CN203519241U - 一种结构型微差压传感器 - Google Patents

Abstract

一种结构型微差压传感器，其特征在于：上、下玻璃固定极板与之间的硅敏感芯片可动极板构成两个感压差动电容的微差压结构；在可动极板的中心岛上、下面分别有导油槽、中心岛四周通过相连的膜片与硅敏感芯片可动极板为一体，上、下玻璃固定极板的中心表面有金属电极层；上、下玻璃固定极板、玻璃底板中心均有导压孔，下玻璃固定极板和玻璃底板的导压孔与置于底座内的导压管相通；上玻璃固定极板、可动极板和玻璃底板上均有压焊点，底座上引出烧结引线。本设计采用差动电容输出电容信号，实现微差压信号的精准检测。制作工艺简单，易于批量制作，一致性好，高精度、高稳定性、高可靠性，很好地满足工业自动控制系统对微差压传感器的需求。

Description

一种结构型微差压传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器制造技术领域,是一种结构型微差压传感器。

背景技术

随着传感器技术突飞猛进的发展，结构型力敏传感器以其高精度、高稳定、高可靠、低温度系数、高抗过载能力、优良的动态响应特性以及对高温、辐射和强烈振动等恶劣条件适应性强等一系列优势被公认为是新一代具有广阔发展前途的新型高性能传感器。随着检测仪表智能化趋势越来越强，硅传感器在高速发展的微机械加工技术和微电子技术的带动下迅速催生出“硅电容传感器”、“硅谐振传感器”、“硅加速度传感器”等不同与以往硅压阻式传感器的新型结构型传感器，其中电容型压力传感器是结构型压力传感器一种典型代表，它利用电容原理测量压力，是压力测量仪表的关键部件。与扩散硅压力传感器相比，硅电容压力传感器有其独特的优点，特别是采用电容原理制作微差压传感器，远比采用扩散硅原理制造工艺实现难度小，易于批量重复制作。此外，由于这种电容结构型传感器不存在PN结的电隔离问题，因此，无论从精度和长期稳定性方面都较比扩散硅传感器有了很大提高，如：精度优于0.075%FS,传感器在几年使用时间里免维护，这些特点都是前一代传感器无法比拟的。这种采用电容原理的结构型微差压传感器是现代微机电压力传感器的一个重要分支和组成部分，也是对硅压阻式传感器的重要扩充。

硅微微压传感器是硅微压力传感器发展的一个重要分支，在工业自动化控制、汽车工业、航天工业、医疗卫生、半导体加工、军事等许多领域有着广泛的应用。目前国内市场上硅微压力传感器的量程普遍都在lkPa以上，更低量程的产品主要依靠国外进口，一直没有成熟的产品问世，尤其是采用电容原理的结构型微差压传感器的研究一直都是空白，一直被国外产品所垄断，严重制约了我国传感器技术领域的产业发展，进而制约了我国流程控制和自动化技术水平的提高，因此，研究一种结构型微差压传感器，对低微量程的硅微微压传感器的研究，实现相关技术攻关，促进硅微压力传感器技术提高和相关产业发展有着实际意义。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种结构型微差压传感器，即两个感压差动电容构成的微差压结构，利用微电子和微机械加工融合技术制作，精度高、稳定性好、可靠性高、一致性好，易于大批量生产。

本设计的一种结构型微差压传感器，包括玻璃固定上极板、硅敏感芯片可动极板、玻璃固定下极板采用静电封接工艺封接成的电容三极板结构，其特征在于上、下玻璃固定极板与之间的硅敏感芯片可动极板构成全对称的三层微结构，即两个感压差动电容构成的微差压结构；在硅敏感芯片可动极板的中心岛上、下面分别有几何形状、对称分布的导油槽，上、下玻璃固定极板的中心表面有与导油槽相匹配的金属电极层，上、下玻璃固定极板、玻璃底板中心均有导压孔，在导压孔的内壁上有溅射金属层作为电极层的通路；上、下玻璃固定极板的中心表面有与导油槽结构相匹配的金属电极层；下玻璃固定极板和玻璃底板的导压孔与置于底座内的导压管相通；上玻璃固定极板、硅敏感芯片可动极板和玻璃底板上均有压焊点，底座上引出烧结引线，用硅铝丝连线连结压焊点和烧结引线。

本新型的结构型微差压传感器，采用平板电容原理，由两个感压的差动电容构成微差压结构，采用差动电容形式实现电容信号的输出，从而实现微差压信号的精准检测。本设计这种结构与传统的PN结结构的微差压传感器相比，工艺实现难度显著降低，制作工艺简单，易于批量重复制作，一致性好，结构合理，性能稳定、安全可靠，可以很好的满足工业自动控制系统对微差压传感器的需求，这种结构型传感器的结构特点也决定了它具有高精度、高稳定性、高可靠性等突出的技术优势。

附图说明

图1是本新型结构型微差压传感器的芯体结构示意图；

图2是结构型微差压传感器中心极板俯视图；

图3是结构型微差压传感器中心极板正面剖视图；

图4是结构型微差压传感器玻璃固定极板俯视图；

图5是结构型微差压传感器玻璃底板示意图。

具体实施方式

本实用新型的一种结构型微差压传感器，利用平板电容原理，如图1所示，该结构从上到下依次为上玻璃固定极板2、硅敏感芯片可动极板1、下玻璃固定极板2’、玻璃底板3、导压管4、底座5叠加组成，其特征是采用静电封接工艺将上玻璃固定极板2、硅敏感芯片可动极板1、下玻璃固定极板2’封接成全对称的三层微结构，是两个感压的差动电容构成的微差压结构，上、下玻璃固定极板2、2’、玻璃底板3的中心均有导压孔7，在导压孔7的内壁上有溅射的金属层，作为玻璃固定极板金属电极层6的导电通路，保证金属电极层6从导压孔7中引出；下玻璃固定极板2’和玻璃底板3的导压孔7与置于底座5中心孔内的导压管4相通；硅敏感芯片可动极板1的中心岛8与上、下玻璃固定极板2、2’的间隙大小相同；上、下玻璃固定极板2、2’相对硅敏感芯片可动极板1中心岛8部位有金属电极层6；上玻璃固定极板2、硅敏感芯片可动极板1和玻璃底板3上均有压焊点9，底座5上引出烧结引线10，并用硅铝丝连线11连结压焊点9和烧结引线10。

硅敏感芯片可动极板1的材质是双面抛光的硅单晶片，采用微机械加工工艺在中心岛8四周双面刻槽，制出膜区，见图2和图3，图2中的两个叉纹框是图3中膜区两斜面，该两斜面相对凹槽底部形成膜片13，内斜面中是中心岛8，中心岛8四周通过相连的膜片13与硅敏感芯片可动极板1为一体，硅敏感芯片可动极板1两面是以中心空位为对称面的对称结构。

中心岛8和上、下玻璃固定极板2、2’的间隙相同，是以其中心面为对称面的对称结构，与周边通过膜片13相连，中心岛8在受到压力作用后，在其周围膜片13变弯曲的情况下，会上下移动，导致中心岛8相对于上、下玻璃固定极板2、2’的间隙发生变化，进而中心岛8和金属电极层6形成的敏感电容发生变化，这种变化可以用来检测外加压力的变化。

如图2和图3所示，其特征在于采用MEMS加工技术在硅敏感芯片可动极板1中心岛8的两个面制作导油槽12，留出与导压孔7相应的中心空位，空位与中心岛8在同一平面，向中心岛8的各边腐蚀出导油槽12，腐蚀出的导油槽12，如图2所示，是对称方向双线、与中心岛8对应边垂直，导油槽12的长度要长于上、下玻璃固定极板2、2’上的金属电极层6的外轮廓线。导油槽12的作用是当带有导油槽结构的硅敏感芯片可动极板1过压后和玻璃固定极板电极层6贴合时，导油槽12仍保持导油通道畅通，有效地减小芯片中心岛8过压贴合后的回弹阻尼，从而有效地提高了结构型微差压传感器过载后对压力的响应速度。

上、下玻璃固定极板2、2’由双抛硼硅玻璃制作，结构相同，如图4所示，其相对面的金属电极层6的边长小于硅敏感芯片可动极板1中心岛8上导油槽12的长度，玻璃底板3和上、下玻璃固定极板2、2’外观相似，见图5，表面都有金属层作为电极，且都制作有压焊点9以便将金属电极层6引出。硅敏感芯片可动极板1和玻璃底板3尺寸大于玻璃固定极板2、2’，使得玻璃底板3的压焊点9伸出，保证压焊引线的实现。硅敏感芯片可动极板1与上、下玻璃固定极板2、2’采用全对称的玻璃-硅-玻璃结构，玻璃和硅采用免粘连的多层静电封接工艺实现硬连接，下玻璃固定极板2’与玻璃底板3之间采用导电胶相连，玻璃底板3与导压管4采用静电封接工艺连接在一起，导压管4和传感器底座5之间采用焊接工艺实现气密连接。采用压焊工艺在压焊点9和烧结引线10之间有硅铝丝连线11，实现电容电极引出。最后芯体装入充满硅油的传感器腔体内。硅油即对芯体结构提供保护又是外界压力的传导介质。

Claims (4)

1.一种结构型微差压传感器，包括玻璃固定上极板(2)、硅敏感芯片可动极板(1)、玻璃固定下极板(2’)采用静电封接工艺封接成的电容三极板结构，其特征在于上、下玻璃固定极板(2、2’)与之间的硅敏感芯片可动极板(1)构成全对称的三层微结构，即两个感压差动电容构成的微差压结构；在硅敏感芯片可动极板(1)的中心岛(8)上、下面分别有几何形状、对称分布的导油槽(12)，上、下玻璃固定极板(2、2’)的中心表面有与导油槽结构相匹配的金属电极层(6)；上、下玻璃固定极板(2、2’)、玻璃底板(3)中心均有导压孔(7)，在导压孔(7)的内壁上有溅射金属层作为电极层(6)的通路；上、下玻璃固定极板(2、2’)的中心表面有与导油槽结构相匹配的金属电极层(6)；下玻璃固定极板(2’)和玻璃底板(3)的导压孔(7)和玻璃底板(3)上均有压焊点(9)，底座(5)上引出烧结引线(10)，用硅铝丝连线(11)连结压焊点(9)和烧结引线(10)。

2.根据权利要求1所述的结构型微差压传感器，其特征在于硅敏感芯片可动极板(1)的中心岛(8)和结构相同的上、下玻璃固定极板(2、2’)的间隙相同，是以其中心面为对称面的对称结构，与周边通过膜片(13)相连；中心岛(8)的两个面制作有导油槽(12)，留出与导压孔(7)相应的中心空位，空位与中心岛(8)在同一平面，向中心岛(8)的对称方向各边腐蚀出双线的导油槽(12)，导油槽(12)与中心岛(8)对应边垂直，导油槽(12)的长度要长于上、下玻璃固定极板(2、2’)上的金属电极层(6)的外轮廓线。

3.根据权利要求2所述的结构型微差压传感器，其特征在于在硅敏感芯片可动极板(1)的中心岛(8)四周双面刻槽，制出膜区，膜区两斜面相对凹槽底部形成膜片(13)，内斜面中是中心岛(8)，中心岛(8)四周通过相连的膜片(13)与硅敏感芯片可动极板(1)为一体，硅敏感芯片可动极板(1)两面是以中心空位为对称面的对称结构。

4.根据权利要求1所述的结构型微差压传感器，其特征在于玻璃底板(3)和上、下玻璃固定极板(2、2’)外观相似，表面都有金属层作为电极，且都制作有压焊点(9)以便将金属电极层(6)引出；硅敏感芯片可动极板(1)和玻璃底板(3)尺寸大于玻璃固定极板(2、2’)，使得玻璃底板(3)的压焊点(9)伸出。

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