本發(fā)明屬于先進(jìn)傳感器技術(shù)研究中的傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高溫大量程硅-藍(lán)寶石壓力傳感器結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

高溫高壓環(huán)境下壓力的高精度測(cè)量技術(shù)在工業(yè)、航空、航天、武器裝備等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)，由于敏感材料溫度特性的限制，該技術(shù)一直是壓力測(cè)量領(lǐng)域有待攻克的難題。

目前，國(guó)內(nèi)外研制出的高溫壓力傳感器包括合金薄膜壓力傳感器、絕緣襯上硅(Silicon-On-Insulator，簡(jiǎn)稱SOI)壓力傳感器、SiC壓力傳感器、硅-藍(lán)寶石壓力傳感器等。其中合金薄膜壓力傳感器利用薄膜沉積代替了傳統(tǒng)粘貼式應(yīng)變片的膠接，實(shí)現(xiàn)了高溫下的壓力測(cè)量，但受加工工藝及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、傳感器靈敏度低等因素影響，給使用帶來(lái)很多不便；SOI壓力傳感器受工藝及結(jié)構(gòu)限制，應(yīng)用范圍受到限制；SiC壓力傳感器由于單晶與薄膜材料的制備和器件制造的難度很大，其研究水平與實(shí)際應(yīng)用的要求還有較大的差距；硅-藍(lán)寶石壓力傳感器由于良好的機(jī)械特性及耐高溫特性，成為目前研究的熱點(diǎn)技術(shù)。

壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)主要分為單膜片和雙膜片兩種，其中單膜片結(jié)構(gòu)用于小量程的壓力測(cè)量，靈敏度較高，但測(cè)量范圍較??；雙膜片結(jié)構(gòu)用于大量程的壓力測(cè)量，測(cè)量范圍較大，但靈敏度較低。同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度和大量程的壓力傳感器結(jié)構(gòu)一直都是研究的難點(diǎn)。

基于以上背景，設(shè)計(jì)一種硅-藍(lán)寶石壓力傳感器結(jié)構(gòu)使其不僅能夠在高溫高壓下正常工作，還擁有靈敏度高，線性度好等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)出一種靈敏度高，線性度好的高溫大量程壓力傳感器。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種高溫大量程硅-藍(lán)寶石壓力傳感器結(jié)構(gòu)，包括鈦合金殼體1、下鈦合金膜片2、藍(lán)寶石膜片3、單晶硅應(yīng)變電阻4、上鈦合金膜片5、連接柱體6和金屬引線7，其中鈦合金殼體1為下鈦合金膜片2、藍(lán)寶石膜片3、單晶硅應(yīng)變電阻4、上鈦合金膜片5、連接柱體6和金屬引線7提供支撐和保護(hù)，下鈦合金膜片2和藍(lán)寶石膜片3通過(guò)真空燒結(jié)的方式結(jié)合在一起，組成彈性敏感膜片；以藍(lán)寶石膜片3為襯底，在其上通過(guò)半導(dǎo)體工藝加工出單晶硅應(yīng)變電阻4，形成硅-藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)；通過(guò)對(duì)稱式的方式對(duì)膜上的單晶硅應(yīng)變電阻4進(jìn)行排列，利用金屬引線7進(jìn)行連接，組成惠斯頓電橋；下膜片與上鈦合金膜片5通過(guò)連接柱體6組成分離式的雙膜片結(jié)構(gòu)，提高傳感器測(cè)量范圍。

更進(jìn)一步的，下鈦合金膜片2是周邊固支圓平膜片，與藍(lán)寶石膜片3燒結(jié)在一起，感知壓力產(chǎn)生形變，上鈦合金膜片5也是周邊固支圓平膜片，其下表面連接一個(gè)柱體6，柱體6下表面加工成球形凹面，與藍(lán)寶石膜片3保持5-10μm的間距，當(dāng)下膜片受力變形，可與連接柱體6下表面凹面完全貼合，使下膜片受力均勻，使傳感器在測(cè)量小量程壓力時(shí)，具備高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具備大量程壓力測(cè)量的能力。

更進(jìn)一步的，藍(lán)寶石膜片3與單晶硅應(yīng)變電阻4之間沒(méi)有采用p-n結(jié)進(jìn)行隔離，而是通過(guò)在藍(lán)寶石膜片3上異質(zhì)外延生長(zhǎng)出一層單晶硅薄膜，在外延膜上通過(guò)半導(dǎo)體平面工藝加工出單晶硅應(yīng)變電阻4。

更進(jìn)一步的，當(dāng)測(cè)量小量程壓力時(shí)，藍(lán)寶石膜片與連接柱體不接觸，只有單膜片作用，使傳感器靈敏度足夠高；當(dāng)測(cè)量大量程壓力時(shí)，藍(lán)寶石膜片與連接柱體接觸，雙膜片起作用，保護(hù)藍(lán)寶石膜片不被破壞，同時(shí)提高傳感器的測(cè)量范圍。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)：

(1)、本發(fā)明采用了分離式雙膜片設(shè)計(jì)，上膜片連接一個(gè)柱體，連接柱體與下膜片保持較小的距離，在測(cè)量小量程壓力時(shí)具有高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也可用于大量程壓力的測(cè)量。

(2)、本發(fā)明采用了藍(lán)寶石材料作為襯底，單晶硅作為外延層材料，避免了p-n隔離，提高了傳感器工作溫度范圍。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一種高溫大量程硅-藍(lán)寶石壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中附圖標(biāo)記含義為：1為鈦合金殼體，2為下鈦合金膜片，3為藍(lán)寶石膜片，4為單晶硅應(yīng)變電阻，5為上鈦合金膜片，6為連接柱體，7為金屬引線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的高溫大量程硅-藍(lán)寶石壓力傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步描述。

本發(fā)明的硅-藍(lán)寶石壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括鈦合金殼體1、下鈦合金膜片2、藍(lán)寶石膜片3、單晶硅應(yīng)變電阻4、上鈦合金膜片5、連接柱體6和金屬引線7。其中鈦合金殼體1為其他部件提供支撐和保護(hù)，下鈦合金膜片2和藍(lán)寶石膜片3通過(guò)真空燒結(jié)的方式結(jié)合在一起，組成彈性敏感膜片；以藍(lán)寶石膜片3為襯底，在其上通過(guò)半導(dǎo)體工藝加工出單晶硅應(yīng)變電阻4，形成硅-藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)；通過(guò)對(duì)稱式的方式對(duì)膜上的單晶硅應(yīng)變電阻4進(jìn)行排列，利用金屬引線7進(jìn)行連接，組成惠斯頓電橋；上下膜片都是周邊固支圓平膜片，其中上鈦合金膜片5下表面連接一個(gè)柱體6，柱體6下表面加工成球形凹面，與藍(lán)寶石膜片3保持5-10μm的間距，當(dāng)下膜片受力變形，可與連接柱體6下表面凹面完全貼合，使下膜片受力均勻。

當(dāng)壓力作用于傳感器，鈦合金膜片2和藍(lán)寶石膜片3組成的壓力敏感膜片受力變形，膜上的單晶硅應(yīng)變電阻4受到應(yīng)力的作用而阻值發(fā)生變化，由這些電阻及金屬引線7構(gòu)成的惠斯頓電橋輸出壓力信號(hào)，通過(guò)測(cè)量傳感器的輸出電壓，可以反算出被測(cè)壓力值。由于采用了四臂電橋結(jié)構(gòu)，輸入輸出線性度大大提高，同時(shí)受溫度漂移的影響也大大減小。

傳感器的耐高溫特性得益于硅-藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)。由于藍(lán)寶石和單晶硅的晶格結(jié)構(gòu)不同，所以需要在藍(lán)寶石襯底上選擇一個(gè)合適的晶面，以供單晶硅薄膜生長(zhǎng)。藍(lán)寶石(Al₂O₃)屬六方晶體，各向異性，其上(1102)面與單晶硅的(100)面晶格間距相近，所以選擇在藍(lán)寶石襯底的(1102)面上通過(guò)異質(zhì)外延生長(zhǎng)出一層(100)面的單晶硅薄膜，形成硅-藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)。由于沒(méi)有p-n隔離，所以這一結(jié)構(gòu)能夠在350℃的高溫下正常工作。

傳感器采用分離式雙膜片結(jié)構(gòu)提高了傳感器的測(cè)量量程。當(dāng)測(cè)量小量程壓力時(shí)，由下鈦合金膜片2和藍(lán)寶石膜片3組成的壓力敏感膜片的形變較小，下膜片不與連接柱體6接觸，傳感器相當(dāng)于單膜片的壓阻式壓力傳感器，此時(shí)可以保證傳感器的高靈敏度；當(dāng)測(cè)量大量程壓力時(shí)，下膜片形變較大，與連接柱體6完全接觸，帶動(dòng)上鈦合金膜片5產(chǎn)生形變，上下膜片組成雙膜片的壓力傳感器結(jié)構(gòu)，可以保證藍(lán)寶石膜片不被破壞，同時(shí)提高傳感器的測(cè)量量程。通過(guò)采用分離式雙膜片結(jié)構(gòu)，本發(fā)明設(shè)計(jì)的傳感器同時(shí)具備單膜片傳感器和雙膜片傳感器的優(yōu)點(diǎn)，在小量程壓力測(cè)量的時(shí)候具備高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也可用于大量程壓力測(cè)量，測(cè)量量程可達(dá)到100MPa。