一凸起301和第二凸起302的高度的和为20μm～70μm。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (12)

1.一种MEMS压力传感器，其特征在于，包括基板和传感器芯片；所述基板与所述传感器芯片电连接；所述传感器芯片用于探测作用在所述传感器芯片上的压力值大小；
所述传感器芯片和/或所述基板相对的一侧形成至少一个凸起。
2.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述传感器芯片包括芯片基底和固定在所述芯片基底上的敏感膜；所述敏感膜与所述芯片基底形成空腔。
3.根据权利要求2所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述传感器芯片还包括形成在所述敏感膜上的惠斯通电桥。
4.根据权利要求2所述的MEMS压力传感器，其特征在于，还包括位于所述芯片基底与所述基板之间的粘胶层，所述粘胶层用于将所述芯片基底固定在所述基板上。
5.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述凸起的高度为20μm～70μm。
6.根据权利要求4所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述粘胶层与所述基板接触并与所述芯片基底悬空。
7.根据权利要求4所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述粘胶层与所述基板接触；所述粘胶层与所述芯片基底接触。
8.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，包括一个所述凸起，所述凸起在所述基板上的垂直投影位于所述芯片基底在所述基板上垂直投影的中心。
9.根据权利要求8所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述凸起在所述基板上的垂直投影面积S1，所述芯片基底在所述基板上垂直投影面积S2，S2/3<S1<S2。
10.根据权利要求8所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述凸起在所述基板上的垂直投影的边缘与所述芯片基底在所述基板上垂直投影的边缘之间的最小距离大于或等于100μm。
11.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，包括多个所述凸起，多个所述凸起均匀排列。
12.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述传感器芯片在与所述基板相对的一侧具有多个第一凸起；所述基板在与所述传感器芯片相对的一侧具有多个第二凸起；所述多个第一凸起在所述基板上的垂直投影和所述多个第二凸起在所述基板上的垂直投影重合。
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