CN109764954B - 一种高灵敏度、高频响、抗过载的碳化硅高温振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度、高频响、抗过载的碳化硅高温振动传感器：包括碳化硅芯片、碳化硅键合片、绝热层、封装外壳以及可伐引脚；所述碳化硅芯片包括支撑片体、悬臂梁以及质量块；所述支撑片体与碳化硅键合片形成键合体；所述质量块及悬臂梁设置在所述键合体的空腔内，悬臂梁上设置有芯片电路；所述可伐引脚沿设置在封装外壳、绝热层及碳化硅键合片上的通孔伸入所述键合物内，并与所述芯片电路相连。本发明提出高温振动传感器具有高灵敏度、高频响、抗过载特点，可实现在高温环境下振动信号的准确、及时的测量。

Description

一种高灵敏度、高频响、抗过载的碳化硅高温振动传感器

技术领域

本发明涉及振动传感器技术领域，特别涉及一种高灵敏度、高频响、抗过载的碳化硅高温振动传感器。

背景技术

高温环境下的振动测量在航空航天、石油化工、汽车工业等领域中应用广泛，例如航空发动机燃烧室振动测量、核能反应堆设备振动监测、石油钻井安全性监测等。目前振动传感器主要包括压阻式、电容式、谐振式等，但由于传感器工作原理、材料特性以及封装工艺等方面的原因，使传感器的耐温性能受到限制，传感器的使用温度普遍较低，不能满足在600℃以上高温度环境中正常工作的要求；此外，传感器灵敏度和刚度之间的矛盾一直是限制压阻式振动传感器性能提升的关键问题；而且在以上提到的诸多高温应用环境中，传感器必须具有良好的抗过载能力才能有效抵抗意外高频、高能量冲击，保证自身不被破坏。

针对上述问题，目前亟待提出一种高灵敏度、高频响、抗过载的高温振动传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高灵敏度、高频响、抗过载的碳化硅高温振动传感器，能够满足高温环境下振动信号测量的应用需求。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

包括碳化硅芯片、绝热层、封装外壳以及可伐引脚；

所述碳化硅芯片包括支撑片体、悬臂梁以及质量块；

所述支撑片体与设置在该支撑片体两侧的碳化硅键合片以键合方式形成内部具有空腔的键合体；

所述质量块及悬臂梁设置在所述键合体的空腔内，质量块与所述空腔的内壁留有空隙，并且质量块的厚度和宽度大于悬臂梁；

所述悬臂梁包括多个并行排列的梁体(相互之间存在间隔)，并且各个梁体的一端与质量块的同一侧表面相连，另一端与所述空腔的内壁相连，悬臂梁的若干个梁体上设置有用于感知应变的芯片电路；

所述绝热层设置在所述键合体上，所述封装外壳设置在绝热层上；

所述可伐引脚沿设置在封装外壳、绝热层及碳化硅键合片上的通孔伸入所述键合物内，并与所述芯片电路相连。

优选的，所述悬臂梁采用音叉结构，所述音叉结构包括上音叉臂、下音叉臂以及设置在支撑片体内侧面上的与上音叉臂及下音叉臂相连的固定支撑体，上音叉臂、下音叉臂分别与质量块相连。

优选的，所述碳化硅键合片包括键合片体及设置在键合片体上的凸台，所述凸台与所述固定支撑体相键合，碳化硅键合片上的通孔设置在该凸台上并贯穿键合片体。

优选的，所述芯片电路包括设置在上音叉臂或下音叉臂上的用于构成电桥电路结构的敏感电阻和金属电路线路，以及与金属电路线路相连的固定于所述固定支撑体对应侧表面上的金属焊盘，金属焊盘与所述碳化硅键合片上的通孔位置对应，可伐引脚通过金属焊盘与芯片电路相连。

优选的，所述敏感电阻在上音叉臂及下音叉臂上的位置重叠，并且在对应音叉臂上沿纵向对称布置。

优选的，所述碳化硅键合片上的通孔内设置有导电填充物，该导电填充物是通过烧结使位于该通孔内的导电浆料固化而形成的。

优选的，所述绝热层采用陶瓷纤维材料制成。

优选的，所述封装外壳采用氮化铝制成。

本发明的有益效果体现在：

本发明所述高温振动传感器将碳化硅芯片与碳化硅键合片相键合，同质键合能够保证良好的键合强度并且键合后具有良好的高温稳定性。同时，位于键合体内的悬臂梁和质量块共同组成振动信号感知结构，质量块在外界加速度作用下发生振动，在与质量块一侧表面相连的由多个梁体复合形成的悬臂梁上产生与质量块振动相对应的应力变化，该应力变化借助芯片电路转换为电信号，从而实现振动检测，其中，多个梁体复合使得单个梁体的厚度较悬臂梁整体而言有效减薄，在相同的加速度下，单个梁体受到的应力更大；而多个梁体复合又使得悬臂梁整体刚度提高。此外，碳化硅芯片的质量块与键合体内腔对应部分(例如，键合片)之间的空隙可供质量块受到加速度后产生位移运动，并在加速度过大导致质量块与键合体内腔接触时，阻止质量块进一步运动，从而防止悬臂梁表面应力过大而发生断裂或破坏。总之，本发明提出的高温振动传感器具有高灵敏度、高频响、抗过载特点，可实现在高温环境下振动信号的准确、及时测量。

进一步的，本发明中，利用所述敏感电阻将振动信号引起的应力转换成电阻值的变化，并通过敏感电阻等组成的电桥将电阻值变化转换成可输出的电压信号，可以更及时、准确的完成振动信号向电信号的转换，且不影响键合体的形成。

进一步的，本发明中，悬臂梁为音叉结构，使得所述高温振动传感器在保证高灵敏度的情况下也提高了其刚度，平衡了压阻式振动传感器对于高灵敏度和高频响的双重需求。

进一步的，本发明中，碳化硅芯片的两侧均键合有同种材料的键合片，并且碳化硅芯片通过键合片上的通孔和凸台与外部电路实现电气连接，从而使传感器芯片电路与外界隔绝并实现了无引线封装，不仅能够防止芯片电路发生短路，而且具有耐高温、耐腐蚀的特点，提高了传感器对恶劣环境的适应性、延长了传感器的使用寿命。

进一步的，本发明中，在键合体外面设置的绝热层采用陶瓷纤维材料，其可以紧紧包裹在键合体外面，起到隔热、耐腐蚀等作用；在陶瓷纤维绝热层的外面是氮化铝封装外壳，氮化铝与碳化硅(SiC)材料具有相近的密度、强度、热膨胀系数等物理特性，因此无需为内部的键合体和绝热层预留太多的热变形空间；以上两点使封装后的传感器具有体积更小、耐高温能力更强的优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高灵敏度、高频响、抗过载的碳化硅高温振动传感器的纵剖面结构示意图；

图2是本发明实施例提供的碳化硅芯片的正面的立体示意图；

图3是本发明实施例提供的碳化硅芯片的背面的立体示意图；

图4是本发明实施例提供的碳化硅芯片半剖的正面立体示意图(碳化硅芯片正面与背面结构完全相同)；

图5是本发明实施例提供的上键合片的正面的立体示意图；

图6是本发明实施例提供的上键合片的背面的立体示意图；

图7是本发明实施例提供的绝热层的正面立体透视图；

图8是本发明实施例提供的绝热层的背面立体透视图；

图9是本发明实施例提供的封装外壳上半部分和下半部分的立体示意图；

图10是本发明实施例提供的可伐引脚的立体示意图；

图11是压阻式碳化硅振动传感器采用的惠斯顿电桥电路原理示意图；

图中：1100-碳化硅芯片，1110-支撑片体，1120-悬臂梁，11201-上音叉臂，11202-下音叉臂，1121-敏感电阻，1122-金属电路线路，1123-金属焊盘，1124-中间通孔，1130-质量块，1200-键合片，1210-上键合片，1220-下键合片，1211-第一通孔，1212-第一凸台，1221-第二通孔，1222-第二凸台，1230-导电浆料，1300-绝热层，1310-第三通孔，1320-第四通孔，1400-封装外壳，14001-上半壳体，14002-下半壳体，1411-第五通孔，1421-第六通孔，1500-可伐引脚，R为电阻值，E为芯片电路的供电电压，U为芯片电路输出信号，向上或向下的箭头表示电阻值增大或减小。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。所述实施例仅用于解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。

图1示出了本发明实施例提供的高灵敏度、高频响、抗过载的碳化硅高温振动传感器的结构，该碳化硅高温振动传感器包括：碳化硅芯片1100、键合片1200、绝热层1300、封装外壳1400和可伐引脚1500。

应理解，图1为该高灵敏度、高频响、抗过载的碳化硅高温振动传感器结构的剖面示意图。所述碳化硅芯片1100包括支撑片体1110、悬臂梁1120以及质量块1130。其中，支撑片体1110环绕在悬臂梁1120以及质量块1130外侧，主要实现固定支撑(即固支)悬臂梁1120以及和键合片1200进行键合的功能；质量块1130为长方体结构，且其整体厚度和宽度要大于悬臂梁1120的厚度和宽度，从而使质量块的质量更大、更集中，在外界加速度作用下质量块能够带动悬臂梁1120产生线性运动。

如图2、图3和图4所示，所述悬臂梁1120可以采用类似双端固支的音叉结构，音叉结构可在保证悬臂梁1120的总刚度的基础上提高悬臂梁1120的灵敏度。具体地，所述悬臂梁1120包括悬臂梁上音叉臂11201、悬臂梁中间通孔1124和悬臂梁下音叉臂11202；悬臂梁上音叉臂11201远离悬臂梁中间通孔1124的一面称为悬臂梁1120的第一表面，悬臂梁上音叉臂11201靠近悬臂梁中间通孔1124的一面称为悬臂梁1120的第二表面，悬臂梁下音叉臂11202靠近悬臂梁中间通孔1124的一面称为悬臂梁1120的第三表面，悬臂梁下音叉臂11202远离悬臂梁中间通孔1124的一面称为悬臂梁1120的第四表面，其中，悬臂梁1120的第二表面和悬臂梁1120的第三表面直接相对。所述音叉结构的一端，即悬臂梁上音叉臂11201和下音叉臂11202，固定支撑在质量块1130的一侧表面上(形成所述中间通孔1124)，音叉结构中与上音叉臂11201和下音叉臂11202相连的一端固定支撑在支撑片体1110的内侧面上，即上音叉臂11201和下音叉臂11202通过悬臂梁末端的固定支撑体与支撑片体1110相连。

在悬臂梁1120上设置有由敏感电阻1121、金属电路线路1122构成的芯片电路；敏感电阻1121一共为4个，分布在悬臂梁1120的第一表面的两个敏感电阻1121位于悬臂梁1120的第一表面远离质量块1130的一端；分布在悬臂梁1120的第四表面的两个敏感电阻1121位于悬臂梁1120的第四表面远离质量块1130的一端。

所述悬臂梁末端的固定支撑体的上、下表面设置有金属焊盘1123，并且金属焊盘1123与悬臂梁对应表面上的金属电路线路1122相连，对应表面上的敏感电阻1121通过金属电路线路1122与金属焊盘1123相连。

所述第一表面的两个敏感电阻1121沿悬臂梁1120的第一表面纵向(即悬臂梁自质量块向其所连接的支撑片体延伸的方向)中轴线对称分布，并且该两个敏感电阻1121在悬臂梁1120的第四表面的投影与该第四表面上的两个敏感电阻1121完全重合，各敏感电阻1121的电阻值相同。从而使位于第一表面和第四表面的电阻受到的应力对称(质量块垂直运动时，第一表面两个电阻受到的应力大小相等、符号相同，第四表面两个电阻受到的应力大小相等、符号相同，并且第一表面和第四表面的应力符号相反；质量块水平摆动时，第一表面两个电阻受到的应力大小相等、符号相反，第四表面两个电阻受到的应力大小相等、符号相反，所有电阻的应力大小相等)，有利于提高传感器的线性度和抗交叉干扰能力。

需要说明的是，本发明中所采用的具有类似于双端固支的音叉结构的悬臂梁1120来支撑质量块1130，由于悬臂梁1120是由上音叉臂11201和下音叉臂11202共同组成，因此具有更高的刚度，从而提高了传感器的固有频率，使传感器具有更高的频率响应能力；悬臂梁中间通孔1124的存在会导致在相同加速度的情况下，敏感电阻1121位置处受到的应力值比没有悬臂梁中间通孔1124时更大，从而增加了敏感电阻的变化量，使传感器具有更高的灵敏度。

还需要说明的是，为清楚起见，图1所示的剖面示意图中只示出了芯片电路所依附的的悬臂梁1120，悬臂梁1120上设置的敏感电阻1121、金属电路线路1122和金属焊盘1123均未示出。

还需要说明的是，为清楚起见，图2、图3中只分别示出了悬臂梁1120的上音叉臂11201、下音叉臂11202，上、下音叉臂之间的悬臂梁中间通孔1124未示出。

应理解，图2中仅以碳化硅芯片1100外轮廓为长方体结构为例进行介绍，但本发明的实施例不限于此。

可选地，碳化硅芯片1100外轮廓还可以为圆柱体、六棱柱等常见结构，本发明的实施例对此不作限定。

应理解，图2中仅以质量块1130为长方体结构为例进行介绍，但本发明的实施例不限于此。

可选地，质量块1130还可以为圆柱体、六棱柱等常见结构，本发明的实施例对此不作限定。

应理解，图2中仅以悬臂梁1120末端的固定支撑体上下侧表面上分别设置有4个金属焊盘1123为例进行介绍，但本发明的实施例不限于此。

应理解，图1和图4中仅以悬臂梁1120为类似于双端固支的音叉结构为例进行介绍，但本发明的实施例不限于此。

可选地，所述悬臂梁1120还可以为双端固支的多根(>2)细粱组成的复合梁结构，本发明的实施例对此不作限定。

所述键合片1200的材料为碳化硅，包括上键合片1210和下键合片1220，两者结构和尺寸完全相同，因此，此处仅介绍上键合片1210的结构。

参见图4、图5和图6，所述上键合片1210包括键合片体及设置在键合片体上的第一凸台1212，第一凸台1212上具有第一通孔1211，第一通孔1211的数量为4个，并且第一通孔1211贯穿第一凸台1212和键合片体。

需要说明的是，下键合片1220具有与上键合片1210上第一通孔1211和第一凸台1212位置相对应的第二通孔1221和第二凸台1222。所述上键合片1210和碳化硅芯片1100的正面键合在一起，所述下键合片1220和碳化硅芯片1100的背面键合在一起，这三者键合后形成键合物。第一通孔1211、第一凸台1212、第二通孔1221和第二凸台1222主要用于实现碳化硅芯片1100与外部电路的无引线连接以及固定传感器芯片(碳化硅芯片)中悬臂梁1120末端的固定支撑体。

应理解的是，键合所需要的技术条件涉及温度、压力等，可以根据现有技术文献获得(键和工艺的现有技术文献有：张德远,赵一举,蒋永刚.面向超高温压力传感器的SiC-SiC键合方法[J].纳米技术与精密工程,2014,12(4):258-262；王心心,梁庭,贾平岗,etal.碳化硅直接键合机理及其力学性能研究[J].传感技术学报,2015,28(9):1282-1287.)，从而使同种材料的零件(即碳化硅芯片与键合片)键合成一个整体，即同质键合。

所述第一凸台1212与悬臂梁1120末端的固定支撑体的上表面键合在一起，键合后第一通孔1211与4个金属焊盘1123一一对应；上键合片1210的键合片体的其余部分与支撑片体1110对应表面也键合在一起。同样地，所述下键合片1220以相同的方式与碳化硅芯片1100的背面键合在一起，键合后第二通孔1221与另外4个金属焊盘1123一一对应。

通过键合，所述第一通孔1211和第二通孔1221与对应键合片接触的一端被封闭，从而使第一通孔1211和第二通孔1221中可填充导电浆料1230。上、下键合片1210、1220和碳化硅芯片1100的外轮廓尺寸相同；第一、二凸台1212、1222的长宽尺寸要保证键合后与悬臂梁1120的固定支撑体的长宽尺寸相同(使得键合体的四个侧面键合后尺寸一致、表面平滑)，第一、二凸台1212、1222的厚度要保证键合后与悬臂梁1120末端的固定支撑体的对应表面正好接触并能够键合在一起。

应理解，图5中仅以上键合片1210为长方体结构为例进行介绍，但本发明的实施例不限于此。

可选地，上键合片1210及下键合片1220还可以为圆柱体、六棱柱等常见结构，本发明的实施例对此不作限定。

应理解，图5中仅以第一凸台1212为长方体结构为例进行介绍，但本发明的实施例不限于此。

可选地，第一凸台1212及第二凸台1222还可以为圆柱体、六棱柱等常见结构，本发明的实施例对此不作限定。

应理解，本发明的实施例仅以第一、二凸台上设置有4个通孔为例进行介绍，但本发明的实施例不限于此。

需要说明的是，上键合片1210与下键合片1220之间的间隙的高度大于质量块1130的厚度，质量块1130及所述第一、第四表面与上键合片1210以及下键合片1220之间都存在空隙，而且支撑片体1110与质量块1130及悬臂梁1120的侧面之间也存在空隙，该空隙可供质量块受到加速度后产生位移运动；当加速度过大导致质量块1130与键合片1200或者支撑片体1110接触时，可以阻止质量块1130进一步运动，防止悬臂梁1120表面应力过大而发生断裂或破坏，起到抗过载的作用。

所述绝热层1300采用陶瓷纤维材料，紧紧包裹在所述键合物的外面，起到隔热、耐腐蚀等作用。绝热层1300的形状、尺寸以能够完全包裹上述键合物为准。绝热层1300上设置有第三通孔1310和第四通孔1320，且第三通孔1310与第一通孔1211一一对应，第四通孔1320与第二通孔1221一一对应。

应理解，图7、图8中仅以绝热层1300围成长方体形壳体结构为例进行介绍，但本发明的实施例不限于此。

可选地，绝热层1300根据所述键合物外形的不同，相应地为其他形状，例如圆柱形壳体等常见结构，本发明的实施例对此不作限定。

应理解，图7、图8中仅以绝热层1300上第三通孔1310设置为4个为例进行介绍，但本发明的实施例不限于此。

应理解，图7、图8中仅以绝热层1300上第四通孔1320设置为4个为例进行介绍，但本发明的实施例不限于此。

参见图9，所述封装外壳1400采用氮化铝材料，紧紧包裹在绝热层1300的外面，隔绝外界水汽、粉尘以及其他腐蚀性物质进入到绝热层1300甚至所述键合物里面，起到防腐蚀、防外界破坏(例如高温、振动)、维持传感器形状的作用。封装外壳1400包括完全对称的两部分，即上半壳体14001和下半壳体14002两个尺寸形状完全相同、安装位置相互对称的部分。上半壳体14001上设置有第五通孔1411，下半壳体14002上设置有第六通孔1421，且第五通孔1411的位置与第三通孔1310的位置一一对应，第六通孔1421的位置与第四通孔1320的位置一一对应。

应理解的是，上半壳体14001和下半壳体14002通过耐高温玻璃胶烧结在一起，共同组成封装外壳1400。

可选地，耐高温玻璃胶可以采用以氧化铅-氧化锌-氧化硼(PbO-ZnO-B₂O₃)体系为主的玻璃浆料配方，由氧化铅-氧化锌-氧化硼与选自钛酸铅、堇青石、锂霞石、锂辉石、石英玻璃中的任意一种或多种物质先制成玻璃坯料，然后经烧结而形成复合型封接玻璃，其中，玻璃浆料以质量分数计各组分含量分别为：

①PbO：73～77％

②B₂O₃：7～13％

③ZnO：5～13％

④PbTiO₃、堇青石、锂霞石、锂辉石和石英玻璃：0～7.5％。

通过调节玻璃热膨胀系数，使得封装材料之间的热膨胀系数近似，在高温环境中各封装材料之间热应力实现平稳过渡，具有良好的高温稳定性(不低于600℃)。

可选地，在制作的夹具中将玻璃料(例如以质量分数计：PbO：75％％，B₂O₃：12.5％，ZnO：5％，及石英玻璃：7.5％。)预烧，在100℃～150℃挥发掉溶剂，在300℃左右时挥发掉有机结合剂，在420℃～450℃时玻璃熔化，制成玻璃胚料，然后将玻璃胚料装入所述上半壳体14001和下半壳体14002之间，装配固定好后进行烧结。

应理解，以上仅以氧化铅-氧化锌-氧化硼体系玻璃浆料为例对耐高温玻璃胶的配方进行了说明，但本发明的实施例不限于此，也可以使用其他耐高温胶。

应理解，图9中仅以封装外壳1400为中空结构的方形壳体为例进行介绍，但本发明的实施例不限于此。

可选地，封装外壳1400还可以为圆形壳体等常见结构，本发明的实施例对此不作限定。

应理解，图9中仅以上半壳体14001上的第五通孔1411为4个为例进行介绍，但本发明的实施例不限于此。

应理解，图9中仅以下半壳体14002上的第六通孔1421为4个为例进行介绍，但本发明的实施例不限于此。

需要说明的是，为了减小温度变化引起的热应力，封装外壳1400的材料选择氮化铝(AlN)，AlN材料性能与SiC材料匹配，即AlN的热导率较高，热膨胀系数与SiC相当。并且，AlN具有很好的抗热冲击性能和热稳定性，机械强度也很好，是用来封装SiC器件非常理想的材料。

所述可伐引脚1500依次穿过封装外壳1400、绝热层1300、键合片1200上的各个通孔并插入第一通孔1211及第二通孔1221中的导电浆料1230中，从而实现与碳化硅芯片1100上的金属焊盘1123的无引线连接。例如，四根可伐引脚1500分别沿对应的第五通孔1411、第三通孔1310、第一通孔1211，插入对应的第一通孔1211中所填充的导电浆料1230中，然后经过烧结，实现可伐引脚1500与碳化硅芯片1100的悬臂梁1120末端固定支撑体上表面的4个金属焊盘1123的稳固连接。

应理解，图10中仅以可伐引脚1500为四棱柱结构为例进行介绍，但本发明的实施例不限于此。

可选地，可伐引脚1500还可以为圆柱体等常见结构，本发明的实施例对此不作限定。

需要说明是，导电浆料一般由银、玻璃、有机结合剂和溶剂等成份组成。由于工艺的不完美性，实际烧结后，依然会存在一定热应力。为了提高热稳定性，可以使用纳米银浆料。耐高温玻璃胶的烧结过程使导电浆料1230也同时固化。

可选地，具体烧结程序如下：从室温以2℃/分钟升温至270℃，保持25分钟；然后在135分钟内均匀升高温度至550℃，保持5分钟；然后在10分钟内均匀降低温度至540℃，保持20分钟；然后在20分钟内由540℃降低至495℃，保持20分钟；然后在20分钟内由495℃降低至455℃，保持20分钟；然后按照2℃/分钟的速度降低至室温。以上烧结程序实现烧结质量无空洞、无裂纹，提高了烧结强度，达到欧姆级接触的电气连接要求。

需要说明是，第一通孔1211及第二通孔1221内所填充的导电浆料1230，使芯片电路中的金属焊盘1123能够与可伐引脚1500保持良好接触，经过烧结后，导电浆料1230由流动态转变为固定态，由于导电浆料1230具有一定的耐高温性质，可以使得金属焊盘1123与可伐引脚1500在使用中，面对高温以及振动等环境，依然保持良好接触。

需要说明的是，所述第一表面和第四表面的电路是相互独立的，它们通过可伐引脚1500引出到传感器封装外壳外面以后再通过外部电路连接成惠斯顿电桥(图11)，可以采用电压或者电流两种激励方式。以电压激励为例，参见图11，在受到外界电压(E)激励时，电桥结构中敏感电阻的电阻值随悬臂梁1120在应力作用下变形而发生变化，导致电桥结构输出与压力对应的电压信号(U)。

本发明的特点如下：

1、高灵敏度和高频响

整体上看，本发明中传感器的弹性变形元件是由单根梁体组成的复合梁结构，每一根梁体都比较薄，因此在相同的外界加速度影响下，质量块的运动变形会导致在单根梁体上产生的应力更大，导致电路的输出更大，也就是传感器的灵敏度更大；

进一步地，在保证了高灵敏度的同时，本发明中采用两根(例如音叉结构)甚至更多根梁体共同组成悬臂梁结构，因此该悬臂梁具有较高的刚度，与质量块组成运动系统以后具有更高的固有频率和响应频率。

2、抗过载

本发明中传感器芯片与上、下键合片键合后，质量块的上、下表面与上、下键合片之间留有可供质量块上、下运动的空隙，当传感器受到超过传感器测量范围的纵向(垂直于质量块上表面的方向)加速度作用时，质量块的运动幅度超过上述预留的空隙并与键合片接触，即使纵向加速度再增加也不会引起质量块和悬臂梁发生更大幅度的运动和变形，从而保证传感器芯片不会因为纵向加速度超过量程被破坏，具有抗过载的能力。此外，传感器芯片中的质量块、悬臂梁与支撑片体之间也预留有运动空隙，当传感器受到超过传感器测量范围的横向(平行于质量块上表面的方向)加速度作用时，质量块的运动幅度超过上述预留的空隙并与支撑片体的内壁接触，即使横向外界加速度再增加也不会引起质量块和悬臂梁发生更大幅度的运动和变形，从而保证传感器芯片不会因为横向加速度超过量程被破坏，具有抗过载的能力。

3、耐高温

首先本发明的传感器芯片与键合片材料均为碳化硅，碳化硅本身是一种宽禁带半导体材料，具有良好的压阻效应和耐高温特点；

其次，碳化硅芯片与键合片采用同质键合的技术形成键合体，由于传感器芯片与键合片在高温环境下热膨胀系数相同，不会导致热应力失配，因此键合体具有耐高温的特点；

再次，传感器芯片电路与可伐引脚采用无引线封装技术，能够保证传感器在高温环境中信号电路依然可靠连接，具有耐高温的特点；

最后，传感器键合体被包裹在具有绝热功能的陶瓷纤维中，能够有效抵抗外界高温向传感器键合体的传递，进一步提高了传感器的使用温度范围(例如，键合体可以耐温600℃，但由于绝热层的作用，该传感器可以放在800℃环境中使用而保证键合体温度不超过600℃)；并且，传感器的封装外壳材料为氮化铝，氮化铝具有耐腐蚀、耐高温的特点，氮化铝与碳化硅材料具有相近的热膨胀系数，能够有效降低热膨胀效应对传感器键合体的不利影响，从而提高传感器的高温耐受性。

Claims (5)

1.一种碳化硅高温振动传感器，其特征在于：包括碳化硅芯片(1100)、绝热层(1300)、封装外壳(1400)以及可伐引脚(1500)；

所述碳化硅芯片(1100)包括支撑片体(1110)、悬臂梁(1120)以及质量块(1130)；

所述支撑片体(1110)与设置在该支撑片体(1110)两侧的碳化硅键合片(1200)以键合方式形成内部具有空腔的键合体；

所述质量块(1130)及悬臂梁(1120)设置在所述键合体的空腔内，并与所述空腔的内壁留有空隙；

所述悬臂梁(1120)包括多个并行排列的梁体，并且各个梁体的一端与质量块(1130)的一侧表面相连，另一端与所述空腔的内壁相连，悬臂梁(1120)的若干个梁体上设置有用于感知应变的芯片电路；

所述绝热层(1300)设置在所述键合体上，所述封装外壳(1400)设置在绝热层(1300)上；

所述可伐引脚(1500)沿设置在封装外壳(1400)、绝热层(1300)及碳化硅键合片(1200)上的通孔伸入所述碳化硅芯片(1100)及两侧的碳化硅键合片(1200)三者键合后形成的键合物内，并与所述芯片电路相连；

所述悬臂梁(1120)采用音叉结构，所述音叉结构包括上音叉臂(11201)、下音叉臂(11202)以及设置在支撑片体(1110)内侧面上的与上音叉臂(11201)及下音叉臂(11202)相连的固定支撑体，上音叉臂(11201)、下音叉臂(11202)分别与质量块(1130)相连；

所述碳化硅键合片(1200)包括键合片体及设置在键合片体上的凸台，所述凸台与所述固定支撑体相键合，碳化硅键合片(1200)上的通孔设置在该凸台上并贯穿键合片体；

所述芯片电路包括设置在上音叉臂(11201)或下音叉臂(11202)上的用于构成电桥电路结构的敏感电阻(1121)和金属电路线路(1122)，以及与金属电路线路(1122)相连的固定于所述固定支撑体上的金属焊盘(1123)，金属焊盘(1123)与所述碳化硅键合片(1200)上的通孔位置对应，可伐引脚(1500)通过金属焊盘(1123)与芯片电路相连；

所述敏感电阻(1121)在上音叉臂(11201)及下音叉臂(11202)上的位置重叠。

2.根据权利要求1所述一种碳化硅高温振动传感器，其特征在于：所述敏感电阻(1121)在上音叉臂(11201)及下音叉臂(11202)上沿纵向对称布置。

3.根据权利要求1所述一种碳化硅高温振动传感器，其特征在于：所述碳化硅键合片(1200)上的通孔内设置有导电填充物，该导电填充物是通过烧结使位于该通孔内的导电浆料固化而形成的。

4.根据权利要求1所述一种碳化硅高温振动传感器，其特征在于：所述绝热层(1300)采用陶瓷纤维材料制成。

5.根据权利要求1所述一种碳化硅高温振动传感器，其特征在于：所述封装外壳(1400)采用氮化铝制成。

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