[发明专利]微型高灵敏压力传感器

说明书

与相关申请的交叉引用

本申请要求享有申请号为61/450,959的美国临时专利的优先权，该专利的申请日为2011年3月9日。

技术领域

本发明涉及压力传感器，尤其涉及微型高灵敏压力传感器。

背景技术

用于微创程序的压力传感器的使用要求越来越小的传感器。例如，用于评估冠状血流储备分数（FFR,Fractional Flow Reserve）的压力传感器仪表化导丝（压力导丝）要求很高，因为在传送高保真度的压力测量时，它需要最小的压力传感器。

在过去的几年中，基于法布里－珀罗(FP,Fabry-Perot)腔的使用的光纤压力传感器越来越多。法布里－珀罗传感器可制成小直径，并以低成本制造，因为它们可以使用显微机械加工技术生产（微电子机械系统＝MEMS）。需要注意的是，基于法布里－珀罗的压力传感器与基于电容的压力传感器很相似的，其中压力测量通过测量膜片的偏移完成。

基于法布里－珀罗的压力传感器因而被视为可用于多种应用的具有最佳潜力的压力传感器，并属于最适于导液管和导丝尖端压力测量的压力传感器。针对压力传感器提出过多种方法和设计，例如在美国专利4,678,904和7,689,071中描述的那些。

随着现有技术中压力传感器设计尺寸的减小，无论是法布里－珀罗还是其他的传感器，其灵敏度也变小，导致充分的辨析度、稳定性以及由此准确度不再令人满意。

事实上，本领域技术人员熟知由于压力传感器膜片尺寸减小，相对于压力的膜片的偏移也减小。使这样的膜片变薄可以补偿相对于压力的膜片偏移的减小。但是这个策略具有如以下讨论的限制。

附图1示出用于测量压力的法布里－珀罗传感器1的现有结构。双向光纤2将光学信号朝向法布里－珀罗压力芯片（没有编号）引导。压力芯片由玻璃基片4制成。第一部分反射镜5设置在形成于玻璃基片4顶表面上的凹腔3内。膜片7粘结到或焊接到玻璃基片4上，膜片7的内表面作为第二镜6。镜5和6两者以由凹腔3的深度给定的距离相间隔开，构成法布里－珀罗腔。第二镜6以施加的压力的函数朝向第一镜5弯曲，由此改变FP腔的长度。FP腔的长度是压力的明确函数。

图2示出典型膜片7由于施加压力的结果而变形的形状。随着压力的增加，膜片的偏移的增加减小，即膜片的偏移是施加压力的非线性函数。图3示出具有不同膜片厚度的同一压力传感器的典型响应。可以注意到随着膜片厚度的减小（从Si-没有蚀刻到Si-蚀刻4），虽然在最低压力范围内，也就是约为真空下操作时，灵敏度急剧增加，而当在较高压力范围内，在本例中，约大气压力下操作时，灵敏度饱和。以偏压压力操作的绝对压力传感器的灵敏度的增加受到限制。

在上面灵敏度限制之外，随着膜片厚度的减小，膜片内的内应力增加，潜在地导致膜片故障。膜片故障的风险在系统以诸如大气压力的偏压压力操作的情况下显著加强。对于涉及导液管尖端压力感测的医学应用，感兴趣的压力集中在大气压力（通常760mmHg）。在约0mmHga时，膜片厚度的减小增加了灵敏度，但在约760mmHga时，灵敏度的增加被限制。

作为以上所述的结果，因为它们小型化，现有法布里－珀罗传感器的一个主要缺点是它们缺少对压力的充分敏感，这与现有的以电容为基础的压力传感器设计的主要缺点相似。此外，准确性、辨析度和可靠性也通常变得不令人满意，而诸如水分漂移和热效应的其他不想要的寄生效应相对于压力似乎被放大。

相应地，存在对这样一种传感器设计的需要，该设计对小型传感器具有改进的敏感度。

发明内容

本说明书提供了微型光纤压力传感器设计，其中围绕特定偏压压力的敏感度是最优化的。

在一个实施例中，压力传感器是法布里－珀罗（FP）传感器，其包括基片；以及安装在该基片上的膜片。该膜片具有中心并包括：包括第一材料的第一层；以及包括第二材料的第二层。该第二层形成圆点。该圆点安装在该第一层上并以该膜片的中心定中心。该第二材料包括内部预应力以致使在放松该内部预应力时该膜片的中心从基片上拱起。

根据包含圆点的实施例，该第一层包含用于安装在该基片上的内表面以及与该内表面相对的外表面，该第二层安装在该外表面上，且该第二材料被预加应力在压缩状态。第二层的内部压缩应力放松，并向外移动该膜片。得到的膜片形状具有增加传感器的压力敏感度的作用。

根据包括圆点以及该第二材料被预加应力在压缩状态的实施例，该第一材料包括硅。

根据包括圆点以及该第二材料被预加应力在压缩状态的实施例，该第二材料包括在该第一层的硅材料上的二氧化硅。