專利名稱：一種復(fù)合式mems耐高溫超高壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，特別涉及一種復(fù)合式MEMS耐高溫超高壓力傳感器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今石油化工、航空航天、軍工、冶煉等領(lǐng)域普遍存在高溫、瞬時高溫沖擊、 超高量程等條件下的測量難題，針對這一測量難題而設(shè)計的耐高溫壓力傳感器已有廣泛 的研究和應(yīng)用，如SOI硅壓阻壓力傳感器、SOS (Silicon on Sapphire)壓力傳感器、濺射薄 膜壓力傳感器以及采用硅應(yīng)變片或高溫箔式應(yīng)變片制作的耐高溫壓力傳感器等。從測量 機理來看，這些傳感器都是基于電阻效應(yīng)的；從結(jié)構(gòu)上來看，這些傳感器的彈性元件和 敏感元件可分為一體化結(jié)構(gòu)和組合式結(jié)構(gòu)兩類。從應(yīng)用角度來看，S0I硅壓阻壓力傳感 器得到了很好的應(yīng)用，特別是美國Kulite和Endevco公司的此類產(chǎn)品，形成了行業(yè)壟斷。具有彈性敏感元件一體化結(jié)構(gòu)的S0I壓阻壓力傳感器的主要優(yōu)點包括1)精 度和靈敏度高，對后續(xù)信號處理電路無特殊要求，應(yīng)用成本較低；2)重量輕、動態(tài)頻響 高，使用帶寬高達(dá)1MHz以上；3)性能穩(wěn)定、可靠性高，由于硅芯片的工作彈性應(yīng)變低 至微應(yīng)變，最大位移在亞微米級，因而無磨損、疲勞和老化現(xiàn)象，壽命達(dá)107次以上壓力 循環(huán)；4)可長期在高溫(如300°C以上)環(huán)境下可靠工作；5)硅芯片采用MEMS (Micro Mechanical-electro System,微型機械電子系統(tǒng))技術(shù)實現(xiàn)批量化制作，成本低等。但也 存在以下問題1)最高量程不超過150MPa ； 2)被測介質(zhì)不僅要與外殼材料兼容，同時 還必須與硅、玻璃及封裝材料兼容，因而應(yīng)用范圍相對較窄。彈性元件與敏感元件為組合式結(jié)構(gòu)的耐高溫壓力傳感器的主要優(yōu)勢在于1)量 程大，如可達(dá)700MPa以上；2)金屬彈性元件和壓力接口是由一個整件高強度不銹鋼加 工而成，可根據(jù)不同的應(yīng)用介質(zhì)(如腐蝕介質(zhì))來選擇不同的材質(zhì)，適用被測介質(zhì)范圍 寬；3)內(nèi)部的壓力密封不存在0型圈，密封可靠性高。但這類傳感器也有一定的不足之 處1)敏感元件通過多種工藝封裝在金屬彈性元件上，敏感元件感受金屬彈性元件的應(yīng) 變達(dá)到檢測壓力的目的。而敏感元件、金屬彈性元件及封裝材料的熱膨脹系數(shù)差異會產(chǎn) 生封裝殘余應(yīng)力，特別是在高溫環(huán)境下進行應(yīng)用時，就會表現(xiàn)出穩(wěn)定性差等問題；2)如 果敏感元件是基于金屬電阻效應(yīng)的，如濺射薄膜或采用高溫箔式金屬應(yīng)變片的壓力傳感 器，由于金屬的電阻率小，壓阻系數(shù)很低，傳感器的靈敏度很小(僅幾mV/V)，因而信 噪比差，對后續(xù)的信號處理電路要求較高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種復(fù)合式MEMS耐高 溫超高壓力傳感器，具有測量量程大，應(yīng)用范圍廣，靈敏度和信噪比好，傳感器的溫度 穩(wěn)定性好的優(yōu)點。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
一種復(fù)合式MEMS耐高溫超高壓力傳感器，包括底座1，硅梁敏感元件2、高溫 轉(zhuǎn)接板4及外殼6裝配在底座1上，硅梁敏感元件2上設(shè)計有惠斯通電橋，金絲引線3連 接惠斯通電橋與高溫轉(zhuǎn)接板4，高溫電纜線5穿過外殼6上的固線帽7連接高溫轉(zhuǎn)接板4 與外部電路，底座1由承壓彈性元件8與帶有螺紋的基座結(jié)合為一體，承壓彈性元件8與 硅梁敏感元件2構(gòu)成復(fù)合式壓力測量結(jié)構(gòu)，其中承壓彈性元件8的中間為周邊固支的圓膜 片9，圓膜片9上設(shè)計有傳力桿10，硅梁敏感元件2采用E型杯結(jié)構(gòu)，中間設(shè)計有測量島 11，硅梁敏感元件2的周邊裝配在彈性元件底座1之上，測量時，測量島11與傳力桿10 相接觸。所述的底座1下段為螺紋基座，中段為承壓彈性元件8，上端為兩級臺階，硅梁 敏感元件2裝配在第一級臺階上，高溫轉(zhuǎn)接板4裝配在第二級臺階上。所述的測量島11與傳力桿10的接觸方式有接觸式和間隙式，其中間隙式接觸方 式中測量島11與傳力桿10的間隙為微米量級。所述的硅梁敏感元件2有單梁、雙梁或 四梁三種形式。所述的承壓彈性元件8由高強度彈簧鋼制造，能夠承受lGPa的壓力，同時與測 量介質(zhì)具有兼容性。所述的硅梁敏感元件2采用MEMS技術(shù)和SOI技術(shù)制作，傳感器的輸出電壓為 20mV/V 以上。本發(fā)明的工作原理為被測壓力P直接作用在承壓彈性元件8的膜片9上并使其發(fā)生變形，其最大撓度 通過傳力桿10施加到硅梁敏感元件2的測量島11上，基于單晶硅壓阻效應(yīng)，硅梁敏感元 件2上的惠斯通電橋的四個壓敏電阻阻值發(fā)生變化，恒定電流或電壓經(jīng)由高溫電纜線5、 高溫轉(zhuǎn)接板4和金絲引線3加載至惠斯通電橋輸入端，壓敏電阻阻值發(fā)生變化的惠斯通電 橋輸出端輸出與被測壓力P成正比的電信號，再經(jīng)由金絲引線3、高溫轉(zhuǎn)接板4和高溫電 纜線5傳輸至外部電路，對電信號的測量實現(xiàn)了對被測壓力P的測量。由于承壓彈性元件8采用了高強度彈簧鋼，可以承受lGPa的壓力，同時對測量 介質(zhì)兼容性好，所以克服了一般的硅基材料一體化傳感器測量量程小、應(yīng)用范圍窄的缺 點，具有測量量程大，應(yīng)用范圍較廣的優(yōu)點；因為敏感元件是采用MEMS技術(shù)和SOI技 術(shù)制作的硅梁敏感元件，壓阻系數(shù)較高，輸出電壓可達(dá)20mV/V以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于濺射薄 膜或高溫箔式金屬應(yīng)變片的壓力傳感器的輸出電壓(僅幾mV/V)，因此靈敏度和信噪比 都較好，降低了對后續(xù)調(diào)理電路的要求；由于本發(fā)明中傳感器的彈性元件與敏感元件的 接觸方式與濺射薄膜或高溫箔式金屬應(yīng)變片的壓力傳感器不同，彈性元件與敏感元件之 間熱膨脹系數(shù)的差異對傳感器的性能影響很小，在高溫環(huán)境下穩(wěn)定性也會因此大幅度提 升。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2_a為本發(fā)明的測量島11與傳力桿10的接觸式示意圖。圖2_b為本發(fā)明的測量島11與傳力桿10的間隙式接觸示意圖。圖3_a為本發(fā)明單梁式硅梁敏感元件2的主視圖。
圖3_b為本發(fā)明單梁式硅梁敏感元件2的俯視圖。圖4_a為本發(fā)明雙梁式硅梁敏感元件2的主視圖。圖4_b為本發(fā)明雙梁式硅梁敏感元件2的俯視圖。圖5_a為本發(fā)明四梁式硅梁敏感元件2的主視圖。圖5_b為本發(fā)明四梁式硅梁敏感元件2的俯視圖。
具體實施方案以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理、工作原理作更詳細(xì)的說明。參照圖1，一種復(fù)合式MEMS耐高溫超高壓力傳感器，包括底座1，硅梁敏感元 件2、高溫轉(zhuǎn)接板4及外殼6裝配在底座1上，硅梁敏感元件2上設(shè)計有惠斯通電橋，金 絲引線3連接惠斯通電橋與高溫轉(zhuǎn)接板4，高溫電纜線5穿過外殼6上的固線帽7連接高 溫轉(zhuǎn)接板4與外部電路，底座1由承壓彈性元件8與帶有螺紋的基座結(jié)合為一體，下段為 螺紋基座，中段為承壓彈性元件8，上端為兩級臺階，硅梁敏感元件2裝配在第一級臺階 上，高溫轉(zhuǎn)接板4裝配在第二級臺階上，承壓彈性元件8與硅梁敏感元件2構(gòu)成復(fù)合式壓 力測量結(jié)構(gòu)，其中承壓彈性元件8的中間為周邊固支的圓膜片9，圓膜片9上設(shè)計有傳力 桿10，硅梁敏感元件2采用E型杯結(jié)構(gòu)，中間設(shè)計有測量島11，硅梁敏感元件2的周邊 裝配在彈性元件底座1之上，測量時，測量島11與傳力桿10相接觸。參照圖2_a和2_b，所述的測量島11與傳力桿10的接觸方式有接觸式和間隙 式，其中間隙式接觸方式中測量島11與傳力桿10的間隙Hp為微米量級。所述的硅梁敏感元件2有單梁、雙梁或四梁三種形式。參照圖3-a和3-b，圖中 單梁式硅梁敏感元件2的測量島11、硅梁12和硅梁基座13構(gòu)成E型結(jié)構(gòu)，單梁式硅梁 敏感元件2由一測量島11，一個硅梁12和一個硅梁基座13構(gòu)成，其中硅梁12從測量島 11的一側(cè)連接到硅梁基座13 ；參照圖4-a和4-b，雙梁式硅梁敏感元件2的測量島11、 硅梁12和硅梁基座13構(gòu)成E型結(jié)構(gòu)，雙梁式硅梁敏感元件2由一個測量島11，兩個硅 梁12和一個硅梁基座13構(gòu)成，其中硅梁12從測量島11左右兩側(cè)連接到硅梁基座13 ； 參照圖5-a和5-b，四梁式硅梁敏感元件2的測量島11、硅梁12和硅梁基座13構(gòu)成E型 結(jié)構(gòu)，四梁式硅梁敏感元件2由一個測量島11，四個硅梁12和一個硅梁基座13構(gòu)成，其 中硅梁12從測量島11上下左右四側(cè)連接到硅梁基座13。所述的承壓彈性元件8由高強度彈簧鋼制造，能夠承受lGPa的壓力，同時對測 量介質(zhì)兼容性好。所述的硅梁敏感元件2采用MEMS技術(shù)和SOI技術(shù)制作，傳感器的輸出電壓達(dá) 20mV/V 以上。本發(fā)明的工作原理為被測壓力P通過底座1直接作用在承壓彈性元件8的膜片9上并使其發(fā)生變形， 其最大撓度通過傳力桿10施加到硅梁敏感元件2的測量島11上，因此測量島11和硅梁基 座13之間的相對位置發(fā)生變化，使硅梁12發(fā)生變形，基于單晶硅壓阻效應(yīng)，硅梁敏感元 件2上的惠斯通電橋的四個壓敏電阻阻值發(fā)生變化，恒定電流或電壓經(jīng)由高溫電纜線5、 高溫轉(zhuǎn)接板4和金絲引線3加載至惠斯通電橋輸入端，由于壓敏電阻阻值發(fā)生變化，因此 在惠斯通電橋輸出端輸出與被測壓力P成正比的電信號，再經(jīng)由金絲引線3、高溫轉(zhuǎn)接板4和高溫電纜線5傳輸至外部電路，對電信號的測量實現(xiàn)了對被測壓力P的測量。
附圖中1為底座；2為硅梁敏感元件；3為金絲引線；4為高溫轉(zhuǎn)接板；5為 高溫電纜線；6為外殼；7為固線帽；8為承壓彈性元件；9為圓膜片；10為傳力桿；11 為測量島；12為硅梁；13為硅梁基座；Hp為間隙。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合式MEMS耐高溫超高壓力傳感器，包括底座(1)，硅梁敏感元件(2)、高 溫轉(zhuǎn)接板(4)及外殼(6)裝配在底座(1)上，硅梁敏感元件(2)上設(shè)計有惠斯通電橋，金 絲引線(3)連接惠斯通電橋與高溫轉(zhuǎn)接板(4)，高溫電纜線(5)穿過外殼(6)上的固線帽 (7)連接高溫轉(zhuǎn)接板(4)與外部電路，其特征在于底座(1)由承壓彈性元件(8)與帶有 螺紋的基座結(jié)合為一體，承壓彈性元件(8)與硅梁敏感元件(2)構(gòu)成復(fù)合式壓力測量結(jié) 構(gòu)，其中承壓彈性元件(8)的中間為周邊固支的圓膜片(9)，圓膜片(9)上設(shè)計有傳力桿 (10)，硅梁敏感元件(2)采用E型杯結(jié)構(gòu)，中間設(shè)計有測量島(11)，硅梁敏感元件(2)的 周邊裝配在彈性元件底座(1)之上，測量時，測量島(11)與傳力桿(10)相接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合式MEMS耐高溫超高壓力傳感器，其特征在于 所述的底座(1)下段為螺紋基座，中段為承壓彈性元件(8)，上端為兩級臺階，硅梁敏感 元件(2)裝配在第一級臺階上，高溫轉(zhuǎn)接板(4)裝配在第二級臺階上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合式MEMS耐高溫超高壓力傳感器，其特征在于 所述的測量島(11)與傳力桿(10)的接觸方式為接觸式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合式MEMS耐高溫超高壓力傳感器，其特征在于 所述的測量島(11)與傳力桿(10)的接觸方式為間隙式，其中測量島(11)與傳力桿(10) 的間隙為微米量級。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合式MEMS耐高溫超高壓力傳感器，其特征在于 所述的硅梁敏感元件(2)有單梁、雙梁或四梁三種形式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合式MEMS耐高溫超高壓力傳感器，其特征在于 所述的承壓彈性元件(8)由高強度彈簧鋼制造，能夠承受IGPa的壓力，同時與測量介質(zhì) 具有兼容性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合式MEMS耐高溫超高壓力傳感器，其特征在于 所述的硅梁敏感元件(2)采用MEMS技術(shù)和SOI技術(shù)制作，傳感器的輸出電壓為20mV/ V以上。
全文摘要
一種復(fù)合式MEMS耐高溫超高壓力傳感器，包括底座，硅梁敏感元件、高溫轉(zhuǎn)接板及外殼裝配在底座上，硅梁敏感元件通過金絲引線、高溫轉(zhuǎn)接板連接到高溫電纜線上并與外部電路連接，底座由承壓彈性元件與基座結(jié)合，承壓彈性元件的中間為圓膜片，其上設(shè)計有傳力桿，硅梁敏感元件采用E型杯結(jié)構(gòu)，中間設(shè)計有測量島，硅梁敏感元件裝配在承壓彈性元件上，測量島與傳力桿接觸，壓力作用在圓膜片上使其變形，撓度施加到測量島上，恒定電流或電壓經(jīng)硅梁敏感元件處理并輸出與被測壓力成正比的電信號，再經(jīng)金絲引線、高溫轉(zhuǎn)接板和高溫電纜線傳輸至外部電路，實現(xiàn)了對被測壓力的測量，本發(fā)明具有測量量程大，應(yīng)用范圍廣，靈敏度和信噪比好等優(yōu)點。
文檔編號G01L1/26GK102012288SQ201010522858
公開日2011年4月13日 申請日期2010年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月28日
發(fā)明者孟夏薇, 苑國英, 蔣莊德, 趙玉龍, 趙立波, 郭鑫 申請人:西安交通大學(xué)