CN1168969A - 整体式传感器 - Google Patents

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Abstract

第一玻璃基板具有一引导被测流体压力的第一压力入口，该基板是设置在压力传感器膜片的一侧，以用来测量差压。第二玻璃基板是设置在第一基板的相对侧，该两基板间夹设有一隔离件。第二基板上与第一玻璃基板上第一压力入口相对的位置上设有一第二压力入口。第一导电薄膜和第二导电薄膜分别形成在第一和第二玻璃基板的两个相对的表面上。通过测量在两导电薄膜之间的目标流体的电导率和介电常数等能表示流体品质的物理常数，就可以探测流体的品质，由此，可提供一个能利用一个传感发送装置同时测量差压(流速)及流体品质的整体式传感器。

Description

整体式传感器
本发明涉及一种整体式传感器，它可用以测量农业水库及水过滤厂家内的水位、水温、水的流速及水质等情况，并可用于工业测量。
作为整体式传感器的一个例子，现已有一种用于智能型差压传感发送装置之传感部分的压阻型整体式传感器。这种压阻型整体式传感器包括一差压传感器、一静压传感器、以及一形成在一基板上的温度传感器，借助静压传感器和温度传感器的输出信号对差压传感器的输出加以修正便可以精确地测量压力差。
如今，由于酸雨或水库周围地质情况的影响使水库内水的酸化现象加强，于是水质恶化的问题便显得重要起来。此外，因为流入水库的流量将随季节的变化而改变，所以必须精确地探测并控制水位，以使其保持不变。
在为水稻田服务时，由于需使水稻田在多雨和少雨的季节内保持适当的水位，因此农民必须打开和关闭许多进水泵和排水泵，这样就增加了劳力和成本。因此，在人力较少的情况下，要使大面积的水稻田保持适当的水量是较为困难的。
此外，由于很少控制水质和测量溶解于水的化肥量，所以会存在因给水及施加化肥的延迟或过多化肥的施用而给稻子的生长所带来不利影响。
在大面积的稻田内，由于是采用管道给稻田供水，所以需要精确探测并控制给水量。
因此，应该正确地探测每个水库或每片稻田内的水位、水的流速或水质等情况。
虽然可以考虑采用上述的智能型差压传感发送装置来探测水位、水的流速或水质等情况，但是现有的智能型差压传感发送装置只能测量水位、流速和水质中的一个，例如，只能测量给水或排水的流速。因此，如果需要同时测量水位、流速和水质，就需要采用多个分别含有水位传感器、压力传感器和水质传感器的传感发送装置，因此对它们的操作和维修显得非常复杂。
于是，需要有一种能利用一个传感发送装置并能测量水位、流速和水质等情况的整体式传感器。
本发明的目的在于，提供一种能利用一个传感发送装置并能测量水库或稻田的水位、流速和水质的整体式传感器。
(1)为实现上述目的，本发明提供了一种整体式传感器，它包括：
一压力传感器，它包括一可相应于被测目标物质的压力而发生偏移的膜片；
一连接于膜片的第一基板，它具有一用来将被测物质的压力引导至膜片的第一压力入口，以及一形成在第一基板上的第一导电薄膜；
一第二基板，它具有一用来将被测物质的压力经第一压力入口而引导至膜片的第二压力入口，以及一与第一导电薄膜相面对并且有预定间隔、位于第二基板表面上的第二导电薄膜；以及
一信号处理装置，它用以测量填充在第一导电薄膜和第二导电薄膜之间的物质的电导率和介电常数，并利用来自压力传感器的输出信号来测量物质的压力。
由于该整体式传感器能探测作为水质特性参数的电导率和介电常数，所以它有可能实现或提供一个能利用一个传感器同时探测水位、流速和水质的整体式传感器。
(2)在(1)所述的传感器中，较佳的是，所述压力传感器内的膜片是用单晶硅制成的，其上设有一温度敏感元件，信号处理装置可利用来自温度敏感元件的输出信号来测量物体在压力传感器附近的温度。
(3)在(1)所述的传感器中，较佳的是，在压力传感器的膜片的一个表面上设有一个应变敏感计量元件，膜片的另一个表面连接于第一基板。
(4)在(1)所述的传感器中，较佳的是，在压力传感器的膜片的一个表面上设有一个应变敏感元件，膜片的设有应变敏感元件的表面连接于第一基板。
(5)在(1)所述的传感器中，较佳的是，在第一基板的面对膜片的位置上设有一第一电极板，膜片是一导电电极，而在相对于第一电极板的位置上设有一第二电极板，第一和第二电极板将膜片夹在中间，信号处理装置在第一电极板和膜片之间的静电电容以及第二电极板和膜片之间的静电电容之差的基础上，可测量物质的压力。
(6)在(1)所述的传感器中，较佳的是，压力传感器是由单晶硅制成的，第一基板由硼硅酸盐玻璃制成，而压力传感器借助阳极粘接法而气密地连接于第一基板。
(7)在(1)所述的传感器中，较佳的是，压力传感器是由单晶硅制成的，在压力传感器的暴露于物质的那一表面区上形成有氧化膜、氮化膜和抗腐蚀金属薄膜的其中之一。
(8)在(1)所述的传感器中，较佳的是，第一导电薄膜和第二导电薄膜都是由耐腐蚀金属膜制成的。
(9)在(1)所述的传感器中，较佳的是，第一基板和第二基板的至少之一上设有一通孔，用以将该基板一个表面上的导电薄膜与该基板另一表面上的导电薄膜电气连接起来。
(10)在(1)所述的传感器中，较佳的是，第一导电薄膜和第二导电薄膜经过导电线连接于信号处理装置上的端子，一用来保护第一导电薄膜、第二导电薄膜和导电线与物质隔绝的端盖元件至少连接于第二基板。
(11)在(1)所述的传感器中，较佳的是，物质的压力经第一压力入口和第二压力入口被引导至膜片的一个表面，而膜片的另一个表面则包含在一个隔绝室内。
(12)在(11)所述的传感器中，较佳的是，隔绝室的压力保持恒定。
(13)在(11)所述的传感器中，较佳的是，隔绝室内几乎保持真空状态。
(14)在(11)所述的传感器中，较佳的是，至少设置了一个通往隔绝室的压力引导通道，以便将隔绝室内的压力设定到一个希望的水平。
(15)在(11)所述的传感器中，较佳的是，被测物质是液体，液体的压力被引导至膜片的一个表面，并设置了一个通往隔绝室的压力引导通道，以便将隔绝室内的压力设定到一个大气压。
(16)在(11)所述的传感器中，较佳的是，物质是在一管子内流动的流体，管子内设有一小孔，管子内小孔上游的压力经第一压力入口和第二压力入口而被引导至膜片的一个表面，有一压力引导通道连接于隔绝室，以将小孔下游的流体压力引导至膜片的另一个表面。
(17)在(15)所述的传感器中，较佳的是，至少一部分信号处理装置被放置在液体的表面上，这部分信号处理装置是通过防水导线与压力传感器分开或连接。
(18)在(15)所述的传感器中，较佳的是，至少一部分信号处理装置被放置在液体表面上方，这部分信号处理装置与压力传感器隔开并通过防水导线与压力传感器电气连接，有一压力引导通道连接在信号处理装置和隔绝室之间，在压力引导通道内设有一用来将信号处理装置和压力传感器连接起来的信号传输线。
(19)一种流体控制系统，包括：一流体储存部分；一带有第一控制阀的流体送给部分，它用以使流体流入流体储存装置；一带有第二控制阀的流体排放部分，它用以使流体从流体储存部分排放出去；一控制部分，它通过控制流体送给部分上的第一控制阀以及流体排放部分上的第二控制阀来调节流体在流体储存部分内的液位，
其中，流体储存部分内设置了上述整体式传感器，在来自整体式传感器的输出信号的基础上，控制部分藉控制第一控制阀而调节流体储存部分内流体的液位并探测表示流体品质的流体的电导率，如果探测到的电导率超出预定范围就产生警报。
(20)一种制造整体式传感器的方法，包括如下步骤：
在一第一绝缘基板上形成一用作第一压力入口的通孔；
在第一基板的至少一个面上形成一第一导电薄膜；
在一第二绝缘基板上形成一用作第二压力入口的通孔，在第二基板的至少一个面上形成一第二导电薄膜；
将一压力传感器连接到第一基板的另一表面上，使设置在压力传感器内的一膜片与第一压力入口相对；
通过在第一和第二基板之间插入一绝缘隔离件而将该两基板组合起来，使形成在第一基板上的第一导电薄膜与形成在第二基板上的第二导电薄膜相面对，而第一压力入口也和第二压力入口相面对；
将一具有一凹部和一信号连接端的密封元件连接到第一基板上，使凹部容纳压力传感器；以及
通过信号传输线将第一导电薄膜、第二导电薄膜和压力传感器连接至连接端。
图1是根据本发明第一实施例的一整体式传感器的剖面示意图；
图2是图1中所示整体式传感器的压力传感元件和温度传感元件的示意图；
图3是图2中所示的一由各应变计电阻组成的电桥电路的示意图；
图4(A)和图4(B)分别是图1中所示的下玻璃基板的俯视图和仰视图；
图5(A)和图5(B)分别是图1中所示的上玻璃基板的俯视图和仰视图；
图6是根据本发明第二实施例的一整体式传感器的剖面示意图；
图7是图6中所示传感器的一个主要部分的放大视图；
图8是根据本发明第三实施例的一整体式传感器的剖面示意图；
图9是图8中所示传感器的一个主要部分的放大视图；
图10(A)和图10(B)分别是图8中所示的下基板的俯视图和仰视图；
图11是根据本发明第四实施例的一整体式传感器的剖面示意图；
图12是根据本发明第五实施例的一整体式传感器的剖面示意图；
图13是用来说明根据第一实施例之整体式传感器的制造方法的剖视图；
图14是用来说明根据第一实施例之整体式传感器的制造方法的剖视图；
图15是用来说明根据第一实施例之整体式传感器的制造方法的剖视图；
图16是用来说明根据第一实施例之整体式传感器的制造方法的剖视图；
图17是用来说明根据第一实施例之整体式传感器的制造方法的剖视图；
图18是根据本发明第六实施例的一整体式传感器的剖面示意图；
图19示出了将本发明的整体式传感器用作一带有水质监测功能的水位探测器的例子；
图20示出了将本发明的整体式传感器用作一带有水质监测功能的水位探测器的另一个例子；
图21示出了将本发明的整体式传感器用作一带有水质监测功能的流速探测器的例子；
图22示出了一个采用本发明之整体式传感器的流体控制系统的例子；
图23是示出传感器输出和压力水平两者间关系的图表；
图24是示出两电极板间之电压和电流之间关系的图表。
下面将结合附图中所示的各实施例来详细地描述本发明。
图1是根据本发明第一实施例的一整体式传感器的剖面示意图。
在图1中，压力传感器1具有一压电式或蒸发沉积式等等类型的、由单晶硅制成的膜片，该膜片可通过压力位移，而应变计电阻则形成在该膜片上。压力传感器1连接于例如由硼硅酸盐制成的第一玻璃基板2(下基板)，应变计电阻面对着第一玻璃基板。
此外，与第一玻璃基板2的附着有压力传感器的那一个面相反的另一个面连接于第二玻璃基板3(上基板)，上、下基板之间夹设有由玻璃、陶瓷等制成且厚度均匀的绝缘隔离件4。
在第一和第二玻璃基板上形成有一通孔形式的第一压力入口21和一通孔形式的第二压力入口31，该两入口彼此相对。此外，由于压力传感器1连接于第一玻璃基板2，因此压力入口21与压力传感器的膜片相对。整体式传感器外侧物质的压力经压力入口21和31被引入压力传感器1。以后将结合图2和图3来解释探测压力的原理。下面将主要说明整体式传感器的组成。
由于其上未形成应变计电阻的压力传感器1的表面连接于第一玻璃基板2，所以需测量的物质被引向压力传感器1的未形成应变计电阻的那一个表面。因此，应变计电阻等元件不和需测量的物质接触，故设置在该侧上的元件不会受到污染。
因此，可以防止压力传感器的探测性能发生恶化或变动。此外，可借助氧化膜、氮化膜、Au膜、Pt膜等在压力传感器1上形成一钝化膜，这样，即使测量的是腐蚀性流体的流速等，亦可具有较高的抗腐蚀性能。
在玻璃基板2和3的两相对表面上分别形成有由金属等制成的第一导电薄膜23和第二导电薄膜33。与压力传感器1的钝化膜一样，如果玻璃基板2和3上的导电薄膜23和33是由例如Au、Pt等耐腐蚀材料制成，那么传感器也将具有较强的抗酸、抗碱的性能。此外，如果采用透明的ITO(氧化铟锡)薄膜作导电薄膜，将可透过基板看到压力传感器，这样就便于制造基板。
如果把导电薄膜23和33当作电极板来使用，那么就可以测量电极板23和33之间物质的电导率或介电常数。
下面将描述电导率和介电常数的测量原理。电导率σ可用下面的等式(1)来表大。
         σ＝d/(R·Sef)…(1)
其中d是两电极板之间的间隙间距，Sef是有效电极面积，而R是电极板之间液体的电阻。
如图24所示，液体的电阻R可以通过这些步骤来加以测量，即：在两电极板23和33之间施加ΔE的电压；测量在ΔE电压下流经电极23和33的电流ΔI；计算ΔE/ΔI的值。因此，通过把一些结构参数，也就是电极板23和33的间距d和有效电极面积Sef及测得的电阻R代入上面等式(1)，就可以推算出电导率σ。
其次，可以用下面的等式(2)来表达介电常数εs。
            εs＝(C/Ca)·(St/Sef)-(St/Sef-1)…(2)
其中，C表示液体的静电容，Ca表示空气静电容，St是电极的总面积，而Sef则是与液体接触的有效电极面积。
如果让εo是一个介电常数，那么静电容Ca就可以用下面的等式(3)来表达。
                           Ca＝εo·St/d…(3)
在等式(3)中，空气静电容Ca是由结构的尺寸来决定的。为此，通过测量电极板23和33之间的静电常数，就可以获得被测量液体的介电常数。
在图1中，玻璃基板2是借助例如环氧树脂粘合剂或低熔点玻璃等粘合层18而粘附于密封端5。密封端5具有一容纳着压力传感器1的凹部，该凹部并形成了一个将压力传感器1的表面(与对着压力入口21的那一表面相对的另一表面)与液体隔绝的隔绝腔室。
压力传感器1的电信号是通过经导电薄膜24而连接于压力传感器1的连接线10而传递到玻璃基板2的与玻璃基板3底表面相对的另一表面上。
也就是说，玻璃基板2的上、下表面是藉形成在玻璃基板2的一部分表面上的导电薄膜24并通过通孔22而相互电气连接起来的，因此可将压力传感器1的信号传递到玻璃基板2的上表面。此外，压力传感器1的信号可借助设置在密封端5处的导线11而从玻璃基板2的上表面传递到引脚6。此外，玻璃基板2上的导电薄膜23电气地连接于设置在密封端5上的引脚6B。
玻璃基板3表面上的导电薄膜33通过形成在玻璃基板3上的一通孔32而电气连接于导线11A，而导线11A则连接于设置在密封端5上的引脚6A。
再者，有一端盖部件9(覆盖元件)粘接或焊接在密封端5和玻璃基板3上。由基板内表面和密封端表面所围绕的空间内充满了硅油或气体，因而导线11、11A和11B均和被测量物质隔绝而受到保护。在该实施例中，采用了一差压传感器作为压力传感器1。
密封端5上形成有一流体通道7(压力引导通道)，用以使流体压力从整体式传感器的外侧引入到与膜片表面相反的、并与压力入口21相对的表面上。在流体通道7的入口部分处设置了一使流体通道7与整体式传感器外侧的管子连通的接头部分8。经通道7施加到压力传感器1之膜片的压力以及经压力入口31施加到压力传感器1之膜片的压力之间的压力差是作为一个与压力传感器1探测到的压力差成正比的信号来输出的。
此外，相应于压力差、电导率以及介电常数的各信号可通过一柔性的印刷电路板(FPC)输入到一放大器13。输入到放大器13的信号在被放大器13放大后输入到一输入/输出电路以及一信号处理部件(微处理器)14，每个信号都转换成一个能满足要求的信号形式。转换后的信号从输出端16输出。
可借助安装在外侧的电源或者是安装在壳体17内的电池15向整体式传感器供电。在下文中可以看到，该整体式传感器是一种非常实用的传感器。例如，这个整体式传感器可以是便携的，并可以用在不能获得电力的场合。
图2示出了用于图1所示之整体式传感器的压阻式的压力和温度传感器1的组成情况。每个压阻元件1a-1e都是采用扩散工艺形成的单晶硅元件，其对压力的敏感度很大程度上取决于每个元件(这些元件具有各相异性的压力敏感性)的配置方向。如果形成在(001)上的一个应变计电阻(应变敏感电阻元件)取向在<110>方向，那么它便会对压力有很高的敏感度。但是，如果它取向在<100>方向，便几乎不对压力产生敏感。因此，当采用具有上述压力敏感性的元件作为温度计1e(温度敏感元件)，可以把它设置在<100>方向上。
在上述取向于<110>的应变计电阻(strain gauge resistor)1a-1d中，电阻改变的方向是根据每一应变计电阻是取向在膜片1m的径向还是切向来变化的。当有压力施加于应变计时，取向在径向的应变计1a和1c的电阻增加，而取向在切向的应变计1b和1d的电阻减小。这些应变计通过例如铝制的导线相互连接，而这些导线分别连接于焊盘部分(pad part)1f-1j，以读取这些应变计的信号。
借助上述应变计的接线方式，应变计电阻1a-1e便组成一如图3所示的桥式电路，并获得如图23所示的与压力P成正比的输出电压e，该输出电压是通过在两个端子1g和1i上施加一个激励电压E而在端子1j和1h之间所获得的电压。
由于四个应变计电阻组成了桥式电路，所以可补偿应变计电阻上温度的影响。对温度探测而言，可以将一个温度系数忽略不计的参考电阻1n(Ref)串联于温度计量仪1e，而在端子1f的中点上产生几乎和补偿电压以及相应于温度的电压的总和成正比的输出电压。将总电压放大，并从放大的总和电压中减去补偿的分量，就可以获得温度值。
图4(A)和4(B)示出了图1所示之玻璃基板2的上、下表面。在该两附图中，标号23表示用来测量电导率和介电常数的电极板，而标号21则表示压力入口。来自压力传感器1的输出信号通过五个与输出焊盘相对应的通孔22而从下表面输出到上表面，每个通孔22均和导电薄膜24导通。
图5(A)和5(B)示出了图1所示之玻璃基板3的上、下表面。在该两附图中，标号31表示压力入口，而标号33表示用来测量电导率和介电常数的电极板。电极板33经过通孔32而电气连接于上表面上的导电薄膜。
如上所述，在第一实施例中，由于导电薄膜相互面对而于其间形成了一空间(该空间内可充满被测液体以便测量液体的电导率和介电常数)，且该空间可连接于将物质引入到膜片以测量由压力传感器1探测的压力差的液体引入通道，所以可使该整体式传感器能仅用一个传感器便可测量水质和压力(流速)差。
图6和图7分别是根据本发明第二实施例的整体式传感器的剖面示意图和一主要部分的剖视图。
在第二实施例中，带有由压电电阻组成的压力和温度传感器1的那一个表面直接连接于玻璃基板2的下表面。由于其上安排有例如五个应变计的表面(应变计电路形成面)应该是平的以便直接连接于玻璃基板2的表面，所以压力传感器1的导线k和焊盘1f-1j不能是铝制的。
为了解决上述问题，在压力传感器1的表面和玻璃基板2以及导电薄膜24之间形成并夹设了一低电阻的扩散层1q(p+层)，该扩散层构成了一阳极粘接层。由于上述结构形成了欧姆接触，所以可在没有线连接的情况下从电极获得信号。但是，由于计量仪形成面直接与被测液体接触，所以计量电路表面必须用绝缘薄膜1r钝化，所述绝缘薄膜可以是例如氧化膜、氮化膜、或者是在上述绝缘薄膜上层压Au薄膜或Pt薄膜而制成的多层薄膜。
第二实施例具有和第一实施例相同的效果。此外，由于压力传感器的表面上没有导线连接，所以可减少加工步骤，而且，因为在将密封端5粘接到玻璃基板上的时候不会发生误切断导线10的情况，所以可改善整体式传感器的生产状况。
图8和图9分别是根据本发明第三实施例的整体式传感器的剖面示意图和一主要部分的剖视图。
在第三实施例中，采用了一静电电容传感器作为压力传感器。在该两附图中，玻璃基板2内设置了一上部固定电极25，所述玻璃基板是通过阳极粘接而连接到由硼硅酸盐玻璃等制成的基板101b上，玻璃基板2和基板101b之间设置了一由单晶硅制成的可动电极101a。
可动电极101a的中央部分通过腐蚀工艺形成了一凸台，凸台和基板2之间的间距以及凸台和基板101b之间的间距是在几微米-几十微米之间。基板101b上形成有一个用以将压力从基板101b的下侧引导至移动电极101a的小通孔101c，一固定电极101d经通孔101c而形成在基板101b的上、下表面上。
下面将说明第三实施例中的压力测量。
可动电极101a与分别经压力入口21和101c而引导至可动电极101a两侧的两种压力水平的压力差成正比地发生偏移。与可动电极101a的偏移量成正比可产生静电电容差ΔC(C1-C2)，这里的C1是上固定电极25和移动电极101a之间的静电电容，而C2是下固定电极101d和可动电极101a之间的静电电容。
因此，由于静电电容差ΔC(C1-C2)是与压力差成正比(如图23所示)，所以就可以获得所产生的压力差。虽然这种静电电容型压力传感器的结构比压阻型的压力传感器复杂，但是因为这种类型的压力传感器对温度的敏感性较低，所以可将它用于很大的温度范围。
此外，由于在电极25和电极101d之间几乎没有电流，所以可大大降低电力消耗。
图10(A)和图10(B)示出了上表面(图10(A))和下表面(图10(B))。
在该两附图中，标号21表示压力入口，而标号23表示用来测量电导率和介电常数的电极。此外，标号25表示上固定电极及其焊盘，而标号22a和24a表示用来将下固定电极101d及其电极焊盘的电压信号引出的通孔。此外，基板101b上形成有一凹槽，可动电极101a的一部分可藉此凹槽经基板101b后暴露在图10(B)的背面，以将移动电极101a的电压引出。一由铝等制成的电极焊盘101e形成在可动电极101a之暴露部分的一部分上，并连接于电极焊盘24b。电极101e藉穿过通孔22b的导线而连接于电极焊盘24b，以将信号输入到外侧。
借助上述的传感器构成，通过测量电极25和电极焊盘24b之间的静电电容就可获得电极25和可动电极101a之间的静电电容C1，通过测量电极焊盘24a和电极焊盘24b之间的静电电容就可获得电极焊盘101d和可动电极101a之间的静电电容C2。接着，从测得的静电电容C1和C2可推算出静电电容差ΔC，在该静电电容差ΔC的基础上可进一步地获得被测的压力。
如上所述，本发明的第三实施例具有与第二实施例类似的效果。此外，也可以采用静电电容型传感器作为压力传感器，由于该实施例的压力传感器对温度的敏感度较低，所以可应用于很大的温度范围。另外，由于在电极25和电极101d之间几乎没有电流，所以可大大降低电力消耗。
图11是根据本发明第四实施例的整体式传感器的剖面组成示意图。在第四实施例中，将一压阻型绝对压力传感器以及一用来测量电导率和介电常数的传感器集成于一个压力传感器内。
也就是说，在该实施例中，虽然压力传感器本身还是一个差压传感器，但在密封端5上没有设置如图1所示的通道7之类的液体通道，因而外侧需测量物质的压力不被引至压力传感器1之膜片的另一表面。除了液体通道7以外，该实施例的整体式传感器具有与图1所示之第一实施例相同的结构。
容纳着上述压力传感器之膜片的另一表面的空间是凭藉一粘合元件而与外侧隔绝，并且在大约1大气压保持气密。
因此，在第四实施例中，由于已知容纳有压力传感器另一表面的空间内为大约1大气压，所以可在压力传感器1测得的压力差的基础上获得外侧的绝对压力。因此，可提供能同时测量绝对压力、电导率和介电常数的整体式传感器。
图12是根据本发明第五实施例的整体式传感器的一主要部分的组成剖视图。在第五实施例中，于一个压力传感器内一体集成了一压阻型真空传感器以及一用来测量电导率和介电常数的传感器。
也就是说，该实施例的压力传感器1适用于被测物质的压力较低(例如100mm乇)的情况。形成在密封端内的、容纳着压力传感器1之膜片另一表面的空间保持为几乎成真空。
为了制备上述的真空空间，在密封端5上形成了一个与外界连通的流体通道71，上述的形成在密封端5内的空间可借助流体通道71而减压至预定的真空度。另外，当密封端5内的空间达到预定的真空度时，用一塞子72封闭流体通道71即可使该空间保持为一定的真空状态。
除了形成流体通道71代替通道7，并用塞子72封闭通道71以外，图12所示的整体式传感器的结构与图1所示的结构相同。
利用本发明的第五实施例可提供一能同时测量低压物质的压力、电导率及介电常数的整体式传感器。
图13-17是说明图1所示的第一实施例之整体式传感器制造方法的图。
首先，在图13(A)所示的步骤中，在基板3上形成压力入口31和通孔32。其次，用Au、Pt等耐腐蚀材料并采用蒸发沉积法、喷溅法或电镀法等方法在基板3的两侧形成具有预定图案的耐腐蚀导电薄膜33。在图13(B)所示的步骤中，和用之于基板2的步骤(A)相似，在基板2上形成压力入口21、通孔22以及导电薄膜23和24。
此外，如图14所示，在300-350℃的温度下加热基板2和压力传感器1，通过对该两构件施加大约1kV的电压(阳极粘接)而把它们连接起来。
如图15所示，一个由例如玻璃或陶瓷等绝缘材料制成的隔离件4插在基板2和3之间，并且将该两基板连接起来。此外，压力传感器1通过导线10连接于导电薄膜24。
此外，图16示出了基板2和3以及压力传感器等部件的组合状态，而密封端5(一具有凹部和连接端的密封件)则通过环氧树脂之类的粘合剂18而连接于基板2。
最后，如图17所示，导线11、11A和11B分别连接于引脚6、导电薄膜24、导电薄膜34、以及导电薄膜23，而端盖9则焊接于密封端5(9a是焊接部分)，并粘接于基板3(9b是粘接部分)。图6、图8、图11或图12所示的整体式传感器的各实施例都采用类似于图13-17所示的用来生产图1所示整体式传感器的方法来制造。
虽然在上述各实施例中基板3是用绝缘材料制成的，但也可以用金属(导电材料)来制造基板3。
图18是根据本发明第六实施例的整体式传感器的一主要部分的组合剖视图，其中的上基板30是金属基板。由于基板30是金属制的，而基板30本身可充当电极，元需在基板30的表面上形成导电薄膜，所以整体式传感器的结构变得简单。然而，需要在基板30的一部分上形成一粘接焊盘3-34，用以将基板30连接于密封端5的引脚。
此外，由于端盖9可藉焊接部分9b直接焊接于金属基板30，而且端盖9和基板30之间的连接部分可耐高温，所以，与采用粘合剂的连接方法相比，可改善端盖9和基板30之间的连接。
第六实施例具有与第一实施例相同的效果，而且其组合的结构变得简单。
如果整体式传感器的外界环境很难使基板30氧化，可以用铜之类较平常的金属作基板30。另一方面，如果整体式传感器的外界环境很容易使金属腐蚀，那么就需要用Au或Pt等贵金属作基板30。
图19示出了把一个可测量水位和水质的整体式传感器用作带有水质监测功能的水位传感器的例子。在这种情况下，对水质的监测是通过探测一目标液体的电导率来实现的。
在图19中，上述的水位探测器被分成传感器部分50和容纳在壳体17中的信号处理部分。传感器部分50处在水的底部，而容纳在壳体17中的信号处理部分则处在大气中。传感器部分50通过一防水的传输线200以及连接器201和202而电气连接于容纳在壳体17中的信号处理部分。采用上述设计可以防止水侵入信号处理部分。此外，由于连接至设备外侧的输入/输出端也处在空气中，因此将外部设备和输入/输出端连接起来的布线也变得简单。
如果防水传输线200比较长，并且在传输线200内的信号衰减也比较大，那么就可以在连接器201中设置一个放大器。
此外，如果将流体压力引导通道7关闭，可以消除因空气压力变化而给水位探测带来的影响，这种影响可使测量发生错误。为了解决上述问题，可将一管子203连接于流体压力引导通道7，并使该管子突伸在空气中。当把上述整体式传感器用在室外时，必须考虑雨水侵入管子203的问题。在图19所示的情况下，通过把管子203的顶端部分弯折成水平方向或者是朝着水面的方向，就可以防止雨水侵入管子203。
图20示出了把一个可测量水位和水质的整体式传感器用作带有水质监测功能的水位传感器的另一个例子。
与图19所示的情况相同，传感器部分50和壳体部分17是相互分开设置的。在这个例子中，壳体17内设有一空气室205。空气室205使壳17体浮在水面上。利用上述的整体式传感器的配置或组合，可以将壳体17保持在水面上，即使当水位突变时也不必人工调节容纳在壳体17内的信号处理部分的位置。
另外，为了防止壳体17有很大的移动，可安装一个支承柱，并在支承柱207上套设一个在垂直方向上摩擦较小的例如环状的小部件208。壳体17连接于小部件208。与图19所示的情况类似，为了消除大气压力发生变化而带来的影响，容纳着膜片另一表面的空间必须连通至大气。
在这个例子中，于防水信号传输线200内设置了一大气压力引导通道204，用以将传感器部分50和壳体17连接起来，在壳体17的一部分上形成有一个小孔。
因此，采用上述整体式传感器的配置或组合，可将大气压力连通至传感器部分50，无需设置图19所示的那种特别的管子203。
在被测的目标物质与监测室相距很远的情况下，可在壳体17内设置普通电池或太阳能电池作为电源。此外，壳体17上可设置一天线209，由探测器部分50探测到的信号可凭藉天线209而无线地传送至监测室。
图21示出了把一个可测量流速和水质的整体式传感器用作带有水质监测功能的流速仪的例子。在图21所示的例子中，被测流体的品质是通过测量流体的电导率来监测的。
在图21中，于管线300(被测流体在该管线内沿图21中箭头所示方向流动)内设有一小孔，在该小孔的上游和下游之间产生压力差(差压)。由于流体的体积流速与1/2差压因子成正比，所以可在测得的小孔前、后的压力差的基础上获得体积流速(借助差压体积流速仪的原理)。
在工业测量领域，因为有时需测量很高的压力(例如几百大气压)，所以需将差压传感器和电导率传感器设置并焊接在一个坚固的壳体400内。壳体400内的空间被一凸缘402分隔成一高压室401a和一低压室401b。
小孔301上游的压力从管线300的开口302引入，并经压力入口403a而被引至高压室401a。此外，小孔301下游的压力从管线300的开口303引入，并经压力入口403b而被引至低压室403b。
虽然图中没有示出，但信号处理装置是设置壳体400内在垂直于附图纸面的方向上。图21所示的整体式传感器能测量在管线300内流动的流体流速，并且当流体是电解质液体时还能探测流体组成的变化，这是因为除了水的流速之外，该整体式传感器还能测量电导率。
图22示出了一个典型的采用本发明之整体式传感器的流体控制系统。
在图22所示的情况下，有多个水池连接于一给水管线502，每个水池均由水池部分501、给水阀(V1，V2)和排水阀(W1，W2)组成。
由设置在每一水池内的整体式传感器测量到的水位、温度以及电导率的信号被传送至控制室内的控制系统。控制系统可根据下面的步骤(A)、(B)和(C)来控制给水阀503和排水阀504的开度。
(A)如果i-th水池501内被测水的温度和电导率分别在预定的范围内，那么就可以在预定的范围内调节水位。在水位调节的过程中，如果i-th水池的水位达到上限高度，给水阀Vi关闭，排水阀Wi打开。此外，如果i-th水池的水位达到下限高度，给水阀Vi打开，排水阀Wi关闭。
(B)如果i-th水池内水的电导率在预定范围之外，控制室内将产生警报，并将水质恶化发生在哪一个水池、发生的时间及品质降低程度等信息通知操作者。为了防止水质恶化的水流到外面，给水阀Vi和排水阀Wi都是关闭的。
(C)如果i-th水池内的水温超出预定范围，控制室内也将发出警报，并将温度反常发生在哪一个水池、发生的时间以及反常温度的大小通知操作者。如果确定该反常温度对流体控制系统有不良影响，那么就将给水阀Vi和排水阀Wi关闭。
如上所述，如果将该整体式传感器应用于一流体控制系统，因为对每一个水池而言可利用一个传感器来测量水位、水温和水质，所以系统的操作和控制变得简单。另外，为每个水池安装一个传感器并且在流体控制室和各水池之间提供传输线，也使操作和控制变得简单。
上述的流体控制系统可以被用于水过滤厂。虽然现有的水过滤厂实施的是将水与氯混合的工艺以及巴氏灭菌工艺，如果氯的混合量太多，水中就会散发氯的气味，这会给水质带来影响。因此，如果把本发明的整体式传感器用于水过滤厂，由于可用一个传感器测量水位、水温和水质，所以可改善并方便水过滤厂内的操作和控制，并且使为每个水池安装一个传感器以及在流体控制室和各水池之间提供传输线变得方便。
由于本发明的整体式传感器具有如上所述的构造，所以可望获得如下所述的效果。由于整体式传感器包括：一连接于所述膜片的第一基板，它具有一用来将所述被测物质的所述压力引导至所述膜片的第一压力入口，以及一形成在所述第一基板上的第一导电薄膜；一第二基板，它具有一用来将所述被测物质的所述压力经所述第一压力入口而引导至所述膜片的第二压力入口，以及一与所述第一导电薄膜相面对并且有预定间隔的第二导电薄膜；以及一信号处理装置，它用以测量充填在第一和第二导电薄膜之间的物质的电导率和介电常数，并可利用来自压力传感器的输出信号来测量物质的压差，因此，对每个水稻田或水池系统而言，能用一个传感器同时测量其水位和水质，或者是水的流速和水质。
此外，如果在上述的整体式传感器内再结合一个对温度敏感的元件，那么就可以实现在用一个传感器测量水位和水质或水的流速和水质的同时，还可测量水温。
流体控制系统包括：用来储存流体的水池部分、用来将流体输入每一水池部分的流体供给部分、用来将流体从每一水池部分输出的流体排放部分、以及用来调节每一水池部分中流体水位的控制部分。在流体控制系统中可以于每个水池部分内设置本发明的整体式传感器，通过测量电导率即可监测每个水池部分内的流体品质，如果被测电导率超出预定范围，可发出警报。
此外，如果把本发明的整体式传感器施加于一水控制系统，因为可利用一个传感器测量水位、水温和水质，所以可改善水的控制系统，使系统的操作和控制变得更方便，而且，为每个水池安装一传感器以及在系统内的流体控制室和水池之间设置传输线也是比较容易的。

Claims (22)

1.一种整体式传感器，包括：
一压力传感器，它包括一可相应于被测目标物质的压力而发生偏移的膜片；
一连接于所述膜片的第一基板，它具有一用来将所述被测物质的所述压力引导至所述膜片的第一压力入口，以及一形成在所述第一基板上的第一导电薄膜；
一第二基板，它具有一用来将所述被测物质的所述压力经所述第一压力入口而引导至所述膜片的第二压力入口，以及一与所述第一导电薄膜相面对并且有预定间隔的第二导电薄膜；以及
一信号处理装置，它用以测量填充在所述第一导电薄膜和所述第二导电薄膜之间的所述物质的电导率和介电常数两者中至少一个，并利用来自所述压力传感器的输出信号来测量所述物质的所述压力。
2.如权利要求1所述的整体式传感器，其特征在于，所述压力传感器内的所述膜片是用单晶硅制成的，其上设有一温度敏感元件，所述信号处理装置可利用来自所述温度敏感元件的输出信号来测量所述压力传感器附近物质的温度。
3.如权利要求1所述的整体式传感器，其特征在于，在所述压力传感器的所述膜片的一个表面上至少设有一个应变敏感计量元件，所述膜片的另一个表面连接于所述第一基板。
4.如权利要求1所述的整体式传感器，其特征在于，在所述压力传感器的所述膜片的一个表面上至少设有一个应变敏感元件，所述膜片的设有所述应变敏感元件的所述表面连接于所述第一基板。
5.如权利要求1所述的整体式传感器，其特征在于，在所述第一基板的面对所述膜片的位置上设有一第一电极板，所述膜片是一导电电极，而在相对于所述第一电极板的位置上设有一第二电极板，第一和第二电极板将所述膜片夹在中间，所述信号处理装置在所述第一电极板和所述膜片之间的静电电容差以及所述第二电极板和所述膜片之间的静电电容差两者之差的基础上，可测量所述物质的压力。
6.如权利要求1所述的整体式传感器，其特征在于，所述压力传感器是由单晶硅制成的，所述第一基板由硼硅酸盐玻璃制成，而所述压力传感器借助阳极粘接法而气密地连接于所述第一基板。
7.如权利要求1所述的整体式传感器，其特征在于，所述压力传感器是由单晶硅制成的，在所述压力传感器的暴露于所述物质的那一表面上形成有氧化膜。
8.如权利要求1所述的整体式传感器，其特征在于，所述压力传感器是由单晶硅制成的，在所述压力传感器的暴露于所述物质的那一表面上形成有氮化膜。
9.如权利要求1所述的整体式传感器，其特征在于，所述压力传感器是由单晶硅制成的，在所述压力传感器的暴露于所述物质的那一表面上形成有耐腐蚀金属膜。
10.如权利要求1所述的整体式传感器，其特征在于，每一所述第一导电薄膜和所述第二导电薄膜都是由耐腐蚀金属膜制成的。
11.如权利要求1所述的整体式传感器，其特征在于，所述第一基板和所述第二基板的至少之一上设有一通孔，用以将所述基板上的导电薄膜与所述基板之另一表面上的导电薄膜电连接起来。
12.如权利要求1所述的整体式传感器，其特征在于，所述第一导电薄膜和所述第二导电薄膜经过导电线连接于所述信号处理装置上的端子，一用来保护所述第一导电薄膜、第二导电薄膜和所述导电线与所述物质隔绝的端盖元件至少连接于所述第二基板。
13.如权利要求1所述的整体式传感器，其特征在于，所述物质的所述压力经所述第一压力入口和所述第二压力入口被引导至所述膜片的一个表面，而所述膜片的另一个表面则容纳在一个隔绝室内。
14.如权利要求13所述的整体式传感器，其特征在于，所述隔绝室的压力保持恒定。
15.如权利要求13所述的整体式传感器，其特征在于，所述隔绝室内几乎保持真空状态。
16.如权利要求13所述的整体式传感器，其特征在于，至少设置了一个通往所述隔绝室的压力引导通道，以便将所述隔绝室内的压力设定到一个希望的水平。
17.如权利要求13所述的整体式传感器，其特征在于，所述被测物质是液体，所述液体的压力被引导至所述膜片的一个表面，并设置了一个通往所述隔绝室的压力引导通道，以便将所述隔绝室内的压力设定到一个大气压。
18.如权利要求13所述的整体式传感器，其特征在于，所述物质是在一管子内流动的流体，所述管子内设有一小孔，所述管子内所述小孔上游的压力是经所述第一压力入口和所述第二压力入口而被引导至所述膜片的一个表面，有一压力引导通道连接于所述隔绝室，以将所述小孔下游的所述流体压力引导至所述膜片的另一个表面。
19.如权利要求17所述的整体式传感器，其特征在于，至少一部分信号处理装置被放置在液体表面的上方，这部分信号处理装置与所述压力传感器分开并通过防水导线与之连接。
20.如权利要求17所述的整体式传感器，其特征在于，至少一部分信号处理装置被放置在液体表面的上方，这部分信号处理装置与所述压力传感器分开并通过防水导线连接，有一压力引导通道连接在所述信号处理装置和所述隔绝室之间，在所述压力引导通道内至少设有一个用来将所述信号处理装置和所述压力传感器连接起来的信号传输线。
21.一种流体控制系统，包括：一流体储存部分；一带有第一控制阀的流体送给部分，它用以使所述流体流入所述流体储存装置；一带有第二控制阀的流体排放部分，它用以使所述流体从所述流体储存部分排放出去；一控制部分，它通过控制所述流体送给部分上的所述第一控制阀以及所述流体排放部分上的所述第二控制阀来调节所述流体在所述所述流体储存部分内的液位，
其中，所述流体储存部分内设置了如权利要求17所述的整体式传感器，在来自所述整体式传感器的输出信号的基础上，藉控制所述第一控制阀而调节所述流体储存部分内所述流体液面的所述控制部分可探测表示所述流体品质的所述流体的电导率，如果探测到的电导率超出预定范围就可产生警报。
22.一种制造整体式传感器的方法，包括如下步骤：
在第一绝缘基板上形成一用作第一压力入口的通孔；
在所述第一基板的至少一个面上形成一第一导电薄膜；
在一第二绝缘基板上形成一用作第二压力入口的通孔，在所述第二基板的至少一个面上形成一第二导电薄膜；
将一压力传感器连接到所述第一基板的另一表面上，使设置在所述压力传感器内的一膜片与所述第一压力入口相对；
通过在第一和第二基板之间插入一绝缘隔离件而将该两基板组合起来，使形成在所述第一基板上的所述第一导电薄膜与形成在所述第二基板上的所述第二导电薄膜相面对，而所述第一压力入口也和所述第二压力入口相面对；
将一具有一凹部和信号连接端的密封元件连接到所述第一基板上，使所述凹部容纳所述压力传感器；以及
通过信号传输线将所述第一导电薄膜、所述第二导电薄膜和所述压力传感器连接至所述连接端。
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