专利名称：压力传感器和生产压力传感器的方法
技术领域：
本发明涉及一种压力传感器，其中，由α-相氧化铝(矾土)如蓝宝石制成的压力传感器块和同样由α-氧化铝如蓝宝石制成的板件结合，本发明还涉及一种压力传感器的生产方法。
有人提出一种具有包括衬底和由蓝宝石制成的隔膜的外壳的压力传感器块。蓝宝石，即高热稳定性的金刚砂(单晶α-相氧化铝)难以溶于酸性和碱性溶液，因此广泛用作耐火材料、绝缘体、研磨剂等。当用具有上述性能的蓝宝石构造外壳时，即使测量目标是腐蚀性液体时，上述压力传感器块也可以通过隔膜的直接接收而测量液体的压力。
如
图10所示，上述压力传感器块通过固定在底座上而用作压力传感器。如图10所示，压力传感器块1001置于用如玻璃制成的底座1002的中心部位形成的凹窝1003中，以面对图10上部的隔膜部分。在底座1002的凹窝1003的底表面上形成穿过底座1002底表面延伸的电极插脚1004的终端1005，终端1005分别与导向块1001衬底下表面的电极线相连接。在凹窝1003的底表面上形成沟通底座1002底表面的通风口1006。
中间部位有开孔部分的盖板1007压挤块1001上表面的周缘。将盖板1007与底座1002的上表面结合，方法是一次性熔融玻璃，然后使其固定在底座1002上。盖板1007与块1001相互密封，使要通过与块1001的上表面接触而测量的液体无法进入块1001周围的凹窝1003。
为了保证压力测量的精确性，用与块1001相同的材料蓝宝石制备盖板1007，使二者随温度的变形程度一样，这样就不会有压力作用于块1001。如上所述，为了通过尽可能排除相异金属结合来密封所述块，将盖板1007和块1001的邻接表面直接结合。为了结合两个用上述蓝宝石制成的部件，将它们的结合面镜面抛光后紧靠在一起，将要结合的两个用蓝宝石制成的部件加热，同时在二者之间的部位施加压力，从而将其紧紧地结合在一起，而不使用粘结剂等物质。
但是，在上述直接结合方法中，因为两个用蓝宝石制成的材料的邻接表面必须镜面抛光至0.3nm或更小的粗糙度，所以需要昂贵的部件(盖板)。不使用粘结剂等物质的上述直接结合方法通常要增加成本。相反，当使用普通粘结剂时，可以低成本地结合两个部件，从而生产便宜的压力传感器。但是，因为普通粘结剂是插入在两个部件之间的不同的材料，所以将产生压力，并且在结合部位不能得到与蓝宝石相同的耐蚀性和热稳定性。这将限制压力传感器的应用范围。
如上所述，为了充分利用压力传感器外壳的材料性能，传统上在构成外壳的各个部件之间高成本地进行直接结合。相反，当用粘结剂等物质结合各个部件时，能够低成本地形成该器件，但是不能充分利用部件的材料性能。
根据本发明的一个方面，压力传感器包括压力传感器块和通过用α-相氧化铝制成的中间产品层与压力传感器块连接的用α-相氧化铝制成的板件，压力传感器块具有用α-相氧化铝制成的衬底、设置在衬底主表面上的用α-相氧化铝制成的隔膜、由衬底中的凹窝形成且被隔膜覆盖的电容腔、设置在电容腔底部中的静态电极、与静态电极相对置地固定在电容腔中的隔膜上的可动电极，其中，中间产品层是用下述方法形成的加热溶解有含铝和氧的化合物的溶液形成的溶液，使该溶液变成由无定形氧化铝或其相是非α-相的氧化铝形成的中间产品，然后使得到的中间氧化铝发生相变，形成α-相氧化铝。
根据该压力传感器，压力传感器块和板件之间的结合部位基本上是用与板件相同的材料α-相氧化铝如蓝宝石制成的。
本发明的另一方面是生产压力传感器的方法，其中，用α-相氧化铝制成的板件与压力传感器块结合，压力传感器块具有用α-相氧化铝制成的衬底、设置在衬底主表面上的用α-相氧化铝制成的隔膜、由衬底中的凹窝形成且被隔膜覆盖的电容腔、设置在电容腔底部中的静态电极、与静态电极相对置地固定在电容腔中的隔膜上的可动电极，首先在板件表面上形成由溶解有含铝和氧的化合物的溶液形成的溶液层，加热溶液层，在板件表面上形成由无定形氧化铝或其相是非α-相的氧化铝形成的中间产品层，压力传感器块置于中间产品层上，在板件和压力传感器块之间施加压力和电场，用紫外线照射中间产品层，无定形氧化铝或其相是非α-相的氧化铝发生相变，形成α-相氧化铝，从而使板件与压力传感器块结合。
根据该生产方法，压力传感器块和板件之间的结合部位基本上是用α-相氧化铝如蓝宝石制成的。
在上述生产方法中，含铝和氧的化合物包括铝的氢氧化物，例如，溶液层包括水溶液，含铝和氧的化合物是勃姆石。另外，含铝和氧的化合物可以包括铝的有机金属化合物和铝的有机盐，如Al(CH3COO)3。另外，铝的有机金属化合物可以是烷醇铝或羰基金属铝。
在上述生产方法中，紫外线的波长可以不大于200nm。
在上述生产方法中，用α-相氧化铝制成的缓冲部件固定在隔膜的周缘部分上以形成压力传感器块，板件可结合在缓冲部件上。
在上述压力传感器及其生产方法中，α-相氧化铝是蓝宝石，其相是非α-相的氧化铝是一种选自γ-、θ-、ι-、κ-、ε-、χ-、δ-和σ-相氧化铝及其复合物的材料。
图1是示出根据本发明的实施方案处于使盖板130和压力传感器块110相结合状态的结构图；图2是示出带有缓冲部件120的压力传感器块110的结构图；图3是示出缓冲部件120的结构的平面图；图4是示出与金属板140结合的用蓝宝石制成的盖板130的结构的平面图；图5是用于解释根据本发明的实施方案生产压力传感器的方法的工艺图；图6是用于解释根据本发明的实施方案生产压力传感器的方法的工艺图；图7是示出根据本发明实施方案的压力传感器的部分结构图；图8是示出根据本发明实施方案的压力传感器的部分结构图；图9是示出β-氧化铝状态的说明图；和图10是示出压力传感器的部分结构图。
图1是根据本发明的一个实施方案的压力传感器块的结构图。在该实施方案中，如图1所示，用单晶α-相氧化铝(矾土)蓝宝石制成的盖板130(用α-相氧化铝制成的板件)与固定在缓冲部件120上的压力传感器块110结合。与盖板130结合的压力传感器块110由蓝宝石衬底部分101和蓝宝石隔膜102构成。在衬底部分101的中心部位形成的凹窝作为电容腔103。在电容腔103中的隔膜102侧上形成可动电极104，在电容腔103中的衬底部分101一侧上，即衬底部分101的凹窝底表面上形成静态电极105。尽管图中没有示出，但是在衬底部分101的底表面上形成有分别连接可动电极104和静态电极105的电极极板。
通过切割多个在直径为如4英寸的圆板状蓝宝石晶片上形成的块而形成块110。在将晶片切割成块110之前，其上形成有多个块110的蓝宝石晶片和其上形成有多个缓冲部件的直径为4英寸的圆板状蓝宝石晶片在其成型部分相互排列后直接结合，立即切割得到的晶片，从而得到各个如图2所示的与相应的缓冲部件120结合的块110。因此，换句话说，块110和缓冲部件120形成一个压力传感器块。
如图2和图3(平面图)所示，在接近缓冲部件120的上下表面终端的部位处分别形成环状接触区121和122，接触区121与衬底部分101的隔膜102的上表面直接结合。在缓冲部件120的中心部位形成开孔部分123。用缓冲部件120减轻结合盖板130时产生的压力并防止非常薄的隔膜102变形。因此，例如在结合隔膜时不产生压力的情况下可以不使用缓冲部件120。当不使用缓冲部件120时，盖板130(下面说明)与隔膜102的上表面结合。
当制备与缓冲部件120直接结合的块110时，制备如图4的平面图所示的与环状金属板140结合的蓝宝石盖板130。如图4所示，盖板130形成中心部位有开孔区133的框架形状，金属板140与盖板130的主表面132的周缘部分结合。金属板140按照下述方法与盖板130结合。首先，例如通过预先在盖板130的结合区中进行电镀形成金属膜，然后将金属板140焊接在金属膜形成区。
如图1所示，盖板130的底表面131与缓冲部件120的接触区122结合。在该实施方案中，为了生产比直接结合方法成本低得多的用蓝宝石制成的压力传感器，用下述方法结合盖板130。
首先，向勃姆石(AlO(OH)，这是一种铝的氢氧化物)水溶液中加入二氧化钛，形成涂层溶液。如图5所示，用涂层溶液涂覆焊接有金属板140的盖板130表面，形成涂层501。当少量稀硝酸溶解在涂层溶液中使其氢离子浓度(pH)大约为4时，即使勃姆石的浓度很高，也能得到稳定的溶解状态。
将带有涂层501的盖板130加热至如450℃。水分通过加热而蒸发，由勃姆石水溶液形成的涂层变成凝胶层。当再次加热盖板130上的勃姆石凝胶时，其通过脱水变成γ-氧化铝，并且与用蓝宝石制成的盖板130结合。结果如图6所示，在与其结合的盖板130表面上的结合区内形成由γ-氧化铝或无定形氧化铝制成的中间产品层601。因为中间产品层601是通过涂覆勃姆石水溶液形成的，所以为了使其平整，中间产品层601的表面在盖板130上表面上的吸收是不均匀的。当中间产品层601是用蓝宝石制成的时，这种平整状态允许直接结合。
在金刚砂晶体结构(α-相)中，作为金刚砂如蓝宝石的氧化铝具有非常稳定的状态。相反，γ-氧化铝的立方体尖晶石晶体结构具有许多由于非天然晶体结构造成的氧原子缺漏而产生的晶格缺陷。另外，无定形氧化铝的晶格缺陷比γ-氧化铝的晶格缺陷还多。当在蓝宝石上形成具有大量由于氧原子缺漏而产生的上述晶格缺陷的层时，为了达到稳定状态，蓝宝石表面上的蓝宝石所含有的氧将进入晶格缺陷。当发生这种反应时，用蓝宝石制成的盖板130和在盖板130表面上形成的中间产品层601化学结合。
然后使盖板130上的中间产品层601的表面紧靠缓冲部件120的接触区122的表面，在这种状态下，如图7所示，在块110和盖板130之间施加如100-30000Pa，优选2000Pa的压力以在其上施加负荷。另外，对中间产品层601施加约5kV/mm的电场，并且用紫外线(185nm)照射。另外，将块110和盖板130加热至约700℃。
如图7所示施加负荷、施加电场和用紫外线照射。如图7所示，与缓冲部件120结合的块110置于用陶瓷如氧化铝制成的平台701上，盖板130置于缓冲部件120上。在盖板130上放置压力框架702以在盖板130上施加压力框架702重量的负荷(约200kg)。尽管图中没有示出，但是在盖板130和缓冲部件120之间形成中间产品层。
在平台701上布置低电极703，使其环绕与缓冲部件120结合的块110。屏蔽部件704内配合在盖板130的开孔区，环绕屏蔽部件704设置的框状高电极705布置在盖板130的开孔区侧的端部上。在这种情况下，压力框架702内侧和高电极705外侧之间形成间隙，从上面通过该间隙可以看到盖板130和缓冲部件120的结合区。
进行上述布局后，设定真空或减压气氛。从压力框架702上面用紫外线照射盖板，在低电极703和高电极705之间施加电压，启动装配在平台701中的传热加热器(图中未示出)，产生用于为整个结构加热的热量。
用这种方法使图6所示的中间产品层601发生相变，变成α-相，成为金刚砂，即蓝宝石。用与盖板130和缓冲部件120相同的材料蓝宝石制成的层可以无缝而坚固地结合盖板130和缓冲部件120。
下面考虑结合作业。上述γ-氧化铝在加热至约1000℃后发生相变，从立方体尖晶石晶体结构转变为金刚砂晶体结构，从而使γ-氧化铝变成金刚砂。在这次相变中，为了非常大地改变晶体结构，原子必须有非常大的移动，一些键如铝和氧之间的键必须相互断裂。因此，如上所述，从γ-氧化铝向α-氧化铝的相变要求1000℃的高温。
如上所述，在这种情况下，通过预先在中间产品层中加入二氧化钛、施加电场和用紫外线照射中间产品层可以在较低温度下(这将在下面说明)使铝和氧之间的键断裂。这样可以增加每一个原子的移动性。
在加入中间产品层的二氧化钛中，通过用紫外线照射中间产品层可以生成空穴-电子对。另外，因为对中间产品层施加电场，所以生成的空穴-电子对断裂，得到的空穴和电子不能重新结合。
当处于上述状态的二氧化钛靠近正极时，二氧化钛接收来自正极的电子，成为富电子状态。为了消除这种富电子状态，二氧化钛向邻近的铝-氧键发射电子。γ-氧化铝中的每一个铝-电子键一般在约1000℃的高温下断裂，但是，当受到二氧化钛的电子攻击时，这种键可以在低于1000℃的温度下断裂。
结果，收到发射电子的每一个铝-氧键在约700℃的温度下断裂，生成O2-，从而造成没有氧原子在其应在位置处的氧缺陷。
当处于上述状态的二氧化钛靠近负极时，因为被负极移去电子而使其处于贫电子状态。每一个单独的O2-将电子转移到处于贫电子状态的邻近二氧化钛并与相邻的氧缺陷结合。这并不限于二氧化钛，使用其它任何光催化剂如ZnO2都能得到同样的结果。
如上所述，通过预先加入二氧化钛、施加电场和用紫外线照射中间产品层可以在约700℃的加热温度下使中间产品层601发生相变，成为金刚砂。在该实施方案中，因为盖板130的结合工艺是最高温度下的工艺，所以块110中形成的可动电极104和静态电极105优选由耐700℃的导电部件如金属制成。注意在衬底之间施加预定压力以在其上施加负荷，这样可以防止盖板130翘曲，盖板130的结合面和缓冲部件120的接触区122相互之间完全接触。
如图8所示，制备在中心部位有凹窝151且用玻璃制成的衬底150。通过缓冲部件120与盖板130和金属板140连接的块110固定在衬底150的凹窝151中。衬底150具有电极插脚152，电极插脚152的上端暴露于凹窝151的底部，下端穿过衬底150的底部延伸，突出于衬底150的底表面。在凹窝151的底部形成贯穿衬底150下部的通风口153。另外，金属框160固定在衬底150上，将其包绕。
因此，当块110固定在凹窝151中时，暴露在块110下表面上的电极极块(图中未示出)排列在相应的电极插脚142的上端，使它们相互接触。通过将金属板140焊接在框160的上表面上来固定块110。
通过上述操作，上表面，即块110的隔膜102的受压表面通过缓冲部件120的开孔部分123和盖板130的开孔部分133暴露在图8的图面表面上方的区域中。因此，在图8的图面表面上方的区域(被衬底150和框160隔开的区域)中的液体能够和块110的受压表面直接接触。
但是，因为框160和金属板140、金属板140和盖板130、盖板130和缓冲部件120、缓冲部件120和隔膜102相互之间紧密结合，所以与块110的受压表面直接接触的液体不会漏入图8的图面表面下方的区域(被衬底150和框160隔开的区域)。
在该实施方案中，将盖板的结合面粗糙度设定为如约10nm，在通过涂覆溶液形成中间产品层时，只要中间产品层的表面能够吸收蓝宝石衬底的表面粗糙度，使其平整即可。表面粗糙度约为10nm的蓝宝石衬底一直用于如手表视窗，如此大小的蓝宝石衬底很便宜，只有几百日元。而和上述同样大小但表面粗糙度为0.3nm或更小的用于直接结合的蓝宝石衬底则需要几万日元。但是在该实施方案中不需要如此高精度的衬底。
如上所述，根据该实施方案，用蓝宝石制成的盖板可以达到与直接结合相同的结合程度，而不需使用成本高的高精度工艺。在这种情况下，缓冲部件和盖板或块和盖板通过用基本上与块和盖板同样的材料蓝宝石(α-相氧化铝)制成的中间产品层相互结合。
在上述说明中，使用的是勃姆石。这种材料是铝氢氧化物的一种形式。也可以用其它任何铝氢氧化物如水铝矿或水铝石得到与上述同样的结果。<第二个实施方案>
下面描述本发明的另一个实施方案。
在该实施方案中，用下述方法在用蓝宝石制成的盖板130上形成中间产品层601(图6)。
首先，将硝酸铝水溶液涂覆在盖板130的预定区域(结合区域)后加热，从而在盖板130上的涂层区域内形成由γ-氧化铝制成的中间产品层601。通过加热蒸发掉硝酸铝水溶液中的水分，硝酸铝通过失去硝酸而成为碱式盐，并且最终变成γ-相氧化铝(γ-氧化铝)。结果如前面的实施方案所述，在盖板130上形成由γ-氧化铝制成的中间产品层601。下面的过程与前面的实施方案相同。
在该实施方案中，用硝酸铝水溶液涂覆盖板。但是，可以用强酸或强碱的水溶液涂覆盖板后加热，使盖板表面上的蓝宝石本身发生化学反应，从而在盖板表面上形成硝酸铝层。<第三个实施方案>
下面描述本发明的另一个实施方案。
在该实施方案中，用铝的有机金属化合物的有机溶剂涂覆盖板130，然后将其加热至约200-600℃，从而在盖板130上形成由γ-氧化铝制成的中间产品层601(图6)。作为铝的有机金属化合物，可以使用二异丙醇铝合乙酰乙酸乙酯、异丙醇铝等。
当加热由铝的有机金属化合物的有机溶剂形成的涂层时，有机溶剂被蒸发掉。然后，当将涂层加热至上述温度时，有机金属化合物分解以蒸发掉有机组分，所以剩下所有非α-相氧化铝的氧化铝，即无定形氧化铝、γ-相氧化铝等。用紫外线照射涂层或者在氧气等离子体中进行分解时，这种分解可以在较低温度下进行。结果如前面的实施方案所述，在盖板130上形成由无定形氧化铝或γ-氧化铝制成的中间产品层601。下面的过程与前面的实施方案相同。
在该实施方案中，对于测量压力用的压力传感器块中形成的每一个电极，使用一种金属。但是，本发明并不局限于此，可以使用一种称为β-氧化铝的材料如Na2O·11Al2O3或K2O·11Al2O3。如图9所示，β-氧化铝具有由11Al2O3分子层形成的Al2O3层901和由一个Na2O分子层形成的Na2O层902交替堆叠的结构。具有这种结构的β-氧化铝具有导电性，并且与作为形成电极基质的蓝宝石有很好的亲和性，因此可以抑制由于压力传感器生产过程中的热应力和压力材料时的隔膜变形应力所造成的电极剥落。
因为β-氧化铝是熔点高达2900℃的耐火材料，所以即使在上述盖板结合工艺中也没有问题。在盖板结合工艺中可以进行高温加工，从而在由无定形氧化铝或γ-氧化铝制成的中间产品层中可以进行更快和更可靠的相变。
应当注意的是，在前面的说明中使用的是蓝宝石，但是，本发明并不局限于此，可以用与上述同样的方法结合任何由α-相氧化铝制成的部件。
如上所述，根据上述实施方案，用α-相氧化铝如蓝宝石制成的板件可以与直接结合相同的结合程度与具有用α-相氧化铝如蓝宝石制成的部件如外壳的压力传感器块结合。这就能够低成本且不降低蓝宝石性能地形成用蓝宝石制成的压力传感器。
如上所述，在本发明的压力传感器及其生产方法中，用α-相氧化铝如蓝宝石制成的板件可以与直接结合相同的结合程度与具有用α-相氧化铝如蓝宝石制成的部件如外壳的压力传感器块结合。因此，本发明适用于低成本且不降低蓝宝石性能地形成用蓝宝石制成的压力传感器。
权利要求
1.一种压力传感器，其特征在于包括压力传感器块，其具有用α-相氧化铝制成的衬底、设置在所说的衬底主表面上的用α-相氧化铝制成的隔膜、由所说的衬底中的凹窝形成且被所说的隔膜覆盖的电容腔、设置在所说的电容腔底部中的静态电极、与所说的静态电极相对置地固定在所说的电容腔中的所说的隔膜上的可动电极；和通过用α-相氧化铝制成的中间产品层与所说的压力传感器块连接的用α-相氧化铝制成的板件，其中，所说的中间产品层是用下述方法形成的加热溶解有含铝和氧的化合物的溶液，使该溶液变成由无定形氧化铝或其相是非α-相的氧化铝形成的中间产品，然后使得到的中间氧化铝发生相变，形成α-相氧化铝。
2.一种生产压力传感器的方法，其中，用α-相氧化铝制成的板件与压力传感器块结合，压力传感器块具有用α-相氧化铝制成的衬底、设置在所说的衬底主表面上的用α-相氧化铝制成的隔膜、由所说的衬底中的凹窝形成且被所说的隔膜覆盖的电容腔、设置在所说的电容腔底部中的静态电极、和与所说的静态电极相对置地固定在所说的电容腔中的所说的隔膜上的可动电极，其特征在于，该方法包括第一个步骤，在板件表面上形成由溶解有含铝和氧的化合物的溶液形成的溶液层；第二个步骤，加热溶液层，在板件表面上形成由无定形氧化铝或其相是非α-相的氧化铝形成的中间产品层；和第三个步骤，将压力传感器块置于中间产品层上，在板件和压力传感器块之间施加压力和电场，用紫外线照射中间产品层，无定形氧化铝或其相是非α-相的氧化铝发生相变，形成α-相氧化铝。
3.根据权利要求2所述的生产压力传感器的方法，其特征在于含铝和氧的化合物包括铝的氢氧化物，溶液层包括水溶液。
4.根据权利要求2所述的生产压力传感器的方法，其特征在于含铝和氧的化合物包括勃姆石。
5.根据权利要求2所述的生产压力传感器的方法，其特征在于含铝和氧的化合物包括铝的有机盐。
6.根据权利要求2所述的生产压力传感器的方法，其特征在于含铝和氧的化合物包括铝的有机金属化合物。
7.根据权利要求5所述的生产压力传感器的方法，其特征在于铝的有机盐包括Al(CH3COO)3。
8.根据权利要求6所述的生产压力传感器的方法，其特征在于铝的有机金属化合物包括烷醇铝。
9.根据权利要求6所述的生产压力传感器的方法，其特征在于铝的有机金属化合物包括或羰基金属铝。
10.根据权利要求2所述的生产压力传感器的方法，其特征在于紫外线的波长不大于200nm。
11.根据权利要求2所述的生产压力传感器的方法，其特征在于在隔膜的周缘部分上形成用α-相氧化铝制成的缓冲部件以形成压力传感器块，和将板件结合在缓冲部件上。
12.根据权利要求2所述的生产压力传感器的方法，其特征在于α-相氧化铝包括蓝宝石。
13.根据权利要求2所述的生产压力传感器的方法，其特征在于其相是非α-相的氧化铝是一种选自γ-、θ-、ι-、κ-、ε-、χ-、δ-和σ-相氧化铝及其复合物的材料。
全文摘要
用通过在一种铝的羟基矿物—勃姆石(AlO(OH))水溶液中加入二氧化钛制备的涂层溶液将一种用蓝宝石制成的板件—盖板(130)与固定在缓冲部件(120)上的压力传感器块(110)结合。
文档编号G01L9/06GK1466780SQ01816589
公开日2004年1月7日 申请日期2001年10月1日 优先权日2000年9月29日
发明者增田誉 申请人:株式会社山武