四梁圆膜与同轴圆柱的压力和位移集成式MEMS传感器结构制造技术

一种四梁圆膜与同轴圆柱的压力和位移集成式MEMS传感器结构，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；本实用新型专利技术发明专利技术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。

Pressure and displacement integrated structure of four-beam circular membrane and coaxial cylinder for MEMS sensor

【技术实现步骤摘要】
四梁圆膜与同轴圆柱的压力和位移集成式MEMS传感器结构
本技术专利技术属于MEMS传感器
，具体涉及一种四梁圆膜与同轴圆柱的压力和位移集成式MEMS传感器结构。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本技术的目的在于提供一种四梁圆膜与同轴圆柱的压力和位移集成式MEMS传感器结构，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，本技术采取的技术方案为：一种四梁圆膜与同轴圆柱的压力和位移集成式MEMS传感器结构，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Δh＝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。本技术的有益效果是：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。本技术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Δh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为本技术实施例整体结构示意图。图2为本技术实施例下部衬底的结构示意图。图3为本技术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技术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技术，并不用于限定本技术。参照图1、图2和图3，一种四梁圆膜与同轴圆柱的压力和位移集成式MEMS传感器结构，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的圆心和上部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四梁圆膜与同轴圆柱的压力和位移集成式MEMS传感器结构，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。

【技术特征摘要】
1.一种四梁圆膜与同轴圆柱的压力和位移集成式MEMS传感器结构，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的压力和位移集成式MEMS传感器结构，其特征在于：所述的四根压阻条...

【专利技术属性】
技术研发人员：方续东，吴晨，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：新型
国别省市：陕西,61