專利名稱：氣壓傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣壓傳感器，更具體地說，涉及一種以用于工業表壓傳送器中的氣壓傳感器。
背景技術：
在工業傳送器應用中，電容類型傳感器典型地用于傳感壓強。可以制成高精度和可重復的電容性傳感器。在基于兩個絕對壓強傳感器輸出電子地計算壓強之差的表計傳送器中，傳感器的精度和可重復性對避免在減法處理中引入誤差特別重要。大氣壓范圍相當有限，典型地為0.9-1.1大氣壓，并且期望使用相對低成本的絕對傳感器以用于傳感氣壓。然而，已經發現低成本絕對壓強傳感器在處理流體傳感器中常常不具有精度和可重復性。這些低成本傳感器會在電子減法處理中引入不理想的誤差。
由此，現在需要可以以低成本制備的氣壓傳感器，并且該傳感器具有在限定的氣壓范圍中的高可重復性。
發明內容
本發明提供一種壓強傳感器包括基層、傳感器層和參照層。基層環繞適于接收壓強的入口和基層上的安裝表面之間的通道。
傳感器層具有通過絕緣粘結層結合至安裝表面的第一表面。傳感器層包括與通道對準的傳導隔膜。
參照層裝配于傳感器層上以形成與傳導隔膜對準的參照真空空腔。參照層包括面向跨越參照真空空腔的傳導隔膜以形成壓強傳感電容器的傳導表面。
基于下面詳細描述的閱讀和相關附圖的評述，體現本發明的這些和各種其他特征、以及優點將變得清楚。
圖1示出了電容性絕對壓強傳感器的第一實施例的橫截面圖。
圖2示出了電容性絕對壓強傳感器的第二實施例的橫截面圖。
圖3示出了電容性絕對壓強傳感器的第一隔膜的詳細的橫截面圖。
圖4示出了電容性絕對壓強傳感器的第二隔膜的詳細的橫截面圖。
圖5示出了電容性絕對壓強傳感器的第三隔膜的詳細的橫截面圖。
圖6示出了用于在圖5中示出的傳感器層的上部表面的掩膜。
圖7示出了用于在圖5中示出的傳感器層的底部表面的掩膜。
圖8示出了用于在圖5中示出的參照層的上部表面的掩膜。
圖9示出了用于在圖5中示出的參照層的底部表面的掩膜。
圖10示出了表壓傳送器的部分拆分圖。
圖11示出了表壓傳送器的方塊圖。
具體實施例方式
表壓傳送器(gage pressure transimitter)通常用于測量存儲于盛液器中的液體的數量。表壓傳送器包括指示表壓的傳送器輸出的電子電路，或換句話說，傳感的液壓和傳感的大氣壓之間的差。表壓傳送器具有連接至臨近盛液器底部的開口的處理壓強入口。表壓傳送器也具有大氣入口或開放于大氣的出口。使用已知的公式從傳送器的表壓輸出可以計算在盛液器中的流體水平高度。
使用耦合至處理壓強和大氣壓強的差分壓強傳感器可以構造表壓傳送器。可替代地，可以使用兩個絕對壓強傳感器，利用一個傳感液壓的絕對壓強傳感器和傳感大氣壓的另一絕對壓強傳感器。當使用兩個絕對壓強傳感器時，基于兩個傳感器輸出，在傳送器中的電路電子計算壓強差(表壓)。
在工業傳送器應用中，電容性類型傳感器典型地用于傳感壓強。電容性傳感器可以制成具有高精度和可重復性。在基于兩個絕對壓強傳感器輸出電子計算壓強差的表計傳送器中，傳感器的可重復性對于避免在減法處理中引入誤差特別的重要。大氣壓范圍相當有限，典型地為0.9-1.1大氣壓，并且期望使用相對較低成本的絕對傳感器用于傳感氣壓。然而，已經發現低成本絕對壓強傳感器常常不具有在處理流體傳感器中的可重復性。這些低成本傳感器會在電子減法處理中引入不理想的誤差。
如下面在圖1-11中所描述的，其提供一種可以以低成本制備的氣壓傳感器，并且該傳感器在有限的大氣壓范圍中具有高可重復性。使用微型結構制備的選擇出的已知處理(也稱作微型系統技術(MST))可以方便地成批制備氣壓傳感器，比如掩膜法、摻雜、蝕刻、薄膜沉積等等。這些已知的處理包括根據集成電路的制備改造過來的多種處理。
圖1示出了由多層形成并可方便地成批制備的壓強傳感器100。壓強傳感器100包括基層102，其環繞入口106和基層上的安裝面108之間的通道104。入口106適于結合至環繞提供來自表計傳送器腔室外部的大氣壓P的孔(如圖10所示)的表計傳送器外殼內部表面。
壓強傳感器100也包括傳感器層110，其具有通過絕緣粘結層114結合至安裝面108的第一表面112。傳感器層110包括與通道104對準以接收壓強P的傳導隔膜116。
壓強傳感器100包括參照層120，其安裝于傳感器層110上以形成與傳導性隔膜116對準的參照真空空腔122。參照層120包括傳導性表面124，其面向跨越參照真空空腔122的傳導性隔膜116以形成壓強傳感電容器。參照層120充分厚，以使參照層基本上不會由于在傳感器100周圍的大氣壓的變化而彎曲或偏斜。參照層120優選包括臺面121，其輕微突出并面向傳導性隔膜116。臺面121具有選擇出的高度，以在真空空腔122中的電容器板之間提供理想的空間。可以選擇臺面121的高度以校正結合層126、130的厚度。除了臺面121，或者作為臺面121的替代，可在傳感器層110上配備第二臺面123以提供電容器的空間控制。
傳導隔膜116作為第一電容器極板或平板。傳導表面124作為第二電容器極板或平板。真空空腔122提供通常平行的電容器平板之間的空間。當通過壓強P偏斜隔膜116時，電容器平板之間的空間改變。絕緣粘結層114提供了與基層102的電絕緣并優選包括玻璃粉層。
傳感器層110進一步包括環繞第二表面128上的傳導隔膜116的第一絕緣層126。參照層120包括結合至第一絕緣層126的第二絕緣層130。在一種優選配置中，參照層120和第二層110包括硅，而第一和第二絕緣層126、130包括生長二氧化硅并熔解結合在一起。在層110、120中的硅摻有雜質并是導電的。絕緣層126、130使傳感器層110的傳導部分與參照層120絕緣，從而不會短路壓強傳感電容器。
第一電結合襯墊132設置于傳感器110上。結合襯墊132電接觸并電連接至傳感器層110，并且這樣提供至壓強傳感電容器的平板或極板的連接。第二電結合襯墊134電接觸并電連接至傳參照層120上的傳導表面124，并且這樣提供至壓強傳感電容器的另一個平板或極板的連接。
在優選設置中，傳感器層110包括在超過參照層120延伸的一側之上的隔架部分111，并且至少一個電結合襯墊132設置于隔架部分之上。隔架部分111的配置提供了用于連接結合線133的方便存取，并允許結合襯墊132遠離傳導隔膜116，從而減小從結合線133到傳導隔膜116的應力傳送。
在優選配置中，傳感器層110進一步包括從參照真空空腔122延伸至絕緣粘結層114的第二通道136。在參照層120和傳感器層110結合在一起之后，然后在真空中將基層102結合至傳感器層110。絕緣粘結層或熔合層114密封第二通道136，以在參照真空空腔122中提供永久真空。第二通道136優選是激光鉆孔。
可以經濟地制備壓強傳感器100以用于用作具有大約0.9-1.1標準大氣壓的操作范圍的氣壓傳感器。
圖2示出了與在圖1中示出的壓強傳感器100類似的壓強傳感器150，然而，壓強傳感器150包括為通過陽極結合層180陽極地結合至傳感器層160的絕緣玻璃的參照層170。
在圖2中，基層152環繞接收壓強P的入口156和基層152上的安裝表面158之間的通道154。
傳感器層160具有通過絕緣膠合體164結合至安裝表面158的第一表面162。傳感器層160包括與通道154對準的傳導隔膜166。絕緣粘合體164優選包括玻璃粉層。
參照層170裝配于傳感器層160之上，以形成與傳導隔膜166對準的參照真空空腔172。參照層170包括面向跨越參照真空空腔172的傳導隔膜166的傳導表面174，以形成壓強傳感電容器。參照層170的主體包括耐熱玻璃，而傳導表面174優選包括鎳鉻鐵合金(nichrome)沉積物。利用用于結合耐熱玻璃至硅的已知陽極結合技術將參照層170陽極地結合至傳感器層160。在完成陽極結合層180之后，然后在真空中加熱傳感器以使用少量的玻璃粉183密封參照真空空腔172。玻璃粉183填滿穿過參照層切割的小通道，以允許從傳導表面174電饋通至第一電結合襯墊184。
第一電結合襯墊184沉積于連接至形成壓強傳感器的第二平板或電極的傳導表面174的導電層189之上。第一電結合襯墊184和導電層189設置于傳感器層160上的絕緣通道185。導電層189通過金屬橋187與傳導表面174電接觸。
第二電結合襯墊182設置于傳感器層160上，并這樣連接至形成壓強傳感器電容器的平板或電極的傳導隔膜166。第二電結合襯墊182與傳感器層160電接觸。
優選由鋁形成結合襯墊182、184。絕緣通道185優選由熱解氧化物形成。金屬橋187、導電層189和傳導表面174全部優選由鎳鉻鐵合金形成。傳感器層160包括超過參照層170延伸的隔架部分161，而電結合襯墊182、184設置于隔架部分161上。
壓強傳感器150優選是具有大約0.9-1.1大氣壓的操作范圍的氣壓傳感器。
圖3-4詳細示出了比如在圖1中描述的壓強傳感器100的電容性絕對壓強傳感器的傳導隔膜116的兩個不同實施例的橫截面圖。圖3-4沒有按照比例，但其具有放大的垂直比例以更好描述具體的特征。此外，圖3-4示出了在過壓環境過程中的傳導隔膜116。過壓環境是其中的壓強P超過了壓強傳感器的標準測量范圍的環境。在過壓環境下，傳導隔膜116從它的標準平直形狀(通過虛線194、196描述)偏斜，并相對靜止，且通過參照層120的傳導表面124對其支撐。在圖3-4中，在隔膜表面上形成氧化層190。此外，在圖4中，在傳導表面124上形成附加氧化層192。氧化層190、192阻止在過壓環境過程中傳導表面124短路至傳導隔膜116。在過壓過程中支撐傳導隔膜116，從而使其不會破裂，并且氧化層190、192阻止在過壓環境過程中的短路。
圖5-9示出了與在圖1中描述的壓強傳感器100類似的壓強傳感器200，然而壓強傳感器200包括一些附加的特征。具體地，包括用于減小靜止電容的溝槽201。可以包括附加的掩膜絕緣層203以提供超過溫度極端的增強的性能。可以在參照真空空腔122和第二通道136之間的參照層120中添加死胡同形狀的通道(圖6)以減少來自激光鉆孔的殘骸的運動。
圖5示出了由多層形成并使用比如掩蔽法、摻雜、蝕刻、薄膜沉積等等的微型結構制備的選擇出的已知處理(也稱作微型系統技術(MST))可以方便地成批制備的氣壓傳感器200。在圖5中描述的壓強傳感器200與在圖1中描述的壓強傳感器100類似。和在圖1中使用的參照數字相同的在圖5中使用的參照數字表示相同或類似的特征。
在圖5中，壓強傳感器200包括多個溝槽201(也在圖9中以372、374、376、378描述)。
在優選實施例中，掩蔽第二絕緣層130以形成掩膜的形狀，并且參照層120也包括與第二絕緣層130相對的第三絕緣絕緣層203。將第三絕緣層203掩蔽成與第二絕緣層130基本上相同的掩膜形狀。第三絕緣層203與第二絕緣層130對準。當溫度改變，第一和第二絕緣層203、130以不同于參照層120的主體材料的膨脹比率膨脹。膨脹率的不同產生在參照層120中的應力，然而，來自兩個基本相同的層203、130的應力趨于抵消。下面結合圖8-9更加詳細地描述具有基本上相同的掩蔽形狀的掩膜的特征。
在另一個優選實施例中，在傳感器層110上配備薄氧化層217。氧化層217與在圖3-4中描述的氧化層190類似，并阻止了在過壓過程中的短路。
圖6-9示出了用于在圖5中描述的制備傳感器200的各種掩膜。包括在圖5中的參照L(左)和R(右)用以指示傳感器200的左側和右側。包括在圖6-9中的對應參照L和R用以指示相對于圖5中的傳感器200的各種掩膜的定向。在圖6-9中描述的掩膜提供了在圖5中示出的各種特征的形狀上的附加細節。在圖6-9中描述的掩膜用于制備一個傳感器。本領域的熟練技術人員可以理解，利用在晶片上的多個其他傳感器可以成批制備傳感器，并在然后對其切割。在成批制備的情況下，在足夠大以完成整個晶片的掩膜之上的規則陣列中典型地重復在圖6-9中描述的單個掩膜。
圖6示出了用于在圖5中示出的傳感器層110的第二表面128(上部表面)的掩膜300。掩膜300包括通常為矩形的區域302，該矩形區域提供外露(未氧化)硅的相應成形表面。隨后在該外露硅區域302上沉積第一電結合襯墊132。掩膜300也包括覆蓋在傳導隔膜116上并且也限定了與區域304毗鄰的死胡同區域306的區域304。死胡同區域306提供第二通道136和參照真空空腔122之間的開放路徑。掩膜300包括限定了第一絕緣層126的不規則成形區域308，該第一絕緣層環繞傳導隔膜區域304和死胡同區域306。
圖7示出了用于在圖5中示出的傳感器層110的底部表面的掩膜320。掩膜320包括區域322，其限定了各向異性蝕刻于硅的(100)定向晶體表面以形成隔膜116的區域。掩膜320也包括左側氧化的區域324和限定了用于第二通道136的定位的區域326，典型的為激光鉆孔。
圖8示出了用于在圖5中示出的參照層120的上部表面的掩膜340。掩膜340包括限定了掩膜絕緣層203的區域342。掩膜340也包括確定了限定第二電結合襯墊134的區域346的界線的區域344。
圖9示出了用于在圖5中示出的參照層120的底部表面的掩膜360。掩膜360包括限定了各向異性蝕刻溝槽的區域362、364、366。這些各向異性蝕刻溝槽提供了用于應力集中的線368，從而可以從多個傳感器的晶片方便地自由切割成批制備的傳感器200。在圖5中，以虛線描述參照層120的拆分部分。
掩膜360也包括限定比如在圖5中描述的溝槽201的各向異性蝕刻溝槽的區域372、374、376、378、380、382。這些溝槽提供傳感器層110的表面和參照層120之間增大的分離。參照層120包括面向傳感器層110的這些溝槽。這些增大的分離減小了電容性壓強傳感器的“靜止電容”。電容性壓強傳感器的靜止電容是當傳感器靜止時傳感器的電容的值，或換句話說，不偏斜時電容的值。靜止電容對壓強變化無反應，并且其趨于不期望地減小超過標準測量范圍的電容變化的百分率。利用溝槽減小了靜止電容簡化了結合壓強傳感器200使用的電路的設計。
掩膜360也包括限定了形成臺面121的蝕刻停止層的區域384。掩膜360進一步包括限定第二絕緣層130的區域386。可以看出，在圖8中的區域342限定了屏蔽絕緣層203，并且在圖9中的區域386限定了第二絕緣層130，以具有彼此對準的基本上相同的形狀，從而在溫度變化過程中提供機械應力隔離。
掩膜360也包括與在圖6中的死胡同區域306對準的死胡同區域387。這樣成形參照真空空腔122以包括導引至第二通道136的死胡同，其典型地是激光鉆孔。
在一個優選實施例中，死胡同區域387包括如所述的至少90度的轉彎388。
圖10示出了包括氣壓傳感器402的表壓傳送器400的部分拆分圖。通常如上面描述的結合圖1-9構造氣壓傳感器402。表壓傳感器400包括外殼404，其封裝通過至包括轉換電路的印刷電路板408的導線406連接的氣壓傳感器402。下面結合圖11更加詳細的描述印刷電路板408上的轉換電路。
表壓傳感器400也包括處理壓強傳感器410，其通過導線412連接至印刷電路板408上的轉換電路。處理壓強傳感器410是傳感在處理壓強入口434處的處理壓強的絕對壓強傳感器。
印刷電路板408上的轉換電路產生代表導線414上表壓的電輸出。導線414連接至也用作密封饋通的接線盒415。外殼404是具有使電子隔間418與場線隔間420分離的隔墻416的雙隔間外殼。通過相應的有螺紋的蓋罩430、432密封每個隔間418、420。電纜422在遠距離位置連接接線盒415至處理控制系統(未示出)。配置電子輸出以用于長距離發送，也成為遙測術，并且典型地，在接線盒415處的輸出為標準的格式，比如提供用于表計傳送器400的全部激勵(energization)的4-20mA工業處理控制系統。該4-20mA工業處理控制系統可以包括在標準工業格式，比如Hart協議中的疊加信號。可替代地，接線盒415處的輸出可以位于工業標準現場總線格式，比如Foudation Fieldbus、Profibus等等。
傳送器外殼404包括對環繞外殼104的大氣開放的大氣壓部分424。表壓傳感器402的入口結合至在大氣壓部分上的傳送器的內部。大氣壓部分424優選包括設置于大氣壓部分424中的多孔特氟綸插塞426。多孔特氟綸插塞426有助于阻止在大氣壓部分424中的水的進入。利用比如鈦-鎳-金的三金屬連接，氣壓傳感器402優選結合至外殼404。例如，從美國專利5,695,590Willcox et al已知三金屬連接。
圖11示出了在圖10中的表壓傳送器400的示意性方塊圖。處理壓強傳感器410沿著至西格瑪德耳塔(sigma delta)電路450的導線412連接于轉換器電路452中。氣壓傳感器402沿著至西格瑪德耳塔電路450的導線412連接于轉換器電路452中。
西格瑪德耳塔電路450提供代表沿著至處理壓強補償電路456的線454的未得到補償的處理壓強的數字信號。西格瑪德耳塔電路450提供代表沿著至大氣壓補償電路460的線458的未得到補償的大氣壓的數字信號。處理壓強補償電路456提供至差分計算電路468的線466上的已補償處理壓強的輸出。氣壓補償電路460提供至差分計算電路468的線470上的已補償氣壓的輸出。差分計算電路468計算已補償處理壓強與已補償氣壓之間的差，其是表壓414的精確指示。通過電路456、460實施的補償包括增益校正和線性校正。
在優選實施例中，轉換電路也包括連接至西格瑪德耳塔電路450的溫度傳感器475。在該優選實施例中，西格瑪德耳塔電路450提供代表兩個補償電路456、460的溫度的輸出。補償電路456、460然后附加地補償溫度變化。
在優選配置中，作為在表壓傳送器400中的嵌入微處理器系統的一部分實現補償電路456、460和差分計算電路468。
西格瑪德耳塔電路450優選是西格瑪德耳塔類型的模擬至數字轉換電路。轉換器電路452補償來自處理壓強傳感器的讀數并補償來自氣壓傳感器的讀數，并通過從處理壓強讀數減去已補償的大氣壓讀數計算差分。
盡管已經參照優選實施例描述了本發明，本領域的熟練技術人員認識到可對形式和細節進行改變，只要其不脫離本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種壓強傳感器，包括基層，其環繞適于接收壓強的入口和基層上的安裝表面之間的通道；傳感器層，其具有通過絕緣粘結層結合至安裝表面的第一表面，所述傳感器層包括與通道對準的傳導隔膜；以及參照層，其裝配于傳感器層上以形成與傳導隔膜對準的參照真空空腔，所述參照層包括面向跨越參照真空空腔的傳導隔膜以形成壓強傳感電容器的傳導表面。
2.根據權利要求1的壓強傳感器，其特征在于，絕緣粘結層包括玻璃粉層。
3.根據權利要求1的壓強傳感器，其特征在于，傳導隔膜包括氧化層。
4.根據權利要求3的壓強傳感器，其特征在于，在過壓環境下傳導表面支撐氧化層。
5.根據權利要求1的壓強傳感器，其特征在于傳感器層進一步包括環繞傳導隔膜的第二表面上的第一絕緣層，并且參照層進一步包括結合至第一絕緣層的第二絕緣層。
6.根據權利要求5的壓強傳感器，其特征在于掩蔽第二絕緣層以形成掩膜形狀，并且參照層也包括與第二絕緣層相對的第三絕緣層，實質上以與第二絕緣層相同的掩膜形狀掩蔽第三絕緣層。
7.根據權利要求5的壓強傳感器，其特征在于參照層和傳感器層包括硅，并且第一和第二絕緣層包括二氧化硅，并將其熔化結合在一起。
8.根據權利要求1的壓強傳感器，其特征在于參照層包括耐熱玻璃，而且耐熱玻璃陽極地結合至傳感器層。
9.根據權利要求1的壓強傳感器，進一步包括設置于傳感器層上并連接至壓強傳感電容器的第一電結合襯墊。
10.根據權利要求9的壓強傳感器，進一步包括連接至壓強傳感電容器的第二電結合襯墊。
11.根據權利要求10的壓強傳感器，其特征在于第一電結合襯墊與傳感器層電接觸，并且第二電結合襯墊設置于傳感器層上的熱解氧化物絕緣通道上，而且該第二電結合襯墊與傳導表面電接觸。
12.根據權利要求1的壓強傳感器，其特征在于傳感器層進一步包括從參照真空空腔延伸至絕緣粘結層的第二通道。
13.根據權利要求12的壓強傳感器，其特征在于，第二通道是激光鉆孔。
14.根據權利要求13的壓強傳感器，其特征在于成形參照真空空腔以包括導引至激光鉆孔的死胡同。
15.根據權利要求14的壓強傳感器，其特征在于，死胡同包括至少90度的轉彎。
16.根據權利要求1的壓強傳感器，其特征在于，參照層包括面向傳感器層的至少一個溝槽。
17.根據權利要求1的壓強傳感器，其特征在于，參照層包括面向傳導隔膜的臺面。
18.根據權利要求1的壓強傳感器，其特征在于傳感器層包括超過參照層延伸的隔架部分，以及在隔架部分上設置的至少一個電結合襯墊。
19.根據權利要求1的壓強傳感器，其特征在于，壓強傳感器是具有至少0.9-1.1大氣壓的操作范圍的氣壓傳感器。
20.一種包括氣壓傳感器的表壓傳送器，該氣壓傳感器包括基層，其環繞適于接收壓強的入口和基層上的安裝表面之間的通道；傳感器層，其具有通過絕緣粘結層結合至安裝表面的第一表面，所述傳感器層包括與通道對準的傳導隔膜；以及參照層，其裝配于傳感器層上以形成與傳導隔膜對準的參照真空空腔，所述參照層包括面向跨越參照真空空腔的傳導隔膜以形成壓強傳感電容器的傳導表面。
21.根據權利要求20的表壓傳送器，進一步包括傳送器外殼，所述傳送器外殼具有結合于入口的大氣壓口部。
22.根據權利要求21的表壓傳送器，進一步包括設置于大氣壓口部中的多孔特氟綸插塞。
23.根據權利要求20的表壓傳送器，進一步包括處理壓強傳感器；以及連接至處理壓強傳感器和氣壓傳感器的轉換電路，所述轉換電路計算處理壓強和大氣壓之間的差。
24.根據權利要求23的表壓傳送器，其特征在于，轉換器電路包括西格瑪德耳塔模擬至數字轉換器。
25.根據權利要求23的表壓傳送器，其特征在于轉換器電路補償來自處理壓強傳感器的讀數并補償來自氣壓傳感器的讀數，并通過從處理壓強讀數減去已補償的大氣壓讀數以計算差分。
全文摘要
一種氣壓傳感器(100)，包括基層(102)、傳感器層(110)和參照層(120)。基層具有在壓強入口(106)和安裝表面(108)之間的通道(104)。通過絕緣粘結層(114)將傳感器層結合至安裝表面，并且該傳感器層包括傳導隔膜(116)。參照層裝配于傳感器層上以形成參照真空空腔(122)。參照層包括面向跨越參照真空空腔的傳導隔膜以形成壓強傳感電容器的傳導表面(124)。
文檔編號H01L29/66GK1650155SQ03810067
公開日2005年8月3日 申請日期2003年4月29日 優先權日2002年5月6日
發明者丹尼爾·S·納爾遜, 大衛·J·希爾曼, 約翰·麥金泰爾 申請人:羅斯蒙德公司