CN102052985B - Mems筒式耐高温超高压力传感器 - Google Patents

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Abstract

MEMS筒式耐高温超高压力传感器，包括底座，硅梁敏感元件封装在底座上部承压筒的侧平面上，其测量岛与承压筒的侧面相接触，承压筒配置有高温转接端子，硅梁敏感元件的惠斯通电桥和高温转接端子连接，高温电缆线连接高温转接端子与外部电路，被测压力作用在承压筒上并使其圆周发生膨胀形变，其径向的最大形变扰度传递到测量岛上，硅梁发生形变，惠斯通电桥的四个压敏电阻阻值发生变化，恒定电流或恒定电压经由高温电缆线、高温转接端子和金丝引线加载至电桥输入端，电桥输出与被测压力成正比的电信号并传输至外部电路，实现对被测压力的测量，本发明具有测量量程大，应用范围广，灵敏度和信噪比好，传感器的温度稳定性好的优点。

Description

MEMS筒式耐高温超高压力传感器
技术领域：
本发明涉及一种压力传感器，特别涉及MEMS筒式耐高温超高压力传感器。
背景技术：
现今石油化工、航空航天、军工、冶炼等领域普遍存在高温、瞬时高温冲击、超高量程等条件下的测量难题，针对这一测量难题而设计的耐高温压力传感器已有广泛的研究和应用，如SOI硅压阻压力传感器、SOS压力传感器、溅射薄膜压力传感器以及采用硅应变片或高温箔式应变片制作的耐高温压力传感器等。从测量机理来看，这些传感器都是基于电阻效应的；从结构上来看，这些传感器的弹性元件和敏感元件可分为一体化结构和组合式结构两类。
具有弹性敏感元件一体化结构的SOI压阻压力传感器存在以下缺点：1)最高量程不超过150MPa；2)被测介质不仅要与外壳材料兼容，同时还必须与硅、玻璃及封装材料兼容，因而应用范围相对较窄。
弹性元件与敏感元件为组合式结构的耐高温压力传感器存在以下缺点：1)敏感元件通过多种工艺封装在金属弹性元件上，敏感元件感受金属弹性元件的应变达到检测压力的目的。而敏感元件、金属弹性元件及封装材料的热膨胀系数差异会产生封装残余应力，特别是在高温环境下进行应用时，就会表现出稳定性差等问题；2)如果敏感元件是基于金属电阻效应的，如溅射薄膜或采用高温箔式金属应变片的压力传感器，由于金属的电阻率小，压阻系数很低，传感器的灵敏度很小(仅几mV/V)，因而信噪比差，对后续的信号处理电路要求较高。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供MEMS筒式耐高温超高压力传感器，具有测量量程大，应用范围广，灵敏度和信噪比好，传感器的温度稳定性好的优点。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
MEMS筒式耐高温超高压力传感器，包括底座1，底座1下部为螺纹基座，上部为承压筒2，承压筒2的顶部两侧对称配置有平面的圆柱台12，硅梁敏感元件3对称封装在圆柱台12侧平面上，硅梁敏感元件3的固定端11在圆柱台12侧平面上，而测量岛8与承压筒2的侧面相接触，承压筒2内部的承压孔13孔底不超过圆柱台12的下底面，外壳6安装在底座1上，承压筒2的圆柱台12的顶面配置有高温转接端子10，硅梁敏感元件3的惠斯通电桥通过金丝引线4和高温转接端子10连接，高温电缆线5穿过外壳6上的固线帽7连接高温转接端子10与外部电路。
所述的硅梁敏感元件3采用单梁结构，两端分别为测量岛8和固定端11，测量岛8和固定端11通过硅梁9连接成一体，惠斯通电桥配置在硅梁9上。
所述的测量岛8与承压筒2的接触方式有接触式或粘接式。
所述的承压弹性筒2由高强度弹簧钢制造，能够承受1GPa的压力，同时与测量介质具有兼容性。
所述的硅梁敏感元件3采用MEMS技术和SOI技术制作，传感器的输出电压为20mV/V以上。
本发明的工作原理为：
被测压力P通过底座1直接作用在承压筒2的内部使承压筒2的圆周发生膨胀形变，其径向的最大形变扰度直接传递到硅梁敏感元件3的测量岛8上，同时由于硅梁敏感元件3的固定端11在承压筒2顶部的无变形区而测量岛8在变形区，所以硅梁敏感元件3上的硅梁9发生形变，基于单晶硅压阻效应，硅梁敏感元件3上的惠斯通电桥的四个压敏电阻阻值发生变化，恒定电流或恒定电压经由高温电缆线5、高温转接端子10和金丝引线4加载至惠斯通电桥输入端，压敏电阻阻值发生变化的惠斯通电桥输出端输出与被测压力P成正比的电信号，再经由金丝引线4、高温转接端子10和高温电缆线5传输至外部电路，对电信号的测量实现了对被测压力P的测量。
由于承压弹性筒2采用高强度弹簧钢制作，可以承受1GPa的压力，同时对测量介质兼容性好，所以具有测量量程大，应用范围较广的优点；由于敏感元件是采用MEMS技术和SOI技术制作的硅梁敏感元件，压阻系数较高，输出电压可达20mV/V以上，远远高于溅射薄膜或高温箔式金属应变片的压力传感器的输出电压(仅几mV/V)，因此灵敏度和信噪比都较好，降低了对后续调理电路的要求；由于本发明中传感器的弹性元件与敏感元件的接触方式与溅射薄膜或高温箔式金属应变片的压力传感器不同，弹性元件与敏感元件之间热膨胀系数的差异对传感器的性能影响很小，在高温环境下稳定性也会因此大幅度提升。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2-a为本发明硅梁敏感元件3的主视图。
图2-b为本发明硅梁敏感元件3的俯视图。
具体实施方案
以下结合附图对本发明的结构原理、工作原理作更详细的说明。
MEMS筒式耐高温超高压力传感器，参照图1和图2，包括底座1，底座1下部为螺纹基座，上部为承压筒2，承压筒2的顶部为两侧对称配置有平面的圆柱台12，硅梁敏感元件3对称封装在圆柱台12侧平面上，硅梁敏感元件3的固定端11在圆柱台12侧平面上，而测量岛8与承压筒2的侧面相接触，承压筒2内部的承压孔13孔底不超过圆柱台12的下底面，保证圆柱台12为无变形区而承压筒2侧面为变形区，外壳6安装在底座1上，承压筒2的圆柱台12的顶面配置有高温转接端子10，硅梁敏感元件3的惠斯通电桥通过金丝引线4和高温转接端子10连接，高温电缆线5穿过外壳6上的固线帽7连接高温转接端子10与外部电路。
所述的硅梁敏感元件3采用单梁结构，参照图2-a和图2-b，两端分别为测量岛8和固定端11，其中测量岛8从正式图看为梯形结构，其下表面用以感应形变，测量岛8和固定端11通过硅梁9连接成一体，惠斯通电桥配置在硅梁9上。
所述的测量岛8与承压弹性筒2的接触方式有接触式或粘接式。
所述的承压弹性筒2由高强度弹簧钢制造，能够承受1GPa的压力，同时与测量介质具有兼容性。
所述的硅梁敏感元件3采用MEMS技术和SOI技术制作，传感器的输出电压为20mV/V以上。
本发明的工作原理为：
被测压力P通过底座1直接作用在承压筒2的内部使承压筒2的圆周发生膨胀形变，其径向的最大形变扰度直接传递到硅梁敏感元件3的测量岛8上，由于硅梁敏感元件3的固定端11在承压筒2顶部的无变形区而测量岛8在变形区，所以硅梁敏感元件3上的硅梁9发生形变，基于单晶硅压阻效应，硅梁敏感元件3上的惠斯通电桥的四个压敏电阻阻值发生变化，恒定电流或恒定电压经由高温电缆线5、高温转接端子10和金丝引线4加载至惠斯通电桥输入端，压敏电阻阻值发生变化的惠斯通电桥输出端输出与被测压力P成正比的电信号，再经由金丝引线4、高温转接端子10和高温电缆线5传输至外部电路，对电信号的测量实现了对被测压力P的测量。
由于承压弹性筒2采用高强度弹簧钢制作，可以承受1GPa的压力，同时对测量介质兼容性好，所以具有测量量程大，应用范围较广的优点；由于敏感元件是采用MEMS技术和SOI技术制作的硅梁敏感元件，压阻系数较高，输出电压可达20mV/V以上，远远高于溅射薄膜或高温箔式金属应变片的压力传感器的输出电压(仅几mV/V)，因此灵敏度和信噪比都较好，降低了对后续调理电路的要求；由于本发明中传感器的弹性元件与敏感元件的接触方式与溅射薄膜或高温箔式金属应变片的压力传感器不同，弹性元件与敏感元件之间热膨胀系数的差异对传感器的性能影响很小，在高温环境下稳定性也会因此大幅度提升。
附图中：1为底座；2为承压筒；3为硅梁敏感元件；4为金丝引线；5为高温电缆线；6为外壳；7为固线帽；8为测量岛；9为硅梁；10为高温转接端子，11为固定端，12为圆柱台，13为承压孔。

Claims (5)

1.MEMS筒式耐高温超高压力传感器，包括底座(1)，其特征在于：底座(1)下部为螺纹基座，上部为承压筒(2)，承压筒(2)的顶部为两侧对称配置有平面的圆柱台(12)，硅梁敏感元件(3)对称封装在圆柱台(12)侧平面上，硅梁敏感元件(3)的固定端(11)在圆柱台(12)侧平面上，而测量岛(8)与承压筒(2)的侧面相接触，承压筒(2)内部的承压孔(13)孔底不超过圆柱台(12)的下底面，外壳(6)安装在底座(1)上，承压筒(2)的圆柱台(12)的顶面配置有高温转接端子(10)，硅梁敏感元件(3)的惠斯通电桥通过金丝引线(4)和高温转接端子(10)连接，高温电缆线(5)穿过外壳(6)上的固线帽(7)连接高温转接端子(10)与外部电路。
2.根据权利要求1所述的MEMS筒式耐高温超高压力传感器，其特征在于：所述的硅梁敏感元件(3)采用单梁结构，两端分别为测量岛(8)和固定端(11)，测量岛(8)和固定端(11)通过硅梁(9)连接成一体，惠斯通电桥配置在硅梁(9)上。
3.根据权利要求1所述的MEMS筒式耐高温超高压力传感器，其特征在于：所述的测量岛(8)与承压筒(2)的接触方式有接触式或粘接式。
4.根据权利要求1所述的MEMS筒式耐高温超高压力传感器，其特征在于：所述的承压筒(2)由高强度弹簧钢制造，能够承受1GPa的压力，同时与测量介质具有兼容性。
5.根据权利要求1所述的MEMS筒式耐高温超高压力传感器，其特征在于：所述的硅梁敏感元件(3)采用MEMS技术和SOI技术制作。
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