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制造壓力傳感器的方法
【專利摘要】一種制造過熱或火警探測系統的方法，包括以下步驟：微機械加工壓力傳感器10，以及緊固傳感器管(20，圖2)使之與所述壓力傳感器10流體連通。所述傳感器管可包括含有在加熱時釋出氣體的材料的中空管(24，圖2)。所述微機械加工步驟可包括摻雜第一層12的至少一部分13、至少部分地在所述經摻雜部分13內形成空腔19，以及在所述空腔上形成可變形隔膜14。
【專利說明】制造壓力傳感器的方法

【技術領域】
[0001]本公開涉及一種用于過熱或火警系統中的壓力傳感器，且明確地說，涉及一種制造傳感器和此類系統的方法。這樣的過熱或火警系統可用以監控包含飛行器的各個部分和其它航天應用的數個不同環境。
發明背景
[0002]已知的過熱或火警系統包括與壓力傳感器流體連通的傳感器管，該壓力傳感器也稱為壓力開關模塊。該傳感器管通常包括含有金屬氫化物芯(通常為氫化鈦)和惰性氣體填充物(例如氦氣)的金屬傳感器管。此類系統顯不于US-3122728 (Lindberg)中。
[0003]傳感器管暴露于高溫會使得金屬氫化物芯釋出氫氣。傳感器管中相關的壓力升高使得壓力傳感器中正常情況下開啟的壓力開關關閉。此產生離散警報。壓力傳感器還經配置以由于與惰性氣體填充物的熱膨脹相關聯的壓力升高而產生平均過熱警報。所述離散與平均警報狀態可使用單個壓力開關探測為單個警報狀態或使用至少兩個壓力開關而分開探測。
[0004]與氣動式火災/過熱探測器一起使用的單警報壓力傳感器的一個實例描述于US5136278A(Watson)中。此探測器使用兩個可變形金屬隔膜來形成氣動式壓力傳感器開關。所述隔膜通常由TZM合金盤(alloy disc)形成，所述TZM合金盤已經受壓力形成操作以實現傳感器的所需壓力設定點。在壓力形成之后，所得隔膜的直徑約為5到10_。
[0005]歷史上，隔膜的壓力形成是在最終裝配氣動式壓力探測器之前進行。對此制造工藝的改善描述于US2009/0236205 (Nalla)中。此文獻公開了一種在最終裝配開關模塊之后執行壓力形成操作的方法。盡管存在此改善，但制造具有可一致地重復的壓力設定點的傳感器為相對耗時且可能成本較高的程序。
[0006]與已知設計相關聯的另一缺點為氣動式壓力開關的相對較大的內部自由容積。氣動式壓力傳感器的自由容積內的氣體將減小與惰性氣體的膨脹或傳感器管內的氫氣釋出相關聯的壓力升高。此將對系統的熱探測能力具有不利影響。此外，在離散警報狀況期間釋出的氫氣可能進入氣動式壓力開關的自由容積。此氫氣因而不再與金屬氫化物芯物理接觸，且無法在冷卻時被重新吸收。此將對探測系統在離散警報事件之后成功重置的能力具有不利影響。這些影響對于短的傳感器管長度都更加顯著。
[0007]本公開設法解決這些問題中的至少一些。
發明概要
[0008]本文公開了一種制造過熱或火警探測系統的方法，其包括以下步驟:微機械加工壓力傳感器；以及緊固傳感器管使之與所述壓力傳感器流體連通。
[0009]應理解，術語‘壓力傳感器’意在是指可探測壓力變化的任何傳感器。所述壓力傳感器可包括一個或多個個別‘壓力開關’，其中的每一者將因壓力變化而啟動。所述開關會在特定壓力閾值(‘壓力設定點’)下被啟動以開啟或關閉電端子，因此提供數字輸出。數字壓力開關的一個實例為具有可變形隔膜的氣動式壓力探測器。或者，所述開關可視壓力而變提供連續改變的輸出，因此提供模擬輸出。模擬壓力開關的一個實例為電子壓力傳感器，例如電容式或壓阻式傳感器。
[0010]術語‘微機械加工’(或‘微系統技術’ (MST))在此項技術中是眾所周知的，是指在微米尺度上制造三維結構。通常，這些結構使用半導體襯底，例如硅或基于硅的襯底(即，晶片)，但也可使用其它襯底。基本制造技術涉及沉積極薄的層并且圖案化所述層以及蝕亥|J。使用微機械加工方法產生的系統通常稱為‘微機電系統’(MEMS)。
[0011]使用微機械加工技術能夠產生具有小得多且更準確的尺寸的壓力傳感器。此允許更高效且可靠的制造工藝。以此方式制成的壓力傳感器可提供對壓力變化更準確并且可靠的反應。
[0012]根據本公開的壓力傳感器可具有ΙΟΟμπι或更小或介于30μπι與ΙΟΟμπι之間或大約30 μ m的最大總尺寸。每一開關可具有30 μ m或更小，或10 μ m或更小的最大總尺寸。所述最大總尺寸可以是傳感器/開關的占據區域的直徑或寬度。
[0013]微機械加工技術還可提供具有高度復雜的幾何形狀的壓力傳感器，其壓力設定點可更準確地加以設定。
[0014]使用微機械加工使壓力傳感器小型化還意味著可以在單個過程中在單個襯底上產生數個壓力開關。單個傳感器管可連接到所述襯底，與數個不同開關流體連通。用戶可接著選擇將電路系統連接到哪一或哪些開關以便監控所需壓力設定點。可能需要使用具有不同設定點的數個不同開關，以使得可監控各種溫度條件，例如，過熱、起火和完整性(以檢查傳感器管中的泄漏)。
[0015]所述傳感器管可包括含有在加熱時釋出氣體的材料的中空管。此類傳感器管是眾所周知的，如上文所論述。該管可由例如鉻鎳鐵合金等金屬制成。材料可以是金屬氫化物，例如氫化鈦。所述傳感器管可含有惰性氣體填充物，例如氦氣。所述傳感器管相對于其直徑(例如，小于5_)可具有極大長度(例如，介于I米與10米之間)。由此，使用小型化壓力傳感器可允許制造極小輪廓(即，小直徑)的過熱/火警探測系統。
[0016]微機械加工步驟可包括形成和/或提供一個或多個層。所述層可各自具有100 μ m或更小的厚度。
[0017]第一層可以是在上面沉積其它層的襯底層。該第一層可被認為是下部或基底層，因為這可能是其在制造期間的定向。然而，應理解，壓力傳感器可以任何定向來制造(并且隨后被使用)。該第一層可包括半導體材料，例如硅。
[0018]所述微機械加工步驟可包括摻雜第一層的至少一部分。所述摻雜可以任何已知的適當方式來執行。經摻雜部分可延伸遍及第一層的整個厚度，以使得可從第一層的下側接近經摻雜部分。第一層可包括一個或多個未經摻雜的部分。
[0019]第一層可具有ΙΟΟμπι或更小的厚度。
[0020]可提供多個單獨的經摻雜部分。
[0021]每一經摻雜部分可形成電端子。關閉所述電端子可開啟或關閉電路并且觸發警報。所述經摻雜部分可連接到任何適當電路系統以提供警報電路。適當電路系統顯示于US-5136278 (Watson)和US-5691702 (Hay)中，并且對于本領域技術人員來說將是顯而易見的。
[0022]所述微機械加工步驟可包括至少部分地在所述經摻雜部分內形成空腔。空腔可在已形成所述經摻雜部分之前或之后形成于所述第一層中。所述空腔至少部分地在所述經摻雜部分內。由此，所述經摻雜部分的至少部分形成基底和/或所述空腔的一個或多個壁的部分。
[0023]可形成多個空腔，其中每一空腔部分地在經摻雜部分內。
[0024]所述空腔可具有小于I μ m或0.5 μ m或更小的深度。
[0025]可使用任何已知方法形成所述空腔。舉例來說，可蝕刻出所述空腔。已知蝕刻技術包含濕式蝕刻和干式蝕刻。
[0026]所述空腔可用以為具有隔膜的氣動式壓力傳感器提供充氣部(plenum)。使用微機械加工技術提供具有準確尺寸、具有極小的內部自由容積的極小空腔。
[0027]形成一個或多個層的步驟可包括在所述空腔上形成可變形隔膜。所述隔膜可直接或間接地緊固到所述第一層。可通過在所述第一層上沉積材料層而形成所述可變形隔膜。
[0028]所述隔膜可具有小于5μηι或為Ιμπι或更小的厚度。
[0029]應理解，盡管所述隔膜覆蓋所述空腔，但其可能不與所述第一層直接接觸。換句話說，可能在所述隔膜與所述第一層之間存在一個或多個介入層。所述隔膜的占據區域覆蓋所述第一層中的空腔。所述隔膜可經由所述介入層間接地緊固到所述第一層。
[0030]在使用中，所述隔膜的覆蓋所述空腔的部分在經受作用于其上的流體壓力時可能移動到所述空腔中。所述隔膜的所述部分進入到所述空腔中的移動會關閉電端子且觸發警報。由此，所述隔膜和空腔一起形成壓力開關。
[0031]所述微機械加工步驟可包括在所述隔膜的第二表面中形成凹部。所述隔膜的第二表面背對所述第一層。在制造期間，所述第二層可定位在所述第一層上，但應理解，完工后的壓力傳感器可經制造，(且隨后)以任何定向使用。
[0032]所述凹部至少部分地與所述空腔對準。由此，所述隔膜的與所述凹部對準的部分覆蓋所述空腔的至少一部分。
[0033]可使用任何已知方法形成所述凹部。舉例來說，可蝕刻出所述凹部。
[0034]在所述隔膜的與所述空腔對準的部分中形成凹部可減小此部分的硬度。通過改變所述凹部的深度，可設定壓力開關的壓力設定點。這是因為柔性較大的部分將在較低壓力下變形。較深的凹部可因此用以探測較低壓力且因此探測較低溫度閾值。
[0035]可形成多個單獨的凹部。
[0036]所述凹部和空腔可為圓形的(當從上部觀看時)，但其它形狀也是可能的。
[0037]形成多個空腔和凹部有效地在單個襯底上提供數個不同開關。如上文所論述，數個不同開關可連接到單個傳感器管。可以不同壓力閾值致動每一開關。
[0038]實現此的一種方式是通過使至少兩個凹部具有不同深度來實現。為提供不同深度，一個凹部可經受比其它凹部更高水平(或不同類型)的蝕刻。
[0039]或者，可改變所述第一層中的所述空腔的深度。所述空腔越深，使所述隔膜充分變形以關閉所述空腔內的電端子并且觸發警報所需的壓力將越大。再次，不同空腔可經受不同水平(或類型)的蝕刻。
[0040]所述隔膜上可具有兩個、三個或三個以上凹部，其中每一凹部至少部分地與所述第一層上的空腔對準。每一凹部可具有不同深度。
[0041]所述隔膜可由任何適當材料形成。所述隔膜可由提供針對氫氣(其可從所連接的傳感器管釋出)的有效障壁的材料(例如氮化硅(Si3N4))形成。所述隔膜可由可容易并且準確地被蝕刻的材料(例如陶瓷(例如，Si3N4))形成。
[0042]所述隔膜可由電絕緣材料形成。為了在所述隔膜的一部分移動到所述空腔中時完成電路，所述方法可包括在所述隔膜與所述第一層之間形成柔性導電層。單個導電層可延伸于所述第一層上的所有空腔(如果存在)之上。
[0043]或者，所述隔膜可由導電材料形成，以使得在所述隔膜的一部分接觸所述第一層的在空腔內的經摻雜部分時完成電路。
[0044]所述隔膜和經摻雜部分可提供電路的端子。關閉或開啟這些端子可觸發警報以指示已探測到特定壓力閾值(且因此探測到傳感器管的溫度)。適當電路系統對于本領域技術人員來說將是顯而易見的。
[0045]本公開擴展到一種氣動式壓力傳感器，其包括第一層以及可變形隔膜。所述第一層在第一表面中具有多個空腔。所述隔膜具有面向且覆蓋所述空腔的第一表面以及背對所述第一層的第二表面。所述第二表面具有多個凹部，其中的每一者至少部分地與所述空腔中的一者對準。至少一第一凹部具有大于第二凹部的深度。
[0046]如上文所論述，盡管所述隔膜覆蓋所述空腔，但其可能并不直接接觸所述第一層。實際上，一個或多個介入層可位于所述隔膜與所述第一層之間。
[0047]所述第一層和隔膜可具有上文相對于制造過熱或火警探測系統的方法所描述的特征中的任一者。。
[0048]每一空腔和凹部可提供個別壓力開關。
[0049]所述氣動式壓力傳感器可使用微機械加工而形成。
[0050]所述第一層可具有ΙΟΟμπι或更小的厚度。所述隔膜可具有小于5μηι或為Ιμπι
或更小的厚度。
[0051]所述第一層可包括具有多個經摻雜部分的半導體晶片。每一空腔可至少部分地處于所述經摻雜部分中的一者內。
[0052]每一經摻雜部分可提供可通過將所述隔膜的一部分移動到空腔中而關閉的電端子。
[0053]本公開還擴展到一種制造如上所述的氣動式壓力傳感器的方法。所述方法包括以下步驟:在第一表面中微機械加工具有多個空腔的第一層，以及微機械加工可變形隔膜，所述可變形隔膜覆蓋所述空腔并且在背對所述第一層的第二表面中具有深度不同的多個凹部。
[0054]本公開還擴展到一種過熱或火警探測系統，其包括如上所述的氣動式壓力傳感器以及連接到該傳感器且與多個凹部流體連通的傳感器管。
[0055]所述過熱或火警探測系統可如上所述而制造。
[0056]本公開還擴展到一種制造過熱或火警探測系統的方法，其包括制造如上所述的氣動式壓力傳感器，以及連接傳感器管使之與多個凹部流體連通。
[0057]附圖簡述
[0058]現將僅以舉例方式并且參考圖1到2描述本公開的一些示范性實施方案，其中:
[0059]圖1a到Ic是根據本公開的示范性實施方案的壓力傳感器的各種視圖；以及
[0060]圖2示出了根據本公開的示范性實施方案的過熱或火警系統的示意性橫截面圖。
[0061]諸圖未按比例繪制。

【具體實施方式】
[0062]圖1a示出了示范性經過微機械加工的壓力傳感器10的透視圖。傳感器10包括襯底12 ( ‘第一層’)和可變形隔膜14。
[0063]隔膜14可由陶瓷材料(例如氮化硅(Si3N4))形成。襯底12是由半導體(例如硅)形成。
[0064]隔膜14在上部(‘第二’)表面14b中包括三個凹部16a、16b、16c。凹部16a、16b、16c為圓形且按相等間距隔開。
[0065]介入導電性柔性金屬層18位于隔膜14與襯底12之間。金屬層18接觸襯底12的上部(‘第一’)表面12a和隔膜14的下部(‘第一’)表面14a。隔膜14、襯底12和介入金屬層18都是圓形的，且實質上具有相同大小。
[0066]隔膜14和介入金屬層18可經由沉積而形成。所述層的特征(例如凹部16a、16b、16c以及空腔19)可通過蝕刻相應層而形成。
[0067]圖1b示出了壓力傳感器10的俯視平面圖。凹部具有10微米的直徑D2，并且隔膜14具有30微米的直徑Dl。隔膜14的直徑表示傳感器10的最大總尺寸。其它尺寸將是適當的。
[0068]圖1c示出了沿圖1b中的線A-A截取的傳感器10的橫截面圖。如上文所論述，傳感器10包括三層結構，即襯底12、金屬層18和隔膜14。襯底12包括經摻雜部分13和未經摻雜部分。可以看到單個凹部16a。形成于經摻雜部分13中的空腔19在凹部16a下方。空腔19界定于經摻雜部分13的上部表面13a、未經摻雜部分12的壁12c與隔膜的下部表面14a之間。空腔19與凹部16a實質上對準。類似的經摻雜部分和空腔形成于兩個其它凹部16b、16c下方。
[0069]隔膜的厚度T1為1.0 μ m，且空腔19在經摻雜部分中的深度T2為0.5 μ m，但其它尺寸也將是適當的。
[0070]隔膜的在凹部16a下方的部分14c、經摻雜部分13、空腔19和介入金屬層18形成氣動式壓力開關。當在其上部表面14b上經受足夠壓力時，部分14c將變形到空腔19中(隨其攜帶金屬層18的部分)。當金屬層18接觸經摻雜部分13時，完成電路(圖中未示)。此觸發警報以指示已探測到特定溫度閾值。所示傳感器10因此具有三個相異的開關。
[0071]凹部16a、16b、16c可各自具有不同深度。此提供不同壓力設定點，因為部分14c在凹部下方的厚度將與使所述部分變形到空腔19中所需的壓力量成反比。壓力設定點也將取決于空腔19的深度，因為部分14c將會進一步變形直到其與經摻雜部分13接觸(經由金屬層18)。
[0072]在使用中，所有三個開關可用以監控不同溫度條件，例如過熱、起火和完整性。或者，用戶可僅連接到具有所需壓力設定點的開關。
[0073]圖2示出了包括緊固到傳感器管20的傳感器10 (圖1a到Ic)的示范性過熱或火警系統30的橫截面圖。傳感器10僅出于說明目的而被放大顯示。例如由陶瓷制成的熱絕緣塊26附接在傳感器10周圍。套筒28纏繞在塊26和傳感器管20的一部分周圍以確保傳感器10與管20之間的氣密密封。
[0074]傳感器管20包括內部空間21和實心芯22。內部空間21填充有惰性氣體，例如氦氣。實心芯22由在加熱時釋出氣體(例如氫氣)的材料形成。所述材料可以是氫化鈦。管20包括例如由鉻鎳鐵合金制成的金屬殼24。淺間隙或充氣部23形成于傳感器10 (并且具體來說，隔膜14的上部表面14b)與傳感器管20的第一末端20a之間。凹部16a、16b、16c與傳感器管20的內部21流體連通。
[0075]傳感器管20具有1.6mm的外徑D3和0.9mm的內徑D4。實心芯22具有0.66mm的直徑D5。其它尺寸將是適當的。
[0076]加熱傳感器管20首先引起氦氣膨脹。此施加壓力于凹部16a、16b、16c上。取決于每一開關的壓力設定點，可啟動一個或多個開關。進一步加熱傳感器管20使得芯22釋出氫氣。此使得一個或多個開關啟動。
[0077]壓力開關中的一者可在壓力下降到特定閾值之下的情況下提供完整性警報。閾值可設定為氦氣填充物的正常操作壓力。如果壓力下降到此閾值之下，那么其可指示傳感器管中(或管20與傳感器10之間)的泄漏。完整性開關可為常斷式的，并且僅當壓力下降到閾值之下時才開啟。在正常情況下關閉的開關開啟(即，金屬層18與經摻雜部分之間的電路的開啟)可觸發警報。
[0078]示范性過熱或火警系統30可因此用以提供指示不同溫度或條件的數個不同警報信號。
[0079]以上描述僅例示本發明的原理。鑒于以上教示，許多修改和變化是可能的。因此，應理解，在所附權利要求書的范圍內，可以與使用已經具體描述了的示例性實施方案不同的方式來實踐本發明。出于所述原因，應研究所附權利要求書以確定本發明的真實范圍和內容。
【權利要求】
1.一種制造過熱或火警探測系統的方法，其包括以下步驟: 微機械加工壓力傳感器；以及 緊固傳感器管使之與所述壓力傳感器流體連通。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述傳感器管包括含有在加熱時釋出氣體的材料的中空管。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中所述微機械加工步驟包括形成一個或多個層。
4.根據權利要求1到3中任一權利要求所述的方法，其中所述微機械加工步驟包括摻雜第一層的至少一部分且至少部分地在所述經摻雜部分內形成空腔。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述微機械加工步驟包括在所述空腔上形成可變形隔膜。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述微機械加工步驟包括在所述隔膜的上部表面中形成凹部，所述上部表面背對所述第一層并且至少部分地與所述空腔對準。
7.根據權利要求6或7所述的方法，其中所述微機械加工步驟包括: 形成多個經摻雜部分； 部分地在每一經摻雜部分內形成空腔；以及 在所述第一層中形成多個凹部，每一凹部至少部分地與空腔對準。
8.根據權利要求6所述的方法，其中所述微機械加工步驟包括形成具有不同深度的至少兩個凹部。
9.根據權利要求5到8中任一權利要求所述的方法，其中所述形成一個或多個層的步驟包括在所述可變形隔膜與所述第一層之間形成柔性導電層。
10.一種氣動式壓力傳感器，其包括: 第一層，其在第一表面中具有多個空腔；以及 可變形隔膜，其具有: 第一表面，其面向且覆蓋所述空腔；以及 第二表面，其背對所述第一層且具有多個凹部，其中每一凹部至少部分地與所述空腔中的一者對準且至少一第一凹部具有大于第二凹部的深度。
11.根據權利要求10所述的氣動式壓力傳感器，其中所述第一層和所述隔膜各自具有100 μ m或更小的厚度。
12.根據權利要求10或11所述的氣動式壓力傳感器，其中所述第一層包括具有多個經摻雜部分的半導體晶片，且所述空腔中的每一者至少部分地在所述經摻雜部分中的一者內。
13.根據權利要求12所述的氣動式壓力傳感器，其中每一經摻雜部分提供可通過將所述隔膜的一部分移動到空腔中而關閉的電端子。
14.一種制造根據權利要求10到13中任一權利要求所述的氣動式壓力傳感器的方法，其包括以下步驟: 微機械加工在第一表面中具有多個空腔的第一層；以及 微機械加工可變形隔膜，所述可變形隔膜覆蓋所述空腔且在所述隔膜的背對所述第一層的第二表面中具有深度不同的多個凹部。
15.一種制造過熱或火警探測系統的方法，其包括根據權利要求14所述的方法制造氣動式壓力傳感器以及連接傳感器管使之與所述多個凹部流體連通。
【文檔編號】G01L7/08GK104129751SQ201410181643
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2013年4月30日
【發明者】P.D.史密斯, P.倫尼 申請人:基德科技公司