專利名稱：壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開一般地涉及傳感器，并且更具體地涉及壓力傳感器。
背景技術(shù)：
傳感器當(dāng)今普遍用于感測(cè)環(huán)境參數(shù)，比如溫度，濕度，壓力，流量，熱導(dǎo)率，氣體濃度，光，磁場(chǎng)，電場(chǎng)以及很多其它環(huán)境參數(shù)。這樣的傳感器被用于廣泛多樣的應(yīng)用，例如包括醫(yī)學(xué)應(yīng)用，飛行控制應(yīng)用，工業(yè)過程應(yīng)用，燃燒控制應(yīng)用，天氣監(jiān)控應(yīng)用，水計(jì)量應(yīng)用，以及很多其它應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本公開致力于制造電響應(yīng)傳感器的幾種可替代的設(shè)計(jì)，材料和方法。盡管已知存在傳感器，但仍存在對(duì)這樣的傳感器進(jìn)行改進(jìn)的需要。因此，本公開的一個(gè)說明性方面包括一種壓力傳感器，該壓力傳感器具有隔膜(membrane),具有輸出的兩個(gè)或更多個(gè)傳感元件，以及接收來(lái)自傳感元件的輸入和具有它自己的輸出的放大器，其中隔膜，傳感元件和放大器可以被設(shè)置在襯底上。隔膜可以是膜片(diaphragm),其中該膜片能夠響應(yīng)與其緊密接觸的介質(zhì)而彎曲。兩個(gè)或更多個(gè)傳感元件可以設(shè)置在隔膜上，并且可以具有隨膜片彎曲的程度而改變的特性。例如，傳感元件可以是被布置以形成傳感橋(例如Wheatstone橋)的壓電電阻，該傳感橋具有與通過緊密接觸膜片的介質(zhì)引起的膜片上的壓力成比例或以其它方式相關(guān)的輸出。在一個(gè)例子中，放大器可以具有與傳感橋的輸出成比例或以其它方式相關(guān)的輸出。此外，放大器的輸出可以具有跨度，其中該跨度可以是最小輸出值和最大輸出值之間的差。在例子中，放大器的輸出跨度可以至少大于隔膜的靈敏度的兩倍。在一些實(shí)例中，壓力傳感器的隔膜可以具有它工作在其中的輸入壓力范圍，其中輸入壓力可以源于緊密接觸該隔膜的介質(zhì)。該輸入壓力范圍可以引起放大器的輸出在它的最小輸出值和它的最大輸出值之間運(yùn)行和保持。輸入壓力范圍和放大器的輸出值跨度之間的關(guān)系可以是放大器的輸出具有小于與將最小輸出值連接到最大輸出值的直線之間的特定百分比偏差的基于端子的線性(Terminal Based Linearity) (TBL)。在一些情況中，隔膜或膜片可被配置成經(jīng)受得住跨負(fù)破裂壓力和正破裂壓力之間的輸入壓力范圍而緊密接觸隔膜或膜片的介質(zhì)。接收來(lái)自與膜片相連的傳感橋的輸入的放大器可以具有對(duì)應(yīng)于不超過隔膜或膜片上的輸入壓力范圍的特定百分比的輸出范圍。在一些進(jìn)一步的實(shí)例中，壓力傳感器可以通過接收電源電壓來(lái)工作，并且響應(yīng)施加至或不施加至膜片的壓力，放大器可以輸出輸出信號(hào)。例如，放大器可以輸出與電源電壓的幅度成比例的共模信號(hào)，以及在特定限定范圍內(nèi)的最大差分輸出，或者放大器可以具有其它期望的輸出特性或值或兩者。前面的概述被提供來(lái)幫助理解只有本公開才有的一些創(chuàng)新特征，并且不打算是全部的說明。通過作為一個(gè)整體考慮整個(gè)說明書，權(quán)利要求書，附圖和摘要可以獲得本公開的
全部理解。


考慮結(jié)合附圖的本公開的各個(gè)說明性實(shí)施例的下面的詳細(xì)描述可以更完全地理解本公開，其中圖I是依據(jù)本公開的一個(gè)方面的說明性傳感模組(die)放大器組合的示意圖；圖2是依據(jù)本公開的一個(gè)方面的說明性傳感模組放大器組合的示意性橫截面圖；
圖3是依據(jù)本公開的一個(gè)方面的傳感模組的差分輸出跨度的說明性曲線圖；圖4是依據(jù)本公開的一個(gè)方面的傳感模組的說明性電路的示意圖；圖5是依據(jù)本公開的一個(gè)方面的具有傳感橋，微調(diào)橋和放大器電路的說明性傳感模組放大器組合的示意圖；圖6A和6B是依據(jù)本公開的一個(gè)方面的其中存在放大器選擇的說明性傳感模組放大器組合的示意圖；圖7是依據(jù)本公開的一個(gè)方面的其中可以通過控制電阻值來(lái)選擇放大器增益的說明性傳感模組放大器的一部分的示意圖；圖8是依據(jù)本公開的一個(gè)方面的用于說明性傳感模組放大器組合的制備處理的處理步驟的流程圖；圖9是依據(jù)本公開的一個(gè)方面的說明性傳感橋和電并聯(lián)微調(diào)橋的示意圖；以及 圖10是依據(jù)本公開的一個(gè)方面的說明性膜片和襯底的橫截面圖。雖然本公開經(jīng)得起各種修改和替代形式，通過附圖中的例子已經(jīng)示出其細(xì)節(jié)，并將詳細(xì)描述。然而應(yīng)當(dāng)理解，不打算將要求保護(hù)的公開限制為所描述的特定實(shí)施例。相反，打算覆蓋落入本公開的精神和范圍中的全部修改，等效和替代。
具體實(shí)施例方式參照附圖閱讀下面的描述，其中類似的附圖標(biāo)記表示貫穿幾幅圖的類似元件。說明書和附圖示出了試圖說明本公開的幾個(gè)實(shí)施例。參照附圖，并在一個(gè)說明性的實(shí)施例中，傳感模組(sense die)放大器組合或壓力傳感器裝置10可以具有傳感模組12和放大器14，其中傳感模組12可以包括隔膜或膜片20(術(shù)語(yǔ)“隔膜”和“膜片”在這里可以互換使用)和(一個(gè)或多個(gè))電阻16，所述隔膜或膜片和電阻都位于襯底18上，或者與襯底18 —起形成，如圖I和2中所示。在一些實(shí)例中，可以在膜片20上形成電阻16(例如壓電電阻)，并被按照使它們的電阻可以響應(yīng)膜片20的彎曲而改變的方式配置。連接起來(lái)以形成電路的膜片20和壓電電阻16的組合通常可以被認(rèn)為是形成于襯底18上，或與襯底18集成的傳感模組12。在一些情況中，放大器14(例如集成差分放大器或不同種類的放大器)可以在鄰近或靠近傳感模組12的襯底18上制備，并且可以具有耦合至電路22的輸出的輸入，其中放大器14可以通過電連接或者耦合24 (例如有線連接或無(wú)線連接)或通過能夠傳輸來(lái)自電路22的輸出至放大器14的現(xiàn)有技術(shù)已知的任何其他耦合技術(shù)而耦合至電路22。在類似或不同的連接中，來(lái)自放大器14的輸出可以通過電連接28 (例如有線連接或無(wú)線連接)或通過能夠傳輸來(lái)自放大器14的信號(hào)至外部系統(tǒng)26的現(xiàn)有技術(shù)已知的任何其他連接或耦合技術(shù)連接或耦合至(一個(gè)或多個(gè))外部系統(tǒng)26。外部系統(tǒng)26可以是能夠利用來(lái)自放大器14的信號(hào)的任何系統(tǒng)；例如外部系統(tǒng)26可以是專用標(biāo)準(zhǔn)部件(Application Specific Standard Part (ASSP))或?qū)Ｓ眉呻娐?Application Specific Integrated Circuit (ASIC))或其他有能力的系統(tǒng)或部件，如期望的。通常，裝置10可以通過接收電源電壓Ncc的電路22來(lái)工作，并且響應(yīng)施加至膜片20或不施加至膜片20的壓力，傳感模組12可以輸出電壓至放大器14，其中輸出電壓的值與通過所感側(cè)的介質(zhì)施加至膜片20的壓力成比例或通過其它方式與該壓力相關(guān)。在一些情況中，放大器14可以是差分放大器，并且可以輸出與電源電壓Vcc的幅度(例如電源電壓 Vcc的大約一半)成比例的共模信號(hào)以及輸出在特定限定范圍內(nèi)的最大差分輸出。膜片在工作中，并且當(dāng)壓力被施加至膜片20或緊密接觸膜片20時(shí)，膜片或隔膜20可以相對(duì)于靜止位置(rest position)偏轉(zhuǎn)，并與緊密接觸其的施加壓力成比例或以其它方式相關(guān)。隔膜或膜片20可以被配置成能夠經(jīng)受得住跨橫跨負(fù)破裂壓力和正破裂壓力的輸入壓力范圍而與其緊密接觸的介質(zhì)，其中破裂壓力通?？杀幌薅橄到y(tǒng)預(yù)期失效時(shí)的壓力。響應(yīng)施加的壓力，膜片20可以相對(duì)于向其施加的每單位壓力的靜止位置具有最大量的偏轉(zhuǎn)。隔膜或膜片20的最大偏轉(zhuǎn)的說明性例子可以包括小于?！?0處的10. O微米，小于I”H2O處的2. O微米，小于I”H2O處的I. O微米，小于I”H2O處的O. I微米或其他最大偏轉(zhuǎn)值。響應(yīng)所述偏轉(zhuǎn)，膜片20的配置可以是當(dāng)與膜片20的背側(cè)20b相比有更大的輸入壓力施加至第一側(cè)20a時(shí)，傳感模組12的輸出可以是正輸出信號(hào)，并且可以導(dǎo)致來(lái)自放大器14的正輸出信號(hào)。類似地，當(dāng)與膜片20的前側(cè)20a相比有更大的輸入壓力施加至背側(cè)20b時(shí)，傳感模組12的輸出可以是負(fù)輸出信號(hào)，并且可以導(dǎo)致來(lái)自放大器14的負(fù)輸出信號(hào)。膜片20可以形成在傳感模組12的中央部分中，如圖I所示，或形成在關(guān)于傳感模組12的另一位置中，具有設(shè)置在膜片20周圍的各種電路系統(tǒng)(比如在圖5-7中圖示和參照?qǐng)D5-7所述的電路系統(tǒng))。除了所述電路系統(tǒng)之外，或作為所述電路系統(tǒng)的部件，沿著外圍可以提供各種外部連接焊盤，通過例子，在圖9中圖示的焊盤52可被包括在膜片20上或周圍。所述電路系統(tǒng)可以包括形成傳感橋30的電阻16a-16d，其中可以在包括膜片20的傳感模組12的中央?yún)^(qū)域中定位所述橋30，也見圖I。在一個(gè)例子中，膜片20可以是正方形或圓形或另一形狀，具有長(zhǎng)度(未示出)或直徑(未示出)，并且尺寸能夠包括設(shè)置在膜片上的電阻16。在該例子中，膜片20的長(zhǎng)度可以大約是I. 9mm，并且整體模組尺寸可以在2. 5-3. 5平方毫米的范圍中。在其他例子中，長(zhǎng)度或直徑可以是10mm,5mm,2. 5mm, lmm,500 μ m, 100 μ m，50 μ m或一些其他合適的尺寸；并且可以合適地伸縮整體尺寸，以便如期望地適合相關(guān)聯(lián)的電路系統(tǒng)。除了具有長(zhǎng)度之外，膜片20可以具有厚度T。圖10圖示了膜片20的橫截面，其中如所圖示的，膜片20的厚度T可以具有多個(gè)值T1, T2, T3的一個(gè)或其他值。例如，基于蝕刻處理(例如可變深度蝕刻或其他制造技術(shù))，通過所述蝕刻處理可以形成膜片20，厚度T可以具有T1, T2或T3的厚度，其中T1可以大約是10-12微米，T2可以大約是16-17微米，并且T3可以大約是28微米，但是這些僅是例子。在該例子中，傳感模組12可以具有在圖4-7或9中描繪的電路系統(tǒng)或其他電路系統(tǒng)，并且可以用具有值為T1, T2*T3或其他值的厚度T的膜片20形成。因此在制造處理過程可以動(dòng)態(tài)選擇期望的厚度Τ，以便適合特定客戶的應(yīng)用。膜片20可以是由任何材料制成的、能夠與襯底18連接或與襯底18 (例如硅襯底或能夠如于此所述地被操作的襯底)集成形成的隔膜，能夠具有厚度Τ，并能夠響應(yīng)連接或緊密接觸其表面的介質(zhì)而彎曲。特定材料形成的膜片20可以具有取決于膜片20的幾何形狀的靈敏度，其中該靈敏度可被定義為每單位輸入壓力(例如Γ 20)每單位電源電壓(例如Vcc電源)的輸出電壓(mV)的變化。也就是可以以每單位輸入壓力，每伏電源電壓的毫伏的輸出電壓或其他合適度量單位來(lái)具體化膜片20的靈敏度。膜片20的靈敏度的說明性 例子可以包括小于I. 0mV/V/l”H20的靈敏度，小于2. 0mV/V/l”H20的靈敏度，小于4. OmV/V/1"H2O的靈敏度，小于10mV/V/l”H20的靈敏度，小于100mV/V/l”H20的靈敏度，或其他靈敏度。傳感元件電路在一些實(shí)施例中，傳感元件或電阻16可以是壓電電阻或能夠告知或指示施加至膜片20或施加于膜片20上的差壓力的任何其他類型的電阻。例如，電阻16可以具有響應(yīng)施加至膜片20或施加于膜片20上的壓力而變化的特征或特性(例如電阻或其它特性)。在工作中，當(dāng)電阻16布置在合適的電路22中時(shí)，比如在膜片20上形成第一橋或傳感橋30，比如在圖4-6B和9中示出的Wheatstone橋，并且電源電壓Vcc被施加至電路22，可以生成與接觸或緊密接觸膜片20的介質(zhì)的壓力相關(guān)的電信號(hào)。除了傳感橋30之外，第二橋或微調(diào)橋40在一些情況中可以被應(yīng)用于電路22，如圖5-6B和9中所圖示的。微調(diào)橋40可以與傳感橋30并聯(lián)耦合，并能夠微調(diào)傳感橋30和改變跨傳感橋30的支線32的電阻或以另一方式微調(diào)傳感橋30。當(dāng)如圖9中所示，微調(diào)橋40的兀件被微調(diào)或觸發(fā)時(shí),微調(diào)橋40可以永久地或以其它方式偏移在傳感橋30的輸出處產(chǎn)生的輸出電壓，其中該輸出電壓可以是具有共模電壓的差分輸出或任何其他類型的輸出電壓。此外，如果有的話，微調(diào)橋40的元件如何被觸發(fā)或微調(diào)的順序可以取決于放大器14的不同選擇的增益或其它變量以及其它變量的值。現(xiàn)在參照?qǐng)D9，描述具有與傳感橋30電并聯(lián)的微調(diào)橋40的有源傳感模組的說明性實(shí)施方式。如所圖不的，傳感橋30可以包括電阻16 (例如傳感器電阻16a, 16b, 16c, 16d),以Wheatstone橋配置來(lái)布置。與傳感橋30并聯(lián)地，多個(gè)微調(diào)電阻17 (例如微調(diào)電阻17a，17b-a, 17b-b, 17c, 17d_a，17d_b，17e, 17f-a, 17f-b, 17g, 17h_a，17h_b)可以至少部分形成并聯(lián)的微調(diào)橋40。微調(diào)橋40可被以這種方式布置可以制備后修改它的電阻，例如通過二極管跳過(zapping)處理,熔絲熔斷處理或其他合適的處理。在所述說明性的例子中，具有焊盤52a_h的很多二極管連接的晶體管50a_h可以與各個(gè)微調(diào)電阻17a-h并聯(lián)連接。如圖9中示出的，二極管連接的晶體管50a可以與17b-b并聯(lián)；二極管連接的晶體管50b可以與17b-a并聯(lián)；二極管連接的晶體管50g可以與17h_b并聯(lián)；等等。通過短路二極管連接的晶體管50，可以與二極管連接的晶體管50并聯(lián)的電阻17可以被短路，并且可以被有效地從橋40移除。通過該技術(shù)，可以減小或以其它方式修改微調(diào)橋40的對(duì)應(yīng)支線的電阻。
通過外部接觸焊盤52的使用可以實(shí)現(xiàn)二極管短路或跳過。例如，焊盤52a，52b可以提供用于跳過或短路二極管連接的晶體管50a和二極管連接的晶體管50b的一個(gè)或二者的接觸，以便移除(也就是短路)微調(diào)橋40的電阻17b-b或17b-a。也就是說，通過跨52a和52b施加合適的電壓，可以短路二極管連接的晶體管50a，因此從微調(diào)橋40的17a-17b-b-17b-a支線移除17b_b。如上面所述的，可以調(diào)節(jié)跨微調(diào)橋40的電阻，以便至少部分控制傳感橋30的共模電壓(例如焊盤0+和O-處輸出的電壓)，如果給定合適的電源電壓V。。和各個(gè)V。。和GND焊盤處的接地連接的話。(一個(gè)或多個(gè))放大器放大器14可以是內(nèi)差分(differential in)和外差分(differential out)放大 器，或者能夠感測(cè)傳感元件或電阻16的特性變化并放大所感測(cè)的變化的任何其他類型的放大器14。響應(yīng)感測(cè)電阻16的特性變化,說明性的放大器14可以具有跨越僅僅對(duì)應(yīng)于膜片20能夠經(jīng)受得住的輸入壓力范圍的特定部分的全范圍(例如從最小輸出值到最大輸出值)的輸出。如上面指出的，隔膜或膜片20可以被配置成能夠經(jīng)受得住跨橫跨負(fù)破裂壓力和正破裂壓力的輸入壓力范圍而緊密接觸隔膜或膜片20的介質(zhì)，其中破裂壓力通常可以被限定為系統(tǒng)預(yù)期失效時(shí)的壓力。其中放大器14跨越全范圍的輸入壓力范圍的一部分的說明性例子可以包括輸入壓力范圍的50%，輸入壓力范圍的10%，輸入壓力范圍的5%，輸入壓力范圍的2%，輸入壓力范圍的1%或更小。例如，在隔膜20具有一百英寸水的輸入壓力范圍并且放大器14的輸出跨越其超過O至10英寸水的全范圍的情況中，放大器14據(jù)說可以具有跨越輸入壓力范圍的10%的輸出。此夕卜,可以關(guān)于電源電壓Vcc量化放大器14的輸出，其中放大器14可以具有在對(duì)應(yīng)于電源電壓\c的特定范圍內(nèi)的最大差分輸出。例如，放大器14可以具有包括電源電壓Vcc的大約一半幅度的共模信號(hào)的輸出。在一些情況中，放大器14可以具有在6mV至180mV的范圍內(nèi)的最大差分輸出。可替代或附加地，放大器14可以具有與電源電壓Vrc成其它比例的共模信號(hào)和/或如期望的其它最大差分輸出。放大器14可以具有輸出跨度，其中該跨度可以是放大器14的最小輸出值和最大輸出值之間的差，其可以被以每單位壓力(例如英寸的水)每伏特的毫伏或其它合適的量度單位被測(cè)量。在一個(gè)例子中，放大器14的輸出跨度可以至少大于隔膜20的靈敏度的兩倍。放大器14的輸出跨度的值的說明性例子可以包括大于2. 0mV/V/l%0的輸出跨度,大于4. 0mV/V/l"H20的輸出跨度，大于8. 0mV/V/l”H20的輸出跨度，大于10mV/V/l”H20的輸出跨度，大于100mV/V/l”H20的輸出跨度，大于1000mV/V/l”H20的輸出跨度，或其它輸出跨度值。在該例子中，隔膜可以具有小于4.0mV/V/l”H20的靈敏度。而且，在一些情況中，放大器可以具有大于2. 0mV/V/l”H20或甚至6mV/V/l”H20或更大的可選擇增益。如上面暗示的，放大器14的增益可以具有各種值并且是可選擇的，如于此進(jìn)一步描述的?？蛇x擇的增益主要包括可在裝置10的制造過程中選擇的增益，或者可通過裝置10的使用者選擇的增益。在一些情況中，比如在放大器的跨度大于隔膜20的靈敏度的兩倍的情況中，放大器14的增益可被設(shè)置為2。放大器14的增益的其他說明性的例子可以包括三或更大，四或更大，六或更大，或者不同的更高或更低值?？梢钥紤]，放大器14可以具有特定的基于端子的線性(TBL)，其中對(duì)于給定的絕對(duì)輸入壓力，TBL可以是放大器14的輸出與截取放大器14的最小輸出值和最大輸出值的直線之間的最大偏差?？梢砸耘c最小輸出值和最大輸出值之間的直線的百分比偏差測(cè)量該TBL0用于放大器14的TBL的說明性例子可以包括與在最小輸出值至最大輸出值之間延伸的線偏差小于1%的TBL，與在最小輸出值至最大輸出值之間延伸的線偏差小于O. 50%的TBL，與在最小輸出值至最大輸出值之間延伸的線偏差小于O. 1%的TBL，與在最小輸出值至最大輸出值之間延伸的線偏差小于O. 05%的TBL，或其它TBL值。該裝置的設(shè)計(jì)和制造如討論的，用電阻16形成的說明性的電路22可以包括在膜片20上的傳感橋30，比如Wheatstone橋，如例如圖4中示出的。在傳感模組12中可以以這樣的方式配置第一，第二,第三和第四電阻16a, 16b, 16c, 16d,使膜片20的彎曲可以引起Wheatstone橋的支線32的電阻(也就是通過第一電阻16a和第二電阻16b形成的第一支線32a，以及通過第二電阻16b和第四電阻16d形成的第二支線32b)關(guān)于彼此進(jìn)行不同的調(diào)節(jié)，從而使輸出0+和O-處的差分輸出以與緊密接觸膜片20的壓力相關(guān)的方式改變?？梢愿鶕?jù)每單位壓力，每伏特的電源電壓的毫伏，或者以任何其他期望或合適的量度單位表述傳感橋30的差分輸出。 也就是，傳感橋30可以提供每單位壓力(比如若干英寸的水，若干毫米的汞，成千的帕斯卡等等)每伏特的電源電壓的特定數(shù)量的毫伏的差分輸出。盡管電路22可被配置成使輸出0+和O-處的共模電壓大約是電源電壓\c的一半，差分電壓輸出的幅度相對(duì)于緊密接觸膜片20的壓力的幅度(例如膜片的靈敏度)之間的關(guān)系可以與膜片20的厚度T和面積相關(guān)。更具體地，給定電路22的相同配置和設(shè)計(jì)(也就是在材料和尺寸方面相同的電阻16結(jié)構(gòu)；以及膜片20上那些電阻16的相同布置)和相同的輸入壓力，電路22的差分輸出對(duì)于較薄的膜片20可以大于其對(duì)于相同尺寸的較厚膜片20的情況。類似地，給定電路22的相同配置和設(shè)計(jì)以及相同的輸入壓力，電路22的差分輸出對(duì)于較大的膜片20 (基于表面積)可以大于其對(duì)于較小的膜片20的情況。因此,通過改變膜片20的尺寸(例如形狀，表面積，厚度等等)，對(duì)于給定的電源電壓和輸入壓力范圍，能夠定制電路22的差分輸出(例如定制膜片的靈敏度)。改變膜片20上電阻16的設(shè)計(jì)和布置可以允許傳感橋30輸出的進(jìn)一步定制。對(duì)于傳感模組12的給定形狀和尺寸，傳感模組12上傳感橋30的差分輸出跨度常?？梢噪S施加的輸入壓力的對(duì)應(yīng)范圍非線性地改變，如圖3中圖表示出的，其中X-軸描繪施加至傳感模組12的壓力，并且y_軸描繪以毫伏為單位的傳感橋30的差分輸出。在示出的例子中并參照?qǐng)D3，在大約40個(gè)單位的輸入壓力時(shí)，差分輸出可以大約是160mV ;在大約15個(gè)單位的輸入壓力時(shí)，差分輸出可以大約是42mV;并且對(duì)于大約8個(gè)單位的輸入壓力，差分輸出可以大約是20mV。如在圖3中的這些關(guān)系和它們的圖形表示所圖示的，在大的輸入壓力范圍上，不同的輸出電壓可以是顯著非線性的。然而，在較小范圍的輸入壓力(例如在9-11個(gè)單位的輸入壓力之間)上，差分輸出可以基本上是線性的。如上面討論的，微調(diào)橋40可以對(duì)傳感橋30輸出提供補(bǔ)償，以移除一些上面所述的非線性。該補(bǔ)償也可以校正傳感模組12的輸出中的溫度變化和任何其它非線性?？商娲蚋郊拥?，可以考慮，通過增加膜片20的厚度T或減小它的尺寸可以基本上減小膜片20的靈敏度，從而使膜片20更線性，但對(duì)于輸入壓力較不敏感，并且傳感橋的輸出然后可以被放大以提高分辨率。在一些情況中，傳感橋的輸出信號(hào)可以被放大，并被轉(zhuǎn)換成可用的范圍和形狀(例如0-5V比例輸出，4-20mA模擬信號(hào)，數(shù)字輸出值等等)。
如所述的，傳感模組12可以包括協(xié)同定位的有源電路系統(tǒng)(也就是在與形成壓力膜片20的相同襯底的有源電路系統(tǒng)，比如微調(diào)橋40或放大器14)，其中協(xié)同定位的有源電路系統(tǒng)可以是用于任何用途的電路系統(tǒng)。例如，協(xié)同定位的有源電路系統(tǒng)可以是放大或補(bǔ)償電路系統(tǒng)。更具體地，如圖5中所述的，有源傳感模組12可以包括傳感橋30(例如Wheatstone傳感橋,如描繪的)，可以與傳感橋30電f禹合(例如并聯(lián)I禹合)的微調(diào)橋40,以及可以與傳感-微調(diào)橋30，40組合耦合的一個(gè)或多個(gè)放大器電路14 (例如所描繪的放大器電路14a, 14b, 14c)。( 一個(gè)或多個(gè))放大器14可以具有差分輸出，或者(一個(gè)或多個(gè))放大器14可以具有單端輸出，這取決于期望的配置。在一些實(shí)例中，每一個(gè)放大器14可以具有不同的增益，并且選擇器電路34可以被采用來(lái)選擇多個(gè)放大器電路14的哪一個(gè)來(lái)提供有源傳感模組12的輸出。例如，如圖5中所圖示的，傳感模組12可以包括多個(gè)放大器電路14a，14b，14c，以及用以將特定的放大器14耦合至有源傳感模組12的輸出的多路復(fù)用器34。在傳感模組12中，其中每一個(gè)放大器14可以提供不同的增益，選擇器34可以有效選擇傳感模組12的增益。
可替代或附加地，可以形成具有不同增益的多個(gè)放大器14，并且在傳感模組12的制備之后(或過程中)可以進(jìn)行最終增益選擇/放大器選擇?？梢砸远喾N方式的至少一種選擇將被用在裝置10中的放大器14的選擇。例如，可以與并聯(lián)的多個(gè)二極管或晶體管一起形成多個(gè)電阻，所述并聯(lián)的多個(gè)二極管或晶體管可被短路(例如二極管跳過，或者一次性編程)以便選擇最終電阻，所述最終電阻繼而可以確定對(duì)應(yīng)放大器14的增益。作為另一例子，可以與可被短路的二極管串聯(lián)地形成具有不同增益的多個(gè)放大器電路14a，14b，14c ；通過僅短路串聯(lián)二極管的一個(gè)，僅一個(gè)特定的放大器14可以用在傳感模組放大器組合10的電路中。作為另一例子，二極管可以被短路，以便控制在多個(gè)放大器14a，14b，14c中選擇一個(gè)放大器14的多路復(fù)用器34。在又一例子中，在傳感模組12上可以提供一個(gè)或多個(gè)可熔斷的熔絲，所述傳感模組取決于被熔斷的(一個(gè)或多個(gè))熔絲來(lái)選擇和/或設(shè)置對(duì)應(yīng)放大器14的增益和/或控制在多個(gè)放大器14a，14b，14c中選擇一個(gè)放大器14的多路復(fù)用器34。作為再一例子，比如在圖5中示出的，通過外部信號(hào)或通過編程到可寫/可重寫記錄或存儲(chǔ)器裝置中的值，可以提供多路復(fù)用器34的控制。在附圖中沒有示出全部選擇技術(shù)，因?yàn)橄嘈艣]有在附圖中圖示的選擇技術(shù)分別是在電路系統(tǒng)中進(jìn)行選擇的現(xiàn)有技術(shù)中熟知的技術(shù)。在進(jìn)一步的例子中，可以選擇具有不同增益的多個(gè)放大器14a，14b，14c，但實(shí)際上可以僅完全形成可能數(shù)量的放大器14的子集；或者可以形成一個(gè)具有多個(gè)可能增益的一個(gè)的放大器，但在制備處理過程中可以僅選擇和形成一個(gè)具體的增益。在圖6A和6B中圖示了這樣的例子的一種實(shí)施方式，其中圖6A描繪了虛線以示出耦合24和潛在的放大器14之間的潛在的連接25。如所圖示的，可以選擇分別具有不同增益A1，A2，A3的放大器14a，14b, 14c的選擇(見圖6A)，并且在制備過程中，可以制作連接25，或者可以以下面的方式形成電路例如在電路中僅形成具有增益Al的放大器14a(見圖6B)。在該例子中，可替代地，但沒有示出，可以形成或連接分別具有增益A2或增益A3的放大器14b，14c。在一個(gè)例子中，通過在裝置10的制備過程中選擇對(duì)應(yīng)的金屬掩?？梢赃M(jìn)行特定放大器的選擇。類似地，并且可替代或附加地，可以通過一個(gè)或多個(gè)電阻值控制放大器14的增益。例如，可以在襯底18中并與(一個(gè)或多個(gè))放大器14成一行地形成多個(gè)選擇器電阻36 (例如放大器電阻36a，36b，36c，36d)，其中可以形成至多個(gè)可能的不同點(diǎn)AB1, AB2, AB3,AB4的一個(gè)或其它點(diǎn)的最終金屬掩模連接38，導(dǎo)致多個(gè)可能電阻值中的一個(gè)可以確定放大器14的最終增益。在該例子中，參照?qǐng)D7，在襯底18中可以形成四個(gè)電阻36a，36b，36c，36d (例如點(diǎn)A和B之間的電阻)，但是一個(gè)或多個(gè)最終金屬層連接38可以確定點(diǎn)C在哪里連接至點(diǎn)AB1，AB2,AB3或AB4。在圖7中，虛線示出了經(jīng)由金屬掩模的潛在的連接，并且最終的金屬掩模連接38示出了分別通過電阻36a，36b或電阻36c，36d在點(diǎn)A和C或B和C之間的連接。在該例子中，點(diǎn)C可以是放大器14或其他電路點(diǎn)，或者點(diǎn)A和B可以是放大器14或其他電路點(diǎn)。結(jié)果，(一個(gè)或多個(gè))最終金屬掩模連接38可以確定在點(diǎn)A和C之間或在點(diǎn)B和C之間的最終電阻，并且該最終電阻可以設(shè)置放大器14的增益?？梢曰谧钇胀ǖ难谀ＴO(shè)置制備傳感模組12，但是利用多個(gè)可能掩模的一個(gè)可以執(zhí)行與一個(gè)或多個(gè)具體掩模相結(jié)合執(zhí)行的步驟。因此，參照?qǐng)D6A，6B和7，并且進(jìn)一步地參照?qǐng)D8，處理步驟I-S100，處理步驟2-S102，處理步驟3-S104和處理步驟n+1-S108可以為電路的制備所共有，比如在圖6Α中描繪的電路，但是處理步驟n-S106可以是三個(gè)或更多個(gè)不同處理步驟的一個(gè)(例如處理步驟％_3106&，其可以形成具有第一增益的放大器14，比如在圖6A中示出的具有增益A1的放大器14a ;或者處理步驟nB_S106b，其可以形成具有第二增益的放大器14，比如在圖6A中示出的具有增益A2的放大器14b ;或者處理步驟nc-S106c，其可以形成具有第三增益的放大器14，比如在圖6A中示出的具有增益A3的放大器14c)。處理步驟nA-S106a，nB-S106b和nc_S106c可以包括在制備的特定金屬化階段過程中采用的不同連接或金屬層掩模25，38的施加。例如，連接和金屬掩模25，38的這樣的施加可以選擇特定的電阻36組或其他電路系統(tǒng)(例如耦合24和(一個(gè)或多個(gè))放大器14)如何被連接。在該例子中，處理步驟nA-S106a可以對(duì)應(yīng)于可以將點(diǎn)C連接至點(diǎn)AB1 (未示出)的掩模38 ;處理步驟nB-S106B可以對(duì)應(yīng)于參照?qǐng)D7可以將點(diǎn)C連接至點(diǎn)AB2的掩模38 ;等
坐寸ο在制造過程過程或之后，考慮膜片厚度T的變化，比如在圖10中描繪的可利用的變化，可以進(jìn)行放大器的變化，比如在圖5-7中描繪和參照參照?qǐng)D5-7所述的那些。例如，在被采用來(lái)至少為定制放大器14或模組厚度T的目的而制備傳感模組的一系列多個(gè)處理步驟中可以替代一個(gè)或兩個(gè)處理步驟(例如S100-S108)(或一些其他相對(duì)小數(shù)量的處理步驟)。以該方式，利用一個(gè)或多個(gè)相對(duì)小的變化(例如特定的金屬化步驟處多個(gè)不同金屬掩模的一個(gè)的選擇，用于生成具有多個(gè)可能增益中的一個(gè)具體增益的放大器，或?qū)е戮哂卸鄠€(gè)可能厚度的一個(gè)的膜片的蝕刻過程的變化，或者裝置10的另一特性或特征的變化)，可以采用“平臺(tái)設(shè)計(jì)”來(lái)有效地生成具有滿足用戶規(guī)格的多個(gè)可能特性的一個(gè)的壓力傳感器，所述用戶規(guī)格比如特定的破裂壓力，特定的靈敏度或特定的工作范圍或其他特定特性，或其組合。因此已經(jīng)描述了本公開的幾個(gè)說明性的實(shí)施例，本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員將容易理解，其它實(shí)施例可以在這里所附的權(quán)利要求的范圍中獲得和使用?？梢岳斫?，本公開在許多方面僅是說明性的?？梢赃M(jìn)行細(xì)節(jié)改變，特別是在形狀，尺寸和部件的布置方面，而不超過本公開的范圍。當(dāng)然以表述所附權(quán)利要求的語(yǔ)言限定本公開的范圍。權(quán)利要求
1.一種壓力傳感器，包括 隔膜(20)，具有小于4. OmV/V/1” H2O的靈敏度； 連接成橋(30)配置以形成Wheatstone橋(30)的、隔膜(20)上的兩個(gè)或更多個(gè)傳感元件，其中Wheatstone橋(30)具有輸出；以及 具有耦合至Wheatstone橋(30)的輸出的輸入的放大器(14)，所述放大器(14)也具有輸出，其中所述放大器(14)的輸出具有大于所述靈敏度的兩倍的跨度(mV/V/l”H20)。
2.依據(jù)權(quán)利要求I的壓力傳感器，其中所述放大器(14)的跨度大于2.OmV/V/1” H20。
3.依據(jù)權(quán)利要求I的壓力傳感器，其中所述放大器(14)的跨度大于4.OmV/V/1” H20。
4.依據(jù)權(quán)利要求I的壓力傳感器，其中所述放大器(14)的輸出具有最小輸出值和最大輸出值，并且其中所述壓力傳感器具有引起放大器(14)的輸出在最小輸出值和最大輸出值之間運(yùn)行的輸入壓力范圍(I)，并且其中放大器(14)的輸出具有小于從最小輸出值至最大輸出值的0. I %的基于端子的線性(TBL)。
5.依據(jù)權(quán)利要求I的壓力傳感器，其中當(dāng)與隔膜(20)的背側(cè)相比有更大的輸入壓力被施加至隔膜(20)的前側(cè)時(shí)，放大器(14)的輸出生成正輸出信號(hào)，并且當(dāng)與隔膜(20)的前側(cè)相比有更大的輸入壓力被施加至隔膜(20)的背側(cè)時(shí)，放大器(14)的輸出生成負(fù)輸出信號(hào)，其中針對(duì)給定的絕對(duì)輸入壓力的正輸出信號(hào)和負(fù)輸出信號(hào)之間的最大偏差小于0. 5%。
6.一種壓力傳感器，包括 膜片(20)，具有響應(yīng)緊密接觸膜片的介質(zhì)而彎曲的部分，其中膜片(20)的所述部分彎曲的程度隨介質(zhì)沖擊處的輸入壓力而改變，膜片(20)的所述部分被配置成經(jīng)受得住跨負(fù)破裂壓力和正破裂壓力之間的輸入壓力范圍而緊密接觸所述膜片的介質(zhì)； 相對(duì)于膜片(20)固定的一個(gè)或多個(gè)傳感器兀件,所述一個(gè)或多個(gè)傳感器兀件具有隨膜片(20)彎曲的程度而改變的特性；以及 具有輸入和輸出的放大器(14)，所述放大器被布置在與膜片(20)相連的襯底(18)上，其中放大器(14)的輸入感測(cè)所述一個(gè)或多個(gè)傳感器元件的特性變化，并且放大器(14)的輸出被配置成具有對(duì)應(yīng)于不超過輸入壓力范圍的I%的全范圍。
7.—種壓力傳感器,包括 硅襯底(18)； 包括傳感元件的傳感膜片(20)，所述傳感元件用于將施加的輸入壓力轉(zhuǎn)換成具有電源電壓的大約一半的共模電壓的差分電壓信號(hào)，所述傳感膜片(20)具有提供小于4. OmV/V/1”H2O的壓力靈敏度的幾何形狀； 具有至少為6的增益以及電源電壓的大約一半的公共電壓的內(nèi)差分和外差分放大器(14)； 從傳感膜片(20)向內(nèi)差分和外差分放大器(14)的差分輸入提供差分電壓信號(hào)的電連接(28);以及 用于內(nèi)差分和外差分放大器(14)的差分輸出的電連接(25);以及其中內(nèi)差分和外差分放大器(14)的差分輸出具有大于所述靈敏度的兩倍的跨度(mV/V/1"H2O)和小于I %的基于端子的線性(TBL)。
8.一種壓力傳感器，包括 襯底(18)；與襯底(18)集成形成的隔膜(20)； 與隔膜(20)耦合的兩個(gè)或更多個(gè)傳感元件，所述兩個(gè)或更多個(gè)傳感元件連接成橋(30)配置以形成Wheatstone橋(30),其中Wheatstone橋(30)具有輸出；并且 與襯底(18)集成形成的放大器(14)塊，所述放大器(14)塊具有輸出并進(jìn)一步具有與Wheatstone橋(30)的輸出耦合的輸入,所述放大器(14)具有可選擇的增益。
9.一種壓力傳感器，包括 具有靈敏度的隔膜(20)； 連接成橋(30)配置以形成Wheatstone橋(30)的、隔膜(20)上的兩個(gè)或更多個(gè)傳感元件，其中Wheatstone橋(30)具有輸出； 具有輸入，輸出和大于2的增益的放大器(14)，并且所述放大器(14)的輸入與Wheatstone橋(30)的輸出I禹合； 放大器(14)的輸出具有最小輸出值和最大輸出值，并且其中壓力傳感器具有引起放大器(14)的輸出在最小輸出值和最大輸出值之間運(yùn)行的輸入壓力范圍⑴； 隔膜(20)的靈敏度被布置成使放大器(14)的輸出在給定的輸入壓力范圍上保持在最大輸入電壓和最小輸出電壓之間； 其中隔膜(20)的靈敏度小于4. 0mV/V/l”H2O;以及 放大器(14)的輸出電壓具有大于2. 0mV/V/l”H2O的跨度。
10.一種壓力傳感器，包括 具有集成的差分放大器(14)的傳感模組(12)，所述集成的差分放大器(14)具有電源電壓，所述傳感模組(12)具有壓力敏感隔膜(20)，所述壓力敏感隔膜(20)具有小于 0mV/V/l”H2O 的靈敏度； 用于感測(cè)壓力敏感隔膜(20)響應(yīng)輸入壓力的彎曲的第一橋(30)； 用于微調(diào)第一橋(30)而與第一橋(30)并聯(lián)耦合的第二橋(30);以及其中集成的放大器(14)具有包括電源電壓的大約一半幅度的共模信號(hào)的輸出和在6mV至180mV的范圍內(nèi)的最大差分輸出。
全文摘要
本公開涉及包括壓力傳感器的傳感器。在一些情況中，壓力傳感器可以包括隔膜(20)或膜片(20)，以橋(30)配置彼此連接并位于隔膜(20)上的多個(gè)傳感元件，以及與橋(30)配置的輸出耦合并具有輸出的放大器(14)，其中膜片(20)，傳感元件和放大器(14)可以形成在單個(gè)襯底(18)上，或與襯底集成形成，或兩者。在一個(gè)例子中，壓力傳感器可以感測(cè)施加至傳感器的特定范圍的壓力，和/或可以包括用于放大橋(30)的輸出的、具有可選擇增益的放大器(14)。
文檔編號(hào)G01L1/18GK102680145SQ201110462169
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2011年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者A·布拉德利, C·斯圖爾特, L·里克斯 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司