CN101896802B - 压差测量单元 - Google Patents

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Abstract

一种压差测量单元(1)，用于检测第一压力和第二压力之间的压力差，具有：弹性测量系统，其带有至少一个具有硅的测量薄膜(4，203，205)；至少一个承载体(2，5，204)，其与弹性测量系统压密地相连；第一液压路径，用于将第一压力传递到弹性测量系统的第一表面部分上；第二液压路径，用于将第二压力传递到弹性测量系统的第二表面部分上；其中第一压力与第二压力相对地作用，并且测量系统的弹性偏转是第一和第二压力之间的差的量度；其中压差测量单元还具有至少一个液压节流门(9，10，211)，其特征在于，至少一个液压节流门包括多孔硅。

Description

压差测量单元
技术领域
本发明涉及一种压差测量单元，用于检测第一压力和第二压力之间的压力差，具有：弹性测量系统，其带有至少一个具有硅的测量薄膜；承载体，其与弹性测量系统压密地相连；第一液压路径，用于将第一压力传递到弹性测量系统的第一表面部分上；第二液压路径，用于将第二压力传递到弹性测量系统的第二表面部分上；其中第一压力与第二压力相对地作用，并且测量系统的弹性偏转是第一和第二压力之间的差的量度；其中压差测量单元还具有至少一个液压节流门，其特征在于，至少一个液压节流门包括多孔硅。 
发明内容
本发明的用于检测第一压力和第二压力之间的压力差的压差测量单元具有：弹性测量系统，其带有至少一个具有硅的测量薄膜；承载体，其与弹性测量系统压密地相连；第一液压路径，用于将第一压力传递到弹性测量系统的第一表面部分上；第二液压路径，用于将第二压力传递到弹性测量系统的第二表面部分上；其中第一压力与第二压力相对地作用，并且测量系统的弹性偏转是第一和第二压力之间的差的量度；其中压差测量单元还具有至少一个液压节流门，其特征在于，至少一个液压节流门包括多孔硅。 
在本发明的第一实施例中，弹性测量系统具有测量薄膜，其设置在第一承载体和第二承载体之间并且沿着环绕的接缝压密地与两个承载体分别相连，并且其中第一和第二液压路径各自包括至少一条贯穿承载体之一的通道。 
在本发明的这个实施例的进一步发展中，至少一个液压节流门包 括：多孔Si层，其围绕在承载体的背离测量薄膜的表面上的通道口；和液压密封的覆盖层，其覆盖多孔Si层，直至至少一个与通道口在横向上相间隔的入口，从而液压路径从至少一个入口延伸通过在多孔Si层的平面中的多孔Si层达到通道口。 
这里，第一承载体和第二承载体可以各自在背离测量薄膜的表面上具有液压节流门，该液压节流门具有多孔Si层和围绕通道口的覆盖层。 
在本发明的第一实施例的另一进一步发展中，可以实现液压节流门，使得至少一条贯穿承载体的通道具有多孔硅。 
在本发明的第二实施例中，弹性测量系统包括第一测量薄膜和第二测量薄膜，其中第一测量薄膜沿环绕的接缝压密地固定在承载体的第一表面部分上，第二测量薄膜沿环绕的接缝压密地固定在承载体的第二表面部分上，并且其中第三液压路径在第一和第二测量薄膜之间延伸，以液压地耦合第一和第二测量薄膜，其中液压节流门设置在第三液压路径中。 
在本发明的第二实施例的进一步发展中，液压节流门包括由多孔硅制成的层，其中第三液压路径延伸贯穿Si层的平面的多孔Si层。 
如果要利用多孔层实现液压节流门，那么多孔Si层具有例如不大于20微米且优选地不大于10微米的厚度。多孔Si层的厚度进一步例如不小于2微米，优选地不小于4微米。 
在本发明的当前优选实施例中，多孔硅的孔径例如不大于100纳米，且优选地不大于50纳米。另一方面，当前优选的是孔径不小于10纳米，优选地不小于20纳米。 
在本发明当前所考虑的实施例中，承载体包括硅或玻璃。 
在本发明的进一步发展中，压差测量单元还包括相对于单侧静态过载的保护。这是通过测量薄膜在单侧过载的情况中至少部分就位于承载体上并由承载体支承而实现的。 
在压差测量单元具有在两个承载体之间的测量薄膜的情况中，两个承载体能够各自包括相对于单侧静态过载的过载保护。 
同样在本发明的实施例中，弹性测量系统包括第一测量薄膜和第二测量薄膜，其中第一测量薄膜沿环绕的接缝压密地固定在承载体的第一表面部分上，并且第二测量薄膜沿环绕的接缝压密地固定在承载体的第二表面部分上，并且其中第三液压路径在第一和第二测量薄膜之间延伸，以液压地耦合第一和第二测量薄膜，其中液压节流门设置在第三液压路径中，第一表面部分和第二表面部分可以这样实施，使得在单侧静态过载作用于第一或第二测量薄膜上的情况中，经受过载的测量薄膜至少部分就位于各表面上并且由表面支承。 
附图说明
现在基于附图中描绘的实施例解释本发明，附图中： 
图1是本发明的压差传感器的第一实施例的纵截面； 
图2是图1的本发明的压差传感器的实施例的平面图； 
图3是本发明的压差传感器的第二实施例的纵截面； 
图4是本发明的压差传感器的第三实施例的纵截面； 
图5是本发明的压差传感器中使用的多孔硅的视图；和 
图6是本发明的压差传感器中使用的多孔硅的另一视图。 
具体实施方式
图1和2中的根据本发明的压差传感器1包括第一承载体2、第二承载体3和设置在两个承载体之间的测量薄膜4。测量薄膜2优选地包括半导体材料，特别是硅，而第一和第二承载体可以具有玻璃或半导 体材料，其中当前优选半导体材料，特别是硅。 
可以通过贯穿第一承载体2的第一开口5将第一压力施加到测量薄膜的第一侧上。第一开口5通入在第一承载体2和测量薄膜4之间形成的第一压力腔7。 
另外，可以通过贯穿第二承载体3的第二开口6将第二压力施加到测量薄膜4的与第一侧相对的第二侧上。第二开口6通入在第二承载体3和测量薄膜4之间形成的第二压力腔8，从而第二压力与第一压力相对地作用并且所得到的测量薄膜3的偏转是第一压力和第二压力之间的差的量度。 
第一压力和第二压力优选地各自被利用包含传递液体的液压路径传输至压力传感器。为了实现这一点，压力传感器可以特别地安装在本领域技术人员已知的液压测量机构中，该液压测量机构具有隔离薄膜，该隔离薄膜终止液压路径并且待检测的压力作用于该隔离薄膜。 
压力传感器1还包括这里未详细示出的换能器，其将测量薄膜4的偏转转换为电信号。换能器可以包括电容换能器，其分析在承载体侧的电极和测量薄膜侧的电极之间的电容；或者换能器可以包括电阻换能器，其测量薄膜可以例如包括一个或多个压阻电桥电路或者其它具有依赖于形变的电阻器的电桥电路。 
根据本发明，压力传感器1具有集成的过载保护，从而在液压测量机构中可以理想地省略附加的过载保护装置。为了解释过载保护的构造，图2显示了沿着图1的切割面A-A所得的压力传感器的平面图，其中图1的截面图是沿着图2的切割面B-B得到的。 
为了衰减脉冲状过载，本发明的压力传感器1包括第一节流装置，其包括第一盖板11和具有多孔硅的第一衰减层9，其中第一衰减层围 绕通向第一压力腔的第一开口5。进一步，本发明的压力传感器1包括第二节流装置，其包括第二盖板12和具有多孔硅的第二衰减层10，其中第二衰减层围绕通向第二压力腔的第二开口6。在这种设置中，液压路径延伸贯穿各个衰减层到达压力腔，其中脉冲状压力峰值通过在多孔材料特别是硅中的分散而得到充分衰减。 
多孔硅是化学元素硅的一种形式，其拥有极端的表面/体积比(几百m2/cm3)。利用HF-乙醇-电解液的电化学蚀刻(ECE)通常用于制造多孔硅，优选地在电流密度较小且HF浓度较高的情况中。在蚀刻之后，保留了亚微孔的精细互连网络。孔优选地沿着结晶<100>方向传播。精细控制蚀刻过程实现了以高度的可再现性非常好地控制多孔网络的特性。通过改变电化学电流、电解液的成分或者晶片的掺杂类型，可以在几纳米到很多微米(可很好地控制的尺寸：2～2000nm)的范围中调节平均孔径。另外，还可以例如通过在蚀刻过程期间周期性改变电流密度，而由具有不同孔隙率的多孔硅制造多层系统。如果需要，还可以使用脉动电流而由残余材料实现多层系统。图5和6中显示了多孔硅的示例性结构。 
为了设定衰减度的大小，除了衰减层中的孔径之外，在给定的情况中，还可以考虑在衰减层9、10的边缘17、18中的开口的大小，其中盖板11、12各自密封地连接至边缘。另外，可以通过在衰减层13、14中央的凹口13、14而减小衰减，其中衰减距离的有效长度通过凹口而减小。 
在形成凹口时，要注意在凹口区域中的盖板不会用作压力脉冲会通过它而绕过下部衰减层耦合入压力腔的薄膜。凹口还可以具有其他形式，例如延伸进入衰减层的狭隙或通道。 
为了容纳压力传感器1，还提供了第一覆盖体15和第二覆盖体16，它们设置在两个承载体2和3的相对置的外表面上并且在侧面围绕各 自的衰减元件，其中两个覆盖体各自具有连接面，液压测量机构的液压路径可以通过该连接面压密地连接在压力传感器1上，正如由点示出的密封元件所代表的。 
为了相对于静态过载得到保护，第一和第二承载体2、3可以具有薄膜床19、20，在单侧过载的情况中，测量薄膜可以至少部分就位于薄膜床并且得到支承。 
所描述的结构优选地基本完全由硅制成，其中同样可以实现Si-玻璃-Si-玻璃-Si三明治结构。该结构在晶片级别在批处理中例如通过SFB(硅融合结合)而实现，或者在纯Si结构的情况中共熔地实现，或者在Si-玻璃界面的情况中在阳极实现。第一和第二开口或者其它开口的毛细管以及在硅上且贯穿硅的凹口可以被蚀刻，优选地通过干法化学蚀刻(DRIE)。精细的多孔硅通常是通过光刻法而湿法化学制造的。多孔硅的深度在几μm直至几十μm就已经足够。 
图3显示了本发明的压差传感器101的第二实施例，其顺序包括第一承载体102、第一测量薄膜103、第二承载体104、第二测量薄膜105和第三承载体106。第一测量薄膜的压力加载是通过第一承载体中的第一开口实现的，并且第二测量薄膜的压力加载是通过第三承载体中的第二开口实现的，其中第一和第二开口分别通过第一衰减元件107或第二衰减元件108与第一或第二液压路径相通，以引导压力。关于衰减元件及其尺寸及遮盖物的细节，对于第一实施例的解释也相应有效。 
在第二承载体104中，在面向两个测量薄膜的端面中提供凹口，它们共同形成具有第一腔部109和第二腔部110的中央压力腔，其中两个腔部被利用贯穿第二承载体104的中央开口111液压耦合，并且其中两个腔部109、110分别被测量薄膜103、105向外密封。 
腔部109、110的壁可以用于在静态过载的情况下支承测量薄膜，正如之前在第一实施例中所描述的。 
中央压力腔被通过这里没有具体示出的通道而填充液压液体，以耦合两个测量薄膜103、105。为了电子检测测量薄膜的偏置，在至少一个测量薄膜上提供换能器，优选地在两个测量薄膜上都提供换能器，正如结合第一实施例所讨论的。 
图4显示了本发明的压差传感器201的第三实施例，其中压差传感器包括第一测量薄膜203、承载体204和第二测量薄膜205。通过第一液压路径实现第一测量薄膜的压力加载，通过第二液压路径实现第二测量薄膜的压力加载。 
在承载体204中，在朝向两个测量薄膜的端面中提供凹口，其共同形成具有第一腔部209和第二腔部210的中央压力腔，其中腔部被利用贯穿承载体204的中央开口211而液压耦合，并且其中两个腔部209、210各自通过测量薄膜203、205向外密封。 
中央开口211具有多孔硅以衰减动态过载。 
正如之前在第一实施例中所描述的，腔部209、210的壁用于在静态过载的情况支承测量薄膜。 
中央压力腔被通过这里没有具体示出的通道而填充液压液体，以耦合两个测量薄膜203、205。为了电子检测测量薄膜的偏置，在至少一个测量薄膜上提供换能器，优选地在两个测量薄膜上都提供换能器，正如结合第一实施例所讨论的。 

Claims (15)

1.压差测量单元(1；101；201)，用于检测第一压力和第二压力之间的压力差，包括：
-弹性测量系统，其带有至少一个具有硅的测量薄膜(4；103；105；203；205)；
-至少一个承载体(2；5；102；104；106；204)，其与弹性测量系统压密地相连；
-第一液压路径，用于将第一压力传递到弹性测量系统的第一表面部分上；
-第二液压路径，用于将第二压力传递到弹性测量系统的第二表面部分上；其中第一压力与第二压力相对地作用，并且测量系统的弹性偏转是第一和第二压力之间的差的量度；
其中压差测量单元还具有第一液压节流门(9；10；107；108；211)，其中所述第一液压节流门包括多孔硅，并且其中第一液压路径延伸通过第一液压节流门，
其特征在于，压差测量单元还具有第二液压节流门，第二液压节流门包括多孔硅，并且其中第二液压路径延伸通过第二液压节流门。
2.根据权利要求1所述的压差测量单元，其中，弹性测量系统具有测量薄膜(4)，该测量薄膜设置在第一承载体(2)和第二承载体(3)之间并且沿着环绕的接缝压密地与两个承载体分别相连，并且其中第一和第二液压路径各自包括至少一条贯穿承载体之一的通道。
3.根据权利要求2所述的压差测量单元，其中，至少一个液压节流门(9；10)包括：多孔Si层，其围绕在承载体的背离测量薄膜的表面上的通道口；和液压密封的覆盖层(11，12)，其覆盖多孔Si层，直至至少一个与通道口在横向上相间隔的入口，从而液压路径从至少一个入口延伸通过在多孔Si层的平面中的多孔Si层达到通道口。
4.根据权利要求3所述的压差测量单元(1)，其中，第一承载体(2，3)和第二承载体各自在背离测量薄膜(4)的表面上具有液压节流门(9；10)，该液压节流门具有多孔Si层和围绕通道口的覆盖层(11，12)。
5.根据权利要求2所述的压差测量单元，其中，至少一条贯穿承载体的通道具有多孔硅。
6.根据权利要求3所述的压差测量单元，其中，多孔Si层的厚度不大于20微米。
7.根据权利要求6所述的压差测量单元，其中，多孔Si层的厚度不大于10微米。
8.根据权利要求3所述的压差测量单元，其中，多孔Si层的厚度不小于2微米。
9.根据权利要求8所述的压差测量单元，其中，多孔Si层的厚度不小于4微米。
10.根据前述任一权利要求所述的压差测量单元，其中，多孔硅的孔径不大于100纳米。
11.根据权利要求10所述的压差测量单元，其中，多孔硅的孔径不大于50纳米。
12.根据权利要求1-9之一所述的压差测量单元，其中，孔径不小于10纳米。
13.根据权利要求1-9之一所述的压差测量单元，其中，孔径不小于20纳米。
14.根据权利要求1-9之一所述的压差测量单元，其中，承载体具有硅或玻璃。
15.根据权利要求1-9之一所述的压差测量单元，其中，在单侧过载的情况下，至少一个测量薄膜至少部分就位于承载体上并由承载体支承。
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