CN115060410A - 一种液力平滑的微压平膜压力传感阵列及制备工艺 - Google Patents

一种液力平滑的微压平膜压力传感阵列及制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量超薄液膜壁面压力的平膜式压力传感器及制备工艺。传感阵列嵌入在被测壁面内，传感阵列包括多个传感单元，每个传感单元中，被测壁面内部开设有阶梯状油腔，在被测壁面背面开设充油孔，充油孔和阶梯状油腔侧旁连通；PVDF膜安装孔位处固定嵌装PVDF膜片与被测壁面齐平，压力传感芯片安装孔位处固定布置MEMS压力传感芯片；在真空条件下，在粘贴了MEMS压力芯片和PVDF膜片后进行真空注液工艺。本发明结构对原流场的干扰最小化，规避引压孔结构引起的测量误差，实现5mm的空间阵列排布，提升传感器的动态响应性能，结构紧凑，能在1kPa的量程内达到千分之二的测量精度。

Description

一种液力平滑的微压平膜压力传感阵列及制备工艺
技术领域
本发明涉及一种平膜式压力传感器和制备方法，尤其涉及实现5mm分布间隔的小于1kPa的测量超薄液膜微压流场壁面压力的测量装置和制备方法。
背景技术
平膜式压力传感器常用来测量壁面压力。在壁面开凿引压孔是测量壁面压力的常见方法，但是在测量超薄流体液膜对壁面的微小压力时，引压孔处形状的突变会引起流线的变形，对当地流场造成扰动。对缝隙流场而言，壁面压力通常小于1kPa，引压孔引起的误差不能被忽略。平膜结构的压力传感器成为首选。
目前，公知的平膜式压力传感器通常由金属压环、波纹膜、硅油、MEMS敏感元件、不锈钢外壳及电缆组成，具有稳定性高线性度好的优点。平膜的结构意在规避引压孔结构对流场的干扰，但金属压环、波纹膜和外壳由激光点焊在一起，金属压环使得平膜结构并不与壁面齐平。而金属外壳封装使得传感器本身的直径为十几毫米，在进行传感阵列排布时难以满足更小的空间分辨率要求。在应用于壁面压力测量时，金属压环和波纹薄膜形成的凹坑将干扰当地的流场，特别是流场压力很小的情况下将带来较大的测量误差。当排布成传感阵列进行多点测量时，后续的信号处理需要用电缆传递至远处进行放大，当传感器路数较多时调理电路体积也会比较庞大。因此针对平膜式压力传感器对1kPa以下的壁面压力进行高精度的多点测量仍是一个难题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的平膜式压力传感器封装体积大、不能实现液力平滑测量的不足，提供一种1kPa以下微小量程的平膜式压力传感器，该传感器不仅对原流场的干扰小，而且能在被测平面以5mm的间隔进行阵列，提高空间分辨率，调理放大电路就近进行压力信号处理。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一、一种液力平滑的微压平膜压力传感阵列：
传感阵列嵌入在被测壁面内，传感阵列包括阵列布置的多个感压膜，每个感压膜嵌入被测壁面内安装，且感压膜与被测壁面齐平。
所述的传感阵列具体包括多个阵列布置的传感单元，每个传感单元包括了MEMS压力传感芯片、PVDF膜片以及开设在被测壁面内部的孔、腔，在被测壁面正面开设PVDF膜安装孔位，在被测壁面背面开设压力传感芯片安装孔位，PVDF膜安装孔位和压力传感芯片安装孔位之间的被测壁面内部开设有阶梯状油腔，阶梯状油腔直接和PVDF膜安装孔位连通，PVDF膜安装孔位经被测壁面内部开设的阶梯状油腔小孔和压力传感芯片安装孔位连通；在被测壁面背面开设充油孔，充油孔和阶梯状油腔侧旁连通；
PVDF膜安装孔位处固定嵌装PVDF膜片作为感压膜，压力传感芯片安装孔位处固定布置MEMS压力传感芯片。
所述的阶梯状油腔内充满硅油，硅油从充油孔通入，充油孔的孔端口处布置通过UV胶密封安装硅胶小球。
所述的充油孔的孔端口加工为充油孔楔状倒角。
包括多个传感单元，多个传感单元以5mm间隔阵列排布在被测壁面。
还包括设置了调理电路，调理电路包括电压稳压器、仪表放大器、供电芯片；MEMS压力传感芯片的两端分别和仪表放大器的两相输入端连接，仪表放大器的输出端输出电压信号，供电芯片分别连接到MEMS压力传感芯片和仪表放大器的供电端。
所述的MEMS压力传感芯片通过金线键合与调理电路相连。
二、微压平膜压力传感阵列的制备方法：
在被测壁面正面开设PVDF膜安装孔位，在被测壁面背面开设压力传感芯片安装孔位，将PVDF膜片粘在PVDF膜安装孔位底部，将MEMS压力传感芯片嵌装固定于压力传感芯片安装孔位，形成传感单元；
再将传感单元置于真空箱内，真空箱内抽真空后，将传感单元浸入真空箱内的硅油池中，使得阶梯状油腔完整浸没于硅油池的硅油；
用大于充油孔直径的硅胶小球放在充油孔孔端口的充油孔楔状倒角处，点UV胶后用UV光源进行紫外线照射固化密封。
本发明包含感压结构和调理电路。传感器嵌入被测壁面，其端面与壁面齐平，可以实现液力平滑的传感器安装，对原流场的干扰最小化，规避引压孔结构引起的测量误差。创新油腔结构使得传感器可以实现5mm的空间排布。
本发明以充油工艺将油腔充满性能稳定的硅油，可以提升传感器的动态响应性能。压力信号经由平膜、硅油传递到MEMS硅压阻式芯片，直接由安装在壁后的调理电路进行放大滤波，整个测压系统动态响应优良，结构紧凑。
本发明的有益效果是：本发明能最大可能不干扰原流场的情况下对壁面压力进行测量，能以5mm的间隔进行排布，传感器直接嵌入在被测壁面中，壁后即是调理电路，结构紧凑，可灵活适用于壁面多点压力测量，能在1kPa的量程内达到千分之二的测量精度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
图1是本发明的传感阵列示意图；
图2是本发明的油腔结构示意图；
图3是MEMS压力传感芯片和PVDF安装在油腔的位置示意图；
图4是本发明的充油工艺示意图；
图5是传感器调理电路的电路原理图。
图中，被测壁面1，MEMS压力传感芯片2，PVDF膜片3，硅油池4，真空箱5，硅胶小球6，UV胶7，UV光源8，压力传感芯片安装孔位9，阶梯状油腔小孔10，充油孔楔状倒角11，充油孔12，阶梯状油腔13，PVDF膜安装孔位14，硅油15。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
具体实施的传感阵列是被嵌入在被测壁面内，传感阵列包括阵列布置的多个感压膜，每个感压膜嵌入被测壁面内安装，且感压膜与被测壁面齐平。
传感阵列具体包括多个阵列布置的传感单元，如图2和图3所示，每个传感单元包括了MEMS压力传感芯片、PVDF膜片以及开设在被测壁面内部的孔、腔，在被测壁面正面开设PVDF膜安装孔位，在被测壁面背面开设压力传感芯片安装孔位，PVDF膜安装孔位和压力传感芯片安装孔位同轴线布置，PVDF膜安装孔位和压力传感芯片安装孔位之间的被测壁面内部开设有阶梯状油腔，阶梯状油腔直接和PVDF膜安装孔位连通，PVDF膜安装孔位经被测壁面内部开设的阶梯状油腔小孔和压力传感芯片安装孔位连通；在被测壁面背面开设充油孔，充油孔和阶梯状油腔侧旁连通；
PVDF膜安装孔位处固定嵌装PVDF膜片作为感压膜，压力传感芯片安装孔位处固定布置MEMS压力传感芯片。
阶梯状油腔内充满硅油，硅油从充油孔通入，充油孔的孔端口处布置通过UV胶密封安装硅胶小球。
这样，阶梯状油腔的主体是一个由倾斜充油孔贯穿的阶梯状油腔，阶梯状油腔的小径部分末端设置压力传感芯片安装孔位粘贴压力传感芯片，直径为1mm，阶梯状油腔的大径直径为4mm，孔的深度视壁面厚度而定。
充油孔外端面高出压力传感芯片安装孔位底面一个MEMS压力传感芯片背腔的高度，能够提升工作性能。
充油孔的孔端口加工为充油孔楔状倒角，充油孔的孔端口处设置为楔状倒角以方便放置硅胶小球隔开硅油和有机密封胶，实现稳定的长期密封。
与现有的平膜式压力传感器相比，本发明无需用压环焊接不锈钢波纹膜，即可以实现膜片与壁面的齐平安装。
膜片为40微米的PVDF膜片，PVDF膜片的直径比阶梯状油腔的直径大1毫米，阶梯状油腔底部加工膜片大小相等的PVDF膜安装孔位，PVDF膜片由环氧树脂粘在PVDF膜安装孔位底部。
如图1所示，包括多个传感单元，多个传感单元以5mm间隔阵列排布在被测壁面。
由此，本发明可以实现液力平滑的压力测量，小巧的油腔结构实现5mm间隔的排布阵列，调理电路在被测壁面的壁后直接对压力信号进行放大滤波，无需由电缆传输。
本发明去掉了封装，直接和被测壁面结合在一起，解决了平膜式微压力传感系统体积大、量程大的技术问题。
如图5所示，具体实施将MEMS压力传感芯片等效为惠斯通电桥。还包括设置了调理电路，调理电路包括为惠斯通电桥供电的电压稳压器LM317、仪表放大器AD620、为片上芯片供电的两个供电芯片LM317和ICL7660，以及还有滤波、调零、调满量程的部分；MEMS压力传感芯片的两端分别和仪表放大器AD620的两相输入端连接，仪表放大器AD620的输出端输出电压信号，供电芯片LM317和ICL7660分别连接到MEMS压力传感芯片和仪表放大器AD620的供电端。
MEMS压力传感芯片通过金线键合与调理电路相连。
调理电路输入电压为24V，由LM317芯片转换为5V输出为MEMS压力传感芯片供电，由LM317芯片和ICL7660转换为±8V输出为仪表放大器AD620供电，仪表放大器直接放大金线键合过来的压力信号，在AD620的2号和8号端口连接一个变阻器，调节放大倍数即调节满量程输出。将MEMS芯片的S-输出脚连接至调零电路，改变S-的电位以调节零位。
调理电路直接安装在被测壁面的壁后空间，每增加一路仅需再增加一个仪表放大器即可，方便对阵列布置的传感器点阵进行信号调理。
压力施加到PVDF膜上，由PVDF膜感受压力经硅油传递到硅压阻式的MEMS压力传感芯片上，MEMS压力传感芯片输出电信号经调理电路解析识别获得检测结果。
如图4所示，在制备过程中还设置硅油池4、真空箱5和UV光源8，对于传感单元和硅油池4均置于真空箱5内，硅油通过真空注液密封方式注入到阶梯状油腔中，UV光源8照射到传感单元的硅胶小球处将UV胶固化。
本发明的具体实施制备过程如下：
在被测壁面正面开设PVDF膜安装孔位，在被测壁面背面开设压力传感芯片安装孔位，将PVDF膜片粘在PVDF膜安装孔位底部，将MEMS压力传感芯片嵌装固定于压力传感芯片安装孔位，形成传感单元；
本发明的充油密封是在真空条件下实施的，在粘贴了MEMS压力芯片和PVDF膜片后，将进行真空注液工艺。再将传感单元置于真空箱内，真空箱内抽真空后，将传感单元浸入真空箱内的硅油池中，使得阶梯状油腔完整浸没于硅油池的硅油，保证阶梯状油腔中没有气泡，完全充满硅油；
具体实施在阶梯状油腔的底部有一个5mm直径、40微米深的台阶用于粘贴PVDF膜，在该台阶上涂敷一薄层均匀的AB胶即将PVDF膜片固定在与壁面齐平的位置，与引压孔或金属压环结构相比，可以达到很高的平整度。
用大于充油孔直径的硅胶小球放在充油孔孔端口的充油孔楔状倒角处，点UV胶后用UV光源进行紫外线照射固化密封。
有直径为1mm倾斜的充油孔与油腔连通，该充油孔的顶端应与MEMS压力传感器芯片等高，因油腔与充油孔底部连通，登高的硅油液可以使得静止时没有附加的硅油液柱静压力。充油孔口有倒角呈喇叭状，方便之后将略大于充油孔直径的硅胶小球放入喇叭状的充油孔口处，点上UV胶放置于UV光下进行固化。
本发明通过真空注液密封方式制备，用硅胶小球隔离硅油和有机密封胶，这样制备能保证阶梯状油腔内完全充满硅油，没有气泡，并且具有长期的稳定性。
MEMES压力传感器芯片在1kPa的量程里内可以达到2Pa的精度，该传感器可以达到很高的精度。

Claims (8)

1.一种液力平滑的微压平膜压力传感阵列，其特征是：传感阵列嵌入在被测壁面(1)内，传感阵列包括阵列布置的多个感压膜，每个感压膜嵌入被测壁面(1)内安装，且感压膜与被测壁面(1)齐平。
2.根据权利要求1所述的一种液力平滑的微压平膜压力传感阵列，其特征是：所述的传感阵列具体包括多个阵列布置的传感单元，每个传感单元包括了MEMS压力传感芯片(2)、PVDF膜片(3)以及开设在被测壁面(1)内部的孔、腔，在被测壁面(1)正面开设PVDF膜安装孔位(14)，在被测壁面(1)背面开设压力传感芯片安装孔位(9)，PVDF膜安装孔位(14)和压力传感芯片安装孔位(9)之间的被测壁面(1)内部开设有阶梯状油腔(13)，阶梯状油腔(13)直接和PVDF膜安装孔位(14)连通，PVDF膜安装孔位(14)经被测壁面(1)内部开设的阶梯状油腔小孔(10)和压力传感芯片安装孔位(9)连通；在被测壁面(1)背面开设充油孔(12)，充油孔(12)和阶梯状油腔(13)侧旁连通；PVDF膜安装孔位(14)处固定嵌装PVDF膜片(3)作为感压膜，压力传感芯片安装孔位(9)处固定布置MEMS压力传感芯片(2)。
3.根据权利要求1所述的一种液力平滑的微压平膜压力传感阵列，其特征是：所述的阶梯状油腔(13)内充满硅油(15)，硅油(15)从充油孔(12)通入，充油孔(12)的孔端口处布置通过UV胶(7)密封安装硅胶小球(6)。
4.根据权利要求1所述的一种液力平滑的微压平膜压力传感阵列，其特征是：所述的充油孔(12)的孔端口加工为充油孔楔状倒角(11)。
5.根据权利要求1所述的一种液力平滑的微压平膜压力传感阵列，其特征是：包括多个传感单元，多个传感单元以5mm间隔阵列排布在被测壁面(1)。
6.根据权利要求1所述的一种液力平滑的微压平膜压力传感阵列，其特征是：还包括设置了调理电路，调理电路包括电压稳压器、仪表放大器、供电芯片；MEMS压力传感芯片(2)的两端分别和仪表放大器的两相输入端连接，仪表放大器的输出端输出电压信号，供电芯片分别连接到MEMS压力传感芯片(2)和仪表放大器的供电端。
7.根据权利要求6所述的一种液力平滑的微压平膜压力传感阵列，其特征是：所述的MEMS压力传感芯片(2)通过金线键合与调理电路相连。
8.应用于权利要求1-7任一所述微压平膜压力传感阵列的制备方法，其特征是：在被测壁面(1)正面开设PVDF膜安装孔位(14)，在被测壁面(1)背面开设压力传感芯片安装孔位(9)，将PVDF膜片(3)粘在PVDF膜安装孔位(14)底部，将MEMS压力传感芯片(2)嵌装固定于压力传感芯片安装孔位(9)，形成传感单元；再将传感单元置于真空箱(5)内，真空箱(5)内抽真空后，将传感单元浸入真空箱(5)内的硅油池(4)中，使得阶梯状油腔(13)完整浸没于硅油池(4)的硅油；然后用大于充油孔(12)直径的硅胶小球(6)放在充油孔(12)孔端口的充油孔楔状倒角(11)处，点UV胶(7)后用UV光源(8)进行紫外线照射固化密封。
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