壓力檢測設備的製作方法
2023-06-12 04:05:41
專利名稱：壓力檢測設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種將其檢測到的壓力轉換為電信號並輸出已轉換電信號的壓力檢測設備。具體地，本發明還涉及展示優良熱響應的壓力檢測設備。
背景技術：
通常，使用所謂的壓電電阻效應的半導體壓力傳感器晶片已經用於壓力檢測設備，該設備測量汽車的電子控制燃料注入裝置中引擎空氣吸入側上的進氣壓。由於使用如上所述的半導體壓力傳感器晶片的壓力檢測設備的操作原理是眾所周知的，在此省略詳細的說明。該壓力檢測設備包括一橋接電路，它由在展示壓電電阻效應的材料(諸如單晶矽)所製成的隔膜(diaphragm)上形成的半導體張力計而構成的。通過從橋接電路中取得以電信號形式的、由隔膜形變所導致的半導體張力計中計量電阻變化來檢測壓力。
現在參照圖5和6對上述簡要描述的壓力檢測設備進行解釋。圖5是常規壓力檢測設備的橫斷面圖。圖6是示出圖5所示的常規壓力檢測設備的一部分的放大橫截面圖。現參照這些附圖，壓力檢測設備500包括壓力檢測器件501，它是安裝在樹脂鑄模的容納基底502上的一半導體壓力傳感器晶片，這就是壓力檢測設備500的封裝件。用於將壓力檢測器件501容納其中的容納凹槽503在容納基底502中形成。
壓力檢測器件501以一種配置形式安裝在容納基底502上，其中壓力檢測器件501用黏合劑504通過模具鍵合被鍵合到在容納基底502中形成的容納凹槽503中。壓力檢測器件501通過結合線506被電連接到引線端(引線框)505，該引線端505通過插入鑄型而集成到容納基底502內部，從而它貫穿整個容納基底502。
為了減少從上述結構中的容納基底502中所產生的應力，壓力檢測器件501被鍵合到通過本領域一般技術人員所熟悉的陽極鍵合技術、由玻璃製成的底座507上，從而在壓力檢測器件501和玻璃底座507之間形成有真空基準室。凝膠保護材料508覆蓋壓力檢測器件501的表面501a，並以一種凝膠保護材料508將結合線506包括其中的方式將壓力檢測器件501粘合到容納基底502。保護材料508保護壓力檢測器件501不受未示出介質中包含的汙染質所汙染，其壓力可用壓力檢測設備500檢測出，並且將介質壓力傳送到壓力檢測器件501。保護材料508還設置在檢測器件501的側面和容納凹槽503的側面之間。
由模製樹脂形成的容納蓋(cover)510包括管具有圓筒內表面509a的管狀壓力傳送部分509(參照圖5)，容納蓋510被安裝並用黏合劑被固定在容納基底502中的容納凹槽503的開口側端部分，從而由連接到壓力傳送部分509的空間構成的壓力檢測室511形成了(參照圖5)要測量的介質壓力通過容納蓋510中的壓力傳送部分509被傳送到壓力檢測室511。壓力檢測設備500將要測量的已傳送的介質壓和真空基準室壓之間的差異檢測為壓力變化，在壓力檢測器件501中將檢測到的壓力變化轉換成電信號，並輸出轉換的電信號。因此，測量出絕對的介質壓。
為了滿足對壓力檢測設備500的各種要求，諸如整個壓力檢測設備小型化、實現非常精確檢測特性、以及實現高可靠性，容納凹槽503的開口尺寸被最優化，從而在壓力檢測器件501和容納基底502之間可以獲得最適於減少從容納基底502中所產生的應力的間隔。(參照如下專利文獻1)〔專利文獻1〕JP P 2003-247903A公開在具有如上所述結構的壓力檢測設備500中，由容納蓋510所產生的外部應力、或由劇烈溫度變化相關的惡劣測量環境所致的熱應力所導致的容納基底502的形變將不利地影響到壓力檢測器件501的檢測性能，削弱了壓力檢測設備500的熱反應。
熱響應是指示由溫度變化，例如從高溫到低溫所導致的檢測性能變化的性能測試評估項之一。在壓力檢測設備中，其熱響應並非良好，出現了在初始檢測性能和溫度變化之後的檢測性能之間所出現的波動。
如果用於將壓力檢測器件501安裝到容納基底502上的黏合劑504的填入量過大，從容納凹槽503的底表面503a和底座507的底表面507a之間的間隙中溢出的黏合劑504就會漏進壓力檢測器件501和容納基底502之間的間隔，就是如圖6所示底座507的側面507b和容納凹槽503的側面503b之間的間隙。因此，例如由容納基底502在圖6中輪廓箭頭所指方向的形變而導致的應力可直接影響到壓力檢測器件501的檢測性能，削弱了壓力檢測設備500的熱響應。
在前述的觀點看來，期望提供一種壓力檢測設備，它有助於將檢測性能上的熱應力不利影響減到最小，並展示出優良的熱響應。
發明內容
根據所附權利要求1的主題，提供一種壓力檢測設備，包括壓力檢測裝置，所示壓力裝置將由施加其上的應力所導致的張力轉換為電信號，該壓力檢測裝置輸出轉換的電信號；包括容納裝置的基底裝置，該容納裝置將所述壓力檢測裝置容納其中，以及介於壓力檢測裝置和容納裝置之間的連接裝置，該連接裝置以400％或更高的百分比抗張伸展率連接所述壓力檢測裝置和所述容納裝置。
根據所附權利要求2的主題，該壓力檢測裝置是由半導體製成的。
根據所附權利要求3的主題，該基底裝置是樹脂鑄模形成的。
根據所附權利要求4的主題，該連接裝置是由有機矽樹脂黏合劑形成的。
根據所附權利要求5的主題，該連接裝置形成為壓力檢測裝置的接合平面和容納裝置的接合平面之間的間距從30μm到100μm。
由於壓力檢測裝置和基底裝置用展示400％或更高的伸展百分比的連接裝置彼此連接和固定，基於優秀的伸展特性、有助於吸收已產生的應力的根據本發明的該壓力檢測裝置展示了優良的熱響應。
根據本發明展示優良熱響應的壓力檢測設備有助於實現一種不受測量環境而導致的溫度變化影響的結構，並且可以非常高的可重複性獲得測量結果。
圖1是根據本發明第一實施例的壓力檢測設備的頂視圖；圖2是沿著圖1中的線段A-A』的橫截面圖；圖3-1是圖2一部分的擴大截面圖；圖3-2是圖3-1中示出結構的修改的橫截面圖；圖4示出將由熱響應偏移所導致的輸出波動(％F.S.×10)與連接材料的抗張伸展百分比(％)相關聯的曲線；圖5是常規壓力檢測設備的橫截面圖；圖6是示出圖5所示的常規壓力檢測設備一部分的擴大橫截面圖。
具體實施例方式
現在下文中參照示出本發明較佳實施例的附圖對本發明進行詳細地描述。在實施例的描述和示出實施例的附圖中，相同的標號指代相同或類似的組成部件，並且為簡單起見，省略重複說明。
圖1是根據本發明第一實施例的壓力檢測設備的頂視圖。圖2是沿著圖1中的線段A-A』的橫截面圖。圖3-1是圖2的部分的擴大橫截面圖。圖3-2是示出在圖3-1中所示結構的修改的橫截面圖。在下面，將參照圖1到3-2對本發明進行描述，只要沒有做出特定的解釋，並且指代組成元件的標號沒有在圖中示出，則不會在圖中對其進行描述。
現參照圖1到圖3-1，根據第一實施例的壓力檢測設備100包括壓力檢測器件100、將壓力檢測器件容納其中的容納基底120、以及安裝在容納基底120上的容納蓋130。壓力檢測器件110、容納基底120以及容納蓋130以同軸的方式將其中心對準中央軸C而排列。
壓力檢測器件110包括由矽製成的半導體襯底111以及由玻璃製成並被鍵合到半導體襯底111的底座112。半導體襯底111通過本領域一般技術人員熟悉的陽極鍵合技術而鍵合到底座112上，以減少從容納基底120中產生的應力。半導體襯底111在底座112的鍵合表面112a的一側上的底表面111b中具有凹槽111c。壓力檢測器件110將通過鍵合底座112的鍵合表面112a而閉合的半導體襯底111的凹槽111c用作基準壓力室113。底座112是由由抗熱玻璃製成的、具有矩形橫截面的六面體。
隔膜114是在對應於半導體襯底111的基準壓力室113的壓力檢測器件110的一部分中形成。未示出的張力計在隔膜114上形成，並且未示出的橋接電路是通過將張力計以橋接的方式來連接而形成的。連接到橋接電路的未示出放大器電路在半導體襯底111中形成。
當壓力被施加到半導體襯底111的隔膜114時，則在壓力檢測器件110中導致了應力。電信號從橋接電路中以由應力所導致的電壓的形式輸出。電信號由未示出的放大器電路放大，然後放大的電信號從放大器電路中輸出。具有如上所述的結構並如上述工作的壓力檢測器件110是一種使用張力計的絕對壓力類型的器件。或者，壓力檢測器件110可以是靜電電容類型的器件。
容納基底120是一種由聚苯硫醚(下文稱之為「PPS」)以及此類熱塑性樹脂所製成的樹脂模製材料。容納基底120包括用於將壓力測器件110容納其中的容納凹槽121。容納基底120還包括在容納凹槽121的開口側上的空間。在容納凹槽121的開口側上的該空間組成了稍後將描述的壓力檢測室一部分。或者，無疑容納基底120可以由除PPS之外的抗熱熱塑性樹脂製成。
壓力檢測器件110以一種方式容納在容納基底120的容納凹槽121中，從而壓力檢測器件110通過連接材料129被連接和固定在容納凹槽121上。具體地，壓力檢測器件110是用介於容納凹槽121的底表面121a和底座112的底表面112b之間的連接材料129被連接和固定到容納基底120上，在其上就安裝有檢測器件110。因此，壓力檢測器件110由容納基底120固定地支撐。
連接材料129是一種由有機矽樹脂黏合劑和有機矽樹脂製成的樹脂材料。具體地，連接材料129是由有機矽樹脂黏合劑(由Shin-Etsu(信越)化學有限公司提供的X32-2170AB)所製成的。連接材料129展示了400％或更大的抗張伸展百分比。連接材料129形成，從而其厚度(從容納凹槽121的底表面121a和底座112的底表面112b之間的間距)是從30μm到100μm。
現在參照圖3-2，凸起部150形成在容納凹槽121的底表面121a上以正常地調節連接材料129的厚度。凸起部150以一種排列形成，從而凸起部150的頂點與底座112的底表面112b的四角相接觸，其上固定有壓力檢測器件110。或者，凸起部150可以作成各自凸起的條紋形狀。凸起部150對應於連接材料129的厚度，其高度從30μm到100μm。對於凸起部150，並非總是有必要與底座112的底表面112b相接觸。換言之，連接材料129可以介入到底座112和凸起部150的頂點之間。如上形成的連接材料129有助於吸收熱應力，從而熱應力不會通過連接材料129從容納基底120傳送到壓力檢測器件110，並且可有效地防止熱響應延遲在壓力檢測設備100中產生。
引線端122通過插入鑄模而集成到容納基底120內部，從而引線端122從容納凹槽121的開口附近在與中央軸C垂直的方向上伸展。引線端122被引出到容納基底120的外部。每個引線端122是通過將鎳(Ni)和鐵(Fe)基的合金衝壓而形成的板。每個引線端122包括設置在容納凹槽121的開口周圍的連接(land)部分123以及從連接部分123伸展到容納基底120外部的引出部分124。如圖1所示，八個引出端示例性地放置在壓力檢測設備100中。
在每個引線端122上的連接部分123通過由鋁(Al)或金(Au)連接線125被電連接到連接並固定到容納基底120中的半導體襯底111的表面111a上。每個引線端122的引出部分124被連接到容納基底120外部的外接配線材料(未示出)。雖然沒有圖示出，但是通過連接線125被連接到壓力檢測器件110或引線端122的連接部分123的內部電路無疑可以放置在容納基底120中。該內部電路調節從壓力檢測器件110中輸出的電信號並將調節後的信號輸出到壓力檢測設備100外部。
在容納基底120的容納凹槽121的開口側上形成的空間中，保護材料126以一種方式形成，從而保護材料126將半導體襯底111的表面111a連同連接線125和引線端122的連接部分123一起覆蓋和密封住。保護材料126由凝膠樹脂製成。保護材料126被放置以保護壓力檢測器件110、連接線125以及這些組成元件不受汙染，並且無誤地將要測量的壓力傳送給壓力檢測器件110。最好是將保護材料126也放置在容納凹槽121的側面和壓力檢測器件110的側面之間。
在容納基底120的開口側表面的周邊部分中，形成有一種插入-固定槽口127。容納蓋130被安裝在容納基底120上，同時從容納蓋130的插入-固定凸起137被固定到插入-固定槽口127中。容納蓋130和容納基底120用填充插入-固定槽口127的未示出黏合劑彼此粘合和固定。容納在容納基底120中的壓力檢測器件110通過容納蓋130被密封和固定到壓力檢測設備100中。
容納蓋130是一種由PPS以容納基底120相同的方式而製成的樹脂鑄模。容納蓋130包括凸緣部分131以及自凸緣部分131的主要表面131a而直立的圓筒壓力傳送部分132。容納蓋130具有如字母T型的橫截面結構。壓力傳送孔133穿過壓力傳送部分132，與中央軸C同軸。當容納蓋130被接合併固定到容納基底120上時，壓力傳送孔133被連接到容納基底120中的空間。容納蓋130無疑可以由除了PPS之外的任何抗熱樹脂所製成。壓力檢測室128是通過容納蓋130的凸緣部分131分隔出的容納基底120中的空間。
例如，作為測量環境的空氣壓，是通過穿過容納蓋130的壓力傳送部分132的壓力傳送孔133而被傳送到壓力檢測室128中。隔膜114由於傳送到壓力檢測室128中的空氣壓和壓力檢測器件110中基準壓力室113的內部壓力之間的差異而產生形變。基於由隔膜114形變所導致的張力，電信號從壓力檢測器件110中輸出。從壓力檢測器件110中輸出的電信號通過連接線125、內部電路和引線端122被輸出到壓力檢測設備100的外部。基於所輸出的電信號，壓力由放置在壓力檢測設備100外部的未示出測量設備而測量出。
壓力檢測器件110和容納基底120通過展示400％或更高抗張伸展百分比的連接材料129被彼此連接和固定。因此，壓力檢測設備100容易獲得幾乎不會將從容納基底120所導致的熱應力傳送到壓力檢測器件110的一種結構，有效地防止引起熱響應延遲，並獲得具有高度可重複性的壓力測量結果。
以如下方式來生產如上所述的壓力檢測設備100。先形成適合容納基底120和容納蓋130的模具。為了形成容納基底120，引線端122固定在專用模具中的各個位置，並且容納基底120是通過將諸如PPS的樹脂裝填到專用模具中，並使樹脂冷卻固化而形成的。容納蓋130是通過將諸如PPS的樹脂裝填到專用模具中，並使樹脂冷卻固化而形成的。當PPS用作為容納基底120和容納蓋130的樹脂時，在模製PPS中容易出現氣體，並且在模製上容易出現閃光(flash)。因此，如果執行抽氣並且去除閃光，可以非常精確地製造出容納基底120和容納蓋130。
在形成容納基底120和容納蓋130之後，壓力檢測設備110通過連接材料129被連接並固定到容納基底120的容納凹槽121中，安裝了內部電路，並且引線端122通過連接線125被連接到壓力檢測設備110以及內部電路。在容納凹槽121開口側的空間以及壓力檢測設備110和容納凹槽121之間的空間被凝膠樹脂製成的保護材料126所覆蓋。並且，容納蓋130被安裝和固定到容納基底120上。因此，製造出壓力檢測裝置100。
壓力檢測裝置100，用展示400％或更高抗張伸展百分比的連接材料129將壓力檢測設備110連接並固定到容納基底120上，實現了幾乎不會將從容納基底120所導致的熱應力傳導至壓力檢測設備110的一種結構。如上所述的用於確定連接材料129的抗張伸展百分比的原因將在下面得到解釋。
圖4示出將由熱響應偏移所導致的輸出波動(％F.S.×10)與連接材料129的抗張伸展百分比(％)相關聯的曲線。本發明者已做出如下測試，用於確定連接材料129的抗張伸展百分比。強度特性測量裝置(來自Shimadzu公司的EZ測試)用於測量抗張伸展百分比。在有機矽樹脂黏合劑(來自Shin-Etsu化學公司的X32-2170AB)(下文稱之為「樣品1」)以及有機矽樹脂黏合劑(來自GE東芝矽樹脂公司的TSE322)(下文稱之為「樣品2」)上執行抗張伸展百分比測量測試比較。
樣品1和2寬度8mm，高度(厚度)1.5mm，長度50mm。在用於將樣品固定在測量裝置上的夾具之間的距離設為10mm。以60mm/分鐘的牽引速率執行該張力測試。由熱響應偏移所導致並如圖4所述的輸出變化就是當壓力檢測裝置置於130℃的環境中1小時之後再回復到室溫環境下(從20℃到25℃)，來自壓力檢測裝置的輸出的偏移值(檢測到的輸出變化)。由熱響應偏移所導致的輸出變化的單位是來自壓力檢測裝置100的輸出電壓佔輸出滿標度(下文稱之為「F.S」)的百分比。由於所獲得的輸出電壓值很小，從而輸出電壓值乘以10，並且表示出修正後的輸出電壓值。
由於壓力檢測裝置100和該車載裝備必需要很精確，因此由熱響應偏移所導致的輸出變化最好是等於或小於0.125(％F.S.)或在10倍表達式中為等於或小於1.25(％F.S.×10)。基於用於判斷由設置在1.25(％F.S×10)的熱響應偏移所引起的輸出變化的閾值來進行該測試。連接材料129的伸展是通過設置兩個標線(由固定夾具固定的固定點)、測量標線(由固定夾具固定之間的距離)之間的距離L0、在測試之後測量標線之間的距離L1、並且計算出L1-L0而獲得的差異。從下面的公式(1)中計算出％伸展百分比。
100×(L1-L0)/L0…(1)在如上所述的條件下執行抗張伸展百分比測量測試已經揭示了由圖4所示的相關曲線401所表達的清楚差異，該曲線連接樣品1和2上的測量結果。相關曲線401呈現出在樣品1和2上的測量結果中的輸出變化和伸展百分比之間的相關性。相關曲線401表示當伸展百分比變大時，輸出變化將會變小，導致改進後的熱響應。在相關曲線401上的較低右端點402呈現樣品1上的結果，以及在相關曲線401上的較高左端點403呈現樣品2上的結果。
在樣品1中，當抗張伸展百分比大約為500％時，由熱響應偏移所導致的輸出變化大約是0.77(％F.S.×10)，如同相關曲線401清楚地表示那樣。在樣品2中，當抗張伸展百分比大約為200％時，由熱響應偏移所導致的輸出變化大約是3.6(％F.S.×10)，如同相關曲線401清楚地表示那樣。要執行該測試，硬度(JIS A)對於樣品1設置在20，對於樣品2設置在17。已經弄清楚如果連接材料129是由一種材料製成的，則其硬度大約為20，在由熱響應偏移所導致的輸出變化和硬度之間幾乎不會存在相關性。因此，如果連接材料129是由一種材料製成的，其硬度大約為20，在連接材料129的伸展特性和由熱響應偏移所導致的輸出變化之間的相關性將會很大。換言之，如果連接材料129是由一種材料製成的，其硬度大約為20，伸展百分比和硬度之間幾乎不會有相關性。
因此，如果連接材料129的伸展百分比設置在圖4中黑箭頭所示範圍(該範圍中，輸出變化等於或小於1.25(％F.S.×10)並且伸展百分比為400％或更高)，連接材料129由於其優良的伸展特性，將會吸收從容納基底120施加到壓力檢測設備110上的應力，並且壓力檢測裝置將會具有優良的熱響應。
在結合本發明實施例的上述描述中，展示優良伸展特性的連接材料129吸收從容納基底120產生的應力，從而該應力不會傳遞到壓力檢測設備110。因此，壓力檢測裝置100展示了非常精確的初始檢測性能，並且確保了非常可靠的壓力檢測性能。雖然已經例舉地描述了壓力檢測裝置中的容納基底120和容納蓋130的材料和形狀，以及組成元件的結構，該描述是示例性的，對於本領域一般技術人員來說，不脫離本發明確切精神範圍之內的各種變化和修改是顯而易見的。
如上所述，由於壓力檢測設備110和容納基底120用展示400％或更高伸展百分比的連接材料彼此連接和固定，根據本發明的壓力檢測裝置100基於其優良的伸展特性，易於吸收產生的應力，並展示了優良的熱相應。展示了優良熱相應的壓力檢測裝置100易於實現一種不受測量環境中的溫度變化所影響的結構，並且獲得具有高度可重複性的測量結果。
如上所述，根據本發明的壓力檢測裝置可應用到執行壓力檢測或壓力測量的各種實際用途中。
權利要求
1.一種壓力檢測裝置，包括壓力檢測裝置，所述壓力檢測裝置將由施加其上的應力所導致的張力轉換為電信號，所述壓力檢測裝置將所述轉換的電信號輸出；包括容納裝置的基底裝置，所述容納裝置將所述壓力檢測裝置容納其中，以及介於所述壓力檢測裝置和所述容納裝置之間的連接裝置，所述連接裝置以400％或更高的百分比抗張伸展率連接所述壓力檢測裝置和所述容納裝置。
2.如權利要求1所述的壓力檢測裝置，其特徵在於，所述壓力檢測裝置包括一半導體。
3.如權利要求1或2所述的壓力檢測裝置，其特徵在於，所述基底裝置包括樹脂鑄型。
4.如權利要求1到3任何一項所述的壓力檢測裝置，其特徵在於，所述連接裝置包括有機矽樹脂黏合劑。
5.如權利要求1到4任何一項所述的壓力檢測裝置，其特徵在於，形成了所述連接裝置，從而在所述壓力檢測裝置的結合平面和所述容納裝置的結合平面之間的間距從30μm到100μm。
全文摘要
根據本發明的壓力檢測裝置100，包括壓力檢測設備110，將由施加其上的壓力所導致的張力轉換為電信號，並輸出轉換後的電信號；容納基底120，包括將所述壓力檢測設備110容納其中的容納凹槽121；以及介於壓力檢測設備110和所述容納凹槽121之間的連接材料129，所述連接材料以400％或更高的百分比抗張伸展率連接壓力檢測設備110和容納凹槽121。根據本發明的壓力檢測裝置易於防止熱應力對其檢測性能造成不利影響，並且獲得優良的熱響應。
文檔編號G01L9/00GK1854701SQ200610051540
公開日2006年11月1日 申請日期2006年2月28日 優先權日2005年4月27日
發明者斉藤和典, 市村裕司, 山口啟, 上柳勝道, 筱田茂 申請人:富士電機電子設備技術株式會社