一种多量程集成的复合膜片式MEMS压力传感器的制作方法

一种多量程集成的复合膜片式mems压力传感器
技术领域
1.本发明属于传感器测量技术领域，具体地说，涉及一种多量程集成的复合膜片式mems压力传感器。


背景技术：

2.随着微机电技术的发展，由于第二代半导体材料单晶硅的压阻效应和其良好的机械结构特性，使得利用微机电工艺技术制成的mems硅压阻式压力传感器逐渐成为了市场的主流。其具有体积小、精度高、成本低和稳定性强的优点，并广泛应用在航空航天、石油、电力等领域。硅压阻式压力传感器主要由敏感膜片、压敏电阻条组成，其工作原理为当敏感膜片受到外界压力作用下，发生挠曲变形，而膜片上的压敏电阻则在膜片挠曲应力的作用下，通过压阻效应，使得自身电阻率发生变化，由四个压敏电阻条构成的惠斯通电桥电路，将电阻率的变化转换成输出电压的变化。
3.传统的mems压力传感器具有一个深腔刻蚀形成敏感膜片以及在敏感膜片上通过扩散或则离子注入工艺形成的2对压敏电阻，通过金属沉积工艺来构成惠斯通电桥连接。对于这种传统的硅压阻式压力传感器来说，其测量范围与结构灵敏度大小是密切相关的，在结构设计上，为了增大测量范围或则缩小测量范围都需要改变膜厚以及敏感膜片的面积大小，由此造成了传统的压力传感器芯片针对多个压力量程测量，往往采用以大量程的芯片代替小量程的芯片从而对小量程压力范围进行检测，或则通过mems工艺重新加工出不同结构的压力芯片来保证。一方面，大量程的压力芯片测量微小压力时会使得整个传感器的灵敏度非常低，增加了后端接口电路的负担，除此之外重新进行前端工艺流片和结构设计也造成了的开发成本的极大增加，另一方面对于后端封装测试来说，不同芯片结构尺寸大小也造成了封装管壳的尺寸变化，对于后续产品的一致性和通用性替代都造成了不利的影响。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的上述缺陷和需求，提出了一种多量程集成的复合膜片式mems压力传感器，通过在一个传感器中集成化多个不同量程的模块，实现了对不同量程、不同尺寸的物件的适应性测量，同时提高了测量的一致性。
5.本发明具体实现内容如下：本发明提出了一种多量程集成的复合膜片式mems压力传感器，包括硅衬底层，在所述硅衬底层的下端刻蚀有第三刻蚀腔体，在硅衬底层的上端刻蚀有第二刻蚀腔体；所述第二刻蚀腔体小于第三刻蚀腔体；在所述硅衬底层上还设置有硅器件层，所述硅器件层的底部位于第二刻蚀腔体内的位置刻蚀有第一刻蚀腔体；所述第一刻蚀腔体小于第二刻蚀腔体；在所述第一刻蚀腔体、第二刻蚀腔体和第三刻蚀腔体上分别对应设置有第一量程敏感膜片、第二量程敏感膜片和第三量程敏感膜片；
在所述硅器件层的上层设置有十二组的压敏电阻条，从内到外构成三组惠斯登电桥电路，每组惠斯登电桥电路中包括四个压敏电阻条；最内侧的一组惠斯登电桥电路与第一刻蚀腔体内的第一量程敏感膜片通过金属引线对应连接；居中的一组惠斯登电桥电路与第二刻蚀腔体内的第二量程敏感膜片通过金属引线对应连接；最外侧的一组惠斯登电桥电路与第三刻蚀腔体内的第三量程敏感膜片通过金属引线对应连接；所述第一刻蚀腔体、第二刻蚀腔体和第三刻蚀腔体以硅器件层的中心点为轴心对称分布。
6.为了更好地实现本发明，进一步地，在所述硅衬底层下还设置有玻璃基底。
7.为了更好地实现本发明，进一步地，在三组惠斯登电桥电路之间，设置有pn二极管，通过pn二极管将压敏电阻条隔断开。
8.为了更好地实现本发明，进一步地，设置多个电压源，并在三组惠斯登电桥电路的连接端设置8个金属pad，通过金属pad分别与对应的电压源进行连接和关闭。
9.为了更好地实现本发明，进一步地，一组惠斯登电桥电路中的四个所述压敏电阻条呈四个方向在硅器件层上均匀分布。
10.为了更好地实现本发明，进一步地，所述第三刻蚀腔体为开口朝下的梯形腔体结构，所述第三量程敏感膜片设置在第三刻蚀腔体的上顶面，且最外侧的惠斯登电桥电路的四个压敏电阻条设置在硅器件层上与第三量程敏感膜片的边缘对应的位置处。
11.为了更好地实现本发明，进一步地，所述第二刻蚀腔体为开口朝上的梯形腔体结构，所述第二量程敏感膜片设置在第二刻蚀腔体的下底面，且位于中侧的惠斯登电桥电路的四个压敏电阻条设置在硅器件层上与第二量程敏感膜片的边缘对应的位置处。
12.为了更好地实现本发明，进一步地，所述第一刻蚀腔体为开口朝下的梯形腔体结构，所述第一量程敏感膜片设置在第一刻蚀腔体的上顶面，且最内侧的惠斯登电桥电路的四个压敏电阻条设置在硅器件层上与第一量程敏感膜片的边缘对应的位置处。
13.本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：本发明通过采用复合膜片结构，能同时进行三个或以上的压力范围测量，极大地减小了芯片尺寸面积，提高了传感器的集成度，同时满足了低压测量时的灵敏度与量程，其工艺流程与传统mems工艺相通，同时与集成电路工艺兼容，易集成化。
附图说明
14.图1为本发明剖面结构示意图；图2为本发明俯视结构示意图；图3为本发明全部压敏电阻条连通进行使用的电路原理图；图4为本发明较小压力作用下八个压敏电阻条连通进行使用的电路原理图；图5为本发明中等压力作用下六个压敏电阻条连通进行使用的电路原理图；图6为本发明较大压力作用下四个压敏电阻条连通进行使用的电路原理图；图7为施加较小压力进行测量的示意图；
图8为施加中等压力进行测量的示意图；图9为施加较大压力进行测量的示意图。
15.其中：1、玻璃基底，2、硅衬底层，3、硅器件层，4、压敏电阻条，5、金属引线，6、金属pad，7、pn结二极管，8、第一量程敏感膜片，9、第一刻蚀腔体，10、第二量程敏感膜片，11、第二刻蚀腔体，12、第三量程敏感膜片，13、第三刻蚀腔体。
具体实施方式
16.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
18.实施例1：本实施例提出了一种多量程集成的复合膜片式mems压力传感器，包括硅衬底层2，在所述硅衬底层2的下端刻蚀有第三刻蚀腔体13，在硅衬底层2的上端刻蚀有第二刻蚀腔体11；所述第二刻蚀腔体11小于第三刻蚀腔体13；在所述硅衬底层2上还设置有硅器件层3，所述硅器件层3的底部位于第二刻蚀腔体11内的位置刻蚀有第一刻蚀腔体9；所述第一刻蚀腔体9小于第二刻蚀腔体11；在所述第一刻蚀腔体9、第二刻蚀腔体11和第三刻蚀腔体13上分别对应设置有第一量程敏感膜片8、第二量程敏感膜片10和第三量程敏感膜片12；在所述硅器件层3的上层设置有十二组的压敏电阻条4，从内到外构成三组惠斯登电桥电路，每组惠斯登电桥电路中包括四个压敏电阻条4；最内侧的一组惠斯登电桥电路与第一刻蚀腔体9内的第一量程敏感膜片8通过金属引线5对应连接；居中的一组惠斯登电桥电路与第二刻蚀腔体11内的第二量程敏感膜片10通过金属引线5对应连接；最外侧的一组惠斯登电桥电路与第三刻蚀腔体13内的第三量程敏感膜片12通过金属引线5对应连接；所述第一刻蚀腔体9、第二刻蚀腔体11和第三刻蚀腔体13以硅器件层3的中心点为轴心对称分布。
19.进一步地，在所述硅衬底层2下还设置有玻璃基底1。
20.进一步地，一组惠斯登电桥电路中的四个所述压敏电阻条4呈四个方向在硅器件层3上均匀分布。
21.工作原理：如图1和图2所示，其特征在于：以玻璃基座1为芯片基底结构，在玻璃基
座1上设置硅衬底层2，在硅衬底层2上刻蚀出不同大小的腔体，分别称为第二刻蚀腔体11和第三刻蚀腔体13，由此分别形成第二量程敏感膜片10和第三量程敏感膜片12，在硅衬底层2上则设置硅器件层3，在硅器件层3底部刻蚀出小型刻蚀腔9，形成第一量程敏感膜片8，硅器件层3上的十二个压敏电阻条4分别对应小、中、大三量程压力传感器的惠斯通电桥电路，三个惠斯通电桥电路具有不同的电压源，根据不同的测量范围接通各自的电压源，不同量程范围进行测量时，只有对应的惠斯通电桥电路有相应的电压输出。
22.实施例2：本实施例在上述实施例1的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，如图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，在三组惠斯登电桥电路之间，设置有pn二极管7，通过pn二极管7将压敏电阻条4隔断开。
23.为了更好地实现本发明，进一步地，设置多个电压源，并在三组惠斯登电桥电路的连接端设置8个金属pad6，通过金属pad6分别与对应的电压源进行连接和关闭。
24.工作原理：硅器件层3上的十二个压敏电阻条4形成了小、中、大三量程压力传感器的惠斯通电桥电路，不同量程的惠斯通电桥电路对应不同的电压源，根据不同的测量范围接通各自的电压源，由十二个压敏电阻条形成的惠斯通电桥电路分别通过二极管隔离开来，由此，不同量程范围进行测量时，只有对应的惠斯通电桥电路有相应的电压输出。整体电路原理图如图3所示。图4为小量程的八个压敏电阻形成的惠斯通电桥电路示意图，图5为中量程的六个压敏电阻形成的惠斯通电桥电路示意图，图6为大量程的四个压敏电阻形成的惠斯通电桥电路示意图。
25.图7为压力传感器在小压力作用下的受力示意图，整体结构只有小量程膜片受到了挠曲变形，对应的惠斯通电桥如图4所示，图8为压力传感器在中等压力作用下的受力示意图，整体结构中型膜片和小型膜片都受到了挠曲变形，由于二极管的单端导通效果，其对应的惠斯通电桥如图5所示，图9为压力传感器在大压力作用下的受力示意图，整体结构三个膜片都受到了挠曲变形，其对应的惠斯通电桥如图6所示。
26.本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
27.实施例3：本实施例在上述实施例1
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2任一项的基础上，为了更好地实现本发明，如图1所示，进一步地，所述第三刻蚀腔体13为开口朝下的梯形腔体结构，所述第三量程敏感膜片12设置在第三刻蚀腔体13的上顶面，且最外侧的惠斯登电桥电路的四个压敏电阻条4设置在硅器件层3上与第三量程敏感膜片12的边缘对应的位置处。
28.所述第二刻蚀腔体11为开口朝上的梯形腔体结构，所述第二量程敏感膜片10设置在第二刻蚀腔体11的下底面，且位于中侧的惠斯登电桥电路的四个压敏电阻条4设置在硅器件层3上与第二量程敏感膜片10的边缘对应的位置处。
29.所述第一刻蚀腔体9为开口朝下的梯形腔体结构，所述第一量程敏感膜片8设置在第一刻蚀腔体9的上顶面，且最内侧的惠斯登电桥电路的四个压敏电阻条4设置在硅器件层3上与第一量程敏感膜片8的边缘对应的位置处。
30.工作原理：对应均匀设置可以使得受力更加均匀，进而使得测量结果更加精准。
31.本实施例的其他部分与上述实施例1
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2任一项相同，故不再赘述。
32.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依
据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。