CN104568243B - 复合范围压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种复合范围压力传感器，包含一底板、一主体、一可动感测结构、多个第一压感组件及多个第二压感组件。主体设于底板且具有一镂空部。可动感测结构与主体及底板配合界定一第一空腔，其内部形成一第二空腔，并包括一薄膜，设于主体并覆盖镂空部；及一挡止块，设于薄膜与底板之间。第一压感组件设于薄膜且位于第一空腔对应第二空腔以外的区域。第二压感组件形成于薄膜对应第二空腔的区域。薄膜受压而形变并连动挡止块；于压力大于一压力门坎值时，挡止块抵于底板而使薄膜位于第二空腔的区域呈现较大的形变变化量。前述结构能对薄膜提供高压侦测时的保护机制来增进传感器的耐用程度。通过单一薄膜与特定结构的配合，有助于压力传感器的体积微型化。

Description

复合范围压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，特别是指一种具有复合感测范围的压力传感器。

背景技术

以微机电工艺制作的压阻式压力传感器(piezoresistive pressure sensor)是一般常见的微型压力计，目前已广泛应用于消费性电子产品、车用电子产品、医疗电子产品及工业电子产品等应用领域。为了扩大压力计的感测范围，众多文献已提出复合压力范围侦测的压力计设计，如欧洲专利申请号第EP81304204.1号申请案提出的压力传感器，是根据双薄膜(diaphragm)、双空腔(cavity)的设计，借以进行不同范围的压力侦测。但此种压力传感器未针对感测压力的薄膜提出安全保护的相关设计，因此若在压力较大的情况下进行压力感测，则可能因薄膜的形变量过大而导致薄膜的损伤。此外，在该压力传感器中，其双薄膜与双空腔是以并排的方式配置，此设计会导致传感器的面积增加，而不利于传感器的微型化发展。

又如美国专利公告号第US 7856885号专利案提出的压力传感器，其采用单薄膜、单空腔的设计，且压感薄膜的设计为外围较厚、内层较薄，因此能通过薄膜厚度的差异化分布，区分高压下与低压下的主要感测区域，以提供复合压力范围的感测模式。但此种压力传感器也未针对薄膜提出压力超载时的保护机制，且薄膜厚度分区变化的结构特征会造成制造上的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合范围压力传感器，该复合范围压力传感器针对感测压力的薄膜提供高压侦测时的保护机制，能增进传感器的耐用程度，解决现有压力传感器容易损坏的问题。此外，本发明的复合范围压力传感器通过单一薄膜与特定结构的配合，实现通过单一薄膜进行复合压力范围的感测，有助于压力传感器的体积微型化，并维持不同压力范围的侦测灵敏度与线性度。

本发明复合范围压力传感器，包含一底板、一主体、一可动感测结构、至少一个第一压感组件及至少一个第二压感组件。该主体设置于该底板上，具有一上下贯穿的镂空部。该可动感测结构设置于该主体上，而与该主体及该底板共同界定一第一空腔，并于其内部形成至少一个第二空腔。该可动感测结构包括一薄膜及一挡止块。该薄膜设置于该主体上并覆盖该镂空部。该挡止块相连于该薄膜且设置于该薄膜与该底板之间，并与该底板间隔一定距离。该第一压感组件设于该薄膜且位于该第一空腔上对应该第二空腔以外的区域。该第二压感组件设于该薄膜且对应于该第二空腔上的区域。

根据上述结构，该薄膜受压力而形变并连动该挡止块移动。于受测压力小于一压力门坎值时，该薄膜位于该第一空腔上的区域具有较大的形变变化量，所以主要从该第一压感组件测得当下的压力值。于受测压力大于该压力门坎值时，该挡止块抵于该底板而使该薄膜位于该第二空腔的区域有较大的形变变化量，因此主要从该第二压感组件测得该较大的压力值。

较佳地，该可动感测结构的第二空腔是由设于该挡止块的一凹槽所形成。

在一实施态样中，该可动感测结构的第二空腔是由设于该薄膜且位置对应该挡止块的一凹槽所形成。

在一实施态样中，该可动感测结构还包括一接着体，该接着体至少设于该薄膜与该挡止块之间，且该可动感测结构的第二空腔是由设于该接着体且对应该挡止块位置的一凹槽所形成。

较佳地，该第二压感组件设于该薄膜上邻近与该挡止块的连结处，并对应该第二空腔的位置。

在一实施态样中，该第一空腔与该第二空腔为密闭空间。

在一实施态样中，该第二空腔为密闭空间，而该底板贯穿形成一连通于该第一空腔的穿孔，该穿孔使该第一空腔连通于外。据此，复合范围压力传感器能在低压范围及高压范围中量测不同特性的压力值。

在一实施态样中，该底板贯穿形成一连通于该第一空腔的穿孔，且该可动感测结构形成一连通该第一空腔与该第二空腔的通道，该穿孔与该通道使该第一空腔、该第二空腔连通于外。据此，第三实施例的复合范围压力传感器能测得特性相异于第一、第二实施例的压力值。

在一实施态样中，该可动感测结构还形成一连通该第一空腔与该第二空腔的通道，该第一空腔与该第二空腔相互连通且不连通于外。

较佳地，于上述实施态样中，该底板于对应该挡止块的位置还形成至少一个朝该挡止块凸伸的凸块。

较佳地，该第一压感组件与该第二压感组件是由离子布植工艺形成于该薄膜的压阻组件。

较佳地，该薄膜能受压变形并连动该挡止块移动，且于压力大于一压力门坎值时，该薄膜往该底板方向的形变会使该挡止块抵于该底板。

本发明的有益效果在于：通过该薄膜与该挡止块的设置，本发明复合范围压力传感器能在不同的压力范围中进行压力感测，且挡止块能确保薄膜在高压下不易受损，而增进其耐受性。而单一薄膜与单一空腔(指第一空腔，第二空腔包含于第一空腔之中)的设计，有助于复合范围压力传感器的体积微型化。此外，通过上述构件的配置调整，复合范围压力传感器能在不同压力范围中呈现线性量测结果并维持量测的灵敏度，而提升传感器的性能。

附图说明

图1是一俯视图，说明本发明复合范围压力传感器的第一实施例；

图2是该复合范围压力传感器沿图1的II-II方向的剖视示意图；

图3与图4是侧视示意图，说明该复合范围压力传感器的压力感测动作过程；

图5是一侧视示意图，说明该第一实施例的其中一种变化实施态样；

图6是一侧视示意图，说明该第一实施例的另一变化实施态样；

图7是一侧视示意图，说明本发明复合范围压力传感器的第二实施例；

图8是一侧视示意图，说明本发明复合范围压力传感器的第三实施例；

图9是一侧视示意图，说明本发明复合范围压力传感器的第四实施例。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

有关本发明的前述及其他工艺内容、特点与功效，在以下配合参考图式的四个较佳实施例的详细说明中，将清楚地呈现。

第一实施例

参阅图1与图2，为本发明复合范围压力传感器1的第一较佳实施例。复合范围压力传感器1由微机电工艺配合半导体制程工艺制作，能用于双重压力范围的压力值感测，主要结构包含一底板2、一主体3、一可动感测结构4、至少一个第一压感组件411(此处以4个为例)、至少一个第二压感组件412(此处以4个为例)及多条导线71、72。该可动感测结构4设置于主体3上，与主体3及底板2相互配合界定一第一空腔5，其内部形成至少一个第二空腔6(以下以一个第二空腔6为例进行说明，但第二空腔6也能够是两个以上相互不连通的空腔，不以特定实施态样为限)，并包括一薄膜41、一挡止块42及一接着体43等结构。

底板2的主要材质为玻璃，并于对应挡止块42的位置形成多个朝挡止块42凸伸以供挡止块42顶抵的凸块21，所述凸块21的设置能避免挡止块42接触、贴附于底板2后，不易与底板2分离的问题。本实施例中，底板2虽以玻璃为主要材质，但底板2只要选用能提供承载作用并能与主体3结合的材质即可，不以特定的材质为限。

主体3设置于底板2上，主要材质为硅，并于中央部位形成一上下贯穿的镂空部31。

薄膜41的主要材质为硅，能根据承受的压力而产生对应的挠曲形变，其设置于主体3上并覆盖主体3的镂空部31。

挡止块42的主要材质为硅，设置于薄膜41与底板2之间，在薄膜41未形变的状态下与底板2间隔一定距离，并位于第一空腔5中。于此处的实施态样中，挡止块42的顶侧设有一凹槽421，因此该凹槽421由薄膜41、接着体43覆盖后即形成一第二空腔6。

接着体43至少设于薄膜41与挡止块42之间，此处其设于薄膜41与主体3之间以及薄膜41与挡止块42之间，以作为薄膜41与主体3、挡止块42固着接合的媒介体。

第一压感组件411形成于薄膜41上，其为通过离子布植工艺制作的压阻组件(例如在硅薄膜41上局部掺杂硼而形成)，其位于第一空腔5上对应挡止块42(也能够是第二空腔6)以外的区域，且对称地分布于薄膜41上，于该区域的薄膜41受压变形时产生对应的阻值变化，以供检测当下的压力值。较佳地，本实施例将上述第一压感组件411设于薄膜41上邻近于与主体3的连结处，此处于薄膜41受压变形时具有较大的形变变化量，是较适合设置第一压感组件411的位置。

第二压感组件412也是由离子布植工艺形成于薄膜41上，其位于第二空腔6上的区域，且对称地分布于薄膜41上，能应用在侦测不同于第一压感组件411的压力值范围。较佳地，所述第二压感组件412设于薄膜41上邻近与该挡止块42的连结处，此处也会在薄膜41受压变形时具有较大的形变变化量，适合用于设置压感组件。

导线71、72设置于薄膜41上，分别对第一压感组件411、第二压感组件412形成连接线路，以供第一压感组件411、第二压感组件412与外部电路(图中未绘制)的信号传递。

参照图2、图3及图4，于本实施例中，复合范围压力传感器1的底板2、主体3与薄膜41是通过接合工艺结合，主体3与薄膜41是由接着体43相接，且第一空腔5与第二空腔6为密闭空间并大致具有相等的内部压力(例如一大气压，但不以此压力值为限)。薄膜41受压(例如大于一大气压的压力)往底板2的方向挠曲变形时，会连动挡止块42对应动作，且于不同的压力范围，薄膜41的主要形变特征会分别呈现在第一压感组件411区域(低压状态下)或是第二压感组件412区域(高压状态下)，因此使用者能通过薄膜41上的第一压感组件411、第二压感组件412的压阻值变化，判断不同压力范围中的受测压力值。

参照图2，具体而言，当外在的受测压力与第一空腔5、第二空腔6的内部压力大致相同时(例如都是一大气压)，此时薄膜41两侧的受压程度对等，因此薄膜41的形变程度几乎能够忽略不计。

参照图3，当受测压力大于第一空腔5、第二空腔6的内部压力并小于一压力门坎值时，薄膜41会开始往底板2的方向挠曲凹陷产生形变，并带动挡止块42往底板2趋近但不接触底板2，此时薄膜41对应第一空腔5的外围区域(图中标示A处)的形变量及形变变化量大于对应第二空腔6的中央区域(图中标示B处)，因此主要从第一压感组件411的阻值感测，得知当下的绝对压力值。

参照图4，当受测压力大于前述的压力门坎值时(也就是说处于较大的压力范围中)，薄膜41朝底板2的挠曲形变已达挡止块42的底面抵于底板2的凸块21的程度，此时薄膜41外围区域(A处)的形变量已达一相对极大值，而中央区域(B处)的形变量还未达到相对极大值，因此薄膜41外围区域再继续变形的形变变化量相对较小，而中央区域再继续变形的形变变化量相对较大，所以此时复合范围压力传感器1主要是从第二压感组件412的压阻值量测，分析当下的绝对压力值。

根据前述说明，本发明通过将中空挡止块42设置于薄膜41底面的设计，能够让薄膜41在不同压力范围中，呈现相异的形变及压阻感测特性，因此能根据此结构设计通过第一压感组件411、第二压感组件412进行不同压力范围的压力值量测。此外，在受测压力较大的受测环境中，薄膜41往底板2方向的形变量会受限于挡止块42往底板2的位移量而有所局限，且其中央区域(图3、图4中标示B处)的形变能够受到挡止块42的支撑，因此不易因过度挠曲而产生损伤，而能提升复合范围压力传感器1的耐用程度。

在此要补充说明一点，本实施例中，凸块21的结构虽然是设置于底板2上，但凸块21的结构也能够设计为形成于挡止块42底面并朝向底板2凸伸，同样能避免挡止块42接触于底板2后，因贴附于底板2上而不易分离的问题，所以凸块21的实施方式能视需要而调整，不以特定方式为限。

另一方面，本实施例中挡止块42设置于薄膜41的对称中心，且第一压感组件411与第二压感组件412对称地分布于薄膜41上，但挡止块42、第一压感组件411、第二压感组件412的设置位置能够依据需要而对应调整，不以本实施例的说明内容为限。

参照图5，为本实施例中复合范围压力传感器1的一种变化实施态样，其与前述实施态样的差别在于，可动感测结构4的第二空腔6是由设于薄膜41且位置对应挡止块42的一凹槽421所形成，此种结构设计也能执行前述的压力感测功能。

参照图6，为本实施例中复合范围压力传感器1的另一种变化实施态样，此处，可动感测结构4的第二空腔6是由设于接着体43的一凹槽421所形成，此种设计也能够用来执行前述的压力感测功能。

综合上述内容，于第一实施例中，复合范围压力传感器1具有多种能够据以实施的变化实施态样，并不以特定的结构为限。

第二实施例

参照图7，为本发明复合范围压力传感器1’的第二较佳实施例。于第一较佳实施例中，第一空腔5、第二空腔6均为具有特定内部压力的密闭空间，其内部压力无法轻易改变，且复合范围压力传感器1测得的受测压力是相对于第一空腔5、第二空腔6的封闭内部压力的压力值。在第一空腔5、第二空腔6的内部压力均为一大气压的情况下，第一实施例的复合范围压力传感器1能够视为一密闭空腔式的绝对压力传感器(absolute pressuresensor)。而在第二较佳实施例中，第二空腔6虽维持密闭空间的设计，但该第一空腔5则调整为非密闭的空间。

具体来说，于结构方面，相较于第一实施例的复合范围压力传感器1的实施态样，本实施例中复合范围压力传感器1’于底板2还贯穿形成一连通于第一空腔5的穿孔22，该穿孔22使第一空腔5连通于外，因此第一空腔5中的压力等同于其连通的环境压力。当受测压力小于压力门坎值而属于低压范围时(挡止块42未接触底板2的状态)，薄膜41外围区域的形变是根据其两面的压力差而对应挠曲，所以从第一压感组件411感测到的压力是受测压力与第一空腔5压力的相对压力值。而在受测压力大于压力门坎值而处于高压范围中时(挡止块42接触底板2的状态)，由第二压感组件412所测得的压力则为受测压力与第二空腔6的相对压力值。

在第一空腔5的压力不等于一大气压且第二空腔6的内部压力为一大气压的条件下，受测压力处于低压范围时其量测结果属于相对压力值的量测，而受测压力处于高压范围时其量测结果属于绝对压力值的量测。也就是说，于第二实施例中，通过穿孔22的形成，就能让复合范围压力传感器1’执行不同的压力类型量测。

第三实施例

参照图8，为本发明复合范围压力传感器1”的第三较佳实施例。于本实施例中，第一空腔5、第二空腔6均为非密闭空间，因此其构造与前述实施例有所差异。

具体来说，相较于前述第二较佳实施例，本实施例中复合范围压力传感器1”的挡止块42还贯穿形成一连通第一空腔5与第二空腔6的通道422，穿孔22与通道422使第一空腔5、第二空腔6均连通于外，所以第一空腔5、第二空腔6的压力各等同于其连通的环境压力。因此，不管在低压范围或高压范围中，从第一压感组件411、第二压感组件412所测得的压力均为受测压力与第一空腔5、第二空腔6的压力的相对压力值，而与前述第一、第二实施例的量测特性有所差异。

第四实施例

参阅图9，为本发明复合范围压力传感器1”’的第四较佳实施例。于本实施例中，第一空腔5、第二空腔6相对于外界环境是密闭空间，但两者彼此连通，因此结构与前述第一较佳实施例有所差异。

具体来说，相较于第一实施例，本实施例的复合范围压力传感器1”’于挡止块42贯穿形成一连通第一空腔5与第二空腔6的通道422，通道422使得第一空腔5与第二空腔6相互连通，因此会使第一空腔5与第二空腔6的内部压力相同。但由于本实施例不像第三实施例，于底板2贯穿形成穿孔22，因此本实施例中第一空腔5与第二空腔6虽然彼此相互连通，但相较于外界环境仍属于密闭空间。据此，本实施例的复合范围压力传感器1”’能够用于不同于前述三个实施例的压力感测应用。

综上所述，在以上四个实施例中，本发明通过挡止块42的设置，让薄膜41在高压环境或低压环境中呈现不同的形变特性，而能通过单一薄膜41实现复合压力范围的绝对压力值或相对压力值的量测。

此外，在高压环境中，挡止块42的位移量受限于底板，能够有效控制薄膜41的变形程度，对薄膜41产生保护作用，而提升复合范围压力传感器1的耐用程度。

再者，本发明复合范围压力传感器1能够被视为单一薄膜(薄膜41)、单一空腔(第一空腔5)的设计，有利于压力传感器的微型化发展。

另一方面，通过薄膜41、挡止块42、第一压感组件411、第二压感组件412等构件的配置调整，本发明复合范围压力传感器1能够维持不同压力范围下的侦测灵敏度与线性度，而实现高性能的压力感测表现。

综上所述，本发明复合范围压力传感器1、1’、1”、1”’的结构设计、运作与功效，确实能达成本发明的目的。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种复合范围压力传感器，其特征在于：该复合范围压力传感器包含：

一底板；

一主体，设置于该底板上，且具有一上下贯穿的镂空部；

一可动感测结构，设置于该主体，而与该主体及该底板共同界定一第一空腔，并于内部形成至少一个第二空腔，该可动感测结构包括

一薄膜，设置于该主体上并封闭该镂空部，及

一挡止块，相连于该薄膜且设置于该薄膜与该底板之间，并与该底板间隔一定距离；

一接着体，至少设于该薄膜与该挡止块之间，并具有一对应该挡止块位置并形成该第二空腔的凹槽，

至少一个第一压感组件，设于该薄膜且位于该第一空腔上对应该第二空腔以外的区域；及

至少一个第二压感组件，设于该薄膜且对应于该第二空腔上的区域。

2.根据权利要求1所述的复合范围压力传感器，其特征在于：该第一空腔与该第二空腔为密闭空间。

3.根据权利要求1所述的复合范围压力传感器，其特征在于：该第二空腔为密闭空间，且该底板还贯穿形成一连通于该第一空腔的穿孔，该穿孔使该第一空腔连通于外。

4.根据权利要求1所述的复合范围压力传感器，其特征在于：该底板还贯穿形成一连通于该第一空腔的穿孔，且该可动感测结构还形成一连通该第一空腔与该第二空腔的通道，该穿孔与该通道使该第一空腔、该第二空腔连通于外。

5.根据权利要求1所述的复合范围压力传感器，其特征在于：该可动感测结构还形成一连通该第一空腔与该第二空腔的通道，该第一空腔与该第二空腔相互连通且不连通于外。

6.根据权利要求1所述的复合范围压力传感器，其特征在于：该底板于对应该挡止块的位置还形成至少一个朝该挡止块凸伸的凸块。

7.根据权利要求1所述的复合范围压力传感器，其特征在于：该第一压感组件与该第二压感组件是由离子布植工艺形成于该薄膜的压阻组件。

8.根据权利要求1所述的复合范围压力传感器，其特征在于：该薄膜能受压变形并连动该挡止块移动，且于压力大于一压力门坎值时，该薄膜往该底板方向的形变会使该挡止块抵于该底板。