專利名稱：壓差測量單元的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓差測量單元，用于檢測第一壓力和第二壓力之間的壓力差，具 有彈性測量系統，其帶有至少一個具有硅的測量薄膜；承載體，其與彈性測量系統壓密地 相連；第一液壓路徑，用于將第一壓力傳遞到彈性測量系統的第一表面部分上；第二液壓 路徑，用于將第二壓力傳遞到彈性測量系統的第二表面部分上；其中第一壓力與第二壓力 相對地作用，并且測量系統的彈性偏轉是第一和第二壓力之間的差的量度；其中壓差測量 單元還具有至少一個液壓節流門，其特征在于，至少一個液壓節流門包括多孔硅。
發明內容
本發明的用于檢測第一壓力和第二壓力之間的壓力差的壓差測量單元具有彈性 測量系統，其帶有至少一個具有硅的測量薄膜；承載體，其與彈性測量系統壓密地相連；第 一液壓路徑，用于將第一壓力傳遞到彈性測量系統的第一表面部分上；第二液壓路徑，用于 將第二壓力傳遞到彈性測量系統的第二表面部分上；其中第一壓力與第二壓力相對地作 用，并且測量系統的彈性偏轉是第一和第二壓力之間的差的量度；其中壓差測量單元還具 有至少一個液壓節流門，其特征在于，至少一個液壓節流門包括多孔硅。在本發明的第一實施例中，彈性測量系統具有測量薄膜，其設置在第一承載體和 第二承載體之間并且沿著環繞的接縫壓密地與兩個承載體分別相連，并且其中第一和第二 液壓路徑各自包括至少一條貫穿承載體之一的通道。在本發明的這個實施例的進一步發展中，至少一個液壓節流門包括多孔Si層， 其圍繞在承載體的背離測量薄膜的表面上的通道口 ；和液壓密封的覆蓋層，其覆蓋多孔Si 層，直至至少一個與通道口在橫向上相間隔的入口，從而液壓路徑從至少一個入口延伸通 過在多孔Si層的平面中的多孔Si層達到通道口。這里，第一承載體和第二承載體可以各自在背離測量薄膜的表面上具有液壓節流 門，該液壓節流門具有多孔Si層和圍繞通道口的覆蓋層。在本發明的第一實施例的另一進一步發展中，可以實現液壓節流門，使得至少一 條貫穿承載體的通道具有多孔硅。在本發明的第二實施例中，彈性測量系統包括第一測量薄膜和第二測量薄膜，其 中第一測量薄膜沿環繞的接縫壓密地固定在承載體的第一表面部分上，第二測量薄膜沿環 繞的接縫壓密地固定在承載體的第二表面部分上，并且其中第三液壓路徑在第一和第二測 量薄膜之間延伸，以液壓地耦合第一和第二測量薄膜，其中液壓節流門設置在第三液壓路 徑中。在本發明的第二實施例的進一步發展中，液壓節流門包括由多孔硅制成的層，其 中第三液壓路徑延伸貫穿Si層的平面的多孔Si層。如果要利用多孔層實現液壓節流門，那么多孔Si層具有例如不大于20微米且優 選地不大于10微米的厚度。多孔Si層的厚度進一步例如不小于2微米，優選地不小于4 微米。
在本發明的當前優選實施例中，多孔硅的孔徑例如不大于100納米，且優選地不 大于50納米。另一方面，當前優選的是孔徑不小于10納米，優選地不小于20納米。在本發明當前所考慮的實施例中，承載體包括硅或玻璃。在本發明的進一步發展中，壓差測量單元還包括相對于單側靜態過載的保護。這 是通過測量薄膜在單側過載的情況中至少部分就位于承載體上并由承載體支承而實現的。在壓差測量單元具有在兩個承載體之間的測量薄膜的情況中，兩個承載體能夠各 自包括相對于單側靜態過載的過載保護。同樣在本發明的實施例中，彈性測量系統包括第一測量薄膜和第二測量薄膜，其 中第一測量薄膜沿環繞的接縫壓密地固定在承載體的第一表面部分上，并且第二測量薄膜 沿環繞的接縫壓密地固定在承載體的第二表面部分上，并且其中第三液壓路徑在第一和第 二測量薄膜之間延伸，以液壓地耦合第一和第二測量薄膜，其中液壓節流門設置在第三液 壓路徑中，第一表面部分和第二表面部分可以這樣實施，使得在單側靜態過載作用于第一 或第二測量薄膜上的情況中，經受過載的測量薄膜至少部分就位于各表面上并且由表面支 承。
現在基于附圖中描繪的實施例解釋本發明，附圖中圖1是本發明的壓差傳感器的第一實施例的縱截面；圖2是圖1的本發明的壓差傳感器的實施例的平面圖；圖3是本發明的壓差傳感器的第二實施例的縱截面；圖4是本發明的壓差傳感器的第三實施例的縱截面；和圖5是本發明的壓差傳感器中使用的多孔硅的視圖。
具體實施例方式圖1和2中的根據本發明的壓差傳感器1包括第一承載體2、第二承載體3和設置 在兩個承載體之間的測量薄膜4。測量薄膜2優選地包括半導體材料，特別是硅，而第一和 第二承載體可以具有玻璃或半導體材料，其中當前優選半導體材料，特別是硅。可以通過貫穿第一承載體2的第一開口 5將第一壓力施加到測量薄膜的第一側 上。第一開口 5通入在第一承載體2和測量薄膜4之間形成的第一壓力腔7。另外，可以通過貫穿第二承載體3的第二開口 6將第二壓力施加到測量薄膜4的 與第一側相對的第二側上。第二開口 6通入在第二承載體3和測量薄膜4之間形成的第二 壓力腔8，從而第二壓力與第一壓力相對地作用并且所得到的測量薄膜3的偏轉是第一壓 力和第二壓力之間的差的量度。第一壓力和第二壓力優選地各自被利用包含傳遞液體的液壓路徑傳輸至壓力傳 感器。為了實現這一點，壓力傳感器可以特別地安裝在本領域技術人員已知的液壓測量機 構中，該液壓測量機構具有隔離薄膜，該隔離薄膜終止液壓路徑并且待檢測的壓力作用于 該隔離薄膜。壓力傳感器1還包括這里未詳細示出的換能器，其將測量薄膜4的偏轉轉換為電 信號。換能器可以包括電容換能器，其分析在承載體側的電極和測量薄膜側的電極之間的
4電容；或者換能器可以包括電阻換能器，其測量薄膜可以例如包括一個或多個壓阻電橋電 路或者其它具有依賴于形變的電阻器的電橋電路。根據本發明，壓力傳感器1具有集成的過載保護，從而在液壓測量機構中可以理 想地省略附加的過載保護裝置。為了解釋過載保護的構造，圖2顯示了沿著圖1的切割面 A-A所得的壓力傳感器的平面圖，其中圖1的截面圖是沿著圖2的切割面B-B得到的。為了衰減脈沖狀過載，本發明的壓力傳感器1包括第一節流裝置，其包括第一蓋 板11和具有多孔硅的第一衰減層9，其中第一衰減層圍繞通向第一壓力腔的第一開口 5。進 一步，本發明的壓力傳感器1包括第二節流裝置，其包括第二蓋板12和具有多孔硅的第二 衰減層10，其中第二衰減層圍繞通向第二壓力腔的第二開口 6。在這種設置中，液壓路徑延 伸貫穿各個衰減層到達壓力腔，其中脈沖狀壓力峰值通過在多孔材料特別是硅中的分散而 得到充分衰減。多孔硅是化學元素硅的一種形式，其擁有極端的表面/體積比(幾百m2/cm3)。 利用HF-乙醇-電解液的電化學蝕刻(ECE)通常用于制造多孔硅，優選地在電流密度較小 且HF濃度較高的情況中。在蝕刻之后，保留了亞微孔的精細互連網絡。孔優選地沿著結晶 <100>方向傳播。精細控制蝕刻過程實現了以高度的可再現性非常好地控制多孔網絡的特 性。通過改變電化學電流、電解液的成分或者晶片的摻雜類型，可以在幾納米到很多微米 (可很好地控制的尺寸2 2000nm)的范圍中調節平均孔徑。另外，還可以例如通過在蝕 刻過程期間周期性改變電流密度，而由具有不同孔隙率的多孔硅制造多層系統。如果需要， 還可以使用脈動電流而由殘余材料實現多層系統。圖5和6中顯示了多孔硅的示例性結構。為了設定衰減度的大小，除了衰減層中的孔徑之外，在給定的情況中，還可以考慮 在衰減層9、10的邊緣17、18中的開口的大小，其中蓋板11、12各自密封地連接至邊緣。另 外，可以通過在衰減層13、14中央的凹口 13、14而減小衰減，其中衰減距離的有效長度通過 凹口而減小。在形成凹口時，要注意在凹口區域中的蓋板不會用作壓力脈沖會通過它而繞過下 部衰減層耦合入壓力腔的薄膜。凹口還可以具有其他形式，例如延伸進入衰減層的狹隙或 通道。為了容納壓力傳感器1，還提供了第一覆蓋體15和第二覆蓋體16，它們設置在兩 個承載體2和3的相對置的外表面上并且在側面圍繞各自的衰減元件，其中兩個覆蓋體 各自具有連接面，液壓測量機構的液壓路徑可以通過該連接面壓密地連接在壓力傳感器1 上，正如由點示出的密封元件所代表的。為了相對于靜態過載得到保護，第一和第二承載體2、3可以具有薄膜床19、20，在 單側過載的情況中，測量薄膜可以至少部分就位于薄膜床并且得到支承。所描述的結構優選地基本完全由硅制成，其中同樣可以實現Si-玻璃-Si-玻 璃-Si三明治結構。該結構在晶片級別在批處理中例如通過SFB(硅融合結合)而實現，或 者在純Si結構的情況中共熔地實現，或者在Si-玻璃界面的情況中在陽極實現。第一和第 二開口或者其它開口的毛細管以及在硅上且貫穿硅的凹口可以被蝕刻，優選地通過干法化 學蝕刻(DRIE)。精細的多孔硅通常是通過光刻法而濕法化學制造的。多孔硅的深度在幾 μm直至幾十μ m就已經足夠。圖3顯示了本發明的壓差傳感器101的第二實施例，其順序包括第一承載體102、
5第一測量薄膜103、第二承載體104、第二測量薄膜105和第三承載體106。第一測量薄膜的 壓力加載是通過第一承載體中的第一開口實現的，并且第二測量薄膜的壓力加載是通過第 三承載體中的第二開口實現的，其中第一和第二開口分別通過第一衰減元件107或第二衰 減元件108與第一或第二液壓路徑相通，以引導壓力。關于衰減元件及其尺寸及遮蓋物的 細節，對于第一實施例的解釋也相應有效。在第二承載體104中，在面向兩個測量薄膜的端面中提供凹口，它們共同形成具 有第一腔部109和第二腔部110的中央壓力腔，其中兩個腔部被利用貫穿第二承載體104 的中央開口 111液壓耦合，并且其中兩個腔部109、110分別被測量薄膜103、105向外密封。腔部109、110的壁可以用于在靜態過載的情況下支承測量薄膜，正如之前在第一 實施例中所描述的。中央壓力腔被通過這里沒有具體示出的通道而填充液壓液體，以耦合兩個測量薄 膜103、105。為了電子檢測測量薄膜的偏置，在至少一個測量薄膜上提供換能器，優選地在 兩個測量薄膜上都提供換能器，正如結合第一實施例所討論的。圖4顯示了本發明的壓差傳感器201的第三實施例，其中壓差傳感器包括第一測 量薄膜203、承載體204和第二測量薄膜205。通過第一液壓路徑實現第一測量薄膜的壓力 加載，通過第二液壓路徑實現第二測量薄膜的壓力加載。在承載體204中，在朝向兩個測量薄膜的端面中提供凹口，其共同形成具有第一 腔部209和第二腔部210的中央壓力腔，其中腔部被利用貫穿承載體204的中央開口 211 而液壓耦合，并且其中兩個腔部209、210各自通過測量薄膜203、205向外密封。中央開口 211具有多孔硅以衰減動態過載。正如之前在第一實施例中所描述的，腔部209、210的壁用于在靜態過載的情況支
承測量薄膜。中央壓力腔被通過這里沒有具體示出的通道而填充液壓液體，以耦合兩個測量薄 膜203、205。為了電子檢測測量薄膜的偏置，在至少一個測量薄膜上提供換能器，優選地在 兩個測量薄膜上都提供換能器，正如結合第一實施例所討論的。
權利要求
壓差測量單元(1；101；201)，用于檢測第一壓力和第二壓力之間的壓力差，包括 彈性測量系統，其帶有至少一個具有硅的測量薄膜(4；103；105；203；205)； 至少一個承載體(2；5；102；104；106；204)，其與彈性測量系統壓密地相連； 第一液壓路徑，用于將第一壓力傳遞到彈性測量系統的第一表面部分上； 第二液壓路徑，用于將第二壓力傳遞到彈性測量系統的第二表面部分上；其中第一壓力與第二壓力相對地作用，并且測量系統的彈性偏轉是第一和第二壓力之間的差的量度；其中壓差測量單元還具有至少一個液壓節流門(9；10；107；108；211)，其特征在于，所述至少一個液壓節流門包括多孔硅。
2.根據權利要求1所述的壓差測量單元，其中，彈性測量系統具有測量薄膜(4)，該測 量薄膜設置在第一承載體(2)和第二承載體(3)之間并且沿著環繞的接縫壓密地與兩個承 載體分別相連，并且其中第一和第二液壓路徑各自包括至少一條貫穿承載體之一的通道。
3.根據權利要求2所述的壓差測量單元，其中，至少一個液壓節流門(9;10)包括多 孔Si層，其圍繞在承載體的背離測量薄膜的表面上的通道口 ；和液壓密封的覆蓋層(11， 12)，其覆蓋多孔Si層，直至至少一個與通道口在橫向上相間隔的入口，從而液壓路徑從至 少一個入口延伸通過在多孔Si層的平面中的多孔Si層達到通道口。
4.根據權利要求3所述的壓差測量單元(1)，其中，第一承載體(2，3)和第二承載體各 自在背離測量薄膜(4)的表面上具有液壓節流門(9 ;10)，該液壓節流門具有多孔Si層和 圍繞通道口的覆蓋層(11，12)。
5.根據權利要求2所述的壓差測量單元，其中，至少一條貫穿承載體的通道具有多孔娃。
6.根據權利要求1所述的壓差測量單元(201)，其中，彈性測量系統包括第一測量薄膜 (203)和第二測量薄膜(205)，第一測量薄膜沿環繞的接縫壓密地固定在承載體(204)的第 一表面部分上，第二測量薄膜沿環繞的接縫壓密地固定在承載體的第二表面部分上，其中 第三液壓路徑在第一和第二測量薄膜之間延伸，以液壓地耦合第一和第二測量薄膜，其中 液壓節流門(211)設置在第三液壓路徑中。
7.根據權利要求6所述的壓差測量單元，其中，液壓節流門包括由多孔硅制成的層，并 且第三液壓路徑延伸貫穿Si層的平面的多孔Si層。
8.根據權利要求3或7或任一從屬于權利要求3或7的權利要求所述的壓差測量單 元，其中，多孔Si層的厚度不大于20微米，優選地不大于10微米。
9.根據權利要求3或7或任一從屬于權利要求3或7的權利要求所述的壓差測量單 元，其中，多孔Si層的厚度不小于2微米，優選地不小于4微米。
10.根據前述任一權利要求所述的壓差測量單元，其中，多孔硅的孔徑不大于100納 米，優選地不大于50納米。
11.根據前述任一權利要求所述的壓差測量單元，其中，孔徑不小于10納米，優選地不 小于20納米。
12.根據前述任一權利要求所述的壓差測量單元，其中，承載體具有硅或玻璃。
13.根據前述任一權利要求所述的壓差測量單元，其中，在單側過載的情況下，至少一 個測量薄膜至少部分就位于承載體上并由承載體支承。
全文摘要
一種壓差測量單元(1)，用于檢測第一壓力和第二壓力之間的壓力差，具有彈性測量系統，其帶有至少一個具有硅的測量薄膜(4，203，205)；至少一個承載體(2，5，204)，其與彈性測量系統壓密地相連；第一液壓路徑，用于將第一壓力傳遞到彈性測量系統的第一表面部分上；第二液壓路徑，用于將第二壓力傳遞到彈性測量系統的第二表面部分上；其中第一壓力與第二壓力相對地作用，并且測量系統的彈性偏轉是第一和第二壓力之間的差的量度；其中壓差測量單元還具有至少一個液壓節流門(9，10，211)，其特征在于，至少一個液壓節流門包括多孔硅。
文檔編號G01L9/00GK101896802SQ200880120505
公開日2010年11月24日 申請日期2008年12月12日 優先權日2007年12月17日
發明者弗里德里希·施瓦貝, 沃爾夫岡·丹豪爾, 英·圖安·塔姆, 邁克爾·菲利普斯, 迪特爾·施托爾塞 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司