CN100371696C - 压阻式高频动态高压传感器 - Google Patents
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Abstract
一种压阻式高频动态高压传感器由压阻敏感组件、传感器基座、转接电路和引出电缆组成，压阻敏感组件由硅压阻敏感元件和玻璃环片组成，敏感元件具有力敏区的圆平硅膜片，圆平硅膜片两面覆盖SiO2层和Si3N4，力敏区正面有惠斯顿全桥并引出电极，力敏区正面裸露硅片焊接于玻璃环面上，电极焊接于金丝内引线，玻璃环片另一面粘贴在传感器基座进压端的环行凹坑面，硅片背面与传感器基座进压端面齐平，内引线另一端焊接到传感器腔体内的转接电路，引出电缆之芯线焊接于转接电路，传感器基座尾部旋固用于封装的传感器管帽，引出电缆通过传感器管帽底部口引出并且基于压线帽固定于传感器管帽，转接电路与引出电缆间接有高频带宽放大电路，实现传输信号高频放大。
Description
技术领域
本发明涉及一种压阻式高频动态高压传感器，特别涉及一种基于MEMS(Micro Electro Mechanical System)硅体微机械加工技术的高频动态压阻压力传感器，特别适用于化学爆轰试验、工程物理试验、空气动力学试验(俗称风洞试验)、水利工程、航空航天、兵器试验、船舶等的动态压力测量。
技术背景
MEMS(Micro Electro Mechanical System)技术的硅体微机械加工技术用于压阻式压力传感器的制作始于20世纪70年代后期，利用硅的压阻效应，用平面集成电路工艺在硅片上一定晶向，一定位置用氧化扩散或离子注入掺杂、光刻等方法制作成的应变检测压敏电阻，并互连构成测试惠斯顿应变电桥。用双面对准光刻、硅的各向同性和异性腐蚀、静电键合等硅三维加工工艺，把衬底硅片制作成周边固支的力敏薄膜结构以代替传统的机械研磨加工及烧结加工硅杯工艺。这种用上述硅体微机械加工工艺制作的硅压阻压力传感器具有硅压阻压力传感器高量程、高固有频率的优点。
Kulite公司和Endevco公司采用了体微机械加工的C型平膜力敏结构；但它们都没有解决完全其平封装的问题。
用于动态高压测量时，一般要求传感器有高的动态频响及极小的上升时间，为此，传感器的封装不能形成管腔，即使是准齐平封装效果也不好，必须解决压力敏感膜片受力面直接齐平封装。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于MEMS技术的能用于压力动态测试的具有高动态响应频率、强抗干扰、上升时间亚μS级、高量程、动态性能优良的高频动态压阻高压传感器。
本发明的技术方案是这样构成的：
一种压阻式高频动态高压传感器，由压阻敏感组件、传感器基座、转接电路和引出电缆组成，
1)该压阻敏感组件由硅压阻敏感元件和玻璃环片组成，该硅压阻敏感元件为具有圆形力敏区的圆平硅膜片，该圆平硅膜片两面依次覆盖有SiO2层和Si3N4层，该力敏区正面有惠斯顿应变全桥并引出电阻电极，该力敏区正面周边部裸露出硅芯片，并焊接于抛光Pyrex或GG-17玻璃环片，形成该压阻敏感组件，玻璃内孔中的电阻电极用特种金丝球焊机焊接金丝内引线；
2)该压阻敏感组件之玻璃环片另一面粘贴在该传感器基座进压端口设有的环行凹坑面，实现该压阻敏感组件之圆平硅膜片背面与该传感器基座进压端口的端面齐平封装，该压阻敏感组件之圆平硅膜片背面直接感受压力，该金丝内引线另一端焊接到该转接电路，该引出电缆之芯线焊接于该转接电路，实现该金丝内引线与相应芯线导通；
3)该传感器基座之尾部旋固用于封装该传感器的传感器管帽，该引出电缆通过该传感器管帽底部口引出，并且基于压线帽固定于该传感器管帽。
作为本发明的进一步改进，该圆平硅膜片采用高杨氏弹性模量的硅单晶，对应于该传感器压力量程0～1MPa-100MPa该圆平硅膜片厚度为0.2-0.9mm。
作为本发明的进一步改进，该惠斯顿应变全桥之电阻具有1KΩ以下阻值。
作为本发明的进一步改进，该转接电路为固定于该传感器基座之腔体内的PCB转接板。
作为本发明的进一步改进，该转接电路与该引出电缆间接有一体化封装的高频带宽放大电路(20)，实现传输信号高频放大，该高频带宽放大电路具有高达100KHz的带宽和1μS的上升时间。
作为本发明的进一步改进，该高频带宽放大电路由两级放大电路组成，第一级放大电路采用单位增益带宽高至1MHz的放大器AD620和5-10倍的放大倍率，第二级放大电路采用单位增益带宽高至30MHz的放大器OP37和10-40倍的放大倍率。
作为本发明的进一步改进，该抛光Pyrex或GG-17玻璃环片厚度为2-4mm，该金丝内引线为φ25-φ40μm，该高频动态压力传感器具有200-1000KHz固有频率、0～60-300KHz带宽以及0.5-0.1μS上升时间。
本发明的有益效果是：
该高频动态高压传感器的接触敏感材料采用高杨氏弹性模量的硅单晶，感压膜片为极小半径的周边固支的圆平硅膜片，利用压阻原理实现力电转换、微机械加工技术制成硅压阻力敏元件，因而敏感元件具有200KHz以上，直至1500KHz的高固有频率，0.5μS-0.1μS的极快上升时间，以及低至零赫兹的低频响应特性。
由于该压阻敏感组件之圆平硅膜片背面与该传感器基座进压端口的端面齐平封装，是典型的齐平封装设计，消除了压力管腔效应对其动态测试的影响，充分保证了传感器的动态频响特性，完全满足动态测试试验要求的响应频率。
当测试要求传感器引出线太长，为避免干扰，用户要求传感器输出高电平信号时，采用一体化封装的高频宽带放大器，实现50-400倍的放大倍率，保证了该传感器可以达到使用带宽100KHz，动态幅频误差小于1％，上升时间小于1μS的高动态频响，同时又避免了其小信号噪声大的弱点。
附图说明
图1是本发明所述的具有力敏区的圆平硅膜片的剖面结构示意图；
图2是本发明所述的圆平硅膜片与Pyrex玻璃环片形成压阻敏感组件以及内外引线引出的结构示意图；
图3是本发明所述的传感器齐平封装的结构示意图；
图4是本发明所述的带有高频宽带放大器的传感器结构示意图；
图5是本发明涉及的高频宽带放大器的电路原理图。
对图1至图5做如下进一步说明：
| 1-Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>层 | 13-O型圈 |
| 2-SiO<sub>2</sub>层 | 14-PCB转接板 |
| 15-引出电缆 | |
| 6-圆形力敏区 | 16-传感器管帽 |
| 7-Pyrex玻璃环片 | 17-压线帽 |
| 9-圆平硅膜片 | 18-固板架 |
| 11-金丝内引线 | 19-转接电缆 |
| 12-传感器基座 | 20-高频宽带放大电路 |
具体实施方式
高频动态高压传感器采用MEMS硅体微机械加工工艺制作的周边固支的圆平膜利用齐平封装，消除管腔效应对动态测试的影响，实现对动态压力的实时测量，采用高频宽带放大器，确保有足够高频响的同时，又避免了其小信号噪声大的弱点。实施步骤按照如图1至图5所示实现：
图1是具有圆形力敏区的圆平硅膜片，将作为弹性元件的双面抛光硅片在MEMS技术加工中先用传统的热氧化技术在两面覆盖1μm厚的SiO2层2，再用标准的LPCVD法在两面上覆盖3000A厚的Si3N4层1；用两次光刻技术，刻蚀掉该圆平硅膜片正面圆形力敏区以外部位的Si3N4层及SiO2层，保留圆形力敏区部位覆盖的Si3N4层和SiO2层；用双面光刻技术和离子注入掺杂技术，在该圆平硅膜片的正面特定位置制作成惠斯顿应变全桥并引出应变电阻之电极。上述未详加叙述的都是标准的集成电路工艺。
图2是所述圆平硅膜片组成的压阻敏感组件，由于圆平硅膜片9的圆形力敏区6以外区域的绝缘层被除去，利用静电键合工艺将该区域和厚度为2-4mm的抛光Pyrex或GG-17玻璃环片7焊接到一起，再采用4或5根φ25-φ40μm的金丝为内引线11，用金丝球焊机将金丝的一端焊接在硅惠斯顿应变全桥的电极引出块上。
图3是齐平封装的传感器结构示意图，将该压阻敏感组件之玻璃环片另一面用环氧树脂胶粘贴在该传感器基座12之进压端口设有的环行凹坑面，实现该压阻敏感组件之圆平硅膜片背面正好与该传感器基座进压端的端面齐平，将金丝内引线的另一端焊接到作为转接电路的PCB转接板14上，该PCB转接板固定于该传感器基座之腔体内，并将引出电缆15之芯线焊接到对应的PCB板上，从而实现内外引线的转接。
该传感器基座尾部旋固用于封装该传感器的传感器管帽16，该引出电缆通过该传感器管帽底部口引出，并且基于压线帽17固定于该传感器管帽，该传感器基座尾部与该传感器管帽之间以及该压线帽与该传感器管帽之间可以设有O型圈13。
图4是带有两级放大电路的传感器结构示意图，将该金丝内引线通过PCB转接板14和转接电缆19与高频宽带放大电路20连接，该高频宽带放大电路基于该传感器腔体内的固板架18固定，再将该引出电缆的芯线焊接到该高频宽带放大电路上，从而实现传感器信号的高频放大。
当测试要求传感器引出线太长，因而为避免干扰、用户要求传感器输出高电平信号时，采用一体化封装的高频宽带放大器，该放大器有高至0-100KHz的使用带宽，1μS的上升时间和极低的低频噪声。
该高频带宽放大电路由两级放大电路组成，第一级采用单位增益带宽仅有1MHz的AD620，它有极优的低噪声特性，是放大电路低噪声的保证，第一级采用4-10倍的低放大倍率，因而AD620在此时仍有800KHz的频响，由于它有较高的压摆率，又是小信号放大，因此可确保1μS的上升时间；第二级放大采用有高至30MHz的单位增益带宽的高频仪表放大器OP37，采用10-40倍的放大倍率，因而有足够高的频响保证，同时又避免了其小信号噪声大的弱点。
图5是本发明涉及的高频宽带放大器的电路原理图实施例，该高频宽带放大器由三部分组成，其中：
1、LM317与R5、D1、C6、C7组成为传感器提供工作的恒流电源，根据公式I＝1.25/R可以确定R5大小决定LM317所提供的恒流大小，D1、C6、C7组成恒流的滤波电路用于去除电源的干扰及噪声。
2、AD620与R1、C1、C8、C9、C2、R2组成该高频宽带放大器的第一级放大，R1为一固定电阻，其值大小为R＝49.4K/(G-1)，(G＝4～10)跨接在AD620的1、8脚之间，该级放大倍数固定为4～10倍，使得AD620在该放大倍数下有着较低噪声，同时具有较高的频响；C1跨接在AD620的2、3脚之间用来滤除800～1MHz的传感器输入噪声；C8、C9用来滤除AD620工作电源的干扰噪声；C2、R2组成AD620放大输出信号即OP37输入信号的滤波电路滤除其信号干扰。
3、OP37与C3、C4、C5、R3、R4、W2及R3、W1组成该放大电路的第二级放大，W1、W2为三端可调电阻(电位器)，R3、W2、R4跨接在OP37的1脚、7脚及8脚上，该部分组成OP37的零位失调电路作为该高频宽带放大器的零位调节电路，而R3、W1分别跨接在OP37的2脚、6脚及电源地之间作为第二级放大电路的放大倍数的调节，C3、C4、C5组成第二级放大电路的电源及信号输出的滤波，作为第二级放大电路的信号干扰的滤除电路。
该高频动态高压传感器的量程是由微机械加工的具有圆形力敏区的圆平硅膜片厚度控制的，膜片厚度的控制通过机械减薄加各向同性或各向异性腐蚀工艺完成，对应于该传感器压力量程0～1MPa-100MPa该圆平硅膜片厚度为0.2-0.9mm。
该高频动态高压传感器的圆平硅膜片背面与该传感器基座之进压端口齐平，是典型的齐平封装设计，消除了压力管腔效应对其动态测试的影响，充分保证了传感器的动态频响特性，完全满足动态压力测试试验要求的响应频率。
该高频动态高压传感器可以通过两级放大的宽带放大器实现50-400倍的放大倍率，保证了该传感器可以达到增益带宽800KHz，上升时间小于1μS的高动态频响，同时又避免了其小信号噪声大的弱点。
该高频动态高压传感器性能优良、稳定、抗干扰能力强，可用于空气动力学试验等工况的高灵敏度动态压力测试的用途，有着较好的市场前景。
本发明产品的主要性能指标为；
1、量程：0～1MPa-100MPa，输出灵敏度：60～150mV或0-5V
2、精度：0.3％～0.01％FS
3、固有频率：0～200-1000KHz
4、使用带宽：0～60-300KHz
5、上升时间：0.5-0.1μS
6、时间稳定性：≤0.1mV
7、温度稳定性：≤5×10-4/℃·FS。
Claims (7)
1.一种压阻式高频动态高压传感器，由压阻敏感组件、传感器基座(12)、转接电路和引出电缆(15)组成，其特征在于：
1)该压阻敏感组件由硅压阻敏感元件和玻璃环片组成，该硅压阻敏感元件为具有圆形力敏区(6)的圆平硅膜片(9)，该圆平硅膜片两面依次覆盖有SiO2层(2)和Si3N4层(1)，该力敏区正面有惠斯顿应变全桥并引出电阻电极，该力敏区正面周边部裸露出硅芯片，并焊接于抛光Pyrex或GG-17玻璃环片(7)，形成该压阻敏感组件，该电阻电极焊接于金丝内引线(11)一端，圆平硅膜片的直径为1.5-4mm，厚度为0.15-0.82mm；
2)该压阻敏感组件之玻璃环片另一面粘贴在该传感器基座进压端口设有的环行凹坑面，实现该压阻敏感组件之圆平硅膜片背面与该传感器基座进压端口的端面齐平封装，该金丝内引线另一端焊接到该转接电路，该引出电缆之芯线焊接于该转接电路，实现该金丝内引线与相应芯线导通；
3)该传感器基座之尾部旋固用于封装该传感器的传感器管帽(16)，该引出电缆通过该传感器管帽底部口引出，并且基于压线帽(17)固定于该传感器管帽。
2.如权利要求1所述的一种压阻式高频动态高压传感器，其特征在于，该圆平硅膜片采用高杨氏弹性模量的硅单晶，对应于该传感器压力量程0～1MPa-100MPa该圆平硅膜片厚度为0.2-0.9mm。
3.如权利要求1所述的一种压阻式高频动态高压传感器，其特征在于，该惠斯顿应变全桥之电阻具有1KΩ以下阻值。
4.如权利要求1所述的一种压阻式高频动态高压传感器，其特征在于，该转接电路为固定于该传感器基座之腔体内的PCB转接板(14)。
5.如权利要求1所述的一种压阻式高频动态高压传感器，其特征在于，该转接电路与该引出电缆间接有一体化封装的高频带宽放大电路(20)，实现传输信号高频放大，该高频带宽放大电路具有高达100KHz的带宽和1μS的上升时间。
6.如权利要求5所述的一种压阻式高频动态高压传感器，其特征在于，该高频带宽放大电路由两级放大电路组成，第一级放大电路采用单位增益带宽高至1MHz的放大器AD620和5-10倍的放大倍率，第二级放大电路采用单位增益带宽高至30MHz的放大器OP37和10-40倍的放大倍率。
7.如权利要求1所述的一种压阻式高频动态高压传感器，其特征在于，该抛光Pyrex或GG-17玻璃环片厚度为2-4mm，该金丝内引线为φ25-φ40μm，该高频动态压力传感器具有200K-1000KHz固有频率、0～60-300KHz带宽以及0.5-0.1μS上升时间。
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