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一种 硅基压力 传感器

阅读：533发布：2020-10-19

专利汇可以提供一种硅基压力传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种硅基压力传感器，差压敏感器件采用差动电容结构，其特征是从上到下依次由上玻璃固定极板、硅敏感芯片可动极板、下玻璃固定极板、玻璃底板、导压管封装而成；静压补偿单元采用绝压封装的硅压阻芯片测量静压量值，点式粘接悬浮固定于差压敏感器件上方，信号漂移量小，节省空间，和差压敏感器件形成复合式层叠结构悬浮焊接于封装结构中。封装结构采用悬浮式结构设计，差压、静压的复合结构悬浮封装在传感器基座内，引线座位于基座一端，引压导管位于基座另一端，各个部件通过改进的焊接工艺焊接在传感器基座上成一体。差压敏感器件和静压补偿单元都悬浮封装在传感器封装结构的受压腔体内，使传感器的静压特性、耐受性、稳定性、可靠性更好。，下面是一种硅基压力传感器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种硅基压力传感器，由差压敏感器件(12)、静压补偿单元(18)、封装结构三部分组成，其特征是差压敏感器件(12)采用差动电容结构：从上到下依次由上玻璃固定极板(2)、硅敏感芯片可动极板(1)、下玻璃固定极板(2’)、玻璃底板(3)、导压管(4)封装而成，用于采集差压信号；静压补偿单元(18)：采用4点胶粘悬浮固定在差压敏感器件(12)上表面靠近烧结引线(10)一侧，与差压敏感器件(12)形成复合式层叠结构，用于测量现场的静压量值；封装结构：包括传感器基座(5)、两个引压导管(16)及转接件(17)、引线座(10’)，上、下端盖(13、14)，传感器基座(5)内中段相对设置上、下端盖(13、14)，所述复合式层叠结构置于上、下端盖(13、14)之间，并通过差压敏感器件(12)下方的导压管(4)与传感器基座(5)焊接，悬浮封装在具有硅油充灌液的封装结构内，填充陶瓷块(15)垫在复合式层叠结构与传感器基座(5)的间隙中，引线座(10’)焊接在传感器基座(5)的一端，两引压导管(16)通过转接件(17)焊接在传感器基座(5)的另一端，封装结构的各部件均焊接在传感器基座(5)上成一体；两引压导管(16)分别与受压部的高压腔和低压腔相连，外加压力通过传感器内部的硅油充灌液传递到差压敏感器件(12)和静压补偿单元(18)，实现高精度差压信号测量和静压误差补偿。
2.根据权利要求1所述的硅基压力传感器，其特征是硅敏感芯片可动极板1采用岛膜结构，由中心岛(8)、膜区(8a)、支撑区(8b)三部分组成；中心岛(8)和硅敏感芯片可动极板(1)为一体，位于硅敏感芯片可动极板(1)的中心，其两面相对膜区(8a)凹槽形成的中心凸面即为中心岛(8)，中心岛(8)表面有浓磷重掺层(8d)和二氧化硅绝缘层(8c)，上下两面是以中心面为对称面的对称结构；当有外加压力作用于中心岛(8)的上或下表面时，中心岛(8)在其周围膜区形变弯曲的情况下，会上下移动。
3.根据权利要求1所述的硅基压力传感器，其特征是在玻璃底板(3)上的压焊点(9)：
在玻璃底板(3)一边缘有金属层，作为压焊点(9)与其上面的下玻璃固定极板(2’)的金属电极层(6)相连；下玻璃固定极板(2’)与玻璃底板(3)之间由导电粘接剂相连，间接地将下玻璃固定极板(2’)的金属电极层(6)引出到玻璃底板(3)的金属压焊点(9)上。
4.根据权利要求1所述的硅基压力传感器，其特征是硅敏感芯片可动极板(1)和玻璃底板(3)的尺寸大于上、下玻璃固定极板(2、2’)的尺寸，使得硅敏感芯片可动极板(1)的压焊点(9)伸出，保证压焊引线的实现。
5.根据权利要求1所述的硅基压力传感器，其特征是差压敏感器件结构中，硅敏感芯片可动极板(1)的中心岛(8)和上、下玻璃固定极板(2、2’)的间隙大小相同。
6.根据权利要求1所述的硅基压力传感器，其特征是静压补偿单元(18)的结构：所述的静压补偿单元(18)是由硅压阻芯片(18a)和无孔玻璃(18b)真空静电封接而成；硅压阻芯片(18a)上表面在设计位置微机械加工成4个压力敏感电阻(18r)即R1、R2、R3、R4，连接成惠斯通电桥，硅压阻芯片(18a)下表面有凹腔，将硅芯片(18a)背面与无孔双抛玻璃(18b)上下叠落、并真空静电封接在一起，形成具有真空密封腔(18c)的静压补偿单元(18)，将静压补偿单元(18)的玻璃底面(18d)的边缘四角胶粘在差压敏感器件(12)的上表面靠近烧结引线(10)一侧、和差压敏感器件(12)集成一体形成复合式层叠结构，置于传感器基座(5)的受压腔体内，被封装在由金属隔离膜片隔离密封的硅油充灌液中，用以测量现场的静压量值。

说明书全文

一种硅基压力 传感器

技术领域

[0001] 本实用新型涉及传感器制造技术领域,是一种硅基压力传感器。

背景技术

[0002] 随着传感器技术的高速发展，硅基压力传感器的应用越来越广泛，并逐步向高精度、高稳定性、高可靠性、网络化、智能化、集成化方向发展；其中电容型硅基压力传感器以其高精度、高稳定、高可靠等突出的技术优势被公认为是新一代具有广阔发展前途的新型硅基压力传感器，是自动化控制领域不可缺少的关键部件。电容型硅基压力传感器利用电容原理测量压力,采用单晶硅材料，并利用微电子和微机械加工融合技术制作，是一种新型结构型力敏器件，由于不存在PN结的电隔离问题，因此其测量精度、稳定性、可靠性等方面都具有明显的技术优势。但由于受原材料状态、工艺装备条件、加工工艺的完善性等因素的限制与影响，现有的硅基压力传感器制造过程还存在着制作成品率偏低、静压误差具有一定的分散、封装结构的焊口漏油等技术问题，这些问题直接影响传感器的性能、可靠性及成品率，对这种硅基压力传感器的推广应用起到制约作用。因此，研究一种电容型硅基压力传感器，不仅可以促进我国工业自动化仪表的自主发展，而且对于推动我国传感器技术领域的产业发展，促进我国流程控制和自动化技术水平的提高都会起到至关重要的作用。发明内容

[0003] 本实用新型的目的是提供一种硅基压力传感器，确保传感器的静压特性、耐受性、稳定性、可靠性更好。

[0004] 这种硅基压力传感器，由差压敏感器件、静压补偿单元、封装结构三部分组成，其特征是差压敏感器件采用差动电容结构：从上到下依次由上玻璃固定极板、硅敏感芯片可动极板、下玻璃固定极板、玻璃底板、导压管封装而成，用于采集差压信号；静压补偿单元采用4点胶粘悬浮固定在差压敏感上表面靠近烧结引线一侧，与差压敏感器件形成复合式层叠结构，用于测量现场的静压量值；封装结构：包括传感器基座、两个引压导管及转接件、引线座，上、下端盖，传感器基座内中段相对设置上、下端盖，所述复合式层叠结构置于上、下端盖之间，并通过差压敏感器件下方的导压管悬浮焊接在具有硅油充灌液的封装结构内，填充陶瓷块垫在复合式层叠结构与传感器基座的间隙中，引线座引出烧结引线，上玻璃固定极板、硅敏感芯片可动极板、玻璃底板、静压补偿单元的硅压阻芯片上均有压焊点，用硅铝丝连线连接压焊点和对应的烧结引线，分别将差压器件的电容输出信号及静压补偿单元的电压输出信号引出到传感器基座的烧结引线上；引线座位于传感器基座一端，两个引压导管通过转接件置于传感器基座另一端，两引压导管分别与受压部的高压腔和低压腔相连，各部件均焊接在传感器基座内、悬浮封装在具有硅油充灌液的封装结构内成一体，外加压力通过传感器内部的硅油充灌液传递到差压敏感器件和静压补偿单元，实现高精度差压信号测量和静压误差补偿。

[0005] 这种硅基压力传感器，采用微电子和微机械加工融合技术制作，精度高、稳定性好、可靠性高、一致性好，易于大批量生产。该硅基压力传感器的差压敏感器件的硅敏感芯片可动极板采用单晶硅材料制作，上、下玻璃固定极板采用玻璃材料制作，采用静电封接等密封性连接技术把硅敏感芯片可动极板、上、下玻璃固定极板、玻璃底板、导压管连接在一起，构成性能稳定、可靠的差动电容结构，形成硅基压力传感器的差压敏感器件部分。该硅基压力传感器的静压补偿单元，采用硅压阻芯片和无孔玻璃真空静电封接而成，形成具有真空密封腔的绝压元件，并采用4点悬浮方式粘接在差压敏感器件上表面靠近烧结引线一侧，用以测量现场的静压量值。该硅基压力传感器的封装结构则是由传感器基座、引压导管、引线座等构成，采用悬浮结构设计，使差压敏感器件和静压补偿单元都悬浮封装在传感器封装结构的受压腔体内，使传感器的静压特性、耐受性、稳定性、可靠性更好。这种硅基压力传感器以其诸多的技术优势，能很好地满足了工业自动控制系统对高精度压力传感器的需求，具有广阔的发展应用前景。附图说明

[0006] 图1是硅基压力传感器结构示意图；

[0007] 图2虚框中是差压敏感器件和静压补偿单元复合式层叠结构示意图；

[0008] 图3是图2中差压敏感器件硅敏感芯片可动极板俯视图；

[0009] 图4是图3中差压敏感器件硅敏感芯片可动极板正面剖视图；

[0010] 图5是图2中差压敏感器件玻璃固定极板俯视图；

[0011] 图6是图2中差压敏感器件玻璃底板示意图；

[0012] 图7是静压补偿单元结构示意图；

[0013] 图8是静压补偿单元的压力敏感电阻18r构成的惠斯通电桥示意图；

[0014] 图9是本发明封装结构引线座剖视图；

[0015] 图10是本发明封装结构引线座俯视图。

具体实施方式

[0016] 本实用新型的硅基压力传感器，见图1，由差压敏感器件12、静压补偿单元18和封装结构三部分组成。见图2，差压敏感器件12，其特征是从上到下依次由上玻璃固定极板2、硅敏感芯片可动极板1、下玻璃固定极板2’、玻璃底板3、导压管4封装而成，形成差动电容结构，用以完成差压信号的采集，是硅基压力传感器的核心部分。静压补偿单元18采用4点胶粘悬浮固定于在差压敏感器件12上表面靠近烧结引线10一侧，与差压敏感器件12形成复合式层叠结构，用于测量现场的静压量值；封装结构：包括传感器基座5、两个引压导管16及两个转接件17、引线座10’，上、下端盖13、14。

[0017] 差压敏感器件12的结构中，硅敏感芯片可动极板1的中心岛8和上、下玻璃固定极板2、2’的间隙大小相同；上、下玻璃固定极板2、2’相对于硅敏感芯片可动极板1中心岛8部位有金属电极层6，上、下玻璃固定极板2、2’、玻璃底板3上均有导压孔7，在下玻璃固定极板2’和玻璃底板3上的导压孔7都与传感器基座5内的导压管4相通；在导压孔7的内壁上有溅射金属层，作为上、下玻璃固定极板2、2’的金属电极层6的电极引出通道，保证金属电极层6从导压孔7中引出；上玻璃固定极板2、硅敏感芯片可动极板1和玻璃底板3上均有压焊点9，硅敏感芯片可动极板1和玻璃底板3的尺寸大于上、下玻璃固定极板2、2’的尺寸，使得硅敏感芯片可动极板1的压焊点9伸出，保证压焊引线的实现；在玻璃底板3一边缘有金属层，作为金属压焊点9与其上面的下玻璃固定极板2’的金属电极层6相连，传感器基座5上的引线座10’引出烧结引线10，用硅铝丝连线11连接压焊点9和对应的烧结引线10，将差压敏感器件12的电容输出信号引出到传感器基座5对应的烧结引线10上。

[0018] 所述差压敏感器件12的硅敏感芯片可动极板1采用岛膜结构，材质是双面抛光的硅单晶片，采用微机械加工工艺制作，见图3和图4，由中心岛8、膜区8a、支撑区8b三部分组成。中心岛8和硅敏感芯片可动极板1为一体，位于硅敏感芯片可动极板1的中心，其两面相对膜区8a凹槽形成的中心凸面即为中心岛8，中心岛8表面有浓磷重掺层8d和二氧化硅绝缘层8c，上下两面是以中心面为对称面的对称结构。当有外加压力作用于中心岛8的上或下表面时，中心岛8在其周围膜区形变弯曲的情况下，会上下移动，导致中心岛8相对于玻璃固定极板2、2’的间隙发生变化，进而硅敏感芯片可动极板1中心岛8和两玻璃固定极板2、2’上的电极层6所形成的敏感电容发生变化，这种变化可以用来检测外加压力的变化。

[0019] 上、下玻璃固定极板2、2’为双面抛光玻璃，见图5，在其中心有通孔为导压孔7，在其表面有溅射铝形成的金属电极层6，并留出边缘；上、下玻璃固定极板2、2’中心的导压孔7的内壁溅射有金属层，作为上、下玻璃固定极板2、2’电极层6的电极引出通道。玻璃底板3和上、下玻璃固定极板2、2’外形相似，见图5、图6，其区别特征在于在玻璃底板3一边缘也有溅射金属层作为压焊点9，下玻璃固定极板2’与玻璃底板3之间采用导电粘接剂相连，间接的将下玻璃固定极板2’的金属电极层6引出到玻璃底板3的金属压焊点9上；硅敏感芯片可动极板1、上玻璃固定极板2和玻璃底板3上均有压焊点9，分别作为硅敏感芯片可动极板1，上、下玻璃固定极板2、2’的电极引出端。上述硅敏感芯片可动极板1与上、下玻璃固定极板2、2’为对称的玻璃－硅－玻璃结构，玻璃和硅采用免粘连的多层静电封接工艺实现硬连接，硅敏感芯片可动极板1和玻璃底板3的尺寸大于上、下玻璃固定极板2、2’的尺寸，见图2，使得硅敏感芯片可动极板1的压焊点9伸出，保证硅铝丝引线11与对应的烧结引线10的连接。玻璃底板3与导压管4采用静电封接工艺连接在一起，导压管4和传感器基座5之间采用焊接工艺，实现气密连接。采用引线键合工艺用硅铝丝引线11连接压焊点9和引线座10’上对应的烧结引线10：图9和图10是引线座10’的结构示意图，引线座10’上的烧结引线10包括7个烧结引线10a～10g，其中烧结引线10a,10b,10c和差压敏感器件12的压焊点9采用硅铝丝11连接，实现差压敏感器件12的电容信号的引出。

[0020] 静压补偿单元18的结构：见图7，所述的静压补偿单元18是由硅压阻芯片18a和无孔玻璃18b真空静电封接而成，形成具有真空密封腔18c的绝压元件，用以测量现场的静压量值；硅压阻芯片18a上表面在设计位置微机械加工成4个压力敏感电阻18r，即R1、R2、R3、R4连接成惠斯通电桥，见图8，硅压阻芯片18a背面加工出凹腔，将硅芯片18a背面与无孔双抛玻璃18b上下叠落、并真空静电封接在一起，形成具有真空密封腔18c的静压补偿单元18，封接后的静压补偿单元18的玻璃底面18d的边缘四角采用胶粘剂悬浮粘接在差压敏感器件12上玻璃固定极板2靠近烧结引线10一侧，和差压敏感器件12集成一体形成复合式层叠结构，置于传感器基座5的受压腔体内，被封装在由金属隔离膜片隔离密封的硅油充灌液中，用以精准稳定地测量现场的静压量值。静压补偿单元18的输出信号采用引线键合工艺用硅铝丝引线11连接压焊点9和引线座10’上对应的烧结引线10：见图9和图10，引线座10’上的烧结引线10d,10e,10f,10g分别和静压补偿单元18的输入端IN+，IN-，输出端out1,out2经压焊点9采用硅铝丝11连接，实现静压补偿单元18的电压信号的引出，并与后部补偿处理电路相连。本文所述后部补偿处理电路是本传感器输出信号的用户后续处理单元。

[0021] 所述硅基压力传感器的封装结构，包括传感器基座5、两个引压导管16及两个转接件17、引线座10’，上、下端盖13和14，见图1，其特征在于传感器基座5内中段相对设置上、下端盖13、14，将所述复合式层叠结构置于上、下端盖13、14之间，并用填充陶瓷块15垫在复合式层叠结构与基座5的间隙中，再通过差压敏感器件12下方的导压管4将复合式层叠结构悬浮焊接在具有硅油充灌液的封装结构内，引线座10’位于基座5的一端，其上的烧结引线10分别用于引出差压敏感器件12和静压补偿单元18的电容输出信号和电压输出信号。两个正、负腔引压导管16通过转接件17置于基座5的另一端，分别与受压部的高压腔和低压腔相连，各部件均焊接在传感器基座5内、悬浮封装在具有硅油充灌液的封装结构内成一体，外加压力通过传感器内部的硅油充灌液传递到差压敏感器件12和静压补偿单元18，实现高精度差压信号测量和静压误差补偿。

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