[发明专利]敏感元件与高压传感器的整体结构

说明书

本发明涉及压力传感器的内部形状，特别涉及将具有硅衬底的敏感元件结合至传感器中，用以在很宽的温度范围内测量高压的整体结构。

为测量比较高的压力，已知采用传感器，如文件FR-A-2587485，FR-A-2594224和FR-A-2594546说明的那样，传感器包括形为可变形薄膜的敏感元件，在其上安放着应变片。如在FR-A-2648910和FR-A-2619446中说明的那样，还知道可变形薄膜可由诸如单晶兰宝石或单晶硅的单晶材料制成。敏感元件在传感器主体中的安装必须，敏感元件被机械地支承在主体中，且欲测的压力通过传感器的所谓“压力穿孔”零件到达敏感元件。

具有单晶衬底的敏感元件通常藉助环氧树脂与传感器主体相连接，而玻璃，则通过静电焊接或通过类似的焊接技术。上述文件FR-A-2619446建议采用中央部份厚度减薄的薄膜。该薄膜的周边边缘比较厚，并与支承相连接，以避免由于薄膜上的径向或切向应力而在薄膜与支承间的接头上产生显著的作用(不然，由于薄膜强度和玻璃或用于接头中其它材料强度的不同，会导致薄膜的变形，或甚至由此与支承分离)。

除了因薄膜和薄膜与其支承间接头材料的应力不同产生的问题外，具有硅衬底的敏感元件和金属主体的相互刚性连接将由于热效应，特别当使用时，温度变化范围很宽，而产生相互应力，这种应力以不可预计的形式随温度而变化，从而降低应变片信号输出的精度，使传感器对温度瞬变变得过分敏感。这问题在高压传感器情况尤为重要。

在某些情况，高压传感器，例如测量压力为1000巴或更高压力的传感器，即使在其遭受温度显著变化，包括瞬间变化和长间变化时，也必须可靠地运行。这特别涉及压力传感器可能受到温度在4°K至473°K(或更多)范围内变化的应用情况。在火箭和助力器段中可发现有这样的应用。

用于在宽广的温度范围内测量高压的压力传感器必须预见到前述运行情况。传感器最好还应是抗振动的，且甚至在温度达到稳定前，就能产生可靠的输出信号。当压力传感器是设计用于火箭或助力器段中时，传感器还必须耐这类装置中易于碰到的流体的作用，诸如氧(气体或液体的)，氢(气体或液体的)，水(蒸汽或液体的)等。

迄今为止，还不可能生产出包含具有硅衬底的敏感元件的，能符合上述要求的压力传感器，其主要困难源于敏感元件在传感器主体中的安装。硅的热膨胀系数接近2×10^-6/℃，而用于制成传感器主体的一般金属的系数则大于8.5×10^-6/℃，或甚至是该值的两倍。如前所述，具有硅衬底的敏感元件和金属的传感器主体之间的刚性连接会产生相互温度应力，然而，要测量的压力是如此高，以至传感器的内部连接必须具有很大的牢固性以便给与其经受压力的足够能力。

当涉及高的温度变化时，用于克服那些困难的一种技术是将压力传感器放置在远离压力源的位置，并用管路将它们相互连接。该管路如热缓冲器一样作用。然而，这种解决办法非常花钱，且增加装置的总体尺寸。

包括具有硅衬底的敏感元件的传感器生产中出现的另一问题在于硅焊接不到金属上这一事实，这使传感器的生产更为困难。

图1中示意地表示了将具有硅衬底的敏感元件结合在压力传感器主体中的一般结构。

在图1的结合结构中，压力传感器包括金属支承1，支承具有中心孔2，通过它与欲测量的压力源相连接。传感器的敏感元件4包含硅衬底5，在其表面放置着应变片6，硅衬度具有厚度增大的周边边缘5a和中心加强件5b。应变片6安放在衬底5上，位于其厚度减薄的区域5c，要检测的压力集中在那里。通常，设置4片应变片，它们被布置在惠司登电桥上。敏感元件4还可包括加强块5’，它也由硅制成。

敏感元件4藉助中间放置的，以玻璃或陶瓷材料制成的底座7安装在金属支承1上。在敏感元件4的底座和在加强块5’上，假如有的话，设置有中心孔，从而使欲测量压力得以和衬底5放置应变片6的区域5c相连通。

在这一已知的结构中，硅衬底5(或硅加强块5’)和底座7之间的连接是应用阳极焊接，或通过金属一玻璃钎焊或易熔钎焊而获得的。底座7和金属支承1之间的连接则通过粘接或钎焊而获得。一般，这些粘接或钎焊连接是不适合能在高压和很宽的温度范围内都使用的传感器的生产的。此外，这样使用的粘接和钎焊连接会引入作用于衬底5，也即在应变片6上的结构应力。

文件FR-A-2293704公布了一种压力传感器，其中携带敏感元件的玻璃底座不是直接安装在传感器的金属支承上，而是通过连接零件。但是，上述缺点并未排除。