[发明专利]一种微压探测压力传感器及其测量装置

说明书

本发明公开了一种微压探测压力传感器，SOI硅片的衬底硅底部经过刻蚀形成应力薄膜并与玻璃基底键合形成真空腔，在应力薄膜下方刻蚀凹形槽结构和中心质量聚集结构，分别位于一对压力敏感硅铝异质结构的下方和薄膜中心区域。器件层掺杂后刻蚀出一对压力敏感硅铝异质结构，一对温度参考硅铝异质结构以及四个对称的L型凸起结构，温度参考结构的电阻处于应变薄膜区域外不受应力影响，配合本发明的传感器恒温控制系统可以有效地消除温度漂移特性。本发明还公开了一种微压探测传感器测量装置，包括其配套电路及校准标定方法，结合其传感器新型压阻元件及应力薄膜的结构设计，可以平衡高灵敏度及高线性度的测量特性，达到实际微压测量的应用标准。

技术领域

本发明涉及微纳机电系统(MEMS)传感器技术领域，尤其涉及一种基于硅铝异质结构的微压探测压力传感器及其测量装置。

背景技术

气压是气象测量的一个重要因素，是压力传感器的一个重要应用途径，并且压力传感器的需求量程也出现了多样化发展，不单单局限在标准大气压周边量程，在微压测量方面也出现了许多应用需求，这需要压力传感器具有更高的灵敏度来捕捉压力的微小变化。受限于体掺杂硅材料的自身特性，传统压力传感器的灵敏度很难进行提升，研发出更强压阻效应的压敏结构显得尤为关键。同时，在压力传感器的应力薄膜的结构上进行设计与创新也成为了重点，比如如何同时优化压力传感器的灵敏度与线性度性能。压力传感器的温漂与时漂特性始终存在，从传感器的结构设计与外围匹配电路的设计角度均有相关研究。总的来说，当前市场迫切需要一款应用于微压测量的高灵敏度、良好线性度、低温漂、低时漂的压力传感器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提高传统压力传感器灵敏度使其满足微压测量领域的实际应用，同时可以兼顾良好的线性度；同时在传感器结构与外围匹配电路设计上消除压力传感器的温度漂移特性，并且提出一个方便简易的传感器的校准标定方案得到传感器的实时输出特性，使该传感器能达到微压测量的实际应用需求。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提出一种微压探测压力传感器，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，刻蚀时在衬底硅与绝缘二氧化硅层之间保留应力薄膜结构，在其下方刻蚀出凹形槽结构和中心质量聚集结构，分别位于一对压力敏感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的部分刻蚀出四个对称的L型凸起结构，可以有效提升压敏结构区域的应力。在绝缘二氧化硅层上部的掺杂硅区域，通过光刻刻蚀与铝溅射工艺形成了二对硅铝异质结构，即一对压敏硅铝异质结构和一对温度参考硅铝异质结构，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。应变薄膜的凹形槽结构和L型凸起结构可以有效增强该微压探测压力传感器的灵敏度性能，同时中心质量聚集结构不但可以提升传感器的线性度，还可以在传感器应变薄膜受高量程压力产生较大扰度时起到支撑作用，防止应力薄膜损坏。

本发明提出的微压探测压力传感器的压阻敏感元件采用硅铝异质结构，即半导体材料与金属材料产生欧姆接触，结构在受到应力作用时电流会远离高导电率的金属铝，实现对纯掺杂硅压阻系数的几何放大效应，具有较大的压敏灵敏度。该异质结构有4个电极，测量时外侧引脚通入恒流源，内侧引脚测量输出电压。在实际制作工艺中，SOI硅片的器件层刻蚀了一对应力敏感结构和一对参考结构，由于参考结构处于应变薄膜外侧，利用其基本不受应力影响但会随着温度变化的特性，采用差分测量方法可以消除传感器的温度漂移特性。

本发明提出一种基于硅铝异质结构的微压探测压力传感器测量装置，包括数字电源电路、模拟电源电路、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，通信方式上提供有蓝牙模块接口和TCPIP网络通信电路。