專利名稱：差壓傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明(中國申請(qǐng)?zhí)?7104418的分案申請(qǐng))是一個(gè)差壓傳感器，其壓力檢測(cè)片是用脆性材料制做的，并有防護(hù)措施;使其不致被過壓損壞;外面裝有套架，在很大的靜態(tài)線壓范圍內(nèi)，均能方便使用。
美國專利No.4，572，000也是一種壓力傳感器，其脆性材料檢測(cè)片受到過壓時(shí)就變成平坦?fàn)顟B(tài)而靠在平坦的承托片上。在該專利中，檢測(cè)片在初始?jí)毫ψ饔孟聫某型衅蛲馔钩觯?jīng)過加工處理后，受到最大壓力時(shí)，變得非常平坦而且停靠在承托片上。
其他一些先有裝置應(yīng)用的脆性材料檢測(cè)片具有起支承作用的凸邊，可以運(yùn)用電容性檢測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)傳感作用，也可以通過裝在檢測(cè)片上的應(yīng)變電阻片實(shí)現(xiàn)傳感作用。
本發(fā)明是用硅片作為壓力檢測(cè)片的一種壓力檢測(cè)盒，檢測(cè)片安置在平坦的承托面之間，具有凹進(jìn)的表面。當(dāng)壓力差為零時(shí)，每個(gè)凹面對(duì)向著一個(gè)承托面。凹進(jìn)面是在檢測(cè)片處于變形狀態(tài)時(shí)經(jīng)過精細(xì)加工而制成的，故當(dāng)需要檢測(cè)的壓力將檢測(cè)片推向承托面時(shí)，對(duì)向著承托面的檢測(cè)片表面將會(huì)變得平坦，而且完全頂靠在承托面上。由于這種完全的頂靠，就免除了產(chǎn)生使脆性材料制作的檢測(cè)片遭受破壞的過應(yīng)力。檢測(cè)片的制作，最好采用硅、蘭寶石、鍺或者其他半導(dǎo)體或適當(dāng)?shù)奶沾刹牧稀?br> 在與承托面相對(duì)的硅片表面上怎么制做凹口的問題，可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法來解決，而不需要在承托面上加工或制作一層表面。承托面最好用玻璃來制作。當(dāng)采用電容性檢測(cè)方法時(shí)，可在玻璃面上沉積一層金屬電容器板。
檢測(cè)片凹面的制作最好采用批量制作，就是在一塊硅片上制作好幾塊檢測(cè)片，然后將承托片粘結(jié)上去。粘結(jié)完成之后，再將硅片與承托片切開，便作成了單個(gè)的壓力檢測(cè)盒。
制作檢測(cè)片的表面時(shí)，先對(duì)檢測(cè)片施加壓力，使其變形，然后在此壓力繼續(xù)存在的情況下，將另一側(cè)的表面磨平磨光。將壓力去除之后，一個(gè)完全符合要求的凹口就在磨光的表面上形成了。
在檢測(cè)面的另一面，即與有凹口相反的一面，可以用同樣的方法再制作一個(gè)凹口。這種檢測(cè)片可以用兩塊硅片來制作，每塊上制作一個(gè)凹口，或稱半檢測(cè)片。將兩塊半檢測(cè)片的內(nèi)表面粘結(jié)在一起，便作成一個(gè)有兩個(gè)向外凹口的檢測(cè)元件，在其兩面再加上承托片。
另一個(gè)制作方法是采用兩塊硅片，各含半個(gè)檢測(cè)片，加上壓力，使兩個(gè)半檢測(cè)片均向外突出。在壓力繼續(xù)保持和凸出形狀不變的情況下，將兩塊硅片的外表面粘結(jié)在一起。粘結(jié)材料是會(huì)凝固的。當(dāng)其凝固之后，就使受壓變形的檢測(cè)片保持著變形狀態(tài)，即使壓力去除之后，也不會(huì)恢復(fù)原形。然后再將承托片粘結(jié)在硅片的兩面。
無論哪種形式的檢測(cè)片，都是用來檢測(cè)差值壓力。檢測(cè)片的一側(cè)如果受到壓力，則向承托片的表面運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其靠上承托面時(shí)，就變得甚為平坦，因而就受到全面的承托而與太大的過壓相抗衡。
這個(gè)壓力檢測(cè)盒夾持在套夾之間。套夾是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，其材料的熱膨脹系數(shù)與壓力檢測(cè)盒的熱膨脹系數(shù)是一致的，故能將壓力檢測(cè)盒夾持在一起，而且在盒子的全部圓面上保持著均勻的壓力。這個(gè)夾持結(jié)構(gòu)內(nèi)也有一條孔道，使壓力能夠進(jìn)入檢測(cè)元件。再者，當(dāng)待測(cè)的壓力的靜態(tài)條件不同時(shí)，檢測(cè)片的間隔可能發(fā)生變化，對(duì)夾持結(jié)構(gòu)或套夾形狀進(jìn)行適當(dāng)選擇，便可對(duì)這種間隔變化進(jìn)行機(jī)械補(bǔ)償。對(duì)電容性傳感器來說，這種補(bǔ)償技術(shù)是很有用的。靜態(tài)壓力是檢測(cè)片兩個(gè)側(cè)面所受壓力的平均值。在多數(shù)情況下，當(dāng)被檢測(cè)的差壓低達(dá)每平方英寸一磅時(shí)，差壓傳感器線路上的靜態(tài)壓力可能達(dá)到每平方英寸幾百甚至幾千磅。所以傳感器無論是靜態(tài)線壓力在高值或低值范圍內(nèi)變化時(shí)都能應(yīng)用。正確選定傳感器套夾的夾持位置以及對(duì)影響傳感器變形的密封區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，這樣就能補(bǔ)償差值靜態(tài)線壓力。這種差值靜態(tài)線壓力又能對(duì)檢測(cè)片的剛性產(chǎn)生影響，并進(jìn)而影響當(dāng)一個(gè)給定的差值壓力作用在檢測(cè)片上時(shí)所發(fā)生的變形響應(yīng)。因?yàn)殪o態(tài)力能使形成一個(gè)電容板的檢測(cè)器表面與形成另一塊電容器板的承托面之間的間隔有所增大，故當(dāng)靜態(tài)壓力升高時(shí)，改變這些表面就會(huì)使其分開。將壓力檢測(cè)盒夾持在套夾之內(nèi)，檢測(cè)片的徑向壓力便會(huì)降低，同時(shí)也就有可能進(jìn)行補(bǔ)償。
各種傳感器都可以用批量制作來進(jìn)行，這樣可使制作費(fèi)用有所降低。從批量加工法可以看出，在加工過程中，可以在一硅片上制作好幾個(gè)檢測(cè)片，將起承托作用的玻璃盤或硅片加以粘結(jié)，在加工過程結(jié)束之后，將硅片切開，便得出好幾個(gè)傳感器。


圖1是本發(fā)明的壓力傳感器的總體圖，圖上表示出傳感器壓力檢測(cè)盒的安裝位置。
圖2是圖1所示裝置安裝在套夾之內(nèi)的情況，圖上表示出隔離片向壓力檢測(cè)盒傳送壓力的情況。
圖3是檢測(cè)片和承托片的剖面圖，圖上表示出批量制作法的初始步驟，不過只畫出一個(gè)測(cè)壓盒。
圖4是圖3所示剖面圖的進(jìn)一步加工。
圖5是加工完成了的傳感器測(cè)壓盒或半個(gè)測(cè)壓盒，其檢測(cè)片的表面按本發(fā)明的要求所制成。
圖6是制成了的壓力檢測(cè)元件的進(jìn)一步觀察，這是將兩個(gè)如圖所示的半個(gè)測(cè)壓盒粘結(jié)在一起的情況。
圖7是一塊檢測(cè)片和承托片的剖面圖，二者構(gòu)成半個(gè)測(cè)壓盒，是本發(fā)明的第二種結(jié)構(gòu)形式。
圖8是由如圖7所示的檢測(cè)片與承托片構(gòu)成的兩個(gè)檢測(cè)元件組成一個(gè)完整的壓力檢測(cè)盒的剖面圖。
圖9是制造本發(fā)明壓力傳感器檢測(cè)盒時(shí)，采用改進(jìn)式典型批量制作法的剖視說明圖。
圖10是圖9所示裝置進(jìn)一步加工時(shí)的剖面圖。
圖11是將作好的一部份檢測(cè)片安置在承托片上的情況說明圖。
圖12是本發(fā)明改進(jìn)式結(jié)構(gòu)中的檢測(cè)片進(jìn)一步加工圖。
圖13是具有兩塊檢測(cè)片的一塊硅片完成圖12所示加工之后的情況。
圖14是裝好第二塊承托片后的兩個(gè)測(cè)壓盒的剖視圖。
圖15是一個(gè)壓力檢測(cè)元件的剖視圖，圖上顯示了夾緊方式和外面的套夾。
圖16是采用改進(jìn)式夾緊套夾的局部剖視圖。
圖1是一個(gè)含有檢測(cè)片的差壓傳感器測(cè)壓盒，用10表示，安置在第一圓柱體11與第二圓柱體12之間。兩個(gè)圓柱體均由玻璃(例如硼硅酸耐熱玻璃)或其他適當(dāng)?shù)牟牧现瞥?。在圓柱體里面，沿中心線開有一條孔道，以便將兩個(gè)壓力P1(如箭頭14所示)和P2(如箭頭15所示)傳到壓力盒中。壓力盒10夾持在圓柱體11與12之間，如圖2所示。夾持器兩端有端蓋和固定框20和21，由螺栓22夾緊，使圓柱體11和12壓緊測(cè)壓盒10。圖2上還簡(jiǎn)略地繪示了第一隔離片24和第二隔離片30，其用途是使兩個(gè)壓力分別通過圓柱體11和12的中心孔道傳送給測(cè)壓盒10，這樣就使得測(cè)壓盒的膜片不會(huì)受到待測(cè)壓力的直接作用。
將壓力進(jìn)行隔離，這是一項(xiàng)成熟了的技術(shù)。從圖上可以看出，隔離器24含有一塊隔離片25。隔離片25在隔離器24上圍成一個(gè)空腔26，空腔內(nèi)裝有不可壓縮的流體，例如硅油，以將壓力通過管道27傳入圓柱體11的中心孔道，進(jìn)而傳送給測(cè)壓盒10的檢測(cè)片，下面對(duì)此將有圖示。隔離片25直接承受壓力P1(圖2上也用箭頭14表示)的作用。從圖上還可看出，隔離器30含有一塊隔離片31，此片安置在托架32上，形成一個(gè)空腔33，腔內(nèi)裝入不可壓縮的流體，并且填滿管道34，從而通入圓柱體12的中心孔道，壓向測(cè)壓盒10的另一側(cè)。這樣一來，壓力P2(由箭頭15表示)也就作用到隔離片31上。兩個(gè)壓力P1與P2之間的差值便可由傳感器的測(cè)壓盒10檢測(cè)出來。
圖3到圖6說明傳感器測(cè)壓盒的制造方法。這里采用了一塊容易變形的壓力檢測(cè)片，用的是脆性材料，例如硅或其他半導(dǎo)體。圖6所示是完全制成了的測(cè)壓盒10，是放大了的圖形。必須指出，這里的各個(gè)圖形并不符合實(shí)際裝置的真實(shí)尺寸，而且也不是按比例繪制的。
為了能在圖上顯示清楚，對(duì)于各種片子的厚度及空腔與凹口的深度都作了放大。
測(cè)壓盒10是通過許多工序而制成的。先將一塊硅片進(jìn)行加工，做成若干塊檢測(cè)片，圖上只詳細(xì)地畫出了一塊檢測(cè)片。
將硅片40進(jìn)行蝕刻，在恰當(dāng)?shù)奈恢蒙献鞒霭伎?2(如圖所示示)。由于開出了凹口42，便形成了很薄的容易變形的檢測(cè)片43，由凸邊44加以承托。當(dāng)一系列工序結(jié)束之后，將各個(gè)測(cè)壓盒切開時(shí)也就從硅片上切成了凸邊。圖3用實(shí)線描繪了半個(gè)壓力盒的邊沿。
硅片40安置在玻璃盤45的端面上，玻璃盤用硼硅玻璃，例如硼硅酸耐熱玻璃制成。玻璃盤45上開有孔道46，其位置應(yīng)選擇恰當(dāng)，使其與硅片40上的凹口42正好配合準(zhǔn)確。玻璃盤45經(jīng)過金屬鍍膜處理，使得在凹口42的范圍內(nèi)形成一層很薄的金屬表面，這就構(gòu)成電容器板47，以對(duì)檢測(cè)片的變形進(jìn)行電容性檢測(cè)。孔道46的內(nèi)表面上也敷有一層金屬膜46A，并與玻璃盤另一面的金屬層48相連接。這樣一來，當(dāng)傳感器的測(cè)壓盒制作成功時(shí)，電容器板47上的電氣連接線便等于與另一面也接通了。孔道內(nèi)的金屬膜46A將使電容器板47上的電信號(hào)能更好地通向相應(yīng)的金屬膜48，從而又與另一連接線49接通。這樣一來，整個(gè)檢測(cè)元件便與由玻璃盤45形成的剛性托盤的承托面50有了十分完善的配合。
硅片與玻璃盤通過陽極接合處理或其他技術(shù)措施而接合在一起，于是檢測(cè)片凸邊44與玻璃盤接合處便形成了嚴(yán)密的結(jié)合，從而形成了凹口或空腔42，并且只有穿過孔道46才有一個(gè)出口。
圖4所示是制造測(cè)壓盒的下一道工序。將壓力(如箭頭51所示)加到孔道46上(玻璃盤內(nèi)的各條孔道立即全部升壓)，與空腔42相配合的處于初始位置的檢測(cè)片43便向外凸出，其形狀自然也就發(fā)生了變化，如圖上曲線43A和虛線43B所示。外加的壓力如果不變，則薄片或檢測(cè)片43將始終保持于向外凸出的狀態(tài)而不縮回。由虛線43B所表示的凸出部份經(jīng)研磨加工而除去，便作成了平坦的表面43C。壓力不變時(shí)，此表面便是整個(gè)硅片的全部表面。
由箭頭51所表示的外加壓力去除之后，容易變形的檢測(cè)片43得以松弛而變成圖5所示的形狀，43C就變成了凹入的表面，而表面43A便恢復(fù)為初始狀態(tài)時(shí)的很平坦的表面。因?yàn)橛商摼€43B所表示的硅材料已經(jīng)除掉，所以當(dāng)再度施加壓力時(shí)，變了形的檢測(cè)片中心部份的凸出表面43C就變成了翻轉(zhuǎn)過來的外凸圖形。
由上可知，在一塊硅片及與之相接的一塊玻璃盤上可以同時(shí)制成若干個(gè)半測(cè)壓盒，圖上由10A表示。用另一塊硅片和玻璃盤以相同的方式作成第二個(gè)半測(cè)壓盒。將兩塊含半測(cè)壓盒(分別為10A和10B)的硅片緊靠在一起，使二者的表面43C相對(duì)接，便最后作成了傳感器的整個(gè)測(cè)壓盒，如圖6所示。在兩塊硅片相靠的縫隙內(nèi)加入一層熔化了的玻璃或其他粘結(jié)材料，圖上用56表示。
向兩塊玻璃盤的孔道46時(shí)送入相等的壓力，兩個(gè)表面43C便回復(fù)到原來的平坦?fàn)顟B(tài)，如圖4所示。從圖6可以看出，兩個(gè)表面43C之間加上玻璃熔接材料56時(shí)，此二表面保持平坦而且互相平行。兩塊硅片40用適當(dāng)?shù)膴A具(圖上未畫出)夾持在一起。將兩個(gè)表面互相對(duì)接，并且在接縫處加入玻璃熔接材料，再從外面施加一個(gè)壓力F，將硅片夾緊。壓力加到檢測(cè)片上，檢測(cè)片的外殼罩著了孔道46的出口。從壓力源57和58發(fā)出兩個(gè)相等的可調(diào)壓力，使檢測(cè)片變形，因而使得對(duì)接著的兩個(gè)外表面43C在粘結(jié)作用實(shí)現(xiàn)之前，在全部檢測(cè)片上都處于平坦?fàn)顟B(tài)。當(dāng)兩個(gè)表面43C保持于平坦?fàn)顟B(tài)時(shí)，玻璃熔接材料便將兩個(gè)對(duì)接表面粘結(jié)在一起。因此，在粘結(jié)作用尚未完成之前，兩個(gè)力源57和58(用一個(gè)力源也可以)發(fā)出的可調(diào)壓力是很重要的。
在粘結(jié)材料已經(jīng)定型以后，檢測(cè)片43所受到的來自力源57和58的壓力就可以撤消。粘結(jié)材料56把兩塊硅檢測(cè)片43粘結(jié)在一起，給每個(gè)壓力盒形成一個(gè)單一的完整檢測(cè)片，如圖上的63所示。此檢測(cè)片有了兩個(gè)表面43A，處于凹進(jìn)狀態(tài)，分別對(duì)向著兩個(gè)平坦的承托面50。凹進(jìn)狀態(tài)對(duì)應(yīng)于檢測(cè)片63的變形情況。在粘結(jié)作用發(fā)生效力之后，確定使檢測(cè)片43發(fā)生彎曲變形所需的壓力時(shí)，必須考慮到，這時(shí)的單一檢測(cè)片63已經(jīng)有了雙倍的厚度。檢測(cè)片的凹進(jìn)部份面對(duì)著空腔42邊沿和檢測(cè)片中心的一個(gè)淺坑。
按上述工藝作成之后，再將硅片與玻璃盤切開，做成單個(gè)的傳感器測(cè)壓盒10。在圖6所示的測(cè)壓盒中，與承托面50有間隔的檢測(cè)片是被夸大了。不過當(dāng)測(cè)壓盒一側(cè)的壓力達(dá)到極其高的數(shù)值時(shí)，另一側(cè)的表面43A將會(huì)凸向承托面并靠在該承托面上，就此形成了電容器板47。檢測(cè)片63也就靠在了平坦的承托面上，而在額定過壓的作用下，兩個(gè)表面43都是平坦的。檢測(cè)片63內(nèi)所產(chǎn)生的應(yīng)力不會(huì)超過容許應(yīng)力，檢測(cè)片63的全部表面都會(huì)充分地受到承托。
為了看得清楚一些以便進(jìn)行解說，在圖3-6上，檢測(cè)片的形狀和變化情況都作了很大的夸大，不過檢測(cè)片的制作過程和所講述的情況卻是一致的，結(jié)果是兩個(gè)檢測(cè)片各有一個(gè)凹進(jìn)的表面對(duì)向著承托面50。在受到預(yù)定壓力的作用時(shí)，就檢測(cè)片的變化來說，兩個(gè)凹面是相同的。因此，當(dāng)此種壓力加到檢測(cè)片63的另一表面時(shí)，與相應(yīng)承托面50相對(duì)的表面43C將會(huì)與承托面非常平行并且平坦地?？吭诔型忻嫔?，因而與承托面相接觸。檢測(cè)片與承托面接觸在一起就使得檢測(cè)片63在受到過壓作用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過大的應(yīng)力。
由力源57和58產(chǎn)生的由箭頭表示的壓力應(yīng)當(dāng)選定為適當(dāng)?shù)闹?，使得檢測(cè)片63所產(chǎn)生的變形比最大可用壓力所引起的變形只略微大一點(diǎn)。這樣作的結(jié)果是表面43C的凹進(jìn)形狀就很恰當(dāng)，檢測(cè)片63便可在預(yù)定的整個(gè)壓力范圍內(nèi)使用;不過在臨到遭受過壓應(yīng)力之前，檢測(cè)片63將會(huì)變得很平坦，而且與相應(yīng)的承托面50相接觸。再者，檢測(cè)片表面與承托面之間的間隔在圖上也作了夸張。兩塊電容器板47和檢測(cè)片的中心部份的導(dǎo)電性能都非常良好，足可用于電容性檢測(cè)。
圖7和圖8所示的是一種改進(jìn)式的測(cè)壓盒。圖7是半個(gè)測(cè)壓盒，也是用硅片40和玻璃盤45制做的，制作過程相同于對(duì)圖3所作的敘述。半測(cè)壓盒含有一塊由適當(dāng)玻璃制作的承托片75和一塊由硅片40制成的檢測(cè)片76。此檢測(cè)片上有一個(gè)容易變形的壓力檢測(cè)部份77，其制作方法是通過蝕刻作出一個(gè)凹口78。為了對(duì)檢測(cè)片進(jìn)行全面承托，制作了凸邊79。承托片75上有一塊電容器板82，還有一條孔道83，通向檢測(cè)片77之下的空腔78。孔道83的內(nèi)表面上敷有一層金屬膜，玻璃盤75的另一側(cè)面上也敷有一層金屬膜84，以形成電容器板82。
在本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)中，玻璃承托片75和硅檢測(cè)片76是在凸邊79上粘結(jié)在一起的。在單個(gè)半測(cè)壓盒(如圖7所示)分出之前，將硅片進(jìn)行打磨，將圖7上虛線所含部份85的材料除去，使檢測(cè)片部份77的厚度縮小到需要的程度。
兩塊硅片和玻璃盤都具有數(shù)個(gè)如圖7所示的半測(cè)壓盒，將二者準(zhǔn)確地貼合在一起，二者之間的界面上敷上一層粘結(jié)材料。兩個(gè)相同的半測(cè)壓盒粘結(jié)完成之后，情況有如圖8的87A和87B所示。兩塊硅片和兩塊玻璃盤用夾具夾緊，半壓力盒87A和87B分別受到力源89和90通過孔道83傳來的壓力，使壓力檢測(cè)片77向外凸出，并將粘結(jié)層91壓緊。此處作為粘結(jié)層的是有彈性或流動(dòng)性的材料，例如處于熔融狀態(tài)的玻璃原料或凝結(jié)之后可以定形的彈性材料。F力用來將兩塊硅片和玻璃盤夾緊，這時(shí)在兩個(gè)半壓力盒87A和87B之間敷有粘結(jié)材料91。力源89和90所發(fā)出的壓力(可以調(diào)整為同等大小)可以保持在需要的水平上。
因?yàn)閮蓧K壓力檢測(cè)片77是彼此獨(dú)立而不互相依靠的，所以二者就互相對(duì)頂著向外凸出。材料91發(fā)生流動(dòng)以適應(yīng)這種凸出或變形，然后就穩(wěn)定下來，變成緊固狀態(tài)，將檢測(cè)片元件76與檢測(cè)片變形部份77并在一起，使其保持于變形的狀態(tài)，從而形成一個(gè)單一的壓力檢測(cè)片93，如圖8所示。
兩個(gè)表面77C呈凹進(jìn)形狀，對(duì)向著承托片75的平坦表面。選擇適當(dāng)?shù)膲毫Γ墒拱歼M(jìn)形狀保持于需要的狀態(tài)。在使用時(shí)，如果兩個(gè)半壓力盒上面受到的壓力互不相等，假定力源90施加于半測(cè)壓盒87B的壓力有所降低，而壓力89則上升而超過了需要的數(shù)值，這樣就產(chǎn)生了壓力的差值，此差值可能達(dá)到這樣的水平，即檢測(cè)片93發(fā)生很大的變形，使半測(cè)壓盒87B的表面77C可能靠在87B的承托片75的表面上。表面77C被承托片75所承托，當(dāng)其完全靠在承托片上時(shí)，本身也就變得很平坦。這樣一來，檢測(cè)片93受到過壓時(shí)，就會(huì)在其整個(gè)表面范圍內(nèi)受到充分的承托，這時(shí)各個(gè)表面的情況如圖上所示。
檢測(cè)元件93是由粘結(jié)在一起的兩個(gè)檢測(cè)片變形部份77構(gòu)成的，所以在將兩個(gè)部份77粘合之前，選定壓力89和90以使77變形時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到檢測(cè)元件的堅(jiān)硬性已經(jīng)有了增強(qiáng)。
應(yīng)當(dāng)指出，檢測(cè)片上測(cè)出的壓力差值可能相當(dāng)小，但通過隔離片的總的靜態(tài)線壓力(如圖1和2中的P1和P2)可能相當(dāng)高，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可能達(dá)到好幾千個(gè)psi(每平方英寸數(shù)千磅)。
從圖8可以看出，測(cè)壓盒87具有一個(gè)單一的(但是合成的)檢測(cè)片，上面裝有分別來自電容器板82和檢測(cè)片變形部份77的引線94和95。這個(gè)檢測(cè)片的導(dǎo)電性相當(dāng)強(qiáng)，或者至少可以說，其導(dǎo)電部份足以對(duì)變形進(jìn)行電容性檢測(cè)。電容器板和檢測(cè)片變形部份將送出電容信號(hào)以指示電容器板82與鄰近的檢測(cè)片變形部份表面之間的間隔。已經(jīng)有很好的電路可以用于這個(gè)目的。當(dāng)兩個(gè)半測(cè)壓盒檢測(cè)片的變形部份77被絕緣粘結(jié)層分開時(shí)，兩條引線95可以用來分別指示兩個(gè)半測(cè)壓盒對(duì)電容器板82(位于檢測(cè)片變形部份77之下)的電容。
再者，兩個(gè)檢測(cè)部份形成了一個(gè)單一的檢測(cè)元件93，可以檢測(cè)出兩個(gè)對(duì)立面上所受壓力的差值。與兩個(gè)承托片75相對(duì)的兩個(gè)表面采取了特定的形狀，可以與檢測(cè)元件93受到給定壓力而發(fā)生的變形相一致。當(dāng)檢測(cè)元件93遭受到過壓時(shí)，與承托片75相對(duì)的檢測(cè)片表面將會(huì)變得很平坦。
圖10所示是一種改進(jìn)式的傳感器壓力盒，在圖9-14上作了連續(xù)的說明。在本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)中，仍然采用了前述的制造工序，不過制造的步驟稍有不同。
參看圖9，在硅片100的適當(dāng)位置上作出凹口或空腔101，使得薄檢測(cè)片102能與凹口相適應(yīng)。凹口帶著凸邊103，此凸邊環(huán)繞著檢測(cè)片。將半測(cè)壓盒從硅片上切開時(shí)(如虛線104所示)，凸邊103也相應(yīng)分開。沿104線切開，便作成了檢測(cè)元件105，其凸邊便從變形檢測(cè)部份102的周圍將其承托。從平面圖上看，檢測(cè)部份實(shí)際上可以是方正的，也可以是圓形的。
一塊硅片100上可以做出好幾個(gè)檢測(cè)部份102。硅片安置在金屬工具板110上，此板開有相當(dāng)大的孔道111。每個(gè)孔道111都對(duì)準(zhǔn)硅片上的一個(gè)空腔101。在硅片與金屬板之間的表面上涂上一層蠟以保證有良好的密封。在金屬板的表面115上設(shè)置一條集合進(jìn)氣管116，此管用密封劑116A加以密封，以保證力源116B發(fā)出的壓力通過孔道111進(jìn)入每個(gè)空腔101，使各個(gè)檢測(cè)片都能向外凸出，如圖9上虛線102B所示。金屬工具板、硅片和集合進(jìn)氣管用夾具固定在一起。當(dāng)空腔101內(nèi)的壓力維持不變時(shí)，將硅片100的外表面磨平磨光。箭頭117所示的硅片厚度約為12.5密耳。當(dāng)力源116B產(chǎn)生的壓力解除之后，檢測(cè)片部份102將采取如圖10所示的形狀，其上部表面有若干凹口102A，每個(gè)凹口都形成一個(gè)較薄的檢測(cè)部份。將表面102D進(jìn)行研磨以減少空腔102A的深度，而且有了光滑平面也便于與玻璃粘合。在進(jìn)行研磨操作時(shí)，由外面送入壓力，使凹進(jìn)形狀完全適應(yīng)于檢測(cè)片的變形。對(duì)于10psi(1psi＝0.68大氣壓)的差壓傳感器來說，來自力源116B的壓力變化范圍通常在50psi范圍之內(nèi)。將表面102D磨平磨光之后，硅片100的118所示厚度約為11.5密耳。將硅片與金屬工具片110分開，將磨光了的表面102D粘結(jié)在玻璃盤120上，按圖11的虛線104切開后，便得出單個(gè)的測(cè)壓盒。玻璃盤120即為這些測(cè)壓盒的托片。各個(gè)測(cè)壓盒均用121表示。凹面102A跨越著玻璃盤120內(nèi)的孔道122。此孔道出口的周圍是玻璃盤表面上與硅片相對(duì)的淺凹口122A。有了這個(gè)淺凹口，硅片與玻璃粘合時(shí)，就不會(huì)粘合在檢測(cè)片范圍之內(nèi)，不過粘結(jié)作用將凸邊103的表面102D與玻璃盤120粘到了一起。這樣一來，每個(gè)102A表面之下的空腔124都變成了一個(gè)嚴(yán)密的壓力腔。
下一步，將硅片100上作好的兩個(gè)凹口101之間的凸邊部份103磨去，兩個(gè)凹口101便被消除。這樣一來，由硅片100和玻璃盤120所構(gòu)成的元件便變成如圖12所示的形狀，即硅片100具有一個(gè)平坦的外表面126，因而硅片的厚度便大大地減小，如圖上125所示，例如總厚度可能在5.3密耳范圍之內(nèi)。這時(shí)，空腔124上面檢測(cè)片部份102的最小厚度約為4.8密耳。
將由硅片100和玻璃盤120所粘結(jié)成的元件作進(jìn)一步加工。通過集合進(jìn)氣管116向兩個(gè)孔道122送入壓力，使很薄的檢測(cè)片部份102向外凸出，如圖12上虛線102E所示。當(dāng)空腔124內(nèi)的壓力保持不變時(shí)，將表面126磨平磨光。在加工達(dá)到需要厚度后，先封住玻璃盤120內(nèi)的孔道122，這時(shí)的壓力比在第一步驟中所用壓力要小些，因?yàn)檫@時(shí)的檢測(cè)片部份已經(jīng)薄了一些。
在孔道122和空腔124內(nèi)的壓力消除之后，已變形的檢測(cè)片部份102就回復(fù)到原來的位置。這樣就在檢測(cè)片102上與102A相對(duì)的另一面上留下了幾個(gè)凹進(jìn)表面102C。當(dāng)可變形的檢測(cè)片受到壓力時(shí)，表面102C也是完全適應(yīng)于變了形的檢測(cè)器形狀。從圖13上可以看出，對(duì)表面126也將進(jìn)行研磨，使其厚度達(dá)到4.9密耳左右，圖上由128指示。二氧化鋁可以用來作為研磨劑。
這樣一來，可變形檢測(cè)片102兩側(cè)都有了若干凹進(jìn)的表面，從而降低了中心部份的厚度。
在制作傳感器測(cè)壓盒一連串工序的最后一個(gè)步驟，是將第二塊玻璃盤131粘合到硅片100的126表面上。第二塊玻璃盤131也有幾條孔道132通向每一個(gè)表面102C。當(dāng)131粘結(jié)完成之后，可以看出，在硅片上在與空腔124相對(duì)應(yīng)的另一面將會(huì)具有空腔134。在孔道132出口的周圍，有淺凹口132A，這就保證了表面102C不至于粘合到玻璃盤131上。
然后將傳感器的幾個(gè)測(cè)壓盒沿135虛線切開，便得到由玻璃盤131和121組成的單個(gè)玻璃托片，檢測(cè)元件105便夾在當(dāng)中。檢測(cè)元件105含有可變形部份102，此部份由凸邊103給以承托。
為磨平凸出表面而采用的壓力應(yīng)調(diào)整到不僅僅是將凸出表面壓平。研磨力的大小應(yīng)按照作用在檢測(cè)面上的壓力來調(diào)整，這樣得出的單純的力即為合適。如果作用于檢測(cè)片的壓力介質(zhì)是液體，而且是以適當(dāng)?shù)膲毫ο薅?密封)在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?，則對(duì)于研磨力的大小就不必多加考慮，因?yàn)橐后w不會(huì)容許檢測(cè)片變得平坦。
沿135線切開，測(cè)壓盒136就變成了方形，而且與測(cè)壓盒10很相似。壓力盒136也可以放置在圓柱體11和12之間用來檢測(cè)差值壓力，如圖1所示。
再者，變了形的檢測(cè)片表面102A和102C的凹面分別對(duì)向著承托片121和131，故當(dāng)受到差值壓力的作用時(shí)，例如作用到空腔134之內(nèi)并且達(dá)到了最大的預(yù)期過壓時(shí)，表面102A將會(huì)變得很平坦，并且靠在承托片121的對(duì)應(yīng)面上。
如果空腔124內(nèi)的壓力大于最大容許壓力，而且大過了空腔134內(nèi)壓力的超越情況，這時(shí)表面102C將會(huì)變得平坦而靠在托片131上，于是就出現(xiàn)了反向作用的情況。由檢測(cè)片的變形而實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)作用就可以按照需要來選定。從圖上可以看出，表面102A具有應(yīng)變片137，用于檢測(cè)這種變形。102A和102C兩個(gè)表面都可能具有這種應(yīng)變片，或者在玻璃承托片上沉積電容器板，必要時(shí)便可進(jìn)行電容性檢測(cè)。
圖15是一種套夾，用于對(duì)圖10所示傳感器的測(cè)壓盒進(jìn)行夾持。雖然前面各圖所示的其他壓力盒都分別編號(hào)，但測(cè)壓盒10在本發(fā)明中是具有代表性的。測(cè)壓盒固定在圓柱體11和12之間，兩個(gè)測(cè)壓盒被夾持為一個(gè)剛性的整體。下面將要說明，這種安裝方法能夠使檢測(cè)片在受到不同的靜態(tài)線壓力時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力差得到補(bǔ)償。
圖15和16是實(shí)際結(jié)構(gòu)的示例圖，其比例尺寸與其他各圖是不一致的。各圖也都不是按比例尺寸繪制的，為的是能看得清楚一些和便于進(jìn)行解釋。應(yīng)當(dāng)知道，傳感器測(cè)壓盒10的尺寸(面積)大約是0.2平方英寸(0.45×0.45英寸平方)，而圖15所示的傳感器元件的總長(zhǎng)度可能還不到1英寸。為了看得清楚，將圖放大。
在初始設(shè)計(jì)的套夾中，傳感器10是安裝在兩個(gè)圓柱體11和12之間，如圖1所示。圖2的情況與圖1相似。通過端蓋150和152，分別裝有輸入壓力管27和34，兩條管道都是以密封連接方式與玻璃圓柱體11和12里面的孔道相配合。壓力完全是通過玻璃圓柱體而傳送的。輸入壓力管采用了適當(dāng)?shù)拿芊饧?，圖上用151和153表示。
在本發(fā)明的第一種結(jié)構(gòu)中，需要進(jìn)行檢測(cè)的壓力通過玻璃圓柱體11和12以及承托面50內(nèi)的孔道46加于傳感器測(cè)壓盒10的兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面。
在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，玻璃圓柱體11和12將傳感器測(cè)壓盒10夾緊，在測(cè)壓盒周圍采取密封措施，并加上承托環(huán)155。在壓力盒相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面都有承托環(huán)，這樣就使夾緊力Fc得到加強(qiáng)。密封環(huán)155在測(cè)壓盒10的兩個(gè)外表面與相應(yīng)的圓柱體11和12的終端之間構(gòu)成了很薄的小空隙156和157。管道27和34內(nèi)的壓力分別送入測(cè)壓盒兩側(cè)小空隙156和157之內(nèi)，因而也作用在玻璃承托片50上面(采用其他形式測(cè)壓盒時(shí)，作用也是如此)。承托面50與相應(yīng)的圓柱體之間的空隙是足夠地小，故當(dāng)受到過大的差壓時(shí)，玻璃承托片將會(huì)擠壓在相鄰圓柱體11或12的端面上，從而保證了即使很大的過壓也不會(huì)引起損傷。
用硼硅酸耐熱玻璃制成的圓柱體11和12與玻璃承托片50具有相同的熱膨脹系數(shù)，故在各種不同的溫度條件下，情況都是穩(wěn)定的。
端蓋150對(duì)于圓柱體11是通過貝勒維爾彈簧160而發(fā)生作用的。端蓋152通過密封片162而起作用，將起夾持作用的圓柱體與測(cè)壓盒保持在適當(dāng)位置上。夾持作用應(yīng)調(diào)整到適當(dāng)?shù)乃?，使傳感器測(cè)壓盒在使用時(shí)處于壓緊狀態(tài)。
夾緊螺栓163用來將端蓋150和152夾在一起，并供給必要的夾緊力量。在一個(gè)玻璃圓柱體上裝一塊半導(dǎo)體小片164，小片上接有引線165，構(gòu)成電容性檢測(cè)電路，與傳感器相耦合。
圖16是一種改進(jìn)式的傳感器，這里采用了終端密封蓋子150A和152A。兩個(gè)蓋子均與套管170焊接在一起，兩端各有一個(gè)密封焊點(diǎn)171。在焊接之前，對(duì)套管170加上一定的壓力作為預(yù)行負(fù)載。進(jìn)行焊接時(shí)，繼續(xù)保持這一壓力，以便在焊接完成之后以及套管170上的壓大解除之后，兩端的蓋子仍能緊緊地壓在圓柱體11和12上面。測(cè)壓盒在使用過程中應(yīng)當(dāng)是壓緊的。在端蓋150A和152A上進(jìn)行了圓環(huán)焊接171，就使得頂端處于良好的密封狀態(tài)。
從圖16上可以看到，玻璃圓柱體11和12承托著測(cè)壓盒10的玻璃盤50，通過與玻璃盤50相連接的玻璃料173對(duì)玻璃盤50進(jìn)行全面承托，從而保證使來自管道170(或其他夾緊元件)的夾緊力全面分布在測(cè)壓盒10的兩側(cè)相對(duì)表面上。與此相似，在玻璃圓柱體12的端面上進(jìn)行了全面的銅焊接處174，以使圓柱體12處于穩(wěn)定位置。
管道170上裝有電氣引線175，以便將電信號(hào)從半導(dǎo)體小片176傳送給玻璃圓柱體，這又組成了電容性檢測(cè)電路。半導(dǎo)體小片上接有來自測(cè)壓盒10的連接線177。壓力盒上的連接線與小片176的連接是用普通的常規(guī)方法連接的。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)壓力的傳感器結(jié)構(gòu)；由第一裝置和第二裝置組成，第一裝置形成用脆性非金屬材料制作的檢測(cè)片，具有測(cè)量壓力用的可變形的中央部分和支承中央部分的凸邊，第二裝置是由用脆性非金屬材料制成的檢測(cè)片的承托片和固定在與檢測(cè)片的支托凸邊接觸面處的承托片上的檢測(cè)片組成，第一和第二裝置具有構(gòu)成隔離面的相對(duì)面，當(dāng)檢測(cè)片由于受到超過設(shè)計(jì)的壓力被推向承托片時(shí)相對(duì)面彼此接合，第一和第二裝置的相對(duì)面有凹面部分，其特征在于上述凹面部分為其變形輪廓的反射象，變形輪廓是當(dāng)有凹面部分的一個(gè)相對(duì)面的反面受到壓力，使這一相對(duì)面向外凸出時(shí)，相對(duì)于接觸面在凸邊承托處第一和第二裝置中之一的變形；當(dāng)這一裝置的反面持續(xù)受壓時(shí)，凸出的相對(duì)面有一層材料被去除，使這一裝置的這一相對(duì)面基本平坦，此后，切除壓力使原來凸出的一相對(duì)面變?yōu)榘济娌糠帧?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器的構(gòu)造，其特征在于其中有一個(gè)由第一裝置組成的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器的構(gòu)造，其特征在于其中第一裝置由半導(dǎo)體材料制成而第二裝置為一玻璃基片。
全文摘要
一種檢測(cè)壓力的傳感器結(jié)構(gòu)；由第一裝置和第二裝置組成，第一裝置形成用脆性非金屬材料制作的檢測(cè)片，具有測(cè)量壓力用的可變形的中央部分和支承中央部分的凸邊，第二裝置是由用脆性非金屬材料制成的檢測(cè)片的承托片和固定在與檢測(cè)片的支托凸邊接觸面處的承托片上的檢測(cè)片組成，第一和第二裝置具有構(gòu)成隔離面的相對(duì)面，當(dāng)檢測(cè)片由于受到超過設(shè)計(jì)的壓力被推向承托片時(shí)相對(duì)面彼此接合。
文檔編號(hào)G01L9/00GK1050440SQ9010822
公開日1991年4月3日 申請(qǐng)日期1987年6月26日 優(yōu)先權(quán)日1986年6月30日
發(fā)明者湯馬斯·A·克納什特, 羅格·L·弗里克, 斯蒂文·M·布魯斯霍夫 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司