CN113790833A - 一种压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压力传感器，涉及传感器技术领域，本发明的压力传感器,包括衬底层以及设置于衬底层上表面的压电堆叠结构，在衬底层上表面设置有凹槽，凹槽与压电堆叠结构之间形成密闭的第一腔体，在衬底层内部还形成有密闭的第二腔体，第二腔体与第一腔体间隔且位于第一腔体下，其中，第一腔体的压强大于第二腔体的压强。本发明提供的压力传感器，能够实现高灵敏度、高稳定性的测量，且可承受较大压力。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种压力传感器装置。
背景技术
压力传感器是应用最为广泛的传感器之一。广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。目前压力传感器有电容式压力传感器和压电式压力传感器等。
近年来随着压电式微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术的不断发展，特别是基于氮化铝薄膜材料MEMS技术的逐渐成熟，压电MEMS传感器也不断的发展起来。压电MEMS传感器是一种新型的MEMS产品，利用集成在硅基底表面的压电材料进行能量转换，其采用单一隔膜结构，能够不受灰尘、水、焊剂蒸汽影响，在高端电子产品上已经逐渐取代传统的电容式传感器，成为新一代MEMS传感器市场的主流。虽然压电式压力传感器的灵敏度性能极好，但是其稳定性低，且可承受的压力较小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压力传感器，能够实现高灵敏度、高稳定性的测量，且可承受较大压力。
本发明的实施例是这样实现的：
一种压力传感器，包括衬底层以及设置于衬底层上表面的压电堆叠结构，在衬底层上表面设置有凹槽，凹槽与压电堆叠结构之间形成密闭的第一腔体，在衬底层内还形成有密闭的第二腔体，第二腔体与第一腔体间隔且位于第一腔体下，其中，第一腔体的压强大于第二腔体的压强。
可选的，作为一种可实施的方式，第一腔体的压强在0-1大气压之间，第二腔体的压强为0大气压。
可选的，作为一种可实施的方式，第一腔体的底面与第二腔体的顶面相互平行。
可选的，作为一种可实施的方式，第一腔体与第二腔体之间通过薄膜间隔。
可选的，作为一种可实施的方式，薄膜的厚度在2-20um之间。
可选的，作为一种可实施的方式，第一腔体在衬底层底面上的投影中心与第二腔体在衬底层底面上的投影中心重合。
可选的，作为一种可实施的方式，压电堆叠结构包括自下而上依次层叠设置的底电极、压电层和顶电极，顶电极的外边缘为曲线。
可选的，作为一种可实施的方式，底电极的外边缘为曲线。
可选的，作为一种可实施的方式，底电极与顶电极的外边缘形状相同。
可选的，作为一种可实施的方式，顶电极和底电极均为薄膜电极。
本发明实施例的有益效果包括：
本发明提供的压力传感器,包括衬底层以及设置于衬底层上表面的压电堆叠结构，在衬底层上表面设置有凹槽，凹槽与压电堆叠结构之间形成密闭的第一腔体，在衬底层内部还形成有密闭的第二腔体，第二腔体与第一腔体间隔且位于第一腔体下，当压力作用于压力传感器时，压电堆叠结构在压力的作用下发生相应形变，其中，第一腔体的压强大于第二腔体的压强，第一腔体和第二腔体之间存在压强差，在压力和压力差的双作用下，第一腔体和第二腔体之间的材料向下发生相应的形变，第一腔体内的压强值减小，进而对压电堆叠结构的反作用力减小，使得压电堆叠结构的形变增大，谐振频率的偏移变大，也就是灵敏度增大；而第二腔体对压力的缓冲，提高了压力传感器测量的稳定性和可承受的压力范围。本发明提供的压力传感器，能够实现高灵敏度、高稳定性的测量，且可承受较大压力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例压力传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例顶电极和底电极同时为椭圆的压力传感器的结构示意图；
图3为本发明实施例顶电极和底电极同时为椭圆的压力传感器的另一视角结构示意图；
图4为本发明实施例顶电极为水滴状的压力传感器的结构示意图；
图5为本发明实施例顶电极为叉指电极的压力传感器结构示意图；
图6为本发明实施例顶电极为叉指电极的压力传感器另一视角结构示意图。
图标：100-压力传感器；110-衬底层；111-第一腔体；112-第二腔体；113-薄膜；120-压电堆叠结构；121-顶电极；122-压电层；123-底电极。
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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
压力传感器是应用最为广泛的传感器之一。目前压力传感器有电容式压力传感器和压电式压力传感器等。相较于压电式压力传感器，电容式压力传感器的稳定性及压力的承受范围较大，而压电式压力传感器的灵敏度性能极好，但是其稳定性及可承受的压力较小。因此目前急需一种灵敏度高、稳定性好及可测压力范围大的压力传感器。
本发明提供了一种压力传感器100，如图1所示，包括衬底层110以及设置于衬底层110上表面的压电堆叠结构120，在衬底层110上表面设置有凹槽，凹槽与压电堆叠结构120之间形成密闭的第一腔体111，在衬底层110内还形成有密闭的第二腔体112，第二腔体112与第一腔体111间隔且位于第一腔体111下，其中，第一腔体111的压强大于第二腔体112的压强。
压电堆叠结构120包括从下而上依次层叠设置的底电极123，压电层122和顶电极121，其中，压电层122采用压电材料制成，具有压电效应，压电效应是指压电材料在沿一定方向上收到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当外力去掉后，又会恢复到不带电的状态。压力传感器100正是利用压电效应工作的器件。
其中，压电层122具体的材料本发明不做具体的限定，可以由任何具有压电效应的材料制成，示例的，可以是AlN压电薄膜、Sc掺杂AlN压电薄膜、PZT压电薄膜、ZnO压电薄膜、铌酸锂薄膜或钽酸锂薄膜中的一种。
当压力传感器100进行压力测量时，会有外加压力施加于压电堆叠结构120，而压电堆叠结构120下方设置有第一腔体111，外加压力施加于压电堆叠结构120时，在压电堆叠结构120的两侧形成压力差，使得压电堆叠结构120发生形变，由于压电层122的压电效应，会产生极化现象，由于在一定范围内，极化现象产生的电荷量与压电堆叠结构120发生的形变量成正比，而压电堆叠结构120发生的形变量又与施加的压力成正比，所以根据极化产生的电荷量即可推算出施加的压力。但是，当外加压力施加于压电堆叠结构120时，压电堆叠结构120发生形变时会对第一腔体111施加压力，而第一腔体111作为密闭腔体，必然会对压电堆叠结构120产生反作用力，从而减小压电堆叠结构120的形变量，压电堆叠的频率偏移减小，从而使得压力传感器100的灵敏度减小，测量范围减小。
而本发明在第一腔体111下的衬底层110内设置第二腔体112，第二腔体112的压强小于第一腔体111的压强，在第一腔体111和第二腔体112之间形成压力差，当外加压力施加于压电堆叠结构120时，压电堆叠结构120向下发生形变，向第一腔体111施加压力，而第一腔体111与第二腔体112之间有存在压力差，第一腔体111与第二腔体112之间的材料发生向下的形变，第一腔体111内的压强减小，从而对压电堆叠结构120的反作用力减小，使得压电堆叠结构120的形变增大，压电堆叠结构120的偏移变大，使得压力传感器100的灵敏度增大，测量范围增大。
本发明提供的压力传感器100,包括衬底层110以及设置于衬底层110上表面的压电堆叠结构120，在衬底层110上表面设置有凹槽，凹槽与压电堆叠结构120之间形成密闭的第一腔体111，在衬底层110内部还形成有密闭的第二腔体112，第二腔体112与第一腔体111间隔且位于第一腔体111下，当压力作用于压力传感器100时，压电堆叠结构120在压力的作用下发生相应形变，其中，第一腔体111的压强大于第二腔体112的压强，第一腔体111和第二腔体112之间存在压强差，在压力和压力差的双作用下，第一腔体111和第二腔体112之间的材料向下发生相应的形变，第一腔体111内的压强值减小，进而对压电堆叠结构120的反作用力减小，使得压电堆叠结构120的形变增大，谐振频率的偏移变大，也就是灵敏度增大；而第二腔体112对压力的缓冲，提高了压力传感器100测量的稳定性和可承受的压力范围。本发明提供的压力传感器100，能够实现高灵敏度、高稳定性的测量，且可承受较大压力。
可选的，第一腔体111的压强在0-1大气压之间，第二腔体112的压强为0大气压。
压电堆叠结构120的外侧处于外界环境中，外界气压通常为一个大气压，将第一腔体111的压强设置在0-1大气压之间，第二腔体112的压强设置为真空，使得外界环境、第一腔体111和第二腔体112之间分别存在一定的压力差。在压力传感器100进行压力测量时，外加压力施加于压电堆叠结构120，在外加压力、外界压力与第一腔体111的压力差和第一腔体111和第二腔体112的压力差的三重作用下，使得第一腔体111对压电堆叠结构120的反作用力减小，压电堆叠结构120的形变增大，频率偏移变大，进而使得压力传感器100的灵敏度增大，实现高灵敏度的特点。
本发明实施例的一种可实现的方式中，如图1所示，第一腔体111的底面与第二腔体112的顶面相互平行。
第一腔体111的底面与第二腔体112的顶面平行，在施加外加压力时，压电堆叠结构120发生形变向第一腔体111施加压力，第一腔体111与第二腔体112之间的材料发生形变使得第一腔体111内的压强减小，当第一腔体111与第二腔体112之间的材料发生形变时，若是第一腔体111的底面与第二腔体112的顶面相互平行，在第一腔体111与第二腔体112之间的材料受力发生形变时，使得第一腔体111内同一横截面上的各个点受力均衡，从而使得第一腔体111对压电堆叠结构120的反作用力在压电堆叠结构120的各个点上均衡，避免压电堆叠结构120中某处反作用力大，而其余的地方反作用力小，使得压电堆叠结构120受力不均衡而导致测量结果不准确。
需要说明的是，第一腔体111和第二腔体112的具体形状本发明不做具体限定，只要第二腔体112设置于第一腔体111之下且第一腔体111的下底面与第二腔体112的上顶面相互平行即可，示例的，第一腔体111可以设置为圆柱型、长方体型或者不规则六面体型中的一种，第二腔体112也同样可以设置为圆柱型、长方体型或者不规则六面体型中的一种，第一腔体111可以与第二腔体112相同，也可以不同。
可选的，如图1所示，第一腔体111与第二腔体112之间通过薄膜113间隔。
第一腔体111与第二腔体112之间的材料在压强差的作用下发生形变，将第一腔体111与第二腔体112之间的材料设置薄膜113，薄膜在较小的压强下即可发生形变，能够缓冲压电堆叠结构120对第一腔体111的压力，进而减小第一腔体111对压电堆叠结构120的反作用力，使得压电堆叠结构120的形变增大，频率偏移变大，从而提高压力传感器100的灵敏度及实现大范围的压力测量。
本发明实施例的一种可实现的方式中，薄膜113的厚度在2-20um之间。
薄膜113在第一腔体111和第二腔体112之间存在压力差时发生形变，根据上述可知，薄膜113的厚度越薄，压力传感器100的灵敏度越高，而本领域技术人员应当知晓，因为薄膜113为硅衬底层中第一腔体111和第二腔体112之间的材料，也就是硅薄膜，而硅薄膜在厚度太小时，在发生形变时有可能会出现撕裂现象，在申请人多次实验研究后，将薄膜113的厚度设置在2-20um之间，这样的设置既不影响薄膜113的形变量，也不会出现薄膜113的撕裂现象。
可选的，如图1所示，第一腔体111在衬底层110底面上的投影中心与第二腔体112在衬底层110底面的投影中心重合。
薄膜113在第一腔体111和第二腔体112之间存在压力差时发生形变，第一腔体111在衬底层110底面上的投影中心与第二腔体112在衬底层110底面的投影中心重合，当对压电堆叠结构120施加外加压力时，第一腔体111受压后使得薄膜113向第二腔体112发生形变，第二腔体112与第一腔体111在衬底层110底面的投影中心重合时，薄膜113发生形变的中心位置与第一腔体111和第二腔体112在衬底层110底面上的投影中心重合，能够保证薄膜113的中心形变量最大，在受比较大的力时，薄膜113不容易撕裂。
本发明实施例的一种可实现的方式中，压电堆叠结构120包括自下而上依次层叠设置的底电极123、压电层122和顶电极121，顶电极121的外边缘为曲线。
当顶电极121的外边缘为曲线时，顶电极121的外边缘没有平行的边，这样，当声波在顶电极121中传播时，传播的路径不会发生重复，可以减少伪模态的产生。
顶电极121的具体形状本发明不做限制，只要顶电极121的外边缘中不存在平行的边即可，示例的，顶电极121的外边缘可以是圆形、椭圆形、水滴形、液态金属形及叉指电极的一种，也可以是任一曲线构成的图形，如图3，图4所示，顶电极121设置为椭圆形和水滴形。
需要说明的是，由于叉指电极的边缘虽然不是曲线，但是叉指电极的每一个电极之间存在一定间隙，也能够减少伪模态的产生，所以，叉指电极也在本发明的保护范围之内，如图5，图6所示，顶电极为叉指电极时的压力传感器的结构示意图。
可选的，如图1所示，底电极123的外边缘为曲线。
同顶电极121相同，当底电极123的外边缘为曲线时，底电极123的外边缘没有平行的边，这样，当声波在底电极123中传播时，传播的路径不会发生重复，可以减少伪模态的产生。
同顶电极121相同，底电极123的具体形状本发明不做限制，只要底电极123的外边缘中不存在平行的边即可，示例的，底电极123的外边缘可以是圆形、椭圆形、水滴形、液态金属形及叉指电极的一种。
需要说明的是，在底电极外边缘曲线时，顶电极需要外边缘为曲线，也就是说，电极边缘为曲线时，有两种方案，一种为仅顶电极121的边缘曲线，另一种为底电极123和顶电极121的边缘均曲线。
本发明实施例的一种可实现的方式中，底电极123与顶电极121的外边缘形状相同。
底电极123与顶电极121的边缘均为曲线，且底电极123与顶电极121的外边缘形状相同时，声波在底电极123与顶电极121中传播时，顶电极121与底电极123的外边缘形状相同，能够使得声波在顶电极121和底电极123以相同的幅度和速率传播，确保声波的均匀性。如图2，图3所示，顶电极121和底电极123边缘同时为椭圆形状。
需要说明的是，为了获得灵敏度更好，测量范围更大的压力传感器100，可以将顶电极121、底电极123、第一腔体111的横截面和第二腔体112的横截面统一设置为一种图形，且第一腔体111与第二腔体112在衬底层110地面的投影重合，这样，在薄膜113和压电层122的受力都比较均衡，对外界压力比较敏感，提高压力传感器100的灵敏度，增大压力传感器100的测量范围。
可选的，顶电极121和底电极123均为薄膜电极。
顶电极121和底电极123为薄膜电极，用来传递信号和声波，具有独特的延展性和高效性，还能够减小压力传感器100的体积。
薄膜电极的具体材料不做限制，可包括利用钼、钌、钨、铱、铂、铜、钛、钽、镍和铬中的任意一者形成的薄膜电极或者包括利用包含从由钼、钌、钨、铱、铂、铜、钛、钽、镍和铬组成的组中选择的任意一者的合金形成的薄膜电极。顶电极121和底电极123均可根据上述材料制成，其中，顶电极121和底电极123可采用相同的材料制成也可采用不同的材料制成。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种压力传感器，其特征在于，包括衬底层以及设置于所述衬底层上表面的压电堆叠结构，在所述衬底层上表面设置有凹槽，所述凹槽与所述压电堆叠结构之间形成密闭的第一腔体，在所述衬底层内部还形成有密闭的第二腔体，所述第二腔体与所述第一腔体间隔且位于所述第一腔体下，其中，所述第一腔体的压强大于所述第二腔体的压强。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第一腔体的压强在0-1大气压之间，所述第二腔体的压强为0大气压。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第一腔体的底面与所述第二腔体的顶面相互平行。
4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第一腔体与所述第二腔体之间通过薄膜间隔。
5.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，所述薄膜厚度在2-20um之间。
6.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第一腔体在所述衬底层底面上的投影中心与所述第二腔体在所述衬底层底面上的投影中心重合。
7.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述压电堆叠结构包括自下而上依次层叠设置的底电极、压电层和顶电极，所述顶电极的外边缘为曲线。
8.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于，所述底电极的外边缘为曲线。
9.根据权利要求8所述的压力传感器，其特征在于，所述底电极与所述顶电极的外边缘形状相同。
10.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于，所述顶电极和所述底电极均为薄膜电极。
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