一種基於MEMS在線式微波功率傳感器結構的壓力傳感器的製作方法

2023-12-09 07:33:46

本發明是一種基於MEMS在線式微波功率傳感器結構的壓力傳感器，屬於微電子器件技術領域。

背景技術：

壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用於各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建築、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、工具機、管道等眾多行業。近年來，壓力傳感器的發展越來越趨向於微型化。微壓力傳感器是採用半導體材料和MEMS工藝製造的新型壓力傳感器。與傳統壓力傳感器比擬，微壓力傳感用具有精度高、敏捷度高、動態特性好、體積小、耐侵蝕、成本低等長處。近年來，我國物聯網取得了長足發展，而傳感器作為物聯網中的必要組成部分，也必將得到進一步推廣和應用，在這樣的形勢下，開展壓力傳感器產業化方面的工作是非常有意義的。

因此，本發明是基於MEMS在線式微波功率傳感器結構的壓力傳感器，當壓力發生變化時，造成腔體薄膜發生形變，導致在線式微波功率傳感器結構的共面波導信號線與MEMS膜橋之間的距離發生改變，從而使得耦合電容發生變化，這會使得耦合出的微波功率發生變化，進而使得熱電堆輸出的熱電勢發生改變，從而實現壓力的測量。相比而言，基於MEMS在線式微波功率傳感器結構的壓力傳感器具有以下主要特點：一、MEMS在線式微波功率傳感器的耦合電容結構對薄膜形變更加敏感，且耦合電容的改變對耦合度影響很大，因此可以提高靈敏度；二、該壓力傳感器為電壓輸出，相較於傳統壓力傳感器的電容或電阻變化量的輸出更易於測量；三、該壓力傳感器結構簡單、體積小、且消耗的功率低，可以實現高可靠、微型化和低功耗的應用需求；四、該壓力傳感器的製作無需特殊的材料並且與Si或GaAs工藝完全兼容。

基於以上MEMS在線式微波功率傳感器結構的壓力傳感器特點，很明顯的可以看出本發明與傳統的壓力傳感器相比提高了靈敏度，輸出測量更加簡易，並具有結構簡單、體積小、功耗低的特點。本發明結構與Si或GaAs工藝兼容，具有高重複性、低生產成本等優點，很好的滿足了集成電路對器件的基本要求。因此，基於MEMS在線式微波功率傳感器結構的壓力傳感器具有較好的應用價值和廣闊的市場潛力。

技術實現要素：

技術問題：本發明的目的是提供一種基於MEMS在線式微波功率傳感器結構的壓力傳感器，該壓力傳感器利用腔體薄膜感應壓力的變化，通過壓力變化時腔體薄膜發生形變，導致在線式微波功率傳感器結構的共面波導信號線與MEMS膜橋之間的距離發生改變，從而使得耦合電容發生變化，這會使得耦合出的微波功率發生變化，進而使得熱電堆輸出的熱電勢發生改變，從而實現壓力的測量。採用該結構可以實現高靈敏度、電壓輸出和低功耗，並且能與Si或GaAs工藝相兼容，解決在材料、工藝、可靠性、可重複性和生產成本等諸多方面的問題，從而為實現基於MEMS在線式微波功率傳感器結構的壓力傳感器在工業自控領域中的產業化應用提供了支持和保證。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明提供了一種基於MEMS在線式微波功率傳感器結構的壓力傳感器，該壓力傳感器包括感知壓力的腔體薄膜和設置在腔體薄膜上表面的在線式微波功率傳感器結構；其中，

在線式微波功率傳感器結構包括MEMS膜橋、第一終端式微波功率傳感器結構、與第一終端式微波功率傳感器結構沿MEMS膜橋中心線對稱設置的第二終端式微波功率傳感器結構、設置在腔體薄膜上表面且設置在MEMS膜橋下方的總共面波導信號線、總共面波導地線和總共面波導地線；MEMS膜橋跨接在第一終端式微波功率傳感器結構和第二終端式微波功率傳感器結構之間；

第一終端式微波功率傳感器結構包括第一共面波導信號線、第一共面波導地線、第二共面波導地線、第一電阻、第二電阻和第一熱電堆；第一共面波導地線和第二共面波導地線分別設置在第一共面波導信號線兩側且相距一定距離；第一電阻布置在第一共面波導信號線和第一共面波導地線之間，第二電阻布置在第一共面波導信號線和第二共面波導地線之間，第一熱電堆設置在第一共面波導信號線相對的位置且與其相距一定距離；

第二終端式微波功率傳感器結構包括第二共面波導信號線、第三共面波導地線、第四共面波導地線、第三電阻、第四電阻和第二熱電堆；第三共面波導地線和第四共面波導地線分別設置在第二共面波導信號線兩側且相距一定距離；第三電阻布置在第二共面波導信號線和第三共面波導地線之間，第四電阻布置在第二共面波導信號線和第四共面波導地線之間，第二熱電堆設置在第二共面波導信號線相對的位置且與其相距一定距離；

總共面波導信號線和MEMS膜橋構成耦合電容結構。

當壓力發生變化時，造成腔體薄膜發生形變，使總共面波導信號線與MEMS膜橋之間的距離發生改變，從而使得總共面波導信號線和MEMS膜橋構成的耦合電容發生變化。

有益效果：該壓力傳感器結構簡單，整個傳感器通過微電子加工工藝，結構尺寸的精度可以達到較高水平，體積大幅縮小，有利於實現傳感器的小型化；該壓力傳感器選用腔體薄膜來感應壓力的變化，通過耦合電容的變化實現壓力測量，靈敏度高。

近年來，壓力傳感器的發展越來越趨向於微型化，本發明是基於MEMS在線式微波功率傳感器結構的壓力傳感器，當腔體薄膜所受壓力發生變化時，腔體薄膜發生形變，導致在線式微波功率傳感器結構的共面波導信號線與MEMS膜橋之間的距離發生改變，從而使得耦合電容發生變化，這會使得耦合出的微波功率發生變化，進而使得熱電堆輸出的熱電勢發生改變，從而實現壓力的測量。該壓力傳感器具有高的靈敏度，且通過電壓輸出易於測量，極大拓展了壓力傳感器的實際適用性。同時，基於MEMS在線式微波功率傳感器結構的壓力傳感器具有結構簡單、體積小、功耗低、可靠性高等諸多優點。

附圖說明

圖1是基於MEMS在線式微波功率傳感器結構的壓力傳感器俯視圖。

其中有：腔體薄膜1、在線式微波功率傳感器結構2、MEMS膜橋2c、第一終端式微波功率傳感器結構2a、第一共面波導信號線2a1、第一共面波導地線2a2、第二共面波導地線2a3、第一電阻2a4、第二電阻2a5、第一熱電堆2a6、第二終端式微波功率傳感器結構2b、第二共面波導信號線2b1、第三共面波導地線2b2、第四共面波導地線2b3、第三電阻2b4、第四電阻2b5、第二熱電堆2b6、總共面波導信號線2d1、總共面波導地線2d2和總共面波導地線2d3。

圖2是基於MEMS在線式微波功率傳感器結構的壓力傳感器剖面圖。

其中有：腔體薄膜1、MEMS膜橋2c、總共面波導信號線2d1、和腔體3。

圖3是基於MEMS在線式微波功率傳感器結構的壓力傳感器剖面圖。

其中有：腔體薄膜1、MEMS膜橋2c、總共面波導信號線2d1、總共面波導地線2d2、總共面波導地線2d3、第一共面波導信號線2a1、第二共面波導信號線2b1、第一熱電堆2a6、第二熱電堆2b6和腔體3。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步說明。

參見圖1，本發明提供了一種基於MEMS在線式微波功率傳感器結構的壓力傳感器，該壓力傳感器包括感知壓力的腔體薄膜1和設置在腔體薄膜1上表面的在線式微波功率傳感器結構2；其中，

在線式微波功率傳感器結構2包括MEMS膜橋2c、第一終端式微波功率傳感器結構2a、與第一終端式微波功率傳感器結構2a沿MEMS膜橋2c中心線對稱設置的第二終端式微波功率傳感器結構2b、設置在腔體薄膜1上表面且設置在MEMS膜橋2c下方的總共面波導信號線2d1、總共面波導地線2d2和總共面波導地線2d3；MEMS膜橋2c跨接在第一終端式微波功率傳感器結構2a和第二終端式微波功率傳感器結構2b之間；

第一終端式微波功率傳感器結構2a包括第一共面波導信號線2a1、第一共面波導地線2a2、第二共面波導地線2a3、第一電阻2a4、第二電阻2a5和第一熱電堆2a6；第一共面波導地線2a2和第二共面波導地線2a3分別設置在第一共面波導信號線2a1兩側且相距一定距離；第一電阻2a4布置在第一共面波導信號線2a1和第一共面波導地線2a2之間，第二電阻2a5布置在第一共面波導信號線2a1和第二共面波導地線2a3之間，第一熱電堆2a6設置在第一共面波導信號線2a1相對的位置且與其相距一定距離；

第二終端式微波功率傳感器結構2b包括第二共面波導信號線2b1、第三共面波導地線2b2、第四共面波導地線2b3、第三電阻2b4、第四電阻2b5和第二熱電堆2b6；第三共面波導地線2b2和第四共面波導地線2b3分別設置在第二共面波導信號線2b1兩側且相距一定距離；第三電阻2b4布置在第二共面波導信號線2b1和第三共面波導地線2b2之間，第四電阻2b5布置在第二共面波導信號線2b1和第四共面波導地線2b3之間，第二熱電堆2b6設置在第二共面波導信號線2b1相對的位置且與其相距一定距離；

總共面波導信號線2d1和MEMS膜橋2c構成耦合電容結構。

當壓力發生變化時，造成腔體薄膜1發生形變，使總共面波導信號線2d1與MEMS膜橋2c之間的距離發生改變，從而使得總共面波導信號線2d1和MEMS膜橋2c構成的耦合電容發生變化。

在線式微波功率傳感器結構2是在總共面波導信號線2d1上放置一個MEMS膜橋2c，共面波導信號線2d1和MEMS膜橋2c構成耦合電容，該耦合電容耦合出共面波導信號線2d1上的一部分微波功率，耦合出的微波功率會在兩端的第一終端式微波功率傳感器2a和第二終端式微波功率傳感器2b的第一電阻2a4、第二電阻2a5、第三電阻2b4、第四電阻2b5上被消耗並產生熱量，造成第一電阻2a4、第二電阻2a5、第三電阻2b4、第四電阻2b5周圍的溫度變化，第一熱電堆2a6、第二熱電堆2b6感應這種溫度變化並輸出熱電勢，通過對輸出熱電勢加以測量，從而得出微波功率的大小；該在線式微波功率傳感器結構2放置在感知壓力的腔體薄膜1上，當壓力發生變化時，造成腔體薄膜1發生形變，導致在線式微波功率傳感器結構2的總共面波導信號線2d1與MEMS膜橋2c之間的距離發生改變，從而使得耦合電容發生變化，這會使得耦合出的微波功率發生變化，進而使得第一熱電堆2a6、第二熱電堆2b6輸出的熱電勢發生改變，從而實現壓力的測量。

本發明中基於MEMS在線式微波功率傳感器結構的壓力傳感器不同於傳統的壓力傳感器，該壓力傳感器具有以下主要特點：一、MEMS在線式微波功率傳感器的耦合電容結構對薄膜形變更加敏感，且耦合電容的改變對耦合度影響很大，因此可以提高靈敏度；二、該壓力傳感器為電壓輸出，相較於傳統壓力傳感器的電容或電阻變化量的輸出更易於測量；三、該壓力傳感器結構簡單、體積小、且消耗的功率低，可以實現高可靠、微型化和低功耗的應用需求；四、該壓力傳感器的製作無需特殊的材料並且與Si或GaAs工藝完全兼容。

區分是否為該結構的標準如下：

(a)採用MEMS在線式微波功率傳感器結構，

(b)採用腔體薄膜感應壓力變化，

(c)採用耦合電容結構感應腔體薄膜的形變。

滿足以上三個條件的結構即應視為該結構的壓力傳感器。

以上所述僅為本發明的較佳實施方式，本發明的保護範圍並不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本發明所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護範圍內。