CN109060201A - 耐高温硅压阻压力敏感元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种耐高温硅压阻压力敏感元件，旨在提供一种长期稳定性能好、响应时间快、耐高温的压力敏感元件。本发明提供下述技术方案予以实现：透明盘(5)上方层叠阳极键合划片形成的硅压阻感压芯片(3)，并通过周向上支撑的环盘形成盘腔，硅压阻压力芯片底部上的四个中央对称铂金电极导柱的四个感压电阻组成的惠思登电桥，面向透明盘，通过环盘底部制有落入透明盘周向分布的锥形孔(4)中的导柱对位固定，围绕透明盘圆心等分均布的金属导线(7)穿过绝缘子(6)，伸入填充有导电银浆的锥形孔中，连同固定在透明盘下方的玻璃绝缘子一体高温烧结组成承受被测应力的透明基座，实现高温环境下压力测量。

Description

耐高温硅压阻压力敏感元件

技术领域

本发明涉及一种可广泛用于航空航天等领域各种压力测量***的高温硅压阻压力敏感元件。

背景技术

目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器。随着我国航空、航天、船舶、电力、石油、化工等领域的不断技术发展，需要使用温度达430℃以上、压力测量范围达60MPa以上、输出信号灵敏度达30mv/V以上、测量精度达±0.1％FS的工程化应用的高温硅压阻压力敏感元件。在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器,其工作温度达500℃以上。硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的。硅压力传感器基本上分成两类：电容式和压阻式。电容式压力传感器包括一个薄膜，它作为可变电容器的一个极板，当薄膜上承受压力时，薄膜产生位移，从而改变电容值，利用这种变化经过相应的电路处理，就可得到压力值。压阻式压力传感器以压阻式扩散硅桥路为敏感元件，又称为固态压力传感器。压阻式压力传感器使用硅材料承受压力时会产生电阻变化的原理制成，一般将4个硅材料的应变电阻构成惠斯通电桥来测量压力。硅压阻压力传感器是采用硅压阻原理，利用单晶硅良好的机械性能和电学性能，通过扩散或离子注入工艺将对压力敏感的电阻注入到感压薄膜中，实现感压元件和转换电路的集成而制作的传感器。压阻式压力传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。由于半导体材料对温度十分敏感，压阻式压力传感器的四个检测电阻多接为惠斯登电桥型，因此压阻式压力传感器在硅膜片特定方向上扩散4个等值的半导体电阻，并连接成惠斯通电桥，作为电变换器的敏感元件。当膜片受到外界压力作用，电桥失去平衡时，若对电桥施加恒流或恒压激励电源，便可得到与被测压力成正比的输出电压，实现测量压力。

目前普遍采用的硅压阻式压力传感器都由直接承受被测应力的基体，将被测应力传递到芯片的承压膜片，检测被测应力的芯片由3个基本部分组成：芯片是在硅弹性膜片上用半导体特定晶向制作相同的4个感压电阻，在它的正面制作压阻全桥将它们连成惠斯通电桥构成基本的压力敏感元件。膜片即是力敏电阻的衬底，又是外加应力的承受体。其中，在硅膜片背面上用机械或化学腐蚀的方法加工成中间很薄的凹状，称为硅杯。如果硅杯是圆形的凹坑，就称为圆形膜片。膜片还有方形、矩形等多种形式。当存在外加应力时，膜片上各处受到的应力是不同的。4个桥臂电阻在膜片上的位置与方向设置要根据晶向和应力来决定。膜片的设计和制作决定了传感器的性能及量程。在传感器的波纹膜片及芯片之间填充了硅油，这种充油封装结构的压力传感器目前已相当成熟。量程为0～100kPa至0～60MPa，工作温度为-40℃～125℃，精度为0.5％～0.1％；能够实现表压、绝压测量。这种传感器通常采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上，制成硅压阻芯片，并将此芯片的周边固定封装于外壳之内。扩散硅材料及引线键合工艺制备的硅压阻压力敏感元件，因其利用扩散技术形成的电桥阻值易随温度改变，并且压阻元件的压阻系数具有较大的负温度系数，这些易引起电阻值与电阻温度系数的离散，导致压力传感器的热灵敏度漂移和零点漂移。环境温度只能在-40℃～+120℃范围内，制备的硅压阻压力敏感元件精度低、可靠性差、耐高低温能力不足。非线性随着灵敏度提高变差，稳定性变差，过载能力不够。压阻式压力传感器通常采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。这种结构电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化(应变)。工艺实践表明,采用体硅湿法刻蚀工艺加工压阻式微型压力传感器时,敏感膜片会存在厚度偏差,电阻条偏离应力最大区域导致位置偏差,电阻条偏离期望的晶向造成角向偏差。研究表明,2μm的厚度偏差会使灵敏度下降大约10％,线性度会明显下降；位置偏差会使敏感元件偏离应力最大区域而降低灵敏度；5°的电阻条角向偏差会使灵敏度下降大约3％。压阻式压力传感器是将硅压阻式敏感元件封装在不同的压力接口内构成，被测压力通过压力接口作用在硅敏感元件上。压阻式传感器的基片或称膜片材料主要以硅片为敏感材料而制成的，在硅膜片特定方向上扩散4个等值的半导体电阻，并连接成惠斯通电桥。从原理上讲，硅压阻压力传感器是以硅材料为基础的物性型传感器，硅材料受环境温度影响较大。无论是轻掺杂还是重掺杂,其灵敏度系数均随温度的提高而逐渐减小。产生的零点温度漂移和灵敏度温度漂移形式多样，对提高器件的稳定性很不利，同时硅压阻压力传感器必须进行温度补偿，否则工业上很难应用；目前各种压力测量***的高端应用只能依靠国外高温高精度的硅压阻压力传感器实现，但价格高、周期长、禁运风险大。

目前基于扩散硅工艺的压力敏感元件受到材料、结构原理、制作工艺的限制，无法满足恶劣环境及长期稳定可靠的使用要求，使得该类技术在航空航天等高端领域的应用受到限制。本发明是对现有技术的进一步改进和发展。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种灵敏度高，高温性能卓越，响应时间快，长期稳定性好、体积小、结构简洁，能够适应各种压力测量***高端应用的耐高温硅压阻压力敏感元件。

为了实现上述目的，本发明技术方案提供一种耐高温硅压阻压力敏感元件，包括：

固定在不锈钢圆筒壳体1内腔底部圆筒台阶上的绝缘子6及其层叠相连其上的透明盘5，以及层叠相连其上方的透明环2，其特征在于，透明盘5上方层叠阳极键合划片形成的硅压阻感压芯片3，并通过周向上支撑的环盘形成盘腔，硅压阻压力芯片3底部上的四个中央对称铂金电极导柱的四个感压电阻组成的惠思登电桥，面向透明盘5，通过环盘底部制有落入透明盘5周向分布的锥形孔4中的导柱对位固定，围绕透明盘5圆心等分均布的金属导线7穿过绝缘子6，伸入填充有导电银浆的锥形孔4中，连同固定在透明盘5下方的玻璃绝缘子6一体高温烧结组成承受被测应力的透明基座，被固定在透明盘5上方的硅压阻压力芯片3，通过装夹在硅压阻压力芯片3与透明环2之间的弹性硅膜片，感受来自不锈钢圆筒壳体1上方端盖8受压面的被测压力，惠思登电桥受到力的作用后失去电桥平衡，产生随感压电阻率变化的电压信号，硅压阻压力芯片3在电压或电流激励下，通过金属导线7输出与被测压力成比例的模拟电压测量信号。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

灵敏度高，高温性能卓越。本发明采用固定在不锈钢圆筒壳体1中的绝缘子6及其层叠相连其上的正面阳极键合透明盘5，固定在透明盘5上的SOI硅压阻压力芯片3，以及层叠相连其上的背面透明环2组成耐高温硅压阻压力敏感元件，经MEMS工艺按设计版图流片成型后的SOI硅压阻压力芯片3，正面键合透明盘5，背面键合透明环2，SOI硅压阻压力芯片3、金属导线7、不锈钢圆筒壳体1及绝缘子6组成的玻璃基座，采用锥形孔内填充导电银浆后无引线高温烧结组成高温硅压阻压力敏感元件，可耐温度达430℃以上，压力测量范围可达60MPa、输出信号灵敏度可达30mv/V、测量精度达±0.1％FS，突破了SOI材料应用、结构设计仿真、无引线封装等关键技术，解决了高温瓶颈，可满足使用温度达430℃各种高温压力测量***使用要求。

响应时间快。本发明采用正面阳极键合透明盘5制做围绕圆心等分均布的4个锥形孔4，与硅压阻压力芯片3上的4个铂金电极对位后固定，金属导线7穿过所述绝缘子6伸入填充有导电银浆的锥形孔4中，连同固定在不锈钢圆筒壳体1上的玻璃绝缘子6一体高温烧结组成承受被测应力的透明基座，具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小等优势，输入和输出之间存在着良好的线性关系、线性好。由于有四个力敏电阻组成全桥式的惠斯登桥路，四个电阻虽都受到横向压力，且有相似的非线性特性，构成全桥时，非线性特性可相互抵消，因此非线性可以做得很小。被固定在玻璃绝缘子6上的硅压阻压力芯片3，感受来自不锈钢圆筒壳体1上方端盖8受压面的被测压力。硅压阻压力芯片上四个感压电阻组成的惠思登电桥，受到力的作用后，惠思登电桥失去平衡，感压电阻率发生变化，在电压或电流激励下输出与被测压力成比例的模拟电压信号。响应时间快，其灵敏度可以做得很高，可以充分利用未经处理的传感器输出来获得最大化的分辨率。由于在硅压阻压力芯片3与透明盘5采用圆环弹性元件与一体化固联，尺寸小，其固有频率很高，可以测频率范围很宽的脉动压力。

长期稳定性好。本发明采用硅技术构成的SOI硅压阻压力芯片3背衬底与透明盘5顶层硅之间引入一层埋氧化层形成的半导体薄膜，可以实现硅压阻压力芯片3元器件的介质隔离，彻底消除了体硅的寄生闩锁效应，解决了扩散硅结构高温漏电流大的问题；通过绝缘子6的绝缘体衬可以实现高温应用。利用扩散技术形成的电桥阻值易随温度改变,通过隔离膜片充液封装，可以进一步提高硅压阻压力传感器的可靠性和稳定性，能够为压力信号提供极高的分辨率，即使经过长期使用或在极端温度条件下，性能也可与业内其它任何一种压力传感器相媲美，具有领先的稳定性。

结构简洁，工艺性好。本发明采用固定在不锈钢圆筒壳体1内腔底部圆筒台阶上的绝缘子6及其层叠相连其上的透明盘5，以及层叠相连其上方的透明环2，结构简洁，采用国内工艺可以实现，工艺性好。而且安装方便、易于批量生产。硅压阻芯片3与玻璃基座采用锥形孔4填充导电银浆后，这种无引线高温烧结组成所述高温硅压阻压力敏感元件，采用不锈钢圆筒壳体1与4根金属导线7经绝缘子6烧结组成玻璃基座，体积小巧，体积不大于直径Φ5mm×长度5mm。

本发明通用性强，适于各种安装接口的压力传感器二次封装，可广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制。适于动态压力测量。该传感器量程从0～100kPa至0～60MPa，工作温度为-55℃～430℃，精度为0.5％～0.1％。固有频率从几千赫到几百赫，可用于气流模型试验、***压力测试和发动机动态测量。特别适用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。

附图说明

图1为本发明耐高温硅压阻压力敏感元件结构示意图。

图中：1不锈钢圆筒壳体，2透明盘，3硅压阻压力芯片，4锥形孔，5透明盘，6绝缘子，7金属导线，8端盖，9弹性硅膜片，10衬底膜梁，11压力腔。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，一种高温硅压阻压力敏感元件，包括：固定在不锈钢圆筒壳体1中的绝缘子6及其层叠相连其上的正面透明盘5，固定在透明盘5上的SOI硅压阻压力芯片3，以及层叠相连其上的背面透明环2，其中，硅压阻压力芯片3按设计版图经MEMS工艺流片加工成型后，正面阳极键合透明盘5，背面阳极键合透明环2，划片形成单个的硅压阻感压芯片。正面阳极键合透明盘5制做围绕圆心等分均布的4个锥形孔4，与硅压阻压力芯片3上的4个铂金电极对位后固定，金属导线7穿过所述绝缘子6伸入填充有导电银浆的锥形孔4中，连同固定在不锈钢圆筒壳体1上的玻璃绝缘子6，一体高温烧结组成承受被测应力的透明基座，被固定在玻璃绝缘子6上的硅压阻压力芯片3，感受来自不锈钢圆筒壳体1上方端盖8受压面的被测压力。硅压阻压力芯片上四个感压电阻组成的惠思登电桥，受到力的作用后，惠思登电桥失去平衡，感压电阻率发生变化，在电压或电流激励下输出与被测压力成比例的模拟电压信号，实现高温环境下压力测量的目的。

硅压阻压力芯片3背衬底与透明盘5顶层硅之间引入一层埋氧化层形成介质隔离的半导体薄膜。硅压阻压力芯片3按设计版图经MEMS工艺流片加工成型后，正面阳极键合透明盘5，背面阳极键合透明环2，划片形成单个的硅压阻感压芯片。在硅压阻压力芯片3与透明盘5采用弹性硅膜片9与一体化固联衬底膜梁10。

其核心部分的硅压阻压力芯片3是一块沿某晶向切割的N型的硅膜片，硅膜片利用其上的集成电路工艺方法扩散上四个阻值相等的P型电阻，用导线将其构成平衡电桥。硅膜片上部用方形凸台硅片固定，其下部是与被测***相连的压力腔11，上部可与透明盘2之间的方形中央凸台形成的弹性硅膜片9的隔离腔体相通。端盖8基体直接承受被测应力，透明盘2与端盖8基体与被测介质直接接触，通过弹性硅膜片9将被测应力传递到芯片检测被测压力。在被测压力P作用下，硅膜片产生应力和应变。四个电阻沿晶向并分别在x＝0.635r处的内外排列，在0.635r之内侧的电阻承受的为正值，即拉应力外侧的电阻承受的是负值，即压应力。四个电阻接入差动电桥，初始状态平衡，受力P后，差动电桥输出与P相对应。[0018以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (7)

1.一种耐高温硅压阻压力敏感元件，包括：固定在不锈钢圆筒壳体(1)内腔底部圆筒台阶上的绝缘子(6)及其层叠相连其上的透明盘(5)，以及层叠相连其上方的透明环(2)，其特征在于，透明盘(5)上方层叠阳极键合划片形成的硅压阻感压芯片(3)，并通过周向上支撑的环盘形成盘腔，硅压阻压力芯片(3)底部上的四个中央对称铂金电极导柱的四个感压电阻组成的惠思登电桥，面向透明盘(5)，通过环盘底部制有落入透明盘(5)周向分布的锥形孔(4)中的导柱对位固定，围绕透明盘(5)圆心等分均布的金属导线(7)穿过绝缘子(6)，伸入填充有导电银浆的锥形孔(4)中，连同固定在透明盘(5)下方的玻璃绝缘子(6)一体高温烧结组成承受被测应力的透明基座，被固定在透明盘(5)上方的硅压阻压力芯片(3)，通过装夹在硅压阻压力芯片(3)与透明环(2)之间的弹性硅膜片，感受来自不锈钢圆筒壳体(1)上方端盖(8)受压面的被测压力，惠思登电桥受到力的作用后失去电桥平衡，产生随感压电阻率变化的电压信号，硅压阻压力芯片(3)在电压或电流激励下，通过金属导线(7)输出与被测压力成比例的模拟电压测量信号。

2.如权利要求1所述的耐高温硅压阻压力敏感元件，其特征在于：硅压阻压力芯片(3)背衬底与透明盘(5)顶层硅之间引入一层埋氧化层形成介质隔离的半导体薄膜。

3.如权利要求1所述的耐高温硅压阻压力敏感元件，其特征在于：硅压阻压力芯片(3)按设计版图经MEMS工艺流片加工成型后，正面阳极键合透明盘(5)，背面阳极键合透明环(2)，划片形成单个的硅压阻感压芯片。

4.如权利要求1所述的耐高温硅压阻压力敏感元件，其特征在于：被固定在透明盘(5)上方的硅压阻压力芯片(3)，通过装夹在硅压阻压力芯片(3)与透明环(2)之间的弹性膜片硅片，感受来自不锈钢圆筒壳体(1)上方端盖(8)受压面的被测压力，惠思登电桥受到力的作用后失去电桥平衡，产生随感压电阻率变化的电压信号，硅压阻压力芯片(3)在电压或电流激励下，通过金属导线(7)输出与被测压力成比例的模拟电压测量信号。

5.如权利要求1所述的耐高温硅压阻压力敏感元件，其特征在于：硅压阻压力芯片(3)和透明盘(5)经底部上的四个中央对称铂金电极导柱与金属导线(7)和衬底膜梁(10)一体化高温烧结固联。

6.如权利要求1所述的耐高温硅压阻压力敏感元件，其特征在于：硅压阻压力芯片(3)是一块沿某晶向切割的N型硅膜片，硅膜片利用其上的集成电路工艺方法扩散上四个阻值相等的P型电阻，用导线将其构成平衡电桥。

7.如权利要求1所述的耐高温硅压阻压力敏感元件，其特征在于：硅膜片上部用方形凸台硅片固定，其下部是与被测***相连的压力腔，上部与透明盘(2)之间的方形中央凸台形成的弹性硅膜片的隔离腔体相通，端盖(8)基体直接承受被测压力，透明盘(2)与端盖(8)基体被测介质直接接触，通过弹性硅膜片将被测压力传递到芯片检测被测压力。