高壓傳感器及其製作方法

2024-01-24 01:59:15 1

專利名稱：高壓傳感器及其製作方法
技術領域：
本發明總的來說涉及一種固態壓力傳感器，具體地說涉及一種檢測高壓的器件。
今天，以矽的壓阻特性為基礎的固態壓力傳感器已被公眾所熟知並且用於許多領域。高壓檢測器件，即能夠檢測高達約14000千帕(Kpa)[大約2000磅/平方英寸(psi)]的壓力的器件通常包括一個矽片，該矽片帶有一個用於形成一層膜片的侵蝕穴。矽片被裝在一個包括一層金屬隔片的外殼中，金屬隔片將矽片與高壓環境隔離開。金屬隔片與矽片相距一段距離，從而形成一個腔室。腔室內充滿了矽油，矽油與金屬隔片一起充當一種傳輸介質。
當這種高壓檢測器件處在高壓環境中時，金屬隔片產生朝向矽片的位移，引起矽油中的位移，最終引起膜片的位移。當膜片產生位移時，便產生一個電輸出信號，該信號的幅度是壓阻材料中的應力大小的函數。
現有的高壓檢測器件有幾個缺點。首先，它們採用一種帶有侵蝕穴的矽片，由於侵蝕膜片的脆性，這種矽片容易產生與應力有關的故障。其次，在矽片中形成空穴需要經過幾道昂貴的處理工序。此外，由於矽油的熱膨脹特性，現有的高壓檢測器件只能在一個有限的溫度範圍內工作。當溫度上升時，矽油膨脹，產生一個作用於金屬隔片的壓力，這一壓力也作用於作用在金屬隔片上的外部壓力，這樣就使矽片檢測到一個不精確的外部壓力。另外，矽油與許多種矽片固定材料都不相容，從而帶來可靠性方面的問題。並且，為了在大規模生產的基礎上以最小的器件間差異製造出可靠的器件，現有的高壓檢測器件的製造者必須控制金屬隔片、矽油以及矽片的公差。這極大地提高了製造成本。
因此，需要提供一種既不採用帶侵蝕穴的半導體晶片、又不需要金屬隔片/矽油傳輸介質、成本又低且能精確測試高達14000Kpa範圍的壓力的高壓檢測器件。


圖1是本發明的高壓傳感器的一個實施例的橫截面圖；圖2是本發明的高壓傳感器的另一實施例的橫截面圖；圖3是本發明的高壓傳感器的又一實施例的橫截面圖。
參考圖1至3能夠更好地理解本發明的高壓傳感器。圖1是用於檢測高達約14000Kpa(約2000psi)壓力的高壓傳感器或器件11的橫截面圖。傳感器11包括一個外殼或含有腔室的部件12。外殼12最好是由一種注模塑料構成並利用公知的處理技術成形。最好選用如玻璃填充塑料，液晶聚合物(LCP)或玻璃填充聚苯撐硫(PPS)一類的高強度工程塑料。
外殼12包括一個上腔或上部13及一個下腔或下部16。傳輸壓力的部件或膜片18位於外殼12內，並且將上腔13與下腔16分隔開。下腔部分16最好具有圓形或柱形的幾何形狀。下腔16的外表面17呈螺紋形，例如3/4″(美國)國家標準管螺紋(NPT)。可根據具體的應用要求改變外表面17。
如圖1所示，膜片18最好由塑料構成並且在注模過程中與外殼12形成一個整體。膜片18具有厚度21，在模片18的位於其下表面的外露部分上的整個外露寬度或自由段23上，厚度21最好是大致均勻的。
傳感器11還包括位於上腔13中並固定在膜片18的上表面上的半導體晶片或檢測晶片26。半導體晶片26最好是藉助粘接層27固定在所述上表面上，粘接層27最好是由如熱塑性塑料、環氧樹脂膠或聚醯亞胺一類的小片粘接劑構成。粘接層27的厚度最好是約0.1mm(約4mils)。半導體晶片26最好是固定在所述上表面的正中間。
半導體晶片26最好由一種非補償的(只提供檢測輸出)、補償的(提供檢測輸出以及溫度和/或變形補償)或集成的(提供信號處理)矽換能器構成。採用本領域公知的常規處理技術製成半導體晶片26。半導體晶片26最好不包括帶有侵蝕穴的膜片，其片厚在大約0.3至0.5mm(大約12至18mils)的範圍內。在半導體晶片26上形成一個焊接片38。下面將要更為詳細地描述，膜片18的厚度21及外露寬度23都是經過選擇的，使半導體晶片26可以在一個特定的高壓範圍內產生一個可測的電信號，並且不會過載、破裂或導致半導體晶片26、外殼12和/或膜片18破損。
傳感器11還包括一個導電的連接部件，用於將半導體晶片26和外部的測量裝置電連接起來。導電的連接部件最好包括接合引線或導線31以及導電引片32。導電引片32的至少一個部分最好與外殼12構成一個整體。圖中只示出了一條接合引線和一個導電引片。每個導電引片32都具有一個外部接頭36和一個接線柱部分37。每條接合引線31都是一端與半導體晶片26上的焊接片38相連，另一端與接線柱部分37相連。圖中示出外殼12還帶有一個可選的連接器39，連接器39最好是與外殼12整體構成。連接器39用於容納標準的匹配電纜連接器。
保護層41最好至少覆蓋半導體晶片26和接合線31。較為可取的是，保護層41由一種有機的或無機的片鈍化材料構成。例如矽膠、可從聯合碳化物公司購得的聚對苯二甲基、氮化矽、或碳化矽。外罩或蓋43蓋住上腔13，並藉助於粘接層44固定到外殼12上。粘接層44最好由一種一部分的或兩部分的環氧樹脂膠構成。外罩43最好是由一種能夠容納並保持產品識別標記的材料構成。當採用雷射刻印標記的方法時，外罩43最好是由金屬或塑料構成。
當把傳感器11放置在高壓環境或介質中時，例如放置在汽車制動線路系統中時，應該安置好下腔16的位置，使下腔16中的開口47暴露在高壓環境中。高壓介質與薄片18的下表面接觸，使膜片18向箭頭49所指的方面移動。這種移動使半導體晶片26受到應力的作用。這一應力使半導體晶片26產生一個與所受壓力具有一種函數關係的輸出信號。這一輸出信號被傳送到用來處理該輸出信號的外部測量或監視系統中，例如發動電子控制單元中。
在一個較為可取的實施例中，在不使傳感器11過載的前提下，用於測量0至3400Kpa(0-500psi)範圍內的壓力的傳感器11的膜片18的厚度21大約為1.0mm(大約40mils)，外露寬度23大約為7.5mm(大約300mils)。在用於檢測0至6800Kpa(0至1000psi)範圍內的壓力的傳感器11中，厚度21大約為1.5mm(大約60mils)，外露寬度23大約為7.5mm(大約300mils)。在用於檢測0至14000Kpa(0至2000psi)範圍內的壓力的傳感器11中，厚度21大約為1.5mm(大約60mils)，外露寬度23大約為6.0mm(大約240mils)。
由於傳感器11採用了位於半導體晶片26外部的薄片18，半導體晶片26不需要帶有侵蝕穴的膜片。這就減少了片材在高壓下發生應力斷裂的可能性，因而提高了傳感器11的可靠性。並且，由於省去了昂貴的處理工序，因而降低了半導體晶片的製造成本。傳感器11不再需要金屬隔片/矽油傳輸介質，從而降低了成本，提高了在更大的溫度範圍內的靈敏度，極大地減少了器件與器件之間的差異。
圖2表示另外一種高壓傳感器11的實施例。與傳感器11一樣，傳感器111包括外殼112，外殼112具有一個上腔部分或上部113和一個下腔部分或下部116。外殼112最好由塑料構成並最好是採用公知的注模技術成形。下腔部分116的外表面117呈螺紋形。可以根據具體的應用要求來改變這一形狀。
膜片118將上腔部分113與下腔部分116隔開。在該實施例中，膜片118由一塊金屬插片構成，最好是在注模過程中將這種膜片118嵌入到外殼112中。膜片118與導電引片(lead)132在一個導引構件中連成一體。膜片118也可以固定到帶有導電引片132的導引構件中。膜片118還可以是一片獨立的小片。膜片118最好由一種鐵/鎳合金構成，例如可從Carpenter Technology Co.of Read-ing，Pennsylvania購得的ALLOY42或KOVar。膜片118具有厚度121，厚度121在膜片118的位於下腔116一側的整個外露寬度或自由段123上基本上是均勻的。
傳感器111還包括固定在膜片118的上表面的半導體晶片或換能器126。半導體晶片126最好是藉助於一個有機粘合層或一個無機玻璃層或一個熔結玻璃層或一個焊料層或類似的接合層粘合到膜片118上。半導體晶片126與半導體晶片26相似。膜片118的厚度121和外露寬度123都是經過選擇的，使半導體晶片126在所要求的壓力範圍內能夠產生一個可以檢測的輸出信號，並且不會使半導體晶片126、外殼111及/或膜片118過載。圖2中的元件131至149與圖1中的元件31至49一一對應，不再重複敘述。
在一個較為可取的實施例中，在不使傳感器111過載的情況下，用於測量0至3400Kpa(0-500psi)範圍內的壓力的傳感器111的膜片118的厚度121最好是大約0.5mm(大約20mils)。外露寬度123最好是大約7.5mm(大約300mils)。在用於測量0至6800Kpa(0至1000psi)範圍內的壓力的傳感器111中，厚度121大約為0.8mm(約30mils)，外露寬度123大約為6.0mm(約240mils)。在用於測量0至14000Kpa(0至2000psi)範圍內的壓力的傳感器111中，厚度121大約為1.0mm(約40mils)，外露寬度123大約為6.0mm(約240mils)。
圖3表示本發明的高壓傳感器211的橫截面視圖的另一實施例。傳感器結構211包括一個具有上腔部分213和下腔部分216的外殼212。在本實施例中，外殼212由一種陶瓷材料構成並通過壓制、焙燒、以及機加工(必要時)等公知的處理技術成形。下腔部分216的外表面217呈螺紋形。可以根據具體的應用要求改變這一形狀。
膜片218將上腔部分213與下腔部分216分隔開。在本實施例中，膜片218最好是由諸如Alloy42或Kovar一類的鐵/鎳合金構成，並藉助於粘接層219粘接到外殼212的上腔部分213與下腔部分216之間。粘接層219最好是由封接玻璃、熔結玻璃、銀玻璃或一種有機材料構成。本實施例顯示，粘接層219與下腔部分216處在同一側。在一個可供選擇的實施例中，粘接層219與上腔部分213處在同一側。在這個可供選擇的實施例中，當下腔部分216處在高壓環境中時，粘接層219受到壓應力。膜片218具有厚度221，在膜片218的位於下腔部分216一側的整個外露寬度或自由段223上，厚度221基本上是均勻的。
最好是利用一個粘接層227將半導體晶片或換能器226固定到膜片218的上表面上。半導體晶片226與半導體晶片26及126相似。粘接層227與粘接層127相似。膜片218的厚度221以及外露寬度223都是經過選擇的，使半導體晶片226在一個特定的壓力範圍內能夠產生一個可監視的輸出響應，並且不使半導體晶片226、外殼211及/或膜片218過載。厚度221和外露寬度223最好是與上述傳感器111中的相應數據相同。圖3中的元件213至249與圖1中的元件31至49一一對應，不再重複敘述。傳感器211儘管比傳感器111要貴一些，但它更適用於檢測某種危險介質中的壓力或檢測高溫環境下的壓力。
至此，應該能夠理解，已經提供了一種用於檢側高達大約14000Kpa(約2000psi)的壓力的高壓傳感器。這種高壓傳感器包括一個具有上腔和下腔的外殼，外殼中有一個傳輸壓力的部件。該傳輸壓力的部件將上腔與下腔分開。一個固態換能器位於上腔中並固定在傳輸壓力的部件的上表面上。傳輸壓力的部件的厚度和外露寬度都經過選擇，使換能器在一個特定的壓力範圍內能夠產生一個可以測量的輸出信號。由於傳輸壓力的部件位於固態換能器之外，因而不再需要帶有侵蝕穴的換能器。這就節約了生產成本。此外，這種高壓傳感器不再需要金屬隔片/矽油傳輸介質。這樣就提供了對溫度的敏感性較低、成本較低、並且器件與器件間的差異較小的傳感器。
權利要求
1.一種高壓傳感器，其特徵在於，包括一個具有一個上腔(13，113，213)和一個下腔(16，116，216)的外殼(12，112，212)；一個將所述上腔(13，113，213)與所述下腔(16，116，216)分隔開的傳輸壓力的部件(18，118，218)，該傳輸壓力的部件(18，118，218)具有一個厚度(21，121，221)，一段外露寬度(23，123，223)，一個上表面，以及一個下表面，所述下腔(16，116，216)帶有一個開口(47，147，247)，用於將傳輸壓力的部件(18，118，218)的下表面暴露在高壓環境中；一個位於上腔(13，113，213)中並固定在所述傳輸壓力的部件(18，118，218)的上表面上的檢測晶片(26，126，226)，該檢測晶片(26，126，226)的外露寬度(23，123，223)及厚度(21，121，221)都是經過選擇的，當所述的傳輸壓力的部件(18，118，218)的下表面處在高壓環境中時，所述檢測晶片(26，126，226)可產生一個可檢測的電信號；一個與所述檢測晶片(26，126，226)相連的、導電的連接部件；以及一個覆蓋所述上腔(13，113，213)的外罩(43，143，243)。
2.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述外殼(12，112，212)由一種注模塑料構成。
3.如權利要求2所述的傳感器，其特性在於，所述傳輸壓力的部件(18)由一種塑料構成，並且所述傳輸壓力的部件(18)與外殼(12)構成一個整體。
4.如權利要求2所述的傳感器，其特徵在於，所述的傳輸壓力的部件(118)由一塊金屬插片構成。
5.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述的外殼(212)由陶瓷構成。
6.如權利要求5所述的傳感器，其特徵在於，所述的傳輸壓力的部件(218)由一種金屬構成，該傳輸壓力的部件粘接在外殼(212)上。
7.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述的檢測晶片(26，126，226)包括一些焊接片(38，138，238)，所述的導電的連接部件包括多個接合引線(31，131，231)和多個導電的引片(36，136，Conductive 236)，這些接合引線(31，131，231)將這些焊接片(38，138，238)與這些導電的引片(36，136，236)電連接起來。
8.一種檢測高壓的器件，具有一片位於半導體晶片之外的膜片，其特徵在於，還包括一個具有一個上部(13，113，213)和一個下部(16，116，216)的帶有腔室的構件(12，112，212)，下部(16，116，216)一端開口並且具有一個外表面，一片位於所述的帶有腔室的構件(12，112，212)中的模片(18，118，218)，所述的膜片(18，118，218)把所述的上部(13，113，213)和所述的下部(16，116，216)分隔開，所述的膜片(18，118，218)具有一個厚度(12，121，221)，一個上表面，一個下表面，一段外露寬度(23，123，223)，所述的厚度(21，121，221)在整個所述的外露寬度(23，123，223)上是基本上均勻的；一片位於上部(13，113，213)中並固定到所述膜片(18，118，218)的上表面上的半導體晶片(26，126，226)，所述的半導體晶片(26，126，226)具有一些焊接片(38，138，238)；一些導電的引片(36，136，236)，每個所述的導電的引片都具有一個接線柱部分和一個外部接頭；一些導線(31，131，231)，這些導線將所述的一些焊接片(38，138，238)與所述的一些導電的引片(36，136，236)電連接起來。
9.一種製造一種高壓傳感器的方法，其特徵在於包括以下步驟製作一個具有一個上腔(13，113，213)、一個下腔(16，116，216)、一個將上腔(13，113，213)與下腔(16，116，216)分隔開的傳輸壓力的部件(18，118，218)以及一個導電的連接部件的外殼(12，112，212)，所述的傳輸壓力的部件(18，118，218)具有一個厚度(21，121，221)、一段外露寬度(23，123，223)，一個上表面和一個下表面，所述的下腔(16，116，216)具有一個開口(47，147，247)，用於將所述的下表面暴露在高壓介質中；將一個半導體換能器(26，126，226)固定到所述的傳輸壓力的部件(18，118，218)的上表面上，所述的外露寬度(23，123，223)及厚度(21，121，221)都是經過選擇的，因而當所述的下表面暴露在高壓介質中時，所述的半導體換能器(26，126，226)產生一個輸出響應；將所述的半導體換能器(26，126，226)與所述的導電的連接部件連接起來；以及將所述的上腔封閉起來。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述的製作所述外殼(12，112，212)的步驟包括提供一個注模塑料外殼(12)，所述的傳輸壓力的部件(18)由一種注模塑料構成，所述的傳輸壓力的部件(18)與外殼(12)成為一個整體。
全文摘要
一種高壓傳感器，包括一個具有一個上腔部分和一個下腔部分的外殼。一片膜片將上腔部分與下腔部分分開。一片半導體晶片位於上腔部分中並固定在膜片的上表面上。膜片具有一個厚度和一段外露寬度，當膜片的下表面暴露在高壓環境中時，半導體晶片會產生一個可以測量的輸出信號。
文檔編號H01L29/84GK1132854SQ9511611
公開日1996年10月9日 申請日期1995年9月15日 優先權日1994年11月2日
發明者馬海什·沙 申請人:摩託羅拉公司