專利名稱：基于mems技術微型動態(tài)壓力傳感器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器及其制造方法，特別涉及一種基于MEMS (Micro Electro Mechanical System)硅體微機械加工技術的微型動態(tài)壓力傳感器及其制造方法。
背景技術：
隨著測量技術的飛速發(fā)展，傳感器作為信息采集的前端器件，對其技術指標提出了更高的要求，尤其在高精度的流體動力學測試中，如風洞測試系統(tǒng)中，要求傳感器不僅具有良好的動態(tài)特性，而且為了減少對測量流場的影響，提高測量的精度，對傳感器的尺寸要求更加小型化。
半導體單晶硅固有頻率高，利用其壓阻效應原理可實現(xiàn)對壓力的測量。在單晶硅片上的特定晶向，制成應變電阻構成的惠斯頓檢測電橋，并同時利用硅的彈性力學特性，在同一硅片上進行特殊的機械加工，制作集應力敏感與力電轉換檢測于一體的固態(tài)壓阻壓力傳感器，可獲得具有良好動態(tài)特性的測量裝置。隨著MEMS硅體微機械加工技術的發(fā)展，制作硅力敏芯片的尺寸越來越小，使得制作具有良好動態(tài)特性的微型壓力傳感器成為了可能。
發(fā)明內容
為了彌補以上不足，本發(fā)明提供一種基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器及其制造方法，該壓力傳感器用于測量受壓面的絕對壓力值，具有良好動態(tài)特性和微型化，可廣泛應用于空氣動力學、爆破力學、智能建筑、水利電力設計、石油化工等流體力學測試領域。所述基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器的技術方案是這樣實現(xiàn) 一種基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器，由硅敏感元件和傳感器殼體 組成，該硅敏感元件受壓面設有惠斯通電橋結構而內部設有真空壓力 參考腔，該硅敏感元件背壓面通過絕緣棒固定于該傳感器殼體內，且 該硅敏感元件受壓面與該傳感器殼體上引壓口的內邊緣齊平封裝，該 惠斯通電橋結構上應變電阻通過金絲內引線連接到該絕緣棒上外引 線，實現(xiàn)信號傳輸。
作為本發(fā)明的進一步改進，該傳感器殼體為不銹鋼管，該絕緣棒
為陶瓷棒，該陶瓷棒固定于該不銹鋼管內，該硅敏感元件背壓面固定 于該陶瓷棒端面，該陶瓷棒上設有多條便于固定該金絲內引線與外引 線的花鍵槽，該金絲內引線3與外引線7在花鍵槽中連接，實現(xiàn)信號 輸出。
作為本發(fā)明的進一步改進，該硅敏感元件長寬尺寸為(0. 8-1. 2mm) X(O. 8-1. 2mm)。
作為本發(fā)明的進一步改進，該硅敏感元件受壓面與作為該引壓口 的不銹鋼管管口之間填充有作為壓力傳導介質的硅凝膠。
作為本發(fā)明的進一步改進，該不銹鋼管管口還設有保護帽。
所述基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器制造方法的技術方案是這 樣實現(xiàn) 一種所述基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器的制造方法，包 括以下步驟
1) 采用MEMS硅體微機械加工方法制造具有惠斯通電橋結構的硅 敏感薄膜，該惠斯通電橋結構上應變電阻采用離子注入技術摻雜形成， 而該應變電阻引壓點焊接金絲內弓I線實現(xiàn)壓力引出，該硅敏感薄膜背 部與作為襯底的下硅片通過硅-硅真空鍵合形成該真空壓力參考腔，該 硅敏感薄膜和該下硅片組成了該硅敏感元件；
2) 將該硅敏感元件利用硅橡膠粘結在該陶瓷棒端面，該采用環(huán)氧膠將該陶瓷棒與不銹鋼管管壁粘合，該硅敏感元件受壓面與該不銹鋼 管管口內邊緣齊平封裝。
作為本發(fā)明的進一步改進，該陶瓷棒上設有多條便于固定該金絲
內引線的花鍵槽，該金絲內引線另一端連接到固定于該花鍵槽內外引 線，實現(xiàn)信號輸出。
作為本發(fā)明的進一步改進，該硅敏感元件長寬尺寸為(0. 8-1. 2mm) X(O. 8-1.2mm)。
作為本發(fā)明的進一步改進，該硅敏感元件受壓面與作為該引壓口 的不銹鋼管管口間填充有作為壓力傳導介質的硅凝膠。
作為本發(fā)明的進一步改進，該不銹鋼管管口還設有保護帽。
本發(fā)明的有益技術效果是本發(fā)明為流體動力學測試提供了一種 很好的測量工具，由于采用MEMS (Micro Electro Mechanical System) 硅體微機械加工技術，所以該基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器尺寸 很?。挥捎诓捎谬R平封裝(即受壓面與引壓口的內邊緣齊平)，消除了 管腔效應，提高了傳感器測量的動態(tài)頻響，保證了測量的準確性和真 實性；該硅敏感元件內部設有真空壓力參考腔，有利于測量受壓面的 絕對壓力值，該產(chǎn)品可廣泛應用于空氣動力學、爆破力學、智能建筑、 水利電力設計、石油化工等流體力學測試領域。
圖1為本發(fā)明中所述基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器的剖面示 意圖2為所述硅敏感元件的剖面示意圖。 對照圖1和圖2，作補充說明-
1——保護帽 3——金絲內引線
2——硅敏感元件 4——花鍵槽 21——應變電阻 5——絕緣棒211——弓I壓點 6——傳感器殼體
22——真空壓力參考腔 7——外引線
23——硅敏感薄膜 8——壓力傳導介質 25——下硅片
具體實施例方式
結合圖1和圖2，以下作進一步描述 一種基于MEMS技術微型動 態(tài)壓力傳感器，由硅敏感元件2和傳感器殼體6組成，該硅敏感元件2 受壓面設有惠斯通電橋結構而內部設有真空壓力參考腔22，該硅敏感 元件背壓面固定于由陶瓷材質構成的絕緣棒5端面，該絕緣棒5固定 于作為該傳感器殼體的不銹鋼管內，并且該硅敏感元件受壓面與作為 引壓口的不銹鋼管管口內邊緣齊平封裝，該惠斯通電橋結構上應變電 阻21通過金絲內引線3連接到該絕緣棒上外引線7，實現(xiàn)信號傳輸。
該絕緣棒上還設有多條便于固定該金絲內引線3與外引線7的花 鍵槽4，該金絲內引線3與外引線7在該花鍵槽中連接，實現(xiàn)信號輸出， 該硅敏感元件受壓面與作為該不銹鋼管管口之間填充有作為壓力傳導 介質8的硅凝膠，該不銹鋼管管口還設有保護帽1。該硅敏感元件長寬 尺寸為(0. 8-1.2mm) X(O. 8-1. 2mm)，典型尺寸為1mXl腿，傳感器外 徑尺寸可以為2mm。
所述動態(tài)壓力傳感器的制造步驟包括
首先采用MEMS (Micro Electro Mechanical System)硅體微機械 加工方法制造具有惠斯通電橋結構的硅敏感薄膜23，該惠斯通電橋結 構上應變電阻21采用離子注入技術摻雜形成，而該應變電阻引壓點 211焊接金絲內引線實現(xiàn)壓力引出，該硅敏感薄膜23背部與作為襯底 的下硅片25通過硅-硅真空鍵合形成該真空壓力參考腔22，該硅敏感 薄膜23和該下硅片25組成了該硅敏感元件2;
然后將該硅敏感元件2利用硅橡膠粘結在由陶瓷材質構成的絕緣
7棒5端面，采用環(huán)氧膠將該絕緣棒與不銹鋼管管壁粘合，該硅敏感元 件受壓面與該不銹鋼管管口內邊緣齊平封裝。該絕緣棒上設有多條便 于固定該金絲內引線的花鍵槽，該金絲內引線另一端連接到固定于該 花鍵槽內外引線，實現(xiàn)信號傳輸。
所述基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器的工作原理是當有載荷 作用到傳感器前端的壓力傳導介質時，壓力傳導介質會將壓力傳導到 硅敏感元件的受壓面，這時硅敏感元件通過應變電阻將壓力信號轉化 為電信號，并且通過金絲內引線和外引線輸出。由于采用齊平封裝設 計，消除了管腔效應，使傳感器獲得優(yōu)異的動態(tài)特性；同時，為了保 護硅敏感元件，不使用時可以在傳感器前端安裝保護帽l。 所述基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器具有以下特性 1、本發(fā)明采用硅敏感元件，解決了動態(tài)測量中的頻響問題；在動 態(tài)應用時，動態(tài)精度高，使用頻帶寬，通過合理設計傳感器外形，使 用帶寬可以從零頻至lMHz;
'2、該硅敏感元件內部真空壓力參考腔，便于測量受壓面的絕對壓 力值；
3、 本發(fā)明硅敏感元件的加工基于MEMS硅體微機械加工技術，應 變電阻采用離子注入摻雜形成，有優(yōu)良的均勻性和摻雜準確度以保證 零位和靈敏度的穩(wěn)定性，采用硅-硅鍵合技術形成該真空壓力參考腔；
4、 為提高硅敏感元件與傳感器殼體之間的絕緣強度，在不銹鋼管 上進行鍍膜處理，然后采用高絕緣環(huán)氧膠將絕緣載體與殼體粘合。
采用該發(fā)明制作的壓力傳感器具有優(yōu)異的靜態(tài)指標和動態(tài)特性， 可廣泛應用于要求傳感器尺寸小、不影響流場、動態(tài)特性好的流體動 力學測試中。
權利要求
1、一種基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器，其特征在于，由硅敏感元件(2)和傳感器殼體(6)組成，該硅敏感元件(2)受壓面設有惠斯通電橋結構而內部設有真空壓力參考腔(22)，該硅敏感元件背壓面通過絕緣棒(5)固定于該傳感器殼體內，且該硅敏感元件受壓面與該傳感器殼體上引壓口的內邊緣齊平封裝，該惠斯通電橋結構上應變電阻(21)通過金絲內引線(3)連接到該絕緣棒上外引線(7)，實現(xiàn)信號傳輸。
2、 如權利要求1所述的基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器，其 特征在于，該傳感器殼體為不銹鋼管，該絕緣棒為陶瓷棒，該陶瓷棒 固定于該不銹鋼管內，該硅敏感元件背壓面固定于該陶瓷棒端面，該 陶瓷棒上設有多條便于固定該金絲內引線(3)與外引線(7)的花鍵 槽(4)，該金絲內引線(3)與外引線(7)在花鍵槽中連接，實現(xiàn)信 號輸出。
3、 如權利要求2所述的基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器，其 特征在于，該硅敏感元件長寬尺寸為(0.8-1.2mm) X(O. 8-1. 2mm)。
4、 如權利要求2所述的基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器，其 特征在于，該硅敏感元件受壓面與作為該引壓口的不銹鋼管管口之間 填充有作為壓力傳導介質(8)的硅凝膠。
5、 如權利要求2所述的基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器，其 特征在于，該不銹鋼管管口還設有保護帽(1)。
6、 一種如權利要求2所述基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器的 制造方法，其特征在于，包括以下步驟1)采用MEMS硅體微機械加工方法制造具有惠斯通電橋結構的硅 敏感薄膜(23)，該惠斯通電橋結構上應變電阻(21)采用離子注入技術摻雜形成，而該應變電阻引壓點(211)焊接金絲內引線實現(xiàn)壓力引出，該硅敏感薄膜背部與作為襯底的下硅片(25)通過硅-硅真空鍵合 形成該真空壓力參考腔(22)，該硅敏感薄膜和該下硅片組成了該硅敏 感元件；2)將該硅敏感元件利用硅橡膠粘結在該陶瓷棒端面，采用環(huán)氧膠 將該陶瓷棒與不銹鋼管管壁粘合，該硅敏感元件受壓面與該不銹鋼管 管口內邊緣齊平封裝。
7、 如權利要求6所述基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器的制造 方法，其特征在于，該陶瓷棒上設有多條便于固定該金絲內引線的花 鍵槽，該金絲內引線另一端連接到固定于該花鍵槽內外引線，實現(xiàn)信 號輸出。
8、 如權利要求6所述基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器的制造 方法，其特征在于，該硅敏感元件長寬尺寸為(0.8-1.2mm) X(O. 8-1.2mm)。
9 、如權利要求6所述基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器的制造 方法，其特征在于，該硅敏感元件受壓面與作為該引壓口的不銹鋼管 管口間填充有作為壓力傳導介質的硅凝膠。
10、如權利要求6所述基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器的制造 方法，其特征在于，該不銹鋼管管口還設有保護帽(1)。
全文摘要
一種基于MEMS技術微型動態(tài)壓力傳感器及其制造方法，壓力傳感器由硅敏感元件和作為傳感器殼體的不銹鋼管組成，硅敏感元件受壓面設有惠斯通電橋結構而內部設有真空壓力參考腔，硅敏感元件背壓面通過陶瓷棒固定于不銹鋼管內，硅敏感元件受壓面與傳感器殼體上引壓口的內邊緣齊平封裝，惠斯通電橋結構上應變電阻通過金絲內引線連接到絕緣棒上外引線，硅敏感元件背壓面固定于陶瓷棒端面，陶瓷棒上設有多條便于固定金絲內引線與外引線的花鍵槽，金絲內引線與外引線在花鍵槽中連接，本發(fā)明具有良好動態(tài)特性和微型化，可廣泛應用于空氣動力學、爆破力學、智能建筑、水利電力設計、石油化工等流體力學測試領域。
文檔編號G01L1/18GK101493367SQ200810019520
公開日2009年7月29日 申請日期2008年1月21日 優(yōu)先權日2008年1月21日
發(fā)明者豐金妹, 王文襄, 王景偉, 橋 石, 麗 邱 申請人:昆山雙橋傳感器測控技術有限公司