CN104458076B - 一种具有高过载低加速度干扰的微压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种具有高过载低加速度干扰的微压力传感器，包括硅质基底，硅质基底的背面中部设有空腔，硅质基底的背面与硼玻璃键合，硼玻璃的中部具有凸台结构，硅质基底的背面空腔与硼玻璃的凸台结构相配合，在硅质基底的正面腐蚀形成相互垂直的第一梁和第二梁，在硅质基底的背面腐蚀形成平膜，第一梁和第二梁与硅质基底四周的梁共同形成梁膜结构，第一梁和第二梁的两端沿着【100】晶向在应力最大处布置有压敏电阻，四个压敏电阻通过金属引线和焊盘相互连接组成惠斯通电桥，采用了硼玻璃的凸台结构，限位设计更加合理，在满足了高灵敏度与高线性度要求的同时，兼具高过载和高侧向效应抵抗能力的特性。

Description

一种具有高过载低加速度干扰的微压力传感器

技术领域

本发明涉及微压力传感器芯片技术领域，特别涉及一种具有高过载低加速度干扰的微压力传感器。

背景技术

压力传感器是应用最广泛的传感器之一，早在二十世纪五六十年代压力传感器的相关研究就已经开始了，随着MEMS技术的发展，微压力传感器成为当今商品化生产中最广泛的微传感器产品，代表了最成熟的MEMS工艺器件。

压阻式微压力传感器是采用半导体材料和MEMS工艺制造的新型压力传感器。与传统压力传感器比较，微压力传感器具有精度高、灵敏度高、动态特性好、体积小、成本低、信号处理电路简单等优点。

传统的压阻式微压力传感器一般为平膜结构、岛膜结构和梁膜结构。平膜结构灵敏度高，但非线性大，且过载较低；岛膜结构过载能力大，但灵敏度低，受侧向加速度影响很大；梁膜结构灵敏度高，非线性小，但过载能力较差。另外最近有一些基于这些结构特性提升的研究成果，例如膜上十字梁交叉，使应力集中的应力梁结构以及在应力梁基础上加入岛结构从而提高过载的梁膜岛结构。应力梁结构能在提高灵敏度的同时降低非线性，梁膜岛结构能进一步提高过载能力。虽然这些研究成果很有效，但这些附加的操作会导致抗干扰性降低、成本提高以及加工困难等问题的出现。

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供一种具有高过载低加速度干扰的微压力传感器，在满足了高灵敏度与高线性度要求的同时，兼具高过载和高侧向效应抵抗能力的特性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有高过载低加速度干扰的微压力传感器，包括硅质基底1，硅质基底1的背面中部设有空腔，硅质基底1的背面与硼玻璃2键合，且留有键合余量，硼玻璃2的中部设有凸台结构8，凸台结构8下底面中心位置与硼玻璃2上底面中心位置重合，硅质基底1的背面空腔与硼玻璃2的凸台结构8相配合，并预留有工作间隙，在硅质基底1的正面腐蚀形成相互垂直的第一梁6和第二梁7，在硅质基底1的背面腐蚀形成平膜9，第一梁6和第二梁7与硅质基底1四周的梁共同形成梁膜结构。

所述的第一梁6和第二梁7的两端沿着【100】晶向在应力最大处布置有压敏电阻3，四个压敏电阻3均为2-4折的单一压阻条，四个压敏电阻3通过金属引线4和焊盘5相互连接组成惠斯通电桥。

由于本发明采用了硼玻璃2的凸台结构8，与传统设计方法上采用质量块做限位相比，限位设计更加合理，且提高了传感器的抗干扰能力。尤其在保证了微压力传感器高灵敏度和高线性度要求的前提下，能够有效地减小传感器芯片受侧向效应的影响，使得本发明具有高侧向效应抵抗能力的特性。

附图说明

图1为本发明的整体结构正面示意图。

图2为本发明的键合示意图。

图3为本发明玻璃凸台8的示意图。

图4为本发明传感器梁上压敏电阻3的布置方式示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明所述芯片进行更为详细的说明。

参照图1、图2和图3，一种具有高过载低加速度干扰的微压力传感器，包括硅质基底1，硅质基底1的背面中部设有空腔，硅质基底1的背面与硼玻璃2键合，且留有键合余量，硼玻璃2的中部设有凸台结构8，凸台结构8下底面中心位置与硼玻璃2上底面中心位置重合，硅质基底1的背面空腔与硼玻璃2的凸台结构8相配合，并预留有工作间隙，在硅质基底1的正面腐蚀形成相互垂直的第一梁6和第二梁7，在硅质基底1的背面腐蚀形成平膜9，第一梁6和第二梁7与硅质基底1四周的梁共同形成梁膜结构，硅质基底1的空腔与硼玻璃2的凸台结构8间预留有工作间隙，以保证梁膜结构在传感器正常工作时能够始终悬空，而在某些过载环境中其下底面能够与硼玻璃2的凸台结构8顶面接触，防止过载破坏传感器。

参照图4，所述的第一梁6和第二梁7的两端沿着【100】晶向在应力最大处布置有压敏电阻3，四个压敏电阻3均为2-4折的单一压阻条，四个压敏电阻3通过金属引线4和焊盘5相互连接组成惠斯通电桥。

本发明的工作原理为：

采用凸台结构8，在结构上能起到很好的限位作用，在硅质基底1上形成梁膜结构，起到应力集中作用，提高传感器的灵敏度，解决了测量微小量程压力的难题，梁膜结构不存在硬心质量块，避免了传感器容易受振动即加速度信号的干扰，提高了传感器抗干扰能力，该传感器在满足了高灵敏度与高线性度要求的同时，兼具高过载和高侧向效应抵抗能力的特性。

对传统的梁膜岛结构和本发明的梁膜加玻璃凸台式结构进行横向效应系数、最大应变量及谐振频率分析(加载压力1KPa，加速度100g)，得到如下分析结果：

信噪比等于当传感器受到X方向和Z方向的加速度干扰信号时的最大应力与无加速度干扰信号时传感器受到压力的最大应力之比，信噪比越小越好。由于现在大多数的微压传感器所采用结构的具有惯性质量块的限位结构，所以微压传感器中普遍存在加速度干扰信号高的问题，降低加速度干扰，对于提高微压传感器的性能，拓广应用范围具有重要的意义。通过结果不难看出，梁膜结构加玻璃凸台结构在微小压力下其最大应力输出为梁膜岛结构的6倍，具有较高的灵敏度；此外梁膜结构加玻璃凸台结构具有相当出色的减小加速度干扰的能力，在Z方向其信噪比仅为梁膜岛结构的1/20，而X方向仅为1/857。经数据比较得出结论：本发明所述的梁膜结构加玻璃凸台结构能够满足高灵敏度与低加速度干扰的要求。此外，根据压力传感器所能承受的最大应力600MPa的设计要求，当20KPa的压力作用在传感器上其最大挠度变形为64um，最大应力为580MPa，需要确定玻璃凸台5的结构尺寸，使凸台结构5与空腔4上表面之间的距离要大于3.3um且小于64um的限位保护要求。

Claims (1)

1.一种具有高过载低加速度干扰的微压力传感器，包括硅质基底(1)，其特征在于：硅质基底(1)的背面中部设有空腔，硅质基底(1)的背面与硼玻璃(2)键合，且留有键合余量，硼玻璃(2)的中部设有凸台结构(8)，凸台结构(8)下底面中心位置与硼玻璃(2)上底面中心位置重合，硅质基底(1)的背面空腔与硼玻璃(2)的凸台结构(8)相配合，并预留有工作间隙，在硅质基底(1)的正面腐蚀形成相互垂直的第一梁(6)和第二梁(7)，在硅质基底(1)的背面腐蚀形成平膜(9)，第一梁(6)和第二梁(7)与硅质基底(1)四周的梁共同形成梁膜结构；

所述的第一梁(6)和第二梁(7)的两端沿着【100】晶向在应力最大处布置有压敏电阻(3)，四个压敏电阻(3)均为2-4折的单一压阻条，四个压敏电阻(3)通过金属引线(4)和焊盘(5)相互连接组成惠斯通电桥。