CN111122025A

CN111122025A - 一种压力传感器

Info

Publication number: CN111122025A
Application number: CN201811296888.2A
Authority: CN
Inventors: 孙业超; 尚海平; 王英辉
Original assignee: Kunshan Branch Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Kunshan Branch Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2018-11-01
Filing date: 2018-11-01
Publication date: 2020-05-08

Abstract

本发明公开了一种压力传感器，包括与敏感膜片相接触的两组压阻条组，其中，任一压阻条组包括分别为横向压阻和纵向压阻两个压阻条，任一压阻条组中相邻压阻条之间的距离均不大于15μm。将全部压阻条组中的压阻条之间的间距限制在不大于15μm范围内意味着同一压阻条组中的横向压阻和纵向压阻会集中设置，从而使得同一压阻条组中的横向压阻和纵向压阻处在相同的热应力条件下，进而避免热应力的干扰，从而使得压力传感器在高温条件下具有良好的测量精度。

Description

一种压力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种压力传感器。

背景技术

随着近年来科技不断的进步，压阻式压力传感器的应用范围也越来越广泛，相应的在现阶段对于压力传感器的精度以及可靠性具有了更高的要求。

所谓压阻式压力传感器，通常包括设置在衬底表面可以发生形变的敏感膜片，以及与该敏感膜片相接触的压阻条，所述压阻条可以根据敏感膜片形变的变化而使得自身的电阻产生变化。通常情况下在现阶段会在压力传感器中设置四个与敏感膜片相接触的压阻条，该四个压阻条通常会构成一个惠斯通电桥，从而实现对施加在敏感膜片表面压力的测量。

在现阶段，当压力传感器处在高温应用场景时，压力传感器通常本不能精确的对压力进行测量，即在高温条件下压力传感器通常不具有良好的测量精度。所以如何提高压力传感器在高温条件下的测量精度是本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种压力传感器，在高温条件下具有良好的测量精度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种压力传感器，包括：

具有空腔的基板；

位于所述基板表面且跨越所述空腔的敏感膜片；

与所述敏感膜片相接触的两组压阻条组，其中，任一所述压阻条组包括两个压阻条，任一所述压阻条组中两个所述压阻条分为横向压阻和纵向压阻，任一所述压阻条组中相邻所述压阻条之间的距离均不大于15μm；

位于所述基板表面的引线电极；

将所述压阻条与所述引线电极电连接的引线。

可选的，两组所述压阻条组沿所述敏感膜片中心呈中心对称分布。

可选的，两个所述横向压阻沿所述敏感膜片中心呈中心对称分布；两个所述纵向压阻沿所述敏感膜片中心呈中心对称分布。

可选的，所述敏感膜片呈圆形。

可选的，任一所述压阻条组均位于所述敏感膜片的边缘区域；其中，所述边缘区域为与所述敏感膜片边沿的距离不大于10μm的区域。

可选的，所述基板为碳化硅基板。

可选的，所述引线电极位于所述基板的边缘。

可选的，所述引线电极呈一直线排列。

可选的，所述引线的长度均相等。

可选的，所述压阻条为U型压阻条。

本发明所提供的一种压力传感器，包括与敏感膜片相接触的两组压阻条组，其中，任一压阻条组包括分别为横向压阻和纵向压阻两个压阻条，任一压阻条组中相邻压阻条之间的距离均不大于15μm。将全部压阻条组中的压阻条之间的间距限制在不大于15μm范围内意味着同一压阻条组中的横向压阻和纵向压阻会集中设置，从而使得同一压阻条组中的横向压阻和纵向压阻处在相同的热应力条件下，进而避免热应力的干扰，从而使得压力传感器在高温条件下具有良好的测量精度。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种压力传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种具体的压力传感器的结构示意图。

图中：1.基板、2.敏感膜片、3.压阻条组、31.压阻条、311.纵向压阻、312.横向压阻、4.引线电极、5.引线。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种压力传感器。在现有技术中，压阻条通常均匀分布在敏感膜片表面，使得相邻压阻条之间具有较大的间距。而在高温条件下，环境温度通常会向敏感膜片引入很大的热应力，而且此应力的分布受外部高温环境影响，不可能在膜片上以中心对称的方式理想分布，从而使得不同的压阻条处于不同的热应力条件下，进而使得压力传感器在高温条件下不具有良好的测量精度。

而本发明所提供的一种压力传感器，包括与敏感膜片相接触的两组压阻条组，其中，任一压阻条组包括分别为横向压阻和纵向压阻两个压阻条，任一压阻条组中相邻压阻条之间的距离均不大于15μm。将全部压阻条组中的压阻条之间的间距限制在不大于15μm范围内意味着同一压阻条组中的横向压阻和纵向压阻会集中设置，从而使得同一压阻条组中的横向压阻和纵向压阻处在相同的热应力条件下，进而避免热应力的干扰，从而使得压力传感器在高温条件下具有良好的测量精度。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种压力传感器的结构示意图。

参见图1，在本发明实施例中，所述压力传感器包括具有空腔的基板1；位于所述基板1表面且跨越所述空腔的敏感膜片2；与所述敏感膜片2相接触的两组压阻条组3，其中，任一所述压阻条组3包括两个压阻条31，任一所述压阻条组3中两个所述压阻条31分为横向压阻312和纵向压阻311，任一所述压阻条组3中相邻所述压阻条31之间的距离均不大于15μm；位于基板1表面的引线电极4；将所述压阻条31与所述引线电极4电连接的引线5。

上述基板1在本发明实施例中可以为硅基(Si)基板1或其他材质的基板1，有关基板1的具体材质将在下述内容中做详细介绍，在此不再进行赘述。在基板1的表面设置有一空腔，在基板1的表面设置有跨越该空腔的敏感膜片2。上述敏感膜片2为主要发生形变的膜层，该敏感膜片2通常覆盖上述空腔的开口，所述敏感膜片2的材质通常需要与基板1的材质相匹配。由于上述敏感膜片2跨越上述空腔，当外界压力施加在敏感膜片2表面时，会引起敏感膜片2发生形变，在敏感膜片2中施加应力。

本发明实施例所提供的压力传感器设置有两组与敏感膜片2相接触的压阻条组3，其中任一所述压阻条组3包括两个压阻条31，通常情况下，上述任一压阻条组3中的压阻条31均设置在敏感膜片2的表面，且与敏感膜片2直接接触。在工作状态时，上述敏感膜片2所发生的形变会引起压阻条31发生形变，而压阻条31根据自身形变的变化会引起自身电阻产生变化。

上述压阻条组3中的两个压阻条31分为横向压阻312和纵向压阻311，其中横向压阻312为压阻条31电流方向与所处位置主应力方向垂直的压阻；纵向压阻311为阻条电流方向与所处位置主应力方向平行的压阻。其中，上述主应力方向通常为敏感膜片2中心指向该压阻条31的方向。上述两个压阻条组3共四个压阻条31可以构成一个惠斯通电桥，以对施加在敏感膜片2表面的压力进行测量。有关惠斯通电桥具体的工作原理可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

在本发明实施例中，任一所述压阻条组3中相邻所述压阻条31之间的距离均不大于15μm。即在本发明实施例中会将任一压阻条组3中的横向压阻312和纵向压阻311会集中设置。当压力传感器在高温条件下应用时，环境温度通常会向敏感膜片2引入很大的热应力，而且此应力的分布受外部高温环境影响，不可能在膜片上以中心对称的方式理想分布。而在本发明实施例中将同一压阻条组3中的压阻条31集中设置，从而使得同一压阻条组3尽可能处于相同的热应力条件下，进而可以避免热应力的干扰，实现温度补偿功能，使得压力传感器在高温条件下具有良好的测量精度。

在本发明实施例中，在基板1表面未设置上述敏感膜片2的区域通常设置有引线电极4，而上述引线电极4通常与上述压力传感器中建立的惠斯通电桥相对应。即在本发明实施例中通常会在基板1表面设置五个引线电极4，上述引线电极4即压力传感器与其他部件相互电连接的连接点。有关引线电极4的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

上述压阻条31与引线电极4之间设置有引线5，该引线5负责将引线电极4与对应的压阻条31相互电连接。有关该引线5的具体材质可以参考现有技术，在此不再进行赘述。通常情况下，上述引线5会覆盖一部分敏感膜片2，而在敏感膜片2表面不与压阻条31相接触的区域通常设置有绝缘层，而上述引线5会设置在绝缘层表面，即引线5与敏感膜片2之间通常设置有绝缘层，以避免引线5与敏感膜片2之间直接形成回路而不经过上述压阻条31。有关该绝缘层的具体材质可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

本发明实施例做提供的一种压力传感器，包括与敏感膜片2相接触的两组压阻条组3，其中，任一压阻条组3包括分别为横向压阻312和纵向压阻311两个压阻条31，任一压阻条组3中相邻压阻条31之间的距离均不大于15μm。将全部压阻条组3中的压阻条31之间的间距限制在不大于15μm范围内意味着同一压阻条组3中的横向压阻312和纵向压阻311会集中设置，从而使得同一压阻条组3中的横向压阻312和纵向压阻311处在相同的热应力条件下，进而避免热应力的干扰，从而使得压力传感器在高温条件下具有良好的测量精度。

有关本发明所提供的一种压力传感器的具体结构将在下述发明实施例中做详细介绍。

请参考图2，图2为本发明实施例所提供的一种具体的压力传感器的结构示意图。

区别于上述发明实施例，本发明实施例是在上述发明实施例的基础上，进一步的对压力传感器的结构进行具体限定。其余内容已在上述发明实施例中进行了详细介绍，在此不再进行赘述。

参见图2，在本发明实施例中，所述基板1具体为碳化硅基板1。相比于现有技术中的硅基基板1，碳化硅(SiC)具有更加优异的物理化学特性，例如在高温(500℃以上)、强腐蚀、强辐射等恶劣环境下具有更高的稳定性，使得设置有碳化硅基板1的压力传感器可以在恶劣环境下进行工作。更具体的，在本发明实施例中可以选用4H-SiC基板1作为压力传感器中的基板1。4H-SiC作为SiC的一种多型体，其成本较低且可以有效形成晶锭状态，从而制作成上述基板1。

需要说明的是，当基板1为4H-SiC基板1时，相应的上述敏感膜片2的材质通常也为4H-SiC。还需要说明的是，由于4H-SiC的晶圆表面(即[0001]硅面)是各向同性的，这就为各种设计需求提供了良好条件，在设计时可以灵活的调整敏感膜片2表面压阻条31的位置而不会导致压力传感器失效。

还需要说明的是，由于SiC材料在半导体工艺加工上的难度很大，对本发明实施例所提供的压力传感器来说，当基板1为4H-SiC基板1时，对基板1加工的步骤具体包括了同质外延、同位掺杂、光刻和干法刻蚀等。若采用现有技术中将压阻条31分散在敏感膜片2表面，上述诸多工艺的综合偏差会明显降低压力传感器加工的一致性，进而影响压力传感器性能。而将同一压阻条组3中的压阻条31集中设置可以大大提高工艺制造的一致性。

在本发明实施例中，所述敏感膜片2通常呈圆形。相比于现有技术中呈方形的敏感膜片2，将敏感膜片2设置成圆形可以明显改善敏感膜片2边缘处的应力线性度且降低敏感膜片2边缘处的应力集中度，而应力集中度高在使用过程中容易导致敏感膜片2发生破损而影响使用。将敏感膜片2设置成圆形可以提高压力传感器的综合性能以及增加应力传感器的寿命。

对于圆形敏感膜片2来说，当敏感膜片2发生形变时，其应力主要集中在敏感膜片2的边缘，其应力峰值通常为敏感膜片2的边沿。为了尽可能增加压力传感器的输出电压，在本发明实施例中，任一所述压阻条组3均位于所述敏感膜片2的边缘区域；其中，所述边缘区域为与所述敏感膜片2边沿的距离不大于10μm的区域。即在本发明实施例中会将压阻条31集中在敏感膜片2的边缘设置。

需要说明的是，上述边缘区域不仅仅是分布在敏感膜片2表面，也会延伸至与敏感膜片2边沿相接触的部分基板1表面，因为敏感膜片2发生形变的应力也会传递至基板1表面。通常情况下，压阻条31需要与敏感膜片2相接触，但是压阻条31不需要完全设置在敏感膜片2表面，而是可以仅仅部分设置在敏感膜片2表面。在本发明实施例中，当上述敏感膜片2呈圆形时，上述边缘区域呈一个宽度为20μm的圆环，其中边缘区域的边界与敏感膜片2边沿之间的距离通常为10μm。可以理解的是，由于敏感膜片2形变的应力会传递到基板1中，则在本发明实施例中压阻条31也可以不直接与敏感膜片2相接触，但是需要压阻条31可以根据敏感膜片2发生形变的同时自身也发生形变。

在本发明实施例中，为了保证压力传感器整体的性能以及测量精度，两组所述压阻条组3沿所述敏感膜片2中心呈中心对称分布。具体的，两个所述横向压阻312沿所述敏感膜片2中心呈中心对称分布；同时两个所述纵向压阻311沿所述敏感膜片2中心呈中心对称分布将压阻条31按照上述方式设置可以保证任意横向压阻312或纵向压阻311所处的环境基本一致，从而保证压力传感器整体的性能以及测量精度。

在本发明实施例中，为了便于其他部件与压力传感器电连接，同时为了避免引线电极4对敏感膜片2造成干扰，上述引线电极4通常位于所述基板1的边缘。可以理解的是，上述空腔以及跨越该空腔的敏感膜片2通常设置于基板1的中心。进一步为了便于其他部件与压力传感器电连接，在本发明实施例中所述引线电极4呈一直线排列。通常情况下，上述引线电极4会沿基板1的边沿呈一直线分布。

由于压力传感器的本质是通过对压阻条31电阻值的变化进行测量从而实现对压力的检测，为了减少引线5自身的电阻对压力传感器测量精度造成影响，作为优选的，在本发明实施例中可以将所述引线5的长度设置的均相等，从而排除引线5自身电阻值的差异对压力传感器测量精度的影响。

为了便于在上述引线电极4沿基板1边沿呈一直线排列的前提下，实现五条引线5长度均相等，在本发明实施例中所述压阻条31通常为U型压阻条31。使用U型压阻条31便于上述引线5的设计。所谓U型压阻条31，即两个相互平行且长度较短的压阻条31中，两个相对的端部通过引线5相互电连接而构成的压阻条31。

本发明实施例所提供的一种压力传感器，通过使用碳化硅基板1使得压力传感器可以在恶劣环境下具有更加优异稳定的性能；使用圆形的敏感膜片2可以明显改善敏感膜片2边缘处的应力线性度且降低敏感膜片2边缘处的应力集中度；将压阻条31集中在敏感膜片2的边缘设置可以有效增加压力传感器的输出电压；通过将引线5的长度设置为同一定值可以排除引线5自身电阻值的差异对压力传感器测量精度的影响。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种压力传感器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种压力传感器，其特征在于，包括：

具有空腔的基板；

位于所述基板表面且跨越所述空腔的敏感膜片；

位于所述基板表面的引线电极；

将所述压阻条与所述引线电极电连接的引线。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，两组所述压阻条组沿所述敏感膜片中心呈中心对称分布。

3.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，两个所述横向压阻沿所述敏感膜片中心呈中心对称分布；两个所述纵向压阻沿所述敏感膜片中心呈中心对称分布。

4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述敏感膜片呈圆形。

5.据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，任一所述压阻条组均位于所述敏感膜片的边缘区域；其中，所述边缘区域为与所述敏感膜片边沿的距离不大于10μm的区域。

6.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述基板为碳化硅基板。

7.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述引线电极位于所述基板的边缘。

8.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于，所述引线电极呈一直线排列。

9.根据权利要求8所述的压力传感器，其特征在于，所述引线的长度均相等。

10.根据权利要求9所述的压力传感器，其特征在于，所述压阻条为U型压阻条。