專利名稱：懸浮隔膜式壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及壓力傳感器。特別地，本發明涉及被懸浮以提供應力隔離的隔膜式壓力傳感器。
現有技術展示出各種具有用于傳感壓力的可偏移的隔膜的固態壓力傳感器。某些能夠通過批量加工形成。希望能夠具有由相對堅硬的材料，諸如半導體材料，制成的固態壓力傳感器，但是要使得它們能夠“硬固定”，意即它們具有非彈性安裝到支撐面上的安裝面。還希望傳感元件完全由被測液壓圍繞并且整個傳感器和支撐結構由相同材料構成。這種結構將把管路壓力的變化所引起的誤差減到最小。換言之，傳感器將響應壓差，但是對共同壓力的變化不敏感。在工作中，這種傳感器常常受到外部來源的應變。支撐面上的外部應變是測量隔膜上不希望有的應力的一個來源，在減小這種外部應變的影響時遇到了困難。這提供了錯誤的或者不精確的壓力讀數。1986年9月16日公告的名稱為“電容式壓力傳感器”的美國專利4,612,599揭示了一種由硅形成的壓力傳感器。1989年1月3日公告的名稱為“帶應力隔離的適于硬固定的壓力換能器”的美國專利4,800,758描述了具有應力隔離的批量制造的壓力傳感器。
本發明提供了批量制造的懸浮隔膜壓力傳感器中的改進的隔離，并提供了當存在靜態壓力變化時改進的精度。隔膜的組件包括沿一邊框彼此連接的一對隔膜。該隔膜具有彼此分離開的中心從而在它們之間形成腔體。傳感器件裝在至少一個隔膜上面用于傳感其偏離并提供一輸出。當壓力加到隔膜組件的外表面時，腔體的尺寸變化并且隔膜被偏移。這一偏移代表了所施加的壓力。隔膜組件通過與邊框連接的薄片安裝到安裝塊上，該薄片使得腔體和邊框的其余部分免除進一步的硬固定。
圖1是根據本發明的懸浮隔膜壓力傳感器的局部剖開的透視圖。
圖2是圖1沿標線2—2所取的剖視圖。
圖3是圖1沿標線3—3所取的剖視圖。
圖4是根據本發明的壓差傳感器的剖面透視圖。
圖5是圖4的壓差傳感器的解體透視圖。
圖6是根據本發明的另一實施例的懸浮隔膜壓力傳感器的剖視圖。
圖7是根據本發明的另一實施例的懸浮隔膜壓力傳感器的剖視圖。
圖8是根據本發明的另一實施例的懸浮隔膜壓力傳感器的剖視圖。
圖9是根據本發明的另一實施例的懸浮隔膜壓力傳感器的剖視圖。
圖10是根據本發明的另一實施例的懸浮隔膜壓力傳感器的剖視圖。
圖11是表示系統電容的根據本發明的一隔膜對的剖視圖。
圖12是隔離電容電路的原理圖。
本發明的壓力傳感器層是應用批量制造技術制造的。硅片或層是以普通方式蝕刻而形成所需的形狀并然后形成為帶有適當材料的附加層的夾層結構而形成傳感器。在片或層形成后，它們被切割成為單個的傳感器。這種批量制造技術一般是所希望的。目前已知的加工技術包括通過陽極粘結，熔化粘結或是應用帶有玻璃料的材料使得玻璃，絕緣體，金屬，諸如硅和其它適當的半導體或蘭寶石粘結在一起的可能性。適當的環氧樹脂或其它類型的粘結材料也可使用。在討論材料層粘結在一起時，將不一定提及具體的粘結形式，但是包括上述已知的形式。
進而，帶有圍繞隔膜邊緣的整體邊框的硅片中較薄隔膜部分的形成涉及到熟知的蝕刻技術。通過蝕刻或其它已知的技術在這種片中形成開孔和圍繞開孔的凹槽是在本技術范圍內的。
圖1是根據本發明的懸浮隔膜壓力傳感器10的局部剖開的透視圖。懸浮隔膜壓力傳感器10包括下基片12和上基片14。下隔膜基片16粘結到下基片12上，并且上隔膜基片18粘結到上基片14上。下隔膜基片16和上隔膜基片18粘結在一起。下隔膜基片1 6帶有溝槽20和電接觸點22與24。壓力引入口26通過上基片14延伸。上隔膜基片18包括由支撐片30的上隔膜28。
圖2是圖1中沿標線2—2所取的懸浮隔膜壓力傳感器10的剖視圖。圖3是圖1中沿標線3—3所取的懸浮隔膜壓力傳感器10的剖視圖。圖2與圖3示出連接到上隔膜28的下隔膜32。上隔膜28與下隔膜32形成了具有隔膜腔34的一個隔膜組件，該組件一般包含有通過溝槽20所施加的基準壓力。上和下隔膜28和32沿其邊框連接。上隔膜28和下隔膜32是懸浮在與壓力引入26相連的壓力輸入腔36之中的。
在工作時，懸浮隔膜壓力傳感器用于檢測腔體34與腔體36之間的壓差。響應通過壓力引入口26所施加的壓力，隔膜腔34在壓力輸入腔36之中擴展或者收縮。這引起上隔膜28與下隔膜32向隔膜腔34內彎曲或者從隔膜腔34向外偏移。液體經由通過片30延伸的溝槽20流入腔體34或者流出腔體34。隔膜28和32的變形(并因而所施加的壓力)用電接觸點22和24檢測。這些接觸點連接到裝在隔膜28與32上的傳感器上。在一個實施例中，這些傳感器是電容器極板或者金屬鍍膜。隔膜28帶有一電容器極板并且隔膜32帶有一電容器極板。當這兩個極板由于通過引入口26所施加的壓力而產生位移時，它們之間的電容量發生變化。另一實施例中，電接觸點22和24連接到一個隔膜上的應變傳感器上，當隔膜28和32變形時該傳感器電阻發生變化。
如圖1到3所示，檢測壓力的隔膜組件(隔膜28與32及腔體34)基本上是對于作為支撐結構的基片12與16隔離開的。這是由于由隔膜28和32所形成的隔膜組件僅僅通過支撐片30同周圍的支撐結構連接。這大大減小了由施加到基片12和14上的應力所引起的隔膜28和32的任何奇變。這改進了壓力測量的精度并較小了獲得所需精度壓力讀數而需要的腔體34的尺寸。本發明提供了另一個優點在于，如果施加了超過懸浮隔膜壓力傳感器10測量范圍的過壓力，則由于隔膜28和32疊合在一起而不會斷裂，故傳感器10不會損壞。在過壓力情形下，隔膜中心區域的材料處于壓縮而不是拉伸狀態。諸如硅等脆性材料在壓縮情形下具有很大的強度，但是在拉伸時是脆弱的。此外，本發明對于操作需要相對小的充油量，這也改進了精度。
在一個較佳實施例中，懸浮隔膜壓力傳感器10是由諸如單晶硅或者蘭寶石材料形成并批量制造的。這些材料由于減小的滯變性和改進的尺寸穩定性而提供了改進的精度。而且，應用已知的制造技術諸如硅，陶瓷和玻璃等材料是易于批量制造的。
圖4是根據本發明的懸浮隔膜壓差傳感器40的剖面透視圖。傳感器40是通過將類似于如圖1所示的具有如圖1中溝槽20那樣伸展在隔膜組件之間的溝槽(圖4中未示出)的一對壓力傳感器10設置在一起而形成的。
壓差傳感器40包括下基片42，上基片44，下隔膜基片46和上隔膜基片48。壓差是通過壓力引入口50A和50B施加的。壓力引入口50A和50B分別連接到隔膜組件54A和54B。隔膜組件54A包括形成隔膜腔體62A的上隔膜58A和下隔膜60A。隔膜腔體62A裝在與壓力引入口50A連接的壓力引入口腔體64A之內。隔膜組件54B的結構類似于隔膜組件54A。
壓差傳感器40中，隔膜腔62A是通過圖4中未示出但類似于圖1中的所示的溝槽20的一個溝槽連接到隔膜腔62B的。連接隔膜腔62A與62B的溝槽通過分別在腔體64A與64B內支撐隔膜組件54A與54B的支撐片延伸的。腔體62A與62B充以封入的一定量的相對不可壓縮液體，使得當一個腔體由于加壓而膨脹時另一個腔體收縮。
圖5是壓差傳感器40的分解視圖。圖5示出連接到壓力引入口50A和50B的壓力管66A和66B。上基片包括圖4中未示出的通孔68A，68B，68C和68D。通孔68A，68B和68D用于電連接隔膜組件，而通孔68C用于隔膜腔62A和62B的充油。
下隔膜基片46包括分別裝在下隔膜60A和60B上并連接到導體72A和72B的電容器極板70A和70B。上隔膜基片48包括電接觸點76A，76B和76C。接觸點76A連接到導體72A，而接觸點76C連接到導體72B。接觸點76B連接到由基片48上的虛線所表示的導電溝道74。導電溝道74電連接到裝在圖5中以虛線表示的下隔膜58A和58B的下側的電容器極板71A和71B。此外，溝道74提供了隔膜腔62A和62B與充油引入口78之間的液體溝通。基片46和48還包括確定了上隔膜58A和58B和下隔膜60A和60B的邊緣的激光切割通道80。
在制造中，基片42，44，46和48是應用標準的批量制造蝕刻和掩膜技術形成的。電容器極板70A和70B，71A和71B分別沉積到60A和60B，58A和58B上。隔膜58A和58B，60A和60B是通過蝕刻掉隔膜的背面(露在腔體64A和64B的那面)以提供較為柔性的隔膜膜片。基片46和48結合在一起使得形成液體緊密的粘結。這一粘結還粘結了隔膜58A的邊框到隔膜60A的邊框，以及隔膜58B的邊框到隔膜60B的邊框。“邊框”是隔膜的恰好超出電容器極板70A，70B，71A和71B的邊緣之上的區域。在粘結步驟之后，通過沿激光切割通道80除去圍繞支撐片82A和82B之外以激光鉆出一通道而使得隔膜組件54A和54B自由于基片46和48，使得54A和和54B通過支撐片82A和82B連接到基片46和48。基片46和48粘結在一起后，基片42和44分別粘結到基片46和48上。該粘結發生在除去確定隔膜58A，58B，60A和60B的凹進的區域62A和62B之外的每一個地方。這些凹進要做得盡可能的小，使得在過載時的應力減到最小。凹進區域62A和62B通常厚度約為0.1密耳(mil)。
在基片42到48粘結到一起之后，隔膜組件54A和54B最好充油。充油通過與充油引入口78連接的通孔68C，溝道74，和隔膜腔體62A和62B。加壓的油通過引入口78注入以便充滿腔體62A和62B。然后引入口78密封以便防止油外流。在一個實施例中，引入口78是通過插入到通孔68C中的金塞被密封的。
在一個實施例中，基片42和44約為50密耳，而基片46和48約為10密耳。完工的傳感器尺寸為350密耳寬，700密耳長和11 5密耳厚。
圖6，7，8，9和10表示根據本發明的數個不同的隔膜結構。圖6示出包含間隔層88和90的懸浮式隔膜式壓力傳感器86。間隔層88和90用來把外部基片層同隔膜組件分開。圖7示出懸浮式隔膜式傳感器92，其中外部基片沒有被蝕刻為隔膜組件提供一空間。圖7中所示的結構是較佳實施例之一。圖8示出懸浮式隔膜壓力傳感器94，其中間隔層96，98和100用來間隔而不是向基片層蝕刻成凹陷。圖9示出懸浮式隔膜式壓力傳感器102，其中上和下隔膜層并不蝕刻形成隔膜腔體，而是被充油以便使隔膜分離開。圖10示出懸浮式隔膜壓力傳感器104，其中隔膜腔體是欠充油的。這使得壓力傳感器能夠在一個不同壓力范圍工作。
本發明中的懸浮式隔膜的偏移與所施加的壓力相關，這壓力是壓差或者是絕對壓力。通過檢測這一變形，可判定壓力。這一檢測可通過任何適當的方法進行測量。在一個較佳實施例中，隔膜變形是通過測量安裝在每一隔膜上的電容器的兩個極板之間的電容量的變化而檢測的。圖11是包含分別帶有上電容器極板114和下電容器極板116的上隔膜110和下隔膜112的懸浮式隔膜108的一剖視圖。極板114和116分別通過絕緣層118和120安裝到隔膜110和112上。隔膜110和112之間的區域形成最好是充油的腔體122。
圖11示出極板114和116之間的電容CA。電容CA的數值與施加到懸浮式隔膜108上的壓力相關。因而，通過測量這一電容，可判定壓力。然而，寄生電容CS1和CS2干擾了這一測量。這一電容分別是由于極板114和隔膜110之間，及極板116和隔膜112之間的電容引起的。這一電容的引發是由于絕緣層118和120分別將極板114和116同隔膜110和112分隔開。于是希望能夠消除CA測量中的寄生電容。
圖12示出消除由于CS1和CS2所引起的CA測量中的干擾的電路124。電路124包括連接到電容器CA被驅動的一邊的方波驅動器130。電容器CS1的一邊(即基片110)連接到作為CS2的一邊的電接地(即基片112)。電容器CA的傳感側連接到運算放大器132。運算放大器132通過集成電容器136連接有負反饋。向運算放大器132的非反相輸入提供了一個虛接地。運算放大器132的的輸出供給用于計算壓力的電容測量電路。
電路124保持基片110與基片112處于與傳感電極116“相同電位”。這是由于，傳感電極116由具有負反饋的運算放大器132保持在虛接地的狀態。因為CS2不會被連接到電極116的電路測量到，故這減少了由于寄生電容造成的壓力測量中的誤差。
本發明是一個很適于批量制造的懸浮隔膜式壓力傳感器，并具有改進的應力隔離。所需要的隔膜腔中的相對小的充油量提供了改進的精度。而且，該結構提供了其自身的過壓力保護，使得如果施加了很大壓力，則隔膜被疊合在一起。本發明提供了由平面材料批量制造的三維結構。
雖然就本發明已參照較佳實施例進行了說明，本專業技術人員會看出在不脫離本發明的精神和范圍的情形下在形式上和細節上可作出改變。例如，支撐隔膜組件的支撐片可被分成數個接近的支撐片。而且，隔膜組件可由蘭寶石制成。蘭寶石與半導體比較還減少了寄生電容，因為其導電性較低。此外，單個的隔膜可相對于固定的基片運動以測量壓力。
權利要求
1.一種壓力傳感器，包括第一隔膜組件帶有沿一邊框連接到一基片的一隔膜，該隔膜和基片彼此的中心分離開以在它們之間形成第一腔體；用于向隔膜外表面施加加壓液體的引入口器件；設置在該隔膜上用于傳感其偏移并提供一代表液體壓力的輸出的傳感器件；一安裝塊，包括一連接到邊框的一薄片，該薄片使得該隔膜和基片的中心以及其余的邊框免除進一步的硬固定。
2.權利要求1的壓力傳感器，其中該薄片包括用于傳導該傳感器輸出的引線。
3.權利要求1的壓力傳感器，其中隔膜組件是由硅基材料形成的。
4.權利要求1的壓力傳感器，其中傳感器件包括具有連接到隔膜的第一極板和連接到基片的第二極板的一個電容器。
5.權利要求1的壓力傳感器，其中隔膜和基片通過一間隔層沿該邊框連接。
6.權利要求1的壓力傳感器，包括具有同第一腔體液體連通的第二腔體的一個第二隔膜組件，其中對于壓差的響應是第一腔體的尺寸對于第二腔體尺寸相反地變化。
7.一種壓差傳感器，包括第一隔膜組件，具有沿一邊框連接的隔膜和基片并且分離開在它們之間形成第一腔體；第二隔膜組件，具有沿一邊框連接的隔膜和基片并且分離開在它們之間形成第二腔體；用于向第一隔膜組件的外表面施加液體的第一引入口器件；用于向第二隔膜組件的外表面施加液體的第二引入口器件；一個支撐結構，包括連接到第一隔膜組件的邊框的第一薄片和連接到第二隔膜組件的邊框的第二薄片，該第一和第二薄片連接在一起并與第一和第二腔體處于液體連通，從而第一腔體體積的變化與第二腔體體積的變化是反向相關的；以及連接到第一隔膜組件上用于傳感該隔膜偏移并提供一代表了液體壓力的輸出的傳感器件。
8.權利要求7的壓差傳感器，其中該薄片包括傳導該傳感器輸出的引線。
9.權利要求7的壓差傳感器，其中第一和第二隔膜組件是由硅基材料形成的。
10.權利要求7的壓差傳感器，其中傳感器件包括具有連接到隔膜的第一極板和連接到基片的第二極板的一個電容器。
11.權利要求7的壓差傳感器，其中第一和第二隔膜組件的隔膜和基片通過一間隔層連接。
12.一種用于測量壓力的裝置，包括多個基本上是平面的基片，被粘結在一起形成一個三維結構；由該多個基片形成對于壓力響應的壓力傳感器；以及一個外殼，圍繞該壓力傳感器并由承受被測量的壓力的多個基片所形成；其中該壓力傳感器通過一薄片連接到該外殼。
13.權利要求12的裝置，其中該壓力傳感器包括一個沿一邊框與一基片連接的隔膜的隔膜組件，該隔膜和基片彼此分開在它們之間形成一腔體。
14.權利要求13的裝置，其中隔膜組件除去一個支撐薄片以外是自由于外殼的，從而提供了應力隔離。
15.用于對生產過程的液體的壓力進行測量的裝置，包括由脆性的、抗腐蝕材料形成的一個傳感器體，該傳感器體響應生產過程的液體的壓力；一個支撐件；一個傳感元件，由該傳感器體所攜帶響應該傳感器體的形變；以及一個延伸的應力隔離器伸展在支撐件和傳感器體之間并由與傳感器體相同材料形成，該隔離器包含用于攜帶連接到傳感元件的電導體的一導管。
16.權利要求15的裝置，其中支撐件是由傳感器體相同的材料形成的。
17.權利要求15的裝置，其中傳感元件是一可變電容器。
18.權利要求15的裝置，其中的支撐結構，傳感器體和應力隔離器是由粘結在一起基本上是平面的基片形成的從而形成一三維結構。
19.權利要求15的裝置，其中傳感器體包括沿一邊框粘結在一起的一個第一隔膜和一個第二隔膜并在它們之間形成一腔體。
全文摘要
壓力傳感器(40)包括帶有沿一邊框結合在一起并具有分離開的中心以便在它們之間形成一腔體(62A)的一對隔膜(58A，60A)的隔膜組件(54A)。壓力輸入(50A)施加一壓力液體到隔膜的外表面。該隔膜組件(54A)沿一薄片(82A)連接到一安裝塊，使得隔膜(54A)的其余部分免于硬固定。隔膜組件(54A)的偏移被傳感并與所施加的壓力相關。
文檔編號G01L9/12GK1131460SQ94193444
公開日1996年9月18日 申請日期1994年7月22日 優先權日1993年9月20日
發明者羅格·L·弗里克 申請人:羅斯蒙德公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
