CN115656548B - 一种mems气流传感器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种MEMS气流传感器，包括：基底，具有一空腔；第一支撑层，设置于所述基底顶面；电容结构，设置于所述第一支撑层上；泄压结构，设置于所述结构层上；以及保护结构。本申请提供的一种MEMS气流传感器具有如下有益效果：可以在敏感膜两侧空气流速之差超过传感器的量程时，通过泄压结构减小振动空间内的压力以及利用保护结构阻碍敏感膜的进一步形变，对气流传感器的敏感膜进行有效保护，同时内置防尘膜可以阻挡外界异物进入传感器内部，提高了传感器的稳定性和可靠性。

Description

一种MEMS气流传感器

技术领域

本申请属于MEMS传感器技术领域，具体涉及一种MEMS气流传感器。

背景技术

气流传感器广泛应用于工农业、环境监测和医疗等领域，MEMS气流传感器由于其体积小、灵敏度高和可批量制造等优势在工业和商业中具有极大的吸引力。电容式MEMS气流传感器通过敏感膜的形变来表征敏感膜两侧的空气流速变化，进而转化为电容变化量，经后端信号处理电路处理实现测量空气流速的目的。为了实现更高的灵敏度，敏感膜通常做的比较薄，当敏感膜两侧的空气流速之差超过气流传感器的测量范围，极易损坏敏感膜，使气流传感器失效。

因此亟需一种带敏感膜保护结构的MEMS气流传感器。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种MEMS气流传感器，以解决目前人们在日常事务处理中，因需要提前准备待办事项而导致日常事务处理效率低的问题。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

一种MEMS气流传感器，包括：

基底，具有一空腔；

第一支撑层，设置于所述基底顶面；

电容结构，设置于所述第一支撑层上，所述电容结构包括结构层、第二支撑层、背板、背板电极以及敏感膜，所述背板设置于所述第一支撑层上，所述结构层设置于所述背板上，所述背板电极设置于所述背板上，所述敏感膜通过所述第二支撑层设置于所述结构层上，所述敏感膜与所述背板间隔设置以形成一振动空间；所述电容结构还包括贯穿所述背板和所述背板电极设置以连通所述振动空间与所述空腔的通孔；

泄压结构，设置于所述结构层上，所述泄压结构包括泄压膜、弹性支撑层、第三支撑层以及第三电极，所述泄压膜通过所述第三支撑层固设于所述结构层上，所述弹性支撑层固设于所述结构层上并位于所述泄压膜与所述结构层之间，所述第三电极设置于所述结构层内且与所述弹性支撑层正对设置；所述泄压结构还包括贯穿所述结构层、所述第三电极以及所述弹性支撑层的泄压孔；以及

保护结构，包括防尘膜、连接柱、第一电极以及第二电极，所述防尘膜的周缘夹设于所述基底与所述第一支撑层之间，所述连接柱一端连接所述防尘膜，另一端穿过所述通孔连接于所述敏感膜，所述第一电极设置于所述防尘膜上，所述第二电极设置于所述背板上且与所述第一电极相对设置。

作为本申请的一种优选改进，所述结构层还包括：

竖向支撑壁，固设于所述背板上；

横向支撑壁，自所述竖向支撑壁的顶部向内侧方向水平延伸。

作为本申请的一种优选改进，所述泄压结构设置于所述横向支撑壁上。

作为本申请的一种优选改进，所述第二支撑层设置于所述横向支撑壁的底部。

作为本申请的一种优选改进，所述泄压膜包括中间主体部和自所述中间主体部的周缘向外延伸并固定于所述第三支撑层上的多个固定部，所述中间主体部与所述第三支撑层之间设有间隙。

作为本申请的一种优选改进，所述防尘膜包括用于与所述连接柱连接的中间连接部、环绕所述中间连接部设置的中间环形穿孔部和环绕所述中间环形穿孔部设置并夹设于所述基底和所述第一支撑层之间的环形固定部。

作为本申请的一种优选改进，所述中间环形穿孔部上阵列有多个微小通孔。

作为本申请的一种优选改进，所述泄压结构数量为至少两个，且沿所述横向支撑壁的周向方向均匀间隔设置。

本申请的有益效果在于：

1、泄压膜采用固支梁结构，边缘存在间隙，初始状态下振动空间和敏感膜上方空间通过泄压膜边缘的间隙连通；传感器在正常工作时，对泄压膜和第三电极施加偏置电压，利用静电力将泄压膜吸附在弹性支撑层，使振动空间和敏感膜上方的空间隔离；当敏感膜两侧空气流速之差超过传感器的测量范围，去掉对泄压膜和第三电极施加的偏置电压，泄压膜在振动空间内的压力和自身弹性力的作用下脱离和弹性支撑层的接触，使振动空间和敏感膜上方的空间再次连通，从而减小了振动空间内的压力，起到保护敏感膜的作用。

2、传感器在正常工作时，不对保护结构中的第一电极和第二电极施加偏置电压，减小保护结构对敏感膜形变的影响；当敏感膜两侧空气流速之差超过传感器的测量范围，防尘膜和第一电极更加靠近第二电极，对第一电极和第二电极施加偏置电压，使防尘膜被吸附在背板上，由于连接柱一端连接在防尘膜上，另一端连接着敏感膜，可以阻碍敏感膜进一步形变，起到保护敏感膜的作用。

3、防尘膜可以阻挡外界异物通过背板的通孔进入到芯片内部，提高了传感器的稳定性，同时固定连接柱使其只能在轴向移动，另外在第一电极和第二电极之间起绝缘的作用。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种MEMS气流传感器的剖视结构示意图；

图2是本申请实施例提供的泄压结构的俯视结构示意图；

图3是本申请实施例提供的防尘膜的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的MEMS气流传感器在正常工作时的剖视结构示意图；

图5是本申请实施例提供的MEMS气流传感器在空气流速超过传感器测量范围时的剖视结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的一种MEMS气流传感器进行详细地说明。

请参见图1，是本申请实施例提供的一种MEMS气流传感器，包括基底10、第一支撑层20、电容结构30、泄压结构40以及保护结构50。所述基底10具有一空腔11。

所述第一支撑层20设置于所述基底10顶面。

所述电容结构30设置于所述第一支撑层20上。

所述电容结构30包括结构层31、第二支撑层32、背板33、背板电极34以及敏感膜35。

所述背板33设置于所述第一支撑层20上。

所述结构层31设置于所述背板33上，所述结构层31包括竖向支撑壁311和横向支撑壁312，所述竖向支撑壁311固设于所述背板33上；所述横向支撑壁312自所述竖向支撑壁311的顶部向内侧方向水平延伸。这样，所述结构层31的内部形成有阶梯形空腔。

所述背板电极34设置于所述背板33上。

在一些实施例中，所述背板电极34与所述敏感膜35正对设置。

所述敏感膜35通过所述第二支撑层32设置于所述结构层31上，所述敏感膜35与所述背板33间隔设置以形成一振动空间37。

在一些实施例中，所述第二支撑层32设置于所述横向支撑壁312的底部。

所述电容结构30还包括贯穿所述背板33和所述背板电极34设置以连通所述振动空间37与所述空腔11的通孔36。

在一些实施例中，所述通孔36的数量为多个。

所述泄压结构40设置于所述结构层31上，具体的，所述泄压结构40设置于所述横向支撑壁312上。

所述泄压结构40包括泄压膜41、弹性支撑层43、第三支撑层44以及第三电极45。

所述泄压膜41通过所述第三支撑层44固设于所述结构层31上，

再结合图2所示，在一些实施例中，所述泄压膜41包括中间主体部411和自所述中间主体部411的周缘向外延伸并固定于所述第三支撑层44上的多个固定部412，所述中间主体部411与所述第三支撑层44之间设有间隙，所述振动空间37通过所述间隙与所述敏感膜35上方空间连通。

当对所述泄压膜41和所述第三电极45施加偏置电压时，所述主体部411将被吸附在所述弹性支撑层43上，使所述振动空间37与所述敏感膜35上方空间隔离。

所述弹性支撑层43固设于所述结构层31上并位于所述泄压膜41与所述结构层31之间。

所述第三电极45设置于所述结构层31内且与所述弹性支撑层43正对设置。

所述泄压结构40还包括贯穿所述结构层31、所述第三电极45以及所述弹性支撑层43的泄压孔42。

在一些实施例中，所述泄压结构40数量为至少两个，且沿所述横向支撑壁312的周向方向均匀间隔设置。

所述保护结构50包括防尘膜51、连接柱52、第一电极53以及第二电极54。

所述防尘膜51的周缘夹设于所述基底10与所述第一支撑层20之间。

再结合图3所示，在一些实施例中，所述防尘膜51包括用于与所述连接柱52连接的中间连接部514、环绕所述中间连接部514设置的中间环形穿孔部512和环绕所述中间环形穿孔部512设置并夹设于所述基底10和所述第一支撑层20之间的环形固定部511。

进一步的，所述中间环形穿孔部512上阵列有多个微小通孔513。通过设置多个所述微小通孔513，使所述振动空间37与所述基底10的空腔11连通，同时防止外界的异物进入传感器内部，提高了芯片的稳定性和可靠性；另外，还可以使得所述防尘膜51更易变形，提高灵敏度。

所述连接柱52一端连接所述防尘膜51，另一端穿过所述通孔36连接于所述敏感膜35。

所述第一电极53设置于所述防尘膜51上，所述第二电极54设置于所述背板33上且与所述第一电极53相对设置。

再结合图4所示，当传感器正常工作时，对泄压结构40中的泄压膜41和第三电极45施加偏置电压，泄压膜41被吸附在弹性支撑层43上，使振动空间37和敏感膜35上方空间隔离。敏感膜35因上方空气流速大于下方空气流速发生形变，同时通过连接柱52带动防尘膜51和第一电极53靠近背板33。

再结合图5所示，当传感器的空气流速超过传感器测量范围时，即当敏感膜35上方空气流速远大于下方空气流速，超过传感器的测量范围时，去掉对泄压结构40中泄压膜41和第三电极45施加的偏置电压，使泄压膜41在振动空间37内的压力和自身弹性力的作用下脱离和弹性支撑层43的接触，使振动空间37和敏感膜35上方空间通过泄压膜41边缘的间隙再次连通，从而减小振动空间37的压力。

对保护结构50中的第一电极53和第二电极54施加偏置电压，使防尘膜51和第一电极53通过静电力被吸附在背板33上，由于连接柱52一端连接着防尘膜51，另一端连接着敏感膜35，可以阻碍敏感膜35的进一步形变，保护敏感膜35不受到破坏。

本申请的有益效果在于：

1、泄压膜采用固支梁结构，边缘存在间隙，初始状态下振动空间和敏感膜上方空间通过泄压膜边缘的间隙连通；传感器在正常工作时，对泄压膜和第三电极施加偏置电压，利用静电力将泄压膜吸附在弹性支撑层，使振动空间和敏感膜上方的空间隔离；当敏感膜两侧空气流速之差超过传感器的测量范围，去掉对泄压膜和第三电极施加的偏置电压，泄压膜在振动空间内的压力和自身弹性力的作用下脱离和弹性支撑层的接触，使振动空间和敏感膜上方的空间再次连通，从而减小了振动空间内的压力，起到保护敏感膜的作用。

2、传感器在正常工作时，不对保护结构中的第一电极和第二电极施加偏置电压，减小保护结构对敏感膜形变的影响；当敏感膜两侧空气流速之差超过传感器的测量范围，防尘膜和第一电极更加靠近第二电极，对第一电极和第二电极施加偏置电压，使防尘膜被吸附在背板上，由于连接柱一端连接在防尘膜上，另一端连接着敏感膜，可以阻碍敏感膜进一步形变，起到保护敏感膜的作用。

3、防尘膜可以阻挡外界异物通过背板的通孔进入到芯片内部，提高了传感器的稳定性，同时固定连接柱使其只能在轴向移动，另外在第一电极和第二电极之间起绝缘的作用。

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 (8)

1.一种MEMS气流传感器，其特征在于，包括：

基底，具有一空腔；

第一支撑层，设置于所述基底顶面；

电容结构，设置于所述第一支撑层上，所述电容结构包括结构层、第二支撑层、背板、背板电极以及敏感膜，所述背板设置于所述第一支撑层上，所述结构层设置于所述背板上，所述背板电极设置于所述背板上，所述敏感膜通过所述第二支撑层设置于所述结构层上，所述敏感膜与所述背板间隔设置以形成一振动空间；所述电容结构还包括贯穿所述背板和所述背板电极设置以连通所述振动空间与所述空腔的通孔；

泄压结构，与所述敏感膜并列设置于所述结构层上，所述泄压结构包括泄压膜、弹性支撑层、第三支撑层以及第三电极，所述泄压膜通过所述第三支撑层固设于所述结构层上，所述弹性支撑层固设于所述结构层上并位于所述泄压膜与所述结构层之间，所述第三电极设置于所述结构层内且与所述弹性支撑层正对设置；所述泄压结构还包括贯穿所述结构层、所述第三电极以及所述弹性支撑层的泄压孔；以及

保护结构，包括防尘膜、连接柱、第一电极以及第二电极，所述防尘膜的周缘夹设于所述基底与所述第一支撑层之间，所述连接柱一端连接所述防尘膜，另一端穿过所述通孔连接于所述敏感膜，所述第一电极设置于所述防尘膜上，所述第二电极设置于所述背板上且与所述第一电极相对设置。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS气流传感器，其特征在于，所述结构层还包括：

竖向支撑壁，固设于所述背板上；

横向支撑壁，自所述竖向支撑壁的顶部向内侧方向水平延伸。

3.根据权利要求2所述的一种MEMS气流传感器，其特征在于，所述泄压结构设置于所述横向支撑壁上。

4.根据权利要求2所述的一种MEMS气流传感器，其特征在于，所述第二支撑层设置于所述横向支撑壁的底部。

5.根据权利要求1所述的一种MEMS气流传感器，其特征在于，所述泄压膜包括中间主体部和自所述中间主体部的周缘向外延伸并固定于所述第三支撑层上的多个固定部，所述中间主体部与所述第三支撑层之间设有间隙。

6.根据权利要求1所述的一种MEMS气流传感器，其特征在于，所述防尘膜包括用于与所述连接柱连接的中间连接部、环绕所述中间连接部设置的中间环形穿孔部和环绕所述中间环形穿孔部设置并夹设于所述基底和所述第一支撑层之间的环形固定部。

7.根据权利要求6所述的一种MEMS气流传感器，其特征在于，所述中间环形穿孔部上阵列有多个微小通孔。

8.根据权利要求2所述的一种MEMS气流传感器，其特征在于，所述泄压结构数量为至少两个，且沿所述横向支撑壁的周向方向均匀间隔设置。