由耦合到諧振器上的納米計(jì)制成的壓力傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種流體壓力傳感器，例如，可用于車輛車輪以便檢測(cè)所述車輪上的充氣輪胎的充氣壓力的流體壓力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]在需要小尺寸的傳感器的應(yīng)用中，已知依靠通過蝕刻晶體材料的板制成的傳感器。被稱為諧振類型且被認(rèn)為具有比包括具有應(yīng)變計(jì)的膜片的一般微機(jī)械加工傳感器更好的性能的一個(gè)此類壓力傳感器，包括限定容腔的盒子、以及至少一個(gè)諧振器，所述諧振器被接納在容腔中且通過柔性橫梁從封閉容腔的至少一個(gè)可彈性變形的膜片懸伸。所述容腔還含有用于將諧振器設(shè)定成振動(dòng)的諧振器激勵(lì)裝置和用于檢測(cè)諧振器的振動(dòng)頻率的檢測(cè)器裝置。所述可變形的膜片因此與諧振器相互作用，其方式為使得在來自周圍流體的壓力下的膜片的變形導(dǎo)致諧振器的頻率的相對(duì)應(yīng)的變化。所述激勵(lì)裝置布置成將諧振器設(shè)定成以其諧振頻率振動(dòng)，且檢測(cè)器裝置(例如)由電容元件或由應(yīng)變計(jì)構(gòu)成，所述應(yīng)變計(jì)向控制單元提供表示諧振器的振動(dòng)頻率的信號(hào)。所述控制單元布置成從它檢測(cè)到的頻率推導(dǎo)作用在膜片上的壓力。
[0003]業(yè)已發(fā)現(xiàn)，那些傳感器中的許多傳感器呈現(xiàn)低靈敏度。
[0004]至少在理論上，電容檢測(cè)研發(fā)起來較復(fù)雜，因此沒有應(yīng)變計(jì)檢測(cè)有效。實(shí)際上，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變計(jì)檢測(cè)具有相對(duì)較低的性能。
[0005]為了改進(jìn)傳感器的靈敏度，已經(jīng)使控制單元的電路變得更加復(fù)雜以便處理由應(yīng)變計(jì)傳遞的信號(hào)。這導(dǎo)致增加傳感器的成本和總體尺寸，但卻沒有導(dǎo)致靈敏度的足夠的增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目標(biāo)是至少部分補(bǔ)救靈敏度的缺乏。
[0007]在具有膜片、諧振器和應(yīng)變計(jì)的壓力傳感器中，晶體材料是半導(dǎo)體材料，在所述半導(dǎo)體材料上通過對(duì)半導(dǎo)體材料的表面進(jìn)行摻雜來制造應(yīng)變計(jì)。不幸的是，已發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)變計(jì)的附近且在其整個(gè)長(zhǎng)度上發(fā)生摻雜物的不希望的迀移，由此降低所述應(yīng)變計(jì)的靈敏度。測(cè)量值變成對(duì)溫度高度敏感且往往會(huì)隨時(shí)間的推移而偏移。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種由半導(dǎo)體材料制成的壓力傳感器，所述傳感器包括盒子，所述盒子限定在二次真空下的外殼；至少一個(gè)諧振器，所述諧振器被接納在外殼中且通過柔性橫梁從至少一個(gè)可彈性變形的膜片懸掛，所述膜片封閉還含有用于激勵(lì)諧振器以便將諧振器設(shè)定成振動(dòng)的裝置和用于檢測(cè)諧振器的振動(dòng)頻率的檢測(cè)器裝置的外殼。所述檢測(cè)器裝置包括至少第一懸掛壓阻式應(yīng)變計(jì)，所述應(yīng)變計(jì)具有固定到橫梁中的一者的一個(gè)端部和固定到膜片的一個(gè)端部。所述諧振器和所述第一應(yīng)變計(jì)布置成形成種類和濃度基本上相同的摻雜區(qū)域。
[0009]因此，所述應(yīng)變計(jì)僅經(jīng)由其端部與構(gòu)成傳感器的材料的其余部分接觸。因此可用于摻雜物的流動(dòng)區(qū)段是極小的，這限制了摻雜物迀移的可能性。同樣的情況適用于摻雜物在種類(硼、磷、砷...)和濃度方面的均勻性。另外，從膜片懸掛應(yīng)變計(jì)使得有可能在諧振器和應(yīng)變計(jì)響應(yīng)于壓力移出平面時(shí)，將所述諧振器和應(yīng)變計(jì)基本上維持在共同的水平線上，因此使得更容易處理由應(yīng)變計(jì)傳遞的信號(hào)。
[0010]有利地，應(yīng)變計(jì)浸入真空中，優(yōu)選地，浸入二次真空中，以便改進(jìn)測(cè)量的穩(wěn)定性和性能(品質(zhì)因數(shù)、應(yīng)變計(jì)因數(shù)...)。應(yīng)變計(jì)與外殼中含有的任何氣體分子之間的相互作用被限制，由此避免了電荷捕獲、粘性摩擦等。
[0011]有利地，應(yīng)變計(jì)具有矩形的截面，所述矩形具有小于I微米Um)長(zhǎng)且優(yōu)選地為約250納米(nm)長(zhǎng)的長(zhǎng)邊。
[0012]因此可用于摻雜物迀移的區(qū)段是極小的。另外，這使得在定位應(yīng)變計(jì)時(shí)能夠存在更大的范圍。
[0013]在此類情況下且有利地，應(yīng)變計(jì)具有小于10 μ m且優(yōu)選地等于約3 μ m的長(zhǎng)度。
[0014]于是應(yīng)變計(jì)是特別緊湊的，由此使得能夠減小傳感器的總尺寸。
[0015]本發(fā)明的其它特性和優(yōu)點(diǎn)在閱讀以下對(duì)本發(fā)明的特定、非限制性實(shí)施例的描述后顯現(xiàn)。
【附圖說明】
[0016]參見附圖，在所述附圖中:
[0017].圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施例中的傳感器的局部圖解平面視圖；
[0018].圖2是本發(fā)明的第二實(shí)施例中的傳感器的局部圖解平面視圖；以及
[0019].圖3是第三實(shí)施例中的傳感器的圖解平面視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]參見圖1，本發(fā)明的第一實(shí)施例中的壓力傳感器包括盒子1，所述盒子在此實(shí)例中基本上呈長(zhǎng)方體形式，且限定在二次真空(在此實(shí)施例中，壓力不超過10_5大氣壓)下的外殼(或稱為容腔，下同)2。
[0021]呈單一飛塊(flyweight)形式的諧振器3被接納在外殼2中且通過附圖標(biāo)記都為4的柔性橫梁從可彈性變形的膜片5懸掛，所述膜片5封閉外殼2 (膜片5封閉外殼2的頂部開口且位于平行于圖1的紙張的平面中)。
[0022]諧振器3基本上呈矩形塊的形式，如圖1中所示。諧振器3的振動(dòng)幅度(seismicsize)的長(zhǎng)度基本上位于諧振器3的總長(zhǎng)度的20%到40%的范圍中，且優(yōu)選地為25%。諧振器3不與膜片5直接接觸。
[0023]橫梁4形成用于諧振器3的兩個(gè)懸掛臂，所述懸掛臂定位在諧振器的兩側(cè)上且連接到固定到膜片的兩個(gè)立柱6。橫梁4可以加倍，成為成對(duì)的平行橫梁。立柱6與膜片5的纖細(xì)部分一體地制造，且所述立柱從所述纖細(xì)部分突出。定位立柱6，其方式為使得膜片5的變形導(dǎo)致立柱6縱向移動(dòng)，所述移動(dòng)傳送到橫梁4。
[0024]外殼2還含有用于激勵(lì)諧振器3的裝置，所述裝置布置成將諧振器3設(shè)定成振動(dòng)。在此實(shí)例中，激勵(lì)裝置包括形成換能器的面對(duì)的電極對(duì)7，所述面對(duì)的電極對(duì)一旦經(jīng)受電壓，就在諧振器3上產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，使得諧振器3在平行于膜片5且垂直于橫梁4的方向8上執(zhí)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0025]傳感器具有用于檢測(cè)諧振器3的振動(dòng)頻率的檢測(cè)器裝置。檢測(cè)器裝置包括以不同方式操作的各應(yīng)變計(jì)9，這些應(yīng)變計(jì)垂直于橫梁4而延伸，其中所述應(yīng)變計(jì)中的每一者懸掛，使得其端部中的一者固定到橫梁4中的一者且其另一端部固定到膜片5，更具體來說固定到膜片5的立柱10。這些立柱10與膜片5的纖細(xì)部分一體地制造，且所述立柱從所述纖細(xì)部分突出。定位立柱10，其方式為使得膜片5的變形導(dǎo)致立柱10以不傳送到應(yīng)變計(jì)9的方式運(yùn)動(dòng)。
[0026]應(yīng)變計(jì)9布置成形成相位相反地操作且在拉伸和壓縮之間交替的差動(dòng)對(duì)。布置檢測(cè)器裝置，其方式為使得應(yīng)變計(jì)9通過形成惠斯通電橋在差動(dòng)拉伸-壓縮模式下在其諧振范圍外振動(dòng)。這就可以使對(duì)溫度信號(hào)的作用和對(duì)壓力信號(hào)的作用去相關(guān)，因?yàn)闇囟葍H存在于共模中，而溫度和壓力都存在于動(dòng)態(tài)差模中。
[0027]在本發(fā)明中，應(yīng)變計(jì)布置成能夠測(cè)量代表諧振器的頻率的阻抗，這與如在某些現(xiàn)有技術(shù)傳感器中已經(jīng)進(jìn)行的測(cè)量表示膜片變形的幅度的電容形成對(duì)比。
[0028]立柱10在立柱6的附近，且應(yīng)變計(jì)9在橫梁4與立柱6之間的連接處附近連接到橫梁4，使得應(yīng)變計(jì)9在位于橫梁4的長(zhǎng)度的5%到15%的范圍中(且有利地在8%到9%的范圍中)的區(qū)域中錨定到橫梁4。
[0029]每個(gè)應(yīng)變計(jì)9具有矩形的截面，其中所述矩形的長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度小于I ym且在此實(shí)例中有利地等于250nm，且其中短邊為可以幾乎小一個(gè)數(shù)量級(jí)的長(zhǎng)度。
[0030]每個(gè)應(yīng)變計(jì)9具有小于10 μm的長(zhǎng)度，且在此實(shí)例中有利地為約3 μπι的長(zhǎng)度。
[0031]傳感器，且更確切地說諧振器3、膜片5、橫梁4、立柱6、10以及應(yīng)變計(jì)9通過蝕刻晶體材料的薄板來制成，所述晶體材料例如含有氮或碳的硅，或多晶體硅或“多晶硅”、或液晶聚合物等。
[0032]諧振器和應(yīng)變計(jì)布置成形成種類和濃度基本上相同的摻雜區(qū)域。
[0033]本發(fā)明的傳感器的布置使得可以在相同的晶體材料的晶片上制造具有不同壓力范圍的傳感器，例如，優(yōu)選地通過作用于膜片和諧振器的尺寸。
[0034]在以下對(duì)第二和第三實(shí)施例的描述中，給予與上文所描述的元件相同或相似的元件相同的數(shù)字編號(hào)。
[0035]參考圖2，其示出了第二實(shí)施例，盒子I呈框架的形式，在所述框架上延伸有膜片5.1和膜片5.2 二者，所述膜片是共面的。
[0036]這限定了空腔，通過橫梁4從膜片5.1且從膜片5.2懸掛的諧振器3位于所述空腔中。兩個(gè)橫梁4的一個(gè)端部固定到諧振器3，相反端部固定到對(duì)應(yīng)的立柱6.1,6.2。
[0037]傳感器具有與第一實(shí)施例的應(yīng)變計(jì)9相同的第一應(yīng)變計(jì)9.1Α、9.2Α，每一個(gè)所述第一應(yīng)變計(jì)一端固定到立柱10.1,10.2，而所述立柱固定到對(duì)應(yīng)的膜片5.1,5.2，且每一個(gè)所述第一應(yīng)變計(jì)的相反的一端固定到橫梁4中的一者，其方式為使得垂直于橫梁4且平行于膜片5.1、5.2的第一應(yīng)變計(jì)9.1Α、9.2Α形成差動(dòng)對(duì)。應(yīng)變計(jì)9.1A中的一者處于拉伸中，而另一個(gè)應(yīng)變計(jì)9.1A處于壓縮中，且反之亦然。同樣的情況適用于應(yīng)變計(jì)9.2Α。第一應(yīng)變計(jì)9.1Α、9.2Α像第一實(shí)施例中的應(yīng)變計(jì)9 一樣進(jìn)行操作。立柱6中的每一者定位在位于傳感器的膜片的尺寸的一半的20%到60%的范圍中的區(qū)域中，所述區(qū)域優(yōu)選地沿著其短軸線、從膜片5.1,5.2的中心(且優(yōu)選地35% )出發(fā)。
[0038]傳感器具有兩個(gè)第二應(yīng)變計(jì)9.1B和兩個(gè)第二應(yīng)變計(jì)9.2Β，每個(gè)所述第二應(yīng)變計(jì)的一個(gè)端部固定到對(duì)應(yīng)地接近膜片5.1,5.2但不固定到其上的對(duì)應(yīng)的立柱11.1,11.2，其相反的端部固定到諧振器3，其方式為使得平行于橫梁4且平行于膜片5.1、5.2的第二應(yīng)變計(jì)9.1B、9.2B相位相反地操作。兩個(gè)應(yīng)變計(jì)9.1B處于拉伸中，而兩個(gè)應(yīng)變計(jì)9.2B處于壓縮中，且反之亦然。
[0039]在使用中，膜片5.1、5.2經(jīng)受對(duì)應(yīng)的壓力Pl和P2。
[0040]第一應(yīng)變計(jì)9.1A和9.2A用以測(cè)量與(Pl+P2)/2成比例的信號(hào)。
[0041]第二應(yīng)變計(jì)9.1B和9.2B用以測(cè)量與ΔΡ = Ρ1-Ρ2成比例的信號(hào)。因此，如果Ρ1>Ρ2，那么應(yīng)變計(jì)9.1B總體上處于壓縮中，而應(yīng)變計(jì)9.2Β總體上處于伸長(zhǎng)中，如果Ρ1〈Ρ2，則反過來。.
[0042]參見圖3，在第三實(shí)施例中，盒子I呈具有允許進(jìn)入外殼2的四個(gè)側(cè)向開口(在盒子I的每一側(cè)面都有一個(gè)開口)的長(zhǎng)方體形式。這些開口通過膜片封閉以便形成第一對(duì)膜片50.1和第二對(duì)膜片50.2，每對(duì)膜片封閉盒子I的兩個(gè)相對(duì)側(cè)面的開口且因此形成經(jīng)受二次真空的空腔。盒子I布置成使得第一對(duì)膜片50.1和第二對(duì)膜片50.2經(jīng)受