CN108463703B - 相对压力传感器 - Google Patents

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Abstract

示例提供了一种包括相对压力传感器的设备，所述相对压力传感器包括衬底以及处于所述衬底的面中的腔。所述腔具有处于所述衬底中的底面。通道从所述腔延伸出来。隔膜支撑压力感测器件，并且被安装至所述衬底并与所述底面相对。

Description

相对压力传感器
技术领域
本公开内容涉及压力感测，并且特别涉及用于感测压力的设备和方法。
背景技术
相对压力传感器用于感测不同区域之间的相对压力。诸如墨水容器或墨盒之类的液体容器可以包括相对压力传感器来识别液体容器内的过大压力。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于感测压力的设备，包括：相对压力传感器，所述相对压力传感器包括：衬底；处于所述衬底的面中的腔，所述腔具有处于所述衬底中的底面，其中，所述腔位于所述衬底的第一外侧壁和第二外侧壁之间，并且所述衬底的所述第一外侧壁和所述第二外侧壁彼此相对；从所述腔延伸并直接连接到所述腔的内部的通道，其中，所述通道延伸穿过所述衬底的所述第二外侧壁；压力感测器件；以及支撑所述压力感测器件的隔膜，所述隔膜被安装至所述衬底并与所述腔的所述底面相对，其中，所述通道包括具有第一开口和第二开口的管道，所述第一开口形成所述腔内的端口，并且其中，除了所述第一开口和所述第二开口以外，所述通道在所有侧面上均被所述衬底包围。
附图说明
图1是示例性相对压力传感器的顶视图。
图2是图1的示例性相对压力传感器的端视图。
图3是沿线3-3截取的图3的示例性相对压力传感器的截面图。
图4是用于形成相对压力传感器的示例性方法的流程图。
图5A是用于形成示例性相对压力传感器的示例性方法的示例性第一阶段的顶视图；图5A示出了用于示例性相对压力传感器的示例性衬底。
图5B是沿线5B-5B截取的图5A的示例性衬底的截面图。
图5C是图5A的示例性衬底的端视图。
图6A是用于形成示例性相对压力传感器的示例性方法的示例性第二阶段的顶视图；图6A示出了在衬底的沟道之上并且在衬底的腔周围施加示例性盖状物之后的图5A的示例性衬底。
图6B是沿线6B-6B截取的图6A的示例性衬底的截面图。
图6C是图6A的衬底的端视图。
图7A是示例性压力感测管芯的顶视图。
图7B是图7A的示例性压力感测管芯的截面图。
图8是用于形成示例性相对压力传感器的示例性方法的示例性第三阶段的顶视图；图8示出了在安装了图7A的压力感测管芯之后的图6A的示例性衬底。
图9是用于形成示例性相对压力传感器的示例性方法的示例性第四阶段的顶视图；图9示出了在引线接合和封装之后的图8的示例性衬底。
图10是用于形成相对压力传感器的另一示例性衬底的截面图。
图11是图10的示例性衬底的顶视图。
图12是在安装了压力感测管芯并且盖状物被固定至示例性衬底之后的包括图10的示例性衬底的示例性相对压力传感器的截面图。
图13是图12的相对压力传感器的端视图。
图14是另一示例性相对压力传感器的截面图。
图15是包括示例性感测单元的示例性液体供应装置的截面图。
图16是包括示例性感测单元的另一示例性液体供应装置的截面图。
图17是沿线17-17截取的图16的示例性感测单元的截面图。
图18是沿线18-18截取的图16的示例性感测单元的截面图。
图19是用于形成具有腔和沟道的衬底并且相对于所述腔放置压力感测器件的示例性方法的流程图。
图20A是用于形成相对压力传感器的示例性方法的示例性第一阶段的截面图。
图20B是图20A所示的示例性第一阶段的顶视图。
图21A是用于形成相对压力传感器的示例性方法的示例性第二阶段的截面图。
图21B是图21A所示的示例性阶段的顶视图。
图22是用于形成相对压力传感器的示例性方法的示例性第三阶段的截面图。
图23A是用于形成相对压力传感器的示例性方法的示例性第四阶段的截面图。
图23B是图23A所示的示例性第四阶段的顶视图。
图24A是用于形成相对压力传感器的示例性方法的示例性第五阶段的截面图。
图24B是图24A所示的示例性第五阶段的顶视图。
图25是包括相对压力传感器的示例性感测单元的一部分的正视图。
具体实施方式
相对压力传感器用于感测相对于不同区域的相对压力。用于形成这种相对压力传感器的当前技术中的一些可能复杂而且昂贵。图1示出了与很多当前可得的相对压力传感器相比具有较低的复杂性而且制造更为简单的示例性相对压力传感器。
图1-图3示出了示例性相对压力传感器20。图1是示例性相对压力传感器20的顶视图。图2是示例性相对压力传感器20的端视图。图3是沿线3-3截取的图1的示例性相对压力传感器的截面图。相对压力传感器20包括衬底30、腔32、通道34、隔膜38和压力感测器件40。衬底30包括用于相对压力传感器20的载体、基座或平台。衬底30具有在其中形成了腔32和通道34的主体。腔32从衬底30的面44延伸到衬底30中。腔32具有底面48和侧壁50。在所例示的示例中，侧壁50垂直于面44并且垂直于包含隔膜38和压力感测器件40的主要尺寸的平面延伸。出于本公开的目的，“主要尺寸”是指对象的最大尺寸，长度、宽度或高度。
在一种实施方式中，衬底30被模制以形成腔32。在另一种实施方式中，衬底30经历诸如微机械加工的材料去除工艺以形成腔32。在一种实施方式中，衬底30由聚合物形成。在一种实施方式中，衬底30由诸如环氧树脂模制化合物的热固性聚合物形成。在一种实施方式中，衬底30包括玻璃、硅或者其它材料或者由这些材料形成。
通道34包括具有第一开口54和第二开口56的管道，第一开口54形成腔32内的端口。在一种实施方式中，腔32和上覆隔膜38和压力感测器件40位于第一区域内，而端口56与第二区域连通，其中，压力感测器件40输出指示第一区域和第二区域之间的压力差的信号。在所例示的示例中，通道34沿位于与腔32的底面48平行的平面中的线延伸。在其它实施方式中，通道34可以沿在相对于腔32的底面48倾斜的平面中延伸的线延伸至腔32。
在一种实施方式中，通道34包括穿过衬底30的主体钻出的或者以其它方式形成的膛，其中，除了开口54、56以外，通道34在所有侧面上均被衬底30包围。在另一种实施方式中，如下文所述，通道34包括形成于衬底30的面中的凹槽或沟道，所述沟道在三个侧面上被衬底30界定，其中，盖状物被固定至衬底30的处于沟道之上或者与沟道相对的面，以形成被完全界定的或者被完全包围的通道34。
隔膜38包括弹力柔性材料的板。在一种实施方式中，隔膜30包括薄硅隔膜。隔膜38在腔32之上并且跨越腔32固定至衬底30(直接或者间接地)，以便与底面48相对地横跨腔32至相对侧壁50以外。隔膜38支撑压力感测器件40。
压力感测器件40包括感测隔膜30的挠曲的器件，所述挠曲是由施加至第一区域中的隔膜38的外侧的压力与施加至隔膜38的与腔32相邻并且经由通道34与端口56连通的内侧的压力之间的差导致的。在一种实施方式中，压力感测器件40包括具有压敏电阻器的惠斯通电桥。在一种实施方式中，隔膜38的部分被掺杂，以提供形成惠斯通电桥的压敏电阻器和电迹线。在其它实施方式中，压力感测器件40可以包括其它类型的压力感测器件。隔膜38和压力感测器件40一起形成了压力感测管芯，所述压力感测管芯可以被单独形成为接下来被安装至衬底30的独立单元。
图4是可以用于形成相对压力传感器(例如，图1-图3所示的传感器20)的示例性方法100的流程图。针对方法100，块104、106和108所示的步骤的顺序不限于所示的块的顺序。如块104所示，诸如腔32的腔、诸如通道34的沟道被形成在诸如衬底30的衬底中。沟道被形成为使其连接至同样处于衬底30中的诸如腔32的腔。所形成的沟道并未在所有侧面上被围住，而是包括延伸到衬底的面中的凹槽。
如块106指示的，提供与腔相对的诸如压力感测器件40的压力感测器件。在一种实施方式中，压力感测器件由隔膜支撑，其中，隔膜被放置为与腔相对，例如，与衬底内的腔的底面相对。如下文将描述的，在一种实施方式中，块104先于块106，其中，当在衬底中已经形成了腔和沟道之后将压力感测器件(和隔膜)固定至衬底。在另一种实施方式中，块104在块106之后，其中，压力感测器件(和隔膜)由载体支撑，并且其中，衬底形成于载体上，处于压力感测器件(和隔膜)之上并且在暂时填充并限定将要形成的衬底中的腔和沟道的牺牲层之上。
如块108指示的，盖状物被固定至衬底并与沟道相对，以形成通往腔的诸如通道34的通道。在一种实施方式中，盖状物可以包括完全处于液体形式的粘合剂的层，其中，液体具有粘滞度，因而不会完全流入并填充沟道，而是为沟道形成天花板或顶部。在另一种实施方式中，盖状物可以包括膜粘合剂，其为涂覆有粘合剂以用于固定至衬底的膜，例如织物网格或者固态聚合物板或层。在一种实施方式中，盖状物可以包括片或板，其在受到充分激励或激活时经历物理状态的变化，从而附着、焊接、熔接或者以其它方式接合至衬底，同时在沟道之上跨越沟道延伸，但不完全填充沟道。在又一些实施方式中，盖状物可以包括在沟道之上被紧固、扣合、焊接或者以其它方式固定至衬底30的板。
图5-图9示出了被实行以形成完整的相对压力传感器220(图9所示)的方法100的一种示例性实施方式的各个阶段。如图5A、图5B和图5C所示，提供了衬底230，在衬底230中形成了腔232和沟道233。在一种实施方式中，腔232和沟道233被微机械加工到衬底230中。在另一种实施方式中，衬底230被模制以形成模制的腔232和沟道233。在一种实施方式中，衬底230包括聚合物，例如诸如环氧树脂模制化合物的热固性聚合物。在另一种实施方式中，衬底230包括玻璃或硅材料。
在例示的示例中，腔232包括底面248和侧壁250。侧壁250从衬底230的面244倾斜地延伸，并且还相对于底面248倾斜。侧壁250相对于腔232内的面244所在的平面形成锐角(小于90°的角度)。侧壁250相对于底面248所在的平面形成钝角(大于90°的角度)。
如图6A、图6B和图6C所示，盖状物235被固定至衬底230并在沟道233之上或与沟道233相对，以形成被完全包围的通道234。在例示的示例中，盖状物包括处于沟道233之上的液体粘合剂的沉积，其中，液体粘合剂具有粘滞度，这防止液体完全填充沟道233，由此留下通道234。在例示的示例中，施加于沟道233之上的液体粘合剂还被施加至衬底230的处于腔232周围的面244，其中，液体粘合剂接下来用于将压力感测器件固定至衬底230、在腔232之上并与腔232的底面248相对。液体粘合剂辅助在接下来安装的压力感测器件与衬底230的面244之间形成密封。在其它实施方式中，盖状物235可以包括在相对的面上涂覆有粘合剂的板或膜，其中，一面上的粘合剂接合至衬底230的面244，并且其中，另一面上的粘合剂接合至支撑压力感测器件的隔膜。如上所述，在一些实施方式中，可以通过热、光、化学反应或其它催化剂来选择性地激活任一面上的粘合剂。
图7A和图7B示出了一种示例性压力感测器件。图7A和图7B示出了包括隔膜238和压力感测器件240的示例性压力感测管芯236。隔膜238与上文所述的隔膜38类似。压力感测器件240与上文所述的压力感测器件40类似。在例示的示例中，压力感测器件240包括具有压敏电阻器的惠斯通电桥。在其它实施方式中，压力感测管芯236可以包括其它类型的压力感测器件240。
图8是示出管芯236到衬底230的附接的顶视图。在例示的示例中，管芯236使用粘合剂固定至衬底230的面244，所述粘合剂被提供为盖状物235的在腔232周围延伸的部分。在其它实施方式中，可以利用不同于形成盖状物235的粘合剂施加的单独的粘合剂施加将管芯236固定至衬底230。在一种实施方式中，使粘合剂固化，以完成接合。在例示的示例中，粘合剂在管芯236与衬底230的面244之间形成了密封。
图9是示出用于完成相对压力传感器220的引线接合和封装的顶视图。具体而言，制作通往压力感测器件240的接触焊盘258的引线接合或连接257。而后，通过诸如聚合封装环氧树脂或者其它材料的电绝缘引线封装材料260对这种引线接合257和接触焊盘258进行封装。
图10-图13示出了用于形成图12和图13所示的示例性完整相对压力传感器320的方法100(图4所示)的另一种示例性实施方式。如图10和图11所示，提供在其中形成了腔332和沟道333的衬底330。腔332延伸到衬底330的面344中，而沟道333延伸到衬底330的面345中，并在面344、345之间的交界处与沟道333的下部连通。在其它实施方式中，沟道333不形成于与面344相对的面345上，而是可以沿衬底330的处于面344和345之间的侧面形成，并且在与衬底330的各个面的每者间隔开的内部位置处与腔332的内部连通。
在一种实施方式中，腔332和沟道333被微机械加工到衬底330中。在另一种实施方式中，衬底330被模制为形成腔332和沟道333。在一种实施方式中，衬底330包括聚合物，例如诸如环氧树脂模制化合物的热固性聚合物。在另一种实施方式中，衬底330包括玻璃或硅材料。
如图12和图13所示，管芯236(如上所述)被固定至衬底330的与腔332的底面348相对的面344，在腔332之上并跨越腔332。在一种实施方式中，通过在隔膜238和面344之间延伸的粘合剂将管芯236固定至衬底330的面344。
盖状物335与盖状物235类似，只是盖状物335被固定至衬底330的与沟道333相对的面345。盖状物335覆盖并且横跨沟道333，以形成被完全包围的通道334。在一种实施方式中，盖状物335包括处于沟道333之上的液体粘合剂的沉积，其中，液体粘合剂具有粘滞度，这防止该液体完全填充沟道333，由此留下通道334。在其它实施方式中，盖状物335可以包括在与衬底230的面345接合的一面上涂覆有粘合剂的板或膜。如上文所指出的，在一些实施方式中，可以通过热、光、化学反应或其它催化剂来选择性地激活粘合剂。
图14是作为相对压力传感器20的另一种示例性实施方式的相对压力传感器420的截面图。相对压力传感器420与相对压力传感器320类似，只是以腔432替换了腔332，腔432是通过通道或开口451以及盖状物435形成的。开口451从面444到面445完全延伸穿过衬底430。在一种实施方式中，开口451与衬底230的周界或侧面间隔开，这与图11所示的腔332相同。由于开口451完全延伸穿过衬底230，因而可以通过模制工艺或者材料去除工艺形成开口451，而无需深度控制。
盖状物435与盖状物335类似，只是盖状物435额外地横跨并且覆盖开口451的下端。与盖状物335一样，盖状物435被固定至衬底430的与沟道333相对的面445，从而形成通道434的底面437。如图14所示，盖状物445额外地形成了腔432的与压力感测管芯236的隔膜238和压力感测器件240相对延伸的底面448。在一种实施方式中，根据开口451的尺寸，盖状物435包括跨越开口432或者在开口432之上连续延伸的液体粘合剂的沉积，其中，液体粘合剂具有粘滞度，这防止液体完全填充开口451，由此留下腔432。在其它实施方式中，盖状物435可以包括在与衬底430的面445接合的一面上涂覆有粘合剂的板或膜。如上所述，在一些实施方式中，可以通过热、光、化学反应或其它催化剂来选择性地激活粘合剂。
图15是包括相对压力传感器的示例性液体供应装置500的截面图。液体供应装置500包括液体容器502和感测单元504。容器502容纳感测单元504，并且形成内室506和流体接口508。室506包括用于容纳或者包含液体的容积。流体接口508包括端口，液体通过该端口从室506移出。在一种实施方式中，通过端口508向室506填充流体。在其它实施方式中，通过替代的端口填充室506。在一种实施方式中，流体接口508包括阀门，其选择性地打开和关闭由流体接口508提供的支持。
感测单元504安装到容器502，其部分地延伸到室506中，以感测室506的液体和内含物的特征。在例示的示例中，感测单元504包括相对压力传感器520、内部压力传感器570、液面传感器572和电互连574。相对压力传感器520可以包括上文描述的相对压力传感器20、220、320或420中的任何一者。相对压力传感器520包括在其中形成了腔532和通道534的衬底530以及上文描述的压力感测管芯236。腔可以包括上文描述的腔32、232、332或432中的任何一者，其中，通道534可以包括上文描述的通道34、234、334和434中的任何一者。在示出图15的示例中，腔532和压力感测管芯236位于室506内，其中，通道534从腔532跨越容器502的壁延伸至与环境或者周围空气连通的端口556。结果，相对压力传感器520感测室506的内部与容器502的外部之间的相对压力。在其它实施方式中，替代地，腔532和压力感测管芯236可以被支撑在容器502外部，而端口556终止于室506内。
衬底530与上文描述的衬底30、230、330或430中的任何一者类似，只是衬底530额外支撑内部压力传感器570、液面传感器572和电互连574。内部压力传感器570被支撑在容器502内，并感测容器502内的绝对压力。在一种实施方式中，内部压力传感器570包括室，柔性膜片在所述室之上支撑诸如具有压敏电阻器的惠斯通电桥的压力感测器件。
液面传感器572包括伸入到室506中的器件，从而输出指示室506内的液体的水位的信号。电互连574包括促进传感器520、570和572的每者与外部控制器或计算装置的电连接的电接触焊盘578。电互连574通过引线接合电连接至传感器520、570和572的每者(并且电连接至敏锐控制器ASIC芯片573)，其中，利用封装层577来封装引线接合和敏锐控制器ASIC芯片573。在其它实施方式中，传感器570和572可以独立于衬底530被支撑。在其它实施方式中，传感器570和572可以分别包括其它形式的内部压力传感器和液面传感器。在其它实施方式中，电互连574可以包括其它形式的连通接口。在其它实施方式中，可以省略传感器570和572。
图16是示出另一示例性液体供应装置600的截面图。液体供应装置600与液体供应装置500类似，只是液体供应装置600包括感测单元604替代感测单元504。图17和图18是感测单元604的截面图。液体供应装置600的对应于液体供应装置500的部件或元件的那些部件或元件具有类似的编号。
感测单元604与感测单元504类似，只是衬底530支撑处于室506外的腔232和压力感测管芯236，而通道534延伸穿过并且跨越容器502的壁，终止于室506内的端口656处。在例示的示例中，感测单元604被具体示为包括上文描述的相对压力传感器230，只是利用衬底530替换了衬底230。衬底530与衬底230类似，只是衬底530额外支撑传感器570、572以及电互连574。在其它实施方式中，替代地，感测单元604可以包括上文描述的相对压力传感器320和420中的任何一者。在所例示的示例中，感测单元600包括辅助在感测单元600和容器502之间形成密封的套环659。
图19是用于形成上文描述的相对压力传感器20、220的腔和沟道以及相对于所述腔放置压力感测器件的示例性方法700的流程图。图20-图25示出了用于依照方法700形成完整的相对压力传感器220(如图25所示)的示例性方法的各个阶段。图20A和图20B示出了压力感测管芯236放置在载体802上。为了促进管芯236以及上覆结构的后续释放，诸如热释放带的释放机构804被放置在载体802上，处于载体802和管芯236之间。
如图19中阐述的以及图21A和图21B中所例示的方法700的块702所指示的，在载体802上、在支撑压力感测器件240的隔膜238之上形成牺牲层806。如图21B所示，牺牲层806的位置和形状被设定为具有限定了接下来形成的腔232和沟道233的负突起图案。在一种实施方式中，牺牲层806包括失蜡层。在其它实施方式中，牺牲层806可以包括其它牺牲材料。
如图19的块704所指示并且如图22中所例示的，衬底230形成于由载体802支撑的牺牲层806上或之上。在一种实施方式中，衬底230包括可模制的聚合物。在一种实施方式中，衬底230包括在固化时形成固体主体的环氧树脂模制化合物。
如图19中的块706和708所指示并且如图23A和图23B中所例示的，去除牺牲层806，并且使衬底230连同形成管芯236的支撑隔膜238和压力感测器件240一起与载体802分离。在牺牲层806包括失蜡的实施方式中，使失蜡熔化并排出，通过溶剂使其显影，或者以其它方式将其去除。在释放机构804包括热释放带的实施方式中，向所述带施加热量，以促进这种分离。如图23A和图23B所示，牺牲层806的去除留下了沟道233以及处于压力感测管芯236下方的腔232。
如图24A和图24B所示，一旦如上文所述地已经在衬底230中形成了腔232和沟道233，那么就通过执行与图8和图9中所例示的那些步骤类似的步骤来完成相对压力传感器230。具体而言，形成与沟道233相对的盖状物235，以完成通道234。如图25所示，在一种实施方式中，相对压力传感器220可以被提供为上文描述的传感器单元604的部分，其中，遵照块704形成的衬底还支撑其它传感器，例如，上文关于图16描述的压力传感器570和液面传感器572。
尽管已经参考示例性实施方式描述了本公开，但是本领域技术人员将认识到可以做出形式和细节上的改变而不脱离所主张保护的主题的精神和范围。例如，尽管不同示例性实施方式可能已经被描述为包括提供了一种或多种益处的一个或多个特征，但是可以设想可以在所描述的示例性实施方式中或者在其它替代的实施方式中使所描述的特征彼此互换或者相互结合。由于本公开的技术相对复杂，因而并非该技术的所有变化都是可预见的。参考示例性实施方式所描述的并且在下述权利要求中阐述的本公开显然旨在涵盖尽可能广的范围。例如，除非具体地另行指出，否则列举了单个特定要素的权利要求也涵盖多个这种特定要素。权利要求中的术语“第一”、“第二”、“第三”等只是对不同要素进行区分，并且除非另行指出，否则其并非具体地与本公开的要素的特定顺序或特定编号相关联。

Claims (7)

1.一种用于感测压力的设备，包括：
相对压力传感器，所述相对压力传感器包括：
衬底；
处于所述衬底的面中的腔，所述腔具有处于所述衬底中的底面，其中，所述腔位于所述衬底的第一外侧壁和第二外侧壁之间，并且所述衬底的所述第一外侧壁和所述第二外侧壁彼此相对；
从所述腔延伸并直接连接到所述腔的内部的通道，其中，所述通道延伸穿过所述衬底的所述第二外侧壁；
压力感测器件；以及
支撑所述压力感测器件的隔膜，所述隔膜被安装至所述衬底并与所述腔的所述底面相对，
其中，所述通道包括具有第一开口和第二开口的管道，所述第一开口形成所述腔内的端口，并且
其中，除了所述第一开口和所述第二开口以外，所述通道在所有侧面上均被所述衬底包围。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述腔包括：
由所述衬底形成的底面；以及
由所述衬底形成的侧壁。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述隔膜具有在平面中延伸的主要尺寸，并且其中，所述侧壁垂直于所述平面延伸。
4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述隔膜具有在平面中延伸的主要尺寸，并且其中，所述侧壁和所述平面在所述腔内形成锐角。
5.根据权利要求1所述的设备，还包括液体容器，其中，所述通道从所述液体容器的内部和外部延伸。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述压力感测器件包括具有压敏电阻器的惠斯通电桥。
7.一种液体供应装置，包括：
液体容器；
根据权利要求1-4和6中的任一项所述的设备；
由所述衬底支撑的液面传感器；以及
电互连，其中，所述液面传感器和所述相对压力传感器均通过所述电互连进行通信。
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