[发明专利]用于确定液体介质或气体介质中的压力差的传感器设备

说明书

本公开描述了一种用于确定液体介质或气体介质中的压力差的传感器设备，包括：用于传感器设备的外壳框架，包括第一和第二开口；感测元件，包括第一侧和第二侧，并且被配置并位于外壳框架内以在其第一部位处构建第一空腔并且在其第二部位处构建第二空腔，其中感测元件被配置为确定第一侧与第二侧之间的压力差；第一和第二波纹隔膜，其中第一波纹隔膜被配置为封闭第一开口以密封外壳框架的第一空腔；并且第二波纹隔膜被配置为封闭第二开口以密封外壳框架的第二空腔；第一空腔和第二空腔内的惰性液压流体，被配置为将作用在相应波纹隔膜上的外部压力耦合到感测元件的相应侧，其中第一和第二波纹隔膜使用具有结构化表面的衬底由保形涂覆工艺构建。

技术领域

本公开的各实施例涉及用于确定液体介质或气体介质中的压力差的传感器设备。

背景技术

绝大多数商用压力传感器采用硅微机电系统(MEMS)器件作为感测元件。在典型的MEMS压力传感器芯片中，通过从下侧蚀刻来移除硅衬底的一部分，从而在顶部表面留下薄硅膜。顶部与底部之间的压力差将导致膜偏转，膜中产生的应力可以通过放置在膜外围的压电电阻器来测量。通过以适当方式选取膜面积和厚度，可以从几个mbar到数十巴变化的全尺度差压范围。

硅压力传感器可以被设计为用于绝压测量或表压测量/差压测量。在前一情况下，通过在真空下将背板附接到衬底的底面，在膜的底面上形成零压力参考空腔。通常，背板由热膨胀系数与硅的热膨胀系数非常匹配的玻璃制成。在仪表或差动传感器的情况下，通常的做法是附加带有孔的背板，以提供进入膜的底面的通道。背板增加了传感器芯片的机械刚度。

硅压力传感器的许多应用涉及相对惰性的干燥气体，在这些应用中，传感器的两侧都可以直接暴露于过程介质。硅传感器的底面通常也可以暴露于其他介质，这些介质包括电介质和导电液体两者，只要它们不会腐蚀硅或玻璃。然而，可以与硅传感器的顶侧接触的介质范围受到更多约束。具体地，因为与压电电阻器的电连接暴露会当与导电流体接触时会导致电解和腐蚀，所以水和水介质被排除在外。

发明内容

制造可以在导电液体或腐蚀液体中操作的湿-湿差压传感器的常用方法是封装硅传感器芯片，使得将硅芯片的顶侧与过程介质隔离，同时仍允许将外部压力耦合到膜。在典型配置中，封闭空腔形成于传感器芯片的两侧上，其中每个空腔由波纹隔膜封闭，该波纹隔膜将响应于外部压力改变而偏转。空腔由惰性液压流体(例如，硅油)填充，因此每个空腔的体积固定；这样，隔膜和硅膜的位移耦合。

通常，这种类型的传感器具有通过传统机械加工生产的不锈钢外壳和通过压印不锈钢板制成的波纹隔膜。市售的最小设备的体积约为10cm³，隔膜尺寸约为2cm直径。为了使隔膜以可忽略衰减将外部压力改变传输到硅膜，与膜的刚度相比较，隔膜的刚度必须很小。该要求为给定隔膜厚度设置了隔膜直径的下限。商用传感器中的隔膜通常厚度大约为20μm。使用较薄隔膜可能会减小隔膜直径，但这对于当前用于隔膜制造的方法并不切实际。

本发明的各方面涉及一种用于确定液体介质或气体介质中的压力差的传感器设备、一种用于制造波纹隔膜的方法以及一种用于密封传感器设备的空腔的方法，其中主题如独立权利要求中所描述的。

本发明的有利修改在从属权利要求中陈述。在说明书、权利要求书和附图中所公开的特征中的至少两个特征的所有组合落入本发明的范围内。为了避免重复，根据方法公开的特征也将根据所提及的系统适用并且是可要求保护的。

在本发明的整个描述中，向一些特征提供计数字以提高可读性或使指派更为清晰，但这并不暗示某些特征的存在。

为了实现这些和其他优点并且根据本发明的目的，如本文中所体现的和广泛描述的，提供了一种用于确定液体介质或气体介质中的压力差的传感器设备，具有用于传感器设备的外壳框架，包括第一开口和第二开口以及感测元件，该感测元件包括第一侧和第二侧，并且配置并位于外壳框架内，以在外壳框架的第一部位构建第一空腔，并且在外壳框架的第二部位构建第二空腔，其中感测元件被配置为确定第一侧与第二侧之间的压力差。