專利名稱：Mems筒式耐高溫超高壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓力傳感器，特別涉及MEMS筒式耐高溫超高壓力傳感器。
背景技術：
現今石油化工、航空航天、軍工、冶煉等領域普遍存在高溫、瞬時高溫沖擊、超高量 程等條件下的測量難題，針對這一測量難題而設計的耐高溫壓力傳感器已有廣泛的研究和 應用，如SOI硅壓阻壓力傳感器、SOS壓力傳感器、濺射薄膜壓力傳感器以及采用硅應變片 或高溫箔式應變片制作的耐高溫壓力傳感器等。從測量機理來看，這些傳感器都是基于電 阻效應的；從結構上來看，這些傳感器的彈性元件和敏感元件可分為一體化結構和組合式 結構兩類。具有彈性敏感元件一體化結構的SOI壓阻壓力傳感器存在以下缺點1)最高量程 不超過150MPa ；2)被測介質不僅要與外殼材料兼容，同時還必須與硅、玻璃及封裝材料兼 容，因而應用范圍相對較窄。彈性元件與敏感元件為組合式結構的耐高溫壓力傳感器存在以下缺點1)敏感 元件通過多種工藝封裝在金屬彈性元件上，敏感元件感受金屬彈性元件的應變達到檢測壓 力的目的。而敏感元件、金屬彈性元件及封裝材料的熱膨脹系數差異會產生封裝殘余應力， 特別是在高溫環境下進行應用時，就會表現出穩定性差等問題；幻如果敏感元件是基于金 屬電阻效應的，如濺射薄膜或采用高溫箔式金屬應變片的壓力傳感器，由于金屬的電阻率 小，壓阻系數很低，傳感器的靈敏度很小(僅幾mV/V)，因而信噪比差，對后續的信號處理電 路要求較高。

發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供MEMS筒式耐高溫超高壓 力傳感器，具有測量量程大，應用范圍廣，靈敏度和信噪比好，傳感器的溫度穩定性好的優 點ο為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為MEMS筒式耐高溫超高壓力傳感器，包括底座1，底座1下部為螺紋基座，上部為承 壓筒2，承壓筒2的頂部兩側對稱配置有平面的圓柱臺12，硅梁敏感元件3對稱封裝在圓柱 臺12側平面上，硅梁敏感元件3的固定端11在圓柱臺12側平面上，而測量島8與承壓筒 2的側面相接觸，承壓筒2內部的承壓孔13孔底不超過圓柱臺12的下底面，外殼6安裝在 底座1上，承壓筒2的圓柱臺12的頂面配置有高溫轉接端子10，硅梁敏感元件3的惠斯通 電橋通過金絲引線4和高溫轉接端子10連接，高溫電纜線5穿過外殼6上的固線帽7連接 高溫轉接端子10與外部電路。所述的硅梁敏感元件3采用單梁結構，兩端分別為測量島8和固定端11，測量島8 和固定端11通過硅梁9連接成一體，惠斯通電橋配置在硅梁9上。所述的測量島8與承壓筒2的接觸方式有接觸式或粘接式。3
所述的承壓彈性筒2由高強度彈簧鋼制造，能夠承受IGPa的壓力，同時與測量介 質具有兼容性。所述的硅梁敏感元件3采用MEMS技術和SOI技術制作，傳感器的輸出電壓為 20mV/V 以上。本發明的工作原理為被測壓力P通過底座1直接作用在承壓筒2的內部使承壓筒2的圓周發生膨脹形 變，其徑向的最大形變擾度直接傳遞到硅梁敏感元件3的測量島8上，同時由于硅梁敏感元 件3的固定端11在承壓筒2頂部的無變形區而測量島8在變形區，所以硅梁敏感元件3上 的硅梁9發生形變，基于單晶硅壓阻效應，硅梁敏感元件3上的惠斯通電橋的四個壓敏電阻 阻值發生變化，恒定電流或恒定電壓經由高溫電纜線5、高溫轉接端子10和金絲引線4加載 至惠斯通電橋輸入端，壓敏電阻阻值發生變化的惠斯通電橋輸出端輸出與被測壓力P成正 比的電信號，再經由金絲引線4、高溫轉接端子10和高溫電纜線5傳輸至外部電路，對電信 號的測量實現了對被測壓力P的測量。由于承壓彈性筒2采用高強度彈簧鋼制作，可以承受IGPa的壓力，同時對測量介 質兼容性好，所以具有測量量程大，應用范圍較廣的優點；由于敏感元件是采用MEMS技術 和SOI技術制作的硅梁敏感元件，壓阻系數較高，輸出電壓可達20mV/V以上，遠遠高于濺射 薄膜或高溫箔式金屬應變片的壓力傳感器的輸出電壓(僅幾mV/V)，因此靈敏度和信噪比 都較好，降低了對后續調理電路的要求；由于本發明中傳感器的彈性元件與敏感元件的接 觸方式與濺射薄膜或高溫箔式金屬應變片的壓力傳感器不同，彈性元件與敏感元件之間熱 膨脹系數的差異對傳感器的性能影響很小，在高溫環境下穩定性也會因此大幅度提升。


圖1為本發明的結構示意圖。圖2-a為本發明硅梁敏感元件3的主視圖。圖2_b為本發明硅梁敏感元件3的俯視圖。具體實施方案以下結合附圖對本發明的結構原理、工作原理作更詳細的說明。MEMS筒式耐高溫超高壓力傳感器，參照圖1和圖2，包括底座1，底座1下部為螺紋 基座，上部為承壓筒2，承壓筒2的頂部為兩側對稱配置有平面的圓柱臺12，硅梁敏感元件3 對稱封裝在圓柱臺12側平面上，硅梁敏感元件3的固定端11在圓柱臺12側平面上，而測 量島8與承壓筒2的側面相接觸，承壓筒2內部的承壓孔13孔底不超過圓柱臺12的下底 面，保證圓柱臺12為無變形區而承壓筒2側面為變形區，外殼6安裝在底座1上，承壓筒2 的圓柱臺12的頂面配置有高溫轉接端子10，硅梁敏感元件3的惠斯通電橋通過金絲引線4 和高溫轉接端子10連接，高溫電纜線5穿過外殼6上的固線帽7連接高溫轉接端子10與 外部電路。所述的硅梁敏感元件3采用單梁結構，參照圖2-a和圖2_b，兩端分別為測量島8 和固定端11，其中測量島8從正式圖看為梯形結構，其下表面用以感應形變，測量島8和固 定端11通過硅梁9連接成一體，惠斯通電橋配置在硅梁9上。
所述的測量島8與承壓彈性筒2的接觸方式有接觸式或粘接式。所述的承壓彈性筒2由高強度彈簧鋼制造，能夠承受IGPa的壓力，同時與測量介 質具有兼容性。所述的硅梁敏感元件3采用MEMS技術和SOI技術制作，傳感器的輸出電壓為 20mV/V 以上。本發明的工作原理為被測壓力P通過底座1直接作用在承壓筒2的內部使承壓筒2的圓周發生膨脹形 變，其徑向的最大形變擾度直接傳遞到硅梁敏感元件3的測量島8上，由于硅梁敏感元件3 的固定端11在承壓筒2頂部的無變形區而測量島8在變形區，所以硅梁敏感元件3上的硅 梁9發生形變，基于單晶硅壓阻效應，硅梁敏感元件3上的惠斯通電橋的四個壓敏電阻阻值 發生變化，恒定電流或恒定電壓經由高溫電纜線5、高溫轉接端子10和金絲引線4加載至惠 斯通電橋輸入端，壓敏電阻阻值發生變化的惠斯通電橋輸出端輸出與被測壓力P成正比的 電信號，再經由金絲引線4、高溫轉接端子10和高溫電纜線5傳輸至外部電路，對電信號的 測量實現了對被測壓力P的測量。由于承壓彈性筒2采用高強度彈簧鋼制作，可以承受IGPa的壓力，同時對測量介 質兼容性好，所以具有測量量程大，應用范圍較廣的優點；由于敏感元件是采用MEMS技術 和SOI技術制作的硅梁敏感元件，壓阻系數較高，輸出電壓可達20mV/V以上，遠遠高于濺射 薄膜或高溫箔式金屬應變片的壓力傳感器的輸出電壓(僅幾mV/V)，因此靈敏度和信噪比 都較好，降低了對后續調理電路的要求；由于本發明中傳感器的彈性元件與敏感元件的接 觸方式與濺射薄膜或高溫箔式金屬應變片的壓力傳感器不同，彈性元件與敏感元件之間熱 膨脹系數的差異對傳感器的性能影響很小，在高溫環境下穩定性也會因此大幅度提升。附圖中1為底座；2為承壓筒；3為硅梁敏感元件；4為金絲引線；5為高溫電纜 線；6為外殼；7為固線帽；8為測量島；9為硅梁；10為高溫轉接端子，11為固定端，12為圓 柱臺，13為承壓孔。
權利要求
1.MEMS筒式耐高溫超高壓力傳感器，包括底座(1)，其特征在于底座(1)下部為螺紋 基座，上部為承壓筒0)，承壓筒O)的頂部為兩側對稱配置有平面的圓柱臺(12)，硅梁敏 感元件(3)對稱封裝在圓柱臺(12)側平面上，硅梁敏感元件(3)的固定端(11)在圓柱臺 (12)側平面上，而測量島(8)與承壓筒O)的側面相接觸，承壓筒O)內部的承壓孔(13) 孔底不超過圓柱臺(1 的下底面，外殼(6)安裝在底座(1)上，承壓筒O)的圓柱臺(12) 的頂面配置有高溫轉接端子(10)，硅梁敏感元件(3)的惠斯通電橋通過金絲引線⑷和高 溫轉接端子(10)連接，高溫電纜線(5)穿過外殼(6)上的固線帽(7)連接高溫轉接端子(10)與外部電路。
2.根據權利要求1所述的MEMS筒式耐高溫超高壓力傳感器，其特征在于所述的硅梁 敏感元件(3)采用單梁結構，兩端分別為測量島(8)和固定端(11)，測量島(8)和固定端(11)通過硅梁(9)連接成一體，惠斯通電橋配置在硅梁(9)上。
3.根據權利要求1所述的MEMS筒式耐高溫超高壓力傳感器，其特征在于所述的測量 島(8)與承壓筒O)的接觸方式有接觸式或粘接式。
4.根據權利要求1所述的MEMS筒式耐高溫超高壓力傳感器，其特征在于所述的承壓 彈性筒O)由高強度彈簧鋼制造，能夠承受IGPa的壓力，同時與測量介質具有兼容性。
5.根據權利要求1所述的MEMS筒式耐高溫超高壓力傳感器，其特征在于所述的硅梁 敏感元件(3)采用MEMS技術和SOI技術制作，傳感器的輸出電壓為20mV/V以上。
全文摘要
MEMS筒式耐高溫超高壓力傳感器，包括底座，硅梁敏感元件封裝在底座上部承壓筒的側平面上，其測量島與承壓筒的側面相接觸，承壓筒配置有高溫轉接端子，硅梁敏感元件的惠斯通電橋和高溫轉接端子連接，高溫電纜線連接高溫轉接端子與外部電路，被測壓力作用在承壓筒上并使其圓周發生膨脹形變，其徑向的最大形變擾度傳遞到測量島上，硅梁發生形變，惠斯通電橋的四個壓敏電阻阻值發生變化，恒定電流或恒定電壓經由高溫電纜線、高溫轉接端子和金絲引線加載至電橋輸入端，電橋輸出與被測壓力成正比的電信號并傳輸至外部電路，實現對被測壓力的測量，本發明具有測量量程大，應用范圍廣，靈敏度和信噪比好，傳感器的溫度穩定性好的優點。
文檔編號B81B7/00GK102052985SQ201010621888
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者吳婧, 苑國英, 蔣莊德, 趙玉龍, 趙立波, 郭鑫 申請人:西安交通大學