敏感芯体和传感器

1.本公开涉及传感器技术领域，具体涉及一种敏感芯体和传感器。

背景技术：

2.随着发动机的高度集成，温度-压力集成感知的传感器成为了一种新的需求。目前kulite采用无引线的铂电阻探头和压阻传感器探头集成实现了特种温-压双参数测量传感器，压力测量精度为1％fs左右。然而随着航空发动机技术的发展，发动机对燃料、气体、温度等复杂环境的监测和控制也越来越精准，相关产品已无法满足新的应用需求。硅谐振压力传感器作为新一代的传感器技术，利用单晶硅优良的机械特性，是目前综合精度最高的一类压力传感器，综合精度优于0.02％fs，成为最有潜力的替代品。
3.针对发动机燃料、气体等复杂的应用环境，通常采用波纹膜片对压力传感器芯片进行充油封装，使敏感芯体与外界环境不直接接触。然而，波纹膜片、硅油等结构和材料不可避免地造成压力传导误差，从而降低传感器的精度，也一定程度影响了传感器的动态特性。此外，充油填充后，传感器敏感单元与外部环境隔离，温度和压力无法实现原位的测量，从而无法实现温度和压力的集成感知。
4.因此，针对现有温度-压力集成感知传感器精度低、动态响应损失、以及无法原位测量的问题，有必要提出一种多介质兼容、温压集成感知的高精度压力传感器。

技术实现要素：

5.本公开实施例提供一种敏感芯体和传感器。
6.第一方面，本公开实施例中提供了一种敏感芯体，包括：硅片和硅盖板；所述硅片包括衬底层、埋氧层和器件层；所述敏感芯体整体呈长条状，硅盖板上设置有谐振腔；衬底层上设置有压力敏感膜；所述硅盖板上的所述谐振腔与所述衬底层上的所述压力敏感膜的位置上下对应，并且尺寸相同；所述器件层上设置有两个谐振器，所述两个谐振器平行悬空放置在压力敏感膜的不同位置，分别处于正负应力区。
7.进一步地，所述硅片和所述硅盖板之间利用低温金硅共晶键合技术进行键合，将所述两个谐振器真空密封在所述谐振腔中，为所述谐振器提供振动空间和恒定的参考压力。
8.进一步地，所述敏感芯体的两端分别为压力敏感区和电连接区；在电连接区的衬底层刻有引线孔，引线孔穿过衬底层和埋氧层，暴露出器件层上的接线端子，接线端子包括驱动电极接线端子、检测电极接线端子和接地接线端子；在引线孔底部制作一层金属电极，用于压焊引线。
9.进一步地，所述谐振器的两侧设置有平板驱动电极和检测电极；所述驱动电极和检测电极分别与所述敏感芯体一端的电连接区的驱动电极接线端子、检测电极接线端子相连；电连接区还设置有接地接线端子。
10.进一步地，平板驱动电极、检测电极设置在敏感芯体的压力敏感区，驱动电极接线
端子、检测电极接线端子和接地接线端子均设置在敏感芯体的电连接区。
11.第二面，本公开实施例中提供了一种传感器，包括：如第一方面所述的敏感芯体。
12.进一步地，所述传感器还包括：压力接头、电路支架、信号处理电路板、外壳、插座和端盖；
13.压力接头上设置有连接螺纹以及压力介质腔；
14.敏感芯体穿过所述压力接头尾部的方孔并通过玻璃浆料焊接密封，使所述敏感芯体的压力敏感区域形成悬臂梁结构；其中，压力敏感膜位于悬臂梁末端，压力介质腔和敏感芯体压力敏感区构成压力检测腔，与所述敏感芯体的电连接区形成隔离，形成敏感芯体感电分离结构。
15.进一步地，所述敏感芯体的压力敏感区能够与非腐蚀性气体和/或液体进行直接接触测量，从而实现温度和压力的集成感知测量。
16.进一步地，所述传感器还包括：电路支架、信号处理电路板、外壳、连接插座和端盖；
17.所述电路支架通过螺栓固连在压力接口尾部，所述信号处理电路板固定于电路支架，其上设置有焊盘，通过引线金丝将敏感芯体电连接区的金属电极与信号处理电路板连接，实现信号引出；
18.外壳前端和压力接头焊接，尾端与端盖焊接，从而将信号处理电路板和敏感芯体的电连接区密封；端盖上固定有连接插座，连接插座上的引脚与信号处理电路板形成电路连接。
19.进一步地，所述敏感芯体中两谐振器频率、压力和温度值存在函数关系，通过调整双谐振梁和压力敏感膜的空间拓扑关系，使得所述函数关系对应的函数矩阵可逆，并采用五次多项式拟合公式，由两谐振器频率解算出压力和温度值。
20.本公开实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
21.(1)采用了双谐振器实现温度-压力协同敏感和原位补偿，利用频率输出实现双参数测量，对测量系统资源消耗少，测量准确度提升；
22.(2)采用低温金硅共晶键合实现纯硅敏感芯体，硅盖板与soi层热膨胀系数匹配，宽温区内热应力变化小，提高宽温度范围内的压力测量精度和稳定性；
23.(3)采用细长芯片结构，组装焊接部位距离谐振器远，组装应力对谐振器影响小，提升传感器的长期稳定性；
24.(4)采用了新型的感电分离封装结构，敏感芯体穿过压力接头并焊接，在压力接头的两侧分别形成了压力敏感区和电连接区，电气连接和压力敏感区域的分离使得压力敏感区可以直接与测量介质接触而无需充油隔离，避免介质传压损失，实现温度和压力的同时测量，提高温度和压力的测量精度；同时敏感芯体表面进行钝化处理，能够兼容多介质测量。
25.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
26.结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本公开的其它特征、目的和优
点将变得更加明显。在附图中：
27.图1示出根据本公开一实施方式的传感器敏感芯体的内部结构示意图。
28.图2示出根据本公开一实施方式的敏感芯体外部结构示意图。
29.图3示出本公开一实施方式的传感器组装的三维结构示意图。
30.附图标记说明：110-衬底层；120-埋氧层；130-器件层；140-soi；150-硅盖板；111-压力敏感膜；131-谐振器；132-驱动电极；133-检测电极；134-驱动接线端子；135-检测接线端子；136-接地接线端子；151-谐振腔；180-压力敏感区；190-电连接区；112-引线孔；113-金属电极；100-敏感芯体；200-压力接头；300-电路板支架；400-信号处理电路板；500-外壳；600-插座；700-端盖；111-压力敏感膜；210-连接螺纹；220-压力介质腔；230-方孔；410-焊盘；610-插座引脚。
具体实施方式
31.下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施方式，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施方式无关的部分。
32.在本公开中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。
33.另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
34.本公开提出了一种多介质兼容、温压集成敏感的硅谐振式压力传感器。利用双谐振器构建差异化的温度和压力协同敏感机制，通过双频的解耦，实现温度和压力的双参数测量；传感器芯片将引线键合区与敏感区分离开来，通过玻璃浆料焊接密封，形成悬臂梁式装配方法,从而实现敏感区域与测量介质的直接接触，避免传统充油封装的精度损失问题。
35.为实现传感器液态介质的温度和压力原位测量，避免传统充油封装带来的封装精度和动态响应劣化问题，本公开提出了多介质兼容、温压集成测量的硅谐振压力传感器。
36.为实现传感器温度和压力的原位测量，传感器芯片采用了双谐振器结构。两个谐振器均对温度和压力敏感，但具有差异化的压-频特性和相近的温-频特性。为避免公开号为cn113091984a的专利申请中存在的硅-玻璃材料带来的传感器温度系数大、输出非线性以及玻璃导热性能差的问题，传感器采用全硅材料进行制作，通过硅-硅熔融或者au-si共晶键合进行真空封装，通过减小敏感区域面积来提升传感器的温度特性的线性度，提升对温度响应速率。
37.为实现传感器多介质测量，传感器敏感芯体采用了感电分离的结构。传感器敏感芯体为长条状，其中一端布置了压力敏感膜、以及谐振器，另一端为引线孔。信号通过硅电极进行连接，实现电信号的引出。
38.图1示出根据本公开一实施方式的传感器敏感芯体的内部结构示意图。如图1所示，传感器敏感芯体包括硅(soi)片140和硅盖板150；硅片140包括衬底层110、埋氧层120和器件层130，传感器敏感芯体整体呈细长条状，硅盖板150上设置有谐振腔151；soi器件层130上设置有谐振器131，衬底层110上设置有压力敏感膜111。
39.在一些实施例中，两个具有相近结构与尺寸参数的谐振器131分别平行悬空放置在压力敏感膜111的不同位置，分别处于正负应力区，在不同压力作用下，敏感膜不同区域的应力变化可以转化为谐振器频率变化。硅盖板150上的谐振腔151与soi片的衬底层110上的压力敏感膜111位置上下对应，尺寸(包括长度、宽度等)相同，为长方形形状。硅盖板150和soi片140利用低温金硅共晶键合技术进行键合，将两谐振器131真空密封在谐振腔151中，为谐振器提供振动空间和恒定的参考压力。为了吸收键合过程中释放的气体，进一步提高真空度，谐振腔151整个底部沉积一层吸气剂。
40.如图1-2所示，图2示出根据本公开一实施方式的敏感芯体外部结构示意图。长条状的所述敏感芯体的两端分别为压力敏感区180和电连接区190，前述压力敏感膜111、两谐振器131和谐振腔151位于压力敏感区；电连接区190的衬底层110上刻有引线孔112，引线孔112穿过衬底层110和埋氧层120，暴露出器件层130上的接线端子，包括驱动电极接线端子134、检测电极接线端子135和接地接线端子136。在引线孔112底部制作一层金属电极113，用于压焊引线；
41.为了驱动悬空谐振器振动和检测器特征频率输出，在谐振器131的两侧设计有平板驱动电极132和检测电极133，驱动电极132和检测电极133分别与芯片另一端的电连接区的驱动电极接线端子134、检测电极接线端子135相连；芯片电连接区还设置有一个接地接线端子136。需要说明的是，平板驱动电极132、检测电极133设置在敏感芯体的压力敏感区，驱动电极接线端子134、检测电极接线端子135和接地接线端子136均设置在敏感芯体的电连接区。
42.为实现多测量介质兼容，避免使用硅油等介质隔离，其核心问题是解决传感器引线隔离问题。本公开利用悬臂梁式隔离组装方法，形成了敏感芯体感电分离结构。
43.图3示出本公开一实施方式的传感器组装的三维示意图。如图3所示，传感器主要包括敏感芯体100、压力接头200、电路支架300、信号处理电路板400、外壳500、插座600和端盖700。压力接头200上设置连接螺纹210以及压力介质腔220；敏感芯体100穿过压力接头200尾部的方孔230并通过玻璃浆料焊接密封，使敏感芯体压力敏感区180形成悬臂梁结构，压力敏感膜111位于悬臂梁末端，其上的谐振器131距离组装焊接位置较远，有效隔离组装应力；压力介质腔220和敏感芯体压力敏感区180构成压力检测腔，与芯体电连接区190形成隔离，形成敏感芯体感电分离结构；电路支架300通过螺栓固连在压力接头200尾部，信号处理电路板400固定于电路支架300，其上具有焊盘410，通过引线金丝将敏感芯体100电连接区中的金属电极113与电路板400连接，实现信号引出；外壳500前端和压力接头200焊接，尾端与端盖700焊接，从而将电路板400和敏感芯体100电连接区域密封；端盖700上固定有连接插座600，连接插座600上的引脚610与信号处理电路板400形成电路连接。
44.在一些实施例中，压力敏感膜的结构包括但不限于方膜、矩形膜、圆膜、多边形膜。
45.在一些实施例中，硅盖板上的谐振腔结构可以包括但不限于方形、圆形、多边形。
46.在一些实施例中，谐振器可使用除静电激励电容检测原理以外的其他原理进行驱动\测量。
47.在一些实施例中，敏感芯体的长宽比例(即14*3.5mm)为优选方案，可在合理范围内做调整；敏感芯体与压力接头的连接方式可以包括但不限于焊接、粘接等。
48.在一些实施例中，传感器的固定方式可以包括但不限于螺栓连接、法兰连接、焊接
连接等。
49.在一些实施例中，为提升传感器的介质兼容性，传感器芯片可表面沉积氧化硅、氮化硅等钝化物薄膜。
50.在一些实施例中，敏感芯体的压力敏感区能够与非腐蚀性气体和/或液体进行直接接触测量，从而实现温度和压力的集成感知测量。
51.在一些实施例中，敏感芯体中两谐振器频率、压力和温度值存在函数关系，通过调整双谐振梁和压力敏感膜的空间拓扑关系，使得所述函数关系对应的函数矩阵可逆，并采用五次多项式拟合公式，由两谐振器频率解算出压力和温度值。
52.传感器的工作原理如下：在给定温度t和压力p下，两谐振器频率可以表示为：
[0053][0054]
其中，δf
1t
为两谐振器中梁由温度变化引起的频率变化，δf
2t
为两谐振器边梁由温度变化引起的频率变化，δf
1p
为两谐振器中梁由压力引起的频率变化，δf
2p
为两谐振器边梁由压力引起的频率变化；通过调整谐振器尺寸和梁膜复合结构，使δf
1t
和δf
2t
大小相等，δf
1p
和δf
2p
大小相等，故有：
[0055][0056]
通过调节双谐振器和压力膜的空间拓扑关系，可以保证f1,f2函数矩阵的可逆性，故经由数学变换得：
[0057][0058]
其中，g1和g2为f1,f2的逆函数。
[0059]
通过回归分析法，由二维坐标确定的压力p和温度t分别分布在三维曲面上，使用五次多项式进行拟合，如下式所示：
[0060][0061][0062]
通过系列标准压力-温度点确定多项式系数后，即可根据多项式，由两谐振器频率解算出测量介质的压力和温度值；
[0063]
本公开的有益效果：
[0064]
(1)采用了双谐振器实现温度-压力协同敏感和原位补偿，利用频率输出实现双参数测量，对测量系统资源消耗少，测量准确度提升；
[0065]
(2)采用低温金硅共晶键合实现纯硅敏感芯体，硅盖板与soi层热膨胀系数匹配，宽温区内热应力变化小，提高宽温度范围内的压力测量精度和稳定性；
[0066]
(3)采用细长芯片结构，组装焊接部位距离谐振器远，组装应力对谐振器影响小，提升传感器的长期稳定性；
[0067]
(4)采用了新型的感电分离封装结构，敏感芯体穿过压力接头并焊接，在压力接头的两侧分别形成了压力敏感区和电连接区，电气连接和压力敏感区域的分离使得压力敏感区可以通入不同种类的介质，同时敏感芯体表面进行钝化处理，能够兼容多介质测量；
[0068]
(5)采用了新型的感电分离封装结构，敏感芯体直接接触外部介质，避免油封结构传压、传温损失，同时实现温度和压力的高精度测量。
[0069]
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

技术特征：

1.一种敏感芯体，其特征在于，包括：硅片和硅盖板；所述硅片包括衬底层、埋氧层和器件层；所述敏感芯体整体呈长条状，硅盖板上设置有谐振腔；衬底层上设置有压力敏感膜；所述硅盖板上的所述谐振腔与所述衬底层上的所述压力敏感膜的位置上下对应，并且尺寸相同；所述器件层上设置有两个谐振器，所述两个谐振器平行悬空放置在压力敏感膜的不同位置，分别处于正负应力区。2.根据权利要求1所述的敏感芯体，其特征在于，所述硅片和所述硅盖板之间利用低温金硅共晶键合技术进行键合，将所述两个谐振器真空密封在所述谐振腔中，为所述谐振器提供振动空间和恒定的参考压力。3.根据权利要求1所述的敏感芯体，其特征在于，所述敏感芯体的两端分别为压力敏感区和电连接区；在电连接区的衬底层刻有引线孔，引线孔穿过衬底层和埋氧层，暴露出器件层上的接线端子，接线端子包括驱动电极接线端子、检测电极接线端子和接地接线端子；在引线孔底部制作一层金属电极，用于压焊引线。4.根据权利要求1-3任一项所述的敏感芯体，其特征在于，所述谐振器的两侧设置有平板驱动电极和检测电极；所述驱动电极和检测电极分别与所述敏感芯体一端的电连接区的驱动电极接线端子、检测电极接线端子相连；电连接区还设置有接地接线端子。5.根据权利要求4所述的敏感芯体，其特征在于，平板驱动电极、检测电极设置在敏感芯体的压力敏感区，驱动电极接线端子、检测电极接线端子和接地接线端子均设置在敏感芯体的电连接区。6.一种传感器，其特征在于，包括：如权利要求1-5任一项所述的敏感芯体。7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括：压力接头、电路支架、信号处理电路板、外壳、插座和端盖；压力接头上设置有连接螺纹以及压力介质腔；敏感芯体穿过所述压力接头尾部的方孔并通过玻璃浆料焊接密封，使所述敏感芯体的压力敏感区域形成悬臂梁结构；其中，压力敏感膜位于悬臂梁末端，压力介质腔和敏感芯体压力敏感区构成压力检测腔，与所述敏感芯体的电连接区形成隔离，形成敏感芯体感电分离结构。8.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述敏感芯体的压力敏感区能够与非腐蚀性气体和/或液体进行直接接触测量，从而实现温度和压力的集成感知测量。9.根据权利要求6-8所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括：电路支架、信号处理电路板、外壳、连接插座和端盖；所述电路支架通过螺栓固连在压力接口尾部，所述信号处理电路板固定于电路支架，其上设置有焊盘，通过引线金丝将敏感芯体电连接区的金属电极与信号处理电路板连接，实现信号引出；外壳前端和压力接头焊接，尾端与端盖焊接，从而将信号处理电路板和敏感芯体的电连接区密封；端盖上固定有连接插座，连接插座上的引脚与信号处理电路板形成电路连接。10.根据权利要求6-8所述的传感器，其特征在于，所述敏感芯体中两谐振器频率、压力和温度值存在函数关系，通过调整双谐振梁和压力敏感膜的空间拓扑关系，使得所述函数关系对应的函数矩阵可逆，并采用五次多项式拟合公式，由两谐振器频率解算出压力和温度值。

技术总结

本公开实施例公开了一种敏感芯体和传感器。所述敏感芯体包括：硅片和硅盖板；所述硅片包括衬底层、埋氧层和器件层；所述敏感芯体整体呈长条状，硅盖板上设置有谐振腔；衬底层上设置有压力敏感膜；所述硅盖板上的所述谐振腔与所述衬底层上的所述压力敏感膜的位置上下对应，并且尺寸相同；所述器件层上设置有两个谐振器，所述两个谐振器平行悬空放置在压力敏感膜的不同位置，分别处于正负应力区。该技术方案采用低温金硅共晶键合实现纯硅敏感芯体，硅盖板与SOI层热膨胀系数匹配，宽温区内热应力变化小，提高宽温度范围内的压力测量精度和稳定性。稳定性。稳定性。