CN1610823A - 用于流速计的压力感测装置 - Google Patents

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Abstract

一种改进的流速计板(6、7)，包括一个带单片式集成小型压力传感器的光滑感测表面(12)，这些传感器不与光滑表面(12)相冲突。由光滑表面(12)形成的压力感测膜片随着加在该表面上的局部压力而偏摆，由此可测量在板(16、17)之间被剪切的材料之未被干扰的局部压力。各压力传感器足够小，以至可以把被测量出的压力看成是与板的尺寸相比而言基本为局部的性质。从而测量出流体的法向应力差和粘滞性。膜(10)覆盖着一些凹坑或凹槽(13)，压力传感器位于此凹坑(13)内，以测量凹坑(13)上方的膜(10)的偏摆量。可使用电容性或别的传感器。流速计板可用作缝式流速计的一部分，其中缝的尺寸可变。

Description

用于流速计的压力感测装置
相关申请
本申请要求序号为No.60/335.375的临时专利申请的优先权，该临时专利申请名称为“用于流速计的压力传感装置”，于2001年10月31日申请。
技术领域
本发明属于压力测量装置领域，特别是流速计板一类的装置，它用于测量在剪切和限制流动过程中的流体局部压力。
背景技术
法向应力差和粘滞性是塑料和其它液体的重要特性，为了有效地处理这些液体需要考虑这些性能。一种测量法向应力差的方法是测量在剪切状态下流体在流速计板上的局部压力。流体是在一块静止板和一个旋转锥或板之间被剪切的。该静止板与一个弹簧相连，该弹簧响应被剪切液体的法向应力差产生偏摆。但是，在这种方法中，弹簧的偏摆使静止板和旋转锥之间的间隙发生变化。为了测量准确应使此间隙在测量过程中维持不变。为使间隙的变化最小化曾采用基本上为刚性的弹簧。不过，刚性弹簧需要有一个非常复杂的检测电路来精确地检测很小的偏摆量。可以用一个伺服***来自动补偿偏摆。但是伺服***反馈控制的响应时间有限是产生不确定性的一个来源，特别是在动态控制***中。检测电路的精度给流速计板的最小尺寸加上了一个限制，这个尺寸确定弹簧的偏摆量。换句话说，法向应力差的测量精度与板的尺寸和检测电路的精确度有关。
换一种方式，可以不用把弹簧安装在流速计板上来测量该板在液体对板的压力下产生的位移，而可利用板上装有两个和多个压力传感器的固定流速计板来测量液体在剪切过程中在板上安装压力传感器处所施加的压力。这种替换方法在下列文章中有描述：Ramachandran，S.和E.B.chriatiansen，AIChe，1985，31，162；Seong-Gi Baek，Ph.D.Thesis，University of Utah，1991；S.G.Baek，J.J.Magda，S.Cementwala，J.of Rheology，1993，37(5)，935。如这些参考文献中所述，是把一些单个的压力传感器安装在静止板上。但是，各单个压力传感器的感应膜片应安装得与静止表面齐平，以消除由于存在粗糙度而形成的对流动的干扰。因此，安装各传感器时应小心谨慎，以尽可能减小表面粗糙度。不过，通常不可能完全消除单个传感器安装在表面的表面粗糙度，所以由粗糙度产生的某些影响总是存在。
采用上述类型的流速计时，正确设定锥体和板之间的距离并在测量中保持不变，是获得高精确度的关键。目前的流速计中是用机械方法设定这个距离。首先把锥体降低至与板相接触。然后将锥体从接触点提升规定的距离以产生间隙。但是，目前的流速计并未提供在测量过程中监测锥***置的任何措施。
如不采用带使被测量的液体内产生剪切的旋转锥的流速计板，可以强迫液体通过流体通道，且作用于通道壁上的压力可以用与流速计板上的压力类似的方法测量。通常液体将被强迫通过具有固定尺寸的通道，且作用于通道壁上的压力将用装在壁上的压力传感器来测量。同样，应尽可能保持壁的光滑性。采用固定尺寸的流体通道可以提供对液体视在粘滞性的测量。如果接着强迫液体通过具有不同设定尺寸的流体通道的第二个装置，则可将测得的压力与第一次测量值相比较而计算出准确的粘滞性。
美国专利NO.5,983,727展示了一种测量液体在装置表面上的压力的装置。此装置的安装结构中有一个凹坑。一个弹性膜在凹槽上方延伸且至少有一个换能器安装在凹槽内，以测量膜在选定的几个膜区域上的偏摆。但是，在几个膜上区域测量偏摆，或者用几个传感器在同一凹槽内分别测量膜的不同区域，要求有较复杂的传感器。
发明内容
按照本发明，流速计板上的表面粗糙度可以通过在流速计板上提供几个单片式集成压力传感器而基本消除。该板形成一个单一的基本光滑的表面，产生将被测量的压力的液体就作用在该表面上。采用这种装置后法向应力差的测量精度仅与传感器的分辨率有关，而与板的尺寸无关。这样也可以采用较小的板来测量法向应力差。采用较小的板时因离心力小且不易破裂，阻止了液流不稳定性的发生，故可以达到较高的剪切率。此外，所需的样本数也较少。
微制造和微机械加工技术的进步，使我们可以将灵敏的固态电容性压力传感器和读出电路小型化。通过改变电容器的尺寸(间隙，尺寸)和偏摆膜的刚性，可以把电容性压力传感器制成具有很宽范围的灵敏度。读出电路是很关键的元件，而且有三种途径可以测量电容量：电容电桥(见J.M.McCreay and D.A.Sealer，Precision CapacitorMeasurement Techniques for Integrated Circuit Capacitor Arrays，IEEE Trans.Instrum.and Meas.，Vol.IM-28，pp.11-17，March，1979，和Watanable and G.C.Temes，Switched-Capacitor DigitalCapacitance Bridge，IEEE Trans.Instrum.And Meas.Vol.IM-33，pp.247-251，December，1984)；张弛振荡(见F.Krummennacher，HighResolution Capacitance To Frequency Converter，IEEE Journal ofSolid State Circuits，Vol.SC-20，No.3，June，1985，和M.Smith，L.Bowman，and J.Meindl，Analysis，Design and Performance of aCapacitive Pressure Sensor IC，IEEE Trans.On Biomedical Eng.，Vol.BME-33，No.2，pp.163-174，February，1986)，开关电容器(见G.J.Yeh，I.Dendo，and W.H.KO，Switched Capacitor InterfaceCircuit for Capacitive Transducers，Transducers 5，pp.60-63，June，1985)。我们把这些文献引用到这里作参考。
在本发明的一个优选实施例中，流速计板上开了一些腔体，使得板的光滑测量表面在腔体上方延伸以形成腔体的一端，它将根据加到腔体光滑表面上的压力而稍微有些变形。在每个腔体内形成一个单一的简单电容性压力传感器，以提供对腔体端部偏摆的测量，从而测量由经受试验的液体加到腔体表面上的压力。此腔体及压力传感器按需要置于板上，其位置和腔体数目选成可为用板进行的特定测试提供所需的测量。此板可用两层或多层固定在一起的材料形成并制造以形成所需的腔体和传感器。
本发明的一种优选加工方法可以是表面微机械加工或体微机械加工，或者它们的组合。一种采用体微机械加工的优选方法是利用弹性材料板或膜。在这种优选方法中，利用化学蚀刻或等离子蚀刻或其组合在板或膜内至少形成两个凹坑。然后把带凹坑的膜与一个基底组合使凹坑在板内形成腔体。在每个腔体内都形成电容性压力传感器。如需要可通过化学蚀刻，等离子蚀刻，化学或机械抛光(CMP)或者它们的组合，使膜进一步减薄以调整传感器的灵敏度。用表面微机械加工时，每个压力传感器是直接作在基底上。但是，在这种场合下，需要进行平面化，以保证板的液体接触面足够平滑。
另一种优选方法是通过化学蚀刻，等离子蚀刻或其组合在下基底上形成至少两个凹坑。再把基底与平顶板或膜组合使凹坑在板内形成腔体。在每个腔体内形成电容换能器。在组合之后，通过化学蚀刻，等离子蚀刻，电化学蚀刻，化学或机械抛光(CMP)，或它们的组合进一步将板减薄以调整灵敏度。
一种采用表面微机械加工的优选方法是在基底上至少形成两个凹坑。每个凹坑有一个导体且此导体构成电容器的下半部。电容器的上半部是通过淀积一个导体到电容器下半部的顶上而形成的，其间有一个牺性层。再通过化学蚀刻或等离子蚀刻将牺性层除掉以产生腔体。然后均匀涂覆基底以便平面化。
本发明的流速计板可用作与旋转锥联用的静止板以产生将被测量的剪切或者用作缝式流速计的通道壁。此外，本发明还包括一个新型的小型缝式流速计，它具有带几个台阶的缝或流体通道以提供可变的尺寸，以便能用单个装置精确测量粘滞性，而不必在两个或多个装置间转换。
这个流速计板可包括一个贴近式传感器或远距离传感器，以用电子方法检测锥体相对于板的位置，这样就可不必分别测量接触点。这种传感器可以进一步在测量过程中连续监测锥体的位置，这将大大改善测量的精度。
本发明的主要目的是提供一个带单片式集成压力传感器的流速计板，以便取消过去所必需的安装单个压力换能器或压力换能器带的步骤。这将提供一个表面光滑的板，它不会影响液体加到板上的压力。此外，压力测量传感器的小型化可使流速计板小型化。采用在芯片上或接近于芯片上的读出电路、模数转换器(ADC)、与主过程控制器通信的输入/输出界面(I/O)，以及在需要时采用与主处理控制器无线通信的遥测电路，可以通过使信噪比最小化而提高测量精度。在流速计板中可包含温度传感器用来测量温度变化，而且可安置多个温度传感器来测量沿板的温度梯度。此外，可将贴近式传感器做在流速计板内以检测和连续监控流速计板和锥体间的间隙。还可以提供附加的在芯片上的数据分析电路和***。
附图说明
以下附图显示实行本发明的目前最佳模式，其中：
图1是本发明一个组装好的流速计板的俯视平面视图，干的光滑液体接触板表面可随意认作顶面，并且把该板看成好象是透明的而显示该组装好的流速计板的各个内部元件；
图2是沿图1的2-2线切开的局部纵剖面；
图3是沿图1的3-3线切开的局部纵剖面；
图4是沿图1的4-4线切开的局部纵剖面；
图5是图1流速计板的底部晶片或基底的俯视平面视图；
图6是图1流速计板的顶部晶片或膜的仰视平面视图；
图7是与图1类似的俯视平面视图，但显示流速计板的另一种结构；
图8是与图2类似的局部纵剖面，但显示传感器结构的不同实施例；
图9是与图2类似的局部纵剖面，但显示板结构的不同实施例；
图10是与图2类似的局部纵剖面，但显示传感器结构的不同实施例；
图11是采用本发明的流速计板的流速计的侧面示意图，并表示本发明的流速计板如何可用作一个与流速计板隔开的锥体，以及一个在锥体和流速计板之间的待测样品；
图12是把本发明的流速计板当作一个零件的缝式流速计的透视图；
图13是图12的缝式流速计的纵剖面；
图14是缝式流速计另一个实施例的俯视平面视图；
图15是图14的缝式流速计的纵剖面。
具体实施方式
为测量处于界限分明的非扰动态下的流体局部压力以测定精确的法向应力差，希望有一个光滑的流速计板(液体就作用于此板上)，板内分布着一些压力传感器用以测量在压力传感器所在位置处的压力。为提供液体作用的光滑表面，本发明的流速计板是用膜(如由硅晶片做成的)来构成，以保持板的光滑表面，而且包含许多单片式集成压力传感器。可以采用各种形式的压力传感器，如电容性压力传感器。本发明的一个带电容性压力传感器的流速计板实施例显示于图1-6。单片式结构板由一个顶部晶片或膜10(图2，3，4)和一个底部晶片或基底11组成。顶部膜10最好是一个具有光滑顶面12的硅晶片，并经加工在其底面形成一些凹坑13，这样在这些凹坑13上面提供一些顶部膜材料的薄弹性段14，其间是一些厚的支撑段15。可以采用除硅以外的各种材料(如砷化镓)作为顶部晶片，它们可以用化学蚀刻剂或等离子蚀刻剂或两者的组合以可控方式蚀刻形成凹坑。根据被测液体的不同，可能希望用一种材料涂覆光滑顶面12，以阻止液体和表面之间产生化学或物理作用并/或防止该表面被液体冲蚀。底部晶片11可用玻璃材料(如制成粒的(corning)派热克斯玻璃(Pyrex)晶片#7740或Schott公司的BOROFLOAT)制成。形成底部晶片的材料应该是足够坚实以用作半导体或微机电***(MEMS)中的基底。
薄段14有足够的弹性，使局部未扰动的压力作用于顶晶片10薄段14的光滑表面12时产生轻微偏摆或变形。为了检测并测量薄段14的偏摆或变形，在每个凹坑或凹槽13内形成一个电容器，它由安装在凹坑13内薄段14上的电容器板16，及安装在凹坑13相对端的底玻璃晶片11上的另一个电容器板17在顶部和底部晶片相连时形成。当两晶片相连时，凹坑在由相连晶片形成的板内产生腔体。薄段14偏摆的变化使电容器板16和17间的距离改变，从而改变由电容器板形成的电容器的电容量。通过测量电容量和每个电容器的电容变化，确定薄段14各测量表面的偏摆。由此确定液体加到各薄段14上的压力，因为偏摆是由液体加到薄段上的压力引起的并与之成正比。
在顶部晶片10内的凹坑13可以采用光刻方法形成，然后用湿法化学蚀刻或干法等离子蚀刻或其组合以形成凹坑13。一旦凹坑形成后，将导电膜淀积在顶部晶片10的下表面上，这些导电膜形成各电容器的板16，接触垫18，和引线19，后者从各电容器板16伸出至与各接触垫18相连接(见图1，3，4和6)。需要时可做一个电介质层20(图3和4)，使各薄段14和电容器板16之间绝缘。应该指出，电介质层20是在淀积电容器板16之前形成在顶部晶片10的薄段14上。另外，虽然图中未显示出来，我们建议把电介质层20做得复盖顶部晶片10的全部侧面，以将晶片的硅与各引线及淀积在顶部晶片侧面上的其它元件绝缘。在图1-6的实施例中，4个电容器板16的组全部用相应的引线19平行连至各接触垫18(参看图1-6)。
为把电容器板16与测量电路相连，通过底部晶片11做出一些连接孔21(见图4)。可以按现有方式把引线连至接触垫18，并通过相应的孔连至外电路，但最好还是如图所示，将孔21镀一种导电材料22，由它在底部晶片11的内表面上形成一个接触片23，后者在底部晶片和顶部晶片相连时与顶部晶片的接触垫18形成电接触。电镀时还在底部晶片11的底部形成电接触垫24，可把导线或其它引线与之相连并连至所要求的电路上。在制作流速计板时，是在把顶部晶片和底部晶片连接之前将导电材料22和接触片23淀积到底部晶片11的内表面上，同时在连接两个晶片之后，通过溅射等方法将附加的导电材料淀积到孔21内和接触垫18上，以确保与接触垫18有良好的电连接并在底部晶片11的底面形成接触垫24。
形成底部晶片11上的电容器板17的导电膜，连同从各电容器板17伸出的引线25都被淀积在底部晶片11的内表面上。引线25与类似孔21的孔27的内接触片26相连。孔27具有内导电材料28和外接触垫29。每块电容器板17分别用一条引线25与各孔27相连，见图1和5。接触垫30也可以做在顶部晶片10的某些位置上，使之与引线25的端部和接触片26电接触，以确保它们之间良好的电接触。
电接地导体35从与孔21类似的孔37的内接触片36伸出。接触垫38可以做在顶部晶片10的某些位置上，使之与导线35的端部和接触片36电接触，以确保它们之间良好的电接触。接地导体的存在使装置中的噪声减小。
通常还希望有一个参考电容器40，用引线41和42与各孔44的相应接触片43相连。参考电容器40用一对电容器板做成，其间有一个电介质层被淀积在一块板上，图中所示为在底板11的内表面上。换一种方式，可以把一部分参考电容器淀积在底部晶片的内表面上，而其它部分淀积在顶部晶片的下表面。也可以把接触垫45做在顶部晶片10的某些位置上，使之与引线41和42的端部及各接触片43电接触，以确保它们之间良好的电接触。参考电容器的电容量不随流体压力的变化的影响，但于电容性传感器经受相同的温度变化，所以作为由于器件中温度的变化引起的电容变化的参考。
为防止凹坑13内压力随薄的部分14的运动而改变，底部玻璃晶片11可以包含一个空气通道50(见图1，2，和5)，它将所有的凹坑13与连通大气的气孔51相连。
液体的粘滞性一般随液体的温度变化。在许多情况下，被测液体样品处于高温之下，且在样品的不同部位内可能存在不同的温度。因而，测量流速计板的温度及在板内任意的温度梯度可以提高测量的精度。板的温度一般代表在温度传感器位置上与板接触的样品的温度。可以采用不同类型的温度传感器，如热偶计，热敏电阻，晶体管等，它们可通过在晶片10或11中的一个上淀积多晶硅而形成。或者也可象图中所示，用一个类似于参考电容器40的电容器来作温度传感器，因为电容量随温度而变化。例如，可以在底部晶片11的内表面上设置温度传感器55和56，用引线57将温度传感器55和56的相对两边与孔59的接触片58相连(见图1和5)。也可以在顶部晶片10的某些位置提供接触垫60(见图1和6)，使之与引线57和接触片58的端部电接触，以确保其间良好的电接触。通常把一个温度传感器(这里是传感器55)放在靠近流速计板的中心处，而让其它的温度传感器从中心径向朝外安置，以便测量可能存在的任何径向温度梯度。
如图所示，各种电容器板，导电引线，接触垫，绝缘层等或者淀积在顶部晶片10的下表面上，或者在底部晶片11的内表面。一旦各层淀积完毕，将顶部晶片10和底部晶片11通过低温玻璃结合法，低共熔混合物结合法，或者其它通常用于微机电***的方法静电连起来。如需要可在电容器板16和/或电容器板17上淀积一个氧化物膜65，以在板16和17之间提供一个绝缘层，以防止在压力过大时产生直接接触和短路。还可以在其它元件上淀积一个类似的氧化物绝缘层，以在两晶片相连时将晶片上的这些元件与另一晶片上的那些元件绝缘开来。
本发明的流速计板的一个主要用途是在具有一个静止板和一个旋转锥的流速计中。这类流速计如图11所示，静止流速计板69是一个本发明的圆形板，板上分布着一些压力传感器(见图1)，由底座70支撑着。旋转锥71由轴72支承，后者与一个马达或其它使锥体旋转的装置相连。锥体71安装得可以相对于板70升高和降低。样品73置于锥体71和静止板69之间。在测试中，锥体71旋转，而压力由静止板69中的压力传感器测量。对于这类流速计，使锥体和板之间的距离设置正确并在测量过程中保持不变是获得高精度的关键。对于现在这种类型的流速计，首先把锥体降低直至与板接触。然后将锥体从接触点升高一定距离以产生所需的间隙。我们发现，对于本发明的流速计板，可以在板内包含几个贴近式传感器74(最好是在板的中心内)，以测量锥体离板的距离。这样就可以把锥体容易而精确地设置在所需的离板的距离。另外，还可对该距离进行监控，并连续调整锥体71的位置以保持它在所需的离板的距离，从而获得比目前更精确的测量结果。
可以把各种类型的贴近式传感器做在本发明的流速计板内并用来测量距离。我们发现可以利用电容性传感器，但必须采用与前述电容性压力传感器不同的安排。另外，最好把传感器安置在流速计板的中心部位。如图1和3所示，顶部晶片10经处理后形成两个与晶片其余部分电气隔离的导体75和76，这是通过围绕导体75的绝缘层77和围绕导体76的绝缘层78而实现的。这些导体形成电容器的两块板，它们垂直于晶片10内的压力传感器电容器板设置。从图3的方位可看出，这些导体垂直伸过顶部晶片10。电容量将按锥体离板的距离成正比变化。引线81将导体75与接触垫81相连，而引线82将导体76与接触垫83相连。当顶部晶片和底部晶片相连接时，接触垫81和83相接触并与接触片84和孔85电气相连。
虽然在本发明可以采用各种材料和尺寸，但顶部晶片应至少为12μm厚使得顶部薄段至少有7μm左右厚，且凹坑至少约为5μm深。当顶部薄段用硅制成时，其厚度可在7至300μm左右的范围，且凹坑的深度可在5至300μm的范围。当底部晶片用玻璃片做时，底部至少应有约1mm厚，以提供组装板的刚性。当然，这些尺寸和所用的材料和特定结构有关，关键的因素是薄的区域有足够的弹性，以在预期的测量压力下产生变形，同时凹坑的尺寸应能为传感器结构和所用的传感器提供空间，而且总的来说，组装后的流速计板应有要求的刚性和灵敏度，以满足在特定场合下的具体使用。若标出的顶部晶片厚度比所希望的厚，最好通过化学蚀刻，干法等离子蚀刻，化学或机械抛光，或它们的组合，在顶部晶片和底部晶片连在一起后将顶部晶片减薄到所需厚度。每个电容性压力换能器的尺寸最好小于板长的1/4。板本身的尺寸也可以变化。用于如图11的流速计内的较满意的板是直径1英寸左右的圆板，但板可以大至4英寸。
作为一个例子，利用绝缘体上的硅(SOI)来制造顶部晶片10。此SOI包含400μm厚的处理硅，12μm厚的器件硅，及处在硅之间的2μm厚的埋入氧化物层。凹坑12先后采用光刻和蚀刻过程而形成在器件硅上。在将金属按大家熟悉的方式淀积在器件硅上并构图之后，把SOI用静电结合到处理过的Pyrex 7740晶片上。然后把处理硅和氧化物层蚀刻掉。根据所用的硅晶片类型不同，顶部晶片所牵涉到的工艺过程可以变化。另一个例子是利用带外延生长重度掺杂P++硅的硅晶片。P++硅用SF6/C4F8等离子蚀刻剂蚀刻成凹坑。然后把晶片粘接到经处理过的Pyrex晶片。接下来用KOH溶液或乙二胺焦儿茶酚(EOP)溶液将多余的硅除去。也可以用一种在顶层带外延生长薄n型硅的P型硅来制造顶部晶片。在将n型硅蚀刻形成凹坑后连至经处理过的Pyrex晶片。此后用电化学蚀刻将多余的P型硅蚀刻掉。
当用SOI晶片作顶部晶片时，在SOI器件硅内形成作为导电芯的电容性贴近式传感器的两个导体。导电芯通过形成于导电芯和器件硅之间的氧化物层而与器件硅在电气上分开。导电芯可以是高度掺杂的多晶硅。
传感器或换能器的灵敏度和可测量压力范围可能在一块特定板内是均匀的，或者可按任何所需的方式设计。例如，靠近板的一端或一边的传感器可以做得比靠近另一端的传感器更灵敏，或者在圆形板的情况下，板中心朝外或从一边至另一边逐渐变化。传感器的灵敏度可以通过改变可变形的薄段的厚度，改变凹坑的尺寸而改变，从而增加或减小薄板的尺寸，或者通过其它的适宜方法而改变。如果压力范围不均匀，则采用具有不同灵敏度且在单个板上可测量到最大压力的传感器，这是增加可达到的测试条件的一种很有效的方法。
用于如图11所示的流速计的流速计板的形状最好是圆形。然而，此板也可以是矩形，且在各种应用中，仍可采用如图7所示的矩形板。图7显示底部晶片88的内表面，且其结构类似于图5的底部晶片11。顶部晶片将为同样的矩形且在结构上与图6的顶部晶片10类似。这样的晶片可包含图5和6的晶片的全部特征，虽然在图中未特别表示出来。因此我们不再作详细描述。另外，压力传感器的尺寸最好小于板较长的长度的1/4。
也可以不在单个顶部晶片内形成凹坑(这时顶部晶片的薄段和支撑段形成为一个单个件)，而形成一个两件的顶部晶片，它包含一个基本上平的晶片90和一个其中形成有一些开口92的隔垫晶片91，从而将平晶片90和底部晶片93隔开，并形成与隔垫91内的开口92相对应的凹坑。这将构成与图1-6所示基本相同的流速计板结构。如图1-6所示，平晶片90可以是硅晶片，底部晶片93为玻璃制的。隔垫91可以是硅、玻璃、或其它材料，它为平晶片90提供所需的支持。隔垫可以是淀积在平晶片90或底部晶片93上的材料，淀积可用化学气相淀积(CVD)法、蒸发法、溅射法、或这些方法的组合。绝缘层94和电容器板95是淀积在平晶片90上，而电容器板96和绝缘氧化物层97是淀积在底部晶片93上。电容器板的连接和别的特征与图1-6所示的相似。
也可以不在顶部晶片内形成凹坑(见图1-6)来提供如图8所示的隔垫，而采用湿法化学蚀刻或干法等离子蚀刻或它们的结合来处理图9的底部晶片100，在底部晶片内形成凹坑101。一个电容器是在底部晶片100的凹坑101内淀积电容器板102而形成，其它的电容器板103是淀积在顶部晶片104上，最好其间有一个绝缘层105。顶部晶片104在整个板上的厚度是均匀的，且直接接触液体的表面是足够光滑的。顶部晶片104与底部晶片100相结合。可以淀积一个氧化物膜或别的绝缘膜106以防止短路或提供绝缘。在将较厚的顶部晶片和底部晶片结合在一起后，最好用化学或机械抛光、湿法化学蚀刻、干法等离子蚀刻、电化学蚀刻、或这些方法的组合来将顶部晶片104减薄。电容器板的连接及其它特征与图1-6所示者相似。
虽然目前都倾向于把各种电路和电路元件(如读出电路、信号发生器、ADC电路、I/O控制器、温度传感器、和/或遥测电路等)作在一个晶片内部或上面，这些电路可以分别安装在一个晶片上，或者把它们与带有从晶片延伸到这些电路的导线的晶片分开。如图1-6所示，各种电容器板、参考电容器、接地导线、温度传感器、和贴近式传感器导线都是通过底部晶片11内的孔电连接至底部晶片11底面上的接触垫。用户很容易接近这些接触垫。很容易用焊接等方法将导线与这些接触垫相连，并可将晶片上的各种元件连至各种需要的电路。上述各种电路和处理从板上传感器来的信号所需的各种电路是熟知的，这里就不再描述了。
如前所指出的，虽然到目前为止我们是以上面描述过的实施例为例说明电容性压力传感器，但也可以采用各种其它类型的压力传感器。例如，可以采用光学传感器(如法布里-帕罗(Fabry-Perot)干涉仪压力传感器)来代替电容性压力传感器，如图10所示。上述每个电容性压力传感器用一个Fabry-Perot光学压力传感器替代。在玻璃底部晶片或基底111内形成光学腔体110，方法是对腔体进行蚀刻后淀积一个局部透明层112到腔体的底面。在腔体的另一端顶部晶片或膜113上淀积了反射镜114。顶部膜和玻璃基底用静电方法结合(阳极结合)在一起。基底内安装了光纤115将光指向局部透明层112，一部分光通过局部透明层112进入腔体110并朝向反射镜114，另一部分光从局部透明层112反射回到光纤上。透过局部透明层的光被镜114反射回来且被反射的光通过局部透明层，并与直接从局部透明层反射的光形成一个干涉图形。这个来自干涉图形的光透过该光纤或一个独立的光纤进入检测器。干涉图形决定于反射镜的位置并随它而变化，此位置是加在腔体上的膜上的压力的一个指示。因此，返回光的强度是板上液体压力的一个指示。这儿和前面一样，压力传感器的尺寸最好小于板尺寸的1/4。最好传感器的灵敏度朝着传感器板的一端较小。此外，产生光的电路和光检测电路大家都熟悉，这里就不再讲了。
图12和13表示本发明的一种缝式流速计，其本体由底部120和顶部121组成。底部120有至少两个凹陷段，图13中所示为3个凹陷段122、123、和124，其深度各异，但宽度固定。这些凹陷形成一个液流通道。顶部121是本发明的一个流速计板，并包含一系列压力传感器125(图12)(在图13中还有凹陷126)，它们隔开这样一段距离，使至少两个传感器125安排得能在每个凹陷段122、123、和124内至少两个不同的位置测量压力。每个凹陷段都足够长，以保证在每段内有一个充分形成的流动。这些传感器安置成用来测量该充分形成的流动的压力。从图13可清楚看出，流速计板121的方位与图1-12中所示者相反。在先前实施例中称为顶部晶片的是晶片121a，其定位成构成板的底部，测量表面向下面对液流通道，而先前实施例中称为基底的是121b，其定位成构成板的顶部和流速计本体的顶部。很明显，本发明的流速计板可用于任何方位。
底部120的优选材料为硅、玻璃、或其它刚性良好的材料，它们可以用于半导体或微机电工艺中并能用湿法化学蚀刻、干法等离子蚀刻、或热模压或这些处理的组合加工。需要时也可以把底部120做成多层以形成沟槽122、123和124。为尽可能减少矩形沟槽两个侧面的影响，沟槽的宽度应比其间隙h大得多，最好比所有沟槽122、123和124的间隙大10倍以上。顶部121和底部120是分开制作，然后用静电结合(阳极结合)法、低温玻璃粘接法、低共熔混合物结合法、或其它视材料和结构而定的方法结合在一起。
图14和15表示一个缝式流速计，它由底部130和顶部131构成。底部至少有两个凹陷段(图中为3个下沉段132、133和134)，宽度各异但深度不变。这些凹陷形成一个液流通道。顶部131是本发明的一块流速计板并包含一系列压力传感器135(图14)(在图15中还有凹坑136)，它们相隔开以使至少两个传感器135安排得能测量每个凹陷段132、133和134内至少两个不同位置处的压力。每个段都足够长以确保每段内有充分形成的流动。这些传感器安置得能测量此充分形成流动的压力。各沟槽应制成使每个沟槽的宽度W与间隙之比在所有沟槽中都大于10。
在使用图示每个缝式流速计时，要用一种使被测试液体流过缝式流速计内由凹陷形成的流体通道的装置来产生液体流动。这类装置可以是泵或别的给被测试液体加压的能源。在液体流动过程中，在压力传感器位置处由液体所施加的压力通过每个传感器测量，并可根据测量值用大家熟知的方法确定视在粘滞性和准确的粘滞性。
如图12和14所示，由不同尺寸凹坑所形成的较大和较小的流体通道的方向是相反的。液流按什么路径通过缝或流动通道没有什么差别。用来确定视在粘滞性的需要测量的重要流动特性是在一个特定尺寸的凹陷内由两个传感器所感测的压力差。比较在不同尺寸凹陷内的测量值可用来确定液体的准确粘滞性。虽然两个不同尺寸的凹陷将可提供相当精确的准确粘滞性值，但凹陷越多精确度越高。存在两个或更多的凹陷还可以在一次测量中测量多个剪切率下的粘滞性。不过，精度的增加将被更多凹陷所增加的费用所抵消。采用本发明的缝式流速计的整体凹陷，凹陷增加的费用比以前的方法有所降低(以前是采用具有不同尺寸缝的分离装置)，但仍然要为凹坑的增加而提高费用。通常用2或3个凹陷可以在一般所需的范围内获得极高的精度。
虽然上述实施例是结合顶部晶片和底部晶片上各种元件的位置和相对尺寸而作的有些示意性的说明，但应明白，可以按任何现有方式或任何研制的方式形成和定位各种元件和轨迹。因此，可以把各种元件或轨迹淀积在晶片的表面上或者埋在晶片内。
尽管本发明在这里是参照一些可看成是实现本发明的最佳模式的实施例而展示和描述的，但应明白，在将本发明应用于不同实施例时，可以作各种改变而不脱离这里所说明的发明构思。

Claims (26)

1.一种具有一些处于其中的分开位置处的压力传感器的板，用来测量在压力传感器所处位置处作用于板的测量表面上的压力，此板包括：
一具有测量表面的板，液体可以作用于该表面上；
一些在板内的腔体；
板的测量表面的可变形部分在腔体上方延伸，并根据施加到测量表面可变形部分的压力可弹性变形到腔体内；及
与可变形部分协同工作的传感器，用来感测此可变形部分的变形，可变形部分的变形是施加到此可变形部分的压力的指示。
2.如权利要求1所述的具有一些压力传感器的板，其中测量表面是由与基底固定的晶片形成的。
3.如权利要求2所述的具有一些压力传感器的板，其中腔体是由形成于晶片内的凹坑产生的，此凹坑产生晶片的一些薄的部分，这些薄的部分伸展在凹坑上方延伸并形成测量表面的可变形部分。
4.如权利要求2所述的具有一些压力传感器的板，其中腔体是由形成于基底内的凹坑产生的，其中部分晶片在基底内凹坑的上方延伸，在凹坑上方延伸的那部分晶片形成测量表面的可变形部分。
5.如权利要求2所述的具有一些压力传感器的板，还包含处于晶片和基底之间的隔垫，其中腔体是由通过隔垫延伸的开口产生的其中部分晶片在隔垫内的开口上方延伸，这部分在隔垫内开口上方延伸的晶片形成测量表面的可变形部分。
6.如权利要求2所述的具有一些压力传感器的板，其中测量表面的可变形部分形成每个腔体的一面，且基底形成每个腔体的对面，并且其中传感器是电容性传感器，由每个腔体内测量表面的可变形部分上的电容器板和每个腔体对面的基底上的电容器板组成。
7.如权利要求6所述的具有一些压力传感器的板，其中电容器板是由淀积在腔体两相对面的导电层形成的。
8.如权利要求7所述的具有一些压力传感器的板，还包括一些导电引线，这些引线从每块电容器板延伸至接触垫，接触垫用于与传感器电路相连。
9.如权利要求2所述的具有一些压力传感器的板，其中测量表面的可变形部分形成每个腔体的一面，基底形成每个腔体的对面，且其中传感器是光学传感器，由每个腔体测量表面的可变形部分上的反射镜，每个腔体对面的基底上的部分透明层，将光导向部分透明层的光源和传感器组成，其中一部分光透过部分透明层至反射镜，一部分光从部分反射镜反射回去，使得至少一部分传递到反射镜的光被反射回来透过部分透明层并与从部分透明层反射的光相互作用产生干涉图形，传感器用来感测干涉图形中一个固定位置处的光强，感测到的光强是可变形部分的变形量的指示。
10.如权利要求1所述的具有一些压力传感器的板，还包括在测量表面上的保护层。
11.如权利要求1所述的具有一些压力传感器的板，还包括把每个腔体与大气相连的空气通道。
12.如权利要求1所述的具有一些压力传感器的板，还包括板内的贴近式传感器，用来测量被感测目标离测量表面的距离。
13.如权利要求12所述的具有一些压力传感器的板，其中贴近式传感器是电容性传感器。
14.如权利要求1所述的具有一些压力传感器的板，其中每个可变形部分的长度小于板长的1/4。
15.如权利要求1所述的具有一些压力传感器的板，其中所述传感器中不同的传感器的测量灵敏度是变化的。
16.一种压力传感器，包括：
具有正反面的晶体，一面形成一个光滑的测量表面，液体可对此表面施加压力；
一些从测量面的反面延伸至晶片内的凹坑，这些凹坑在各单个的凹坑的端部和光滑测量表面端部形成晶片的薄的可变形部分，这些薄的可变形部分随施加于单独凹坑上方的光滑测量表面上的压力相对于单个的凹坑可以变形；及
与这些凹坑中的单个凹坑相连的检测器，用来检测晶片薄的部分相对于单个凹坑的变形量，并提供指示施加于薄段的压力的输出。
17.如权利要求16所述的压力传感器，还包括安置在对着测量面的晶片一面上的基底，该基底在那些凹坑上方延伸，且其中用于凹坑的检测器包含一种处在凹坑内的薄段上的导电材料，同时基底上的凹坑内的导电材料延伸到凹坑的上方，凹坑内的导电材料构成一些电容器，其电容量随薄段的变形而改变。
18.如权利要求16所述的压力传感器，其中晶片是由有一些开口穿过其中的隔垫和与该隔垫相连并在其中的开口上方延伸的薄晶片构成，薄晶片形成光滑的测量表面和晶片在隔垫内的开口上方延伸处的薄的部分，隔垫内的开口形成凹坑。
19.一种压力传感器，包括：
基底；
一些从基底的连接表面延伸到基底内的凹坑；
具有正反面的晶片，一面形成光滑的测量表面，液体可施加压力到此面上，相反的一面与基底的连接表面相连，在凹坑上方处延伸的晶片形成一些薄的可变形部分，该薄的可变形部分根据施加于单个凹坑上方的光滑测量表面的压力相对于单个凹坑可以变形；及
一些与所述一些凹坑中的单个凹坑相连的检测器，用来检测晶片薄的部分相对于单个凹坑的变形量并提供一个输出，显示加到薄段上的压力。
20.如权利要求19所述的压力传感器，其中用于凹坑的检测器包含一种凹坑上延伸的薄段上的凹坑内的导电材料，和在基底上的凹坑内的导电材料，在凹坑内的导电材料形成一些电容器，其电容量随薄段变形而改变。
21.一种缝式流速计，包括：
本体；
一些处于本体内的凹陷，每个有不同的尺寸并串联在一起，形成穿过本体的流动通道；
使液体流过凹陷的装置；及
一些压力传感器，它们与每个凹陷相连，用来提供凹陷内的流体在与凹陷相关的每个压力传感器位置处对凹陷施加的压力指示。
22.如权利要求21所述的缝式流速计，其中有至少两个凹陷。
23.如权利要求21所述的缝式流速计，其中有至少两个压力传感器与每个凹陷相连。
24.如权利要求21所述的缝式流速计，其中每个凹陷具有不同的高度。
25.如权利要求21所述的缝式流速计，其中每个凹陷具有不同的宽度。
26.一种制造带一些压力传感器的板的方法，包括以下步骤：
提供晶片和基底；
在晶片或基底之一内形成一些凹坑；
在凹坑形成传感器元件；
把晶片和基底连起来按一定方式形成此板，使得凹坑在板内形成一些腔体，晶片的薄的可变形部分构成每个腔体的一部分，所述薄的可变形部分随着施加在板上的液体压力相对于腔体变形，且传感器各元件安置在凹坑内以测量各薄段的变形量。
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