专利名称：悬浮隔膜式压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及压力传感器。特别地，本发明涉及被悬浮以提供应力隔离的隔膜式压力传感器。
现有技术展示出各种具有用于传感压力的可偏移的隔膜的固态压力传感器。某些能够通过批量加工形成。希望能够具有由相对坚硬的材料，诸如半导体材料，制成的固态压力传感器，但是要使得它们能够“硬固定”，意即它们具有非弹性安装到支撑面上的安装面。还希望传感元件完全由被测液压围绕并且整个传感器和支撑结构由相同材料构成。这种结构将把管路压力的变化所引起的误差减到最小。换言之，传感器将响应压差，但是对共同压力的变化不敏感。在工作中，这种传感器常常受到外部来源的应变。支撑面上的外部应变是测量隔膜上不希望有的应力的一个来源，在减小这种外部应变的影响时遇到了困难。这提供了错误的或者不精确的压力读数。1986年9月16日公告的名称为“电容式压力传感器”的美国专利4,612,599揭示了一种由硅形成的压力传感器。1989年1月3日公告的名称为“带应力隔离的适于硬固定的压力换能器”的美国专利4,800,758描述了具有应力隔离的批量制造的压力传感器。
本发明提供了批量制造的悬浮隔膜压力传感器中的改进的隔离，并提供了当存在静态压力变化时改进的精度。隔膜的组件包括沿一边框彼此连接的一对隔膜。该隔膜具有彼此分离开的中心从而在它们之间形成腔体。传感器件装在至少一个隔膜上面用于传感其偏离并提供一输出。当压力加到隔膜组件的外表面时，腔体的尺寸变化并且隔膜被偏移。这一偏移代表了所施加的压力。隔膜组件通过与边框连接的薄片安装到安装块上，该薄片使得腔体和边框的其余部分免除进一步的硬固定。
图1是根据本发明的悬浮隔膜压力传感器的局部剖开的透视图。
图2是图1沿标线2—2所取的剖视图。
图3是图1沿标线3—3所取的剖视图。
图4是根据本发明的压差传感器的剖面透视图。
图5是图4的压差传感器的解体透视图。
图6是根据本发明的另一实施例的悬浮隔膜压力传感器的剖视图。
图7是根据本发明的另一实施例的悬浮隔膜压力传感器的剖视图。
图8是根据本发明的另一实施例的悬浮隔膜压力传感器的剖视图。
图9是根据本发明的另一实施例的悬浮隔膜压力传感器的剖视图。
图10是根据本发明的另一实施例的悬浮隔膜压力传感器的剖视图。
图11是表示系统电容的根据本发明的一隔膜对的剖视图。
图12是隔离电容电路的原理图。
本发明的压力传感器层是应用批量制造技术制造的。硅片或层是以普通方式蚀刻而形成所需的形状并然后形成为带有适当材料的附加层的夹层结构而形成传感器。在片或层形成后，它们被切割成为单个的传感器。这种批量制造技术一般是所希望的。目前已知的加工技术包括通过阳极粘结，熔化粘结或是应用带有玻璃料的材料使得玻璃，绝缘体，金属，诸如硅和其它适当的半导体或兰宝石粘结在一起的可能性。适当的环氧树脂或其它类型的粘结材料也可使用。在讨论材料层粘结在一起时，将不一定提及具体的粘结形式，但是包括上述已知的形式。
进而，带有围绕隔膜边缘的整体边框的硅片中较薄隔膜部分的形成涉及到熟知的蚀刻技术。通过蚀刻或其它已知的技术在这种片中形成开孔和围绕开孔的凹槽是在本技术范围内的。
图1是根据本发明的悬浮隔膜压力传感器10的局部剖开的透视图。悬浮隔膜压力传感器10包括下基片12和上基片14。下隔膜基片16粘结到下基片12上，并且上隔膜基片18粘结到上基片14上。下隔膜基片16和上隔膜基片18粘结在一起。下隔膜基片1 6带有沟槽20和电接触点22与24。压力引入口26通过上基片14延伸。上隔膜基片18包括由支撑片30的上隔膜28。
图2是图1中沿标线2—2所取的悬浮隔膜压力传感器10的剖视图。图3是图1中沿标线3—3所取的悬浮隔膜压力传感器10的剖视图。图2与图3示出连接到上隔膜28的下隔膜32。上隔膜28与下隔膜32形成了具有隔膜腔34的一个隔膜组件，该组件一般包含有通过沟槽20所施加的基准压力。上和下隔膜28和32沿其边框连接。上隔膜28和下隔膜32是悬浮在与压力引入26相连的压力输入腔36之中的。
在工作时，悬浮隔膜压力传感器用于检测腔体34与腔体36之间的压差。响应通过压力引入口26所施加的压力，隔膜腔34在压力输入腔36之中扩展或者收缩。这引起上隔膜28与下隔膜32向隔膜腔34内弯曲或者从隔膜腔34向外偏移。液体经由通过片30延伸的沟槽20流入腔体34或者流出腔体34。隔膜28和32的变形(并因而所施加的压力)用电接触点22和24检测。这些接触点连接到装在隔膜28与32上的传感器上。在一个实施例中，这些传感器是电容器极板或者金属镀膜。隔膜28带有一电容器极板并且隔膜32带有一电容器极板。当这两个极板由于通过引入口26所施加的压力而产生位移时，它们之间的电容量发生变化。另一实施例中，电接触点22和24连接到一个隔膜上的应变传感器上，当隔膜28和32变形时该传感器电阻发生变化。
如图1到3所示，检测压力的隔膜组件(隔膜28与32及腔体34)基本上是对于作为支撑结构的基片12与16隔离开的。这是由于由隔膜28和32所形成的隔膜组件仅仅通过支撑片30同周围的支撑结构连接。这大大减小了由施加到基片12和14上的应力所引起的隔膜28和32的任何奇变。这改进了压力测量的精度并较小了获得所需精度压力读数而需要的腔体34的尺寸。本发明提供了另一个优点在于，如果施加了超过悬浮隔膜压力传感器10测量范围的过压力，则由于隔膜28和32叠合在一起而不会断裂，故传感器10不会损坏。在过压力情形下，隔膜中心区域的材料处于压缩而不是拉伸状态。诸如硅等脆性材料在压缩情形下具有很大的强度，但是在拉伸时是脆弱的。此外，本发明对于操作需要相对小的充油量，这也改进了精度。
在一个较佳实施例中，悬浮隔膜压力传感器10是由诸如单晶硅或者兰宝石材料形成并批量制造的。这些材料由于减小的滞变性和改进的尺寸稳定性而提供了改进的精度。而且，应用已知的制造技术诸如硅，陶瓷和玻璃等材料是易于批量制造的。
图4是根据本发明的悬浮隔膜压差传感器40的剖面透视图。传感器40是通过将类似于如图1所示的具有如图1中沟槽20那样伸展在隔膜组件之间的沟槽(图4中未示出)的一对压力传感器10设置在一起而形成的。
压差传感器40包括下基片42，上基片44，下隔膜基片46和上隔膜基片48。压差是通过压力引入口50A和50B施加的。压力引入口50A和50B分别连接到隔膜组件54A和54B。隔膜组件54A包括形成隔膜腔体62A的上隔膜58A和下隔膜60A。隔膜腔体62A装在与压力引入口50A连接的压力引入口腔体64A之内。隔膜组件54B的结构类似于隔膜组件54A。
压差传感器40中，隔膜腔62A是通过图4中未示出但类似于图1中的所示的沟槽20的一个沟槽连接到隔膜腔62B的。连接隔膜腔62A与62B的沟槽通过分别在腔体64A与64B内支撑隔膜组件54A与54B的支撑片延伸的。腔体62A与62B充以封入的一定量的相对不可压缩液体，使得当一个腔体由于加压而膨胀时另一个腔体收缩。
图5是压差传感器40的分解视图。图5示出连接到压力引入口50A和50B的压力管66A和66B。上基片包括图4中未示出的通孔68A，68B，68C和68D。通孔68A，68B和68D用于电连接隔膜组件，而通孔68C用于隔膜腔62A和62B的充油。
下隔膜基片46包括分别装在下隔膜60A和60B上并连接到导体72A和72B的电容器极板70A和70B。上隔膜基片48包括电接触点76A，76B和76C。接触点76A连接到导体72A，而接触点76C连接到导体72B。接触点76B连接到由基片48上的虚线所表示的导电沟道74。导电沟道74电连接到装在图5中以虚线表示的下隔膜58A和58B的下侧的电容器极板71A和71B。此外，沟道74提供了隔膜腔62A和62B与充油引入口78之间的液体沟通。基片46和48还包括确定了上隔膜58A和58B和下隔膜60A和60B的边缘的激光切割通道80。
在制造中，基片42，44，46和48是应用标准的批量制造蚀刻和掩膜技术形成的。电容器极板70A和70B，71A和71B分别沉积到60A和60B，58A和58B上。隔膜58A和58B，60A和60B是通过蚀刻掉隔膜的背面(露在腔体64A和64B的那面)以提供较为柔性的隔膜膜片。基片46和48结合在一起使得形成液体紧密的粘结。这一粘结还粘结了隔膜58A的边框到隔膜60A的边框，以及隔膜58B的边框到隔膜60B的边框。“边框”是隔膜的恰好超出电容器极板70A，70B，71A和71B的边缘之上的区域。在粘结步骤之后，通过沿激光切割通道80除去围绕支撑片82A和82B之外以激光钻出一通道而使得隔膜组件54A和54B自由于基片46和48，使得54A和和54B通过支撑片82A和82B连接到基片46和48。基片46和48粘结在一起后，基片42和44分别粘结到基片46和48上。该粘结发生在除去确定隔膜58A，58B，60A和60B的凹进的区域62A和62B之外的每一个地方。这些凹进要做得尽可能的小，使得在过载时的应力减到最小。凹进区域62A和62B通常厚度约为0.1密耳(mil)。
在基片42到48粘结到一起之后，隔膜组件54A和54B最好充油。充油通过与充油引入口78连接的通孔68C，沟道74，和隔膜腔体62A和62B。加压的油通过引入口78注入以便充满腔体62A和62B。然后引入口78密封以便防止油外流。在一个实施例中，引入口78是通过插入到通孔68C中的金塞被密封的。
在一个实施例中，基片42和44约为50密耳，而基片46和48约为10密耳。完工的传感器尺寸为350密耳宽，700密耳长和11 5密耳厚。
图6，7，8，9和10表示根据本发明的数个不同的隔膜结构。图6示出包含间隔层88和90的悬浮式隔膜式压力传感器86。间隔层88和90用来把外部基片层同隔膜组件分开。图7示出悬浮式隔膜式传感器92，其中外部基片没有被蚀刻为隔膜组件提供一空间。图7中所示的结构是较佳实施例之一。图8示出悬浮式隔膜压力传感器94，其中间隔层96，98和100用来间隔而不是向基片层蚀刻成凹陷。图9示出悬浮式隔膜式压力传感器102，其中上和下隔膜层并不蚀刻形成隔膜腔体，而是被充油以便使隔膜分离开。图10示出悬浮式隔膜压力传感器104，其中隔膜腔体是欠充油的。这使得压力传感器能够在一个不同压力范围工作。
本发明中的悬浮式隔膜的偏移与所施加的压力相关，这压力是压差或者是绝对压力。通过检测这一变形，可判定压力。这一检测可通过任何适当的方法进行测量。在一个较佳实施例中，隔膜变形是通过测量安装在每一隔膜上的电容器的两个极板之间的电容量的变化而检测的。图11是包含分别带有上电容器极板114和下电容器极板116的上隔膜110和下隔膜112的悬浮式隔膜108的一剖视图。极板114和116分别通过绝缘层118和120安装到隔膜110和112上。隔膜110和112之间的区域形成最好是充油的腔体122。
图11示出极板114和116之间的电容CA。电容CA的数值与施加到悬浮式隔膜108上的压力相关。因而，通过测量这一电容，可判定压力。然而，寄生电容CS1和CS2干扰了这一测量。这一电容分别是由于极板114和隔膜110之间，及极板116和隔膜112之间的电容引起的。这一电容的引发是由于绝缘层118和120分别将极板114和116同隔膜110和112分隔开。于是希望能够消除CA测量中的寄生电容。
图12示出消除由于CS1和CS2所引起的CA测量中的干扰的电路124。电路124包括连接到电容器CA被驱动的一边的方波驱动器130。电容器CS1的一边(即基片110)连接到作为CS2的一边的电接地(即基片112)。电容器CA的传感侧连接到运算放大器132。运算放大器132通过集成电容器136连接有负反馈。向运算放大器132的非反相输入提供了一个虚接地。运算放大器132的的输出供给用于计算压力的电容测量电路。
电路124保持基片110与基片112处于与传感电极116“相同电位”。这是由于，传感电极116由具有负反馈的运算放大器132保持在虚接地的状态。因为CS2不会被连接到电极116的电路测量到，故这减少了由于寄生电容造成的压力测量中的误差。
本发明是一个很适于批量制造的悬浮隔膜式压力传感器，并具有改进的应力隔离。所需要的隔膜腔中的相对小的充油量提供了改进的精度。而且，该结构提供了其自身的过压力保护，使得如果施加了很大压力，则隔膜被叠合在一起。本发明提供了由平面材料批量制造的三维结构。
虽然就本发明已参照较佳实施例进行了说明，本专业技术人员会看出在不脱离本发明的精神和范围的情形下在形式上和细节上可作出改变。例如，支撑隔膜组件的支撑片可被分成数个接近的支撑片。而且，隔膜组件可由兰宝石制成。兰宝石与半导体比较还减少了寄生电容，因为其导电性较低。此外，单个的隔膜可相对于固定的基片运动以测量压力。
权利要求
1.一种压力传感器，包括第一隔膜组件带有沿一边框连接到一基片的一隔膜，该隔膜和基片彼此的中心分离开以在它们之间形成第一腔体；用于向隔膜外表面施加加压液体的引入口器件；设置在该隔膜上用于传感其偏移并提供一代表液体压力的输出的传感器件；一安装块，包括一连接到边框的一薄片，该薄片使得该隔膜和基片的中心以及其余的边框免除进一步的硬固定。
2.权利要求1的压力传感器，其中该薄片包括用于传导该传感器输出的引线。
3.权利要求1的压力传感器，其中隔膜组件是由硅基材料形成的。
4.权利要求1的压力传感器，其中传感器件包括具有连接到隔膜的第一极板和连接到基片的第二极板的一个电容器。
5.权利要求1的压力传感器，其中隔膜和基片通过一间隔层沿该边框连接。
6.权利要求1的压力传感器，包括具有同第一腔体液体连通的第二腔体的一个第二隔膜组件，其中对于压差的响应是第一腔体的尺寸对于第二腔体尺寸相反地变化。
7.一种压差传感器，包括第一隔膜组件，具有沿一边框连接的隔膜和基片并且分离开在它们之间形成第一腔体；第二隔膜组件，具有沿一边框连接的隔膜和基片并且分离开在它们之间形成第二腔体；用于向第一隔膜组件的外表面施加液体的第一引入口器件；用于向第二隔膜组件的外表面施加液体的第二引入口器件；一个支撑结构，包括连接到第一隔膜组件的边框的第一薄片和连接到第二隔膜组件的边框的第二薄片，该第一和第二薄片连接在一起并与第一和第二腔体处于液体连通，从而第一腔体体积的变化与第二腔体体积的变化是反向相关的；以及连接到第一隔膜组件上用于传感该隔膜偏移并提供一代表了液体压力的输出的传感器件。
8.权利要求7的压差传感器，其中该薄片包括传导该传感器输出的引线。
9.权利要求7的压差传感器，其中第一和第二隔膜组件是由硅基材料形成的。
10.权利要求7的压差传感器，其中传感器件包括具有连接到隔膜的第一极板和连接到基片的第二极板的一个电容器。
11.权利要求7的压差传感器，其中第一和第二隔膜组件的隔膜和基片通过一间隔层连接。
12.一种用于测量压力的装置，包括多个基本上是平面的基片，被粘结在一起形成一个三维结构；由该多个基片形成对于压力响应的压力传感器；以及一个外壳，围绕该压力传感器并由承受被测量的压力的多个基片所形成；其中该压力传感器通过一薄片连接到该外壳。
13.权利要求12的装置，其中该压力传感器包括一个沿一边框与一基片连接的隔膜的隔膜组件，该隔膜和基片彼此分开在它们之间形成一腔体。
14.权利要求13的装置，其中隔膜组件除去一个支撑薄片以外是自由于外壳的，从而提供了应力隔离。
15.用于对生产过程的液体的压力进行测量的装置，包括由脆性的、抗腐蚀材料形成的一个传感器体，该传感器体响应生产过程的液体的压力；一个支撑件；一个传感元件，由该传感器体所携带响应该传感器体的形变；以及一个延伸的应力隔离器伸展在支撑件和传感器体之间并由与传感器体相同材料形成，该隔离器包含用于携带连接到传感元件的电导体的一导管。
16.权利要求15的装置，其中支撑件是由传感器体相同的材料形成的。
17.权利要求15的装置，其中传感元件是一可变电容器。
18.权利要求15的装置，其中的支撑结构，传感器体和应力隔离器是由粘结在一起基本上是平面的基片形成的从而形成一三维结构。
19.权利要求15的装置，其中传感器体包括沿一边框粘结在一起的一个第一隔膜和一个第二隔膜并在它们之间形成一腔体。
全文摘要
压力传感器(40)包括带有沿一边框结合在一起并具有分离开的中心以便在它们之间形成一腔体(62A)的一对隔膜(58A，60A)的隔膜组件(54A)。压力输入(50A)施加一压力液体到隔膜的外表面。该隔膜组件(54A)沿一薄片(82A)连接到一安装块，使得隔膜(54A)的其余部分免于硬固定。隔膜组件(54A)的偏移被传感并与所施加的压力相关。
文档编号G01L9/12GK1131460SQ94193444
公开日1996年9月18日 申请日期1994年7月22日 优先权日1993年9月20日
发明者罗格·L·弗里克 申请人:罗斯蒙德公司