專利名稱：壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高靈敏度、高帶寬的低壓傳感器，尤其涉及這些裝置 在例如用于平板印刷裝置中的氣壓計(jì)中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
常規(guī)的低壓氣壓計(jì)利用質(zhì)量流量傳感器，其具有相對長的響應(yīng)時(shí) 間或者一般在幾十赫茲范圍內(nèi)的低的帶寬。相對低的帶寬不適用于在 較高的速度下操作，例如平板印刷掃描應(yīng)用。因此，需要一種高靈敏度的具有比目前可得到的較高的帶寬的低 壓氣壓計(jì)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及高靈敏度的具有比目前可得到的較高的帶寬的低壓 氣壓計(jì)。根據(jù)本發(fā)明的壓力傳感器包括具有基本上剛性的外部部分和可 以位移的內(nèi)部部分的隔膜，所述內(nèi)部部分響應(yīng)所述隔膜的第一和第二 側(cè)之間的壓力差而位移。所述壓力計(jì)還包括位于隔膜附近的并適用于 檢測隔膜內(nèi)部部分的位移的傳感器.所述壓力計(jì)還包括監(jiān)視器和控制 系統(tǒng)，其和所述傳感器耦連(有線或無線)，并適用于由隔膜的位移 確定壓力差。本發(fā)明提供多種可選的檢測結(jié)構(gòu)，其中包括但不限于，光學(xué)檢測 結(jié)構(gòu)和電容險(xiǎn)測結(jié)構(gòu).對于低壓應(yīng)用，例如用于平板印刷應(yīng)用中的納米接近傳感器(proximity sensor)，傳感器的工作壓力范圍大約為0.1-0.5英寸水柱 壓力。壓力計(jì)壓力傳感器的分辨率優(yōu)選地大約為M).001Pa，這大約為
4xl0-s英寸水柱壓力。這將使得壓力計(jì)能夠分辨幾納米。注意l英寸 水柱壓力- 254帕斯卡。這種隔膜和傳感器具有相對高的帶寬，因而可以在相對高的速度 應(yīng)用中被實(shí)施。例如，本發(fā)明可以在平板印刷接近(lithograpby proximity)檢測設(shè)備和平板印刷構(gòu)形映象(lithography topographical mapping)設(shè)備中被實(shí)施。本發(fā)明的附加的特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面的說明中提出。而其它的一 些特征和優(yōu)點(diǎn)，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，根據(jù)這里給出的說明便可以看 出，或者通過實(shí)施本發(fā)明便可以得知。通過在說明書和權(quán)利要求書以 及附圖中具體指出的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)和獲得本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)理解，前面的綜述和下面的詳細(xì)說明是示例性的和解釋性 的，用于提供要求保護(hù)的本發(fā)明的進(jìn)一步解釋。


下面參照

本發(fā)明，其中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的或相似的 元件。此外，標(biāo)號(hào)的最左邊的數(shù)字用于識(shí)別首次引入相關(guān)元件的附圖。 圖1是壓力傳感器100的側(cè)平面圖，包括隔膜102和傳感器104; 圖2A是隔膜102的前平面圖；圖2B是隔膜102的基本上剛性的外部部分202的側(cè)平面圖； 圖2C是隔膜102的側(cè)平面圖，包括基本上剛性的外部部分202，內(nèi)部部分204和接近傳感器表面206，被擴(kuò)大地表示為好像處于不同的壓力條件下；圖3是壓力傳感器100的側(cè)向透視圖，其中傳感器104和監(jiān)視器 以及控制系統(tǒng)106利用白光干涉計(jì)來實(shí)現(xiàn)；圖4是壓力傳感器100的側(cè)平面圖，其中傳感器104以及監(jiān)視器 和控制系統(tǒng)106利用光掠射角傳感器(optical grazing angle sensor)實(shí)現(xiàn)；圖5是壓力傳感器100的側(cè)平面圖，其中傳感器104包括電容傳 感器502，接近表面206包括接地平板504;
圖6是空氣系統(tǒng)600的側(cè)平面圖，包括第一引線602和第二引線 604以及位于其間的橋中的壓力傳感器100;圖7是例如在用于平板印刷中的接近傳感器700中實(shí)施的壓力傳 感器100的側(cè)平面圖；以及圖8是在接近傳感器800中實(shí)施的壓力傳感器100的側(cè)平面圖。
具體實(shí)施方式
I. 引言本發(fā)明涉及一種具有比目前可得到的較高的帶寬的低壓氣壓計(jì)。 本發(fā)明可以不受限制地用于例如平板印刷接近檢測設(shè)備和平板印刷構(gòu) 形映象設(shè)備中。II. 高帶寬、低壓差檢測圖1是壓力傳感器100的側(cè)平面圖，包括擾曲板或隔膜102，位 于隔膜102附近的隔膜位移傳感器104 (下文稱"傳感器")，以及和 傳感器104電氣耦連(有線或無線)的監(jiān)視器和控制系統(tǒng)106。傳感 器104接近隔膜，但是不必在物理上和隔膜接觸。隔膜102和傳感器104位于主體108內(nèi)，在第一區(qū)域110和第二 區(qū)域112之間。壓力傳感器100確定在第一區(qū)域110和第二區(qū)域112 之間的壓力差。圖2A是隔膜102的前平面圖。隔膜102包括基本上剛性的外部 部分202，用于把隔膜102連接到主體108的內(nèi)壁114上(圖1),圖 2B是基本上剛性的外部部分202的側(cè)平面圖，基本上剛性的外部部分 202由金屬、塑料或其它合適的基本上剛性的材料或其組合材料制成。參見圖2A，隔膜102還包括可位移的內(nèi)部部分204，其響應(yīng)在第 一和第二區(qū)域110和112 (圖1)之間的壓力差而位移.內(nèi)部部分204是擾曲板， 一個(gè)由半彈性材料構(gòu)成的基于隔膜的部 分，所述材料例如但不限于聚酯薄膜、聚酰亞胺薄膜、橡膠或/與其組 合物，內(nèi)部部分204沿著低壓力的方向延伸。內(nèi)部部分204被設(shè)計(jì)成 響應(yīng)例如但不限于大約0.1-0.5英寸水柱壓力的范圍內(nèi)的超低壓差。或
者，內(nèi)部部分204被設(shè)計(jì)成響應(yīng)其它的壓差范圍。內(nèi)部部分204以一種或幾種不同的方式被連接到基本上剛性的外 部部分202上，包括但不限于膠粘、整體成形、熱密封、化學(xué)連接及 其類似方式。內(nèi)部部分204選擇地包括接近傳感器表面206，其中傳感器104 (圖l)對接近傳感器表面206的運(yùn)動(dòng)是敏感的。接近傳感器表面206 可以是內(nèi)部部分204，或者是內(nèi)部部分的一個(gè)涂層或浸漬。示例的涂 層和浸漬在下面的一個(gè)或幾個(gè)部分中披露了 。圖2C是隔膜102的側(cè)平面圖，包括基本上剛性的外部部分202, 內(nèi)部部分204，以及接近傳感器表面206，圖中所示被擴(kuò)大為好像一個(gè) 壓差條件下。在圖1和圖2A的例子中，主體108具有圓柱的形狀，因而外部 部分202具有互補(bǔ)的圓環(huán)的形狀。不過，本發(fā)明不限于所示的圓環(huán)形 狀。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，也可以利用其它的形狀，其中包括但 不限于卵形，橢圓形和多邊形。傳感器104和接近傳感器表面206可 以利用一種或幾種不同的技術(shù)實(shí)施。傳感器104和接近傳感器表面206的實(shí)施的例子在下面披露了 。 不過本發(fā)明不限于這些示例的實(shí)施方式。根據(jù)這里的教導(dǎo)，本領(lǐng)域技 術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，傳感器104和接近傳感器表面206也可以利用其它 技術(shù)來實(shí)施，這些都落在本發(fā)明的范圍內(nèi).壓力傳感器100是一種相對高帶寬的裝置.根據(jù)使用的材料和電 路，這種壓力傳感器可以具有幾千赫茲的帶寬.因而本發(fā)明在相對低 的速度的應(yīng)用和相對高的速度的應(yīng)用中都是有用的，前者例如平板印 刷接近檢測裝置，后者例如平板印刷構(gòu)形映象裝置。III.基于干涉器的接近檢測圖3是壓力傳感器100的側(cè)透視圖，其中傳感器104以及監(jiān)視器 和控制系統(tǒng)106利用干涉器來實(shí)施。干涉器利用接近表面206作為反 射目標(biāo)。接近表面206的偏轉(zhuǎn)的改變引起由傳感器104接收的反射光 圖案的相應(yīng)的改變，監(jiān)視器和控制系統(tǒng)106內(nèi)的譯碼器確定接近表面206的相對偏轉(zhuǎn)。然后監(jiān)視器和控制系統(tǒng)106把接近表面206的偏轉(zhuǎn) 測量轉(zhuǎn)換成第一和第二區(qū)域110和112之間的壓力差。干涉器可以利用現(xiàn)成的干涉器來實(shí)施，其中包括但不限于白光千.涉器。IV.光掠射角接近檢測圖4是壓力傳感器100的側(cè)平面圖，其中傳感器104以及監(jiān)視器 和控制系統(tǒng) 106 利用例如 T. Qui，"Fiber Optics Focus Sensors:Theoretical Model," MIT Report,2000教導(dǎo)的光掠射角傳感 器來實(shí)施，該文的全部內(nèi)容在此引入作為參考。在操作時(shí)，分別在發(fā)射和接收光纖406和408之間形成第一和第 二光通路402和404。第一光通路402在發(fā)射光纖406和接收光纖408 之間。第二光通路404是從發(fā)射光纖406輸出的，并在由接收光纖408 接收之前由接近表面206反射。通過第一光通路402，由發(fā)射光纖406 發(fā)射的并由接收光纖408接收的第一光束，和通過第二光通路404由 發(fā)射光纖406發(fā)射并由接收光纖408接收的第二光束形成空間衍射圖 案。所述圖案是接近表面206的相對位置的函數(shù)。當(dāng)接近表面206偏轉(zhuǎn)時(shí)，如圖4的"隔膜偏轉(zhuǎn)"410所示，接收光 纖408由第二光通路404接收被強(qiáng)度調(diào)制的光。在監(jiān)視器和控制系統(tǒng) 106中的譯碼器對所述的調(diào)制譯碼，并確定接近表面206的相對偏轉(zhuǎn)。 然后監(jiān)視器以及控制系統(tǒng)106把接近表面206的偏轉(zhuǎn)測量(即"隔膜偏 轉(zhuǎn)，，410)轉(zhuǎn)換成在第一和第二區(qū)域110和112之間的壓力差。在圖4的例子中，發(fā)射光纖406包括用于把來自光源的光分列成 第一和第二通路402和404的光學(xué)裝置.或者，使用具有在聲學(xué)上偏 離的波長的兩個(gè)發(fā)射光纖。在接收光纖408所得的干涉圖案恒定地偏 移或移動(dòng)。當(dāng)接近表面206不動(dòng)時(shí)，干涉圖案以恒速運(yùn)動(dòng).當(dāng)接近表 面206移動(dòng)時(shí)，相應(yīng)的移動(dòng)的干涉圖案的速度改變。在監(jiān)視器和控制 系統(tǒng)106中的計(jì)數(shù)器根據(jù)圖案的改變譯碼隔膜的相對偏轉(zhuǎn)。監(jiān)視器和 控制系統(tǒng)106然后把接近表面206的偏轉(zhuǎn)測量轉(zhuǎn)換成在第一和第二區(qū) 域110和112之間的壓力差，
V. 電容接近檢測圖5是壓力傳感器100的側(cè)平面圖，其中傳感器104包括電容傳 感器502，并且接近表面206包括接地板504。接地板504至少部分地 由導(dǎo)電材料例如金屬制成。電容傳感器502可選地位于離開接地板504 大約300 - 500微米。氣體例如空氣作為電容傳感器502和接地板504 之間的電介質(zhì)，因而形成電容器。其電容是接地板離開電容傳感器502 的距離的函數(shù)。隔膜102的偏轉(zhuǎn)的改變引起電容的改變。監(jiān)視器和控 制系統(tǒng)106包括電路裝置例如諧振電路，例如產(chǎn)生相應(yīng)于電容的改變 的振蕩或調(diào)制。所述振蕩或調(diào)制被轉(zhuǎn)換成接地板504的相對的偏轉(zhuǎn)測 量。然后監(jiān)視器和控制系統(tǒng)106把接地板504的偏轉(zhuǎn)測量轉(zhuǎn)換成第一 和第二區(qū)域110和112之間的壓力差。電容傳感器是熟知的，并且在市場上可以得到，雖然本發(fā)明人不 知道其和壓力傳感器一起被使用過。VI. 作為氣壓計(jì)的壓力計(jì)壓力傳感器IOO可選地作為氣壓計(jì)來實(shí)施，用于測量由空氣流動(dòng) 引起的壓力變化。這種氣壓計(jì)例如但不限于在平版印刷和進(jìn)行平版構(gòu) 形映象中是有用的。圖6是空氣系統(tǒng)600的前平面圖，包括第一引線602和笫二引線 604。壓力傳感器100位于主體108內(nèi)，所述主體在第一引線602和第 二引線604之間形成一個(gè)橋。橋108借助于各自的T形連接和第一以 及第二引線相連。在圖6的例子中，T形連接基本上是直角的T形連接。不過，本 發(fā)明不限于直角的T形連接。根據(jù)這里的說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 理解，也可以使用其它角度的連接.通過第一引線602和第二引線604的空氣流量用箭頭表示。這個(gè) 氣流引起在區(qū)域110和112中的壓力的降低。當(dāng)在引線602中的空氣 流量和在引線604中的空氣流量不同時(shí)，在區(qū)域110和112之間產(chǎn)生 的壓力差將引起隔膜102朝向較低壓力的區(qū)域偏離。^^據(jù)初始校準(zhǔn)， 監(jiān)視器和控制系統(tǒng)106確定在第一引線602和第二引線604之間的空
氣流量的相對差值。所述空氣流量的相對差值例如^L用于平板印刷接 近檢測中，如下所述。VII. 平板印刷接近檢測圖7是例如用于平板印刷中的接近傳感器700的前平面圖。平板 印刷接近傳感器例如在2002年12月9日申請的專利申請序列號(hào)為 10/322768，名稱為"High-Resohition Gas Gauge Proximity Sensor"的 美國專利申請中描述了，該專利申請的全部內(nèi)容在此引述作為參考。 氣壓計(jì)傳感器也在1990年9月4日公開的授予Barada的、名稱為"Air Gauge Sensor"的美國專利4，953，388中描述了，該專利的全文在此引 述作為參考。在圖7中，接近傳感器700包括第一引線602和第二引線604。 第一引線602和測量探針702相連。第二引線604和參考探針708相 連。第一引線602是測量引線，第二引線604是參考引線。測量探針 位于晶片或其它的工作面704附近，其間具有測量間隙706。參考探 針位于參考表面704附近，其間具有參考間隙712。在第一引線602和第二引線604中的空氣流量最初是平衡的，使 得在區(qū)域110和區(qū)域112之間沒有空氣壓力差，當(dāng)測量間隙706相對 于參考間隙712改變時(shí)，第一引線602中的空氣流量相對于第二引線 604中的空氣流量改變，從而引起區(qū)域IIO相對于區(qū)域112的相應(yīng)的 壓力改變。所述壓力改變由壓力傳感器100檢測，如上所述.或者，參考引線604和參考探針708由參考?jí)毫Υ妗＠?，圖 8是接近傳感器800的側(cè)平面圖，其中參考引線604被參考?jí)毫?02 代替。參考?jí)毫?02可以是環(huán)境壓力或被控制的壓力.VIII. 結(jié)論上面借助于說明指定的功能性能及其關(guān)系的構(gòu)成塊說明了本發(fā) 明。這些功能構(gòu)成塊的邊界是任意限定的，以便進(jìn)行說明。也可以限 定另外的邊界，只要能夠合適地實(shí)現(xiàn)指定的功能及其關(guān)系。因而任何 這種另外的邊界都落在本發(fā)明的范圍和構(gòu)思內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 理解，這些功能構(gòu)成塊可以由離散元件、專用集成電路、執(zhí)行合適的
軟件的處理器及其類似物以及它們的組合來實(shí)施。雖然上面說明了本發(fā)明的不同的實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些都 是以舉例方式而不是以限制的方式提供的。因而，本發(fā)明的寬度和范 圍不應(yīng)當(dāng)由上迷的任何示例的實(shí)施例限制，而應(yīng)當(dāng)按照下面的權(quán)利要 求及其等效物限定。
權(quán)利要求
1. 一種壓力傳感器，包括隔膜，所述隔膜具有可位移的彈性內(nèi)部部分，其中所述內(nèi)部部分響應(yīng)所述隔膜的第一和第二側(cè)之間的壓力差而位移；輻射源，所述輻射源被構(gòu)造用于發(fā)送第一和第二輻射束；光接收器，所述光接收器被構(gòu)造用于接收直接來自輻射源的第一輻射束以及第二輻射束經(jīng)過隔膜的第一側(cè)反射之后的第二輻射束；以及控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)連接至所述輻射源和光接收器，并且用于確定由于隔膜的位移造成的壓力差。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的壓力傳感器，其中，所述隔膜包括發(fā)散反射的 金屬膜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的壓力傳感器，其中，所述壓力傳感器用于測量 表壓力、絕對壓力和壓差中的至少一個(gè)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的壓力傳感器，還包括在所述隔膜的所述第一側(cè) 上的光學(xué)反射涂層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的壓力傳感器，其中，所述控制系統(tǒng)根據(jù)第一和 第二輻射束產(chǎn)生的干涉圖案計(jì)算隔膜的位移。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的壓力傳感器，其中，所述輻射源包括發(fā)送光纖， 所述發(fā)送光纖具有連接至衍射裝置的輸出，所述衍射裝置將源光分離成第 一和第二輻射束，其中隔膜位移的改變使得干涉圖案包含強(qiáng)度調(diào)制光，其 中所述控制系統(tǒng)根據(jù)強(qiáng)度調(diào)制光計(jì)算隔膜位移。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的壓力傳感器，其中，所述彈性內(nèi)部部分包括聚 酰亞胺膜。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的壓力傳感器，其中，所述彈性內(nèi)部部分包括聚 酯薄膜。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的壓力傳感器，其中，所述彈性內(nèi)部部分包括橡膠。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓力計(jì)，包括具有剛性的外部部分和響應(yīng)隔膜的第一和第二側(cè)之間的壓力差而位移的可位移的內(nèi)部部分的隔膜。所述壓力計(jì)還包括位于隔膜附近并適于檢測隔膜的內(nèi)部部分的位移的傳感器。所述壓力計(jì)還包括和傳感器相連(有線或無線)并適用于由隔膜的位移確定壓力差的監(jiān)視器和控制系統(tǒng)。傳感器以及監(jiān)視器和控制系統(tǒng)可以利用一個(gè)或幾個(gè)光學(xué)檢測設(shè)計(jì)、電容檢測設(shè)計(jì)、或用于測量亞微米位移的其它裝置實(shí)施。對于低壓應(yīng)用，例如平版印刷應(yīng)用，隔膜對在大約0.1-0.5英寸水柱壓力的范圍內(nèi)的壓力改變敏感。隔膜和傳感器具有相對高的帶寬，因而可在相對高的速度應(yīng)用中實(shí)施。例如，本發(fā)明可以在平版印刷接近檢測設(shè)備和平版印刷構(gòu)形映象設(shè)備中實(shí)施。
文檔編號(hào)H01H35/24GK101398336SQ20081016097
公開日2009年4月1日 申請日期2005年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月30日
發(fā)明者凱文·J·維奧萊特, 波古斯勞·加德茲克 申請人:Asml控股股份有限公司