[实用新型]耐高温硅压阻压力敏感元件

说明书

本实用新型公开的一种耐高温硅压阻压力敏感元件，旨在提供一种长期稳定性能好、响应时间快、耐高温的压力敏感元件。本实用新型提供下述技术方案予以实现：透明盘(5上方层叠阳极键合划片形成的硅压阻感压芯片(3)，并通过周向上支撑的环盘形成盘腔，硅压阻压力芯片底部上的四个中央对称铂金电极导柱的四个感压电阻组成的惠思登电桥，面向透明盘，通过环盘底部制有落入透明盘周向分布的锥形孔(4)中的导柱对位固定，围绕透明盘圆心等分均布的金属导线(7)穿过绝缘子(6)，伸入填充有导电银浆的锥形孔中，连同固定在透明盘下方的玻璃绝缘子一体高温烧结组成承受被测应力的透明基座，实现高温环境下压力测量。

技术领域

本实用新型涉及一种可广泛用于各种压力测量系统的高温硅压阻压力敏感元件。

背景技术

随着我国航空、航天、船舶、电力、石油、化工等领域的不断技术发展，需要使用温度达430℃以上、压力测量范围达60MPa以上、输出信号灵敏度达30mv/V以上、测量精度达±0.1％FS的工程化应用的高温硅压阻压力敏感元件。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。由于半导体材料对温度十分敏感,压阻式压力传感器的四个检测电阻多接为惠斯登电桥型,因此压阻式压力传感器在硅膜片特定方向上扩散4个等值的半导体电阻，并连接成惠斯通电桥，作为电变换器的敏感元件。当膜片受到外界压力作用，电桥失去平衡时，若对电桥施加恒流或恒压激励电源，便可得到与被测压力成正比的输出电压，从而达到测量压力的目的。

目前普遍采用的硅压阻式压力传感器都由直接承受被测应力的的基体，将被测应力传递到芯片的波纹膜片，检测被测应力的芯片由3个基本部分组成：芯片是在硅弹性膜片上用半导体特定晶向制作相同的4个感压电阻，在它的正面制作压阻全桥将它们连成惠斯通电桥构成基本的压力敏感元件。膜片即是力敏电阻的衬底，又是外加应力的承受体。其中，在硅膜片背面上用机械或化学腐蚀的方法加工成中间很薄的凹状，称为硅杯。如果硅杯是圆形的凹坑，就称为圆形膜片。膜片还有方形、矩形等多种形式。当存在外加应力时，膜片上各处受到的应力是不同的。4个桥臂电阻在膜片上的位置与方向设置要根据晶向和应力来决定。膜片的设计和制作决定了传感器的性能及量程。在传感器的波纹膜片及芯片之间填充了硅油，这种充油封装结构的压力传感器目前已相当成熟。量程为0～100kPa至0～60MPa，工作温度为-40℃～125℃，精度为0.5％～0.1％；能够实现表压、绝压测量。这种传感器通常采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内。扩散硅材料及引线键合工艺制备的硅压阻压力敏感元件，因其利用扩散技术形成的电桥阻值易随温度改变,并且压阻元件的压阻系数具有较大的负温度系数,这些易引起电阻值与电阻温度系数的离散,导致压力传感器的热灵敏度漂移和零点漂移。环境温度只能在-40℃～ +120℃范围内，制备的硅压阻压力敏感元件精度低、可靠性差、耐高低温能力不足。各种压力测量系统的高端应用只能依靠国外高温高精度的硅压阻压力传感器实现，但价格高、周期长、禁运风险大。从原理上讲，硅压阻压力传感器是以硅材料为基础的物性型传感器，硅材料受环境温度影响较大，会产生很大的零点温度漂移和灵敏度温度漂移，且形式多样，对提高器件的稳定性很不利，同时硅压阻压力传感器必须进行温度补偿，否则工业上很难应用；建立一套完整的温度补偿技术，不仅增加成本，同时也增加了人力资源，从某种意义上来说，极大地限制了硅压阻压力传感器的广泛应用。

目前基于扩散硅工艺的压力敏感元件受到材料、结构原理、制作工艺的限制，无法满足恶劣环境及长期稳定可靠的使用要求，使得该类技术在航空航天等高端领域的应用受到限制。本实用新型突破了SOI材料应用、结构设计仿真、无引线封装等关键技术，解决了高温瓶颈，是对现有技术的进一步改进和发展。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种高温性能卓越，可靠性高，响应时间快，长期稳定性好、体积小、结构简洁，能够适应各种压力测量系统高端应用的耐高温硅压阻压力敏感元件。