CN106995205A - 制造压力传感器的方法 - Google Patents

Abstract

一种制造过热或火警探测系统的方法，包括以下步骤：微机械加工压力传感器10，以及紧固传感器管(20，图2)使之与所述压力传感器10流体连通。所述传感器管可包括含有在加热时释出气体的材料的中空管(24，图2)。所述微机械加工步骤可包括掺杂第一层12的至少一部分13、至少部分地在所述经掺杂部分13内形成空腔19，以及在所述空腔上形成可变形隔膜14。

Description

制造压力传感器的方法

技术领域

本公开涉及一种用于过热或火警系统中的压力传感器，且明确地说，涉及一种制造传感器和此类系统的方法。这样的过热或火警系统可用以监控包含飞行器的各个部分和其它航天应用的数个不同环境。

发明背景

已知的过热或火警系统包括与压力传感器流体连通的传感器管，该压力传感器也称为压力开关模块。该传感器管通常包括含有金属氢化物芯(通常为氢化钛)和惰性气体填充物(例如氦气)的金属传感器管。此类系统显示于US-3122728(Lindberg)中。

传感器管暴露于高温会使得金属氢化物芯释出氢气。传感器管中相关的压力升高使得压力传感器中正常情况下开启的压力开关关闭。此产生离散警报。压力传感器还经配置以由于与惰性气体填充物的热膨胀相关联的压力升高而产生平均过热警报。所述离散与平均警报状态可使用单个压力开关探测为单个警报状态或使用至少两个压力开关而分开探测。

与气动式火灾/过热探测器一起使用的单警报压力传感器的一个实例描述于US5136278A(Watson)中。此探测器使用两个可变形金属隔膜来形成气动式压力传感器开关。所述隔膜通常由TZM合金盘(alloy disc)形成，所述TZM合金盘已经受压力形成操作以实现传感器的所需压力设定点。在压力形成之后，所得隔膜的直径约为5到10mm。

历史上，隔膜的压力形成是在最终装配气动式压力探测器之前进行。对此制造工艺的改善描述于US2009/0236205(Nalla)中。此文献公开了一种在最终装配开关模块之后执行压力形成操作的方法。尽管存在此改善，但制造具有可一致地重复的压力设定点的传感器为相对耗时且可能成本较高的程序。

与已知设计相关联的另一缺点为气动式压力开关的相对较大的内部自由容积。气动式压力传感器的自由容积内的气体将减小与惰性气体的膨胀或传感器管内的氢气释出相关联的压力升高。此将对系统的热探测能力具有不利影响。此外，在离散警报状况期间释出的氢气可能进入气动式压力开关的自由容积。此氢气因而不再与金属氢化物芯物理接触，且无法在冷却时被重新吸收。此将对探测系统在离散警报事件之后成功重置的能力具有不利影响。这些影响对于短的传感器管长度都更加显著。

本公开设法解决这些问题中的至少一些。

发明概要

本文公开了一种制造过热或火警探测系统的方法，其包括以下步骤：微机械加工压力传感器；以及紧固传感器管使之与所述压力传感器流体连通。

应理解，术语‘压力传感器’意在是指可探测压力变化的任何传感器。所述压力传感器可包括一个或多个个别‘压力开关’，其中的每一者将因压力变化而启动。所述开关会在特定压力阈值(‘压力设定点’)下被启动以开启或关闭电端子，因此提供数字输出。数字压力开关的一个实例为具有可变形隔膜的气动式压力探测器。或者，所述开关可视压力而变提供连续改变的输出，因此提供模拟输出。模拟压力开关的一个实例为电子压力传感器，例如电容式或压阻式传感器。

术语‘微机械加工’(或‘微系统技术’(MST))在此项技术中是众所周知的，是指在微米尺度上制造三维结构。通常，这些结构使用半导体衬底，例如硅或基于硅的衬底(即，晶片)，但也可使用其它衬底。基本制造技术涉及沉积极薄的层并且图案化所述层以及蚀刻。使用微机械加工方法产生的系统通常称为‘微机电系统’(MEMS)。

使用微机械加工技术能够产生具有小得多且更准确的尺寸的压力传感器。此允许更高效且可靠的制造工艺。以此方式制成的压力传感器可提供对压力变化更准确并且可靠的反应。

根据本公开的压力传感器可具有100μm或更小或介于30μm与100μm之间或大约30μm的最大总尺寸。每一开关可具有30μm或更小，或10μm或更小的最大总尺寸。所述最大总尺寸可以是传感器/开关的占据区域的直径或宽度。

微机械加工技术还可提供具有高度复杂的几何形状的压力传感器，其压力设定点可更准确地加以设定。

使用微机械加工使压力传感器小型化还意味着可以在单个过程中在单个衬底上产生数个压力开关。单个传感器管可连接到所述衬底，与数个不同开关流体连通。用户可接着选择将电路系统连接到哪一或哪些开关以便监控所需压力设定点。可能需要使用具有不同设定点的数个不同开关，以使得可监控各种温度条件，例如，过热、起火和完整性(以检查传感器管中的泄漏)。

所述传感器管可包括含有在加热时释出气体的材料的中空管。此类传感器管是众所周知的，如上文所论述。该管可由例如铬镍铁合金等金属制成。材料可以是金属氢化物，例如氢化钛。所述传感器管可含有惰性气体填充物，例如氦气。所述传感器管相对于其直径(例如，小于5mm)可具有极大长度(例如，介于1米与10米之间)。由此，使用小型化压力传感器可允许制造极小轮廓(即，小直径)的过热/火警探测系统。

微机械加工步骤可包括形成和/或提供一个或多个层。所述层可各自具有100μm或更小的厚度。

第一层可以是在上面沉积其它层的衬底层。该第一层可被认为是下部或基底层，因为这可能是其在制造期间的定向。然而，应理解，压力传感器可以任何定向来制造(并且随后被使用)。该第一层可包括半导体材料，例如硅。

所述微机械加工步骤可包括掺杂第一层的至少一部分。所述掺杂可以任何已知的适当方式来执行。经掺杂部分可延伸遍及第一层的整个厚度，以使得可从第一层的下侧接近经掺杂部分。第一层可包括一个或多个未经掺杂的部分。

第一层可具有100μm或更小的厚度。

可提供多个单独的经掺杂部分。

每一经掺杂部分可形成电端子。关闭所述电端子可开启或关闭电路并且触发警报。所述经掺杂部分可连接到任何适当电路系统以提供警报电路。适当电路系统显示于US-5136278(Watson)和US-5691702(Hay)中，并且对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

所述微机械加工步骤可包括至少部分地在所述经掺杂部分内形成空腔。空腔可在已形成所述经掺杂部分之前或之后形成于所述第一层中。所述空腔至少部分地在所述经掺杂部分内。由此，所述经掺杂部分的至少部分形成基底和/或所述空腔的一个或多个壁的部分。

可形成多个空腔，其中每一空腔部分地在经掺杂部分内。

所述空腔可具有小于1μm或0.5μm或更小的深度。

可使用任何已知方法形成所述空腔。举例来说，可蚀刻出所述空腔。已知蚀刻技术包含湿式蚀刻和干式蚀刻。

所述空腔可用以为具有隔膜的气动式压力传感器提供充气部(plenum)。使用微机械加工技术提供具有准确尺寸、具有极小的内部自由容积的极小空腔。

形成一个或多个层的步骤可包括在所述空腔上形成可变形隔膜。所述隔膜可直接或间接地紧固到所述第一层。可通过在所述第一层上沉积材料层而形成所述可变形隔膜。

所述隔膜可具有小于5μm或为1μm或更小的厚度。

应理解，尽管所述隔膜覆盖所述空腔，但其可能不与所述第一层直接接触。换句话说，可能在所述隔膜与所述第一层之间存在一个或多个介入层。所述隔膜的占据区域覆盖所述第一层中的空腔。所述隔膜可经由所述介入层间接地紧固到所述第一层。

在使用中，所述隔膜的覆盖所述空腔的部分在经受作用于其上的流体压力时可能移动到所述空腔中。所述隔膜的所述部分进入到所述空腔中的移动会关闭电端子且触发警报。由此，所述隔膜和空腔一起形成压力开关。

所述微机械加工步骤可包括在所述隔膜的第二表面中形成凹部。所述隔膜的第二表面背对所述第一层。在制造期间，所述第二层可定位在所述第一层上，但应理解，完工后的压力传感器可经制造，(且随后)以任何定向使用。

所述凹部至少部分地与所述空腔对准。由此，所述隔膜的与所述凹部对准的部分覆盖所述空腔的至少一部分。

可使用任何已知方法形成所述凹部。举例来说，可蚀刻出所述凹部。

在所述隔膜的与所述空腔对准的部分中形成凹部可减小此部分的硬度。通过改变所述凹部的深度，可设定压力开关的压力设定点。这是因为柔性较大的部分将在较低压力下变形。较深的凹部可因此用以探测较低压力且因此探测较低温度阈值。

可形成多个单独的凹部。

所述凹部和空腔可为圆形的(当从上部观看时)，但其它形状也是可能的。

形成多个空腔和凹部有效地在单个衬底上提供数个不同开关。如上文所论述，数个不同开关可连接到单个传感器管。可以不同压力阈值致动每一开关。

实现此的一种方式是通过使至少两个凹部具有不同深度来实现。为提供不同深度，一个凹部可经受比其它凹部更高水平(或不同类型)的蚀刻。

或者，可改变所述第一层中的所述空腔的深度。所述空腔越深，使所述隔膜充分变形以关闭所述空腔内的电端子并且触发警报所需的压力将越大。再次，不同空腔可经受不同水平(或类型)的蚀刻。

所述隔膜上可具有两个、三个或三个以上凹部，其中每一凹部至少部分地与所述第一层上的空腔对准。每一凹部可具有不同深度。

所述隔膜可由任何适当材料形成。所述隔膜可由提供针对氢气(其可从所连接的传感器管释出)的有效障壁的材料(例如氮化硅(Si₃N₄))形成。所述隔膜可由可容易并且准确地被蚀刻的材料(例如陶瓷(例如，Si₃N₄))形成。

所述隔膜可由电绝缘材料形成。为了在所述隔膜的一部分移动到所述空腔中时完成电路，所述方法可包括在所述隔膜与所述第一层之间形成柔性导电层。单个导电层可延伸于所述第一层上的所有空腔(如果存在)之上。

或者，所述隔膜可由导电材料形成，以使得在所述隔膜的一部分接触所述第一层的在空腔内的经掺杂部分时完成电路。

所述隔膜和经掺杂部分可提供电路的端子。关闭或开启这些端子可触发警报以指示已探测到特定压力阈值(且因此探测到传感器管的温度)。适当电路系统对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

本公开扩展到一种气动式压力传感器，其包括第一层以及可变形隔膜。所述第一层在第一表面中具有多个空腔。所述隔膜具有面向且覆盖所述空腔的第一表面以及背对所述第一层的第二表面。所述第二表面具有多个凹部，其中的每一者至少部分地与所述空腔中的一者对准。至少一第一凹部具有大于第二凹部的深度。

如上文所论述，尽管所述隔膜覆盖所述空腔，但其可能并不直接接触所述第一层。实际上，一个或多个介入层可位于所述隔膜与所述第一层之间。

所述第一层和隔膜可具有上文相对于制造过热或火警探测系统的方法所描述的特征中的任一者。。

每一空腔和凹部可提供个别压力开关。

所述气动式压力传感器可使用微机械加工而形成。

所述第一层可具有100μm或更小的厚度。所述隔膜可具有小于5μm或为1μm或更小的厚度。

所述第一层可包括具有多个经掺杂部分的半导体晶片。每一空腔可至少部分地处于所述经掺杂部分中的一者内。

每一经掺杂部分可提供可通过将所述隔膜的一部分移动到空腔中而关闭的电端子。

本公开还扩展到一种制造如上所述的气动式压力传感器的方法。所述方法包括以下步骤：在第一表面中微机械加工具有多个空腔的第一层，以及微机械加工可变形隔膜，所述可变形隔膜覆盖所述空腔并且在背对所述第一层的第二表面中具有深度不同的多个凹部。

本公开还扩展到一种过热或火警探测系统，其包括如上所述的气动式压力传感器以及连接到该传感器且与多个凹部流体连通的传感器管。

所述过热或火警探测系统可如上所述而制造。

本公开还扩展到一种制造过热或火警探测系统的方法，其包括制造如上所述的气动式压力传感器，以及连接传感器管使之与多个凹部流体连通。

附图简述

现将仅以举例方式并且参考图1到2描述本公开的一些示范性实施方案，其中：

图1a到1c是根据本公开的示范性实施方案的压力传感器的各种视图；以及

图2示出了根据本公开的示范性实施方案的过热或火警系统的示意性横截面图。

诸图未按比例绘制。

具体实施方式

图1a示出了示范性经过微机械加工的压力传感器10的透视图。传感器10包括衬底12(‘第一层’)和可变形隔膜14。

隔膜14可由陶瓷材料(例如氮化硅(Si₃N₄))形成。衬底12是由半导体(例如硅)形成。

隔膜14在上部(‘第二’)表面14b中包括三个凹部16a、16b、16c。凹部16a、16b、16c为圆形且按相等间距隔开。

介入导电性柔性金属层18位于隔膜14与衬底12之间。金属层18接触衬底12的上部(‘第一’)表面12a和隔膜14的下部(‘第一’)表面14a。隔膜14、衬底12和介入金属层18都是圆形的，且实质上具有相同大小。

隔膜14和介入金属层18可经由沉积而形成。所述层的特征(例如凹部16a、16b、16c以及空腔19)可通过蚀刻相应层而形成。

图1b示出了压力传感器10的俯视平面图。凹部具有10微米的直径D2，并且隔膜14具有30微米的直径D1。隔膜14的直径表示传感器10的最大总尺寸。其它尺寸将是适当的。

图1c示出了沿图1b中的线A-A截取的传感器10的横截面图。如上文所论述，传感器10包括三层结构，即衬底12、金属层18和隔膜14。衬底12包括经掺杂部分13和未经掺杂部分。可以看到单个凹部16a。形成于经掺杂部分13中的空腔19在凹部16a下方。空腔19界定于经掺杂部分13的上部表面13a、未经掺杂部分12的壁12c与隔膜的下部表面14a之间。空腔19与凹部16a实质上对准。类似的经掺杂部分和空腔形成于两个其它凹部16b、16c下方。

隔膜的厚度T₁为1.0μm，且空腔19在经掺杂部分中的深度T₂为0.5μm，但其它尺寸也将是适当的。

隔膜的在凹部16a下方的部分14c、经掺杂部分13、空腔19和介入金属层18形成气动式压力开关。当在其上部表面14b上经受足够压力时，部分14c将变形到空腔19中(随其携带金属层18的部分)。当金属层18接触经掺杂部分13时，完成电路(图中未示)。此触发警报以指示已探测到特定温度阈值。所示传感器10因此具有三个相异的开关。

凹部16a、16b、16c可各自具有不同深度。此提供不同压力设定点，因为部分14c在凹部下方的厚度将与使所述部分变形到空腔19中所需的压力量成反比。压力设定点也将取决于空腔19的深度，因为部分14c将会进一步变形直到其与经掺杂部分13接触(经由金属层18)。

在使用中，所有三个开关可用以监控不同温度条件，例如过热、起火和完整性。或者，用户可仅连接到具有所需压力设定点的开关。

图2示出了包括紧固到传感器管20的传感器10(图1a到1c)的示范性过热或火警系统30的横截面图。传感器10仅出于说明目的而被放大显示。例如由陶瓷制成的热绝缘块26附接在传感器10周围。套筒28缠绕在块26和传感器管20的一部分周围以确保传感器10与管20之间的气密密封。

传感器管20包括内部空间21和实心芯22。内部空间21填充有惰性气体，例如氦气。实心芯22由在加热时释出气体(例如氢气)的材料形成。所述材料可以是氢化钛。管20包括例如由铬镍铁合金制成的金属壳24。浅间隙或充气部23形成于传感器10(并且具体来说，隔膜14的上部表面14b)与传感器管20的第一末端20a之间。凹部16a、16b、16c与传感器管20的内部21流体连通。

传感器管20具有1.6mm的外径D3和0.9mm的内径D4。实心芯22具有0.66mm的直径D5。其它尺寸将是适当的。

加热传感器管20首先引起氦气膨胀。此施加压力于凹部16a、16b、16c上。取决于每一开关的压力设定点，可启动一个或多个开关。进一步加热传感器管20使得芯22释出氢气。此使得一个或多个开关启动。

压力开关中的一者可在压力下降到特定阈值之下的情况下提供完整性警报。阈值可设定为氦气填充物的正常操作压力。如果压力下降到此阈值之下，那么其可指示传感器管中(或管20与传感器10之间)的泄漏。完整性开关可为常断式的，并且仅当压力下降到阈值之下时才开启。在正常情况下关闭的开关开启(即，金属层18与经掺杂部分之间的电路的开启)可触发警报。

示范性过热或火警系统30可因此用以提供指示不同温度或条件的数个不同警报信号。

以上描述仅例示本发明的原理。鉴于以上教示，许多修改和变化是可能的。因此，应理解，在所附权利要求书的范围内，可以与使用已经具体描述了的示例性实施方案不同的方式来实践本发明。出于所述原因，应研究所附权利要求书以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (6)

1. 一种气动式压力传感器，其包括：

第一层，其在第一表面中具有多个空腔；以及

可变形隔膜，其具有：

第一表面，其面向且覆盖所述空腔；以及

第二表面，其背对所述第一层且具有多个凹部，其中每一凹部至少部分地与所述空腔中的一者对准且至少一第一凹部具有大于第二凹部的深度。

2. 根据权利要求1所述的气动式压力传感器，其中所述第一层和所述隔膜各自具有100 µm或更小的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的气动式压力传感器，其中所述第一层包括具有多个经掺杂部分的半导体晶片，且所述空腔中的每一者至少部分地在所述经掺杂部分中的一者内。

4.根据权利要求3所述的气动式压力传感器，其中每一经掺杂部分提供可通过将所述隔膜的一部分移动到空腔中而关闭的电端子。

5. 一种制造根据权利要求1到4中任一权利要求所述的气动式压力传感器的方法，其包括以下步骤：

微机械加工在第一表面中具有多个空腔的第一层；以及

微机械加工可变形隔膜，所述可变形隔膜覆盖所述空腔且在所述隔膜的背对所述第一层的第二表面中具有深度不同的多个凹部。

6.一种制造过热或火警探测系统的方法，其包括根据权利要求5所述的方法制造气动式压力传感器以及连接传感器管使之与所述多个凹部流体连通。