專利名稱：高過壓低量程壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用脆性材料制成的膜片，其在相同于基板的壓力作用下?lián)锨?dāng)其在相對于正常的傳感器量程來說高的過壓作用下時被支撐住以防止損壞。
采用一塊底板和一個在壓力下發(fā)生撓曲的膜片的半導(dǎo)體壓力傳感器，在已有技術(shù)中是已知的。在此類已有技術(shù)的傳感器中撓曲量可使用許多種方式，包括電容傳感，并使用安裝在膜片上的應(yīng)變器，進行測量。將脆性材料，如硅、玻璃和石英用于膜片也是已知的。
當(dāng)脆性材料膜片受到過壓作用時對其保護的需要已被認(rèn)識到。一般來說，這樣的一個支撐可以通過將膜片表面放置在底板上與之相對的表面上得到，該表面可以被設(shè)計成與撓曲的膜片結(jié)構(gòu)相配合，從而當(dāng)膜片稍微超過其最大的設(shè)計壓力傳感范圍時它就會被支撐在底板上。最好是膜片的大部分都落在底板與之相對的表面上。在底板上和膜片上使用上凹進部分以努力確保在膜片的撓曲部分提供一個完全的、連續(xù)的過壓支撐。
本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，其中應(yīng)用一塊底板和一個在壓力下相對于底板撓曲的膜片。該膜片用脆性材料制成并在其上有一個適合的傳感器裝置用以對加到膜片上的壓力提供一個輸出指示。
過壓保護是通過在膜片上，或者如果需要的話可在底板上形成的許多短的柱體或突起提供的，它們可在膜片的許多位置處支撐在過壓作用下?lián)锨哪て蕴峁┲魏瓦^壓保護。使用許多短柱，膜片并不是被加勁了，直到過壓被施加上之前其運作就好象是這些短柱不存在一樣，同時它也使制造工藝簡單化了，從而因為較少加勁的膜片要比具有較強加勁中部的膜片運動得遠(yuǎn)而加寬了過壓停頓間隙。
在所示的結(jié)構(gòu)中，硅晶片被蝕刻以提供一個薄的部分，其構(gòu)成膜片的撓曲膜，并通過掩膜處理留下許多柱體，它們的高度等于用于形成膜片的晶片的最初厚度一樣。環(huán)繞著許多柱體留下一條邊棱用于固定到底板上。
在蝕刻工藝中，支撐柱變成基片上是錐體形的。
還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在底板的表面上具有一層二氧化硅，它不象純的硅那樣脆，使得柱體在剛與支撐層接觸后并且當(dāng)過壓增加是時可以在二氧化硅薄層中輕微移動。撓曲膜片的撓曲或彎曲使得柱體在它們剛與底板接觸時呈現(xiàn)一個微小的角度。當(dāng)壓力增加時，柱體的外端相對于支撐層有一個微小的移動。二氧化硅層構(gòu)成了底板與其所安裝的表面之間的電絕緣。二氧化硅層還由于容許支撐柱調(diào)整位置以避免加大膜片中的張力水平而增強了傳感器的耐過壓能力。底層上硬的硅表面若沒有二氧化硅會減小支撐柱當(dāng)過壓增加時移動的能力。


圖1為用于傳感壓力并根據(jù)本發(fā)明制造的典型的傳感器的橫截面示意圖;
圖1A為具有已被移走的膜片層的底板的表面視圖;
圖2是沿圖1中線2-2所作的圖1中膜片部分的支撐柱示意圖;
圖3是示意性并放大表示的支撐柱從剛與底層接觸時到完全過壓條件時移動的情況;
圖4是一個支撐柱的放大的詳圖，其表示了單個的支撐柱當(dāng)其結(jié)構(gòu)被蝕刻并且沒有其它柱體在其鄰近情況下的蝕刻表面;
圖5是沿圖4中線5-5所作的剖面圖。
參見圖1，根據(jù)本發(fā)明制造一個壓力傳感器以10來表示。該壓力傳感器是一個低量程壓力傳感器，例如，量程為30磅/平方英寸的壓力傳感器，相對型的或絕對型的，但都具有處理通常是所說量種程的數(shù)倍的過壓的能力。這種表壓力傳感器穿過底板有一個開口，向著膜片區(qū)域張開。本發(fā)明的壓力傳感器可以是一個電容傳感器件?？杀容^的已有技術(shù)中的壓力傳感器通常可以耐得住額定壓力的3到8倍而不會破裂。本發(fā)明的壓力傳感器與沒有支撐柱的類似膜片相比能經(jīng)得住5到10倍多的過壓。
壓力傳感器10包括由脆性材料構(gòu)成的底板或底層，用12指示。此類材料可以是半導(dǎo)體，如硅，它是優(yōu)選的材料，但也可以是其它的脆性材料，如玻璃、蘭寶石、石英或類似的材料。底板支撐著膜片板組件14，它包括一個圓周形的邊緣件16，其用于結(jié)合撓曲膜片或膜部分18。膜片部分18由于壓力而產(chǎn)生的撓曲是通過與邊緣16相鄰處的結(jié)合區(qū)內(nèi)膜片的厚度以及在支撐柱之間的厚度確定的，所說的結(jié)合區(qū)在圖1和圖2中表示為膜片的邊部20。膜片撓曲的量在操作的量程內(nèi)是非常小的，如果發(fā)生過量的撓曲，膜片就會破裂。
邊緣16的表面以適合的方式粘結(jié)在底板12上。例如，可在用24表示的交界面區(qū)域用玻璃料將膜片粘到底板的上表面28上，或者底板和膜片可以用陽極粘結(jié)或熔接技術(shù)在邊緣處結(jié)合在一起。膜片邊緣粘結(jié)到底板上在膜片膜處18的下面和底板12的上表面28之間留下了一個空腔。當(dāng)模片被用玻璃24密封在底板28上時就產(chǎn)生了真空。被測量的壓力或力，如箭頭22所示被施加到膜片18的上表面。這將引起膜片向著底板12的方向彎曲，膜片撓曲的量可以用膜片的上表面30上由32指示的適合的應(yīng)變片來測量，并作為撓曲的函數(shù)給出所施加的力或壓力的指示。
在一個最佳實施例中，為了當(dāng)膜片18向下彎曲時提供一個支撐，并且防止膜片斷裂、毀壞或其它方式的破裂，許多支撐柱，用36標(biāo)示，被整體設(shè)置在膜片18上與力或壓力施加的方向相反的一面上。這些支柱36朝向底板或底層12的上表面28。如圖2所示，有16個這樣的支撐柱，但是可以使用不同的數(shù)量。例如，根據(jù)膜片的大小可以采用4個、8個或9個用于支撐膜片18的柱用來進行過壓保護。
柱36是通過蝕刻用于制造膜片的硅晶片或其它物質(zhì)而形成的，在批量生產(chǎn)中，當(dāng)膜片18被蝕刻到適當(dāng)?shù)暮穸葧r，利用一個適合的掩模，將柱36制成基本上是錐體形的結(jié)構(gòu)，如圖所示，它們具有一個平的頂部38，它從表面30起算的高度與和底板12接觸的邊緣16的表面高度是一樣的。如果需要的話，這些柱可以具有不同的高度，以實現(xiàn)當(dāng)考慮到膜片在壓力下的彎曲形狀時的在整個膜片上與具有一個平的表面的底板基本均勻的接觸。
如圖1A所示，底板12的上表面28在選定的區(qū)域內(nèi)從膜片邊緣與之結(jié)合的邊沿部分的平面處做出凹槽。對于16個柱的結(jié)構(gòu)，部分28A是沿兩邊并處在相鄰的邊角部分28C之間。邊角部分28C在深度上小于其它部分。部分28A要比部分28C凹進的深度大很多，但與用28B指示的中心部分(最凹的深度)相比較為接近柱。在凹進深度上的差別是為了與撓曲上的差別相適應(yīng)，因為膜片18的中心部分要比其臨近邊緣16的部分撓曲得很多，底板12的表面28中的階梯基本上提供了在角部和外圍的柱和表面28C及28A之間以及在位于膜片18中心部分的柱和表面28B之間的同時接觸。而且，如所述的，通過采用底板的平表面和不同高度的柱36，其中最短的柱36是位于膜片18的中央，也可以得到同樣的效果。
當(dāng)膜片18撓曲時，柱36的頂部38將與其各自的表面部分28A、28B、28C接觸，并且在增加的壓力作用下可將其保持住不再繼續(xù)撓曲。沿線22施加的過壓可以超過正常的工作壓力數(shù)倍而不會損壞膜片18。
也應(yīng)該注意到當(dāng)硅被用作一個底板時，在表面應(yīng)有一電絕緣層，如圖1和圖3所示，其中用點劃線表示的層40就是生長在硅底板上的二氧化硅層。但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)膜片18向底板彎曲時，柱36有輕微的傾斜，從而使得平頂38的角部或邊部，用42表示，會首先與底板12的上表面接觸，而不是由柱36的平的表面38在其整個寬度上與層40接觸。如同膜片18在較大的壓力下繼續(xù)撓曲時一樣，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)膜片18變得彎曲較小以完全落在端面38上時這些柱36一般會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動如箭頭44所示。如果膜片18在初始接觸后輕微地移動，柱的角將嵌入，平滑度將減小，膜片會由于張力不勻而破裂。
還應(yīng)該指出在圖1、2和4中在每個柱36的底部，由于蝕刻物質(zhì)和柱掩模的相互作用，構(gòu)成了復(fù)合表面結(jié)構(gòu)48。蝕刻工藝留下了從角部延伸的錐形表面49，小的支叉48A從錐形表面或與柱隔開的位置處的棱上以小角度橫向延伸出來，因此柱的錐形底面在用50標(biāo)示的區(qū)域內(nèi)交叉。圖1中以點劃線表示的部分就是柱底部真正設(shè)計的構(gòu)造，所保留的膜片在柱之間的厚度等于標(biāo)號20所示的。這些錐面畫在圖2中，但僅僅是示意性的并且如所看到的錐形在柱的外邊處不是正方的。因此，圖1是示意性地表示在錐面區(qū)域的橫截面。柱之間表面的結(jié)構(gòu)可以是不同的而基本不會影響其性能。
二氧化硅層40使得柱可以輕微地移動并減少了膜片的損壞。該過壓保護柱36是非常容易制造的，與傳感器的其它部件一樣，所以成本不是主要需要考慮的因素。
柱36按所示是作為膜片的一部分整體地制出的，但是柱也可以是從底板向上延伸構(gòu)成的并提供過壓保護。
底板表面上凹進的區(qū)域的形狀、大小和位置可以隨柱數(shù)目的變化而變化以使得柱具有同時與整個表面接觸的優(yōu)點。例如，具有四個柱的膜片就利用一個邊緣凹進的平的表面。不同數(shù)目的柱需要不同的表面深度，從而在壓力作用下為了充分的支撐，以數(shù)值計量的方式逼近彎曲的膜片形狀。
在膜片之上將使用一個適合的外殼或壓力負(fù)載板，以負(fù)載作為在膜片上的壓力。這種外殼沒有畫出因為它們都是眾所周知的。
具有電容傳感器方式用于對膜片撓曲進行傳感的同一構(gòu)思的結(jié)構(gòu)也可以被使用，其是在與膜片分開的一塊板上采用了一層導(dǎo)電膜用來構(gòu)成與膜片絕緣的電容板，并具有適合的引線頭接在導(dǎo)電膜和膜片上。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參照最佳實施例加以描述了，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以認(rèn)識到在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的前提下能夠?qū)Ρ景l(fā)明從形式到內(nèi)容都加以變化。
權(quán)利要求
1.一種壓力傳感器，包括一塊底板，一張膜片板，其包括一插進底板中去的邊緣，和中間的膜片部分，其在力的作用下向著底板撓曲，它包括在所說的板的之一上與撓曲膜部分對準(zhǔn)的區(qū)域中構(gòu)成的許多柱，并當(dāng)撓曲膜部分向底板方向撓曲時形成一個預(yù)定量的止住。
2.發(fā)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于所說的柱是與所說的撓曲膜片的膜整體地構(gòu)制在一起的并且其端部是嵌入底板中的。
3.如權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于所說的柱與所說的膜片板的撓曲膜部分為一個整體，所說柱具有外端面用于當(dāng)膜片向底板撓曲一個預(yù)先選擇的量時與底板的相對表面接觸。
4.如權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于它包括在底板上形成的由與柱不同的材料構(gòu)成的一薄層氧化物，從而容許柱的端部在與底板接觸時可以有輕微的移動。
5.如權(quán)利要求4所述的傳感器，其特征在于所說的底板是由硅制成的，薄層是由二氧化硅制成的。
6.如權(quán)利要求5所述的傳感器，其特征在于二氧化硅基本上是3微米厚。
7.如權(quán)利要求6所述的傳感器，其特征在于底板有一個朝向柱的表面，它在與撓曲膜部分的中央?yún)^(qū)域相對的部分凹進的深度大于底板邊沿位于所說邊緣部分之下的部分。
8.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于在膜片部分有許多柱，至少是四個柱。
9.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于在膜片部分上有16個對稱分布的柱。
全文摘要
一種低量程壓力傳感器包括由脆性材料制成的底板和沿周邊密封安裝在底板上的膜片板。壓力引起膜片向底板撓曲，此撓曲由應(yīng)變片感知以提供壓力指示。該膜片對著底板的一側(cè)有許多支撐柱，以便當(dāng)膜片因高過壓向底板撓曲時支撐膜片阻止其移動以避免膜片損壞。支撐柱的數(shù)目可根據(jù)需要而改變。本發(fā)明的一個實施例的底板上有一薄層二氧化硅電絕緣體，它有助于使這些柱與底板表面接觸時輕微移動，從而減小過壓增加時膜片中產(chǎn)生的應(yīng)力。
文檔編號G01L9/12GK1092164SQ9311881
公開日1994年9月14日 申請日期1993年8月31日 優(yōu)先權(quán)日1992年9月1日
發(fā)明者馬克·A·魯茨, 威廉·B·克魯格 申請人:羅斯蒙德公司