CN1650155A - 气压传感器 - Google Patents
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Abstract
一种气压传感器(100)，包括基层(102)、传感器层(110)和参照层(120)。基层具有在压强入口(106)和安装表面(108)之间的通道(104)。通过绝缘粘结层(114)将传感器层结合至安装表面，并且该传感器层包括传导隔膜(116)。参照层装配于传感器层上以形成参照真空空腔(122)。参照层包括面向跨越参照真空空腔的传导隔膜以形成压强传感电容器的传导表面(124)。
Description
技术领域
本发明涉及一种气压传感器，更具体地说，涉及一种以用于工业表压传送器中的气压传感器。
背景技术
在工业传送器应用中，电容类型传感器典型地用于传感压强。可以制成高精度和可重复的电容性传感器。在基于两个绝对压强传感器输出电子地计算压强之差的表计传送器中，传感器的精度和可重复性对避免在减法处理中引入误差特别重要。大气压范围相当有限，典型地为0.9-1.1大气压，并且期望使用相对低成本的绝对传感器以用于传感气压。然而，已经发现低成本绝对压强传感器在处理流体传感器中常常不具有精度和可重复性。这些低成本传感器会在电子减法处理中引入不理想的误差。
由此，现在需要可以以低成本制备的气压传感器，并且该传感器具有在限定的气压范围中的高可重复性。
发明内容
本发明提供一种压强传感器包括基层、传感器层和参照层。基层环绕适于接收压强的入口和基层上的安装表面之间的通道。
传感器层具有通过绝缘粘结层结合至安装表面的第一表面。传感器层包括与通道对准的传导隔膜。
参照层装配于传感器层上以形成与传导隔膜对准的参照真空空腔。参照层包括面向跨越参照真空空腔的传导隔膜以形成压强传感电容器的传导表面。
基于下面详细描述的阅读和相关附图的评述，体现本发明的这些和各种其他特征、以及优点将变得清楚。
附图说明
图1示出了电容性绝对压强传感器的第一实施例的横截面图。
图2示出了电容性绝对压强传感器的第二实施例的横截面图。
图3示出了电容性绝对压强传感器的第一隔膜的详细的横截面图。
图4示出了电容性绝对压强传感器的第二隔膜的详细的横截面图。
图5示出了电容性绝对压强传感器的第三隔膜的详细的横截面图。
图6示出了用于在图5中示出的传感器层的上部表面的掩膜。
图7示出了用于在图5中示出的传感器层的底部表面的掩膜。
图8示出了用于在图5中示出的参照层的上部表面的掩膜。
图9示出了用于在图5中示出的参照层的底部表面的掩膜。
图10示出了表压传送器的部分拆分图。
图11示出了表压传送器的方块图。
具体实施方式
表压传送器(gage pressure transimitter)通常用于测量存储于盛液器中的液体的数量。表压传送器包括指示表压的传送器输出的电子电路，或换句话说，传感的液压和传感的大气压之间的差。表压传送器具有连接至临近盛液器底部的开口的处理压强入口。表压传送器也具有大气入口或开放于大气的出口。使用已知的公式从传送器的表压输出可以计算在盛液器中的流体水平高度。
使用耦合至处理压强和大气压强的差分压强传感器可以构造表压传送器。可替代地，可以使用两个绝对压强传感器，利用一个传感液压的绝对压强传感器和传感大气压的另一绝对压强传感器。当使用两个绝对压强传感器时，基于两个传感器输出，在传送器中的电路电子计算压强差(表压)。
在工业传送器应用中，电容性类型传感器典型地用于传感压强。电容性传感器可以制成具有高精度和可重复性。在基于两个绝对压强传感器输出电子计算压强差的表计传送器中，传感器的可重复性对于避免在减法处理中引入误差特别的重要。大气压范围相当有限，典型地为0.9-1.1大气压，并且期望使用相对较低成本的绝对传感器用于传感气压。然而，已经发现低成本绝对压强传感器常常不具有在处理流体传感器中的可重复性。这些低成本传感器会在电子减法处理中引入不理想的误差。
如下面在图1-11中所描述的，其提供一种可以以低成本制备的气压传感器，并且该传感器在有限的大气压范围中具有高可重复性。使用微型结构制备的选择出的已知处理(也称作微型系统技术(MST))可以方便地成批制备气压传感器，比如掩膜法、掺杂、蚀刻、薄膜沉积等等。这些已知的处理包括根据集成电路的制备改造过来的多种处理。
图1示出了由多层形成并可方便地成批制备的压强传感器100。压强传感器100包括基层102，其环绕入口106和基层上的安装面108之间的通道104。入口106适于结合至环绕提供来自表计传送器腔室外部的大气压P的孔(如图10所示)的表计传送器外壳内部表面。
压强传感器100也包括传感器层110，其具有通过绝缘粘结层114结合至安装面108的第一表面112。传感器层110包括与通道104对准以接收压强P的传导隔膜116。
压强传感器100包括参照层120，其安装于传感器层110上以形成与传导性隔膜116对准的参照真空空腔122。参照层120包括传导性表面124，其面向跨越参照真空空腔122的传导性隔膜116以形成压强传感电容器。参照层120充分厚，以使参照层基本上不会由于在传感器100周围的大气压的变化而弯曲或偏斜。参照层120优选包括台面121，其轻微突出并面向传导性隔膜116。台面121具有选择出的高度，以在真空空腔122中的电容器板之间提供理想的空间。可以选择台面121的高度以校正结合层126、130的厚度。除了台面121，或者作为台面121的替代，可在传感器层110上配备第二台面123以提供电容器的空间控制。
传导隔膜116作为第一电容器极板或平板。传导表面124作为第二电容器极板或平板。真空空腔122提供通常平行的电容器平板之间的空间。当通过压强P偏斜隔膜116时，电容器平板之间的空间改变。绝缘粘结层114提供了与基层102的电绝缘并优选包括玻璃粉层。
传感器层110进一步包括环绕第二表面128上的传导隔膜116的第一绝缘层126。参照层120包括结合至第一绝缘层126的第二绝缘层130。在一种优选配置中，参照层120和第二层110包括硅，而第一和第二绝缘层126、130包括生长二氧化硅并熔解结合在一起。在层110、120中的硅掺有杂质并是导电的。绝缘层126、130使传感器层110的传导部分与参照层120绝缘，从而不会短路压强传感电容器。
第一电结合衬垫132设置于传感器110上。结合衬垫132电接触并电连接至传感器层110，并且这样提供至压强传感电容器的平板或极板的连接。第二电结合衬垫134电接触并电连接至传参照层120上的传导表面124，并且这样提供至压强传感电容器的另一个平板或极板的连接。
在优选设置中，传感器层110包括在超过参照层120延伸的一侧之上的隔架部分111，并且至少一个电结合衬垫132设置于隔架部分之上。隔架部分111的配置提供了用于连接结合线133的方便存取，并允许结合衬垫132远离传导隔膜116，从而减小从结合线133到传导隔膜116的应力传送。
在优选配置中，传感器层110进一步包括从参照真空空腔122延伸至绝缘粘结层114的第二通道136。在参照层120和传感器层110结合在一起之后，然后在真空中将基层102结合至传感器层110。绝缘粘结层或熔合层114密封第二通道136，以在参照真空空腔122中提供永久真空。第二通道136优选是激光钻孔。
可以经济地制备压强传感器100以用于用作具有大约0.9-1.1标准大气压的操作范围的气压传感器。
图2示出了与在图1中示出的压强传感器100类似的压强传感器150，然而，压强传感器150包括为通过阳极结合层180阳极地结合至传感器层160的绝缘玻璃的参照层170。
在图2中，基层152环绕接收压强P的入口156和基层152上的安装表面158之间的通道154。
传感器层160具有通过绝缘胶合体164结合至安装表面158的第一表面162。传感器层160包括与通道154对准的传导隔膜166。绝缘粘合体164优选包括玻璃粉层。
参照层170装配于传感器层160之上，以形成与传导隔膜166对准的参照真空空腔172。参照层170包括面向跨越参照真空空腔172的传导隔膜166的传导表面174，以形成压强传感电容器。参照层170的主体包括耐热玻璃，而传导表面174优选包括镍铬铁合金(nichrome)沉积物。利用用于结合耐热玻璃至硅的已知阳极结合技术将参照层170阳极地结合至传感器层160。在完成阳极结合层180之后，然后在真空中加热传感器以使用少量的玻璃粉183密封参照真空空腔172。玻璃粉183填满穿过参照层切割的小通道，以允许从传导表面174电馈通至第一电结合衬垫184。
第一电结合衬垫184沉积于连接至形成压强传感器的第二平板或电极的传导表面174的导电层189之上。第一电结合衬垫184和导电层189设置于传感器层160上的绝缘通道185。导电层189通过金属桥187与传导表面174电接触。
第二电结合衬垫182设置于传感器层160上，并这样连接至形成压强传感器电容器的平板或电极的传导隔膜166。第二电结合衬垫182与传感器层160电接触。
优选由铝形成结合衬垫182、184。绝缘通道185优选由热解氧化物形成。金属桥187、导电层189和传导表面174全部优选由镍铬铁合金形成。传感器层160包括超过参照层170延伸的隔架部分161，而电结合衬垫182、184设置于隔架部分161上。
压强传感器150优选是具有大约0.9-1.1大气压的操作范围的气压传感器。
图3-4详细示出了比如在图1中描述的压强传感器100的电容性绝对压强传感器的传导隔膜116的两个不同实施例的横截面图。图3-4没有按照比例，但其具有放大的垂直比例以更好描述具体的特征。此外，图3-4示出了在过压环境过程中的传导隔膜116。过压环境是其中的压强P超过了压强传感器的标准测量范围的环境。在过压环境下，传导隔膜116从它的标准平直形状(通过虚线194、196描述)偏斜，并相对静止，且通过参照层120的传导表面124对其支撑。在图3-4中，在隔膜表面上形成氧化层190。此外，在图4中，在传导表面124上形成附加氧化层192。氧化层190、192阻止在过压环境过程中传导表面124短路至传导隔膜116。在过压过程中支撑传导隔膜116，从而使其不会破裂，并且氧化层190、192阻止在过压环境过程中的短路。
图5-9示出了与在图1中描述的压强传感器100类似的压强传感器200，然而压强传感器200包括一些附加的特征。具体地，包括用于减小静止电容的沟槽201。可以包括附加的掩膜绝缘层203以提供超过温度极端的增强的性能。可以在参照真空空腔122和第二通道136之间的参照层120中添加死胡同形状的通道(图6)以减少来自激光钻孔的残骸的运动。
图5示出了由多层形成并使用比如掩蔽法、掺杂、蚀刻、薄膜沉积等等的微型结构制备的选择出的已知处理(也称作微型系统技术(MST))可以方便地成批制备的气压传感器200。在图5中描述的压强传感器200与在图1中描述的压强传感器100类似。和在图1中使用的参照数字相同的在图5中使用的参照数字表示相同或类似的特征。
在图5中，压强传感器200包括多个沟槽201(也在图9中以372、374、376、378描述)。
在优选实施例中，掩蔽第二绝缘层130以形成掩膜的形状，并且参照层120也包括与第二绝缘层130相对的第三绝缘绝缘层203。将第三绝缘层203掩蔽成与第二绝缘层130基本上相同的掩膜形状。第三绝缘层203与第二绝缘层130对准。当温度改变，第一和第二绝缘层203、130以不同于参照层120的主体材料的膨胀比率膨胀。膨胀率的不同产生在参照层120中的应力，然而，来自两个基本相同的层203、130的应力趋于抵消。下面结合图8-9更加详细地描述具有基本上相同的掩蔽形状的掩膜的特征。
在另一个优选实施例中，在传感器层110上配备薄氧化层217。氧化层217与在图3-4中描述的氧化层190类似，并阻止了在过压过程中的短路。
图6-9示出了用于在图5中描述的制备传感器200的各种掩膜。包括在图5中的参照L(左)和R(右)用以指示传感器200的左侧和右侧。包括在图6-9中的对应参照L和R用以指示相对于图5中的传感器200的各种掩膜的定向。在图6-9中描述的掩膜提供了在图5中示出的各种特征的形状上的附加细节。在图6-9中描述的掩膜用于制备一个传感器。本领域的熟练技术人员可以理解，利用在晶片上的多个其他传感器可以成批制备传感器，并在然后对其切割。在成批制备的情况下，在足够大以完成整个晶片的掩膜之上的规则阵列中典型地重复在图6-9中描述的单个掩膜。
图6示出了用于在图5中示出的传感器层110的第二表面128(上部表面)的掩膜300。掩膜300包括通常为矩形的区域302，该矩形区域提供外露(未氧化)硅的相应成形表面。随后在该外露硅区域302上沉积第一电结合衬垫132。掩膜300也包括覆盖在传导隔膜116上并且也限定了与区域304毗邻的死胡同区域306的区域304。死胡同区域306提供第二通道136和参照真空空腔122之间的开放路径。掩膜300包括限定了第一绝缘层126的不规则成形区域308，该第一绝缘层环绕传导隔膜区域304和死胡同区域306。
图7示出了用于在图5中示出的传感器层110的底部表面的掩膜320。掩膜320包括区域322，其限定了各向异性蚀刻于硅的(100)定向晶体表面以形成隔膜116的区域。掩膜320也包括左侧氧化的区域324和限定了用于第二通道136的定位的区域326，典型的为激光钻孔。
图8示出了用于在图5中示出的参照层120的上部表面的掩膜340。掩膜340包括限定了掩膜绝缘层203的区域342。掩膜340也包括确定了限定第二电结合衬垫134的区域346的界线的区域344。
图9示出了用于在图5中示出的参照层120的底部表面的掩膜360。掩膜360包括限定了各向异性蚀刻沟槽的区域362、364、366。这些各向异性蚀刻沟槽提供了用于应力集中的线368，从而可以从多个传感器的晶片方便地自由切割成批制备的传感器200。在图5中，以虚线描述参照层120的拆分部分。
掩膜360也包括限定比如在图5中描述的沟槽201的各向异性蚀刻沟槽的区域372、374、376、378、380、382。这些沟槽提供传感器层110的表面和参照层120之间增大的分离。参照层120包括面向传感器层110的这些沟槽。这些增大的分离减小了电容性压强传感器的“静止电容”。电容性压强传感器的静止电容是当传感器静止时传感器的电容的值，或换句话说，不偏斜时电容的值。静止电容对压强变化无反应，并且其趋于不期望地减小超过标准测量范围的电容变化的百分率。利用沟槽减小了静止电容简化了结合压强传感器200使用的电路的设计。
掩膜360也包括限定了形成台面121的蚀刻停止层的区域384。掩膜360进一步包括限定第二绝缘层130的区域386。可以看出，在图8中的区域342限定了屏蔽绝缘层203，并且在图9中的区域386限定了第二绝缘层130，以具有彼此对准的基本上相同的形状，从而在温度变化过程中提供机械应力隔离。
掩膜360也包括与在图6中的死胡同区域306对准的死胡同区域387。这样成形参照真空空腔122以包括导引至第二通道136的死胡同，其典型地是激光钻孔。
在一个优选实施例中，死胡同区域387包括如所述的至少90度的转弯388。
图10示出了包括气压传感器402的表压传送器400的部分拆分图。通常如上面描述的结合图1-9构造气压传感器402。表压传感器400包括外壳404，其封装通过至包括转换电路的印刷电路板408的导线406连接的气压传感器402。下面结合图11更加详细的描述印刷电路板408上的转换电路。
表压传感器400也包括处理压强传感器410，其通过导线412连接至印刷电路板408上的转换电路。处理压强传感器410是传感在处理压强入口434处的处理压强的绝对压强传感器。
印刷电路板408上的转换电路产生代表导线414上表压的电输出。导线414连接至也用作密封馈通的接线盒415。外壳404是具有使电子隔间418与场线隔间420分离的隔墙416的双隔间外壳。通过相应的有螺纹的盖罩430、432密封每个隔间418、420。电缆422在远距离位置连接接线盒415至处理控制系统(未示出)。配置电子输出以用于长距离发送，也成为遥测术，并且典型地，在接线盒415处的输出为标准的格式，比如提供用于表计传送器400的全部激励(energization)的4-20mA工业处理控制系统。该4-20mA工业处理控制系统可以包括在标准工业格式，比如Hart协议中的叠加信号。可替代地，接线盒415处的输出可以位于工业标准现场总线格式，比如Foudation Fieldbus、Profibus等等。
传送器外壳404包括对环绕外壳104的大气开放的大气压部分424。表压传感器402的入口结合至在大气压部分上的传送器的内部。大气压部分424优选包括设置于大气压部分424中的多孔特氟纶插塞426。多孔特氟纶插塞426有助于阻止在大气压部分424中的水的进入。利用比如钛-镍-金的三金属连接，气压传感器402优选结合至外壳404。例如，从美国专利5,695,590Willcox et al已知三金属连接。
图11示出了在图10中的表压传送器400的示意性方块图。处理压强传感器410沿着至西格玛德耳塔(sigma delta)电路450的导线412连接于转换器电路452中。气压传感器402沿着至西格玛德耳塔电路450的导线412连接于转换器电路452中。
西格玛德耳塔电路450提供代表沿着至处理压强补偿电路456的线454的未得到补偿的处理压强的数字信号。西格玛德耳塔电路450提供代表沿着至大气压补偿电路460的线458的未得到补偿的大气压的数字信号。处理压强补偿电路456提供至差分计算电路468的线466上的已补偿处理压强的输出。气压补偿电路460提供至差分计算电路468的线470上的已补偿气压的输出。差分计算电路468计算已补偿处理压强与已补偿气压之间的差，其是表压414的精确指示。通过电路456、460实施的补偿包括增益校正和线性校正。
在优选实施例中，转换电路也包括连接至西格玛德耳塔电路450的温度传感器475。在该优选实施例中，西格玛德耳塔电路450提供代表两个补偿电路456、460的温度的输出。补偿电路456、460然后附加地补偿温度变化。
在优选配置中，作为在表压传送器400中的嵌入微处理器系统的一部分实现补偿电路456、460和差分计算电路468。
西格玛德耳塔电路450优选是西格玛德耳塔类型的模拟至数字转换电路。转换器电路452补偿来自处理压强传感器的读数并补偿来自气压传感器的读数，并通过从处理压强读数减去已补偿的大气压读数计算差分。
尽管已经参照优选实施例描述了本发明，本领域的熟练技术人员认识到可对形式和细节进行改变，只要其不脱离本发明的精神和范围。
Claims (25)
1.一种压强传感器，包括：
基层，其环绕适于接收压强的入口和基层上的安装表面之间的通道；
传感器层，其具有通过绝缘粘结层结合至安装表面的第一表面，所述传感器层包括与通道对准的传导隔膜；以及
参照层，其装配于传感器层上以形成与传导隔膜对准的参照真空空腔，所述参照层包括面向跨越参照真空空腔的传导隔膜以形成压强传感电容器的传导表面。
2.根据权利要求1的压强传感器，其特征在于，绝缘粘结层包括玻璃粉层。
3.根据权利要求1的压强传感器，其特征在于，传导隔膜包括氧化层。
4.根据权利要求3的压强传感器，其特征在于，在过压环境下传导表面支撑氧化层。
5.根据权利要求1的压强传感器，其特征在于：
传感器层进一步包括环绕传导隔膜的第二表面上的第一绝缘层，并且参照层进一步包括结合至第一绝缘层的第二绝缘层。
6.根据权利要求5的压强传感器，其特征在于：
掩蔽第二绝缘层以形成掩膜形状，并且参照层也包括与第二绝缘层相对的第三绝缘层，实质上以与第二绝缘层相同的掩膜形状掩蔽第三绝缘层。
7.根据权利要求5的压强传感器，其特征在于：
参照层和传感器层包括硅，并且第一和第二绝缘层包括二氧化硅，并将其熔化结合在一起。
8.根据权利要求1的压强传感器，其特征在于：
参照层包括耐热玻璃，而且耐热玻璃阳极地结合至传感器层。
9.根据权利要求1的压强传感器，进一步包括设置于传感器层上并连接至压强传感电容器的第一电结合衬垫。
10.根据权利要求9的压强传感器，进一步包括连接至压强传感电容器的第二电结合衬垫。
11.根据权利要求10的压强传感器，其特征在于：
第一电结合衬垫与传感器层电接触，并且第二电结合衬垫设置于传感器层上的热解氧化物绝缘通道上，而且该第二电结合衬垫与传导表面电接触。
12.根据权利要求1的压强传感器，其特征在于：
传感器层进一步包括从参照真空空腔延伸至绝缘粘结层的第二通道。
13.根据权利要求12的压强传感器，其特征在于，第二通道是激光钻孔。
14.根据权利要求13的压强传感器，其特征在于：成形参照真空空腔以包括导引至激光钻孔的死胡同。
15.根据权利要求14的压强传感器，其特征在于，死胡同包括至少90度的转弯。
16.根据权利要求1的压强传感器，其特征在于，参照层包括面向传感器层的至少一个沟槽。
17.根据权利要求1的压强传感器，其特征在于，参照层包括面向传导隔膜的台面。
18.根据权利要求1的压强传感器，其特征在于：
传感器层包括超过参照层延伸的隔架部分，以及在隔架部分上设置的至少一个电结合衬垫。
19.根据权利要求1的压强传感器，其特征在于，压强传感器是具有至少0.9-1.1大气压的操作范围的气压传感器。
20.一种包括气压传感器的表压传送器，该气压传感器包括：
基层，其环绕适于接收压强的入口和基层上的安装表面之间的通道；
传感器层，其具有通过绝缘粘结层结合至安装表面的第一表面，所述传感器层包括与通道对准的传导隔膜；以及
参照层，其装配于传感器层上以形成与传导隔膜对准的参照真空空腔，所述参照层包括面向跨越参照真空空腔的传导隔膜以形成压强传感电容器的传导表面。
21.根据权利要求20的表压传送器，进一步包括：
传送器外壳，所述传送器外壳具有结合于入口的大气压口部。
22.根据权利要求21的表压传送器，进一步包括：
设置于大气压口部中的多孔特氟纶插塞。
23.根据权利要求20的表压传送器，进一步包括：
处理压强传感器；以及
连接至处理压强传感器和气压传感器的转换电路，所述转换电路计算处理压强和大气压之间的差。
24.根据权利要求23的表压传送器，其特征在于，转换器电路包括西格玛德耳塔模拟至数字转换器。
25.根据权利要求23的表压传送器，其特征在于：
转换器电路补偿来自处理压强传感器的读数并补偿来自气压传感器的读数，并通过从处理压强读数减去已补偿的大气压读数以计算差分。
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