[發(fā)明專利]一種微壓探測(cè)壓力傳感器及其測(cè)量裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010460055.6
• 申請(qǐng)日: 2020-05-27
• 公開（公告）號(hào): CN111620295B
• 公開（公告）日: 2023-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張加宏;謝曉璐;李敏;顧芳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京信息工程大學(xué)
• 主分類號(hào): B81B7/02
• 分類號(hào): B81B7/02;G01L1/22;G01L9/04
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 羅運(yùn)紅

本發(fā)明公開了一種微壓探測(cè)壓力傳感器，SOI硅片的襯底硅底部經(jīng)過(guò)刻蝕形成應(yīng)力薄膜并與玻璃基底鍵合形成真空腔，在應(yīng)力薄膜下方刻蝕凹形槽結(jié)構(gòu)和中心質(zhì)量聚集結(jié)構(gòu)，分別位于一對(duì)壓力敏感硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)的下方和薄膜中心區(qū)域。器件層摻雜后刻蝕出一對(duì)壓力敏感硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)，一對(duì)溫度參考硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及四個(gè)對(duì)稱的L型凸起結(jié)構(gòu)，溫度參考結(jié)構(gòu)的電阻處于應(yīng)變薄膜區(qū)域外不受應(yīng)力影響，配合本發(fā)明的傳感器恒溫控制系統(tǒng)可以有效地消除溫度漂移特性。本發(fā)明還公開了一種微壓探測(cè)傳感器測(cè)量裝置，包括其配套電路及校準(zhǔn)標(biāo)定方法，結(jié)合其傳感器新型壓阻元件及應(yīng)力薄膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以平衡高靈敏度及高線性度的測(cè)量特性，達(dá)到實(shí)際微壓測(cè)量的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)的微壓探測(cè)壓力傳感器及其測(cè)量裝置。

背景技術(shù)

氣壓是氣象測(cè)量的一個(gè)重要因素，是壓力傳感器的一個(gè)重要應(yīng)用途徑，并且壓力傳感器的需求量程也出現(xiàn)了多樣化發(fā)展，不單單局限在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓周邊量程，在微壓測(cè)量方面也出現(xiàn)了許多應(yīng)用需求，這需要壓力傳感器具有更高的靈敏度來(lái)捕捉壓力的微小變化。受限于體摻雜硅材料的自身特性，傳統(tǒng)壓力傳感器的靈敏度很難進(jìn)行提升，研發(fā)出更強(qiáng)壓阻效應(yīng)的壓敏結(jié)構(gòu)顯得尤為關(guān)鍵。同時(shí)，在壓力傳感器的應(yīng)力薄膜的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計(jì)與創(chuàng)新也成為了重點(diǎn)，比如如何同時(shí)優(yōu)化壓力傳感器的靈敏度與線性度性能。壓力傳感器的溫漂與時(shí)漂特性始終存在，從傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與外圍匹配電路的設(shè)計(jì)角度均有相關(guān)研究。總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)前市場(chǎng)迫切需要一款應(yīng)用于微壓測(cè)量的高靈敏度、良好線性度、低溫漂、低時(shí)漂的壓力傳感器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何提高傳統(tǒng)壓力傳感器靈敏度使其滿足微壓測(cè)量領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)可以兼顧良好的線性度；同時(shí)在傳感器結(jié)構(gòu)與外圍匹配電路設(shè)計(jì)上消除壓力傳感器的溫度漂移特性，并且提出一個(gè)方便簡(jiǎn)易的傳感器的校準(zhǔn)標(biāo)定方案得到傳感器的實(shí)時(shí)輸出特性，使該傳感器能達(dá)到微壓測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用需求。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提出一種微壓探測(cè)壓力傳感器，使用SOI硅片作為主材料，襯底硅底部經(jīng)過(guò)刻蝕與玻璃基底鍵合形成參考?jí)毫η唬涛g時(shí)在襯底硅與絕緣二氧化硅層之間保留應(yīng)力薄膜結(jié)構(gòu)，在其下方刻蝕出凹形槽結(jié)構(gòu)和中心質(zhì)量聚集結(jié)構(gòu)，分別位于一對(duì)壓力敏感硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)的下方和薄膜中心區(qū)域，并且在絕緣二氧化硅層上方的部分刻蝕出四個(gè)對(duì)稱的L型凸起結(jié)構(gòu)，可以有效提升壓敏結(jié)構(gòu)區(qū)域的應(yīng)力。在絕緣二氧化硅層上部的摻雜硅區(qū)域，通過(guò)光刻刻蝕與鋁濺射工藝形成了二對(duì)硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)，即一對(duì)壓敏硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)和一對(duì)溫度參考硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述壓敏硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)位于應(yīng)力薄膜上方，所述溫度參考硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)位于應(yīng)變薄膜外側(cè)。應(yīng)變薄膜的凹形槽結(jié)構(gòu)和L型凸起結(jié)構(gòu)可以有效增強(qiáng)該微壓探測(cè)壓力傳感器的靈敏度性能，同時(shí)中心質(zhì)量聚集結(jié)構(gòu)不但可以提升傳感器的線性度，還可以在傳感器應(yīng)變薄膜受高量程壓力產(chǎn)生較大擾度時(shí)起到支撐作用，防止應(yīng)力薄膜損壞。

本發(fā)明提出的微壓探測(cè)壓力傳感器的壓阻敏感元件采用硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)，即半導(dǎo)體材料與金屬材料產(chǎn)生歐姆接觸，結(jié)構(gòu)在受到應(yīng)力作用時(shí)電流會(huì)遠(yuǎn)離高導(dǎo)電率的金屬鋁，實(shí)現(xiàn)對(duì)純摻雜硅壓阻系數(shù)的幾何放大效應(yīng)，具有較大的壓敏靈敏度。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)有4個(gè)電極，測(cè)量時(shí)外側(cè)引腳通入恒流源，內(nèi)側(cè)引腳測(cè)量輸出電壓。在實(shí)際制作工藝中，SOI硅片的器件層刻蝕了一對(duì)應(yīng)力敏感結(jié)構(gòu)和一對(duì)參考結(jié)構(gòu)，由于參考結(jié)構(gòu)處于應(yīng)變薄膜外側(cè)，利用其基本不受應(yīng)力影響但會(huì)隨著溫度變化的特性，采用差分測(cè)量方法可以消除傳感器的溫度漂移特性。

本發(fā)明提出一種基于硅鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)的微壓探測(cè)壓力傳感器測(cè)量裝置，包括數(shù)字電源電路、模擬電源電路、微控制器電路、傳感器信號(hào)采集及調(diào)理電路、恒溫系統(tǒng)配套電路、用于傳感器校正的可編程電流源配套電路，通信方式上提供有藍(lán)牙模塊接口和TCPIP網(wǎng)絡(luò)通信電路。