CN103616122A - 一种冷藏车用的气体压力传感器 - Google Patents

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姜蕾
王盼
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张锐
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Abstract

本发明涉及一种冷藏车用气体压力传感器，在不锈钢基座内嵌装调整电路，该不锈钢基座两侧有四个引脚用于固定传感器，在不锈钢基座的上面固装空腔基座，该空腔基座为向上收口的锥形空腔，在该锥形空腔的中部横向固装陶瓷基座，在该陶瓷基座上通过玻璃板密封固装敏感元件基座，该敏感元件基座制有真空腔；在敏感元件基座的上面安装有敏感元件，敏感元件通过两根金丝通向下方的处理电路。本发明针对冷藏车内低温高湿环境下做了优化，保证产品稳定性，所设计的敏感元件集成信号调整电路与温度补偿电路，使得三种元件共用电源地线，减少无谓的引线布局与功耗，并针对惠斯通电桥电阻的摆放、位置、结构做了适当的优化，提高了灵敏度和精度。

Description

一种冷藏车用的气体压力传感器
技术领域
本发明属于微电子机械系统传感器领域，涉及压力传感器，尤其是一种用于冷藏车厢气体压力传感器。
背景技术
我们知道，在长时间低温环境下，塑料制品的硬度会降低，尤其在零下30度时硬度会变得很差；含碳量高的钢材料在低温下也承受不了强力，而采用镍钢材料可以有效防止低温下材料变低。
1、薄膜型压力传感器随着蒸镀、化学气相沉积（CVD）等镀膜工艺的发展和MEMS技术等发展，已经实现小型化低功耗的首选测量单元。其中，化学气相沉积（CVD）生长多晶硅薄膜主要采用低压CVD（LPCVD）法，成熟性稳定性适用于批量生产，配合补偿电路，测量范围、精度和优良的性能都成为市场的主流；MEMS封装技术常见的有三种：塑料封装、陶瓷封装、金属封装，在冷藏车这种恶劣环境下使用金属封装更加合适，并采用陶瓷基座，陶瓷是绝缘体，不会吸附空气中的杂质，陶瓷与玻璃的热膨胀系数接近，这样减少热失配所导致的芯片上的附加压力。
2、压阻式传感器输出阻抗很高，放大电路要有更高的输入阻抗，不从传感器输出端吸收电流，避免影响传感器的正常工作。所采用的惠斯通电桥，其四个电阻为R1、R2、R3、R4，惠斯通电桥激励值为Vs，其桥臂输出电压为
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为避免自身电阻产生热量，惠斯通电桥桥臂电流不宜过大，一般为1mA左右；而且，为避免导线电阻影响电桥平衡，电阻和导线设计应该对称。
3、压力传感器的灵敏度最大值由膜片厚度与面积决定，经试验：弹性膜片越薄，尺寸越大，灵敏度越高。但薄膜越薄工艺要求越高，且影响测量的范围，尺寸大也容易造成受力的均匀性变差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种具有较高的灵敏度、精度和稳定性的用于冷藏车厢气体压力传感器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种冷藏车用气体压力传感器，包括不锈钢基座、空腔基座、敏感元件基座、陶瓷基座、处理电路及敏感元件，不锈钢基座、空腔基座及敏感元件基座均由镍钢的不锈钢制成，在不锈钢基座内嵌装调整电路，该不锈钢基座两侧有四个引脚用于固定传感器，在不锈钢基座的上面固装空腔基座，该空腔基座为向上收口的锥形空腔，在该锥形空腔的中部横向固装陶瓷基座，在该陶瓷基座上通过玻璃板密封固装敏感元件基座，该敏感元件基座制有真空腔；在敏感元件基座的上面安装有敏感元件，敏感元件通过两根金丝通向下方的处理电路。
而且，所述敏感元件是由惠斯通电桥构成，该惠斯通电桥由电阻R1、R2、R3、R4组成桥式电路，惠斯通电桥分别置于四边形的四个边上，距离敏感元件基座的边距为20μm。
而且，所述的敏感元件的尺寸为3mm*3mm，膜厚尺寸为200μm，电阻长宽为100，20μm，电阻阻值为1500Ω，制作原料采用多晶硅。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明针对冷藏车内低温高湿环境下做了优化，保证产品稳定性，所设计的敏感元件集成信号调整电路与温度补偿电路，使得三种元件共用电源地线，减少无谓的引线布局与功耗，并针对惠斯通电桥电阻的摆放、位置、结构做了适当的优化，提高了灵敏度和精度。
2、本发明的外壳材料使用镍钢，可保证产品不会在低温下硬度变低而导致损坏，处理单元封装在传感器内，在结构上采用防水设计，保证产品稳定性。
3、本发明用于测量低温高湿恶劣环境的气体压力计，测量范围大于1.2个标准大气压。
附图说明
图1为本发明所述的压力传感器结构俯视图；
图2为图1的A-A向截面剖视图；
图3为本发明敏感元件的电阻分布示意图；
图4为图2的B部结构放大示意图；
图5为本发明的控制芯片模块框图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步详述，需要说明的是，本实施例是描述性的，而不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种冷藏车用气体压力传感器，包括不锈钢基座1、空腔基座3、敏感元件基座5、陶瓷基座4、处理电路7及敏感元件6，不锈钢基座、空腔基座及敏感元件基座均由镍钢的不锈钢制成，在不锈钢基座内嵌装调整电路，该不锈钢基座两侧有四个引脚2用于固定传感器。在不锈钢基座的上面固装空腔基座，该空腔基座为向上收口的锥形空腔，在该锥形空腔的中部横向固装陶瓷基座，在该陶瓷基座上通过玻璃板10密封固装敏感元件基座，该敏感元件基座制有真空腔9；在敏感元件基座的上面安装有敏感元件，敏感元件通过两根金丝通向下方的处理电路。
所述敏感元件是由惠斯通电桥8构成，该惠斯通电桥由电阻R1、R2、R3、R4组成桥式电路，如图3所示，惠斯通电桥分别置于四边形的四个边上，距离敏感元件基座的边距为20μm，结合整体传感器在此位置的电阻受到的应力最大，灵敏度最高。当外界无压力时，电桥电阻相等，电桥平衡，传感器输出压力为零；当外界产生压力，其中两个电阻阻值增大，两个阻值减少，电桥输出压力与电阻变化成正比，测量电压变化可以得到外界压力值。对于本实施例，敏感元件上方感受压力，由于真空腔的压力是恒定的，因此敏感元件所受压力不同而产生变形，进而影响电阻阻值变化，也就影响输出电压变化。
本实施例所述的敏感元件，其尺寸为3mm*3mm，膜厚尺寸为200μm，电阻长宽为100，20μm，电阻阻值为1500Ω，电阻距离膜边距离20μm，制作原料采用多晶硅，价格较低廉。
本发明的处理电路采用MAX1450EAP贴片SSOP封装，采用MEMS工艺将调整电路与温度补偿单元做成一体，输出引脚有四个：VDD，VO，GND和一个用于固定的引脚。
芯片采用TI公司的MSP430F5438，3.3V工作电压下功耗仅为340μA，16位高速处理单片机，工作稳定。电源模块采用凌特公司的LTC3458，使用两节碱性电池，可以提供5V电压，及高达1.4A的电流源，93%的转换效率，低功耗便携性兼备。
本发明所述的敏感元件通过硅硅直接键合技术，其步骤如下：
⑴对需要键合的抛光面平整度检查；
⑵对需要键合的硅片进行清洗，检查表面污染情况；
⑶将抛光面面面相向贴在一起，施加一定压力，再送入充满惰性气体的封闭环境中放置100小时以上；
⑷将键合膜片置于高温进行高温退火，在1100℃的退火温度时掺杂相浓度为1020cm-3，进行高温退火时间应在8小时左右，并且充满N2或其他保护气体。

Claims (3)

1.一种冷藏车用气体压力传感器，其特征在于：包括不锈钢基座、空腔基座、敏感元件基座、陶瓷基座、处理电路及敏感元件，不锈钢基座、空腔基座及敏感元件基座均由镍钢的不锈钢制成，在不锈钢基座内嵌装调整电路，该不锈钢基座两侧有四个引脚用于固定传感器，在不锈钢基座的上面固装空腔基座，该空腔基座为向上收口的锥形空腔，在该锥形空腔的中部横向固装陶瓷基座，在该陶瓷基座上通过玻璃板密封固装敏感元件基座，该敏感元件基座制有真空腔；在敏感元件基座的上面安装有敏感元件，敏感元件通过两根金丝通向下方的处理电路。
2.根据权利要求1所述的冷藏车用气体压力传感器，其特征在于：所述敏感元件是由惠斯通电桥构成，该惠斯通电桥由电阻R1、R2、R3、R4组成桥式电路，惠斯通电桥分别置于四边形的四个边上，距离敏感元件基座的边距为20μm。
3.根据权利要求2所述的冷藏车用气体压力传感器，其特征在于：所述敏感元件的尺寸为3mm*3mm，膜厚尺寸为200μm，电阻长宽为100，20μm，电阻阻值为1500Ω，制作原料采用多晶硅。
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