專利名稱：基于mems技術(shù)的同時(shí)測(cè)量流體密度、壓力和溫度的集成流體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流體傳感器，更確切地說(shuō)，是一種基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的同時(shí)測(cè)量流體密度、壓力和溫度的集成流體傳感器。
背景技術(shù)：
密度是流體的一個(gè)重要的參數(shù)指標(biāo)，在石化、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域中，流體密度測(cè)量的準(zhǔn)確性直接決定著生產(chǎn)成本和產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMQ技術(shù)的發(fā)展，基于硅微芯片的流體密度傳感器得到了廣泛研究。然而，目前的流體密度傳感器在測(cè)量流體密度的同時(shí)忽略了影響流體密度的其他因素，比如流體的溫度和環(huán)境壓力。同一種流體在不同的溫度和壓力下密度不同，傳統(tǒng)的流體密度傳感器在測(cè)量流體密度的同時(shí)需要單獨(dú)用壓力傳感器和溫度傳感器測(cè)量流體的環(huán)境壓力和溫度，以精確地得到流體在這種壓力和溫度下的密度值。這種測(cè)量方法不僅效率低，成本高，而且溫度、壓力傳感器很難和密度傳感器處于相同的位置，從而測(cè)量結(jié)果的精度難以保證?；贛EMS技術(shù)的硅微壓力傳感器具有體積小、靈敏度高、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，其彈性元件主要有平膜、島膜和梁膜三種結(jié)構(gòu)。平膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用普遍，但當(dāng)傳感器量程低于 IOOkI^時(shí)，膜片厚度常常要做到20 μ m以下，此時(shí)膜片中心撓度較大，給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)很大的非線性誤差。在實(shí)際流體密度的測(cè)量中，流體往往處于微壓狀態(tài)，因此用平膜結(jié)構(gòu)來(lái)制作壓力傳感器是不理想的。采用島膜結(jié)構(gòu)，在膜片中心處增設(shè)質(zhì)量塊(即所謂的‘硬心’)， 在保證輸出靈敏度的同時(shí)，增加膜片中心剛度，減小膜片中心最大撓度，從而改善了線性關(guān)系，提升了測(cè)量精度。然而島膜結(jié)構(gòu)在提高線性度，減小撓度的基礎(chǔ)上犧牲了傳感器的靈敏度，只能通過(guò)增加傳感器的尺寸來(lái)彌補(bǔ)靈敏度的損失，而且“硬心”相對(duì)于膜片具有相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量，容易受到加速度信號(hào)的干擾而影響信號(hào)的輸出。梁膜結(jié)構(gòu)利用正面腐蝕形成的梁與從背面腐蝕形成的膜相疊加，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中，但是由于梁的厚度一般大于膜厚，梁橫穿過(guò)膜片中心且與固支端相連，在顯著降低傳感器非線性度的同時(shí)也降低了傳感器的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于MEMS技術(shù)的同時(shí)測(cè)量流體密度、壓力和溫度的集成流體傳感器，其靈敏度更高、非線性較小，且提高了傳感器的抗干擾性。本發(fā)明基于MEMS技術(shù)的同時(shí)測(cè)量流體密度、壓力和溫度的集成流體傳感器，包括配置有空腔的基座，基座內(nèi)壁設(shè)置有永磁體，集成傳感器芯片與玻璃底座封裝在一起后封裝在基座底部，所述基座底部開(kāi)設(shè)有供流體流入流出的通液孔，所述玻璃底座開(kāi)設(shè)由與前述通液孔相通的開(kāi)孔以將基座浸沒(méi)于流體中，所述集成傳感器芯片通過(guò)其焊盤與PCB轉(zhuǎn)接板相連，再通過(guò)信號(hào)線輸出；所述集成傳感器芯片包括密度傳感器芯片，壓力傳感器芯片和集成在密度傳感器芯片表面的硼摻雜熱敏電阻，其中，所述密度傳感器芯片通過(guò)其上的兩個(gè)焊盤引入交流電；所述壓力傳感器芯片采用分布式梁膜結(jié)構(gòu)。所述集成傳感器芯片與玻璃底座通過(guò)環(huán)氧樹脂粘結(jié)或玻璃粉燒結(jié)工藝封裝在基座底部；所述密度傳感器芯片表面的硼摻雜熱敏電阻的有效長(zhǎng)度方向?yàn)閃10]晶向；在所述壓力傳感器芯片正面刻蝕形成分布式梁，在壓力傳感器芯片背面腐蝕形成平膜，所述分布式梁在平膜之上，與其共同組成分布式梁膜結(jié)構(gòu)；所述在分布式梁上最大應(yīng)力處布置有由四個(gè)電阻條形成的半開(kāi)環(huán)惠斯通全橋；所述半開(kāi)環(huán)惠斯通全橋的電阻條的布置方式為電阻條的有效長(zhǎng)度均沿[oTl]晶向；所述密度傳感器芯片具有硅微矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)，采用硼摻雜的方式在懸臂梁發(fā)生共振時(shí)的最大應(yīng)變處形成四個(gè)電阻條，所述電阻條布置成閉環(huán)惠斯通全橋；所述構(gòu)成閉環(huán)惠斯通全橋的四個(gè)電阻條的布置方式為所述相對(duì)的第一和第三電阻條的有效長(zhǎng)度方向沿W11]晶向，另一對(duì)相對(duì)的第二和第四電阻條的有效長(zhǎng)度方向沿 [Oil]晶向。本發(fā)明基于MEMS技術(shù)的同時(shí)測(cè)量流體密度、壓力和溫度的集成流體傳感器至少具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明將流體密度、壓力、溫度傳感器集成在一起，壓力傳感器芯片采用分布式梁膜結(jié)構(gòu)不僅會(huì)在分布式梁處產(chǎn)生應(yīng)力集中，獲得高靈敏度輸出，同時(shí)分布式梁可以增加電阻條處的剛度并減小撓度，從而減小其非線性；同時(shí)平膜靈敏度并沒(méi)有減小，從而克服了島膜結(jié)構(gòu)壓力傳感器為了增大靈敏度而采用大尺寸平膜的弊端。而且分布式梁膜結(jié)構(gòu)相比島膜結(jié)構(gòu)不存在“硬心”質(zhì)量塊，避免了傳感器容易受到振動(dòng)加速度信號(hào)的干擾，提高了傳感器的抗干擾能力。


圖1為本發(fā)明基于MEMS技術(shù)的同時(shí)測(cè)量流體密度、壓力和溫度的集成流體傳感器的結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明集成傳感器芯片的結(jié)構(gòu)原理圖，其中，圖2(a)為俯視圖，圖2(b)為 A-A’視圖；圖3為本發(fā)明的測(cè)量原理圖。圖中的標(biāo)號(hào)如下表示
權(quán)利要求
1.基于MEMS技術(shù)的同時(shí)測(cè)量流體密度、壓力和溫度的集成流體傳感器，其特征在于 包括配置有空腔的基座O)，基座O)內(nèi)壁設(shè)置有永磁體(7)，集成傳感器芯片( 與玻璃底座(4)封裝在一起后封裝在基座( 底部，所述基座( 底部開(kāi)設(shè)有供流體流入流出的通液孔(5、6)，所述玻璃底座(4)開(kāi)設(shè)由與前述通液孔相通的開(kāi)孔已將基座( 浸沒(méi)于流體中，所述集成傳感器芯片C3)通過(guò)其焊盤與PCB轉(zhuǎn)接板(1)相連，再通過(guò)信號(hào)線輸出；所述集成傳感器芯片C3)包括密度傳感器芯片(31)，壓力傳感器芯片(3 和集成在密度傳感器芯片(31)表面的硼摻雜熱敏電阻(25)，其中，所述密度傳感器芯片(3)通過(guò)其上的兩個(gè)焊盤引入交流電，所述壓力傳感器芯片(32)采用分布式梁膜結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于MEMS技術(shù)的同時(shí)測(cè)量流體密度、壓力和溫度的集成流體傳感器，其特征在于所述集成傳感器芯片( 與玻璃底座(4)通過(guò)環(huán)氧樹脂粘結(jié)或玻璃粉燒結(jié)工藝封裝在基座底部。
3.如權(quán)利要求1中所述的基于MEMS技術(shù)的同時(shí)測(cè)量流體密度、壓力和溫度的集成流體傳感器，其特征在于所述密度傳感器芯片(31)表面的硼摻雜熱敏電阻0 的有效長(zhǎng)度方向?yàn)?br> 晶向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS技術(shù)的同時(shí)測(cè)量流體密度、壓力和溫度的集成流體傳感器，其特征在于在所述壓力傳感器芯片(3 正面刻蝕形成分布式梁(33 36)，在壓力傳感器芯片(3 背面腐蝕形成平膜(39)，所述分布式梁(33 36)在平膜(39)之上，與其共同組成分布式梁膜結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于MEMS技術(shù)的同時(shí)測(cè)量流體密度、壓力和溫度的集成流體傳感器，其特征在于所述在分布式梁(33 36)上最大應(yīng)力處布置有由四個(gè)電阻條(21 24)形成的半開(kāi)環(huán)惠斯通全橋(37)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于MEMS技術(shù)的同時(shí)測(cè)量流體密度、壓力和溫度的集成流體傳感器，其特征在于所述半開(kāi)環(huán)惠斯通全橋(37)的電阻條(21 24)的布置方式為電阻條Ol 24)的有效長(zhǎng)度均沿[OTl]晶向。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS技術(shù)的同時(shí)測(cè)量流體密度、壓力和溫度的集成流體傳感器，其特征在于所述密度傳感器芯片(31)具有硅微矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)，采用硼摻雜的方式在懸臂梁Gl)發(fā)生共振時(shí)的最大應(yīng)變處形成四個(gè)電阻條06 四)，所述電阻條 (26 29)布置成閉環(huán)惠斯通全橋(38)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于MEMS技術(shù)的同時(shí)測(cè)量流體密度、壓力和溫度的集成流體傳感器，其特征在于所述構(gòu)成閉環(huán)惠斯通全橋(38)的四個(gè)電阻條06 四)的布置方式為所述相對(duì)的第一和第三電阻條(26、28)的有效長(zhǎng)度方向沿
晶向，另一對(duì)相對(duì)的第二和第四電阻條07、四)的有效長(zhǎng)度方向沿[OTl]晶向。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于MEMS技術(shù)的同時(shí)測(cè)量流體密度、壓力和溫度的集成流體傳感器，包括配置有空腔的基座，基座內(nèi)壁設(shè)置有永磁體，集成傳感器芯片與玻璃底座封裝在一起后封裝在基座底部，所述基座底部開(kāi)設(shè)有供流體流入流出的通液孔，所述玻璃底座開(kāi)設(shè)由與前述通液孔相通的開(kāi)孔以將基座浸沒(méi)于流體中，所述集成傳感器芯片通過(guò)其焊盤與PCB轉(zhuǎn)接板相連，再通過(guò)信號(hào)線輸出；所述集成傳感器芯片包括密度傳感器芯片，壓力傳感器芯片和集成在密度傳感器芯片表面的硼摻雜熱敏電阻，其中，所述密度傳感器芯片通過(guò)其上的兩個(gè)焊盤引入交流電；所述壓力傳感器芯片采用分布式梁膜結(jié)構(gòu)。本發(fā)明傳感器可以同時(shí)測(cè)量流體密度、壓力和溫度，且靈敏度更高、非線性較小，提高了傳感器的抗干擾性。
文檔編號(hào)G01N9/00GK102288516SQ20111018019
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者劉志剛, 張桂銘, 王曉坡, 苑國(guó)英, 蔣莊德, 趙玉龍, 趙立波, 黃恩澤 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)