CN209589335U - 一种高温微压压力传感器及其测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种高温微压压力传感器及其测量系统，高温微压压力传感器包括传感器芯片、左侧补偿电路、右侧补偿电路、供电电极对、信号检测引出电极对、底部支撑层及外围封装；传感器芯片包括由下至上依次叠置的硅底层、二氧化硅绝缘层、碳化硅顶层，以及最上层的腔体密封层；底部支撑层位于传感器芯片底部，且中间设有通气孔；外围封装包括不锈钢底部和塑料外壳，二者结合，将传感器芯片罩设起来。此种结构在基于MEMS技术的基础上，显著地提高了高温环境下传感器测量的灵敏度、线性度与准确性，能够在高温微压条件下对0‑1kPa范围内气压实现高精度测量。本实用新型还公开一种高温微压压力传感器的测量系统。

Description

一种高温微压压力传感器及其测量系统

技术领域

本实用新型属于微纳机电系统传感器技术领域，特别涉及一种高温微压压力传感器及其测量系统。

背景技术

科学发明、工业生产等对社会的进步、国民经济和人民生命财产安全具有重要的作用，MEMS传感器由于其体积小、高精度批量制造、能耗低等优点被广泛使用。随着科学技术的发展，许多科学实验以及工厂生产产品过程需要在高温微压环境中进行，但传统的压力传感器无法在高温微压环境下进行准确的气压测量。

传统的压力传感器，其原理是通过注入或刻蚀在感压薄膜上的压敏电阻组成的惠斯通电桥，将压力转化为电势差的输出，获得输出信号的变化交由后端信号调理电路处理，通过对输出电压与气压值进行标定从而实现对气压的测量。现在许多科学实验以及工厂生产产品过程需要在高温微压环境中进行，对传感器测量的灵敏度、线性度与精准度要求较高，但是传统的压阻式压力传感器在高温环境下存在着灵敏度差、线性度低，迟滞、重复性误差大的缺点。因此采用新的压力传感器实现高温微压环境下高精度气压测量是一个刻不容缓的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的，在于提供一种高温微压压力传感器及其测量系统，其在基于MEMS技术的基础上，显著地提高了高温环境下传感器测量的灵敏度、线性度与准确性，能够在高温微压条件下对0-1kPa范围内气压实现高精度测量。

为了达成上述目的，本实用新型的解决方案是：

一种高温微压压力传感器，包括传感器芯片、左侧补偿电路、右侧补偿电路、供电电极对、信号检测引出电极对、底部支撑层及外围封装；

传感器芯片包括由下至上依次叠置的硅底层、二氧化硅绝缘层、碳化硅顶层，以及最上层的腔体密封层；硅底层下部设有凹槽，凹槽上方的硅底层部分以及二氧化硅绝缘层共同构成传感器芯片的受力应变薄膜；腔体密封层下部设有能容纳电阻元器件的凹槽，凹槽中心设有凸起部位；腔体密封层与二氧化硅绝缘层中间延伸出作为应变薄膜上的电路与补偿电路相连的铝金属引脚，经由金丝分别连通左侧、右侧补偿电路，通过供电电极对与信号检测引出电极对输入输出电压；

底部支撑层位于传感器芯片底部，且中间设有通气孔；

外围封装包括不锈钢底部和塑料外壳，不锈钢底部中心设有金属通气管道，与底部支撑层中间的通气孔相连，不锈钢底部上还设置有传感器接口，作为输入供电电压与测量输出信号的引脚；塑料外壳为圆柱型无底部的结构，其与不锈钢底部结合，将传感器芯片罩设起来。

一种如前所述的高温微压压力传感器的测量系统，包括直流电源、信号采集电路和信号处理电路；

直流电源通过供电电极向传感器提供基准恒压源，并向信号采集电路和信号处理电路提供工作电源；

信号采集电路的输入端连接传感器的信号检测引出电极对，对信号进行预处理后送入信号处理电路；

信号处理电路对信号采集电路的输入信号进行处理后，得到气压值并进行显示。

上述信号采集电路包括相串联的滤波电路和放大电路，滤波电路的输入端连接传感器的信号检测引出电极对，放大电路的输出端连接信号处理电路。

上述信号处理电路包括AD转换器、STM32微处理器、蓝牙模块和OLED显示器，其中，AD转换器的输入端连接信号采集电路中的输出端，AD转换器的输出端连接STM32微处理器，STM32微处理器对信号采集电路采集到的传感器信号进行处理得出对应的气压值并控制OLED显示器进行显示。

采用上述方案后，本实用新型基于掺杂纳米碳化硅的压阻效应，通过外部气压变化引起传感器芯片机械应力的改变使掺硼纳米碳化硅阻值变化，来实现压阻效应。与现有技术相比，具有以下进步：

(1)可消除高温环境对压敏电阻阻值的影响：通过采用掺硼纳米碳化硅作为压敏电阻，有效的提高了测量的线性度与准确性；通过采用补偿电路，进一步提高了测量结果的线性度、灵敏度与准确性；

(2)采用了腔体密封层保护压敏电阻，采用了外围封装保护整个传感器芯片，防止传感器芯片被腐蚀，提高了数据的可靠性，保护了传感器内部元件，大大延长了传感器的使用寿命；

(3)选用的传感器芯片应变薄膜是一种新型的矩形结构，能够提高应变薄膜左右边缘的应力变化，提高传感器的灵敏度，薄膜上更覆盖有一层碳化硅十字梁结构，压阻效应大，进一步提高了传感器的量程、线性度与灵敏度，采用这种结构所制成的压敏电阻可控性强、稳定性高、使用时间大大延长；

(4)各压敏电阻结构为折叠型，可以增加传感器灵敏度与线性度，左右碳化硅压敏电阻均沿纵向放置，上下碳化硅压敏电阻均沿横向放置，每个压敏电阻内部均成分段形式，断开部位以铝金属连接，以减小误差，进一步提高了传感器测量的线性度与准确性。

综上，本实用新型可大幅度提高高温微压压力传感器的量程、灵敏度、线性度与准确性，以及使用寿命，降低温度对传感器性能的影响，提高了气压检测数据的精度与可靠性。

附图说明

图1是本实用新型高温微压压力传感器结构正视图；

图2是高温微压压力传感器芯片和正初始偏置电压补偿电路的俯视图；

图3是高温微压压力传感器压敏电阻结构示意图；

图4(1)-图4(22)是高温微压压力传感器制作流程图；

图4(23)是图4(1)-图4(22)的图标释义；

图5是高温微压压力传感器与外围电路系统框图；

图6是高温微压压力传感器初始偏置电压补偿模型；

图7是滤波电路和放大电路图；

图8是蓝牙模块电路图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本实用新型的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图1所示，本实用新型提供一种高温微压压力传感器，包括传感器芯片，左侧补偿电路1、右侧补偿电路2，供电电极对正极3、供电电极对负极4，信号检测引出电极对正极5、信号检测引出电极对负极6，玻璃底部支撑层7，不锈钢底部8及塑料外壳9，下面分别介绍。

传感器芯片整体呈矩形，包括由下至上依次叠置的硅底层10、二氧化硅绝缘层11、碳化硅顶层12，以及最上层的腔体密封层13。硅底层10下部设有凹槽，凹槽上方的硅底层部分以及二氧化硅绝缘层11共同构成传感器芯片的受力应变薄膜；腔体密封层13下部设有凹槽，能容纳电阻元器件，凹槽中心设有凸起部位，能防止外部气压过大导致应变薄膜形变过大造成损坏。腔体密封层13与二氧化硅绝缘层11中间有电路延伸出来，作为芯片应变薄膜上的电路与补偿电路相连的铝金属引脚14，经由金丝15连通补偿电路1、2，通过供电电极对3、4与信号检测引出电极对5、6输入输出电压。

底部支撑层7位于传感器芯片底部，材料为二氧化硅，且中间有通气孔，在应用时，外部气体通过通气孔进入传感器，从而引起传感器应变薄膜形变。

外围封装由不锈钢底部8与塑料外壳9共同组成，不锈钢底部8布有五个孔，其中四个为传感器输入输出接口，作为输入供电电压与输出测量信号的引脚；不锈钢底部中心则是金属通气管道，与底部支撑层7中心的通气孔相连，使传感器芯片内部与外界大气压相通，传感器芯片能够测量外界气压；塑料外壳为圆柱型无底部结构，与不锈钢底部结合。外围封装能进一步保护传感器芯片，提高数据的可靠性。

补偿电路1、2设置在传感器芯片两侧，固定于塑料管16上，其供电电极对3、4，信号检测引出电极对5、6通过塑料管16由铜丝通至外界；补偿电路由两块矩形电路板组成的电路构成，分别置于传感器芯片两侧，朝向与传感器芯片相同；各电路板上分别有两个外接引脚，用于接入供电电压与输出测量信号；补偿电路其余引脚与对应芯片引脚相连；补偿电路上放置三个补偿电阻，可起到调节输出电压线性度、灵敏度与调零作用，并排除各压敏电阻的微小差异以及温度变化对测量结果的影响。

参考图2，为传感器芯片和正初始偏置电压补偿电路的俯视图，补偿电阻17与压敏电阻20并联，补偿电阻18与压敏电阻21串联，对传感器进行调零，增加传感器测量精准度；补偿电阻19与整个惠斯通电桥相串联，增加传感器测量结果的线性度与灵敏度；传感器芯片与补偿电路之间对应的电极由金丝15相连，左侧2根，右侧3根；补偿电路上的电路22由铜线构成。若制作出来的传感器芯片为负初始偏置电压，则补偿模型只需将压敏电阻与补偿电阻串并联结构互换即可，如图6。

应变薄膜23为矩形，应变薄膜由部分硅与二氧化硅绝缘层构成，薄膜上放置十字梁结构24，材料为碳化硅，内嵌压敏电阻20、21、25、26，薄膜上设有铝金属组成的电路27，电路连结压敏电阻并且通向薄膜外部形成铝金属引脚14；上下压敏电阻26、21横向放置，左右压敏电阻25、20纵向放置。

参考图3(a)(b)，分别为右边与下边压敏电阻20、21结构示意图，左右压敏电阻25、20结构对称，横向上为正常压敏电阻29，材料为掺硼纳米碳化硅，纵向由铝金属结构28代替，以减小横向应力对压敏电阻结构产生的影响，增大测量的灵敏度与准确性；同样，上下压敏电阻26、21结构对称，横向上为正常压敏电阻29，材料为掺硼纳米碳化硅，纵向由铝金属结构28代替，以减小纵向应力对压敏电阻结构产生的影响，增大测量的灵敏度与准确性。

本实用新型的传感器在应用时，硅底层下部设置凹槽使得硅底层呈硅杯型，同时形成受力应变薄膜；应变薄膜上设置十字梁结构，上嵌压敏电阻结构，分别设于应变薄膜四边缘中间。供电电极对输入恒定电压，信号检测引出电极对用于检测电势差的变化，当外界大气压变化时，应变薄膜会发生弹性形变，左右压敏电阻25、20受纵向应力，阻值增加，上下压敏电阻26、21受横向应力，阻值减小，形成压阻效应，输出电压也随之改变，通过对位于被测端的检测信号进行处理，即可达到测量气压的目的。

进一步的，本实用新型高温微压压力传感器中，传感芯片中，芯片应变薄膜23采用矩形结构，增加薄膜左右边缘的应力，增加传感器测量灵敏度，芯片顶部还设有十字梁结构24，可用于保护电阻与提高测量线性度与灵敏度，各压敏电阻20、21、25、26采用掺硼纳米碳化硅，结构为折叠型，左右碳化硅压敏电阻均沿纵向放置，上下碳化硅压敏电阻均沿横向放置，每个压敏电阻内部均呈分段形式，以减小误差，断开部位以铝金属结构28连接；传感器芯片顶部设置腔体密封层13，能够进一步保护芯片电路结构，腔体密封层中心设置凸起部位，防止外界气压过大导致薄膜形变过大损坏。

作为本实用新型的一个具体实施例，传感器芯片中，芯片上的电路27以及分段压敏电阻之间的连接材料采用铝金属，应变薄膜23采用凹槽上方的硅底层10部分以及二氧化硅绝缘层11共同构成，薄膜上方的十字梁结构24采用碳化硅，内嵌的压敏电阻29采用掺硼纳米碳化硅，传感器芯片与补偿电路之间以金丝15连接，补偿电路与外界输入电压、输出测试信号端以铜丝连接，腔体密封结构采用玻璃，外围封装底部采用不锈钢。

本实用新型还提供一种如前所述高温微压压力传感器的制作方法，包括如下步骤：

步骤1，选用硅芯片作为传感器芯片制备的材质，硅片的厚度为350-650um，如图4(1)所示；

步骤2，在1050℃条件下通入氧气，氧气流速5-7L/min(本实施例选取6L/min)，时间为1小时30分钟至3小时40分钟，可得100nm至200nm厚的绝缘二氧化硅层，如图4(2)所示；

步骤3，在室温下，以二氧化硅层为衬底，氩气作为溅射气体，用纯硅和石墨靶通过双源DC磁控溅射生成碳化硅薄膜，功率为0.2-0.25kW，压强为0.29-1.0Pa，最终生成碳化硅薄膜厚度为100-200nm，如图4(3)所示；

步骤4，旋涂光刻胶，利用压敏电阻中掺杂碳化硅结构的掩膜板进行光刻，如图4(4)所示；在芯片顶层以倾斜角度5-9°，20keV能量注入10¹⁷～10¹⁸每立方厘米的剂量的硼离子，时间为10-12分钟，然后放置于高温退火炉中20-40秒以使硼离子均匀分布，形成掺杂纳米碳化硅；用显影溶液去除光刻胶；如图4(5)所示；

步骤5，旋涂光刻胶，利用传感器芯片的十字梁结构与压敏电阻中铝金属连接结构的掩膜板进行光刻；在SF₆/N₂气氛环境下，通过ICP干法刻蚀碳化硅顶层，形成十字梁结构以及压敏电阻结构中铝金属连接结构；用显影溶液去掉光刻胶层；如图4(6)所示；

步骤6，以氩气为溅射气体，用铝靶进行直流溅射，温度400～450℃，时间为30～50分钟，溅射一层厚度高于碳化硅并覆盖整个芯片上层的铝金属薄膜，如图4(7)所示；

步骤7，旋涂光刻胶，利用压敏电阻中铝金属连接结构及芯片中铝电路、电极部分的掩膜板进行光刻，如图4(8)所示；在氯化铁溶液中通过湿法刻蚀去除多余的铝，形成压敏电阻中铝金属连接结构、铝电路、电极；用显影溶液去除光刻胶层，如图4(9)所示；

步骤8，在芯片底部旋涂光刻胶，利用芯片梯形凹槽的掩膜板进行光刻，如图4(10)所示；在200℃条件下，用HF溶液去除底层部分SiO₂，形成矩形硅面；用显影溶液去除光刻胶层，如图4(11)所示；

步骤9，通过温度为363K的TMAH湿法腐蚀芯片硅底层，腐蚀出梯形凹槽；梯形凹槽位于硅底层的中部，其顶部的硅底层部分与二氧化硅绝缘层即组成受力应变薄膜，如图4(12)所示；

步骤10，在200℃条件下，用HF溶液去除芯片底层剩余SiO₂，如图4(13)所示；

步骤11，取立方体玻璃材料，长宽大于应变薄膜，如图4(14)所示；旋涂光刻胶，利用大于应变薄膜结构的掩膜板进行光刻，如图4(15)所示；在200℃条件下，用HF溶液腐蚀出一部分梯形凹槽；

步骤12，在内部凹槽上旋涂光刻胶，以腔体密封层中心凸起部位结构的掩膜板进行光刻，如图4(16)所示；在200℃条件下，用HF溶液腐蚀出剩余带凸起部位的梯形凹槽；用显影溶液去除光刻胶层，制得腔体密封结构，如图4(17)所示；

步骤13，在400～600℃温度条件下，利用阳极键合技术，施加电压为800～1000V，将硅底层键合到SiO₂底部支撑层上，如图4(18)所示；

步骤14，在400～600℃温度条件下，利用阳极键合技术，施加电压为800～1000V，将底部支撑层键合到外围封装的不锈钢底部上，如图4(19)所示；

步骤15，将两块表面覆盖铜的电路板旋涂光刻胶，利用补偿电路结构的掩膜板进行光刻；在氯化铁溶液中通过湿法刻蚀去除多余的铜；用显影溶液去除光刻胶层，如图4(20)所示，为正初始偏置电压右侧补偿电路板；

步骤16，在补偿电路板输入外部电源、输出检测信号部位钻孔，在孔下部加装塑料管道并用耐高温密封胶固定；焊接铜丝通过塑料管道，作为电路引脚；在电路中焊接补偿电阻；将塑料管道穿过不锈钢底部并用耐高温密封胶固定，如图4(21)所示；

步骤17，在连接传感器芯片与补偿电路之间的部位焊接金丝；将腔体密封结构置于传感器芯片上方，覆盖应变薄膜，并用耐高温密封胶固定；封装塑料外壳，将其与不锈钢底部相连结，并用耐高温密封胶固定，如图4(22)所示，完成高温微压压力传感器的制作。

本实用新型通过在硅基片上制备二氧化硅绝缘层，再在二氧化硅层上制备十字梁结构、嵌入其中的压力敏感结构以及铝金属电路，压力敏感电阻分别设置在受力应变薄膜边缘中央，各敏感电阻阻值接近相同。通过应变薄膜与腔体密封层构成的密封腔体的气压与外界气压的压差，造成应变薄膜发生弹性形变，在应力的影响下压敏电阻发生形变，阻值发生变化，形成压阻效应，输出电压也随之改变。

传感器芯片制备方案中，将芯片碳化硅顶层通过掺杂一定浓度的硼离子形成压敏电阻结构，然后采用MEMS干法刻蚀形成得到十字梁结构，制备硅底层上的梯形凹槽采用MEMS各向同性湿法腐蚀工艺；将硅片键和在二氧化硅底部支撑层上，由通气孔完成传感器内部与外界之间的气体交换；传感器芯片上的电路使用铝，补偿电路使用铜。

传感器除了能在室温工作外，还能够工作在200～300℃的高温环境下，具有耐高温特性，传感器芯片长3000～5000um，宽1500～2500um，测量气压量程为0～1kPa，信号检测引出电极对两端输出电压的压差最大值为80～120mV，经过信号采集电路滤波放大后输出电压量程0～5V，传感器灵敏度为16～24mV/(kPa*V)，具有高灵敏度、线性度与精准度的特性。

参考图5，本实用新型传感器的测量系统包括传感器、直流电源、滤波电路、差分放大电路、STM32微处理器、OLED显示器、蓝牙模块；

直流电源为各工作电路提供工作电压，通常为3-5V，恒定电压由供电电极对输入传感器，经处理后从信号检测引出电极对输出，两端输出的信号电压经过抗混叠滤波器滤波后，再连入两个差分放大电路分别放大，两放大电压再接入差分放大电路放大电压差；经过两级差分后进行AD转换，输入STM32微处理器，测量输出电压的变化值，对输出电压与气压值进行标定就可以得到这个电压对应气压大小的精确信息，STM32微处理器负责对采集到的传感器信号进行分析与计算得出信号对应的气压值，测量结果可以在OLED显示器上实时显示，也可以通过蓝牙与手机或其他模块进行传输。

参考图6，图6(a)(b)分别为正初始偏置电压补偿模型与负初始偏置电压补偿模型，传感器由基准恒压源提供电压，电压经供电电极对输入，传感器处理后变为电信号，由于制作工艺有误差，信号引出电极对两端初始输出电压不等，根据实际电压大小情况采用正或负初始偏置电压补偿模型进行补偿；当初始电压为正，将R1与Rp并联，R2与Rz串联；当初始电压为负，将R1与Rz串联，R2与Rp并联。

随着温度的上升，压敏电阻阻值增加，灵敏度与线性度下降，在总电路上串联一个补偿电阻Rs，Rs温度系数相对接近于零。Rs起分压作用，当温度上升电桥阻值上升时，Rs两端电压下降，电桥供电电压的比例增加，信号引出电极对输出电压增加，通过增加电桥的输入电压使输出电压随温度的升高而增加来对灵敏度与线性度进行补偿。

图6(a)中正初始偏置电压补偿模型的输出电压为：

图6(b)中正初始偏置电压补偿模型的输出电压为：

参考图7，图7为信号采集电路，包括滤波电路、差分放大电路。传感器信号检测引出电极对的两端经过抗混叠滤波器抑制差模干扰与共模干扰，分别连入两个差分放大电路放大，再共同连入同一个差分放大电路放大电压差值，经过两级差分可以改善电路输入阻抗并且放大信号。运算放大器使用高温运算放大器HT1104Z，在-55C～+225C的温度范围内具有好的准确性和长期稳定性，在高达+300℃的温度下也能正常工作，保证了测量结果的准确性。如图7所示电路，输出电压为：

可以通过改变R7、R8、R9的值改变电路放大比例，从而使信号引出电极对两端输出电压差量程稳定放大到0～5V，使得STM32能够更好检测与标定。

如图8所示为蓝牙模块，本测量系统也采用了WeBee公司的B-0004蓝牙模块实现无线通信功能，该模块采用TI生产的CC2541芯片。将处理好的温度信号传入该无线模块，该模块不仅可与手机实现数据传输，也可实现模块与模块之间数据传输。蓝牙芯片占用的单片机资源很少，使用起来也很方便。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高温微压压力传感器，其特征在于：包括传感器芯片、左侧补偿电路、右侧补偿电路、供电电极对、信号检测引出电极对、底部支撑层及外围封装；

传感器芯片包括由下至上依次叠置的硅底层、二氧化硅绝缘层、碳化硅顶层，以及最上层的腔体密封层；硅底层下部设有凹槽，凹槽上方的硅底层部分以及二氧化硅绝缘层共同构成传感器芯片的受力应变薄膜；腔体密封层下部设有能容纳电阻元器件的凹槽，凹槽中心设有凸起部位；腔体密封层与二氧化硅绝缘层中间延伸出作为应变薄膜上的电路与补偿电路相连的铝金属引脚，经由金丝分别连通左侧、右侧补偿电路，通过供电电极对与信号检测引出电极对输入输出电压；

底部支撑层位于传感器芯片底部，且中间设有通气孔；

外围封装包括不锈钢底部和塑料外壳，不锈钢底部中心设有金属通气管道，与底部支撑层中间的通气孔相连，不锈钢底部上还设置有传感器接口，作为输入供电电压与测量输出信号的引脚；塑料外壳为圆柱型无底部的结构，其与不锈钢底部结合，将传感器芯片罩设起来。

2.如权利要求1所述的高温微压压力传感器，其特征在于：所述左侧补偿电路、右侧补偿电路分别位于传感器芯片的左右两侧，并固定于塑料管上，其供电电极对、信号检测引出电极对通过塑料管由铜丝通至外界。

3.如权利要求1所述的高温微压压力传感器，其特征在于：所述受力应变薄膜上方放置十字梁结构，十字梁结构中嵌入有4个压敏电阻，分别位于十字梁结构的4个端部。

4.如权利要求3所述的高温微压压力传感器，其特征在于：所述压敏电阻采用掺硼纳米碳化硅，结构为折叠型；左右压敏电阻均沿纵向放置，上下压敏电阻均沿横向放置，每个压敏电阻内部均呈分段形式，断开部位以铝金属连接。

5.一种测量系统，用于测量如权利要求1所述的高温微压压力传感器；其特征在于：包括直流电源、信号采集电路和信号处理电路；

直流电源通过供电电极向传感器提供基准恒压源，并向信号采集电路和信号处理电路提供工作电源；

信号采集电路的输入端连接传感器的信号检测引出电极对，对信号进行预处理后送入信号处理电路；

信号处理电路对信号采集电路的输入信号进行处理后，得到气压值并进行显示。

6.如权利要求5所述的测量系统，其特征在于：所述信号采集电路包括相串联的滤波电路和放大电路，滤波电路的输入端连接传感器的信号检测引出电极对，放大电路的输出端连接信号处理电路。

7.如权利要求5所述的测量系统，其特征在于：所述信号处理电路包括AD转换器、STM32微处理器、蓝牙模块和OLED显示器，其中，AD转换器的输入端连接信号采集电路中的输出端，AD转换器的输出端连接STM32微处理器，STM32微处理器对信号采集电路采集到的传感器信号进行处理得出对应的气压值并控制OLED显示器进行显示。