CN114623960A - 压力传感器、压力分析仪及其制备方法 - Google Patents

压力传感器、压力分析仪及其制备方法 Download PDF

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CN114623960A CN202210227614.8A CN202210227614A CN114623960A CN 114623960 A CN114623960 A CN 114623960A CN 202210227614 A CN202210227614 A CN 202210227614A CN 114623960 A CN114623960 A CN 114623960A
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Abstract

本申请提供了一种压力传感器及包含其的压力分析仪，属于传感器技术领域。压力传感器包括刚性层和弹性层；所述刚性层包括光源和超透镜；所述超透镜设置在所述光源的发光侧；所述弹性层包括探测器和换能器；所述探测器设置于所述超透镜背离所述光源的一侧，且探测器的受光面朝向所述超透镜；所述换能器的一端连接所述超透镜，所述换能器的另一端连接所述探测器；所述换能器通过弹性形变改变所述探测器和所述超透镜的间距。本申请实施例提供的压力传感器通过测量光斑变化避免了测量电阻变化时的误差，提高了压力传感器的灵敏度和响应速度。

Description

压力传感器、压力分析仪及其制备方法
技术领域
本申请涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种压力传感器、压力分析仪及其制备方法。
背景技术
随着自动化技术的进步，作为工业设备中的重要元器件，压力传感器的发展迅速。
现有技术中的压力传感器包括电容式、电阻式、压电式和薄膜晶体管式。现有技术中的压力传感器主要通过测量弹性敏感元件中的电信号变化获得测量压力。
随着工业领域对压力传感器的小型化和灵敏度要求越来越高，现有压力传感器中弹性元件本身电阻因应力累积而产生信号延迟变化的限制，增加了电信号测量的误差，造成灵敏度降低，故而逐渐无法满足工业界的需求。
因此，亟需一种小型化、高灵敏度的压力传感器。
发明内容
为解决现有压力传感器小型化和灵敏度局限的技术问题，本申请实施例提供一种压力传感器、压力分析仪及其制备方法。
第一方面，本申请实施例提供了一种压力传感器，所述压力传感器包括刚性层和弹性层；
所述刚性层包括光源和超透镜；所述超透镜设置在所述光源的发光侧；
所述弹性层包括探测器和换能器；
所述探测器设置于所述超透镜背离所述光源的一侧，且探测器的受光面朝向所述超透镜；
所述换能器的一端连接所述超透镜，所述换能器的另一端连接所述探测器；
所述换能器通过弹性形变改变所述探测器和所述超透镜的间距。
可选地，所述探测器与所述超透镜的初始间距大于零且不等于所述超透镜的焦距。
可选地，所述探测器与所述超透镜的间距等于所述超透镜的二分之一焦距。
可选地，所述刚性层还包括支撑器；
所述支撑器的一端连接所述光源，所述支撑器的另一端连接所述超透镜。
可选地，所述光源的发光面和所述超透镜平行。
可选地，所述超透镜基底和设置在所述基底上的微结构层，以及
其中，所述微结构层包括布置成阵列的微结构单元。
可选地，所述超透镜的相位分布覆盖2π。
可选地，所述压力传感器满足：
Figure BDA0003536839890000021
其中，ε为所述压力传感器的灵敏度；F为所述压力传感器所受压力；S为所述探测器探测到的光斑面积；E为所述换能器的弹性模量；f为所述超透镜的焦距；L为所述超透镜与所述探测器(210)的初始间距。
第二方面，本申请实施例还提供了一种压力分析仪，包括至少两个如上述任一实施例提供的压力传感器；
所述压力传感器呈阵列排布。
可选地，所述压力分析仪中所有压力传感器的尺寸相同。
可选地，所述压力分析仪中部分压力传感器的尺寸相同。
第三方面，本申请实施例提供了一种压力传感器及压力分析仪的制备方法，其特征在于，适用于上述任一实施例提供的压力传感器和上述任一实施例提供的压力分析仪，所述方法包括：
在第一晶圆上设置光源阵列；
在第二晶圆上设置超透镜阵列；
在第三晶圆上设置换能器阵列和探测器阵列；
将所述第三晶圆、所述第二晶圆和所述第一晶圆依次封装形成封装件，使所述光源阵列、所述超透镜阵列和所述探测器阵列同光轴对齐。
可选地，所述方法还包括：
切割所述封装件，得到形状和尺寸符合需求的压力传感器和压力分析仪。
可选地，所述方法还包括：
在所述第二晶圆朝向所述第一晶圆的一侧设置支撑器阵列。
本申请实施例提供的压力传感器和包含其的压力分析仪，至少取得了以下有益效果：
本申请实施例提供的压力传感器中光源发出的光经超透镜汇聚在探测器上形成光斑，通过换能器受力形变改变探测器与超透镜的间距，从而改变探测器上光斑的面积，通过探测器测量光斑的变化获得对应的压力变化。该压力传感器通过直接测量光斑的变化代替了测量电阻的变化，避免了测量电阻时因应力累积产生的误差，提高了压力传感器的灵敏度。本申请实施例提供的压力分析仪，通过阵列排布的压力传感器实现了对力的作用面进行精确的受力分析。本申请实施例提供的制备方法，采用半导体工艺通过晶圆级封装实现了压力分析仪的定制化设计。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1示出了本申请实施例所提供的压力传感器一种可选的结构示意图；
图2示出了本申请实施例所提供的超透镜中微结构单元的透视图；
图3示出了本申请实施例所提供的超透镜中微结构单元的又一种透视图；
图4示出了本申请实施例所提供的超透镜中微结构单元的一种可选排列方式；
图5示出了本申请实施例所提供的超透镜中微结构单元的又一种可选排列方式；
图6示出了本申请实施例所提供的超透镜中微结构单元的又一种可选排列方式；
图7示出了本申请实施例所提供的超透镜中纳米结构的相位和透过率关系；
图8示出了本申请实施例所提供的压力分析仪的一种结构示意图；
图9示出了本申请实施例所提供的一种可选的压力传感器的光斑面积和压力值的关系；
图10示出了本申请实施例所提供的压力分析仪的一种压力分布示意图；
图11示出了本申请实施例所提供的压力分析仪的又一种压力分布示意图；
图12示出了本申请实施例所提供的压力分析仪的又一种结构示意图。
图中附图标记分别表示：
10-刚性层；20-弹性层；
110-光源；120-超透镜；130-支撑器；210-探测器；220-换能器。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本申请实施例提供了一种压力传感器，如图1所示，该压力传感器包括刚性层10和弹性层20。刚性层10包括光源110和超透镜120，超透镜120设置于光源110的发光侧。弹性层探测器210和换能器220，探测器210设置于超透镜背离光源110的一侧，且探测器的受光面朝向超透镜120。换能器220的一端连接超透镜120，换能器220的另一端连接探测器210；换能器220通过弹性形变改变探测器210和超透镜120的间距。
理想状态下，刚性层10不因外力作用而产生形变，弹性层20受外力作用时只有换能器产生形变。
具体而言，探测器210是光电探测器，用于将其接受到的光信号转换为电信号。光源110发出的光线经超透镜120汇聚后在探测器210上形成光斑。当本申请实施例提供的压力传感器不受外力时，光源110在探测器210上形成的光斑为初始光斑，探测器210测量初始光斑110得到初始电信号。当该压力传感器受到压力时，换能器220产生弹性形变，使探测器210与超透镜120之间的间距发生改变，继而引起探测器210上光斑的发生变化。因此，探测器210测量因光斑变化引起的电信号变化，可以得到相应的压力变化。
需要说明的是，该压力传感器收到的压力包括正压力和负压力。正压力指使换能器220沿与光源110光轴平行的方向收缩的作用力；负压力指使换能器220沿与光源110光轴平行的方向伸张的作用力。该压力传感器的刚性层10与空气接触的面和弹性层20与空气接触的面都可以作为受力面。
应理解，因为探测器210和超透镜120之间的距离变化可以是动态的，所以光斑也可以是动态变化的。而相比传统压力传感器中被测量元件应力累积引起电阻变化导致测量到的电信号迟滞或者误差累积，该压力传感器的测量对象为光斑，光斑的响应速度更高，灵敏度更高。且光斑自身不会产生电阻变化而造成误差累积。因此，该压力传感器不但可以用于静态测量还可以用于振动测量。本申请实施例提供的压力传感器通过测量光斑变化避免了测量电阻变化时的误差，提高了压力传感器的灵敏度和响应速度。
根据本申请的实施方式，光源110的工作波段可以是可见光波段，也可以是红外波段。光源110可以发出宽谱光，也可以是单色光。当对该压力传感器的精度要求较高时，宽谱光经过超透镜120会产生色差从而导致精度下降。因此，优选光源110为窄带激光器，可以发射近单一波长的光，波长可以是从远红外到可见光中任一波长。
根据本申请的实施方式，探测器210为光电探测器，包括电荷耦合器件(CCD，Charge Coupled Device)和互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal OxideSemiconductor)等。例如，探测器210可以通过测量光斑的面积大小获得对应的压力信息。再例如，探测器210可以通过测量光斑的能量密度获得对应的压力信息。
可以理解的是，光源110、超透镜120和探测器210的位置和尺寸影响该压力传感器的灵敏度。通常要求光源110经超透镜120形成的光斑位于探测器210的中间区域。优选地，光源110、超透镜120和探测器120同光轴设置。优选地，光源110的面积大于或等于超透镜120的面积，而超透镜120的面积大于或等于探测器210的面积。
一般地，探测器210的位置要求位于超透镜120和超透镜120的焦点之间。也就是说，探测器210与超透镜120的间距大于零，且不等于超透镜120的焦距(像方焦距)。即探测器210的初始位置不能位于超透镜120的焦点。进一步地，当该压力传感器不受外力作用时，探测器210与超透镜120的初始间距等于超透镜120的二分之一焦距。此类结构的正负压力量程相等。类似地，若探测器210位于超透镜120的焦平面上，则该压力传感器获得最大正压力量程，而其负压力量程为零。探测器210和超透镜120的初始距离根据量程需求选择。
在本申请的实施例中，换能器220为弹性材料，换能器220的作用一方面是用来支撑刚性层10，另一方面是用来通过自身的弹性形变改变超透镜120和探测器210的间距。优选地，换能器220只沿其高度方向产生弹性形变。换能器220的高度方向是指和该压力传感器中光源110的光轴平行的方向。更有利地，换能器210垂直于其高度方向的截面形状为中心对称图形，以使其受力更均匀。更优选地，换能器210为O形结构。此外，换能器220的光学性能无特殊要求，可以是工作波段透明的材料，也可以是工作波段不透明的材料。优选在工作波段不透明的材料，以屏蔽压力传感器外部环境光造成的干扰。
可以理解的是，光源110、超透镜120和探测器210的刚度大于或等于换能器220的刚度。通常，光源110、超透镜120和探测器210的形变产生的误差可以忽略不计。为了追求更高的精度可以考虑光源110、超透镜120和探测器210的形变产生的误差。
为了提高该压力传感器的精度和灵敏度，需要保持光源110和超透镜120需要保持平行。因此，光源110和超透镜120的距离越近越好。一般地，光源110和超透镜120的距离大于零。
可选地，本申请实施例提供的压力传感器还包括支撑器130，支撑器130为刚性材料，不易产生形变。支撑器130一端连接光源110，另一端连接超透镜120。支撑器130的刚度大于或等于光源110的刚度。例如，支撑器130可以为晶圆级封装所用的间隔层(Spacer)的材料。支撑器130为工作波段不透明的材料，以减少光线传输过程中的损失。支撑器130虽然增加了光源110和超透镜120的间距，但是避免了光源110和超透镜120的接触，因此避免了光源110工作时发热导致超透镜120的光学性能下降。
本申请实施例提供的压力传感器的灵敏度跟很多因素相关，包括超透镜120的半径r0、探测器210与超透镜120的初始间距L以及超透镜的焦距f。通常光源110的半径和超透镜120的半径相同。该压力传感器满足公式(1)：
Figure BDA0003536839890000081
其中，ε为压力传感器的灵敏度；F为压力传感器所受压力；S为探测器210探测到的光斑面积；E为换能器220的弹性模量，单位为MPa；f为超透镜120的焦距；L为超透镜120与探测器210的初始间距。
接下来对根据本申请的实施方式的超透镜120进行更详细的描述。
超透镜是超表面的一种具体应用。超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面微结构单元来调制入射光。超表面的微结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。
图2和图3示出了根据本申请的实施方式的超透镜120的一个微结构单元的透视图。图4和图5示出了根据本申请的实施方式的超透镜120的微结构层的平面视图。
如图2和图3所示，根据本申请的实施方式，超透镜120包括基底和设置在基底上的微结构层，其中微结构层包括布置成阵列的微结构单元。
如图4所示，根据本申请的实施方式，微结构单元可以布置成正六边形的阵列。此外，如图5所示，根据本申请的实施方式，微结构单元可以布置成正方形的阵列。本领域技术人员应认识到，微结构层中包括的微结构单元还可以包括其他形式的阵列布置，所有这些变型方案均涵盖于本申请的范围内，例如图6所示的扇形排列。
根据本申请的实施方式，微结构单元可以具有纳米结构。根据本申请的实施方式，每个微结构单元的中心位置和/或顶点位置处分别设置有纳米结构。根据本申请的实施方式，纳米结构是全介质结构单元。根据本申请的实施方式，纳米结构在可见光和远红外光波段具有高透射率。例如，当工作波段是可见光时，基底材料可选用熔融石英、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石等可见光透明材料，纳米结构可选氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、蓝宝石和氧化硅等材料；当工作波段是远红外(8-12μm)时，基底材料可选用硫系玻璃、硫化锌、硒化锌、晶体锗和晶体硅等材料，纳米结构可选用晶体硅、晶体锗等材料。
超透镜的微结构单元中的纳米结构可以具有纳米柱的形式。尽管图2中所示的纳米柱的截面是圆形，并且图3中所示的纳米柱的截面是正方形，但是本申请不限于此。纳米结构还可以采用其他形式的结构，所有这些变型方案均涵盖于本申请的范围内。
根据本申请的实施方式，微结构单元的尺寸和形状根据压力传感器的工作波段确定。根据本申请的实施方式，各纳米结构之间可以填充空气或者在工作波段透明或半透明的其他材料。根据本申请的实施方式，所填充的材料的折射率与纳米结构的折射率之间的差值的绝对值应大于等于0.5。
此外，本申请实施例提供的压力传感器中，超透镜120的相位覆盖2π，以避免光波相干造成光的强度衰减。可选地，超透镜120的相位分布满足公式(2)：
Figure BDA0003536839890000091
其中，
Figure BDA0003536839890000092
为超透镜120的相位；λ为工作波段的波长；(x，y)为纳米结构在超透镜120表面的坐标；f为超透镜120的焦距。
在超透镜120的设计过程中，根据纳米结构在不同波长下所需的相位，在纳米结构数据库中查找相位最接近的纳米结构，寻找纳米结构可选用最小化加权误差的优化算法，可用公式(3)表示其原理：
Figure BDA0003536839890000093
其中，Δ(x,y)为超表面坐标(x,y)处的总误差，φ(x,y,λ)为波长λ下的理论相位，
Figure BDA0003536839890000101
为数据库中第j个结构的在波长λ下的实际相位，和ci为此波长的权重系数，一般情况下，权重为1。通过在整个数据库的搜索，寻找使得总误差最小的结构放置在超表面(x,y)位置。图7示出了本申请实施例提供的压力传感器的超透镜120中，纳米结构的相位和透过率的关系。
另一方面，本申请实施例提供了还一种压力分析仪，如图8所示，包括至少两个上述实施例提供的压力传感器。其中，至少两个压力传感器呈阵列排布。该压力分析仪的量程与其包含的压力传感器的数量正相关。
在一种优选的实施方式中，该压力分析仪中所有的压力传感器的尺寸相同，以获得更好的一致性、精度和灵敏度。在又一种优选的实施方式中，该压力分析仪中部分压力传感器的尺寸相同，以控制成本。例如，压力分析仪靠近中心部分的压力传感器尺寸小于靠近边缘部分的压力传感器。此处的压力传感器尺寸可选地指压力传感器的底面积。
本申请实施例提供的压力分析仪通过阵列的压力传感器可以实现对力的作用面上不同位置的压力进行分析。示例性地，本申请实施例提供的压力分析仪受外力作用时的光斑面积对应压力值的关系如图10所示。
可以理解，如图8所示，本申请实施例提供的压力分析仪包括光源层、超透镜层和探测器层。其中，光源层包括阵列排布的光源110，超透镜层包括阵列排布的超透镜120，探测器层包括阵列排布的探测器210。
也就是说，该压力分析仪可以采用半导体工艺制备，由于光源110、超透镜120和探测器210都可以采用晶圆加工。因此，可以在相同尺寸的三个晶圆上分别加工出光源阵列、超透镜阵列和探测器阵列，将光源阵列、超透镜阵列和探测器阵列对齐后，进行封装，超透镜阵列和探测器阵列中间以换能器阵列间隔。可选地，光源阵列和超透镜阵列之间有支撑器阵列间隔。
因此，本申请实施例还提供了一种压力传感器及压力分析仪的制备方法，适用于上述任一实施例提供的压力传感器和压力分析仪，该方法包括：
在第一晶圆上设置光源阵列；
在第二晶圆上设置超透镜阵列；
在第三晶圆上设置换能器阵列和探测器阵列；
将第三晶圆、第二晶圆和第一晶圆依次封装形成封装件，使光源阵列、超透镜阵列和探测器阵列同光轴对齐。
可选地，该方法还包括切割封装件，得到形状和尺寸符合需求的压力传感器和压力分析仪。如图12所示，可以根据设计需求通过切割封装件获得任意形状及尺寸的压力分析仪，或按照不同的量程要求切割出不同面积的压力分析仪。当以最小单元切割时，可得到本申请实施例提供的压力传感器。
可选地，该方法还包括在第二晶圆朝向第一晶圆的一侧设置支撑器阵列。
实施例
本申请实施例提供了一种示例的压力传感器，参数如下：
光源110采用单波长光源，工作波长为650nm，面积为100μm2。支撑层130采用玻璃，厚度为50μm。超透镜120设计面积为100μm2，焦距为1mm；基底材料选用熔融石英，纳米结构材料选用TiO2，纳米结构选用高度为200nm，周期为60nm的纳米圆柱及中空纳米圆柱。换能器220采用橡胶材质，其弹性模量为7.84Mpa，厚度为超透镜120焦距的二分之一。探测器210采用可见光波响应的CCD，面积为100μm2。
该压力传感器不受外力作用时，探测器210上初始光斑的面积为25μm2。由公式(1)计算出该压力传感器中光斑面积与压力传感器所受的压力大小的对应关系如图9所示。并由此得到，该压力传感器的灵敏度为7.84×10-6N/μm2。
将该压力传感器以阵列形式排布组成晶圆级阵列模组，得到可用于面型压力分析的晶圆级压力分析仪。该压力分析仪的面积为120μm×120μm，将该压力分析仪的中心点坐标定义为(0，0)。对该压力分析仪的一个角施加压力，则该压力分析仪得到的光斑大小如图10所示，其压力分布如图11所示。
综上所述，本申请实施例提供的压力传感器中光源发出的光经超透镜汇聚在探测器上形成光斑，通过换能器受力形变改变探测器与超透镜的间距，从而改变探测器上光斑的面积，通过探测器测量光斑的变化获得对应的压力变化。该压力传感器通过直接测量光斑的变化代替了测量电阻的变化，避免了测量电阻时因应力累积产生的误差，提高了压力传感器的灵敏度。本申请实施例提供的压力分析仪，通过阵列排布的压力传感器实现了对力的作用面进行精确的受力分析。本申请实施例提供的制备方法，采用半导体工艺通过晶圆级封装实现了压力分析仪的定制化设计。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种压力传感器，其特征在于，所述压力传感器包括刚性层(10)和弹性层(20)；
所述刚性层(10)包括光源(110)和超透镜(120)；所述超透镜(120)设置在所述光源(110)的发光侧；
所述弹性层(20)包括探测器(210)和换能器(220)；
所述探测器(210)设置于所述超透镜(120)背离所述光源(110)的一侧，且探测器(210)的受光面朝向所述超透镜(120)；
所述换能器(220)的一端连接所述超透镜(120)，所述换能器(220)的另一端连接所述探测器(210)；
所述换能器(220)通过弹性形变改变所述探测器(210)和所述超透镜(120)的间距。
2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述探测器(210)与所述超透镜(120)的初始间距大于零且不等于所述超透镜(120)的焦距。
3.如权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述探测器(210)与所述超透镜(120)的间距等于所述超透镜(120)的二分之一焦距。
4.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述刚性层(10)还包括支撑器(130)；
所述支撑器(130)的一端连接所述光源(110)，所述支撑器(130)的另一端连接所述超透镜(120)。
5.如权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，所述光源(110)的发光面和所述超透镜(120)平行。
6.如权利要求1-5任一所述的压力传感器，其特征在于，所述超透镜(120)基底和设置在所述基底上的微结构层，
其中，所述微结构层包括布置成阵列的微结构单元。
7.如权利要求1-5任一所述的压力传感器，其特征在于，所述超透镜的相位分布覆盖2π。
8.如权利要求1-5任一所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器满足：
Figure FDA0003536839880000021
其中，ε为所述压力传感器的灵敏度；F为所述压力传感器所受压力；S为所述探测器(210)探测到的光斑面积；E为所述换能器(220)的弹性模量；f为所述超透镜(120)的焦距；L为所述超透镜(120)与所述探测器(210)的初始间距。
9.一种压力分析仪，其特征在于，所述压力分析仪包括至少两个如权利要求1-8任一所述的压力传感器；
所述压力传感器呈阵列排布。
10.如权利要求9所述的压力分析仪，其特征在于，所述压力分析仪中所有压力传感器的尺寸相同。
11.如权利要求10所述的压力分析仪，其特征在于，所述压力分析仪中部分压力传感器的尺寸相同。
12.一种压力传感器及压力分析仪的制备方法，其特征在于，适用于如权利要求1-8任一所述的压力传感器和如权利要求9-11中任一所述的压力分析仪，所述方法包括：
在第一晶圆上设置光源阵列；
在第二晶圆上设置超透镜阵列；
在第三晶圆上设置换能器阵列和探测器阵列；
将所述第三晶圆、所述第二晶圆和所述第一晶圆依次封装形成封装件，使所述光源阵列、所述超透镜阵列和所述探测器阵列同光轴对齐。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
切割所述封装件，得到形状和尺寸符合需求的压力传感器和压力分析仪。
14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述第二晶圆朝向所述第一晶圆的一侧设置支撑器阵列。
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