[发明专利]一种MEMS应变式差分式压力传感器及制作方法

说明书

本发明保护一种MEMS应变式差分式压力传感器及制作方法，包括金属应变电阻、绝缘层、应变硅片、硅岛结构和支撑框架结构，在硅片背面中间位置形成硅岛结构，在四周形成支撑框架结构，硅岛结构和支撑框架结构之间形成应变硅膜。所述硅岛结构沿Y轴方向的长度是沿X轴方向长度的2倍以上。所述金属应变电阻布置在应变硅片正面，并沿Y轴对称布置在应变硅膜与支撑框架连接应力集中区域、应变硅膜与硅岛结构的连接应力集中区域。本发明采用岛‑膜结构,形成对称的拉应力和压应力集中区域,解决现有应变式压力传感器难以形成对称差分测量布局的难题,抑制非线性误差和温度漂移，提高传感器的灵敏度和稳定性。

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)传感器领域，具体涉及MEMS应变式差分压力传感器。

背景技术

MEMS应变式压力传感器是随着MEMS器件和工艺发展而产生的一种传感器。MEMS应变式压力传感器采用MEMS工艺，生产的一致性和重复性高，可大批量生产，在土木工程、电力系统、城市建设、环境监测、航空航天等领域得到了普遍的应用。MEMS应变式压力传感器的原理是由外界的压力(或拉力)引起应变材料的几何形状(长度或宽度)发生改变，进而导致材料的电阻发生变化，检测这个电阻变化量可以测得外力的大小。

专利CN201510504678公开了一种高性能薄膜压力传感器的制备方法，采用砷化镓、硫化钐、氮化镓为敏感材料制造的薄膜压力传感器，能解决解决压力传感器灵敏度不高且温度漂移大的问题，其应变膜是金属弹性体制成。在MEMS压力传感器中，膜的结构在性能中起到重要作用。Samaun等人提出由硅片上的空腔形成的C型膜结构，用于测量气压或水压。但是C型膜结构输出的非线性问题较大。薄膜过薄，膜中心处的挠度就会过大，偏离了小挠度假设，相应的非线性误差随之增大。Kinnella等人提出了一种具有薄壁中空加强结构的膜，得到更小的压力非线性，低于0.40％FSS，其最大拉应力区域和压应力区域面积的大小受中空加强结构尺寸的限制，可放置的应变电阻有限。

综上所述，提高压力传感器的灵敏度、减小非线性，应变膜的尺寸和结构是优化性能的重要一步，在膜的尺寸一定的情况下，应变膜的结构对压力传感器的性能有着重要作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种MEMS应变式差分式压力传感器及制备方法，采用岛-膜结构,形成对称的拉应力和压应力集中区域,解决现有应变式压力传感器难以形成对称差分测量布局的难题,抑制非线性误差和温度漂移，提高传感器的灵敏度和稳定性。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种MEMS应变式差分式压力传感器，所述传感器包括金属应变电阻、绝缘层和应变硅片，还包括硅岛结构和支撑框架结构，所述应变硅膜、硅岛结构和支撑框架结构是以硅片为基础制作得到，在硅片背面通过微机械加工在中间位置形成硅岛结构，在四周形成支撑框架结构，硅岛结构和支撑框架结构之间形成应变硅膜。所述硅岛结构沿Y轴方向的长度是沿X轴方向长度的2倍以上；所述金属应变电阻有四组，布置在应变硅片正面，并沿Y轴对称布置在应变硅膜与支撑框架连接应力集中区域、应变硅膜与硅岛结构的连接应力集中区域，金属应变电阻与应变硅膜之间用绝缘材料隔离；当应变硅膜在外部压力作用下发生形变时，在应变硅膜与支撑框架连接区域、应变硅膜与硅岛结构的连接区域，分别形成拉应力(或压应力)、压应力(或拉应力)集中区，此拉应力、压应力分别使金属应变电阻阻值增大、减小，从而形成差分测量，抑制温度漂移。

本发明进一步的优选方案是，设计所述金属应变电阻为沿Y轴方向延伸的折叠形状，通过增加应变电阻折叠排布的数量，提高灵敏度。

进一步优选，本发明所用硅片采用N型或P型晶向<100>双面抛光的硅片，厚度在300微米到1000微米之间，在应变硅片上制作出的应变硅膜的厚度在30微米到100微米之间。

优选地，所述硅岛结构和支撑框架结构的下表面设有绝缘层。