【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于压力传感器，涉及一种基于拓扑优化设计的抗过载压力传感器芯片及其制备方法。
技术介绍
1、压阻式压力传感器的主要功能是基于半导体压阻效应和惠斯通电桥原理将外界压力信号转换为电信号进行输出。压阻式压力传感器因其具有性能好、可靠性高和成本低等特点，被广泛应用于汽车工业、航空航天、生物医疗和等多个领域。随着科学技术的不断发展，业界对压力传感器性能的要求日益提高，对于压阻式压力传感器来说，过载能力是除灵敏度和线性度外衡量其性能的另一重要指标。当压力传感器用于航空航天、石油化工和海洋科学等恶劣环境时，由于测量介质的波动性，传感器经常会承受高于其量程压力的过载情况。为提高压力传感器的过载能力，有必要提出一种稳定可靠的抗过载压力传感器芯片和制备方法。
2、研究表明，传感器芯片的结构、尺寸和压敏电阻放置的位置对压力传感器性能的影响较大，因此传感器芯片的结构设计一直是研究的关键问题之一。专利cn 206828029 u公开了一种梁膜机构的微机电系统压力传感器芯片。该专利通过构建半岛谐振梁和田字形谐振梁将应力集中在梁的根部，显著提高了传感器的灵敏度。压力传感器的灵敏度和过载能力分别与压敏电阻区的应力大小以及最大应力点的数值有关，为平衡芯片的过载能力与灵敏度要求，较为理想的最大应力点应位于压敏电阻区。虽然上述专利的传感器灵敏度得到很大的提升，但受限于敏感膜片较薄、上下空腔间未形成错位和梁根部存在应力集中的角区导致其过载能力并未得到有效改善。目前，大多数传感器结构与该专利技术类似，通过设计不同的结构提高压敏电阻区域的应力，从而提
3、专利技术专利cn 112345157 a公开了一种抗过载的压力传感器。该专利技术基于相应流体力学原理，在导压孔内增设压力缓冲结构，并在压力缓冲结构上增设合适长度的流道来缓冲过载压力，从而实现对瞬态过载压力的抑制，提高压力传感器的过载能力。该专利技术的压力缓冲机构的存在增大了压力传感器的整体尺寸，而且只能检测单向压力，不能实现双向抗过载。同时，受限于缓冲结构中流道的长度，该专利技术只能抑制瞬态的过载压力，当承受持续的过载压力时，该专利技术的缓冲结构将不起作用，传感器仍会破损失效。
4、专利技术专利cn 104215362 a公开了一种压阻式高过载压力传感器及其制备方法。该专利技术提出一种玻璃-硅-玻璃三层键合结构，上下两层玻璃结构起限位作用。当承受过载压力时，应变薄膜会产生变形并与玻璃接触，从而抵抗外界的压力，提高压力传感器的过载能力。但是三层结构工艺复杂且较难实现引线，难以满足大批量工业生产的需求。
5、综上所述，现有的提高压力传感器过载能力的方法仍存在一些不足。一方面现有的压力传感器芯片的结构设计方法依赖于设计师的经验，通过构建应力集中结构以及增大刚度的岛结构，在提高压敏电阻区应力的同时平衡线性度。虽然传感器的灵敏度和线性度得到很大的提升，但受限于敏感膜片较薄、上下空腔间未形成错位和梁根部存在应力集中的角区导致其过载能力并未得到有效改善。另一方面，通过构建压力缓冲结构和膜盒装置等过载机构，虽然一定程度上提高了传感器的过载能力，但存在只能抵抗瞬时过载、装置相对压力传感器过于庞大、只能实现单向抗过载等缺点。此外，也有学者提出玻璃-硅-玻璃三层键合结构的止挡结构，但受限于复杂的工艺和极高的尺寸精度，难以满足大批量工业生产的需求。因此，提供一种制备工艺简单、不额外增设过载机构和仅对传感器芯片进行结构设计来提高压力传感器的过载能力是本专利技术需要解决的技术问题。由于本专利技术提出的抗过载压力传感器芯片基于拓扑优化方法以最大刚度为设计目标进行减材，在迭代的过程中最大应力值会缓慢增加，当压敏电阻区应力满足灵敏度使用要求时迭代停止，因此设计出的传感器芯片可以较大程度的提高传感器芯片的过载能力。
技术实现思路
1、为了提高过载能力，克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于拓扑优化设计的抗过载压力传感器芯片及其制备方法，压力传感器芯片制备工艺简单、不额外增设过载机构和仅对传感器芯片进行结构设计来提高压力传感器的过载能力，易于批量化生产。
2、为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
3、一种基于拓扑优化设计的抗过载压力传感器芯片，所述的抗过载压力传感器芯片包括n型单晶硅元件1和与n型单晶硅元件1通过阳极键合的玻璃衬底2，n型单晶硅元件1的背部开设空腔，n型单晶硅元件1与玻璃衬底2之间紧密贴合形成密闭空腔；所述密闭空腔的顶壁面设有膜片感压结构，膜片感压结构包括薄膜正面结构层和薄膜层，薄膜结构层由n型单晶硅元件1正面经干法刻蚀形成，薄膜层由n型单晶硅元件1背面经干法刻蚀空腔后形成。
4、所述的薄膜正面结构层由正方形槽13、长梁3、环中心短十字梁加强筋4、中心短十字梁5构成；所述正方形槽13为薄膜正面结构层的方形外边框，与四个长梁3根部相连接；所述长梁3由第一长梁3-1、第二长梁3-2、第三长梁3-3和第四长梁3-4构成，四个长梁按“十字形”布置，四个长梁根部分别设置第一压敏电阻条7-1、第二压敏电阻条7-2、第三压敏电阻条7-3和第四压敏电阻条7-4，压敏电阻条7用于将外界压力信号转换为电压信号输出；所述的环中心短十字梁加强筋4由第一加强筋4-1、第二加强筋4-2、第三加强筋4-3和第四加强筋4-4构成，布置在相邻长梁3之间，四个加强筋所围成的方形空间的中部设有中心短十字梁5；所述的中心短十字梁5的中部设置倒角；所述的第一压敏电阻条7-1、第二压敏电阻条7-2、第三压敏电阻条7-3和第四压敏电阻条7-4均通过金属引线8和焊盘9连接形成惠斯通电桥。
5、所述的薄膜层由薄膜6构成，用于支撑薄膜正面结构层。
6、进一步的，惠斯通电桥具体为：所述第一压敏电阻条7-1分别通过第一金属引线8-1、第二金属引线8-2与第一焊盘9-1、第二焊盘9-2连接；所述第二压敏电阻条7-2分别通过第三金属引线8-3、第四金属引线8-4与第二焊盘9-2、第三焊盘9-3连接；所述第三压敏电阻条7-3分别通过第五金属引线8-5、第六金属引线8-6与第三焊盘9-3、第四焊盘9-4连接；所述第四压敏电阻条7-4分别通过第七金属引线8-7、第八金属引线8-8与第一焊盘9-1、第四焊盘9-4连接；四个焊盘位于正方形槽13的四个顶角处。
7、进一步的，所述的薄膜正面结构层的正方形槽13边长为4mm～5mm。
8、进一步的，所述的薄膜正面结构层的长梁3、环中心短十字梁加强筋4和中心短十字梁5的厚度相同，均为薄膜层厚度的100％～200％。
9、进一步的，所述的薄膜正面结构层的长梁3、环中心短十字梁加强筋4和中心短十字梁5宽度相等，均为200μm。
10、进一步的，所述的薄膜正面结构本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于拓扑优化设计的抗过载压力传感器芯片，其特征在于，所述的抗过载压力传感器芯片包括n型单晶硅元件(1)和与n型单晶硅元件(1)通过阳极键合的玻璃衬底(2)，n型单晶硅元件(1)的背部开设空腔，n型单晶硅元件(1)与玻璃衬底(2)之间紧密贴合形成密闭空腔；所述密闭空腔的顶壁面设有膜片感压结构，膜片感压结构包括薄膜正面结构层和薄膜层，薄膜结构层由n型单晶硅元件(1)正面经干法刻蚀形成，薄膜层由n型单晶硅元件(1)背面经干法刻蚀空腔后形成。
2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化设计的抗过载压力传感器芯片，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化设计的抗过载压力传感器芯片，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化设计的抗过载压力传感器芯片，其特征在于：
5.一种权利要求1-4任一所述的基于拓扑优化设计的抗过载压力传感器芯片结构层的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种基于拓扑优化设计的抗过载压力传感器芯片结构层的设计方法，其特征在于：所述的薄膜(6)
7.一种权利要求1-4任一所述的基于拓扑优化设计的抗过载压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种基于拓扑优化设计的抗过载压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述的步骤1形成四个压敏电阻条后，进行退火处理，使压敏电阻条的杂质掺杂浓度进一步均匀。
9.根据权利要求7所述的一种基于拓扑优化设计的抗过载压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述的步骤2形成欧姆接触区(10)后，进行退火处理，使欧姆接触区域(14)的杂质掺杂浓度进一步均匀。
...【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑优化设计的抗过载压力传感器芯片，其特征在于，所述的抗过载压力传感器芯片包括n型单晶硅元件(1)和与n型单晶硅元件(1)通过阳极键合的玻璃衬底(2)，n型单晶硅元件(1)的背部开设空腔，n型单晶硅元件(1)与玻璃衬底(2)之间紧密贴合形成密闭空腔；所述密闭空腔的顶壁面设有膜片感压结构，膜片感压结构包括薄膜正面结构层和薄膜层，薄膜结构层由n型单晶硅元件(1)正面经干法刻蚀形成，薄膜层由n型单晶硅元件(1)背面经干法刻蚀空腔后形成。
2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化设计的抗过载压力传感器芯片，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化设计的抗过载压力传感器芯片，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化设计的抗过载压力传感器芯片，其特征在于：
5.一种权利要求1-4任一所述的基于拓扑...
【专利技术属性】
技术研发人员：杜立群，李蒙，杨晓臣，李奥奇，孟祥悦，孙盼，杜宝国，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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