CN85108071A

CN85108071A - 采用脆性薄膜的压力检测单元

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Publication number: CN85108071A
Application number: CN198585108071A
Authority: CN
Inventors: 索马斯·A·克尼特; 罗格·L·弗里克; 约翰·P·舒尔特
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1984-10-12
Filing date: 1985-10-11
Publication date: 1986-04-10
Also published as: IL76638A0; WO1986002486A1; EP0198031A1; ZA857791B; AU4968685A; CA1235922A; US4578735A; JPS62500545A

Abstract

一种适于以成批处理的方式生产的电容检测单元，该单元采用刚性材料(如玻璃)的衬底和脆性半导体的膜片组件。膜片组件和衬底用阳极法粘接在一起。在膜片或衬底上形成一个很浅的凹槽以容纳淀积的电容器极板。两个这样的组件被连接在一起并将组件充入不可压缩的流体以使膜片从衬底稍向外弯曲。通过检测两个膜片的相对位置而检测出膜片组件之间的压力差。

Description

本发明涉及一种电容式差值压力传感器，该传感器的检测单元具有脆性材料制成的多层薄膜，其构造能够允许成批地制作。

在本领域中已经发展了采用偏移膜片的不同类型的压力检测器件，偏移膜片的运动被检测出来以指示压力。另外，各种压力传感器，尤其是差值压力传感器，在发生偏移的膜片与其支撑件之间使用一种流体进行填充。

例如，4，177，496号美国专利中公开了一种电容压力传感器，该传感器具有两个用氧化铝、熔凝氧化硅或玻璃等脆性绝缘材料制成的圆盘，这两个圆盘具有彼此相对又间隔开的表面，并在上述表面上有导电层。在圆盘之间形成一个腔，当圆盘受到外界压力时它们便相向移动。圆盘的偏移以电容方式测量出来用以指示作用在圆盘上的压力。为了避免由于过压引起传感器本身的损坏，圆盘的某些部位在过压状态下相互接触。4，207，604号美国专利展示了与4，177，496号美国专利类似的器件。

4，168，518号美国专利所示的电容传感器是用石英材料制成的，它包括两个连在一起以形成一个内腔的部件，这两个部件具有能够随着作用在偏移部件外表面上的压力而相向偏移的部分。

4，084，438号美国专利也展示了一种压力传感器件，该传感器件具有彼此隔开的器壁，器壁的周边被密封以形成一个内腔，壁的内表面上有电容传感装置，这样当器壁在压力下偏移而使其间隔改变时，能够提供一个电信号。4，084，438号专利还说明了可用石英材料构成该传感器。

4，332，000号美国专利展示了用半导体材料制成的电容压力传感器，并公开了在同一过程中制成传感器和检测电路的方式。

4，390，925号美国专利也是涉及在一个硅片上形成的多腔压力传感器。

4，244，228号美国专利展示了一种压力传感器，该传感器具有略呈杯状，在边缘处相连，并在压力下能偏移的圆盘部件。在过压下，圆盘会相互靠在一起，为了使其能工作，将圆盘制成杯状并用弹性材料制成。

4，301，492号美国专利展示了一种采用膜片的压力传感器，该膜片形成了叠合结构，中间充有流体，并且在压力下能够相向偏移。这种偏移由电容传感器检测出来，并对温度漂移所产生的衰减进行补偿。通过在固定位置上的环状承垫使偏移膜片相互隔开而形成多个腔。该传感器可用于测量压力差，但在所公开的形式中，这种传感器要求在膜片圆盘上要有凹槽，以提供必须的间隔。

当传感器中使用了流体填充物时，温度的变化会影响传感器，这是由于流体（通常为硅油）的温度膨胀系数以及所产生的膜片压力传感元件间隔的变化;该传感元件在一个中心块的相对边上有传感膜片，以便每个膜片都形成一个独立的腔，每个腔内都充有液体，相互间的液体是连通的，其中相应膜片上压力的差值将引起膜片的偏移，如同美国专利4，398，194号和4，169，389号中所示。这两份专利都指出温度差会引起在膜片所包绕空间内充入的油在体积上的变化。在4，398，194号专利中，这种体积差值由检测电路来补偿，而在4，169，389号专利中是对该体积差进行机械补偿。在上述每份专利中，与本发明的器件不同之处在于利用了一个不偏移的中心固定块，而本器件是由两个盘构成，每个盘都能因外界压力的改变而偏移。

4，163，395号美国专利展示了一种检测压力差的传感器，该传感器具有扁平的膜片，膜片间充有油以保持膜片间隔。在过载情况下，膜片将会“触底”。除了偏移膜片组件外，还使用了一个外部传感器，随着压力的变化，来自膜片间隔中的油会作用在外部传感器上。

在绝对压力传感器中也已经发展了在刚性绝缘衬底上脆性半导体膜片的应用。这种类型的传感器公开在M.Behr和J.Giachino所著的，名为“应用于汽车的小型压力传感器”一文中。该文章发表在1981年10月在伦敦召开的第三次国际汽车电子工业会议的I Mech E会议公报1981-10（1981）上。

先有技术中已有成批制造的绝对压力传感器的实例。从用硅和玻璃这样的不同的材料制造绝对压力传感器过渡到成批制造的实际差值传感器是一个困难的工作。两个传感器单元必须相互连接，消除张力并充入油，并且要能够承受1，000到10，000磅/吋²的双向过压以及较大的液压系统操作压，同时精确地测量出0.1到10磅/吋²的压力差。本发明公开了用于解决这些问题的结构。

本发明涉及一种具有两个检测单元的差值电容传感器组件。每一检测单元均适用于以成批处理的方式制造，并且最好包括一个刚性绝缘衬底或基底板以及一个半导体膜片板。在膜片板和衬底或基底板的周边处进行阳极连接。膜片和衬底的中心部分不连接，以便在膜片和衬底之间形成一个腔。在衬底或者膜片面对连接件的表面上可以形成一个非常浅的凹槽，并且通过衬底打开一个直通凹槽的通道。在元件刚制好时，膜片被支持在衬底上，这样在过压下由衬底或基底支撑膜片。两个检测单元由一个支撑件连接，该支撑件具有一个连通衬底开孔的流体通道。该组件，包括两个传感器部分内的腔和流体通路，均充有不可压缩的流体使膜片从其相应的衬底略微向外弯曲。

在基底面对膜片的表面上涂有一层适用于形成电容器电极的材料，但膜片组件是用半导体材料制成，其上没有任何附加的涂层。衬底是用绝缘材料，如氧化铝，熔凝氧化硅，或玻璃（如硅硼酸盐玻璃，销售时的商标是Pyrex），而半导体最好是用硅或类似材料。

1968年8月13日授予Pomerantz的3，397，278号美国专利中所描述的用阳极粘接法形成的玻璃与硅的结合物是制作利用半导体膜片的电容传感器的理想材料。半导体膜片不需要向其中送入电流，也不需要对膜片加涂层来形成电容器极板，与此同时，使偏移部件具有脆性材料的优点。即使电阻率略高的材料也能制成用于电容检测的优先电容器，并且，该膜片可被视为在电容检测中优先选用的导体。从膨胀系数的角度来看，玻璃与硅之间有良好的热匹配，并且可用成批处理的方式很容易地在玻璃上淀积电极。玻璃基底不是偏移部件，因而可做得相对较厚。

利用玻璃作为传感单元的基底，并按在此说明的成批处理方式覆盖上形成封闭腔的薄膜，这样便在一个单独的玻璃圆盘或晶片上构成了多个传感单元，然后将其分离成单个的传感单元。之后，将两个单个的传感元件由一个支撑件结合在一起，该支撑件具有一个与两个传感部分的膜片下形成的腔连通的流体通道。在传感单元内充入不可压缩的流体，以使膜片从基底向外弯曲，并将组件装在能接受所要检测的各种压力的外壳内。作用在某一膜片上的较大压力将使该膜片移向基底，并使另一膜片向外弯曲。在高的过压下，在向外弯曲的另一膜片被损坏之前，头一个膜片将支撑在其基底上。

在此公开的这种实用的差值压力传感器对薄膜组件规定了很多设计上的限制。膜片必须沿所形成的腔的周缘与衬底牢固地粘结在一起，为了将晶状半导体与绝缘基底相连又不降低性能，最好采用阳极粘接法。阳极粘接时要求有一种防止膜片的偏移部分发生粘接的方法。所示出的台阶或凹槽限定了粘接的边缘。凹槽内还容纳了绝缘衬底或基片上的电容器极板。电容器极板材料和附加的绝缘层预防了膜片中央部分的粘接。这些层还用于减小凹槽的体积并通过在过载时限制膜片的偏移而使过压张力减为最小。

为了减小对薄膜组件配合不善的敏感性，凹槽的深度必须显著地小于膜片中心和基底所形成的腔内注油后膜片相对于基底的偏移。组装后，凹槽内的油容量以及构成差值压力传感器的压力传感单元之间的流体通道内的油容量必须显著地小于在膜片下部形成的腔内的油容量，否则，油的膨胀会导致大的误差。传感器必须承受1，000至10，000磅/吋²的过压。为了保证适当的时间响应，在腔内注油后每个单元的电容器极板间隔与膜片大小（偏移部分的横向尺寸）之比必须足够大（通常在1∶100到1∶500的范围内）。

前面描述的器件的设计未能满足上述要求。根据本发明制造的具有1-3微米的凹槽的器件已被证明，即使将膜片制得足够薄、以便在正常的制造公差下能够以高精度在10磅/吋²的范围内测量压力，该器件仍能承受高达10，000磅/吋²的过压。

在某些情况下，由于静态液压系统操作压的显著变化会造成不精确。在本发明的一个改进形式中，提供了用传感单元膜片的一个单独的部分检测液压系统操作压的装置。

本组件成本低，易于制造，同时其性能可靠，如果需要的话，膜片的偏移可用光学方式检测出来，但是，电容检测是确定膜片偏移的较好方式。

图1为根据本发明制造的一个单独的压力检测单元的垂直截面图;

图2是一个局部放大截面图，示出在制造图1中单元的第一步骤中，图1的压力传感器所用的一块基底材料或衬底;

图3是图2中材料的示图，示出在下一制造阶段本发明的压力传感器;

图4是图3中材料的局部平面图;

图5是压力传感器外壳的垂直截面图，显出了根据本发明制造的为检测压力差而装配的压力传感单元;

图6是根据本发明制造的改进的差值压力传感器;

图7是一个根据本发明制成的差值压力传感器，具有一个分段制成并有金属密封的外壳;

图8是本发明的另一种改进形式;

图9是图8中传感器所用的改进薄膜组件的局部放大图;和

图10是一个局部示图，显示了另一个改进的薄膜组件，其中装有一个液压系统操作压传感器。

参见图1，根据本发明而制造的、总体上由标号10所表示的压力检测单元是用一个刚性玻璃（Pyrex）基片或衬底11制成，该衬底有一个外边缘表面并具有相当大的垂直高度（厚度），这使它是刚性的并且在受检测的压力下不偏移。由12总体上表示的一个整体形成的膜片组件在邻近膜片外缘13的位置以环形密封的方式与基底11的上表面相熔接或粘接并被密封。该膜片组件包括一个外垫环14和一个与垫环14成为整体的中央薄膜件15。垫环比膜片要厚，以便为薄膜件15提供支撑。

膜片组件12最好是用硅制成，最好还是用P型的，以防止在硅/金属触点上的“肖特基”二极管效应。

如图所示，基底11具有一个在薄膜件15的下部并与其对齐的中央凹槽20。位于中央的薄膜件15是膜片的偏移部分，并且薄膜件与凹槽相对的表面21基本上与相对的凹槽20的内表面临接。凹槽很浅，所示凹槽在比例上极大地夸张了。凹槽的深度必须显著地小于传感单元内注油后膜片的偏移。

基底11有一个从其下表面23通向凹槽20的通道或孔22。在以下描述的方法中，通道22的表面，和凹槽20与膜面表面21相对的表面上均镀上一种适宜的金属材料（如铂），以形成一个与薄膜件15的表面21相对的电容器极板24。该电容器极板24与衬在通道22上的金属层26电连接。另外，与层26相连、从而也与极板24相连的一个电触条27至少镀在基底下表面23的一侧上，并且在该触条27上装有一个接触垫30（例如，铝制的）。引线31可与接触垫30相连，以引向由38表示的远端电路。

如上所述，膜片组件12最好用半导体（如硅）制成，并且膜片表面21在没有任何其它镀层或涂层的情况下起一个电容器极板表面的作用。尽管材料的电阻率相当大，但传感器导体的电容效果仍然令人满意。电触垫35以一种适当的方式与膜片组件的垫环14相连，引线36也与远端电路连接。在装入差值压力传感器的外壳后，该电路即被用于检测两个传感单元内形成的两个电容器之间电容的差值。

这种单元结构简化了脆性薄膜电容式传感器的构造，因为在膜片表面上不必进行附加的镀层来形成膜片上的电容器极板，并且将两种不同材料制成的基底和膜片结合在一起使其极适合于成批处理。在敏感的膜片表面21上不需要任何外来的材料，并且在这种检测表面上没有电极或淀积的薄膜就不会降低硅的优良的机械性能。

玻璃（Pyrex）基底11提供了与硅相匹配的良好的温度膨胀系数，并且可由玻璃基底承接另一电容器极板或电极以及连通导体26。这并不会对性能产生有害影响，因为基底11不是偏移部件并且可以相对较厚。基底的凹槽深度最好只等于极板或层26的厚度，这样在静止时，膜片表面21基本上与该层临接并受到该层的支撑。在玻璃基底上示出的凹槽可以略去，并且可在与玻璃基底相对的膜片上形成一个凹槽，该凹槽将容纳在玻璃基底上淀积成的电容器极板。

传感器组件适于成批制作，在制作的各步骤中，如图2中的最初阶段所示，标号40指示出的硼硅酸盐玻璃（Pyrex）晶片或圆盘被局部示出，并有多个按所需间隔排开的孔22，这些孔构成单个传感单元的孔或通道22。所示的玻璃圆盘也有用常规的蚀刻技术在玻璃表面上形成的中心凹槽20。孔22最好位于凹槽20的中心。各凹槽20以所需的距离隔开，以提供必要的横向尺寸，从而形成图1所示的压力传感元件10的基底11。

玻璃圆盘的两面都镀有一种电阻率很低的导体（如铂），然后，采用光抗蚀技术将不需要的金属层腐蚀掉，以便在每个凹槽20的上表面形成电容器极板24。通道22也由淀积的铂层26所环绕。通过对玻璃圆盘40的底面进行电镀还形成导电通道27，从而按需要提供必需要的电连接。这可以通过采用薄膜淀积技术，如汽相淀积或通过溅射来实现。

如果传感单元需要有张力隔离颈，则应在该阶段对玻璃圆盘40进行蚀刻，以便在开口22周围留出颈，如图5所示的那样。

对硅晶片41进行蚀刻以形成多个膜片12，通过在晶片上表面蚀刻出凹槽形成由垫环14环绕的偏移部分15。晶片41置于玻璃片或圆盘40之上，偏移部分15与玻璃圆盘40上的电容器极板24对齐，并在半导体晶片和玻璃圆盘之间相接触的区域上将晶片与玻璃圆盘进行阳极粘接。

如果膜片要在与电容器极板24重叠的表面21上形成凹槽，而玻璃片上没有凹槽，并且电容器极板淀积在玻璃板的上表面上并从上表面凸起，硅片41的膜片下表面的凹槽可以与上部膜片凹槽同时蚀刻。晶体41的上表面涂敷上金属并经过热处理以形成欧姆接触。然后该层可被用于连接用于检测电路的引线。

在阳极粘接之后，在膜片与基底之间几乎没有间隙，以便提供过压保护。

如图4中虚线45所示，晶片41与玻璃衬底按所述方式粘接后，该硅/玻璃组件被切割以形成单个的压力单元。

图中还示出相应的电容器极板24的外表面与相应的薄膜件15的表面21之间有一个间隔。这也是为了说明的目的。表面21与下面电容器极板24的表面实际上是基本上临接在一起的。

当传感单元被切割后，可根据需要在外壳内将单个的单元安装在一起。在这一阶段的传感器单元10如图1所示。

总的来说，工序如下：

对一个P型硅晶片（直径为2″-6″）进行蚀刻，如果需要的话可从两面进行，在一面形成膜片部分15，在另一面上形成电容器极板凹槽（如果要用的话）。硅片的外侧涂敷上金属并经过热处理以形成欧姆接触，制成一个具有小孔的玻璃圆盘（或晶片）然后在其双面涂敷金属（包括穿孔部分）。一面上的金属用于形成电容器电极。需要的话，可在电极金属上覆盖绝缘材料，这将在以下说明。可在玻璃圆盘上没有电极的一面选择性地蚀刻几个密耳，以形成安装用于张力隔离目的的中央颈。硅和玻璃晶片经过阳极粘接。使两者之间的电容区域内注入油之前无缝隙。这一特征提供了重要的过压保护。然后，将粘接在一起的晶片进行切割。

采用脆性材料薄膜件15和非偏移的或刚性的玻璃基底11的单元适用于差值压力传感器。参见图5，所示为一个典型的结构。传感器单元10的构造与图1所示构造相同，每个单元包括具有装在玻璃基底11上的偏移中心薄膜件15的膜片组件12，构成电容器极板24的导电层与薄膜件15的表面21相对。在图5所示的压力传感器中，有两个这样的压力传感单元10，并且，如图所示，它们是由一个刚性玻璃管50支撑在一起，玻璃管50装在适当的位置上，以便其中心通道51与传感元件10的两个通道22对准。在管50的两个相对端上使用了一种适当的玻璃焊料53，以将相应的单元组件10固定在管50的相对端上。这两个传感单元和玻璃管构成了一个差值压力传感器元件54。

差值压力传感器54又以适当方式装在一个支撑板55上，该支撑板55构成两个外壳部分56和57之间的隔板，每个外壳部分具有一个环形壁，该环形壁的边缘与板55连接。外壳部分56和57的壁分别构成腔60和61;腔60和61环绕并封闭相应的压力传感单元10。支撑管50的外表面封焊在支撑板55的一个开口上，以便腔60和61被密封并彼此分开。

在外壳部分56和57安装就位之前，在每一传感单元10的腔20中，通道22中以及管50的中央通道51中注入一种适宜的基本上不可压缩的流体，最好是硅油。油在腔中的最初注入压力会使薄膜件15向外偏移。一旦在第一和第二传感器单元10的腔20内注入油之后，腔60和61内的压力差将导致一个薄膜件15向内偏移，而另一个薄膜件15向外偏移。注入油是为了能产生足够的最初注入压力（P），以使膜片15略微向外弯曲。图5中夸大了这种弯曲。

表面21与电容器极板24之间的缝隙在组装时要尽可能的小，以便在过压下薄膜15只要向相应的电容器极板24略微向里弯曲，便可与其接触，从而使膜片被机械地停止。在任何情况下，向内弯曲的薄膜件15在另一传感单元中向外弯曲的薄膜件15产生过度张力之前即被机械地停止。这样，随着膜片在压力下向内弯曲，电容器极板24为相应的传感单元10中的薄膜件15提供了过压停止结构。

另外，图5所示的第一和第二压力检测单元10的基底11通过由玻璃管50造成的间隔，与对侧外壳部分中由压力产生的负载实现了应力隔离。

腔60和61之间的压力差将使两膜片向相反的方向做等量的偏移。例如，腔60中的压力大于腔61中的压力，第一膜片15（图5所示的上部的膜片）将向相应的电容器极板24偏移，而腔61中的第二膜片15则从相应电容器极板24向外偏移。腔20和通道22及51中注入的不可压缩流体将传递由压力产生的运动。这样，间隔的变化会被适当的电路系统作为电容量的变化而检测出来。

为了确保适当的时间响应，膜片与电容器极板的间隔同膜片的横向大小之比一定要适当地大些，例如在1∶100至1∶500的范围内。

来自传感器单元10的引线从外壳部分的壳壁上适当的开口穿出，并由熔凝玻璃密封固定住。引线31可以包埋在将相应的外壳部分与板55相连接的玻璃焊料中。

图6中示出本发明的一个改进形式，同样利用了具有类似结构的传感器单元，但所示的这种结构还提供了在压力差下两个单元的应力隔离。

在这种形式中，第一压力传感单元100包括以与本发明的前一个形式中所用的相同方法形成的膜片组件101，并具有一个中间薄膜件102以及一个垫环99。在这种形式中有一个穿过薄膜件的孔103。膜片组件在外周缘上由玻璃基底105支撑，与本发明的前一个形式相同，当薄膜件102充入不可压缩的流体时，它可以任意偏移成弯曲状。玻璃基底105中有一个与通道103对准的中央开口或通道106。应力隔离凸台或颈部107设在玻璃基底105与膜片组件101相反的表面上，该颈部的端表面又固定或粘接在中央隔离支撑板110上。在本发明的这一形式中，板110为一导电材料板或上面涂有金属的陶瓷板。支撑板110有一个与通道106对准的通道111，并且在支撑板110的对面支撑着一个第二传感单元组件115。组件115包括膜片组件116，其外周与玻璃圆盘或基底117粘接并密封，以使膜片组件上的薄膜件118能相对于基底117随意偏移。基底117有一个与开口或通道111对准的中央通道120。基底105和117面向传感单元101和115的相应薄膜件的表面上具有构成电容器极板108和122的导电薄膜，并与膜片的相对面一起构成检测电容器。

基底117上也有一个凸台或颈部121，其端表面与支撑板110粘接或以其它方式固定在其上。膜片组件101和116上分别具有引线124和125。构成电容器极板的导电层108和122以与通道22中相同的方式沿通道106和120的内部延伸。导电层从电容器极板108和122一直延伸穿过通道106和120并与支撑板110电连接。从而电容器极板108和122也与支撑板110电连接，支撑板110为两个压力传感单元中的两个电容器构成一个共同的电压引线。支撑板110上装有一条适当的引线126。

通过与通道103连通的一个适当的可密封的接头130向通道106和120，以及通道111和由薄膜件102和118弯曲而形成的腔内充入一种适当的油。充入的油（不可压缩的流体）可使膜片以所需的一定量向外弯曲，然后将其封闭，一旦支撑件121被置入一个外壳之内，该支撑件121将形成两个腔的分离件（如图5中的腔60和61），之后，随着膜片的偏移，会提供一个适当的信号，表明在两个腔之间的压力差。

当过度的压力差使一个膜片向其相应的极板偏移，另一个膜片向离开极板的方向偏移时，这一个膜片将停止在其相应的基底上。注入油的量要有所选择，以使向相反方向弯曲（即离开基底）的膜片被加上超限压力之前，在高压下向相关基底移动的膜片的表面能在其基底的邻接表面上基本上得到完全的支撑。这样便避免了使膜片承受过大压力而破裂。

温度的变化会导致油容积的变化，不过，由于油量很小，因此不会引起大问题。

用硅或脆性半导体做膜片不需要连接线和电镀的电容器极板。尽管硅具有较高的电阻率仍可在电容检测中用作导体。

图7示出了一个差值压力传感器，它包括检测液压系统操作压的装置，用以提供一个能补偿静态液压系统操作压检测输出的信号。图中只示出了检测压力差的压力传感器的一半，但另一半是沿着一个分离面的一个镜像，这将在以下说明。

压力传感元件130与本发明的前几个形式基本上相同。还包括一个基本上是刚性的玻璃基底131，以及一个用适当的半导体材料（如硅）制成的膜片组件132。膜片组件132有一个垫环133、一个中央薄膜件或叫膜片部分134，并且在本发明的这一形式中，在薄膜件134面对基底131的表面上有一个浅凹槽135。

基底131和薄膜件134沿周边136而熔凝在一起，以形成一个内腔。在本发明的这一形式中，玻璃基底131的上表面上置有一个电容器极板137，而凹槽135被制成能在几乎没有空隙的情况下容纳这个电容器极板137，又不使薄膜件在构成电容器极板137的薄膜周围弯曲。如以下的说明，电容器极板上也可有一个绝缘材料层以填充凹槽135。组装完毕后并在注油之前，膜片将与相邻的基底表面充分接触。

玻璃基底131具有一个中心孔或叫通道138，并且，一个应力隔离支撑颈139支撑着该玻璃基底使其与外壳基底140保持间隔开的关系。外壳基底140又与外壳盖141沿其周边的壁连接，以形成内腔142，可将压力引入这一内腔。腔142在一条引向被测压力源的管内有一个开口143。

膜片垫环133限定了形成液压系统操作压传感器145的一个凹槽座。该液压系统操作压传感器145用于检测外壳的一个腔内的液压系统操作压（line pressure）。

传感器145在垫环133下形成一个密封的腔150，玻璃基底131上形成了一个穿通的孔，通过该孔将腔150抽空至一个所需要的压力水平（0-15磅/吋²绝对压）。孔和腔150由板154所密封，板154粘接在通向腔150内部的一个入口上。淀积引线152与淀积在基底131上并与腔150平齐的电容器极板连接。穿孔基底引入腔150的开孔也覆有淀积的金属并与引线152连接。作用在传感器单元上的液压系统操作压引起垫环133在腔150内的区域发生偏移。引线152和一根连接到膜片垫环上的引线被用于检测一个电容信号，该信号表明在变化的液压系统操作压下膜片相对于基底的偏移。

当硅膜片仍是成批的（晶片）形式时，只须在其上蚀刻出另一个腔150即可形成液压系统操作压传感器。与此类似，在玻璃衬底上用于液压系统操作压传感器的附加穿通孔以及随后涂覆的金属层也是在玻璃和硅晶片被粘接和切割之前进行的。

来自上述液压系统操作压传感器的补偿信号可提供给差值压力传感器组件的检测电路，以调节静态液压系统操作压的变化，这种变化可以是相当大的。

如图7所示，容纳单个传感器单元的外壳部分以适当的方式连在一起并进行密封。如图所示，颈部139熔接在外壳基底140上，以便玻璃的传感器基底131能牢固地固定在外壳基底140上，此后将外壳盖141密封或焊接在外壳基底140上。外壳基底140上有一个与开孔138对准的开孔155，并且在一个完全相同的压力传感器外壳的第二外壳基底140A上提供了一个相应的开孔156。第二个外壳沿与所示外壳相反的方向延伸，并容纳了一个传感器单元，包括一个基底131A，具有颈139A熔接在外壳基底140A上。

为了将两个外壳密封在一起，特别是将外壳基底140和140A密封在一起，在每个外壳盖141的上端盖了一块单独的板160，并且沿着分离面146围绕开孔156和155放入一个环形金属垫圈162。然后，用适当的螺栓和螺帽163穿过板160而紧紧卡住（在组件的相对端上也有一块板），使两个外壳盖固定在一起并压紧垫圈162使两个外壳基底之间的通道密封起来。膜片134之下的内腔以及通道138、155和156都将充入不可压缩的流体并密封起来，使流体保持在腔内。一个膜片134相对于其基底的偏移将导致另一传感单元内的另一个膜片向相反方向偏移。

图8示出了本发明的另一个改进方式，其中包括具有一对压力检测单元176和177的差值压力传感器175。每一元件176和177都有一个玻璃基底178和一个膜片组件179。每个基底都是用适当的玻璃或其它材料制成，而膜片组件179则是同前述相同，用硅或其它半导体材料制成。膜片组件179具有围绕其周缘的垫环180，和中央偏移膜片区181，该区将相对于基底而偏移，当其向外弯曲时即在该偏移区181和相应的基底或衬底之间形成腔。如前述相同这些腔内注入不可压缩的流体。

传感器基底178封闭在中央分离面184相对两侧的外壳183之中。外壳部分包括外壳底部185和壳盖186，在本发明的这种形式中，壳盖186可以是模压的整体盖。需要时，可将外壳制成几个部分。管道中适当的输入口190通向外壳内形成的内腔191，在该腔内置有检测单元。

外壳底部185有通道192，通向传感单元基底178中的内部通道193。传感器基底178由围绕开口192和193的一薄层玻璃焊料或其它适当的密封材料194所支撑，并与外壳底部185相应的表面相隔离。该玻璃焊料层194形成将传感单元基底178与外壳底部分离开的护圈。这种支撑同前面所示的形式中的支撑管和颈一样，形成应力隔离。同样，外壳底部185也由在底部之间沿平面184的适当的垫圈或密封材料195所密封。这样，在两个传感单元或两部分之间有了一个流体通道。如图所示，薄膜件179在其下表面上有凹槽196，而传感器内充有适当压力水平的基本上不可压缩的流体，以使膜片稍微向外弯曲。

在本发明的这种形式中，膜片垫环180粘接在匹配的玻璃传感器基底178的表面上。至少有一个垫环180上有一个凹槽197。该凹槽197形成一个可被抽真空的腔。垫环180的上部也蚀刻出一个凹槽198，以便在凹槽197之上提供一个窄的偏移薄膜件199。该偏移薄膜件将随液压系统操作压的变化而偏移。通过在玻璃基底178的上面使用一个导电层形成与凹槽197对齐的一个适当的电容器极板。将某一外壳腔内的偏移膜片部分199用作第二个电容器极板，当其连接到适当的电路上时即可测量由外壳腔191内的压力变化所引起的膜片部分199的偏移。如图所示，凹槽197是环形的，它沿着传感器单元的正方形周边延伸，并被抽真空。需要时，可在膜片组件的一个部位或多个分离的部位制出凹槽197。

图9示出图8中外壳腔191内的传感器单元的边缘，其中的比例放大了。如该夸张的详细图所示，膜片组件179有一个浅凹槽196在硅薄膜件的偏移部分上形成，该薄膜件重叠在玻璃基底178上的金属电容器极板上。设置了通道200以允许将凹槽197所形成的腔抽真空，然后，用一个适当的球状密封件201将腔密封，而将凹槽197保持在真空状态下，密封球201可被熔凝定位。在玻璃基底178上形成的用于检测液压系统操作压的电容器极板的引线可以与通道200内的导电涂层连接。凹槽197可在靠近膜片179的边缘的一个部分之下形成。例如。180A所示的垫环的靠内部分可被移至偏移膜片部分181的位置。同样，在某些情况下可以不要凹槽198，而形成腔197是为了提供一个外壁部分，它能够在没有上部凹槽198的情况下足够的偏移以进行测量。

图9示出了在传感器基底178上淀积的电容器极板202，如图所示，绝缘层203覆盖在该电容器极板上。该绝缘层可在最初加工阶段中，在膜片被装在基底上之前覆盖在电容器极板上。如图所示，绝缘层延伸到淀积的电容器极板202周边，其大小正适合于装入凹槽之内以占据凹槽的容积，并在过压下能支撑膜片。当凹槽是在玻璃基底上形成时（如图2所示），可在电容器极板淀积在玻璃基底上之后用绝缘层充填凹槽使其与玻璃基底的表面平齐。在淀积时，可对绝缘的区域进行掩蔽。淀积的绝缘材料可以是二氧化硅或氮化硅。该绝缘材料必须是一种在膜片垫环与基底粘接时不会与膜片形成阳极粘接的材料。

图10中示出液压系统操作压传感器的一个改进形式，其中该传感器的玻璃基底是由一个薄的外周边缘所形成。如图所示，传感器玻璃基底205有一个周边凹槽206（基底为正方形，如本发明的第一种形式中所示）以便直接在硅制的膜片组件215的垫环208之下形成一个较薄的凸缘。垫环中形成了一个凹槽209，与薄的凸缘部分207重叠。制成凹槽209的目的是使垫环的相对两侧都有支撑件，从而为玻璃基底提供支撑。薄凸缘上有一个通道210，以允许将凹槽209抽真空，然后用常规的球状粘合粘211将其密封。玻璃基底205的表面和通道210的表面涂有一层金属膜，以便在膜片垫环下面形成电容器极板及其引线。在凸缘207上重叠的膜片表面构成检测静态液压系统操作压的第二电容器极板。

在图10所示的本发明的这种形式中，在压力下偏移的是玻璃凸缘而不是硅垫环208，并且相对表面的偏移可用电容方式测量。

通过使用所示的传感器测量液压系统操作压或静态压，可将静态压系统操作压补偿应用到传感器单元的检测电路之中。除了代表压力差的信号之外，静态液压系统操作压传感器还可提供精确地表示静态压力的第二个输出信号。

基底205上还示出了电容器极板组件的另一种改进形式。制成基底的片在整个上表面上进行电镀，（按照已说明的方式）并用已知的光抗蚀技术将不需要的金属腐蚀掉，一个蚀刻成的沟槽214使外部金属垫圈212与电容器极板213分离。垫圈212的形状与膜片相同为正方形，并且不与有源电容器板或电极213进行电连接;垫圈212填充膜片组件215的偏移部分之下的腔216。最好有源电容器极板的边缘与腔216的周边相分离，以保证当膜片偏移时，有可靠的输出。垫圈212和电容器极板213可以覆盖一层绝缘材料，以进一步填充腔216。圈212在腔中形成一个垫片，以占据空间，但它并不是一个活性元件。

尽管已参照附图对本发明的较佳实施方案作出了说明，然而，本领域的熟练人员会意识到，无须偏离本发明的实质及其范围即可在形式上和细节上作出多种改变。

Claims

1、一种具有第一和第二传感器部分的差值压力传感器组件；

所述第一和第二传感器部分各包括一对板，第一块板为脆性半导体材料，而第二块板为刚性绝缘材料，所述的板最初沿着它们的第一表面相互间基本上相临接，并沿着一条环绕线而封接在一起，该第一表面的某些部分不连接，以允许每一传感器部分的所述第一半导体板相对于同一传感器部分的另一块板而运动，从而分别在第一和第二传感器部分中形成第一和第二腔；

每个所述的第二块板在其面对相应传感器部分的所述半导体板的第一表面上具有电容电极装置，以便通过测量半导体板和电容电极之间的电容值来测量所述相对表面间隔的变化；

分别连接所述的第一和第二腔的流体管道装置；

一定量的基本上不可压缩的流体填充在所述第一和第二腔内和所述的流体管道装置中，以便将半导体板与第二块分离开；

外壳装置，以允许将每一传感器部分的至少一块板置于压力之下，该压力倾向于将形成每一传感器部分的两块板向一起移动，作用在相应传感器部分上的压力差至少有时与作用在另一个传感器部分上的压力不同，由此，不可压缩的流体将被迫从一个腔流向另一个腔，并导致在一个所述传感器部分中板的弯曲应力增大而另一个传感器部分中板的弯曲应力减小；

所述的另一个传感器部分达到这样一种状况，其中在形成前一个传感器部分的任意一块板达到一个过大的应力水平之前形成另一个腔的两块板的第一和第二表面即已基本上邻接在一起。

2、权利要求1的差值压力传感器组件以及在每一传感器部分的一个板上形成的，与电容器电极对准的一个凹槽，当两个传感器部分都处于基本相同的外界压力下时，该凹槽的容积显著地小于在相应传感器腔内充入的不可压缩的流体的体积。

3、权利要求2的差值压力传感器，其中电容器电极的大小及厚度可占据凹槽容积的主要部分。

4、权利要求1的差值压力传感器，其中流体管道装置的容积要显著地小于两个传感器部分在同样压力下充入每一腔内的不可压缩流体的体积。

5、权利要求1的差值压力传感器以及与每个第二块板上的电容器极板相邻的电学非活性填充装置，用以基本上填充凹槽的容积。

6、权利要求1的差值压力传感器以及与每个第二块板上的电容器电极重叠的绝缘层，电容器电极和绝缘层的大小和形状与凹槽的大小和形状基本相同，并且当一个传感器部分的各板相互支撑时嵌入凹槽内。

7、权利要求5的差值压力传感器，其中凹槽是在半导体板上形成的，并且该填充装置包括一个环绕玻璃基底表面上的电容器电极的金属环部分。

8、权利要求1的差值压力传感器，其中每个传感器部分的两个板的间隔大约为0.01到0.002乘以偏移部分最小的横向尺寸。

9、一种差值压力传感器组件，包括：

第一和第二压力传感器单元，所述的每个第一和第二传感器单元包括一个刚性绝缘材料的基底，和装在该基底的一个表面上并与其熔接以包绕一个腔的一个脆性半导体膜片，一个穿透每一基底而形成的开孔通向相应膜片的中央部分;

一个外壳封闭了每个传感器单元并包括用于分离传感器单元的刚性分离装置;

对穿过刚性分离装置通向两个传感器单元的基底上的开孔的密封通道进行限定的装置，该限定装置包括支撑件，以便将邻近开孔处以外的相应传感器单元的基底与分离装置隔离，从而使传感器单元相对于外壳而应力隔离。

在足以支撑各相应膜片的中央部分使其与每一基底分离的压力下向上述开孔和通道内充入一种基本上可压缩的流体以形成流体填充的腔，从而，在上述膜片外表面上的压力差将倾向于使某一膜片向其相应的基底移动，而另一膜片则从其相应的基底进一步向外弯曲;和

能够对至少一个膜片的中央部分相对于其相关的基底的偏移进行检测的装置。

10、权利要求9的装置，其中每个单元的绝缘基底都在其与相应膜片相对的表面上淀积了一个第一电容器电极，第二半导体膜片形成了一个第二电容器电极，在每一传感器单元上的上述第一和第二电极包括检测膜片偏移的装置。

11、权利要求10的装置，其中每个传感器单元的膜片和基底都具有彼此相对的第一表面，以及在每个传感器单元的一个第一表面上形成的，与该传感器单元淀积的第一电容器电极对准的一个凹槽。

12、如权利要求10中所限定的装置，其中每个基底上都有一个环绕该基底开口的颈部，该颈部的横向尺寸显著地小于基底的主要部分该颈部支撑刚性分离装置上的相应传感器单元，并包括限定装置中的支撑件。

13、如权利要求10所限定的装置，其中所述刚性分离装置包括一个电导体。

14、如权利要求10所限定的装置，其中所述刚性分离装置包括两个刚性板，和在上述两板之间压缩的、并环绕通过所述刚性分离装置的开孔的一个金属密封垫。

15、权利要求10的装置，其中所述限定装置包括一个刚性管，相应传感器单元的基底被固定支撑在该刚性管的相对两端上，刚性管内限定的通道与相应基底上的开孔对准，该刚性管被支撑在刚性分离装置上，刚性管的两端以预定的量超过刚性分离装置而延伸。

16、权利要求10的装置，其中，该外壳为每个压力检测单元和液压系统操作压传感器装置限定的独立的外壳腔，该液压系统操作压传感器装置是用于在至少一个外壳腔内独立于另一个外壳腔的压力而进行压力检测。

17、权利要求16的装置，其中液压系统操作压传感器装置包括在至少一个传感器单元的膜片上形成的，并与形成该单元的传感器腔的膜片部分分离的一个液压系统操作压传感器膜片。

18、权利要求16的装置，其中液压系统操作压传感器包括该传感器单元膜片部分下基底边缘上的一个厚度减小的凸缘，和在相关膜片上形成的，与凸缘对齐的第二个腔，它与该压力传感单元膜片的中央部分形成的腔相分离。

19、如权利要求11所限定的装置，其中所述膜片包括一个偏移的中央部分和一个与基底接触的整体的边缘垫环，该膜片与基底由阳极粘接而成一体。

20、权利要求18的装置，其中所述凹槽是在与基底相对的膜片表面上形成。

21、如权利要求19所限定的装置，其中所述基底是由玻璃制成，凹槽是在该玻璃邻近膜片的表面上形成。

22、权利要求11的装置和重叠在第一电极上的绝缘材料层，该绝缘材料和第一电极基本上占据了凹槽的容积。

23、一种电容差值压力传感器组件，包括相互对应安装的第一和第二传感器元件;

所述第一和第二传感器元件各包括一个绝缘衬底板和一个半导体膜片板，该膜片板安装在衬底板的一个表面上并与其粘接以形成一个腔，通过每个衬底板的一个开孔通向相应膜片板的中央部分，形成一条与每个衬底板的开口连通的流体通道的装置;

在足以支撑各相应的膜片板使其与每一衬底板分离的压力下向上述开孔和通道内充入一种基本上不可压缩的流体以形成流体填充的腔，从而，在上述膜片板外表面上的压力差将倾向于使某一膜片板向其相应的衬底板移动，而另一膜片板则从其相应的衬底板进一步向外弯曲;

一个电容电极淀积在每一衬底板上以便与相应的膜片板结合形成一个电容器，从而能够确定相关各板的相对偏移运动;

在检测单元的另一膜片板受到过度应力之前，每一膜片板在压力下与其衬底板接触;和

允许向每一膜片板施加单独的压力的装置。

24、如权利要求23中限定的装置，其中每个衬底板上都有一个颈部，它围绕一个直径显著小于衬底板主要部分的开口，该颈部在支撑块上支撑相应的传感元件。

25、权利要求23的装置，其中所述允许施加压力的装置包括环绕相应传感器元件形成独立的外壳腔的一个外壳。

26、权利要求25的装置以及在至少一个外壳腔内用于检测压力的液压系统操作压传感器装置。

27、权利要求23的差值压力传感器，其中在开口及通道内的流体容量显著小于每一传感器元件上压力相同时每个充有流体的腔内充入的不可压缩的流体的容量。

28、权利要求23的差值压力传感器以及与每个衬底板上的电容器电极相重叠并环绕电容器电极边缘的一个绝缘层，和每一膜片板上的一个凹槽，其大小和形状与电容器电极基本相同，当一个传感器元件的两块板相接触时该绝缘层嵌入该凹槽。

29、一种制造用于流体压力传感器的膜片组件的方法包括以下步骤：提供一块具有适当厚度的脆性材料薄板，以一定间隔穿透该薄板形成多个开口，淀积一个涂层，包括在薄板上围绕每个开口形成一个电极的导电部分，并且与围绕其它开口的导电涂层分离，安置一个半导体材料晶片，其上形成了多个独立的膜片件，每个膜片件重叠在一个电极和相关的开口上，当晶体被置于玻璃薄板上时在与每一淀积的导电涂层对准的一个膜片件上提供一个凹槽，所提供凹槽具有的深度基本上等于淀积涂层的厚度，将晶片和薄板在围绕每一膜片件的区域上进行阳极粘接，将上述薄板和晶片粘接的各部分沿着围绕每一膜片件的线进行分离。

30、如权利要求29所限定的方法，其中的薄板具有高电阻率，该方法还包括以下步骤：通过开口的内部将导电材料淀积在薄片上，使其于相应开口周围的导电部分电连接。

31、权利要求29的方法，其中所述膜片件包含硅材料。