CN102072795B - 压阻式高频高温动态压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种压阻式高频高温动态压力传感器，由压阻敏感组件、传感器金属壳体和高频宽带放大器组成，压阻敏感组件由硅压阻敏感元件和玻璃环片组成，硅压阻敏感元件由圆平硅膜片形成，圆平硅膜片正面依次覆盖SiO2层和Si3N4层，硅压阻敏感元件正面中部设有惠斯顿电桥而周部裸露出硅膜片后焊固于玻璃环片的一面，硅压阻敏感元件反面形成金属反光膜，惠斯顿电桥上应变电阻用丝内引线引出，璃环片另一面固定于陶瓷隔离基座上环形凹坑面，陶瓷隔离基座又烧结固定于传感器金属壳体的进压端口，压阻敏感组件上金丝内引线引入到传感器内腔室中的转接板后，经过高频宽带放大器信号放大，由传感器尾部输出电缆引出，本发明能在承受超高温和超高频冲击下仍然具有良好特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐瞬态超高温高频繁冲击能力的压阻式高频高温动态压力传感器，特别涉及一种基于MEMS(Micro Electron MechanicalSystem)技术与SOI(Silicon On Insulator)技术相结合开发的耐高温高频动态压力传感器，适用于弹药底火能量测试实验技术类高频动态压力测量中伴有超近距离探测带来的高温场，瞬态超高温冲击且较为频繁，并伴有反应介质导电性干扰与强光干扰等特殊要求的工况，完成亚毫秒数量级的高温高频动态压力的频繁测量。
技术背景
始于20世纪70年代后期的MEMS技术使得先进的硅压阻压力传感器越做越小，从而硅压阻力敏元件有了更高的固有频率。美国Kulite公司和Endevco公司采用这一技术制成的微型方膜片实现了压阻压力传感器的小型化和芯片高固有频率，但它们未解决全齐平封装问题，同时此种封装也无法解决爆炸中的强光干扰，因此不得不在使用时卸下芯片封装前方的激光成形保护网膜适应高频动态测量，从而造成测量中的极高损坏率或一次性使用。
申请人在先前申请公开的专利——压阻式高频动态高压传感器(专利号：200510037982.2)中陈述了齐平封装式高频动态高压传感器，它适用于爆轰试验冲击波超压压力场的测试要求，但由于其检测压力转化为电信号的四个硅力敏电阻组成的惠斯登电桥桥臂电阻间采用的是PN结隔离，而大面积的PN结的耐温限制为125℃，因而高温时的PN结漏电流及击穿导致的隔离失效，使其不能使用于高于125℃的环境及介质。爆轰由于化学反应和燃烧，在近场介质形成一个高温工作环境，通常会高于这个温度限制。
发明内容
为了解决燃爆测试冲击波压力场的近场布点测试及弹药底火能量测试实验，本发明提供一种压阻式高频高温动态压力传感器，能在承受超高温和超高频冲击下仍然具有良好特性，解决了如近场燃爆引起的高温环境影响，获得了相关测试需求。
本发明的技术方案是这样实现：一种压阻式高频高温动态压力传感器，由压阻敏感组件和传感器金属壳体组成，该压阻敏感组件由硅压阻敏感元件和玻璃环片组成，该硅压阻敏感元件由圆平硅膜片形成，圆平硅膜片正面依次覆盖有SiO2层和Si3N4层，该硅压阻敏感元件正面中部设有惠斯顿电桥，而周部裸露出硅膜片后，焊固于与硅有相似热膨胀系数的该玻璃环片的一面，该硅压阻敏感元件反面通过真空蒸镀或磁控溅射形成金属反光膜，该惠斯顿电桥上应变电阻通过焊接金丝内引线引出；该玻璃环片另一面通过低温玻璃浆糊烧结或者通过高温粘胶剂粘接固定于陶瓷隔离基座上设有的环形凹坑面，该陶瓷隔离基座又通过低温玻璃浆糊烧结固定于该传感器金属壳体的进压端口，该压阻敏感组件上金丝内引线通过该陶瓷隔离基座之环形凹坑面上的中心孔，引入到该传感器内腔室中的转接板后，由该传感器尾部的输出电缆引出。
作为本发明的进一步改进，该压力传感器还包括位于该传感器内腔室中的高频宽带放大器，该转接板上引出信号，经过该高频宽带放大器信号放大，由该传感器尾部的该输出电缆引出。
作为本发明的进一步改进，该硅压阻敏感元件上的金属反光膜为铂膜、钛膜、铝膜或镍鉻薄膜。
作为本发明的进一步改进，该圆平硅膜片为双面抛光的SOI硅片，并在SOI硅片加工中加入金扩散。
作为本发明的进一步改进，该传感器金属壳体由设有该进压端口的传感器金属基座和旋固于该传感器金属基座的传感器金属管帽组成，该传感器金属基座与该传感器金属管帽之间形成了该内腔室。
作为本发明的进一步改进，该玻璃环片采用Pyrex7740或GG-17玻璃环片。
作为本发明的进一步改进，该低温玻璃浆糊的烧结温度为380度-450度，该高温粘胶剂耐受温度为280度-320度。
如权利要求4所述的一种压阻式高频高温动态压力传感器，其特征在于，对应该传感器压力量程0～10MPa至0～20MPa，该圆平硅膜片厚度为0.32-0.42mm。
作为本发明的进一步改进，该高频宽带放大器由两级放大电路组成，第一级放大电路采用单位增益带宽2MHz的高频低噪声仪表放大器和5-8倍的放大倍率，第二级放大电路采用单位增益带宽80MHZ的高速运算放大器和10-40倍的放大倍率。
作为本发明的进一步改进，该高频宽带放大器具有50-400倍的放大倍率，高达150KHz的带宽和小于1μS的上升时间。
本发明的有益技术效果是：所述该硅压阻敏感元件正面设有惠斯顿电桥，而反面通过真空蒸镀或磁控溅射形成金属反光膜，这样该硅压阻敏感元件反面作为受压面，减小了红外光的影响，同时该压阻敏感组件又通过低温玻璃浆糊烧结或者通过高温粘胶剂粘接固定于陶瓷隔离基座，该陶瓷隔离基座又通过低温玻璃浆糊烧结固定于该传感器金属壳体的进压端口，这样整个压力传感器的受压面不仅能承受强光的照射，又能承受超高温热量轰击，满足测试环境要求。
由于该圆平硅膜片为双面抛光的SOI硅片，这样该惠斯顿电桥上应变电阻之间，以及应变电阻与硅基片之间PN结隔离，而是被空气和二氧化硅绝缘隔离，在SOI硅片加工中加入了金扩散，这样增加了硅片的复合中心减小光生载流子的寿命，是解决防光干扰的关键。
附图说明
图1是本发明中该硅压阻敏感元件的剖面结构示意图；
图2是本发明中该压阻敏感组件的剖面结构示意图；
图3是本发明所述传感器齐平封装的结构示意图(没有自带高频宽带放大器)；
图4是本发明带有所述高频宽带放大器的传感器结构示意图；
图5是本发明中所述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-硅压阻敏感元件 4-转接板
11-圆平硅膜片 5-传感器金属基座
12-SiO2层 6-固板架
13-Si3N4层 7-高频宽带放大电路
14-圆形力敏区 8-传感器金属管帽
15-金丝内引线 9-输出电缆
2-玻璃环片 10-航天插座
3-陶瓷隔离基座
具体实施方式
压阻式高频高温动态压力传感器采用MEMS硅体微机械加工工艺制作的周边固支的圆平硅膜片，利用齐平封装技术，消除管腔效应对动态测试的影响，实现对动态高温压力的实时测量，采用高频宽带放大器，确保有足够高频的同时，又避免了其小信号噪声大的弱点。以下实施步骤按照如图1至图5所示，进行详细描述：
图1所示，该圆平硅膜片11采用双面抛光的SOI硅片(在SOI硅片加工中还加入金扩散，目的增加硅片的复合中心减小光生载流子的寿命)，作为弹性元件，在MEMS技术加工中先用传统的热氧化技术在正面覆盖1μm厚的SiO2层12，再用标准的LPCVD法在正面上覆盖3000
厚的Si3N4层13，用两次光刻技术，刻蚀掉该硅膜片正面圆形力敏区14以外部位的Si3N4层及SiO2层，保留圆形力敏区14部位覆盖的Si3N4层13和SiO2层12；用双面光刻技术和离子注入掺杂技术，在该圆平硅膜片11的正面特定位置制作成惠斯顿电桥并引出应变电阻之电极，由此制成所述硅压阻敏感元件1，该硅压阻敏感元件1反面(也就是该SOI硅片的反面)通过真空蒸镀或磁控溅射形成铂、钛、铝或镍鉻金属反光膜，目的是为了减小红外光的影响。上述未详加叙述都是标准集成电路工艺。
图2所示，由于SOI硅膜片11的圆形力敏区14以外区域的绝缘层被去除，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2焊接到-起，再采用4或5根Φ25-Φ40μm的金丝为内引线15，用金丝球焊机将金丝内引线的一端焊接在该硅惠斯顿电桥的电极引出块上。Pyrex玻璃环片是康宁公司(Corning)的产品，专为半导体封装设计，具有与硅接近的物理性能，GG-17玻璃环片为国产产品。
图3所示，将陶瓷隔离基座3用低温玻璃浆糊将它烧结在传感器金属基座5的进压端口，将该压阻敏感组件之玻璃环片2另一面用低温玻璃浆糊烧结法或者高温粘胶剂粘接在陶瓷隔离基座3设有的环行凹坑面，实现该压阻敏感组件之硅膜片背面正好与该传感器金属基座5之进压端口的端面齐平，该压阻敏感组件上金丝内引线15的另一端通过该陶瓷隔离基座3之环形凹坑面上的中心孔后，用高温焊锡或是储能焊焊接到作为转接电路的转接板4上，该转接板4固定于该传感器金属基座之内腔室，并将引出耐高温的输出电缆9焊接到对应的转接板4上，从而实现内外引线的转接。
该传感器金属基座5尾部旋固用于封装该传感器的传感器金属管帽8，该输出电缆9通过该传感器金属管帽8顶部的航空插座10引出，由此也构成本发明的第一个实施方式(没有自带高频宽带放大器)。
本发明的另一实施例就是该传感器集成自带的高频宽带放大器，该高频宽带放大器位于该传感器内腔室中，即该转接板4上引出信号，经过该高频宽带放大器7信号放大，由该传感器尾部的该输出电缆9引出，如图4所示，将该金丝内引线15通过转接板4转接到该高频宽带放大电路7连接，该高频宽带放大电路7基于该传感器之内腔室的固板架6固定，再将该输出电缆的芯线焊接到该高频宽带放大电路7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，因而为了避免干扰，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0-150KHz的使用带宽，小于1μS的上升时间和极低的低频噪声。
图5所示，该高频宽带放大器由三部分组成，其中：
1、由LM317与电阻R5，二极管D1，电容C6，电容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去除电源的干扰及噪声。
2、由一级放大器INA111与电阻R1，电容C1，电容C8，电容C9，电容C2，电阻R2组成该高频宽带放大器的第一级放大电路，R1为一固定电阻，其值大小为R＝49.4K/(G-1)，(G＝4～10)跨接在INA111的1，8脚之间，该级放大倍数固定为4～10倍，使得INA111在该放大倍数下有着较低噪声，同时具有较高得频响；C1跨接在INA111的2，3脚之间用来滤除0.8～1MHz的传感器输入噪声；C8，C9用来滤除INA111工作电源的干扰噪声；C2，R2组成INA111放大输出信号即OPA637输入信号的滤波电路滤除其信号干扰。
3、由二级放大器OPA637与电容C3，电容C4，电容C5，电阻R3，电阻R4，电位器W2及R电阻3，电位器W1组成该高频宽带放大器的第二级放大电路，W1，W2为三端可调电阻(电位器)，R3，W2，R4跨接在OPA637的1脚、7脚及5脚上，该部分组成OPA637的零位十条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OPA637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。
该高频动态高温压力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0～10MPa至0～20MPa范围，该圆平硅膜片厚度为0.32-0.42mm。
该压阻式高频高温动态压力传感器的圆平硅膜片背面与该传感器金属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。
该压阻式高频高温动态压力传感器可以通过两级放大的宽带放大器实现50-400倍的放大率，可以达到带宽150KHz，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。
该高频高温动态压力传感器性能优良，稳定，抗干扰能力强，可用于各种爆轰冲击波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：0～10MPa至0～20MPa，输出灵敏度：80～120mV或0-5V
2.精度：0.3～0.01％FS
3.固有频率：0～200至0～1000KHz
4.使用带宽：0～60至0～300KHz
5.上升时间：0.5-1μS
6.时间稳定性：≤0.1mV或0.1％FS
7.温度稳定性：≤5×10-4/℃·FS
8.测量介质温度范围：-50～350℃(瞬态可达2000℃)
9.防光特性：防强红外及可见光
Claims (10)
1.一种压阻式高频高温动态压力传感器，由压阻敏感组件和传感器金属壳体组成，其特征在于：
1)该压阻敏感组件由硅压阻敏感元件(1)和玻璃环片(2)组成，该硅压阻敏感元件(1)由圆平硅膜片(11)形成，圆平硅膜片(11)正面依次覆盖有SiO2层(12)和Si3N4(13)层，该硅压阻敏感元件正面中部设有惠斯顿电桥，而周部裸露出硅膜片后，焊固于与硅有相似热膨胀系数的该玻璃环片(2)的一面，该硅压阻敏感元件(1)反面通过真空蒸镀或磁控溅射形成金属反光膜，该惠斯顿电桥上应变电阻通过焊接金丝内引线(15)引出；
2)该玻璃环片(2)另一面通过低温玻璃浆糊烧结或者通过高温粘胶剂粘接固定于陶瓷隔离基座(3)上设有的环形凹坑面，该陶瓷隔离基座(3)又通过低温玻璃浆糊烧结固定于该传感器金属壳体的进压端口，该压阻敏感组件上金丝内引线(15)通过该陶瓷隔离基座(3)之环形凹坑面上的中心孔，引入到该传感器内腔室中的转接板(4)后，由该传感器尾部的输出电缆(9)引出。
2.如权利要求1所述的一种压阻式高频高温动态压力传感器，其特征在于，该压力传感器还包括位于该传感器内腔室中的高频宽带放大器，该转接板(4)上引出信号，经过该高频宽带放大器(7)信号放大，由该传感器尾部的该输出电缆(9)引出。
3.如权利要求1或2所述的一种压阻式高频高温动态压力传感器，其特征在于，该硅压阻敏感元件(1)上的金属反光膜为铂膜、钛膜、铝膜或镍鉻薄膜。
4.如权利要求1或2所述的一种压阻式高频高温动态压力传感器，其特征在于，该圆平硅膜片(11)为双面抛光的SOI硅片，并在SOI硅片加工中加入金扩散。
5.如权利要求1或2所述的一种压阻式高频高温动态压力传感器，其特征在于，该传感器金属壳体由设有该进压端口的传感器金属基座(5)和旋固于该传感器金属基座(5)的传感器金属管帽(8)组成，该传感器金属基座(5)与该传感器金属管帽(8)之间形成了该内腔室。
6.如权利要求1或2所述的一种压阻式高频高温动态压力传感器，其特征在于，该玻璃环片(2)采用Pyrex7740或GG-17玻璃环片。
7.如权利要求1或2所述的一种压阻式高频高温动态压力传感器，其特征在于，该低温玻璃浆糊的烧结温度为380度-450度，该高温粘胶剂耐受温度为280度-320度。
8.如权利要求1或2所述的一种压阻式高频高温动态压力传感器，其特征在于，对应该传感器压力量程0～10MPa至0～20MPa，该圆平硅膜片厚度为0.32-0.42mm。
9.如权利要求2所述的一种压阻式高频高温动态压力传感器，其特征在于，该高频宽带放大器由两级放大电路组成，第一级放大电路采用单位增益带宽2MHz的高频低噪声仪表放大器和5-8倍的放大倍率，第二级放大电路采用单位增益带宽80MHZ的高速运算放大器和10-40倍的放大倍率。
10.如权利要求9所述的一种压阻式高频高温动态压力传感器，其特征在于，该高频宽带放大器具有50-400倍的放大倍率，高达150KHz的带宽和小于1μS的上升时间。
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