CN112414609B - 一种基于热电堆原理的压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压力传感器，包括感知压力的腔体薄膜、发热电阻、空气腔、热电堆、散热体和基板，感知压力的腔体薄膜位于基板上方，在腔体薄膜和基板之间有一薄的空气腔，散热体位于空气腔内的基板上表面，发热电阻位于腔体薄膜上表面的空气腔上方，发热电阻附近有一热电堆。当无外界压力时，给发热电阻施加电流激励，在发热电阻附近形成温度稳定分布，放置在发热电阻附近的热电堆感应这种温度变化并输出初始热电势。当外界压力增大时，腔体薄膜发生形变并与散热体接触形成散热通路，导致热电势越小，实现压力的测量。通过改变施加的电流激励大小实现对压力检测范围和灵敏度的调节，具有灵敏度高、测量范围大、设计灵活、结构简单等优势。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，具体涉及一种基于热电堆原理的压力传感器。
背景技术
传感器技术是现代测量和自动化系统的核心技术之一，在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性高、成本低、便于集成化的优点，使得压力传感器成为日常生活和工业实践中使用最多的一种传感器，其广泛的应用于机械制造、智能建筑、航空航天、军事国防、海洋开发、水利水电、铁路交通、气象地质、汽车工业、电子通信、油井、医疗服务等众多领域。常见的压力传感器可分为电阻应变片式、半导体应变片式、压阻式、电感式、电容式、压电式压力传感器，各种压力传感器在测量范围、灵敏度、响应速度、线性度、稳定性、精确度等方面各有优缺点，适用于不同场合。传统的压力传感器以机械结构性的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，这种结构的压力传感器尺寸大，不能电学输出。
近年来，随着半导体技术以及MEMS制造工艺的不断发展，压力传感器发展趋势逐渐趋向微型化。与传统压力传感器相比，微压力传感器具有功耗小、灵敏度高、集成度高、体积小等优势，未来智能化压力传感器在物联网不断发展的背景下，必将得到进一步推广和应用，因此开展压力传感器的深入研究有重要意义。
发明内容
针对上述需求，本发明的目的是提供了一种压力传感器，具体地，本发明所提出的技术方案如下：
一种基于热电堆原理的压力传感器，所述压力传感器包括：
基板；
热电堆，所述热电堆设置在所述基板上；
空气腔，所述空气腔临近所述热电堆设置在所述基板上；
散热体，所述散热体铺设在所述空气腔的底表面；
腔体薄膜，所述腔体薄膜设置在所述空气腔上方，所述腔体薄膜感知压力；
发热电阻，所述发热电阻设置在所述腔体薄膜上表面。
可选地，还包括设置在所述发热电阻两侧的第一电极及第二电极，所述第一电极和所述第二电极与所述发热电阻电连接。
可选地，所述第一电极通过第一导线与所述发热电阻电连接，所述第二电极通过第二导线与所述发热电阻电连接。
可选地，所述第一电极及所述第二电极设置所述腔体薄膜的上表面。
可选地，所述第一导线及所述第二导线设置在所述腔体薄膜的上表面。
可选地，所述散热体为散热金属。
可选地，所述发热电阻设置在所述空气腔的上方中央区域。
可选地，所述热电堆设置为感应所述发热电阻的温度变化。
可选地，所述基板包括硅、玻璃或者砷化镓。
可选地，还包括设置所述热电堆两端的测试端子。
本发明的目的是提供了一种基于热电堆原理的压力传感器，该压力传感器利用腔体薄膜来感应压力的变化，当压力发生变化时，腔体薄膜发生形变并与散热金属接触，这会使得放置于腔体薄膜上方加载了一定电流激励的发热电阻温度降低，进而使得热电堆输出的热电势减小，从而实现压力的测量。采用该结构可根据测量需求，通过改变加载的电流激励大小，获得灵敏度和量程可调的电压输出压力传感器，具有灵敏度高、测量范围大、结构简单、体积小等特点，并且能够将传统MEMS工艺融入制造过程，解决了在材料、工艺、可靠性、可重复性和制作成本等诸多方面的问题，从而为实现该压力传感器在工业控制和集成电路中的产业化应用提供了支持和保证。
本发明的一种基于热电堆原理的压力传感器，整体结构简单、设计灵活，通过微电子加工工艺，结构尺寸的精度可以达到较高水平，体积大幅缩小，有利于实现传感器的微型化；该压力传感器为电压输出，相较于传统压力传感器的电容或电阻变化量的输出更易于测量；该压力传感器可以通过改变施加在发热电阻上电流激励的大小来实现对压力检测范围和灵敏度的调节，从而提高传感器的灵敏度，增大压力测量范围；同时，该压力传感器的制作无需特殊的材料，且具有成本低、功耗低、可靠性高、工艺兼容等优势。
附图说明
图1是一种压力传感器的结构示意图。
图2是一种压力传感器的A-A′剖面图。
其中有：腔体薄膜1、发热电阻2、第一电极3a、第二电极3b、第一导线4a、第二导线4b、空气腔5、热电堆6、散热体7、基板8。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
参见图1、图2，该压力传感器包括设置在基板8上的热电堆6、间隔该热电堆6布置的空气腔5，形成在该空气腔5上方的腔体薄膜1，堆叠在腔体薄膜1上方的发热电阻2，其中发热电阻2设置在该空气腔的中央区域，还包括连接于发热电阻2第一端的第一电极3a、连接于发热电阻2第二端的第二电极3b，第一电极3a可以通过第一导线4a连接于发热电阻2的第一端，第二电极3b可以通过第二导线4b连接于发热电阻2的第二端。
在空气腔5的内部底表面形成有散热体7，该散热体7例如为散热金属，包括金、铜、铝等，可以采用沉积工艺制备。
该基板8比如是本领域常见的硅基板、玻璃基板或者砷化镓基本，热电堆6例如包括多个串联的热电偶，选择本领域常见的热电材料采用MEMS工艺制备在基板8上。
其中，发热电阻2例如为氮化钽电阻。
可选地，发热电阻设置在空气腔5上方的中央区域。
可选地，还包括设置在热电堆6两侧的测试端子，用于采集热电堆6输出的热电势。
本发明的工作原理为：当无外界压力时，通过第一电极3a和第二电极3b给发热电阻2施加一定大小的直流电流激励，发热电阻2附近的温度会升高并稳定分布，放置在发热电阻2附近的热电堆6感应这种温度变化并输出初始热电势。当压力增大时，腔体薄膜1与散热体7的接触面积越大，由于散热体7的导热、传热，使得发热电阻2附近温度下降越多，从而导致热电堆6输出的热电势越小，实现压力的测量。通过改变施加在发热电阻2上电流激励的大小可以实现对压力检测范围和灵敏度的调节，实现宽检测范围的高灵敏度压力检测。
该压力传感器整体结构简单、设计灵活，通过微电子加工工艺，结构尺寸的精度可以达到较高水平，体积大幅缩小，有利于实现传感器的微型化；该压力传感器为电压输出，相较于传统压力传感器的电容或电阻变化量的输出更易于测量；该压力传感器可以通过改变施加在发热电阻上电流激励的大小来实现对压力检测范围和灵敏度的调节，使得压力传感器具有灵敏度高、测量范围大、测量误差小等优势。
本发明中的压力传感器不同于传统的压力传感器，该压力传感器具有以下主要特点：
一、该压力传感器可以通过改变施加在发热电阻上直流电流激励的大小来实现对压力检测范围和灵敏度进行调节，从而提高压力传感器的灵敏度，实现宽范围的压力检测；
二、本发明通过压力不同时，腔体薄膜发生形变与位于腔体底部的散热体薄膜接触面积改变实现发热电阻的热阻大幅调节，从而显著改变发热电阻温度，进而实现高灵敏度压力测量；
三、该压力传感器为电压输出，相较于传统压力传感器的电容或电阻变化量的输出更易于测量，测量误差小；
四、本发明中的腔体深度因为需要腔体薄膜与散热体薄膜接触的原因，因此只需要很小的腔体深度即可，这在工艺上非常容易实现；
五、该压力传感器结构简单、设计灵活、体积小、功耗低，可以实现高可靠性和微型化的应用需求；
六、该压力传感器的制作无需特殊材料，且成本低，寿命长。
区分是否为该结构的标准如下：
（a）采用腔体薄膜来感应压力的变化，并通过散热金属与腔体薄膜的接触面积调节不同压力下的热阻大小，
（b）采用热电堆结构感应发热电阻附近的温度变化来检测腔体薄膜的形变，并以热电势形式输出。
满足以上两个条件的结构即应视为该结构的压力传感器。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于热电堆原理的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器包括：
基板；
热电堆，所述热电堆设置在所述基板上；
空气腔，所述空气腔临近所述热电堆设置在所述基板上；
散热体，所述散热体铺设在所述空气腔的底表面；
腔体薄膜，所述腔体薄膜设置在所述空气腔上方，所述腔体薄膜感知压力；
发热电阻，所述发热电阻设置在所述腔体薄膜上表面的中央区域；
还包括设置在所述发热电阻两侧的第一电极及第二电极，所述第一电极和所述第二电极与所述发热电阻电连接，所述第一电极和所述第二电极给所述发热电阻施加激励电流。
2.根据权利要求1所述的一种基于热电堆原理的压力传感器，其特征在于，所述第一电极通过第一导线与所述发热电阻电连接，所述第二电极通过第二导线与所述发热电阻电连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于热电堆原理的压力传感器，其特征在于，所述第一电极及所述第二电极设置在所述腔体薄膜的上表面。
4.根据权利要求2所述的一种基于热电堆原理的压力传感器，其特征在于，所述第一导线及所述第二导线设置在所述腔体薄膜的上表面。
5.根据权利要求1所述的一种基于热电堆原理的压力传感器，其特征在于，所述散热体为散热金属。
6.根据权利要求1所述的一种基于热电堆原理的压力传感器，其特征在于，所述热电堆设置为感应所述发热电阻的温度变化。
7.根据权利要求1所述的一种基于热电堆原理的压力传感器，其特征在于，所述基板包括硅、玻璃或者砷化镓。
8.根据权利要求1所述的一种基于热电堆原理的压力传感器，其特征在于，还包括设置在所述热电堆两端的测试端子。
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