CN116380330A - 一种用于高温的无液体压阻式碳化硅压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高温的无液体压阻式碳化硅压力传感器，包括陶瓷推杆、SIC芯片和陶瓷支架；陶瓷推杆与钢膜连接，陶瓷推杆的尖端放置于SIC芯片上，且陶瓷推杆的尖端与SIC芯片上的碳化硅膜接触；SIC芯片放置在陶瓷支架中，陶瓷支架的底部与支撑圆柱相连；SIC芯片包括第一晶片和第二晶片；第一晶片和第二晶片之间键合相连；第一晶片的中心设有中心凸台，第二晶片底部开设有凹槽。本发明能够在高达400℃以上的温度下测量压力，解决了充油式压力传感器无法用于高温、膜片破裂造成液体对产品污染、灌装技术复杂等缺点，提高了传感器的测量温度阈值。
Description
技术领域
本发明属于半导体的技术领域，具体涉及一种用于高温的无液体压阻式碳化硅压力传感器。
背景技术
高温压力传感器广泛应用于深空探测、航空航天、大飞机和涡轮式发动机等许多重大工程和民用工程。目前硅基压力传感器应用较多，但是由于在超过400℃环境下传统硅材料发生塑性变形限制了其进一步高温应用。近些年，基于新材料、新结构高温压力传感器成为新的研究方向。碳化硅（SiC）是第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有宽禁带、高热导率、高击穿场强和优良的机械性能，在高温、高频、大功率和恶劣环境有着重要的应用。
目前，硅压阻式压力传感器大多数采用充油介质来隔离被测压力与敏感结构，所用充油介质并不能应用于-55℃~250℃全温环境下，使得全温环境下产品的灵敏度与线性度不满足要求，并且用于介质分离的钢膜容易破裂造成耦合介质对产品污染。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种用于高温的无液体压阻式碳化硅压力传感器，以解决现有充油以汞或油作为耦合介质的碳化硅谐振压力传感器存在无法用于高温测量的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种用于高温的无液体压阻式碳化硅压力传感器，其包括陶瓷推杆、SIC芯片和陶瓷支架；陶瓷推杆与钢膜连接，陶瓷推杆的尖端放置于SIC芯片上，且陶瓷推杆的尖端与SIC芯片上的碳化硅膜接触；SIC芯片放置在陶瓷支架中，陶瓷支架的底部与支撑圆柱相连。
进一步地，还包括圆筒，圆筒用于封装SIC芯片。
进一步地，SIC芯片包括第一晶片和第二晶片；第一晶片位于第二晶片上方，且第一晶片和第二晶片之间键合相连；陶瓷推杆的尖端与第一晶片上的碳化硅膜接触。
进一步地，第一晶片的中心设有中心凸台，第二晶片底部开设有凹槽，凹槽为SIC芯片的中心凸台的质量块位移提供空间，且该质量块位移至与凹槽接触时停止。
进一步地，凹槽的中心开设有平衡压力的排气孔。
进一步地，陶瓷支架与SIC芯片热膨胀系数匹配；SIC芯片放置于预热后的陶瓷支架的安装槽中，并与冷却后的陶瓷支架软连接。
进一步地，SIC芯片的尺寸与安装槽的尺寸相同。
进一步地，陶瓷推杆与钢膜钎焊连接。
进一步地，陶瓷支架与支撑圆柱钎焊连接。
本发明提供的用于高温的无液体压阻式碳化硅压力传感器，具有以下有益效果：
本发明通过陶瓷推杆将负载传递给SIC芯片，实现了高温下压力的测量， SIC芯片与陶瓷支架之间采用软连接的封装方式，消除了封装应力，提高了温度迟滞特性，提高了传感器的抗过载能力；中心凸台与凹槽接触时自行停止，第二晶片起到过压安全的功能，实现了无液式高温测量的有益效果。
本发明的无液体压阻式高温压力传感器，不再需要昂贵且复杂的填充技术来实现压力的传递，本发明可将高温下SIC传感器的元器件中的机械应力保持在硅断裂应力以下，以在高温下实现最佳的传感器性能，达到高温测量的用途。
附图说明
图1为本发明结构图。
图2为本发明SIC芯片结构图。
图3为本发明SIC芯片与陶瓷支架的软连接图。
图4为SIC芯片与陶瓷支架封装流程图。
其中，1、陶瓷推杆；2、钢膜；3、SIC芯片；4、陶瓷支架；5、圆筒；6、支撑圆柱；7、中心凸台；8、凹槽；9、排气孔。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
本实施提供一种用于高温的无液体压阻式碳化硅压力传感器，该传感器能够在高达400℃以上（恒定负载）的温度下测量压力，减少以汞或油作为耦合介质的碳化硅谐振压力传感器无法用于高温测量、耦合介质泄漏对产品污染等缺点，参考图1，其具体包括：
陶瓷推杆1、钢膜2、SIC芯片3、陶瓷支架4、圆筒5和支撑圆柱6。
具体的，陶瓷推杆1通过钎焊与钢膜2连接，陶瓷推杆1尖端放置于SIC芯片3之上，SIC芯片3放置在陶瓷支架4中，陶瓷支架4钎焊在支撑圆柱6上，圆筒5用于整体SIC芯片3封装，在整个工作温度范围内，陶瓷推杆尖端和SIC芯片3上的碳化硅膜之间接触相连。
参考图1和图2，本实施例的SIC芯片3包括第一晶片和第二晶片；第一晶片位于第二晶片上方，且第一晶片和第二晶片之间键合相连，陶瓷推杆的尖端与第一晶片上的碳化硅膜接触。
作为本实施例的优选，第一晶片背面采用反应离子深刻蚀DRIE方法，以产生具有中心凸台7的碳化硅膜；第二晶片采用反应离子深刻蚀DRIE方法和KOH刻蚀方法相结合，刻蚀得到凹槽8，排气孔9，以便中心凸台7移动。
即本实施例在第一晶片中心设有中心凸台7，第二晶片底部开设有凹槽8及排气孔9；凹槽8为SIC芯片3的中心凸台7的质量块位移提供空间，排气孔9用于压力平衡。
在具体作业时，当受到外界大载荷时，SIC芯片3向下移动，凹槽8为中心凸台7的质量块位移提供空间，中心凸台7与底部凹槽8接触时自行停止，第二晶片可用作过压安全功能，SIC芯片3整体为碳化硅材料，确保了晶片之间热膨胀系数匹配。
参考图3，SIC芯片3放置于经烧结后得到的陶瓷支架4顶端，具体为，SIC芯片3放置于陶瓷支架4的安装槽中，陶瓷支架4与碳化硅热膨胀系数匹配，在整个作业温度范围内，陶瓷推杆1尖端与碳化硅膜之间保持接触，确保SIC芯片3与陶瓷支架4之间的软连接。
参考图3和图4，在装配过程中，将陶瓷支架4提前进行加热使得陶瓷支架4凹槽变大，将SIC芯片3放置在加热后的陶瓷支架4中，陶瓷支架4的大小与SIC芯片3尺寸相同，冷却后实现陶瓷支架4与SIC芯片3的软连接，进而消除封装应力，提高温度迟滞特性。
本发明利用陶瓷推杆1与钢膜2钎焊的方式，将钢膜2的偏转通过陶瓷推杆1传递给SIC芯片3，使得SIC芯片3发生形变，压敏电阻失去平衡，转换为电信号输出，实现压力测量；本发明将陶瓷推杆1的压力直接传递到SIC芯片3的中心凸台7上，陶瓷支架4的大小与SIC芯片3尺寸大小刚好吻合，采用软连接的方式，消除封装应力，提高了温度迟滞特性；当SIC芯片3受到大压力载荷的作用向下移动，SIC芯片3底部凹槽8为中心凸台7的质量块位移提供空间，当中心凸台7位移至与凹槽8接触时自行停止，充当过压安全功能，SIC芯片3通过反应离子深刻蚀实现。
采用本发明的上述结构，传感器能够在高达400℃以上的温度下测量压力，解决了充油式压力传感器无法用于高温、膜片破裂造成液体对产品污染、灌装技术复杂等缺点，提高了传感器的测量温度阈值。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于高温的无液体压阻式碳化硅压力传感器，其特征在于：包括陶瓷推杆、SIC芯片和陶瓷支架；所述陶瓷推杆与钢膜连接，陶瓷推杆的尖端放置于SIC芯片上，且陶瓷推杆的尖端与SIC芯片上的碳化硅膜接触；所述SIC芯片放置在陶瓷支架中，陶瓷支架的底部与支撑圆柱相连。
2.根据权利要求1所述的用于高温的无液体压阻式碳化硅压力传感器，其特征在于：还包括圆筒，所述圆筒用于封装SIC芯片。
3.根据权利要求1所述的用于高温的无液体压阻式碳化硅压力传感器，其特征在于：所述SIC芯片包括第一晶片和第二晶片；所述第一晶片位于第二晶片上方，且第一晶片和第二晶片之间键合相连；所述陶瓷推杆的尖端与第一晶片上的碳化硅膜接触。
4.根据权利要求3所述的用于高温的无液体压阻式碳化硅压力传感器，其特征在于：所述第一晶片的中心设有中心凸台，第二晶片底部开设有凹槽，所述凹槽为SIC芯片的中心凸台的质量块位移提供空间，且该质量块位移至与凹槽接触时停止。
5.根据权利要求4所述的用于高温的无液体压阻式碳化硅压力传感器，其特征在于：所述凹槽的中心开设有平衡压力的排气孔。
6.根据权利要求1所述的用于高温的无液体压阻式碳化硅压力传感器，其特征在于：所述陶瓷支架与SIC芯片热膨胀系数匹配；所述SIC芯片放置于预热后的陶瓷支架的安装槽中，并与冷却后的陶瓷支架软连接。
7.根据权利要求6所述的用于高温的无液体压阻式碳化硅压力传感器，其特征在于：所述SIC芯片的尺寸与安装槽的尺寸相同。
8.根据权利要求1~7任一项所述的用于高温的无液体压阻式碳化硅压力传感器，其特征在于：所述陶瓷推杆与钢膜钎焊连接。
9.根据权利要求1~7任一项所述的用于高温的无液体压阻式碳化硅压力传感器，其特征在于：所述陶瓷支架与支撑圆柱钎焊连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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