阅读说明：本技术 宽范围微压力传感器 (Wide-range micro-pressure sensor ) 是由 S.A.马什 于 2018-10-22 设计创作，主要内容包括：公开了一种微压力传感器,其包括在不同压力范围内操作的多个模块。模块包括至少两个模块层堆叠,每个模块层包括：模块主体,其具有限定隔室的壁,并且所限定的隔室划分为至少两个子隔室；用于流体进入或流出的端口,其设置在主体的第一壁中,其中主体的其余壁是实心的；膜,其固定至模块主体的覆盖隔室的第一表面；以及电极,其固定在膜的表面上。(A micro-pressure sensor is disclosed that includes a plurality of modules that operate at different pressure ranges. The module comprises at least two stacks of module layers, each module layer comprising: a module body having walls defining a compartment, and the defined compartment is divided into at least two sub-compartments; a port for fluid ingress or egress disposed in a first wall of the body, wherein the remaining walls of the body are solid; a membrane secured to a first surface of the module body covering the compartment; and an electrode fixed on a surface of the membrane.)

宽范围微压力传感器

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求于2017年10月31日提交的题为“宽范围微压力传感器”的美国临时专利申请序列号62/579239的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本说明书涉及压力传感器装置和系统。

背景技术

压力传感器检测或测量流体压力，即由流体施加的力，其是抵抗流体扩展所需的力。压力传感器用于各种控制和监测应用，并可用于间接测量其他物理量，比如流体流量、流体速度和高度。通常，压力传感器是使用各种技术制造的，每种技术根据性能、应用适用性和成本考虑来找到用途。

典型的压力传感器包括换能器，其根据施加在换能器上的压力来产生电信号，这是力收集器类型压力传感器的示例。力收集器类型使用力收集器(比如隔膜、活塞等)来测量由施加到力收集器的力导致的应变(或偏转)。力收集器的类型包括使用压阻效应来检测由于施加的压力引起的应变的压阻应变仪类型以及在某些材料比如石英、某些陶瓷和某些聚合物中使用压电效应的压电类型。

另一类型是电容类型，其使用隔膜和压力腔来创建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(微机电系统)技术来制造这种传感器。

发明内容

根据一方面，一种压力传感器包括多个模块级，多个模块级中的至少一个在第一压力范围内操作，并且多个模块级中的至少另一个在不同的第二压力范围内操作，其中每个模块级包括至少两个模块层堆叠，每个模块层包括：模块主体，其具有限定隔室的壁，并且所限定的隔室划分为至少两个子隔室；用于流体进入或流出的端口，其设置在模块主体的第一壁中，其中模块主体的其余壁是实心的；膜，其固定至模块主体的覆盖隔室的第一表面；以及电极，其固定在膜的表面上。

根据另一方面，一种微压力传感器包括第一模块，其在第一压力范围内操作，第一模块包括第一多个第一模块层第一堆叠，每个第一模块层包括：第一模块主体，其具有限定隔室的壁，并且所限定的隔室划分为第一多个子隔室；用于流体进入或流出的第一端口，其设置在第一模块主体的第一壁中，其中第一模块主体的其余壁是实心的；第一膜，其固定至第一模块主体的覆盖隔室的第一表面；以及第一电极，其固定在第一膜的表面上。该微压力传感器还包括第二模块，其在不同的第二压力范围内操作，第二模块固定在微压力传感器中，该第二模块包括第二多个第二模块层第二堆叠，每个第二模块层包括：第二模块主体，其具有限定隔室的壁，并且所限定的隔室划分为第二多个子隔室，其在子隔室的一个或多个数量和大小方面与第一多个子隔室不同；用于流体进入或流出的第二端口，其设置在第二模块主体的第一壁中，其中第二模块主体的其余壁是实心壁；第二膜，其固定至第二模块主体的覆盖隔室的第一表面；以及电极，其固定在膜的表面上。

其他方面包括制造方法。

微压力传感器可用于执行各种工业、医疗和生物应用的压力感测。可以使用相当便宜的技术来制造微压力传感器，从而为各种应用提供便宜的微压力传感器。在特定实施例中，使用卷对卷制造技术来制造微压力传感器。相对于由标准尺寸的隔室构成的微压力传感器，微压力传感器可在相对较宽的压力范围内操作，并且对较宽压力范围内的压力变化具有较高的灵敏度。

在附图和以下描述中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。从说明书和附图以及从权利要求书中，本发明的其他特征、目的和优点是显而易见的。

附图说明

图1、2、3A和3是宽范围微压传感器的模块级的示意功能横截面图，示出了分别处于静止模式、过压模式、更大过压模式和负压模式的微压传感器。

图4是基于图1-3中描述的概念的包括多个可重复模块层的微压力传感器的等距视图。

图4A是图4的微压力传感器的模块的等距视图。

图5是示出用于图4的模块化微压力传感器的电容的等效电路模型的简化示意图。

图6A-6C是用于在模块化微压力传感器内形成子隔室的不同示例性主体层图案的等距视图。

图7是图4的模块化微压力传感器的等距视图，示出了去除多个层。

图8是图4的模块化微压力传感器的等距视图，示出了除间隔件构件和端盖之外去除所有层。

图9是示出电容对膜间隔和压力的表格。

图10是压力对电容的曲线图。

图11是电容对压力和膜间隔对压力的曲线图。

图12是卷对卷处理配置的概念图。

图12A是一些示例性卷对卷处理站的概念图。

图13A-13C是图13的结构的卷对卷处理的视图，示出了图6A的图案。

图14A-14B是描绘通孔导体的细节的视图。

具体实施方式

概述

本文所述的微压力传感器是使用微制造方法制成的，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/毫米尺度制造。公开了多种制造技术。

一种类型的微压力传感器是如在本人已转让给本申请的受让人的公开专利申请US-2018-0038754-A1中所述的窄压力范围微压力传感器，该申请的全部内容通过引用合并于此。窄范围微压力传感器是指相对于宽范围微压力传感器，给定的模块将在窄压力范围内操作。通过引用申请并入的微压力传感器具有被分隔成多个隔室的单个室。在给定的压力范围内，每个隔室经历相同的压力并对其做出响应。窄范围类型是在相对窄压力范围内具有高灵敏度的微压力传感器(在本文中称为窄范围微压力传感器)。

下面描述的是另一种类型的微压力传感器，其在宽压力范围内具有高灵敏度，在本文中称为宽范围微压力传感器。描述了两种类型的宽范围微压力传感器，即宽范围微压力传感器10和堆叠的宽范围微压力传感器100。

宽范围微压力传感器

参考图1，示出了微压力传感器10。微压力传感器10对压力变化具有高灵敏度，并且可以用作宽范围微压力传感器100(图4)的模块级(级)堆叠中的模块级的元件。微压力传感器10包括室20，其被多个膜18a-18f分隔成多个隔室21a-21g。如同在通过引用申请并入中描述的微压力传感器一样，微压力传感器10包括具有沿流体流动方向的两个壁13a、13b的传感器主体11、沿垂直于流体流动方向的方向彼此相对的端盖16a、16b以及与两个固定端盖16a、16b和壁13a、13b正交的两个壁，例如前后壁(在图1-3的视图中未示出)。壁13a、13b和16a、16b以及前后壁限定单个室20。

如将在图6A-6C中更详细地示出，提供单个室20的每个隔室21a-21g被进一步分成多个子隔室，示出了其中的两个例如子隔室23a-23b(也参见图6A)，以及图1中未示出但在图6A中示出的其他子隔室。多个子隔室23a-23b中的每一个(以及图1中未示出的子隔室)由膜层(膜)18a-18f分隔。通常，子隔室23a将具有与子隔室23b相比具有不同表面积和因此体积的膜。然而，在一些实施例中，只要采取其他措施来改变隔室23a、23b上的膜对压力的灵敏性，表面积和因此体积可以是相同的。

膜18a-18f锚固在两个端壁16a、16b与前后壁之间以及壁上，例如将室20分成多个子隔室23a-23b的17a、17b。尽管膜18a-18f将室20分隔成多个隔室21a-21g，但示出了壁(其中两个)17a、17b，而其他壁(图1中未示出，但图6A中示出)将每个隔室分隔成多个子隔室，图1-3中示出了其中两个子隔室23a-23b。

第一组端口12a-12c穿过壁13a设置，以使流体分别进入每个隔室21b、21d和21f。第二组端口14a-14d穿过壁13b设置，以使流体分别进入每个隔室21a、21c、21e和21g。在该实施方式中，每个隔室21a-21b包括来自限定在相应的壁中的第一组端口12a-12c或第二组端口14a-14d的端口，但不是两者。例如，隔室21a在壁13b中包括端口14a，而在隔室21a的区域中的壁13a的端口是实心的，没有任何开口。

如下所述，多个子隔室例如子隔室23a-23b将在单个隔室内对不同的压力和压力范围提供不同程度的灵敏度。

在图1中，端口示出在相对侧。在许多实施例中，在相对侧上的端口是期望的，但不是必需的。在其他实施例中，这些端口可以在相邻侧上或者实际上在同一侧上，只要充当入口或输入端口的端口与充当出口或输出端口的端口分开，将这些端口联接到提供压力正被测量并作为参考的流体的不同容器。一个隔室将只有一个入口或一个出口，而不是两者。

如图1所示，在一端的实心壁和在相对端的第一组端口中的第一个或第二组端口中的第一个的这种布置是交替的，比如对于壁13a中具有端口12a的相邻隔室21b所示，其中壁13b在隔室21b的区域中是实心壁。

隔室21a-21g彼此流体密封，但子隔室内的每个子隔室流体联接。在微压力传感器10的相对端处的两个隔室21a和21g具有由主体的固定壁16a、16b和相应的膜提供的壁。隔室之间的中间隔室21b-21f具有由两个相邻的膜提供的壁，而微压力传感器10具有至少一个并且通常多个中间隔室，每个中间隔室壁由两个膜18a-18f提供。如图1所示，微压力传感器10可以感测来自静止位置的压力变化。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由材料构造，其选择考虑了将配置微压力传感器10的流体的类型，以感测微压力传感器10将具有合适灵敏度的压力以及压力范围。

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。然而，可以使用其他参考。

同样，在下面的讨论中，宽范围微压力传感器相对于窄范围微压力传感器。虽然下面的讨论将集中在宽范围微压力传感器上，但首先定义窄范围微压力传感器并讨论窄范围和宽范围微压力传感器共有的一般特征和操作特性将是有帮助的。

窄范围微压力传感器包括一个或多个标准压力传感器室20，其具有相同的压力传感器特性，即在窄压力范围内的灵敏度。标准压力传感器室20被定义为具有至少两个隔室(并且可以具有多个这种隔室)的单个室，每个隔室的压力感测特性相同。使隔室在压力感测特性上相同的一种方式是使隔室在尺寸、体积、膜的弹性特性和电极特性上相同。

与宽范围微压力传感器10相比，窄范围压力传感器将在限定的但相对有限的即窄压力范围内具有高灵敏度。对压力的灵敏度的范围基于隔室的尺寸和体积特性、膜的弹性特性(杨氏模量和厚度)以及影响微压力传感器的电极之间测量的电容变化的电极特性(图案、厚度等)。

对于窄或宽范围微压力传感器，尽管在图1-3中示出了六个膜18a-18f(提供七个隔室)，但微压力传感器10可以具有较少的膜，因此可以具有较少的隔室，或者可以用具有附加膜的附加中间膜延伸，因为每个隔室可以看作是模块(参见图4-6)，其中微压力传感器10由这种模块堆叠形成，如下文进一步所述。

每个膜18a-18f具有附接在膜18a-18f的主表面上的电极(未在图1中明确示出)。电极连接至电容测量电路(参见图2、3)，其将电压输送至根据使用的电容测量电路的类型的电极。在电容测量电路的某些示例中，可以使用AC波形，并使用频域技术来测量电容。在电容测量电路的其他示例中，DC波形用于使用时域技术来测量电容。

当在参考压力下以相同压力将外部流体进给到微压力传感器10时，膜18a-18f且因此电极不弯曲，并且膜/电极处于标称的静止(静态)位置，比如图1所示。处于静止的每个膜18a-18f基本平行于端壁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被隔开相等的距离(壁部分的厚度)。

当被激活时，通过施加压力，膜18a-18f且因此电极弯曲，改变相应隔室的体积，更具体地，改变在这种膜18a-18f上分隔电极对的距离。分隔电极对的距离的这些变化引起成对相邻电极之间的电容的变化，如对于图2、3中的18a、18b所示。

可以将体积变化视为表示压力变化的替代方式。电容特性由被电介质隔开的一对相邻电极提供，例如隔室的内含物(即流体)和/或膜的电介质性质。

通过在被与相应隔室相距的距离隔开的一对相邻膜上的一对电极的组合有效地提供电容器。这种有效电容器的电容特性由一对相邻膜之一提供的介电常数、隔室中的流体的介电常数、电极的面积以及分隔电极的距离确定，例如，通常由用于平行板电容器的公式至少近似，表示为：

C＝ε_rε₀A/d，其中，

C是电容，以法拉为单位；

A是两个电极的重叠面积，以平方米为单位；

ε_r是电极之间材料的介电常数(膜和流体的介电常数之和)；

ε₀是电常数(ε₀≈8.854×10-12F·m-1)；以及

d是板之间的间隔，以米为单位。

其中，d相对于A的最小弦足够小。

作为电容测量电路的一部分或单独电路的控制器(参见图2、3)引用表格/算法以将测量的电容单位转换为压力单位。可以使用许多技术来测量和检测由微传感器10提供的大电容上的这种电容的变化同时处于静止状态。

在一些实施例中，处于标称位置的两个相邻膜18a-18b之间的距离为约50微米。在一些实施方式中，每个隔室21a-21g可具有相似的标称体积Ve。在这样的实施方式中，处于标称位置的膜18a与端壁16a之间或处于标称位置的膜18f与端壁16b之间的距离为约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。

与用于类似目的的常规压力传感器相比，微压力传感器10可以使用较少的材料，因此受到较小的应力。微压力传感器10具有微米至毫米尺度的尺寸，并且可以提供宽范围的压力测量。

在其他实施例中，端口可以在相邻侧上或者实际上在同一侧上，只要充当入口或输入端口的端口与充当出口或输出端口的端口分开，通过将这些端口联接到提供压力正被测量并作为参考的流体的不同容器。所描述的微压力传感器10是电容类型的传感器。在流体过压和在微压力传感器10的室20中的压力下的流体的两个交替操作中的任一个中发生感测。

参考图2，通过从流体源26施加过压(与用作出口的端口14a-14d处的参考相比，在用作入口的端口12a、12b和12c处较高的压力)，端隔室21a和21g示出为被压缩，如中间隔室22c、21e那样。在图2中，所施加的过压足够高以引起覆盖每个隔室21a-21g中的子隔室23a的膜18a-18f的部分弯曲，但是所施加的过压不足以高至使覆盖每个隔室21a-21g中的子隔室23b的膜18a-18f的部分弯曲。如下所述，覆盖每个子隔室23a的膜18a-18f的表面积将足够大，以允许膜响应于施加到用作入口的端口12a、12b和12c的过压而弯曲，但覆盖每个子隔室23b的膜18a-18f的表面积较小，因此在子隔室23b上的膜实际上比子隔室23a更硬。在该示出的示例中，响应于施加到用作入口的端口12a、12b和12c的过压，子隔室23b中的过压不足以引起膜18a-18f的任何或至少明显的弯曲。

当膜18a、18f朝向相应端壁16a、16b移动时，并且对于中间隔室22c、21e，当相邻的膜18b、18c和18d、18e朝向彼此移动时，由于来自那些隔室22c、22e的空气的位移而占据相邻隔室22c、21e的空间，压缩发生在端隔室21a、21g中。这些膜18a和18f的运动减小了相应端隔室21a、21g和中间隔室21c、21e的体积，以将来自那些隔室的流体(气体或液体)排放到作为子隔室23a而不是子隔室23b的一部分的隔室的那些部分中的环境(或参考)中。与这些隔室的压缩同时，当相应的一组膜18a、18b；18c、18d；和18e、18f彼此远离以扩大作为子隔室23a而不是子隔室23b的一部分的相应隔室体积时，相邻隔室21b、21d、21f(都是中间隔室)被过度加压。

在过压操作(图2)中，进入子隔室23a和23b的入口12a-12c在高于参考压力(在这种情况下为环境)的压力下被进给流体，使膜18a-18f弯曲，如图所示。即，当将流体进给到端口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彼此远离弯曲或变形，将空气从那些隔室21a、21c通过端口14a、14b(用作输出端口)排入环境中。类似地，在将流体引入其余端口12b、12c中的压力下，其他膜同样会弯曲或弯折。

然而，随着过压的增加，增加的过压将引起覆盖子隔室23a的膜18a-18f的附加弯曲，但将响应于施加到用作入口的端口12a、12b和12c的增加的过压而开始使子隔室23b上的膜18a-18f部分弯曲。

图2A示出了图2的布置(参见图2，对于没有提及的附图标记的描述)，但过压大于图2中的过压，其足以使覆盖每个子隔室23a的膜18a-18f响应于施加到用作入口的端口12a、12b和12c的过压而完全弯曲，并且足以使覆盖每个子隔室23b的膜18a-18f比图2的子隔室23b上的膜弯曲大得多。

现在参考图3，在负压(比参考低的压力，例如降低到真空压力)下，与用作出口的端口处的参考相比，在用作入口12a-12c的端口处，端隔室21a、21g示出为扩展，如中间隔室21c和21d那样。在图3中，所施加的负压足以低至使覆盖子隔室23a的膜18a-18f的部分弯曲，但所施加的负压不足以低至使膜覆盖子隔室23b的膜18a-18f的部分弯曲。

当膜18a、18f远离端壁16a、16b移动时，并且对于隔室21c、21d，当相邻的膜18b、18c和18彼此远离移动时，扩展发生在端隔室12a、21g中。在作为子隔室23a而不是子隔室23b的一部分的隔室的那些部分中，由于将流体(气体或液体)充入联接到环境或参考的隔室中，这些膜的运动减小了相应端隔室21a、21g和中间隔室21c、21e的体积。与这些隔室的扩展同时，当相应组的膜朝向彼此运动以减小作为子隔室23a而不是子隔室23b的一部分的隔室的那些部分中的相应隔室体积时，相邻隔室21b、21d、21f(这里都是中间隔室)被排放。

在负压操作(图3)中，进入子隔室23a的端口12a-12c联接至流体源27，其处于的压力低于参考压力(在这种情况下为环境)，使膜弯曲，如图所示。即，当将处于负压的流体进给到端口12a中时，限定隔室21b的相邻膜18a、18b将远离相邻隔室21a和21c朝向彼此弯曲或变形，从而导致环境空气从作为子隔室23a而不是子隔室23b的一部分的隔室的那些部分中的环境通过端口14a、14b进入那些隔室21a、21c。类似地，其他膜18c、18d和18e、18f将同样地由在作为子隔室23a而不是子隔室23b的一部分的隔室的那些部分中通过端口14c-14d进入隔室21e、21g的环境响应于在负压下被引入到其余端口12b、12c中的流体而彼此弯曲或弯折。

像图2一样，如果经历足够量的负压，则在子隔室23a和23b上的膜18a-18g的那些部分将在图3中弯曲。

去除施加到端口的过压或负压使微压传感器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，每个锚固在两个固定壁13a、13b与在这些图中未示出的两个固定壁之间。固定壁13a、13b和未示出的壁是主体层，其形成由成对的相邻膜隔开的多个隔室。隔室中的第一个和最后一个由膜和作为主体的端盖的一部分的固定壁形成，但中间隔室由成对的相邻膜提供。每个隔室21a-21g分成多个子隔室(示出了子隔室23a、23b)，并且覆盖子隔室23a和23b的那些部分的膜18a-18f的部分将根据整体上施加到室20的过压或负压的程度而弯曲。

比较图2和3，它们示出了同一微压力传感器10的两个操作状态表示在第一模式下测量高于参考的压力，而在第二模式下测量低于参考的压力。即，当被致动时，隔室的每个膜可绕着中心标称位置在两个相反的方向上移动，当膜未被致动时，膜位于该中心标称位置处。

电极(在图1-3中未明确示出)在微压力传感器10的膜18a-18f上。在一些实施方式中，单个电极设置在膜上。在其他实施方式中，根据与膜18a-18f的相应部分相关的子隔室23a、23b对电极图案化。相应子隔室23a、23b的电极与电容测量电路32并联连接，如下所述。由电介质(膜材料的电介质和隔室中的空气)隔开的带有电极的两个膜的组合形成电容器。这些“电容器”的电容通过常规的电容测量电路32测量。可以在测量的电容和压力之间提供相关性，比如通过控制器34。各种实施方式是可能的。

具有上述特征的微压力传感器可以使用诸如MEMS处理技术和所谓的卷对卷(R2R)处理之类的各种方法来制造。基于要由微压力传感器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。以下是用于选择微压力传感器10的不同部分的材料的一些标准。

传感器主体—可以根据要求限定用于主体的材料。通常，材料需要足够坚固或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，从而可以限定和加工/显影其特征。有时也期望该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，该材料是不导电的。合适材料的示例包括SU8(负环氧抗蚀剂)和PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)抗蚀剂。

膜—该部分的材料形成鼓膜结构，其可在室内充液和排液。这样，要求材料在期望的距离上来回弯曲或拉伸并具有弹性特性。膜材料对于包括气体和液体的感兴趣流体是不可渗透的，是不导电的，并且可以具有低或高击穿电压特性。合适材料的示例包括氮化硅和特氟隆。其他也是可能的。

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电片电阻，尽管不一定需要高电阻特征。电极经受膜的弯曲和拉伸，因此，期望该材料柔软以应对弯曲和拉伸而不会疲劳和失效。另外，在操作条件下，电极材料和膜材料良好地粘附，例如彼此不分层。合适材料的示例包括非常薄的金和铂层。其他也是可能的。

电互连—来自电容测量电路的电压被传导到每个隔室的每个膜上的电极。可以使用例如金和铂的导电材料来建立通向这些电极的导电路径。

其他材料—当在微压力传感器的制造中使用MEMS处理时，可以使用牺牲性填充材料，例如聚乙烯醇(PVA)。牺牲性填充材料也可以用于R2R处理。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建材料提出附加要求。可以将一些电路部件印刷到膜上。通常，尽管上面已经指定了某些材料，但还可以使用具有与所提到的那些材料相似的性质的其他材料。

现在参照图4，示出了模块化的宽范围微压力传感器100。宽范围微压力传感器100包括多个(至少两个且可以更多)在此是三个模块102a-102c，其彼此堆叠并且由间隔件层104a-104b隔开。三个模块102a-102c中的每一个设置成对特定压力范围高度灵敏。模块化的宽范围微压力传感器100还具有端盖101a、101b。端盖101a被部分地断开以露出下面的电极。

模块化的宽范围微压力传感器100与模块化的宽范围微压力传感器10(图1-3)的不同之处在于，模块化的宽范围微压力传感器100具有多个模块级(级)102a-102c。然而操作原理相似。每个级102a-102c包括多个隔室，在此分别称为模块层105a-105c。每个模块层105a-105c具有多个子隔室。模块层105a具有多个子隔室23a-23b(23b的十二个相同版本)，如图6A所示；模块层105b具有多个子隔室24a-24c(24a的两个相同版本，24b的6个相同版本和24c的2个相同版本)，如图6B所示；并且模块层105c分别具有多个子隔室25a-25d(25a、25b、5c的两个相同版本和24d的5个相同版本)，如图6C所示。因此，每个模块层105a-105c中的子隔室在数量和构造上是不同的(参见图6A-6C)。与在以上通过参考专利申请并入的讨论中的窄范围微压力传感器相比，模块化的宽范围微压力传感器100(模块化的微压力传感器100)具有高灵敏度(在宽压力范围内电容的相对较大变化)。

三个级102a-102c中的每一个包括至少一个并且通常是若干个或许多个模块层105a-105c。在图4中，示出了每个级102a-102c包括多个模块层105a-105c。如本文所用，模块层105a-105c也称为可重复层。模块层(总体105)的第一部分通常在微压力传感器100的一侧上具有一对端口107a(参考模块层105中的一个)(类似于图2的端口12a-12c)，模块层105的第二部分在微压力传感器100的相对侧(背面)上具有一对端口(未示出)(类似于图2的端口14a-14d)。每个模块层105a-105c因此在这里的四个壁之一中具有一对开口。交替模块层105a-105c，使得一个模块中的开口在微压力传感器100的一侧上，该侧与在相邻模块层中具有开口的一侧直接相对。

参考图4A，模块层(总体105)通常包括主体层111a，主体层111a支撑膜111b，膜111b承载电极111c并且提供(与另一模块上的另一膜一起)隔室。主体层111a具有一对端口107b。电极111c具有凸片111d，用于通过金属通孔连接到测量电路。孔111e穿过主体111a的***部分设置。每个模块105具有一个孔，其通过金属通孔接触凸片111d。因此，四个模块105堆叠用于通过金属通孔接触四个孔中的每一个。因此，如图4所示，顶部模块例如模块105a中的电极111c通过金属通孔接触第一孔，并且来自堆叠中的顶部模块105a的第五模块(级102b中的模块105b中的第一个)的电极111c通过金属通孔接触与第五个模块的与第一模块中的孔相对应的位置中的孔。

电极可以是待附接至其他元件的预先准备的片，电极可以直接形成到那些元件上，例如通过印刷或以下讨论的其他技术。因此，多个例如两个、三个或任何期望数量的模块和模块层彼此堆叠，以在模块化的堆叠的微压力传感器100中形成多个中间隔室。在堆叠中，每个膜被主体分开和每个主体被膜分开。为了形成完整的模块化的堆叠的微压力传感器100，将端盖放置在模块堆叠的顶端和底端的每个上，使得模块上的端盖形成模块化的堆叠的微压力传感器的两个固定端壁，如图4所示。

三个级102a-102c中的每一个配置为对特定范围的压力高度灵敏。那是一个级，例如级102a对给定压力范围例如R1中的压力高度灵敏，而级102b和102c对压力范围R1中的压力灵敏度贡献相对较小，但每个级102b-102c分别对给定压力范围R2和R3中的压力高度灵敏，而对它们相应压力范围之外的压力变化的灵敏度贡献相对较小。

在图4中还示出了电容测量电路和控制器(如图2所示)，其联接到宽范围微压力传感器100的电极(由线106a、106b表示)，如图所示。通孔108a-108d存在于每个模块层105的边缘上。在内部，通孔108a和108b连接以有效地提供由线106a表示的连接，并且通孔108c和108d连接并有效地提供由线104b表示的连接。

现在参考图5，每个级102a-102c可被电建模120a’-120c’为电容器，其具有对应于膜的静态或静止位置(压差为零)的体电容值C_b和对应于响应于非零压力差的膜的弯曲位置的可变电容值C_v。在图5中，模型120a’-120c’中的每一个示出为具有在各个级中对应于每个模块层105的体电容值C_b和可变电容值C_v。每个电容器并联电连接。并联连接的电容器的总电容为各个电容器的电容之和。

可以使用多种方法来提供微压力传感器100。从根本上说，所有方法的共同点是制造多个模块，其对不同的压力范围具有相应的高灵敏度。可以将具有相应的高灵敏度的多个模块配置为具有对不同压力范围具有高灵敏度的多个子隔室(至少两个子隔室中的每个)。

对于给定的标准尺寸室，在较宽压力范围内提供高灵敏度的一种机制是使膜彼此之间具有不同的刚度。现在描述一种通过在隔室内提供不同孔径大小以使膜有效地或多或少地***而为膜提供不同“有效”刚度的机制。通常，膜越硬，使膜弯曲所需的压力就越大。

现在参照图6A-6C，这些图示出了用于形成主体层以在主体层内提供子隔室的三种不同图案。在主体层的各组上(例如堆叠中的一个或多个主体层)设置了包围子隔室的膜。膜承载电极(均未示出)，电极与主体层一起提供模块层105(如图5所示)。主体层被图案化以提供子隔室的复杂图案。尽管每个隔室的复杂图案可以变化，但图6A-6C中所示的这些示例性图案描绘了在选择图案时可以遵循的一般概念。例如，考虑到每个子隔室被包围在主体层材料的框架中，也就是说，每个子隔室基本上被主体层材料包围，但用于进入这种子隔室。通过被主体层材料的框架包围提供了膜可以通过其粘附到主体层上的合适表面。

图6A是两个不同大小区域的子隔室的复杂模式的示例。一个子隔室23a是大子隔室，其他是十二个较小子隔室23b，其面积相对于子隔室23a基本相同。在图6A中，大子隔室23a和四个相对较小子隔室23b流体连接到端口107a，其余八个相对较小子隔室23b流体连接到端口107b。

图6B是三个不同大小区域的子隔室的复杂图案的示例。两个子隔室24a是大子隔室，四个子隔室24b相对于子隔室24a较小，另外两个子隔室24c相对于子隔室24b较小。在图6B中，大子隔室24a之一、较小子隔室24b中的三个以及更小子隔室24c之一与端口107a之一流体连接，而其余大子隔室24a、三个较小子隔室24b和子隔室24c与端口107b流体连接。

图6C是具有四个不同大小区域的子隔室的复杂图案的示例。两个子隔室25a是相对大子隔室，两个子隔室25b相对于子隔室25a较小，另外两个子隔室25c相对于子隔室25b较小，另外四个子隔室25d相对于子隔室25c较小。在图6B中，大子隔室25a之一和每个较小子隔室25b、25c和25d之一流体连接到端口107a之一，而其余子隔室流体连接到端口107b。

在图6A-6C中，子隔室可以完全通过主体层材料来图案化，即在提供模块层中的开口孔，即(被膜覆盖的)孔，在某些情况下，可能需要或期望仅通过主体层材料来图案化，提供浅区域(其被膜覆盖)，而不是主体层内的孔，主体层材料保留在模块的背面。修改每个隔室的有效刚度的这种方法在下面讨论的处理技术中相对容易实现。

再次供参考，可以定义标准尺寸隔室。尽管标准尺寸隔室可以是任何尺寸的，但为了在此进行讨论，其标称为1.5毫米长×1.5毫米宽×50微米高。每个复杂图案化的隔室由微传感器主体材料形成，通过对该材料图案化以形成多个子隔室，其限定标准尺寸隔室中的特定复杂图案(其示例在图6A-6C中示出)。即，在“标准尺寸隔室”内是相对于参考标准尺寸隔室具有选择的尺寸(表面积)的多个子隔室。

再次关于标准尺寸隔室参考，复杂图案隔室可以是将主体材料留在形成标准尺寸隔室内的多个子隔室的原本标准尺寸隔室的部分内的任何图案。

膜承载电极，并且隔室由一对膜界定，其中每个膜承载对应的电极。

利用图6A-6C的复杂图案隔室，例如空气的流体通过端口107a、107b进入，填充复杂图案隔室中的所有子隔室，并且隔室的所有部分经受相同的压力。当给定隔室中的压力相对于相邻隔室(其处于参考，例如联接到端口109a、109b的环境)中的压力增加时，每个隔室的膜将弯曲(如图2、3所示)。当膜弯曲时，电容将根据膜经历的弯曲量而变化。

现在回到图4A并考虑图6A，假定在作为级102a(图4)的一部分的模块层105a中使用图6A的模块，且模块105a在2至4psi的范围内是灵敏的。

高达2psi，膜105b的弯曲量将相对最小。这是因为子隔室23a和23b的尺寸(表面积)被选择为最小地响应于低于2psi的压力。可以在知道膜/电极组合的杨氏模量、孔的表面积、电极对之间的材料介电常数、电极尺寸以及孔高度的情况下对灵敏度(电容变化与压力变化)进行建模，通常如上所述。在2psi或稍高时，子隔室23a、23b上方的膜的部分将开始弯曲。

然而，膜105b在子隔室23a上在2psi或稍高下的弯曲量将大大大于在子隔室23b上的弯曲量。弯曲的相对量将与子隔室23a和23b上的膜部分的表面积的差异有关，因为膜105b沿着主体的框架以及内部部分固定到主体层，从而有效地提供每个子隔室23a、24a上的单个膜。在高于2psi但低于4psi的某个压力下，子隔室23a上的膜部分将不再响应，并且膜105b和来自相邻模块层105的相应膜105b将在一起并接触。

然而，子隔室23b上的膜部分仍将响应于压力变化，因此将提供电容的伴随变化。因此，膜覆盖的电极上的每个不同对电极有效地提供了并联的固定或体电容和可变电容。每个模块和每个子隔室同样有效地提供了固定或体电容和可变电容，其全部并联且因此加在一起，以提供总的固定或体电容和总可变电容。要考虑的设计考虑因素包括以下规定：任何子隔室都不应表现出最大压力，其将导致膜弯曲并超过膜材料的弹性极限。

因此，每个级102a-102c可以包括多个模块层105并且在给定级102a-102c内，多个模块层105可以是图6A-6C中讨论的类型之一。在一实施方式中，级102a包括图6A中讨论的类型的多个模块层105，级102b包括图6B中讨论的类型的多个模块层105，级102c包括图6C中讨论的类型的多个模块层105。其他布置和配置也是可能的。

图7示出了图4的模块化的宽范围微压力传感器100，具有顶盖和间隔件层，并且从前几个模块层105去除了膜/电极以示出复杂图案化的主体层。级102a-102c示出为由间隔件层104b、104c、端盖101b和前端口107a隔开。

图8示出了图4的模块化的宽范围微压力传感器100，去除了模块层105(图4)，但示出了端盖101a、101b和间隔件104a-104c。

回到图4，模块化的宽范围微压力传感器100因此可以由包括堆叠的模块层105的“标准尺寸”隔室的“标准尺寸”隔室(相对于图1)制成，但其在扩展的压力范围上具有高的压力灵敏度，即“高灵敏度微压力传感器”，通过使多个模块层中的至少一些图案化有复杂的隔室，其再次参考“标准尺寸”隔室，如上所述。在一实施方式中，形成模块的每组模块层由相同类型的复杂图案化的隔室构成。

微压力传感器100的每个膜相对于其中心标称位置在两个相反的方向上移动。响应于膜的任一侧上的压力差，膜弯曲以扩大或减小其自身与相邻膜之间且因此其自身承载的一对电极与相邻膜之间的距离，并随之增大或减小设置在两个电极之间的有效电容器的电容值。膜行进的距离小于隔室的高度例如一半。结果，膜经历较少的弯曲和较小的应力，导致更长的寿命并允许更多的材料选择。

另外，因为每一个膜仅承载一个电极，并且正在感测电容，所以可以连接这些电容器，更具体地是这些电极，使得电容器并联连接。并联连接的电容器增加电容。因此，通过并联连接由膜和电极对形成的电容器，模块化的宽范围微压力传感器100将具有较高的体电容和较大的可变电容范围，并且因此与由单个膜和一对电极形成的单个电容器相比具有较大的灵敏度(每电容变化的压力变化)。灵敏度的示例性值可以是比如在0.0到100psi范围内的每0.05psi的0.02pf电容变化。可以通过隔室和子隔室的材料和尺寸的不同选择来提供其他范围和灵敏度，以及提供每个模块的更多或更少模块层和每个模块化的宽范围微压力传感器100的更多或更少模块。

膜、端盖和主体可以具有相同的尺寸，并且电极可以具有比膜或其他元件小的尺寸。在一些实施方式中，膜的尺寸为约微米乘以微米至约毫米乘以毫米，并且厚度为约5微米。主体的外部尺寸为约微米乘以微米至约毫米乘以毫米，厚度为约50微米，并且内部尺寸为从约微米乘以微米至约毫米乘以毫米。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。组装的模块层在图4A中示出。

现在参照图9，示出了示例性计算值的表格，其具有对于标准的微压力传感器(通过参考申请并入)针对一个模块和七个模块微压力传感器以微微法拉计算的电容值，其中间隔(电极之间的距离)和相应的压力以厘米水表示。在50微米的间隔(静止状态)下，一个电容器的电容为0.38pF，七个电容器的电容为2.26pF，水压为0.00cm。可以为微压力传感器10和100提供类似的特征。

图10和11示出了标准微压力传感器(来自于通过参考申请并入)的示例性曲线图，其中图10绘制了压力(厘米水)与一个和七个模块(电容器)的以pF为单位的电容的关系。与一个电容器(单级模块)的电容范围相比，使用七个模块，在相同压力范围内将提供更大的电容范围。可以为微压力传感器10和100提供类似的特征。

图11示出了在标准微压力传感器(由参考申请并入)的操作范围内电容与压力以及间隔与压力的关系基本上是线性的。可以为微压力传感器10和100提供类似的特征。

卷对卷处理以生产微压力传感器

参照图12、12A，示出了卷对卷处理线的概念图。该处理线包括多个工位，例如工位1至工位n(可以是或包括封闭的子隔室)，在工位处进行沉积、图案化和其他处理。因此，高层次的处理可以是加性的(恰好在需要的地方添加材料)或减性的(在不需要的地方去除材料)。沉积处理包括根据需要的蒸发、溅射和/或化学气相沉积(CVD)以及印刷。根据需要，图案化处理可以包括多种技术，比如扫描激光和电子束图案产生、机械加工、光学光刻、凹版印刷和柔性版(胶版)印刷，这取决于图案化的特征的分辨率。喷墨印刷和丝网印刷可用于放置功能性材料，比如导体。还可以使用其他技术，比如打孔、压印和压花。

原始的原材料卷是柔性材料网。在卷对卷处理中，柔性材料网可以是任何这种材料，并且通常是玻璃或塑料或不锈钢。尽管可使用这些材料(或其他材料)中的任何一种，但与玻璃和不锈钢相比，塑料具有成本更低的优点。具体材料将根据微压力传感器的应用确定。在应用中，将使用诸如不锈钢的材料或可承受温度的其他材料，比如聚四氟乙烯和可承受温度的其他塑料。

对于图1-4所示的结构：根据需要的处理在卷对卷处理线内设置工位。因此，尽管在一实施方式中端盖和顶盖可以形成在网或塑料片上，但如将要描述的那样，在形成微压传感器堆叠之后设置端盖和顶盖。

通过在沉积工位然后在图案化工位将材料沉积在网上，将塑料网用于支撑主体。主体在成形工位处形成。具有主体的网在工位处具有沉积在主体上方的膜。在膜上方将电极沉积在沉积工位上，其在图案化工位上被图案化。主体上设置有带有支撑在膜上的图案化电极的膜片。通过沉积例如金、银和铂层的导电材料(或诸如银墨之类的导电墨)来提供用于连接到每个膜上的电极的电互连。在一些实施方式中，一些电路部件被印刷到膜上。

将具有微模块单元(具有电极和电连接的主体和膜)的卷切成小块，并将微模块单元收集起来，组装成微模块堆叠，并通过包括端盖和顶盖进行包装以提供微压力传感器10或100。取决于网上单元的布局，有可能将模块单元的网折叠成单元堆叠，其中在膜层上提供电极或将许多单元的整个层层压在一起以生产切块和包装之前的堆叠。

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。膜材料对于包括气体和液体的流体是不可渗透的，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。电极不传导大量电流。电极经受膜的弯曲和拉伸，因此，希望该材料柔软以应对弯曲和拉伸而不会疲劳和失效。另外，在操作条件下，电极材料和膜材料良好地粘附，例如彼此不分层。合适材料的示例包括例如金、银和铂层(或导电墨，比如银墨等)。释放材料可用于允许阀运动。合适的释放材料包括例如上述牺牲性填充材料。

参照图13A-13C，示出了提供微压力传感器100的替代的卷对卷处理方法。微压力传感器具有膜，其在操作时弯曲。使用卷对卷处理来制造微压力传感器，其中将原材料片(或多个原片)通过多个工位以具有施加到一个片(或多个片)上的特征，并且随后拾取该一个片(或多个片)，以形成可重复复合层的一部分(参见图4)，以最终产生制造的微压力传感器的复合片。

参考图13A，将诸如玻璃或塑料或不锈钢之类的柔性材料片用作网。对于微压力传感器的特定实现，该材料是塑料片，例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。该片并因此主体层是50微米厚的PET片。可以使用其他厚度，例如片和主体层的厚度可以在例如25微米至250微米(或更大)之间，而膜的标称5微米可以是例如主体的厚度的约10％。厚度是根据微压力传感器的期望特性和卷对线处理线的处理能力来确定的，这些考虑将对最大厚度提供实际限制。同样，最小厚度取决于要构造的微压力传感器的所需特性以及在卷对卷处理线中处理非常薄的片的能力。

对于微压力传感器10或100，层的厚度如上所述对于主体层约为50微米，对于微压力传感器的膜元件约为5微米。然而，其他厚度也是可能的。使用掩模或直接写入来对片进行微加工以配置激光烧蚀工位，以限定或形成用于微压力传感器10或100的子隔室(例如，如图6A-6C所示的期望示例的复杂图案化的子隔室)，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。微加工烧蚀掉例如塑料的材料以形成子隔室，同时保留主体的框架部分。

现在参考图13B，将具有限定隔室的片在层压工位处层压至第二片，例如5微米厚的PET片，在片的顶表面上具有100A的Al金属层。该第二片在由子隔室的限定特征提供的主体上形成膜。第二片也被加工以提供对准孔(未示出)。

在将第二片层压到第一片之前，第二片还在将与主体结构对准的一些区域上设置有多个随机分散的孔或观察端口(未示出)。这些随机分散的孔被机器视觉系统用来揭示和识别第一片上的主体单元的潜在特征。通过随机孔在第一片上注明已识别的特征来生成数据。当由主体上的层形成电极时，这些数据将用于对准第三烧蚀工位。

在第一片上有塑料且第二片上有塑料的区域中，第二片被层压到第一片并因此粘合(或粘附)到第一片。此时，形成了微压传感器的可重复单元的复合片，但是没有由膜上的层形成的电极。

机器视觉系统产生数据文件，激光烧蚀系统在将激光烧蚀工位与掩模(或直接写入)对准时使用该数据文件，以使来自激光烧蚀系统的激光束根据掩模提供电极，其中电极与主体的相应部分配准。电极是通过在不属于电极和导体的一部分的区域烧蚀掉金属而形成的，从而在片上保留了隔离的电极和导体。因此，通过使用机器视觉系统观察层压结构的正面上的特征，从而提供了图案化的电极与主体的配准，从而提供了激光烧蚀系统用于将激光束与掩模对准的定位数据，使用业界常见的技术。

现在参考图13C，将复合片进给到激光烧蚀工位，以通过烧蚀沉积在形成膜的第二片上的100A°Al层来形成电极。根据掩模对复合片图案化，以在主体的相应区域上限定电极。烧蚀工位从金属层烧蚀掉金属，从而在片上留下隔离的电极。

可以包括安装在水平基座上的竖直四个立柱的夹具(未示出)用于堆叠各个切割模。在夹具上设置端盖(例如具有金属层的50微米PET片)，并且在端盖上方设置第一可重复单元。可重复单元通过点焊(应用局部加热源)将单元在夹具上保持就位。当每个可重复单元堆叠在先前的可重复单元上时，该单元被点焊。通过在堆叠的一侧上具有端口并且在堆叠的另一侧上具有端口来提供堆叠，并且由于阀的布置而导致交错，从而具有使堆叠中的每个端口分开的固体表面(参见图6)。一旦完成堆叠，就可以提供顶盖(未示出)。堆叠单元被送到未示出的层压工位，其中堆叠被层压，将所有可重复的单元和盖层压在一起。端盖和顶盖也可以是包装的一部分。否则，可将成组的可重复单元成对地层压或焊接。具有或不具有对准孔的用于组装的其他堆叠技术也是可能的。

现在参考图14A、14B，示出了互连如上所述的模块(总体是105)上的图案化电极的通孔导体的细节。在这些图中，仅电极和凸片显示有通孔导体。为了易于理解通孔导体结构，未示出主体部分。通孔导体是城堡形结构，即具有接触电极凸片的相对宽面积和穿过电极中的孔的相对窄面积。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级完成。通孔导体是通过将上述导电墨引入孔中而形成的。

本文描述的不同实施方式的元件可以组合以形成上面未具体阐述的其他实施例。可以将元件排除在本文所述的结构之外，而不会不利地影响其操作。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描述的功能。另外，虽然压力模块以堆叠的形式示出，但其他布置也是可能的，包括彼此相邻且彼此间隔开的压力模块，只要压力模块配备有相应的端盖并且具有从共同压力源和共同参考进给的入口和出口。另外，可以对膜上的电极图案化，以对应于下面的图案化的子隔室(伴随而来的是需要测量和互连的电容数量的增加)，并且给定模块的膜可以是单个膜，或可以分成与下面的图案化的子隔室相对应的单个膜。其他实施例在所附权利要求的范围内。