一种具有抗高过载能力的高压传感器

摘要

本公开提供了一种具有抗高过载能力的高压传感器，其特征是：包括高压传感器和抗高过载保护结构，所述抗高过载保护结构至少一部分与所述高压传感器连接，所述抗高过载保护结构朝向所述高压传感器的一侧设置有用于挠度限位的凹槽空腔，所述凹槽空腔的腔壁上设置有若干用于应力补偿的凸台结构。本公开能够兼具抗高过载能力和高灵敏度，且对侧向加速度不敏感；特别适用于海水深度测量和管道油气测量等应用。

说明书

技术领域

本公开属于压力传感器技术领域，具体涉及一种具有抗高过载能力的高压传感器。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

压力传感器能够在陆地、海洋、空中等多种环境中快速、高效、精确地感知外界环境的压力变化，在工业控制、航空航天、油气开发、海洋探测等领域具有重要作用。不管是微压/低压传感器，中高压传感器，研究者都希望有设计出兼具高灵敏度和高过载量程的压力传感器，高灵敏度可以保证测量的精确性，高过载量程可以拓宽压力传感器的使用范围和使用条件。

基于半导体工艺和MEMS微加工工艺的压阻式压力传感器，具有体积小、重量轻、成本低、精度高、线性度好、响应时间短、结构简单、工艺成熟等优点。

基于不同测量原理的压力传感器具有各自的优缺点。压电式压力传感器灵敏度高，但不适合于静态压力测量，电荷处理电路复杂；电容式压力传感器灵敏度高、功耗小、对温度不敏感，但输入阻抗较大，易受寄生电容的影响，且抗干扰能力差；谐振式压力传感器的精度高、稳定性好、温度漂移较低，但其响应时间长，制作工艺复杂，成品率较低，价格较高；光学式压力传感器集成度高，可以分布式和多参数测量，但其解调设备体积庞大，价格昂贵；应变计式压力传感器结构简单，成本低，易于更换，在多种领域中广泛运用，但其精度和线性度较低、稳定性较差。压阻式压力传感器虽然易受温度影响，但其结构简单，精度高、线性度好、体积小、成本低、易于集成和小型化，响应时间短，动态特性好等优点，工艺成熟，使其占据了压力传感器市场的大量份额。

在实际应用中，更多的时候，我们希望压力传感器能承受较高的过载，同时在最大量程内具有较高的灵敏度和线性度。一般压力传感器的过载指标为额定量程的2～3倍，然而，当承受的过载指标为较高时，如8～10倍时，由于抗过载能力不足，一般采用更大量程的压力传感器来测量小量程压力。而对于高压传感器，抗过载指标一般为1.5～2倍。由于压力传感器量程与灵敏度是一对矛盾，量程越大，灵敏度越低，采用牺牲灵敏度的办法来满足过载指标，会降低压力传感器的信噪比和抗干扰能力，不利于信号传输和压力测量。因此，研究者希望能在不降低压力传感器灵敏度的情况下，尽可能的提高其抗过载保护能力，拓宽其使用条件和应用范围。

高压传感器的抗过载能力受以下因素影响：所选晶圆材料的断裂压力；所设计的压力敏感膜片的尺寸；所设计的抗高过载保护结构的抗过载能力。可供选择的晶圆材料种类有限，同时受到上游供货商的影响较大，可操纵性和可选择性较少；对所设计的压力敏感膜片尺寸的优化，一是无法避免量程与灵敏度之间的矛盾，二是改变压力敏感膜片的尺寸，需要相应的调整工艺参数(如刻蚀工艺等等)，对于已经投片生产的压力传感器是难以接受的；设计具有抗高过载能力的保护结构，可以在不改变原有的高压传感器设计基础上，进一步提高其抗过载能力。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种具有抗高过载能力的高压传感器，本公开在满足高灵敏度和宽测量范围的同时，提高了高压传感器的抗高过载能力，并对侧向加速度不敏感。该结构不改变高压传感器的原有设计参数和工艺流程，仅对抗高过载保护结构进行加工处理，可移植性强，特别适用于需要兼具大量程和高精度的压力测量环境，如海水深度测量，油气管道测量等等。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种具有抗高过载能力的高压传感器，包括高压传感器和抗高过载保护结构，所述抗高过载保护结构至少一部分与所述高压传感器连接，所述抗高过载保护结构朝向所述高压传感器的一侧设置有用于挠度限位的凹槽空腔，所述凹槽空腔的腔壁上设置有若干用于应力补偿的凸台结构。

作为可选择的实施方式，所述高压传感器是MEMS压阻式压力传感器，所述高压传感器的正面设置有压力敏感膜片，背面设置有空腔。

作为进一步的，所述空腔为梯形空腔，且其设置位置与所述凹槽空腔的位置相对应。

作为可选择的实施方式，所述空腔还可以为矩形空腔，且其设置位置与所述凹槽空腔的位置相对应。

作为可选择的实施方式，所述高压传感器为双惠斯通电桥结构，内电桥处于高应力区域，对压力和温度均敏感；外电桥远离高应力区域，对温度敏感；

或/和，内外电桥的压敏电阻布放晶向均沿着压力敏感晶向放置。

作为可选择的实施方式，所述高压传感器上，垂直于压力敏感膜片边缘的压敏电阻R

作为可选择的实施方式，所述凹槽空腔能够对压力敏感膜片起到支撑作用，当外界压力超过高压传感器的最大量程时，实现挠度限位。避免压力敏感膜片发生塑性形变，降低线性度。

作为可选择的实施方式，所述压力敏感膜片能够与用于应力补偿的凸台结构接触，在外界压力超过高压传感器的最大量程时，凸台结构起到支撑作用，实现挠度限位和应力补偿，避免压力敏感膜片发生断裂失效，受到永久性破坏。

作为可选择的实施方式，所述高压传感器和抗高过载保护结构接触处，设置有多个由导电填充物填充的通孔，通孔的上下两侧均设置有金属焊盘，所述高压传感器的电气连接从所述高压传感器上设置的金属焊盘引出，连接至抗高过载保护结构上表面设置的金属焊盘上。

作为可选择的实施方式，所述抗高过载保护结构下表面设置有若干金属凸点，所述高压传感器上表面的金属焊盘分别与所述金属凸点相连接，实现所述高压传感器与抗高过载保护结构之间电气连接。

作为可选择的实施方式，所述抗高过载保护结构的通孔直径进一步扩大为金属焊盘边长的1.2～3倍，使得抗高过载保护结构上的通孔内的导电填充物直接包裹接触高压传感器上的金属焊盘，实现所述高压传感器与抗高过载保护结构之间的电气连接。

作为可选择的实施方式，所述高压传感器和抗高过载保护结构通过键合工艺或连接装置固定到一起。

作为可选择的实施方式，所述凸台结构为多个，且在所述凹槽空腔内对称分布，以保证膜片上应力分布的高对称性。

作为可选择的实施方式，所述凸台结构为多组，同一组的凸台结构的高度、边长均相同，且在所述凹槽空腔内轴对称分布。

作为可选择的实施方式，靠近所述凹槽空腔中心处的凸台结构的长度大于靠近所述凹槽空腔边缘处的凸台结构。

作为可选择的实施方式，所述凸台结构为对称结构，包括但不限于圆形、正六边形、矩形凸台或阶梯状凸台。

作为可选择的实施方式，所述抗高过载保护结构设置凹槽空腔处，设置有通孔，使得凹槽空腔与外界相连接。

凸台结构主要起到应力补偿的作用，凹槽空腔主要起到挠度限位的作用。当高压传感器受到的外界压力P小于其额定量程P

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开与现有的抗过载保护结构相比，本公开更加合理、简单、低成本，具有高移植性、高实用性和高灵活性；本公开在满足高压传感器的高灵敏度和宽测量范围的同时，提高了高压传感器的抗过载能力，并对侧向加速度不敏感。

本公开适用范围广泛，特别适用于需要兼具大量程和高精度的压力测量环境，如海水深度测量，油气管道测量等等。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为高压传感器及抗高过载保护结构的横截面示意图；

图2为高压传感器及抗高过载保护结构三维建模示意图；

图3为高压传感器双惠斯通电桥示意图；

图4为通过干法刻蚀形成的抗高过载高压传感器横截面示意图；

图5为凸台个数为奇数的抗高过载高压传感器横截面示意图；

图6为凸台个数为偶数的抗高过载高压传感器横截面示意图；

图7为具有孔洞的开孔的抗高过载高压传感器横截面示意图；

图8为具有阶梯状凸台结构的抗高过载高压传感器横截面示意图；

图9为具有高对准容差的抗高过载高压传感器横截面示意图；

图10为具有高对准容差的阶梯状凸台结构的抗高过载高压传感器横截面示意图；

图11(a)、图11(b)为有无抗高过载保护结构的6MPa高压传感器应力分布对比图；

图12(a)、图12(b)为有无抗高过载保护结构的6MPa高压传感器挠度分布对比图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

参照图1和图2，一种具有抗高过载能力的高压传感器，包括高压传感器3和抗高过载保护结构1。高压传感器3的背部中部有梯形空腔4，抗高过载保护结构1的背部中部设置有凹槽空腔2，高压传感器3与抗高过载保护结构1通过键合工艺或连接装置5，6固定到一起，凹槽空腔2由抗高过载保护结构1和高压传感器3包裹形成。抗高过载保护结构1的中间部分设置有凸台结构11，12，13，14。

高压传感器3采用n型(100)SOI晶圆，其器件层厚度为59μm，埋氧层厚度为1μm；应当明确，所述高压传感器3包括但不限于由以下类型和晶向的晶圆制成：n型硅晶圆，p型硅晶圆，SOI晶圆，蓝宝石晶圆。

高压传感器3的压力敏感膜片7，从俯视图来看，采用的是方形膜片，从侧视图来看，采用的是C型膜片；应当明确，所述高压传感器3的形状包括但不限于：方形膜片，圆形膜片，矩形膜片，穿孔膜片；

高压传感器3采用MEMS微加工工艺，其压力敏感膜片7可以通过湿法刻蚀工艺进行减薄，在高压传感器3背部中部形成梯形空腔4；应当明确，压力敏感膜片7还可以通过干法刻蚀工艺进行减薄，在高压传感器3背部中部形成矩形空腔9，如图4所示。

高压传感器3的p型压敏电阻R

高压传感器3的压敏电阻R

高压传感器3的采用双惠斯通电桥，内电桥A，外电桥B；其中，内外电桥的压敏电阻布放晶向均可沿着压力敏感晶向放置，如n型硅(100)晶面的＜110＞晶向；应当明确，除此之外，用于温度补偿的外电桥B的压敏电阻还可以沿着温度敏感晶向放置。

高压传感器3的上表面设置有压敏电阻31(R

高压传感器3上表面的金属焊盘62，67，63，66分别与抗高过载保护结构1下表面的金属凸点72，77，73，76相连接，以实现高压传感器3与抗高过载保护结构1之间的电气连接。

抗高过载保护结构1的凹槽空腔2的外侧通过钻孔技术形成了孔洞15，18，16，17，孔洞内部填充导电材料，其上部分分别与金属焊盘81，84，82，83相连接，其下部分分别与金属凸点72，77，73，76相连接，将高压传感器1的电气连接引出到抗过载保护结构3的上表面，上表面的金属焊盘81，84，82，83与外部调理电路相连，并通过后处理电路，显示出外界压力的变化。

表1压敏电阻R

抗高过载保护结构1的凹槽空腔2的深度h

抗高过载保护结构1的凹槽空腔2内的凸台结构11，12，13，14的尺寸标注如图1所示，内凸台12，13的宽度均为w

内凸台的初始高度t

外凸台的初始高度值t

抗高过载保护结构1的凹槽空腔2内的凸台结构12，13，22，23以及外凸台结构11，14，21，24在几何位置(空间坐标上)关于横轴101和纵轴102对称，横轴101和纵轴102是过压力敏感膜片7上表面中心点0点的两条直线，如图2所示，

应当明确，抗高过载保护结构1的凹槽空腔2内的凸台数量可以为“4n”个，n属于正整数。如图1和图2所示的内凸台结构和外凸台结构；在最初设计时，可以仅适用内凸台结构12，13，22，23进行应力补偿；当内凸台补偿效果不足时，则继续添加外凸台结构11，14，21，24；更加普遍的，不论n取哪一个正整数，所包含的四个凸台结构应当保证其凸台高度、凸台边长均相同，且均关于横轴101和纵轴102对称，以保证膜片上应力分布的高对称性。

应当明确，抗高过载保护结构1的凹槽空腔2内的凸台数量可以为“4n+1”个，n属于正整数。如图5所示，其中凸台结构51即为“4n+1”中的“1”，其中心点与压力敏感膜片7上表面中心点O在同一条垂直直线上，凸台结构12，13，22，23即为“4n+1”中的“4n”，其高度、边长均相同，且均关于横轴101和纵轴102对称。更加普遍的，不论n取哪一个正整数，所包含的四个凸台，应保证其凸台高度、凸台边长均相同，且均关于横轴101和纵轴102对称，以保证膜片上应力分布的高对称性。

作为本实施例的另一个变种结构，如图7所示，抗高过载保护结构1的中部可以通过钻孔技术形成孔洞8，使封闭的凹槽空腔2可以与外界相连接；基于图7的变种结构，可以用于制作差压压力传感器。

作为本实施例的另外一个变种结构，抗高过载保护结构1的凸台结构的形状还可以选为圆形、正六边形等其他对称图形；凸台结构还可以是阶梯状，如图8所示，应当明确，基于此凸台结构所进行的几何尺寸，形状，及结构的简单变形，也应当属于本专利的保护范畴。

本实施例提出的具有抗高过载保护能力的高压传感器工作原理：

当高压传感器受到的外界压力P小于其额定量程P

实施例2：

根据具体实施例1，本实施例具体设计了一个6MPa量程高压传感器及其抗过载保护结构；在未设置本实施例的抗高过载保护结构时，该6MPa量程高压传感器的过载量程为9MPa，过载指标为1.5倍；而采用本实施例的抗高过载保护结构后，该6MPa量程高压传感器的过载量程为20MPa，过载指标变为3.3倍；因为不需要以牺牲灵敏度的方法来提高过载量程，故该高压传感器能够兼具高灵敏度和高抗过载能力。

高压传感器3的SOI晶圆厚度为400μm，其中，埋氧层厚度为1μm，器件层厚度为59μm，衬底层厚度为340μm；最大量程Pmax为6MPa，膜片边长为946μm，膜片厚度为60μm；采用双惠斯通电桥结构A，B，压敏电阻R

压敏电阻设计参数如表2所示：

表2压敏电阻设计参数

抗高过载保护结构1的凹槽空腔2的凸台结构设计参数如表3所示，其中，内外凸台的距离是指内外凸台结构的中心点到压力敏感膜片7的中心点O的水平距离。

表3 6MPa量程高压传感器的抗高过载保护结构的设计参数

当无抗高过载保护结构1时，对于具体实施案例2所设计的6MPa量程高压传感器：在其最大量程P

当采用抗高过载保护结构1时，其设计参数如表3所示，当受到20MPa外界压力时，6MPa量程高压传感器的膜片上最大应力从1.56GPa降低至700MPa，如图11(a)、图11(b)所示，最大挠度从12.4μm降低至3.64μm，如图12(a)、图12(b)所示。

具体实施案例2所设计的6MPa量程高压传感器的信号调理电路采用苏州纳芯微电子股份有限公司的NSA2300调理芯片，其AD转换器有效位数为19位；应当明确，选择的AD转换器有效位数越高，高压传感器3的分辨率越高。

本发具体明涉及的具有抗高过载能力的高灵敏度高压传感器，兼具高抗过载能力和高灵敏度，且对侧向加速度不敏感；涉及的抗高过载保护结构具备高可移植性、高实用性和高灵活性，能够在不改变高压传感器原有设计的基础上，进一步提高高压传感器的抗过载能力。

本实施例未尽事为公知技术。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。