[發明專利]一種壓力計芯片

有效

• 申請號: 201610124330.0
• 申請日: 2016-03-04
• 公開（公告）號: CN105784214B
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發明（設計）人: 周顯良;王文
• 申請（專利權）人: 中國科學院地質與地球物理研究所;王文
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18;B81B7/00
• 代理公司: 北京金之橋知識產權代理有限公司 11137
• 代理人: 林建軍

本發明涉及傳感器領域，特別涉及一種壓力計芯片以及其制造工藝。一種壓力計，包括腔體、以及設置在所述腔體內的壓力計芯片；所述壓力計芯片在所述腔體內受被檢測的外界壓力均勻壓縮并且能夠自由的產生形變。所述壓力計芯片基本由單晶硅制成，包括相互連接的基板及蓋板；所述蓋板上形成有凹陷部，并與所述基板形成一個密封空腔，所述基板與所述蓋板之間形成有氧化硅層；所述基板包括壓阻測量元件，所述壓阻測量元件位于所述空腔之內。本壓力計芯片適合測量超高壓力，受溫度影響較小，可以在高溫的環境中使用，而且具有檢測精度高、可靠性高、制造成本低等特點。

技術領域

本發明涉及一種傳感器，特別是一種用于檢測礦井下壓力變化的壓力計。

背景技術

在碳氫化合物礦井的勘探與開采過程中，井下壓力的測量是至關重要的。在鉆井時所采集的壓力數據將用于設置鉆頭的各項參數以及建立礦井的結構。當鉆好礦井并開始開采后，油氣儲存量管理上又要用到壓力數據。所以在碳氫化合物礦井的整個周期中，壓力數據是至為關鍵的，尤其是在優化開采和降低風險上。為此，人們需要一種能精確，性價比又高的壓力測量裝置。

而用于碳氫化合物井下的壓力傳感器必須在惡劣的工作環境中，于長達數周的測量期間依舊能夠保持精準度、穩定性和可靠性。通常傳感器必須能夠承受-50至250攝氏度的溫度，以及高至200MPa的壓力(約2000個大氣壓)，其精準度必須將誤差保持在壓力量程的0.1％的范圍內，最好是在0.01％的范圍內。

用于井下的壓力計通常包括兩種：第一種是石英類壓力計，其中的石英諧振器被浸在液體中，并通過一個金屬隔離膜片或者波紋管來測量外界的壓力。在美國3617780號專利中描述了一種石英諧振器，其中的石英諧振部件被置于一個由石英外殼構成、真空密封的腔體內并形成了該腔體結構的主要支撐部件。該諧振部件通過電激勵及石英的壓電效應而產生諧振，其諧振頻率會根據腔體壁上的壓力變化而變化。由于石英共振已經是非常成熟的技術，而石英諧振器的全部部件基本都由石英制成，所以石英壓力計有著很高的精準度、穩定性和可靠性，并成為當今井下壓力計的最高標準。然而，石英壓力計的造價非常的昂貴。

另一種用于井下的壓力計為藍寶石類壓力計。在美國5024098號專利中描述了一種藍寶石壓力計，其中，藍寶石元件被浸在液體中并通過隔離膜片來測量外界的壓力。藍寶石元件在受到壓力時產生形變，通過設置在藍寶石元件表面上的薄膜應變計所測量的應變則可以推算出壓力值。雖然藍寶石壓力計的可靠性很高，并且適用于井下應用，但其精準度和穩定性并不如石英壓力計，而且其造價也非常昂貴。主要原因是：如果使用的薄膜應變計是硅材料的話，則精確度會受到硅的電阻溫度系數以及壓阻效應的溫度系數的影響。然而，如果不使用硅應變計，而采用金屬合金類薄膜應變計的話，則會有靈敏度低的問題，也會帶來溫度和其他測量誤差被放大的問題。此外，無論使用哪種材料的薄膜應變計，都會有和藍寶石熱脹冷縮系數不匹配所帶來的誤差。

現如今，大多數傳感器均為微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems-MEMS)類型的傳感器。與集成芯片類似，MEMS傳感器通常是通過對硅晶圓片進行微加工而制成的。鑒于MEMS傳感器的結構，也有一些用來制造三維細微結構的特殊的制造工藝，例如雙面光刻，深度反應離子刻蝕(Deep Reactive Ion Etching)，硅晶圓片鍵合等等。與石英和藍寶石相比，硅具有很好的機械特性，例如，高硬度，高彈性模量，高極限強度，并且在斷裂點之前都是完全彈性的。此外，單晶硅具有很強的壓阻效應，能有效地將應力變化轉化為電阻變化。況且，在硅上制作精確的微結構要比在石英或者藍寶石上制作容易的多。鑒于其成本低、尺寸小、精度高、可靠性高以及穩定性高等諸多優點，硅MEMS壓阻式壓力計已經廣泛應用于汽車、醫療、工業以及電子產品中。