CN1696627A - 高量程高过载高温压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高量程高过载高温压力传感器，包括一外壳，其特征在于，该外壳带有外螺纹且内部设有空腔，在外壳的一端有出线帽，外壳的另一端依次设有高温转接电路板、过载保护块和弹性元件，弹性元件上有SOI硅微固态压阻芯片，SOI硅微固态压阻芯片的引出线通过过载保护块上的金丝出线孔和高温转接电路板连接，高温转接板引出耐高温电缆线穿过外壳，由出线帽将耐高温电缆线紧固。本发明可用于温度≥150℃、压力为100MPa～1000MPa之间、高过载(30倍以上满量程)、高频响等恶劣环境下的压力测量，具有精度高、可靠性好等优点，可广泛用于军工、石油化工等领域的压力测量。

Description

高量程高过载高温压力传感器

                         技术领域

本发明属于微机械电子系统(MEMS)技术和集成电路微加工技术领域，具体涉及一种高量程高过载高温压力传感器。

                         背景技术

目前，高量程压力传感器普遍采用压电式结构原理，压电式压力传感器的输出信号为电荷变化量，因此后续的信号处理电路比较繁琐。压电式压力传感器不适合在高温环境下使用，而且不具有高过载保护的能力。采用金属应变片作为敏感元件的高量程压力传感器，该种传感器存在的最大缺点就是输出信号太小，且在高温环境下，温度对金属应变片的变形影响比较大，影响传感器的输出，不适用于高温环境。另外，其他用于冲击波测量的锰铜传感器或镱传感器的量程虽然可达100GPa以上，但其使用寿命都在微秒级，达不到重复使用的目的，使用不便，也不适用于高温环境。

                         发明内容

本发明的目的在于，提供一种高量程高过载高温压力传感器，该传感器采用共晶焊接或玻璃粉烧结等无应力封装技术将带有过载保护结构的平膜弹性元件和SOI(硅隔离)硅微固态浮雕式芯片结合为一体作为传感器的弹性敏感单元，以解决高温环境下测量高过载、大量程压力的难题，并具有高频响特性。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是，一种高量程高过载高温压力传感器，包括一外壳，其特征在于，该外壳带有外螺纹且内部设有空腔，在外壳的一端有出线帽，外壳的另一端依次设有高温转接电路板、过载保护块和弹性元件，弹性元件上有SOI硅微固态浮雕式芯片，采用超声压焊设备从SOI硅微固态浮雕式芯片上引出金丝线，并通过过载保护块上的金丝出线孔和高温转接电路板连接，高温转接板引出耐高温电缆线穿过外壳，由出线帽将耐高温电缆线紧固。

该传感器具有过载保护能力，可过载30倍以上满量程，并能承受一定的瞬时高温冲击。该类传感器具有动态特性好、耐高温(≥150℃)、高量程(≥100MPa)等特点，在高温、高压等恶劣环境下工作安全、可靠，解决了高温条件和高压场合下的压力测量难题，而且具有30以上的高过载能力。

                         附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图2为SOI硅微固态浮雕式芯片的显微照。

图3为本发明的弹性敏感单元结构图。

图4为过载保护块结构图。

以下结合附图和工作原理对本发明作进一步的详细介绍。

                         具体实施方式

本发明的高量程高过载高温压力传感器基本结构见图1，包括一外壳5，该外壳5带有外螺纹且内部设有空腔，在外壳5的一端有出线帽6，外壳5的另一端依次设有高温转接电路板4、过载保护块3和弹性元件2，弹性元件2上有SOI硅微固态浮雕式芯片1，SOI硅微固态浮雕式芯片1的引出线通过过载保护块3上的金丝出线孔和高温转接电路板4连接，高温转接板4引出耐高温电缆线穿过外壳5，由出线帽6将耐高温电缆线紧固。

版图如图2所示的SOI硅微固态浮雕式芯片1通过共晶键合或玻璃粉烧结工艺封装在弹性元件2的应力集中处，如图3所示，再通过一系列的残余应力消除工艺，消除封装应力对传感器性能的影响；通过激光焊接工艺先将弹性元件2和过载保护块3结合为一体，然后再与外壳5激光焊接，如图4所示的过载保护块3可使传感器具有30倍以上的过载能力；通过金丝球焊机或超声压焊机等从SOI硅微固态浮雕式芯片1引出金丝线，通过过载保护块3上的金丝出线孔和高温转接电路板4相联，从高温转接板4引出耐高温电缆线，并通过外壳5和出线帽6将电缆线索紧；最后通过外壳5上的螺纹连接将该发明安装在管路上测量流体的压力。

本发明的敏感元件是采用MEMS技术和SOI技术中的SIMOX(高能氧离子注入)技术制作的SOI硅微固态浮雕式芯片，解决了常规pn结隔离的芯片在大于120℃的应用环境下产生漏电流而影响传感器性能的问题。由SIMOX技术制作的SiO₂层将芯片内的测量电路层与硅基底隔离开来，并采用了钛-铂-金梁式引线结构，可使该类芯片应用于高温环境(≥150℃)。传感器弹性元件的材料采用17-4PH或17-5PH等高弹材料，在结构上采用了圆形平膜结构，通过共晶键合或玻璃粉烧结工艺将敏感元件封装在弹性圆形平膜上，通过平膜结构参数(厚度和直径)设计，可设计出量程为100MPa～1000MPa的高量程压力传感器。另外，由于平膜弹性元件2在外壳5的螺纹底端直接和被测介质接触，减少了管腔对传感器性能的影响，因此该发明具有高频响性能。在弹性元件结构上采用过载保护设计，当压力超过了满量程的100％时，该传感器的过载保护装置将起作用，弹性元件的变形被限制，传感器停止工作，保护传感器的弹性元件和敏感元件不被破坏，通过保护装置设计，可使传感器具有30陪以上的过载能力。

采用SOI技术和各种硅微机械加工技术在(100)硅晶面上制作出所需的SOI硅微固态浮雕式芯片1，利用SIMOX技术在硅基底形成4000的SiO₂层，将测量电路层与硅基底隔离，电路层上沉积1000Si₃N₄作为应力匹配层，用于消除硅与SiO₂因热膨胀系数不同而造成的热应力的影响。电阻条采用三折结构、浮雕形式，具有检测灵敏度高的优点。由于采用了SOI技术和钛-铂-金梁式引线结构，该芯片可工作于温度≥150℃的环境下，解决了高温下存在漏电流的影响，满足高温等恶劣环境下压力测量的要求。为了更好地实现键合操作，SOI硅微固态浮雕式芯片1的背面进行了镀金。其结构图和显微照片如图2所示。

采用玻璃粉烧结或共晶焊接技术将SOI硅微固态浮雕式芯片1封装在弹性元件2的应力集中处。其中弹性元件2的悬臂梁段采用镀金处理，共晶焊的焊料成份为98Au/2Si，在380～430℃的环境条件下实现封装。共晶焊接具有焊接强度高，焊接平整，使SOI硅微固态浮雕式芯片1与弹性元件2之间的热阻小，并具有耐高温性能。

本发明安装在管路上后，压力值为P的高压高温流体作用在弹性元件2上，弹性元件2发生变形，通过压阻效应，使封装在弹性元件2应力集中处的SOI硅微固态浮雕式芯片1中的惠斯登全桥的桥臂电阻阻值成比例地变化，关系式如下：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R_0}=\frac{\mathrm{\Δ\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_0}=\mathrm{\π\σ}---\left(1\right)$

其中，R为电阻条阻值，ρ为电阻率，π为压阻系数，σ为电阻条所受的应力。

惠斯登电桥在恒定电源激励下，输出和压力P的大小成正比的电信号，从而测得高温流体的压力值。当流体压力P值超过传感器的满量程时，过载保护块3限制弹性元件2继续变形，达到过载保护的目的。通过对图1中的间隙H_gap尺寸的设计计算以及改变保护块3的结构参数(如H_p等)，可使传感器达到30倍以上的过载保护能力。由于弹性元件2同时将SOI硅微固态浮雕式芯片1与高温流体隔离开来，因此该种结构的压力传感器可承受一定的瞬时高温冲击。同样，通过改变弹性元件2的结构参数(包括有效直径2r和厚度H_thick)，可以使传感器做到宽量程范围。

本发明涉及的高量程高过载高温压力传感器，可用于高温(温度≥150℃)、高压(压力为100MPa～1000MPa)、高过载(30倍以上满量程)、高频响等恶劣环境下的压力测量，具有精度高、可靠性好等优点，可广泛用于军工、石油化工等领域的压力测量。

Claims (4)

1.一种高量程高过载高温压力传感器，包括一外壳(5)，其特征在于，该外壳(5)带有外螺纹且内部设有空腔，在外壳(5)的一端有出线帽(6)，外壳(5)的另一端依次设有高温转接电路板(4)、过载保护块(3)和弹性元件(2)，弹性元件(2)上有SOI硅微固态压阻芯片(1)，SOI硅微固态压阻芯片(1)的引出线通过过载保护块(3)上的金丝出线孔和高温转接电路板(4)连接，高温转接板(4)引出耐高温电缆线穿过外壳(5)，由出线帽(6)将耐高温电缆线紧固。

2.如权利要求1所述的高量程高过载高温压力传感器，其特征在于，所述的SOI硅微固态压阻芯片(1)采用玻璃粉烧结或共晶键合工艺及封装应力消除工艺封装在弹性元件(2)的应力集中处。

3.如权利要求1所述的高量程高过载高温压力传感器，其特征在于，所述的弹性元件(2)通过激光焊接在外壳(5)的螺纹底端。

4.如权利要求1所述的高量程高过载高温压力传感器，其特征在于其过载保护结构设计，所述的弹性元件(2)和过载保护块(3)采用激光焊接结合为一体。

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