能承受高过压的具有扩展的压力信号输出的硅片压力传感器制造技术

一种能承受高过压的具有扩展的压力信号输出的硅片压力传感器，包括：基部，所述基部具有高压接触部；和膜片，所述膜片定位在基部上，并且具有与基部相反的外部顶表面。所述外部顶表面被限定在封闭周边内，并且外部侧表面从封闭周边的整体向下朝基部延伸。膜片的高压接触部与基部的高压接触部对齐并且通过间隙与基部的高压接触部分开。感测元件与膜片连接并且基于膜片的改变而提供输出。当高于阈值的流体静压力载荷施加在膜片的整个外部顶表面和外部侧表面上时，流体静压力载荷导致膜片的高压接触部接触基部的高压接触部。

【技术实现步骤摘要】

本公开涉及压力传感器。具体地，本公开涉及具有过压保护的压力传感器。
技术介绍
在许多压力传感器中，柔性膜片响应于施加在膜片顶部上的压力而相对于基部移动。响应于施加的压力提供可重复的单向移动的膜片是优选的。由于晶体膜片响应于施加的压力提供单向移动并且通常没有滞后效果，因此，诸如由晶体硅制成的晶体膜片已被广泛采用。不幸地，具有这种晶体结构的传感器具有受限的过压能力，并且在传感器膜片上的过大的压力可能导致超过晶体结构的最大断裂强度的大的张应力。这种传感器的失效是趋于灾难性的，常常导致完全破碎的结构。
技术实现思路
一种压力传感器，包括：基部，所述基部具有高压接触部；和膜片，所述膜片定位在基部上，并且具有与基部相反的外部顶表面。所述外部顶表面限定在封闭周边内，并且外部侧表面从封闭周边的整体向下朝基部延伸。膜片高压接触部与基部的高压接触部对齐并且通过间隙与基部的高压接触部分开。感测元件与膜片连接并且根据膜片的改变提供输出。当高于阈值的流体静压力载荷施加在膜片的整个外部顶表面和外部侧表面上时，流体静压力载荷导致膜片的高压接触部接触基部的高压接触部。过程变量变送器具有传感器，所述传感器包括：基部，所述基部具有支撑件；和膜片，所述膜片安装在基部上并且被隔离而免于与其它结构接触。所述膜片响应于施加在膜片的顶部和侧面上的压力而挠曲，使得在阈值压力以上，膜片的部分与基部的部分接触。所述膜片具有第二可偏转区，所述第二可偏转区在膜片的该部分接触基部的该部分后继续偏转。至少一个感测元件感测膜片的挠曲并且提供表示膜片的挠曲的输出信号。至少一个感测元件还在膜片接触基部后感测第二可偏转区的偏转并且在膜片接触基部后提供表示第二可偏转区的偏转的输出信号。附图说明图1提供了在足够高的压力下以使膜片正在接触基部的部分的压力传感器的一个实施例的并且示出张应力和压应力的剖面图；图2提供了作为施加的压力的函数最大主应力的示例性的图形；图3提供了作为压力的函数的在一个实施例的压力传感器上的膜片边缘张应力式电阻器的电阻值的示例性的图形；图4提供了一个实施例的压力传感器的底部立体图；图5提供了图4的压力传感器的顶部立体图；图6提供了一个实施例的压力传感器的剖面图；图7提供了第二实施例的压力传感器的剖面图；图8提供了第三实施例的压力传感器的剖面图；图9提供了第四实施例的压力传感器的剖面图；图10提供了第五实施例的压力传感器的剖面图；图11提供了第六实施例的压力传感器的剖面图；图12提供了另一个实施例的膜片的四分之一对称区段的底部立体图；图13提供了图12的膜片的所述区段的顶部立体图；图14提供了可以应用实施例的工业过程控制系统的一部分的简化图。具体实施方式各个实施例提供了具有晶体膜片的压力传感器，其中，压力传感器包括过压凸台，并且使用在膜片的侧面和膜片的顶部上的液体静力压载以限制膜片上的张应力。根据各个实施例，提供了图1的压力传感器200，其包括在结合部(例如膜片202的结合部250和252)处安装在基部203上的膜片202。在膜片202和/或基部203上的高压接触部(例如，凸台205和207)彼此相互作用，以在高于阈值的流体静压力载荷被施加在膜片202的外部顶表面218和外部侧表面(例如侧面206和208)上时，抑制膜片202的部分的移动。施加在侧面206和208上的侧向流体静力载荷由箭头210、212、214和216示出。膜片202和基部203之间在凸台205和207处的接触，连同在膜片202的侧面上的侧向流体静力载荷组合，以减小施加在膜片202上的张应力，使得随着在顶表面218和侧面206和208上施加的压力增大，施加在膜片上的最大主应力实际上减小。这可以从图2的图形中看出，其示出了沿水平轴线300的施加的压力和沿竖直轴线302的最大主应力。图2的图形304显示现有技术的压力传感器的膜片的最大主应力。在由虚线所示的图形304中，最大主应力随施加的压力线性增大，直至达到点306，在所述点处应力超过膜片的断裂应力并且膜片断裂。图2的图形307示出了以下示例，即对于本实施例的膜片传感器，最大主应力如何随被施加应力而改变。在图2中，沿着部分308，最大主应力随被施加压力线性增大。这发生在凸台(多个凸台)未接触的情况下而膜片202挠曲时。在点310处，凸台中的一个或多个接触。在凸台(多个凸台)接触之后，在点314处开始再次增大之前，沿着部分312，最大主应力随被施加应力减小。在图2所示的实施例中，在凸台(多个凸台)接触之前，由于被施加压力导致的最大主应力沿着图形307的部分308的改变，大于现有技术的膜片的最大主应力的改变，如图形304所示。在图形307中的点314之后，由于被施加压力导致的主应力的改变速率显著低于凸台(多个凸台)未接触时的主应力的改变速率。注意因为电阻应变仪应当被放置在应力和被施加压力之间具有单向改变的位置处，所以最大主应力不在诸如电阻应变仪的感测元件将被放置的位置。然而，因为膜片可能在具有最大张应力的位置处失效，所以最大主应力在膜片中的可能失效点处显示应力。除了减小了最大主应力，凸台和侧向流体静力载荷之间的接触将在现有技术的膜片中发现的张应力转化为在图1的位置226和228处的压应力。因而，在接触部205接触基部203的接触部207之后，膜片202的邻近膜片202的接触部205的内部部分226和228处于压应力下。相反，膜片202的邻近在接触部205上方的外部部分234的外部位置230和232处于张应力下。膜片的不在膜片的高压接触部或结合区域上方的区域，例如区域236和238，作为第二可偏转区，所述第二可偏转区在膜片的高压接触部接触基部之后继续偏转。诸如晶体硅的晶体膜片结构通常能够承受远超过它们的最大张应力的压应力数值。因为有效的“杠杆臂”还由于受约束的凸台而被减小，因此相比未受约束的凸台的情况，所有应力(张应力和压应力)数值也都被减小。一旦膜片通过与凸台接触而被限制竖直移动，则侧向流体静力载荷在膜片内产生侧向压缩。结果，所有张力被减小并且所有压力被增大。通过遏制张应力，传感器能够经受比否则仅使压力被施加于膜片的顶表面上的可能的外部压力高得多的外部压力。图3提供了应用于图1的膜片202的顶部的膜片边缘张应力式电阻器的电阻-压力的示例性的图形。在图3中，沿着水平轴线400示出压力并且沿着竖直轴线402示出电阻。在膜片和/或基部的凸台接触之前，电阻单向改变，如图形406的部分404所示。根据一些实施例，部分404沿着压力传感器的正常工作压力范围延伸。当被施加压力达到正常工作压力范围的顶端时，凸台(多个凸台)在图形406中的点408处接触。在凸台(多个凸台)接触之后，电阻沿着部分410随被施加压力继续单向改变，但是以与沿部分404不同的速率改变。这为系统提供以下机会，即在超过传感器的正常工作压力范围时，继续很好地测量压力。图4提供了根据一个实施例的压力传感器500的底部立体图，并且图5提供了其顶部立体图。在图4中，压力传感器500包括基部502，所述基部具有居中定位并且可以与壳体连接的底座或支撑件504，所述壳体限定围绕压力传感器500的腔室。膜片506定位在基部502上方并且通过结合层508与基部502结合。沿着膜片506的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压力传感器，包括：基部，所述基部具有高压接触部；膜片，所述膜片定位在基部上，并且具有：外部顶表面，所述外部顶表面与基部相反并且被限定在封闭周边内，外部侧表面，所述外部侧表面从封闭周边的整体向下朝基部延伸，和高压接触部，所述高压接触部与基部的高压接触部对齐并且通过间隙与基部的高压接触部分开；以及感测元件，所述感测元件与膜片连接并且基于膜片的改变而提供输出；其中，当高于阈值的流体静压力载荷被施加在整个外部顶表面和外部侧表面上时，流体静压力载荷导致膜片的高压接触部接触基部的高压接触部。

【技术特征摘要】
2015.09.29 US 14/868,9011.一种压力传感器，包括：基部，所述基部具有高压接触部；膜片，所述膜片定位在基部上，并且具有：外部顶表面，所述外部顶表面与基部相反并且被限定在封闭周边内，外部侧表面，所述外部侧表面从封闭周边的整体向下朝基部延伸，和高压接触部，所述高压接触部与基部的高压接触部对齐并且通过间隙与基部的高压接触部分开；以及感测元件，所述感测元件与膜片连接并且基于膜片的改变而提供输出；其中，当高于阈值的流体静压力载荷被施加在整个外部顶表面和外部侧表面上时，流体静压力载荷导致膜片的高压接触部接触基部的高压接触部。2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，膜片的高压接触部居中地定位在膜片上。3.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，膜片的高压接触部朝基部突出。4.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，基部的高压接触部朝膜片突出。5.根据权利要求4所述的压力传感器，其中，膜片的高压接触部朝基部突出。6.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，膜片在所述膜片的结合部处通过玻璃浆料被结合至基部。7.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，膜片在所述膜片的结合部处通过金属焊接被结合至基部。8.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，膜片在所述膜片的结合部处通过熔化结合被结合至基部。9.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，膜片在所述膜片的结合部处通过阳极结合被结合至基部。10.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，膜片在所述膜片的结合部处通过硅合金结合被结合至基部。11.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，感测元件包括基于压电电阻的感测元件。12.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，感测元件包括基于电容的感测元件。13.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，感测元件包括共振感测元件。14.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，感测元件包括光学位移感测元件。15.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，感测元件的输出在膜片的高压接触部接触基部之前具有第一改变速率，并且...

【专利技术属性】
技术研发人员：查尔斯·雷·威尔科克斯，詹尼弗·安·布洛杰特，马克·乔治·罗姆，
申请(专利权)人：罗斯蒙特公司，
类型：新型
国别省市：美国;US