耐壓封裝的壓差傳感器的製造方法

2023-12-01 10:21:56 4

耐壓封裝的壓差傳感器的製造方法
【專利摘要】一種壓差傳感器（1）包括：封殼（2），其具有陶瓷封殼主體（20）和在其內部的換能器座，在換能器座中布置具有測量膜元件（33）和至少一個支承元件（31、32）的半導體壓力測量換能器（3），其中測量膜元件（33）與至少一個支承元件（31、32）以壓力密閉方式連接，支承元件具有壓力入口（37、38），其中導管（27、28）分別從封殼（2）的外表面延伸到換能器座內；其中壓力入口與第一導管連通，其中壓力能夠通過壓力入口（38）施加於測量膜（33）的一側，其中支承元件（32）通過接合部42與換能器座的壁以壓力密閉方式連接，接合部42包圍第一壓力入口和第一導管（28）進入換能器座內的開口，並且其中測量膜的第二側與其第一側液壓地隔離並且與第二導管（37）連通。
【專利說明】耐壓封裝的壓差傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種壓差傳感器，特別地具有半導體材料或陶瓷材料的換能器芯的壓
差傳感器。
【背景技術】
[0002]在已知的壓差傳感器中，換能器芯包括特別地壓阻或電容換能器，使得將換能器芯的測量膜的壓差相關的偏轉換能為電信號。這樣的換能器芯通常安裝於由金屬材料——特別是鋼——組成的測量設備中。這造成在構造和接合技術方面的嚴重問題，因為矽(用於半導體壓力測量換能器的確認材料)的熱膨脹係數為約3X10_6/K，而此處相關的不鏽鋼的熱膨脹係數在10Χ10_6/Κ與16Χ10_7Κ之間。為了適應這種情形，換能器芯常常首先被安裝於去耦主體上，該去耦主體然後被例如利用粘合劑或通過釺焊而固定到含鋼的表面上。例如在德國專利申請DElO 2007 053 859Α1中公開了一種具有半導體插座的相對應構造。DElO 2006 057 828Α1公開了一種壓差換能器，在此案例中，換能器芯包括在測量膜支承件上的壓阻矽晶片，其中測量膜支承件被固定於玻璃主體的表面上。矽晶片在玻璃支承件上的直接固定適用於相對壓力傳感器，但對於壓差傳感器則產生問題，因玻璃通常具有比矽更小的壓縮模量。這導致相對於靜壓的交叉敏感性，如DElO 2006 062 222Α1中所描述的。最後，DEll 2004 000 818Τ5公開了一種壓力傳感器封殼，在此案例中，半導體絕對壓力傳感器被金屬外殼中的壓力傳遞液體等靜壓地包圍，其中壓力傳感器的半導體主體經由荷載隔離元件被壓力密閉地固定在壓力傳感器封殼的金屬壁中的通路處，該荷載隔離元件包括陶瓷材料並且其相對於半導體壓力傳感器具有較小的截面積。儘管這種解決方案能夠用於絕對壓力傳感器，它完全不適合於壓差傳感器，因為壓差傳感器主要需要到換能器芯的相對於彼此密封的兩個壓力供應管線。
[0003]未公布的德國專利申請DElO 2010 043043公開了一種差測量換能器，在此案例中，半導體換能器芯被柔軟地置於彈性支承件之間的殼體。這個方案的確很有意思，但是其對於靜壓之間的壓差和靜壓的載荷能力有所限制。此外，矽晶片的柔軟安放需要最小體積，以使得分別安放在矽晶片與金屬外殼之間的彈性密封的去耦效果能有效。
[0004]因此，本發明的目的在於提供一種壓差換能器，其克服了現有技術的缺點。

【發明內容】

[0005]根據本發明，通過在獨立專利權利要求1中所限定的差壓計實現了這個目的。
[0006]本發明的壓差傳感器包括:封殼，其具有陶瓷的封殼主體，其中封殼在其內部具有換能器座，其中在換能器座中布置半導體壓力測量換能器，該半導體壓力測量換能器具有測量膜主體和至少一個支承主體，其中測量膜主體沿著周圍邊緣與至少一個支承主體壓力密閉地連接，其中支承主體具有至少一個壓力入口，其中第一導管和第二導管從封殼的外表面延伸到換能器座內；其中壓力入口與第一導管連通，其中面向至少一個支承主體的測量膜的第一側通過至少一個壓力入口與通過第一導管引入的壓力可接觸，其中至少一個支承主體接觸壓力承載接合部，該壓力承載接合部壓力密閉地包圍第一壓力入口，包圍第一導管進入換能器座內的開口並且與換能器座的壁壓力密閉地連接；以及其中背向測量膜的第一側的測量膜的第二側與測量膜的第一側液壓地隔離並且與第二導管連通。
[0007]在本發明的進一步發展中，半導體壓力測量換能器芯的支承主體具有第一有效熱膨脹係數Ci1，其中封殼主體的陶瓷材料具有第二熱膨脹係數Ci2，其中I U1- Q2)/(a ^a2)〈0.25，特別地〈0.2，優選地〈0.15。
[0008]在本發明的進一步發展中，在第一換能器芯與換能器座的壁之間的至少一個第一接合部包括玻璃。
[0009]在本發明的進一步發展中，接合部具有不大於100 μ m,特別地不大於75 μ m並且優選地不大於50 μ m的厚度。
[0010]在本發明的進一步發展中，封殼主體具有第一主體部和第二主體部，其中第一主體部和第二主體部沿第二接合部彼此壓力密閉地接合。
[0011]在本發明的進一步發展中，第二接合部包括玻璃。
[0012]在本發明的進一步發展中，第一主體部和第二主體部基本上彼此對稱。
[0013]在本發明的進一步發展中，其中換能器芯包括第二支承主體，其中測量膜主體被布置於第一支承主體與第二支承主體之間並且與兩支承主體壓力密閉地連接。
[0014]在本發明的此進一步發展的實施例中，第二支承主體用第三接合部與換能器座的壁壓力密閉地連接。
[0015]在本發明的進一步發展中，換能器芯基本上對稱地構造並且對稱地布置於換能器
腔室中。
[0016]在本發明的進一步發展中，第三接合部具有開口，該開口與第二導管對準，其中第二支承主體具有壓力入口，該壓力入口與測量膜的第二側連通，其中壓力入口被布置成與第二導管對準，以便向測量膜的第二側供應通過第二導管引入的壓力。
[0017]在本發明的進一步發展中，換能器座具有電接觸點，經由該電接觸點以倒裝晶片技術接觸換能器芯，其中該接觸點經由電引線而被引導至壓力封殼的外表面上的電連接件。
[0018]在本發明的進一步發展中，第一主體部和第二主體部在第一或第三接合部區域中具有第一陶瓷材料，該第一陶瓷材料的熱膨脹係數與換能器芯的有效熱膨脹係數匹配，並且其中在每種情況下第一主體部和第二主體部在背向第一接合部或第三接接合部的區域中具有第二陶瓷材料，該第二陶瓷材料的熱膨脹係數與金屬材料的熱膨脹係數匹配，其中在每種情況下第一導管和第二導管止於包括第二陶瓷材料的第一主體部或第二主體部的外表面的區域中，其中第一導管和第二導管分別與由金屬材料組成並且與封殼壓力密閉地連接的第一毛細管線和第二毛細管線連通，以便將第一壓力或第二壓力引入到換能器座內。
[0019]在本發明的進一步發展中，換能器座形成換能器芯被布置於其中的壓力密閉的換能器腔室。
[0020]在本發明的進一步發展中，第二導管與換能器芯外側的換能器腔室中的體積連通，以便向換能器芯在其外表面上等靜壓地供應經由第二導管引入的壓力。【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]現將基於附圖中給出的示例性實施例來解釋本發明，其中:
[0022]圖1為本發明的壓差測量換能器實施例的第一例的縱截面圖；和
[0023]圖2為本發明的壓差測量換能器的實施例的第二例的縱截面圖。
【具體實施方式】
[0024]在圖1中所示的壓差傳感器I包括封殼2，半導體壓力測量換能器芯3布置於封殼2中。封殼2包括陶瓷的封殼主體20，陶瓷封殼主體20由兩個陶瓷主體部21、22形成，兩個陶瓷主體部21、22沿著接合部23——特別是包括玻璃焊料的接合部23——而彼此連接。半導體壓力測量換能器芯3包括第一支承主體31、第二支承主體32和測量膜主體33，測量膜主體33壓力密閉地固定到兩個支承主體上。支承主體31、32中的每一個在其面向測量膜的一側具有腔35或36，其中界定腔35和36的支承主體31和32的表面可特別用作膜床，在過載的情況下測量膜33能夠抵靠膜床放置。第一支承主體31和第二支承主體32中的每一個具有孔37或38，測量膜33通過孔37或38與壓力P1或p2可接觸，其中測量膜33經歷偏轉，該偏轉取決於壓差Pl-P2。在本例的實施方式中，半導體壓力測量換能器芯為電容壓力測量換能器，其中第一支承主體和第二支承主體各具有至少一個對電極，並且其中每個對電極與測量隔膜之間的電容用來確定壓差Pl-P2。
[0025]支承主體31、32和測量膜33特別地包括矽，其中測量膜優選高度摻雜矽，並且其中對電極同樣通過摻雜或經由金屬塗層而製備。為了將半導體壓力測量換能器芯3的電信號傳出，設置穿過封殼主體2延伸的電引線39，其中，電引線39在支承主體31、32的基體表面上接觸半導體壓力測量換能器芯，特別地通過倒裝晶片技術。半導體壓力測量換能器芯3通過相應壓力承載接合部41、42支承於封殼主體的兩主體部上的由封殼主體2內部中的腔25、26所形成的換能器腔室中，其中接合部特別地包括玻璃。貫穿第一主體部和第二主體部並且穿過半導體壓力測量換能器芯3與主體部21、22之間的接合部的是相應的導管27、28，導管27、28與膜支承主體中的相應壓力入口 37、38對準，使得半導體壓力測量換能器芯3通過導管27、28與第一壓力和第二壓力可接觸，以確定其壓差。主體部、主體部之間的接合部和半導體與半導體壓力測量換能器芯之間的接合部的材料以及接合部的厚度和主體部21、22中端面中的腔25、26的深度與半導體壓力測量換能器芯3的尺寸匹配，以使得儘管所涉及的材料具有不同的熱膨脹係數，由於溫度波動造成的機械應力並不導致破壞半導體壓力測量換能器芯或者訛誤測量值。適合於封殼主體的材料特別地為堇青石、莫來石、碳化矽、氮化矽和氮化鋁。特別適合於接合部的是玻璃焊料。在半導體壓力測量換能器芯35、36中的腔能夠通過常用的半導體加工方法來製備，特別是各向異性蝕刻、光刻方法或雷射燒蝕。為了向半導體壓力測量換能器芯I供應第一壓力P1和第二壓力P2,例如，金屬毛細管線51、52能夠通過硬焊料或釺料接合部53、54而被固定到封殼主體2上的導管27、28處。
[0026]在圖2中所示的壓差傳感器101包括封殼102，半導體壓力測量換能器芯103布置於封殼102中。封殼102包括陶瓷封殼主體120，該陶瓷封殼主體120由兩個陶瓷主體部121、122形成，該兩個陶瓷主體部121、122沿著接合部123——特別地沿著玻璃焊料接合部123——彼此壓力密閉地連接。
[0027]半導體壓力測量換能器芯103被布置於封殼主體120內部由第二主體部122中的腔126形成的換能器腔室中並且利用壓力承載接合部142固定到封殼主體的第二主體部122，其中接合部特別包括玻璃焊料。相應的導管127、128貫穿第一主體部121和第二主體部122，以把待確定壓差的兩個壓力引入換能器腔室中。半導體壓力測量換能器芯103與第二主體部122之間的接合部142包圍至半導體壓力測量換能器芯的通路，其中，穿過第二主體部122的導管128與該通路對準。
[0028]半導體壓力測量換能器芯103包括支承主體132和測量膜主體133，該測量膜主體133被壓力密閉地固定到支承主體上，其中半導體壓力測量換能器芯與第二主體部122之間的接合部142被形成於支承主體132與第二主體部之間。支承主體132可選地在其面向測量膜的端部包括腔134，該腔134有助於在測量膜133兩側上封殼中的體積對稱化。支承主體132包括孔135，測量膜133通過孔135與壓力P2可接觸。孔135與通過接合部142的通路對準並且與通過第二主體部的導管128對準。
[0029]測量膜133在其背向支承主體132的外側與壓力P1可接觸，可通過導管127引入壓力P1，導管127貫穿第一主體部121到測量單元內，其中該壓力P1不僅作用於測量膜133的外側，而且也作用於支承主體132的外表面到接合部142外側，使得半導體壓力測量換能器103大致等靜壓地安放。那麼，除了由於靜壓所造成的材壓縮之外，半導體壓力測量換能器芯的機械荷載由兩個壓力之間的壓差P1-P2給出。在可預知所考慮的壓力中哪一個更大的情況下，目前優選的是將較大壓力作為P1引導至半導體壓力測量換能器芯103外側。
[0030]在本例的實施方式中，半導體壓力測量換能器芯103被實施為壓阻壓力測量換能器芯，其中測量膜133具有摻雜測量電阻器，特別地呈全橋電路的形式。在本發明的目前優選的實施例中，測量膜133以及支承主體132都包括矽。
[0031]為了將半導體壓力測量換能器芯103的電信號傳出，通過封殼主體102設置電引線139，其中，在此實施例中，電引線139並不與半導體壓力測量換能器芯103直接接觸。而是，結合線137從測量隔膜133的邊緣上的接觸表面引導至金屬導電跡線138，該金屬導電跡線138形成於第二主體部122的端面上。這些導電跡線由延伸穿過第一主體部121的電引線139接觸。
[0032]適合用作封殼主體102的主體部121、122的材料特別是堇青石、莫來石、碳化矽、氮化矽和氮化鋁。接合部特別地包括玻璃焊料。
[0033]為了向半導體壓力測量換能器芯101供應第一壓力P1和第二壓力P2，例如金屬毛細管線151、152能夠藉由硬焊料或釺料接合部153、154而在導管127、128處被固定到封殼主體102上。
【權利要求】
1.一種壓差傳感器(I)，包括: 封殼(2 )，其具有陶瓷的封殼主體(20 )，其中所述封殼(2 )在其內部具有換能器座， 其中在所述換能器座中布置半導體壓力測量換能器芯(3)，所述半導體壓力測量換能器芯(3)具有測量膜主體(33)和至少一個支承主體(31、32)，其中所述測量膜主體(33)沿著周圍邊緣與所述至少一個支承主體(31、32)壓力密閉地連接，其中所述支承主體具有至少一個壓力入口(37、38)， 其中第一導管和第二導管(27、28)從所述封殼(2)的外表面延伸到所述換能器座內； 其中所述壓力入口與所述第一導管連通， 其中面向所述至少一個支承主體(32)的所述測量膜(33)的第一側通過所述至少一個壓力入口(38)與通過所述第一導管(28)引入的壓力可接觸， 其中所述至少一個支承主體(32)接觸壓力承載接合部(42)，所述壓力承載接合部(42)壓力密閉地包圍所述第一壓力入口，包圍所述第一導管(28)進入所述換能器座內的開口，並且與所述換能器座的壁壓力密閉地連接；以及 其中背向所述測量膜的第一側的所述測量膜的第二側與所述測量膜的第一側液壓地隔離並且與所述第二導管(37)連通。
2.根據權利要求1所述的壓差傳感器，其中所述半導體壓力測量換能器芯的所述支承主體具有第一有效熱膨脹係數a i， 並且其中所述封殼主體的陶瓷材料具有第二熱膨脹係數 α2，其中(Q1 - α2)/(α ^a2)〈0.25，特別地〈0.2，優選地〈0.15。
3.根據權利要求1或2所述的壓差傳感器，其中在所述換能器芯與所述換能器座的壁之間的至少一個第一接合部包括玻璃。
4.根據權利要求3所述的壓差傳感器，其中所述接合部的厚度不超過100μ m，特別地不超過75 μ m,並且優選地不超過50 μ m。
5.根據前述權利要求中任一項所述的壓差傳感器，其中所述封殼主體具有第一主體部和第二主體部，其中所述第一主體部和第二主體部沿著第二接合部彼此壓力密閉地接合。
6.根據權利要求5所述的壓差傳感器，其中所述第二接合部包括玻璃。
7.根據權利要求6所述的壓差傳感器，其中所述第一主體部和所述第二主體部基本上彼此對稱。
8.根據前述權利要求中任一項所述的壓差傳感器， 其中所述換能器芯包括第二支承主體， 其中所述測量膜主體被布置於所述第一支承主體和所述第二支承主體之間並且與兩個支承主體壓力密閉地連接。
9.根據權利要求8所述的壓差傳感器，其中所述第二支承主體通過第三接合部與所述換能器座的壁壓力密閉地連接。
10.根據前述權利要求中任一項所述的壓差傳感器，其中所述換能器芯基本上對稱地構造並且對稱地布置於換能器腔室中。
11.根據權利要求9所述的壓差傳感器，其中，所述第三接合部具有開口，該開口與所述第二導管對準，其中所述第二支承主體具有壓力入口，所述壓力入口與所述測量膜的第二側連通，其中所述壓力入口被布置成與所述第二導管對準，使得向所述測量膜的第二側供應通過所述第二導管引入的壓力。
12.根據前述權利要求中任一項所述的壓差傳感器，其中所述換能器座具有電接觸點，經由所述電接觸點以倒裝晶片技術接觸所述換能器芯，其中所述接觸點經由電引線引導至壓力封殼的外表面上的電連接件。
13.根據權利要求5所述和根據權利要求11所述的壓差傳感器，其中所述第一主體部和所述第二主體部在所述第一接合部或所述第三接合部的區域中具有第一陶瓷材料，所述第一陶瓷材料的熱膨脹係數與所述換能器芯的所述有效熱膨脹係數匹配，並且其中在每種情況下，所述第一主體部和所述第二主體部在背向所述第一接合部或所述第三接接合部的區域中具有第二陶瓷材料，所述第二陶瓷材料的熱膨脹係數與金屬材料的熱膨脹係數匹配，其中在每種情況下，所述第一導管和第二導管終止於由所述第二陶瓷材料組成的所述第一主體部或所述第二主體部的外表面的區域中，其中在每種情況下，所述第一導管和第二導管與由金屬材料組成並且與所述封殼壓力密閉地連接的第一毛細管線和第二毛細管線連通，使得把第一壓力或第二壓力引入到所述換能器座內。
14.根據前述權利要求中任一項所述的壓差傳感器，其中所述換能器座形成壓力密閉的換能器腔室，所述換能器芯被布置於該壓力密閉的換能器腔室中。
15.根據權利要求14所述的壓差傳感器，其中所述第二導管與所述換能器芯的外側的所述換能器腔室中的體積連通，使得在其外表面上向所述換能器芯等靜壓地供應經由所述第二導管引入的 壓力。
【文檔編號】G01L9/00GK103477199SQ201280015534
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年2月10日 優先權日:2011年3月31日
【發明者】英·圖安·塔姆, 弗蘭克·帕斯勒, 拉斐爾·泰伊朋 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司