CN210893522U - 一种mems压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉提供了一种MEMS压力传感器，该传感器包括：衬底硅片、固定连接于衬底硅片上的结构硅片，结构硅片对应于与衬底硅片相接触的表面上对称设有两个真空腔，真空腔之间通过微机械加工形成凸起结构，位于凸起结构一侧的硅片形成第一支撑结构，位于凸起结构另一侧的硅片形成第二支撑结构，凸起结构与第一支撑结构之间、凸起结构与第二支撑结构之间形成应变硅膜，多个应变电阻对称设置于应变硅膜与第一支撑结构、所在第二支撑结构、凸起结构的连接应力集中区域。上述传感器通过改进应变膜的结构来形成对称分布的拉应力和压应力集中区域，能够有效抑制非线性误差，进而提高传感器灵敏度。
Description
技术领域
本实用新型涉及MEMS微传感器技术领域，具体地说涉及一种基于表面微机械加工工艺的MEMS压力传感器。
背景技术
目前压力传感器广泛应用于国防工业、汽车工业、石油工业、航空航天、医疗器械以及电子消费品等领域。在压力传感器的各应用领域中，温度、流量、压力、位置是最常见的测试参数。在各类传感器中，因压力传感器可广泛用于压力、高度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制，它已成为传感器技术最成熟、性能比稳定的一类传感器。据日本电气计测器工业协会对过程传感器(温度、流量、压力、位置、密度等)的生产和销售进行的统计，压力类传感器占整个过程传感器的三分之一强，而且其比例还在继续加大，以此为基础的压力类测量及变送仪表也在过程控制系统中占有很高的比例。
根据工作原理的不同，压力传感器可以分为机械膜片电容式、硅膜片电容式、压电式、压阻式、光纤式、声表面波式、霍尔效应式压力传感器等，其中在众多类型的压力传感器中压阻式压力传感器具有结构简单、易于集成和信号处理等优势。MEMS(Micro ElectroMechanical System)即微电子机械系统，是新兴的跨学科的高新技术研究领域。基于MEMS技术制造的压阻式压力传感器由于其出色的精准度和可靠度以及相对便宜的制造成本在现代的市场中得到广泛的应用。
MEMS压力传感器的工作原理是在一个方形或者圆形的硅应变薄膜上通过扩散或者离子注入的方式在应力集中区制作四个压力敏感电阻，四个电阻互联构成惠斯通电桥。当有外界压力施加在硅应变膜上，压敏电阻区域由于应变膜弯曲产生应力，通过压敏电阻的压阻特性，将应力转换为电阻值的变化，最后通过惠斯顿电桥将电阻值的变化转换为输出电压，通过对输出电压与压力值进行标定可以实现对压力的测量。
传统的压阻式压力传感器的核心构成需要有一个应变膜作为应力集中结构，压阻式压力传感器测量压力的量程及灵敏度在加工工艺条件相同的情况下与该应变膜的厚度和尺寸等有关，因此，在膜的尺寸一定的情况下，通过改变应变膜的尺寸和结构是优化压力传感器性能的重要方面。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提出一种MEMS压力传感器，通过改进应变膜的结构来形成对称分布的拉应力和压应力集中区域，能够有效抑制非线性误差，进而提高传感器灵敏度。
为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：
一种MEMS压力传感器，该传感器包括：衬底硅片、固定连接于衬底硅片上的结构硅片，结构硅片对应于与衬底硅片相接触的表面上对称设有两个真空腔，真空腔之间通过微机械加工形成凸起结构，位于凸起结构一侧的硅片形成第一支撑结构，位于凸起结构另一侧的硅片形成第二支撑结构，凸起结构与第一支撑结构之间、凸起结构与第二支撑结构之间形成应变硅膜，多个应变电阻对称设置于应变硅膜与第一支撑结构、所在第二支撑结构、凸起结构的连接应力集中区域，结构硅片对应于设置应变电阻的表面上分别依次设置有氧化层及绝缘介质层，绝缘介质层上设有电极，电极分别穿过绝缘介质层、氧化层后与应变电阻电性连接。
进一步，结构硅片的厚度范围为300微米到1000微米，应变硅膜的厚度在30微米到100微米之间。
进一步，凸起结构的横截面形状为梯形或者矩形。
进一步，应变电阻沿着凸起结构的中心轴对称设置。
进一步，应变电阻设置于结构硅片上部的容置凹槽中。
进一步，绝缘介质层上设置有接触孔，电极穿过接触孔与应变电阻电连接。
进一步，应变电阻与结构硅片、结构硅片与衬底硅片之间设置有绝缘层。
进一步，绝缘层为二氧化硅膜和/或氮化硅膜或两者的复合膜。
进一步，绝缘层的厚度范围为100纳米到1000纳米。
相比于现有技术，本实用新型具有如下的技术效果：
本实用新型提供了一种MEMS压力传感器，该传感器包括：衬底硅片、固定连接于衬底硅片上的结构硅片，结构硅片对应于与衬底硅片相接触的表面上对称设有两个真空腔，真空腔之间通过微机械加工形成凸起结构，位于凸起结构一侧的硅片形成第一支撑结构，位于凸起结构另一侧的硅片形成第二支撑结构，凸起结构与第一支撑结构之间、凸起结构与第二支撑结构之间形成应变硅膜，多个应变电阻对称设置于应变硅膜与第一支撑结构、所在第二支撑结构、凸起结构的连接应力集中区域，结构硅片对应于设置应变电阻的表面上分别依次设置有氧化层及绝缘介质层，绝缘介质层上设有电极，电极分别穿过绝缘介质层、氧化层后与应变电阻电性连接。上述传感器通过改进应变膜的结构来形成对称分布的拉应力和压应力集中区域，能够有效抑制非线性误差，进而提高传感器灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。
图1是本实用新型实施例提供的一种MEMS压力传感器的剖面示意图；
图2是本实用新型实施例提供的又一种MEMS压力传感器的剖面示意图；
其中：1、衬底硅片；2、结构硅片；3、真空腔；4、凸起结构；5、第一支撑结构；6、第二支撑结构；7、应变硅膜；8、应变电阻；9、氧化层；10、绝缘介质层；11、电极；12、容置凹槽；13、绝缘层；14、接触孔。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
如图1所示，本实施例公开了一种MEMS压力传感器，该传感器包括：衬底硅片1、固定连接于衬底硅片1上的结构硅片2，结构硅片2对应于与衬底硅片1相接触的表面上对称设有多个真空腔3，真空腔3之间通过微机械加工形成凸起结构4，位于凸起结构4一侧的硅片形成第一支撑结构5，位于凸起结构4另一侧的硅片形成第二支撑结构6，凸起结构4与第一支撑结构5之间、凸起结构4与第二支撑结构6之间形成应变硅膜7，多个应变电阻8对称设置于应变硅膜7与第一支撑结构5、所在第二支撑结构6、凸起结构4的连接应力集中区域，结构硅片2对应于设置应变电阻8的表面上分别依次设置有氧化层9及绝缘介质层10，绝缘介质层10上设有电极11，电极11分别穿过绝缘介质层10、氧化层9后与应变电阻8电性连接。
其中，衬底硅片1与结构硅片2之间形成有对称设置的多个真空腔3真空腔3的底部由结构硅片形成密闭腔体。真空腔3的数量可以为2个，或者4个，或者为任意偶数。
相邻真空腔3之间的中间位置设置有凸起结构4，该凸起结构4由结构硅片2通过微机械加工形成，也即该凸起结构4位于结构硅片2的内部。凸起结构4的数量小于衬底硅片1的数量。该凸起结构4不与衬底硅片1接触。
应变硅膜7上方有4个应变电阻8，其阻值大小相同，形状关于应变硅膜的中心轴线中心对称。应变电阻8电连接形成惠斯通电桥。
优选的，结构硅片2的厚度范围为300微米到1000微米，应变硅膜7的厚度在30微米到100微米之间。
优选的，凸起结构4的横截面形状为梯形或者矩形。
优选的，应变电阻8沿着凸起结构4的中心轴对称设置。
结构硅片2对应于设置应变电阻8的表面上分别依次设置有氧化层9及绝缘介质层10，绝缘介质层10上设有电极11，电极11分别穿过绝缘介质层10、氧化层9后与应变电阻8电性连接。
优选的，绝缘介质层10上设置有接触孔14，电极穿过接触孔14与应变电阻8电连接。
上述压力传感器通过微机械加工在相邻两个真空腔之间形成凸起结构，使得位于凸起结构4一侧的硅片形成第一支撑结构且位于凸起结构4另一侧的硅片形成第二支撑结构6，凸起结构4与第一支撑结构5之间、凸起结构4与第二支撑结构6之间形成应变硅膜7，多个应变电阻8对称设置于应变硅膜7与第一支撑结构5、所在第二支撑结构6、凸起结构4的连接应力集中区域，使得应力集中区域的几何形状比较规则、对称，便于对称的设置应变电阻，构成差分检测结构。当应变硅膜7在外部压力作用下发生形变时，在应变硅膜7与支撑结构(包括第一支撑结构与第二支撑结构)连接区域、应变硅膜7与凸起结构4的连接区域，分别形成拉应力(或压应力)、压应力(或拉应力)集中区，此拉应力、压应力分别使应变电阻8的阻值增大、减小，从而形成差分测量，抑制非线性误差，提高传感器性能。
优选的，如图2所示，应变电阻8设置于结构硅片2上部的容置凹槽12中，缩短应变电阻与拉应力(或压应力)、压应力(或拉应力)集中区的距离，进而提高传感器的灵敏度。
优选的，应变电阻8与结构硅片2、结构硅片2与衬底硅片1之间设置有绝缘层13。
优选的，绝缘层13为二氧化硅膜和/或氮化硅膜或两者的复合膜。
优选的，绝缘层13的厚度范围为100纳米到1000纳米。
优选的，应变电阻8采用铬、金、铂、镍的一种或合金或多种层叠。
综上，本实用新型提供的MEMS压力传感器包括：衬底硅片、固定连接于衬底硅片上的结构硅片，结构硅片对应于与衬底硅片相接触的表面上对称设有两个真空腔，真空腔之间通过微机械加工形成凸起结构，位于凸起结构一侧的硅片形成第一支撑结构，位于凸起结构另一侧的硅片形成第二支撑结构，凸起结构与第一支撑结构之间、凸起结构与第二支撑结构之间形成应变硅膜，多个应变电阻对称设置于应变硅膜与第一支撑结构、所在第二支撑结构、凸起结构的连接应力集中区域，结构硅片对应于设置应变电阻的表面上分别依次设置有氧化层及绝缘介质层，绝缘介质层上设有电极，电极分别穿过绝缘介质层、氧化层后与应变电阻电性连接。上述传感器通过改进应变膜的结构来形成对称分布的拉应力和压应力集中区域，能够有效抑制非线性误差，进而提高传感器灵敏度。
以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种MEMS压力传感器，其特征在于，所述传感器包括：衬底硅片、固定连接于所述衬底硅片上的结构硅片，所述结构硅片对应于与所述衬底硅片相接触的表面上对称设有两个真空腔，所述真空腔之间通过微机械加工形成凸起结构，位于所述凸起结构一侧的硅片形成第一支撑结构，位于所述凸起结构另一侧的硅片形成第二支撑结构，所述凸起结构与所述第一支撑结构之间、所述凸起结构与所述第二支撑结构之间形成应变硅膜，多个应变电阻对称设置于所述应变硅膜与所述第一支撑结构、所在第二支撑结构、所述凸起结构的连接应力集中区域，所述结构硅片对应于设置所述应变电阻的表面上分别依次设置有氧化层及绝缘介质层，所述绝缘介质层上设有电极，所述电极分别穿过所述绝缘介质层、氧化层后与所述应变电阻电性连接。
2.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述结构硅片的厚度范围为300微米到1000微米，所述应变硅膜的厚度在30微米到100微米之间。
3.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述凸起结构的横截面形状为梯形或者矩形。
4.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述应变电阻沿着所述凸起结构的中心轴对称设置。
5.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述应变电阻设置于所述结构硅片上部的容置凹槽中。
6.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述绝缘介质层上设置有接触孔，所述电极穿过所述接触孔与所述应变电阻电性连接。
7.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述应变电阻与所述结构硅片、所述结构硅片与所述衬底硅片之间设置有绝缘层。
8.如权利要求7所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述绝缘层为二氧化硅膜和/或氮化硅膜或两者的复合膜。
9.如权利要求7所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述绝缘层的厚度范围为100纳米到1000纳米。
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2019
- 2019-12-24 CN CN201922339228.4U patent/CN210893522U/zh active Active
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| CN115112274B (zh) * | 2022-06-28 | 2023-05-30 | 常州大学 | 一种基于蛇形石墨烯压敏电阻的压力传感器及其设计方法 |
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