CN104662400A - 由耦合到谐振器上的纳米计制成的压力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种由半导体材料制成的压力传感器，所述传感器包括盒子(1)，所述盒子在二次真空下限定外壳(2)；至少一个谐振器(3)，所述谐振器被接纳在所述外壳中且通过柔性横梁(4)从至少一个可弹性变形的膜片(3)悬挂，所述膜片封闭还含有用于激励所述谐振器以便将所述谐振器设定成振动的装置(7、12)和用于检测所述谐振器的振动频率的检测器装置的所述外壳。所述检测器装置包括至少一个第一悬挂压阻式应变计(9)，所述应变计使一个端部固定到所述横梁中的一者且使一个端部固定到所述膜片。所述谐振器和所述第一应变计经布置以形成种类和浓度基本上相同的掺杂区域。

Description

由耦合到谐振器上的纳米计制成的压力传感器
技术领域
本发明涉及一种流体压力传感器，例如，可用于车辆车轮以便检测所述车轮上的充气轮胎的充气压力的流体压力传感器。
背景技术
在需要小尺寸的传感器的应用中，已知依靠通过蚀刻晶体材料的板制成的传感器。被称为谐振类型且被认为具有比包括具有应变计的膜片的一般微机械加工传感器更好的性能的一个此类压力传感器，包括限定容腔的盒子、以及至少一个谐振器，所述谐振器被接纳在容腔中且通过柔性横梁从封闭容腔的至少一个可弹性变形的膜片悬伸。所述容腔还含有用于将谐振器设定成振动的谐振器激励装置和用于检测谐振器的振动频率的检测器装置。所述可变形的膜片因此与谐振器相互作用，其方式为使得在来自周围流体的压力下的膜片的变形导致谐振器的频率的相对应的变化。所述激励装置布置成将谐振器设定成以其谐振频率振动，且检测器装置(例如)由电容元件或由应变计构成，所述应变计向控制单元提供表示谐振器的振动频率的信号。所述控制单元布置成从它检测到的频率推导作用在膜片上的压力。
业已发现，那些传感器中的许多传感器呈现低灵敏度。
至少在理论上，电容检测研发起来较复杂，因此没有应变计检测有效。实际上，业已发现，应变计检测具有相对较低的性能。
为了改进传感器的灵敏度，已经使控制单元的电路变得更加复杂以便处理由应变计传递的信号。这导致增加传感器的成本和总体尺寸，但却没有导致灵敏度的足够的增加。
发明内容
本发明的目标是至少部分补救灵敏度的缺乏。
在具有膜片、谐振器和应变计的压力传感器中，晶体材料是半导体材料，在所述半导体材料上通过对半导体材料的表面进行掺杂来制造应变计。不幸的是，已发现，在应变计的附近且在其整个长度上发生掺杂物的不希望的迁移，由此降低所述应变计的灵敏度。测量值变成对温度高度敏感且往往会随时间的推移而偏移。
根据本发明，提供了一种由半导体材料制成的压力传感器，所述传感器包括盒子，所述盒子限定在二次真空下的外壳；至少一个谐振器，所述谐振器被接纳在外壳中且通过柔性横梁从至少一个可弹性变形的膜片悬挂，所述膜片封闭还含有用于激励谐振器以便将谐振器设定成振动的装置和用于检测谐振器的振动频率的检测器装置的外壳。所述检测器装置包括至少第一悬挂压阻式应变计，所述应变计具有固定到横梁中的一者的一个端部和固定到膜片的一个端部。所述谐振器和所述第一应变计布置成形成种类和浓度基本上相同的掺杂区域。
因此，所述应变计仅经由其端部与构成传感器的材料的其余部分接触。因此可用于掺杂物的流动区段是极小的，这限制了掺杂物迁移的可能性。同样的情况适用于掺杂物在种类(硼、磷、砷...)和浓度方面的均匀性。另外，从膜片悬挂应变计使得有可能在谐振器和应变计响应于压力移出平面时，将所述谐振器和应变计基本上维持在共同的水平线上，因此使得更容易处理由应变计传递的信号。
有利地，应变计浸入真空中，优选地，浸入二次真空中，以便改进测量的稳定性和性能(品质因数、应变计因数...)。应变计与外壳中含有的任何气体分子之间的相互作用被限制，由此避免了电荷捕获、粘性摩擦等。
有利地，应变计具有矩形的截面，所述矩形具有小于1微米(μm)长且优选地为约250纳米(nm)长的长边。
因此可用于掺杂物迁移的区段是极小的。另外，这使得在定位应变计时能够存在更大的范围。
在此类情况下且有利地，应变计具有小于10μm且优选地等于约3μm的长度。
于是应变计是特别紧凑的，由此使得能够减小传感器的总尺寸。
本发明的其它特性和优点在阅读以下对本发明的特定、非限制性实施例的描述后显现。
附图说明
参见附图，在所述附图中：
·图1是本发明的第一实施例中的传感器的局部图解平面视图；
·图2是本发明的第二实施例中的传感器的局部图解平面视图；以及
·图3是第三实施例中的传感器的图解平面视图。
具体实施方式
参见图1，本发明的第一实施例中的压力传感器包括盒子1，所述盒子在此实例中基本上呈长方体形式，且限定在二次真空(在此实施例中，压力不超过10-5大气压)下的外壳(或称为容腔，下同)2。
呈单一飞块(flyweight)形式的谐振器3被接纳在外壳2中且通过附图标记都为4的柔性横梁从可弹性变形的膜片5悬挂，所述膜片5封闭外壳2(膜片5封闭外壳2的顶部开口且位于平行于图1的纸张的平面中)。
谐振器3基本上呈矩形块的形式，如图1中所示。谐振器3的振动幅度(seismic size)的长度基本上位于谐振器3的总长度的20％到40％的范围中，且优选地为25％。谐振器3不与膜片5直接接触。
横梁4形成用于谐振器3的两个悬挂臂，所述悬挂臂定位在谐振器的两侧上且连接到固定到膜片的两个立柱6。横梁4可以加倍，成为成对的平行横梁。立柱6与膜片5的纤细部分一体地制造，且所述立柱从所述纤细部分突出。定位立柱6，其方式为使得膜片5的变形导致立柱6纵向移动，所述移动传送到横梁4。
外壳2还含有用于激励谐振器3的装置，所述装置布置成将谐振器3设定成振动。在此实例中，激励装置包括形成换能器的面对的电极对7，所述面对的电极对一旦经受电压，就在谐振器3上产生驱动力，使得谐振器3在平行于膜片5且垂直于横梁4的方向8上执行往复运动。
传感器具有用于检测谐振器3的振动频率的检测器装置。检测器装置包括以不同方式操作的各应变计9，这些应变计垂直于横梁4而延伸，其中所述应变计中的每一者悬挂，使得其端部中的一者固定到横梁4中的一者且其另一端部固定到膜片5，更具体来说固定到膜片5的立柱10。这些立柱10与膜片5的纤细部分一体地制造，且所述立柱从所述纤细部分突出。定位立柱10，其方式为使得膜片5的变形导致立柱10以不传送到应变计9的方式运动。
应变计9布置成形成相位相反地操作且在拉伸和压缩之间交替的差动对。布置检测器装置，其方式为使得应变计9通过形成惠斯通电桥在差动拉伸-压缩模式下在其谐振范围外振动。这就可以使对温度信号的作用和对压力信号的作用去相关，因为温度仅存在于共模中，而温度和压力都存在于动态差模中。
在本发明中，应变计布置成能够测量代表谐振器的频率的阻抗，这与如在某些现有技术传感器中已经进行的测量表示膜片变形的幅度的电容形成对比。
立柱10在立柱6的附近，且应变计9在横梁4与立柱6之间的连接处附近连接到横梁4，使得应变计9在位于横梁4的长度的5％到15％的范围中(且有利地在8％到9％的范围中)的区域中锚定到横梁4。
每个应变计9具有矩形的截面，其中所述矩形的长边的长度小于1μm且在此实例中有利地等于250nm，且其中短边为可以几乎小一个数量级的长度。
每个应变计9具有小于10μm的长度，且在此实例中有利地为约3μm的长度。
传感器，且更确切地说谐振器3、膜片5、横梁4、立柱6、10以及应变计9通过蚀刻晶体材料的薄板来制成，所述晶体材料例如含有氮或碳的硅，或多晶体硅或“多晶硅”、或液晶聚合物等。
谐振器和应变计布置成形成种类和浓度基本上相同的掺杂区域。
本发明的传感器的布置使得可以在相同的晶体材料的晶片上制造具有不同压力范围的传感器，例如，优选地通过作用于膜片和谐振器的尺寸。
在以下对第二和第三实施例的描述中，给予与上文所描述的元件相同或相似的元件相同的数字编号。
参考图2，其示出了第二实施例，盒子1呈框架的形式，在所述框架上延伸有膜片5.1和膜片5.2二者，所述膜片是共面的。
这限定了空腔，通过横梁4从膜片5.1且从膜片5.2悬挂的谐振器3位于所述空腔中。两个横梁4的一个端部固定到谐振器3，相反端部固定到对应的立柱6.1、6.2。
传感器具有与第一实施例的应变计9相同的第一应变计9.1A、9.2A，每一个所述第一应变计一端固定到立柱10.1、10.2，而所述立柱固定到对应的膜片5.1、5.2，且每一个所述第一应变计的相反的一端固定到横梁4中的一者，其方式为使得垂直于横梁4且平行于膜片5.1、5.2的第一应变计9.1A、9.2A形成差动对。应变计9.1A中的一者处于拉伸中，而另一个应变计9.1A处于压缩中，且反之亦然。同样的情况适用于应变计9.2A。第一应变计9.1A、9.2A像第一实施例中的应变计9一样进行操作。立柱6中的每一者定位在位于传感器的膜片的尺寸的一半的20％到60％的范围中的区域中，所述区域优选地沿着其短轴线、从膜片5.1、5.2的中心(且优选地35％)出发。
传感器具有两个第二应变计9.1B和两个第二应变计9.2B，每个所述第二应变计的一个端部固定到对应地接近膜片5.1、5.2但不固定到其上的对应的立柱11.1、11.2，其相反的端部固定到谐振器3，其方式为使得平行于横梁4且平行于膜片5.1、5.2的第二应变计9.1B、9.2B相位相反地操作。两个应变计9.1B处于拉伸中，而两个应变计9.2B处于压缩中，且反之亦然。
在使用中，膜片5.1、5.2经受对应的压力P1和P2。
第一应变计9.1A和9.2A用以测量与(P1+P2)/2成比例的信号。
第二应变计9.1B和9.2B用以测量与ΔP＝P1-P2成比例的信号。因此，如果P1>P2，那么应变计9.1B总体上处于压缩中，而应变计9.2B总体上处于伸长中，如果P1<P2，则反过来。.
参见图3，在第三实施例中，盒子1呈具有允许进入外壳2的四个侧向开口(在盒子1的每一侧面都有一个开口)的长方体形式。这些开口通过膜片封闭以便形成第一对膜片50.1和第二对膜片50.2，每对膜片封闭盒子1的两个相对侧面的开口且因此形成经受二次真空的空腔。盒子1布置成使得第一对膜片50.1和第二对膜片50.2经受不同的压力(差压测量)。出于此目的，盒子1具有允许接近第一对膜片50.1的膜片50.1的至少一个第一开口(未图示)，和允许接近第二对膜片50.2的膜片50.2的至少一个第二开口(未图示)，所述开口(例如)通向盒子1的相对表面。以此方式，传感器可以定位成使得膜片50.1经受压力待测量的流体，而膜片50.2经受另一压力，所述另一压力或者是待测量的压力或者是参考压力。
横梁40布置为彼此平行的两对第一对横梁40.1和彼此平行的两对第二对横梁40.2，所述第一对横梁和第二对横梁将谐振器3的成对相对的四个侧面连接到成对膜片50.1、50.2。连接到膜片50.1的横梁40.1垂直于所述膜片50.1，且连接到膜片50.2的横梁40.2垂直于所述膜片50.2。横梁40.1、40.2直接连接到膜片50.1、50.2的纤细部分。第一对横梁40.1基本上垂直于第二对横梁40.2。
传感器具有各自连接到横梁40.1、40.2中的一者的八个应变计90.1A、90.1B、90.2A、90.2B，所述应变计在差动拉伸-压缩模式下在其谐振范围外振动且形成至少一个惠斯通电桥。
连接到第一对横梁40.1中的一对的横梁40.1的应变计90.1A垂直于横梁40.1延伸，而连接到第一对横梁40.1中的另一对的横梁40.1的应变计90.1B平行于横梁40.1延伸。连接到第二对横梁40.2中的一对的横梁40.2的应变计90.2A垂直于横梁40.2延伸，而连接到第二对横梁40.2中的另一对的横梁40.2的应变计90.2B平行于横梁40.2延伸。
每个应变计90.1A、90.2A被悬挂，使一个端部连接到横梁40.1、40.2中的一者且使其另一端部连接到相对应的膜片50.1、50.2的立柱100。每个应变计90.1B、90.2B被悬挂，使其端部中的一者连接到固定到横梁40.1、40.2中的一者的立柱110.1、110.2，且使其另一端部直接连接到相对应的膜片50.1、50.2的纤细部分。立柱110.1、110.2与横梁40.1、40.2一体地制造且所述立柱从所述横梁突出。立柱110.1、110.2定位成使横梁40.1、40.2的变形导致立柱110.1、110.2以传送到应变计90的方式运动。
应变计90.1A、90.2A用于测量本身的压力，而应变计90.1B、90.2B用于评估温度对横梁40.1、40.2的性能的影响。可以理解，应变计90.1B和90.2B基本上测量横梁40.1、40.2的热膨胀。由应变计90.1、90.2传递的信号A和B通过连接到传感器的控制单元(未示出且本身已知)来处理。
应变计90具有与在第一实施例中相同的尺寸。
激励装置布置成使得谐振器3在垂直于图3的纸张的平面的方向上在两个位置之间往复。激励装置包括用于将谐振器3从第一位置朝向第二位置运动的至少一个元件(在此实例中为电极12)和用于使谐振器朝向其第一位置弹性地回复的元件。弹性回复元件在此实例中由横梁40.1、40.2构成。
自然地，本发明不限于所描述的实施例，而覆盖落入如权利要求书所限定的本发明的范围内的任何变体。
具体来说，传感器可以具有多个谐振器，例如两个谐振器。然而，难以具有恰好具有相同谐振频率的两个飞块，因此所述飞块中的一者将不以其最大品质因数(Q factor)(谐振频率与预期的频率变化的比值)进行操作，由此产生随温度增加而增加的不准确度。
成对横梁可以被单一横梁替代。
传感器可以通过蚀刻、胶粘剂粘合和/或焊接由一或多个晶体材料的薄板制成。
膜片可以具有带有多边形(例如矩形或正方形)的轮廓或带有弯曲(例如椭圆形或圆形)的轮廓的形状。如果所述膜片具有带有长轴和短轴的细长形状，那么短轴与长轴的比值优选地基本上位于范围1到1/2中，且优选地基本上等于1/1.3。
激励装置可以包括平面的电极或某些其它形状(例如，呈梳子形式)的电极。
在一个变体中，立柱10可以与立柱6一体地制造。
在另一变体中，立柱10在谐振器3的附近，应变计9在横梁4与谐振器3之间的连接处的附近连接到横梁4。

Claims (21)

1.一种由半导体材料制成的压力传感器，所述传感器包括盒子(1)，所述盒子限定在二次真空下的外壳(2)，至少一个谐振器(3)被接纳在所述外壳中且通过柔性横梁(4)从至少一个可弹性变形的膜片(3)悬挂，所述膜片(3)封闭还含有用于激励所述谐振器以便将所述谐振器设定成振动的装置(7，12)和用于检测所述谐振器的振动频率的检测器装置的所述外壳，所述检测器装置包括至少第一压阻式应变计(9)，所述传感器的特征在于，所述第一应变计被悬挂，并具有固定到所述横梁中的一者的一个端部和固定到所述膜片的一个端部，其特征还在于，所述谐振器和所述第一应变计布置成形成种类和浓度基本上相同的掺杂区域。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器具有单一谐振器(3)。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中所述传感器具有两个横梁(4)，所述横梁将所述谐振器(3)的两个相对侧面连接到所述膜片(5)，且所述传感器具有各自连接到所述横梁中的一者的两个第一应变计(9)。
4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于所述第一应变计(9)垂直于所述横梁(4)延伸。
5.根据权利要求3所述的传感器，其中所述传感器包含至少一个第二悬挂应变计，所述第二悬挂应变计具有固定到所述谐振器的一个端部和固定到所述膜片的一个端部，所述谐振器和所述应变计布置成形成种类和浓度基本上相同的掺杂区域。
6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述第二应变计平行于所述横梁中的一者。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的传感器，其中所述传感器具有两个第二应变计。
8.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，连接到所述横梁(4)中的一者的所述第一应变计(9)垂直于所述横梁延伸，而连接到另一个横梁的所述第二应变计平行于所述另一横梁延伸。
9.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述横梁被安排为对应地将所述谐振器(3)的成对相对的四个侧面连接到所述膜片(5.1、5.2)的两个平行的第一横梁(4.1)和两个平行的第二横梁(4.2)，所述传感器具有各自连接到所述横梁中的一者的四对应变计(9.1A、9.1B、9.2A、9.2B)，所述第一横梁基本上垂直于所述第二横梁。
10.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，连接到所述第一横梁(4.1)中的一者的所述应变计(9.1A)垂直于所述第一横梁延伸，连接到所述第一横梁中的另一者的所述应变计(9.1B)垂直于所述第一横梁延伸，而连接到所述第二横梁(4.2)的所述应变计(9.2A、9.2B)以与连接到所述第一横梁的所述应变计相同的方式来布置。
11.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述盒子(1)承载：
第一对膜片(5.1)，所述第一对膜片垂直于所述第一横梁(4.1)且各自连接到所述第一横梁中的一者以及连接到所述相对应的应变计(9.1)；以及
第二对膜片(5.2)，所述第二对膜片垂直于所述第二横梁(4.2)且各自连接到所述第二横梁中的一者以及连接到所述相对应的应变计(9.2)，
所述盒子布置成使得所述第一对膜片和所述第二对膜片经受不同的压力。
12.根据权利要求11所述的传感器，其特征在于，所述盒子(1)具有对着所述第一对膜片的所述膜片(5.1)的至少一个第一进出开口和对着所述第二对膜片的所述膜片(5.2)的至少一个第二进出开口，所述开口对着在所述盒子的同一侧面上的表面开放。
13.根据权利要求中1到12中任一项所述的传感器，其特征在于，每个横梁(4)加倍以便形成一对横梁。
14.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述横梁(4)和所述应变计(9)平行于所述膜片(5)延伸，并具有连接到从所述膜片的纤细部分突出的立柱(6、10)的一个端部。
15.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述横梁(4)垂直于所述膜片(5)延伸。
16.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述应变计(9)具有矩形的截面，所述矩形具有长度小于1μm的长边。
17.根据权利要求16所述的传感器，其特征在于，所述应变计(9)具有矩形的截面，所述矩形具有长度等于约250nm的长边。
18.根据权利要求16所述的传感器，其特征在于，所述应变计(9)具有小于10μm的长度。
19.根据权利要求18所述的传感器，其特征在于，所述应变计(9)具有约3μm的长度。
20.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述激励装置(7、12)布置成使所述谐振器(3)运动以在两个位置之间往复。
21.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述激励装置包括：
用于将所述谐振器从第一位置运动到第二位置的至少一个元件(12)；和
用于使所述谐振器朝向其第一位置弹性地回复的元件(4)。
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