CN85102765B - 一种小型流体传感器 - Google Patents
一种小型流体传感器Info
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Abstract
本发明属于压力测量技术领域。此小型流体传感器的力敏元件是利用半导体压阻效应，采用集成电路工艺制成。为提高成品率，在(001)晶面上沿<110>晶向集成八个力敏电阻，可构成四组电桥。该传感器采用了全密封结构，将密封的不锈钢膜片直接焊在端盖上，并采用螺帽压接结构，便于观察和清洗膜片。力敏元件的安装是采用两个“O”型密封圈将其固定在主体上，这样可消除外界干扰力的影响。
Description
本发明属于压力测量技术领域。
流体传感器是利用半导体材料硅的压阻效应，将流体压力信号转为电信号。这种流体传感器主要由两部分组成。一是半导体力敏元件，二是腔体。目前已有半导体力敏元件是在硅杯弹性膜上直接集成一个电桥电路，其集成电桥版图设计方案有两种。一种是如US 4065971、US 4050313将力敏电桥分组分布在硅杯弹性膜的边缘，这种方案的优点是输出大，并在零压力情况下，根据电桥的各个电阻阻值和绝缘电阻的二个参数，选取绝缘电阻为最大、电阻数值相差为最小的四组力敏电阻中优选一组好的，缺点是硅杯大。还有一种如JP-A-56133877将力敏电阻分布在截面为E型的硅杯薄膜上，这种方案的优点是线性度好，缺点是加工工艺复杂。腔体是流体传感器另一个组成部分，为保护力敏元件不受环境与被测流体的沾污，通常是将半导体力敏元件密封于硅油中，一般用不锈钢膜片作为感压膜片，此膜片和端盖形成一个外腔室。当流体进入外腔室时，其压力由感压膜片通过硅油传给半导体力敏元件。通常弹性膜片焊接在一个膜片支承架上，再通过密封圈与端盖形成一个外腔室，如US 4135408就是采用这种结构。力敏元件的安装方式有两种。一种是直接固定在底座上，如US 4050313。这种安装方式的缺点是当腔体受干扰外力作用时，力敏元件也会受到干扰。另一种是将弹性元件固定在隔离膜片上，如US 4135408的结构，虽然这种安装方式可以防止来自外界干扰通过腔体干扰力敏元件，但是结构复杂，对小型流体传感器就显得不适用了。针对以上版图图案、外腔室构成、力敏元件安装存在的问题，同时又结合小型流体传感器体积小的特点，本发明提出一种新的解决方案。
本发明的要点在于一是采用如附图一所示的版图图案。在整体硅杯的硅膜上扩散八个力敏电阻，即附图一中(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)。其中力敏电阻(1)、(4)、(5)、(8)分布在径向0.8～0.98r之间(r为硅杯半径)。力敏电阻(2)、(3)、(6)、(7)分布在切向0.5～0.6r之间。以上八个力敏电阻均分布在单晶硅(001)晶面<110>晶上。(1)、(2)、(3)、(4)为一组，(3)、(4)、(5)、(6)为一组，(5)、(6)、(7)、(8)为一组，(1)、(2)、(7)、(8)为一组，形成惠斯登桥。二是采用如附图二所示的外腔室结构。图中1为端盖，2为紧固螺帽，3为流体接口，4、6、9、10、为直径不同的“O”型密封圈，5为不锈钢膜片，7为主体，8为力敏元件，11为压板。
本发明与已有技术相比其优点在于一是在版图图案设计上，巧妙利用四个力敏电阻正负应力差，从而提高了电桥输出灵敏度，有利于减小硅杯尺寸。仅用八个力敏电阻，可组成四组电桥，有利于提高成品率。由于八个力敏电阻分散分布，有利于散热和减少局部过热，也有利于减小温度漂移。二是将不锈钢膜片5直接焊在端盖1上减少密封环节，密封效果好，同时节省材料，减少体积。旋下紧固螺帽2，取下流体接口3，可直接观察膜片5，同时也便于清除膜片上的沉积物，保证测量精度。三是力敏元件与主体的安装方式是将附图二中力敏元件8放置在“O”型密封圈9上，压板11通过“O”型密封圈10压紧力敏元件8和主体7形成弹性连接。由于采用弹性连接，有利于排除作用到力敏元件8上的外界干扰力。
发明人曾经做过这样一个实施例。采用5×5×1mm的方形硅片，中间形成φ3.2mm的圆形硅杯，八个力敏电阻集成在(001)晶面<110>晶向上。力敏电阻分布同附图一，所制得的力敏元件密封于如附图二所示的腔体结构中。达到的指标为：量程0～0.1kg/cm2、0～0.25kg/cm2、0～0.5kg/cm2、0～1kg/cm2，精度优于0.3％F S。当电桥供电电压为6伏时，满量程输出大于50mv，零点温度漂移系数，灵敏度温度漂移系数优于0.05％/CFS。
Claims (1)
1.一种由半导体力敏元件和腔体所组成的小型流体传感器，它包括有：
A、流体接口3，它是采用与不锈钢膜片5直径相近的压紧螺帽安装在端盖1上的；
B、力敏元件是采用整体硅杯结构，将八个力敏电阻分布在(001)晶面上的<110>晶向上；
其特征在于：
C、用杂质扩散在硅杯(001)晶面上的<110>晶向上的八个力敏电阻，它们之中的四个力敏电阻(1)、(4)、(5)、(8)分布在0.8～0.98r之间，另外四个力敏电阻(2)、(3)、(6)、(7)分布在0.5～0.6r之间；
D、组成惠斯登电桥力敏电阻(1)、(2)、(3)、(4)为一组，(3)、(4)、(5)、(6)为一组，(5)、(6)、(7)、(8)为一组，(7)、(8)、(1)、(2)为一组；
E、将不锈钢膜片5直接压焊在腔体的端盖(1)上。
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