CN110088586B - 微压力传感器 - Google Patents

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Abstract

公开一种微压力传感器，其包括主体，所述主体具有通过膜提供的区室化腔室，膜固定在所述主体的相对壁之间，并且膜承载在膜的表面上布置的电极。

Description

微压力传感器
优先权声明
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2016年8月5日提交的题目为“MicroPressure Sensor”的美国临时专利申请62/371,361的的优先权，并要求于2017年8月4日提交的题目为“Micro Pressure Sensor”的美国专利申请15/668,837的优先权，这些专利申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本说明书涉及压力传感器装置和***。
背景技术
压力传感器检测或测量压力，即由流体施加的力，该力是阻止流体膨胀所需的力。典型的压力传感器根据施加在传感器上的压力产生电信号。压力传感器用于各种控制和监测应用，并且可用于间接测量其他物理量，诸如流体流量、流体速度和高度。
压力传感器使用各种技术制造，每种技术都可根据性能、应用适用性和成本考虑而使用。在压力传感器的类型中，一种类型的压力传感器是力收集器类型的。力收集器类型使用力收集器(诸如隔膜、活塞等)来测量由施加到力收集器的力引起的应变(或偏转)。力收集器的类型包括：压阻式应变仪类型，其使用压阻效应来检测由于施加的压力引起的应变；以及压电类型，其使用在某些材料(诸如石英、某些陶瓷和某些聚合物)中发现的压电效应。
另一种类型是电容类型，其使用隔膜和压力腔来产生可变电容器以检测由于施加的压力引起的应变。常用技术使用金属、陶瓷和硅隔膜。可以使用硅MEMS(微机电***)技术制造这种传感器。
发明内容
根据一个方面，一种微压力传感器，包括：主体，其具有限定腔室的一对相对的壁；多个膜，每个膜在其表面上具有对应的电极层，所述多个膜设置在所述腔室中并且固定在所述主体的相对的壁之间，以在腔室内设置多个隔室；第一组端口，其联接到所述多个隔室中的第一组隔室，第一组端口设置在主体的一对相对的壁中的第一壁的对应部分中，所述主体的所述一对相对的壁中的第二壁是所述主体的实心部分；和第二组端口，其联接到所述多个隔室中的不同的第二组隔室，所述第二组端口设置在所述主体的一对相对的壁中的第二壁的对应部分中，所述主体的一对相对的壁中的第一壁是所述主体的实心部分。
上述方面可包括一个或多个微压力传感器，一个或多个微压力传感器进一步包括连接到主体以限制腔室的一对端盖。微压力传感器具有第一组端口，作为配置为联接到处于源压力的流体源的入口，以及第二组端口，作为配置为联接到参考压力的出口。微压力传感器具有多个电连接的第一组膜和多个电连接的第二组膜。在微压力传感器中，第一组端口中的每个端口和第二组端口中的每个端口相对于相应的第一组端口和第二组端口中的前一个端***错。在微压力传感器中，微压力传感器联接到电容测量电路。在微压力传感器中，控制器将测得的电容转换成压力。在微压力传感器中，微压力传感器构造成由处于压力的流体流驱动，流体被引导到作为入口的第一组端口中，使得设置在腔室中的多个膜根据流体流压力和施加到作为出口的第二组端口的参考压力之间的压力差异而挠屈。在微压力传感器中，对于其中流体流压力小于参考压力的欠压模式，处于从第一组端口出来的压力的流体流导致多个隔室中的联接到第一端口中的一个的第一个隔室压缩，并且导致与所述多个隔室中的所述一个相邻的至少一个隔室基本上同时膨胀。在微压力传感器中，对于其中流体流压力大于参考压力的过压模式，处于进入第一组端口中的压力的流体流导致多个隔室中的联接到第一端口中的一个的第一个隔室膨胀，并且导致与所述多个隔室中的所述一个相邻的至少一个隔室基本上同时压缩。
根据另一方面，一种微压力传感器，包括第一微压力传感器模块和第二微压力传感器模块，第一微压力传感器模块包括：第一主体，其限定第一隔室并具有限定在所述第一主体的壁中的第一端口；第一膜，其附接到所述第一主体的表面；和位于第一膜的主表面上的第一导电电极；第二微压力传感器模块与第一微压力传感器模块堆叠设置，第二微压力传感器模块包括：第二主体，其限定第二隔室并具有限定在第二主体的壁中的第二端口；第二膜，其附接到第二主体的表面；和位于第二膜的主表面上的第二导电电极，其中第二膜与第一膜结合且第一主体包围第一隔室。
上述方面可以包括与第一微压力传感器模块和第二微压力传感器模块堆叠地设置的第三微压力传感器模块，第三微压力传感器模块包括：第三主体，其具有位于第三主体中的第三端口，第三主体限定第三隔室并具有限定在第三主体的壁中的第三端口；第三膜，其附接到第三主体的表面；和位于第三膜的主表面上的第三导电电极，其中第三膜与第二膜结合且第二主体包围第二隔室。
微压力传感器具有作为源端口的第一和第三端口，其由处于源压力的流体馈给，第二端口是由参考压力的流体馈给的参考端口。微压力传感器具有在第一主体的第一壁上的第一端口，并且第一主体的其余壁是实心壁。微压力传感器的第二端口位于第二主体的第一壁上，第二主体的其余壁是实心壁。微压力传感器联接到电容测量电路。微压力传感器具有第一和第二膜以及被图案化为影响第一和第二膜的柔性的对应的电极。在微压力传感器中，用于影响第一和第二膜的柔性的图案包括膜材料中的通道和作为电极的蜿蜒导体。
根据另一方面，一种微压力传感器，包括：主体，其具有限定腔室的多个壁；多个膜，每个膜在其表面上具有对应的电极层，所述多个膜设置在所述腔室中并且固定在所述主体的所述多个壁中的两个之间，以在腔室内形成多个隔室；一组入口，其联接到所述多个隔室中的第一组隔室，该组入口设置在主体的所述多个壁中的第一壁的对应部分中，所述主体的所述多个壁中的其余壁是所述主体的实心部分；和一组出口，其联接到所述多个隔室中的不同的第二组隔室，该组出口设置在所述主体的所述多个壁中的另一壁的对应部分中，所述主体的所述多个壁中的第一壁以及所述主体的所述多个壁中的排除所述另一壁在外的其余壁是所述主体的实心部分。
根据另一方面，一种制造微压力传感器的方法，包括：图案化第一片材以从由柔性塑料材料的第一片材制造第一主体元件，该主体元件在主体元件的第一壁中具有端口，主体元件的其余壁是实心壁，第一壁和其余壁限定腔室；和将由携带导电电极材料的柔性塑料材料制成的第二片材层压到第一片材以提供复合层压结构。
上述方面可包括以下一项或多项：
该方法还包括图案化第二片材上的导电层以提供孤立的导电层区域，其在第二片材上提供电极。该方法还包括将复合层压结构切割成包括主体元件的单个模型，通过将端***替到堆叠的相对侧上来堆叠各个模型以产生堆叠结构，并层压堆叠结构以制造微机电***的部件。该方法还包括加工片材以影响片材的柔性。在该方法中，用于制造第一主体元件的第一片材由一卷柔性塑料材料馈给。
本文描述的微压力传感器可以使用微制造方法实现，并且可以用于执行用于各种工业、医疗和生物应用的压力感测。下面描述的微压力传感器可以使用相当便宜的技术制造，因此为各种应用提供便宜的微压力传感器。
在附图和下面的描述中阐述了本公开的一个或多个实施方式的细节。本发明的其它特征、目的和优点将从说明书和附图以及权利要求中显而易见。
附图说明
图1-3是微压力传感器的示意性功能性截面图，示出了处于休止位置、过压模式和欠压模式的微压力传感器。
图4是基于图1-3中描述的概念的模块化微压力传感器的组装的等距视图。
图5A是图4的模块化微压力传感器中使用的主体层或框架的等距分解图。
图5B是图4的模块化微压力传感器中使用的模块层或可重复复合层的分解等距视图。
图6是模块或可重复复合层的等距视图。
图7是模块和端盖的等距分解图。
图8是示出电容与膜分离和压力的关系的表。
图9是压力与电容的关系的曲线图。
图10是电容与压力的关系以及膜分离和压力的关系的曲线图。
图11是卷对卷加工配置的概念图。
图11A是用于图6的结构的一些示例性卷对卷加工站的概念图。
图12A-12C是用于图6的结构的卷对卷加工的视图。
图13A-13B是描绘通孔导体的细节的视图。
图14A-14B是描绘影响膜的机械性质的一种技术的视图。
具体实施方式
概述
本文描述的微压力传感器使用微制造方法制造，并且可用于感测各种工业、商业、医学和生物应用中的压力。微压力传感器以微米/毫米规模制造。公开了几种制造技术。
微压力传感器
参考图1，微压力传感器10包括单个区室化压力传感器腔室20。微压力传感器10还包括传感器主体11，传感器主体11具有沿流体流动方向的两个壁13a、13b，和与两个固定端壁(即端盖)16a、16b正交的两个壁，例如前壁和后壁(图1-4中未示出)，这两个固定端壁16a、16b沿垂直于流体流动方向的方向彼此相对。壁13a、13b和16a、16b以及前壁和后壁限定单个腔室20。该单个腔室20由膜层(膜)18a-18f区室化。膜18a-18f固定在两个端壁16a、16b及前壁和后壁之间。膜18a-18f从一个壁延伸到另一个壁，将腔室20分成多个隔室21a-21g。
第一组端口12a-12c穿过壁13a设置，分别用于流体进入隔室21b、21d和21f中的每一个。第二组端口14a-14d穿过壁13b设置，分别用于流体进入隔室21a、21c、21e和21g中的每一个。在该实施方式中，每个隔室21a-21b包括或来自第一组端口12a-12c或来自第二组端口14a-14d的限定在相应的壁中的端口，但不是来自两者。例如，隔室21a包括壁13b中的端口14a，而隔室21a区域中的壁13a是实心的，没有任何开口。
在图1中，端口示出为在相对侧上。在一些实施例中，位于相对侧上的端口是期望的，但不是必需的。在其他实施例中，端口可以在相邻侧上或实际上在同一侧上，条件是用作入口或输入端口的端口与用作出口或输出端口的端口分开，通过这些端口联接到提供流体的不同容器，该流体的压力正在被测量和参考。隔室只有一个入口或一个出口但不能同时具有这两者。
如图1所示，在一个端处的实心壁与在相对端处的第一组端口中的第一端口或第二组端口中的第一端口这种布置被交替，诸如所示的，相邻隔室21b具有位于壁13a中的端口12a，而壁13b是位于隔室21b的区域处的实心壁。
隔室21a-21g彼此流体密封。在微压力传感器10的相对端处的两个隔室21a和21g具有通过主体的固定壁16a、16b提供的壁和对应的的膜。隔室之间的中间隔室21b-21f具有通过两个相邻膜提供的壁，微压力传感器10具有至少一个且通常多个中间隔室，对于每个中间隔室，壁由两个膜18a-18f提供。微压力传感器10可以从休止位置感测压力变化，如图1所示。检测例如通常为气体或在某些情况下为液体的流体压力的变化，并且微压力传感器10由材料构成，材料的选择考虑了微压力传感器10将被配置用于感测其压力的流体的类型以及微压力传感器10将具有合适灵敏度的压力范围。
在下面讨论的实施方式中，压力相对于环境空气的环境压力。但是，可以使用其他参考。而且，虽然在图中示出了六个膜18a-18f，但是微压力传感器10的腔室20可以延伸有另外的中间隔室，其具有额外的隔膜，因为每个隔室可以被视为模块(参见图4-6)，微压力传感器10由这种模块的堆叠形成，如下面进一步描述的。
每个膜18a-18f具有电极(图1中未明确示出，附接在膜18a-18f的主表面上)。电极连接到电容测量电路(参见图2、3)，电容测量电路根据所采用的电容测量电路的类型向电极输送电压。在电容测量电路的一些示例中，可以使用AC波形并且使用频域技术测量电容。在电容测量电路的其它示例中，可以使用DC波形以通过使用时域技术测量电容。
当外部流体以处于参考压力的相同压力馈给到微压力传感器10时，膜18a-18f且因此电极不会挠屈，且膜/电极处于标称休止(静止)位置，如图1所示。处于休止的每个膜18a-18f基本上平行于端壁16a、16b，并且隔室21a-21g可以具有相同的标称体积Vi，在该实施方式中膜18a-18f以相等的距离(壁部分的厚度)分开。
当通过施加压力被激活时膜18a-18f并因此电极挠屈，改变相应隔室的体积，并且更具体地，改变在这种隔膜18a-18f上将电极对分开的距离。将电极对分开的距离的这些变化引起相邻电极对之间的电容变化，如图2、3中的18a、18b所示。
体积变化可视为表示压力变化的替代方式。通过位于一对相邻膜上的一对电极的组合有效地提供电容器，所述一对电极由相应隔室提供的距离分开。这种有效电容器的电容特性由一对相邻膜中的一个提供的介电常数、隔室中的流体的电介质、电极的面积和将电极分开的距离确定，例如，对于平行板电容器通常至少近似为以下给出的公式：
C＝εrε0A/d，其中
C是电容，以法拉为单位；
A是两个电极重叠的面积，单位为平方米；
εr是电极之间的材料的介电常数(膜和流体的介电常数之和)；
ε0是电常数(ε0≈8.854×10-12F·m-1)；和
d是板之间的间隔，以米为单位。
其中d相对于A的最小弦(chord)而言足够小。
作为电容测量电路或独立电路的一部分的控制器(参见图2、3)参考表/算法以将测得的电容单位转换成压力单位。许多技术可用于测量和检测由微传感器10在处于休止状态的同时提供的大容量电容上的这种电容的变化。
在一些实施例中，处于其标称位置中的两个相邻膜18a-18b之间的距离约为50微米。在一些实施方式中，隔室21a-21g中的每一个可具有类似的标称体积Ve。在这样的实施方式中，在其标称位置的膜18a与端壁16a之间或在其标称位置的膜18f与端壁16b之间的距离约为50微米。隔室21a-21g也可具有不同的尺寸。可以基于例如制造、功耗和应用考虑来选择尺寸。作为示例，微压力传感器10可以具有约1.5mm的长度，约1.5mm的宽度，0.05mm的总高度(不同隔室的累积高度)，以及约0.1125mm3的总体积。其他配置也是可能的。
与用于类似目的的传统压力传感器相比，微压力传感器10可以使用更少的材料，因此经受更小的压力。微压力传感器10具有微米到毫米规模的尺寸，并且可以提供宽范围的压力测量。
所描述的微压力传感器10是电容型传感器。感测发生在微压力传感器10的腔室20中的超压流体和欠压流体的两个交替操作中的任一个中。
参照图2，从流体源26施加过压(作为入口的端口12a、12b和12c处的较高压力与作为出口的端口14a-14d处的参考相比)，端部隔室21a和21g显示为压缩的，中间隔室21c、21e也是如此。当膜18a、18f朝向相应的端壁16a、16b移动时，压缩发生在端部隔室21a、21g中，而对于中间隔室21c、21e，当由于空气从这些隔室21c、21e排出导致相邻的膜18b、18c和18d、18e朝向彼此移动占据相邻的隔室21c、21e的空间时，发生压缩。这些膜18a-18f的移动减小了相应的端部隔室21a、21g和中间隔室21c、21e的体积，以将流体(气体或液体)从那些隔室排放到环境(或参考)中。在这些隔室压缩的同时，在各组隔膜18a、18b；18c、18d；和18e、18f彼此远离以使相应的隔室体积膨胀时，相邻的隔室21b、21d、21f(均为中间隔室)过压。
在过压操作(图2)中，进入腔室20的入口12a-12c在高于参考压力(在这种情况下为环境)的压力下被馈给流体，使膜18a-18f如图所示挠屈。也就是说，当流体被馈给到端口12a(用作输入端口)中时，限定隔室21b的相邻膜18a、18b将朝向相邻隔室21a和21c彼此远离地挠屈或变形，通过进入环境中的端口14a、14b(用作输出端口)从那些隔室21a、21c中排出空气。类似地，其他膜同样在处于被引入其余端口12b、12c中的压力时挠屈或弯曲。
现在参照图3，在与作为出口的端口处的参考相比，作为入口12a-12c的端口处的欠压(相比于参考的较低压力，例如，低至真空压力)中，端部隔室21a、21g如图所示膨胀，中间隔室21c和21d也是如此。当膜18a、18f远离端壁16a、16b移动时，在端部隔室12a、21g中发生膨胀，而当相邻的膜18b、18c和18彼此远离时，在隔室21c、21d中发生膨胀。由于流体(气体或液体)填充到联接到环境或参考的隔室中，这些膜的运动增加了相应的端部隔室21a、21g和中间隔室21c、21d的体积。在这些隔室膨胀的同时，当相应组的隔膜朝向彼此移动以减小相应的隔室体积时，相邻的隔室21b、21d和21f(这里都是中间隔室)被排出流体。
在欠压操作(图3)中，进入腔室20的端口12a-12c联接到流体源27，流体源27的压力低于参考压力(在这种情况下为环境)，使膜挠屈，如图所示。也就是说，当处于欠压的流体被馈给到端口12a中时，限定隔室21b的相邻隔膜18a、18b将远离相邻隔室21a和21c朝向彼此挠屈或变形，导致环境空气通过端口14a、14b从环境进入那些隔室21a、21c。类似地，其他膜18c、18d和18e、18f同样会响应于处于欠压的流体被引入其余的端口12b、12c中而通过环境通过端口14c-14d进入隔室21e、21g而朝向彼此挠屈或弯曲。
去除施加到端口的过压或欠压使微压力传感器10返回到图1的标称状态。
因此，上面讨论的微压力传感器10包括多个膜18a-18f，每个膜固定在两个固定壁13a、13b及在这些视图中未示出的两个固定壁之间。固定壁13a、13b和未示出的壁是形成多个隔室的主体层，隔室由成对的相邻隔膜隔开。隔室中的第一个隔室和最后一个隔室由膜和作为主体的端盖的一部分的固定壁形成，但是中间隔室由成对的相邻隔膜提供。
比较图2和图3，其示出了同一微压力传感器10的两个操作状态，表明在第一模式中，测量高于参考的压力，并且在第二模式中，测量低于参考的压力。也就是说，当被致动时，隔室的每个膜可以围绕中心标称位置在两个相反方向上移动，当膜未被致动时，膜在该中心标称位置处休止。
微压力传感器10的膜上的电极(未在图1-3中明确示出)并联连接到电容测量电路32。具有由电介质(膜材料和隔室中的空气的电介质)分隔开的电极的两个膜的组合形成电容器。可以经由传统的电容测量电路32测量这些“电容器”的电容。可以例如通过控制器34在测得的电容和压力之间提供相关性。各种实施方式是可行的。
具有上述特征的微压力传感器可以使用各种方法制造，例如MEMS加工技术和所谓的卷对卷(R2R)加工。基于由微压力传感器10提供的特征和微压力传感器10的制造方法来选择用于微压力传感器10的材料。以下是选择微压力传感器10的不同部分的材料的一些标准。
传感器主体-用于主体的材料可由要求限定。通常，材料需要足够坚固或足够坚硬以保持其形状以产生隔室体积。在一些实施方式中，材料是可蚀刻的或光敏的，使得其特征可被定义和加工/开发。有时还希望材料与传感器中的其他材料良好地相互作用，例如粘附。此外，材料是不导电的。合适材料的示例包括SU8(负性环氧树脂抗蚀剂)和PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)抗蚀剂。
膜-该部分的材料形成填充和排放腔室中的流体的鼓膜结构。因此，要求材料在所需距离上来回弯曲或伸展并具有弹性特性。膜材料对于感兴趣的流体是不可渗透的，包括气体和液体，是不导电的，并且可以具有低或高击穿电压特征。合适材料的示例包括氮化硅和特氟隆。其他材料也是可能的。
电极-电极的材料是导电的。因为电极不传导大量电流，所以该材料可以具有高的电薄层电阻，尽管不一定需要高电阻特性。电极经受膜的弯曲和拉伸，因此，期望材料柔软以应对弯曲和伸展而不存在疲劳和失效。另外，电极材料和膜材料在操作条件下粘附良好，例如彼此不分层。合适材料的示例包括非常薄的金和铂层。其他材料也是可能的。
电气互连件-来自电容测量电路的电压传导到每个隔室的每个膜上的电极。可以使用导电材料(例如金和铂)构建到这些电极的导电路径。
其他材料-当MEMS加工用于制造微压力传感器时，可以使用牺牲填充材料，例如聚乙烯醇(PVA)。牺牲填充材料也可用于R2R加工中。在一些实施方式中，在制造过程中使用溶剂，这可能对微压力传感器的各种构件材料提出额外的要求。可以将一些电路元件印刷到膜上。通常，虽然上面已经指定了某些材料，但是可以使用具有与所述那些相似的性质的其他材料。
现在参考图4-7，示出了处于各个制造阶段的模块化堆叠微压力传感器50。该模块化的堆叠微压力传感器50是上面讨论的微压力传感器10的模块化实施方式。
参照图4，模块化堆叠的微压力传感器50包括堆叠的微压力传感器模块层52，以形成堆叠的微压力传感器的中间隔室和端盖层(54a、54b)。端盖54a、54b形成固定壁(类似于图1-3中的壁13a、13b)。模块层彼此堆叠，从而提供中间电极-膜层。每个模块层52(这里也称为可重复复合层)在这里的四个壁中的一个中具有开口56。模块层交替，使得一个层52中的开口56位于堆叠的微压力传感器的与相邻模块层中的具有开口的一侧直接相对的一侧，如图5中的主体层所示。
现在参考图5A，示出了具有通用参考60的多个主体层(仅参考前四个60a-60d)。每个主体层60具有围绕开口64的四个壁62a-62d。沿着两个平行的壁(例如62a、62c)设置孔63，孔63将用于与设置在膜上的电极(图5中未示出)进行选择性电接触，如下所述。主体层60在端盖54a和54b之间形成模块化堆叠的微压力传感器50的主体的中间部分(图4)。提供多个主体层60的视图以显示多个主体层60a-60d中相邻的主体层上的端口66a-66d的交错或布置。主体层60a的端口66a位于壁62b的第一侧，而相邻的主体层60a的端口66b位于壁62d的第一侧。下一个主体层60c的端口66c位于壁62b的第二侧，而相邻的主体层60d的端口66d位于壁62d的第二侧。
现在参照图5B，示出了整体以52标记的多个模块，每个模块支撑膜74和电极72(参考模块52中的第一个)。膜74固定到对应的主体层的壁62a-62d上，并沿着两个平行的壁(例如62a、62c)设置孔63，孔63用于经由突片75与电极72进行选择性电接触。在图5B中，还示出了在模块60a-60d中的相邻模块上的端口66a-66d的交错或布置以及使用穿过突片75的通孔的电极的连接的交错。
现在参考图6，示出了示例性模块层52。在该示例中，模块层52包括具有开口66a(以虚线示出)并且具有孔63的主体层60a，孔63示出为填充有导电材料70。电极72(如上所述)设置在膜层74上，膜层74固定到主体层60b的壁62a-62d上。电极72包括引线或突片75，以通过穿过孔63添加导电材料70形成的导电通孔连接到堆叠的微压力传感器主体外部的电容测量电路。主体层60、膜74和电极72与单个开口66的组合提供了可堆叠的模块层52。一个模块层52在另一个模块层52上的堆叠在其之间形成隔室21b-21f中的一个(图2-3)。
微压力传感器50的每个膜74相对于其中心标称位置在两个相反的方向上移动。因此，为了扩大或减小一对电极72之间的距离并因此增大或减小电容，膜74行进的距离小于例如通过堆叠两个模块层52提供的隔室距离(高度)的一半。结果，膜74经受较少的挠屈和较小的应力，导致较长的寿命并允许更多的材料选择。另外，因为膜74中的每一个仅承载一个电极72，并且电容被感测，在这些膜上的电极74可以连接，使得由电极74形成的电容器并联连接。并联连接的电容器增加了电容。因此，通过并联连接由膜和电极对形成的电容器，整个结构将具有更高的电容，因此如下所示，与由单个膜和一对电极形成的单个电容器相比具有更高的灵敏度。
膜74，端盖54a、54b(图4)和主体层60可以具有相同的尺寸，并且电极72可以具有比膜74或其他元件更小的尺寸。在一些实施方式中，膜74具有约微米乘微米至约毫米乘毫米的尺寸，以及约5微米的厚度。主体60的外部尺寸约为微米乘微米至毫米乘毫米，厚度为约50微米，内部尺寸约为微米乘微米至毫米乘毫米。主体的厚度限定了隔室的标称尺寸(类似于图1的隔室)。电极的尺寸基本上对应于主体的内部尺寸。在一些实施方式中，电极具有约2.25mm2的表面积和约0.01微米(100埃)的厚度。组装的模块层如图4所示。
根据必要的连接方案，电极层引线或突片75通过穿过孔63中的一个设置的通孔66将电极连接到测量电路。每个模块60具有与一个突片75接触的一个孔63。因此，使用四个模块的堆叠来接触四个孔中的每一个。因此，如图所示，顶部模块中的电极接触第一孔，并且堆叠中的第五模块中的电极接触如第一模块中的孔那样的处于对应位置中的孔。
电极74可以是预先准备好的片材，以附接到其他元件上。电极74可以直接形成到这些元件上，例如通过印刷或下面讨论的其他技术。因此，多个(例如，两个、三个或任何期望数量的)模块层堆叠在彼此的顶部上以在模块化堆叠微压力传感器50中形成多个中间隔室。在堆叠中，每个膜被主体隔开，并且每个主体被膜隔开。为了形成完整的模块化堆叠微压力传感器，端盖51a、54b放置在模块堆叠的顶端和底端中的每一个上，使得模块上的端盖形成模块化堆叠的微压力传感器的两个固定端壁，如图1和图4所示。
模块层堆叠可视为模块层，因此电容器并联连接。每个单独模块层的体积Vi或Ve较小。在一些实施方案中，甚至堆叠中所有层的总体积也相对较小。在一些实施方案中，可并联连接多个堆叠以增加总电容。类似地，单个微压力传感器的压力处理能力相对较低。即使堆叠中存在多个模块层，这些层也不会增加堆叠的总压力，因为它们并联连接。
参照图7，图6的中间隔室类似于图1-3的隔室，其使用主体层和对应的带电极的膜层形成，如图所示。在图7中，示出了端盖54a设置在模块52上方。
现在参考图8，示出了针对一个模块和七个模块层的电容计算值的示例性表。针对一个模块和七个模块微压力传感器，微压力传感器50计算的电容值以皮法为单位，其中间隔(电极之间的距离)和对应的压力以cm的水表示。在50微米的间隔时(休止状态)，一个电容器的电容为0.38pF，并且对于七个电容是2.68pF，具有0.00cm的水压。
图9和10示出了微压力传感器的示例性曲线图，其中图9绘制了针对一个和七个模块(电容器)的压力(cm的水)与以pF为单位的电容的关系。与一个电容器(模块)的电容范围相比，用如表中所示的七个模块，在相同的压力范围内提供更大的电容范围。图10示出了在微压力传感器的操作范围内电容与压力和间隔与压力的关系基本上是线性的。
用于生产微压力传感器的卷对卷加工
参考图11、11A，示出了卷对卷加工线100的概念图。加工线包括若干站，例如站1到站n(可以是或包括封闭的室)，在该站处进行沉积、图案化和其他加工。因此，在高水平观察的加工可以是添加型的(在需要的地方添加材料)或减少型的(在不需要的地方移除材料)。沉积加工包括蒸发、溅射和/或如果需要时的化学气相沉积(CVD)，以及印刷。图案化加工可以取决于要求的技术包括例如扫描激光和电子束图案生成、加工、光学光刻、凹版印刷和柔性版印刷(胶印)印刷，这取决于被图案化的特征的分辨率。喷墨印刷和丝网印刷可用于放置诸如导体的功能性材料。可以使用其他技术，例如冲压、压印和压花。
原始原料卷102是柔性材料制成的幅材(web)104。在卷对卷加工中，柔性材料幅材可以是任何这种材料，并且通常是玻璃或塑料或不锈钢。虽然可以使用任何这些材料(或其他材料)，但塑料具有比玻璃和不锈钢更低成本考虑的优点。具体材料将根据微压力传感器的应用来确定。在应用中，可以使用诸如不锈钢的材料或其他能够承受遇到的温度的材料，例如Teflon和其他可以承受遇到法人温度的塑料。
对于图1和4中所示的结构，根据所需的加工设置卷对卷加工线100内的站1至n。因此，虽然端盖和顶盖可以形成在幅材或塑料片材104上，但是在一种实施方式中在形成微压力传感器堆叠之后设置端盖和顶盖，如将要描述的。
塑料幅材(幅材)104用于通过在沉积站处在幅材104上沉积材料，然后通过图案化站来支撑主体(图4)。主体在成形站处形成。具有主体的幅材104具有在站处沉积在主体上的膜。在沉积站处在膜上沉积电极，其在图案化站处被图案化。在主体上设置具有被支撑在膜上的图案化电极的膜片材。通过沉积导电材料，例如金、银和铂层(或导电油墨，例如银油墨等)，提供用于连接到每个膜上的电极的电互连件。在一些实施方式中，一些电路部件被印刷到膜上。在完成制造之后，将幅材卷起(卷回到)卷取辊106上。
将具有微模块单元(具有电极和电连接件的主体和膜)的卷取辊106切割并且微模块单元被收集，组装成微模块堆叠，并通过包括端盖和顶盖来封装以提供图4中的微压力传感器。取决于幅材上的单元的布局，可以将模块单元的幅材折叠成单元的堆叠，在膜层上提供电极或者许多单元的整个层可以层压在一起以在被切割和封装之前产生堆叠。
膜材料需要在所需距离上来回弯曲或拉伸，因此应具有弹性特性。膜材料对于流体(包括气体和液体)是不可渗透的，是不导电的，并且具有高击穿电压。合适材料的示例包括氮化硅和特氟隆。
电极的材料是导电的。电极不传导大电流。电极经受膜的弯曲和拉伸，因此，期望材料柔软以应对弯曲和伸展而不存在疲劳和失效。另外，电极材料和膜材料在操作条件下粘附良好，例如彼此不分层。合适材料的示例包括例如金、银和铂层(或导电油墨，例如银油墨等)。释放材料可用于允许阀移动。合适的释放材料包括例如上述的牺牲填充材料。
参考图12A-12B，示出了另一种卷对卷加工方法120，以提供微压力传感器(图4)。微压力传感器具有膜，其在操作中挠屈。微压力传感器使用卷对卷加工制造，其中原料片材122(或多个原料片材)通过多个站以具有施加到片材(或多个片材)上的特征，并且随后卷取片材(或多个片材)直到形成可重复复合层的部分(参见图4-7)，以最终生产制造的微压力传感器的复合片材。
参照图12A，使用诸如玻璃或塑料或不锈钢的柔性材料制成的片材122用作幅材。对于微压力传感器的特定实施方式，材料是塑料片，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。该片材是50微米厚的PET片材。可以使用其他厚度(例如，片材122的厚度可以在例如25微米至250微米或更大的范围内)。厚度取决于微压力传感器的所需特性和卷对卷加工生产线的处理能力。这些考虑因素将对最大厚度提供实际限制。类似地，最小厚度取决于要构造的微压力传感器的期望特性以及在卷对卷加工线中处理非常薄的片材的能力。
对于微压力传感器10、50，这些层将具有如上所述的厚度，对于主体约为50微米，对于微压力传感器的膜元件为5微米。但是，其他厚度也是可能的。使用掩模或直接写入来对片材122进行微机械加工以配置激光烧蚀站124来限定或形成隔室以及对准孔(未示出，但将在下面讨论)。还提供通孔用于电连接。微加工烧蚀塑料以形成隔室，同时离开主体的框架部分。
现在参照图12B，具有限定的隔室的片材122在层压站处层压到第二片材126，例如5微米厚的PET片材，在片材的顶表面上具有100A的Al金属层。该第二片材126在由隔室的限定特征提供的主体上形成膜。第二片材126也被机械加工以提供对准孔(未示出)。
在将第二片材126层压到第一片材122之前，第二片材126还在一些将与主体结构60对准的区域上设置有若干随机分散的孔或观察端口(未示出)。这些随机分散的孔由机器视觉***使用，以显示和识别第一片材上的主体单元60的底层特征。通过记录通过随机孔识别的第一片材中的特征来生成数据。当从主体60上的层形成电极时，这些数据将用于对准第三烧蚀站。
在第一片材122上具有塑料并且第二片材126上具有塑料的区域中，第二片材126被层压并且因此粘附(或粘附)到第一片材122。此时，形成微压力传感器的可重复单元的复合片材128，但没有电极。
机器视觉***产生数据文件，激光烧蚀***使用该数据文件将激光烧蚀站与掩模(或直接写入)对准，使得来自激光烧蚀***的激光束根据掩模提供电极，电极与主体的对应部分配准。通过在不是电极和导体的一部分的区域中烧蚀金属来形成电极，在片材上留下隔离的电极和导体。因此，通过使用机器视觉***提供图案化电极与柱体的配准，该机器视觉***用于观察提供定位数据的层压结构的前侧上的特征，激光烧蚀***使用定位数据以通过使用行业内找到的通用技术光束与掩模对齐。
现在参照图12C，通过烧蚀沉积在形成膜的第二片材上的100A°Al层，将复合片材128送入激光烧蚀站以形成电极。根据掩模对复合片材进行图案化，以在主体的对应区域上限定电极。烧蚀站从金属层上烧掉金属，在片材上留下分离的电极。
包括四个垂直柱的夹具(未示出)可以安装到水平基座并用于堆叠各个切割模具。在夹具上提供端盖(例如，具有金属层的50微米PET片)，并且在端盖上提供第一可重复单元。可重复单元被点焊(应用局部加热源)以将单元固定在夹具上。随着每个可重复单元堆叠在先前可重复的单元上，单元被点焊。通过具有位于堆叠的一侧上的端口和位于堆叠的另一侧上的端口，并且端口由于阀的布置而交错，来提供堆叠，从而具有将堆叠中的每个端口分开的实心表面(参见图6)。一旦完成堆叠，就提供顶盖(未示出)。
将堆叠单元送至未示出的层压站，在层压站堆叠被层压，将所有可重复单元和盖层压在一起。端盖和顶盖也可以是封装的一部分。否则，可重复单元的组可以成对层压或焊接。用于组装的其他堆叠技术可以有或没有对准孔。
现在参照图13A、13B，示出了用于如上所述将模块上的图案化电极72互连的通孔导体70的细节。在这些图中，仅示出了具有通孔导体70的突片和电极72。为了便于理解通孔导体结构，未示出主体部分。通孔导体是堞形结构(castellated structures)，即，具有接触电极突片75的相对宽的区域和穿过电极72中的孔(未明确示出但参见图5A，5B)的相对窄的区域。通过使主体部分中的孔大于穿过电极部分的孔来提供这种布置。这可以分别在主体和电极的图案化阶段期间完成。通过将上述导电油墨引入孔中形成通孔导体70。
现在参照图14A，膜74对压力的敏感性通过材料的选择(例如，弹性模量)和材料的处理来实现。在一些应用中，通过改变膜74的物理特征来影响膜74的性质也是有用的。例如，电极的各种图案(例如二维螺旋或矩形螺旋等)可以加工到膜74中，以使膜更柔韧(与图5B的图案相比，其中电极72覆盖膜74的主要部分)，如图14A所示。在选择区域中，电极材料被机加工(激光加工)去除以提供蜿蜒的矩形螺旋图案化电极130，如图所示。在一些实施方案中，膜74的材料也可经机械加工以使膜74变薄，从而在那些区域中在膜74中留下通道132，如图14A中所示。
图14B中还示出了两个相邻的图案化膜74(如图14A中的顶部膜)，表示螺旋图案化电极130的金属彼此重叠，允许相邻膜和螺旋图案化的电极130形成电容器。当修改膜74时，应该理解，电容将根据去除的金属程度而不同，并且将考虑这些差异。
可以组合本文描述的不同实施方式的元件以形成上面没有具体阐述的其他实施例。元件可以在本文所述的结构之外而不会对其操作产生不利影响。此外，各种单独的元件可以组合成一个或多个单独的元件以执行本文所述的功能。其他实施例在以下权利要求的范围内。例如，在一些实施方式中，可能更期望加工膜的背侧。

Claims (23)

1.一种微压力传感器，包括：
主体，其具有限定腔室的第一对相对的壁和与所述第一对相对的壁正交的第二对相对的壁；
多个膜，每个膜具有在其表面上的对应电极层，所述多个膜布置在所述腔室中，并固定在所述主体的第一对相对的壁之间，以在所述腔室内提供多个隔室；
联接到所述多个隔室中的第一组隔室的第一组端口，所述第一组端口布置在所述主体的第一对相对的壁中的第一壁的对应部分中，所述主体的所述第一对相对的壁中的第二壁是所述主体的实心部分；和
联接到所述多个隔室中的不同的第二组隔室的第二组端口，所述第二组端口布置在所述主体的第一对相对的壁中的第二壁的对应部分中，所述主体的所述第一对相对的壁中的第一壁是所述主体的实心部分，
所述第一组端口是入口并且所述第二组端口是出口，所述第一组端口被配置为接收处于入口压力的流体，所述第二组端口被配置为接收处于参考压力的流体，使得多个膜根据入口压力和参考压力之间的压力差异而挠屈。
2.根据权利要求1所述的微压力传感器，还包括：
连接到所述主体的一对端盖，以界定所述腔室。
3.根据权利要求1所述的微压力传感器，其中，所述微压力传感器还包括：
连接到主体的一对端盖，
其中，所述第二对相对的壁与所述一对端盖和所述第一对相对的壁都正交以界定所述腔室。
4.根据权利要求1所述的微压力传感器，其中，所述多个膜中的第一组膜具有电连接的电极，所述多个膜中的第二组膜具有电连接的电极，并与第一组膜上的电极隔离。
5.根据权利要求1所述的微压力传感器，其中，所述第一组端口中的每个端口和所述第二组端口中的每个端口相对于相应的第一组端口和第二组端口中的前一个端***错。
6.根据权利要求1所述的微压力传感器，其中，所述微压力传感器配置为联接到电容测量电路。
7.根据权利要求1所述的微压力传感器，还包括：
电容测量电路，其配置为将测得的电容转换为压力测量值，所述电容测量电路包括：
控制器，其将测得的电容转换为所述压力测量值。
8.根据权利要求1所述的微压力传感器，其中，对于其中流体流的压力小于参考压力的欠压模式，从第一组端口出来的流体流导致所述多个隔室中的联接到所述第一组端口中的一个的第一个隔室压缩，并且导致与所述多个隔室中的所述第一个隔室相邻的至少一个隔室基本上同时膨胀。
9.根据权利要求1所述的微压力传感器，其中，对于其中流体流的压力大于参考压力的过压模式，进入第一组端口中的流体流导致所述多个隔室中的联接到所述第一组端口中的一个的第一个隔室膨胀，并且导致与所述多个隔室中的所述第一个隔室相邻的至少一个隔室基本上同时压缩。
10.根据权利要求1所述的微压力传感器，其中，所述主体和所述多个膜被设置为以堆叠形式布置的多个微压力传感器模块。
11.根据权利要求10所述的微压力传感器，其中，所述多个微压力传感器模块中的第一微压力传感器模块具有第一主体和来自第一组端口的第一端口，所述多个微压力传感器模块中的第二微压力传感器模块具有第二主体和来自第二组端口的第二端口，并且所述多个微压力传感器模块中的第三微压力传感器模块具有第三主体和来自第一组端口的第三端口，并且第一主体、第二主体和第三主体布置成堆叠。
12.根据权利要求11所述的微压力传感器，其中，所述第一端口和所述第三端口是由处于源压力的流体馈给的源端口，所述第二端口是由处于参考压力的流体馈给的参考端口。
13.根据权利要求11所述的微压力传感器，其中，所述第一端口位于所述第一主体的第一壁上，并且所述第一主体的其余壁是实心壁。
14.根据权利要求11所述的微压力传感器，其中，所述第二端口位于所述第二主体的第一壁上，并且所述第二主体的其余壁是实心壁。
15.根据权利要求10所述的微压力传感器，其中，所述微压力传感器配置为联接到电容测量电路。
16.根据权利要求10所述的微压力传感器，其中，微压力传感器具有第一膜和第二膜，所述第一膜和所述第二膜以及对应的电极具有图案化区域。
17.根据权利要求16所述的微压力传感器，其中，所述图案化区域包括膜材料中的一个或多个通道和作为电极的蜿蜒导体。
18.一种微压力传感器，包括：
主体，其包括各自具有多个壁的多个模块，所述模块布置成堆叠，其中每个模块支撑在其表面上具有对应电极层的膜，每个膜形成多个隔室；
进入所述多个隔室中的第一组隔室的一组入口，所述一组入口布置在第一组模块中的每一个的多个壁中的第一壁的对应部分中，所述第一组模块的其余壁是实心部分；
进入所述多个隔室中的不同的第二组隔室的一组出口，所述一组出口布置在第二组模块的多个壁中的第二壁的对应部分中，所述第二组模块的其余壁是实心部分，所述一组入口被配置为接收处于入口压力的流体，所述一组出口被配置为接收处于参考压力的流体，使得多个膜根据入口压力和参考压力之间的压力差异而挠屈；和
电容测量电路，其配置为将测得的电容转换为压力测量值，所述电容测量电路包括：
控制器，其将测得的电容转换为所述压力测量值。
19.一种用于制造微压力传感器的方法，所述方法包括：
图案化第一片材以从由柔性塑料材料制成的第一片材制造至少两个主体元件，每个主体元件在其壁中具有端口，主体元件的其余壁是实心壁，所述壁和其余壁限定腔室；和
将由携带导电电极材料的柔性塑料材料制成的第二片材层压到第一片材以提供至少两个复合层压元件的层压结构；
切割层压结构以将所述至少两个复合层压元件分开；和
将所述至少两个复合层压元件彼此堆叠以提供堆叠结构，其中主体元件中的第一主体元件的端口在微压力传感器的第一侧，主体元件中的第二主体元件的端口在微压力传感器的与第一侧相对的第二侧。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
图案化第二片材上的导电层以提供孤立的导电层的区域，孤立的导电层区域在第二片材上提供电极。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，切割层压结构产生所述至少两个复合层压元件；并且
堆叠所述至少两个层压元件以产生堆叠结构，同时将端口在堆叠的相对侧上交替；和
层压堆叠结构。
22.根据权利要求19所述的方法，还包括：
加工第二片材和/或第二片材上的电极以影响第二片材的柔性。
23.根据权利要求19所述的方法，还包括：
从第一卷柔性塑料材料馈给第一片材以产生第一主体元件；和
从带有导电电极材料的第二卷柔性塑料材料馈给第二片材。
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