CN108106758B - 一种硅膜电涡流微压传感器 - Google Patents

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    • G01L1/22—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 using resistance strain gauges
    • G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports

Abstract

本发明公开了一种硅膜电涡流微压传感器，包括安装座、薄膜片和压盖，所述安装座上设置有引压孔，所述压盖上设置有安装槽，所述压盖紧固在所述安装座上且安装槽正对引压孔，所述薄膜片安装于所述安装槽内且其周侧通过压盖与安装座进行夹持固定，所述压盖正对薄膜片的位置设置有激励线圈，所述激励线圈与薄膜片之间设置有测量线圈。本发明的硅膜电涡流微压传感器具有结构简单、测量精准可靠等优点。

Description

一种硅膜电涡流微压传感器
技术领域
本发明主要涉及压力测量技术领域，特指一种硅膜电涡流微压传感器。
背景技术
目前的电涡流微压传感器中，敏感膜片采用金属波纹膜片，当差压作用在金属波纹膜片上时，膜片中心会上下移动，与电涡流激励线圈距离发生变化，距离变化最终被转换为电信号的变化。该方法利用的是金属波纹膜片作为敏感元件，但是金属波纹膜片的厚度不容易控制，易产生残余应力和安装应力，且存在弹性滞后的缺陷，影响长期稳定性和测量精度，校准周期短。另外还有采用硅压阻效应的微压传感器是利用硅的弹性模量和压阻效应测量压力，此类传感器的灵敏度较低，膜片厚度也难以控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、测量可靠且精度高的硅膜电涡流微压传感器。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种硅膜电涡流微压传感器，包括安装座、薄膜片和压盖，所述安装座上设置有引压孔，所述压盖上设置有安装槽，所述压盖紧固在所述安装座上且安装槽正对引压孔，所述薄膜片安装于所述安装槽内且其周侧通过压盖与安装座进行夹持固定，所述压盖正对薄膜片的位置设置有激励线圈，所述激励线圈与薄膜片之间设置有测量线圈。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述薄膜片包括硅衬底和非导电膜片，所述非导电膜片静电键合在所述硅衬底上，所述硅衬底上设有窗口，所述非导电膜片的外侧且正对窗口的位置处溅射有导电薄膜，所述导电薄膜正对于所述测量线圈。
所述薄膜片中非导电膜片与压盖接触的部分设置有导电接触环。
所述导电接触环上设置有焊盘，所述焊盘上设置有引线，所述压盖上设置有线孔，所述引线经压盖上线孔穿出，用于检测压盖与导电接触环之间的接触电阻以调整压盖与安装座之间的紧固力。
所述非导电膜片为SiO2片。
所述导电薄膜为Au层。
所述安装座与薄膜片周侧接触的位置设置有密封槽，所述密封槽内设置有密封件。
所述密封件为O型密封圈。
所述安装座与压盖之间设有橡胶平垫片。
所述安装座与压盖之间通过螺栓紧固。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的硅膜电涡流微压传感器，通过压盖与安装座之间的夹持配合对薄膜片的周侧进行固定，保证薄膜片正对测量线圈部分不受到其它外力影响，从而提高测量的精准性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中薄膜片的剖视图。
图3为本发明中薄膜片的俯视图。
图中标号表示：1、安装座；2、螺栓；3、密封件；4、平垫片；5、压盖；6、激励线圈；7、线圈引线；8、测量线圈；9、引线；10、薄膜片；11、导电接触环；12、非导电膜片；13、硅衬底；14、导电薄膜；15、焊盘；16、引压孔；17、安装槽。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本实施例的硅膜电涡流微压传感器，包括安装座1、薄膜片10和金属压盖5，安装座1上设置有引压孔16，压盖5上设置有安装槽17，压盖5紧固在安装座1上且安装槽17正对引压孔16，薄膜片10安装于安装槽17内且其周侧通过压盖5与安装座1进行夹持固定，压盖5正对薄膜片10的位置设置有激励线圈6，用于产生高频激励信号；激励线圈6与薄膜片10之间设置有测量线圈8，用于检测磁场交变，测量线圈8与激励线圈6的经线圈引线7接出。本发明的硅膜电涡流微压传感器，通过压盖5与安装座1之间的夹持配合对薄膜片10的周侧进行固定，保证薄膜片10正对测量线圈8部分不受到其它外力影响，从而提高测量的精准性。
如图2和图3所示，本实施例中，薄膜片10包括硅衬底13和非导电膜片12（如SiO2片），非导电膜片12静电键合在硅衬底13上，硅衬底13上设有窗口，非导电膜片12的外侧且正对窗口的位置处溅射有导电薄膜14，导电薄膜14正对于测量线圈8。其中薄膜片10中非导电膜片12与压盖5接触的部分设置有导电接触环11。导电薄膜14和导电接触环11均为Au层（也可以是其它导电层），且导电薄膜14和导电接触环11之间存在一定的距离，使导电接触环11与压盖5的接触不会影响导电薄膜14的测量。导电接触环11上设置有焊盘15，焊盘15上设置有引线9，压盖5上设置有线孔，引线9经压盖5上的线孔穿出，用于检测压盖5与导电接触环11之间的接触电阻以调整压盖5与安装座1之间的紧固力。其中薄膜片10的具体制备过程如下：
（1）准备单晶硅片和SiO2片，并分别进行双面抛光；
（2）将双面抛光的晶硅片和SiO2片进行静电键合，形成键合片；
（3）对键合片上SiO2进行减薄，减薄到量程厚度再进行抛光；
（4）对单晶硅片进行掩膜、光刻、湿法腐蚀出方形窗口，腐蚀停止于SiO2层，得到方形SiO2膜，其中单晶硅片形成硅衬底13；
（5）在SiO2层的窗口的外侧溅射一层导电的薄膜，其中薄膜的材料为Au，Au膜的厚度为1um；
（6）对薄膜进行掩膜、光刻、湿法腐蚀，刻蚀出环岛，其中中间的圆形部分为导电薄膜14，外环部分则为导电接触环11；
（7）在导电接触环11上掩膜、光刻出接触孔；
（8）在接触孔上溅射Ni层，厚度3um；
（9）在Ni层上通过掩膜、光刻继续键合Au层2um，形成焊盘15；
（10）在焊盘15上焊接0.3mm的带绝缘层的引线9；
（11）薄膜片10制备完成。
由于在单晶硅片上掩膜，采用湿法刻蚀，利用SiO2作为终止层，能够精确控制膜片的厚度和平整度。非导电膜片12处于中心部位，离周边较远，因此制作过程中不易损坏，几乎不会有应力传递到中心部位，膜片的长期稳定性可得到保证。通过该方法，非导电膜片12可以做得很薄，并且厚度均匀。
本实施例中，安装座1与薄膜片10周侧接触的位置设置有密封槽，密封槽内设置有密封件3（如O型密封圈）。另外安装座1与压盖5之间还设有橡胶平垫片4，安装座1与压盖5之间具体通过螺栓2或螺钉进行紧固。其中O型密封圈和橡胶平垫片4用于起到密封以及支撑的作用。在螺栓2进行紧固时，当压盖5与导电接触环11相接触时，通过引线9测量压盖5与导电接触环11之间的接触电阻，随着螺栓2紧固力的加大，接触电阻会不断变化，通过选择合理的接触电阻（如10mΩ~50mΩ），可以保证薄膜片10与压盖5之间有合适的紧固力，从而保证接触良好，且不会产生较大的紧固力。因为紧固过大，会导致SiO2片产生应力而导电薄膜14的测量，影响传感器的长期稳定性。
本发明的硅膜电涡流微压传感器的具体装配过程为：
1、将制备好的薄膜片10放置在带O型密封圈的安装座1上；
2、在安装座1其它部位安装橡胶平垫片4；
3、安装带有激励线圈6和测量线圈8的压盖5；
4、调节螺栓2紧固力，使压盖5和导电接触环11的接触电阻控制在10mΩ~50mΩ，装配完成。
具体工作原理：首先给激励线圈6提供交流电源，在方形SiO2层的圆形导电薄膜14上形成电涡流，测量线圈8检测到感应的交流电压；当压力经引压孔16引入后，方形SiO2层产生变形，使导电薄膜14与激励线圈6的距离缩短，电涡流发生变化，测量线圈8测量的电压也发生变化，从而完成微压力正比于测量线圈8上电压的转换。
当然，在其它实施例中，也可以在压盖5的侧面开孔，导入另外一个压力源到薄膜片10中心，起到差压测量的作用，导入的压力介质不限于气体，也可以是液体，从而可以实现液体与液体的微差压测量、气体到气体的微差压测量、液体到气体的微差压测量。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种硅膜电涡流微压传感器，其特征在于，包括安装座（1）、薄膜片（10）和压盖（5），所述安装座（1）上设置有引压孔（16），所述压盖（5）上设置有安装槽（17），所述压盖（5）紧固在所述安装座（1）上且安装槽（17）正对引压孔（16），所述薄膜片（10）安装于所述安装槽（17）内且其周侧通过压盖（5）与安装座（1）进行夹持固定，所述压盖（5）正对薄膜片（10）的位置设置有激励线圈（6），所述激励线圈（6）与薄膜片（10）之间设置有测量线圈（8）；所述薄膜片（10）中非导电膜片（12）与压盖（5）接触的部分设置有导电接触环（11）；所述导电接触环（11）上设置有焊盘（15），所述焊盘（15）上设置有引线（9），所述压盖（5）上设置有线孔，所述引线（9）经压盖（5）上线孔穿出，用于检测压盖（5）与导电接触环（11）之间的接触电阻以调整压盖（5）与安装座（1）之间的紧固力。
2.根据权利要求1所述的硅膜电涡流微压传感器，其特征在于，所述薄膜片（10）包括硅衬底（13）和非导电膜片（12），所述非导电膜片（12）静电键合在所述硅衬底（13）上，所述硅衬底（13）上设有窗口，所述非导电膜片（12）的外侧且正对窗口的位置处溅射有导电薄膜（14），所述导电薄膜（14）正对于所述测量线圈（8）。
3.根据权利要求2所述的硅膜电涡流微压传感器，其特征在于，所述非导电膜片（12）为SiO2片。
4.根据权利要求2所述的硅膜电涡流微压传感器，其特征在于，所述导电薄膜（14）为Au层。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的硅膜电涡流微压传感器，其特征在于，所述安装座（1）与薄膜片（10）周侧接触的位置设置有密封槽，所述密封槽内设置有密封件（3）。
6.根据权利要求5所述的硅膜电涡流微压传感器，其特征在于，所述密封件（3）为O型密封圈。
7.根据权利要求1至4中任意一项所述的硅膜电涡流微压传感器，其特征在于，所述安装座（1）与压盖（5）之间设有橡胶平垫片（4）。
8.根据权利要求1至4中任意一项所述的硅膜电涡流微压传感器，其特征在于，所述安装座（1）与压盖（5）之间通过螺栓（2）紧固。
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