CN101356426A

CN101356426A - 低成本高压传感器

Info

Publication number: CN101356426A
Application number: CNA2006800503945A
Authority: CN
Inventors: R·奥布迪; J·普拉奇克
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2005-11-03
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2026-10-31
Also published as: US7260994B2; CN101356426B; WO2007056022A1; US20070095144A1; EP1952111A1

Abstract

压力感测装置包括金属薄盘(19)，其具有陶瓷材料层(25)和形成于其上的压阻元件(27)。盘(19)的表面结合到由低成本金属构成的压力孔基板(7)上的膜组件(13)。结合工艺在低温下进行(＜700℃)，从而膜组件(13)和压力孔(7)不需要抗高温耐腐蚀，并由此由较便宜材料形成。由于使用了较少材料、使用了较便宜材料、且制造较简单，因此本发明装置提供了一种常规高压传感器的较低成本的可选方式。相比常规高压传感器，本发明的装置还更加可靠并显示出更高的热稳定性。

Description

低成本高压传感器

本发明的背景

技术领域

本发明涉及压力传感器。特别地，本发明涉及具有增强的可靠性、热稳定性和粘附性质同时可廉价制造的高压传感器。

背景技术

近些年，本领域技术人员持续努力开发成本低且能够批量制造同时具有高可靠性、敏感性和线性(linearity)的压力传感器。都知道，一些常规公知的压力传感器包括具有微加工感测膜(sensingdiaphragm)的半导体材料。在处理这种结构时，通常在硅晶片中通过化学蚀刻形成薄的膜。之后使用离子注入和扩散技术以将掺杂元素推入膜中，形成压阻元件，其导电性随着应变(strain)改变，从而膜的挠曲或变形导致压阻元件的电阻值的变化。这些变化对应于施加到膜的压力大小。然而，尤其在诸如感测高压介质(high pressur emedium)的环境下，如涉及感测制动液、油、冷却剂、传动液、液压油、燃料或转向液(steering fluid)的压力的汽车应用中，在两个大气压或更大压力下，硅易受化学侵蚀和腐蚀的影响。对于这种应用，压力传感器必须是有物理弹性的(physically resilient)，且对被感测介质的有害环境有抵抗作用。

制造介质兼容传感器的目前使用的方法包括在诸如硅酮油或凝胶的惰性流体中密封硅感测芯片，之后用金属膜进一步将感测芯片与要感测的介质分开，使得压力必须通过金属膜和流体传输到感测芯片。不幸的是，这些传感器的制造工艺昂贵且复杂。结果，这些传感器不适合于批量生产。

另一种公知工艺包括在陶瓷膜上形成电容器板(capacitor plate)，之后用第二电容器板将其结合到基板上。使用诸如氧化铝或氧化锆之类的耐化学腐蚀且机械坚韧的陶瓷材料允许该膜直接接触要测量其压力的介质。由于陶瓷膜在压力作用下会变形或挠曲，因此电容器板之间的间距会变化，从而导致对应于所施加压力的电容的变化。然而，需要检测这种电容变化的电路通常是复杂的且受到噪声干扰的影响。而且，获得陶瓷膜和基板之间的充分密封以用于高压应用通常是困难的。

又一种公知的方式包括使用具有丝网印刷于其上的厚膜压敏电阻器的耐化学腐蚀的陶瓷膜。如同陶瓷电容压力传感器一样，陶瓷材料允许直接与将感测其压力的介质接触，不再需要保护封装。然而，虽然信号检测电路较简单，但是难以可靠地用基板密封陶瓷膜。

而且，采用金属膜作为感测元件是本领域中公知的。由于对于给定厚度和压力金属膜通常比陶瓷膜变形更大，在断裂之前陶瓷膜显示出较低的延展性且因此被设计成在压力下变形较小，因此通过薄膜多晶硅电阻器进行感测。首先用典型的二氧化硅或氮化硅薄膜层涂覆金属膜以将该金属膜与薄膜电阻器及其导体电绝缘。之后通过化学气相沉积(CVD)将薄膜多晶硅层沉积在绝缘层上，且之后通过由旋涂液态光刻胶材料(photoresistive material)到多晶硅层上形成的掩模对其进行蚀刻。曝光且显影光刻胶材料以获得电阻器所需图案，之后通过蒸镀形成薄膜导体。然而，沉积绝缘和多晶硅层所必须的装置昂贵，且沉积速度非常慢。对于其上旋涂了光刻胶和喷镀金属的所需薄膜，沉积薄膜层需要多次图案形成、曝光、显影和剥离步骤，且其必须在受控环境下实施以避免表面缺陷。此外，这种工艺通常沉积不厚于约10000埃的薄膜，要求金属膜的表面非常光滑以避免缺陷。

已经用厚膜金属氧化物电阻器制造出金属膜传感器。厚膜氧化物层通过印刷和焙烧厚膜墨水(thick-film ink)形成，之后在绝缘层上印刷和焙烧厚膜金属氧化物层以形成电阻器。厚膜导体通常与这种类型传感器一起使用。然而，由于厚膜材料在非常高的温度下焙烧，例如在800℃至1000℃以上的范围内，因此，该膜必须由具有优良的高温耐蚀性的金属形成。虽然几种抗高温特种金属在本领域中是公知的，但是其非常昂贵且难以加工。另一种选择是将特种金属(specialty metal)的小金属膜“按钮”附接到由较便宜材料制成的压力孔(pressure port)基板上。然而，这些结构在较高压力下通常不可靠。

显然，在压力传感器领域中，特别是在形成制造成本较低同时高压下仍然可靠的压力传感器中需要进一步的改进。本发明提供了该问题的解决方案。本发明提供了一种压力感测装置，所述压力感测装置包括特种金属或陶瓷的薄盘，其上形成有陶瓷材料层和压阻元件。该结构被结合(bond)到由低成本金属构成的压力孔基板上的膜组件。该结合工艺在低温下(＜700℃)进行，从而膜组件和压力孔不需要高温耐蚀性，并且由此可由较便宜材料形成。

由于使用较少材料，使用较便宜材料，且制造较简单，因此本发明的压力感测装置提供了常规高压传感器的较低成本的可选方式。本发明的装置相比常规的高压传感器也更可靠并显示出更强的热稳定性。

发明内容

本发明提供了一种压力感测装置，其包括：

a)压力孔，其具有上表面和基板部分；

b)可弹性变形的压敏膜组件，其具有上表面和下表面以及中央压敏膜；膜组件的下表面附接到压力孔的上表面；

c)基本平坦的盘，其具有上表面和下表面；该盘的下表面经由结合材料层结合到膜组件的上表面；

d)在该盘的上表面上的陶瓷材料层；以及

e)在陶瓷材料层上的多个压阻元件。

本发明进一步提供了一种形成压力感测装置的方法，其包括：

a)提供具有上表面和下表面的基本平坦的盘；

b)在该盘的上表面上形成陶瓷材料层；

c)在陶瓷材料层上形成多个压阻元件；

d)提供具有上表面和基板部分的压力孔；

e)将具有上表面和下表面以及中央压敏膜的可变形压敏膜组件附接到压力孔上，使得膜组件的下表面附接到压力孔的上表面上；和

f)将该盘的下表面结合到膜组件的上表面上。

本发明还提供了一种感测压力的方法，其包括：

I)提供一种压力感测装置，其包括：

a)压力孔，其具有上表面和基板部分；

b)可弹性变形的压敏膜组件，其具有上表面和下表面以及中央压敏膜；膜组件的下表面附接到压力孔的上表面上；

d)在该盘的上表面上的陶瓷材料层；以及

e)在陶瓷材料层上的多个压阻元件；

II)将压力感测装置放置到受压环境下，从而导致该膜响应于压力变化而变形；

III)经由压阻元件检测受压环境的任何压力变化；和

IV)通过观察压阻元件的变化分析受压环境的压力。

附图说明

图1示出了感测部件和基板部件的示意性侧视图，所述感测部件和基板部件形成了本发明的压力感测装置；

图2示出了本发明的压力感测装置的示意性侧视图；

图3示出了具有附加陶瓷材料层的本发明的压力感测装置的示意性侧视图；

图4a-4c示出了根据本发明的各种盘配置的顶视图。

具体实施方式

本发明提供了一种用在各种压力环境下且尤其在非常高的压力环境下运行良好的压力感测装置。

如图1-3所示出的，本发明的压力感测装置1包括两个主要部件，即感测部件5和基板部件3。如图1中所示，基板部件3包括附接到压力孔7上的压敏膜组件13。压力孔7包括上表面9和围绕中心入口10的基板部分11。这种压力孔在本领域中是公知的，并用于将传感器连接到压力介质。典型的压力孔形状是圆柱形的，且直径范围从约1/4英寸(6.35mm)至约1英寸(25.4mm)，高度范围从约1/2英寸(12.7mm)至约1.5英寸(38.1mm)。压力孔的圆柱形基板通常包括在其基板部分的外表面周围的连接螺纹(connection thread)，可用于将压力孔螺纹附接到其它器件。这种螺纹的厚度通常在从约1/4英寸(6.35mm)至约9/16英寸(14.29mm)的范围内。压力孔优选地进一步包括在其基板部分的外表面周围的六边形螺纹部分，以允许用扳手固定压力孔。压力孔可包括在压力孔形成领域中公知的各种材料，如包括不锈钢的金属，特种不锈钢、超合金等。

图1和2进一步示出了附接到压力孔7的压敏膜组件13。膜组件13优选地包括基本平坦、基本为圆形的上表面15、压敏膜14和具有中心入口12的下表面17。膜组件13的该下表面17将被附接到压力孔7的上表面9。该膜组件13和压力孔7优选地通过焊接法等附接。

这种膜组件通常通过加工平坦金属盘形成。该得到的盘组件13包括膜14以及在组件13的底部处的突起下表面17，其中膜14优选地中心位于膜组件13的上表面15上。突起下表面17通常包括具有中心入口12的环孔(annular ring)等。当附接到具有中心入口10的压力孔7时，优选地压力孔的中心入口10与膜组件的中心入口12对应，使得在压力孔7和膜组件13上施加的压力通过膜14的变形来表示。

包括膜14的膜组件13优选地可弹性变形，并能够响应于被感测的介质或环境的压力变化而变形且与该压力变化相对应地变形。膜组件13可包括各种材料如金属、陶瓷等。如性能、成本、操作环境以及特定用户需要的因素将决定材料选择。在一个优选实施例中，膜组件13包括低成本金属或金属合金。膜组件的合适材料不排他地包括不锈钢、镍或其组合和/或其合金。优选的膜组件材料不排他地包括一般的不锈钢，如300-和400-系不锈钢等；沉淀硬化不锈钢，如17-4PH、15-5PH、13-8PH等；以及超合金。超合金是本领域中公知的特种合金材料，其包括高镍含量并显示出希望的特性如高强度、耐高温性、抗氧化性等。超合金的实例包括商业上可获得的因科镍合金^TM材料、哈斯特合金^TM材料以及海恩斯^TM材料。

膜14优选地具有基本全部一致的厚度，使得其厚度在其中心和其边缘处基本上是相同的。由于膜的几何形状、厚度和直径将决定整个压力传感器的可用压力范围，因此膜14的尺寸和形状特性将取决于环境因素并由本领域技术人员确定。例如，为了用在高压环境中，增加膜厚度并降低其直径。对于较低压力的环境，降低膜厚度并增加其直径。优选地膜14具有范围在约0.025mm至约4.5mm、更优选地约0.051mm至约1.83mm、且最优选在约0.076mm至约0.91mm的厚度。优选地，膜14具有范围在从约0.3mm至约30mm或以上、更优选地约0.51mm至约1.83mm且最优选地约0.76mm至约0.91mm的直径。

膜组件13的直径将根据膜14的直径变化。即，膜组件13的直径必须至少等于膜14的直径。优选地整个膜组件直径与膜直径的比率在从约1.1∶1至约5∶1的范围内。

而且，优选地，在其中膜组件13的下表面15包括环孔等的这些实施例中，环孔等的壁厚度大于或等于膜14的厚度。

本发明还包括感测部件5，其经由膜组件13的上表面15附接到基板部件3。优选的是至少一部分感测部件5附接到膜14的表面。感测部件5首先包括具有分别为21和23的上表面和下表面的基本平坦的盘19。优选地包括金属或陶瓷材料的该基本平坦的盘19应具有与如上所述的膜组件13的材料基本相似的热膨胀系数，从而最小化由膜14和盘19的不均匀膨胀(differential expansion)导致的应力。再次，如性能、成本、操作环境以及特定用户需要的因素将决定材料选择。用于基本平坦盘19的一些合适材料不排他地包括金属，如不锈钢、镍、铝或其组合和/或合金；陶瓷，如氧化铝、氧化锆、硅石以及其组合。优选的盘材料不排他地包括一般的不锈钢如300-和400-系不锈钢等；沉淀硬化不锈钢如17-4PH、15-5PH、13-8PH等；超合金如商业上可获得的因科镍合金^TM材料、哈斯特合金^TM材料以及海恩斯^TM材料；以及抗氧化含铝合金如海恩斯214^TM、FeCr合金、18SR不锈钢等；以及其组合和/或合金。

盘19优选地具有范围在约0.025mm至约1.5mm、更优选从约0.025mm至约0.75mm、且最优选从约0.040mm至约0.75mm的厚度。该盘19优选地具有范围在约0.3mm至约30mm或以上、更优选地从约1.6mm至约25mm、且最优选从约6.4mm至约12.7mm的直径。

盘19可具有各种形状。在一个实施例中，图4a中所示，盘以基本平坦的圆盘的形式存在。在另一实施例中，图4中所示，盘19的形式为通过单交联桥互连的基本平坦的环孔。在又一实施例中，图4c中所示，盘19以通过多交联桥互连的基本平坦的环孔形状存在。

盘19用作衬底，其上将形成陶瓷材料层和压电元件。另外，在形成或施加这种材料到该盘上之前，可选地但是优选地可以使用常规方法冲洗、粗糙化和/或氧化盘表面。本发明的重要特征是在将盘结合到膜组件13之前，在盘19的上表面21上形成陶瓷材料层和/或压电元件，如下所述。

陶瓷材料层25形成到盘19的上表面上，如图1和2中所示。陶瓷材料层25用作绝缘体。任一种适当的公知陶瓷材料都可用于陶瓷材料层25。适当陶瓷材料的实例不排他地包括硅石、氧化铝、氧化锆、玻璃以及其组合。其他材料包括可结晶的玻璃、填充玻璃(filled glass)等。盘19上的陶瓷材料层25的厚度可由本领域技术人员确定。优选地，陶瓷材料层25具有范围在约0.025mm至约0.1mm、优选从约0.025mm至约0.075mm、且最优选从约0.040mm至约0.060mm的厚度。

可以使用各种常规方法将陶瓷材料层25形成在盘19上。在本发明的某些实施例中，陶瓷材料层25以陶瓷涂层的形式存在，已经使用常规的涂覆方法将该陶瓷涂层涂覆到盘19的上表面21上。在形成这种陶瓷涂层时，商用陶瓷介电膏(dielectric paste)可以被丝网印刷到盘19上，在约150℃的温度下于炉中干燥，并在约850℃至950℃的温度下焙烧以形成这种陶瓷涂层。在形成陶瓷涂层时可将几层陶瓷膏单独干燥且一起焙烧(共焙烧)。可以以这种方式施加少到一个或者高达8个或更多的陶瓷膏层。优选地，焙烧之后陶瓷涂层的厚度在约0.01mm至约0.2mm范围内，优选地从约0.03mm至约0.09mm范围内，且最优选在从约0.04mm至约0.06mm的范围内。

如图3中所示，附加的陶瓷材料层25b可存在于盘19的下表面23上。在替换实施例中，陶瓷材料层25以陶瓷衬底的形式存在，该陶瓷衬底已经使用常规的结合方法被附接到盘19的上表面21上。这种方法不排他地包括玻璃结合、胶粘、焊接、钎焊等。

接下来，本发明包括在盘19的上表面21上的陶瓷材料层25上的多个压阻元件27。本发明中，压阻元件27用于将压力转换成电信号。优选地至少一部分压阻元件存在于膜14上方的位置处。

这种压阻元件27在本领域中是公知的，且商业上可获得。其通常包括玻璃基质(glass matrix)中的氧化钌的复合物。这种压阻元件27优选地形成在陶瓷材料层25上，以形成惠斯登桥。单独的压阻元件27尺寸可变化，如由本领域技术人员所确定的。通常，这些元件尺寸在从约0.5mm×0.5mm至约2.5mm×2.5mm的范围内。

压阻元件27可以进一步地电连接到信号检测电路，如专用集成电路(ASIC)。

在附接本发明的感测部件5和基板部件3时，盘19的下表面23经由结合材料层29结合到膜组件13的上表面15。优选地，至少一部分盘19附接到膜14的表面上。虽然本领域中公知经由结合材料的焊珠(bead)将单个部件结合到膜组件上，但是根据本发明优选的是结合材料作为基本均匀厚度的层存在于膜组件13和盘19的表面之间。即，膜组件13的上表面15和盘19的下表面23经由具有这种基本均匀厚度的结合材料层29直接结合。

结合可使用任一种常规公知的方法如通过熔融结合(meltbonding)、胶粘、焊接、钎焊等来进行。合适的结合材料不排他地包括有机粘合剂，如结构环氧树脂(structural epoxies)、执行环氧树脂膜(perform epoxy films)、环氧膏；玻璃材料，如玻璃执行剂(glassperforms)、玻璃胶；陶瓷；金属材料，如金属焊料或钎焊剂或其组合。在一个优选实施例中，结合材料包括环氧树脂粘合剂。在另一个优选实施例中，结合材料包括金属焊料或钎焊剂。

结合温度和工艺取决于所使用的结合材料。环氧树脂通常在室温至200℃下固化，焊料在约180℃和以上温度熔融，优选的玻璃胶或执行剂在从约500℃到约700℃范围内的温度下熔融。

最优选的是膜组件13和压力孔7不暴露于高温处理。即，在制造本发明的压力感测装置1期间，优选地膜组件13和压力孔7不置于超过约700℃的温度下。对于膜组件和/或压力孔不需要高成本的热敏材料导致很大的成本节约。因此，优选地，诸如在盘19上形成陶瓷材料层25所需的步骤之类的任一高热步骤(超过约700℃)都在将盘19附接到膜组件13之前进行。在一个优选实施例中，将压力感测装置组装为两个分立单元，其中基板部件3和感测部件5分别形成且之后通过经由结合材料层29将感测部件5的盘19结合到基板部件3的膜组件13来附接。

本发明的压力感测装置1可用在各种应用中，且特别适合于非常高的压力环境中。装置1也可用于中等或低压环境中。例如，本发明的压力感测装置1可用在从低到50psi到约20000psi或以上范围内的压力下，这取决于膜的设计以及膜组件的设计。本发明的装置还可在各种温度下使用，例如在从约-40℃至约150℃的范围内。

本发明的压力感测装置1相比现有技术提供了几个优点。由于需要较少材料、使用较便宜材料、较少的废品成本(reject cost)、以及由于较简单制造工艺导致的较低制造成本，本发明的装置可以以较低成本制造。而且，可以在单个衬底上制造多个传感器，明显降低了劳动力成本和处理时间。由于膜组件13和盘19之间的热膨胀相匹配，因此本发明的压力感测装置还显示出更大的粘着性、更强的热稳定性以及更高的可靠性。

以下非限制性实例用于举例说明本发明。将理解，本发明部件的元件中的比例变化和可选方式对本领域技术人员是显而易见的，且都在本发明的范围内。

实例1

将圆形平坦不锈钢盘430加工成具有0.5mm的直径和0.1mm的厚度，并以清洁剂进行冲洗。将包括氧化铝的陶瓷介电膏丝网印刷到盘的上表面上。在炉中于150℃下干燥盘上的陶瓷膏达10-15分钟。之后在850-950℃下焙烧盘上的干燥膏达60-90分钟，以形成具有约0.05mm的厚度的陶瓷涂层。之后通过首先将导电金膏(gold paste)丝网印刷到陶瓷涂层上在陶瓷涂层上形成压阻元件。之后于150℃下在炉中干燥陶瓷涂层上的导电膏达10-15分钟。之后在850℃下焙烧陶瓷涂层上的导电膏达60-90分钟以形成具有约0.01mm厚度的导电层。之后将电阻膏(resistor paste)丝网印刷到导电层上。之后在150℃下于炉中干燥导电层上的电阻膏达10-15分钟。之后在850℃下焙烧导电层上的电阻膏达60-90分钟，以形成具有约0.02mm厚度的电阻器层。

分别地，焊接17-4PH压力孔到17-4PH不锈钢膜组件。该膜组件包括具有0.6mm直径和0.1mm厚度的中央膜。使用环氧膏结合材料将上述的金属盘的下表面结合到膜组件的上表面。

实例2

形成包括氧化铝的圆形平坦陶瓷盘，其具有0.5mm的直径和0.1mm厚度，并以清洁剂进行冲洗。之后通过首先将导电金膏丝网印刷到陶瓷涂层上在陶瓷涂层上形成压阻元件。之后在炉中于150℃下干燥陶瓷涂层上的导电膏达10-15分钟。之后在850℃下焙烧陶瓷涂层上的导电膏达60-90分钟，以形成具有约10微米厚度的导电层。之后将电阻膏丝网印刷到导电层上。之后于150℃下在炉中干燥导电层上的电阻膏达10-15分钟。之后在850℃下焙烧导电层上的电阻膏达60-90分钟以形成具有约0.02mm厚度的电阻器层。

分别地，焊接316不锈钢压力孔到316不锈钢膜组件。该膜组件包括具有0.6mm直径和0.1mm厚度的中央膜。使用环氧膏结合材料将上述的陶瓷盘的下表面结合到膜组件的上表面。

实例3

重复实例1，除了在焙烧电阻膏之后，将面釉玻璃(overglaze glass)密封膏丝网印刷到电阻器层上并在150℃下于炉中干燥达10-15分钟。之后在500-700℃下焙烧面釉玻璃密封膏30-60分钟以形成具有0.01-0.02mm厚度的面釉玻璃密封层。

虽然已经特别示出了本发明并通过参考优选实施例对其进行了描述，但是本领域技术人员将容器理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可作出各种变化和修改。打算将权利要求书解释为覆盖所公开的实施例，上面已经讨论过的那些可选方案以及其所有等同物。

Claims

1.一种压力感测装置，其包括：

a)压力孔，其具有上表面和基板部分；

b)可弹性变形的压敏膜组件，其具有上表面和下表面以及中央压敏膜；该膜组件的下表面附接到压力孔的上表面；

c)基本平坦的盘，其具有上表面和下表面；该盘的下表面经由结合材料层结合到该膜组件的上表面；

d)在该盘的上表面上的陶瓷材料层；以及

e)在该陶瓷材料层上的多个压阻元件。

2.如权利要求1的装置，进一步包括电连接到该多个压阻元件的信号检测电路。

3.如权利要求1的装置，其中该盘包括金属。

4.如权利要求1的装置，其进一步包括在该盘的下表面上的陶瓷材料层。

5.如权利要求1的装置，其中结合材料包括有机粘合剂、玻璃、陶瓷、金属或其组合。

6.一种用于形成压力感测装置的方法，其包括：

a)提供具有上表面和下表面的基本平坦的盘；

b)在该盘的上表面上形成陶瓷材料层；

c)在该陶瓷材料层上形成多个压阻元件；

d)提供具有上表面和基板部分的压力孔；

e)将具有上表面和下表面以及中央压敏膜的可变形压敏膜组件附接到该压力孔上，使得该膜组件的下表面附接到该压力孔的上表面上；和

f)将该盘的下表面结合到该膜组件的上表面上。

7.如权利要求6的方法，其中顺序执行步骤(a)-(f)。

8.如权利要求6的方法，其中压力感测装置进一步包括将信号检测电路电连接到该多个压阻元件。

9.如权利要求6的方法，其中将该膜组件结合到该盘是在约700℃或更低的温度下进行的。

10.一种感测压力的方法，其包括：

I)提供一种压力感测装置，其包括：

a)压力孔，其具有上表面和基板部分；

b)可弹性变形的压敏膜组件，其具有上表面和下表面以及中央压敏膜；该膜组件的下表面附接到该压力孔的上表面；

d)在该盘的上表面上的陶瓷材料层；以及

e)在该陶瓷材料层上的多个压阻元件；

II)将该压力感测装置放置在受压环境中，从而导致该膜响应于压力变化而变形；

III)经由压阻元件检测受压环境的任何压力变化；和

IV)通过观察压阻元件中的变化分析受压环境的压力。