一种差压传感器及其制备方法

本发明涉及差压传感器，特别是涉及一种差压传感器及其制备方法。

背景技术：

1、航行器的精准流场分析与姿态控制需要其对于周围流场环境的压力、流速等信息进行高灵敏、宽量程、高动态的感知，从而提高航行器的复杂环境感知能力与智能化水平。其中实现流场压力信息感知的传感器，目前主要包括电容式压力传感器和压阻式压力传感器。

2、电容式压力传感器基于电容变化来感知压力变化，其结构通常包括一个压力腔以及位于压力腔上方和下方的两个平行电极板，应变膜在受到压力时发生形变，从而导致两个电极间距的变化，引起电容的变化，从而实现对压力的感知。但电容式压力传感器在抗电磁干扰与寄生电容干扰等方面有所欠缺，因为电容式压力传感器的初始电容量很小，但连接传感器和电子线路的引线电缆电容、电子线路的杂散电容以及电容极板与周围导体构成的电容等寄生电容却较大，这些寄生电容不仅降低了测量的灵敏度，还会使传感器处于不稳定的工作状态，从而影响测量准确度，因此极难应用于航行器流场感知这类复杂工作环境中。

3、压阻式压力传感器基于压阻材料的压阻效应来感知压力变化，其结构通常包括膜片或悬臂梁类型的应变结构与布置在应变结构上的压阻敏感元件，应变结构在压力变化时发生形变从而使压阻敏感元件的阻值发生改变，并将阻值变化通过桥式电路转化为相应的电压输出信号，实现压力的感知。与电容式压力传感器相比，压阻式压力传感器的性能稳定，读出电路简单，但无法兼顾大量程与高灵敏度两项指标，例如膜片式压阻压力传感器一般灵敏度较低，但却更适用于大量程的测量，而若要提高其灵敏度，则需要薄膜达到较大的宽厚比，而这极易导致薄膜的破裂损坏以致失效。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种差压传感器及其制备方法，通过将差压信号转化为局部流速信号进行感知，结合热式传感结构的高灵敏特性与流固耦合结构，可以实现对流场差压信息的高灵敏、宽量程的稳定感知。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明公开了一种差压传感器，包括传感芯片和微流体罩体，所述传感芯片包括芯片基底，所述芯片基底的正面和背面均安装有所述微流体罩体，所述微流体罩体的开口端面向所述芯片基底，所述微流体罩体的封闭端设有供外界流场的流体进出的导压孔，所述芯片基底上设有悬臂梁和允许流体通过的开口区域，所述悬臂梁成对设置，单对所述悬臂梁之间具有流通间隙，所述悬臂梁和所述开口区域位于所述微流体罩体的开口端覆盖范围内，单对所述悬臂梁中的一个上设有热式传感单元，所述热式传感单元包括加热模块和利用电阻变化感知温度的温度传感模块，所述温度传感模块位于所述加热模块的加热范围内，所述加热模块的加热范围内具有高于外界环境温度的预设加热温度。

3、优选地，单对所述悬臂梁中另一个上设有应变压阻传感单元。

4、优选地，所述热式传感单元还包括位于所述加热模块的加热范围之外的环境温度电阻，所述环境温度电阻与所述加热模块电气连接。

5、优选地，所述温度传感模块包括温度传感模块一和温度传感模块二，所述温度传感模块一电气连接有温度补偿电阻一，所述温度传感模块二电气连接有温度补偿电阻二，所述温度补偿电阻一和所述温度补偿电阻二均位于所述加热模块的加热范围之外。

6、优选地，包括温度补偿电阻三，所述温度补偿电阻三和所述应变压阻传感单元电气连接。

7、还公开了一种差压传感器的制备方法，用于制作差压传感器，包括以下步骤：

8、步骤a、采用双面抛光硅晶圆作为芯片基底，在所述芯片基底的正面和背面上形成氮化硅薄膜；

9、步骤b、在所述芯片基底的正面的氮化硅薄膜上进行图案化形成热式传感单元和电极；

10、步骤c、加厚热式传感单元中的加热模块与电极的厚度；

11、步骤d、以图案化的光刻胶作为掩膜刻蚀所述芯片基底正面的氮化硅薄膜，形成悬臂梁形状；

12、步骤e、以图案化的光刻胶作为掩膜刻蚀所述芯片基底背面的氮化硅薄膜形成开口区域与器件分割图案；

13、步骤f、以所述芯片基底背面的图案化后的氮化硅薄膜作为掩膜进行深硅刻蚀到所述芯片基底正面的氮化硅薄膜停止，形成悬臂梁；

14、步骤g、将微流体罩体与所述芯片基底的正面和背面进行键合，完成差压传感器的制备。

15、优选地，步骤a中，采用低压化学气相沉积的工艺方式在所述芯片基底的正面和背面上形成氮化硅薄膜。

16、优选地，步骤b中，还包括在所述芯片基底的正面的氮化硅薄膜上进行图案化形成应变压阻传感单元。

17、优选地，步骤b和步骤c中，采用lift-off工艺图案化形成以pt/cr为材料的热式传感单元、应变压阻传感单元和电极，采用lift-off工艺加厚所述加热模块与电极的pt/cr厚度。

18、优选地，步骤d和步骤e中，采用icp干法刻蚀所述芯片基底正面和背面的氮化硅薄膜。

19、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

20、本发明的差压传感器能够将差压信号转化为局部流速信号并采用热式原理进行感知，热式传感单元对于流速的变化具有很高的灵敏度，因此能够间接实现高灵敏的差压感知，同时悬臂梁两面的压力差会导致悬臂梁间的间隙增大，间隙的增大减缓了局部流速随差压的增速，这使得热式传感单元不易发生饱和，在高灵敏差压感知的前提下能够实现较大量程差压范围的感知，此外差压传感器对于差压信号的感知都表现为相应的阻值变化，通过电路即可将其转化为相应的电压输出信号，信号读出简单，且不存在类似电容式压力传感器的寄生电容干扰，传感器性能稳定，因此该传感器解决了压阻式压力传感器无法兼顾量程与灵敏度两项指标双提升的缺点，能够实现高灵敏、宽量程的差压感知。

技术特征：

1.一种差压传感器，其特征在于，包括传感芯片和微流体罩体，所述传感芯片包括芯片基底，所述芯片基底的正面和背面均安装有所述微流体罩体，所述微流体罩体的开口端面向所述芯片基底，所述微流体罩体的封闭端设有供外界流场的流体进出的导压孔，所述芯片基底上设有悬臂梁和允许流体通过的开口区域，所述悬臂梁成对设置，单对所述悬臂梁之间具有流通间隙，所述悬臂梁和所述开口区域位于所述微流体罩体的开口端覆盖范围内，单对所述悬臂梁中的一个上设有热式传感单元，所述热式传感单元包括加热模块和利用电阻变化感知温度的温度传感模块，所述温度传感模块位于所述加热模块的加热范围内，所述加热模块的加热范围内具有高于外界环境温度的预设加热温度。

2.根据权利要求1所述的一种差压传感器，其特征在于，单对所述悬臂梁中另一个上设有应变压阻传感单元。

3.根据权利要求1或2所述的一种差压传感器，其特征在于，所述热式传感单元还包括位于所述加热模块的加热范围之外的环境温度电阻，所述环境温度电阻与所述加热模块电气连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种差压传感器，其特征在于，所述温度传感模块包括温度传感模块一和温度传感模块二，所述温度传感模块一电气连接有温度补偿电阻一，所述温度传感模块二电气连接有温度补偿电阻二，所述温度补偿电阻一和所述温度补偿电阻二均位于所述加热模块的加热范围之外。

5.根据权利要求2所述的一种差压传感器，其特征在于，包括温度补偿电阻三，所述温度补偿电阻三和所述应变压阻传感单元电气连接。

6.一种差压传感器的制备方法，其特征在于，用于制作权利要求1至5任意一项所述的差压传感器，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种差压传感器的制备方法，其特征在于，步骤a中，采用低压化学气相沉积的工艺方式在所述芯片基底的正面和背面上形成氮化硅薄膜。

8.根据权利要求6所述的一种差压传感器的制备方法，其特征在于，步骤b中，还包括在所述芯片基底的正面的氮化硅薄膜上进行图案化形成应变压阻传感单元。

9.根据权利要求8所述的一种差压传感器的制备方法，其特征在于，步骤b和步骤c中，采用lift-off工艺图案化形成以pt/cr为材料的热式传感单元、应变压阻传感单元和电极，采用lift-off工艺加厚所述加热模块与电极的pt/cr厚度。

10.根据权利要求6所述的一种差压传感器的制备方法，其特征在于，步骤d和步骤e中，采用icp干法刻蚀所述芯片基底正面和背面的氮化硅薄膜。

技术总结本发明公开了一种差压传感器及其制备方法，属于差压传感器技术领域，差压传感器包括传感芯片和微流体罩体，传感芯片包括芯片基底，芯片基底的正面和背面均安装有微流体罩体，微流体罩体设有导压孔，芯片基底上设有悬臂梁和允许流体通过的开口区域，单对悬臂梁之间具有流通间隙，单对悬臂梁中的一个上设有热式传感单元，热式传感单元包括加热模块和温度传感模块。制备方法包括：步骤a、芯片基底形成氮化硅薄膜；步骤b、溅射形成热式传感单元；步骤c、加厚电极厚度；步骤d、刻蚀悬臂梁形状；步骤e、刻蚀悬臂梁对应凹槽与器件分割图案；步骤f、深硅刻蚀；步骤g、键合。可以实现对流场差压信息的高灵敏、宽量程的稳定感知。技术研发人员：蒋永刚,曹玉东受保护的技术使用者：北京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18