[发明专利]一种微压探测压力传感器及其测量装置

权利要求书

1.一种微压探测压力传感器，其特征在于：使用SOI硅片作为主材料，衬底硅底部经过刻蚀与玻璃基底键合形成参考压力腔，在衬底硅与绝缘二氧化硅层之间保留应力薄膜结构，在绝缘二氧化硅层上部的掺杂硅区域，刻蚀了一对压敏硅铝异质结构和一对温度参考硅铝异质结构；

其中，金属铝在光刻刻蚀后溅射在掺杂硅的两侧，一侧与掺杂硅形成欧姆接触达到几何放大的压阻效应，在另一侧则覆盖在掺杂硅的接触孔上，形成单个硅铝异质结构的4个电极；

所述压敏硅铝异质结构位于应力薄膜上方，所述温度参考硅铝异质结构位于应变薄膜外侧，在应力薄膜下方刻蚀出凹形槽结构和中心质量聚集结构，分别位于一对压敏硅铝异质结构的下方和薄膜中心区域，并且在绝缘二氧化硅层上方刻蚀出四个对称的L型凸起结构，L型凸起结构设计于传感器应力薄膜之上；

所述压敏硅铝异质结构，在硅压阻条上刻蚀出4个接触点并用铝引出电极，并使用铝分流条与其形成欧姆接触，一对外侧引脚与一对内侧引脚分别用来接入电流源与测量输出电压；硅铝异质结构在应力σ作用下的等效电阻公式如下：

在一定掺杂浓度下，ρ₀为SOI器件层掺杂硅的初始电阻率，Π等效为掺杂硅的横向与纵向压阻系数，l为半测量引脚间距，L为半硅铝异质结构长度，b为结构中掺杂硅的宽度，h为两种金半材料的接触高度；

通过如下工艺形成凹形槽结构与中心质量聚集结构：

使用负性光刻胶形成底部外围环形窗口形状，随后使用TMAH加硫酸铵溶液的湿法刻蚀至中心聚集质量块的底部位置，腐蚀角度54.74°；

在质量块底部表面打上负性光刻胶，继续按照中心质量块倾角54.74°的特征腐蚀至其顶部形成完整中心质量聚集结构；在应变薄膜底部的凹形槽外围环形打上负性光刻胶，继续向内垂直腐蚀，形成凹形槽结构；

最后，使用阳极键合工艺将玻璃贴合在SOI硅片底部形成单个传感器空腔内的真空参考气压室，进行划片便得到了微压测量压力传感器芯片。

2.基于权利要求1所述的传感器实现的一种基于硅铝异质结构的微压探测压力传感器测量装置，其特征在于：包括电源电路、微控制器电路、传感器信号采集及调理电路、恒温系统配套电路、用于传感器校正的可编程电流源配套电路以及通信接口电路；微控制器电路接收处理信号采集电路的数据，同时用于控制恒温系统配套电路与可编程电流源配套电路，并且与通信接口电路进行数据交互。

3.根据权利要求2所述的一种基于硅铝异质结构的微压探测压力传感器测量装置，其特征在于：所述恒温系统配套电路，用于消除传感器的温度漂移特性，包括微处理器、加热温度传感器以及微压探测压力传感器封装外的环境温度传感器；

压力传感器芯片封装在PCB上由金丝引出测量电极，PCB下部挖孔放置加热温度传感器，并在PCB底部贴合聚酰亚胺加热片，同时在封装壳外部安装外部环境温度传感器；其中加热温度传感器连接所述的信号采集及调理电路，外部环境温度传感器直接与微控制器进行通信。

4.根据权利要求2所述的一种基于硅铝异质结构的微压探测压力传感器测量装置，其特征在于：所述可编程电流源配套电路的电流源，从某一个硅铝异质结构的外侧引脚接入，串联起4个硅铝异质结构。

5.根据权利要求2所述的一种基于硅铝异质结构的微压探测压力传感器测量装置，其特征在于：所述压敏硅铝异质结构和温度参考硅铝异质结构各自经过调理电路与滤波电路后接入信号采集电路的正负输入端。

6.根据权利要求2所述的一种基于硅铝异质结构的微压探测压力传感器测量装置，其特征在于：所述通信接口电路选择蓝牙模块接口电路或TCPIP网络通信电路。

7.一种权利要求1所述的微压探测压力传感器的校准方法，其特征在于：该校准方法分为学习阶段和测量阶段；在学习阶段，利用标准压力发生器对传感器进行初次标定，在全量程范围内选取n个测试点，得到压力采集点P_i和对应输出V_i，i＝1,2,…,n，随后调节可编程电流源大小，在传感器空载状态下找到电流序列I_i，使得对应数据点电压输出值等于V_i，则该电流序列各个值模拟标准压力，将该电流序列以及对应的模拟压力值写入微控制器FLASH中，完成学习过程；

在测量阶段的校准过程中，在空载情况下依次控制可编程电流源输出电流序列I_i，测得当前情况下压力采集点P_i对应的实时输出电压值VRT_i，并且采用牛顿n阶插值法进行非线性曲线拟合得到实时的输出特性曲线。