申请/专利权人：西安交通大学

申请日：2018-11-07

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN109231157B

主分类号：B81B7/02

分类号：B81B7/02;B81C1/00;G01D21/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2019.02.19#实质审查的生效;2019.01.18#公开

摘要：一种四梁圆膜与同轴圆柱结合的压力和位移集成式MEMS传感器，包括上部衬底和与之配合连接的下部衬底；下部衬底包括下部衬底基底层，下部衬底基底层上面设有下部衬底金属欧姆电路层，下部衬底基底层的中部设有下部实心圆柱，下部衬底基底层上方的四周边缘设有四周支承结构；上部衬底包括上部衬底基底层，上部衬底基底层上面设有上部衬底绝缘层，上部衬底绝缘层上设有上部衬底金属欧姆接触电路以及由四根梁和上部中心圆膜构成的上部四梁圆膜结构，梁上设有压阻条；上部中心圆膜下方连接有薄壁圆筒，薄壁圆筒套在下部实心圆柱外，四周支承结构和上部衬底基底层下方连接；本发明实现了压力和位移的集成测量，具有集成度好，测量灵敏度高等优点。

主权项：1.一种四梁圆膜与同轴圆柱结合的压力和位移集成式MEMS传感器，包括上部衬底和与之配合连接的下部衬底，其特征在于：所述的下部衬底包括下部衬底基底层100，下部衬底基底层100上面设有下部衬底金属欧姆电路层101，下部衬底基底层100的中部设有下部实心圆柱102，下部衬底基底层100上方的四周边缘还设有四周支承结构103；所述的上部衬底包括上部衬底基底层300，上部衬底基底层300上面设有上部衬底绝缘层301，上部衬底绝缘层301上设有上部衬底金属欧姆接触电路303以及由四根梁400和上部中心圆膜401构成的上部四梁圆膜结构，四根梁400上设有压阻条302，压阻条302、上部衬底金属欧姆接触电路303及上部四梁圆膜结构构成了压阻式压力传感器；上部中心圆膜401的中部下方连接有薄壁圆筒304，薄壁圆筒304套在下部实心圆柱102外，四周支承结构103和上部衬底基底层300下方连接，通过薄壁圆筒304和下部实心圆柱102轴向相对运动构成变面积型同轴圆柱电容式位移传感器；所述的四周支承结构103和上部衬底基底层300下方键合形成上下衬底连接层200；在所述的上部衬底绝缘层301上，通过掺杂和刻蚀工艺，在四根梁400根部形成对称分布的压阻条302，并通过电子束蒸发或溅射金属薄膜工艺，在上部衬底绝缘层301上表面形成上部衬底金属欧姆接触电路303的惠斯通电桥，将各压阻条302相互连接构成完整信号输出电路。

全文数据：四梁圆膜与同轴圆柱结合的压力和位移集成式MEMS传感器技术领域本发明属于MEMS传感器技术领域，具体涉及一种四梁圆膜与同轴圆柱结合的压力和位移集成式MEMS传感器。背景技术在航空航天、军事、汽车等工业和军事领域中，经常需要同时测量结构所受压力及由于受压而产生的位移等参数。而在这些应用中，除了能准确实时测量出这些参数之外，对传感器的微型化、集成化、多功能化要求也越来越迫切。在现有工艺结构中，由于检测原理的不同，MEMS压力传感器和位移传感器一般是分立的，从而增加了芯片的制作成本和空间尺寸。基于MEMS技术的集成传感器能够在有限的空间内实现诸如压力、位移、温度、加速度等多参数的集成测量，目前所报道的MEMS集成传感器种类较少，且大多数属于简单地集成，即将各待测物理量根据对应的测量原理独立设计结构，然后将这些独立的功能单元加工在同一基底上的不同位置。比如将同一个传感器基底的左半边做成压力检测单元，右半边做成加速度检测单元，这样的简单集成虽然能在一定程度上减小传感器的尺寸和制作成本，但是没有充分利用各个物理量测量原理所对应的结构之间的交叉关系，即未将各个检测原理对应的结构关系利用上，因而属于简单的片内集成,MEMS传感器的集成度有待进一步提高。发明内容为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种四梁圆膜与同轴圆柱结合的压力和位移集成式MEMS传感器，实现了压力和位移的集成检测，具有体积小，成本低，集成度好，测量灵敏度高等优点。为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：一种四梁圆膜与同轴圆柱结合的压力和位移集成式MEMS传感器，包括上部衬底和与之配合连接的下部衬底；所述的下部衬底包括下部衬底基底层100，下部衬底基底层100上面设有下部衬底金属欧姆电路层101，下部衬底基底层100的中部设有下部实心圆柱102，下部衬底基底层100上方的四周边缘还设有四周支承结构103；所述的上部衬底包括上部衬底基底层300，上部衬底基底层300上面设有上部衬底绝缘层301，上部衬底绝缘层301上设有上部衬底金属欧姆接触电路303以及由四根梁400和上部中心圆膜401构成的上部四梁圆膜结构，四根梁400上设有压阻条302，压阻条302、上部衬底金属欧姆接触电路303及上部四梁圆膜结构构成了压阻式压力传感器；上部中心圆膜401的中部下方连接有薄壁圆筒304，薄壁圆筒304套在下部实心圆柱102外，四周支承结构103和上部衬底基底层300下方连接，通过薄壁圆筒304和下部实心圆柱102轴向相对运动构成变面积型同轴圆柱电容式位移传感器。所述的四根压阻条302设计在四根梁400根部，以得到最大的压力检测灵敏度。所述的四周支承结构103和上部衬底基底层300下方键合形成上下衬底连接层200。在所述的上部衬底绝缘层301上，通过掺杂和刻蚀工艺，在四根梁400根部形成对称分布的压阻条302，并通过电子束蒸发或溅射金属薄膜工艺，在上部衬底绝缘层301上表面形成上部衬底金属欧姆接触电路303的惠斯通电桥，将各压阻条302相互连接构成完整信号输出电路。所述的薄壁圆筒304的圆心和上部中心圆膜401的中心需保证对中重合。所述的薄壁圆筒304采用激光打孔的高精度加工工艺，保证薄壁圆筒304尽可能地规则。所述的薄壁圆筒304的轴向高度H1应略小于下部实心圆柱102的轴向高度H2，并满足两者的高度差Dh＝H2-H1，Dh的大小根据所设计传感器的位移和压力测量量程和结构应力极限分析综合确定。本发明的有益效果是：将MEMS压力传感器和MEMS位移传感器从结构上进行了集成，可最大程度地减小芯片面积，从而降低了芯片的制作成本；可一次性完成整个芯片的封装，显著降低芯片加工的成本。本发明中的上部四梁圆膜结构与圆柱电容的薄壁圆筒是一体同心的，因此，上部的四梁圆膜结构的对称稳定性保证了薄壁圆筒在检测位移过程中，径向位移最小甚至消除，从而在实现两种物理量测量的同时保证了位移传感器线性度和灵敏度，且上部的压阻式压力测量结构具有平面应力集中效应，与一般的结构相比，这种膜片在受到微压时即可产生较大的应力集中，使得传感器在测量微压时具有较高的灵敏度，且能解决一般结构膜片在很薄时由于膜应力和弯曲应力产生的测量非线性。且传感器上部薄壁圆筒和下部圆柱之间的轴向高度差Dh起到自然限位作用，具有3倍以上的抗过载能力，避免由于超量程工作导致传感器失效。附图说明图1为本发明实施例整体结构示意图。图2为本发明实施例下部衬底的结构示意图。图3为本发明实施例上部衬底的结构示意图。具体实施方式以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。参照图1、图2和图3，一种四梁圆膜与同轴圆柱结合的压力和位移集成式MEMS传感器，其整体结构呈立方体形状,包括上部衬底和与之配合连接的下部衬底；所述的下部衬底包括下部衬底基底层100，下部衬底基底层100上面设有下部衬底金属欧姆电路层101，下部衬底基底层100的中部设有下部实心圆柱102，下部衬底基底层100上方的四周边缘还设有四周支承结构103；所述的上部衬底包括上部衬底基底层300，上部衬底基底层300上面设有上部衬底绝缘层301，上部衬底绝缘层301上设有上部衬底金属欧姆接触电路303以及由四根梁400和上部中心圆膜401构成的上部四梁圆膜结构，四根梁400上设有压阻条302，压阻条302、上部衬底金属欧姆接触电路303及上部四梁圆膜结构构成了压阻式压力传感器；上部中心圆膜401的中部下方连接有薄壁圆筒304，薄壁圆筒304套在下部实心圆柱102外，四周支承结构103和上部衬底基底层300下方键合形成上下衬底连接层200，通过薄壁圆筒304和下部实心圆柱102轴向相对运动构成变面积型同轴圆柱电容式位移传感器。针对本实施例，通过有限元建模分析知，当外界压力作用在上部中心圆膜401上时，四根梁400会产生挠度，且仿真结果表明四根梁400的根部应力达到最大。因此，本实施例根据受压时四根梁400的应力应变方向，结合上部四个压阻条302横向和纵向压阻效应的变化原则，将上部四个压阻条302对称设计在四根梁400根部，以得到最大的压力检测灵敏度。当四根梁400在受到压力作用产生挠度时，位于其上的四个压阻条302由于压阻效应的影响，其电阻值会发生变化，由此打破上部衬底金属欧姆接触电路303惠斯通电桥的平衡，输出电压完成压力的测量。通过有限元建模分析知，当外界压力作用在上部中心圆膜401上时，四根梁400会产生挠度，且上部中心圆膜401平稳均匀地产生沿着压力方向的位移，即上部中心圆膜401未产生明显偏斜。基于此，与上部中心圆膜401连接的薄壁圆筒304会产生轴向位移，与下部实心圆柱102形成轴向相对运动，产生圆柱形电容器输出电容变化，以此反映传感器检测到的位移。在所述的上部衬底绝缘层301上，通过掺杂和刻蚀工艺，在四根梁400根部形成对称分布的压阻条302，并通过电子束蒸发或溅射金属薄膜工艺，在上部衬底绝缘层301上表面形成上部衬底金属欧姆接触电路303的惠斯通电桥，将各压阻条相互连接构成完整信号输出电路。所述的薄壁圆筒304的圆心和上部中心圆膜401的中心需保证对中重合，因此对光刻制版和刻蚀工艺的要求较高。这样设计的目的是保证上部中心圆膜401受压时，四根梁400产生的挠度均匀且相等，即上部中心圆膜401保持在水平XY平面内不发生偏斜，只产生轴向位移，以此来保证薄壁圆筒304的存在对梁膜压阻结构没有影响或影响很小可以忽略。所述的薄壁圆筒304采用激光打孔高精度加工工艺，保证薄壁圆筒304尽可能地规则。所述的薄壁圆筒304的轴向高度H1应略小于下部实心圆柱102的轴向高度H2，在未受到压力和位移作用时，薄壁圆筒304和下部实心圆柱102结构不发生相对运动，一旦有位移作用时，薄壁圆筒304会轴向下移，下部实心圆柱102结构静止不动，因此在初始时，两者的高度必须满足薄壁圆筒304的轴向高度H1略小于下部实心圆柱102的高度H2，并满足两者的高度差Dh＝H2-H1，Δh的大小根据所设计传感器的位移和压力测量量程和结构应力极限分析综合确定。本发明的工作原理是：将MEMS压力传感器和MEMS位移传感器从结构上进行了集成，可最大程度地减小芯片面积，从而降低芯片制作成本；通过一次封装，即可完成整个芯片的封装，降低了芯片封装的成本。当传感器所处的环境有压力和位移时，四根梁400和中心圆膜401共同形成压阻式压力传感器结构，检测压力大小并通过衬底金属欧姆接触电路303输出对应的电压信号；同时中心圆膜401在压力作用下会产生位移，并带动薄壁圆筒304轴向移动，与下方基底的实心圆柱102构成变面积型位移传感器，且由于上部是四梁圆膜结构，因此，其结构对称稳定性保证了薄壁圆筒304在轴向位移过程中，径向位移最小甚至消除，从而在实现两种物理量测量的同时保证了位移传感器线性度和灵敏度。且上部的压阻式压力测量结构具有平面应力集中效应，与一般的结构相比，这种膜片在受到微压时即可产生较大的应力集中，使得传感器在测量微压时具有较高的灵敏度，且能解决一般膜片结构在很薄时由于膜应力和弯曲应力产生的测量非线性。薄壁圆筒304和下部实心圆柱102之间的轴向高度差Δh起到限位作用，避免由于超量程工作导致传感器失效。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种四梁圆膜与同轴圆柱结合的压力和位移集成式MEMS传感器，包括上部衬底和与之配合连接的下部衬底，其特征在于：所述的下部衬底包括下部衬底基底层100，下部衬底基底层100上面设有下部衬底金属欧姆电路层101，下部衬底基底层100的中部设有下部实心圆柱102，下部衬底基底层100上方的四周边缘还设有四周支承结构103；所述的上部衬底包括上部衬底基底层300，上部衬底基底层300上面设有上部衬底绝缘层301，上部衬底绝缘层301上设有上部衬底金属欧姆接触电路303以及由四根梁400和上部中心圆膜401构成的上部四梁圆膜结构，四根梁400上设有压阻条302，压阻条302、上部衬底金属欧姆接触电路303及上部四梁圆膜结构构成了压阻式压力传感器；上部中心圆膜401的中部下方连接有薄壁圆筒304，薄壁圆筒304套在下部实心圆柱102外，四周支承结构103和上部衬底基底层300下方连接，通过薄壁圆筒304和下部实心圆柱102轴向相对运动构成变面积型同轴圆柱电容式位移传感器。2.根据权利要求1所述的一种四梁圆膜与同轴圆柱结合的压力和位移集成式MEMS传感器，其特征在于：所述的四根压阻条302设计在四根梁400根部，以得到最大的压力检测灵敏度。3.根据权利要求1所述的一种四梁圆膜与同轴圆柱结合的压力和位移集成式MEMS传感器，其特征在于：所述的四周支承结构103和上部衬底基底层300下方键合形成上下衬底连接层200。4.根据权利要求1所述的一种四梁圆膜与同轴圆柱结合的压力和位移集成式MEMS传感器，其特征在于：在所述的上部衬底绝缘层301上，通过掺杂和刻蚀工艺，在四根梁400根部形成对称分布的压阻条302，并通过电子束蒸发或溅射金属薄膜工艺，在上部衬底绝缘层301上表面形成上部衬底金属欧姆接触电路303的惠斯通电桥，将各压阻条302相互连接构成完整信号输出电路。5.根据权利要求1所述的一种四梁圆膜与同轴圆柱结合的压力和位移集成式MEMS传感器，其特征在于：所述的薄壁圆筒304的轴线和上部圆膜401的轴线需保证对中重合。6.根据权利要求1所述的一种四梁圆膜与同轴圆柱结合的压力和位移集成式MEMS传感器，其特征在于：所述的薄壁圆筒304采用激光打孔高精度加工工艺，保证薄壁圆筒304尽可能地规则。7.根据权利要求1所述的一种四梁圆膜与同轴圆柱结合的压力和位移集成式MEMS传感器，其特征在于：所述的薄壁圆筒304的轴向高度H1应略小于下部实心圆柱102的轴向高度H2，并满足两者的高度差Dh＝H2-H1，Dh的大小根据所设计传感器的位移和压力测量量程和结构应力极限分析综合确定。

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