《壓阻式高頻高溫動態壓力感測器》是崑山雙橋感測器測控技術有限公司於2009年11月20日申請的發明專利，該專利的申請號為2009102344794，公布號為CN102072795A，公布日為2011年5月25日，發明人是王冰、王文襄、柳維旗、尤彩紅。
《壓阻式高頻高溫動態壓力感測器》由壓阻敏感組件、感測器金屬殼體和高頻寬頻放大器組成，壓阻敏感組件由矽壓阻敏感元件和玻璃環片組成，矽壓阻敏感元件由圓平矽膜片的正面依次覆蓋有SiO2層和Si3N4層形成，矽壓阻敏感元件正面中部設有惠斯頓電橋而周部裸露出矽膜片後焊固於玻璃環片，矽壓阻敏感元件反面形成金屬反光膜，惠斯頓電橋上應變電阻用絲內引線引出，璃環片另一面固定於陶瓷隔離基座上環形凹坑面，陶瓷隔離基座又燒結固定於感測器金屬殼體的進壓連線埠，壓阻敏感組件上金絲內引線引入到感測器內腔室中的轉接板後，經過高頻寬頻放大器信號放大，由感測器尾部的輸出電纜引出，該發明能在承受超高溫和超高頻衝擊下仍然具有良好特性。
2014年11月6日，《壓阻式高頻高溫動態壓力感測器》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《壓阻式高頻高溫動態壓力感測器》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：壓阻式高頻高溫動態壓力感測器
- 公布號：CN102072795A
- 公布日：2011年5月25日
- 申請號：2009102344794
- 申請日：2009年11月20日
- 申請人：崑山雙橋感測器測控技術有限公司
- 地址：江蘇省崑山市周莊鎮中科院高新技術產業園創業中心
- 發明人：王冰、王文襄、柳維旗、尤彩紅
- 分類號：G01L23/18（2006.01）I；B81B7/02（2006.01）I
- 代理機構：崑山四方專利事務所
- 類別：發明專利
- 代理人：盛建德
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
始於20世紀70年代後期的MEMS技術使得先進的矽壓阻壓力感測器越做越小，從而矽壓阻力敏元件有了更高的固有頻率。美國Kulite公司和Endevco公司採用這一技術製成的微型方膜片實現了壓阻壓力感測器的小型化和晶片高固有頻率，但它們未解決全齊平封裝問題，同時此種封裝也無法解決爆炸中的強光干擾，因此不得不在使用時卸下晶片封裝前方的雷射成形保護網膜適應高頻動態測量，從而造成測量中的極高損壞率或一次性使用。
該申請人在先前申請公開的專利——壓阻式高頻動態高壓感測器（專利號：200510037982.2）中陳述了齊平封裝式高頻動態高壓感測器，它適用於爆轟試驗衝擊波超壓壓力場的測試要求，但由於其檢測壓力轉化為電信號的四個矽力敏電阻組成的惠斯登電橋橋臂電阻間採用的是PN結隔離，而大面積的PN結的耐溫限制為125℃，因而高溫時的PN結漏電流及擊穿導致的隔離失效，使其不能使用於高於125℃的環境及介質。爆轟由於化學反應和燃燒，在近場介質形成一個高溫工作環境，通常會高於這個溫度限制。
發明內容
專利目的
為了解決燃爆測試衝擊波壓力場的近場布點測試及彈藥底火能量測試實驗，《壓阻式高頻高溫動態壓力感測器》能在承受超高溫和超高頻衝擊下仍然具有良好特性，解決了如近場燃爆引起的高溫環境影響，獲得了相關測試需求。
技術方案
《壓阻式高頻高溫動態壓力感測器》由壓阻敏感組件和感測器金屬殼體組成，該壓阻敏感組件由矽壓阻敏感元件和玻璃環片組成，該矽壓阻敏感元件由圓平矽膜片正面依次覆蓋有SiO2層和Si3N4層形成，該矽壓阻敏感元件正面中部設有惠斯頓電橋，而周部裸露出矽膜片後，焊固於與矽有相似熱膨脹係數的該玻璃環片，該矽壓阻敏感元件反面通過真空蒸鍍或磁控濺射形成金屬反光膜，該惠斯頓電橋上應變電阻通過焊接金絲內引線引出；該玻璃環片另一面通過低溫玻璃漿糊燒結或者通過高溫粘膠劑粘接固定於陶瓷隔離基座上設有的環形凹坑面，該陶瓷隔離基座又通過低溫玻璃漿糊燒結固定於該感測器金屬殼體的進壓連線埠，該壓阻敏感組件上金絲內引線通過該陶瓷隔離基座之環形凹坑面上的中心孔，引入到該感測器內腔室中的轉接板後，由該感測器尾部的輸出電纜引出。
作為該發明的進一步改進，該壓力感測器還包括位於該感測器內腔室中的高頻寬頻放大器，該轉接板上引出信號，經過該高頻寬頻放大器信號放大，由該感測器尾部的該輸出電纜引出。
作為該發明的進一步改進，該矽壓阻敏感元件上的金屬反光膜為鉑膜、鈦膜、鋁膜或鎳鉻薄膜。
作為該發明的進一步改進，該圓平矽膜片為雙面拋光的SOI矽片，並在SOI矽片加工中加入金擴散。
作為該發明的進一步改進，該感測器金屬殼體由設有該進壓連線埠的感測器金屬基座和旋固於該感測器金屬基座的感測器金屬管帽組成，該感測器金屬基座與該感測器金屬管帽之間形成了該內腔室。
作為該發明的進一步改進，該玻璃環片採用Pyrex7740或GG-17玻璃環片。
作為該發明的進一步改進，該低溫玻璃漿糊的燒結溫度為380度-450度，該高溫粘膠劑耐受溫度為280度-320度。
作為該發明的進一步改進，對應該感測器壓力量程0～10兆帕至0～20兆帕，該圓平矽膜片厚度為0.32-0.42毫米。
作為該發明的進一步改進，該高頻寬頻放大器由兩級放大電路組成，第一級放大電路採用單位增益頻寬2兆赫的高頻低噪聲儀表放大器和5-8倍的放大倍率，第二級放大電路採用單位增益頻寬80兆赫的高速運算放大器和10-40倍的放大倍率。
作為該發明的進一步改進，該高頻寬頻放大器具有50-400倍的放大倍率，高達150千赫的頻寬和小於1微秒的上升時間。
改善效果
該發明的有益技術效果是：所述該矽壓阻敏感元件正面設有惠斯頓電橋，而反面通過真空蒸鍍或磁控濺射形成金屬反光膜，這樣該矽壓阻敏感元件反面作為受壓面，減小了紅外光的影響，同時該壓阻敏感組件又通過低溫玻璃漿糊燒結或者通過高溫粘膠劑粘接固定於陶瓷隔離基座，該陶瓷隔離基座又通過低溫玻璃漿糊燒結固定於該感測器金屬殼體的進壓連線埠，這樣整個壓力感測器的受壓面不僅能承受強光的照射，又能承受超高溫熱量轟擊，滿足測試環境要求。
由於該圓平矽膜片為雙面拋光的SOI矽片，這樣該惠斯頓電橋上應變電阻之間，以及應變電阻與矽基片之間PN結隔離，而是被空氣和二氧化矽絕緣隔離，在SOI矽片加工中加入了金擴散，這樣增加了矽片的複合中心減小光生載流子的壽命，是解決防光干擾的關鍵。
附圖說明
圖1是該發明中該矽壓阻敏感元件的剖面結構示意圖；
圖2是該發明中該壓阻敏感組件的剖面結構示意圖；
圖3是該發明所述感測器齊平封裝的結構示意圖（沒有自帶高頻寬頻放大器）；
圖4是該發明帶有所述高頻寬頻放大器的感測器結構示意圖；
圖5是該發明中所述高頻寬頻放大器的電路原理圖。
對圖1至圖5做如下進一步說明：1-矽壓阻敏感元件；4-轉接板；11-圓平矽膜片；5-感測器金屬基座；12-SiO2層；6-固板架；13-Si3N4層；7-高頻寬頻放大電路；14-圓形力敏區；8-感測器金屬管帽；15-金絲內引線；9-輸出電纜；2-玻璃環片；10-航天插座；3-陶瓷隔離基座。
技術領域
該發明涉及一種耐瞬態超高溫高頻繁衝擊能力的壓阻式高頻高溫動態壓力感測器，特別涉及一種基於MEMS（Micro Electron Mechanical System）技術與SOI（Silicon On Insulator）技術相結合開發的耐高溫高頻動態壓力感測器，適用於彈藥底火能量測試實驗技術類高頻動態壓力測量中伴有超近距離探測帶來的高溫場，瞬態超高溫衝擊且較為頻繁，並伴有反應介質導電性干擾與強光干擾等特殊要求的工況，完成亞毫秒數量級的高溫高頻動態壓力的頻繁測量。
權利要求
1.《壓阻式高頻高溫動態壓力感測器》由壓阻敏感組件和感測器金屬殼體組成，其特徵在於：
1）該壓阻敏感組件由矽壓阻敏感元件（1）和玻璃環片（2）組成，該矽壓阻敏感元件（1）由圓平矽膜片（11）的正面依次覆蓋有SiO2層（12）和Si3N4（13）層形成，該矽壓阻敏感元件正面中部設有惠斯頓電橋，而周部裸露出矽膜片後，焊固於與矽有相似熱膨脹係數的該玻璃環片（2），該矽壓阻敏感元件（1）反面通過真空蒸鍍或磁控濺射形成金屬反光膜，該惠斯頓電橋上應變電阻通過焊接金絲內引線（15）引出；
2）該玻璃環片（2）另一面通過低溫玻璃漿糊燒結或者通過高溫粘膠劑粘接固定於陶瓷隔離基座（3）上設有的環形凹坑面，該陶瓷隔離基座（3）又通過低溫玻璃漿糊燒結固定於該感測器金屬殼體的進壓連線埠，該壓阻敏感組件上金絲內引線（15）通過該陶瓷隔離基座（3）之環形凹坑面上的中心孔，引入到該感測器內腔室中的轉接板（4）後，由該感測器尾部的輸出電纜（9）引出。
2.如權利要求1所述的一種壓阻式高頻高溫動態壓力感測器，其特徵在於：該壓力感測器還包括位於該感測器內腔室中的高頻寬頻放大器，該轉接板（4）上引出信號，經過該高頻寬頻放大器（7）信號放大，由該感測器尾部的該輸出電纜（9）引出。
3.如權利要求1或2所述的一種壓阻式高頻高溫動態壓力感測器，其特徵在於：該矽壓阻敏感元件（1）上的金屬反光膜為鉑膜、鈦膜、鋁膜或鎳鉻薄膜。
4.如權利要求1或2所述的一種壓阻式高頻高溫動態壓力感測器，其特徵在於：該圓平矽膜片（11）為雙面拋光的SOI矽片，並在SOI矽片加工中加入金擴散。
5.如權利要求1或2所述的一種壓阻式高頻高溫動態壓力感測器，其特徵在於：該感測器金屬殼體由設有該進壓連線埠的感測器金屬基座（5）和旋固於該感測器金屬基座（5）的感測器金屬管帽（8）組成，該感測器金屬基座（5）與該感測器金屬管帽（8）之間形成了該內腔室。
6.如權利要求1或2所述的一種壓阻式高頻高溫動態壓力感測器，其特徵在於：該玻璃環片（2）採用Pyrex7740或GG-17玻璃環片。
7.如權利要求1或2所述的一種壓阻式高頻高溫動態壓力感測器，其特徵在於：該低溫玻璃漿糊的燒結溫度為380度-450度，該高溫粘膠劑耐受溫度為280度-320度。
8.如權利要求1或2所述的一種壓阻式高頻高溫動態壓力感測器，其特徵在於：對應該感測器壓力量程0～10兆帕至0～20兆帕，該圓平矽膜片厚度為0.32-0.42毫米。
9.如權利要求2所述的一種壓阻式高頻高溫動態壓力感測器，其特徵在於：該高頻寬頻放大器由兩級放大電路組成，第一級放大電路採用單位增益頻寬2兆赫的高頻低噪聲儀表放大器和5-8倍的放大倍率，第二級放大電路採用單位增益頻寬80兆赫的高速運算放大器和10-40倍的放大倍率。
10.如權利要求9所述的一種壓阻式高頻高溫動態壓力感測器，其特徵在於：該高頻寬頻放大器具有50-400倍的放大倍率，高達150千赫的頻寬和小於1微秒的上升時間。
實施方式
《壓阻式高頻高溫動態壓力感測器》採用MEMS矽體微機械加工工藝製作的周邊固支的圓平矽膜片，利用齊平封裝技術，消除管腔效應對動態測試的影響，實現對動態高溫壓力的實時測量，採用高頻寬頻放大器，確保有足夠高頻的同時，又避免了其小信號噪聲大的弱點。以下實施步驟按照如圖1至圖5所示，進行詳細描述：
圖1所示，該圓平矽膜片11採用雙面拋光的SOI矽片（在SOI矽片加工中還加入金擴散，目的增加矽片的複合中心減小光生載流子的壽命），作為彈性元件，在MEMS技術加工中先用傳統的熱氧化技術在正面覆蓋1微米厚的SiO2層12，再用標準的LPCVD法在正面上覆蓋3000厚的Si3N4層13，用兩次光刻技術，刻蝕掉該矽膜片正面圓形力敏區14以外部位的Si3N4層及SiO2層，保留圓形力敏區14部位覆蓋的Si3N4層13和SiO2層12；用雙面光刻技術和離子注入摻雜技術，在該圓平矽膜片11的正面特定位置製作成惠斯頓電橋並引出應變電阻之電極，由此製成所述矽壓阻敏感元件1，該矽壓阻敏感元件1反面（也就是該SOI矽片的反面）通過真空蒸鍍或磁控濺射形成鉑、鈦、鋁或鎳鉻金屬反光膜，目的是為了減小紅外光的影響。上述未詳加敘述都是標準積體電路工藝。
圖2所示，由於SOI矽膜片11的圓形力敏區14以外區域的絕緣層被去除，利用靜電鍵合工藝將該區域和厚度為2-4毫米的拋光Pyrex或GG-17玻璃環片2焊接到一起，再採用4或5根Ф25-Ф40微米的金絲為內引線15，用金絲球焊機將金絲內引線的一端焊接在該矽惠斯頓電橋的電極引出塊上。Pyrex玻璃環片是康寧公司（Corning）的產品，專為半導體封裝設計，具有與矽接近的物理性能，GG-17玻璃環片為國產產品。
圖3所示，將陶瓷隔離基座3用低溫玻璃漿糊將它燒結在感測器金屬基座5的進壓連線埠，將該壓阻敏感組件之玻璃環片2另一面用低溫玻璃漿糊燒結法或者高溫粘膠劑粘接在陶瓷隔離基座3設有的環行凹坑面，實現該壓阻敏感組件之矽膜片背面正好與該感測器金屬基座5之進壓連線埠的端面齊平，該壓阻敏感組件上金絲內引線15的另一端通過該陶瓷隔離基座3之環形凹坑面上的中心孔後，用高溫焊錫或是儲能焊焊接到作為轉接電路的轉接板4上，該轉接板4固定於該感測器金屬基座之內腔室，並將引出耐高溫的輸出電纜9焊接到對應的轉接板4上，從而實現內外引線的轉接。
該感測器金屬基座5尾部旋固用於封裝該感測器的感測器金屬管帽8，該輸出電纜9通過該感測器金屬管帽8頂部的航空插座10引出，由此也構成該發明的第一個實施方式（沒有自帶高頻寬頻放大器）。
該發明的另一實施例就是該感測器集成自帶的高頻寬頻放大器，該高頻寬頻放大器位於該感測器內腔室中，即該轉接板4上引出信號，經過該高頻寬頻放大器7信號放大，由該感測器尾部的該輸出電纜9引出，如圖4所示，將該金絲內引線15通過轉接板4轉接到該高頻寬頻放大電路7連線，該高頻寬頻放大電路7基於該感測器之內腔室的固板架6固定，再將該輸出電纜的芯線焊接到該高頻寬頻放大電路7上，從而實現感測器信號的高頻放大。
當測試要求感測器引出線太長，因而為了避免干擾，用戶要求感測器輸出高電平信號時，採用一體化封裝的高頻寬頻放大器，該放大器有高至0-150千赫的使用頻寬，小於1微秒的上升時間和極低的低頻噪聲。
圖5所示，該高頻寬頻放大器由三部分組成，其中：
1、由LM317與電阻R5，二極體D1，電容C6，電容C7組成為感測器提供工作的恆流電源，根據公式I＝1.25/R可以確定R5大小決定LM317所提供的恆流大小，D1，C6，C7組成恆流的濾波電路用去除電源的干擾及噪聲。
2、由一級放大器INA111與電阻R1，電容C1，電容C8，電容C9，電容C2，電阻R2組成該高頻寬頻放大器的第一級放大電路，R1為一固定電阻，其值大小為R＝49.4K/（G-1），（G＝4～10）跨接在INA111的1，8腳之間，該級放大倍數固定為4～10倍，使得INA111在該放大倍數下有著較低噪聲，同時具有較高得頻響；C1跨接在INA111的2，3腳之間用來濾除0.8～1兆赫的感測器輸入噪聲；C8，C9用來濾除INA111工作電源的干擾噪聲；C2，R2組成INA111放大輸出信號即OPA637輸入信號的濾波電路濾除其信號干擾。
3、由二級放大器OPA637與電容C3，電容C4，電容C5，電阻R3，電阻R4，電位器W2及R電阻3，電位器W1組成該高頻寬頻放大器的第二級放大電路，W1，W2為三端可調電阻（電位器），R3，W2，R4跨接在OPA637的1腳、7腳及5腳上，該部分組成OPA637的零位十條電路作為該高頻寬頻放大器的零位調節電路，而R3，W1分別跨接在OPA637的2腳，6腳及電源地之間作為第二級放大電路的放大倍數的調節，C3，C4，C5組成第二級放大電路的電源及信號輸出的濾波，作為第二級放大電路的信號干擾的濾除電路。
該高頻動態高溫壓力感測器的量程是由微機械加工的具有圓形力敏區的圓平矽膜片厚度控制的，膜片厚度的控制通過機械減薄加各向同性或各向異性腐蝕工藝完成，對應於該感測器壓力量程0～10兆帕至0～20兆帕範圍，該圓平矽膜片厚度為0.32-0.42毫米。
該壓阻式高頻高溫動態壓力感測器的圓平矽膜片背面與該感測器金屬基座之進壓連線埠齊平，是典型的齊平封裝設計，消除了壓力管腔效應對其動態測試的影響，充分保證了感測器的動態頻響特性，完全滿足動態壓力測試試驗要求的回響頻率。
該壓阻式高頻高溫動態壓力感測器可以通過兩級放大的寬頻放大器實現50-400倍的放大率，可以達到頻寬150千赫，上升時間小於1微秒的高動態頻響，同時又避免了其小信號噪聲大的弱點。
該壓阻式高頻高溫動態壓力感測器性能優良，穩定，抗干擾能力強，可用於各種爆轟衝擊波力學試驗等工況的高靈敏度動態壓力測試的用途，有著較好的市場前景。
該發明產品的主要性能指標為：
1.量程：0～10兆帕至0～20兆帕，輸出靈敏度：80～120毫伏或0-5伏；
2.精度：0.3～0.01％FS；
3.固有頻率：0～200至0～1000千赫；
4.使用頻寬：0～60至0～300千赫；
5.上升時間：0.5-1微秒；
6.時間穩定性：≤0.1毫伏或0.1％FS；
7.溫度穩定性：≤5×10/℃·FS；
8.測量介質溫度範圍：-50～350℃（瞬態可達2000℃）；
9.防光特性：防強紅外及可見光。
榮譽表彰
2014年11月6日，《壓阻式高頻高溫動態壓力感測器》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
