一种用于高空探测的微压传感器

1.本实用新型涉及一种用于高空探测的微压传感器，属于传感器技术领域。


背景技术：

2.随着全球范围内高空探测技术的日益发展，人们对于高空气象参数探测的需求在日益扩大。高空大气压力作为一种重要的气象参数，是微压探测领域的重要测量对象。传统的用于高空微压探测的压力传感器一般只能准确测量30千米以下的大气气压数据，而随着实际应用中对于30～100千米气压探测的需求不断上升，传统的气压传感器受限于体掺杂硅材料的一些自身特性，其灵敏度很难上升，因而当前市场上迫切需要一款超高灵敏度的用于高空微压探测的压力传感器。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于高空探测的微压传感器，以解决现有技术中用于高空探测的传统气压传感器灵敏度低的技术问题。
4.为解决上述技术问题，本实用新型是采用下述方案实现的：
5.一种用于高空探测的微压传感器，包括soi衬底硅片，所述soi衬底硅片上刻蚀有梁-岛应力增强结构、八个硅铝异质结构电阻和方形硅结构；
6.所述梁-岛应力增强结构包括四个对称连接的矩形梁和一个正方形中心岛；所述硅铝异质结构电阻设置在所述梁-岛应力增强结构周围；
7.所述方形硅结构中设有两个pnp三极管，八个所述硅铝异质结构电阻与两个所述pnp三极管电连接，作为两个所述pnp三极管的基极、发射极和集电极电阻，构成差分放大电路。
8.优选的，八个所述硅铝异质结构电阻分别记为r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7和r8，两个所述pnp三极管分别记为p1和p2，三极管p1的集电极接到r2的一端，r2的另一端接到电源-vcc,p1的基极接到r1和r3的一端，r1的另一端接到电源-vcc,r3的另一端接到地，p1的发射极接到r4的另一端，r4的另一端接到地；p2的集电极接到r5的一端，r5的另一端接到电源-vcc，p2的基极接到电阻r6和r8的一端，r6的另一端接到电源-vcc，r8的另一端接到地，p2的发射极接到r7的一端，r7的另一端接到地。
9.优选的，所述差分放大电路对称布置在所述soi衬底硅片的两端。
10.优选的，所述差分放大电路的两端均为分压偏置电路。
11.优选的，所述soi衬底硅片底部蚀刻有凹型槽结构，所述凹槽性结构中还蚀刻有中心质量聚集结构，并与底部玻璃衬底构成压力腔，所述玻璃衬底与所述soi衬底硅片固定连接。
12.优选的，所述r1、r4、r5、r8位于具有梁-岛应力增强结构的应力薄膜上方，所述r2、r3、r6、r7和两个所述pnp三极管位于具有梁-岛应力增强结构的应力薄膜外侧。
13.与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果是：
14.1.本实用新型应力增强结构由梁-岛结构组成，可在硅铝异质结构位置上产生更高的应力。应力增强结构结合差分放大电路，将灵敏度提升了两个数量级，有利于50至100千米高度超微压测量。
15.2.本实用新型中的电阻采用硅铝异质结构的电阻，提高了信噪比，电路结构采用差分放大结构，减少了温度对于电路输出的影响，增强了传感器的抗干扰能力。
16.3.本实用新型将压力传感器的电阻作为差分电路的基极，发射极和集电极电阻，利用单片集成节省了材料成本，显著提高了集成度。
附图说明
17.图1是本实用新型实施例提供一种用于高空探测的微压传感器的电路原理图；
18.图2是本实用新型实施例提供一种用于高空探测的微压传感器的侧视图；
19.图3是本实用新型实施例提供一种用于高空探测的微压传感器的俯视图；
20.其中，附图标记为：1、玻璃衬底；2、第一压力腔；3、第二压力腔；4、p型硅衬底；5、pnp双极性三极晶体管p1；6、pnp双极性三极晶体管p2；5-1、晶体管p1的集电极；5-2、晶体管p1的基极；5-3、晶体管p1的发射极；6-1、晶体管p2的集电极；6-2、晶体管p2的基极；6-3、晶体管p2的发射极；7-1至7-8为长方形掺杂硅压阻条；8-1至8-8为长方形铝条；9-1至9-26均为电路的连接点；10、电阻r2；11、电阻r4；12、电阻r1；13、电阻r3；14、电阻r7；15、电阻r8；16、电阻r5；17、电阻r6；18、二氧化硅绝缘层；19-1至19-16为硅铝异质结构的电极端子；20、梁-岛应力增强结构。20-1至20-4和20-6至20-9为梁-岛应力增强结构中的梁，20-5和20-10为梁-岛应力增强结构中的岛。
具体实施方式
21.下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
22.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
23.本实用新型的用于高空检测的微压传感器，该传感器包括两个双极性pnp三极管、八个硅铝异质结构电阻以及电源线、地线和恒流源。该结构使用soi硅片作为主材料，衬底硅片的底部经过光刻，刻蚀等步骤形成一个凹型槽结构和一个中心质量聚集结构，并与底部的玻璃结构结合形成参考压力腔即第一压力腔2和第二压力腔3，压力腔上方为微压传感器的应力薄膜，在它的二氧化硅层上方本征器件硅层刻蚀出梁-岛应力增强结构和用于制作两个pnp三极管的方形硅结构。梁-岛应力增强结构由四个矩形梁对称连接一个正方形的中心岛构成，它位于应力薄膜上。在绝缘二氧化硅层18上通过光刻刻蚀淀积等技术构造出八个硅铝异质结构电阻，这些电阻作为应力薄膜外围的两个pnp三极管基极、发射极和集电极电阻，它们中的四个可以感知外部压力的变化，将压力信号转换为电压信号输入到两个pnp三极管形成的差分放大电路之中，进一步放大信号，并通过输出电压的变化体现出来。
两个方形硅结构通过三次离子注入形成两个pnp三极管，其中有四个硅铝异质结构(即r1,r4,r5,r8)位于具有梁-岛应力增强结构的应力薄膜上方，可以捕捉到薄膜因为外部压力变化产生的应变，两个pnp三极管和其余四个硅铝异质结构(即r2,r3,r7,r6)位于具有梁-岛应力增强结构的应力薄膜的外侧。梁-岛应力增强结构可以提升硅铝异质结构的应力，在同样的外部压力下，这种应力增强结构可以放大应力，从而提升传感器的灵敏度。在该电路中，由于压力的变化引起电阻的变化，进而引起输出电压的变化，由于电阻受外部压力变化较为明显，并通过差分放大电路的进一步放大，使得外部气压的变化通过输出电压显示出来十分明显，可以达到两个数量级的放大。
24.e型硅杯中间的凸起的中心质量聚集结构可以在外部压力过大时起到保护传感器的功能，防止应力薄膜结构的损坏，
25.其中，该差分放大电路可以将硅铝异质结构电阻引起的电压变化进行放大，并且该电路呈对称结构，具有高共模抑制比和低温漂的特性。而电路中的八个电阻均为硅铝异质结构，它们受温度影响电阻都会发生变化，因此温度对于电路输出电压的影响被抵消，温度对于电路的影响可以忽略不计。
26.参考图1，电路具体连接如下，三极管p1的集电极接到r2的一端，r2的另一端接到电源-vcc,p1的基极接到r1和r3的一端，r1的另一端接到电源-vcc,r3的另一端接到地，p1的发射极接到r4的另一端，r4的另一端接到地，同理，p2的集电极接到r5的一端，r5的另一端接到电源-vcc，p2的基极接到电阻r6和r8的一端，r6的另一端接到电源-vcc，r8的另一端接到地，p2的发射极接到r7的一端，r7的另一端接到地。电路两端对称，组成差分放大的电路，将外部压力引起的电阻阻值变化对于电路的影响进一步放大，并通过输出端的电压差值体现出来。其中电路的两个组成部分各自都为分压偏置电路，可以起到稳定静态工作点的功能。
27.参考图2：各传感器单元包括由下至上依次叠置的玻璃基底1，硅底层4和绝缘二氧化硅层18，硅底层下部设有凹槽，绝缘二氧化硅层18上设有梁-岛应力增强结构20，八个硅铝异质结构(10至17)和两个pnp双极三极管(5和6)，其中凹槽压力腔上方的部分即传感器的应力薄膜，梁-岛应力增强结构20中设有四个矩形梁(20-1至20-4)(左侧)、(20-6至20-9)(右侧)和一个正方形中心岛20-5(左侧)、20-10(右侧)，四个矩形梁对称连接正方形的中心岛。两个pnp三极管位于应力薄膜外部。位于具有梁-岛应力增强结构的应力薄膜上方的四个硅铝异质结构电阻分别引出电极端子9-3，9-4，9-5，9-6，9-11，9-12，9-13，9-14，位于应力薄膜外侧的四个硅铝异质结构电阻分别引出电极端子9-1,9-2,9-7,9-8,9-9，9-10,9-15,9-16，它们左右的两个pnp三极管引出电极端子9-17至9-21。
28.参考图3，实际电路的电气连接为：恒流源的一端接入到电阻(r4)11的端子，按顺时针方向，从6点方向处的传感单元开始，使前一传感单元的其中一个电源电极与后一传感单元的其中一个电源电极相连，最后将6点方向上的电阻的一个未被连接的端子与3点处一个为被连接的端子通过与该电极上相连的电路连接点9-23和9-24连接至恒流源，同理，右侧部分，按顺时针方向，从6点方向处的传感单元开始，使前一传感单元的其中一个电源电极与后一传感单元的其中一个电源电极相连，最后将6点方向上的电阻的一个未被连接的端子与3点处一个为被连接的端子通过与该电极上相连的电路连接点9-25和9-26连接至恒流源，电阻12(r1)的一端9-5连接至pnp三极管5的9-18(基极)，其9-6端连接至电源vcc，其
值为-5v。电阻(r3)13的一端9-7连接至pnp三极管12的9-18(基极)，其另一端9-8连接至地，电阻10(r2)的一端9-1连接至三极管12的9-17(集电极)，其另一端9-2连接至电源vcc，电阻11(r4)的一端9-3连接至三极管12的9-19端(发射极)。电阻11(r4)的另一端9-4连接至地。电阻16(r5)的一端9-13连接至pnp三极管6的9-20(集电极)，其9-14端连接至电源vcc，其值为-5v。电阻14(r7)的一端9-15连接至pnp三极管13的9-20(发射极)，其另一端9-16连接至地，电阻14(r6)的一端9-9连接至三极管6的9-21(基极)，其另一端9-10连接至电源vcc，电阻15(r8)的一端9-12连接至三极管6的9-21端(基极)。电阻15(r8)的一端9-11连接至地。
29.综上所述，该实用新型满足了微压探测领域对于灵敏度的要求，并且该电路具有良好的共模抑制比和抑制温漂特性，可以满足实际应用对于压力探测的需求，将灵敏度提升了两个数量级，有利于50至100千米高度超微压测量；电阻采用硅铝异质结构的电阻，提高了信噪比，电路结构采用差分放大结构，减少了温度对于电路输出的影响，增强了传感器的抗干扰能力；将压力传感器的电阻作为差分电路的基极，发射极和集电极电阻，利用单片集成节省了材料成本，显著提高了集成度。
30.上述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。