[實用新型]耐高溫硅壓阻壓力敏感元件

有效

• 申請號: 201821376948.7
• 申請日: 2018-08-25
• 公開（公告）號: CN208704923U
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發明（設計）人: 王林;杜鵬;羅擴郎;蘇長遠;田文晉;劉利;郝玉慧
• 申請（專利權）人: 成都凱天電子股份有限公司
• 主分類號: G01L1/20
• 分類號: G01L1/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本實用新型公開的一種耐高溫硅壓阻壓力敏感元件，旨在提供一種長期穩定性能好、響應時間快、耐高溫的壓力敏感元件。本實用新型提供下述技術方案予以實現：透明盤(5上方層疊陽極鍵合劃片形成的硅壓阻感壓芯片(3)，并通過周向上支撐的環盤形成盤腔，硅壓阻壓力芯片底部上的四個中央對稱鉑金電極導柱的四個感壓電阻組成的惠思登電橋，面向透明盤，通過環盤底部制有落入透明盤周向分布的錐形孔(4)中的導柱對位固定，圍繞透明盤圓心等分均布的金屬導線(7)穿過絕緣子(6)，伸入填充有導電銀漿的錐形孔中，連同固定在透明盤下方的玻璃絕緣子一體高溫燒結組成承受被測應力的透明基座，實現高溫環境下壓力測量。

技術領域

本實用新型涉及一種可廣泛用于各種壓力測量系統的高溫硅壓阻壓力敏感元件。

背景技術

隨著我國航空、航天、船舶、電力、石油、化工等領域的不斷技術發展，需要使用溫度達430℃以上、壓力測量范圍達60MPa以上、輸出信號靈敏度達30mv/V以上、測量精度達±0.1％FS的工程化應用的高溫硅壓阻壓力敏感元件。壓阻式壓力傳感器又稱為固態壓力傳感器，是指利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。由于半導體材料對溫度十分敏感,壓阻式壓力傳感器的四個檢測電阻多接為惠斯登電橋型,因此壓阻式壓力傳感器在硅膜片特定方向上擴散4個等值的半導體電阻，并連接成惠斯通電橋，作為電變換器的敏感元件。當膜片受到外界壓力作用，電橋失去平衡時，若對電橋施加恒流或恒壓激勵電源，便可得到與被測壓力成正比的輸出電壓，從而達到測量壓力的目的。

目前普遍采用的硅壓阻式壓力傳感器都由直接承受被測應力的的基體，將被測應力傳遞到芯片的波紋膜片，檢測被測應力的芯片由3個基本部分組成：芯片是在硅彈性膜片上用半導體特定晶向制作相同的4個感壓電阻，在它的正面制作壓阻全橋將它們連成惠斯通電橋構成基本的壓力敏感元件。膜片即是力敏電阻的襯底，又是外加應力的承受體。其中，在硅膜片背面上用機械或化學腐蝕的方法加工成中間很薄的凹狀，稱為硅杯。如果硅杯是圓形的凹坑，就稱為圓形膜片。膜片還有方形、矩形等多種形式。當存在外加應力時，膜片上各處受到的應力是不同的。4個橋臂電阻在膜片上的位置與方向設置要根據晶向和應力來決定。膜片的設計和制作決定了傳感器的性能及量程。在傳感器的波紋膜片及芯片之間填充了硅油，這種充油封裝結構的壓力傳感器目前已相當成熟。量程為0～100kPa至0～60MPa，工作溫度為-40℃～125℃，精度為0.5％～0.1％；能夠實現表壓、絕壓測量。這種傳感器通常采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上,制成硅壓阻芯片,并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內。擴散硅材料及引線鍵合工藝制備的硅壓阻壓力敏感元件，因其利用擴散技術形成的電橋阻值易隨溫度改變,并且壓阻元件的壓阻系數具有較大的負溫度系數,這些易引起電阻值與電阻溫度系數的離散,導致壓力傳感器的熱靈敏度漂移和零點漂移。環境溫度只能在-40℃～ +120℃范圍內，制備的硅壓阻壓力敏感元件精度低、可靠性差、耐高低溫能力不足。各種壓力測量系統的高端應用只能依靠國外高溫高精度的硅壓阻壓力傳感器實現，但價格高、周期長、禁運風險大。從原理上講，硅壓阻壓力傳感器是以硅材料為基礎的物性型傳感器，硅材料受環境溫度影響較大，會產生很大的零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移，且形式多樣，對提高器件的穩定性很不利，同時硅壓阻壓力傳感器必須進行溫度補償，否則工業上很難應用；建立一套完整的溫度補償技術，不僅增加成本，同時也增加了人力資源，從某種意義上來說，極大地限制了硅壓阻壓力傳感器的廣泛應用。

目前基于擴散硅工藝的壓力敏感元件受到材料、結構原理、制作工藝的限制，無法滿足惡劣環境及長期穩定可靠的使用要求，使得該類技術在航空航天等高端領域的應用受到限制。本實用新型突破了SOI材料應用、結構設計仿真、無引線封裝等關鍵技術，解決了高溫瓶頸，是對現有技術的進一步改進和發展。

實用新型內容

本實用新型的目的是針對現有技術存在的不足之處，提供一種高溫性能卓越，可靠性高，響應時間快，長期穩定性好、體積小、結構簡潔，能夠適應各種壓力測量系統高端應用的耐高溫硅壓阻壓力敏感元件。