CN101493371A - 抗辐射压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种抗辐射压力传感器由硅压阻式敏感组件和金属壳体组成，敏感组件由具有惠斯通电桥结构的硅敏感元件和玻璃环组成，金属壳体前端设有作为引压口的台阶孔，敏感元件的背压面环部通过玻璃环固定于台阶孔的内环面，敏感元件的受压面与金属壳体前端面齐平并导电封装，惠斯通电桥结构上应变电阻接有金丝内引线，金丝内引线另一端连接到位于金属壳体尾部的输出电缆，硅敏感元件由单晶硅衬底形成，单晶硅衬底正面依次形成二氧化硅与氮化硅复合层作为绝缘层，绝缘层上外延形成四个独立多晶硅层作为应变电阻，绝缘层周部裸露出单晶硅衬底的环边，单晶硅衬底的环边与玻璃环固定，本发明通过采用抗辐射加固的压力敏感组件和抗辐射结构，来提高抗辐射能力。

Description

抗辐射压力传感器

技术领域

本发明涉及一种抗辐射的压力传感器，特别是涉及一种硅压阻式抗辐射的压力传感器，该传感器适用于具有强辐射环境下的压力测量。

背景技术

随着科学的发展，核技术的和平利用也越来越广泛：农业上的育种、食品保鲜；工业上材料的改性、辐射技术应用；医学上的放射分析、伽玛刀；考古学上的侦辨真伪；环保上对火灾及毒气报警、同位素避雷针等具有核应用的场合越来越多，在这些场合下所使用的压力传感器，为了进一步提高其稳定性、延长其使用寿命，提出了要对其进行核加固，也就是使其具备抗辐射性能的要求。

传统的压阻式压力传感器在核辐射的环境下，由于α、β、γ、X等射线以及中子、质子等高能粒子的作用。造成硅单晶体内不稳定的缺陷群会使其性能退化、pn结受到辐射则使反向漏电流增大减弱了它的隔离作用，另外传感器中所使用的有机绝缘材料在辐射的作用下会发生裂解，产生变脆、绝缘性能下降而降低使用寿命。

发明内容

为了解决以上不足，本发明提供一种抗辐射压力传感器，通过采用抗辐射加固的压力敏感组件和抗辐射结构，来提高其抗辐射能力，具有与传统工艺相容、适应面宽等优点。

本发明的技术方案是这样构成的：一种抗辐射压力传感器，由硅压阻式敏感组件和金属壳体组成，该硅压阻式敏感组件由具有惠斯通电桥结构的硅敏感元件和玻璃环组成，该金属壳体前端设有作为引压口的台阶孔，该硅敏感元件的背压面环部通过该玻璃环固定于该台阶孔的内环面，该硅敏感元件的受压面与该金属壳体前端面齐平并导电封装，该惠斯通电桥结构上的应变电阻接有金丝内引线，该金丝内引线另一端连接到位于该金属壳体尾部的输出电缆。

作为本发明的进一步改进，该硅敏感元件由单晶硅衬底形成，该单晶硅衬底正面依次形成二氧化硅与氮化硅复合层作为绝缘层，该绝缘层外延上形成四个独立的多晶硅层作为该应变电阻，该绝缘层周部裸露出该单晶硅衬底的环边，该单晶硅衬底的环边与该玻璃环固定，形成该硅压阻式敏感组件，该单晶硅衬底背面形成金属化层，并与该金属壳体前端面齐平封装后，覆盖有能同时与该金属壳体和该金属化层导电接触的金属箔。

作为本发明的进一步改进，对应该金属化层中部，该金属箔中间设有圆孔，箔在该金属基座前端面和该金属化层同时覆盖该金属。

作为本发明的进一步改进，该单晶硅衬底由高浓度掺杂形成，其掺杂浓度为10¹⁹～10²⁰cm^-3。

作为本发明的进一步改进，该金属化层厚度为1～4μm。

如权利要求2所述的抗辐射压力传感器，其特征在于，该多晶硅层由高浓度的硼掺杂形成的，该硼掺杂浓度为10¹⁹～10²⁰cm^-3。

作为本发明的进一步改进，该应变电阻的最大宽度不超过10μm。

作为本发明的进一步改进，该玻璃环为与硅相似膨胀系数的Pyrex玻璃环或GG-17硼硅玻璃。

作为本发明的进一步改进，该金属壳体由金属基座和焊固于该金属基座尾端的金属罩组成，该金属基座和金属罩形成内腔室，该金属基座前端部设有该台阶孔，该金丝内引线另一端穿过该玻璃环后连接到位于该内腔室的转接板，并通过该转接板转接到位于该金属罩尾部的该输出电缆。

作为本发明的进一步改进，该输出电缆依次穿套密封圈和压线帽，并通过该压线帽旋固于该金属罩尾部实现固定。

本发明的有益技术效果是：由于该硅敏感元件的背面生成了一层金属化层，并且通过金属箔与该传感器的金属基座形成了导电连接，所以该硅敏感元件就完全被一个完整的金属罩所罩住，当金属罩接地的时候，外界的各种射线及辐射波有相当一部分被该传感器的整个外壳所屏蔽；部分透过该外壳屏蔽到达该硅敏感元件的射线又由于高掺杂的单晶硅衬底进行了吸收，进一步减弱了辐射强度；没有被该单晶硅衬底吸收的辐射，又被该二氧化硅(SiO₂)和氮化硅(Si₃N₄)双层绝缘层所阻挡；透过双层绝缘层的辐射，由于该多晶硅应变电阻的条宽较窄，几何面积缩小，而使到达应变电阻上的辐射几率进一步降低；即使有少数到达应变电阻上的辐射粒子，但与该多晶硅薄膜的高掺杂载流子浓度相比也会由于数量少而降低辐射对器件性能的干扰，通过以上措施，可以将该传感器抗辐射能力提高两个数量级以上。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中所述的硅压阻式敏感组件结构示意图。

对照图1和图2作说明：

1-单晶硅衬底    11-金丝内引线

2-二氧化硅      12-金属基座

3-氮化硅        13-密封圈

4-应变电阻      14-转接板

6-玻璃环        15-输出电缆

7-金属化层      16-金属罩

9-金属箔        17-压线帽

10-硅压阻式敏感组件

具体实施方式

以下结合图1、图2作进一步描述：一种抗辐射压力传感器，由硅压阻式敏感组件10和金属壳体组成，该硅压阻式敏感组件10由具有惠斯通电桥结构的硅敏感元件和玻璃环6组成，该金属壳体由金属基座12和焊固于该金属基座尾端的金属罩16组成，该金属基座12和金属罩16形成内腔室，该金属基座前端部设有作为引压口的台阶孔，该硅敏感元件的背压面环部通过该玻璃环6固定于该台阶孔的内环面，而该硅敏感元件的受压面与该金属壳体前端面齐平并导电封装，该惠斯通电桥结构上的应变电阻4接有金丝内引线11，该金丝内引线另一端穿过该玻璃环后连接到位于该内腔室的转接板14，并通过该转接板转接到位于该金属罩尾部的该输出电缆。

该硅敏感元件由单晶硅衬底1形成，首先在该单晶硅衬底正面形成二氧化硅层2(SiO₂)与氮化硅层3(Si₃N₄)复合层作为绝缘层，在该绝缘层外延生长多晶硅敏感层，形成力敏区，通过刻蚀方法在该硅敏感元件的力敏区域形成4个独立的多晶硅应变电阻4，该应变电阻上生长绝缘层进行保护，4个应变电阻之间完全用介质进行隔离，在该绝缘层的适当处开口进行金属化，并键合金丝内引线11；同时该力敏区正面周边部裸露出单晶硅衬底，并通过静电封接于抛光的低膨胀系数的玻璃环6上，形成该硅压阻式敏感组件10；该玻璃环6另一面采用低温玻璃烧结工艺烧结在该金属基座前端部台阶孔内环面，实现该硅压阻敏感组件之硅敏感元件背面与该金属基座前端面齐平封装，而金丝内引线的另一端焊接到转接板14上，该传感器的输出电缆之芯线亦焊接于该转接板上，实现该金丝内引线与输出电缆15相应芯线的导通；该输出电缆依次穿套密封圈13和压线帽17，并通过该压线帽旋固于该金属罩尾部实现固定。

为了提高抗辐射性能，对外延生长的多晶硅敏感层采用高掺杂，其掺杂浓度在10¹⁹～10²⁰cm^-3；该金属化层厚度为1～4μm；该多晶硅层由高浓度的硼掺杂形成的，该硼掺杂浓度为10¹⁹～10²⁰cm^-3；该应变电阻的最大宽度不应超过10μm；该玻璃环为与硅相似膨胀系数的Pyrex玻璃环或GG-17硼硅玻璃，该金属化层在装配后通过一个中间有圆孔的金属箔与该金属基座前端面进行可靠的电连接。

本发明提供的抗辐射压力传感器，其特性测量原理是：

当传感器受到气体或液体介质的作用时，传感器的受压面感受压力并产生微变形，在受压面内产生应变，该应变δ的大小与受压面感受到的压力P有如下的关系：

${\mathrm{\δ}}_r=\frac{3p}{8{\mathrm{Eh}}^2}[r_o^2(1+\mathrm{\μ})-r^2(3+\mathrm{\μ})]$

${\mathrm{\δ}}_t=\frac{3p}{8{\mathrm{Eh}}^2}[r_o^2(1+\mathrm{\μ})-r^2(1+3\mathrm{\μ})]$

式中：δ_r----径向应力；δ_t----切向应力；E----硅的弹性模量h----硅膜片的厚度；r_o----膜片的工作半径；μ----泊松比

受压面感受到压力后产生的输出信号为：

V_OUT＝∏EδV_in

式中：∏为多晶硅的压阻系数，它依赖于多晶硅的晶体结构及掺杂浓度；

V_in为对传感器施加的激励电压

本发明中所述的抗辐射压力传感器是在传统的硅压阻式压力传感器的基础上，全面地采取了核加固措施，主要是敏感元件采用了多晶硅-绝缘层-单晶硅衬底的介质隔离结构，以避免传统的PN结在辐射场中造成的反向漏电流增大而产生的传感器性能不稳，为了更好地吸收辐射粒子和辐射线减小对器件的影响，该传感器无论对作为衬底的单晶硅还是作为敏感层的多晶硅，均采用了高浓度掺杂，为了减小辐射粒子和辐射线的影响，应变电阻采用小于10μm条宽的窄条技术，有效的减少了对辐射的吸收面，为了使器件更好地对外部的电磁辐射进行屏蔽，在单晶硅衬底的背面生成一层金属化层，在传感器装配时将该金属化层与壳体形成良好的电连接，进一步完善器件的屏蔽体系。通过以上措施，使该器件对辐射的屏蔽性能至少能提高两个数量级。

Claims (10)

1.一种抗辐射压力传感器，由硅压阻式敏感组件(10)和金属壳体组成，其特征在于，该硅压阻式敏感组件由具有惠斯通电桥结构的硅敏感元件和玻璃环(6)组成，该金属壳体前端设有作为引压口的台阶孔，该硅敏感元件的背压面环部通过该玻璃环固定于该台阶孔的内环面，该硅敏感元件的受压面与该金属壳体前端面齐平并导电封装，该惠斯通电桥结构上的应变电阻(4)接有金丝内引线(11)，该金丝内引线另一端连接到位于该金属壳体尾部的输出电缆(15)。

2.如权利要求1所述的抗辐射压力传感器，其特征在于，该硅敏感元件由单晶硅衬底(1)形成，该单晶硅衬底正面依次形成二氧化硅(2)与氮化硅(3)复合层作为绝缘层，该绝缘层上外延形成四个独立的多晶硅层作为该应变电阻，该绝缘层周部裸露出该单晶硅衬底的环边，该单晶硅衬底的环边与该玻璃环固定，形成该硅压阻式敏感组件，该单晶硅衬底背面形成金属化层(7)，并与该金属壳体前端面齐平封装后，覆盖有能同时与该金属壳体和该金属化层导电接触的金属箔(9)。

3.如权利要求2所述的抗辐射压力传感器，其特征在于，对应该金属化层中部，该金属箔中间设有圆孔，箔在该金属基座前端面和该金属化层同时覆盖该金属。

4.如权利要求2所述的抗辐射压力传感器，其特征在于，该单晶硅衬底由高浓度掺杂形成，其掺杂浓度为10¹⁹～10²⁰cm^-3。

5.如权利要求2所述的抗辐射压力传感器，其特征在于，该金属化层厚度为1～4μm。

6.如权利要求2所述的抗辐射压力传感器，其特征在于，该多晶硅层由高浓度的硼掺杂形成的，该硼掺杂浓度为10¹⁹～10²⁰cm^-3。

7.如权利要求2所述的抗辐射压力传感器，其特征在于，该应变电阻的最大宽度不超过10μm。

8.如权利要求2所述的抗辐射压力传感器，其特征在于，该玻璃环为与硅相似膨胀系数的Pyrex玻璃环或GG-17硼硅玻璃。

9.如权利要求2所述的抗辐射压力传感器，其特征在于，该金属壳体由金属基座(12)和焊固于该金属基座尾端的金属罩(16)组成，该金属基座和金属罩形成内腔室，该金属基座前端部设有台阶孔，该金丝内引线另一端穿过该玻璃环后连接到位于该内腔室的转接板(14)，并通过该转接板转接到位于该金属罩尾部的输出电缆(15)。

10.如权利要求9所述的抗辐射压力传感器，其特征在于，该输出电缆依次穿套密封圈(13)和压线帽(17)，并通过该压线帽旋固于该金属罩尾部实现固定。

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