CN211717679U - 梁-岛-膜应变式压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了梁‑岛‑膜应变式压力传感器，包括四个铂金电阻、梁、敏感膜片、岛、硅基底以及玻璃衬底，所述玻璃衬底上键合有硅基底，所述硅基底上开设有真空腔室，所述敏感膜片包括中心膜、平膜以及梁，所述岛位于中心膜中心处并位于真空腔室的内侧，所述铂金电阻之间连接有电极引线，所述梁的末端与中心膜缘中部相接。本实用新型传感器采用梁‑岛‑膜结构，与传统的E型结构相比，梁的存在能提高应力集中的的效果，提高传感器的灵敏度；与传统的C型结构相比，岛的存在使得敏感膜片的挠度降低，减少非线性误差带来的影响，线性度增加。
Description
技术领域
本实用新型涉及压力传感器技术领域，尤其涉及梁-岛-膜应变式压力传感器。
背景技术
随着集成电路(IC)硅微加工技术的不断发展，MEMS压力传感器得到广泛应用，应变式压力传感器是压力传感器中应用比较多的一种传感器，它的原理主要是利用金属电阻的应变效应，即金属导体的电阻随着它受到机械形变的大小而发生变化，应变式压力传感器一般用于测量较大的压力，广泛应用于测量管道内部压力、内燃机燃气的压力、压差和喷射压力、发动机和导弹试验中的脉动压力，以及各种领域中的流体压力等；
E型结构和C型结构是常见的压力传感器硅杯结构，可以承受更大的挠度，具有过载保护能力，但是容易存在应力不够集中和非线性误差带来影响的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的问题，而提出的梁-岛-膜应变式压力传感器。
为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
梁-岛-膜应变式压力传感器，包括四个铂金电阻、梁、敏感膜片、岛、硅基底以及玻璃衬底，所述玻璃衬底上键合有硅基底，所述硅基底上开设有真空腔室，所述敏感膜片包括中心膜、平膜以及梁，所述岛位于中心膜中心处并位于真空腔室的内侧，所述铂金电阻之间连接有电极引线，所述梁的末端与中心膜缘中部相接。
优选地，所述梁上面设置有一层氮化硅层。
优选地，所述玻璃衬底与所述硅基底之间采用阳极键合。
优选地，其中一对所述铂金电阻位于敏感膜片上部的梁上，另外一对所述铂金电阻位于敏感膜片外侧。
优选地，所述平膜位于中心膜四角。
优选地，所述铂金电阻采用蛇信弯形状，四个所述铂金电阻构成惠斯通电桥。
本实用新型与现有技术相比具有以下好处：
1、本实用新型传感器采用梁-岛-膜结构，与传统的E型结构相比，梁的存在能提高应力集中的的效果，提高传感器的灵敏度；
2、与传统的C型结构相比，岛的存在使得敏感膜片的挠度降低，减少非线性误差带来的影响，线性度增加。
附图说明
图1为本实用新型提出的梁-岛-膜应变式压力传感器的结构图；
图2为本实用新型提出的梁-岛-膜应变式压力传感器的侧视示意图；
图3为本实用新型提出的梁-岛-膜应变式压力传感器的薄膜应变曲线图。
图中：1铂金电阻、2电极引线、3氮化硅层、4硅基底、5岛、6玻璃衬底、7真空腔室、8敏感膜片、9梁、10中心膜、11平膜。
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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
参照图1-3，梁-岛-膜应变式压力传感器，包括四个铂金电阻1、梁9、敏感膜片8、岛5、硅基底4以及玻璃衬底6，玻璃衬底6上键合有硅基底4，硅基底4上开设有真空腔室7，敏感膜片8包括中心膜10、平膜11以及梁9，岛5位于中心膜10中心处并位于真空腔室7的内侧，铂金电阻1之间连接有电极引线2，梁9的末端与中心膜10缘中部相接，铂金电阻1具有物理化学稳定性好、抗振动、准确度高、耐高压等优点。
梁9上面设置有一层氮化硅层3，氮化硅层3不仅有承重作用，而且可绝缘铂金电阻1与硅基底4。玻璃衬底6与硅基底4之间采用阳极键合。其中一对铂金电阻1位于敏感膜片8上部的梁9上，另外一对铂金电阻1位于敏感膜片8外侧。平膜11位于中心膜10四角。铂金电阻1采用蛇信弯形状，四个铂金电阻1构成惠斯通电桥。
设一根长l，截面为S，电阻率为ρ的金属丝，初始电阻为R，则有：
设金属丝在轴向外力作用F下，长度的l变化了dl，截面S变化了dS，半径r变化了dr,电阻率ρ变化了dρ，引起R变化了dR。对(1)进行微分，可得：
其中μ为铂金的泊松比，ε为轴向应变，取决于敏感膜片8的应变大小，r为横截面半径，因为金属在发生形变的过程中电阻率ρ几乎不发生变化，所以忽略了电阻率ρ的变化。
利用ANSYS软件模拟出在1×105Pa,2×105Pa,......，10×105Pa压强下敏感膜片8的应变，取敏感膜片8靠近中心区域与边界区域的应变数值分析在不同压强下应变的规律，如图2所示：通过图3可以看出，虽然不同区域的应变曲线斜率有所不同，但它们都与外界压强呈线性关系，所以电阻的变化也与外界压强呈线性关系。
本实用新型的铂金电阻1采用的加工工艺为离子溅射，在靶极阴极与阳极之间加一个正交磁场和电场，从靶极发出的电子，由于受磁场的作用运动路程加长，与工作气体的电离几率增大，在阴极附近形成高密度的等离子体，在电场的作用下，正离子轰击靶极溅射出大量的金属原子或分子，以很大的能量在基片上沉积成膜，在溅射过程中，真空度、气体压力、溅射功率等工艺条件都会不同程度地影响沉积速率和溅射质量，真空度越高，薄膜质量就越好；氩气的压力直接影响薄膜的性能；溅射功率与沉积速率成正比，但也不宜过高，功率过高容易造成光刻胶转移的现象。
如图1所示：
本实用新型的铂金电阻1采用一种蛇形弯形状，其中一组相对的铂金电阻1位于敏感膜片8上，充分利用了应力区，另外一组相对的铂金电阻1未置于敏感膜片上，四个电阻构成惠斯通电桥，当敏感膜片8发生变形时，置于敏感膜片8上的两条铂金电阻1阻值发生变化，另外两条铂金电阻1阻值不发生变化，从而电桥失去平衡，测量电桥的不平衡输出就可以实现对压力变化的测量。
根据经典板壳理论的约束条件，敏感膜片8设计量程p、膜片厚度h、边长a之间应满足如下条件:
(1)为满足结构力学参数具有线性耦合性，要求敏感膜片8符合小挠度理论模型，即敏感膜片8中心的最大挠度小于膜厚的20％；
(2)为提高传感器应用的可靠性和延长使用寿命，要求对敏感膜片8的感压范围进行降额设计，此处要求敏感膜片8上每点最大的合应力值(纵向应力与横向应力的差值)不大于材料破裂应力的20％；
(3)为保证传感器具有较高的灵敏度输出，铂金电阻1的相对变化率应该大于2％；
上述约束条件表达式如下所示:
式中:π44为压阻系数，π44＝138.1×10－11Pa－1；E为杨氏模量，E＝190GPa；υ为泊松比，υ＝0.278；σm为破裂应力，σm＝6×109Pa。
本实用新型的玻璃衬底6与硅基底4之间采用阳极键合，加热至高温时，玻璃中的钠离子变为可移动状态，在高压电场驱使下，钠离子离开接触面，接触面附近玻璃衬底6中的O与硅基底4中的Si产生共价键，因而玻璃衬底6与硅基底4之间的紧密连接得以实现，并且采用键合的方式把芯片密封在玻璃衬底6上，大大加强了真空腔室7的真空度和密封强度。
以上，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，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，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.梁-岛-膜应变式压力传感器，包括四个铂金电阻(1)、梁(9)、敏感膜片(8)、岛(5)、硅基底(4)以及玻璃衬底(6)，其特征在于，所述玻璃衬底(6)上键合有硅基底(4)，所述硅基底(4)上开设有真空腔室(7)，所述敏感膜片(8)包括中心膜(10)、平膜(11)以及梁(9)，所述岛(5)位于中心膜(10)中心处并位于真空腔室(7)的内侧，所述铂金电阻(1)之间连接有电极引线(2)，所述梁(9)的末端与中心膜(10)缘中部相接。
2.根据权利要求1所述的梁-岛-膜应变式压力传感器，其特征在于，所述梁(9)上面设置有一层氮化硅层(3)。
3.根据权利要求1所述的梁-岛-膜应变式压力传感器，其特征在于，所述玻璃衬底(6)与所述硅基底(4)之间采用阳极键合。
4.根据权利要求1所述的梁-岛-膜应变式压力传感器，其特征在于，其中一对所述铂金电阻(1)位于敏感膜片(8)上部的梁(9)上，另外一对所述铂金电阻(1)位于敏感膜片(8)外侧。
5.根据权利要求1所述的梁-岛-膜应变式压力传感器，其特征在于,所述平膜(11)位于中心膜(10)四角。
6.根据权利要求1所述的梁-岛-膜应变式压力传感器，其特征在于,所述铂金电阻(1)采用蛇信弯形状，四个所述铂金电阻(1)构成惠斯通电桥。
Priority Applications (1)
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| CN202020772297.4U CN211717679U (zh) | 2020-05-12 | 2020-05-12 | 梁-岛-膜应变式压力传感器 |
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| CN (1) | CN211717679U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115112274A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-09-27 | 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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2020
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| CN115112274A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-09-27 | 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 |
| 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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