本發(fā)明屬于先進傳感器技術研究中的傳感器優(yōu)化設計的技術領域，具體涉及一種高溫大量程硅-藍寶石壓力傳感器結構。

背景技術：

高溫高壓環(huán)境下壓力的高精度測量技術在工業(yè)、航空、航天、武器裝備等領域具有非常廣泛的應用前景。同時，由于敏感材料溫度特性的限制，該技術一直是壓力測量領域有待攻克的難題。

目前，國內外研制出的高溫壓力傳感器包括合金薄膜壓力傳感器、絕緣襯上硅(Silicon-On-Insulator，簡稱SOI)壓力傳感器、SiC壓力傳感器、硅-藍寶石壓力傳感器等。其中合金薄膜壓力傳感器利用薄膜沉積代替了傳統(tǒng)粘貼式應變片的膠接，實現(xiàn)了高溫下的壓力測量，但受加工工藝及結構復雜、體積較大、傳感器靈敏度低等因素影響，給使用帶來很多不便；SOI壓力傳感器受工藝及結構限制，應用范圍受到限制；SiC壓力傳感器由于單晶與薄膜材料的制備和器件制造的難度很大，其研究水平與實際應用的要求還有較大的差距；硅-藍寶石壓力傳感器由于良好的機械特性及耐高溫特性，成為目前研究的熱點技術。

壓阻式壓力傳感器結構主要分為單膜片和雙膜片兩種，其中單膜片結構用于小量程的壓力測量，靈敏度較高，但測量范圍較?。浑p膜片結構用于大量程的壓力測量，測量范圍較大，但靈敏度較低。同時實現(xiàn)高靈敏度和大量程的壓力傳感器結構一直都是研究的難點。

基于以上背景，設計一種硅-藍寶石壓力傳感器結構使其不僅能夠在高溫高壓下正常工作，還擁有靈敏度高，線性度好等優(yōu)點。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是設計出一種靈敏度高，線性度好的高溫大量程壓力傳感器。

為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：

一種高溫大量程硅-藍寶石壓力傳感器結構，包括鈦合金殼體1、下鈦合金膜片2、藍寶石膜片3、單晶硅應變電阻4、上鈦合金膜片5、連接柱體6和金屬引線7，其中鈦合金殼體1為下鈦合金膜片2、藍寶石膜片3、單晶硅應變電阻4、上鈦合金膜片5、連接柱體6和金屬引線7提供支撐和保護，下鈦合金膜片2和藍寶石膜片3通過真空燒結的方式結合在一起，組成彈性敏感膜片；以藍寶石膜片3為襯底，在其上通過半導體工藝加工出單晶硅應變電阻4，形成硅-藍寶石結構；通過對稱式的方式對膜上的單晶硅應變電阻4進行排列，利用金屬引線7進行連接，組成惠斯頓電橋；下膜片與上鈦合金膜片5通過連接柱體6組成分離式的雙膜片結構，提高傳感器測量范圍。

更進一步的，下鈦合金膜片2是周邊固支圓平膜片，與藍寶石膜片3燒結在一起，感知壓力產生形變，上鈦合金膜片5也是周邊固支圓平膜片，其下表面連接一個柱體6，柱體6下表面加工成球形凹面，與藍寶石膜片3保持5-10μm的間距，當下膜片受力變形，可與連接柱體6下表面凹面完全貼合，使下膜片受力均勻，使傳感器在測量小量程壓力時，具備高靈敏度的優(yōu)點，同時也具備大量程壓力測量的能力。

更進一步的，藍寶石膜片3與單晶硅應變電阻4之間沒有采用p-n結進行隔離，而是通過在藍寶石膜片3上異質外延生長出一層單晶硅薄膜，在外延膜上通過半導體平面工藝加工出單晶硅應變電阻4。

更進一步的，當測量小量程壓力時，藍寶石膜片與連接柱體不接觸，只有單膜片作用，使傳感器靈敏度足夠高；當測量大量程壓力時，藍寶石膜片與連接柱體接觸，雙膜片起作用，保護藍寶石膜片不被破壞，同時提高傳感器的測量范圍。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點：

(1)、本發(fā)明采用了分離式雙膜片設計，上膜片連接一個柱體，連接柱體與下膜片保持較小的距離，在測量小量程壓力時具有高靈敏度的優(yōu)點，同時也可用于大量程壓力的測量。

(2)、本發(fā)明采用了藍寶石材料作為襯底，單晶硅作為外延層材料，避免了p-n隔離，提高了傳感器工作溫度范圍。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種高溫大量程硅-藍寶石壓力傳感器結構示意圖。

圖中附圖標記含義為：1為鈦合金殼體，2為下鈦合金膜片，3為藍寶石膜片，4為單晶硅應變電阻，5為上鈦合金膜片，6為連接柱體，7為金屬引線。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的高溫大量程硅-藍寶石壓力傳感器結構進行進一步描述。

本發(fā)明的硅-藍寶石壓力傳感器結構如圖1所示，主要包括鈦合金殼體1、下鈦合金膜片2、藍寶石膜片3、單晶硅應變電阻4、上鈦合金膜片5、連接柱體6和金屬引線7。其中鈦合金殼體1為其他部件提供支撐和保護，下鈦合金膜片2和藍寶石膜片3通過真空燒結的方式結合在一起，組成彈性敏感膜片；以藍寶石膜片3為襯底，在其上通過半導體工藝加工出單晶硅應變電阻4，形成硅-藍寶石結構；通過對稱式的方式對膜上的單晶硅應變電阻4進行排列，利用金屬引線7進行連接，組成惠斯頓電橋；上下膜片都是周邊固支圓平膜片，其中上鈦合金膜片5下表面連接一個柱體6，柱體6下表面加工成球形凹面，與藍寶石膜片3保持5-10μm的間距，當下膜片受力變形，可與連接柱體6下表面凹面完全貼合，使下膜片受力均勻。

當壓力作用于傳感器，鈦合金膜片2和藍寶石膜片3組成的壓力敏感膜片受力變形，膜上的單晶硅應變電阻4受到應力的作用而阻值發(fā)生變化，由這些電阻及金屬引線7構成的惠斯頓電橋輸出壓力信號，通過測量傳感器的輸出電壓，可以反算出被測壓力值。由于采用了四臂電橋結構，輸入輸出線性度大大提高，同時受溫度漂移的影響也大大減小。

傳感器的耐高溫特性得益于硅-藍寶石結構。由于藍寶石和單晶硅的晶格結構不同，所以需要在藍寶石襯底上選擇一個合適的晶面，以供單晶硅薄膜生長。藍寶石(Al₂O₃)屬六方晶體，各向異性，其上(1102)面與單晶硅的(100)面晶格間距相近，所以選擇在藍寶石襯底的(1102)面上通過異質外延生長出一層(100)面的單晶硅薄膜，形成硅-藍寶石結構。由于沒有p-n隔離，所以這一結構能夠在350℃的高溫下正常工作。

傳感器采用分離式雙膜片結構提高了傳感器的測量量程。當測量小量程壓力時，由下鈦合金膜片2和藍寶石膜片3組成的壓力敏感膜片的形變較小，下膜片不與連接柱體6接觸，傳感器相當于單膜片的壓阻式壓力傳感器，此時可以保證傳感器的高靈敏度；當測量大量程壓力時，下膜片形變較大，與連接柱體6完全接觸，帶動上鈦合金膜片5產生形變，上下膜片組成雙膜片的壓力傳感器結構，可以保證藍寶石膜片不被破壞，同時提高傳感器的測量量程。通過采用分離式雙膜片結構，本發(fā)明設計的傳感器同時具備單膜片傳感器和雙膜片傳感器的優(yōu)點，在小量程壓力測量的時候具備高靈敏度的優(yōu)點，同時也可用于大量程壓力測量，測量量程可達到100MPa。