CN111122026A - 一种压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力传感器，包括圆形的敏感膜片，以及与敏感膜片相接触的四个压阻条，该四个压阻条均位于敏感膜片的边缘区域；其中边缘区域为压力传感器中应力不小于应力峰值的90％所对应的区域。由于敏感膜片呈圆形，使得敏感膜片的边缘区域的应力线性度得到了极大的改善；而当敏感膜片发生形变时，应力主要集中在上述边缘区域中。将压阻条设置在上述边缘区域时，可以有效增加在工作状态时压阻条电阻变化的范围，从而使得压力传感器具有较高的输出电压。

Description

一种压力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种压力传感器。

背景技术

随着近年来科技不断的进步，压阻式压力传感器的应用范围也越来越广泛，相应的在现阶段对于压力传感器的精度以及可靠性具有了更高的要求。

所谓压阻式压力传感器，通常包括设置在衬底表面可以发生形变的敏感膜片，以及与该敏感膜片相接触的压阻条，所述压阻条可以根据敏感膜片形变的变化而使得自身的电阻产生变化。通常情况下在现阶段会在压力传感器中设置四个与敏感膜片相接触的压阻条，该四个压阻条通常会构成一个惠斯通电桥，从而实现对施加在敏感膜片表面压力的测量。

在现阶段，压力传感器的输出电压通常较小，这将导致压力传感器的品质较低。所以如何提高压力传感器的输出电压是本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种压力传感器，具有较高的输出电压。

为解决上述技术问题，本发明提供一种压力传感器，包括：

具有空腔的基板；

位于所述基板表面且跨越所述空腔的圆形敏感膜片；

与所述敏感膜片相接触的四个压阻条；其中，四个所述压阻条分为两个横向压阻和两个纵向压阻，所述压阻条均位于所述敏感膜片的边缘区域；所述边缘区域为所述压力传感器中应力不小于应力峰值的90％所对应的区域；

位于所述基板表面的引线电极；

将所述压阻条与所述引线电极电连接的引线。

可选的，所述纵向压阻跨越所述敏感膜片的边沿。

可选的，所述横向压阻呈直线型，所述纵向压阻呈U型。

可选的，两个所述横向压阻沿所述敏感膜片中心呈中心对称分布；两个所述纵向压阻沿所述敏感膜片中心呈中心对称分布。

可选的，相邻所述压阻条之间的距离相等。

可选的，所述基板为碳化硅基板。

可选的，所述引线电极位于所述基板的边缘。

可选的，所述基板呈正方形，所述引线电极沿所述基板边沿排列。

可选的，所述引线的长度均相等。

可选的，所述压力传感器还包括：

位于所述敏感膜片与所述引线之间的绝缘层。

本发明所提供的一种压力传感器，包括圆形的敏感膜片，以及与敏感膜片相接触的四个压阻条，该四个压阻条均位于敏感膜片的边缘区域；其中边缘区域为压力传感器中应力不小于应力峰值的90％所对应的区域。由于敏感膜片呈圆形，使得敏感膜片的边缘区域的应力线性度得到了极大的改善；而当敏感膜片发生形变时，应力主要集中在上述边缘区域中。将压阻条设置在上述边缘区域时，可以有效增加在工作状态时压阻条电阻变化的范围，从而使得压力传感器具有较高的输出电压。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种压力传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种具体的压力传感器的结构示意图。

图中：1.基板、2.敏感膜片、3.压阻条、31.横向压阻、32.纵向压阻、4.引线电极、5.引线。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种压力传感器。在现有技术中，压力传感器中的敏感膜片通常为方形的敏感膜片，而方形敏感膜片边缘区域的应力线性度很差，为了保证压力传感器的性能，只能将压阻条设置在敏感膜靠近中心的区域，从而导致压力传感器的输出电压较低。

而本发明所提供的一种压力传感器，包括圆形的敏感膜片，以及与敏感膜片相接触的四个压阻条，该四个压阻条均位于敏感膜片的边缘区域；其中边缘区域为压力传感器中应力不小于应力峰值的90％所对应的区域。由于敏感膜片呈圆形，使得敏感膜片的边缘区域的应力线性度得到了极大的改善；而当敏感膜片发生形变时，应力主要集中在上述边缘区域中。将压阻条设置在上述边缘区域时，可以有效增加在工作状态时压阻条电阻变化的范围，从而使得压力传感器具有较高的输出电压。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种压力传感器的结构示意图。

参见图1，在本发明实施例中，所述压力传感器包括具有空腔的基板1；位于所述基板1表面且跨越所述空腔的圆形敏感膜片2；与所述敏感膜片2相接触的四个压阻条3；其中，四个所述压阻条3分为两个横向压阻31和两个纵向压阻32，所述压阻条3均位于所述敏感膜片2的边缘区域；所述边缘区域为所述压力传感器中应力不小于应力峰值的90％所对应的区域；位于基板1表面的引线电极4；将所述压阻条3与所述引线电极4电连接的引线5。

上述基板1在本发明实施例中可以为硅基(Si)基板1或其他材质的基板1，有关基板1的具体材质将在下述内容中做详细介绍，在此不再进行赘述。在基板1的表面设置有一空腔，在基板1的表面设置有跨越该空腔的敏感膜片2。上述敏感膜片2为主要发生形变的膜层，该敏感膜片2通常覆盖上述空腔的开口，所述敏感膜片2的材质通常需要与基板1的材质相匹配。由于上述敏感膜片2跨越上述空腔，当外界压力施加在敏感膜片2表面时，会引起敏感膜片2发生形变，在敏感膜片2中施加应力。

本发明实施例所提供的压力传感器设置有四个压阻条3，该四个压阻条3会构成一个惠斯通电桥。通常情况下，上述四个压阻条3均与敏感膜片2直接接触。在工作状态时，上述敏感膜片2所发生的形变会引起压阻条3发生形变，而压阻条3根据自身形变的变化会引起自身电阻产生变化。

上述四个压阻条3分为两个横向压阻31以及两个纵向压阻32，其中横向压阻31为压阻条3电流方向与所处位置主应力方向垂直的压阻；纵向压阻32为阻条电流方向与所处位置主应力方向平行的压阻。其中，上述主应力方向通常为敏感膜片2中心指向该压阻条3的方向。上述两个横向压阻31以及两个纵向压阻32可以构成一个惠斯通电桥，以对施加在敏感膜片2表面的压力进行测量。有关惠斯通电桥具体的工作原理可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

需要说明的是，在本发明实施例中，所述敏感膜片2呈圆形。相比于现有技术中呈方形的敏感膜片2，将敏感膜片2设置成圆形可以明显改善敏感膜片2边缘处的应力线性度且降低敏感膜片2边缘处的应力集中度，而应力集中度高在使用过程中容易导致敏感膜片2发生破损而影响使用。将敏感膜片2设置成圆形可以提高压力传感器的综合性能以及增加应力传感器的寿命。

在本发明实施例中，所述压阻条3均位于所述敏感膜片2的边缘区域；所述边缘区域为所述压力传感器中应力不小于应力峰值的90％所对应的区域。

在本发明实施例中，对于圆形敏感膜片2来说，当敏感膜片2发生形变时，其应力主要集中在敏感膜片2的边缘，其应力峰值通常为敏感膜片2的边沿。上述应力分布可以通过有限元分析工具根据敏感膜片2的厚度等参数计算得到，而压力传感器中应力不小于应力峰值的90％所对应的区域根据实际情况的不同会有不同的范围。通常情况下，对于圆形敏感膜片2来说，上述边缘区域通常呈圆环形，且包括敏感膜片2的边沿。

需要说明的是，上述边缘区域不仅仅是分布在敏感膜片2表面，也会延伸至与敏感膜片2边沿相接触的部分基板1表面，因为敏感膜片2发生形变的应力也会传递至基板1表面。在本发明实施例中，上述边缘区域呈一个宽度为20μm的圆环，其中敏感膜片2边沿位于上述边缘区域的边界之间。

需要说明的是，通常情况下应力在基板1中的衰减会大于应力在敏感膜片2中的衰减，相应的上述边缘区域外边界与敏感膜片2边沿之间的距离会小于边缘区域内边界与敏感膜片2边沿之间的距离。可以理解的是，由于敏感膜片2形变的应力会传递到基板1中，则在本发明实施例中压阻条3也可以不直接与敏感膜片2相接触，但是需要压阻条3可以根据敏感膜片2发生形变的同时自身也发生形变。

在本发明实施例中，在基板1表面未设置上述敏感膜片2的区域通常设置有引线电极4，而上述引线电极4通常与上述压力传感器中建立的惠斯通电桥相对应。即在本发明实施例中通常会在基板1表面设置五个引线电极4，上述引线电极4即压力传感器与其他部件相互电连接的连接点。有关引线电极4的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

上述压阻条3与引线电极4之间设置有引线5，该引线5负责将引线电极4与对应的压阻条3相互电连接。有关该引线5的具体材质可以参考现有技术，在此不再进行赘述。通常情况下，上述引线5会覆盖一部分敏感膜片2，而在敏感膜片2表面不与压阻条3相接触的区域通常设置有绝缘层，而上述引线5会设置在绝缘层表面，即引线5与敏感膜片2之间通常设置有绝缘层，以避免引线5与敏感膜片2之间直接形成回路而不经过上述压阻条3。有关该绝缘层的具体材质可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

本发明实施例做提供的一种压力传感器，包括圆形的敏感膜片2，以及与敏感膜片2相接触的四个压阻条3，该四个压阻条3均位于敏感膜片2的边缘区域；其中边缘区域为压力传感器中应力不小于应力峰值的90％所对应的区域。由于敏感膜片2呈圆形，使得敏感膜片2的边缘区域的应力线性度得到了极大的改善；而当敏感膜片2发生形变时，应力主要集中在上述边缘区域中。将压阻条3设置在上述边缘区域时，可以有效增加在工作状态时压阻条3电阻变化的范围，从而使得压力传感器具有较高的输出电压。

有关本发明所提供的一种压力传感器的具体结构将在下述发明实施例中做详细介绍。

请参考图2，图2为本发明实施例所提供的一种具体的压力传感器的结构示意图。

区别于上述发明实施例，本发明实施例是在上述发明实施例的基础上，进一步的对压力传感器的结构进行具体限定。其余内容已在上述发明实施例中进行了详细介绍，在此不再进行赘述。

参见图2，在本发明实施例中，所述基板1具体为碳化硅基板1。相比于现有技术中的硅基基板1，碳化硅(SiC)具有更加优异的物理化学特性，例如在高温(500℃以上)、强腐蚀、强辐射等恶劣环境下具有更高的稳定性，使得设置有碳化硅基板1的压力传感器可以在恶劣环境下进行工作。更具体的，在本发明实施例中可以选用4H-SiC基板1作为压力传感器中的基板1。4H-SiC作为SiC的一种多型体，其成本较低且可以有效形成晶锭状态，从而制作成上述基板1。

需要说明的是，当基板1为4H-SiC基板1时，相应的上述敏感膜片2的材质通常也为4H-SiC。还需要说明的是，由于4H-SiC的晶圆表面(即[0001]硅面)是各向同性的，这就为各种设计需求提供了良好条件，在设计时可以灵活的调整敏感膜片2表面压阻条3的位置而不会导致压力传感器失效。

在本发明实施例中，为了尽可能的提高压力传感器的输出电压，所述纵向压阻32可以跨越所述敏感膜片2的边沿。通常情况下，压阻条3需要与敏感膜片2相接触，但是压阻条3不需要完全设置在敏感膜片2表面，而是可以仅仅部分设置在敏感膜片2表面。在本发明实施例中，纵向压阻32跨越敏感膜片2边沿设置，即纵向压阻32的一端位于敏感膜片2表面的上述边缘区域，而纵向压阻32的另一端位于基板1表面的上述边缘区域，使得纵向压阻32会覆盖敏感膜片2的边沿。由于当敏感膜片2发生形变时，其因应力的最大值位于敏感膜片2的边沿，使纵向压阻32跨越敏感膜片2的边沿可以使得纵向压阻32的形变对应敏感膜片2应力的最大值，从而尽可能的提高压力传感器的输出电压。

需要说明的是，由于边缘区域外边界与敏感膜片2边沿之间的距离会小于边缘区域内边界与敏感膜片2边沿之间的距离，相应的上述纵向压阻32位于敏感膜片2表面的长度通常会大于纵向压阻32位于基板1表面的长度。而上述横向压阻31通常整体位于敏感膜片2表面的边缘区域，横向压阻31与敏感膜片2边沿之间距离的最大值通常在10μm左右。

在本发明实施例中，为了设计引线5的方便，同时为了减少压阻条3的应力跨度，上述横向压阻31通常呈直线型，所述纵向压阻32通常呈U型。所谓U型压阻条3，即两个相互平行且长度较短的压阻条3中，两个相对的端部通过引线5相互电连接而构成的压阻条3。由于通常情况下敏感膜片2的应力是沿敏感膜片2半径分布，将横向压阻31设计为直线型，并将纵向压阻32设计为U型可以有效降低压阻条3的应力跨度。

在本发明实施例中，为了保证压力传感器整体的性能以及测量精度，两个所述横向压阻31沿所述敏感膜片2中心呈中心对称分布；两个所述纵向压阻32沿所述敏感膜片2中心呈中心对称分布；且相邻所述压阻条3之间的距离相等。

将压阻条3按照上述方式设置可以保证任意横向压阻31或纵向压阻32所处的环境基本一致，从而保证压力传感器整体的性能以及测量精度。需要说明的是，上述横向压阻31与纵向压阻32之间具有相邻的关系，而两个横向压阻31以及两个纵向压阻32之间不具有相邻的关系，仅具有相对的关系，关于敏感膜片2中心相对。

在本发明实施例中，为了便于其他部件与压力传感器电连接，同时为了避免引线电极4对敏感膜片2造成干扰，上述引线电极4通常位于所述基板1的边缘。可以理解的是，上述空腔以及跨越该空腔的敏感膜片2通常设置于基板1的中心。通常情况下基板1呈正方形，为了进一步便于其他部件与压力传感器电连接，在本发明实施例中所述引线电极4沿所述基板1边沿排列，以便引线电极4与敏感膜片2之间具有足够距离的同时，使得引线电极4四周具有足够的空间可以与其他器件相互电连接。

由于压力传感器的本质是通过对压阻条3电阻值的变化进行测量从而实现对压力的检测，为了减少引线5自身的电阻对压力传感器测量精度造成影响，作为优选的，在本发明实施例中可以将所述引线5的长度设置的均相等，从而排除引线5自身电阻值的差异对压力传感器测量精度的影响。

本发明实施例所提供的一种压力传感器，通过使用碳化硅基板1使得压力传感器可以在恶劣环境下进行工作；通过将纵向压阻32跨越敏感膜片2边沿设置可以有效增加压力传感器的输出电压；通过将横向压阻31设计为直线型，并将纵向压阻32设计为U型可以有效降低压阻条3的应力跨度；通过将引线5的长度设置为同一定值可以排除引线5自身电阻值的差异对压力传感器测量精度的影响。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种压力传感器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种压力传感器，其特征在于，包括：

具有空腔的基板；

位于所述基板表面且跨越所述空腔的圆形敏感膜片；

与所述敏感膜片相接触的四个压阻条；其中，四个所述压阻条分为两个横向压阻和两个纵向压阻，所述压阻条均位于所述敏感膜片的边缘区域；所述边缘区域为所述压力传感器中应力不小于应力峰值的90％所对应的区域；

位于所述基板表面的引线电极；

将所述压阻条与所述引线电极电连接的引线。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述纵向压阻跨越所述敏感膜片的边沿。

3.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述横向压阻呈直线型，所述纵向压阻呈U型。

4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，两个所述横向压阻沿所述敏感膜片中心呈中心对称分布；两个所述纵向压阻沿所述敏感膜片中心呈中心对称分布。

5.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，相邻所述压阻条之间的距离相等。

6.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述基板为碳化硅基板。

7.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述引线电极位于所述基板的边缘。

8.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于，所述基板呈正方形，所述引线电极沿所述基板边沿排列。

9.根据权利要求8所述的压力传感器，其特征在于，所述引线的长度均相等。

10.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器还包括：

位于所述敏感膜片与所述引线之间的绝缘层。

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