CN112254865A - 电阻式微机械气压传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种电阻式微机械气压传感器及其制备方法。包括：衬底，设置有气腔和气体传输通道，气体传输通道将气腔与外界连通；导电介质，可移动地设置在气体传输通道中；第一敏感电阻和第二敏感电阻，相对间隔地设置在所述衬底内，第一敏感电阻和第二敏感电阻之间设置有气体传输通道；以及，在气腔内的气压发生变化时能推动导电介质在气体传输通道内移动，以使得导电介质在不同位置处分别与第一敏感电阻和第二敏感电阻接触。利用移动的导电介质代替形变的机械薄膜，避免了高应力带来的可靠性和稳定性问题；导电介质的移动距离和气体体积变化相关，通过设计气腔以及气体传输通道的尺寸可以有效提高传感器的灵敏度，设计灵活度高，易于控制。

Description

电阻式微机械气压传感器及其制备方法

技术领域

本公开属于传感器技术领域，具体涉及一种电阻式微机械气压传感器及其制备方法。

背景技术

气压传感器广泛应用于工业，农业，家居，医疗等众多领域。电阻式气压传感器一般利用压阻效应，将气压敏感膜上的应力变化转变成电阻变化。由于电阻式压力传感器结构简单，便于集成制造，在消费类产品市场中受到青睐。

提高电阻式气压传感器灵敏度的主要方法是提高敏感电阻局部的薄膜应力。但是，机械载荷增加为传感器的可靠性和稳定性带来隐患。1980年，Endevco(人名)等人提出了一种双岛膜结构的气压传感器，将压敏电阻放置于两岛之间的膜区和膜的锚区附近应力最集中的区域。1988年，Bao Minhang(人名)等人提出了一种梁膜结构的气压传感器，在硅膜上有一个哑铃状的梁，这样膜的应力就集中在梁末端的压阻所在位置。1992年，R.H.Johnson(人名)等人提出了一种肋块结构气压传感器，将应力集中在压敏电阻区域。2010年，Bian Tian(人名)等人提出了一种梁膜结合的结构，在应力集中的同时，补偿传感器输出的非线性。

无论是何种结构，由于材料在高应力下的非线性特性以及超出弹性区的塑性形变，使得传感器的灵敏度提高存在极限，同时，高应力带来了结构的稳定性和可靠性下降，容易造成器件的损坏。此外，应力集中往往涉及复杂机械结构的设计，使得传感器的设计难度提高，需要根据设计目标反复的验证和修改。

发明内容

本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种电阻式微机械气压传感器及其制备方法。

本公开的一个方面，提供一种电阻式微机械气压传感器，包括：

衬底，所述衬底内设置有气腔和气体传输通道，所述气体传输通道将所述气腔与外界连通；

导电介质，所述导电介质可移动地设置在所述气体传输通道中；

第一敏感电阻和第二敏感电阻，所述第一敏感电阻和所述第二敏感电阻相对间隔地设置在所述衬底内，所述第一敏感电阻和所述第二敏感电阻之间设置有所述气体传输通道；以及，

在所述气腔内的气压发生变化时能推动所述导电介质在所述气体传输通道内移动，以使得所述导电介质在不同位置处分别与所述第一敏感电阻和所述第二敏感电阻接触。

在一些可选地实施方式中，所述第一敏感电阻和所述第二敏感电阻均沿所述气体传输通道的长度方向延伸设置。

在一些可选地实施方式中，还包括测温件，所述测温件设置在所述衬底内，并与所述气腔相对应。

在一些可选地实施方式中，所述测温件包括多个测温电阻，所述多个测温电阻沿所述气腔的长度方向间隔设置。

在一些可选地实施方式中，所述衬底包括键合设置的第一衬底和第二衬底；

所述第一衬底朝向所述第二衬底的一侧设置有所述第一敏感电阻和测温件；

所述第二衬底朝向所述第一衬底的一侧设置有所述气腔、所述气体传输通道以及所述第二敏感电阻。

在一些可选地实施方式中，还包括第一绝缘层和第二绝缘层；

所述第一绝缘层设置在所述第一敏感电阻沿其长度方向的端部，所述第一绝缘层包覆所述测温件；

所述第二绝缘层设置在所述第二敏感电阻沿其长度方向的端部，所述第二绝缘层与所述第一绝缘层之间设置有所述气体传输通道。

在一些可选地实施方式中，还包括第三绝缘层，所述第三绝缘层设置在所述第二敏感电阻和所述第二衬底之间。

在一些可选地实施方式中，所述导电介质采用导电液滴。

本公开的另一方面，提供一种电阻式微机械气压传感器的制备方法，所述制备方法包括：

分别提供第一衬底和第二衬底；

在所述第一衬底上同步形成测温件和第一敏感电阻，在所述测温件和所述第一敏感电阻上形成第一绝缘层，对所述第一绝缘层图形化，以露出所述第一敏感电阻并形成第一部分气体传输通道；

在所述第二衬底上依次形成第三绝缘层和第二敏感电阻，在所述第三绝缘层和所述第二敏感电阻上形成第二绝缘层，对所述第二绝缘层图形化，以露出所述第二敏感电阻并形成第二部分气体传输通道，对所述第二衬底进行深槽刻蚀形成深槽；

将所述第二衬底与所述第一衬底键合，形成气腔和气体传输通道，所述气体传输通道将所述气腔与外界连通；

在所述气体传输通道内形成导电介质，以制备得到所述电阻式微机械气压传感器。

在一些可选地实施方式中，所述在所述气体传输通道内形成导电介质，包括：

在低气压条件下将键合形成的传感器结构浸入导电聚合物液体中；

提高外部气压，将少量导电聚合物压入气体传输通道，形成导电液滴。

本公开的电阻式微机械气压传感器及其制备方法，利用移动的导电介质代替形变的机械薄膜，避免了高应力带来的可靠性和稳定性问题；导电介质的移动距离和气体体积变化相关，通过设计气腔以及气体传输通道的尺寸可以有效提高传感器的灵敏度，传感器的设计灵活度高，易于控制。

附图说明

图1为本公开一实施例的电阻式微机械气压传感器的结构示意图；

图2为本公开另一实施例的电阻式微机械气压传感器的制备方法的工艺流程图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。

如图1所示，本公开的一方面，涉及一种电阻式微机械气压传感器，包括衬底、导电介质11、第一敏感电阻2和第二敏感电阻6。衬底可以采用硅材料、氮化硅材料等制作形成，本公开实施例对此并不限制。衬底内设置有气腔9和气体传输通道10，所述气体传输通道10将所述气腔9与外界连通。也就是说，如图1所述，气体传输通道10的左端与气腔9连通，气体传输通道10的右端与外界连通。对于气腔9以及气体传输通道10的形状以及尺寸并没有作出限定，但为了提高气压传感器的灵敏度，气体传输通道10的横截面尺寸应远小于气腔9的横截面尺寸，以便气腔9内的气压发生变化时可以推动气体传输通道10内的导电介质11移动。

示例性的，如图1所示，所述第一敏感电阻2和所述第二敏感电阻6相对间隔地设置在所述衬底内，所述第一敏感电阻2和所述第二敏感电阻6之间设置有所述气体传输通道10。所述导电介质11可移动地设置在所述气体传输通道10中。

具体地，如图1所示，在气体传输通道10中置入导电介质11后，该导电介质11可以将一定量的气体封在气腔9中，这样，在气腔9的气压发生变化时，可以推动导电介质11在气体传输通道10内移动，从而可以使得导电介质11与不同位置处的第一敏感电阻2和第二敏感电阻6接触，使得第一敏感电阻2和第二敏感电阻6形成串联的敏感电阻。在气压平衡时气腔9内的气压和外部相等，气压和封闭气体的体积与导电介质11的位置相关，由敏感电阻表征，具体推导过程如下：

具体地，根据气体状态方程气压P、体积V和温度T的关系可以表示为：

PV＝nRT(1)

其中，nR为常数。

在恒温下，当气压发生变化时，气体的体积发生变化：

也就是说封闭气体的气压变化和气体体积变化相关，当气体体积变化时，导电介质在气体传输通道中移动的距离ΔL可以表示为：

其中，A是气体传输通道的截面积，可知，A越小，导电介质移动的距离越大，敏感电阻的变化量就越大。此外，气腔越大，气体体积变化的绝对值也越大，也可以提高传感器的灵敏度。

本实施例的电阻式微机械气压传感器，利用移动的导电介质代替形变的机械薄膜，避免了高应力带来的可靠性和稳定性问题；导电介质的移动距离和气体体积变化相关，通过设计气腔以及气体传输通道的尺寸可以有效提高传感器的灵敏度，传感器的设计灵活度高，易于控制。

示例性的，如图1所示，所述第一敏感电阻2和所述第二敏感电阻6均沿所述气体传输通道10的长度方向延伸设置。也就是说，如图1所示，第一敏感电阻2和第二敏感电阻6均可以采用长条状敏感电阻，长条状敏感电阻的长度方向与气体传输通道10的长度方向平行，如此设置，可以有效延长导电介质11在气体传输通道10内移动时与第一敏感电阻2和第二敏感电阻6的接触路径，从而可以扩大传感器的量程。

示例性的，如图1所示，所述电阻式微机械气压传感器还包括测温件3，所述测温件3设置在所述衬底内，并与所述气腔9相对应。测温件3用于测量温度，对于温度变化造成的气体体积变化以及电阻变化进行补偿。

具体地，如图1所示，所述测温件3可以包括多个测温电阻，所述多个测温电阻沿所述气腔9的长度方向间隔设置。也就是说，如图1所示，所述多个测温电阻沿所述气腔9的左右方向间隔设置。优选地，该多个测温电阻可以沿气腔9的长度方向等间隔设置，或者，多个测温电阻也可以采取其他一些间隔设置方式，本公开实施例对此并不限制。

示例性的，如图1所示，为了便于在衬底上形成上述的气腔9、气体传输通道10以及第一敏感电阻2、第二敏感电阻6和测温件3等结构，衬底可以采用分体式设计，也就是说，如图1所示，衬底可以包括键合设置的第一衬底1和第二衬底8，第二衬底8位于第一衬底1的上方。可以在第一衬底1的上表面设置有所述测温件3和第一敏感电阻2。相应的，可以在第二衬底8的下表面设置有第二敏感电阻6、以及从下表面向上表面凹陷形成的气腔9和气体传输通道10，在该气体传输通道10内设置有所述导电介质11。采用分体式设计的衬底结构，可以便于在各衬底上制备各器件，从而可以简化传感器的制作工艺，降低制作成本。

示例性的，如图1所示，所述电阻式微机械气压传感器还包括第一绝缘层4、第二绝缘层5和第三绝缘层7。所述第一绝缘层4设置在所述第一敏感电阻2沿其长度方向的端部，所述第一绝缘层包覆所述测温件3。也就是说，如图1所示，测温件3位于第一敏感电阻2的左侧，第一绝缘层4位于第一敏感电阻2的左右两个端部，位于左端的第一绝缘层4包覆整个测温件3。

如图1所示，所述第二绝缘层5设置在所述第二敏感电阻6沿其长度方向的端部，所述第二绝缘层5与所述第一绝缘层4之间设置有所述气体传输通道10。也就是说，如图1所示，第二绝缘层5位于第二敏感电阻6的左右两个端部。

需要说明的是，对于各绝缘层的材料并没有作出限定，例如，可以采用氧化硅、氮化硅等绝缘材料制作形成，本公开实施例对此并不限制。

示例性的，如图1所示，所述导电介质11可以采用导电液滴，采用导电液滴制作形成导电介质11，在气腔9内的气压发生变化时，可以更好地推动导电液滴移动，从而可以使得传感器更为敏感。当然，除此以外，本领域技术人员还可以根据实际需要，选择其他一些导电介质，本公开实施例对此并不限制。

本公开的另一方面，涉及一种电阻式微机械气压传感器的制备方法，该电阻式微机械气压传感器的结构可以参考前文相关记载，在此不作赘述。

如图2所示，一种电阻式微机械气压传感器的制备方法S100，包括：

S110、分别提供第一衬底和第二衬底。

示例性的，可以一并结合图1，分别提供第一衬底1和第二衬底8，第一衬底1和第二衬底8可以均采用玻璃衬底等。

S120、在所述第一衬底上同步形成测温件和第一敏感电阻，在所述测温件和所述第一敏感电阻上形成第一绝缘层，对所述第一绝缘层图形化，以露出所述第一敏感电阻并形成第一部分气体传输通道。

示例性的，在本步骤中，可以一并结合图1，在第一衬底1上生长一层多晶硅，光刻、腐蚀形成第一敏感电阻2和测温电阻，然后通过化学气象淀积在表面淀积氧化硅，形成第一绝缘层4。接下来通过化学机械平坦化工艺使得第一绝缘层4平坦。光刻，腐蚀，露出第一敏感电阻，并形成气体传输通道10的下半部分。

S130、在所述第二衬底上依次形成第三绝缘层和第二敏感电阻，在所述第三绝缘层和所述第二敏感电阻上形成第二绝缘层，对所述第二绝缘层图形化，以露出所述第二敏感电阻并形成第二部分气体传输通道，对所述第二衬底进行深槽刻蚀形成深槽。

示例性的，在本步骤中，可以一并结合图1，在第二衬底8上氧化形成第三绝缘层7，生长一层多晶硅并光刻，腐蚀形成第二敏感电阻6，然后通过化学气象淀积在表面淀积氧化硅，形成第二绝缘层5，通过化学机械平坦化工艺使得第二绝缘层5平坦。光刻，腐蚀，露出第二敏感电阻6，并形成气体传输通道10的上半部分。接着由等离子体刻蚀技术在第二衬底8上进行深槽刻蚀，为形成气腔9做准备。

S140、将所述第二衬底与所述第一衬底键合，形成气腔和气体传输通道，所述气体传输通道将所述气腔与外界连通。

S150、在所述气体传输通道内形成导电介质，以制备得到所述电阻式微机械气压传感器。

示例性的，在本步骤中，可以一并结合图1，可以在低气压条件下将键合形成的传感器结构浸入导电聚合物液体中，提高外部气压，将少量导电聚合物压入气体传输通道10，然后取出传感器结构，在气体传输通道10中形成导电液滴。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。

Claims (10)

1.一种电阻式微机械气压传感器，其特征在于，包括：

衬底，所述衬底内设置有气腔和气体传输通道，所述气体传输通道将所述气腔与外界连通；

导电介质，所述导电介质可移动地设置在所述气体传输通道中；

第一敏感电阻和第二敏感电阻，所述第一敏感电阻和所述第二敏感电阻相对间隔地设置在所述衬底内，所述第一敏感电阻和所述第二敏感电阻之间设置有所述气体传输通道；以及，

在所述气腔内的气压发生变化时能推动所述导电介质在所述气体传输通道内移动，以使得所述导电介质在不同位置处分别与所述第一敏感电阻和所述第二敏感电阻接触。

2.根据权利要求1所述的电阻式微机械气压传感器，其特征在于，所述第一敏感电阻和所述第二敏感电阻均沿所述气体传输通道的长度方向延伸设置。

3.根据权利要求1所述的电阻式微机械气压传感器，其特征在于，还包括测温件，所述测温件设置在所述衬底内，并与所述气腔相对应。

4.根据权利要求3所述的电阻式微机械气压传感器，其特征在于，所述测温件包括多个测温电阻，所述多个测温电阻沿所述气腔的长度方向间隔设置。

5.根据权利要求1至4任一项所述的电阻式微机械气压传感器，其特征在于，所述衬底包括键合设置的第一衬底和第二衬底；

所述第一衬底朝向所述第二衬底的一侧设置有所述第一敏感电阻和测温件；

所述第二衬底朝向所述第一衬底的一侧设置有所述气腔、所述气体传输通道以及所述第二敏感电阻。

6.根据权利要求5所述的电阻式微机械气压传感器，其特征在于，还包括第一绝缘层和第二绝缘层；

所述第一绝缘层设置在所述第一敏感电阻沿其长度方向的端部，所述第一绝缘层包覆所述测温件；

所述第二绝缘层设置在所述第二敏感电阻沿其长度方向的端部，所述第二绝缘层与所述第一绝缘层之间设置有所述气体传输通道。

7.根据权利要求6所述的电阻式微机械气压传感器，其特征在于，还包括第三绝缘层，所述第三绝缘层设置在所述第二敏感电阻和所述第二衬底之间。

8.根据权利要求1至4任一项所述的电阻式微机械气压传感器，其特征在于，所述导电介质采用导电液滴。

9.一种电阻式微机械气压传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

分别提供第一衬底和第二衬底；

在所述第一衬底上同步形成测温件和第一敏感电阻，在所述测温件和所述第一敏感电阻上形成第一绝缘层，对所述第一绝缘层图形化，以露出所述第一敏感电阻并形成第一部分气体传输通道；

在所述第二衬底上依次形成第三绝缘层和第二敏感电阻，在所述第三绝缘层和所述第二敏感电阻上形成第二绝缘层，对所述第二绝缘层图形化，以露出所述第二敏感电阻并形成第二部分气体传输通道，对所述第二衬底进行深槽刻蚀形成深槽；

将所述第二衬底与所述第一衬底键合，形成气腔和气体传输通道，所述气体传输通道将所述气腔与外界连通；

在所述气体传输通道内形成导电介质，以制备得到所述电阻式微机械气压传感器。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述在所述气体传输通道内形成导电介质，包括：

在低气压条件下将键合形成的传感器结构浸入导电聚合物液体中；

提高外部气压，将少量导电聚合物压入气体传输通道，形成导电液滴。

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