[发明专利]具有应力集中结构的压阻式压力传感器芯片及其制备方法有效

专利信息
申请号: 202010478838.7 申请日: 2020-05-29
公开(公告)号: CN111504526B 公开(公告)日: 2021-05-28
发明(设计)人: 赵立波;皇咪咪;徐廷中;陈翠兰;李学琛;杨萍;卢德江;王鸿雁;吴永顺;魏于昆;山涛;蒋庄德 申请(专利权)人: 西安交通大学;陕西省计量科学研究院
主分类号: G01L1/20 分类号: G01L1/20;G01L9/02;B81B7/02;B81C1/00
代理公司: 西安通大专利代理有限责任公司 61200 代理人: 陈翠兰
地址: 710049 *** 国省代码: 陕西;61
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摘要:
搜索关键词: 具有 应力 集中 结构 压阻式 压力传感器 芯片 及其 制备 方法
【说明书】:

发明公开了具有应力集中结构的压阻式压力传感器芯片及其制备方法,传感器芯片由浅槽薄膜结构层和背腔结构层组成。浅槽薄膜结构分为浅槽结构和薄膜结构,浅槽结构由沿薄膜边缘分布的四条浅槽和位于薄膜内部分布的正方形浅槽组成,应力集中在两条浅槽结构端部之间,分布的正方形浅槽则进一步集中和调节了应力分布,提高了传感器的灵敏度。在应力集中处均匀布置四个压敏电阻条,金属引线将四个压阻条连接组成半开环惠斯通全桥,并将电桥与布置在基底上的五个焊盘连接实现电信号的输入输出。背腔由半岛和岛屿组成,两者之间的空隙与两条浅槽结构端部相对应;半岛和岛屿提高应力的集中效果,并提高了传感器的刚度,使传感器的线性度得到提高。

技术领域

本发明属于微机电传感器技术领域,具体涉及具有应力集中结构的压阻式压力传感器芯片及其制备方法。

背景技术

随着微机械电子系统技术的发展,微压传感器已被广泛应用于航空航天、智能家居领域、侵入式医疗设备等领域;随着各领域飞速的发展,对传感器的性能、体积等有着更加严格的要求,MEMS传感器无疑是十分理想的选择,特别在生物医药领域急需性能稳定且具有高动态、高灵敏度的微压测量传感器来进行保障。

MEMS微压传感器采用的测量原理有很多,主要有压阻式、压电式、电容式、谐振式等,但是与其他原理的MEMS微压传感器相比,MEMS压阻式微压传感器具有测量范围广、可测静态和动态信号、动态响应好、后处理电路简单、加工成本低廉等优点从而得到广泛的应用。

MEMS压阻式压力传感器的灵敏度和线性度是最重要的工作指标,因此在设计过程中常将灵敏度和线性度作为优化目标设计传感器的结构。但是灵敏度与线性度之间存在相互制约的关系,从而影响传感器性能的进一步提高。在MEMS压阻式压力传感器设计中,弱化传感器灵敏度与线性度相互制约关系,同时得到灵敏度和线性度的最优值尤为重要。

目前,MEMS压阻式微压传感器的最小量程大多是kPa量级,但是对于生物医疗领域需在Pa量级进行压力测量。因此,如何提高传感器的灵敏度、平衡灵敏度与线性度之间的矛盾是MEMS压阻式微压传感器进行可靠精确测量亟需突破的难点。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提出一种具有应力集中结构的压阻式压力传感器芯片,能够对Pa级微压进行测量,具有高线性度、高动态性能等特点。

为达到上述目的,本发明所述具有应力集中结构的压阻式压力传感器芯片,包括基体和与基体键合的玻璃基底,所述基体背面刻蚀有背腔,所述背腔的底面为薄膜的背面,所述背腔中设置有第一半岛、第二半岛、第三半岛、第四半岛,所述第一半岛、第二半岛、第三半岛和第四半岛一端均与背腔的侧壁相连,所述第一半岛的另一端设置有第一岛屿,第二半岛的另一端设置有第二岛屿,第三半岛的另一端设置有第三岛屿,第四半岛的另一端设置有第四岛屿;所述薄膜的正面设置有第一压敏电阻条、第二压敏电阻条、第三压敏电阻条和第四压敏电阻条,所述第一压敏电阻条位于第一半岛和第一岛屿之间的间隙正上方,所述第二压敏电阻条位于第二半岛和第二岛屿之间的间隙正上方,所述第三压敏电阻条位于第三半岛和第三岛屿之间的间隙正上方,所述第四压敏电阻条位于第四半岛和第四岛屿之间的间隙正上方;

所述第一压敏电阻条、第二压敏电阻条、第三压敏电阻条和第四压敏电阻条通过金属引线和焊盘连接形成惠斯通电桥。

进一步的,薄膜内侧开设第一应力集中槽、第二应力集中槽、第三应力集中槽和第四应力集中槽;所述第一压敏电阻条两侧分别设置有第一应力集中槽和第二应力集中槽,所述第三压敏电阻条两侧分别设置有第三应力集中槽和第四应力集中槽;所述第二应力集中槽和第三应力集中槽之间设置有第二压敏电阻条,所述第四应力集中槽和第一应力集中槽之间设置有第四压敏电阻条。

进一步的,第一应力集中槽、第二应力集中槽、第三应力集中槽和第四应力集中槽的深度为薄膜厚度的10%~80%。

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