[其他]一种小型流体传感器

说明书

本发明属于压力测量技术领域。

流体传感器是利用半导体材料硅的压阻效应， 将流体压力信号转为电信号。这种流体传感器主要 由两部分组成。一是半导体力敏元件，二是腔体。 目前已有半导体力敏元件是在硅杯弹性膜上直接集 成一个电桥电路，其集成电桥版图设计方案有两种。 一种是如US 4065971、US 4050313将力敏电桥分 组分布在硅杯弹性膜的边缘，这种方案的优点是输 出大，并在零压力情况下，根据电桥的各个电阻阻 值和绝缘电阻的二个参数，选取绝缘电阻为最大、 电阻数值相差为最小的四组力敏电阻中优选一组好 的，缺点是硅杯大。还有一种如JP-A-56133877 将力敏电阻分布在截面为E型的硅杯薄膜上，这种 方案的优点是线性度好，缺点是加工工艺复杂。腔体 是流体传感器另一个组成部分，为保护力敏元件不 受环境与被测流体的沾污，通常是将半导体力敏元 件密封于硅油中，一般用不锈钢膜片作为感压膜片， 此膜片和端盖形成一个外腔室。当流体进入外腔室 时，其压力由感压膜片通过硅油传给半导体力敏元 件。通常弹性膜片焊接在一个膜片支承架上，再通 过密封圈与端盖形成一个外腔室，如US 4135408 就是采用这种结构。力敏元件的安装方式有两种。 一种是直接固定在底座上，如US 4050313。这种安 装方式的缺点是当腔体受干扰外力作用时，力敏元 件也会受到干扰。另一种是将弹性元件固定在隔离 膜片上，如US 4135408的结构，虽然这种安装方 式可以防止来自外界干扰通过腔体干扰力敏元件， 但是结构复杂，对小型流体传感器就显得不适用了。 针对以上版图图案、外腔室构成、力敏元件安装存 在的问题，同时又结合小型流体传感器体积小的特 点，本发明提出一种新的解决方案。

本发明的要点在于一是采用如附图一所示的版 图图案。在整体硅杯的硅膜上扩散八个力敏电阻， 即附图一中(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、 (7)、(8)。其中力敏电阻(1)、(4)、(5)、(8) 分布在径向0.8～0.98r之间(r为硅杯半径)。力 敏电阻(2)、(3)、(6)、(7)分布在切向0.5～0.6r 之间。以上八个力敏电阻均分布在单晶硅(001)晶面 <110>晶上。(1)、(2)、(3)、(4)为一组， (3)、(4)、(5)、(6)为一组，(5)、(6)、 (7)、(8)为一组，(1)、(2)、(7)、(8)为一 组，形成惠斯登桥。二是采用如附图二所示的外腔 室结构。图中1为端盖，2为紧固螺帽，3为流体 接口，4、6、9、10、为直径不同的“O”型密 封圈，5为不锈钢膜片，7为主体，8为力敏元件， 11为压板。

本发明与已有技术相比其优点在于一是在版图 图案设计上，巧妙利用四个力敏电阻正负应力差， 从而提高了电桥输出灵敏度，有利于减小硅杯尺寸。 仅用八个力敏电阻，可组成四组电桥，有利于提高 成品率。由于八个力敏电阻分散分布，有利于散热 和减少局部过热，也有利于减小温度漂移。二是将 不锈钢膜片5直接焊在端盖1上减少密封环节，密 封效果好，同时节省材料，减少体积。旋下紧固螺 帽2，取下流体接口3，可直接观察膜片5，同时 也便于清除膜片上的沉积物，保证测量精度。三是 力敏元件与主体的安装方式是将附图二中力敏元件 8放置在“O”型密封圈9上，压板11通过“O” 型密封圈10压紧力敏元件8和主体7形成弹性连接。 由于采用弹性连接，有利于排除作用到力敏元件8 上的外界干扰力。

发明人曾经做过这样一个实施例。采用5×5×1mm 的方形硅片，中间形成φ3.2mm的圆形硅杯，八个力 敏电阻集成在(001)晶面<110>晶向上。力敏电阻 分布同附图一，所制得的力敏元件密封于如附图二 所示的腔体结构中。达到的指标为：量程0～0.1kg/cm²、 0～0.25kg/cm²、0～0.5kg/cm²、0～1kg/cm²， 精度优于0.3％F S。当电桥供电电压为6伏时，满 量程输出大于50mv，零点温度漂移系数，灵敏度温 度漂移系数优于0.05％/CFS。