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一种真空用硅基MEMS 传感器
申请号	CN202311459224.4	申请日	2023-11-03	公开(公告)号	CN117686126A	公开(公告)日	2024-03-12
申请人	上海辰仪测量技术有限公司;			发明人	强小勇; 田春颖;
摘要	本发明公开了一种真空用硅基MEMS 传感器 ,涉及MEMS传感器的技术领域，包括供传感器元件辅助安置的受力盒体，设于所述受力盒体内部的空腔，设于所述空腔内且连接于所述受力盒体内壁的隔板，设于所述隔板底部的信号采集转换电路板，设于所述隔板顶部的多个固定安装支柱，设于所述固定安装支柱顶部的测量部件，设于所述受力盒体顶部受力机构，所述受力机构包括嵌设于所述受力盒体内壁的多个复位弹簧，设于所述复位弹簧顶部且位于所述受力盒体顶部的受力顶盖。本发明辅助传感器更好的受力检测，提高检测精度，另外对传感器元件进行保护保证传感器的正常运行。
权利要求	1.一种真空用硅基MEMS 传感器,包括供传感器元件辅助安置的受力盒体(10)，其特征在于,设于所述受力盒体(10)内部的空腔(11)，设于所述空腔(11)内且连接于所述受力盒体(10)内壁的隔板(12)，设于所述隔板(12)底部的信号采集转换电路板(13)，设于所述隔板(12)顶部的多个固定安装支柱(14)，设于所述固定安装支柱(14)顶部的测量部件(20)，设于所述受力盒体(10)顶部受力机构(30)，所述受力机构(30)包括嵌设于所述受力盒体(10)内壁的多个复位弹簧(31)，设于所述复位弹簧(31)顶部且位于所述受力盒体(10)顶部的受力顶盖(32)。 2.根据权利要求1所述的一种真空用硅基MEMS传感器，其特征在于，所述受力盒体(10)顶部嵌设有圆环凹槽(15)，所述受力顶盖(32)底部且与所述受力盒体(10)顶部嵌设的圆环凹槽(15)内壁滑动连接有滑动圆筒(321)，所述滑动圆筒(321)与所述复位弹簧(31)顶部连接，所述复位弹簧(31)呈环形阵列分布于所述圆环凹槽(15)底部。 3.根据权利要求1所述的一种真空用硅基MEMS传感器，其特征在于，所述测量部件(20)包括设于所述固定安装支柱(14)顶部的单晶硅底座(21)，设于所述单晶硅底座(21)顶部的弹性膜片(22)，所述弹性膜片(22)顶部设有应变电阻(221)，所述应变电阻(221)呈圆形均匀分布于所述弹性膜片(22)顶部，所述应变电阻(221)为惠斯通电桥方式连接；所述应变电阻(221)正负极连接支脚通过软导线与所述信号采集转换电路板(13)连接，所述软导线穿设于所述隔板(12)顶部，所述信号采集转换电路板(13)的正负极以及信号输出端口同样通过导线与外界接收仪器连接。 4.根据权利要求3所述的一种真空用硅基MEMS传感器，其特征在于，所述测量部件(20)还包括设于所述弹性膜片(22)顶部的隔离氧化膜(23)，设于所述隔离氧化膜(23)顶部的盖板(24)；所述盖板(24)顶部穿设有导向限位圆筒(241)，所述导向限位圆筒(241)顶部与所述受力顶盖(32)顶部内壁不接触。 5.根据权利要求4所述的一种真空用硅基MEMS传感器，其特征在于，所述测量部件(20)还包括设于所述导向限位圆筒(241)内壁且位于所述隔离氧化膜(23)顶部的受压片(25)；所述受压片(25)底部为弧形面设置，所述受压片(25)侧壁与所述导向限位圆筒(241)内壁滑动连接；单晶硅底座(21)顶部嵌设有半圆弧凹槽(211)，所述半圆弧凹槽(211)的半径与所述弧形面的半径相同，并且所述半圆弧凹槽(211)与所述受压片(25)设置在同一垂线上。 6.根据权利要求2所述的一种真空用硅基MEMS传感器，其特征在于，所述滑动圆筒(321)与所述圆环凹槽(15)滑动导向最大进程为h1，半圆弧凹槽(211)最大深度为h2,h1与h2设置的数值相同，受压片(25)的垂直投影面积小于呈圆形均匀分布的应变电阻(221)面积。 7.根据权利要求5所述的一种真空用硅基MEMS传感器，其特征在于，所述受力顶盖(32)顶部为平面设置，所述受力顶盖(32)顶部内壁设有连接杆(322)，所述连接杆(322)底部与所述受压片(25)顶部连接，所述平面与所述连接杆(322)为垂直设置。 8.根据权利要求5所述的一种真空用硅基MEMS传感器，其特征在于，所述信号采集转换电路板(13)通过环形分布于底部的螺丝螺母与所述隔板(12)连接，所述信号采集转换电路板(13)底部焊接有模拟电路元器件，所述信号采集转换电路板(13)呈圆形设置，并且所述信号采集转换电路板(13)侧壁与所述受力盒体(10)内壁不接触。 9.根据权利要求3所述的一种真空用硅基MEMS传感器，其特征在于，所述固定安装支柱(14)呈环形阵列分布于所述隔板(12)顶部，所述固定安装支柱(14)顶部通过螺丝螺母与所述单晶硅底座(21)连接。 10.根据权利要求1所述的一种真空用硅基MEMS传感器，其特征在于，所述测量部件(20)中设置的单晶硅底座(21)，受力顶盖(32)，隔离氧化膜(23)，以及弹性膜片(22)均与所述受力盒体(10)内壁不接触。
说明书全文	一种真空用硅基MEMS 传感器技术领域 [0001] 本发明主要涉及MEMS传感器的技术领域，具体为一种真空用硅基MEMS传感器。背景技术 [0002] 微机电系统(Micro‑Electro‑Mechanical System，MEMS)，是在半导体制造技术基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术低成制作的高科技电子机械器件。在利用硅微加工技术实现的产品中，压力传感器是发展最早的一类。传统的压力传感器有压阻式，电容式，电感式等。压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，体积大，成本高。MEMS压力传感器可以用类似集成电路(IC)设计技术和制造工艺，进行高精度、本的大批量生产，从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门，使压力控制变得简单易用和智能化。相对于传统的机械量传感器，MEMS压力传感器的尺寸更小，最大的不超过0.5cm，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。 [0003] 根据申请号CN201710494310.7提供的一种MEMS压力传感器，包括基板和传感器芯片；所述基板与所述传感器芯片电连接；所述传感器芯片用于探测作用在所述传感器芯片上的压力值大小；所述传感器芯片和/或所述基板相对的一侧形成至少一个凸起。本发明实施例提供一种MEMS压力传感器，以实现提高MEMS压力传感器的测量精度。 [0004] 但上述装置设计中，仅通过控制分离传感器芯片和基板的连接从而控制膨胀系数保证测量精度，针对压阻传感器，保证受力均衡同样也是提高精度的方式之一，另外，压阻传感器的弹性膜片较为脆弱，保护弹性膜片免受过度压力损坏。发明内容 [0005] 基于此，本发明的目的是提供一种真空用硅基MEMS传感器，以解决上述背景技术中提出的技术问题。 [0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案： [0007] 一种真空用硅基MEMS传感器,包括供传感器元件辅助安置的受力盒体，设于所述受力盒体内部的空腔，设于所述空腔内且连接于所述受力盒体内壁的隔板，设于所述隔板底部的信号采集转换电路板，设于所述隔板顶部的多个固定安装支柱，设于所述固定安装支柱顶部的测量部件，设于所述受力盒体顶部受力机构，所述受力机构包括嵌设于所述受力盒体内壁的多个复位弹簧，设于所述复位弹簧顶部且位于所述受力盒体顶部的受力顶盖。 [0008] 优选的，所述受力盒体顶部嵌设有圆环凹槽，所述受力顶盖底部且与所述受力盒体顶部嵌设的圆环凹槽内壁滑动连接有滑动圆筒，所述滑动圆筒与所述复位弹簧顶部连接，所述复位弹簧呈环形阵列分布于所述圆环凹槽底部。 [0009] 优选的，所述测量部件包括设于所述固定安装支柱顶部的单晶硅底座，设于所述单晶硅底座顶部的弹性膜片，所述弹性膜片顶部设有应变电阻，所述应变电阻呈圆形均匀分布于所述弹性膜片顶部，所述应变电阻为惠斯通电桥方式连接；所述应变电阻正负极连接支脚通过软导线与所述信号采集转换电路板连接，所述软导线穿设于所述隔板顶部，所述信号采集转换电路板的正负极以及信号输出端口同样通过导线与外界接收仪器连接。 [0010] 优选的，所述测量部件还包括设于所述弹性膜片顶部的隔离氧化膜，设于所述隔离氧化膜顶部的盖板；所述盖板顶部穿设有导向限位圆筒，所述导向限位圆筒顶部与所述受力顶盖顶部内壁不接触。 [0011] 优选的，所述测量部件还包括设于所述导向限位圆筒内壁且位于所述隔离氧化膜顶部的受压片；所述受压片底部为弧形面设置，所述受压片侧壁与所述导向限位圆筒内壁滑动连接；单晶硅底座顶部嵌设有半圆弧凹槽，所述半圆弧凹槽的半径与所述弧形面的半径相同，并且所述半圆弧凹槽与所述受压片设置在同一垂线上。 [0012] 优选的，所述滑动圆筒与所述圆环凹槽滑动导向最大进程为h1，半圆弧凹槽最大深度为h2,h1与h2设置的数值相同，受压片的垂直投影面积小于呈圆形均匀分布的应变电阻面积。 [0013] 优选的，所述受力顶盖顶部为平面设置，所述受力顶盖顶部内壁设有连接杆，所述连接杆底部与所述受压片顶部连接，所述平面与所述连接杆为垂直设置。 [0014] 优选的，所述信号采集转换电路板通过环形分布于底部的螺丝螺母与所述隔板连接，所述信号采集转换电路板底部焊接有模拟电路元器件，所述信号采集转换电路板呈圆形设置，并且所述信号采集转换电路板侧壁与所述受力盒体内壁不接触。 [0015] 优选的，所述固定安装支柱呈环形阵列分布于所述隔板顶部，所述固定安装支柱顶部通过螺丝螺母与所述单晶硅底座连接。 [0016] 优选的，所述测量部件中设置的单晶硅底座，受力顶盖，隔离氧化膜，以及弹性膜片均与所述受力盒体内壁不接触。 [0017] 综上所述，本发明主要具有以下有益效果： [0018] 本发明中，通过对单晶硅底座顶部的半圆弧凹槽深度限制以及受压片的形状的设计配合，将薄膜传感器中的弹性膜片进行保护限制，同时控制弹性膜片的受压弯曲的范围保护弹性膜片中的单晶硅不受损坏，从而保证传感器的使用寿命；同时配合受力机构使得弹性膜片在压力检测时，通过增大受力面积以及垂直受力，能够保证弹性膜片受力均匀，使得检测的精度更高；另外受力机构中通过滑动圆筒在圆环凹槽移动进程的深度保护外力对传感器的作用程度，配合测量部件的保护设计进一步的保护弹性膜片中的单晶硅不受损坏； [0019] 其次受力盒体中，通过将信号采集转换电路板与测量部件隔离分开设置，增加了传感器弹性膜片和信号采集转换电路板之间的距离，减弱了信号采集转换电路板和传感器弹性膜片因热膨胀系数不同造成的应力传导至传感器芯片的过程，以及降低了基板的热膨胀变形对传感器芯片造成的影响，提高了MEMS压力传感器的测量精度。附图说明 [0020] 图1为本发明的整体结构轴测图； [0021] 图2为本发明的测量部件结构轴测图； [0022] 图3为本发明的整体结构剖视图； [0023] 图4为本发明的弹性膜片结构示意图； [0024] 图5为本发明的测量部件整体结构剖视图； [0025] 图6为本发明的A处放大图。 [0026] 附图说明：10、受力盒体；11、空腔；12、隔板；13、信号采集转换电路板；14、固定安装支柱；15、圆环凹槽；20、测量部件；21、单晶硅底座；22、弹性膜片；23、隔离氧化膜；24、盖板；25、受压片；30、受力机构；31、复位弹簧；32、受力顶盖；211、半圆弧凹槽；221、应变电阻；241、导向限位圆筒；321、滑动圆筒；322、连接杆。具体实施方式 [0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。 [0028] 实施例 [0029] 如图1、3、5所示，包括供传感器元件辅助安置的受力盒体10，设于受力盒体10内部的空腔11，设于隔板12顶部的多个固定安装支柱14，设于固定安装支柱14顶部的测量部件20，设于受力盒体10顶部受力机构30，受力机构30包括嵌设于受力盒体10内壁的多个复位弹簧31，设于复位弹簧31顶部且位于受力盒体10顶部的受力顶盖32；受力盒体10顶部嵌设有圆环凹槽15，受力顶盖32底部且与受力盒体10顶部嵌设的圆环凹槽15内壁滑动连接有滑动圆筒321，滑动圆筒321与复位弹簧31顶部连接，复位弹簧31呈环形阵列分布于圆环凹槽 15底部，测量部件20包括设于固定安装支柱14顶部的单晶硅底座21，设于单晶硅底座21顶部的弹性膜片22，弹性膜片22顶部设有应变电阻221，应变电阻221呈圆形均匀分布于弹性膜片22顶部，应变电阻221为惠斯通电桥方式连接；应变电阻221正负极连接支脚通过软导线与信号采集转换电路板13连接，软导线穿设于隔板12顶部，信号采集转换电路板13的正负极以及信号输出端口同样通过导线与外界接收仪器连接；测量部件20还包括设于导向限位圆筒241内壁且位于隔离氧化膜23顶部的受压片25；受压片25底部为弧形面设置，受压片 25侧壁与导向限位圆筒241内壁滑动连接；单晶硅底座21顶部嵌设有半圆弧凹槽211，半圆弧凹槽211的半径与弧形面的半径相同，并且半圆弧凹槽211与受压片25设置在同一垂线上；受力顶盖32顶部为平面设置，受力顶盖32顶部内壁设有连接杆322，连接杆322底部与受压片25顶部连接，平面与连接杆322为垂直设置。 [0030] 需要说明的是，在本实施例中，通过受力盒体10顶部的受力顶盖32顶部进行受力，当受力顶盖32受力时，受力顶盖32受力向下移动，从而带动通过连接杆322连接的受压片25向下移动，受压片25向下移动时，因压力的作用弹性膜片22发生形变，应变电阻221呈圆形均匀分布于弹性膜片22顶部； [0031] 其中，盖板24顶部嵌设的导向限位圆筒241对受压片25进行限位导向，在受压片25向下作用的过程中保证受压片25对弹性膜片22表面进行垂直作用，从而使得弹性膜片22可以更好的对本次的压力进行检测，从而提高压力的检测的精确度； [0032] 另外通过隔离氧化膜23对受压片25与弹性膜片22表面进行隔离，防止受压片25直接作用弹性膜片22表面，造成弹性膜片22损坏；同时，受力顶盖32受力时，通过设置在受力盒体10顶部的圆环凹槽15与受力顶盖32底部的滑动圆筒321滑动连接，进一步的，保证受压片25对弹性膜片22表面进行垂直作用；当结束受力检测时，复位弹簧31带动受力顶盖32复位。 [0033] 如图1、2、4、5所示，包括供传感器元件辅助安置的受力盒体10，设于固定安装支柱14顶部的测量部件20，设于受力盒体10顶部受力机构30，受力机构30包括嵌设于受力盒体 10内壁的多个复位弹簧31，设于复位弹簧31顶部且位于受力盒体10顶部的受力顶盖32；受力盒体10顶部嵌设有圆环凹槽15，受力顶盖32底部且与受力盒体10顶部嵌设的圆环凹槽15内壁滑动连接有滑动圆筒321，滑动圆筒321与复位弹簧31顶部连接，复位弹簧31呈环形阵列分布于圆环凹槽15底部，测量部件20还包括设于弹性膜片22顶部的隔离氧化膜23，设于隔离氧化膜23顶部的盖板24；盖板24顶部穿设有导向限位圆筒241，导向限位圆筒241顶部与受力顶盖32顶部内壁不接触；滑动圆筒321与圆环凹槽15滑动导向最大进程为h1，半圆弧凹槽211最大深度为h2,h1与h2设置的数值相同，受压片25的垂直投影面积小于呈圆形均匀分布的应变电阻221面积。 [0034] 需要说明的是，在本实施例中，通过控制单晶硅底座21顶部设置的半圆弧凹槽211的深度，并且配合受压片25底部的与半圆弧凹槽211相同的半径设置的弧形面，控制弹性膜片22的受压弯曲的范围保护弹性膜片22中的单晶硅不受损坏，从而保证传感器的使用寿命；同时通过控制圆环凹槽15与受力顶盖32底部的滑动圆筒321滑动进程深度进一步保证单晶硅不受损坏。 [0035] 如图1、3、5、6所示，包括供传感器元件辅助安置的受力盒体10，设于空腔11内且连接于受力盒体10内壁的隔板12，设于隔板12底部的信号采集转换电路板13，信号采集转换电路板13通过环形分布于底部的螺丝螺母与隔板12连接，信号采集转换电路板13底部焊接有模拟电路元器件，信号采集转换电路板13呈圆形设置，并且信号采集转换电路板13侧壁与受力盒体10内壁不接触，固定安装支柱14呈环形阵列分布于隔板12顶部，固定安装支柱14顶部通过螺丝螺母与单晶硅底座21连接；测量部件20中设置的单晶硅底座21，受力顶盖 32，隔离氧化膜23，以及弹性膜片22均与受力盒体10内壁不接触。 [0036] 需要说明的是，在本实施例中，应变电阻221为惠斯通电桥方式连接弹性膜片22上设置的应变电阻221在形变的过程中，电阻值产生变化，信号采集转换电路板13收集记录电阻值的整个变化过程并将压力转换成电压输出； [0037] 其次，受力盒体10中，通过将信号采集转换电路板13与测量部件20隔离分开设置，增加了弹性膜片22和信号采集转换电路板13之间的距离，减弱了信号采集转换电路板13和传感器弹性膜片22因热膨胀系数不同造成的应力传导至弹性膜片22的过程，以及降低了基板的热膨胀变形对弹性膜片22造成的影响，提高了MEMS压力传感器的测量精度。 [0038] 本发明的工作原理为： [0039] 本发明中，在真空环境进行压力检测时，操作人员将该压力传感器放置于待检测位置；通过受力盒体10顶部的受力顶盖32顶部进行受力，当受力顶盖32受力时，受力顶盖32受力向下移动，从而带动通过连接杆322连接的受压片25向下移动，受压片25向下移动时，因压力的作用弹性膜片22发生形变，应变电阻221呈圆形均匀分布于弹性膜片22顶部，应变电阻221为惠斯通电桥方式连接弹性膜片22上设置的应变电阻221在形变的过程中，电阻值产生变化，信号采集转换电路板13收集记录电阻值的整个变化过程并将压力转换成电压输出； [0040] 其中，盖板24顶部嵌设的导向限位圆筒241对受压片25进行限位导向，在受压片25向下作用的过程中保证受压片25对弹性膜片22表面进行垂直作用，从而使得弹性膜片22可以更好的对本次的压力进行检测，从而提高压力的检测的精确度；另外通过隔离氧化膜23对受压片25与弹性膜片22表面进行隔离，防止受压片25直接作用弹性膜片22表面，造成弹性膜片22损坏；同时，受力顶盖32受力时，通过设置在受力盒体10顶部的圆环凹槽15与受力顶盖32底部的滑动圆筒321滑动连接，进一步的，保证受压片25对弹性膜片22表面进行垂直作用；当结束受力检测时，复位弹簧31带动受力顶盖32复位； [0041] 另外，通过控制单晶硅底座21顶部设置的半圆弧凹槽211的深度，并且配合受压片25底部的与半圆弧凹槽211相同的半径设置的弧形面，控制弹性膜片22的受压弯曲的范围保护弹性膜片22中的单晶硅不受损坏，从而保证传感器的使用寿命；同时通过控制圆环凹槽15与受力顶盖32底部的滑动圆筒321滑动进程深度进一步保证单晶硅不受损坏；其次，受力盒体10中，通过将信号采集转换电路板13与测量部件20隔离分开设置，增加了弹性膜片 22和信号采集转换电路板13之间的距离，减弱了信号采集转换电路板13和传感器弹性膜片 22因热膨胀系数不同造成的应力传导至弹性膜片22的过程，以及降低了基板的热膨胀变形对弹性膜片22造成的影响，提高了MEMS压力传感器的测量精度。 [0042] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。