CN1537223A - 压力传感器 - Google Patents

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Abstract

压差传感器芯片(4)包括用于测量压差的膜片，并将用于测量压差的膜片接收的压力转换为电信号。静压传感器芯片(5)包括用于测量静压的膜片，并将用于测量静压的膜片接收的压力转换为电信号。压差传感器芯片(4)和静压传感器芯片(5)安装在管座(1)上，从而压差传感器芯片(4)的一个表面和静压传感器芯片(5)的一个表面暴露于共用压力引入室(17)的内部。

Description

压力传感器
技术领域
本发明涉及压力传感器，其中用于测量压差的压差传感器芯片和用于测量静压的静压传感器芯片存储在一个组件中。
背景技术
通常，作为测量流体流速的方法，一种可行的方法是利用这样一个事实来测量限流器的上游和下游之间的压差，即为流体通路设置的限流器的上游和下游之间的压差与流速成比例，然后所述压差被转换为流速。采用液位计，箱体的上部和下部之间的压差得到测量，从压差可以测量出考虑到流体密度的液位。对于这种压差测量，通常要使用压差传感器。压差传感器是这样一种传感器，它用芯片同时接收两个不同的待测量的压力并测定两个压力之间的压差。
有时采用上述压差同时测量静压，即相对于大气压的计量压或者相对于真空状态的绝对压，并且同时执行监视和控制。由于压差传感器是测量两点之间压差的测量单元，其不能测量静压本身。
日本专利公开No.63-008524(对比文件1)提出了一种压力传感器，其中压差测量传感器芯片和静压测量传感器芯片被结合在一起。对比文件1中所公开的压力传感器由传感器壳和主体构成，所述传感器壳中安装有压差测量传感器芯片和静压测量传感器芯片，所述主体用一对隔离膜片密封并且其中注入封液。所述传感器壳和主体分别制造并粘合和固定在一起。
在上述传统压力传感器中，所述主体的内部被分为至少两个内腔以与所述一对隔离膜片对应，并且封液被注入各个内腔中。作用在一个隔离膜片上的高待测量压力和作用在另一个隔离膜片上的低待测量压力通过相应的封液被传递至压差测量传感器芯片。高待测量压力和低待测量压力任何之一通过相应的封液被传递至静压测量传感器芯片。按照这种方式，由于传统压力传感器具有复杂的结构，因此其组件变得很大，与人们的期望相左。
由于传感器壳和主体分别制造，隔离膜片与两个传感器芯片之间的距离增大，并且两个传感器芯片之间的距离也相应地增大。因此，在传统压力传感器中，封液量增加，相应地能够测量的压力范围变窄，因此温度特性降低。
为了解决这些问题，压差传感器和静压传感器可以一体地形成在一个芯片上。为了制造这种压力传感器，一个半导体基片被蚀刻以在不同区域形成压差测量膜片和静压测量膜片。随后，应变计(在压电压力传感器的情况下)或者电极(在静电电容式压力传感器的情况下)形成在两个膜片上。
当压差传感器和静压传感器一体地形成在一个芯片上时，生产变得很困难并且成本升高。具体而言，压差传感器和静压传感器具有不同的测量范围。处于这个原因，静压测量膜片与压差测量膜片相比必须具有较大的厚度和较小的直径，这样它能承受较大压力。
但是，当压差传感器的膜片的厚度和静压传感器的膜片的厚度需要在一个半导体基片上制成不同时，制造工序变得复杂。当膜片的直径减小时，在膜片上形成应变计或者电极的步骤变得困难。当两个膜片具有相同厚度并且静压测量膜片的直径增加时，可以简化制造工序。在这种情况下，压差传感器的灵敏度会降低，除非压差测量膜片的直径也增加。当压差测量膜片的直径也相应增加时，芯片体积增加，成本也升高。
发明内容
本发明的目的是提供一种压力传感器，它能够获得好的温度特性和宽的压力测量范围。
本发明的另一个目的是提供一种压力传感器，它能够容易地制造并且组件尺寸变小。
根据本发明的压力传感器包括：压差传感器芯片，其具有压差测量膜片，将所述压差测量膜片接收的压力转换为电信号，并输出所述电信号；静压传感器芯片，其具有静压测量膜片，将所述静压测量膜片接收的压力转换为电信号，并输出所述电信号；基底，所述压差传感器芯片和静压传感器芯片安装在所述基底上，所述基底具有第一压力引入通道，所述第一压力引入通道用于将第一压力引入到压差传感器芯片的第一表面，还具有第二压力引入通道，所述第二压力引入通道用于将第二压力引入到静压传感器芯片的第一表面；和压力引入室，其形成在所述基底中以容纳所述压差传感器芯片和静压传感器芯片，并用于将第三压力共用地引入到压差传感器芯片的第二表面和静压传感器芯片的第二表面。
附图说明
图1A是根据本发明实施例的压力传感器的截面图；图1B是图1A所示压力传感器的仰视图；和
图2是图1A和图1B所示传感器芯片的放大截面图。
具体实施方式
以下将参照附图详细说明本发明。
图1A和图1B说明了根据本发明实施例的压力传感器。如图1B所示，本实施例的压力传感器具有：用作基底的具有阶梯状凹槽1a的柱形管座1；第一和第二棱柱形基座2和3，它们并排地粘合并固定在管座1的凹槽1a的底表面上；压差测量压差传感器芯片4，其粘合并固定在第一基座2上；静压测量静压传感器芯片5，其粘合并固定在第二基座3上；多个传感器输出管脚6，用于将来自传感器4和5的电信号引导至外部；圆形盘状陶瓷板7，其表面上形成了布线图9(图1B)以将传感器芯片4和5电连接至传感器输出管脚6；和多个电线8，用于将传感器芯片4和5与传感器输出管脚6相互连接以及将传感器芯片4和5与布线图9相互连接。
粘合并固定在基座2和3上的传感器芯片4和5分别由已知压电压力传感器芯片形成。如图2所示，每个压电压力传感器芯片4和5由半导体膜片41和应变计42构成，应变计42形成在半导体膜片41上并具有压电电阻器效应。在这种设置中，应变计42由于施加在膜片41上的压力而变形。由压电电阻器效应造成的应变计42的电阻变化被检测，从而压力被测量。
关于传感器芯片4和5，可以使用已知的静电电容式压力传感器来替代压电压力传感器芯片。静电电容式压力传感器包括具有预定空间(电容室)的基片、设置在基片的所述空间上的膜片、形成在所述基片上的固定电极和形成在所述膜片上的移动电极。在这种设置中，当接收到压力时，所述膜片变形，移动电极与固定电极之间的距离也相应地改变，从而移动电极与固定电极之间的静电电容改变。由所述膜片接收的压力根据静电电容的变化进行测量。
根据另一种类型的静电电容式压力传感器芯片，静电电容的变化不是由膜片的变形而测量，而是从形成电容室的材料的压缩而测量。根据再一种类型的压力传感器芯片，压力通过将膜片的位移调制成光信号而测量。当压差传感器芯片4和静压传感器芯片5被比较时，较小的压力施加在压差传感器芯片4的膜片上。因此，为了提高灵敏度，压差传感器芯片4比静压传感器芯片5具有较大的膜片直径。
具有上述结构的传感器芯片4和5分别静电粘合(阳极粘合)至基座2和3的端面。如果在粘合传感器芯片4和5时产生的热应变被传递至传感器芯片4和5，传感器芯片4和5的温度特性降低从而产生零点漂移。考虑到这一点，基座2和3由热膨胀系数与传感器芯片4和5的热膨胀系数类似的材料制成，例如陶瓷材料，比如硼硅酸盐玻璃(Corning 7740)或者氮化硅。
管座1由具有良好耐腐蚀性和良好可焊性的材料制成，例如不锈钢或者科瓦铁镍钴合金。基座2和3、传感器芯片4和5、陶瓷板7等容纳在凹槽1a中，凹槽1a形成在管座1下表面的中心。与传感器芯片4和5相对的基座2和3的那些端面(上端面)用铜焊材料焊接并固定至管座1。
在陶瓷板7的中心形成了通孔7a，基座2和3通过通孔7a延伸。通孔7a的外形当从上面看时是两个不同尺寸、大体正方形的孔，两个所述孔彼此连续。在陶瓷板7的外围部分中形成了插入孔以围绕通孔7a，传感器输出管脚6通过所述插入孔延伸。布线图9形成在陶瓷板7表面上的传感器芯片侧，布线图9将传感器芯片4和5以及传感器输出管脚6相互电连接。陶瓷板7用铜焊材料在其外围部分焊接至管座1。
用于电源、地和探测器(在压电压力传感器的情况下是应变计，在静电电容式压力传感器的情况下是电极)的传感器芯片4和5的端子与形成在陶瓷板7上的布线图9，以及传感器芯片4和5与传感器输出管脚6通过由Au等制成的电线8相互电连接。布线图9与传感器输出管脚6也通过电线8相互电连接。
通过管座1延伸并连接至压力传感器外侧的传感器输出管脚6用玻璃密封，从而使管座1与传感器输出管脚6彼此电绝缘，并且防止封液泄漏。
在管座1的凹槽1a的下部打开侧形成了圆形压力引入室17，用于将待测压力P1共用地引入传感器芯片4和5的下表面。在管座1中形成了具有L形截面的压力引入通道18和19，使它们分别对管座1的外表面和凹槽1a的底表面开放，压力引入室18和19用于将管座1的外表面上的待测压力P2和P3引入凹槽1 a的底表面。基座2具有中空部分2a，中空部分2a与管座1的压力引入通道18相通并将来自压力引入通道18的待测压力P2引入压差传感器芯片4的上表面。基座3具有中空部分3a，中空部分3a与管座1的压力引入通道19相通并将来自压力引入通道19的待测压力P3引入静压传感器芯片5的上表面。
对于待测压力P1、P2和P3，气体或者液体的压力可以直接施加于传感器芯片4和5。通常，将与待测流体接触的隔离膜片(未示出)设置在测量位置，所述测量位置通过延伸压力引入室17和压力引入通道18和19而形成。封液(例如硅油)被注入通过各自的隔离膜片密封的压力引入室17和压力引入通道18和19中。这样，作用在各个隔离膜片上的待测压力P1、P2和P3通过封液被传递至传感器芯片4和5。
下面将说明具有上述结构的压力传感器的操作。首先，高的待测压力P1被引入压差传感器芯片4的下表面，并且低的待测压力P2被引入压差传感器芯片4的上表面。这样，压差传感器芯片4的压差测量膜片根据压差(P1-P2)移动。此时，来自压差传感器芯片4的输出电压通过传感器输出管脚6取出，从而测量出压差(P1-P2)。
待测压力P1被引入静压传感器芯片5的下表面，大气压P3被引入静压传感器芯片5的上表面。这样，静压传感器芯片5的静差测量膜片根据压差(P1-P3)移动。此时，来自静压传感器芯片5的输出电压通过传感器输出管脚6取出，从而测量出压差(P1-P3)，即计量压。并且，压力引入通道18的内部被设置为真空状态，因而测量出了相对于真空状态的待测压力P1，即绝对压。
在根据本实施例的压力传感器中，由于在基座2和3与陶瓷板7之间以及基座2和3之间存在间隙，封液也进入陶瓷板7和凹槽1a，从而形成压力引入室17。通常，在基座2和3与陶瓷板7之间以及基座2和3之间的间隙中设置隔板，从而可以减小封液的数量。隔板通常由陶瓷材料(例如氧化铝)制成，从而可以尽可能地防止由于温度变化而导致的任何体积变化。
如上所述，根据本发明，压差传感器芯片和静压传感器芯片安装在一个基底上，从而它们的正面暴露于共同的压力引入室的内部。这样，压差传感器芯片和静压传感器芯片可以相互靠近地设置。封液的数量可以减小得比传统压力传感器小，在传统压力传感器中，用于压差传感器芯片的外壳、用于静压传感器芯片的外壳以及主体分别制造并相互接合。结果，可以获得良好的温度特性和宽的压力测量范围。
由于压差传感器芯片和静压传感器芯片可以相互靠近地设置，所述压力传感器的结构相应地得到简化，因而组件体积减小。压力传感器的制造工序得到简化，制造成本降低。压差传感器芯片和静压传感器芯片在单独的制造工序中生产，适于它们使用的最优化的膜片可以形成在各个芯片中。当与压差传感器和静压传感器一体形成在一个芯片的情况相比时，制造变得简单，并且成本减小很多。

Claims (5)

1.一种压力传感器，其特征在于包括：
压差传感器芯片，其具有压差测量膜片，将所述压差测量膜片接收的压力转换为电信号，并输出所述电信号；
静压传感器芯片，其具有静压测量膜片，将所述静压测量膜片接收的压力转换为电信号，并输出所述电信号；
基底，所述压差传感器芯片和静压传感器芯片安装在所述基底上，所述基底具有第一压力引入通道，所述第一压力引入通道用于将第一压力引入到所述压差传感器芯片的第一表面，还具有第二压力引入通道，所述第二压力引入通道用于将第二压力引入到所述静压传感器芯片的第一表面；和
压力引入室，其形成在所述基底中以容纳所述压差传感器芯片和静压传感器芯片，并用于将第三压力共用地引入所述压差传感器芯片的第二表面和所述静压传感器芯片的第二表面。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述基底由柱形管座形成，
所述压力引入室形成在所述管座的端面中心，并且
所述第一和第二压力引入通道分别对所述管座的外表面和所述压力引入室的底表面打开，以将所述第一和第二压力从所述管座的外部引入所述压力引入室。
3.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，还包括第一和第二圆柱形基座，每个基座具有中空部分，一个端面粘合并固定至所述管座以对应于所述第一和第二压力引入通道中相应的一个通道的开口，所述压差传感器芯片和静压传感器芯片中的相应一个芯片粘合并固定至另一个端面，
其中第一压力通过所述第一压力引入通道和所述第一基座的中空部分引入到所述压差传感器芯片的所述第一表面，并且
第二压力通过所述第二压力引入通道和所述第二基座的中空部分引入到所述静压传感器芯片的所述第一表面。
4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，还包括：
绝缘基片，其固定至所述压力引入室的底部并具有通孔，所述第一和第二基座通过所述通孔延伸，从而所述第一基座上的所述压差传感器芯片的所述第二表面和所述第二基座上的所述静压传感器芯片的所述第二表面暴露于所述压力引入室；和
电路，其形成在所述绝缘基片上并包括传感器输出管脚。
5.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，还包括：
隔离膜片，其覆盖所述第一和第二压力引入通道的开口以及所述压力引入室的压力引入端口；和
密封在所述第一和第二压力引入通道和压力引入室中的液体。
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