一種結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器的制造方法
【專利摘要】一種結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器，其特征在于：上、下玻璃固定極板與之間的硅敏感芯片可動極板構(gòu)成兩個感壓差動電容的微差壓結(jié)構(gòu)；在可動極板的中心島上、下面分別有導(dǎo)油槽、中心島四周通過相連的膜片與硅敏感芯片可動極板為一體，上、下玻璃固定極板的中心表面有金屬電極層；上、下玻璃固定極板、玻璃底板中心均有導(dǎo)壓孔，下玻璃固定極板和玻璃底板的導(dǎo)壓孔與置于底座內(nèi)的導(dǎo)壓管相通；上玻璃固定極板、可動極板和玻璃底板上均有壓焊點，底座上引出燒結(jié)引線。本設(shè)計采用差動電容輸出電容信號，實現(xiàn)微差壓信號的精準(zhǔn)檢測。制作工藝簡單，易于批量制作，一致性好，高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性，很好地滿足工業(yè)自動控制系統(tǒng)對微差壓傳感器的需求。
【專利說明】一種結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及傳感器制造【技術(shù)領(lǐng)域】，是一種結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著傳感器技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)型力敏傳感器以其高精度、高穩(wěn)定、高可靠、低溫度系數(shù)、高抗過載能力、優(yōu)良的動態(tài)響應(yīng)特性以及對高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件適應(yīng)性強等一系列優(yōu)勢被公認(rèn)為是新一代具有廣闊發(fā)展前途的新型高性能傳感器。隨著檢測儀表智能化趨勢越來越強，硅傳感器在高速發(fā)展的微機械加工技術(shù)和微電子技術(shù)的帶動下迅速催生出“硅電容傳感器”、“硅諧振傳感器”、“硅加速度傳感器”等不同與以往硅壓阻式傳感器的新型結(jié)構(gòu)型傳感器，其中電容型壓力傳感器是結(jié)構(gòu)型壓力傳感器一種典型代表，它利用電容原理測量壓力，是壓力測量儀表的關(guān)鍵部件。與擴散硅壓力傳感器相比，硅電容壓力傳感器有其獨特的優(yōu)點，特別是采用電容原理制作微差壓傳感器，遠(yuǎn)比采用擴散硅原理制造工藝實現(xiàn)難度小，易于批量重復(fù)制作。此外，由于這種電容結(jié)構(gòu)型傳感器不存在PN結(jié)的電隔離問題，因此，無論從精度和長期穩(wěn)定性方面都較比擴散硅傳感器有了很大提高，如:精度優(yōu)于0.075%FS，傳感器在幾年使用時間里免維護(hù)，這些特點都是前一代傳感器無法比擬的。這種采用電容原理的結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器是現(xiàn)代微機電壓力傳感器的一個重要分支和組成部分，也是對硅壓阻式傳感器的重要擴充。
[0003]硅微微壓傳感器是硅微壓力傳感器發(fā)展的一個重要分支，在工業(yè)自動化控制、汽車工業(yè)、航天工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、半導(dǎo)體加工、軍事等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)市場上硅微壓力傳感器的量程普遍都在IkPa以上，更低量程的產(chǎn)品主要依靠國外進(jìn)口，一直沒有成熟的產(chǎn)品問世，尤其是采用電容原理的結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器的研究一直都是空白，一直被國外產(chǎn)品所壟斷，嚴(yán)重制約了我國傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，進(jìn)而制約了我國流程控制和自動化技術(shù)水平的提高，因此，研究一種結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器，對低微量程的硅微微壓傳感器的研究，實現(xiàn)相關(guān)技術(shù)攻關(guān)，促進(jìn)硅微壓力傳感器技術(shù)提高和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著實際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器，即兩個感壓差動電容構(gòu)成的微差壓結(jié)構(gòu)，利用微電子和微機械加工融合技術(shù)制作，精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、一致性好，易于大批量生產(chǎn)。
[0005]本設(shè)計的一種結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器，包括玻璃固定上極板、硅敏感芯片可動極板、玻璃固定下極板采用靜電封接工藝封接成的電容三極板結(jié)構(gòu)，其特征在于上、下玻璃固定極板與之間的硅敏感芯片可動極板構(gòu)成全對稱的三層微結(jié)構(gòu)，即兩個感壓差動電容構(gòu)成的微差壓結(jié)構(gòu)；在硅敏感芯片可動極板的中心島上、下面分別有幾何形狀、對稱分布的導(dǎo)油槽，上、下玻璃固定極板的中心表面有與導(dǎo)油槽相匹配的金屬電極層，上、下玻璃固定極板、玻璃底板中心均有導(dǎo)壓孔，在導(dǎo)壓孔的內(nèi)壁上有濺射金屬層作為電極層的通路；上、下玻璃固定極板的中心表面有與導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)相匹配的金屬電極層；下玻璃固定極板和玻璃底板的導(dǎo)壓孔與置于底座內(nèi)的導(dǎo)壓管相通；上玻璃固定極板、硅敏感芯片可動極板和玻璃底板上均有壓焊點，底座上引出燒結(jié)引線，用硅鋁絲連線連結(jié)壓焊點和燒結(jié)引線。
[0006]本新型的結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器，采用平板電容原理，由兩個感壓的差動電容構(gòu)成微差壓結(jié)構(gòu)，采用差動電容形式實現(xiàn)電容信號的輸出，從而實現(xiàn)微差壓信號的精準(zhǔn)檢測。本設(shè)計這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的PN結(jié)結(jié)構(gòu)的微差壓傳感器相比，工藝實現(xiàn)難度顯著降低，制作工藝簡單，易于批量重復(fù)制作，一致性好，結(jié)構(gòu)合理，性能穩(wěn)定、安全可靠，可以很好的滿足工業(yè)自動控制系統(tǒng)對微差壓傳感器的需求，這種結(jié)構(gòu)型傳感器的結(jié)構(gòu)特點也決定了它具有高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性等突出的技術(shù)優(yōu)勢。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是本新型結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器的芯體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0008]圖2是結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器中心極板俯視圖；
[0009]圖3是結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器中心極板正面剖視圖；
[0010]圖4是結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器玻璃固定極板俯視圖；
[0011]圖5是結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器玻璃底板示意圖。
【具體實施方式】
[0012]本實用新型的一種結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器，利用平板電容原理，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)從上到下依次為上玻璃固定極板2、硅敏感芯片可動極板1、下玻璃固定極板2’、玻璃底板
3、導(dǎo)壓管4、底座5疊加組成，其特征是采用靜電封接工藝將上玻璃固定極板2、硅敏感芯片可動極板1、下玻璃固定極板2’封接成全對稱的三層微結(jié)構(gòu)，是兩個感壓的差動電容構(gòu)成的微差壓結(jié)構(gòu)，上、下玻璃固定極板2、2’、玻璃底板3的中心均有導(dǎo)壓孔7，在導(dǎo)壓孔7的內(nèi)壁上有濺射的金屬層，作為玻璃固定極板金屬電極層6的導(dǎo)電通路，保證金屬電極層6從導(dǎo)壓孔7中引出；下玻璃固定極板2’和玻璃底板3的導(dǎo)壓孔7與置于底座5中心孔內(nèi)的導(dǎo)壓管4相通；硅敏感芯片可動極板I的中心島8與上、下玻璃固定極板2、2’的間隙大小相同；上、下玻璃固定極板2、2’相對娃敏感芯片可動極板I中心島8部位有金屬電極層6 ;上玻璃固定極板2、硅敏感芯片可動極板I和玻璃底板3上均有壓焊點9，底座5上引出燒結(jié)引線10，并用硅鋁絲連線11連結(jié)壓焊點9和燒結(jié)引線10。
[0013]硅敏感芯片可動極板I的材質(zhì)是雙面拋光的硅單晶片，采用微機械加工工藝在中心島8四周雙面刻槽，制出膜區(qū)，見圖2和圖3，圖2中的兩個叉紋框是圖3中膜區(qū)兩斜面，該兩斜面相對凹槽底部形成膜片13，內(nèi)斜面中是中心島8，中心島8四周通過相連的膜片13與硅敏感芯片可動極板I為一體，硅敏感芯片可動極板I兩面是以中心空位為對稱面的對稱結(jié)構(gòu)。
[0014]中心島8和上、下玻璃固定極板2、2’的間隙相同，是以其中心面為對稱面的對稱結(jié)構(gòu)，與周邊通過膜片13相連，中心島8在受到壓力作用后，在其周圍膜片13變彎曲的情況下，會上下移動，導(dǎo)致中心島8相對于上、下玻璃固定極板2、2’的間隙發(fā)生變化，進(jìn)而中心島8和金屬電極層6形成的敏感電容發(fā)生變化，這種變化可以用來檢測外加壓力的變化。
[0015]如圖2和圖3所示，其特征在于采用MEMS加工技術(shù)在硅敏感芯片可動極板I中心島8的兩個面制作導(dǎo)油槽12，留出與導(dǎo)壓孔7相應(yīng)的中心空位，空位與中心島8在同一平面，向中心島8的各邊腐蝕出導(dǎo)油槽12，腐蝕出的導(dǎo)油槽12，如圖2所示，是對稱方向雙線、與中心島8對應(yīng)邊垂直，導(dǎo)油槽12的長度要長于上、下玻璃固定極板2、2’上的金屬電極層6的外輪廓線。導(dǎo)油槽12的作用是當(dāng)帶有導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)的硅敏感芯片可動極板I過壓后和玻璃固定極板電極層6貼合時，導(dǎo)油槽12仍保持導(dǎo)油通道暢通，有效地減小芯片中心島8過壓貼合后的回彈阻尼，從而有效地提高了結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器過載后對壓力的響應(yīng)速度。
[0016]上、下玻璃固定極板2、2’由雙拋硼硅玻璃制作，結(jié)構(gòu)相同，如圖4所示，其相對面的金屬電極層6的邊長小于硅敏感芯片可動極板I中心島8上導(dǎo)油槽12的長度，玻璃底板3和上、下玻璃固定極板2、2’外觀相似，見圖5，表面都有金屬層作為電極，且都制作有壓焊點9以便將金屬電極層6引出。娃敏感芯片可動極板I和玻璃底板3尺寸大于玻璃固定極板2、2’，使得玻璃底板3的壓焊點9伸出，保證壓焊引線的實現(xiàn)。硅敏感芯片可動極板I與上、下玻璃固定極板2、2’采用全對稱的玻璃-硅-玻璃結(jié)構(gòu)，玻璃和硅采用免粘連的多層靜電封接工藝實現(xiàn)硬連接，下玻璃固定極板2’與玻璃底板3之間采用導(dǎo)電膠相連，玻璃底板3與導(dǎo)壓管4采用靜電封接工藝連接在一起，導(dǎo)壓管4和傳感器底座5之間采用焊接工藝實現(xiàn)氣密連接。采用壓焊工藝在壓焊點9和燒結(jié)引線10之間有硅鋁絲連線11，實現(xiàn)電容電極引出。最后芯體裝入充滿硅油的傳感器腔體內(nèi)。硅油即對芯體結(jié)構(gòu)提供保護(hù)又是外界壓力的傳導(dǎo)介質(zhì)。
【權(quán)利要求】
1.一種結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器，包括玻璃固定上極板(2)、娃敏感芯片可動極板(I)、玻璃固定下極板(2’ )采用靜電封接工藝封接成的電容三極板結(jié)構(gòu)，其特征在于上、下玻璃固定極板(2、2’ )與之間的硅敏感芯片可動極板(I)構(gòu)成全對稱的三層微結(jié)構(gòu)，即兩個感壓差動電容構(gòu)成的微差壓結(jié)構(gòu)；在硅敏感芯片可動極板(I)的中心島(8)上、下面分別有幾何形狀、對稱分布的導(dǎo)油槽(12)，上、下玻璃固定極板(2、2’ )的中心表面有與導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)相匹配的金屬電極層(6);上、下玻璃固定極板(2、2’)、玻璃底板(3)中心均有導(dǎo)壓孔(7)，在導(dǎo)壓孔(7)的內(nèi)壁上有濺射金屬層作為電極層(6)的通路；上、下玻璃固定極板(2、2’)的中心表面有與導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)相匹配的金屬電極層(6);下玻璃固定極板(2’)和玻璃底板(3)的導(dǎo)壓孔(7)和玻璃底板(3)上均有壓焊點(9)，底座(5)上引出燒結(jié)引線(10)，用硅鋁絲連線(11)連結(jié)壓焊點(9)和燒結(jié)引線(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器，其特征在于硅敏感芯片可動極板(I)的中心島(8)和結(jié)構(gòu)相同的上、下玻璃固定極板(2、2’ )的間隙相同，是以其中心面為對稱面的對稱結(jié)構(gòu)，與周邊通過膜片(13)相連；中心島(8)的兩個面制作有導(dǎo)油槽(12)，留出與導(dǎo)壓孔⑵相應(yīng)的中心空位，空位與中心島⑶在同一平面，向中心島⑶的對稱方向各邊腐蝕出雙線的導(dǎo)油槽(12)，導(dǎo)油槽(12)與中心島(8)對應(yīng)邊垂直，導(dǎo)油槽(12)的長度要長于上、下玻璃固定極板(2、2’ )上的金屬電極層(6)的外輪廓線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器，其特征在于在硅敏感芯片可動極板(I)的中心島(8)四周雙面刻槽，制出膜區(qū)，膜區(qū)兩斜面相對凹槽底部形成膜片(13)，內(nèi)斜面中是中心島(8)，中心島⑶四周通過相連的膜片(13)與硅敏感芯片可動極板⑴為一體，硅敏感芯片可動極板(I)兩面是以中心空位為對稱面的對稱結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)型微差壓傳感器，其特征在于玻璃底板(3)和上、下玻璃固定極板(2、2’ )外觀相似，表面都有金屬層作為電極，且都制作有壓焊點(9)以便將金屬電極層(6)引出；娃敏感芯片可動極板(I)和玻璃底板(3)尺寸大于玻璃固定極板(2、2’)，使得玻璃底板(3)的壓焊點(9)伸出。
【文檔編號】G01L13/06GK203519241SQ201320574685
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】李穎, 張治國, 張娜, 劉劍, 張哲 , 祝永峰, 白雪松 申請人:沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司