用于确定液体介质或气体介质中的压力差的传感器设备制造技术

本公开描述了一种用于确定液体介质或气体介质中的压力差的传感器设备，包括：用于传感器设备的外壳框架，包括第一和第二开口；感测元件，包括第一侧和第二侧，并且被配置并位于外壳框架内以在其第一部位处构建第一空腔并且在其第二部位处构建第二空腔，其中感测元件被配置为确定第一侧与第二侧之间的压力差；第一和第二波纹隔膜，其中第一波纹隔膜被配置为封闭第一开口以密封外壳框架的第一空腔；并且第二波纹隔膜被配置为封闭第二开口以密封外壳框架的第二空腔；第一空腔和第二空腔内的惰性液压流体，被配置为将作用在相应波纹隔膜上的外部压力耦合到感测元件的相应侧，其中第一和第二波纹隔膜使用具有结构化表面的衬底由保形涂覆工艺构建。由保形涂覆工艺构建。由保形涂覆工艺构建。

【技术实现步骤摘要】
用于确定液体介质或气体介质中的压力差的传感器设备


[0001]本公开的各实施例涉及用于确定液体介质或气体介质中的压力差的传感器设备。

技术介绍

[0002]绝大多数商用压力传感器采用硅微机电系统(MEMS)器件作为感测元件。在典型的MEMS压力传感器芯片中，通过从下侧蚀刻来移除硅衬底的一部分，从而在顶部表面留下薄硅膜。顶部与底部之间的压力差将导致膜偏转，膜中产生的应力可以通过放置在膜外围的压电电阻器来测量。通过以适当方式选取膜面积和厚度，可以从几个mbar到数十巴变化的全尺度差压范围。
[0003]硅压力传感器可以被设计为用于绝压测量或表压测量/差压测量。在前一情况下，通过在真空下将背板附接到衬底的底面，在膜的底面上形成零压力参考空腔。通常，背板由热膨胀系数与硅的热膨胀系数非常匹配的玻璃制成。在仪表或差动传感器的情况下，通常的做法是附加带有孔的背板，以提供进入膜的底面的通道。背板增加了传感器芯片的机械刚度。
[0004]硅压力传感器的许多应用涉及相对惰性的干燥气体，在这些应用中，传感器的两侧都可以直接暴露于过程介质。硅传感器的底面通常也可以暴露于其他介质，这些介质包括电介质和导电液体两者，只要它们不会腐蚀硅或玻璃。然而，可以与硅传感器的顶侧接触的介质范围受到更多约束。具体地，因为与压电电阻器的电连接暴露会当与导电流体接触时会导致电解和腐蚀，所以水和水介质被排除在外。

技术实现思路

[0005]制造可以在导电液体或腐蚀液体中操作的湿
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湿差压传感器的常用方法是封装硅传感器芯片，使得将硅芯片的顶侧与过程介质隔离，同时仍允许将外部压力耦合到膜。在典型配置中，封闭空腔形成于传感器芯片的两侧上，其中每个空腔由波纹隔膜封闭，该波纹隔膜将响应于外部压力改变而偏转。空腔由惰性液压流体(例如，硅油)填充，因此每个空腔的体积固定；这样，隔膜和硅膜的位移耦合。
[0006]通常，这种类型的传感器具有通过传统机械加工生产的不锈钢外壳和通过压印不锈钢板制成的波纹隔膜。市售的最小设备的体积约为10cm3，隔膜尺寸约为2cm直径。为了使隔膜以可忽略衰减将外部压力改变传输到硅膜，与膜的刚度相比较，隔膜的刚度必须很小。该要求为给定隔膜厚度设置了隔膜直径的下限。商用传感器中的隔膜通常厚度大约为20μm。使用较薄隔膜可能会减小隔膜直径，但这对于当前用于隔膜制造的方法并不切实际。
[0007]本专利技术的各方面涉及一种用于确定液体介质或气体介质中的压力差的传感器设备、一种用于制造波纹隔膜的方法以及一种用于密封传感器设备的空腔的方法，其中主题如独立权利要求中所描述的。
[0008]本专利技术的有利修改在从属权利要求中陈述。在说明书、权利要求书和附图中所公开的特征中的至少两个特征的所有组合落入本专利技术的范围内。为了避免重复，根据方法公
开的特征也将根据所提及的系统适用并且是可要求保护的。
[0009]在本专利技术的整个描述中，向一些特征提供计数字以提高可读性或使指派更为清晰，但这并不暗示某些特征的存在。
[0010]为了实现这些和其他优点并且根据本专利技术的目的，如本文中所体现的和广泛描述的，提供了一种用于确定液体介质或气体介质中的压力差的传感器设备，具有用于传感器设备的外壳框架，包括第一开口和第二开口以及感测元件，该感测元件包括第一侧和第二侧，并且配置并位于外壳框架内，以在外壳框架的第一部位构建第一空腔，并且在外壳框架的第二部位构建第二空腔，其中感测元件被配置为确定第一侧与第二侧之间的压力差。
[0011]传感器设备还包括第一波纹隔膜和第二波纹隔膜，其中第一波纹隔膜被配置为封闭第一开口以密封外壳框架的第一空腔；并且第二波纹隔膜被配置为封闭第二开口以密封外壳框架的第二空腔。传感器设备还包括第一空腔和第二空腔内的惰性液压流体，该惰性液压流体被配置为将作用在相应波纹隔膜上的外部压力耦合到感测元件的相应侧，其中第一波纹隔膜和第二波纹隔膜使用具有结构化表面的衬底通过保形涂覆工艺构建。
[0012]传感器设备的外壳可以由外壳框架构成，其中外壳框架包括第一开口和第二开口，第一开口和第二开口使用第一波纹隔膜和第二波纹隔膜密封以封闭传感器设备的外壳。
[0013]换言之，传感器设备被配置为用于压力感测，具体地，液体介质或气体介质中的压力差测量，该压力差测量可能与标准硅压力传感器技术不兼容。
[0014]这意味着传感器设备涉及波纹隔膜类型的微型湿
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湿差压传感器(“微传感器”)。
[0015]具有结构化表面的衬底的材料可以包括铜。
[0016]传感器设备可以被设计为湿
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湿压力差传感器并且可以用于例如清洁供水网络内的流速测量。然而，传感器设备可以应用于其他工业领域，包括化学、食品和饮料、汽车和航空航天。
[0017]有利地，传感器设备可以提供小于0.2cm3的总封装体积，该总封装体积比市售湿
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湿压力传感器小得多。
[0018]减小封装体积可以通过使用电子制造中常用的微制作方法来制作传感器设备来实现。
[0019]传感器设备的感测元件可以是安装的标准MEMS压电电阻计/差压传感器芯片，其可以安装在外壳框架中，该外壳框架由例如一堆四块陶瓷板制成。外壳框架可以由不同的技术和适用包括不锈钢在内的不同材料制成。底板和顶板可以包括和/或为波纹隔膜，其中每个波纹隔膜可以提供填充孔以促进使用液压流体填充传感器设备的空腔。底板和顶板和/或波纹隔膜可以包括变薄区域以促进在工厂校准期间空腔压力的初始平衡。
[0020]减小封装体积可以通过使用电子制造中常用的微制作方法来制作传感器封装来实现。
[0021]根据一个方面，具有结构化表面的衬底通过光刻工艺形成以限定波纹隔膜的波纹。
[0022]包括湿
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湿压力差传感器元件的传感器设备的这种小型化可以包括减小隔膜直径，从而使其与传感器芯片尺寸相称。为了维持足够低的隔膜刚度，必须随着直径减小而减小隔膜厚度。例如，当将直径为20毫米且厚度为20微米的隔膜缩小到直径为4毫米时，必须
将厚度减小到2.34微米以保持同一压力差与偏转比例。
[0023]电子制造中常用的批量微制作方法可以用于制造微型波纹隔膜，从而允许并行制作大量隔膜。
[0024]根据一个方面，对限定波纹隔膜的波纹的具有结构化表面的衬底内的环形通道进行激光加工，以使环形通道的拐角平滑。
[0025]有利地，使环形通道的拐角的平滑可以提高波纹隔膜的可靠性和稳定性。
[0026]根据一个方面，相应波纹隔膜包括填充孔，以便于使用液压流体填充相应空腔。
[0027]因为填充孔可以是波纹隔膜的整体部分，所以安装传感器设备很简单，因为外壳框架可以易于构造，而无需附加填充孔来向传感器设备的空腔提供液压流体。
[0028]根据一个方面，相应波纹隔膜包括调整窗口，以促进在工厂校准期间对空腔压力进行初始平衡。
[0029]有利地，因为只有波纹隔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于确定液体介质或气体介质中的压力差的传感器设备(2000)，包括：用于所述传感器设备(2000)的外壳框架，包括第一开口和第二开口；感测元件(100)，包括第一侧和第二侧，并且所述感测元件(100)被配置并且位于所述外壳框架内，以在所述外壳框架的第一部位处构建第一空腔，并且在所述外壳框架的第二部位处构建第二空腔，其中所述感测元件(100)被配置为确定所述第一侧与所述第二侧之间的压力差；第一波纹隔膜(400，410)和第二波纹隔膜(500，510)，其中所述第一波纹隔膜(400，410)被配置为封闭所述第一开口以密封所述外壳框架的所述第一空腔；并且所述第二波纹隔膜(500，510)被配置为封闭所述第二开口以密封所述外壳框架的所述第二空腔；所述第一空腔和所述第二空腔内的惰性液压流体，被配置为将作用在相应波纹隔膜(400，410，500，510)上的外部压力耦合到所述感测元件(100)的相应侧；其中所述第一波纹隔膜(400，410)和所述第二波纹隔膜(500，510)使用具有结构化表面的衬底由保形涂覆工艺构建。2.根据权利要求1所述的传感器设备(2000)，其中具有结构化表面的所述衬底通过光刻工艺形成以限定所述波纹隔膜(400，410，500，510)的波纹。3.根据权利要求2所述的传感器设备(2000)，其中对在具有结构化表面的所述衬底内限定所述波纹的环形通道进行激光加工，以用于使所述环形通道的拐角平滑。4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备(2000)，其中所述相应波纹隔膜(400，410，500，510)包括调整窗口(470，570)以促进在工厂校准期间对所述空腔压力进行初始平衡。5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备(2000)，其中所述波纹隔膜(400，410，500，510)的直径小于1cm，优选地，小于20mm，最优选地，小于4mm。6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备(2000)，其中所述波纹隔膜(400，410，500，510)的材料包括金属片，其中所述金属片优选地由金和/或镍和/或钛和/或不锈钢制成。7.根据权利要求6所述的传感器设备(2000)，其中所述金属片通过溅射工艺和/或真空沉积工艺和/或电镀工艺制成。8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备(2000)，其中所述第一空腔的第一体积和所述第二空腔的第二体积被配置为具有相似尺寸，以使由于所述液压流体的热膨胀而导致...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：