CN101832830A - 一种齐平封装的耐高温高频响压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种齐平封装的耐高温高频响压力传感器，包括压力芯片，压力芯片与玻璃环结合，玻璃环与金属基座粘接，高温转接板与高温转接电路补偿板分别固定在金属基座内，压力芯片与高温转接电路板通过金丝引线连接，高温转接板与高温转接电路补偿板通过高温导线相连，四芯高温导线与高温转接电路补偿板上连接，金属基座与金属外壳连接，金属外壳与固线帽连接，四芯高温导线从金属外壳及固线帽的孔穿出，压力芯片感受外界介质的压力，把压力信号转变为电压信号，电压信号依次通过金丝引线、高温转接板和高温导线传递到高温转接电路补偿板，经过补偿后通过四芯高温导线把电压信号输出，本发明具有耐高温、高频响的优点，用于测量动态或静态的压力信号。

Description

一种齐平封装的耐高温高频响压力传感器

技术领域

本发明涉及压力传感器领域，具体涉及一种齐平封装的耐高温高频响压力传感器。

背景技术

压力传感器作为最常用的传感器之一广泛地应用于航空航天、国防、工业、石油化工等各个领域。近年来，随着我国航空航天及军事工业的发展，对于一种频响超过100KHz，耐高温达到100℃以上的压力传感器的要求越来越迫切。要求能准确的测量航空或爆破过程中的瞬变压力，因为瞬变压力的精确测量和动态压力的不失真波形描述在科学实验、设计优化论证过程中有着极为重要的作用。因而，具有宽的频响、优良的动态性能的压力传感器成为现代测试技术的焦点。而国外产品的关键技术一直对国内进行技术封锁，并对与军事、航空航天等国防领域相关的高精度耐高温、高频响压力传感器实行出口限制。

当前测量压力的传感器主要有应变式，压电式和压阻式，传统的应变式压力传感器太低的固有频率早已满足不了测试的需要；用于动态压力测量的压电式压力传感器也有自身的很多缺点，压电式压力传感器输出为电荷信号，某些压电材料需要防潮措施，容易出现漏电荷现象，后续处理电路比较复杂，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷，成本高，而且容易引入难以克服的噪声，压电式压力传感器的只能测量动态的压力信号，对于静态和准静态的压力信号，就显得无能为力；利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的传统扩散硅压阻式压力传感器具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、易于小型化和可大批量生产等特点，但由于其力敏电阻与硅基底是p-n结隔离，在使用温度大于80℃时，因p-n结产生漏电流而使传感器的性能恶化甚至失效，因而，传统扩散硅压力传感器难以解决高温80℃以上的压力测量难题，而且现有的传感器芯片都封装在金属壳体内部，这样就存在了一个腔体，由于管腔效应的影响，降低了传感器的频响。

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齐平封装的耐高温高频响压力传感器，用于测量动态或静态的压力信号，具有耐高温、高频响的优点。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种齐平封装的耐高温高频响压力传感器，包括压力芯片1，压力芯片1通过静电键合与玻璃环2的底面结合在一起，玻璃环2的上面与金属基座5的底孔的上部粘接，金属基座5内部为空腔，在空腔中部和下部配置有两个平台，高温转接板3与高温转接电路补偿板4分别固定在下部与中部的平台上，压力芯片1与高温转接电路板3通过五根金丝引线13连接，高温转接板3与高温转接电路补偿板4通过五根高温导线12相连，四芯高温导线10引出的四根导线分别与高温转接电路补偿板4上的A’、B’、C’和D’四个节点连接在一起，金属基座5的上部与金属外壳6的下部连接，金属外壳6上部与固线帽7连接，金属外壳6上部中心配置有一个孔9，固线帽7配置有中心孔8，四芯高温导线10从金属外壳6的孔9及固线帽7的中心孔8穿出。

所述的中心孔8的直径小于孔9的直径，而且中心孔8与孔9的中心重合。

所述的压力芯片1上配置有四个等值的电阻R，并组成开环惠斯登电桥电路，其端头与电阻R间的节点A、B、C、D和E分别与五根金丝引线13相连。

所述的高温转接电路补偿板4上配置有补偿电阻11和A’、B’、C’、D’、E’五个节点，节点A’与E’通过补偿电阻11连接，节点A’、B’、C’、D’和E’分别与五根高温导线12连接，其中从A节点连接出来的金丝引线13和从A’节点连接出来的高温导线12相连，其他各节点也相互对应。

所述的压力芯片1采用SOI材料研制的耐高温压阻力敏芯片。

封装方式采用了齐平封装方式，即在封装时，压力芯片1与金属基座5的下端面齐平。

本发明的工作原理为：压力芯片1感受到外界介质的压力后，把压力信号转变为电压信号，电压信号依次通过金丝引线13、高温转接板3和高温导线12传递到高温转接电路补偿板4，经过高温转接电路补偿板4上补偿电阻11的补偿后，通过四芯高温导线10把电压信号输出。

由于本发明的压力芯片1采用耐高温压阻力敏芯片，而且本发明采用了齐平封装方式，故而具有耐高温、高频响的优点，用于测量动态或静态的压力信号。

附图说明

图1为本发明的结构剖视图。

图2为压力芯片1的电路图。

图3为高温转接电路补偿板4的电路图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明做详细说明。

参照附图1，一种齐平封装的耐高温高频响压力传感器，包括压力芯片1，压力芯片1通过静电键合与玻璃环2的底面结合在一起，玻璃环2的上面与金属基座5的底孔的上部粘接，金属基座5内部为空腔，在空腔中部和下部配置有两个平台，高温转接板3与高温转接电路补偿板4分别固定在下部与中部的平台上，压力芯片1与高温转接电路板3通过五根金丝引线13连接，高温转接板3与高温转接电路补偿板4通过五根高温导线12相连，四芯高温导线10引出的四根导线分别与高温转接电路补偿板4上的A’、B’、C’和D’四个节点连接在一起，金属基座5的上部与金属外壳6的下部连接，金属外壳6上部与固线帽7连接，金属外壳6上部中心配置有一个孔9，固线帽7配置有中心孔8，四芯高温导线10从金属外壳6的孔9及固线帽7的中心孔8穿出，起到固定四芯高温导线10的作用。

所述的中心孔8的直径小于孔9的直径，而且中心孔8与孔9的中心重合。

参照附图2，所述的压力芯片1上配置有四个等值的电阻R，并组成开环的惠斯登电桥电路，目的是为了对传感器输出的电压信号进行补偿，其端头与电阻R间的节点A、B、C、D和E分别与五根金丝引线13相连。

参照附图3，所述的高温转接电路补偿板4上配置有补偿电阻11和A’、B’、C’、D’、E’五个节点，节点A’与E’通过补偿电阻11连接，节点A’、B’、C’、D’和E’分别与五根高温导线12连接，其中从A节点连接出来的金丝引线13和从A’节点连接出来的高温导线12相连，其他各节点也相互对应，补偿电阻11用来补偿压力芯片1输出的电压信号，补偿后，A与E之间通过补偿电阻11连通，形成了一个闭合的惠斯登电桥电路。

所述的压力芯片1采用SOI材料研制的耐高温压阻力敏芯片，目的就是通过SiO₂绝缘层将力敏芯片的检测电路层与硅基底隔离开，避免了高温下检测电路与基底之间的漏电流产生，提高力敏芯片的耐高温特性，使工作温度可提高到200℃。

封装方式采用了齐平封装方式，即在封装时，压力芯片1与金属基座5的下端面齐平，使被测介质直接作用在压力芯片1上，从而避免了管腔效应的影响。

本发明的工作原理为：在压力芯片1上有四个等值的电阻R1并组成惠斯登电桥电路，当不受力作用时，惠斯登电桥处于平衡状态，无电压输出；当压力芯片1受到压力作用时，惠斯登电桥失去平衡而输出电压信号，且输出的电压与压力成比例，压力芯片1感受到外界介质的压力后，把压力信号转变为电压信号，电压信号通过金丝引线13、高温转接板3和高温导线12传递到高温转接电路补偿板4，经过高温转接电路补偿板4上补偿电阻11的补偿后，通过四芯高温导线10把电压信号输出，由于压力芯片1采用SOI材料研制的耐高温压阻力敏芯片，其杨氏模量很高，加上微型机械电子系统自身微小的结构，所以它的固有频率很高，不仅获得高频响，低至零频高至接近固有频率的宽频带响应，而且有低至亚微秒的上升时间及非常平滑的幅频特性曲线，压力芯片1与玻璃环2静电键合后，形成圆形平膜，基于理论分析，传感器的响应频率主要决定于封装结构和安装方式，本发明采取齐平封装方式，使被测介质直接作用在芯片上，从而避免了管腔效应的影响，降低了由于封装造成的传感器频率响应减小的影响。

附图中：1为压力芯片；2为玻璃环；3为高温转接板；4为高温转接电路补偿板；5为金属基座；6为金属外壳；7为固线帽；8为中心孔；9为孔；10为四芯高温导线；11为补偿电阻；12为高温导线；13为金丝引线；R为电阻；A、B、C、D、E、A’、B’、C’、D’、E’为节点。

Claims (6)

1.一种齐平封装的耐高温高频响压力传感器，包括压力芯片(1)，其特征在于：压力芯片(1)通过静电键合与玻璃环(2)的底面结合在一起，玻璃环(2)的上面与金属基座(5)的底孔的上部粘接，金属基座(5)内部为空腔，在空腔中部和下部配置有两个平台，高温转接板(3)与高温转接电路补偿板(4)分别固定在下部与中部的平台上，压力芯片(1)与高温转接电路板(3)通过五根金丝引线(13)连接，高温转接板(3)与高温转接电路补偿板(4)通过五根高温导线(12)相连，四芯高温导线(10)引出的四根导线分别与高温转接电路补偿板(4)上的(A’)、(B’)、(C’)和(D’)四个节点连接在一起，金属基座(5)的上部与金属外壳(6)的下部连接，金属外壳(6)上部与固线帽(7)连接，金属外壳(6)上部中心配置有一个孔(9)，固线帽(7)配置有中心孔(8)，四芯高温导线(10)从金属外壳(6)的孔(9)及固线帽(7)的中心孔(8)穿出。

2.根据权利要求1所述的一种齐平封装的耐高温高频响压力传感器，其特征在于：所述的中心孔(8)的直径小于孔(9)的直径，而且中心孔(8)与孔(9)的中心重合。

3.根据权利要求1所述的一种齐平封装的耐高温高频响压力传感器，其特征在于：所述的压力芯片(1)上配置有四个等值的电阻R，并组成开环惠斯登电桥电路，其端头与电阻R间的节点(A)、(B)、(C)、(D)和(E)分别与五根金丝引线(13)相连。

4.根据权利要求1所述的一种齐平封装的耐高温高频响压力传感器，其特征在于：所述的高温转接电路补偿板(4)上配置有补偿电阻(11)和(A’)、(B’)、(C’)、(D’)、(E’)五个节点，节点(A’)与(E’)通过补偿电阻(11)连接，节点(A’)、(B’)、(C’)、(D’)和(E’)分别与五根高温导线(12)连接，其中从(A)节点连接出来的金丝引线(13)和从(A’)节点连接出来的高温导线(12)相连，其他各节点也相互对应。

5.根据权利要求1所述的一种齐平封装的耐高温高频响压力传感器，其特征在于：所述的压力芯片(1)采用SOI材料研制的耐高温压阻力敏芯片。

6.根据权利要求1所述的一种齐平封装的耐高温高频响压力传感器，其特征在于：压力芯片(1)与金属基座(5)的下端面齐平。

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