CN106644195B - 一种高温大量程硅-蓝宝石压力传感器结构 - Google Patents

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    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
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Abstract

本发明提出了一种高温大量程硅‑蓝宝石压力传感器结构，包括钛合金壳体、两个钛合金膜片、连接柱体、蓝宝石膜片、单晶硅应变电阻和金属引线。其中一个钛合金膜片与蓝宝石膜片通过真空烧结的方式结合在一起，形成压力传感器的敏感元件。在蓝宝石膜片上，通过异质外延的方式生长出一层0.1‑0.5μm的单晶硅薄膜。在外延膜上采用半导体平面工艺加工出单晶硅应变电阻，这些电阻组成惠斯顿电桥。另一个钛合金膜片下方连接一个柱体，柱体下表面加工出球形凹面，与蓝宝石膜片变形时完全贴合，无载荷作用时与蓝宝石膜片保持5‑10μm的间距。本发明上下膜片组成分离式的双膜片结构，在测量小量程压力的时候具有高灵敏度的优点，同时也可以用于大量程压力的测量。

Description

一种高温大量程硅-蓝宝石压力传感器结构
技术领域
本发明属于先进传感器技术研究中的传感器优化设计的技术领域，具体涉及一种高温大量程硅-蓝宝石压力传感器结构。
背景技术
高温高压环境下压力的高精度测量技术在工业、航空、航天、武器装备等领域具有非常广泛的应用前景。同时，由于敏感材料温度特性的限制，该技术一直是压力测量领域有待攻克的难题。
目前，国内外研制出的高温压力传感器包括合金薄膜压力传感器、绝缘衬上硅(Silicon-On-Insulator，简称SOI)压力传感器、SiC压力传感器、硅-蓝宝石压力传感器等。其中合金薄膜压力传感器利用薄膜沉积代替了传统粘贴式应变片的胶接，实现了高温下的压力测量，但受加工工艺及结构复杂、体积较大、传感器灵敏度低等因素影响，给使用带来很多不便；SOI压力传感器受工艺及结构限制，应用范围受到限制；SiC压力传感器由于单晶与薄膜材料的制备和器件制造的难度很大，其研究水平与实际应用的要求还有较大的差距；硅-蓝宝石压力传感器由于良好的机械特性及耐高温特性，成为目前研究的热点技术。
压阻式压力传感器结构主要分为单膜片和双膜片两种，其中单膜片结构用于小量程的压力测量，灵敏度较高，但测量范围较小；双膜片结构用于大量程的压力测量，测量范围较大，但灵敏度较低。同时实现高灵敏度和大量程的压力传感器结构一直都是研究的难点。
基于以上背景，设计一种硅-蓝宝石压力传感器结构使其不仅能够在高温高压下正常工作，还拥有灵敏度高，线性度好等优点。
发明内容
本发明的目的是设计出一种灵敏度高，线性度好的高温大量程压力传感器。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高温大量程硅-蓝宝石压力传感器结构，包括钛合金壳体1、下钛合金膜片2、蓝宝石膜片3、单晶硅应变电阻4、上钛合金膜片5、连接柱体6和金属引线7，其中钛合金壳体1为下钛合金膜片2、蓝宝石膜片3、单晶硅应变电阻4、上钛合金膜片5、连接柱体6和金属引线7提供支撑和保护，下钛合金膜片2和蓝宝石膜片3通过真空烧结的方式结合在一起，组成弹性敏感膜片；以蓝宝石膜片3为衬底，在其上通过半导体工艺加工出单晶硅应变电阻4，形成硅-蓝宝石结构；通过对称式的方式对膜上的单晶硅应变电阻4进行排列，利用金属引线7进行连接，组成惠斯顿电桥；下膜片与上钛合金膜片5通过连接柱体6组成分离式的双膜片结构，提高传感器测量范围。
更进一步的，下钛合金膜片2是周边固支圆平膜片，与蓝宝石膜片3烧结在一起，感知压力产生形变，上钛合金膜片5也是周边固支圆平膜片，其下表面连接一个柱体6，柱体6下表面加工成球形凹面，与蓝宝石膜片3保持5-10μm的间距，当下膜片受力变形，可与连接柱体6下表面凹面完全贴合，使下膜片受力均匀，使传感器在测量小量程压力时，具备高灵敏度的优点，同时也具备大量程压力测量的能力。
更进一步的，蓝宝石膜片3与单晶硅应变电阻4之间没有采用p-n结进行隔离，而是通过在蓝宝石膜片3上异质外延生长出一层单晶硅薄膜，在外延膜上通过半导体平面工艺加工出单晶硅应变电阻4。
更进一步的，当测量小量程压力时，蓝宝石膜片与连接柱体不接触，只有单膜片作用，使传感器灵敏度足够高；当测量大量程压力时，蓝宝石膜片与连接柱体接触，双膜片起作用，保护蓝宝石膜片不被破坏，同时提高传感器的测量范围。
本发明与现有技术相比的优点：
(1)、本发明采用了分离式双膜片设计，上膜片连接一个柱体，连接柱体与下膜片保持较小的距离，在测量小量程压力时具有高灵敏度的优点，同时也可用于大量程压力的测量。
(2)、本发明采用了蓝宝石材料作为衬底，单晶硅作为外延层材料，避免了p-n隔离，提高了传感器工作温度范围。
附图说明
图1为本发明的一种高温大量程硅-蓝宝石压力传感器结构示意图。
图中附图标记含义为：1为钛合金壳体，2为下钛合金膜片，3为蓝宝石膜片，4为单晶硅应变电阻，5为上钛合金膜片，6为连接柱体，7为金属引线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的高温大量程硅-蓝宝石压力传感器结构进行进一步描述。
本发明的硅-蓝宝石压力传感器结构如图1所示，主要包括钛合金壳体1、下钛合金膜片2、蓝宝石膜片3、单晶硅应变电阻4、上钛合金膜片5、连接柱体6和金属引线7。其中钛合金壳体1为其他部件提供支撑和保护，下钛合金膜片2和蓝宝石膜片3通过真空烧结的方式结合在一起，组成弹性敏感膜片；以蓝宝石膜片3为衬底，在其上通过半导体工艺加工出单晶硅应变电阻4，形成硅-蓝宝石结构；通过对称式的方式对膜上的单晶硅应变电阻4进行排列，利用金属引线7进行连接，组成惠斯顿电桥；上下膜片都是周边固支圆平膜片，其中上钛合金膜片5下表面连接一个柱体6，柱体6下表面加工成球形凹面，与蓝宝石膜片3保持5-10μm的间距，当下膜片受力变形，可与连接柱体6下表面凹面完全贴合，使下膜片受力均匀。
当压力作用于传感器，钛合金膜片2和蓝宝石膜片3组成的压力敏感膜片受力变形，膜上的单晶硅应变电阻4受到应力的作用而阻值发生变化，由这些电阻及金属引线7构成的惠斯顿电桥输出压力信号，通过测量传感器的输出电压，可以反算出被测压力值。由于采用了四臂电桥结构，输入输出线性度大大提高，同时受温度漂移的影响也大大减小。
传感器的耐高温特性得益于硅-蓝宝石结构。由于蓝宝石和单晶硅的晶格结构不同，所以需要在蓝宝石衬底上选择一个合适的晶面，以供单晶硅薄膜生长。蓝宝石(Al2O3)属六方晶体，各向异性，其上
Figure BDF0000006955830000031
面与单晶硅的(100)面晶格间距相近，所以选择在蓝宝石衬底的
Figure BDF0000006955830000032
面上通过异质外延生长出一层(100)面的单晶硅薄膜，形成硅-蓝宝石结构。由于没有p-n隔离，所以这一结构能够在350℃的高温下正常工作。
上膜片连接一个柱体，连接柱体与下膜片保持较小的距离，当测量小量程压力时，由下钛合金膜片2和蓝宝石膜片3组成的压力敏感膜片的形变较小，下膜片不与连接柱体6接触，传感器相当于单膜片的压阻式压力传感器，此时可以保证传感器的高灵敏度；当测量大量程压力时，下膜片形变较大，与连接柱体6完全接触，带动上钛合金膜片5产生形变，上下膜片组成双膜片的压力传感器结构，可以保证蓝宝石膜片不被破坏，同时提高传感器的测量量程，该传感器同时具备单膜片传感器和双膜片传感器的优点，在小量程压力测量的时候具备高灵敏度的优点，同时也可用于大量程压力测量，测量量程可达到100MPa。

Claims (1)

1.一种高温大量程硅-蓝宝石压力传感器结构，其特征在于：包括钛合金壳体(1)、下钛合金膜片(2)、蓝宝石膜片(3)、单晶硅应变电阻(4)、上钛合金膜片(5)、连接柱体(6)和金属引线(7)；
其中钛合金壳体(1)为其他部件提供支撑和保护，下钛合金膜片(2)和蓝宝石膜片(3)通过真空烧结的方式结合在一起，组成弹性敏感膜片；
以蓝宝石膜片(3)为衬底，选择在蓝宝石衬底的(1102)面上通过异质外延生长出一层(100)面的单晶硅薄膜，在外延膜上通过半导体工艺加工出单晶硅应变电阻(4)，形成硅-蓝宝石结构，由于没有p-n隔离，所以这一结构能够在350℃的高温下正常工作；通过对称式的方式对膜上的单晶硅应变电阻(4)进行排列，利用金属引线(7)进行连接，组成惠斯顿电桥；
上钛合金膜片(5)和下钛合金膜片(2)都是周边固支圆平膜片，其中上钛合金膜片(5)通过一个连接体与钛合金壳体（1）固定连接，上钛合金膜片(5)下表面连接一个柱体(6)，柱体(6)下表面加工成球形凹面，无载荷作用时与蓝宝石膜片(3)保持5-10μm的间距，当下膜片受力变形，可与连接柱体(6)下表面凹面完全贴合，使下膜片受力均匀；
当压力作用于传感器，下钛合金膜片(2)和蓝宝石膜片(3)组成的压力敏感膜片受力变形，下钛合金膜片(2)的单晶硅应变电阻(4)受到应力的作用而阻值发生变化，由这些电阻及金属引线(7)构成的惠斯顿电桥输出压力信号，通过测量传感器的输出电压，可以反算出被测压力值，由于采用了四臂电桥结构，输入输出线性度大大提高，同时受温度漂移的影响也大大减小；
当测量小量程压力时，由下钛合金膜片(2)和蓝宝石膜片(3)组成的压力敏感膜片的形变较小，下钛合金膜片(2)不与连接柱体(6)接触，传感器相当于单膜片的压阻式压力传感器，此时可以保证传感器的高灵敏度；当测量大量程压力时，下钛合金膜片(2)形变较大，与连接柱体(6)完全接触，带动上钛合金膜片(5)产生形变，上下膜片组成双膜片的压力传感器结构，可以保证蓝宝石膜片不被破坏，同时提高传感器的测量量程，测量量程可达到100MPa。
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