宽范围微压力传感器制造技术

公开了一种微压力传感器，其包括在不同压力范围内操作的多个模块。模块包括至少两个模块层堆叠，每个模块层包括：模块主体，其具有限定隔室的壁，并且所限定的隔室划分为至少两个子隔室；用于流体进入或流出的端口，其设置在主体的第一壁中，其中主体的其余壁是实心的；膜，其固定至模块主体的覆盖隔室的第一表面；以及电极，其固定在膜的表面上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】宽范围微压力传感器相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119要求于2017年10月31日提交的题为“宽范围微压力传感器”的美国临时专利申请序列号62/579239的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
本说明书涉及压力传感器装置和系统。
技术介绍
压力传感器检测或测量流体压力，即由流体施加的力，其是抵抗流体扩展所需的力。压力传感器用于各种控制和监测应用，并可用于间接测量其他物理量，比如流体流量、流体速度和高度。通常，压力传感器是使用各种技术制造的，每种技术根据性能、应用适用性和成本考虑来找到用途。典型的压力传感器包括换能器，其根据施加在换能器上的压力来产生电信号，这是力收集器类型压力传感器的示例。力收集器类型使用力收集器(比如隔膜、活塞等)来测量由施加到力收集器的力导致的应变(或偏转)。力收集器的类型包括使用压阻效应来检测由于施加的压力引起的应变的压阻应变仪类型以及在某些材料比如石英、某些陶瓷和某些聚合物中使用压电效应的压电类型。另一类型是电容类型，其使用隔膜和压力腔来创建可变电容器以检测由于施加的压力引起的应变。常用技术使用金属、陶瓷和硅隔膜。可以使用硅MEMS(微机电系统)技术来制造这种传感器。
技术实现思路
根据一方面，一种压力传感器包括多个模块级，多个模块级中的至少一个在第一压力范围内操作，并且多个模块级中的至少另一个在不同的第二压力范围内操作，其中每个模块级包括至少两个模块层堆叠，每个模块层包括：模块主体，其具有限定隔室的壁，并且所限定的隔室划分为至少两个子隔室；用于流体进入或流出的端口，其设置在模块主体的第一壁中，其中模块主体的其余壁是实心的；膜，其固定至模块主体的覆盖隔室的第一表面；以及电极，其固定在膜的表面上。根据另一方面，一种微压力传感器包括第一模块，其在第一压力范围内操作，第一模块包括第一多个第一模块层第一堆叠，每个第一模块层包括：第一模块主体，其具有限定隔室的壁，并且所限定的隔室划分为第一多个子隔室；用于流体进入或流出的第一端口，其设置在第一模块主体的第一壁中，其中第一模块主体的其余壁是实心的；第一膜，其固定至第一模块主体的覆盖隔室的第一表面；以及第一电极，其固定在第一膜的表面上。该微压力传感器还包括第二模块，其在不同的第二压力范围内操作，第二模块固定在微压力传感器中，该第二模块包括第二多个第二模块层第二堆叠，每个第二模块层包括：第二模块主体，其具有限定隔室的壁，并且所限定的隔室划分为第二多个子隔室，其在子隔室的一个或多个数量和大小方面与第一多个子隔室不同；用于流体进入或流出的第二端口，其设置在第二模块主体的第一壁中，其中第二模块主体的其余壁是实心壁；第二膜，其固定至第二模块主体的覆盖隔室的第一表面；以及电极，其固定在膜的表面上。其他方面包括制造方法。微压力传感器可用于执行各种工业、医疗和生物应用的压力感测。可以使用相当便宜的技术来制造微压力传感器，从而为各种应用提供便宜的微压力传感器。在特定实施例中，使用卷对卷制造技术来制造微压力传感器。相对于由标准尺寸的隔室构成的微压力传感器，微压力传感器可在相对较宽的压力范围内操作，并且对较宽压力范围内的压力变化具有较高的灵敏度。在附图和以下描述中阐述了本专利技术的一个或多个实施例的细节。从说明书和附图以及从权利要求书中，本专利技术的其他特征、目的和优点是显而易见的。附图说明图1、2、3A和3是宽范围微压传感器的模块级的示意功能横截面图，示出了分别处于静止模式、过压模式、更大过压模式和负压模式的微压传感器。图4是基于图1-3中描述的概念的包括多个可重复模块层的微压力传感器的等距视图。图4A是图4的微压力传感器的模块的等距视图。图5是示出用于图4的模块化微压力传感器的电容的等效电路模型的简化示意图。图6A-6C是用于在模块化微压力传感器内形成子隔室的不同示例性主体层图案的等距视图。图7是图4的模块化微压力传感器的等距视图，示出了去除多个层。图8是图4的模块化微压力传感器的等距视图，示出了除间隔件构件和端盖之外去除所有层。图9是示出电容对膜间隔和压力的表格。图10是压力对电容的曲线图。图11是电容对压力和膜间隔对压力的曲线图。图12是卷对卷处理配置的概念图。图12A是一些示例性卷对卷处理站的概念图。图13A-13C是图13的结构的卷对卷处理的视图，示出了图6A的图案。图14A-14B是描绘通孔导体的细节的视图。具体实施方式概述本文所述的微压力传感器是使用微制造方法制成的，并且可用于感测各种工业、商业、医学和生物应用中的压力。微压力传感器以微米/毫米尺度制造。公开了多种制造技术。一种类型的微压力传感器是如在本人已转让给本申请的受让人的公开专利申请US-2018-0038754-A1中所述的窄压力范围微压力传感器，该申请的全部内容通过引用合并于此。窄范围微压力传感器是指相对于宽范围微压力传感器，给定的模块将在窄压力范围内操作。通过引用申请并入的微压力传感器具有被分隔成多个隔室的单个室。在给定的压力范围内，每个隔室经历相同的压力并对其做出响应。窄范围类型是在相对窄压力范围内具有高灵敏度的微压力传感器(在本文中称为窄范围微压力传感器)。下面描述的是另一种类型的微压力传感器，其在宽压力范围内具有高灵敏度，在本文中称为宽范围微压力传感器。描述了两种类型的宽范围微压力传感器，即宽范围微压力传感器10和堆叠的宽范围微压力传感器100。宽范围微压力传感器参考图1，示出了微压力传感器10。微压力传感器10对压力变化具有高灵敏度，并且可以用作宽范围微压力传感器100(图4)的模块级(级)堆叠中的模块级的元件。微压力传感器10包括室20，其被多个膜18a-18f分隔成多个隔室21a-21g。如同在通过引用申请并入中描述的微压力传感器一样，微压力传感器10包括具有沿流体流动方向的两个壁13a、13b的传感器主体11、沿垂直于流体流动方向的方向彼此相对的端盖16a、16b以及与两个固定端盖16a、16b和壁13a、13b正交的两个壁，例如前后壁(在图1-3的视图中未示出)。壁13a、13b和16a、16b以及前后壁限定单个室20。如将在图6A-6C中更详细地示出，提供单个室20的每个隔室21a-21g被进一步分成多个子隔室，示出了其中的两个例如子隔室23a-23b(也参见图6A)，以及图1中未示出但在图6A中示出的其他子隔室。多个子隔室23a-23b中的每一个(以及图1中未示出的子隔室)由膜层(膜)18a-18f分隔。通常，子隔室23a将具有与子隔室23b相比具有不同表面积和因此体积的膜。然而，在一些实施例中，只要采取其他措施来改变隔室23a、23b上的膜对压力的灵敏性，表面积和因此体积可以是相同的。膜18a-18f锚固在两个端壁16a、16b与前后壁之间以及壁上，例如将室20分成多个子隔室23a-23b的17a、17b。尽管膜1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压力传感器，包括：/n多个模块级，所述多个模块级中的至少一个在第一压力范围内操作，并且所述多个模块级中的至少另一个在不同的第二压力范围内操作，其中每个模块级包括：/n至少两个模块层堆叠，每个模块层包括：/n模块主体，其具有限定隔室的壁，并且所限定的隔室被划分为至少两个子隔室；/n用于流体进入或流出的端口，其设置在模块主体的第一壁中，其中模块主体的其余壁是实心的；/n膜，其固定至模块主体的覆盖隔室的第一表面；以及/n电极，其固定在膜的表面上。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171031 US 62/579,2391.一种压力传感器，包括：
多个模块级，所述多个模块级中的至少一个在第一压力范围内操作，并且所述多个模块级中的至少另一个在不同的第二压力范围内操作，其中每个模块级包括：
至少两个模块层堆叠，每个模块层包括：
模块主体，其具有限定隔室的壁，并且所限定的隔室被划分为至少两个子隔室；
用于流体进入或流出的端口，其设置在模块主体的第一壁中，其中模块主体的其余壁是实心的；
膜，其固定至模块主体的覆盖隔室的第一表面；以及
电极，其固定在膜的表面上。


2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述子隔室具有不同的体积，并且所述压力传感器还包括：
第一端盖，其连接到多个模块中的第一个；以及
第二端盖，其连接到多个模块中的最后一个。


3.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述至少两个模块层中的第一模块层的端口联接至流体源，并且所述至少两个模块层中的第二模块层的端口联接至参考压力，其中每个堆叠模块层的膜的尺寸为约微米乘微米至约毫米乘毫米。


4.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述多个模块中的第一模块具有被划分为第一数量子隔室的每个模块主体，并且所述多个模块中的最后模块具有被划分为第二数量子隔室的每个模块主体，其中第二数量大于第一数量。


5.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述多个模块中的第一模块具有被划分为具有至少两个不同表面积的第一数量子隔室的每个模块主体，并且所述多个模块中的最后模块具有被划分为具有至少两个不同表面积的第二数量子隔室的每个模块主体，其中第二数量大于第一数量。


6.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，第一模块的至少两个模块层中的第一模块层的电极电连接至第二模块的至少两个模块层中的第一模块层的电极，以提供至压力传感器的第一电连接，并且第一模块的至少两个模块层中的第二模块层的电极电连接至第二模块的至少两个模块层中的第二模块层的对应电极，以提供至压力传感器的第二电连接，其与第一电连接电隔离。


7.根据权利要求1所述的压力传感器，还包括：
电容测量电路，其联接在第一和第二电连接之间。


8.根据权利要求7所述的压力传感器，还包括：
控制器，其将来自电容测量电路的测量的电容转换为压力值。


9.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，每个端口具有设置在第一壁中的一对孔。


10.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述压力传感器配置为接收进入至少两个模块层中的第一模块层的端口中的流体流，并且至少两个模块层中的第二模块层的端口接收参考压力，其中所述流体流使膜根据流体流与施加到各个端口的参考之间的压力差而偏转。


11.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，从模块层的端口出来的流体流使隔室上的膜退回到隔室中，并且进入模块层的端口中的流体流使膜移动远离隔室。


12.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，从至少两个模块层中的第一模块层的端口出来的流体流使其膜压缩隔室，并且进入至少两个模块层中的与第一模块层相邻设置的第二模块层的端口中的第二流体流使其膜基本上同时扩展隔室。


13.根据权利要求12所述的压力传感器，其中，所述第二模块层的端口联接至所述参考以用于负压模式。


14.根据权利要求12所述的压力传感器，其中，所述第一模块层的端口联接至所述参考以用于过压模式。


15.一种微压力传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：SA马什，
申请(专利权)人：恩赛特有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US