專利名稱：敏感元件與高壓傳感器的整體結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓力傳感器的內(nèi)部形狀，特別涉及將具有硅襯底的敏感元件結(jié)合至傳感器中，用以在很寬的溫度范圍內(nèi)測量高壓的整體結(jié)構(gòu)。
為測量比較高的壓力，已知采用傳感器，如文件FR-A-2587485，F(xiàn)R-A-2594224和FR-A-2594546說明的那樣，傳感器包括形為可變形薄膜的敏感元件，在其上安放著應(yīng)變片。如在FR-A-2648910和FR-A-2619446中說明的那樣，還知道可變形薄膜可由諸如單晶蘭寶石或單晶硅的單晶材料制成。敏感元件在傳感器主體中的安裝必須，敏感元件被機械地支承在主體中，且欲測的壓力通過傳感器的所謂“壓力穿孔”零件到達(dá)敏感元件。
具有單晶襯底的敏感元件通常藉助環(huán)氧樹脂與傳感器主體相連接，而玻璃，則通過靜電焊接或通過類似的焊接技術(shù)。上述文件FR-A-2619446建議采用中央部份厚度減薄的薄膜。該薄膜的周邊邊緣比較厚，并與支承相連接，以避免由于薄膜上的徑向或切向應(yīng)力而在薄膜與支承間的接頭上產(chǎn)生顯著的作用(不然，由于薄膜強度和玻璃或用于接頭中其它材料強度的不同，會導(dǎo)致薄膜的變形，或甚至由此與支承分離)。
除了因薄膜和薄膜與其支承間接頭材料的應(yīng)力不同產(chǎn)生的問題外，具有硅襯底的敏感元件和金屬主體的相互剛性連接將由于熱效應(yīng)，特別當(dāng)使用時，溫度變化范圍很寬，而產(chǎn)生相互應(yīng)力，這種應(yīng)力以不可預(yù)計的形式隨溫度而變化，從而降低應(yīng)變片信號輸出的精度，使傳感器對溫度瞬變變得過分敏感。這問題在高壓傳感器情況尤為重要。
在某些情況，高壓傳感器，例如測量壓力為1000巴或更高壓力的傳感器，即使在其遭受溫度顯著變化，包括瞬間變化和長間變化時，也必須可靠地運行。這特別涉及壓力傳感器可能受到溫度在4°K至473°K(或更多)范圍內(nèi)變化的應(yīng)用情況。在火箭和助力器段中可發(fā)現(xiàn)有這樣的應(yīng)用。
用于在寬廣的溫度范圍內(nèi)測量高壓的壓力傳感器必須預(yù)見到前述運行情況。傳感器最好還應(yīng)是抗振動的，且甚至在溫度達(dá)到穩(wěn)定前，就能產(chǎn)生可靠的輸出信號。當(dāng)壓力傳感器是設(shè)計用于火箭或助力器段中時，傳感器還必須耐這類裝置中易于碰到的流體的作用，諸如氧(氣體或液體的)，氫(氣體或液體的)，水(蒸汽或液體的)等。
迄今為止，還不可能生產(chǎn)出包含具有硅襯底的敏感元件的，能符合上述要求的壓力傳感器，其主要困難源于敏感元件在傳感器主體中的安裝。硅的熱膨脹系數(shù)接近2×10-6/℃，而用于制成傳感器主體的一般金屬的系數(shù)則大于8.5×10-6/℃，或甚至是該值的兩倍。如前所述，具有硅襯底的敏感元件和金屬的傳感器主體之間的剛性連接會產(chǎn)生相互溫度應(yīng)力，然而，要測量的壓力是如此高，以至傳感器的內(nèi)部連接必須具有很大的牢固性以便給與其經(jīng)受壓力的足夠能力。
當(dāng)涉及高的溫度變化時，用于克服那些困難的一種技術(shù)是將壓力傳感器放置在遠(yuǎn)離壓力源的位置，并用管路將它們相互連接。該管路如熱緩沖器一樣作用。然而，這種解決辦法非?；ㄥX，且增加裝置的總體尺寸。
包括具有硅襯底的敏感元件的傳感器生產(chǎn)中出現(xiàn)的另一問題在于硅焊接不到金屬上這一事實，這使傳感器的生產(chǎn)更為困難。


圖1中示意地表示了將具有硅襯底的敏感元件結(jié)合在壓力傳感器主體中的一般結(jié)構(gòu)。
在圖1的結(jié)合結(jié)構(gòu)中，壓力傳感器包括金屬支承1，支承具有中心孔2，通過它與欲測量的壓力源相連接。傳感器的敏感元件4包含硅襯底5，在其表面放置著應(yīng)變片6，硅襯度具有厚度增大的周邊邊緣5a和中心加強件5b。應(yīng)變片6安放在襯底5上，位于其厚度減薄的區(qū)域5c，要檢測的壓力集中在那里。通常，設(shè)置4片應(yīng)變片，它們被布置在惠司登電橋上。敏感元件4還可包括加強塊5’，它也由硅制成。
敏感元件4藉助中間放置的，以玻璃或陶瓷材料制成的底座7安裝在金屬支承1上。在敏感元件4的底座和在加強塊5’上，假如有的話，設(shè)置有中心孔，從而使欲測量壓力得以和襯底5放置應(yīng)變片6的區(qū)域5c相連通。
在這一已知的結(jié)構(gòu)中，硅襯底5(或硅加強塊5’)和底座7之間的連接是應(yīng)用陽極焊接，或通過金屬一玻璃釬焊或易熔釬焊而獲得的。底座7和金屬支承1之間的連接則通過粘接或釬焊而獲得。一般，這些粘接或釬焊連接是不適合能在高壓和很寬的溫度范圍內(nèi)都使用的傳感器的生產(chǎn)的。此外，這樣使用的粘接和釬焊連接會引入作用于襯底5，也即在應(yīng)變片6上的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。
文件FR-A-2293704公布了一種壓力傳感器，其中攜帶敏感元件的玻璃底座不是直接安裝在傳感器的金屬支承上，而是通過連接零件。但是，上述缺點并未排除。
在另外的文件US-A-4361047，US-A-4127840和EP-A-0167144中，敏感元件固定于其上的底座是藉助能變形的連接零件與傳感器主體相連接的，但公布的這一布置顯然不適合十分高壓力的測量。
本發(fā)明尋求克服上述問題，特別涉及這樣的壓力傳感器，它能可靠地測量高達(dá)至少1000巴的高壓，而允許的溫度變化范圍至少包括4°K至473°K之間的區(qū)間，其中具有硅襯底的敏感元件以結(jié)合應(yīng)力為最小的方法被安裝在傳感器主體中。
為此，本發(fā)明提出的壓力傳感器，它包括具有接受欲測壓力的進(jìn)口的傳感器主體；具有硅襯底的壓力敏感元件，應(yīng)變片固定在硅襯底上；敏感元件安裝于其上的底座；和將底座與傳感器主體相連接的連接零件；其特征在于連接零件是彈性可變形的，以抵銷底座和傳感器主體之間的熱膨脹差別，和敏感元件壓靠著一應(yīng)力承受塊，此塊能承受由欲測壓力作用在底座和襯底上的應(yīng)力，而所述應(yīng)力不是施加在彈性可變形連接零件上。
在發(fā)明提出的壓力傳感器中，具有硅襯底的敏感元件的安裝是這樣的，即由環(huán)循產(chǎn)生的溫度瞬變引起的，傳感器零件的不均勻熱膨脹效應(yīng)被彈性變形連接零件所阻尼，而欲測壓力作用的應(yīng)力被應(yīng)力承受塊所承受，不會影響連接零件的運行。由此，為使應(yīng)變片在最佳條件下測量，不必須等待溫度的穩(wěn)定。根據(jù)這樣的將敏感元件結(jié)合在傳感器主體中的技術(shù)，不僅獲得能在很寬的溫度范圍內(nèi)測量十分高壓力的傳感器，而且還獲得在有穩(wěn)定溫度漂移時，具有在時間上精度增高的，且具有改進(jìn)的抗振動的傳感器。
發(fā)明的最佳實施例提出，彈性零件是小厚度的彎曲金屬箔，最好肩倚著傳感器主體的零件。
形狀為小厚度變曲金屬箔的彈性零件，其優(yōu)越性在于，由于不均勻熱膨脹，它施加在底座上的應(yīng)力是小的，且彎曲金屬箔本身就能經(jīng)受由于它和底座及傳感器主體金屬相連接而出現(xiàn)的，源起熱的變形。
最好為敏感元件設(shè)置比較厚的硅加強塊，此塊放置在硅襯底和底座之間，而后者，例如，本身由玻璃制成，并用陽極焊接與加強塊相焊接。由于底座固定至加強塊過程產(chǎn)生的應(yīng)力，因為加強塊的厚度而被該加強塊過濾掉，從而它們幾乎不會影響敏感元件的硅襯底。
最好，敏感元件安裝于其上的底座藉助彎曲金屬箔而支承在傳感器主體的金屬零件上，彎曲金屬箔在其一端焊接至傳感器主體的金屬零件上，而在其另一端封接至底座的材料上。
此外，在本發(fā)明的最佳實施例中，應(yīng)力承受塊成形成封接在傳感器主體上的罩蓋，敏感元件通過分隔板的中間板靠壓于其上，分隔板例如由玻璃制成，敏感元件最好粘合在分隔板上(例如通過粘合劑)以致能夠確保耐振動。分隔板可以被粘合在罩蓋上。
組成傳感器的零件材料的選擇使得這些零件與需測量壓力的流體的化學(xué)兼容性的最優(yōu)化得以實現(xiàn)。還有，硅襯底采用在半導(dǎo)體工藝中通常應(yīng)用的生產(chǎn)工藝和加工能以低成本進(jìn)行生產(chǎn)。
附圖中
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中安裝著具有硅襯底的敏感元件的壓力傳感器示意圖；圖2示意地展示了本發(fā)明第一實施例提出的，將具有硅襯底的敏感元件結(jié)合至壓力傳感器中的結(jié)構(gòu)；圖3示意地展示了本發(fā)明第二實施例提出的，將具有硅襯底的敏感元件結(jié)合至壓力傳感器中的結(jié)構(gòu)。
如圖2所示，壓力傳感器包括繞中心線對稱的金屬主體10。該主體10由相互封接以確定腔室11的上部份10a和下部份10b構(gòu)成。下部份在其基底軸向延伸至圓管形部份12，圓管形部份在其端部構(gòu)成壓力穿孔口以便形成進(jìn)口14。壓力穿孔12被設(shè)計成與需測量的壓力源相連接，并與腔室11相連通。
布置在腔室11中的敏感元件包括形為圓盤的硅襯底15，圓盤具有變薄的中央部份15a，在其中設(shè)置有應(yīng)變片16，襯底15被封接到加強塊15’上，它比較厚，也是由硅制成。塊15’被封接至玻璃底座17上，該底座由例如“派熱克斯耐熱玻璃7740”或類似材料制成。在底座17上的封接是由例如像“Mallory”型焊接的陽極焊接來進(jìn)行的。玻璃底座17是焊接在比較厚的加強塊，而不是直接焊接在襯底15上這一事實，使得由于焊接引起的應(yīng)力能過濾掉。加強塊15’具有中央通道15a’，而底座17是環(huán)形的，因此，出現(xiàn)在進(jìn)口14的壓力能直接與敏感元件中央部份15a相連通。
由支承應(yīng)變片16的襯底15，加強塊15’和底座17構(gòu)成的組合件通過彈性可變形零件與主體10相連接，這里，彈性可變形零件是由例如約0.1mm的，例如不銹鋼制成的小厚度的彎曲金屬箔18構(gòu)成。彎曲金屬箔18的總體形狀是旋轉(zhuǎn)對稱的，所具有的第一圓筒形部份18a在其端部焊接在主體10的下部份10b的內(nèi)壁上，而第二圓筒形部份18b在其端部焊接在底座17的下表面上，而鼓脹部份18c將圓筒形部份18a和18b相互連接。鼓脹部份18c具有基本為U形的剖面，使彎曲金屬箔18變得能在軸向彈性變形。傳感器主體的下部份10b的內(nèi)圓筒形壁具有直徑增大的部份，它確定臺肩壁19，彎曲金屬箔18的鼓脹部份18c靠在其底部，從而將后者橫向定位。
傳感器主體的部份10b在其上端部具有直徑進(jìn)一步加大的內(nèi)壁，它圍繞由襯底15，加強塊15’和底座17組成的組合件的大部份，并通過徑向表面20與臺肩壁19相連接。在彎曲金屬箔18的彈性變形的作用下的15，15’，17組合件的軸向移動在一端受表面20與底座17下表面共同作用而形成的抵靠的限制，而在另一端，受成形成罩蓋的固體塊21的限制，固體塊封接在傳感器的部份10b上，襯底15能通過環(huán)形分隔板22這一中間體壓靠在其上。后者通常可由制成底座17的玻璃制成，并通過例如膠合劑粘結(jié)在襯底15上。
這樣，在傳感器運行期間，由被測壓力作用在組合件15、15’、17、22上的應(yīng)力被固體塊21所承受，而不是施加在彎曲金屬箔18上，于是金屬箔就能最佳地完成其抵銷起源于熱的尺寸不均勻變化和阻尼任何振動的功能。
圖3展示了本發(fā)明提出的傳感器的第二個實施例。后者與圖2中傳感器的顯著不同在于能彈性變形的零件的結(jié)構(gòu)和傳感器主體下部份10b的構(gòu)成。構(gòu)成傳感器的其它零件不曾改變，對它們將不再說明。
在第二實施例中，能彈性變形的零件還是小厚度的彎曲金屬箔28。在這一情況，金屬箔零件28具有徑向放置，基本為平面環(huán)的形狀，它在其外邊緣附近與傳感器主體的部份10b相連接。而在其內(nèi)周邊被封接在底座17上。這里，與底座17的連接是在后者的外表面上，而不是在其下表面上獲得的。在其內(nèi)周邊區(qū)域，彎曲金屬箔28具有環(huán)形鼓脹部份28c，其截面基本為U形，并在傳感器下端方向開口。
這里，傳感器的下部份包括下分段10b’和上分段10b”，它們相互固定，在其間放置有環(huán)30。分段10b’在其上部份具有加大的內(nèi)徑，它確定的外殼圍繞底座17的大部份，并通過徑向表面29與分段10b’的其余內(nèi)壁相連接，形成止動器。該止動器29與底座17的下表面相配合用于限制組合件15、15’、17在與壓力施加方向相對方向上的軸向移動。在相反方向，需測量壓力作用的應(yīng)力，則如圖2的實施例一樣，被與分隔板22協(xié)同作用的，并被焊接到部份10b上的塊21所承受。
環(huán)30在其內(nèi)周邊有突緣，它確定支承表面或臺肩壁30a，曲彎金屬箔28通過其鼓脹部分28c的外側(cè)點與臺肩壁頂著接觸。在其外周邊，曲彎金屬箔28被定位在環(huán)30和分段10b’之間。
權(quán)利要求
1.壓力傳感器包括具有接受欲測壓力的進(jìn)口(14)的傳感器主體(10)；具有硅襯底(15)的壓力敏感元件，應(yīng)變片(16)固定在硅襯底上；敏感元件安裝于其上的底座(17)；和將底座與傳感器主體相連接的連接另件(18；28)，其特征在于，為了可靠地測量至少達(dá)到1000巴的高壓，同時溫度的調(diào)節(jié)變化在包括至少從4°K至473°K區(qū)間的范圍，連接另件(18；28)是彈性可變形的，以抵銷底座(17)和傳感器主體(10)之間的熱膨脹差別，和敏感元件壓靠在一應(yīng)力承受塊(21)上，此塊能承受由欲測壓力作用在底座(17)和襯底(15)上的應(yīng)力，而所述應(yīng)力不是施加在彈性可變形連接另件上。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于彈性另件包括彎曲金屬箔另件(18；28)。
3.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，彎曲金屬箔另件(18；28)具有與底座(17)相連接的第一端部和與傳感器主體金屬另件(10b)相連接的第二端部。
4.如權(quán)利要求1或3所述的傳感器，其特征在于，彎曲金屬箔另件(18；28)在其端部之間肩靠在傳感器主體(10)的內(nèi)壁上。
5.如權(quán)利要求1至4中任一要求所述的傳感器，其特征在于，敏感元件還包括硅制成的加強塊(15’)，它被放置在硅襯底(15)和底座(17)之間，還在于底座是與加強塊(15’)相連接。
6.如權(quán)利要求5所述的傳感器，其特征在于，底座(17)由玻璃制成，并用陽極(Mallory式)焊連接在加強塊(15’)上。
7.如權(quán)利要求1至6中任一要求所述的傳感器，其特征在于，應(yīng)力承受塊(21)做成罩蓋形狀，它被封接在傳感器主體(10)上，而敏感元件通過分隔板(22)靠壓于其上。
8.如權(quán)利要求7所述的傳感器，其特征在于，所述分隔板(22)由玻璃制成。
9.如權(quán)利要求7和8中任一條所述的傳感器，其特征在于，所述分隔板(22)是通過膠合被粘結(jié)在襯底(15)上。
全文摘要
一種包括具有硅襯底的敏感元件的壓力傳感器，應(yīng)變片固定在硅襯底上，并被安放在傳感器主體中。敏感元件安裝在底座上，底座通過一個零件的中間物與傳感器主體的金屬部分相連接，該零件是彈性可變形的，適用于抵銷，底座和敏感元件之間相對傳感器主體的熱膨脹差別。該傳感器還包括應(yīng)力承受塊，它能承受由被測壓力在由底座和敏感元件構(gòu)成的組合件上產(chǎn)生的應(yīng)力。從而該傳感器適合在高壓。和在高而變化的溫度環(huán)循中應(yīng)用。
文檔編號G01L9/04GK1147631SQ9611185
公開日1997年4月16日 申請日期1996年8月27日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月28日
發(fā)明者讓-伯納德·阿維塞 申請人:推進(jìn)歐洲公司