[发明专利]一种机载航空高灵敏度输出压力芯片及其制备方法

说明书

本发明涉及机载航空MEMS硅压阻式压力传感器技术领域，具体涉及一种高灵敏度输出压力芯片及其制备方法。本发明设计了一种梁膜一体E型结构可动膜片并进行了试验验证，通过理论计算确定了可动膜片主要结构尺寸，确保传感器的线性输出及抗过载能力，本发明所提出的传感器能够对5kPa的压力进行测量，并具有高灵敏度、高线性度、高温稳定性等特点，同时本发明所提出的制备方法具有工艺简单、成本低廉、易于批量生产的优点。

技术领域

本发明涉及机载航空MEMS硅压阻式压力传感器技术领域，具体涉及一种 高灵敏度输出压力芯片及其制备方法。

背景技术

近年来，微机电系统(Micro electro mechanical system,MEMS)发展 日趋成熟，MEMS集微型传感器、致动器以及信号处理和控制电路、接口电路、 通信和电源于一体，具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生 产等诸多优点，已在航空航天领域得到广泛的应用，并被专门定义为 “AeroMEMS”。随着我国航空发动机研究的自主化，尤其在C919大型客机完成 首飞之后，军机和民机均对航空发动机提出了新的需求。而伴随着下一代飞机 对发动机高机动性、大推力等性能要求，动态温度、压力、转速等参数测试的 准确、快速、可靠必然成为未来的发展方向，与之相应配套高精度、耐高温、 高可靠性、长寿命的高端传感器也是十分迫切的。

压力传感器作为MEMS传感器的一个重要分支，在航空航天、兵器工业、 石化冶金等领域都有着广泛的应用。虽然经过的多年的发展，我国在压力传感 器领域取得了长足的进步，但是在高端压力传感器，尤其是耐温超过200℃、 全温区精度在1％FS以下、高可靠性长寿命的压力芯片研制方面，还不能完全 国产化，短时间内还无法做到自主可控。高端压力传感器研发制造不仅体现着 一个国家的整体工业水平，同时也是制约高端装备向高精密高可靠方向发展的 关键因素。在耐高温压力传感器芯片研究领域，我国一直在走测绘、引进之路， 2000年以前从俄罗斯引进膜片膜盒、蓝宝石衬底的技术路线，2000年以后从 美国、欧洲学习扩散硅技术路线，并利用外企在华建厂之后的人才、设备及供 应链等资源，逐渐发展起我国的航发配套压力传感器方面的能力。

压力传感器的关键结构为芯片敏感膜片，四个压敏电阻分布在膜片应力集 中位置，形成惠斯通电桥将应力转换为电学信号输出。在相同的压力下，膜片 局部应力集中程度越高，压敏电阻感受到的拉压应力越多，传感器的灵敏度指 标就越高。同时，为避免传感器非线性误差随着灵敏度的增加而增加，需要降 低敏感膜片中心的应变，这就需要增加膜片局部位置的刚性，限制膜片中心处 的位移过大。由于硅压阻系数与温度呈负相关，因此压力传感器的输出会与温 度的升高成反比关系，当温度过高时，会出现PN结击穿导致传感器失效。

发明内容

发明目的：为解决上述压力传感器的技术难点，本发明的目的在于提供一 种新型压力传感器芯片及并介绍其关键制备工艺，传感器能够对5kPa压力进 行测量，并具有高灵敏度、高线性度、高温稳定性等特点，同时制备工艺简单、 成本低廉、易于批量生产。

技术方案：本发明设计了一种梁膜一体E型结构可动膜片并进行了试验验 证，通过理论计算确定了可动膜片主要结构尺寸，确保传感器的线性输出及抗 过载能力，本发明的具体技术方案如下。

本发明提出一种机载航空高灵敏度输出压力芯片，包括基底、应变膜、质 量块、短臂梁、压敏电阻条和单晶硅片，所述基底中心设置应变膜，短梁臂固 定于应变膜的上表面，所述短梁臂的尾部与基底固定连接，所述短梁臂与基底 连接处设置有压敏电阻；所述质量块固定于应变膜下表面的中心位置，所述基 底、应变膜和质量块由一个整体SOI硅片加工制成；所述单晶硅片与基底的底 部平面硅-硅真空键合。

优选的，所述基底由四个形状尺寸相同的基底条顺次连接组成，所述短臂 梁为四个，分别垂直固定于每个基底条的中心，压敏电阻条包括两个一形电阻 条和两个M形电阻条，分别设置于每个短臂梁和基底条的连接处，相邻的两个 电阻条形状不同。