壓力傳感器的製作方法
2024-01-25 08:56:15 1
專利名稱：壓力傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及高靈敏度、高帶寬的低壓傳感器，尤其涉及這些裝置在例如用於平板印刷裝置中的氣壓計中的應用。
背景技術：
常規的低壓氣壓計利用質量流量傳感器，其具有相對長的響應時間或者一般在幾十赫茲範圍內的低的帶寬。相對低的帶寬不適用於在較高的速度下操作，例如平板印刷掃描應用。
因此，需要一種高靈敏度的具有比目前可得到的較高的帶寬的低壓氣壓計。
發明內容
本發明涉及高靈敏度的具有比目前可得到的較高的帶寬的低壓氣壓計。
根據本發明的壓力傳感器包括具有基本上剛性的外部部分和可以位移的內部部分的隔膜，所述內部部分響應所述隔膜的第一和第二側之間的壓力差而位移。所述壓力計還包括位於隔膜附近的並適用於檢測隔膜內部部分的位移的傳感器。所述壓力計還包括監視器和控制系統，其和所述傳感器耦連(有線或無線)，並適用於由隔膜的位移確定壓力差。
本發明提供多種可選的檢測結構，其中包括但不限於，光學檢測結構和電容檢測結構。
對於低壓應用，例如用於平板印刷應用中的納米接近傳感器(proximity sensor)，傳感器的工作壓力範圍大約為0.1-0.5英寸水柱壓力。壓力計壓力傳感器的解析度優選地大約為～0.001Pa，這大約為～4×10-5英寸水柱壓力。這將使得壓力計能夠分辨幾納米。注意1英寸水柱壓力＝254帕斯卡。
這種隔膜和傳感器具有相對高的帶寬，因而可以在相對高的速度應用中被實施。例如，本發明可以在平板印刷接近(lithographyproximity)檢測設備和平板印刷構形映象(lithography topographicalmapping)設備中被實施。
本發明的附加的特徵和優點將在下面的說明中提出。而其它的一些特徵和優點，對於本領域技術人員，根據這裡給出的說明便可以看出，或者通過實施本發明便可以得知。通過在說明書和權利要求書以及附圖中具體指出的結構，可以實現和獲得本發明的優點。
應當理解，前面的綜述和下面的詳細說明是示例性的和解釋性的，用於提供要求保護的本發明的進一步解釋。
下面參照
本發明，其中相同的標號表示相同的或相似的元件。此外，標號的最左邊的數字用於識別首次引入相關元件的附圖。
圖1是壓力傳感器100的側平面圖，包括隔膜102和傳感器104；圖2A是隔膜102的前平面圖；圖2B是隔膜102的基本上剛性的外部部分202的側平面圖；圖2C是隔膜102的側平面圖，包括基本上剛性的外部部分202，內部部分204和接近傳感器表面206，被擴大地表示為好像處於不同的壓力條件下；圖3是壓力傳感器100的側向透視圖，其中傳感器104和監視器以及控制系統106利用白光幹涉計來實現；圖4是壓力傳感器100的側平面圖，其中傳感器104以及監視器和控制系統106利用光掠射角傳感器(optical grazing angle sensor)實現；圖5是壓力傳感器100的側平面圖，其中傳感器104包括電容傳感器502，接近表面206包括接地平板504；
圖6是空氣系統600的側平面圖，包括第一引線602和第二引線604以及位於其間的橋中的壓力傳感器100；圖7是例如在用於平板印刷中的接近傳感器700中實施的壓力傳感器100的側平面圖；以及圖8是在接近傳感器800中實施的壓力傳感器100的側平面圖。
具體實施例方式
I.引言本發明涉及一種具有比目前可得到的較高的帶寬的低壓氣壓計。本發明可以不受限制地用於例如平板印刷接近檢測設備和平板印刷構形映象設備中。
II.高帶寬、低壓差檢測圖1是壓力傳感器100的側平面圖，包括擾曲板或隔膜102，位於隔膜102附近的隔膜位移傳感器104(下文稱「傳感器」)，以及和傳感器104電氣耦連(有線或無線)的監視器和控制系統106。傳感器104接近隔膜，但是不必在物理上和隔膜接觸。
隔膜102和傳感器104位於主體108內，在第一區域110和第二區域112之間。壓力傳感器100確定在第一區域110和第二區域112之間的壓力差。
圖2A是隔膜102的前平面圖。隔膜102包括基本上剛性的外部部分202，用於把隔膜102連接到主體108的內壁114上(圖1)。圖2B是基本上剛性的外部部分202的側平面圖。基本上剛性的外部部分202由金屬、塑料或其它合適的基本上剛性的材料或其組合材料製成。
參見圖2A，隔膜102還包括可位移的內部部分204，其響應在第一和第二區域110和112(圖1)之間的壓力差而位移。
內部部分204是擾曲板，一個由半彈性材料構成的基於隔膜的部分，所述材料例如但不限於聚酯薄膜、聚醯亞胺薄膜、橡膠或/與其組合物。內部部分204沿著低壓力的方向延伸。內部部分204被設計成響應例如但不限於大約0.1-0.5英寸水柱壓力的範圍內的超低壓差。或者，內部部分204被設計成響應其它的壓差範圍。
內部部分204以一種或幾種不同的方式被連接到基本上剛性的外部部分202上，包括但不限於膠粘、整體成形、熱密封、化學連接及其類似方式。
內部部分204選擇地包括接近傳感器表面206，其中傳感器104(圖1)對接近傳感器表面206的運動是敏感的。接近傳感器表面206可以是內部部分204，或者是內部部分的一個塗層或浸漬。示例的塗層和浸漬在下面的一個或幾個部分中披露了。
圖2C是隔膜102的側平面圖，包括基本上剛性的外部部分202，內部部分204，以及接近傳感器表面206，圖中所示被擴大為好像一個壓差條件下。
在圖1和圖2A的例子中，主體108具有圓柱的形狀，因而外部部分202具有互補的圓環的形狀。不過，本發明不限於所示的圓環形狀。本領域技術人員應當理解，也可以利用其它的形狀，其中包括但不限於卵形，橢圓形和多邊形。傳感器104和接近傳感器表面206可以利用一種或幾種不同的技術實施。
傳感器104和接近傳感器表面206的實施的例子在下面披露了。不過本發明不限於這些示例的實施方式。根據這裡的教導，本領域技術人員應當理解，傳感器104和接近傳感器表面206也可以利用其它技術來實施，這些都落在本發明的範圍內。
壓力傳感器100是一種相對高帶寬的裝置。根據使用的材料和電路，這種壓力傳感器可以具有幾千赫茲的帶寬。因而本發明在相對低的速度的應用和相對高的速度的應用中都是有用的，前者例如平板印刷接近檢測裝置，後者例如平板印刷構形映象裝置。
III.基於幹涉器的接近檢測圖3是壓力傳感器100的側透視圖，其中傳感器104以及監視器和控制系統106利用幹涉器來實施。幹涉器利用接近表面206作為反射目標。接近表面206的偏轉的改變引起由傳感器104接收的反射光圖案的相應的改變。監視器和控制系統106內的解碼器確定接近表面206的相對偏轉。然後監視器和控制系統106把接近表面206的偏轉測量轉換成第一和第二區域110和112之間的壓力差。
幹涉器可以利用現成的幹涉器來實施，其中包括但不限於白光幹涉器。
IV.光掠射角接近檢測圖4是壓力傳感器100的側平面圖，其中傳感器104以及監視器和控制系統106利用例如T.Qui，「Fiber Optics FocusSensorsTheoretical Model，」MIT Report，2000教導的光掠射角傳感器來實施，該文的全部內容在此引入作為參考。
在操作時，分別在發射和接收光纖406和408之間形成第一和第二光通路402和404。第一光通路402在發射光纖406和接收光纖408之間。第二光通路404是從發射光纖406輸出的，並在由接收光纖408接收之前由接近表面206反射。通過第一光通路402，由發射光纖406發射的並由接收光纖408接收的第一光束，和通過第二光通路404由發射光纖406發射並由接收光纖408接收的第二光束形成空間衍射圖案。所述圖案是接近表面206的相對位置的函數。
當接近表面206偏轉時，如圖4的「隔膜偏轉」410所示，接收光纖408由第二光通路404接收被強度調製的光。在監視器和控制系統106中的解碼器對所述的調製解碼，並確定接近表面206的相對偏轉。然後監視器以及控制系統106把接近表面206的偏轉測量(即「隔膜偏轉」410)轉換成在第一和第二區域110和112之間的壓力差。
在圖4的例子中，發射光纖406包括用於把來自光源的光分列成第一和第二通路402和404的光學裝置。或者，使用具有在聲學上偏離的波長的兩個發射光纖。在接收光纖408所得的幹涉圖案恆定地偏移或移動。當接近表面206不動時，幹涉圖案以恆速運動。當接近表面206移動時，相應的移動的幹涉圖案的速度改變。在監視器和控制系統106中的計數器根據圖案的改變解碼隔膜的相對偏轉。監視器和控制系統106然後把接近表面206的偏轉測量轉換成在第一和第二區域110和112之間的壓力差。
V.電容接近檢測圖5是壓力傳感器100的側平面圖，其中傳感器104包括電容傳感器502，並且接近表面206包括接地板504。接地板504至少部分地由導電材料例如金屬製成。電容傳感器502可選地位於離開接地板504大約300-500微米。氣體例如空氣作為電容傳感器502和接地板504之間的電介質，因而形成電容器。其電容是接地板離開電容傳感器502的距離的函數。隔膜102的偏轉的改變引起電容的改變。監視器和控制系統106包括電路裝置例如諧振電路，例如產生相應於電容的改變的振蕩或調製。所述振蕩或調製被轉換成接地板504的相對的偏轉測量。然後監視器和控制系統106把接地板504的偏轉測量轉換成第一和第二區域110和112之間的壓力差。
電容傳感器是熟知的，並且在市場上可以得到，雖然本發明人不知道其和壓力傳感器一起被使用過。
VI.作為氣壓計的壓力計壓力傳感器100可選地作為氣壓計來實施，用於測量由空氣流動引起的壓力變化。這種氣壓計例如但不限於在平版印刷和進行平版構形映象中是有用的。
圖6是空氣系統600的前平面圖，包括第一引線602和第二引線604。壓力傳感器100位於主體108內，所述主體在第一引線602和第二引線604之間形成一個橋。橋108藉助於各自的T形連接和第一以及第二引線相連。
在圖6的例子中，T形連接基本上是直角的T形連接。不過，本發明不限於直角的T形連接。根據這裡的說明，本領域技術人員應當理解，也可以使用其它角度的連接。
通過第一引線602和第二引線604的空氣流量用箭頭表示。這個氣流引起在區域110和112中的壓力的降低。當在引線602中的空氣流量和在引線604中的空氣流量不同時，在區域110和112之間產生的壓力差將引起隔膜102朝向較低壓力的區域偏離。根據初始校準，監視器和控制系統106確定在第一引線602和第二引線604之間的空氣流量的相對差值。所述空氣流量的相對差值例如被用於平板印刷接近檢測中，如下所述。
VII.平板印刷接近檢測圖7是例如用於平板印刷中的接近傳感器700的前平面圖。平板印刷接近傳感器例如在2002年12月9日申請的專利申請序列號為10/322768，名稱為「High-Resolution Gas Gauge Proximity Sensor」的美國專利申請中描述了，該專利申請的全部內容在此引述作為參考。氣壓計傳感器也在1990年9月4日公開的授予Barada的、名稱為「AirGauge Sensor」的美國專利4,953,388中描述了，該專利的全文在此引述作為參考。
在圖7中，接近傳感器700包括第一引線602和第二引線604。第一引線602和測量探針702相連。第二引線604和參考探針708相連。第一引線602是測量引線，第二引線604是參考引線。測量探針位於晶片或其它的工作面704附近，其間具有測量間隙706。參考探針位於參考表面704附近，其間具有參考間隙712。
在第一引線602和第二引線604中的空氣流量最初是平衡的，使得在區域110和區域112之間沒有空氣壓力差。當測量間隙706相對於參考間隙712改變時，第一引線602中的空氣流量相對於第二引線604中的空氣流量改變，從而引起區域110相對於區域112的相應的壓力改變。所述壓力改變由壓力傳感器100檢測，如上所述。
或者，參考引線604和參考探針708由參考壓力代替。例如，圖8是接近傳感器800的側平面圖，其中參考引線604被參考壓力802代替。參考壓力802可以是環境壓力或被控制的壓力。
VIII.結論上面藉助於說明指定的功能性能及其關係的構成塊說明了本發明。這些功能構成塊的邊界是任意限定的，以便進行說明。也可以限定另外的邊界，只要能夠合適地實現指定的功能及其關係。因而任何這種另外的邊界都落在本發明的範圍和構思內。本領域技術人員應當理解，這些功能構成塊可以由離散元件、專用集成電路、執行合適的軟體的處理器及其類似物以及它們的組合來實施。
雖然上面說明了本發明的不同的實施例，但是應當理解，這些都是以舉例方式而不是以限制的方式提供的。因而，本發明的寬度和範圍不應當由上述的任何示例的實施例限制，而應當按照下面的權利要求及其等效物限定。
權利要求
1.一種壓力計，包括隔膜，具有剛性的外部部分和響應所述隔膜的第一和第二側之間的壓力差而位移的可位移的內部部分；位於所述隔膜附近並適用於檢測所述隔膜的內部部分的位移的傳感器；以及和所述傳感器相連並適用於由隔膜的位移確定所述壓力差的監視器和控制系統。
2.如權利要求1所述的壓力計，其中所述隔膜對於在大約為0.1-0.5英寸水柱壓力的範圍內的壓力變化是敏感的。
3.如權利要求1所述的壓力計，還包括在隔膜內部部分的第一側上的光反射塗層，其中所述傳感器包括和所述光反射塗層光學對準的光發射器和接收器。
4.如權利要求3所述的壓力計，其中所述傳感器包括幹涉器。
5.如權利要求3所述的壓力計，其中所述傳感器包括白光幹涉器。
6.如權利要求3所述的壓力計，其中所述傳感器包括光發射模塊；以及光檢測模塊，適用於直接接收由光發射模塊發射的第一光束，並接收由光發射模塊發射並從所述隔膜反射的第二光束；其中所述監視器和控制系統由第一和第二個光產生的幹涉圖案計算隔膜的位移。
7.如權利要求6所述的壓力計，其中光發射模塊包括發射光纖，所述光纖具有和衍射裝置相連的輸出，所述衍射裝置把光源的光分離成第一和第二光，其中隔膜位移中的改變使得所述幹涉圖案包括強度調製的光，其中監視器和控制系統由強度調製的光計算隔膜位移。
8.如權利要求6所述的壓力計，其中光發射模塊包括第一和第二發射光纖，第一發射光纖輸出第一波長的第一光，第二發射光纖輸出第二波長的第二光，其中第二波長相對於第一波長具有相移，其中隔膜位移的改變引起幹涉圖案以基本上恆定的速度改變，其中監視器和控制系統包括計數器，其由基本上恆定的速度解碼所述隔膜位移。
9.如權利要求1所述的壓力計，其中所述隔膜的內部部分包括接地的金屬表面，其中所述傳感器包括位於所述接地的金屬表面附近的電容檢測裝置，並且其中所述監視器和控制系統根據所述電容檢測裝置中的電容的改變確定所述位移。
10.一種用於平版印刷的接近傳感器，包括測量引線，具有和其相連的測量探針；參考引線，具有和其相連的參考探針；被連接在測量引線和參考引線之間的橋部分；以及被設置在所述橋部分內的壓力傳感器。
11.如權利要求10所述的接近傳感器，其中壓力傳感器包括隔膜，具有剛性的外部部分和響應測量引線和參考引線之間的壓力差而位移的可位移的內部部分；位於所述隔膜附近並適用於檢測所述隔膜的內部部分的位移的傳感器；以及和所述傳感器相連並適用於確定隔膜的位移還適用於由所述位移確定所述壓力差的監視器和控制系統。
12.一種用於平版印刷的接近傳感器，包括測量引線，具有和其相連的測量探針；參考壓力；連接在測量引線和參考壓力之間的橋部分；設置在所述橋部分內的隔膜，所述隔膜包括剛性的外部部分和響應測量引線和參考壓力之間的壓力差而位移的可位移的內部部分；位於所述隔膜附近並適用於檢測所述隔膜內部部分的位移的傳感器；以及監視器和控制系統，其和所述傳感器相連並適用於確定隔膜的位移以及適用於由所述位移確定壓力差。
13.一種平版印刷構形映象裝置，包括測量引線，具有和其相連的測量探針；參考壓力；連接在測量引線和參考壓力之間的橋部分；設置在所述橋部分內的隔膜，所述隔膜包括剛性的外部部分和響應測量引線和參考壓力之間的壓力差而位移的可位移的內部部分；位於所述隔膜附近並適用於檢測所述隔膜內部部分的位移的傳感器；以及監視器和控制系統，其和所述傳感器相連並適用於確定隔膜的位移以及適用於由所述位移確定壓力差。
全文摘要
本發明涉及一種壓力計，包括具有剛性的外部部分和響應隔膜的第一和第二側之間的壓力差而位移的可位移的內部部分的隔膜。所述壓力計還包括位於隔膜附近並適於檢測隔膜的內部部分的位移的傳感器。所述壓力計還包括和傳感器相連(有線或無線)並適用於由隔膜的位移確定壓力差的監視器和控制系統。傳感器以及監視器和控制系統可以利用一個或幾個光學檢測設計、電容檢測設計、或用於測量亞微米位移的其它裝置實施。對於低壓應用，例如平版印刷應用，隔膜對在大約0.1－0.5英寸水柱壓力的範圍內的壓力改變敏感。隔膜和傳感器具有相對高的帶寬，因而可在相對高的速度應用中實施。例如，本發明可以在平版印刷接近檢測設備和平版印刷構形映象設備中實施。
文檔編號H01H35/24GK1680794SQ20051006276
公開日2005年10月12日 申請日期2005年3月30日 優先權日2004年3月30日
發明者波古斯勞·加德茲克, 凱文·J.·維奧萊特 申請人:Asml控股股份有限公司