[發明專利]一種微壓高過載傳感器芯片

有效

• 申請號: 201711152177.3
• 申請日: 2017-11-19
• 公開（公告）號: CN107941407B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 于忠亮;宋錦春
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01L9/00
• 分類號: G01L9/00
• 代理公司: 北京易捷勝知識產權代理事務所(普通合伙) 11613
• 代理人: 韓國勝

本發明涉及一種微壓高過載傳感器芯片，包括由下至上依次疊置的基底、器件層和氧化層，其中設有多個第一上凹槽和多個第二上凹槽，形成一個上部中心島、多個上部輻射島、多根敏感梁、多根引線梁、一個環形梁和一個上部襯底；器件層的下表面上形成有下凹槽，一個下部中心島、多個下部輻射島和一個下部襯底；基底中設有能夠供下部中心島和下部輻射島下移時自由進入的通孔。本發明解決了現有技術中因應力敏感區與高應力區重疊在一起而導致的傳感器的靈敏度與過載阻抗之間矛盾的問題，有利于靈敏度與過載阻抗的同步提升，并顯著地改善傳感器的動態特性。

技術領域

本發明屬于壓阻式壓力傳感器技術領域，具體涉及一種微壓高過載傳感器芯片。

背景技術

隨著我國對制造業重點發展領域的大力推進，傳感器作為必不可少的基礎技術和裝備核心備受關注，尤其，基于MEMS技術的微壓傳感器在航空航天、先進軌道交通等制造業重點發展領域需求迫切，已成為國內外研究熱點。

在航空航天領域，微壓傳感器具有高可靠性與隱蔽性的特點，在監測飛行器處于近真空環境下的高度、保障飛行軌道調整準確、確保飛行安全方面不可或缺。氣壓高度信息的精確測量對傳感器靈敏度提出了較高要求。同時，由于地面和高空的氣壓差較大，用于高空微壓測量的小量程傳感器在承受地面大氣壓高過載時極易破碎。此外，飛行器的振動干擾也會對微壓的測量精度產生影響。

在先進軌道交通方面，微壓傳感器對監測動車疲勞狀態、保障行車安全具有重要意義。當列車高速通過隧道或兩車交會時，列車尾部過渡區及底部裙板會產生一定負壓。在交變氣動載荷作用下，焊縫附近、結構不連續部位以及開孔接管等區域常常會產生很高的循環應力，導致車體發生疲勞斷裂。為預防車體發生疲勞斷裂事故，風壓的準確監測尤為關鍵，這對傳感器靈敏度提出了較高要求。同時，列車在高速通過隧道或兩車交會時產生的瞬時高過載易導致傳感器芯體結構發生破損失效。此外，列車振動干擾信號也會影響傳感器測量精度。

綜上，研制具備高靈敏度、高過載阻抗以及優異動態特性的微壓傳感器對促進制造業的快速發展意義重大。

壓阻式壓力傳感器利用半導體材料的壓阻效應制成，是目前研究最廣泛、工藝最成熟的MEMS器件，已得到了廣泛的應用。

典型的壓阻式壓力傳感器的工作原理是通過在感壓膜片的敏感區摻雜壓敏電阻條的方式構成惠斯通電橋，當有外界壓力施加在感壓膜片上時，感壓膜片會產生撓曲變形致使作用于壓敏電阻條的應力發生改變，最后將因應力作用而改變的壓敏電阻條的阻值經由惠斯通電橋轉化為輸出電壓，根據輸出電壓與壓力值間的標定關系實現對外界壓力的測量。

為了獲得較高的靈敏度，壓阻式壓力傳感器通常需將壓敏電阻條布置于感壓膜片上的應力敏感區，而該區域在過載下往往會產生更高的應力，應力敏感區與過載所致高應力區的重疊導致了靈敏度與過載阻抗之間的矛盾。一方面，為了提升傳感器的靈敏度需增大敏感區的應力，另一方面，為了提高傳感器的過載阻抗又需抑制敏感結構上的應力峰值，如何解決靈敏度與過載阻抗之間的矛盾，是亟需突破的技術難題。此外，利用深刻蝕得到的質量塊作為過載保護裝置明顯地加大了結構的等效質量，進而極大地制約了傳感器動態特性的提升。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明提供一種微壓高過載傳感器芯片，致力于解決現有技術中存在的因應力敏感區與過載所致高應力區重疊而導致的靈敏度與過載阻抗間矛盾的問題。

(二)技術方案

為了達到上述目的，本發明采用的主要技術方案包括：