CN114964599A - 微机械压力传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种微机械压力传感器及其制作方法，所述微机械压力传感器，包括：刚性基体，设有凹腔；压力敏感膜，设于所述凹腔的开口处，以与所述刚性基体形成密封腔室，并响应于密封腔室内外的压力差而变形；磁性元件，设于所述密封腔室内且位于所述压力敏感膜面向所述刚性基体的一端；电磁元件，设于所述密封腔室内且位于所述密封腔室面向所述磁性元件的一端，其用于通电产生磁场，以吸引或排斥所述磁性元件使所述压力敏感膜的变形量为零。本申请可以实现压力检测的同时，还可以通过两个磁场相吸或相斥阻止压力敏感膜变形，从而可以减轻压力敏感膜的疲劳磨损，提高传感器的使用寿命。
Description
技术领域
本申请属于传感技术领域，具体涉及一种微机械压力传感器及其制作方法。
背景技术
压力传感器在工业过程控制、环境参数测量、智能汽车和医疗器械等领域均有着广泛的应用。尤其是近年来，微机械(MEMS)加工技术的飞速发展，使制成低功耗、低成本和高性能的MEMS压力传感器成为了可能。然而，现有MEMS压力传感器均含有可动部件，这些可动部件在实际测量时会发生形变，形变次数的增多在一定程度上加剧了可动部件的疲劳磨损，进而影响了器件的使用寿命。
发明内容
本申请的目的是提供一种微机械压力传感器及其制作方法，可以实现压力检测的同时，还可以通过两个磁场相吸或相斥阻止压力敏感膜变形，从而可以减轻压力敏感膜的疲劳磨损，提高传感器的使用寿命。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种微机械压力传感器，包括：
刚性基体，设有凹腔；
压力敏感膜，设于所述凹腔的开口处，以与所述刚性基体形成密封腔室，并响应于密封腔室内外的压力差而变形；
磁性元件，设于所述密封腔室内且位于所述压力敏感膜面向所述刚性基体的一端；
电磁元件，设于所述密封腔室内且位于所述密封腔室面向所述磁性元件的一端，其用于通电产生磁场，以吸引或排斥所述磁性元件使所述压力敏感膜的变形量为零；
压敏电阻，设于所述压力敏感膜上；以及
电路，连接于所述压敏电阻，被配置为响应于所述压敏电阻的阻值变化而控制通过所述电磁元件的电流，并在所述压力敏感膜的变形量为零时记录通过所述电磁元件的电流的大小和方向。
在一些可选实施例中，所述微机械压力传感器还包括：
绝缘层，设于所述压力敏感膜和所述刚性基体及所述凹腔之间。
在一些可选实施例中，所述压敏电阻设于所述压力敏感膜上，且其部分位于所述刚性基体上，其余部分位于所述凹腔上。
在一些可选实施例中，所述压敏电阻为多个，多个所述压敏电阻沿所述压力敏感膜的中心周向均匀布置；所述压敏电阻的阻值为多个所述压敏电阻中的一个的阻值或者多个所述压敏电阻的阻值的平均值。
在一些可选实施例中，所述电磁元件包括螺旋线圈。
在一些可选实施例中，所述压敏电阻用于在所述压力敏感膜发生变形时阻值减小；所述电路具体被配置为：
在所述压敏电阻的阻值小于预设值时控制电流通过所述电磁元件；
当所述压敏电阻的阻值增加，则逐渐增大电流，直至所述压敏电阻的阻值等于预设值时，保持电流不变并记录此时的电流大小和方向；
当所述压敏电阻的阻值继续减小，则改变电流方向，逐渐增大电流，直至所述压敏电阻的阻值等于预设值时，保持电流不变并记录此时的电流大小和方向。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种微机械压力传感器的制作方法，包括：
提供第一基底；
在所述第一基底上形成压力敏感膜；
在所述第一基底的背面形成空腔，并暴露部分所述压力敏感膜；
在所述空腔内形成磁性材料层，并图形化所述磁性材料层以形成磁性元件；
提供第二基底；
在所述第二基底上形成金属层，并图像化所述金属层以形成电磁元件；
将所述第二基底密封连接于所述第一基底的背面，以与所述第一基底、所述压力敏感膜形成密封腔室，所述电磁元件位于所述密封腔室内且与所述磁性元件相对；以及
在所述压力敏感膜上形成压敏材料层，并图形化所述压敏材料层以形成压敏电阻。
在一些可选实施例中，所述在所述第二基底上形成压力敏感膜之前，所述方法还包括：
在所述第一基底上形成绝缘层，所述压力敏感膜形成在所述绝缘层上。
在一些可选实施例中，所述压敏电阻设于所述压力敏感膜上，且其部分位于所述第一基底上，其余部分位于所述空腔上。
在一些可选实施例中，所述压敏电阻为多个，多个所述压敏电阻沿所述压力敏感膜的中心周向均匀布置。
根据本申请实施例的第三方面，提供一种适用于微机械压力传感器的控制方法，包括：
获取压敏电阻的阻值a；
若所述压敏电阻的阻值a小于预设值，则控制电流通过所述电磁元件，并获取压敏电阻的阻值b；
若所述压敏电阻的阻值b大于a，且小于预设值，则逐渐增大电流，直至所述压敏电阻的阻值等于预设值时，保持电流不变并记录此时的电流大小和方向；
若所述压敏电阻的阻值b小于a，则改变电流方向，逐渐增大电流，直至所述压敏电阻的阻值等于预设值时，保持电流不变并记录此时的电流大小和方向。
根据本申请实施例的第四方面，提供一种电子设备，该电子设备可以包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，处理器被配置为执行指令，以实现如第三方面方法实施例中所述的控制方法。
根据本申请实施例的第五方面，提供一种存储介质，当存储介质中的指令由信息处理装置或者服务器的处理器执行时，以使信息处理装置或者服务器实现以实现如第四方面的任一项实施例中所述的控制方法。
本申请的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本申请实施例的微机械压力传感器，利用电流控制电磁场的强度和电极方向，将其与另一磁场相吸或相斥来使压力敏感膜的变形量为零，一方面，根据电流的大小可以用于确定环境气压，以实现压力检测，另一方面，通过两个磁场相吸或相斥可以阻止压力敏感膜变形，从而可以减轻压力敏感膜的疲劳磨损，提高传感器的使用寿命。同时，本申请实施例的微机械压力传感器，其检测环境气压时不再受到压力敏感膜最大变形量的影响，从而具有更宽的测量范围。
附图说明
图1是本申请一示例性实施例中一种微机械压力传感器的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是本申请一示例性实施例中一种螺旋线圈的结构示意图；
图4是本申请一示例性实施例中一种微机械压力传感器的制作流程图；
图5-图10是本申请一示例性实施例中一种微机械压力传感器的制作过程；
图11是本申请一示例性实施例中一种微机械压力传感器的控制方法的流程图；
图12是本申请示例性实施例中一种电子设备的结构示意图；
图中，1、刚性基体；11、第一基底；12、第二基底；2、压力敏感膜；3、磁性元件；4、电磁元件；5、压敏电阻；6、绝缘层。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本申请进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。
在附图中示出了根据本申请实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
下面结合附图，通过具体的实施例对本申请实施例提供的微机械压力传感器及其制作方法进行详细地说明。
如图1所示，本申请实施例提供一种微机械压力传感器，包括：
刚性基体1，设有凹腔13；
压力敏感膜2，设于凹腔13的开口处，以与刚性基体1形成密封腔室，并响应于密封腔室内外的压力差而变形；
磁性元件3，设于密封腔室内且位于压力敏感膜2面向刚性基体1的一端；
电磁元件4，设于密封腔室内且位于密封腔室面向磁性元件3的一端，其用于通电产生磁场，以吸引或排斥磁性元件3使压力敏感膜2的变形量为零；
压敏电阻5，设于压力敏感膜2上；以及
电路，连接于压敏电阻5，被配置为响应于压敏电阻5的阻值变化而控制通过电磁元件4的电流，并在压力敏感膜2的变形量为零时记录通过电磁元件4的电流的大小和方向。
在具体应用中，在将微机械压力传感器放于待测环境后，当待测环境的气压大于密封腔室内的气压时，压力敏感膜2向密封腔室内侧变形凹陷，此时压敏电阻5的阻值因压力敏感膜2变形而发生变化，电路可以响应于压敏电阻5的阻值变化而控制通过电磁元件4的电流的大小和方向，改变电磁元件4的磁场力的大小和作用方向，从而使压力敏感膜2在排斥力的作用下恢复至未变形的状态；当待测环境的气压小于密封腔室内的气压时，压力敏感膜2向密封腔室外侧变形凸起，此时压敏电阻5的阻值因压力敏感膜2变形而发生变化，电路可以响应于压敏电阻5的阻值变化而控制通过电磁元件4的电流的大小和方向，改变电磁元件4的磁场力的大小和作用方向，从而使压力敏感膜2在吸引力的作用下恢复至未变形的状态。在压力敏感膜2恢复至未变形的状态时，可以记录此时通过电磁元件4的电流的大小和方向，利用该电流值及其方向可以实现对环境气压的测量。
要通过上述微机械压力传感器记录的电流的大小和方向对环境气压进行测量，具体方法可以为：
将上述微机械压力传感器置于不同气压环境中，记录其压力敏感膜2的变形量为零时通过电磁元件4的电流的大小和方向，并将记录的电流的大小和方向与对应气压环境的气压值进行标定；
参照标定信息，电路可以根据其记录的电流的大小和方向确定对应环境的气压，进而可以输出气压信号。
示例性的，密封腔室内的气压为A，在目标环境下，若环境气压小于A，压力敏感膜2向密封腔室外侧变形凸起，要使压力敏感膜2恢复至未变形的状态，电流由电磁元件4的第一端流向第二端，电流大小为B，若环境气压大于A，压力敏感膜2向密封腔室内侧变形凹陷，要使压力敏感膜2恢复至未变形的状态，电流由电磁元件4的第二端流向第一端，电流大小为C。需要注意的是，在压力敏感膜2向内的变形量和向外的变形量相等时，要使压力敏感膜2恢复至未变形的状态，通过电磁元件4的电流的大小可以相同或者不同。
根据本申请实施例的微机械压力传感器，其利用电流控制电磁场的强度和电极方向，将其与另一磁场相吸或相斥来使压力敏感膜2的变形量为零，一方面，根据电流的大小可以用于确定环境气压，以实现压力检测，另一方面，通过两个磁场相吸或相斥可以阻止压力敏感膜2变形，从而可以减轻压力敏感膜2的疲劳磨损，提高传感器的使用寿命。同时，本申请实施例的微机械压力传感器，其检测环境气压时不再受到压力敏感膜2最大变形量的影响，从而具有更宽的测量范围。
可选地，刚性基体为筒状结构。
可选地，微机械压力传感器还包括：绝缘层6，设于压力敏感膜2和刚性基体1及凹腔13之间。具体地，绝缘层6可以将压敏材料隔绝在密封腔室外，从而阻挡压敏材料对磁场的衰减干扰，避免影响测量精度，同时，绝缘层6可以在凹腔形成过程中作为刻蚀第一基底11的停止层，还可以作为压力敏感膜2的支撑层。
可选地，压敏电阻5设于压力敏感膜2上，且其部分位于刚性基体1上，其余部分位于凹腔13上。示例性的，将压力敏感膜2划分为固定区和位于固定区内的悬空区，压力敏感膜2通过固定区连接于刚性基体1，悬空区悬设于凹腔上，压敏电阻5设于压力敏感膜2上并位于固定区与悬空区的交界处，且其部分位于刚性基体1上，其余部分位于凹腔上，在压力敏感膜2产生变形时，压敏电阻5的位于刚性基体1的部分固定，压敏电阻5的位于凹腔上的部分受到压力敏感膜2变形影响而改变电阻，从而可以实现对压力敏感膜2的变形量的测量。
如图2所示，可选地，压敏电阻5为多个，多个压敏电阻5沿压力敏感膜2的中心周向均匀布置；压敏电阻5的阻值为多个压敏电阻5中的一个的阻值或者多个压敏电阻5的阻值的平均值。优选地，多个压敏电阻5的阻值相等，且多个压敏电阻5在压力敏感膜2变形时的阻值变化量相同。
如图3所示，可选地，为了增大磁场强度，电磁元件4包括螺旋线圈。
可选地，压敏电阻5用于在压力敏感膜2发生变形时阻值减小；
电路具体被配置为：
在压敏电阻5的阻值小于预设值时控制电流通过电磁元件4；
当压敏电阻5的阻值增加，则逐渐增大电流，直至压敏电阻5的阻值等于预设值时，保持电流不变并记录此时的电流大小和方向；
当压敏电阻5的阻值继续减小，则改变电流方向，逐渐增大电流，直至压敏电阻5的阻值等于预设值时，保持电流不变并记录此时的电流大小和方向。
如图4-10所示，本申请实施例还提供一种微机械压力传感器的制作方法，包括：
提供第一基底11；
在第一基底11上形成压力敏感膜2；
在第一基底11的背面形成空腔，并暴露部分压力敏感膜2；
在空腔内形成磁性材料层，并图形化磁性材料层以形成磁性元件3；
提供第二基底12；
在第二基底12上形成金属层，并图像化金属层以形成电磁元件4；
将第二基底12密封连接于第一基底11的背面，以与第一基底11、压力敏感膜2形成密封腔室，电磁元件4位于密封腔室内且与磁性元件3相对；
在压力敏感膜2上形成压敏材料层，并图形化压敏材料层以形成压敏电阻5。
其中，第一基底11可以采用单抛或双抛的半导体衬底，包括但不限于硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底。在本申请的实施例中，第一基底11采用双抛的单晶硅衬底。
其中，压力敏感膜2可以响应于密封腔室内外的压力差而变形，例如凸起或者凹陷。
其中，磁性元件3可以产生磁场。
其中，第二基底12可以采用单抛或双抛的半导体衬底，包括但不限于硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底。在本申请的实施例中，第二基底12均采用双抛的单晶硅衬底。
其中，电磁元件4可以通电产生磁场，以吸引或排斥磁性元件3使压力敏感膜2的变形量为零。
其中，压敏电阻5的阻值可以在压力敏感膜2变形时发生变化，例如，压敏电阻5可以在压力敏感膜2发生变形时阻值减小。
其中，第二基底12上还设有两个电极，两个电极分别连接电磁元件4的两端，电磁元件4还可以通过电极连接电路，该电路还与压敏电阻5连接，被配置为：在压敏电阻5的阻值小于预设值时控制电流通过电磁元件4；当压敏电阻5的阻值增加，则逐渐增大电流，直至压敏电阻5的阻值等于预设值时，保持电流不变并记录此时的电流大小和方向；当压敏电阻5的阻值继续减小，则改变电流方向，逐渐增大电流，直至压敏电阻5的阻值等于预设值时，保持电流不变并记录此时的电流大小和方向。
在具体应用中，在将上述步骤制作的微机械压力传感器放于待测环境后，当待测环境的气压大于密封腔室内的气压时，压力敏感膜2向密封腔室内侧变形凹陷，此时压敏电阻5的阻值因压力敏感膜2变形而发生变化，电路可以响应于压敏电阻5的阻值变化而控制通过电磁元件4的电流的大小和方向，改变电磁元件4的磁场力的大小和作用方向，从而使压力敏感膜2在排斥力的作用下恢复至未变形的状态；当待测环境的气压小于密封腔室内的气压时，压力敏感膜2向密封腔室外侧变形凸起，此时压敏电阻5的阻值因压力敏感膜2变形而发生变化，电路可以响应于压敏电阻5的阻值变化而控制通过电磁元件4的电流的大小和方向，改变电磁元件4的磁场力的大小和作用方向，从而使压力敏感膜2在吸引力的作用下恢复至未变形的状态。在压力敏感膜2恢复至未变形的状态时，可以记录此时通过电磁元件4的电流的大小和方向，利用该电流值及其方向可以实现对环境气压的测量。因此，根据上述步骤制作的微机械压力传感器，其利用电流控制电磁场的强度和电极方向，将其与另一磁场相吸或相斥来使压力敏感膜2的变形量为零，一方面，根据电流的大小可以用于确定环境气压，以实现压力检测，另一方面，通过两个磁场相吸或相斥可以阻止压力敏感膜2变形，从而可以减轻压力敏感膜2的疲劳磨损，提高传感器的使用寿命。同时，本申请实施例的微机械压力传感器，其检测环境气压时不再受到压力敏感膜2最大变形量的影响，从而具有更宽的测量范围。
可选地，在第二基底12上形成压力敏感膜2之前，方法还包括：在第一基底11上形成绝缘层6，压力敏感膜2形成在绝缘层6上。绝缘层6可以在凹腔形成过程中作为刻蚀第一基底11的停止层，还可以作为压力敏感膜2的支撑层。优选地，绝缘层6可以使用碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、聚对二甲苯(Parylene)或者全氟树脂(Cytop)等材料制备，绝缘层6的厚度为0.01μm～100μm。
可选地，压敏电阻5设于压力敏感膜2上，且其部分位于第一基底11上，其余部分位于空腔上。在压力敏感膜2产生变形时，压敏电阻5的位于刚性基体1的部分固定，压敏电阻5的位于凹腔上的部分受到压力敏感膜2变形影响而改变电阻，从而可以实现对压力敏感膜2的变形量的测量。
可选地，压敏电阻5为多个，多个压敏电阻5沿压力敏感膜2的中心周向均匀布置。优选地，多个压敏电阻5的阻值相等，且多个压敏电阻5在压力敏感膜2变形时的阻值变化量相同。在检测环境气压的过程中，压敏电阻5的阻值为多个压敏电阻5中的一个的阻值或者多个压敏电阻5的阻值的平均值。
如图11所示，本申请实施例还提供一种适用于微机械压力传感器的控制方法，包括：
获取压敏电阻5的阻值a；
若压敏电阻5的阻值a小于预设值，则控制电流通过电磁元件4，并获取压敏电阻5的阻值b；
若压敏电阻5的阻值b大于a，且小于预设值，则逐渐增大电流，直至压敏电阻5的阻值等于预设值时，保持电流不变并记录此时的电流大小和方向；
若压敏电阻5的阻值b小于a，则改变电流方向，逐渐增大电流，直至压敏电阻5的阻值等于预设值时，保持电流不变并记录此时的电流大小和方向。
如图12所示，本申请实施例还提供一种电子设备M00，包括处理器M01，存储器M02，存储在存储器M02上并可在处理器M01上运行的程序或指令，该程序或指令被处理器M01执行时实现上述控制方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
本申请实施例还提供一种存储介质，当存储介质中的指令由信息处理装置或者服务器的处理器执行时，以使信息处理装置或者服务器实现以实现上述控制方法实施例中的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
其中，处理器为上述实施例中的电子设备中的处理器。可读存储介质，包括计算机可读存储介质，如计算机只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、磁碟或者光盘等。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。
Claims (10)
1.一种微机械压力传感器，其特征在于，包括：
刚性基体，设有凹腔；
压力敏感膜，设于所述凹腔的开口处，以与所述刚性基体形成密封腔室，并响应于密封腔室内外的压力差而变形；
磁性元件，设于所述密封腔室内且位于所述压力敏感膜面向所述刚性基体的一端；
电磁元件，设于所述密封腔室内且位于所述密封腔室面向所述磁性元件的一端，其用于通电产生磁场，以吸引或排斥所述磁性元件使所述压力敏感膜的变形量为零；
压敏电阻，设于所述压力敏感膜上；以及
电路，连接于所述压敏电阻，被配置为响应于所述压敏电阻的阻值变化而控制通过所述电磁元件的电流，并在所述压力敏感膜的变形量为零时记录通过所述电磁元件的电流的大小和方向。
2.根据权利要求1所述的微机械压力传感器，其特征在于，所述微机械压力传感器还包括：
绝缘层，设于所述压力敏感膜和所述刚性基体及所述凹腔之间。
3.根据权利要求1所述的微机械压力传感器，其特征在于，所述压敏电阻设于所述压力敏感膜上，且其部分位于所述刚性基体上，其余部分位于所述凹腔上。
4.根据权利要求1所述的微机械压力传感器，其特征在于，所述压敏电阻为多个，多个所述压敏电阻沿所述压力敏感膜的中心周向均匀布置；所述压敏电阻的阻值为多个所述压敏电阻中的一个的阻值或者多个所述压敏电阻的阻值的平均值。
5.根据权利要求1所述的微机械压力传感器，其特征在于，所述电磁元件包括螺旋线圈。
6.根据权利要求1所述的微机械压力传感器，其特征在于，所述压敏电阻用于在所述压力敏感膜发生变形时阻值减小；所述电路具体被配置为：
在所述压敏电阻的阻值小于预设值时控制电流通过所述电磁元件；
当所述压敏电阻的阻值增加，则逐渐增大电流，直至所述压敏电阻的阻值等于预设值时，保持电流不变并记录此时的电流大小和方向；
当所述压敏电阻的阻值继续减小，则改变电流方向，逐渐增大电流，直至所述压敏电阻的阻值等于预设值时，保持电流不变并记录此时的电流大小和方向。
7.一种微机械压力传感器的制作方法，其特征在于，包括：
提供第一基底；
在所述第一基底上形成压力敏感膜；
在所述第一基底的背面形成空腔，并暴露部分所述压力敏感膜；
在所述空腔内形成磁性材料层，并图形化所述磁性材料层以形成磁性元件；
提供第二基底；
在所述第二基底上形成金属层，并图像化所述金属层以形成电磁元件；
将所述第二基底密封连接于所述第一基底的背面，以与所述第一基底、所述压力敏感膜形成密封腔室，所述电磁元件位于所述密封腔室内且与所述磁性元件相对；以及
在所述压力敏感膜上形成压敏材料层，并图形化所述压敏材料层以形成压敏电阻。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在所述第二基底上形成压力敏感膜之前，所述方法还包括：
在所述第一基底上形成绝缘层，所述压力敏感膜形成在所述绝缘层上。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述压敏电阻设于所述压力敏感膜上，且其部分位于所述第一基底上，其余部分位于所述空腔上。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述压敏电阻为多个，多个所述压敏电阻沿所述压力敏感膜的中心周向均匀布置。
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