专利名称：模块化感测装置的制作方法
技术领域：
实施例大体上涉及感测装置及其方法。实施例还涉及压力换能器
(pressure transducer),另外，实施例还涉及压力和温度传感器。
背景技术：
压力传感器和温度传感器用于各种商业、消费和工业应用中。压 力换能器和温度换能器是众所周知的感测装置。例如， 一种压力换能 器类型是由硅基底和在该基底上生长的外延层形成的装置。然后可除 去基底的一部分，留下薄的柔性膜片部分。传感构件可定位在隔膜部 分中，以形成压力换能器。在运转中，膜片的至少一个表面可暴露于 操作压力(process pressure)下。
在压力和/或温度压力-传感结构中，膜片根据压力的大小而偏转， 并且这种偏转使所附的传感构件弯曲。膜片的弯曲产生了传感构件的 电阻值上的变化，这种变化可反映为至少部分地由传感构件所形成的 电阻电桥的输出电压信号上的变化。
某些用于形成复合膜片(该复合膜片用于压力换能器或相似装置) 的技术涉及构造具有第一电导率类型的基底层，其中该基底层包括第 一表面。然后可将阳性注入物沉积在基底层的第一表面上，并在基底 层的第一表面上生成外延层，使得阳性注入物在外延层中形成正向扩 散。然后可在外延层上形成氧化物图案，并在外延层和氧化物图案上 沉积顶层。之后可将基底层和外延层的正向扩散蚀刻以形成复合膜 片。这种复合膜片从而可用于压力传感器或相似装置。这种膜片包括 第 一 氮化硅层和附在氮化硅层上并包括硅材料的压力传感器图案的 第二层。
这种类型的压力换能器包括由合适的材料，例如硅或陶瓷制成的 薄的相对柔韧的膜片部分，膜片上印刷有选定的电阻元件或电容板， 由此暴露于压力源下造成膜片的偏转，此偏转将造成电阻元件的电阻 值上的变化或电容板与配合电容板的间距上的变化，以及伴随的电容 变化，因此该类型的压力换能器在本领域中是众所周知的。
当用作低压力传感器时，例如将换能器经济地封装在外壳中，从 而获得有效的密封，而同时防止与换能器的安装和密封相关的应力影 响输出，这将变得有问题。这至少部分地是由于用来形成换能器的材 料，例如硅、陶瓷等和塑料等材料的外壳之间存在的热膨胀的显著差 异而造成的。
传统的密封布置涉及将密封材料环放置在外壳中的入口压力端 口周围，并安装换能器，使得压力敏感膜片与压力端口精确地对准。 这种传统设计不仅涉及应力隔离问题，其还限制了在限定封装内的换 能器位置的设计选择的灵活性。
用于同时测量温度和压力的典型传感器受到了将所利用的压力 传感技术附在压力连接或端口上的方式的限制。内部密封件或垫圏典 型地用于密封连接，但这种构件将传感器的破裂压力限制在操作范围 的大约三至五倍。
这些类型的传感器所造成的另一困难是需要不同的密封材料以 适应宽的传感介质的范围。换句话说，传感器的机械结构必须匹配存 在于测量中的介质。另外，典型的解决方案对压力和/或温度范围所提 供的选择很少，通常局限于一个或两个选择。例如，这种传感器通常 只提供一种用于压力和温度的输出类型以及一种电气终端。这种装置 提供的用于压力和/或温度连接的端口很少。如果需要不同于这些标准 选择的东西，那么必须构造特别的传感器，增加了构造这种传感器的 时间和费用。
基于前面所述，据信克服前述问题所需要的是开发一种改进的压 力和温度感测装置，其容许许多不同的选择，而不需要特别的传感器
构造，同时适应宽范围的传感介质。 概要
提供以下概要以促进对所公开的实施例的某些独特的创新特征 的理解，而不意在成为完整的描述。通过将整个说明书、权利要求、 图纸和摘要视为 一个整体可获得对实施例的各个方面的完整的理解。
因此，本发明的一个方面是提供一种改进的感测装置。
本发明的另 一方面是提供一种温度和压力感测装置。
本发明的又一方面是提供一种模块化感测装置。
如本文所述，现在可获得前述方面以及其它的目的和优势。公开 了一种模块化感测装置，该装置包括适应特定压力范围的传感膜片。 一个或多个压力端口通常连接到传感膜片上，以提供该传感膜片的压 力数据。另外，该模块化感测装置包括由使用者预选的连接器和温度 传感器，使得连接器连接在一个或多个压力端口上。可构造(例如，预
编程的)集成电路(例如，ASIC),以提供对来自传感膜片和温度传感
器的相应的压力和温度的期望输出，并提供该输出的误差校正。传感
膜片、温度传感器、集成电路和连接器利用软性电路板(flexible circuitry)而电连接，从而形成模块化感测装置，根据使用者的至少一 个需求装配该装置，以便提供同时的且应用独立的压力和温度传感数 据。
图纸简要说明
附图进一步显示了实施例，并与详细描述一起用于解释本文所公 开的实施例，在附图中，相似的标号指的是所有单独视图中相同的或 功能上相似的元件，并且这些附图包含在说明书中，并形成说明书的 一部分。
图1显示了根据一个实施例的压力端口的顶视图2显示了图1中所示的根据一个实施例的压力端口的侧视图， 此外有传感膜片连接在压力端口上；
图3显示了可根据一个优选实施例而实施的模块化感测装置的侧 面剖3见图4显示了可根据一个优选实施例而实施的压力和温度传感电路 的电气示意图5显示了可根据一个优选实施例而实施的电路的电气示意且
图6显示了可根据一个优选实施例而实施的电路的电气示意图。
被引用来显示至少一个实施例，而并不意图限制其范围。
图1显示了可根据一个实施例而实施的对于压力端口 100的构造 的顶-见图。图2显示了图1中所示的压力端口 100的侧i见图。注意在 图1-2中，相同的或相似的部件或元件通常由相同的标号表示。压力 端口 100通常包括构件102,104,106,114,116和117，它们代表在单个 机械加工的压力端口 100上的特征。压力端口 100可利用温度计套管 或热敏电阻套管112。与压力端口 100相关联地还包含了传感膜片 108,但该传感膜片108不是压力端口 IOO的一部分。
还可提供通道114，其容许压力介质进入该压力端口 100，并与 图2中所示的传感膜片108相接触。温度计套管或热敏电阻套管112 可作为钻孔特征而提供，它以某一 角度落入压力端口 100中的钻孔115 中，并部分地穿入通道114中。构件112在图1中显示为与压力端口 100是分离的，但在图2中构件112显示为落入压力端口中的钻孔115 中，并结合在其中(例如焊接、钎焊等等)。构件112可以杯状形式或 封闭端管形式而提供，它结合在压力端口 100中的通道114中，并可 用来安装热敏电阻。注意在图2中，还描绘了端口安装螺紋113,其 可根据应用而不同。
图3显示了可根据一个优选实施例而实施的模块化感测装置300 的侧面剖视图。模块化感测装置300通常包括可由使用者预选的压力 端口 301。压力端口 301通常按照特定的使用者说明来实施。还提供 了适应特定的压力范围的传感膜片302。压力端口 301通常连接在传 感膜片302上，以提供该传感膜片302的压力数据。以这种方式，压 力传感技术与传感膜片302相结合。注意图3中所描绘的传感膜片302 类似于图1-2中所描绘的传感膜片108。图3中所描绘的压力端口 301 还类似于图1-2中所描绘的压力端口 100，尽管具有不同的结构和构 造。
模块化感测装置300还提供了连接器305。连接器305通常与电 源(例如，参见图4中所描绘的电压414)和数据采集设备兼容。模块化 感测装置300还可提供温度传感器304(例如，热敏电阻)。使用者将温 度传感器304预选或要求为感测装置300的模块化方面的一部分。温 度传感器304可包括，但不局限于例如热敏电阻、热电偶、铂电阻式 温度检测器(RTD)、 二极管等构件。实际上，可利用任何类型的温度 感测装置来实施温度传感器304，只要传感器装配在模块化感测装置 300内的构件323中即可。注意可将构件323构造成为端口 301中的 孔。套管实际上是从端口底部伸出的薄壁部分，该套管被灌封材料(即， 热传导材料)306注满。
端口 301和传感膜片302通常焊接在一起。温度传感器304可连 接在软性电路板307上，并利用材料306而在温度传感套管3623中 灌封，材料306提供了高的热导率和低的电导率。材料306的示例包 括但不局限于以下材料环氧树脂、砂、玻璃珠等等。模块化感测装 置600还结合了 ASIC 303的使用。另外，构件307和310基本上指 相同构件，该构件是软性电路板。销312和314可提供为与连接器一 体结合的销。换句话说，不需要将销312,314作为传感器的构件对待。
注意如本文利用的用语ASIC通常指"特定用途集成电路"，它 是一种针对特殊应用而设计的集成电路(与控制功能的集成电路，例如
计算机或其它数据处理设备中的存储器相反)。ASIC通过以新的方式 连接现有的电路构建块来构造。因为这种构建块通常已经存在于例如
库中，所以产生新的ASIC比从草图开始设计新的芯片容易得多。
利用软性电路板307可在传感膜片302、温度传感器304、 ASIC 303和连接器305之间形成电连接。连接器305通常连接在端口 301 上，以完成模块化感测装置300的组装，然后可针对输出类型和误差 校正而对该装置300进行校准和测试。另外，可提供通道309，它类 似于图2中所描绘的通道114。通道309容许压力介质向上移动到通 道309中，以便接触到传感膜片302。
图4显示了可^^据一个优选实施例而实施的压力和温度传感电-各 400的电气示意图。注意在图4-6中，相同的或相似的部件或元件通 常由相同的标号表示。电路400通常包括ASIC 402, ASIC 402具有 一个或多个用于分別接收压力温度和/或激励信号的输入线 404，406,408，409 。例如输入线409还可接收压力信号(例如， 0.5-4.5,50PSI)，这些信号被输入到ASIC402中。另一方面，在某些实 施例中，根据设计考虑，输入线404可提供例如0.5至4.5,500PSI的 压力输入信号。注意该ASIC402还可包括输出线412和411。例如输 出线412可产生^I永沖信号413,并且输出线411可4妄地410。另外， 线路416可连接在输入线408上，并连接在电压414上，对于该电压 414可提供例如+5伏的电压。
图5显示了可才艮据一个优选实施例而实施的电路500的电气示意 图。电路500包括两个彼此串联连接的电阻器504和506。另外，电 路500可包括电路构件502，该电路构件502可以是例如ASIC ，如 图4中所描绘的ASIC 402。电路500可与图5中所描绘的电路400相 结合而实施，或者可简单地作为更大的电路构造的独立电路而提供， 这取决于设计考虑。
图6显示了可#>据一个优选实施例而实施的电路600的电气示意 图。电路600通常结合了 ASIC 603， ASIC 603可通过电线618和620而连接在由电阻器610,612,614和616组成的电阻器群608上，并连 接在模拟-数字(A-D)转换器602上。还可将放大器605连接在ASIC 603 和模拟-数字转换器602上。因而，可将来自ASIC 603的信号输出输 入至放大器604中，该放大器604放大信号并随后产生输出信号，该 输出信号被输入给节点Y处的模拟-数字转换器602。还可将来自ASIC 603的信号输出发送给节点X处的A-D转换器。注意，图6中所描绘 的ASIC 603类似于图4中所描绘的ASIC 402。
基于前面所述，可以懂得所公开的模块化传感器装置与图1-6中 所描绘的构件一起提供了模块化构造，此构造可按照使用者(例如，客 户)的需求立即装配。这种设计比当前设计更为健壮，因为其不需要任 何内部密封件，该密封件需要与手边的传感应用相匹配。这种设计的 基本元件包括，例如一个或多个压力端口 301、(多个)传感膜片302、 (多个)连接器305、温度传感器304和ASIC 603。可选择膜片302、端 口 301、连接器305和温度传感器304，以满足测试需求，并且通常 将它们与ASIC 603装配在一起。
ASIC 603可编程以提供针对压力和温度的所期望的输出，并提供 误差校正。通过利用焊接将端口 301密封在传感膜片302上，可获得 模块化传感器装置的增强的健壮性。这消除了现有技术构造中常见的 内部密封件的使用，并且因为所有润湿部件都由高度抗腐蚀金属构 成，所以可适应许多传感介质。与由内部密封环所提供的3倍和5倍 的增强破裂压力相比，这种焊接还可提供例如IO倍的增强破裂压力。 将会懂得，可将上面公开的变体以及其它特征和功能或其备选形 式按照期望组合成许多其它不同的系统或应用。本领域中的技术人员 后续可制作各种目前未预见到的或未曾预料到的备选形式、变型、变 体或改进，它们也被所附权利要求包含在内。
权利要求
1.一种模块化感测装置，包括:传感膜片，其适应特定的压力范围，其中，使用者预选至少一个压力端口，并且将其连接在所述传感膜片上，以提供所述传感膜片的压力数据；由所述使用者预选的连接器和温度传感器，其中，所述连接器附连在所述至少一个压力端口上；和集成电路，其构造成可为来自所述传感膜片和所述温度传感器的相应的压力和温度提供期望的输出，并且提供所述输出的误差校正，其中，利用软性电路板电连接所述传感膜片、所述温度传感器、所述集成电路和所述连接器，以形成模块化感测装置，所述装置按所述使用者的至少一个需求装配，从而提供同时的且应用独立的压力和温度传感数据。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度传感器 包括至少一个热敏电阻。
3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度传感器 包4舌至少一个热电偶。
4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度传感器 包括至少一个賴电阻式温度4全测器(RTD)。
5. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度传感器 包括至少一个二^l管。
6. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个压 力端口用焊接密封在所述传感膜片上。
7. —种模块化感测装置，包括传感膜片，其适应特定的压力范围，其中，使用者预选至少一个 压力端口，并且将其连接在所述传感膜片上，以才是供所述传感膜片的 压力数据； 由所述使用者预选的连接器和温度传感器，其中，所述连接器连 接在所述至少一个压力端口上；和集成电路，其构造成为来自所述传感膜片和所述温度传感器的相 应的压力和温度提供期望的输出，并且对所述输出提供误差校正，其 中，利用软性电路板电连接所述传感膜片、所述温度传感器、所述特定用途集成电路(ASIC)和所述连接器，以形成it块化感测装置，所述 模块化感测装置根据所述使用者的至少一个需求装配，从而提供同时 的且应用独立的压力和温度传感数据。
8. —种模块化传感方法，包括 提供一种适应特定压力范围的传感膜片；预选至少一个压力端口，并将所述至少一个压力端口连接到所述 传感膜片上，以提供所述传感膜片的压力数据；预选一种连接器和温度传感器，其中，所述连接器附连在所述至 少一个压力端口上；构造一种集成电路，以便为来自所述传感膜片和所述温度传感器 的相应的压力和温度提供期望的输出，并且提供所述输出的误差校 正；以及利用软性电路板电连接所述传感膜片、所述温度传感器、所述集 成电路和所述连接器，以形成它们的模块化感测装置，所述模块化感 测装置按照使用者的至少 一个需求装配，从而提供同时的且应用独立 的压力和温度传感数据。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 构造所述温度传感器，以包括以下器件中的至少一个器件热敏电阻、 热电偶、铂电阻式温度检测器(RTD)或至少 一个二极管。
10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于 将所述至少一个压力端口连接在所述传感膜片上，所述步骤还包括用焊接将所述至少一个压力端口密封到所述传感膜片上；所述集成电路包括特定用途集成电路(ASIC),所述ASIC被预编程以提供所述期望的输出；在组装所述模块化感测装置之后，针对所述模块化感测装置的输出类型及所述输出的误差校正对所述模块化装置进行校准；并且所述连接器与电源及相关联的数据釆集设备兼容。
全文摘要
一种模块化感测装置包括适应特定压力范围的传感膜片。压力端口可连接在传感膜片上，以提供该传感膜片的压力数据。另外，该模块化感测装置包括由使用者预选的连接器和温度传感器，从而将连接器附连在压力端口上。可构造集成电路，以便为来自传感膜片和温度传感器的相应的压力和温度提供期望的输出，并提供该输出的误差校正。利用软性电路板电连接传感膜片、温度传感器、集成电路和连接器，从而形成模块化感测装置，其根据使用者的至少一个需求装配，以便提供同时的且应用独立的压力和温度传感数据。
文档编号G01L9/04GK101375147SQ200680052994
公开日2009年2月25日 申请日期2006年12月14日 优先权日2005年12月21日
发明者I·N·本特利, L·J·帕纳戈托普洛斯, W·S·霍弗 申请人:霍尼韦尔国际公司