[发明专利]一种压力计芯片

说明书

本发明涉及传感器领域，特别涉及一种压力计芯片以及其制造工艺。一种压力计，包括腔体、以及设置在所述腔体内的压力计芯片；所述压力计芯片在所述腔体内受被检测的外界压力均匀压缩并且能够自由的产生形变。所述压力计芯片基本由单晶硅制成，包括相互连接的基板及盖板；所述盖板上形成有凹陷部，并与所述基板形成一个密封空腔，所述基板与所述盖板之间形成有氧化硅层；所述基板包括压阻测量元件，所述压阻测量元件位于所述空腔之内。本压力计芯片适合测量超高压力，受温度影响较小，可以在高温的环境中使用，而且具有检测精度高、可靠性高、制造成本低等特点。

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别是一种用于检测矿井下压力变化的压力计。

背景技术

在碳氢化合物矿井的勘探与开采过程中，井下压力的测量是至关重要的。在钻井时所采集的压力数据将用于设置钻头的各项参数以及建立矿井的结构。当钻好矿井并开始开采后，油气储存量管理上又要用到压力数据。所以在碳氢化合物矿井的整个周期中，压力数据是至为关键的，尤其是在优化开采和降低风险上。为此，人们需要一种能精确，性价比又高的压力测量装置。

而用于碳氢化合物井下的压力传感器必须在恶劣的工作环境中，于长达数周的测量期间依旧能够保持精准度、稳定性和可靠性。通常传感器必须能够承受-50至250摄氏度的温度，以及高至200MPa的压力(约2000个大气压)，其精准度必须将误差保持在压力量程的0.1％的范围内，最好是在0.01％的范围内。

用于井下的压力计通常包括两种：第一种是石英类压力计，其中的石英谐振器被浸在液体中，并通过一个金属隔离膜片或者波纹管来测量外界的压力。在美国3617780号专利中描述了一种石英谐振器，其中的石英谐振部件被置于一个由石英外壳构成、真空密封的腔体内并形成了该腔体结构的主要支撑部件。该谐振部件通过电激励及石英的压电效应而产生谐振，其谐振频率会根据腔体壁上的压力变化而变化。由于石英共振已经是非常成熟的技术，而石英谐振器的全部部件基本都由石英制成，所以石英压力计有着很高的精准度、稳定性和可靠性，并成为当今井下压力计的最高标准。然而，石英压力计的造价非常的昂贵。

另一种用于井下的压力计为蓝宝石类压力计。在美国5024098号专利中描述了一种蓝宝石压力计，其中，蓝宝石元件被浸在液体中并通过隔离膜片来测量外界的压力。蓝宝石元件在受到压力时产生形变，通过设置在蓝宝石元件表面上的薄膜应变计所测量的应变则可以推算出压力值。虽然蓝宝石压力计的可靠性很高，并且适用于井下应用，但其精准度和稳定性并不如石英压力计，而且其造价也非常昂贵。主要原因是：如果使用的薄膜应变计是硅材料的话，则精确度会受到硅的电阻温度系数以及压阻效应的温度系数的影响。然而，如果不使用硅应变计，而采用金属合金类薄膜应变计的话，则会有灵敏度低的问题，也会带来温度和其他测量误差被放大的问题。此外，无论使用哪种材料的薄膜应变计，都会有和蓝宝石热胀冷缩系数不匹配所带来的误差。

现如今，大多数传感器均为微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems-MEMS)类型的传感器。与集成芯片类似，MEMS传感器通常是通过对硅晶圆片进行微加工而制成的。鉴于MEMS传感器的结构，也有一些用来制造三维细微结构的特殊的制造工艺，例如双面光刻，深度反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching)，硅晶圆片键合等等。与石英和蓝宝石相比，硅具有很好的机械特性，例如，高硬度，高弹性模量，高极限强度，并且在断裂点之前都是完全弹性的。此外，单晶硅具有很强的压阻效应，能有效地将应力变化转化为电阻变化。况且，在硅上制作精确的微结构要比在石英或者蓝宝石上制作容易的多。鉴于其成本低、尺寸小、精度高、可靠性高以及稳定性高等诸多优点，硅MEMS压阻式压力计已经广泛应用于汽车、医疗、工业以及电子产品中。