[发明专利]一种双重应力集中结构微压传感器芯体及制备方法

说明书

本发明提供一种双重应力集中结构微压传感器芯体及制备方法。芯体包括基底，以及基底中部设有的膜片，所述膜片上表面周向均匀设置有两段以上的不连续的沟槽，相邻沟槽端部之间形成肋板，所述肋板在所述膜片上表面对称设置；所述肋板的应力集中处设置有压敏电阻条，通过金属引线将所述压敏电阻条连接成惠斯通电桥；所述膜片下表面形成有凸起的刚性结构，所述刚性结构的中心通过所述芯体背面的中心处，以降低膜片中心的位移；所述刚性结构的外端面与所述沟槽的内沿重合且与所述基底不相连，以便于当压力作用在所述膜片时，在所述压敏电阻条所在位置处形成双应力集中，保证微压传感器进行可靠、精确测量。

技术领域

本发明涉及MEMS硅压阻式微压传感器技术领域，具体涉及一种双重应力集中微压传感器芯体及制备方法。

背景技术

近年来，MEMS微压传感器因其具有体积小、重量轻、灵敏度和固有频率高等优点，被广泛应用于风洞测试、飞行器高度检测和生物医学等领域。例如，在监测飞行器高度过程中，压力与高度成线性变化关系，通过测量飞行器所在环境的压力便可以反映出飞行器的高度。在此过程中，大气压力将从数百千帕(kPa)变化到几千帕(Pa)，这就需要传感器具有很高的灵敏度来反映微小压力的变化，进而提供准确的高度变化。

MEMS微压力传感器按其工作原理主要分为压阻式、电容式和谐振式三种。电容式微压传感器利用电容极距变化将压力转换为电容的变化，从而实现压力监测。虽然电容式压力传感器具有灵敏度高、功耗低、稳定性好等优点，但其输入压力与输出电容线性度差，很难用于高精度压力测量。谐振式微压传感器通过谐振梁的固有频率随施加应力变化来实现压力的测量，尽管其测量精度、稳定性和灵敏度都优于上述两类传感器，但因其结构复杂、加工难度大、成本高，限制了其使用的范围。

压阻式压力传感器是以N型硅作为衬底材料，在敏感膜片上通过硼扩散或离子注入形成P型压敏电阻，通过硅膜片受压后膜内集成惠斯通电桥输出电压的变化，从而实现压力的测量。对于传统平板式硅压阻敏感膜片，传感器输出灵敏度与敏感膜片的厚度成反比，然而线性度却与敏感膜片的厚度成正比，因此很难通过优化敏感膜片的尺寸达到对微压力的精确测量。同时，由于敏感膜片中惠斯通电桥的集成，致使其薄膜厚度难以在保证测量精度条件下进一步减小来实现更小量程和更高灵敏度的压力测量。

微压传感器的关键结构为芯体敏感膜片，四个压敏电阻分布在膜片应力集中位置，形成惠斯通电桥将应力转换为电学信号输出。在相同的压力下，膜片局部应力集中程度越高，压敏电阻感受到的拉压应力越多，传感器的灵敏度指标就越高。同时，为避免传感器非线性误差随着灵敏度的增加而增加，需要降低敏感膜片中心的应变，这就需要增加膜片局部位置的刚性，限制膜片中心处的位移过大。

现有技术CN104729784B公开了一种梁槽结合台阶式岛膜微压传感器芯片及制备方法，其相对于传统的C型膜和E型岛膜结构，增加了质量块和凸块提高了薄膜的整体刚度，从而提高线性度，因此，该方案一定程度上平衡了微压传感器芯片的线性度和灵敏度。

但是，上述现有技术在线性度上仍然不能达到很理想的效果，其在压敏电阻的处压拉应力设计应力设计上，由于受到浮雕梁的本身结构限制，其二次应力集中效果一般，也就直接限制了灵敏度的提高。而且没有对膜片中心应变进行直接限制，灵敏度和限定度结构二者之间分别独立工作，直接影响到了线性度的有效控制，仍然没有解决好灵敏度与线性度、灵敏度与频响特性的固有矛盾。因此，如何确保微压传感器的高灵敏度、高线性度、高频响特性，是保证微压传感器进行可靠、精确测量的关键。

发明内容

因此，为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种双重应力集中微压传感器芯体及制备方法，以确保微压传感器的高灵敏度、高线性度、高频响特性，保证微压传感器进行可靠、精确测量。