專(zhuān)利名稱(chēng)：具有疏水涂層的壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，特別涉及一種具有疏水涂層的相對(duì)壓力傳感器。
背景技術(shù)：
相對(duì)壓力傳感器通常測(cè)量正被測(cè)量的介質(zhì)上的壓力與當(dāng)前周?chē)髿鈮毫χg的壓差。一般而言，相對(duì)壓力傳感器包括基體，測(cè)量膜或振動(dòng)膜壓力密封地附接在其邊緣上，在測(cè)量膜與基體之間形成了壓力室。對(duì)于相對(duì)壓力測(cè)量，通過(guò)基體中的開(kāi)口把參考空氣導(dǎo)入壓力室，并且背對(duì)測(cè)量室的測(cè)量膜表面被加載正被測(cè)量的壓力。測(cè)量膜所發(fā)生的形變是相對(duì)壓力的量度，且被以合適的方式轉(zhuǎn)換為測(cè)量信號(hào)。
上述的導(dǎo)入?yún)⒖伎諝鈺?huì)把水分導(dǎo)入壓力室，當(dāng)溫度降低至露點(diǎn)時(shí)，水分在傳感器里面凝聚。這會(huì)降低傳感器的功能。特別在傳感器周?chē)目諝饩哂懈哂谝獪y(cè)量其壓力的介質(zhì)的溫度時(shí)更是如此。
甚至在還未出現(xiàn)具有不希望出現(xiàn)的副作用的宏觀凝聚時(shí)，仍然有一部分水分子已被從氣相中吸附到傳感器內(nèi)的表面上，這一部分是相關(guān)表面的溫度與該表面和水分子之間的吸附能量的函數(shù)。吸附能量越大，則有更多的水分子積聚在傳感器內(nèi)的表面上。
在陶瓷壓力傳感器的情況中，所描述的問(wèn)題由于與制造相關(guān)的材料屬性而更加嚴(yán)重，如下所述。測(cè)量膜和基體的原料就是所謂的生坯，生坯由粉狀原材料和粘合劑形成，然后進(jìn)行燒結(jié)，因此燒結(jié)體是從生坯獲得的。通常，燒結(jié)體必須磨光或研磨，這不僅導(dǎo)致了表面粗糙，還導(dǎo)致了可能出現(xiàn)的微細(xì)裂縫。
為了從膜燒結(jié)體和基體燒結(jié)體制造出壓力傳感器，把基體和膜在其邊緣上焊接或釬接在一起，其中間插有間隔，使得形成上述的室。焊料或活性釬接材料自身可以作為間隔。焊料的示例是玻璃粉，而活性釬接材料可以是例如NiTiZr合金，其中NiZr部分大約等于NiZf共晶體；如美國(guó)專(zhuān)利No.5,334,344。焊接或釬接也稱(chēng)為接合。
在接合膜與基體之前，向表面施加電極，表面在接合之后將在該室內(nèi)互相相對(duì)。這些電極例如由鉭構(gòu)成，如美國(guó)專(zhuān)利No.5,050,034，并且通常通過(guò)濺射方式施加。但是，采用濺射方式，不能防止由于所謂的欠濺射而在表面上出現(xiàn)電極材料的微小且互相電隔離的島，其中這些表面中沒(méi)有這種電極材料。
由于參考空氣的水分子同時(shí)淀積在粗糙表面上且滲入細(xì)裂縫，所以在電極材料的隔離島之間出現(xiàn)了電連接，因此基體電極的區(qū)域變大。由于毛細(xì)凝聚而出現(xiàn)在細(xì)裂縫中水同樣影響了基于其介電常數(shù)的有效電極區(qū)域。但是，這導(dǎo)致了壓力傳感器的零點(diǎn)發(fā)生偏移。參考空氣的相對(duì)濕度越高，則這種影響越大。
這些問(wèn)題通過(guò)施加二氧化硅的旋涂玻璃層的完好的電極得到了有限的解決，其主要用于解決另一問(wèn)題；參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利No.5,400,489。但是，這只能處理高達(dá)大約80％的相對(duì)濕度。因此，這種壓力傳感器的零點(diǎn)在80％的相對(duì)濕度下和參考溫度40℃下可能發(fā)生高達(dá)1％的范圍的偏移。對(duì)于高度精確的測(cè)量，這是不能接受的。
為了改善容許增加相對(duì)空氣濕度的能力，歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)EP1061351建議了用疏水材料涂敷傳感器的內(nèi)表面，這種應(yīng)用優(yōu)選使用硅烷。
特別是在陶瓷相對(duì)壓力傳感器的情況中，對(duì)于制造傳感器具有附加的難度，只有在把分離的膜與基體連接之后才能進(jìn)行注入，因?yàn)檫B接期間的溫度對(duì)于有機(jī)涂層材料來(lái)說(shuō)太高。因此，涂層材料必須通過(guò)基體中的開(kāi)口導(dǎo)入壓力室。
受讓人制造相對(duì)壓力傳感器，其注入有硅烷薄膜，硅烷通過(guò)具有高蒸氣壓力的溶劑被引入壓力室。雖然與沒(méi)有注入物的壓力傳感器相比，這些注入物確實(shí)代表了很大的改善，但是對(duì)于疏水涂層的質(zhì)量仍然有很大的改進(jìn)空間。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有改善的疏水涂層的壓力傳感器和用于制造這種壓力傳感器的方法。
通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求1所限定的壓力傳感器和獨(dú)立權(quán)利要求10所限定的方法可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)發(fā)明的目的。
用于測(cè)量壓力的本發(fā)明的壓力傳感器包括壓力室，也稱(chēng)為傳感器室；以及形變體，其可以被加載要測(cè)量的壓力下的介質(zhì)，且另外至少部分地限制壓力室，并使該壓力室對(duì)于介質(zhì)以壓力密封的方式封閉；傳感器室的壁具有疏水涂層，其中另外，該疏水涂層通過(guò)氣相淀積的方式而施加。
疏水涂層優(yōu)選地包括硅烷。特別適合的是具有一或多個(gè)疏水基團(tuán)R和一或多個(gè)結(jié)合基團(tuán)X的硅烷。特別優(yōu)選為R-Si-X3、R1R2-Si-X2、R1R2R3-Si-X。疏水基團(tuán)R優(yōu)選為烷基、全氟烴基、苯基或全氟苯基基團(tuán)。結(jié)合基團(tuán)X優(yōu)選為-OH(硅烷醇)、-X(鹵化物、例如-Cl)、-OR(酯，例如-OCH3)、NH2(胺)或-SH(疏基硅烷)。此外，可以使用脂肪族或環(huán)族硅氮烷-Si-NH-Si，例如六甲基二硅氮烷。同樣合適的有Ry-Me-Xz類(lèi)型的化合物，Me例如為Zr、Ti。
本發(fā)明的壓力傳感器特別為相對(duì)壓力傳感器，其中通過(guò)用作參考空氣供應(yīng)源的壓力室開(kāi)口進(jìn)行氣相淀積。
雖然形變體基本上可以具有任何形狀，但是基本上優(yōu)選為形變體膜，其在邊緣上附接至基體，這導(dǎo)致了壓力室的形成。
本發(fā)明一般適用于任何壓力傳感器，但是由于上述的理由，對(duì)于具有陶瓷基體和陶瓷測(cè)量膜的壓力傳感器特別重要。本發(fā)明特別涉及剛玉陶瓷的壓力傳感器。
用于用疏水材料涂敷壓力傳感器的本發(fā)明的方法包括以下步驟把傳感器放在一個(gè)室中；抽空該室；以及提供至少一涂敷氣相，其中壓力傳感器的溫度TS被設(shè)置為使得可以在壓力傳感器的表面上從第一涂敷氣相中吸附分子。
優(yōu)選為，該方法包括涂敷壓力傳感器內(nèi)的壓力室的壁，涂敷通過(guò)壓力室內(nèi)的開(kāi)口進(jìn)行。
在本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施例中，在提供至少一涂敷氣相之后抽空該室。這便于未被吸附的分子從該壓力室排出。但是，進(jìn)行的方式對(duì)于本發(fā)明的方法不是必要的，而是只是可選的。在提供至少一涂敷氣相之后，也可以用氣體沖洗該室，沖洗優(yōu)選地在抽空該室之后進(jìn)行。但是，這種沖洗對(duì)于本發(fā)明也不是必要的。
在吸附了疏水材料之后，可以提高壓力傳感器的溫度Ts，以影響吸附材料的變化并引起其對(duì)襯底的化學(xué)粘附。此外，這表示了可以實(shí)現(xiàn)從壓力室蒸發(fā)多余材料的方式。
該室的壁優(yōu)選地保持在溫度TK上，其防止了至少一涂敷氣相的分子凝聚并使吸附達(dá)到最少。
在本發(fā)明一個(gè)變型中，在一個(gè)室中處理壓力傳感器，其中經(jīng)由針對(duì)于壓力傳感器的各個(gè)壓力室的適當(dāng)?shù)耐ǖ缹?dǎo)入氣相。通過(guò)這種方式，只處理了壓力傳感器的內(nèi)部。
在另一變型中，壓力傳感器被安置成使得不僅處理傳感器的內(nèi)部還處理傳感器的外表面。當(dāng)在傳感器的基體上放置具有濕敏電子元件的所謂混合組件時(shí)，這特別有利。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，疏水涂層通過(guò)一系列兩個(gè)或更多吸附步驟來(lái)形成。為此目的，首先，提供包含結(jié)合物質(zhì)的第一氣相，其被吸附在壓力室的壁上并被化學(xué)鍵合。然后，提供與結(jié)合物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的第二物質(zhì)，以便形成雙層的疏水層。如果要求的話，可以用這種方式添加附加層。
要形成由多個(gè)層組成的疏水層則更加復(fù)雜，但是在一些情況中，可以改善疏水涂層的質(zhì)量，因?yàn)閮蓚€(gè)或更多短分子可以鍵合在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的特征。由于較短的分子的質(zhì)量較低，所以進(jìn)行表面擴(kuò)散處理時(shí)這些較短的分子比較重的分子更易于蒸發(fā)且具有更大的遷移性，因此可以形成具有更大一致性的薄膜并在一些情況中可以更加迅速地形成。


本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)和各方面將從下面對(duì)實(shí)施例的示例和附圖的描述變得更加明顯，在附圖中圖1是本發(fā)明的壓力傳感器的平面圖；以及圖2是沿圖1的切割面AB切開(kāi)的本發(fā)明的壓力傳感器的正視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1和2示出了電容陶瓷壓力傳感器10。陶瓷材料例如是具有96wt％至99 wt％純度的上述氧化鋁。壓力傳感器10具有呈圓形盤(pán)形狀的膜11，該膜11具有面平行的表面。此外，壓力傳感器10包括基體12，除了比膜11厚之外，基體12具有與膜11相同的形狀。
如上所述，膜11和基體12沿其整個(gè)圓周在其各個(gè)邊緣上釬焊在一起，通過(guò)插入間隔20相互隔開(kāi)d。這在大約900℃的溫度的高真空下進(jìn)行。由于存在間隔d，膜11和基體12形成了室13。膜11細(xì)長(zhǎng)且彈性，因此在作用在其上面的壓力的作用下其可以彎曲，因此來(lái)回移動(dòng)。
電極14和15被放置在膜11和基體12的互相相對(duì)的表面上。電極優(yōu)選由鉭形成且其互相相對(duì)的表面被二氧化鉭的保護(hù)層21和22覆蓋。參見(jiàn)在上述的美國(guó)專(zhuān)利No.5,050,034中對(duì)此的說(shuō)明。代替基體12上的單個(gè)電極15，還可以在其上面提供多個(gè)電極。
但是，為了進(jìn)一步降低所留下的粗糙度，其是用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的的第一步驟，除了通常的磨光或可選的研磨之外，還在施加電極15之前拋光基體12的表面。優(yōu)選地，拋光把粗糙度降低至小于0.05μm。這種拋光顯著降低表面對(duì)上述的水分子的不利淀積的接受度。但是，如果將要使用疏水注入物，則拋光并不是絕對(duì)要求的。
電極14完全覆蓋膜11，因此在接合期間自身與活性釬焊材料的間隔20連接。與此相反，基體12的電極15的施加使得其沒(méi)有與間隔20電連接。電極14和15通過(guò)上述的濺射方式而施加，其在基體12的電極15的情況中通過(guò)所說(shuō)明的掩膜來(lái)完成。
最后，位于基體12中的是孔23，其例如在生坯階段形成。孔23穿過(guò)電極15，因?yàn)樵撌夷┒松系拈_(kāi)口不是通過(guò)把電極濺射到基體上而密封的。因此，壓力室13不是密封的，而是相反地，開(kāi)放向外部，當(dāng)然這對(duì)于相對(duì)壓力傳感器是基本必要的。
因?yàn)樵诨w12的拋光表面上不能避免上述的濺射不足，所以每個(gè)已接合的壓力傳感器10的壓力室13其里面涂敷有疏水材料的薄層24。層24如圖2所示，為了清楚顯示，只示出在沒(méi)有被電極15覆蓋的基體12的表面上。但是，層24完全覆蓋圍繞壓力室13的空腔的所有表面。
首先，疏水層24對(duì)于所有的水淀積，不僅鈍化由于欠濺射而導(dǎo)致的電極材料的上述島，還鈍化位于在這些島之間的基體12的表面區(qū)域，其具有在硬度加工(即磨光和/或拋光)之后所剩余的粗糙度和具有細(xì)裂縫。通過(guò)這種方式，上述的電極表面的多余部分實(shí)際上被完全除去了，如在所示出的優(yōu)點(diǎn)討論中給出的測(cè)量值。
疏水涂層的施加通過(guò)優(yōu)選地把一組多個(gè)壓力傳感器放在一個(gè)室中來(lái)實(shí)現(xiàn)。
因?yàn)橛捎谏鲜龅臒Y(jié)和接合以及高真空處理而使壓力傳感器的表面特別干凈，所以不需要進(jìn)行對(duì)單元的預(yù)處理。這對(duì)于獲得具有良好粘附性的疏水層24是個(gè)理想的開(kāi)始條件。
把壓力傳感器放置于溫度Ts下，其一方面實(shí)現(xiàn)了用于形成規(guī)則層的疏水分子的表面擴(kuò)散，另一方面沒(méi)有立即導(dǎo)致吸附的疏水分子脫附。同樣可能的是溫度Ts導(dǎo)致疏水分子的凝聚。這影響了通過(guò)提供臨時(shí)溫度升高而使分子密度增加(多余材料可以在處理之后釋放)。
此外，該室用對(duì)于本目的完全足夠的1.0mbAr至0.001mbar的壓力抽空。
然后，提供包含適當(dāng)?shù)氖杷肿拥臍庀?，例如通過(guò)把包含該材料的容器放在該材料具有從1mbar到大約1bar的蒸氣壓力的溫度下。容器或者直接位于該室中或者位于通過(guò)片閥與該室隔開(kāi)的側(cè)室中。
可選地，容器被放置在其同時(shí)覆蓋該容器的支承板之下，且具有多個(gè)其直徑優(yōu)選地對(duì)應(yīng)于孔23的通道。在這種情況下，壓力傳感器被安置在支承板上，壓力傳感器的孔23總是與穿過(guò)支承板的通道中的一個(gè)通道對(duì)齊，對(duì)壓力室的涂敷通過(guò)該孔進(jìn)行，因此疏水材料被優(yōu)先地引導(dǎo)入壓力室。如果必要的話，通道可以由滑閥關(guān)閉，其容許對(duì)壓力傳感器的處理時(shí)間的充分精確的控制。
在氣體和/或蒸汽處理進(jìn)行足夠長(zhǎng)的時(shí)間之后，重新抽空該室。但是，這只是對(duì)于該方法的一個(gè)選項(xiàng)且不是絕對(duì)必要的。
在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例的最后，一方面為了排出可能多余的材料，另一方面為了影響在室壁上的疏水材料的化學(xué)鍵合，增加壓力傳感器的溫度TS。通過(guò)這種方式，壓力室的壁注入有穩(wěn)定的疏水薄膜，其通過(guò)降低對(duì)水分的敏感度而達(dá)到了所需的改善程度。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量壓力的壓力傳感器，其具有傳感器室；以及形變體，其可以被供給要測(cè)量的壓力下的介質(zhì)，并且其另外至少在該室的部分上密封傳感器室，使其與介質(zhì)壓力密封；其中傳感器室的壁具有疏水涂層，其特征在于，該疏水涂層通過(guò)氣相淀積而施加。
2.如權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中該壓力傳感器是相對(duì)壓力傳感器，并且傳感器室具有一室開(kāi)口，可以通過(guò)該開(kāi)口供應(yīng)參考?jí)毫Α?br> 3.如權(quán)利要求2所述的壓力傳感器，其中氣相淀積通過(guò)室開(kāi)口進(jìn)行。
4.如權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的壓力傳感器，進(jìn)一步包括基體，其中形變體呈膜的形式，其邊緣被固定住，以在基體與膜之間形成傳感器室。
5.如前面的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其中形變體包含陶瓷材料。
6.如權(quán)利要求4所述的壓力傳感器，其中基體包含陶瓷材料。
7.如權(quán)利要求5或6所述的壓力傳感器，其中陶瓷材料包含氧化鋁陶瓷，特別是剛玉。
8.如前面的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其中壓力傳感器是電容壓力傳感器，其在壓力室中具有電極。
9.如前面的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其中疏水涂層包含硅烷。
10.一種用于用疏水材料涂敷壓力傳感器的方法，包括以下步驟把傳感器放在一個(gè)室中；抽空該室；以及提供至少一個(gè)涂敷氣相，其中壓力傳感器的溫度TS被設(shè)置為使得可以在壓力傳感器上從第一涂敷氣相中吸附分子。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該方法包括通過(guò)壓力室內(nèi)的開(kāi)口涂敷壓力傳感器內(nèi)的壓力室的壁。
12.如權(quán)利要求10或11所述的方法，其中，另外地，在提供至少一個(gè)涂敷氣相之后抽空該室。
13.如權(quán)利要求10或11所述的方法，其中，另外地，在提供至少一個(gè)涂敷氣相之后，用第二氣體沖洗該室。
14.如權(quán)利要求10至13中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，另外地，為了影響吸附材料的變化或化學(xué)鍵合，提高壓力傳感器的溫度TS。
15.如權(quán)利要求10至14中的任一項(xiàng)所述的方法，其中該室的壁保持在溫度TK上，其使至少一個(gè)涂敷相的分子的吸附達(dá)到最少。
16.如權(quán)利要求10至15中的任一項(xiàng)所述的方法，其中疏水材料包含具有一或多個(gè)疏水基團(tuán)R和一或多個(gè)結(jié)合基團(tuán)X的硅烷。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中硅烷具有R-Si-X3、R1R2-Si-X2或R1R2R3-Si-X的形式。
18.如權(quán)利要求16或17所述的方法，其中疏水基團(tuán)R為烷基、全氟烴基、苯基或全氟苯基。
19.如權(quán)利要求16至18中的任一項(xiàng)所述的方法，其中結(jié)合基團(tuán)為硅烷醇、鹵化物、酯或胺。
20.如權(quán)利要求10至15中的任一項(xiàng)所述的方法，其中疏水材料包含脂肪族或環(huán)族硅氮烷，特別是六甲基二硅氮烷。
21.如權(quán)利要求10至15中的任一項(xiàng)所述的方法，其中疏水材料包含Ry-Me-Xz類(lèi)型的組合物，其中Me是金屬，特別是Zr或Ti，R是疏水基團(tuán)且X是結(jié)合基團(tuán)。
22.如權(quán)利要求10至15中的任一項(xiàng)所述的方法，其中疏水材料包含疏基硅烷。
23.如權(quán)利要求10至22中的任一項(xiàng)所述的方法，其中壓力傳感器的溫度TS選擇為足夠低，使得疏水材料凝聚在傳感器的表面上。
24.如權(quán)利要求10至23中的任一項(xiàng)所述的方法，其中為了保護(hù)電元件不受水分侵害，涂敷傳感器的所有表面，包括電元件的表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量壓力的壓力傳感器，包括壓力室；以及形變體，其可以被加載要測(cè)量的壓力下的介質(zhì)，且至少部分地限制壓力室并以壓力密封的方式將該壓力室對(duì)于介質(zhì)關(guān)閉；其中傳感器室的壁具有疏水涂層，該疏水涂層通過(guò)氣相淀積來(lái)施加。疏水涂層優(yōu)選地包括硅烷。特別適合的是具有一或多個(gè)疏水基團(tuán)R和一或多個(gè)結(jié)合基團(tuán)X的硅烷。特別優(yōu)選為R－Si－X
文檔編號(hào)G01L9/00GK1695049SQ02828256
公開(kāi)日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2002年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月21日
發(fā)明者弗蘭克·黑格納, 武爾費(fèi)特·德魯斯, 安德烈亞斯·羅斯貝格, 埃爾克·施密特 申請(qǐng)人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司