显微机加工的传感器用的坚固粘合制造技术

一个接受增压流体的显微机加工的装置（３２）具有几个层（３４、３６），它们沿至少一个粘合界面（３５）粘合一起，粘合界面有一个末端，与增压流体相连。在至少一个粘合界面（３５）的附近，至少有一层（３４、３６）选用一种能降低粘合末端附近应力值的形状。在一个优选实施例中，至少有一个层（３４）的宽度，朝着粘合界面方向有所增宽，以增加无断裂操作下装置的压力。在另外一个实施例中，与粘合界面（３５）相连的二个层（３４、３６）之宽度，在粘合界面（３５）附近都朝粘合界面有所增宽。或者，层（３４、３６）的壁的形状会使腔在与粘合界面（３５）垂直并经过粘合界面（３５）终点的参考线与至少有一个壁之间突出。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及由粘合在一起的多层材料组成的器件。这种器件经受着内部的增压流体的爆破力。更具体地说，本专利技术用于压力传感器的制作1特别是用于以显微机加工的易损材料制造的传感器。这里所用的“显微机加工的”一词以及从它派生出来的词都指经过至少是部分地采用固态加工的技术，例如光刻、化学及等离子体腐蚀、化学气相沉积，等离子体沉积以及其他为本专业技术人员熟悉的类似处理。附图说明图1中，待测的压力P作用于现有技术压力传感器10之上；该传感器包括上硅部12以及一个基片14。上硅部12的形状设计成具有一个薄膜16以及一个内腔18。在薄膜16之中或附近，配有压电式仪表电阻22、24；至少其中一个电阻会随薄膜16中应变量而变化；此应变量正是压力P的函数。一个测量电路(图中未画出)与电阻22、24相连，并提供作为压力P函数的输出。像图1这样的现有技术装置的困难发生在当它们遭受装置内增压流体的较高拉伸应力作用的场合。例如，传感器10如果用在差压应用时，腔18可以由经过小孔20进来的高增压流体所充满。如内压P′超过外压P很多，那末沿上硅部12及基片14的界面28的应力值26，在朝着界面28末端的方向激增(见图2)；这是由于界面28附近，层12及层14的形状引起的。如果，在末端30处已经有一个显微裂纹或其他裂痕，那么，与这种显微裂纹或其他裂痕29相关连的应力强度系数会变得相对很高。在机械工程技术中，一个结构中任何指定点上的“应力”就是这一点的作用于任意小面积上的净力除以面积。应力是一个向量值，以帕(Pa)为单位(1帕＝1牛顿/米2)。相反地，“应力强度系数”是一个无纲量，用在机构结构中分析已有的裂纹前沿。其单位是 (巴 )(或等于牛顿/米3/2)。如应力强度系数超过一个临界值(或叫做“断裂韧度”)，那末裂纹前沿就会生长，导致材料的断裂。硅的断裂韧度较保守的估计数为7×105 可查看1986年出版的David Broek著的“ElementaryEngineering Fracture Mechanics”(工程断裂力学入门)，以进一步了解应力强度系数及断裂韧度的背景讨论。本专利技术对至少贴近界面的一个层的形状作出设计以减少粘合末端附近的应力值，从而减少界面末端任何裂纹的应力强度系数、减少断裂机会并允许器件能经受显著地较高的内压。按照本专利技术的一个方面，提供了一种显微机加工装置适合于接受增压流体并包含有沿一个粘合界面粘合一起的第一与第二层。为了增加此器件能接受而不发生断裂的流体压力，第2层在粘合界面附近的宽度朝粘合界面方向有所增加。在一个优选实施例中，显微机加工装置具有许多层，沿至少一个粘合界面粘合在一起。所述的装置还有一个腔。对每一个具有连接腔的末端的粘合界面，粘合界面邻近的二个层，在粘合界面附近，分别具有第一壁面及第二壁面。第一及第二壁面采用一种形状，它使腔在一个垂直于粘合界面，经过粘合界面末端的参考线与至少第一壁面与第二壁面中之一的之间突出。下面通过附图及实施例详细说明本专利技术，附图中图1是现有技术压力传感器的一个剖视图；图2是图1压力传感器放大的细节，其中压力P′大于压力P；图3是按照本专利技术的压力传感器的截面图；图4是示出图3压力传感器的细节的图；图5是用现有技术与本专利技术粘合时，沿粘合界面上，应力值与位置的函数曲线；图6是测试本专利技术粘合用的装置截面图；图7是测试传统粘合用的装置截面图；图8是按本专利技术的压力传感器另一实施例的截面图；图9是按本专利技术的压力传感器另一实施例的截面图；图10是按本专利技术的压力传感器又一实施例的截面为了方便起见，图中用同一标号的项目都是相同的；或者其功能相同或相似。在图3中，压力传感器32包含一个第一层34，它沿粘合界面35与第二层36粘接在一起。传感器32可测量外压P1与内压P2之差；这些压力最好是靠硅油或其他基本不可压缩的液体来传送的，或者用氮或空气这样的流体传送。换一种方式，P1也可以是真空。在层34的薄膜38上，在它的中间或附近设有传统的传感装置(未示出)来提供能指示压差的传感器输出。这种传感装置包括如图1所示的一个或几个扩散型压电式仪表电阻，以及与之配套的桥电路；一个放大器；一个温度校正器。另一个方式是传感器装置包含一个导电层，它配置在薄膜38上；它与另外一个邻近的导体一起，组成一个压敏可变电容。如果薄膜38本身是导电的，那末配置在它上面的导电层可以取消。另一种方式是传感装置由薄膜38上的反射表面组成，配以用光学方法测量位移的众所周知的系统，例如采用法布里珀罗技术的系统。本专利技术用来在P2大大高于P1的应用中得到好处，在这种场合，传感器32经受试图在脆弱的地方使传感器32断裂的爆破力。正如图1及2所示，具有增压内腔的传感器之脆弱点，正是腔边粘合的末端。已经观察到阳极粘合、熔接粘合，以及在易碎材料的固态处理中采用的其他粘合，在未暴露到较大的压差之前，就在边缘处产生像图2中所示的显微裂纹或裂痕。当它们暴露到从内部的增压流体中引起的高应力之后，这些显微裂纹或裂痕就会促进器件的破裂。按照本专利技术，层34在粘合界面35的附近，其选用形状能减少粘合末端50附近的应力。这种减少应力的层34的形状有不同的特点。层34的壁40，它在增压腔42周围，它在粘合界面35附近的宽度，朝界面35的方向呈加宽的形状，就是宽度44大于宽度46(见图4)。壁40面向腔42并毗邻粘合末端50的一个面48，与粘合界面35之间呈小于90°的角度。对于与粘合界面35垂直并经过粘合末端50的线段52，腔42在这个线段52与壁面48之间延伸。层34、36是由易碎材料做成的，例如硅、砷化镓、兰宝石、陶瓷、玻璃等；而压力P2大于P1；图3、4中所示的成型的层34、36就具有一种比旧技术结构要小一些的界面末端50周围的应力值(见曲线54)。在界面末端产生任何裂纹的应力强度系数也得到了降低。这样，传感器32就能在其他脆弱点也能经受得住较高的内压的条件下比传感器10更能经得住较高的内压。传感器32中一个潜在的脆弱点就是内腔42的一个角55；这里，应力可以很高。已观察到，当层34是一个整体的时候，例如薄膜38只是用化学方法除去部分的层34形成的时候，比起薄膜38与壁40粘合的场合来，角55可以经受住更高的压力P2。在粘合的场合，在角55处，形成了粘合界面53。因此，如果层34是一个整体(见图3)，则图4的粘合方法可以允许传感器32经得住较高的内压而不致断裂，但是，如果层34是由薄膜与壁40粘合的话，则图4的粘合可能也可能不允许传感器34经受住更高的内压，这要看末端在角55处的粘合强度大小来定。其次，如果薄膜38是沿着界面与53与壁40粘合的话，图3中的壁40的形状，会使邻近角55附近的应力比图2中的要有所降低。在一个优选实施例中，层34由具有取向的硅做成。制作腔42的方法如下用一个反应式离子腐蚀方法直接腐蚀成形出腔的42a部分，然后采用一个各向异性腐蚀(例如KOH)来形成腔42的其余部分。这样，壁面48就相当于硅中的111平面，并与粘合界面35成55°左右的角度。认为5°到70°之间的角度可以取得满意的功能。层36是由取向的硅做成的，通道56是用腐蚀或者钻孔的方法来制成。在一个垂直于图3平面并平行于粘合界面35的平面中，通道56可以采用任意的形状本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种显微机加工的装置，适宜于接受增压的流体，所述的装置包括：第一层；第二层，沿粘合界面与第一层粘合一起其粘合界面有一个末端；其中，在粘合界面附近，第二层采用一种形状，它能减少与末端邻近的应力大小，以使所述的装置能在不发生断裂的条件下在更高的流体压力下操作。２．按照权利要求１的装置，其特征在于所述的第２层在粘合界面附近的宽度朝粘合界面有所增加。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：马克G罗莫，
申请(专利权)人：罗斯蒙德公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]