专利名称：一种复合式mems耐高温超高压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种复合式MEMS耐高温超高压力传感器。
背景技术：
现今石油化工、航空航天、军工、冶炼等领域普遍存在高温、瞬时高温冲击、 超高量程等条件下的测量难题，针对这一测量难题而设计的耐高温压力传感器已有广泛 的研究和应用，如SOI硅压阻压力传感器、SOS (Silicon on Sapphire)压力传感器、溅射薄 膜压力传感器以及采用硅应变片或高温箔式应变片制作的耐高温压力传感器等。从测量 机理来看，这些传感器都是基于电阻效应的；从结构上来看，这些传感器的弹性元件和 敏感元件可分为一体化结构和组合式结构两类。从应用角度来看，S0I硅压阻压力传感 器得到了很好的应用，特别是美国Kulite和Endevco公司的此类产品，形成了行业垄断。具有弹性敏感元件一体化结构的S0I压阻压力传感器的主要优点包括1)精 度和灵敏度高，对后续信号处理电路无特殊要求，应用成本较低；2)重量轻、动态频响 高，使用带宽高达1MHz以上；3)性能稳定、可靠性高，由于硅芯片的工作弹性应变低 至微应变，最大位移在亚微米级，因而无磨损、疲劳和老化现象，寿命达107次以上压力 循环；4)可长期在高温(如300°C以上)环境下可靠工作；5)硅芯片采用MEMS (Micro Mechanical-electro System,微型机械电子系统)技术实现批量化制作，成本低等。但也 存在以下问题1)最高量程不超过150MPa ； 2)被测介质不仅要与外壳材料兼容，同时 还必须与硅、玻璃及封装材料兼容，因而应用范围相对较窄。弹性元件与敏感元件为组合式结构的耐高温压力传感器的主要优势在于1)量 程大，如可达700MPa以上；2)金属弹性元件和压力接口是由一个整件高强度不锈钢加 工而成，可根据不同的应用介质(如腐蚀介质)来选择不同的材质，适用被测介质范围 宽；3)内部的压力密封不存在0型圈，密封可靠性高。但这类传感器也有一定的不足之 处1)敏感元件通过多种工艺封装在金属弹性元件上，敏感元件感受金属弹性元件的应 变达到检测压力的目的。而敏感元件、金属弹性元件及封装材料的热膨胀系数差异会产 生封装残余应力，特别是在高温环境下进行应用时，就会表现出稳定性差等问题；2)如 果敏感元件是基于金属电阻效应的，如溅射薄膜或采用高温箔式金属应变片的压力传感 器，由于金属的电阻率小，压阻系数很低，传感器的灵敏度很小(仅几mV/V)，因而信 噪比差，对后续的信号处理电路要求较高。

发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种复合式MEMS耐高 温超高压力传感器，具有测量量程大，应用范围广，灵敏度和信噪比好，传感器的温度 稳定性好的优点。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为
一种复合式MEMS耐高温超高压力传感器，包括底座1，硅梁敏感元件2、高温 转接板4及外壳6装配在底座1上，硅梁敏感元件2上设计有惠斯通电桥，金丝引线3连 接惠斯通电桥与高温转接板4，高温电缆线5穿过外壳6上的固线帽7连接高温转接板4 与外部电路，底座1由承压弹性元件8与带有螺纹的基座结合为一体，承压弹性元件8与 硅梁敏感元件2构成复合式压力测量结构，其中承压弹性元件8的中间为周边固支的圆膜 片9，圆膜片9上设计有传力杆10，硅梁敏感元件2采用E型杯结构，中间设计有测量岛 11，硅梁敏感元件2的周边装配在弹性元件底座1之上，测量时，测量岛11与传力杆10 相接触。所述的底座1下段为螺纹基座，中段为承压弹性元件8，上端为两级台阶，硅梁 敏感元件2装配在第一级台阶上，高温转接板4装配在第二级台阶上。所述的测量岛11与传力杆10的接触方式有接触式和间隙式，其中间隙式接触方 式中测量岛11与传力杆10的间隙为微米量级。所述的硅梁敏感元件2有单梁、双梁或 四梁三种形式。所述的承压弹性元件8由高强度弹簧钢制造，能够承受lGPa的压力，同时与测 量介质具有兼容性。所述的硅梁敏感元件2采用MEMS技术和SOI技术制作，传感器的输出电压为 20mV/V 以上。本发明的工作原理为被测压力P直接作用在承压弹性元件8的膜片9上并使其发生变形，其最大挠度 通过传力杆10施加到硅梁敏感元件2的测量岛11上，基于单晶硅压阻效应，硅梁敏感元 件2上的惠斯通电桥的四个压敏电阻阻值发生变化，恒定电流或电压经由高温电缆线5、 高温转接板4和金丝引线3加载至惠斯通电桥输入端，压敏电阻阻值发生变化的惠斯通电 桥输出端输出与被测压力P成正比的电信号，再经由金丝引线3、高温转接板4和高温电 缆线5传输至外部电路，对电信号的测量实现了对被测压力P的测量。由于承压弹性元件8采用了高强度弹簧钢，可以承受lGPa的压力，同时对测量 介质兼容性好，所以克服了一般的硅基材料一体化传感器测量量程小、应用范围窄的缺 点，具有测量量程大，应用范围较广的优点；因为敏感元件是采用MEMS技术和SOI技 术制作的硅梁敏感元件，压阻系数较高，输出电压可达20mV/V以上，远远高于溅射薄 膜或高温箔式金属应变片的压力传感器的输出电压(仅几mV/V)，因此灵敏度和信噪比 都较好，降低了对后续调理电路的要求；由于本发明中传感器的弹性元件与敏感元件的 接触方式与溅射薄膜或高温箔式金属应变片的压力传感器不同，弹性元件与敏感元件之 间热膨胀系数的差异对传感器的性能影响很小，在高温环境下稳定性也会因此大幅度提 升。


图1为本发明的结构示意图。图2_a为本发明的测量岛11与传力杆10的接触式示意图。图2_b为本发明的测量岛11与传力杆10的间隙式接触示意图。图3_a为本发明单梁式硅梁敏感元件2的主视图。
图3_b为本发明单梁式硅梁敏感元件2的俯视图。图4_a为本发明双梁式硅梁敏感元件2的主视图。图4_b为本发明双梁式硅梁敏感元件2的俯视图。图5_a为本发明四梁式硅梁敏感元件2的主视图。图5_b为本发明四梁式硅梁敏感元件2的俯视图。
具体实施方案以下结合附图对本发明的结构原理、工作原理作更详细的说明。参照图1，一种复合式MEMS耐高温超高压力传感器，包括底座1，硅梁敏感元 件2、高温转接板4及外壳6装配在底座1上，硅梁敏感元件2上设计有惠斯通电桥，金 丝引线3连接惠斯通电桥与高温转接板4，高温电缆线5穿过外壳6上的固线帽7连接高 温转接板4与外部电路，底座1由承压弹性元件8与带有螺纹的基座结合为一体，下段为 螺纹基座，中段为承压弹性元件8，上端为两级台阶，硅梁敏感元件2装配在第一级台阶 上，高温转接板4装配在第二级台阶上，承压弹性元件8与硅梁敏感元件2构成复合式压 力测量结构，其中承压弹性元件8的中间为周边固支的圆膜片9，圆膜片9上设计有传力 杆10，硅梁敏感元件2采用E型杯结构，中间设计有测量岛11，硅梁敏感元件2的周边 装配在弹性元件底座1之上，测量时，测量岛11与传力杆10相接触。参照图2_a和2_b，所述的测量岛11与传力杆10的接触方式有接触式和间隙 式，其中间隙式接触方式中测量岛11与传力杆10的间隙Hp为微米量级。所述的硅梁敏感元件2有单梁、双梁或四梁三种形式。参照图3-a和3-b，图中 单梁式硅梁敏感元件2的测量岛11、硅梁12和硅梁基座13构成E型结构，单梁式硅梁 敏感元件2由一测量岛11，一个硅梁12和一个硅梁基座13构成，其中硅梁12从测量岛 11的一侧连接到硅梁基座13 ；参照图4-a和4-b，双梁式硅梁敏感元件2的测量岛11、 硅梁12和硅梁基座13构成E型结构，双梁式硅梁敏感元件2由一个测量岛11，两个硅 梁12和一个硅梁基座13构成，其中硅梁12从测量岛11左右两侧连接到硅梁基座13 ； 参照图5-a和5-b，四梁式硅梁敏感元件2的测量岛11、硅梁12和硅梁基座13构成E型 结构，四梁式硅梁敏感元件2由一个测量岛11，四个硅梁12和一个硅梁基座13构成，其 中硅梁12从测量岛11上下左右四侧连接到硅梁基座13。所述的承压弹性元件8由高强度弹簧钢制造，能够承受lGPa的压力，同时对测 量介质兼容性好。所述的硅梁敏感元件2采用MEMS技术和SOI技术制作，传感器的输出电压达 20mV/V 以上。本发明的工作原理为被测压力P通过底座1直接作用在承压弹性元件8的膜片9上并使其发生变形， 其最大挠度通过传力杆10施加到硅梁敏感元件2的测量岛11上，因此测量岛11和硅梁基 座13之间的相对位置发生变化，使硅梁12发生变形，基于单晶硅压阻效应，硅梁敏感元 件2上的惠斯通电桥的四个压敏电阻阻值发生变化，恒定电流或电压经由高温电缆线5、 高温转接板4和金丝引线3加载至惠斯通电桥输入端，由于压敏电阻阻值发生变化，因此 在惠斯通电桥输出端输出与被测压力P成正比的电信号，再经由金丝引线3、高温转接板4和高温电缆线5传输至外部电路，对电信号的测量实现了对被测压力P的测量。
附图中1为底座；2为硅梁敏感元件；3为金丝引线；4为高温转接板；5为 高温电缆线；6为外壳；7为固线帽；8为承压弹性元件；9为圆膜片；10为传力杆；11 为测量岛；12为硅梁；13为硅梁基座；Hp为间隙。
权利要求
1.一种复合式MEMS耐高温超高压力传感器，包括底座(1)，硅梁敏感元件(2)、高 温转接板(4)及外壳(6)装配在底座(1)上，硅梁敏感元件(2)上设计有惠斯通电桥，金 丝引线(3)连接惠斯通电桥与高温转接板(4)，高温电缆线(5)穿过外壳(6)上的固线帽 (7)连接高温转接板(4)与外部电路，其特征在于底座(1)由承压弹性元件(8)与带有 螺纹的基座结合为一体，承压弹性元件(8)与硅梁敏感元件(2)构成复合式压力测量结 构，其中承压弹性元件(8)的中间为周边固支的圆膜片(9)，圆膜片(9)上设计有传力杆 (10)，硅梁敏感元件(2)采用E型杯结构，中间设计有测量岛(11)，硅梁敏感元件(2)的 周边装配在弹性元件底座(1)之上，测量时，测量岛(11)与传力杆(10)相接触。
2.根据权利要求1所述的一种复合式MEMS耐高温超高压力传感器，其特征在于 所述的底座(1)下段为螺纹基座，中段为承压弹性元件(8)，上端为两级台阶，硅梁敏感 元件(2)装配在第一级台阶上，高温转接板(4)装配在第二级台阶上。
3.根据权利要求1所述的一种复合式MEMS耐高温超高压力传感器，其特征在于 所述的测量岛(11)与传力杆(10)的接触方式为接触式。
4.根据权利要求1所述的一种复合式MEMS耐高温超高压力传感器，其特征在于 所述的测量岛(11)与传力杆(10)的接触方式为间隙式，其中测量岛(11)与传力杆(10) 的间隙为微米量级。
5.根据权利要求1所述的一种复合式MEMS耐高温超高压力传感器，其特征在于 所述的硅梁敏感元件(2)有单梁、双梁或四梁三种形式。
6.根据权利要求1所述的一种复合式MEMS耐高温超高压力传感器，其特征在于 所述的承压弹性元件(8)由高强度弹簧钢制造，能够承受IGPa的压力，同时与测量介质 具有兼容性。
7.根据权利要求1所述的一种复合式MEMS耐高温超高压力传感器，其特征在于 所述的硅梁敏感元件(2)采用MEMS技术和SOI技术制作，传感器的输出电压为20mV/ V以上。
全文摘要
一种复合式MEMS耐高温超高压力传感器，包括底座，硅梁敏感元件、高温转接板及外壳装配在底座上，硅梁敏感元件通过金丝引线、高温转接板连接到高温电缆线上并与外部电路连接，底座由承压弹性元件与基座结合，承压弹性元件的中间为圆膜片，其上设计有传力杆，硅梁敏感元件采用E型杯结构，中间设计有测量岛，硅梁敏感元件装配在承压弹性元件上，测量岛与传力杆接触，压力作用在圆膜片上使其变形，挠度施加到测量岛上，恒定电流或电压经硅梁敏感元件处理并输出与被测压力成正比的电信号，再经金丝引线、高温转接板和高温电缆线传输至外部电路，实现了对被测压力的测量，本发明具有测量量程大，应用范围广，灵敏度和信噪比好等优点。
文档编号G01L1/26GK102012288SQ201010522858
公开日2011年4月13日 申请日期2010年10月28日 优先权日2010年10月28日
发明者孟夏薇, 苑国英, 蒋庄德, 赵玉龙, 赵立波, 郭鑫 申请人:西安交通大学