能承受高过压的具有扩展的压力信号输出的硅片压力传感器的制作方法

本公开涉及压力传感器。具体地，本公开涉及具有过压保护的压力传感器。

背景技术：

在许多压力传感器中，柔性膜片响应于施加在膜片顶部上的压力而相对于基部移动。响应于施加的压力提供可重复的单向移动的膜片是优选的。由于晶体膜片响应于施加的压力提供单向移动并且通常没有滞后效果，因此，诸如由晶体硅制成的晶体膜片已被广泛采用。不幸地，具有这种晶体结构的传感器具有受限的过压能力，并且在传感器膜片上的过大的压力可能导致超过晶体结构的最大断裂强度的大的张应力。这种传感器的失效是趋于灾难性的，常常导致完全破碎的结构。

技术实现要素：

一种压力传感器，包括：基部，所述基部具有高压接触部；和膜片，所述膜片定位在基部上，并且具有与基部相反的外部顶表面。所述外部顶表面限定在封闭周边内，并且外部侧表面从封闭周边的整体向下朝基部延伸。膜片高压接触部与基部的高压接触部对齐并且通过间隙与基部的高压接触部分开。感测元件与膜片连接并且根据膜片的改变提供输出。当高于阈值的流体静压力载荷施加在膜片的整个外部顶表面和外部侧表面上时，流体静压力载荷导致膜片的高压接触部接触基部的高压接触部。

过程变量变送器具有传感器，所述传感器包括：基部，所述基部具有支撑件；和膜片，所述膜片安装在基部上并且被隔离而免于与其它结构接触。所述膜片响应于施加在膜片的顶部和侧面上的压力而挠曲，使得在阈值压力以上，膜片的部分与基部的部分接触。所述膜片具有第二可偏转区，所述第二可偏转区在膜片的该部分接触基部的该部分后继续偏转。至少一个感测元件感测膜片的挠曲并且提供表示膜片的挠曲的输出信号。至少一个感测元件还在膜片接触基部后感测第二可偏转区的偏转并且在膜片接触基部后提供表示第二可偏转区的偏转的输出信号。

附图说明

图1提供了在足够高的压力下以使膜片正在接触基部的部分的压力传感器的一个实施例的并且示出张应力和压应力的剖面图；

图2提供了作为施加的压力的函数最大主应力的示例性的图形；

图3提供了作为压力的函数的在一个实施例的压力传感器上的膜片边缘张应力式电阻器的电阻值的示例性的图形；

图4提供了一个实施例的压力传感器的底部立体图；

图5提供了图4的压力传感器的顶部立体图；

图6提供了一个实施例的压力传感器的剖面图；

图7提供了第二实施例的压力传感器的剖面图；

图8提供了第三实施例的压力传感器的剖面图；

图9提供了第四实施例的压力传感器的剖面图；

图10提供了第五实施例的压力传感器的剖面图；

图11提供了第六实施例的压力传感器的剖面图；

图12提供了另一个实施例的膜片的四分之一对称区段的底部立体图；

图13提供了图12的膜片的所述区段的顶部立体图；

图14提供了可以应用实施例的工业过程控制系统的一部分的简化图。

具体实施方式

各个实施例提供了具有晶体膜片的压力传感器，其中，压力传感器包括过压凸台，并且使用在膜片的侧面和膜片的顶部上的液体静力压载以限制膜片上的张应力。

根据各个实施例，提供了图1的压力传感器200，其包括在结合部(例如膜片202的结合部250和252)处安装在基部203上的膜片202。在膜片202和/或基部203上的高压接触部(例如，凸台205和207)彼此相互作用，以在高于阈值的流体静压力载荷被施加在膜片202的外部顶表面218和外部侧表面(例如侧面206和208)上时，抑制膜片202的部分的移动。施加在侧面206和208上的侧向流体静力载荷由箭头210、212、214和216示出。膜片202和基部203之间在凸台205和207处的接触，连同在膜片202的侧面上的侧向流体静力载荷组合，以减小施加在膜片202上的张应力，使得随着在顶表面218和侧面206和208上施加的压力增大，施加在膜片上的最大主应力实际上减小。这可以从图2的图形中看出，其示出了沿水平轴线300的施加的压力和沿竖直轴线302的最大主应力。

图2的图形304显示现有技术的压力传感器的膜片的最大主应力。在由虚线所示的图形304中，最大主应力随施加的压力线性增大，直至达到点306，在所述点处应力超过膜片的断裂应力并且膜片断裂。图2的图形307示出了以下示例，即对于本实施例的膜片传感器，最大主应力如何随被施加应力而改变。在图2中，沿着部分308，最大主应力随被施加压力线性增大。这发生在凸台(多个凸台)未接触的情况下而膜片202挠曲时。在点310处，凸台中的一个或多个接触。在凸台(多个凸台)接触之后，在点314处开始再次增大之前，沿着部分312，最大主应力随被施加应力减小。

在图2所示的实施例中，在凸台(多个凸台)接触之前，由于被施加压力导致的最大主应力沿着图形307的部分308的改变，大于现有技术的膜片的最大主应力的改变，如图形304所示。在图形307中的点314之后，由于被施加压力导致的主应力的改变速率显著低于凸台(多个凸台)未接触时的主应力的改变速率。注意因为电阻应变仪应当被放置在应力和被施加压力之间具有单向改变的位置处，所以最大主应力不在诸如电阻应变仪的感测元件将被放置的位置。然而，因为膜片可能在具有最大张应力的位置处失效，所以最大主应力在膜片中的可能失效点处显示应力。

除了减小了最大主应力，凸台和侧向流体静力载荷之间的接触将在现有技术的膜片中发现的张应力转化为在图1的位置226和228处的压应力。因而，在接触部205接触基部203的接触部207之后，膜片202的邻近膜片202的接触部205的内部部分226和228处于压应力下。相反，膜片202的邻近在接触部205上方的外部部分234的外部位置230和232处于张应力下。膜片的不在膜片的高压接触部或结合区域上方的区域，例如区域236和238，作为第二可偏转区，所述第二可偏转区在膜片的高压接触部接触基部之后继续偏转。

诸如晶体硅的晶体膜片结构通常能够承受远超过它们的最大张应力的压应力数值。因为有效的“杠杆臂”还由于受约束的凸台而被减小，因此相比未受约束的凸台的情况，所有应力(张应力和压应力)数值也都被减小。一旦膜片通过与凸台接触而被限制竖直移动，则侧向流体静力载荷在膜片内产生侧向压缩。结果，所有张力被减小并且所有压力被增大。通过遏制张应力，传感器能够经受比否则仅使压力被施加于膜片的顶表面上的可能的外部压力高得多的外部压力。

图3提供了应用于图1的膜片202的顶部的膜片边缘张应力式电阻器的电阻-压力的示例性的图形。在图3中，沿着水平轴线400示出压力并且沿着竖直轴线402示出电阻。在膜片和/或基部的凸台接触之前，电阻单向改变，如图形406的部分404所示。根据一些实施例，部分404沿着压力传感器的正常工作压力范围延伸。当被施加压力达到正常工作压力范围的顶端时，凸台(多个凸台)在图形406中的点408处接触。在凸台(多个凸台)接触之后，电阻沿着部分410随被施加压力继续单向改变，但是以与沿部分404不同的速率改变。这为系统提供以下机会，即在超过传感器的正常工作压力范围时，继续很好地测量压力。

图4提供了根据一个实施例的压力传感器500的底部立体图，并且图5提供了其顶部立体图。在图4中，压力传感器500包括基部502，所述基部具有居中定位并且可以与壳体连接的底座或支撑件504，所述壳体限定围绕压力传感器500的腔室。膜片506定位在基部502上方并且通过结合层508与基部502结合。沿着膜片506的顶表面510，定位诸如感测元件512、514、516、518、520、522、524和526的一个或多个感测元件以响应于施加在顶表面510和侧表面530、532、534和536上的压力，以感测膜片506的挠曲和/或膜片506随着其挠曲的改变，其中，所述侧表面沿围绕顶表面510的封闭周边538从顶表面510延伸。因此，侧表面围绕顶表面510的整体延伸，使得膜片506被隔离而免于与其它结构接触，并且使得围绕膜片506的流体可以在沿围绕顶表面510的封闭周边538的整体从顶表面510向下延伸的侧面中的每一个上施加侧向流体静压载力。

感测元件512、514、516、518、520、522、524和526中的每一个都基于膜片506的改变提供输出。在一些实施例中，该输出为诸如电阻或电容的电特性，所述电特性可以通过将电流和/或电压施加在诸如与感测元件518连接的电迹线540和542的电迹线上而被感测。例如，当感测元件是压电电阻元件时，使用电迹线将电流穿过压电电阻元件，并且压电电阻感测元件的电阻基于压电电阻感测元件的电流或电压输出而被测量。虽然已经讨论了压电电阻感测元件，但是感测元件的其它示例包括电容、光学位移感测、压电元件，并且共振感测是可行的。

根据一些实施例，膜片506和基部502都由各向同性或各向异性地蚀刻的硅晶片制成，所述硅晶片被形成图案以提供如下所述的某些特性，并且随后被从晶片中切下或切割。

图6和7提供了代表两个不同实施例的压力传感器700和800的剖面图。在图6中，压力传感器700包括膜片702、基部704和在膜片702上的感测元件，所述感测元件太小不能在图6中看到。根据一些实施例，膜片702和基部704都由各向同性或各向异性地蚀刻的硅晶片制成，所述硅晶片被形成图案以提供如下所述的某些特性，并且随后被从晶片中切下或切割。基部704具有蚀刻的底座706，所述底座作为应力隔离结构，以防止包装和安装引起的应力影响压力传感器700的运行。底座706的底表面708安装在壳体750上，使得膜片702被隔离免于与压力传感器700外侧的其它结构接触，并且被由壳体750限定的腔室752内的流体包围。膜片702具有与基部704相反的顶表面734和侧表面(例如侧表面730和732)，所述侧表面沿着围绕顶表面734的封闭周边从顶表面734上朝基部704延伸。因而，侧表面围绕顶表面734的整体延伸，使得膜片702被隔离免于与其它结构接触，并且使得围绕膜片702的流体可以在沿围绕顶表面734的封闭周边的整体从顶表面734向下延伸的侧面中的每一个上施加侧向流体静压力。膜片702还包括安装部或结合部710和712，它们通过结合层部714和716与基部704连接。在一个实施例中，结合层部714和716为通常被称为“浆料”的高温玻璃基结合材料。结合或安装部710和712相对于膜片702的内部718朝基部704突出。

居中地定位在膜片702上并且从内部718上朝基部704突出的凸台719的高压接触部720与基部704的高压接触部724通过间隙722分开。在压力的第一范围上，高压基础部720不接触基部704，并且在膜片702上的感测元件提供单向的随施加在膜片702的侧面730、732和顶部734上的压力的改变而改变的第一改变速率。在压力阈值以上，高压接触部720在高压接触点724处接触基部704。在该接触后，内部718作为第二可偏转区，并且随着流体静压力载荷的增大而继续偏转。感测元件的作为增大的压力的函数的输出的改变速率在接触之后改变，并且变得比接触之前的改变速率更小。然而，即使在膜片702和基部704之间的接触之后，感测元件的输出的改变仍保持单向。

根据一些实施例，间隙722的厚度通过浆料部714和716的厚度被控制，使得高压接触部720与安装部710和712的外表面平齐。

图7的压力传感器800与图6的实施例相似，并且与图6的实施例共同的元件被相似地编号，并且以相同的方式运行。在图7的实施例中，结合层部714和716已经被移除，并且具有缩短的凸台819和居中地定位的高压接触部820的膜片802被用于取代膜片702。高压接触部820没有从像图6的高压接触部720从内部718上突出那样，从膜片802的内部818突出那么多。因此，高压接触部820相对于安装部810和812凹进，以在基部704的高压接触部724和高压接触部820之间提供间隙822。根据一些实施例，膜片802和基部704都由各向同性或各向异性地蚀刻的硅晶片制成，所述硅晶片被形成图案以提供如下所述的某些特性，并且随后被从晶片中切下或切割。

膜片802具有与基部704相反的顶表面834和侧表面(例如侧表面830和832)，所述侧表面沿着围绕顶表面834的封闭周边从顶表面834延伸。因而，侧表面围绕顶表面834的整体延伸，使得膜片802被隔离免于与其它结构接触，并且使得围绕膜片802的流体可以在沿围绕顶表面834的封闭周边的整体从顶表面834向下延伸的侧面中的每一个上施加侧向流体静压载力。

在图7的实施例中，膜片802通过诸如熔化结合、阳极结合、硅合金结合或金属焊接结合的工艺与基部704结合。对于使用阳极结合的实施例，膜片由硅制造，而基部由离子碱性玻璃制造。

在运行中，施加在膜片802的侧面830和832和顶部834上的压力导致膜片802的内部818朝基部704挠曲，使得在顶部表面834上的感测元件提供随压力改变而改变的单向信号改变。在压力阈值以上，膜片802的高压接触部820接触基部704的高压接触部。在该接触后，内部818作为第二可偏转区，并且随着流体静压力载荷的增大继续偏转。感测元件的作为增大的压力的函数的输出的改变速率在接触之后改变，并且变得比接触之前的改变速率小。然而，即便在膜片802和基部804之间的接触之后，感测元件的输出的改变仍保持单向。

图8提供了根据另一个实施例的压力传感器900的剖面图。压力传感器900安装在由壳体950限定的腔室952内。压力传感器900包括膜片902、基部904和感测元件，所述感测元件太小不能在图8的视图中看到。根据一些实施例，膜片902和基部904都由各向同性或各向异性地蚀刻的硅晶片制成，所述硅晶片被形成图案以提供如下所述的某些特性，并且随后被从晶片中切下或切割。

膜片902具有与基部904相反的顶表面934和侧表面(例如侧表面930和932)，所述侧表面沿着围绕顶表面934的封闭周边从顶表面934延伸。因而，侧表面围绕顶表面934的整体延伸，使得膜片902被隔离免于与其它结构接触，并且使得围绕膜片902的流体可以在沿围绕顶表面934的封闭周边的整体从顶表面934向下延伸的侧面中的每一个上施加侧向流体静压载力。

基部904包括具有安装区域908的底座906，所述安装区域安装在壳体950上以允许腔室952内的流体将侧向流体静力载荷施加在膜片902的侧面930和932上和将竖直流体静力载荷施加在膜片902的顶部934上。底座906作为应力隔离结构，以防止包装和安装引起的应力影响传感器的运行，并且隔离膜片902免于与压力传感器900外侧的其它结构接触。

膜片902包括安装部910和912，所述安装部从膜片902的内部918上突出，并且通过结合层部914和916被固定在基部904上。根据一个实施例，结合层部914和916为通常被称为浆料的高温玻璃基结合材料。

基部904包括平顶部920，所述平顶部朝膜片902的内部918突出，并且具有高压接触部922，所述高压接触部与居中地定位在膜片902的内部918上的高压接触部924对齐。间隙926分开基部904的高压接触部922与膜片902的高压接触部924。在图8中，膜片902的内部918被示出为是平坦的。

在运行中，施加在膜片902的侧面930和932和顶部934上的压力导致膜片902的内部918朝基部904挠曲，使得在顶部表面934上的感测元件提供随压力改变而改变的单向信号改变。在压力阈值以上，膜片902的高压接触部924在高压接触部922处接触平顶部920。在该接触后，内部918的部分919和921作为第二可偏转区，并且随着流体静压力载荷的增大而继续偏转。感测元件的作为增大的压力的函数的输出的改变速率在接触之后改变，并且变得比接触之前的改变速率更小。然而，即便在膜片902和平顶部920之间的接触之后，感测元件的输出的改变仍保持单向。

除了结合层部914和916已被移除和平顶部920的高度已被缩短以在基部1004中形成平顶部1020使得间隙926的大小继续相同，图9提供了与图8的压力传感器900相似的压力传感器1000的剖面图。根据一些实施例，膜片902和基部1004都由各向同性或各向异性地蚀刻的硅晶片制成，所述硅晶片被形成图案以提供如下所述的某些特性，并且随后被从晶片中切下或切割。对于压力传感器1000，与压力传感器900共同的元件被相似地编号，并且以与上面针对压力传感器900讨论的方式相同的方式运行。在压力传感器1000中，膜片902通过诸如熔化结合、硅合金结合、阳极结合或金属焊接结合的结合技术与基部904结合。对于使用阳极结合的实施例，膜片由硅制造，而基部由离子碱性玻璃制造。

在运行中，施加在膜片902的侧面930和932和顶部934上的压力导致膜片902的内部918朝基部904挠曲，使得在顶部表面934上的感测元件提供随压力改变而改变的单向信号改变。在压力阈值以上，膜片902的高压接触部924在高压接触部922处接触平顶部1020。在该接触后，内部918的部分919和921作为第二可偏转区，并且随着流体静压力载荷的增大继续偏转。感测元件的作为增大的压力的函数的输出的改变速率在接触之后改变，并且变得比接触之前的改变速率更小。然而，即便在膜片902和平顶部1020之间的接触之后，感测元件的输出的改变仍保持单向。

图10提供了在另一个实施例下的压力传感器1100的剖面图。压力传感器1100包括膜片1102、基部1104和感测元件，所述感测元件太小不能在图10的视图中看到。根据一些实施例，膜片1102和基部1104都由各向同性或各向异性地蚀刻的硅晶片制成，所述硅晶片被形成图案以提供如下所述的某些特性，并且随后被从晶片中切下或切割。膜片1102具有与基部1104相反的顶表面1134和侧表面(例如侧表面1130和1132)，所述侧表面沿着围绕顶表面1134的封闭周边从顶表面1134延伸。因而，侧表面围绕顶表面1134的整体延伸，使得膜片1102被隔离免于与其它结构接触，并且使得围绕膜片1102的流体可以在沿围绕顶表面1134的封闭周边的整体从顶表面1134向下延伸的侧面中的每一个上施加侧向流体静压载力。

基部1104具有底座1106，所述底座具有安装表面1108。底座1106允许压力传感器1100被安装在形成腔室1152的壳体1150上，使得流体可以将侧向流体静力载荷提供给膜片1102的侧面1130和1132并且可以将竖直流体静力载荷提供给膜片1102的顶部1134。底座1106作为应力隔离结构，以防止包装和安装引起的应力影响传感器的运行，并且隔离膜片1102免于与压力传感器1100外侧的其它结构接触。

膜片1102包括结合部1110和1112，所述结合部朝基部1104突出，并且通过结合层部1114和1116被安装在基部1104上。根据一个实施例，结合层部1114和1116为通常被称为浆料的高温玻璃基结合材料。膜片1102还包括具有居中地定位的高压接触部1120的凸台1118。凸台1118相对于膜片1102的内部1122朝基部1104突出。基部1104包括具有高压接触部1126的平顶部1124。平顶部1124朝膜片1102突出。在高压接触部1120和1126处在凸台1118和平顶部1124之间形成间隙1128。在第一压力范围上，在侧面1130和1132上的侧向压力和在膜片1102的顶部1134上的竖直压力导致凸台1118移动至间隙1128。在第一压力范围上，在膜片1102上的感测元件产生输出，所述输出相对于压力改变是单向的并且具有随被施加压力的改变而改变的第一改变速率。在阈值压力处，高压接触部1120接触高压接触部1126。在该接触后，内部1122作为第二可偏转区，并且随着流体静压力载荷的增大继续偏转，导致膜片1102上的感测元件继续提供以下输出，所述输出相对于压力改变是单向的但是具有随被施加压力的改变而改变的第二改变速率。

除了结合层部1114和1116已被去除并且膜片1102已被膜片1202替代，图11提供了与图10的压力传感器1100相似的压力传感器1200的剖面图。根据一些实施例，膜片1102和基部1104都由各向同性或各向异性地蚀刻的硅晶片制成，所述硅晶片被形成图案以提供如下所述的某些特性，并且随后被从晶片中切下或切割。膜片1202具有与基部1104相反的顶表面1234和侧表面(例如侧表面1230和1232)，所述侧表面沿着围绕顶表面1234的封闭周边从顶表面1234延伸。因而，侧表面围绕顶表面1234的整体延伸，使得膜片1202被隔离免于与其它结构接触，并且使得围绕膜片1202的流体可以在沿围绕顶表面1234的封闭周边的整体从顶表面1234向下延伸的侧面中的每一个上施加侧向流体静压载力。

膜片1202还包括结合部1210和1212，所述结合部朝基部1104突出，并且被直接安装在基部1104上。与结合部1110和1112从膜片1102的内部1122延伸相比，结合部1210和1212更进一步地从膜片1202的内部1222延伸。膜片1202还包括具有居中地定位的高压接触部1220的凸台1218。凸台1218相对于内部1222朝基部1104突出。与压力传感器1200和压力传感器1100共同的其它元件与它们在图10中的编号相同地被编号，并且以相同的方式运行。

在图11的实施例中，膜片1202通过诸如熔化结合、阳极结合、硅合金结合或金属焊接结合的工艺与基部1104结合。对于使用阳极结合的实施例，膜片由硅制造，而基部由离子碱性玻璃制造。

在第一压力范围上，在侧面1230和1232上的侧向压力和在膜片1202的顶部1234上的竖直压力导致凸台1218移动至间隙1128。在第一压力范围上，在膜片1202上的感测元件产生输出，所述输出相对于压力改变是单向的并且具有随被施加压力的改变而改变的第一改变速率。在阈值压力处，高压接触部1220接触高压接触部1126。在该接触后，内部1222作为第二可偏转区，并且随着流体静压力载荷的增大继续偏转，导致膜片1202上的感测元件继续提供以下输出，所述输出相对于压力改变是单向的但是具有随被施加压力的改变而改变的第二改变速率。

图12提供根据另一个实施例的膜片的四分之一对称区段1300的底部立体图，并且图13提供其顶部立体图。膜片区段1300被示出为包括围绕膜片的外周边1304延伸的结合部1302。定位在膜片的中心处的主凸台1306从膜片的底表面朝压力传感器的基部向下延伸。第二凸台1308和1310形成脊部，所述脊部具有与主凸台1306的长度匹配的长度。例如，第二凸台1310的长度1312匹配主凸台1306的长度1314。在完整的膜片中，有四个第二凸台，在主凸台1306的每一侧上有一个第二凸台。

膜片区段1300还包括棱锥凸台1316，所述棱锥凸台沿着以下交叉线形成，所述交叉线从第二凸台1308和1310延伸并且沿着第二凸台1308和1310延伸。棱锥凸台1316利用通道1318与第二凸台1310分开，并且利用通道1320与第二凸台1308分开。在整个膜片中，具有四个这种棱锥凸台。第二凸台1308和1310和棱锥凸台1316利用沿膜片的整体围绕结合部1302的内部延伸的通道1322与结合部1302分开。第二凸台1308和1310通过包围主凸台1306的通道1324与主凸台1306分开。

主凸台1306、第二凸台1308和1310和棱锥凸台1316中的每个都可以作为高压接触部，所述高压接触部将在施加给膜片的压力超过阈值时接触基部区域。

图14为过程控制系统的部分的立体图，上面根据一些实施例描述的压力传感器被用于所述过程控制系统。在图14中，过程变量变送器1500通过安装构件1516被安装在管区段1512的过程连接装置1510上。

安装构件1516包括从过程连接装置1510延伸至隔离膜片组件1530的孔1520。隔离膜片组件1530包括将管区段1512中的过程流体与隔离毛细管1532中携带的隔离流体隔离的隔离膜片。隔离毛细管1532连接到压力传感器1534，压力传感器采用上述压力传感器中的一种的形式。传感器1534被配置为测量绝对压力(相对于真空)或表压力(相对于大气压)，并且为变送器电路1538提供电输出1536。

变送器电路1538与控制室1505通信以为控制室1505提供一个或多个过程变量，例如绝对压力和表压力。变送器电路1538可以使用包括有线和无线通信的各种技术与被图示为电阻1505A和电源1505B的控制室1505通信。一种常用的有线通信技术使用被已知为双线式过程控制回路1503的技术，在该双线式过程控制回路中，一对线被用于传送信息以及向变送器1500提供电力。一种用于传递信息的技术是，依靠将通过过程控制回路1503的电流强度控制在4毫安至20毫安之间。在4-20毫安范围内的电流的值可以被映射为过程变量的对应值。示例性的数字通信协议包括(由叠加在标准4-20mA模拟信号上的数字通信信号构成的混合物理层)、FOUNDATION^TM现场总线(1992年由美国仪器协会发布的全数字通信协议)、Profibus通信协议或者其它协议。也可以执行诸如无线协议，例如包括根据IEC 62591的无线的射频通信技术。

虽然已经参照优选实施例描述了本实用新型，但是本领域技术人员将意识到在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下可以在形式和细节方面作出改变。