CN203908725U - 基于硅硅键合技术的一种水压传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于硅硅键合技术的一种水压传感器，它涉及传感器领域。它包括水压传感器和芯片编程板，芯片编程板一端通过USB通讯接口连接计算机，芯片编程板另一端连接水压传感器，通过芯片编程板来实现芯片的可编程功能。所述的水压传感器上安装有一可编程的信号处理电路和应变电阻片电桥，信号处理电路输入端连接应变电阻片电桥输出端；从而使信号处理电路和应变电阻片电桥集成到一个芯片上，构成了信号处理电路和应变电阻片电桥的一体式结构即一体化压力传感器，减少了传感器的体积和外界对传感器的影响，提高了传感器的稳定性，降低了生产成本，防水保护层设置在应变电阻片电桥外部，在使用过程中用来保护芯片。

Description

基于硅硅键合技术的一种水压传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器领域，具体涉及一种基于硅硅键合技术的水压传感器。

背景技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感技术——研究传感器的材料、设计、工艺、性能和应用等的综合技术。传感技术是一门边缘技术，它涉及物理学，数学，化学，以及对其敏感元件部分的研究和开发，除了对其芯片的研究和开发外，也应十分重视传感器的封装工艺和封装结构的研究，这往往是引起传感器不能稳定可靠地工作的关键因素之一。

但当水压传感器在大批量的使用时，芯片保护，批量调试困难的问题就突现出来，产品用在不同地域，要求传感器在如此宽的温度范围内满足一定的测量精度，唯一的方法是对每个传感器都做全温度量程范围的满度和零点的温度补偿，这种人工校验方法不仅需要大量高素质的工人，而且需要大量的仪器设备。将该传统传感器用于水压这种大批量生产而使用环境十分恶劣的产品上，芯片保护，冲击，过载，温度漂移，批量生产都会面临比较大的问题。

而目前在传感器应用中，多为硅玻璃键合传感器，与其信号处理电路分开，这样做最大的问题是存在键合应力，体积大、成本高、且封装困难，尤其是压力传感器的信号电路的设计、温度特性的补偿方法、生产过程的自动化水平都十分低下，影响传感器的稳定性，同时无法实现批量化生产，因此传感器需要进一步的改进。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型提供一种基于硅硅键合技术的水压传感器，体积小、成本低、传感器和信号处理电路一体式，提高了传感器的稳定性。

为实现上述目的，本实用新型提供了基于硅硅键合技术的一种水压传感器，其特征在于，包括水压传感器和芯片编程板，芯片编程板一端通过USB通讯接口连接计算机，芯片编程板另一端连接水压传感器，所述的水压传感器上安装有一可编程的信号处理电路和应变电阻片电桥，信号处理电路输入端连接应变电阻片电桥输出端；所述的信号处理电路和应变电阻片电桥为一体式结构，减少了传感器的体积和外界对传感器的影响，提高了传感器的稳定性，降低了生产成本，防水保护层设置在应变电阻片电桥外部，防水保护层设置在应变电阻片电桥外部，在使用过程中用来保护芯片。

根据上述的基于硅硅键合技术的一种水压传感器，其中，所述的信号处理电路中还集成有单片机。

根据上述的基于硅硅键合技术的一种水压传感器，其中，所述的信号处理电路中还集成有电可擦写可编程只读存储器。

根据上述的基于硅硅键合技术的一种水压传感器，其中，所述信号处理电路采用了比利时生产的MLX90326芯片。

根据上述的基于硅硅键合技术的一种水压传感器，其中，所述芯片编程板采用EVB90320编程板。

根据上述的基于硅硅键合技术的一种水压传感器，其中，所述的水压传感器还包括温度传感器和检测电路，所述的温度传感器通过AD转换器与信号处理电路相连，所述检测电路直接与信号处理电路相连。

本实用新型的有益效果：本实用新型传感器在硅片上集成了压力敏感单元与数字信号处理一体化电路，设计了防水保护层，压力传感器的功能是将外界压力信号转换为电信号输出，数字信号处理电路可通过电脑实现可编程标定，从而减少了外界对传感器信号的影响，提高了稳定性，降低了生产成本。同时从工艺上将能保证大规模生产，满足了市场的需求，将对水压传感器起到进口替代并形成部分核心器件国产化目的，并具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点，可广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本实用新型的水压传感器的结构框图；

图2为本实用新型的水压传感器的电路原理图；

图3为本实用新型的芯片编程板的连接方式示意图；

图4为本实用新型的实施例的示意图。

具体实施方式

参照图1-4，本具体实施方式采用以下技术方案：基于硅硅键合技术的一种水压传感器，采用硅-硅键合技术将两个抛光硅片经化学清洗和活化处理后在室温下粘贴在一起，在经过高温退火处理，使键合界面发生物理化学反应，形成强度很大的化学共价键连接，消除了因亲和力产生的键合应力，增加键和强度而形成一个整体，该传感器在硅片上集成了压力敏感单元与数字信号处理一体化电路，压力传感器的功能是将外界压力信号转换为电信号输出，数字信号处理电路可通过电脑实现可编程标定，其包括一水压传感器100和一实现芯片编程功能的编程板，该芯片编程板一端通过USB通讯接口连接计算机，其另一端连接水压传感器100，通过芯片编程板来实现水压传感器100的可编程功能。本发明中，在水压传感器100上安装有一可编程的信号处理电路110和一应变电阻片电桥120，该信号处理电路110输入端连接应变电阻片电桥120输出端；从而使信号处理电路110和应变电阻片电桥120集成到一个芯片上，构成了信号处理电路110和应变电阻片电桥120的一体式结构即一体化压力传感器，减少了传感器的体积和外界对传感器的影响，提高了传感器的稳定性，降低了生产成本，设计的防水保护层105在使用过程中用来保护芯片。

值得注意的是，本实施中，为了实现可编程功能，在数字信号处理电路110中还集成有单片机和电可擦写可编程只读存储器（EEPROM），通过单片机和EEPROM来实现可编程的数字信号补偿功能，提高了压力传感器的使用寿命。

本实施例中，为了便于整个基于硅硅键合技术的水压传感器的封装，提高传感器的稳定性，在基于硅硅键合技术的水压传感器上还设有各种信号引出管脚的焊盘，该编程、信号引出管脚连接单片机和EEPROM，与外部设备如编程板等相连接，方便了整个基于硅硅键合技术的水压传感器的封装。在基于硅硅键合技术的水压传感器上还设有与外部设备连接的可调整接口即输出信号的焊盘，可调整接口适合连接不同的设备，适合客户具体应用。在本实用新型中，由于将应变电阻片电桥120和信号处理电路130封装在一起，并通过输出端子与外部设备相连接，所以其标定和封装过程需要有压焊机、净化车间等工具来实现，增加了基于硅-硅键合技术的水压传感器100的封装效果，提高了传感器的稳定性。

再参见图2，本具体实施方式中的水压传感器100采用惠斯通原理，将两个抛光硅片经化学清洗和活化处理后在室温下粘贴在一起，在经过高温退火处理，使键合界面发生物理化学反应，形成强度很大的化学共价键连接，消除了因亲和力产生的键合应力，增加键和强度而形成一个整体，该传感器在硅片上集成了惠斯通电桥压力敏感单元与数字信号处理一体化电路，当传感器受力发生应力变化时，惠斯通电桥电阻也一起产生形变，使电桥的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化；本实施例中，该电桥为电阻组成的惠斯通电阻电桥，由于这种惠斯通电阻在受力时产生的阻值变化通常较小，电压发生变化也相应较小，所以该惠斯通电阻电桥输出端还连接有第一放大电路和第二放大电路，变化后电压经过第一放大电路放大后转化为电信号输出。

值得一提的是，本实用新型中，在第一放大电路输出端还连接有斩波解调器以及增益校准电路，放大后的电信号通过斩波解调器和增益校准电路调解和校准后，再传输给处理电路（通常是 A/D 转换和 CPU ）显示或执行机构，再有第二放大电路输出。

更加注意的是，再参见图2，在本实用新型中，在芯片上内置有温度传感器，温度传感器的感应信息通过AD 转换器后输给数字处理电路输入端，然后经过DA转换器输送给第一放大电路和第二放大电，从而达到本实用新型的温度补偿的目的。另外，在数字处理电路上还连接检测电路，进行检测和调试的作用。

本实用新型传感器可编程的实现方式为：

计算机的上位机软件通过计算机USB通讯口跟编程板相连，然后编程板的另一端与传感器数字信号处理板相连。联机正常后，通过计算机的操作软件即可实现传感器输出标定编程和温度补偿编程。

本实用新型的工作原理如下: 

本实用新型采用硅-硅键合技术将两个抛光硅片经化学清洗和活化处理后在室温下粘贴在一起，在经过高温退火处理，使键合界面发生物理化学反应，形成强度很大的化学共价键连接，消除了因亲和力产生的键合应力，增加键和强度而形成一个整体，该传感器在硅片上集成了压力敏感单元与数字信号处理一体化电路，压力传感器的功能是将外界压力信号转换为电信号输出；数字信号处理电路的功能是通过编程将传感器输出的电信号转换成标准的电压信号输出，设计了防水保护层。编程的主要功能是实现输出标定和温度补偿。

参见图1至图4，基于硅硅键合技术的水压传感器的具体实施过程如下：

1、传感器封装过程：

由于基于硅硅键合技术的水压传感器是整体式结构，所以需要先为最终产品定制结构（压力接口尺寸）。传感器使用用户仅需要将输出端子130与电脑连接。

2、传感器调试步骤和工作过程：

参见图2和图4，本实用新型可以实现如下调试功能：温度补偿点的选择、比例输出参数的设定、输出箝位的设置、信号输入方式的选择、温度传感器的选择以及芯片选择。

3、芯片编程板连接方法

如图3所示，计算机的上位机软件通过计算机USB通讯接口跟芯片编程板相连，然后芯片编程板的另一端与一体化压力传感器的数字信号处理电路相连接。联机正常后，通过计算机的操作软件即可对数字信号处理电路中单片机和EEPROM实现输出标定编程和温度补偿编程，从使整个芯片即芯片实现输出标定编程和温度补偿编程。

2、本实施例中的调试具体过程如下：

第一步、第一温度点标定

将压力传感器卸压处于零点输入状态，点击第一温度点即“First（room） temperature”区域第1个按钮“Set pressure1”，此时调试工装绿灯会不停的闪烁，表示系统正处于读取零点参数状态，参数读取完毕，绿灯停止闪烁，第2个按钮“Set pressure2”由灰色变成黑色，表示系统可以开始读取满位参数。

将压力传感器加压到满位输入状态，点击“First（room）  temperature”区域第2个按钮“Set pressure2”，此时调试工装绿灯会不停的闪烁，表示系统正处于读取满位参数状态，参数读取完毕，绿灯停止闪烁，第3个按钮“Zap”由灰色变成黑色，表示系统调试完毕。

点击第3个按钮“Zap”表示上面调试的零点和满位已经保存在该传感器里面，一旦点击该按钮，压力传感器如果测试不合格将无法再次标定修正。可以点击“Measurements”按钮进行测试。如果感觉调试的结果不满意可以先别点击“Zap”按钮，可以重新标定补偿。在调试第二温度点时，可以把传感器断电，不影响第二温度点的调试。

第二步、第二温度点标定

将温度调问调到第二温度点的温度点击寻找设备按钮，就可以使“Second（high） temperature”中的按钮“Set pressure1” 由灰色变成黑色，将压力传感器卸压处于零点输入状态，点击第二温度点即“Second（high） temperature”区域第1个按钮“Set pressure1”，此时调试工装绿灯会不停的闪烁，表示系统正处于读取零点参数状态，参数读取完毕，绿灯停止闪烁，第2个按钮“Set pressure2”由灰色变成黑色，表示系统可以开始读取满位参数。

点击第3个按钮“Zap”表示上面调试的零点和满位已经保存在该传感器里面，一旦点击该按钮，压力传感器如果测试不合格将无法再次标定修正。可以点击“Measurements”按钮进行测试。如果感觉调试的结果不满意可以先别点击“Zap”按钮，可以重新标定补偿，在调试第三温度点时，可以把传感器断电，不影响第一、二温度点的调试。

第三步、第三温度点标定

将温度调问调到第三温度点的温度点击寻找设备按钮，就可以使“Third（low） temperature”中的按钮“Set pressure2” 由灰色变成黑色，表示系统可以开始读取满位参数。

点击第3个按钮“Zap”表示上面调试的零点和满位已经保存在该传感器里面，一旦点击该按钮，压力传感器如果测试不合格将无法再次标定修正。可以点击“Measurements”按钮进行测试。如果感觉调试的结果不满意可以先别点击“Zap”按钮，可以重新标定补偿。

第四步、参数保存

每一个温度点调试完后点击“Zap”，参数将被存入片内EEPROM。

参数保存完毕，表示压力传感器标定补偿工作完成。

第五步、标定数据测试

参数保存完毕，可以点击“Measurements”按钮进行测试。

按照压力传感器的测试规范进行加压卸压，对话框会显示此时的输出电压值，测试零点输出值、中间点输出值、满位输出值，记录测试数据。

对传感器进行调温，保温一小时，进行温度指标测试，记录测试数据。

基于上述，本实用新型采用硅-硅键合技术将两个抛光硅片经化学清洗和活化处理后在室温下粘贴在一起，在经过高温退火处理，使键合界面发生物理化学反应，形成强度很大的化学共价键连接，消除了因亲和力产生的键合应力，增加键和强度而形成一个整体，该传感器在硅片上集成了压力敏感单元与数字信号处理一体化电路，从而减少了外界对传感器信号的影响，提高了稳定性，降低了生产成本。同时实现了规模化友好的人机界面方便用户对传感器进行标定。从工艺上将能保证大规模生产，满足了市场的需求，将对水压传感器起到进口替代并形成部分核心器件国产化目的，并具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点，可广泛应用于各种自控环境。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1. 基于硅硅键合技术的一种水压传感器，其特征在于，包括水压传感器(100)和芯片编程板(101)，芯片编程板(101)一端通过USB通讯接口连接计算机(103)，芯片编程板(101)另一端连接水压传感器(100)，所述的水压传感器(100)上安装有一可编程的信号处理电路(110)和应变电阻片电桥(120)，信号处理电路(110)输入端连接应变电阻片电桥(120)输出端；所述的信号处理电路(110)和应变电阻片电桥(120)为一体式结构，防水保护层(105)设置在应变电阻片电桥(120)外部。

2. 根据权利要求1所述的基于硅硅键合技术的一种水压传感器，其特征在于，所述的信号处理电路(110)中还集成有单片机。

3. 根据权利要求1或2所述的基于硅硅键合技术的一种水压传感器，其特征在于，所述的信号处理电路(110)中还集成有电可擦写可编程只读存储器。

4. 根据权利要求3所述的基于硅硅键合技术的一种水压传感器，其特征在于，所述信号处理电路(110)采用了比利时生产的MLX90326芯片。

5. 根据权利要求1所述的基于硅硅键合技术的一种水压传感器，其特征在于，所述芯片编程板(101)采用EVB90320编程板。

6. 根据权利要求1所述的基于硅硅键合技术的一种水压传感器，其特征在于，所述的水压传感器(100)还包括温度传感器(140)和检测电路(150)，所述的温度传感器(140)通过AD转换器与信号处理电路(110)相连，所述检测电路(150)直接与信号处理电路(110)相连。