压阻式高频高温动态压力传感器

专利压阻式高频高温动态压力传感器01专利背景附图说明发明内容技术领域目录03020405权利要求荣誉表彰实施方式目录0706基本信息《压阻式高频高温动态压力传感器》是昆山双桥传感器测控技术有限公司于2009年11月20日申请的发明专利，该专利的申请号为94，公布号为CNA，公布日为2011年5月25日，发明人是王冰、王文襄、柳维旗、尤彩红。《压阻式高频高温动态压力传感器》由压阻敏感组件、传感器金属壳体和高频宽带放大器组成，压阻敏感组件由硅压阻敏感元件和玻璃环片组成，硅压阻敏感元件由圆平硅膜片的正面依次覆盖有SiO2层和Si3N4层形成，硅压阻敏感元件正面中部设有惠斯顿电桥而周部裸露出硅膜片后焊固于玻璃环片，硅压阻敏感元件反面形成金属反光膜，惠斯顿电桥上应变电阻用丝内引线引出，璃环片另一面固定于陶瓷隔离基座上环形凹坑面，陶瓷隔离基座又烧结固定于传感器金属壳体的进压端口，压阻敏感组件上金丝内引线引入到传感器内腔室中的转接板后，经过高频宽带放大器信号放大，由传感器尾部的输出电缆引出，该发明能在承受超高温和超高频冲击下仍然具有良好特性。2014年11月6日，《压阻式高频高温动态压力传感器》获得第十六届中国专利优秀奖。（概述图为《压阻式高频高温动态压力传感器》摘要附图）专利背景专利背景始于20世纪70年代后期的MEMS技术使得先进的硅压阻压力传感器越做越小，从而硅压阻力敏元件有了更高的固有频率。美国Kulite公司和Endevco公司采用这一技术制成的微型方膜片实现了压阻压力传感器的小型化和芯片高固有频率，但它们未解决全齐平封装问题，同时此种封装也无法解决爆炸中的强光干扰，因此不得不在使用时卸下芯片封装前方的激光成形保护膜适应高频动态测量，从而造成测量中的极高损坏率或一次性使用。该申请人在先前申请公开的专利——压阻式高频动态高压传感器（专利号：2.2）中陈述了齐平封装式高频动态高压传感器，它适用于爆轰试验冲击波超压压力场的测试要求，但由于其检测压力转化为电信号的四个硅力敏电阻组成的惠斯登电桥桥臂电阻间采用的是PN结隔离，而大面积的PN结的耐温限制为125℃，因而高温时的PN结漏电流及击穿导致的隔离失效，使其不能使用于高于125℃的环境及介质。爆轰由于化学反应和燃烧，在近场介质形成一个高温工作环境，通常会高于这个温度限制。

发明内容专利目的改善效果技术方案发明内容专利目的为了解决燃爆测试冲击波压力场的近场布点测试及弹药底火能量测试实验，《压阻式高频高温动态压力传感器》能在承受超高温和超高频冲击下仍然具有良好特性，解决了如近场燃爆引起的高温环境影响，获得了相关测试需求。

技术方案《压阻式高频高温动态压力传感器》由压阻敏感组件和传感器金属壳体组成，该压阻敏感组件由硅压阻敏感元件和玻璃环片组成，该硅压阻敏感元件由圆平硅膜片正面依次覆盖有SiO2层和Si3N4层形成，该硅压阻敏感元件正面中部设有惠斯顿电桥，而周部裸露出硅膜片后，焊固于与硅有相似热膨胀系数的该玻璃环片，该硅压阻敏感元件反面通过真空蒸镀或磁控溅射形成金属反光膜，该惠斯顿电桥上应变电阻通过焊接金丝内引线引出；该玻璃环片另一面通过低温玻璃浆糊烧结或者通过高温粘胶剂粘接固定于陶瓷隔离基座上设有的环形凹坑面，该陶瓷隔离基座又通过低温玻璃浆糊烧结固定于该传感器金属壳体的进压端口，该压阻敏感组件上金丝内引线通过该陶瓷隔离基座之环形凹坑面上的中心孔，引入到该传感器内腔室中的转接板后，由该传感器尾部的输出电缆引出。作为该发明的进一步改进，该压力传感器还包括位于该传感器内腔室中的高频宽带放大器，该转接板上引出信号，经过该高频宽带放大器信号放大，由该传感器尾部的该输出电缆引出。作为该发明的进一步改进，该硅压阻敏感元件上的金属反光膜为铂膜、钛膜、铝膜或镍铬薄膜。作为该发明的进一步改进，该圆平硅膜片为双面抛光的SOI硅片，并在SOI硅片加工中加入金扩散。作为该发明的进一步改进，该传感器金属壳体由设有该进压端口的传感器金属基座和旋固于该传感器金属基座的传感器金属管帽组成，该传感器金属基座与该传感器金属管帽之间形成了该内腔室。改善效果该发明的有益技术效果是：所述该硅压阻敏感元件正面设有惠斯顿电桥，而反面通过真空蒸镀或磁控溅射形成金属反光膜，这样该硅压阻敏感元件反面作为受压面，减小了红外光的影响，同时该压阻敏感组件又通过低温玻璃浆糊烧结或者通过高温粘胶剂粘接固定于陶瓷隔离基座，该陶瓷隔离基座又通过低温玻璃浆糊烧结固定于该传感器金属壳体的进压端口，这样整个压力传感器的受压面不仅能承受强光的照射，又能承受超高温热量轰击，满足测试环境要求。由于该圆平硅膜片为双面抛光的SOI硅片，这样该惠斯顿电桥上应变电阻之间，以及应变电阻与硅基片之间PN结隔离，而是被空气和二氧化硅绝缘隔离，在SOI硅片加工中加入了金扩散，这样增加了硅片的复合中心减小光生载流子的寿命，是解决防光干扰的关键。

附图说明附图说明图1是该发明中该硅压阻敏感元件的剖面结构示意图；图2是该发明中该压阻敏感组件的剖面结构示意图；图3是该发明所述传感器齐平封装的结构示意图（没有自带高频宽带放大器）；图4是该发明带有所述高频宽带放大器的传感器结构示意图；图5是该发明中所述高频宽带放大器的电路原理图。

对图1至图5做如下进一步说明：1-硅压阻敏感元件；4-转接板；11-圆平硅膜片；5-传感器金属基座；12-SiO2层；6-固板架；13-Si3N4层；7-高频宽带放大电路；14-圆形力敏区；8-传感器金属管帽；15-金丝内引线；9-输出电缆；2-玻璃环片；10-航天插座；3-陶瓷隔离基座。

技术领域技术领域该发明涉及一种耐瞬态超高温高频繁冲击能力的压阻式高频高温动态压力传感器，特别涉及一种基于MEMS（MicroElectronMechanicalSystem）技术与SOI（SiliconOnInsulator）技术相结合开发的耐高温高频动态压力传感器，适用于弹药底火能量测试实验技术类高频动态压力测量中伴有超近距离探测带来的高温场，瞬态超高温冲击且较为频繁，并伴有反应介质导电性干扰与强光干扰等特殊要求的工况，完成亚毫秒数量级的高温高频动态压力的频繁测量。

权利要求权利要求1.《压阻式高频高温动态压力传感器》由压阻敏感组件和传感器金属壳体组成，其特征在于：1）该压阻敏感组件由硅压阻敏感元件（1）和玻璃环片（2）组成，该硅压阻敏感元件（1）由圆平硅膜片（11）的正面依次覆盖有SiO2层（12）和Si3N4（13）层形成，该硅压阻敏感元件正面中部设有惠斯顿电桥，而周部裸露出硅膜片后，焊固于与硅有相似热膨胀系数的该玻璃环片（2），该硅压阻敏感元件（1）反面通过真空蒸镀或磁控溅射形成金属反光膜，该惠斯顿电桥上应变电阻通过焊接金丝内引线（15）引出；2）该玻璃环片（2）另一面通过低温玻璃浆糊烧结或者通过高温粘胶剂粘接固定于陶瓷隔离基座（3）上设有的环形凹坑面，该陶瓷隔离基座（3）又通过低温玻璃浆糊烧结固定于该传感器金属壳体的进压端口，该压阻敏感组件上金丝内引线（15）通过该陶瓷隔离基座（3）之环形凹坑面上的中心孔，引入到该传感器内腔室中的转接板（4）后，由该传感器尾部的输出电缆（9）引出。2.如权利要求1所述的一种压阻式高频高温动态压力传感器，其特征在于：该压力传感器还包括位于该传感器内腔室中的高频宽带放大器，该转接板（4）上引出信号，经过该高频宽带放大器（7）信号放大，由该传感器尾部的该输出电缆（9）引出。3.如权利要求1或2所述的一种压阻式高频高温动态压力传感器，其特征在于：该硅压阻敏感元件（1）上的金属反光膜为铂膜、钛膜、铝膜或镍铬薄膜。实施方式实施方式《压阻式高频高温动态压力传感器》采用MEMS硅体微机械加工工艺制作的周边固支的圆平硅膜片，利用齐平封装技术，消除管腔效应对动态测试的影响，实现对动态高温压力的实时测量，采用高频宽带放大器，确保有足够高频的同时，又避免了其小信号噪声大的弱点。以下实施步骤按照如图1至图5所示，进行详细描述：图1所示，该圆平硅膜片11采用双面抛光的SOI硅片（在SOI硅片加工中还加入金扩散，目的增加硅片的复合中心减小光生载流子的寿命），作为弹性元件，在MEMS技术加工中先用传统的热氧化技术在正面覆盖1微米厚的SiO2层12，再用标准的LPCVD法在正面上覆盖3000厚的Si3N4层13，用两次光刻技术，刻蚀掉该硅膜片正面圆形力敏区14以外部位的Si3N4层及SiO2层，保留圆形力敏区14部位覆盖的Si3N4层13和SiO2层12；用双面光刻技术和离子注入掺杂技术，在该圆平硅膜片11的正面特定位置制作成惠斯顿电桥并引出应变电阻之电极，由此制成所述硅压阻敏感元件1，该硅压阻敏感元件1反面（也就是该SOI硅片的反面）通过真空蒸镀或磁控溅射形成铂、钛、铝或镍铬金属反光膜，目的是为了减小红外光的影响。上述未详加叙述都是标准集成电路工艺。图2所示，由于SOI硅膜片11的圆形力敏区14以外区域的绝缘层被去除，利用静电键合工艺将该区域和厚度为2-4毫米的抛光Pyre