专利名称：基于mems技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种流体传感器，更确切地说，是一种基于微机电系统(MEMS)技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器。
背景技术：
密度是流体的一个重要的参数指标，在石化、医药、环保等领域中，流体密度测量的准确性直接决定着生产成本和产品的质量。随着微机电系统(MEMQ技术的发展，基于硅微芯片的流体密度传感器得到了广泛研究。然而，目前的流体密度传感器在测量流体密度的同时忽略了影响流体密度的其他因素，比如流体的温度和环境压力。同一种流体在不同的温度和压力下密度不同，传统的流体密度传感器在测量流体密度的同时需要单独用压力传感器和温度传感器测量流体的环境压力和温度，以精确地得到流体在这种压力和温度下的密度值。这种测量方法不仅效率低，成本高，而且温度、压力传感器很难和密度传感器处于相同的位置，从而测量结果的精度难以保证。基于MEMS技术的硅微压力传感器具有体积小、灵敏度高、线性范围宽等优点，其弹性元件主要有平膜、岛膜和梁膜三种结构。平膜结构应用普遍，但当传感器量程低于 IOOkI^时，膜片厚度常常要做到20 μ m以下，此时膜片中心挠度较大，给测量结果带来很大的非线性误差。在实际流体密度的测量中，流体往往处于微压状态，因此用平膜结构来制作压力传感器是不理想的。采用岛膜结构，在膜片中心处增设质量块(即所谓的‘硬心’)， 在保证输出灵敏度的同时，增加膜片中心刚度，减小膜片中心最大挠度，从而改善了线性关系，提升了测量精度。然而岛膜结构在提高线性度，减小挠度的基础上牺牲了传感器的灵敏度，只能通过增加传感器的尺寸来弥补灵敏度的损失，而且“硬心”相对于膜片具有相当的质量，容易受到加速度信号的干扰而影响信号的输出。梁膜结构利用正面腐蚀形成的梁与从背面腐蚀形成的膜相叠加，可实现应力集中，但是由于梁的厚度一般大于膜厚，梁横穿过膜片中心且与固支端相连，在显著降低传感器非线性度的同时也降低了传感器的灵敏度。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器，其灵敏度更高、非线性较小，且提高了传感器的抗干扰性。本发明基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器，包括配置有空腔的基座，基座内壁设置有永磁体，集成传感器芯片与玻璃底座封装在一起后封装在基座底部，所述基座底部开设有供流体流入流出的通液孔，所述玻璃底座开设由与前述通液孔相通的开孔以将基座浸没于流体中，所述集成传感器芯片通过其焊盘与PCB转接板相连，再通过信号线输出；所述集成传感器芯片包括密度传感器芯片，压力传感器芯片和集成在密度传感器芯片表面的硼掺杂热敏电阻，其中，所述密度传感器芯片通过其上的两个焊盘引入交流电；所述压力传感器芯片采用分布式梁膜结构。所述集成传感器芯片与玻璃底座通过环氧树脂粘结或玻璃粉烧结工艺封装在基座底部；所述密度传感器芯片表面的硼掺杂热敏电阻的有效长度方向为W10]晶向；在所述压力传感器芯片正面刻蚀形成分布式梁，在压力传感器芯片背面腐蚀形成平膜，所述分布式梁在平膜之上，与其共同组成分布式梁膜结构；所述在分布式梁上最大应力处布置有由四个电阻条形成的半开环惠斯通全桥；所述半开环惠斯通全桥的电阻条的布置方式为电阻条的有效长度均沿[oTl]晶向；所述密度传感器芯片具有硅微矩形悬臂梁结构，采用硼掺杂的方式在悬臂梁发生共振时的最大应变处形成四个电阻条，所述电阻条布置成闭环惠斯通全桥；所述构成闭环惠斯通全桥的四个电阻条的布置方式为所述相对的第一和第三电阻条的有效长度方向沿W11]晶向，另一对相对的第二和第四电阻条的有效长度方向沿 [Oil]晶向。本发明基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器至少具有以下优点本发明将流体密度、压力、温度传感器集成在一起，压力传感器芯片采用分布式梁膜结构不仅会在分布式梁处产生应力集中，获得高灵敏度输出，同时分布式梁可以增加电阻条处的刚度并减小挠度，从而减小其非线性；同时平膜灵敏度并没有减小，从而克服了岛膜结构压力传感器为了增大灵敏度而采用大尺寸平膜的弊端。而且分布式梁膜结构相比岛膜结构不存在“硬心”质量块，避免了传感器容易受到振动加速度信号的干扰，提高了传感器的抗干扰能力。


图1为本发明基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器的结构图；图2为本发明集成传感器芯片的结构原理图，其中，图2(a)为俯视图，图2(b)为 A-A’视图；图3为本发明的测量原理图。图中的标号如下表示
权利要求
1.基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器，其特征在于 包括配置有空腔的基座O)，基座O)内壁设置有永磁体(7)，集成传感器芯片( 与玻璃底座(4)封装在一起后封装在基座( 底部，所述基座( 底部开设有供流体流入流出的通液孔(5、6)，所述玻璃底座(4)开设由与前述通液孔相通的开孔已将基座( 浸没于流体中，所述集成传感器芯片C3)通过其焊盘与PCB转接板(1)相连，再通过信号线输出；所述集成传感器芯片C3)包括密度传感器芯片(31)，压力传感器芯片(3 和集成在密度传感器芯片(31)表面的硼掺杂热敏电阻(25)，其中，所述密度传感器芯片(3)通过其上的两个焊盘引入交流电，所述压力传感器芯片(32)采用分布式梁膜结构。
2.如权利要求1所述的基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器，其特征在于所述集成传感器芯片( 与玻璃底座(4)通过环氧树脂粘结或玻璃粉烧结工艺封装在基座底部。
3.如权利要求1中所述的基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器，其特征在于所述密度传感器芯片(31)表面的硼掺杂热敏电阻0 的有效长度方向为
晶向。
4.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器，其特征在于在所述压力传感器芯片(3 正面刻蚀形成分布式梁(33 36)，在压力传感器芯片(3 背面腐蚀形成平膜(39)，所述分布式梁(33 36)在平膜(39)之上，与其共同组成分布式梁膜结构。
5.根据权利要求4所述的基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器，其特征在于所述在分布式梁(33 36)上最大应力处布置有由四个电阻条(21 24)形成的半开环惠斯通全桥(37)。
6.根据权利要求5所述的基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器，其特征在于所述半开环惠斯通全桥(37)的电阻条(21 24)的布置方式为电阻条Ol 24)的有效长度均沿[OTl]晶向。
7.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器，其特征在于所述密度传感器芯片(31)具有硅微矩形悬臂梁结构，采用硼掺杂的方式在悬臂梁Gl)发生共振时的最大应变处形成四个电阻条06 四)，所述电阻条 (26 29)布置成闭环惠斯通全桥(38)。
8.根据权利要求7所述的基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器，其特征在于所述构成闭环惠斯通全桥(38)的四个电阻条06 四)的布置方式为所述相对的第一和第三电阻条(26、28)的有效长度方向沿
晶向，另一对相对的第二和第四电阻条07、四)的有效长度方向沿[OTl]晶向。
全文摘要
本发明提供了一种基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器，包括配置有空腔的基座，基座内壁设置有永磁体，集成传感器芯片与玻璃底座封装在一起后封装在基座底部，所述基座底部开设有供流体流入流出的通液孔，所述玻璃底座开设由与前述通液孔相通的开孔以将基座浸没于流体中，所述集成传感器芯片通过其焊盘与PCB转接板相连，再通过信号线输出；所述集成传感器芯片包括密度传感器芯片，压力传感器芯片和集成在密度传感器芯片表面的硼掺杂热敏电阻，其中，所述密度传感器芯片通过其上的两个焊盘引入交流电；所述压力传感器芯片采用分布式梁膜结构。本发明传感器可以同时测量流体密度、压力和温度，且灵敏度更高、非线性较小，提高了传感器的抗干扰性。
文档编号G01N9/00GK102288516SQ20111018019
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者刘志刚, 张桂铭, 王晓坡, 苑国英, 蒋庄德, 赵玉龙, 赵立波, 黄恩泽 申请人:西安交通大学