基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器

摘要

本发明提供了一种基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器，包括配置有空腔的基座，基座内壁设置有永磁体，集成传感器芯片与玻璃底座封装在一起后封装在基座底部，所述基座底部开设有供流体流入流出的通液孔，所述玻璃底座开设由与前述通液孔相通的开孔以将基座浸没于流体中，所述集成传感器芯片通过其焊盘与PCB转接板相连，再通过信号线输出；所述集成传感器芯片包括密度传感器芯片，压力传感器芯片和集成在密度传感器芯片表面的硼掺杂热敏电阻，其中，所述密度传感器芯片通过其上的两个焊盘引入交流电；所述压力传感器芯片采用分布式梁膜结构。本发明传感器可以同时测量流体密度、压力和温度，且灵敏度更高、非线性较小，提高了传感器的抗干扰性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种流体传感器，更确切地说，是一种基于微机电系统(MEMS) 技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器。

背景技术

密度是流体的一个重要的参数指标，在石化、医药、环保等领域中，流体 密度测量的准确性直接决定着生产成本和产品的质量。随着微机电系统 (MEMS)技术的发展，基于硅微芯片的流体密度传感器得到了广泛研究。

然而，目前的流体密度传感器在测量流体密度的同时忽略了影响流体密度 的其他因素，比如流体的温度和环境压力。同一种流体在不同的温度和压力下 密度不同，传统的流体密度传感器在测量流体密度的同时需要单独用压力传感 器和温度传感器测量流体的环境压力和温度，以精确地得到流体在这种压力和 温度下的密度值。这种测量方法不仅效率低，成本高，而且温度、压力传感器 很难和密度传感器处于相同的位置，从而测量结果的精度难以保证。

基于MEMS技术的硅微压力传感器具有体积小、灵敏度高、线性范围宽等 优点，其弹性元件主要有平膜、岛膜和梁膜三种结构。平膜结构应用普遍，但 当传感器量程低于100kPa时，膜片厚度常常要做到20μm以下，此时膜片中心 挠度较大，给测量结果带来很大的非线性误差。在实际流体密度的测量中，流 体往往处于微压状态，因此用平膜结构来制作压力传感器是不理想的。采用岛 膜结构，在膜片中心处增设质量块(即所谓的‘硬心’)，在保证输出灵敏度的 同时，增加膜片中心刚度，减小膜片中心最大挠度，从而改善了线性关系，提 升了测量精度。然而岛膜结构在提高线性度，减小挠度的基础上牺牲了传感器 的灵敏度，只能通过增加传感器的尺寸来弥补灵敏度的损失，而且“硬心”相 对于膜片具有相当的质量，容易受到加速度信号的干扰而影响信号的输出。梁 膜结构利用正面腐蚀形成的梁与从背面腐蚀形成的膜相叠加，可实现应力集中， 但是由于梁的厚度一般大于膜厚，梁横穿过膜片中心且与固支端相连，在显著 降低传感器非线性度的同时也降低了传感器的灵敏度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于MEMS技术的同时测量流体密 度、压力和温度的集成流体传感器，其灵敏度更高、非线性较小，且提高了传 感器的抗干扰性。

本发明基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感 器，包括配置有空腔的基座，基座内壁设置有永磁体，集成传感器芯片与玻璃 底座封装在一起后封装在基座底部，所述基座底部开设有供流体流入流出的通 液孔，所述玻璃底座开设由与前述通液孔相通的开孔以将基座浸没于流体中， 所述集成传感器芯片通过其焊盘与PCB转接板相连，再通过信号线输出；所述 集成传感器芯片包括密度传感器芯片，压力传感器芯片和集成在密度传感器芯 片表面的硼掺杂热敏电阻，其中，所述密度传感器芯片通过其上的两个焊盘引 入交流电；所述压力传感器芯片采用分布式梁膜结构。

所述集成传感器芯片与玻璃底座通过环氧树脂粘结或玻璃粉烧结工艺封装 在基座底部；

所述密度传感器芯片表面的硼掺杂热敏电阻的有效长度方向为[010]晶向；

在所述压力传感器芯片正面刻蚀形成分布式梁，在压力传感器芯片背面腐 蚀形成平膜，所述分布式梁在平膜之上，与其共同组成分布式梁膜结构；

所述在分布式梁上最大应力处布置有由四个电阻条形成的半开环惠斯通全 桥；

所述半开环惠斯通全桥的电阻条的布置方式为：电阻条的有效长度均沿 晶向；

所述密度传感器芯片具有硅微矩形悬臂梁结构，采用硼掺杂的方式在悬臂 梁发生共振时的最大应变处形成四个电阻条，所述电阻条布置成闭环惠斯通全 桥；

所述构成闭环惠斯通全桥的四个电阻条的布置方式为：所述相对的第一和 第三电阻条的有效长度方向沿[011]晶向，另一对相对的第二和第四电阻条的有 效长度方向沿晶向。

本发明基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感 器至少具有以下优点：本发明将流体密度、压力、温度传感器集成在一起，压 力传感器芯片采用分布式梁膜结构不仅会在分布式梁处产生应力集中，获得高 灵敏度输出，同时分布式梁可以增加电阻条处的刚度并减小挠度，从而减小其 非线性；同时平膜灵敏度并没有减小，从而克服了岛膜结构压力传感器为了增 大灵敏度而采用大尺寸平膜的弊端。而且分布式梁膜结构相比岛膜结构不存在 “硬心”质量块，避免了传感器容易受到振动加速度信号的干扰，提高了传感 器的抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流 体传感器的结构图；

图2为本发明集成传感器芯片的结构原理图，其中，图2(a)为俯视图，图 2(b)为A-A’视图；

图3为本发明的测量原理图。

图中的标号如下表示：

  1   PCB转接板   2   基座   3   集成传感器芯片   4   玻璃底座   5、6   通液孔   7   永磁体   8   信号线   9   金线   10～20   焊盘   21～24，26～29   电阻条   25   P掺杂热敏电阻   30   金线圈   31   密度传感器芯片   32   压力传感器芯片   33～36   正方形分布式梁   37   半开环式惠斯通电桥   38   闭环式惠斯通电桥   39   平膜   40   空腔   41   悬臂梁

具体实施方式

下面结合附图，对本发明基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温 度的集成流体传感器做详细描述：

请参阅图1所示，本发明基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温 度的集成流体传感器主要包括有一配置有空腔的基座2，基座2底部设置有通液 孔5、6用于流体的流入流出。集成传感器芯片3与玻璃底座4通过静电键合封 装在一起后用环氧树脂粘结或玻璃粉烧结工艺封装在基座2的底部，玻璃底座4 上开设有与基座2的通液孔5、6相通的开孔，这样，将基座2完全浸没于流体 中时，流体从通液孔5～6流入，使集成传感器芯片3完全浸没于流体中。集成 传感器芯片3与玻璃底座4之间形成的空腔40内封闭有一个标准大气压的空气。 集成传感器芯片3上的焊盘10～20通过金线9与PCB转接板1相连，再通过信 号线8输出。

请参阅图2所示，所述集成传感器芯片3包括密度传感器芯片31，压力传 感器芯片32，和集成在密度传感器芯片31上的硼掺杂热敏电阻25。密度传感 器芯片31的金线圈30由焊盘17～18通入峰值为200mV频率可变的交流电，表 达式为

V＝200sin(2πft)(1)

其中，f为通入交流电的频率。

所述密度传感器芯片31上形成的惠斯通全桥37～38并联，其中，惠斯通电 桥37为半开环惠斯通电桥，惠斯通电桥38为闭环惠斯通电桥。集成传感器芯 片3的焊盘10和12接入恒压源，为惠斯通全桥37～38供电，焊盘13～14进行 零位补偿后与焊盘11作为半开环惠斯通全桥37的电压输出端，焊盘19～20为 闭环惠斯通全桥38的电压输出端。焊盘15～16接入欧姆表以实时的测量硼掺杂 热敏电阻25的电阻阻值。另外，在压力传感器芯片31的背面采用湿法腐蚀技 术形成1000μm长，1000μm宽，50μm厚的平膜39，正面采用深反应离子刻蚀 (RIE)20μm，形成厚度为30μm，边长为300μm的正方形分布式梁33～36和厚 度为50μm，长度为900μm，宽度为900μm的悬臂梁41。

参照图3，说明集成传感器芯片3的测量原理。

对于密度传感器芯片31，永磁铁7产生匀强磁场，磁感应强度为B，金线 圈30中通入交流电I后，将受到安培力F的作用，大小为

F＝BIL  (2)

此时悬臂梁41受交变的安培力作用而开始振动。悬臂梁41在不同流体中， 其表面的附加质量不同，谐振频率不同。改变金线圈30通入的交流电的频率f， 当交流电频率f与悬臂梁41在流体中的谐振频率相同时，悬臂梁41发生共振， 此时闭环惠斯通全桥38的输出电压最大。当悬臂梁41共振时，谐振频率f与流 体密度的表达式为

$\rho =\frac{C_1}{f^2}-C_2---\left(3\right)$

其中ρ为流体密度值，f为悬臂梁41的谐振频率，C₁，C₂为两个常数，将 悬臂梁41置于密度已知的两种流体中，分别测出悬臂梁41在这两种密度已知 的流体中的谐振频率，列出关于C₁，C₂的二元一次方程，即可将C₁，C₂解出。

对于压力传感器芯片32，当其浸没于流体中时，流体对分布式梁33～36以 及平膜39产生压力P，在压力P的作用下分布式梁33～36上的电阻条阻值产生 变化，电阻22和24的变化为：

$\frac{{\mathrm{\Delta R}}_{22}}{R_{22}}=\frac{{\mathrm{\Delta R}}_{24}}{R_{24}}=\frac{1}{2}{\pi }_{44}({\sigma }_y-{\sigma }_x)---\left(4\right)$

电阻21和23的变化为：

$\frac{{\mathrm{\Delta R}}_{21}}{R_{21}}=\frac{{\mathrm{\Delta R}}_{23}}{R_{23}}=\frac{1}{2}{\pi }_{44}({\sigma }_x-{\sigma }_y)---\left(5\right)$

其中：σ_x和σ_y分别为电阻条在测量点处的纵向和横向应力；R₂₁，R₂₂，R₂₃， R₂₄分别为电阻条21～24的电阻阻值；ΔR₂₁，ΔR₂₂，ΔR₂₃，ΔR₂₄分别为电阻条21～24 的电阻变化值；π₄₄为电阻条剪切压阻系数。半开环惠斯通全桥37输出与压力P 大小成正比的电压信号，检测此电压信号从而测出流体的压力值。

硼掺杂热敏电阻25的阻值与流体温度呈线性关系，使用前先对硼掺杂热敏 电阻25进行标定，测出温度量程内硼掺杂热敏电阻25阻值与温度的变化曲线， 从而实际使用时，通过检测其阻值，即可知道流体的温度。

本发明所能达到的技术指标：

1、测量介质：牛顿流体；

2、密度测量范围：100Kg·m^-3～1500Kg·m^-3；

3、温度测量范围：-10℃～100℃；

4、压力测量范围：0～60MPa；

5、测量精度：优于±5％FS(密度)，±0.25％FS(压力)，优于±2％FS(温度)。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本 领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效 的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。