基于抗过载结构的防异物防破损压力传感器的制作方法

1.本实用新型涉及压力传感器技术领域，具体的说，涉及了一种基于抗过载结构的防异物防破损压力传感器。


背景技术：

2.压力传感器在实际应用中，通常处于非静态状态测量，经常会发生超量程甚至是超高过载的情况，尤其是在工业控制、汽车电子、石油勘探等测量环境恶劣的应用场景中。经常出现mems压阻式压力传感器敏感膜，由于高过载而发生形变过大破裂、与底层或顶层空腔硅结构粘连无法有效恢复等失效情况，严重降低了传感器应用可靠性，极端情况甚至出现更加严重的后果。
3.经分析普遍认为发生压力传感器敏感膜破裂主要由以下几个方面产生：
4.（1）敏感膜超载形变过大，超过结构破损应力极限，导致破裂；
5.（2）进气速度较快，且进气分布不均匀，导致敏感膜局部小区域与大部分区域形变不一致产生的机械破损；
6.（3）由于压力传感器在使用过程中出现敏感膜落入异物的情况，且由于静电吸附的原因很难自行掉落，导致敏感膜测压形变过程中破损，异物包含但不限于灰尘、残胶、锡珠等。
7.为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种基于抗过载结构的防异物防破损压力传感器。
9.为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于抗过载结构的防异物防破损压力传感器，包括敏感膜以及位于所述敏感膜上的应变电阻和电极，所述电极连接所述应变电阻的输出端，以传输检测信号，还包括位于所述敏感膜下方的硅衬底，以及位于所述敏感膜上方的保护盖；
10.所述硅衬底开设凹槽，所述凹槽底部设置有第一防粘连结构；
11.所述保护盖均匀开设若干第一进气孔，用于防止所述敏感膜局部形变异常。
12.本实用新型的有益效果为：
13.1）本实用新型提出了一种基于抗过载结构的防异物防破损压力传感器，所述硅衬底凹槽底部设置的第一防粘连结构，能够减少敏感膜与所述硅衬底的接触面积，有效防止压力传感器的敏感膜因超高过载导致的损坏、破裂、过度形变等失效；
14.另外，本实用新型还对进气方式进行改进，通过在保护盖均匀布设的进气孔来调节气流走向，使之均匀进入检测腔体内，保证敏感膜的形变均匀性和受力平衡；
15.2）所述保护盖的内壁顶部还设置第二防粘连结构，与所述硅衬底凹槽底部设置的第一防粘连结构，形成双臂防粘连结构；
16.3）保护盖均匀布设的第一进气孔还能够过滤相对较大颗粒，在敏感膜外围形成气孔保护层，进行异物防控保护。
附图说明
17.图1是本实用新型的结构示意图；
18.图2是敏感膜形变后的结构示意图；
19.图3和图4是单进气孔的压力传感器的结构示意图；
20.图5是本实用新型的硅衬底的结构示意图；
21.图6是本实用新型的保护盖的俯视图。
22.图中：1.保护盖；2.硅衬底；3.敏感膜；4.保护层；5.电极；6.应变电阻； 11.第一进气孔；12.第二进气孔；21.第一防粘连结构。
具体实施方式
23.下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
24.实施例1
25.如附图1和附图2所示，一种基于抗过载结构的防异物防破损压力传感器，它包括敏感膜3以及位于所述敏感膜3上的应变电阻6和电极5，所述电极5连接所述应变电阻6的输出端，以传输检测信号，还包括位于所述敏感膜3下方的硅衬底2，以及位于所述敏感膜3上方的保护盖1；
26.如附图5所示，所述硅衬底2开设凹槽，所述凹槽底部设置有第一防粘连结构21；
27.如附图6所示，所述保护盖1均匀开设若干第一进气孔11，用于防止所述敏感膜3局部形变异常。
28.由于微机械工艺的特大，敏感膜通常制作的非常薄，且均有足够的刚性强度，如附图3和附图4所示，由于防异物的考虑通常会在保护盖边缘开一个较大的第二进气孔12，由于进气孔位置及形状设置，在实际应用中，会出现进气偏向的情况；进气偏向会导致敏感膜局部形变异常，使得敏感膜变形不对称，敏感膜变形不对称致使敏感膜更易破损，这就导致了在使用过程中气压的进气状态对压力传感器的寿命影响巨大；然而，理论中的均匀气场在实际应用中很难出现，大部分都是快速动态且分布不均匀的冲击气流状态；因此，进气偏向导致的敏感膜破裂一直是压力传感器在设计和使用中需要考虑的重要问题；
29.通过附图2和附图3对比可知，本实用新型通过采用均匀分布在保护盖上的第一进气孔11，来调节进气方式，第一进气孔11均匀分布于敏感膜3的正上方，遍及整个保护盖内壁顶部，且单个第一进气孔11设计成狭窄通道，当气流偏向进入压力传感器的封装壳体时，通过保护盖的第一进气孔11可以调节气流走向，使之均匀进入敏感膜上方的空腔，保证敏感膜的形变均匀性和受力平衡。
30.具体的，所述第一进气孔11的尺寸为5μm至50μm。
31.需要说明的是，在压力传感器的设计中，通常会在封装后的壳体中增加防异物装置，包括传统的防尘网、防水透气膜、防尘通道等，但由于封装结构件尺寸都较大，很难起到很好地防细小颗粒进入检测腔的作用；本实用新型通过设置保护盖的第一进气孔尺寸，可以有效起到防细小颗粒等异物的作用，从而起到保护敏感膜的作用。
32.具体的，所述第一防粘连结构21为凸点结构、沟槽结构或者隔栅结构等镂空形状，都起到防粘连效果。需要说明的是，本实施例通过特殊的防粘连结构设计，该防粘连结构分布在硅衬底2的底部空腔内部的底层区域，能够有效避免发生压力传感器的敏感膜因动态过载或突发超大过载，导致敏感膜发生过度形变而机械结构受损的情况，通过设置第一防粘连结构的位置和布局，当敏感膜发生较大形变时，甚至与底部硅层（硅衬底2的凹槽）接触时，由于第一防粘连结构周围为镂空结构，能够有效防止压力传感器敏感膜因过载导致敏感膜形变与底部硅平层粘连的情况发生。
33.另外，通过仿真设计确定凸点位置，既保证防粘连的同时，也可极大的降低工艺难度；
34.在一种具体实施方式中，所述敏感膜3由顶硅减薄形成，所述敏感膜3上方还设置有保护层4；四个所述应变电阻6形成惠斯顿电桥，所述敏感膜3形变改变惠斯顿电桥的阻值，惠斯顿电桥产生与压力成比例的输出信号作为检测信号。
35.实施例2
36.本实施例与实施例1的区别在于：所述保护盖1相对于所述敏感膜3的内壁上设置有第二防粘连结构。
37.具体的，所述第二防粘连结构为凸点结构、沟槽结构或者隔栅结构等镂空形状，均可起到防粘连效果。
38.需要说明的是，所述保护盖1的内壁顶部还设置第二防粘连结构，所述第二防粘连结构与所述硅衬底凹槽底部设置的第一防粘连结构，形成双臂防粘连结构，实现了双向变形的防粘连效果，有效地保护了压力传感器核心敏感单元（敏感膜），防止敏感膜因与上下硅层因过载形变导致的粘连，防止失效发生；因此，在气压测量过程中包括正向过载粘连和反向过载粘连的不稳定性，都可通过双臂防粘连结构进行保护。
39.另外，通过第一防粘连结构21和第二防粘连结构的高度调整，能够有效对敏感膜形变距离、活动范围进行限位，使得压力传感器具备机械限位功能，提供过载保护；防止敏感膜过大形变，同时，通过兼顾凸点的密度与排布，可以形成支持敏感膜形变的阵列刚度。
40.在超高过载发生状态下，敏感膜发生过大形变，会产生破损、撕裂等情况，或者出现无法正常回位的刚性损伤，本实施例给出的双臂防粘连结构，能够有效防止压力传感器敏感膜因超高过载导致的损坏、破裂、过度形变等失效，极大提高了压力传感器在恶劣动态环境测量中的可靠性和使用寿命。
41.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。