專利名稱：壓阻式高頻動態(tài)低壓傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓阻式高頻動態(tài)低壓傳感器，特別涉及一種基于MEMS(Micro Electro Mechanical System)硅體微機械加工技術(shù)的高頻動態(tài)壓阻低壓傳感器，特別適用于空氣動力學(xué)試驗(俗稱風(fēng)洞試驗)、水利工程、航空航天、兵器試驗、船舶等的動態(tài)壓力測量。
背景技術(shù)：
MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術(shù)的硅體微機械加工技術(shù)用于壓阻式壓力傳感器的制作始于20世紀(jì)70年代后期，利用硅的壓阻效應(yīng)，用平面集成電路工藝在硅片上一定晶向，一定位置用氧化擴散或離子注入摻雜、光刻等方法制作成的應(yīng)變檢測壓敏電阻，并互連構(gòu)成測試惠斯頓應(yīng)變電橋。用雙面對準(zhǔn)光刻，硅的各向異性腐蝕等硅三維加工工藝，把襯底硅片制作成周邊固支的力敏薄膜結(jié)構(gòu)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械研磨加工硅杯工藝。這種用上述硅體微機械加工工藝制作的硅壓阻壓力傳感器具有硅壓阻壓力傳感器低量程、高靈敏度、高固有頻率的優(yōu)點。
Kulite公司采用了C型平膜力敏結(jié)構(gòu)；為了提高低量程下的線性度及頻響，Endevco公司采用了雙島膜結(jié)構(gòu)，它們都有各自的優(yōu)點和缺點。
用于動態(tài)測量時，一般要求傳感器有高的動態(tài)頻響，為此，傳感器的封裝不能形成管腔，必須壓力敏感膜片直接面對迎向壓力。Kulite公司封裝的高頻壓力傳感器產(chǎn)品的硅片本身具有良好的動態(tài)頻響性能，但其在硅片正面的前方擋上一個用激光打孔的金屬薄膜帽罩，這種結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響使用動態(tài)頻響。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于MEMS技術(shù)的能用于壓力動態(tài)測試的具有高動態(tài)響應(yīng)頻率、高靈敏、強抗干擾、上升時間μS級以下、低量程、動態(tài)性能優(yōu)良的高頻動態(tài)壓阻低壓傳感器。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣構(gòu)成的一種壓阻式高頻動態(tài)低壓傳感器，由壓阻敏感組件、傳感器基座、轉(zhuǎn)接電路和引出電纜組成，1)該壓阻敏感組件由硅壓阻敏感元件和玻璃環(huán)片組成，該硅壓阻敏感元件為具有方形力敏區(qū)的方平硅膜片，該硅膜片正面依次覆蓋有SiO2層和Si3N4層，該力敏區(qū)正面有惠斯頓應(yīng)變?nèi)珮虿⒁鲭娮桦姌O，該力敏區(qū)背面邊緣硬框依次覆蓋有Si3N4層和SiO2層并焊接于拋光Pyrex或GG-17玻璃環(huán)片，形成該壓阻敏感組件，該電阻電極焊接于金絲內(nèi)引線一端；2)該傳感器基座進壓端口設(shè)有的環(huán)行凹坑面粘結(jié)或焊接金屬環(huán)片，該金屬環(huán)片外側(cè)面與該傳感器基座進壓端的端面齊平，該壓阻敏感組件之玻璃環(huán)片另一面粘貼在該金屬環(huán)片內(nèi)側(cè)面，實現(xiàn)該壓阻敏感組件之硅膜片背面與該傳感器基座進壓端口的端面準(zhǔn)齊平封裝，該金絲內(nèi)引線另一端焊接到該轉(zhuǎn)接電路，該引出電纜之芯線焊接于該轉(zhuǎn)接電路，實現(xiàn)該金絲內(nèi)引線與相應(yīng)芯線導(dǎo)通；3)該傳感器基座之尾部旋固用于封裝該傳感器的傳感器管帽，該引出電纜通過該傳感器管帽底部口引出，并且基于壓線帽固定于該傳感器管帽。
作為本發(fā)明的進一步改進，該方平硅膜片背面具有C型結(jié)構(gòu)，該力敏區(qū)背面邊緣硬框圍成的膜部位裸露出硅芯片，該力敏區(qū)背面邊緣硬框圍成的膜部位裸露出硅芯片，相對于該傳感器壓力量程0-200KPa～2MPa的硅膜片厚度為50μ-150μ。
作為本發(fā)明的進一步改進，該方平硅膜片背面具有E型結(jié)構(gòu)，該力敏區(qū)背面設(shè)有依次覆蓋有Si3N4層和SiO2層中心島，由該中心島和邊緣硬框圍成的膜部位裸露出硅芯片，對應(yīng)于該傳感器壓力量程0-10KPa～200KPa的硅膜片厚度為15μ-60μ。
作為本發(fā)明的進一步改進，該金屬環(huán)片與該傳感器基座成一體。
作為本發(fā)明的進一步改進，該方平硅膜片采用高楊氏彈性模量的硅單晶。
作為本發(fā)明的進一步改進，該惠斯頓應(yīng)變?nèi)珮蛑娮杈哂?KΩ以下阻值。
作為本發(fā)明的進一步改進，該轉(zhuǎn)接電路為固定于該傳感器基座之腔體內(nèi)的PCB轉(zhuǎn)接板(14)。
作為本發(fā)明的進一步改進，該轉(zhuǎn)接電路與該引出電纜間接有一體化封裝的高頻帶寬放大電路，實現(xiàn)傳輸信號高頻放大，該高頻帶寬放大電路具有高達100KHz的帶寬和1μS的上升時間。
作為本發(fā)明的進一步改進，該高頻帶寬放大電路由兩級放大電路組成，第一級放大電路采用單位增益帶寬高至1MHz的放大器AD620和5-10倍的放大倍率，第二級放大電路采用單位增益帶寬高至30MHz的放大器OP37和10-40倍的放大倍率。
作為本發(fā)明的進一步改進，該拋光Pyrex或GG-17玻璃環(huán)片厚度為2-4mm，該金絲內(nèi)引線為φ25-φ40μm，該高頻動態(tài)壓力傳感器具有138K-600KHz固有頻率、0-40KHz至0-200KHz帶寬以及1.0-0.2μS上升時間。
本發(fā)明的有益效果是該高頻動態(tài)低壓傳感器的接觸敏感材料采用高楊氏彈性模量的硅單晶，感壓膜片為極小尺寸的周邊固支的方平硅膜片，利用壓阻原理實現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換、微機械加工技術(shù)制成硅壓阻力敏元件，因而敏感元件具有100KHz以上，直至1500KHz的高固有頻率，1μS-0.2μS的極快上升時間，以及低至零赫茲的低頻響應(yīng)特性。
方平硅膜片采用C型或E型島膜復(fù)合力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計解決了低量程靈敏度的問題。由于低量程的該壓力傳感器的力敏芯片感壓面比傳感器基座進壓端口低1-2mm，是典型的準(zhǔn)齊平封裝設(shè)計，這種準(zhǔn)齊平封裝設(shè)計金屬環(huán)片的中心孔正對的該力敏硅芯片的力敏區(qū)，進壓端口與力敏芯片之間只有1-2mm的圓柱孔，沒有形成T型管腔效應(yīng)，因而該傳感器具有很優(yōu)秀的動態(tài)測試性能和抗光干擾性，完全滿足動態(tài)測試試驗要求的響應(yīng)頻率。
當(dāng)測試要求傳感器引出線太長，為避免干擾，用戶要求傳感器輸出高電平信號時，采用一體化封裝的高頻寬帶放大器，實現(xiàn)50-400倍的放大倍率，保證了該傳感器可以達到使用帶寬100KHz，動態(tài)幅頻誤差小于1％，上升時間小于1μS的高動態(tài)頻響，同時又避免了其小信號噪聲大的弱點。


圖1是本發(fā)明所述的具有力敏區(qū)的C型方平硅膜片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所述的具有力敏區(qū)的E型方平硅膜片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明所述的方平硅膜片與Pyrex玻璃環(huán)片形成壓阻敏感組件以及內(nèi)外引線引出的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明所述的傳感器準(zhǔn)齊平封裝的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明所述的帶有高頻寬帶放大器的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明涉及的高頻寬帶放大器的電路原理圖。
對圖1至圖6做如下進一步說明
1-Si3N4層 13-○型圈2-SiO2層 14-PCB轉(zhuǎn)接板3-膜15-引出電纜4-邊緣硬框5-中心島16-傳感器管帽7-Pyrex玻璃環(huán)片 17-壓線帽8-金屬環(huán)片 18-固板架10-方平硅膜片 19-轉(zhuǎn)接電纜11-金絲內(nèi)引線 20-高頻寬帶放大電路12-傳感器基座具體實施方式
高頻動態(tài)低壓傳感器采用MEMS硅體微機械加工工藝制作的周邊固支的方平膜利用準(zhǔn)齊平封裝，消除管腔效應(yīng)對動態(tài)測試的影響，實現(xiàn)對動態(tài)壓力的實時測量，采用高頻寬帶放大器，確保有足夠高頻響的同時，又避免了其小信號噪聲大的弱點。實施步驟按照如圖1至圖6所示實現(xiàn)圖1是具有方形力敏區(qū)的C型方平硅膜片，將作為彈性元件的雙面拋光硅片在MEMS技術(shù)加工中先用傳統(tǒng)的熱氧化技術(shù)在兩面覆蓋1μm厚的SiO2層2，再用標(biāo)準(zhǔn)的LPCVD法在兩面上覆蓋3000A厚的Si3N4層1，用兩次光刻技術(shù)，刻蝕掉該硅膜片正面方形力敏區(qū)以外部位的Si3N4層及SiO2層，保留邊緣硬框部位覆蓋的Si3N4層和SiO2層。上述硅片在KOH腐蝕液中按標(biāo)準(zhǔn)的硅體微機械加工工藝技術(shù)進行各向異性腐蝕，由于預(yù)留在邊緣硬框部位的Si3N4層和SiO2層的腐蝕掩蔽作用形成C型彈性力學(xué)敏感結(jié)構(gòu)。用雙面光刻技術(shù)和離子注入摻雜技術(shù)，在該方平硅膜片的正面特定位置制作成惠斯頓應(yīng)變?nèi)珮虿⒁鰬?yīng)變電阻之電極。上述未詳加敘述的都是標(biāo)準(zhǔn)的集成電路工藝。
圖2是具有方形力敏區(qū)的E型方平硅膜片，將作為彈性元件的雙面拋光硅片在MEMS技術(shù)加工中先用傳統(tǒng)的熱氧化技術(shù)在兩面覆蓋1μm厚的SiO2層2，再用標(biāo)準(zhǔn)的LPCVD法在兩面上覆蓋3000A厚的Si3N4層1，用兩次光刻技術(shù)，刻蝕掉該硅膜片背面相當(dāng)于今后中心島部位的Si3N4層、膜部位的Si3N4層和SiO2層，保留中心島部位覆蓋的SiO2層，保留邊緣硬框部位覆蓋的Si3N4層和SiO2層。上述硅片在KOH腐蝕液中按標(biāo)準(zhǔn)的硅體微機械加工工藝技術(shù)進行各向異性腐蝕，由于預(yù)留在島部位的SiO2層的腐蝕掩蔽作用形成島——膜復(fù)合彈性力學(xué)敏感結(jié)構(gòu)。用雙面光刻技術(shù)和離子注入摻雜技術(shù)，在島——膜復(fù)合彈性芯片的正面特定位置制作成惠斯頓應(yīng)變?nèi)珮虿⒁鰬?yīng)變電阻之電極。上述未詳加敘述的都是標(biāo)準(zhǔn)的集成電路工藝。
圖3是圖1或圖2方平硅膜片組成的壓阻敏感組，利用靜電鍵合工藝將該邊緣硬框區(qū)域和厚度為2-4mm的拋光Pyrex玻璃環(huán)片7焊接到一起。Pyrex玻璃環(huán)片是康寧公司(Corning)的產(chǎn)品，專為半導(dǎo)體封裝設(shè)計，具有與硅接近的物理性能，GG-17為其國產(chǎn)替代產(chǎn)品，為硼硅玻璃環(huán)片，市場有售。再采用4或5根φ25-φ40μm的金絲11為內(nèi)引線，用特制的金絲球焊機將金絲的一端焊接在惠斯頓應(yīng)變?nèi)珮虻碾姌O引出塊上，并將該玻璃環(huán)的另一面用環(huán)氧樹脂膠粘貼在一片中心有φ0.5-1.2mm小孔、厚度1-2mm的金屬環(huán)片8上構(gòu)成壓力敏感組件。
圖4是準(zhǔn)齊平封裝的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，將圖3所示的力敏組件的金屬環(huán)片8用環(huán)氧膠粘結(jié)或激光焊接到該傳感器基座12進壓端口中央的凹坑中，使金屬環(huán)片外側(cè)面正好與該傳感器基座進壓端的端面齊平。也可將此金屬環(huán)片與該傳感器基座設(shè)計為一體，然后將玻璃環(huán)沒有硅片的一端用環(huán)氧樹脂膠粘貼到相當(dāng)于金屬環(huán)片的位置。將金絲內(nèi)引線11的另一端焊接到PCB轉(zhuǎn)接板14上，并將傳感器引出電纜15的芯線焊接到對應(yīng)的PCB板上，從而實現(xiàn)內(nèi)外引線的轉(zhuǎn)接。
該傳感器基座尾部旋固用于封裝該傳感器的傳感器管帽16，該引出電纜通過該傳感器管帽底部口引出，并且基于壓線帽17固定于該傳感器管帽，該傳感器基座尾部與該傳感器管帽之間以及該壓線帽與該傳感器管帽之間可以設(shè)有○型圈13。
圖5是帶有兩級放大電路的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，將該金絲內(nèi)引線通過PCB轉(zhuǎn)接板和轉(zhuǎn)接電纜與高頻寬帶放大電路20連接，該高頻寬帶放大電路基于該傳感器腔體內(nèi)的固板架18固定，再將該引出電纜的芯線焊接到該高頻寬帶放大電路上，從而實現(xiàn)傳感器信號的高頻放大。
當(dāng)測試要求傳感器引出線太長，因而為避免干擾、用戶要求傳感器輸出高電平信號時，采用一體化封裝的高頻寬帶放大器，該放大器有高至0-100KHz的使用帶寬，1μS的上升時間和極低的低頻噪聲。
該高頻帶寬放大電路由兩級放大電路組成，第一級采用單位增益帶寬僅有1MHz的AD620，它有極優(yōu)的低噪聲特性，是放大電路低噪聲的保證，第一級采用4-10倍的低放大倍率，因而AD620在此時仍有800KHz的頻響，由于它有較高的壓擺率，又是小信號放大，因此可確保1μS的上升時間；第二級放大采用有高至30MHz的單位增益帶寬的高頻儀表放大器OP37，采用10-40倍的放大倍率，因而有足夠高的頻響保證，同時又避免了其小信號噪聲大的弱點。
圖6是本發(fā)明涉及的高頻寬帶放大器的電路原理圖實施例，該高頻寬帶放大器由三部分組成，其中1、LM317與R5、D1、C6、C7組成為傳感器提供工作的恒流電源，根據(jù)公式I＝1.25/R可以確定R5大小決定LM317所提供的恒流大小，D1、C6、C7組成恒流的濾波電路用于去除電源的干擾及噪聲。
2、AD620與R1、C1、C8、C9、C2、R2組成該高頻寬帶放大器的第一級放大，R1為一固定電阻，其值大小為R＝49.4K/(G-1)，(G＝4～10)跨接在AD620的1、8腳之間，該級放大倍數(shù)固定為4～10倍，使得AD620在該放大倍數(shù)下有著較低噪聲，同時具有較高的頻響；C1跨接在AD620的2、3腳之間用來濾除800～1MHz的傳感器輸入噪聲；C8、C9用來濾除AD620工作電源的干擾噪聲；C2、R2組成AD620放大輸出信號即OP37輸入信號的濾波電路濾除其信號干擾。
3、OP37與C3、C4、C5、R3、R4、W2及R3、W1組成該放大電路的第二級放大，W1、W2為三端可調(diào)電阻(電位器)，R3、W2、R4跨接在OP37的1腳、7腳及8腳上，該部分組成OP37的零位失調(diào)電路作為該高頻寬帶放大器的零位調(diào)節(jié)電路，而R3、W1分別跨接在OP37的2腳、6腳及電源地之間作為第二級放大電路的放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)，C3、C4、C5組成第二級放大電路的電源及信號輸出的濾波，作為第二級放大電路的信號干擾的濾除電路該高頻動態(tài)低壓傳感器的量程是由微機械加工的具有方形力敏區(qū)的方平硅膜片厚度控制的，膜片厚度的控制通過各向異性腐蝕工藝與精密控厚四電極化學(xué)腐蝕裝置完成。方平硅膜片(10)背面具有C型結(jié)構(gòu)，相對于該傳感器壓力量程0-200KPa～2MPa的硅膜片厚度為50μ-150μ；方平硅膜片(10)背面具有E型結(jié)構(gòu)，對應(yīng)于量程0-10KPa～200KPa的硅膜片厚度為15μ-60μ。
該高頻動態(tài)低壓傳感器的硅膜片背面與該傳感器基座之進壓端口距離1-2mm，是典型的準(zhǔn)齊平封裝設(shè)計，消除了壓力管腔效應(yīng)對其動態(tài)測試的影響，充分保證了傳感器的動態(tài)頻響特性，完全滿足動態(tài)壓力測試試驗要求的響應(yīng)頻率。
該高頻動態(tài)低壓傳感器可以通過兩級放大的寬帶放大器實現(xiàn)50-400倍的放大倍率，保證了該傳感器可以達到增益帶寬800KHz，上升時間小于1μS的高動態(tài)頻響，同時又避免了其小信號噪聲大的弱點。
該高頻動態(tài)低壓傳感器性能優(yōu)良、穩(wěn)定、抗干擾能力強，可用于空氣動力學(xué)試驗等工況的高靈敏度動態(tài)壓力測試的用途，有著較好的市場前景。
本發(fā)明產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)為；1、量程0～10KPa-2MPa，輸出靈敏度15～100mV或0-5V2、精度0.1％～0.01％FS3、固有頻率0～150-600KHz4、使用帶寬0～50-200KHz5、上升時間1-0.2μS6、時間穩(wěn)定性≤0.1mV7、溫度穩(wěn)定性≤5×10-4/℃·FS
權(quán)利要求
1.一種壓阻式高頻動態(tài)低壓傳感器，由壓阻敏感組件、傳感器基座(12)、轉(zhuǎn)接電路和引出電纜(15)組成，其特征在于1)該壓阻敏感組件由硅壓阻敏感元件和玻璃環(huán)片組成，該硅壓阻敏感元件為具有方形力敏區(qū)的方平硅膜片(10)，該硅膜片正面依次覆蓋有SiO2層(2)和Si3N4層(1)，該力敏區(qū)正面有惠斯頓應(yīng)變?nèi)珮虿⒁鲭娮桦姌O，該力敏區(qū)背面邊緣硬框(4)依次覆蓋SiO2層(2)和Si3N4層(1)并焊接于拋光Pyrex或GG-17玻璃環(huán)片(7)，形成該壓阻敏感組件，該電阻電極焊接于金絲內(nèi)引線(11)一端；2)該傳感器基座進壓端口設(shè)有的環(huán)形凹坑面粘結(jié)或焊接金屬環(huán)片(8)，該金屬環(huán)片外側(cè)面與該傳感器基座進壓端的端面齊平，該壓阻敏感組件之玻璃環(huán)片另一面粘貼在該金屬環(huán)片內(nèi)側(cè)面，實現(xiàn)該壓阻敏感組件之硅膜片背面與該傳感器基座進壓端口的端面準(zhǔn)齊平封裝，該金絲內(nèi)引線另一端焊接到該轉(zhuǎn)接電路，該引出電纜之芯線焊接于該轉(zhuǎn)接電路，實現(xiàn)該金絲內(nèi)引線與相應(yīng)芯線導(dǎo)通；3)該傳感器基座之尾部旋固用于封裝該傳感器的傳感器管帽(16)，該引出電纜通過該傳感器管帽底部口引出，并且基于壓線帽(17)固定于該傳感器管帽。
2.如權(quán)利要求1所述的一種壓阻式高頻動態(tài)低壓傳感器，其特征在于，該方平硅膜片(10)背面具有C型結(jié)構(gòu)，該力敏區(qū)背面邊緣硬框圍成的膜(3)部位裸露出硅芯片，相對于該傳感器壓力量程0-200KPa～2MPa的硅膜片厚度為50μ-150μ。
3.如權(quán)利要求1所述的一種壓阻式高頻動態(tài)低壓傳感器，其特征在于，該方平硅膜片(10)背面具有E型結(jié)構(gòu)，該力敏區(qū)背面設(shè)有覆蓋SiO2層(2)中心島(5)，由該中心島和邊緣硬框圍成的膜(3)部位裸露出硅芯片，對應(yīng)于該傳感器壓力量程0-10KPa～200KPa的硅膜片厚度為15μ-60μ。
4.如權(quán)利要求1所述的一種壓阻式高頻動態(tài)低壓傳感器，其特征在于，該金屬環(huán)片與該傳感器基座成一體。
5.如權(quán)利要求1所述的一種壓阻式高頻動態(tài)低壓傳感器，其特征在于，該方平硅膜片采用高楊氏彈性模量的硅單晶。
6.如權(quán)利要求1所述的一種壓阻式高頻動態(tài)低壓傳感器，其特征在于，該惠斯頓應(yīng)變?nèi)珮蛑娮杈哂?KΩ以下阻值。
7.如權(quán)利要求1所述的一種壓阻式高頻動態(tài)低壓傳感器，其特征在于，該轉(zhuǎn)接電路為固定于該傳感器基座之腔體內(nèi)的PCB轉(zhuǎn)接板(14)。
8.如權(quán)利要求1、2、3所述的一種壓阻式高頻動態(tài)低壓傳感器，其特征在于，該轉(zhuǎn)接電路與該引出電纜間接有一體化封裝的高頻帶寬放大電路(20)，實現(xiàn)傳輸信號高頻放大，該高頻帶寬放大電路具有高達100KHz的帶寬和1μS的上升時間。
9.如權(quán)利要求8所述的一種壓阻式高頻動態(tài)低壓傳感器，其特征在于，該高頻帶寬放大電路由兩級放大電路組成，第一級放大電路采用單位增益帶寬高至1MHz的放大器AD620和5-10倍的放大倍率，第二級放大電路采用單位增益帶寬高至30MHz的放大器0P37和10-40倍的放大倍率。
10.如權(quán)利要求1、2、3所述的一種壓阻式高頻動態(tài)低壓傳感器，其特征在于，該拋光Pyrex或GG-17玻璃環(huán)片厚度為2-4mm，該金絲內(nèi)引線為φ25-φ40μm，該高頻動態(tài)壓力傳感器具有138K-600KHz固有頻率、0-40KHz至0-200KHz帶寬以及1.0-0.2μS上升時間。
全文摘要
一種壓阻式高頻動態(tài)低壓傳感器由壓阻敏感組件、傳感器基座、轉(zhuǎn)接電路和引出電纜組成，壓阻敏感組件由硅壓阻敏感元件和玻璃環(huán)片組成，敏感元件為具有力敏區(qū)C型或E型方平硅膜片，膜片正面覆蓋Si
文檔編號G01L1/18GK1834602SQ200510038458
公開日2006年9月20日 申請日期2005年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月14日
發(fā)明者許廣軍, 王文襄, 李水俠, 李濟順, 溫爭艷, 孫芳莉 申請人:昆山雙橋傳感器測控技術(shù)有限公司