雙量程硅壓阻式壓力敏感元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種雙量程硅壓阻式壓力敏感元件。該雙量程硅壓阻式壓力敏感元件包括：底板，在其中部形成通孔；硅基襯底，其下方中部挖空，在其頂部形成硅膜，硅膜中部的下方形成中空支撐物，該中空支撐物將硅膜分為兩部分：內(nèi)側(cè)區(qū)域和外側(cè)區(qū)域，該中空支撐物底部的橫向尺寸大于所述底板中部通孔的橫向尺寸，該硅基襯底的外圍固定在所述底板上；以及至少兩應(yīng)變檢測(cè)電阻，形成于所述硅基襯底的上表面，至少其中之一形成于所述硅膜的外側(cè)邊緣，至少其中之一形成于所述中空支撐物的內(nèi)側(cè)邊緣，該至少兩應(yīng)變檢測(cè)電阻電性連接至外圍測(cè)量電路。本發(fā)明雙量程硅壓阻式壓力敏感元件能夠適用大壓力測(cè)量或小壓力測(cè)量，適用范圍較廣。
【專利說明】雙量程硅壓阻式壓力敏感元件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電子行業(yè)壓力傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種雙量程硅壓阻式壓力敏 感元件。

【背景技術(shù)】
[0002] 壓力測(cè)量是很多商業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，壓力傳感器在諸多場(chǎng)合得到了廣泛 應(yīng)用。直接用應(yīng)變檢測(cè)電阻材料將壓力轉(zhuǎn)換為電壓是一種感測(cè)壓力的方法；另一種更常用 的間接方法則是將壓力施加到膜片上，通過膜片的形變來測(cè)量壓力大小。感知膜片形變的 可以通過測(cè)量膜片的位移、彎曲應(yīng)變和諧振頻率來實(shí)現(xiàn)，這三種方法分別對(duì)應(yīng)著電容式、應(yīng) 變檢測(cè)電阻式和諧振式壓力傳感器的敏感元件。
[0003] 應(yīng)變檢測(cè)電阻式壓力傳感器的敏感元件利用了應(yīng)變檢測(cè)電阻效應(yīng)，即固體受到作 用力后電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化，而半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率變化遠(yuǎn)大于金屬材料的電導(dǎo)率變化。在 MEMS器件中一般使用硅作為半導(dǎo)體材料，通過在硅膜片邊緣制作硅應(yīng)變檢測(cè)電阻條并連接 成惠斯通電橋，將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化。
[0004] 為了使得敏感元件的信號(hào)轉(zhuǎn)換靈敏度達(dá)到較為理想的值，同時(shí)保證器件的穩(wěn)定性 和線性度，一般經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為在測(cè)量范圍內(nèi)，允許的硅膜片邊緣最大應(yīng)變應(yīng)在5X 10'根據(jù)膜 片的彈性力學(xué)特性，為了測(cè)量小壓力，需要使得硅膜片面積大或厚度小，此時(shí)在大壓力條件 下硅膜片邊緣應(yīng)變過大而導(dǎo)致非線性，并且膜片可能出現(xiàn)機(jī)械破損，使得傳感器無法測(cè)量 大壓力；為了測(cè)量大壓力，需要使得硅膜片面積小或厚度大，此時(shí)若測(cè)量小壓力，敏感元件 信號(hào)轉(zhuǎn)換的靈敏度不足，使得傳感器測(cè)量小壓力時(shí)精度不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] (一）要解決的技術(shù)問題
[0006] 鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種能夠同時(shí)測(cè)量大壓力和小壓力的雙量程硅 壓阻式壓力敏感元件。
[0007] (二）技術(shù)方案
[0008] 本發(fā)明雙量程硅壓阻式壓力敏感元件包括：底板8,在其中部形成通孔；硅基襯底 7,其下方中部挖空，在其頂部形成硅膜1，硅膜1中部的下方形成中空支撐物2,該中空支撐 物2將硅膜分為兩部分：內(nèi)側(cè)區(qū)域和外側(cè)區(qū)域，該中空支撐物2底部的橫向尺寸大于所述底 板8中部通孔的橫向尺寸，該硅基襯底7的外圍固定在所述底板8上；以及至少兩應(yīng)變檢測(cè) 電阻5,形成于所述硅基襯底7的上表面，至少其中之一形成于所述硅膜1的外側(cè)邊緣，至少 其中之一形成于所述中空支撐物2的內(nèi)側(cè)邊緣，該至少兩應(yīng)變檢測(cè)電阻電性連接至外圍測(cè) 量電路；其中，在小壓力條件下，所述中空支撐物2懸空，由硅膜1外側(cè)邊緣的應(yīng)變檢測(cè)電阻 檢測(cè)壓力；在大壓力條件下，所述中空支撐物2壓在底板8上，由底板8支撐，由中空支撐物 內(nèi)側(cè)邊緣的應(yīng)變檢測(cè)電阻檢測(cè)壓力。
[0009] (三）有益效果
[0010] 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明雙量程硅壓阻式壓力敏感元件具有以下有益效 果：
[0011] (1)本發(fā)明中，測(cè)量小壓力時(shí)，支撐物未接觸底板，對(duì)硅膜的受壓形變影響很小，硅 膜和支撐物整體在壓力作用下的彈性力學(xué)特性近似于完整的大面積膜片，使得壓力敏感元 件可以感知小壓力并具有較高的信號(hào)轉(zhuǎn)換靈敏度；
[0012] (2)本發(fā)明中，測(cè)量大壓力時(shí)，支撐物被底板擋住，硅膜內(nèi)部區(qū)域等效為一個(gè)小面 積膜片，使得該壓力敏感元件適用于大壓力測(cè)量；
[0013] (3)本發(fā)明中，大壓力條件使得支撐物接觸底板時(shí)，支撐物提供了對(duì)硅膜的額外支 撐，減小了膜片邊緣固定支撐處的應(yīng)力，膜片不易出現(xiàn)機(jī)械破損。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例雙量程硅壓阻式壓力敏感元件的縱向剖視圖；
[0015] 圖2為圖1所示雙量程娃壓阻式壓力敏感元件的俯視圖；
[0016] 圖3為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例雙量程硅壓阻式壓力敏感元件的縱向剖視圖；
[0017] 圖4為圖3所示雙量程硅壓阻式壓力敏感元件的頂視圖；
[0018] 圖5為本發(fā)明的彈性力學(xué)原理仿真結(jié)果示意圖。
[0019] 【主要元件】
[0020] 1-硅膜； 2-支撐物；
[0021] 3-輕摻雜高阻區(qū)域；4-重?fù)诫s低阻區(qū)域；
[0022] 5-應(yīng)變檢測(cè)電阻；6-金屬層；
[0023] 7_襯底； 8_底板；
[0024] 9-底板通孔； 10-引出電極；
[0025] 11-導(dǎo)線； 12-氧化層。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部 分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員 所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等 于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。實(shí)施例中提到的 方向用語，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的 方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0027] 本發(fā)明雙量程硅壓阻式壓力敏感元件基于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS)制作：在小壓 力條件下，所述支撐物未接觸所述底板，所述硅膜整體視為大面積膜片，適于測(cè)量小壓力； 在大壓力條件下，支撐物接觸所述底板，為硅膜提供額外支撐提高機(jī)械可靠性，同時(shí)所述硅 膜內(nèi)部區(qū)域視為小面積膜片，適于測(cè)量大壓力。
[0028] -、第一實(shí)施例
[0029] 在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種雙量程硅壓阻式壓力敏感元件。圖1 為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例雙量程硅壓阻式壓力敏感元件的縱向剖視圖。如圖1所示，本實(shí) 施例雙量程硅壓阻式壓力敏感元件包括：
[0030] 底板8,在其中部形成方形通孔9 ;
[0031] 硅襯底7,其下方中部挖空，在其頂部形成硅膜1，并在硅膜中部的下方形成圓筒 形的支撐物2,所述支撐物的基部將硅膜分為內(nèi)側(cè)區(qū)域和外側(cè)區(qū)域，該支撐物2的底部的直 徑大于所述底板8上方形通孔上表面的直徑，其縱軸垂直于娃膜1表面，該娃襯底7外圍底 部固定于底板8上，硅膜1下方的空腔通過底板8中部的方形通孔與外界連通；
[0032] 至少兩應(yīng)變檢測(cè)電阻5,形成于硅襯底的上表面，其中之一形成于硅膜1的外側(cè)邊 緣，其中另一形成于支撐物2的內(nèi)側(cè)邊緣，該至少兩應(yīng)變檢測(cè)電阻通過導(dǎo)線11連接至外圍 測(cè)量電路；
[0033] 其中，在硅膜1上方壓力小于預(yù)設(shè)壓力時(shí)，支撐物2懸空，由硅膜1外側(cè)邊緣的應(yīng) 變檢測(cè)電阻檢測(cè)壓力；當(dāng)硅膜1上方的壓力大于預(yù)設(shè)壓力時(shí)，支撐物2壓于底板8上，由底 板8支撐，由支撐物2內(nèi)側(cè)邊緣的應(yīng)變檢測(cè)電阻檢測(cè)壓力。
[0034] 以下對(duì)本實(shí)施例雙量程硅壓阻式壓力敏感元件的各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0035] 本實(shí)施例中，底板8是300 μ m厚的單晶硅基板，其中間刻蝕出方形通孔9,方形通 孔9在底板正面的邊長0.5mm。需要說明的是，該方向通孔8的橫截面為正方形，但是其整 體形狀可以看作是橫截面是正方形的棱臺(tái)形狀。
[0036] 襯底7為具有η型上表面區(qū)域的硅基板，厚度300 μ m;其固定在底板8上。該硅 基板7經(jīng)由MEMS工藝挖空，形成硅膜1和支撐物2。硅膜1呈圓形，其直徑為1. 5mm，厚度 為 5 μ m。
[0037] 支撐物2呈圓筒形，該圓筒形的縱軸垂直于硅膜表面。支撐物2與硅膜1的連接 處將硅膜1劃分成內(nèi)側(cè)和外側(cè)區(qū)域。該圓筒形支撐物2的內(nèi)徑0.5mm，壁厚50 μ m，高度 265 μ m，無壓力作用時(shí)距離底板30 μ m。
[0038] 硅膜1和支撐物2的外形均采用圓形，因?yàn)檫@樣可以保證切向應(yīng)力均勻，不會(huì)因?yàn)?所述支撐物2的存在而使得應(yīng)力集中。
[0039] 底板通孔9正面開口小于所述支撐物2背面開口，以確保在大壓力條件下所述支 撐物2能夠被所述底板8阻擋；同時(shí)，底板通孔9的位置處在底板8的中心位置，以確保大 壓力條件下所述支撐物2接觸底板8后，壓力能夠不受阻礙地傳遞到硅膜1的內(nèi)部區(qū)域。
[0040] 圖2為圖1所示雙量程娃壓阻式壓力敏感元件的俯視圖。如圖2所示，在娃膜1 的外側(cè)邊緣均勻設(shè)置四個(gè)外部應(yīng)變檢測(cè)電阻。在支撐物2的內(nèi)側(cè)，上述四個(gè)外部應(yīng)變檢測(cè) 電阻的內(nèi)側(cè)，同樣均勻設(shè)置四個(gè)內(nèi)部應(yīng)變檢測(cè)電阻。
[0041] 四個(gè)外部應(yīng)變檢測(cè)電阻N和E -組、W和S -組的方式連接成惠斯通電橋的兩臂， 可以使得電橋的輸出最大化。四個(gè)內(nèi)部應(yīng)變檢測(cè)電阻N和E -組、W和S -組的方式連接 成惠斯通電橋的兩臂，可以使得電橋的輸出最大化。
[0042] 應(yīng)變檢測(cè)電阻5為在硅膜1上通過離子注入形成的p型輕摻雜高阻區(qū)域3。導(dǎo)線 11是通過離子注入形成的P型重?fù)诫s低阻區(qū)域4,連接應(yīng)變檢測(cè)電阻5形成惠斯通電橋并 連接到所述引出電極10 ;所述引出電極10是覆在襯底7正面上的金屬層6,淀積在重?fù)诫s 低阻區(qū)域4上；
[0043] 導(dǎo)線11是由重?fù)诫s低阻區(qū)域4構(gòu)成，形變時(shí)也有應(yīng)變檢測(cè)電阻效應(yīng)。為了盡量減 小所述硅膜1在形變時(shí)對(duì)導(dǎo)線11的電阻的影響，導(dǎo)線11位于所述硅膜1內(nèi)的部分盡量沿 著娃晶娃晶< 100 >方向族走線。
[0044] 應(yīng)變檢測(cè)電阻5全部沿硅晶[110]方向形成。按照?qǐng)D2和圖4所示，處于E和W 方位的所述應(yīng)變檢測(cè)電阻5感知徑向應(yīng)變，處于N和S方位的所述應(yīng)變檢測(cè)電阻5感知切 向應(yīng)變，而徑向電阻條和切向電阻條的阻值變化是相反的。于是將所述硅膜1的內(nèi)部和外 部區(qū)域的所述壓阻5分別按照N和E -組、W和S -組的方式連接成惠斯通電橋的兩臂，可 以使得電橋的輸出最大化。
[0045] 需要說明的是，上述應(yīng)變檢測(cè)電阻5中p型輕摻雜高阻區(qū)中的"輕摻雜"和導(dǎo)線11 中的重?fù)诫s低阻區(qū)中的"重?fù)诫s"在本領(lǐng)域內(nèi)均未特定的摻雜范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)很 清楚其具體取值，此處不再詳細(xì)描述。
[0046] 至此，本實(shí)施例雙量程硅壓阻式壓力敏感元件介紹完畢。
[0047] 二、第二實(shí)施例
[0048] 在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，還提供了一種雙量程硅壓阻式壓力敏感元 件。圖3為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例雙量程硅壓阻式壓力敏感元件的縱向剖視圖。
[0049] 以下僅針對(duì)本實(shí)施例與第一實(shí)施例的區(qū)別部分進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0050] 所述底板8是500 μ m厚的二氧化娃基板，固定在所述襯底7的背面，中間開有圓 形通孔9,半徑0. 5_。同樣，該圓形通孔的橫截面是圓形，但是其整體形狀可以看做是橫截 面為圓形的圓柱形狀。
[0051] 襯底7為SOI硅片，其單晶硅部分厚度300 μ m，氧化層12厚度2 μ m，正面有厚度 為5 μ m的p型輕摻雜高阻區(qū)域3。該SOI硅片的中部下方經(jīng)由MEMS工藝挖空，形成硅膜和 支撐物。娃膜1同樣呈圓形，其直徑為1. 6mm，厚度為8 μ m。
[0052] 支撐物2呈環(huán)形火山口形狀，該支撐物的縱軸同樣垂直于硅膜表面。支撐物2與 硅膜1的連接處將硅膜1劃分成內(nèi)側(cè)和外側(cè)區(qū)域。該形火山口形狀支撐物2的內(nèi)徑0. 6mm， 壁厚80 μ m，高度270 μ m，無壓力作用時(shí)距離底板20 μ m。
[0053] 同樣，硅膜1和支撐物2的外形均采用圓形，因?yàn)檫@樣可以保證切向應(yīng)力均勻，不 會(huì)因?yàn)橹挝?的存在而使得應(yīng)力集中。
[0054] 底板通孔9半徑小于支撐物2背面開口半徑，以確保在大壓力條件下支撐物2能 夠被底板8阻擋；同時(shí)，其位置處在底板8的中心位置，以確保大壓力條件下支撐物2接觸 底板8后，壓力能夠不受阻礙地傳遞到硅膜1的內(nèi)部區(qū)域。
[0055] 圖4為圖3所示雙量程硅壓阻式壓力敏感元件的頂視圖。如圖4所示，在硅膜1 的外側(cè)邊緣均勻設(shè)置四個(gè)外部應(yīng)變檢測(cè)電阻。在支撐物2的內(nèi)側(cè)，上述四個(gè)外部應(yīng)變檢測(cè) 電阻的內(nèi)側(cè)，同樣均勻設(shè)置四個(gè)內(nèi)部應(yīng)變檢測(cè)電阻。
[0056] 應(yīng)變檢測(cè)電阻5為在所述硅膜1上通過光刻形成的硅應(yīng)變檢測(cè)電阻條；導(dǎo)線11 一 部分是金屬絲，另一部分是淀積在所述襯底7正面的金屬層6,分別連接分布在硅膜1內(nèi)部 區(qū)域邊緣和外部區(qū)域邊緣的應(yīng)變檢測(cè)電阻5形成惠斯通電橋并連接到所述引出電極10。引 出電極10是覆在所述襯底7正面上的金屬層6。
[0057] 導(dǎo)線11是由金屬絲和金屬層6構(gòu)成。在襯底7上使用金屬層6連接硅膜1外部 區(qū)域邊緣的應(yīng)變檢測(cè)電阻5形成惠斯通電橋并連接到引出電極10。在支撐物2與硅膜1連 接的部位，受壓時(shí)應(yīng)變很小，在其正面淀積金屬層6連接硅膜1內(nèi)部區(qū)域邊緣的應(yīng)變檢測(cè)電 阻5形成惠斯通電橋。金屬層6如果淀積在硅膜1的受壓形變部位上會(huì)影響應(yīng)力分布，故 使用金屬絲將硅膜1內(nèi)部區(qū)域邊緣的應(yīng)變檢測(cè)電阻5構(gòu)成的惠斯通電橋電氣連接至引出電 極10。
[0058] 應(yīng)變檢測(cè)電阻5全部沿硅晶[110]方向形成。按照?qǐng)D2和圖4所示，處于E和W 方位的所述應(yīng)變檢測(cè)電阻5感知徑向應(yīng)變，處于N和S方位的所述應(yīng)變檢測(cè)電阻5感知切 向應(yīng)變，而徑向電阻條和切向電阻條的阻值變化是相反的。于是將所述硅膜1的內(nèi)部和外 部區(qū)域的所述應(yīng)變檢測(cè)電阻5分別按照N和E -組、W和S -組的方式連接成惠斯通電橋 的兩臂，可以使得電橋的輸出最大化。
[0059] 至此，本實(shí)施例雙量程硅壓阻式壓力敏感元件介紹完畢。
[0060] 為了驗(yàn)證本發(fā)明提供的技術(shù)方案的可行性，在ANSYS中進(jìn)行仿真。仿真模型為周 邊固支的直徑1. 5_、厚度5 μ m的娃膜，支撐物半徑0. 5_，無壓力時(shí)支撐物背面距離底板 45μηι。對(duì)照模型為周邊固支的直徑1. 5mm、厚度5μηι的娃膜，沒有支撐物。施加不同的壓 力載荷，得到的結(jié)果如圖5所示。當(dāng)壓力p = 1. 2kPa時(shí)，支撐物2即將接觸到所述底板8， 硅膜1邊緣應(yīng)變接近5Χ10Λ硅膜1外部邊緣區(qū)域的應(yīng)變分布與對(duì)照模型近似，說明模型 可實(shí)現(xiàn)1. 2kPa量程的高精度測(cè)量；當(dāng)壓力p = 10kPa時(shí)，支撐物接觸到底板8,硅膜1內(nèi)部 區(qū)域邊緣應(yīng)變接近5 X 10Λ硅膜1外部區(qū)域邊緣應(yīng)變則明顯小于對(duì)照模型的邊緣應(yīng)變，說 明模型可實(shí)現(xiàn)10kPa量程的壓力測(cè)量，并且機(jī)械可靠性更高。
[0061] 至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)當(dāng)對(duì)本發(fā)明雙量程硅壓阻式壓力敏感元件有了清楚的認(rèn)識(shí)。
[0062] 此外，上述對(duì)各元件和方法的定義并不僅限于實(shí)施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形 狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡單地更改或替換，例如：
[0063] (1)硅膜的厚度小于300 μ m ;支撐物與底板之間的距離和硅膜的厚度之和小于硅 基襯底7的厚度，中空支撐物（2)的壁厚介于20 μ m?200 μ m之間；
[0064] (2)底板上的通孔，除了方形通孔和圓形通孔之外，還可以是其他形狀的通孔，只 要將娃膜下方的空腔與外界連通，并且，其橫向尺寸小于娃膜下方支撐物的橫向尺寸接口， 本發(fā)明不對(duì)通孔的形狀進(jìn)行限定；
[0065] (3)硅膜下方的支撐物，除了圓筒形和環(huán)形火山口形狀外，還可以是其他形式的中 空接口，例如：方筒形等，只要滿足其中空部的橫向尺寸大于底板上通孔的橫向尺寸，在受 到大壓力是，支撐物能夠支撐在底板上即可，本發(fā)明不對(duì)支撐物的形狀進(jìn)行具體限定； [0066] (4)除了單晶硅基板或二氧化硅基板，底板還可以選擇其他晶體材質(zhì)基板。
[0067] 需要說明的，關(guān)于硅膜的厚度，在本發(fā)明中并沒有具體限定，因?yàn)槠渑c設(shè)定承受的 壓力以及硅膜的面積、所采用硅基襯底的楊氏模量等因素有關(guān)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù) 具體場(chǎng)景進(jìn)行合理選擇。此外，中空支撐物距離底板的尺寸同樣與上述各因此有關(guān)，此處也 不再進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0068] 綜上所述，本發(fā)明量程硅應(yīng)變檢測(cè)電阻式壓力敏感元件中，在硅膜的下方設(shè)置支 撐物，相比常用的硅應(yīng)變檢測(cè)電阻式壓力敏感元件，具有能同時(shí)測(cè)量大壓力和高精度測(cè)量 小壓力的優(yōu)點(diǎn)。
[〇〇69] 以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種雙量程硅壓阻式壓力敏感元件，其特征在于，包括： 底板（8)，在其中部形成通孔； 硅基襯底（7)，其下方中部挖空，在其頂部形成硅膜（1)，硅膜（1)中部的下方形成中空 支撐物（2)，該中空支撐物（2)將硅膜分為兩部分：內(nèi)側(cè)區(qū)域和外側(cè)區(qū)域，該中空支撐物（2) 底部的橫向尺寸大于所述底板（8)中部通孔的橫向尺寸，該硅基襯底（7)的外圍固定在所 述底板⑶上；以及 至少兩應(yīng)變檢測(cè)電阻（5)，形成于所述硅基襯底（7)的上表面，至少其中之一形成于所 述硅膜（1)的外側(cè)邊緣，至少其中之一形成于所述中空支撐物（2)的內(nèi)側(cè)邊緣，該至少兩應(yīng) 變檢測(cè)電阻電性連接至外圍測(cè)量電路； 其中，在小壓力條件下，所述中空支撐物（2)懸空，由硅膜（1)外側(cè)邊緣的應(yīng)變檢測(cè)電 阻檢測(cè)壓力；在大壓力條件下，所述中空支撐物（2)壓在底板（8)上，由底板（8)支撐，由中 空支撐物內(nèi)側(cè)邊緣的應(yīng)變檢測(cè)電阻檢測(cè)壓力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙量程硅壓阻式壓力敏感元件，其特征在于，所述中空支撐 物（2)的橫截面為圓環(huán)形。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙量程硅壓阻式壓力敏感元件，其特征在于，所述中空支撐 物（2)的形狀為圓筒形或環(huán)形火山口形狀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙量程硅壓阻式壓力敏感元件，其特征在于，所述中空支撐 物⑵的壁厚介于20μπι?200μπι之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙量程硅壓阻式壓力敏感元件，其特征在于，所述硅基襯底 (7)為具有η型上表面區(qū)域的硅基板或SOI基板。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙量程硅壓阻式壓力敏感元件，其特征在于，所述硅基襯底 (7)為具有η型上表面區(qū)域的硅基板； 所述應(yīng)變檢測(cè)電阻（5)為在所述硅膜（1)上通過離子注入形成的ρ型輕摻雜高阻區(qū)域 (3)，位于硅膜（1)范圍內(nèi)的連接該應(yīng)變檢測(cè)電阻（5)的導(dǎo)線為通過離子注入形成的ρ型重 摻雜低阻區(qū)域。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙量程硅壓阻式壓力敏感元件，其特征在于，所述應(yīng)變檢測(cè) 電阻沿硅晶[110]方向形成，位于硅膜（1)范圍內(nèi)的連接該應(yīng)變檢測(cè)電阻（5)的導(dǎo)線沿著 硅晶< 100 >方向族走線。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙量程硅壓阻式壓力敏感元件，其特征在于，所述硅基襯底 (7)為SOI基板； 所述應(yīng)變檢測(cè)電阻（5)為在所述硅膜（1)上通過光刻形成的硅應(yīng)變檢測(cè)電阻條；連接 該應(yīng)變檢測(cè)電阻（5)的導(dǎo)線的一部分是金屬絲，另一部分是淀積在所述SOI基板正面的金 屬層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的雙量程硅壓阻式壓力敏感元件，其特征在于，所 述硅膜（1)的外側(cè)邊緣均勻分布四個(gè)應(yīng)變檢測(cè)電阻，該四個(gè)應(yīng)變檢測(cè)電阻作為惠斯通電橋 的四個(gè)電阻，由其應(yīng)變信號(hào)得到硅膜承載的壓力值； 所述中空支撐物（2)的內(nèi)側(cè)邊緣均勻分布四個(gè)應(yīng)變檢測(cè)電阻，該四個(gè)應(yīng)變檢測(cè)電阻作 為惠斯通電橋的四個(gè)電阻，由其應(yīng)變信號(hào)得到硅膜承載的壓力值。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的雙量程硅壓阻式壓力敏感元件，其特征在于， 所述底板（8)為單晶硅基板或二氧化硅基板，所述底板（8)中部通孔的形狀為柱形或臺(tái)形。
【文檔編號(hào)】G01L1/18GK104062060SQ201410330774
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】趙湛, 劉成, 杜利東, 方震, 李亮, 吳少華, 張萌穎 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所