一种爆炸场mems压阻式压力传感器
阅读说明：本技术 一种爆炸场mems压阻式压力传感器 (Explosion field MEMS piezoresistive pressure sensor ) 是由 康昊 严家佳 陈君 何性顺 张俊峰 王丹 叶希洋 姬建荣 苏健军 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种爆炸场MEMS压阻式压力传感器,包括了两个尺寸不同的敏感膜片,其中较小硅应变膜可以设计为灵敏度较小,量程较大的结构,具有较强的过载能力,满足冲击波压力峰值的测量；除此之外,其中较大硅应变膜的上方设置带有通孔的硅盖帽,盖帽与相应硅应变膜形成了空腔,通过合理设计气孔和空腔的体积可以滤除具有高频特征的冲击波压力信号,使具有低频、零频的准静态压力信号作用于相应硅应变膜；并且,两个敏感膜片的背面均设计有岛,当压力超过量程时,岛会与玻璃基底接触,具有一定的抗过载能力,进一步保护了具有高灵敏度、小量程的第一硅应变膜。(The invention discloses an explosion field MEMS piezoresistive pressure sensor, which comprises two sensitive membranes with different sizes, wherein a smaller silicon strain membrane can be designed into a structure with smaller sensitivity and larger measuring range, has stronger overload capacity and meets the measurement of a shock wave pressure peak value; in addition, a silicon cap with a through hole is arranged above the larger silicon strain film, the cap and the corresponding silicon strain film form a cavity, and shock wave pressure signals with high-frequency characteristics can be filtered out by reasonably designing the volume of the air hole and the cavity, so that quasi-static pressure signals with low frequency and zero frequency act on the corresponding silicon strain film; and moreover, the back surfaces of the two sensitive membranes are respectively provided with an island, when the pressure exceeds the measuring range, the islands can be contacted with the glass substrate, certain overload resistance is realized, and the first silicon strain membrane with high sensitivity and small measuring range is further protected.)
技术领域
本发明涉及MEMS压阻式压力传感器
技术领域
，具体为一种爆炸场MEMS压阻式压力传感器。背景技术
炸药在密闭环境爆炸时将产生两种效应的压力，冲击波压力和准静态压力。其中：冲击波压力信号属于典型的非平稳随机信号，其特点是峰值大，突变快、持续时间短；准静态压力主要是由爆炸释放的热量导致温度升高后气体热运动产生的压力，准静态压力峰值低、作用时间长。
由于压电式压力传感器具有较好的动态特性和过载能力，目前常用压电式压力传感器对冲击波的超压峰值进行测试，但其低频特性尤其是零频特性较差，不适用于准静态压力的测量。
压阻式压力传感器同时具有较好的动态特性和低频特性，但是其过载能力一般为2-3倍量程，远不及压电式压力传感器10倍量程的过载能力，并且满量程输出信号仅为100mV。若要满足冲击波压力超压峰值的测量，保证传感器不被破坏，需要牺牲压阻式压力传感器的灵敏度以满足量程的需求，而准静态压力一般为冲击波超压峰值的几十分之一，此时若对准静态压力测量将产生极大的测试误差，因此无法同时对冲击波压力和准静态压力进行测试。
发明内容
针对现有技术的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种爆炸场MEMS压阻式压力传感器。
为实现上述目的，本发明提供的一种爆炸场MEMS压阻式压力传感器包括：
第一压阻式压力传感器，包括第一硅应变膜、多个第一压敏电阻、第一金属引线和第一玻璃基底，所述第一硅应变膜为第一SOI硅片背面经刻蚀形成的背面具有第一岛和第一空腔的硅膜，且第一岛位于第一空腔内，所述第一玻璃基底与所述第一硅片背面键合密封第一空腔；所述多个第一压敏电阻和第一金属引线形成惠斯登电桥且位于第一硅应变膜正面，同时所述第一压敏电阻位于第一硅应变膜的边缘；
第二压阻式压力传感器，包括第二硅应变膜、多个第二压敏电阻、第二金属引线和第二玻璃基底，所述第二硅应变膜为第二SOI硅片背面经刻蚀形成的背面具有第二岛和第二空腔的硅膜，所述第二岛位于第二空腔内；所述第二玻璃基底与所述第二硅片背面键合密封第二空腔；所述多个第二压敏电阻和第二金属引线形成惠斯登电桥且位于第一硅应变膜正面，同时所述第二压敏电阻位于第二硅应变膜的内边缘；
所述第一硅应变膜的厚度与第二硅应变膜的厚度相同，所述第一硅应变膜的面积大于第二硅应变膜的面积；所述第一岛的厚度与第二岛的厚度相同，所述第一岛的横截面面积大于第二岛的横截面面积；
还包括硅盖帽，该硅盖帽与第一硅应变膜的正面键合，且与第一硅应变膜形成容腔，所述多个第一压敏电阻与第一金属引线位于容腔底部，所述容腔顶部的硅盖帽上开设有至少一个通孔。
优选的方案中，所述容腔可以滤除频率大于f的爆炸场冲击波压力信号，其中f满足式(1)；
式(1)中：
c为声速，m/s；
n为通孔的个数，n≥1；
r为通孔的半径，m；
A为容腔内底面积，m2；
H1为通孔轴向的长度，m；
H2为容腔内底部至顶部的高度，m。
进一步，所述所述第一SOI硅片与第二SOI硅片为一体结构。
进一步，所述第一玻璃基底与第二玻璃基底为一体结构。
可选的，所述第一硅应变膜为圆形或矩形，所述第二硅应变膜为圆形或矩形；所述第一岛为圆柱体或方柱体，所述第二岛为圆柱体或方柱体。
进一步，所述多个第一压敏电阻平行分布，其中两个压敏电阻设置在第一硅应变膜边缘；所述多个第二压敏电阻平行分布，其中两个压敏电阻设置在第二硅应变膜边缘。
可选的，所述多个第一压敏电阻为四个；所述多个第二压敏电阻为四个。
可选的，所述容腔顶部的硅盖帽上开设有两个通孔，且两个通孔分别沿第一硅应变膜外边缘设置，所述第一硅应变膜位于两个通孔之间。
本发明同时还提供了上述爆炸场MEMS压阻式压力传感器的制备方法。所提供的方法包括：
(1)分别在第一硅片正面和第二硅片正面制备多个压敏电阻和金属导线，并形成惠斯登电桥；
(2)分别在第一硅片背面和第二硅片背面光刻和刻蚀空腔和岛，形成硅应变膜；
(3)分别在第一玻璃基底正面和第二玻璃基底正面刻蚀与空腔对应的区域；
(4)将第一玻璃基底正面与第一硅片背面键合并第一空腔，将第二玻璃基底正面与第二硅片背面键合并第二空腔；
(5)在硅盖帽上刻蚀通孔，并将硅盖帽与第一硅片正面键合。
进一步，所述步骤(1)采用光刻、刻蚀、离子掺杂及LPCVD工艺制备多个压敏电阻和金属导线，并形成惠斯登电桥。
本发明的压力传感器包括了两个尺寸不同的敏感膜片，其中较小硅应变膜可以设计为灵敏度较小，量程较大的结构，具有较强的过载能力，满足冲击波压力峰值的测量；除此之外，其中较大硅应变膜的上方设置带有通孔的硅盖帽，盖帽与相应硅应变膜形成了空腔，通过合理设计气孔和空腔的体积可以滤除具有高频特征的冲击波压力信号，使具有低频、零频的准静态压力信号作用于相应硅应变膜；并且，两个敏感膜片的背面均设计有岛，当压力超过量程时，岛会与玻璃基底接触，具有一定的抗过载能力，进一步保护了具有高灵敏度、小量程的第一硅应变膜。
附图说明
图1为本发明的爆炸场MEMS压阻式压力传感器的剖面结构示意图。
图2为实施例的硅盖帽的结构示意图。
图3为实施例的压敏电阻和金属引线的分布图。
图4为实施例的硅应变膜背面的结构示意图。
图5为实施例的玻璃基底的三维结构示意图。
图6为实施例传感器制备过程参考示意图，(a)-(g)依次为中间步骤结果示意图。
图7为实施例传感器仿真结果图。
具体实施方式
除非另有说明，本文中的术语或方法根据相关领域普通技术人员的认识理解或采用已有方法实现。
参照附图所示，本发明的爆炸场MEMS压阻式压力传感器由两个硅应变膜面积不同的压阻式压力传感器和一个硅盖帽组成；
其中两个压阻式压力传感器均包括硅应变膜(4-3；4-4)、多个压敏电阻2-2、金属引线2-1和玻璃基底5，其中的硅应变膜为SOI硅片背面经刻蚀形成的背面具有岛(4-1；4-2)和空腔的硅膜，且岛位于空腔6内，所述玻璃基底与所述硅片背面键合密封空腔，所述多个压敏电阻和金属引线形成惠斯登电桥且位于硅应变膜正面，由于硅应变膜受压时，膜片的边缘位置受应力最大，因此压敏电阻(2-2)放置于硅应变膜的边缘并与边缘平行以保证最大的电阻变化率；
为了清楚描述两个压阻式压力传感器的结构区别，本文在相应特征或结构术语前采取“第一、第二”区别表示，在上述结构基础上，两个压阻式压力传感器结构不同的是：
由于施加于第一硅应变膜4-3的准静态压力远小于施加于第二硅应变膜4-4的冲击波压力，因此第一硅应变膜的面积大于第二硅应变膜；同时为便于加工，第一硅应变膜4-3和第二硅应变膜4-4的厚度相同。
第一岛4-1和第二岛4-2具有过载保护作用，当作用于硅应变膜的压力过大时，岛会与玻璃基底接触从而避免了敏感膜片过大的形变，由于第二硅应变膜受到的冲击波压力远大于第一硅应变膜受到的准静态压力，因此第二岛4-2的横截面面积大于第一岛4-1的横截面面积，以保证第二硅应变膜的坚固性，第一岛4-1和第二岛4-2的高度/厚度相同；
第一硅应变膜的正面键合有硅盖帽1-1，该硅盖帽与第一应变膜正面形成容腔，多个第一压敏电阻和金属引线位于容腔底部，容腔顶部硅盖帽的上开设至少一个通孔1-2，图示为的硅盖帽顶部两侧设置有两个通孔1-2，分别沿第一硅应变膜4-3两侧的外边缘设置，第一硅应变膜位于两个通孔之间，冲击波气流不会直接作用于第一硅应变膜，可对第一硅应变膜起到保护作用。
当冲击波压力作用于传感器时，作用于硅盖帽1-1的冲击波压力信号经过通孔1-2和容腔1-3后，频率大于f的高频部分被滤除，使得只有低频的准静态压力信号作用于第一硅应变膜4-3，第一硅应变膜4-3受压力作用后将产生变形，随着膜片的应变，布置于第一硅应变膜4-3的压敏电阻2-2的电阻率会发生变化，从而导致电阻阻值的变化，最终导致惠斯登电桥的输出发生变化，通过测量斯通电桥的输出，可以确定外界准静态压力；第二硅应变膜4-4的工作原理与第一硅应变膜4-3类似，冲击波压力信号直接作用于第二硅应变膜4-4，最终通过测量斯通电桥的输出，可以确定外界冲击波压力的大小；
当冲击波压力通过通孔1-2后，由于管腔效应，具有高频特征的冲击波压力信号将被滤除，而低频的准静态压力信号将作用于第一硅应变膜4-3。优选的方案中，通过合理设计通孔1-2和容腔1-3的体积可以选择滤除大于f的爆炸场冲击波压力信号，其中f满足式(1)；
其中，c为声速，m/s；n为通孔的个数，n≥1；r为通孔的半径，m；A为容腔内底面积，m2；H1为通孔轴向的长度，m；H2为容腔内底部至顶部的高度，m。
在另一些方案中，上述方案中两个的压阻式压力传感器的SOI硅片为一体结构、两个玻璃基底为一体结构。
具体方案中，硅应变膜的形状以及岛的形状可以根据需要选择，常见的为方形或圆形以及圆柱形或方柱形。
具体方案中，压敏电阻的数量为多个，一般为1-5个。
实施例：
在本实施例中，第一硅片与第二硅片为一体硅片，第一玻璃基底与第二玻璃基底为一体玻璃基底，其中SOI硅片使用N型(100)晶面双面抛光SOI硅片、硅盖帽使用N型(100)晶面双面抛光硅片和玻璃基底使用BF33玻璃；
用HF溶液清洗SOI硅片，所述SOI硅片由硅上层2-4、二氧化硅埋层3和硅基底4组成，其中二氧化硅埋层3将硅上层2-4和硅基底4隔离开；
硅盖帽上的通孔数量n为2，通孔为圆孔，其半径r为2.5μm；容腔内底面积A为6.25×10-6m2，通孔的轴向长度H1为120μm，容腔内的高度H2为280μm，f＝740Hz，一般爆炸冲击波压力信号的频率大于1kHz，因此可以滤除频率大于740Hz的高频信号的冲击波压力信号。
该实施例中所有硅应变膜和岛均为正方形，第一硅应变膜4-3边长1750μm、厚度50μm；第二硅应变膜4-4边长1000μm、厚度50μm；第一岛4-1边长500μm、厚度400μm；第二岛4-2边长400μm、厚度400μm；
该实施例中第一硅应变膜4-3与第二硅应变膜4-4相邻两条边之间的距离为1400μm；
参照图6所示，具体制备方法包括以下步骤：
(1)在硅片正面制备多个压敏电阻和金属导线，并形成两个压阻式传感器的惠斯登电桥；
(1.1)在硅上层2-4上表面热氧化生长300nm二氧化硅层2-7，并光刻形成需要掺杂的区域，使用RIE((Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀)工艺刻蚀未被光刻胶保护的二氧化硅层2-7，如图6(a)所示；
(1.2)进行硼离子轻掺杂，形成四个压敏电阻2-2，然后进行退火，保证硼离子杂质浓度均匀分布，并去除二氧化硅层2-7，如图6(b)所示；
(1.3)在硅上层2-4上表面使用LPCVD(Low Pressure Chemical VaporDeposition，低压力化学气相沉积)工艺沉积氮化硅2-3，并光刻、刻蚀氮化硅，形成欧姆接触、金属引线及焊盘区域，如图6(c)所示；
(1.4)在氮化硅层2-3表面光刻，形成欧姆接触、金属引线及焊盘区域，溅射钛(Ti)-铂(Pt)-金(Au)三层金属，通过剥离工艺形成欧姆接触、金属引线及焊盘2-5，形成惠斯登电桥，如图6(d)所示；
(2)在硅片背面光刻和刻蚀空腔和岛：
(2.1)在硅基底4下表面旋涂光刻胶7并光刻，形成传感器背腔需要刻蚀的图形，如图6(e)所示；
(2.2)利用DRIE(Deep Reactive Ion Etching，深反应离子刻蚀)工艺对背腔进行刻蚀，形成第一岛4-1、第二岛4-2、第一硅应变膜4-3以及第二硅应变膜4-4；
(3)将BF33玻璃片5中正面与第一硅应变膜4-3所对应的区域刻蚀4.5μm深，第二硅应变膜4-4所对应的区域刻蚀1μm深；
(4)将BF33玻璃片5正面与硅基底2-4键合，形成真空腔6，如图6(f)所示；
(5)对N型(100)晶面双面抛光硅片进行光刻和刻蚀形成通孔1-2和容腔1-3，将硅盖帽1-1与硅上层2-4表面区域2-6键合，如图6(g)所示，制得该实施例的爆炸场MEMS压阻式压力传感器。
利用COMSOL有限元软件中的固体力学模块对上述实施例的传感器中的第一硅应变膜(4-3)和第二硅应变膜(4-4)的过载能力进行了仿真。
结果参照图7所示，图(a)为第一硅应变膜4-3的应力差与施加压力的关系，第一硅应变膜4-3在该实施例中的设计量程为1MPa，对于本实施例有过载保护的情况下，当施加压力为4MPa时，膜片表面的应力差为458MPa，未达到硅材料的破裂应力，而未进行过载保护时，膜片表面的应力差为953MPa，已超过硅材料的破裂应力；图(b)为第二硅应变膜4-4的应力差与施加压力的关系，第二硅应变膜4-4在该实施例中的设计量程为5MPa，对于本实施例有过载保护的情况下，当施加压力为15MPa时，膜片表面的应力差为445MPa，未达到硅材料的破裂应力，而未进行过载保护时，膜片表面的应力差为937MPa，已超过硅材料的破裂应力。
可见，本发明的压力传感器有效提高了过载能力，第一硅应变膜的过载能力为400％FS，第二硅应变膜的过载能力为300％FS。
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