[发明专利]高温下应用的介质兼容型电隔离压力传感器

说明书

技术领域

本发明一般涉及压力传感装置，更具体而言，涉及在高温下处于恶性及/或电传导加压介质中的压力传感元件。

背景技术

隔膜式压力传感器已经被广泛地应用，其中加压介质所施加的压力使隔膜发生偏转，并且被耦合至该隔膜的传感元件(诸如应变仪)对该偏转进行检测，并且向用以校正隔膜倾斜的信号提供一定的压力。

主要有两种类型的压力传感器。第一种类型被称作差压传感器，该差压传感器测量相对于大气压的压力。第二种类型被称作绝对压力传感器，该绝对压力传感器通常测量相对于真空或者零压力的压力。

图1A和图1B分别示出了由Silicon Microstructures，Inc.of Milpitas，CA(压力传感器型号为SM5102)制造的传统差压传感器100和传统绝对压力传感器110。这两种压力传感器100和110均使用了带有隔膜的硅微机械结构(也被称作测量晶片(gauge wafer))，其中该隔膜具有位于其上方或者外表面上的传感元件(未示出)。该微机械结构被安装在支撑结构上(也被称作垫片)。压力传感器的一般维度用mm表示。这两种压力传感器100和110均为顶侧式压力传感器，即加压介质到达隔膜的顶侧或者外侧。差压传感器100中的支撑结构具有开口，以将隔膜的相对侧(即，底侧或者内侧)暴露到大气压中。另一方面，绝对压力传感器110中的支撑结构没有开口，并且界定该隔膜下方的真空参照腔室。当传感元件上的保护涂层发生损坏而使隔膜顶侧上的传感元件接触到恶性的加压介质时，这两种压力传感器100和110并不适合牵涉到恶性压力介质(诸如染料混合物和酸溶液等)。

差压传感器读取相对于大气压的压力。大气压会随海拔和气候条件发生变化。因此，当需求较高的精度时，往往优选绝对压力传感器。例如，压差读数可能随大气压的变化而改变2-3psi。因此，如果全量程为100psi时，则压力读数中会存在2％至3％的误差。在500psi以下使用的大多数新的压力传感器在其可操作温度范围、可操作压力范围内以及在产品的整个寿命期间，要求+/-1％的精确度。因此，绝对压力传感器在上述应用中变得非常重要。

图2示出了由Silicon Microstructures，Inc.of Milpitas，CA(压力传感器型号为SM5112)制造的传统绝对压力传感器200。压力传感器200使用了带有微机械隔膜的硅测量晶片。被封闭到该测量晶片的硼硅玻璃罩在该隔膜上方产生了参照真空腔室。加压介质从该隔膜的底侧施加压力。支撑结构(垫片)由硼硅玻璃制成，其中该硼硅玻璃在其中心处具有钻孔，以使加压介质能够到达该隔膜的底侧。该隔膜的顶侧具有应变传感元件、互连扩散电阻和电互连镀金属，藉以引出来自应变传感元件的电信号。当传感元件与加压介质分离时，该构造比较适合牵涉到恶性加压介质。但是，将硼硅玻璃罩晶片粘贴到测量晶片以产生真空腔室的过程是一个非常昂贵的过程。

压力传感器200所遭遇的另一问题便是不能耐受高温，这是因为传感元件中存在漏电现象。压力传感器200将压敏电阻器作为传感元件(被构造为测量晶片)。在经典的压敏电阻应变仪中，在隔膜上方的惠斯通电桥构造(见图4)中连接有四个压敏电阻器。当被施加的压力使隔膜发生偏转时，隔膜中的诱导应力会使这些压敏电阻器改变其对应的电阻值，从而导致惠斯通电桥不平衡。不平衡的压敏电阻器电桥会产生与被施加的压力成比例的电信号输出。在硅隔膜中，可以通过使用标准的光刻法以较低的成本来集成上述压敏电阻器。如图3所示(在此只示出了测量晶片)，可以将压敏电阻器定义为相对极性区域的扩散井，其中相对极性区域嵌入在隔膜的基体材料中。在图3的插图中，通过光刻法在顶绝缘体层中开有窗口，则会在n型基体硅隔膜中生成p型扩散压敏电阻器，然后通过掺杂p型材料(例如硼)，藉以产生期望的薄层电阻率。如图4中的等效电路所示，压敏电阻器产生了带有隔膜衬垫的、类似于二极管的p-n结点。在超过约125℃的温度下，p-n结点类似于漏电二极管，即当温度升高时，漏电流以指数方式增加。如图4所示，如果周围的加压介质能够被电传导，则电流通过加压介质(用等效电路中的电阻R表示)漏向地面。在较高的温度下，漏电量较大，这会导致传感失灵，并且可能会导致不可挽回的机械损坏。尽管为了清楚起见，图3中并未示出，但是本发明的普通技术人员现在应该理解，在高温下，被耦合至应变压敏电阻器的互连扩散电阻(图2中所示)将会导致漏电。此外，在较低的温度甚至室温下。制造过程中的污染物可能会使二极管漏电。