双量程硅压阻式压力敏感元件的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种双量程硅压阻式压力敏感元件。该双量程硅压阻式压力敏感元件包括：底板，在其中部形成通孔；硅基衬底，其下方中部挖空，在其顶部形成硅膜，硅膜中部的下方形成中空支撑物，该中空支撑物将硅膜分为两部分：内侧区域和外侧区域，该中空支撑物底部的横向尺寸大于所述底板中部通孔的横向尺寸，该硅基衬底的外围固定在所述底板上；以及至少两应变检测电阻，形成于所述硅基衬底的上表面，至少其中之一形成于所述硅膜的外侧边缘，至少其中之一形成于所述中空支撑物的内侧边缘，该至少两应变检测电阻电性连接至外围测量电路。本发明双量程硅压阻式压力敏感元件能够适用大压力测量或小压力测量，适用范围较广。
【专利说明】双量程硅压阻式压力敏感元件
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子行业压力传感器【技术领域】，尤其涉及一种双量程硅压阻式压力敏 感元件。
【背景技术】
[0002] 压力测量是很多商业和工业系统的关键部分，压力传感器在诸多场合得到了广泛 应用。直接用应变检测电阻材料将压力转换为电压是一种感测压力的方法；另一种更常用 的间接方法则是将压力施加到膜片上，通过膜片的形变来测量压力大小。感知膜片形变的 可以通过测量膜片的位移、弯曲应变和谐振频率来实现，这三种方法分别对应着电容式、应 变检测电阻式和谐振式压力传感器的敏感元件。
[0003] 应变检测电阻式压力传感器的敏感元件利用了应变检测电阻效应，即固体受到作 用力后电导率会发生变化，而半导体材料的电导率变化远大于金属材料的电导率变化。在 MEMS器件中一般使用硅作为半导体材料，通过在硅膜片边缘制作硅应变检测电阻条并连接 成惠斯通电桥，将压力的变化转换为电压的变化。
[0004] 为了使得敏感元件的信号转换灵敏度达到较为理想的值，同时保证器件的稳定性 和线性度，一般经验认为在测量范围内，允许的硅膜片边缘最大应变应在5X 10'根据膜 片的弹性力学特性，为了测量小压力，需要使得硅膜片面积大或厚度小，此时在大压力条件 下硅膜片边缘应变过大而导致非线性，并且膜片可能出现机械破损，使得传感器无法测量 大压力；为了测量大压力，需要使得硅膜片面积小或厚度大，此时若测量小压力，敏感元件 信号转换的灵敏度不足，使得传感器测量小压力时精度不高。
【发明内容】
[0005] (一）要解决的技术问题
[0006] 鉴于上述技术问题，本发明提供了一种能够同时测量大压力和小压力的双量程硅 压阻式压力敏感元件。
[0007] (二）技术方案
[0008] 本发明双量程硅压阻式压力敏感元件包括：底板8,在其中部形成通孔；硅基衬底 7,其下方中部挖空，在其顶部形成硅膜1，硅膜1中部的下方形成中空支撑物2,该中空支撑 物2将硅膜分为两部分：内侧区域和外侧区域，该中空支撑物2底部的横向尺寸大于所述底 板8中部通孔的横向尺寸，该硅基衬底7的外围固定在所述底板8上；以及至少两应变检测 电阻5,形成于所述硅基衬底7的上表面，至少其中之一形成于所述硅膜1的外侧边缘，至少 其中之一形成于所述中空支撑物2的内侧边缘，该至少两应变检测电阻电性连接至外围测 量电路；其中，在小压力条件下，所述中空支撑物2悬空，由硅膜1外侧边缘的应变检测电阻 检测压力；在大压力条件下，所述中空支撑物2压在底板8上，由底板8支撑，由中空支撑物 内侧边缘的应变检测电阻检测压力。
[0009] (三）有益效果
[0010] 从上述技术方案可以看出，本发明双量程硅压阻式压力敏感元件具有以下有益效 果：
[0011] (1)本发明中，测量小压力时，支撑物未接触底板，对硅膜的受压形变影响很小，硅 膜和支撑物整体在压力作用下的弹性力学特性近似于完整的大面积膜片，使得压力敏感元 件可以感知小压力并具有较高的信号转换灵敏度；
[0012] (2)本发明中，测量大压力时，支撑物被底板挡住，硅膜内部区域等效为一个小面 积膜片，使得该压力敏感元件适用于大压力测量；
[0013] (3)本发明中，大压力条件使得支撑物接触底板时，支撑物提供了对硅膜的额外支 撑，减小了膜片边缘固定支撑处的应力，膜片不易出现机械破损。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1为根据本发明第一实施例双量程硅压阻式压力敏感元件的纵向剖视图；
[0015] 图2为图1所示双量程娃压阻式压力敏感元件的俯视图；
[0016] 图3为根据本发明第二实施例双量程硅压阻式压力敏感元件的纵向剖视图；
[0017] 图4为图3所示双量程硅压阻式压力敏感元件的顶视图；
[0018] 图5为本发明的弹性力学原理仿真结果示意图。
[0019] 【主要元件】
[0020] 1-硅膜； 2-支撑物；
[0021] 3-轻掺杂高阻区域；4-重掺杂低阻区域；
[0022] 5-应变检测电阻；6-金属层；
[0023] 7_衬底； 8_底板；
[0024] 9-底板通孔； 10-引出电极；
[0025] 11-导线； 12-氧化层。
【具体实施方式】
[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部 分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属【技术领域】中普通技术人员 所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等 于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的 方向用语，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，仅是参考附图的方向。因此，使用的 方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
[0027] 本发明双量程硅压阻式压力敏感元件基于微电子机械系统（MEMS)制作：在小压 力条件下，所述支撑物未接触所述底板，所述硅膜整体视为大面积膜片，适于测量小压力； 在大压力条件下，支撑物接触所述底板，为硅膜提供额外支撑提高机械可靠性，同时所述硅 膜内部区域视为小面积膜片，适于测量大压力。
[0028] -、第一实施例
[0029] 在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种双量程硅压阻式压力敏感元件。图1 为根据本发明第一实施例双量程硅压阻式压力敏感元件的纵向剖视图。如图1所示，本实 施例双量程硅压阻式压力敏感元件包括：
[0030] 底板8,在其中部形成方形通孔9 ;
[0031] 硅衬底7,其下方中部挖空，在其顶部形成硅膜1，并在硅膜中部的下方形成圆筒 形的支撑物2,所述支撑物的基部将硅膜分为内侧区域和外侧区域，该支撑物2的底部的直 径大于所述底板8上方形通孔上表面的直径，其纵轴垂直于娃膜1表面，该娃衬底7外围底 部固定于底板8上，硅膜1下方的空腔通过底板8中部的方形通孔与外界连通；
[0032] 至少两应变检测电阻5,形成于硅衬底的上表面，其中之一形成于硅膜1的外侧边 缘，其中另一形成于支撑物2的内侧边缘，该至少两应变检测电阻通过导线11连接至外围 测量电路；
[0033] 其中，在硅膜1上方压力小于预设压力时，支撑物2悬空，由硅膜1外侧边缘的应 变检测电阻检测压力；当硅膜1上方的压力大于预设压力时，支撑物2压于底板8上，由底 板8支撑，由支撑物2内侧边缘的应变检测电阻检测压力。
[0034] 以下对本实施例双量程硅压阻式压力敏感元件的各个组成部分进行详细说明。
[0035] 本实施例中，底板8是300 μ m厚的单晶硅基板，其中间刻蚀出方形通孔9,方形通 孔9在底板正面的边长0.5mm。需要说明的是，该方向通孔8的横截面为正方形，但是其整 体形状可以看作是横截面是正方形的棱台形状。
[0036] 衬底7为具有η型上表面区域的硅基板，厚度300 μ m;其固定在底板8上。该硅 基板7经由MEMS工艺挖空，形成硅膜1和支撑物2。硅膜1呈圆形，其直径为1. 5mm，厚度 为 5 μ m。
[0037] 支撑物2呈圆筒形，该圆筒形的纵轴垂直于硅膜表面。支撑物2与硅膜1的连接 处将硅膜1划分成内侧和外侧区域。该圆筒形支撑物2的内径0.5mm，壁厚50 μ m，高度 265 μ m，无压力作用时距离底板30 μ m。
[0038] 硅膜1和支撑物2的外形均采用圆形，因为这样可以保证切向应力均勻，不会因为 所述支撑物2的存在而使得应力集中。
[0039] 底板通孔9正面开口小于所述支撑物2背面开口，以确保在大压力条件下所述支 撑物2能够被所述底板8阻挡；同时，底板通孔9的位置处在底板8的中心位置，以确保大 压力条件下所述支撑物2接触底板8后，压力能够不受阻碍地传递到硅膜1的内部区域。
[0040] 图2为图1所示双量程娃压阻式压力敏感元件的俯视图。如图2所示，在娃膜1 的外侧边缘均匀设置四个外部应变检测电阻。在支撑物2的内侧，上述四个外部应变检测 电阻的内侧，同样均匀设置四个内部应变检测电阻。
[0041] 四个外部应变检测电阻N和E -组、W和S -组的方式连接成惠斯通电桥的两臂， 可以使得电桥的输出最大化。四个内部应变检测电阻N和E -组、W和S -组的方式连接 成惠斯通电桥的两臂，可以使得电桥的输出最大化。
[0042] 应变检测电阻5为在硅膜1上通过离子注入形成的p型轻掺杂高阻区域3。导线 11是通过离子注入形成的P型重掺杂低阻区域4,连接应变检测电阻5形成惠斯通电桥并 连接到所述引出电极10 ;所述引出电极10是覆在衬底7正面上的金属层6,淀积在重掺杂 低阻区域4上；
[0043] 导线11是由重掺杂低阻区域4构成，形变时也有应变检测电阻效应。为了尽量减 小所述硅膜1在形变时对导线11的电阻的影响，导线11位于所述硅膜1内的部分尽量沿 着娃晶娃晶< 100 >方向族走线。
[0044] 应变检测电阻5全部沿硅晶[110]方向形成。按照图2和图4所示，处于E和W 方位的所述应变检测电阻5感知径向应变，处于N和S方位的所述应变检测电阻5感知切 向应变，而径向电阻条和切向电阻条的阻值变化是相反的。于是将所述硅膜1的内部和外 部区域的所述压阻5分别按照N和E -组、W和S -组的方式连接成惠斯通电桥的两臂，可 以使得电桥的输出最大化。
[0045] 需要说明的是，上述应变检测电阻5中p型轻掺杂高阻区中的"轻掺杂"和导线11 中的重掺杂低阻区中的"重掺杂"在本领域内均未特定的掺杂范围，本领域技术人员应当很 清楚其具体取值，此处不再详细描述。
[0046] 至此，本实施例双量程硅压阻式压力敏感元件介绍完毕。
[0047] 二、第二实施例
[0048] 在本发明的另一个示例性实施例中，还提供了一种双量程硅压阻式压力敏感元 件。图3为根据本发明第二实施例双量程硅压阻式压力敏感元件的纵向剖视图。
[0049] 以下仅针对本实施例与第一实施例的区别部分进行详细说明。
[0050] 所述底板8是500 μ m厚的二氧化娃基板，固定在所述衬底7的背面，中间开有圆 形通孔9,半径0. 5_。同样，该圆形通孔的横截面是圆形，但是其整体形状可以看做是横截 面为圆形的圆柱形状。
[0051] 衬底7为SOI硅片，其单晶硅部分厚度300 μ m，氧化层12厚度2 μ m，正面有厚度 为5 μ m的p型轻掺杂高阻区域3。该SOI硅片的中部下方经由MEMS工艺挖空，形成硅膜和 支撑物。娃膜1同样呈圆形，其直径为1. 6mm，厚度为8 μ m。
[0052] 支撑物2呈环形火山口形状，该支撑物的纵轴同样垂直于硅膜表面。支撑物2与 硅膜1的连接处将硅膜1划分成内侧和外侧区域。该形火山口形状支撑物2的内径0. 6mm， 壁厚80 μ m，高度270 μ m，无压力作用时距离底板20 μ m。
[0053] 同样，硅膜1和支撑物2的外形均采用圆形，因为这样可以保证切向应力均匀，不 会因为支撑物2的存在而使得应力集中。
[0054] 底板通孔9半径小于支撑物2背面开口半径，以确保在大压力条件下支撑物2能 够被底板8阻挡；同时，其位置处在底板8的中心位置，以确保大压力条件下支撑物2接触 底板8后，压力能够不受阻碍地传递到硅膜1的内部区域。
[0055] 图4为图3所示双量程硅压阻式压力敏感元件的顶视图。如图4所示，在硅膜1 的外侧边缘均匀设置四个外部应变检测电阻。在支撑物2的内侧，上述四个外部应变检测 电阻的内侧，同样均匀设置四个内部应变检测电阻。
[0056] 应变检测电阻5为在所述硅膜1上通过光刻形成的硅应变检测电阻条；导线11 一 部分是金属丝，另一部分是淀积在所述衬底7正面的金属层6,分别连接分布在硅膜1内部 区域边缘和外部区域边缘的应变检测电阻5形成惠斯通电桥并连接到所述引出电极10。引 出电极10是覆在所述衬底7正面上的金属层6。
[0057] 导线11是由金属丝和金属层6构成。在衬底7上使用金属层6连接硅膜1外部 区域边缘的应变检测电阻5形成惠斯通电桥并连接到引出电极10。在支撑物2与硅膜1连 接的部位，受压时应变很小，在其正面淀积金属层6连接硅膜1内部区域边缘的应变检测电 阻5形成惠斯通电桥。金属层6如果淀积在硅膜1的受压形变部位上会影响应力分布，故 使用金属丝将硅膜1内部区域边缘的应变检测电阻5构成的惠斯通电桥电气连接至引出电 极10。
[0058] 应变检测电阻5全部沿硅晶[110]方向形成。按照图2和图4所示，处于E和W 方位的所述应变检测电阻5感知径向应变，处于N和S方位的所述应变检测电阻5感知切 向应变，而径向电阻条和切向电阻条的阻值变化是相反的。于是将所述硅膜1的内部和外 部区域的所述应变检测电阻5分别按照N和E -组、W和S -组的方式连接成惠斯通电桥 的两臂，可以使得电桥的输出最大化。
[0059] 至此，本实施例双量程硅压阻式压力敏感元件介绍完毕。
[0060] 为了验证本发明提供的技术方案的可行性，在ANSYS中进行仿真。仿真模型为周 边固支的直径1. 5_、厚度5 μ m的娃膜，支撑物半径0. 5_，无压力时支撑物背面距离底板 45μηι。对照模型为周边固支的直径1. 5mm、厚度5μηι的娃膜，没有支撑物。施加不同的压 力载荷，得到的结果如图5所示。当压力p = 1. 2kPa时，支撑物2即将接触到所述底板8， 硅膜1边缘应变接近5Χ10Λ硅膜1外部边缘区域的应变分布与对照模型近似，说明模型 可实现1. 2kPa量程的高精度测量；当压力p = 10kPa时，支撑物接触到底板8,硅膜1内部 区域边缘应变接近5 X 10Λ硅膜1外部区域边缘应变则明显小于对照模型的边缘应变，说 明模型可实现10kPa量程的压力测量，并且机械可靠性更高。
[0061] 至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员 应当对本发明双量程硅压阻式压力敏感元件有了清楚的认识。
[0062] 此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形 状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
[0063] (1)硅膜的厚度小于300 μ m ;支撑物与底板之间的距离和硅膜的厚度之和小于硅 基衬底7的厚度，中空支撑物（2)的壁厚介于20 μ m?200 μ m之间；
[0064] (2)底板上的通孔，除了方形通孔和圆形通孔之外，还可以是其他形状的通孔，只 要将娃膜下方的空腔与外界连通，并且，其横向尺寸小于娃膜下方支撑物的横向尺寸接口， 本发明不对通孔的形状进行限定；
[0065] (3)硅膜下方的支撑物，除了圆筒形和环形火山口形状外，还可以是其他形式的中 空接口，例如：方筒形等，只要满足其中空部的横向尺寸大于底板上通孔的横向尺寸，在受 到大压力是，支撑物能够支撑在底板上即可，本发明不对支撑物的形状进行具体限定； [0066] (4)除了单晶硅基板或二氧化硅基板，底板还可以选择其他晶体材质基板。
[0067] 需要说明的，关于硅膜的厚度，在本发明中并没有具体限定，因为其与设定承受的 压力以及硅膜的面积、所采用硅基衬底的杨氏模量等因素有关，本领域技术人员可以根据 具体场景进行合理选择。此外，中空支撑物距离底板的尺寸同样与上述各因此有关，此处也 不再进行详细说明。
[0068] 综上所述，本发明量程硅应变检测电阻式压力敏感元件中，在硅膜的下方设置支 撑物，相比常用的硅应变检测电阻式压力敏感元件，具有能同时测量大压力和高精度测量 小压力的优点。
[〇〇69] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
【权利要求】
1. 一种双量程硅压阻式压力敏感元件，其特征在于，包括： 底板（8)，在其中部形成通孔； 硅基衬底（7)，其下方中部挖空，在其顶部形成硅膜（1)，硅膜（1)中部的下方形成中空 支撑物（2)，该中空支撑物（2)将硅膜分为两部分：内侧区域和外侧区域，该中空支撑物（2) 底部的横向尺寸大于所述底板（8)中部通孔的横向尺寸，该硅基衬底（7)的外围固定在所 述底板⑶上；以及 至少两应变检测电阻（5)，形成于所述硅基衬底（7)的上表面，至少其中之一形成于所 述硅膜（1)的外侧边缘，至少其中之一形成于所述中空支撑物（2)的内侧边缘，该至少两应 变检测电阻电性连接至外围测量电路； 其中，在小压力条件下，所述中空支撑物（2)悬空，由硅膜（1)外侧边缘的应变检测电 阻检测压力；在大压力条件下，所述中空支撑物（2)压在底板（8)上，由底板（8)支撑，由中 空支撑物内侧边缘的应变检测电阻检测压力。
2. 根据权利要求1所述的双量程硅压阻式压力敏感元件，其特征在于，所述中空支撑 物（2)的横截面为圆环形。
3. 根据权利要求2所述的双量程硅压阻式压力敏感元件，其特征在于，所述中空支撑 物（2)的形状为圆筒形或环形火山口形状。
4. 根据权利要求1所述的双量程硅压阻式压力敏感元件，其特征在于，所述中空支撑 物⑵的壁厚介于20μπι?200μπι之间。
5. 根据权利要求1所述的双量程硅压阻式压力敏感元件，其特征在于，所述硅基衬底 (7)为具有η型上表面区域的硅基板或SOI基板。
6. 根据权利要求5所述的双量程硅压阻式压力敏感元件，其特征在于，所述硅基衬底 (7)为具有η型上表面区域的硅基板； 所述应变检测电阻（5)为在所述硅膜（1)上通过离子注入形成的ρ型轻掺杂高阻区域 (3)，位于硅膜（1)范围内的连接该应变检测电阻（5)的导线为通过离子注入形成的ρ型重 掺杂低阻区域。
7. 根据权利要求6所述的双量程硅压阻式压力敏感元件，其特征在于，所述应变检测 电阻沿硅晶[110]方向形成，位于硅膜（1)范围内的连接该应变检测电阻（5)的导线沿着 硅晶< 100 >方向族走线。
8. 根据权利要求5所述的双量程硅压阻式压力敏感元件，其特征在于，所述硅基衬底 (7)为SOI基板； 所述应变检测电阻（5)为在所述硅膜（1)上通过光刻形成的硅应变检测电阻条；连接 该应变检测电阻（5)的导线的一部分是金属丝，另一部分是淀积在所述SOI基板正面的金 属层。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的双量程硅压阻式压力敏感元件，其特征在于，所 述硅膜（1)的外侧边缘均匀分布四个应变检测电阻，该四个应变检测电阻作为惠斯通电桥 的四个电阻，由其应变信号得到硅膜承载的压力值； 所述中空支撑物（2)的内侧边缘均匀分布四个应变检测电阻，该四个应变检测电阻作 为惠斯通电桥的四个电阻，由其应变信号得到硅膜承载的压力值。
10. 根据权利要求1至8中任一项所述的双量程硅压阻式压力敏感元件，其特征在于， 所述底板（8)为单晶硅基板或二氧化硅基板，所述底板（8)中部通孔的形状为柱形或台形。
【文档编号】G01L1/18GK104062060SQ201410330774
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】赵湛, 刘成, 杜利东, 方震, 李亮, 吴少华, 张萌颖 申请人:中国科学院电子学研究所