CN101493367A - 基于mems技术微型动态压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种基于MEMS技术微型动态压力传感器及其制造方法，压力传感器由硅敏感元件和作为传感器壳体的不锈钢管组成，硅敏感元件受压面设有惠斯通电桥结构而内部设有真空压力参考腔，硅敏感元件背压面通过陶瓷棒固定于不锈钢管内，硅敏感元件受压面与传感器壳体上引压口的内边缘齐平封装，惠斯通电桥结构上应变电阻通过金丝内引线连接到绝缘棒上外引线，硅敏感元件背压面固定于陶瓷棒端面，陶瓷棒上设有多条便于固定金丝内引线与外引线的花键槽，金丝内引线与外引线在花键槽中连接，本发明具有良好动态特性和微型化，可广泛应用于空气动力学、爆破力学、智能建筑、水利电力设计、石油化工等流体力学测试领域。

Description

基于MEMS技术微型动态压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种基于MEMS技术微型动态压力传感器及其制造方法，特别涉及一种基于MEMS(Micro Electro Mechanical System)硅体微机械加工技术的微型动态压力传感器及其制造方法。

背景技术

随着测量技术的飞速发展，传感器作为信息采集的前端器件，对其技术指标提出了更高的要求，尤其在高精度的流体动力学测试中，如风洞测试系统中，要求传感器不仅具有良好的动态特性，而且为了减少对测量流场的影响，提高测量的精度，对传感器的尺寸要求更加小型化。

半导体单晶硅固有频率高，利用其压阻效应原理可实现对压力的测量。在单晶硅片上的特定晶向，制成应变电阻构成的惠斯顿检测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，在同一硅片上进行特殊的机械加工，制作集应力敏感与力电转换检测于一体的固态压阻压力传感器，可获得具有良好动态特性的测量装置。随着MEMS硅体微机械加工技术的发展，制作硅力敏芯片的尺寸越来越小，使得制作具有良好动态特性的微型压力传感器成为了可能。

发明内容

为了弥补以上不足，本发明提供一种基于MEMS技术微型动态压力传感器及其制造方法，该压力传感器用于测量受压面的绝对压力值，具有良好动态特性和微型化，可广泛应用于空气动力学、爆破力学、智能建筑、水利电力设计、石油化工等流体力学测试领域。

所述基于MEMS技术微型动态压力传感器的技术方案是这样实现：一种基于MEMS技术微型动态压力传感器，由硅敏感元件和传感器壳体组成，该硅敏感元件受压面设有惠斯通电桥结构而内部设有真空压力参考腔，该硅敏感元件背压面通过绝缘棒固定于该传感器壳体内，且该硅敏感元件受压面与该传感器壳体上引压口的内边缘齐平封装，该惠斯通电桥结构上应变电阻通过金丝内引线连接到该绝缘棒上外引线，实现信号传输。

作为本发明的进一步改进，该传感器壳体为不锈钢管，该绝缘棒为陶瓷棒，该陶瓷棒固定于该不锈钢管内，该硅敏感元件背压面固定于该陶瓷棒端面，该陶瓷棒上设有多条便于固定该金丝内引线与外引线的花键槽，该金丝内引线3与外引线7在花键槽中连接，实现信号输出。

作为本发明的进一步改进，该硅敏感元件长宽尺寸为(0.8-1.2mm)×(0.8-1.2mm)。

作为本发明的进一步改进，该硅敏感元件受压面与作为该引压口的不锈钢管管口之间填充有作为压力传导介质的硅凝胶。

作为本发明的进一步改进，该不锈钢管管口还设有保护帽。

所述基于MEMS技术微型动态压力传感器制造方法的技术方案是这样实现：一种所述基于MEMS技术微型动态压力传感器的制造方法，包括以下步骤：

1)采用MEMS硅体微机械加工方法制造具有惠斯通电桥结构的硅敏感薄膜，该惠斯通电桥结构上应变电阻采用离子注入技术掺杂形成，而该应变电阻引压点焊接金丝内引线实现压力引出，该硅敏感薄膜背部与作为衬底的下硅片通过硅-硅真空键合形成该真空压力参考腔，该硅敏感薄膜和该下硅片组成了该硅敏感元件；

2)将该硅敏感元件利用硅橡胶粘结在该陶瓷棒端面，该采用环氧胶将该陶瓷棒与不锈钢管管壁粘合，该硅敏感元件受压面与该不锈钢管管口内边缘齐平封装。

作为本发明的进一步改进，该陶瓷棒上设有多条便于固定该金丝内引线的花键槽，该金丝内引线另一端连接到固定于该花键槽内外引线，实现信号输出。

作为本发明的进一步改进，该硅敏感元件长宽尺寸为(0.8-1.2mm)×(0.8-1.2mm)。

作为本发明的进一步改进，该硅敏感元件受压面与作为该引压口的不锈钢管管口间填充有作为压力传导介质的硅凝胶。

作为本发明的进一步改进，该不锈钢管管口还设有保护帽。

本发明的有益技术效果是：本发明为流体动力学测试提供了一种很好的测量工具，由于采用MEMS(Micro Electro Mechanical System)硅体微机械加工技术，所以该基于MEMS技术微型动态压力传感器尺寸很小；由于采用齐平封装(即受压面与引压口的内边缘齐平)，消除了管腔效应，提高了传感器测量的动态频响，保证了测量的准确性和真实性；该硅敏感元件内部设有真空压力参考腔，有利于测量受压面的绝对压力值，该产品可广泛应用于空气动力学、爆破力学、智能建筑、水利电力设计、石油化工等流体力学测试领域。

附图说明

图1为本发明中所述基于MEMS技术微型动态压力传感器的剖面示意图；

图2为所述硅敏感元件的剖面示意图。

对照图1和图2，作补充说明：

1——保护帽        3——金丝内引线

2——硅敏感元件    4——花键槽

21——应变电阻     5——绝缘棒

211——引压点           6——传感器壳体

22——真空压力参考腔    7——外引线

23——硅敏感薄膜        8——压力传导介质

25——下硅片

具体实施方式

结合图1和图2，以下作进一步描述：一种基于MEMS技术微型动态压力传感器，由硅敏感元件2和传感器壳体6组成，该硅敏感元件2受压面设有惠斯通电桥结构而内部设有真空压力参考腔22，该硅敏感元件背压面固定于由陶瓷材质构成的绝缘棒5端面，该绝缘棒5固定于作为该传感器壳体的不锈钢管内，并且该硅敏感元件受压面与作为引压口的不锈钢管管口内边缘齐平封装，该惠斯通电桥结构上应变电阻21通过金丝内引线3连接到该绝缘棒上外引线7，实现信号传输。

该绝缘棒上还设有多条便于固定该金丝内引线3与外引线7的花键槽4，该金丝内引线3与外引线7在该花键槽中连接，实现信号输出，该硅敏感元件受压面与作为该不锈钢管管口之间填充有作为压力传导介质8的硅凝胶，该不锈钢管管口还设有保护帽1。该硅敏感元件长宽尺寸为(0.8-1.2mm)×(0.8-1.2mm)，典型尺寸为1mm×1mm，传感器外径尺寸可以为2mm。

所述动态压力传感器的制造步骤包括：

首先采用MEMS(Micro Electro Mechanical System)硅体微机械加工方法制造具有惠斯通电桥结构的硅敏感薄膜23，该惠斯通电桥结构上应变电阻21采用离子注入技术掺杂形成，而该应变电阻引压点211焊接金丝内引线实现压力引出，该硅敏感薄膜23背部与作为衬底的下硅片25通过硅-硅真空键合形成该真空压力参考腔22，该硅敏感薄膜23和该下硅片25组成了该硅敏感元件2；

然后将该硅敏感元件2利用硅橡胶粘结在由陶瓷材质构成的绝缘棒5端面，采用环氧胶将该绝缘棒与不锈钢管管壁粘合，该硅敏感元件受压面与该不锈钢管管口内边缘齐平封装。该绝缘棒上设有多条便于固定该金丝内引线的花键槽，该金丝内引线另一端连接到固定于该花键槽内外引线，实现信号传输。

所述基于MEMS技术微型动态压力传感器的工作原理是：当有载荷作用到传感器前端的压力传导介质时，压力传导介质会将压力传导到硅敏感元件的受压面，这时硅敏感元件通过应变电阻将压力信号转化为电信号，并且通过金丝内引线和外引线输出。由于采用齐平封装设计，消除了管腔效应，使传感器获得优异的动态特性；同时，为了保护硅敏感元件，不使用时可以在传感器前端安装保护帽1。

所述基于MEMS技术微型动态压力传感器具有以下特性：

1、本发明采用硅敏感元件，解决了动态测量中的频响问题；在动态应用时，动态精度高，使用频带宽，通过合理设计传感器外形，使用带宽可以从零频至1MHz；

2、该硅敏感元件内部真空压力参考腔，便于测量受压面的绝对压力值；

3、本发明硅敏感元件的加工基于MEMS硅体微机械加工技术，应变电阻采用离子注入掺杂形成，有优良的均匀性和掺杂准确度以保证零位和灵敏度的稳定性，采用硅-硅键合技术形成该真空压力参考腔；

4、为提高硅敏感元件与传感器壳体之间的绝缘强度，在不锈钢管上进行镀膜处理，然后采用高绝缘环氧胶将绝缘载体与壳体粘合。

采用该发明制作的压力传感器具有优异的静态指标和动态特性，可广泛应用于要求传感器尺寸小、不影响流场、动态特性好的流体动力学测试中。

Claims (10)

1、一种基于MEMS技术微型动态压力传感器，其特征在于，由硅敏感元件(2)和传感器壳体(6)组成，该硅敏感元件(2)受压面设有惠斯通电桥结构而内部设有真空压力参考腔(22)，该硅敏感元件背压面通过绝缘棒(5)固定于该传感器壳体内，且该硅敏感元件受压面与该传感器壳体上引压口的内边缘齐平封装，该惠斯通电桥结构上应变电阻(21)通过金丝内引线(3)连接到该绝缘棒上外引线(7)，实现信号传输。

2、如权利要求1所述的基于MEMS技术微型动态压力传感器，其特征在于，该传感器壳体为不锈钢管，该绝缘棒为陶瓷棒，该陶瓷棒固定于该不锈钢管内，该硅敏感元件背压面固定于该陶瓷棒端面，该陶瓷棒上设有多条便于固定该金丝内引线(3)与外引线(7)的花键槽(4)，该金丝内引线(3)与外引线(7)在花键槽中连接，实现信号输出。

3、如权利要求2所述的基于MEMS技术微型动态压力传感器，其特征在于，该硅敏感元件长宽尺寸为(0.8-1.2mm)X(0.8-1.2mm)。

4、如权利要求2所述的基于MEMS技术微型动态压力传感器，其特征在于，该硅敏感元件受压面与作为该引压口的不锈钢管管口之间填充有作为压力传导介质(8)的硅凝胶。

5、如权利要求2所述的基于MEMS技术微型动态压力传感器，其特征在于，该不锈钢管管口还设有保护帽(1)。

6、一种如权利要求2所述基于MEMS技术微型动态压力传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用MEMS硅体微机械加工方法制造具有惠斯通电桥结构的硅敏感薄膜(23)，该惠斯通电桥结构上应变电阻(21)采用离子注入技术掺杂形成，而该应变电阻引压点(211)焊接金丝内引线实现压力引出，该硅敏感薄膜背部与作为衬底的下硅片(25)通过硅-硅真空键合形成该真空压力参考腔(22)，该硅敏感薄膜和该下硅片组成了该硅敏感元件；

2)将该硅敏感元件利用硅橡胶粘结在该陶瓷棒端面，采用环氧胶将该陶瓷棒与不锈钢管管壁粘合，该硅敏感元件受压面与该不锈钢管管口内边缘齐平封装。

7、如权利要求6所述基于MEMS技术微型动态压力传感器的制造方法，其特征在于，该陶瓷棒上设有多条便于固定该金丝内引线的花键槽，该金丝内引线另一端连接到固定于该花键槽内外引线，实现信号输出。

8、如权利要求6所述基于MEMS技术微型动态压力传感器的制造方法，其特征在于，该硅敏感元件长宽尺寸为(0.8-1.2mm)X(0.8-1.2mm)。

9、如权利要求6所述基于MEMS技术微型动态压力传感器的制造方法，其特征在于，该硅敏感元件受压面与作为该引压口的不锈钢管管口间填充有作为压力传导介质的硅凝胶。

10、如权利要求6所述基于MEMS技术微型动态压力传感器的制造方法，其特征在于，该不锈钢管管口还设有保护帽(1)。