專利名稱：石英傳感器系統(tǒng)以及它的生產(chǎn)方法
技術領域：
實施例大體上涉及檢測方法和系統(tǒng)。實施例還涉及壓力和溫度傳感器。另外，實施例還涉及表面聲波(SAW)裝置和傳感器。
背景技術：
壓力傳感器在有必要需要監(jiān)控壓力的任何時候得以利用。這種裝置理想地適合諸如輪胎壓力檢測的應用。應該相信的是，通過將表面聲波(SAW)裝置定位到諸如石英等壓電材料內(nèi)蝕刻的膜片上，可以實現(xiàn)壓力傳感器。然而，至今，技術障礙已經(jīng)阻礙了這種裝置有效地實現(xiàn)。當前，存在一種很強的需求，即，在苛刻的環(huán)境中或者與旋轉(zhuǎn)部件結合來利用壓力和溫度傳感器，如在輪胎壓力監(jiān)控應用的情況下。為了實現(xiàn)壓力檢測裝置已經(jīng)做出了很多嘗試?，F(xiàn)有的設計需要大的基底和電路尺寸，并且還需要在生產(chǎn)過程中昂貴的校準處理。

發(fā)明內(nèi)容
提供本發(fā)明的下述概要，從而幫助理解只有本發(fā)明才有的一些創(chuàng)新特征，并且不企圖是一個完整的描述。通過把整個說明書、權利要求書、附圖和摘要作為一個整體，可以得到本發(fā)明各個方面的完全理解。
因此，本發(fā)明的一個方面是提供改進的基于傳感器的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個方面是提供一種改進的基于SAW傳感器的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的又一個方面是提供改進的基于石英SAW傳感器的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的前述方面以及其它目的和優(yōu)點現(xiàn)在可以如這里所述的而獲得。公開了基于石英傳感器的方法和系統(tǒng)，其中，多個檢測膜片可以被機械地仿真，以便在石英晶片基底上實現(xiàn)。于是，石英晶片基底可以適當?shù)乇晃g刻，從而從石英晶片基底中生產(chǎn)石英膜片。于是，多個檢測元件和裝置(例如，壓力，參考和/或溫度SAW諧振器)可以被定位到石英晶片基底上，其基于為了在基底上實現(xiàn)而先前仿真的檢測膜，從而從石英晶片基底中生產(chǎn)石英傳感器封裝。


附圖中同樣的參考數(shù)字指的是遍及不同視圖的相同或功能相似的元件，附圖被引入并且形成說明書的一部分，并且結合本發(fā)明的詳細描述進一步闡明本發(fā)明，用來解釋本發(fā)明的原理。
圖1示出了描繪在均勻分布的壓力負荷下在具有夾緊的外邊緣的圓形平板中應力定性表示的曲線圖，其可以被用作提供對于本發(fā)明一個實施例理論支持的基礎；圖2示出了描繪具有安全系數(shù)c作為參數(shù)，依據(jù)石英膜片半徑/膜片厚度與壓力的關系所表達的石英膜片可允許彈性變形范圍的曲線圖，其可以被用作提供對于本發(fā)明一個實施例理論支持的基礎；圖3示出了描繪標準化的徑向和切向應力與從膜片中心到邊緣的標準化距離的關系的詳細相關性的曲線圖，其可以被用作提供對于本發(fā)明一個實施例理論支持的基礎；圖4示出了描述作為膜片厚度函數(shù)的石英膜片最大彎曲的曲線圖和相關表，其可以被用作提供對于本發(fā)明一個實施例理論支持的基礎；圖5示出了描述作為膜片厚度函數(shù)的石英膜片最大彎曲的曲線圖和相關表，其可以被用作提供對于本發(fā)明一個實施例理論支持的基礎；圖6示出了在石英片上構造的三個SAW-諧振器的框圖，其可以被用作提供對于本發(fā)明一個實施例理論支持的基礎；圖7示出了，根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，如在圖6中的，與圖6相同的三個SAW諧振器的框圖，其中，壓力SAW諧振器部分地定位在石英膜片上，另兩個SAW諧振器構造在石英片上大致相同的位置；圖8示出了，根據(jù)本發(fā)明的一個可替換實施例，圖6中描繪的三個SAW諧振器的框圖，其中，壓力SAW諧振器部分地定位在石英膜片上，以致于另兩個SAW諧振器以更緊湊的排列構造；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的一個可替換實施例，與整體地定位在石英膜片的拉應力區(qū)上的壓力SAW諧振器，以及定位在無應力區(qū)內(nèi)的T-SAW和參考SAW相關的圖6中描繪的三個SAW諧振器的框圖；圖10示出了，石英干蝕刻速度與SF6蝕刻壓力/流速的關系的曲線圖，與此同時，呈現(xiàn)了蝕刻參數(shù)對石英表面粗糙度的影響；圖11示出了大體上描繪AFM粗糙度估計的曲線圖；圖12示出了大體上描繪自偏壓對AT石英蝕刻速度的影響的曲線圖；圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的石英封裝SAW壓力傳感器的截面圖；圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的一個可替換實施例的石英封裝SAW壓力傳感器的截面圖；圖15示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的利用微加工的石英檢測膜片實現(xiàn)的SAW壓力傳感器的框圖。
具體實施例方式
在這些非限制的實例中討論的特殊值和結構可以改變，并且，僅被引用來說明本發(fā)明的至少一個實施例，并且不作為對于本發(fā)明范圍的限制。
這里公開的實施例大體上描述了一種用于壓力檢測的蝕刻石英圖的機械設計方法以及用于深度石英蝕刻、直接的石英-石英(quart-to-quartz)封裝以及伸出到石英殼體外部的金屬連接的技術。因此，相對于本發(fā)明的各不同實施例，在這里描述了對于SAW傳感器詢問的新方法和系統(tǒng)。這些概念可以應用到基于多個SAW諧振器實現(xiàn)的檢測構造上。
這些SAW諧振器中的一個可以至少部分地在壓力檢測膜片上(即，被稱作“Pres-SAW”)。剩余的諧振器(即，Ref-SAW和T-SAW)可以被定位在無應力區(qū)?？梢岳肞-SAW和Ref-SAW傳感器差動地測量壓力，同時可以利用定位在無應力區(qū)域的Ref-SAW和T-SAW傳感器以差動的方式測量溫度。在溫度測量的情況下，為了石英基底上的溫度測量，可以推測出相位速度的溫度系數(shù)以及頻率的溫度系數(shù)的各向異性。對于利用的每種類型的石英，可以優(yōu)選地實現(xiàn)T-SAW諧振器相對于其它SAW傳感器的SAW傳播方向的最佳傾斜。
在設計和制造用于溫度和壓力測量的無線和/或基于無源石英的SAW傳感器之前，應該執(zhí)行在膜片上的應變狀況的機械仿真，從而確保在壓力和溫度操作的整個范圍期間，執(zhí)行石英SAW傳感器的可靠和彈性的行為。
取決于要測量的壓力范圍，壓力下彎曲的石英膜片可以從由為了封裝和過壓止動所利用的另一個石英晶片在邊緣支撐的較薄石英晶片(即，在沒有任何蝕刻區(qū)域的條件下)構造，或者通過選擇性地蝕刻石英構造，從而獲得蝕刻的石英壓力檢測膜片?？梢詷嬙焱ㄟ^濕和/或干石英蝕刻執(zhí)行的石英膜片，用于較小的壓力測量。通常，石英膜片機械行為的分析仿真可以提供若干結果，其相對于圖1-9的實施例在這里大體上得到描述。
圖1示出了描繪在均勻分布的壓力負荷p(N/m2)下在具有夾緊的外邊緣的圓形平板中應力的定性表示的曲線圖100。結果由具有小彎曲(即，最大彎曲大致小于膜片厚度的五倍)的大板(即，板的厚度大約小于膜片最小開口-在圓盤情況下的直徑的10倍)的理論獲得。曲線圖100指示了標準化的拉應力和壓應力的徑向分布，如箭頭102指示的。應力通常由軸108指示。曲線104和106指示由均勻分布的壓力負荷在膜片上分別引起的切向和徑向應力，同時，箭頭110，111和112指示在膜片中心和夾緊膜片邊緣上的這種應力的標準化表示。
插入圖113也與曲線圖100結合，描繪在圖1中，代表夾緊的膜片，即，通過邊緣連結(bonded)的圓形平板114。在圓形平板114上均勻分布的壓力通常由在插入圖116中的多個箭頭指示，也描繪在圖1中。注意，相同的插入圖113和116在這里還在圖2-5中示出。大體上，圖1的曲線圖100描繪了作為距離膜片114中心的標準化距離(r/r0)的函數(shù)的膜片114上的應力分布。
圖2示出了描繪依據(jù)石英膜片半徑/膜片厚度與壓力的關系表達的石英膜片可允許彈性變形范圍的曲線圖200。這樣一種構造也由具有小彎曲的大板理論以及用于保持變形在彈性范圍內(nèi)的條件獲得(即，引起的最大應力-其是在夾緊邊緣的徑向應力-小于膜片材料的彈性/斷裂極限的“c”倍，“c”是安全系數(shù)，通常在1和3之間)。
曲線圖200大體上描繪了比率r0/h值與應用到板114上的最大壓力的可允許值的范圍，該彈性變形由最大應力σelastic/fracture＝50MPa調(diào)節(jié)。因此，曲線圖200指示，對于特定膜片厚度可以推出并利用膜片114的最大半徑，以致于對于某一壓力和安全系數(shù)可以獲得膜片114的彈性行為。
圖3示出了描繪標準化的徑向和切向應力與從膜片114中心到膜片114邊緣的標準化距離的關系的詳細相關性的曲線圖300，由具有小彎曲的圓形盤理論獲得。曲線圖300大體上描述了與夾緊膜片相關的，對于諸如板114的石英圓形板的標準化的徑向和切向應力(即，σr，θ/σ0，其中變量σ0代表膜片中心的應力)。由圖3的曲線圖300指示的結果通常對于SAW裝置的聲波靈敏性的估計是優(yōu)選的。
圖4和5示出了曲線圖400和500，以及相關表402，404和502、504，其描繪了作為膜片厚度函數(shù)的石英膜片最大彎曲，這從具有小彎曲的大板理論以及保持變形在彈性范圍內(nèi)的條件獲得。圖4和5的曲線圖400和500以及各個表402，404和502、504大體上提供了，對于膜片半徑和安全系數(shù)的不同值，在150psi壓力下，作為膜片厚度函數(shù)的石英膜片114的最大彎曲。圖4和5的曲線圖400和500以及各個表402，404和502、504可以解釋為，對于給定壓力負荷以及膜片厚度和安全系數(shù)的不同值的膜片厚度可允許范圍的供給者。這種結果對于圓形膜片和過壓止動的幾何特性的計算以及所有石英封裝技術的設計是有用的。
應力的機械分析仿真(即，見圖1和3)證明了，對于半徑r0的圓形膜片，可以獲得具有大致0.6r0半徑r的拉力(即，+sign)中心區(qū)域，同時到它邊緣的膜片114的剩余部分(即，0.4r0寬度)將被壓縮(即，-sign)。徑向和切向拉應力在膜片114的中心是最大的，并且分別對于徑向應力在r＝0.55r0處減少到零，對于切向應力在r＝0.9r0處減少到零。對于r＞0.55r0，徑向應力變?yōu)樨?，同時切向應力對于r＞0.9r0變?yōu)樨?，最大壓縮對于兩種應力類型在膜片114的邊緣獲得。
從分析仿真獲得的徑向和切向應變對于定位在膜片114上的SAW-諧振器的聲波靈敏性的估計是非常重要的。徑向和切向應力之間的組合是形成SAW裝置聲波靈敏性的原因。可以通過在優(yōu)化所有SAW振蕩器的石英封裝期間實驗確認證實的這樣一種結果，對于膜片上SAW諧振器的靈敏性、設計和位置是必要的。這種結果對于封裝技術也是必要的，從而獲得它的無應力密封。取決于設計者希望的靈敏度等級，用于測量壓力和溫度的三個SAW諧振器傳感器的位置可以利用多種構造實現(xiàn)。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在石英片600上構造的三個SAW-諧振器618、614和616的框圖。在圖6描繪的實施例中，可以將SAW諧振器614(即，Pres-SAW)定位在更靠近邊緣的石英片600上，以致于它受到壓應力。以這種方式，整個傳感器可以僅“看到”一個壓縮區(qū)?？梢詫⒖糞AW諧振器616(即，Ref.SAW)定位在外面，可以通過確定SAW諧振器614和SAW諧振器616之間的頻率差來測量。
相似地，溫度可以以差動的方式測量，其中將兩個SAW傳感器(即，T-SAW和Ref.SAW)定位在無應力區(qū)。在圖6的構造中，溫度可以從SAW諧振器618(即，T-SAW)和SAW諧振器616(即，Ref.SAW)之間的頻率差獲得。三個SAW諧振器的這種定位方式對于消除溫度對壓力測量的影響以及相反影響是必要的改進。在圖6中，區(qū)域604的半徑r大約等于0.6r0，其大約等于2.7mm，如箭頭606所指示的。箭頭608指示大約4.5mm的半徑r0。箭頭612指示0.4r0大約等于1.8mm，箭頭610指示大約1.5mm的Pre-SAW諧振器614的長度。箭頭628和624分別指示大約11mm(即，長度)和10mm(即，寬度)的石英片600的尺寸。
圖6大體上示出了通過考慮幾種假設，對于從0到150psi范圍內(nèi)的壓力測量，石英膜片的機械設計的實例。第一種假設是石英強度等于50MPa(拉應力)，其代表對于石英膜片彈性極限的計算為最差的情況。第二種假設是，安全系數(shù)c等于1.5。第三種假設是將SAW諧振器614(即Pres-SAW)定位在靠近它邊緣的圓形膜片602的壓縮區(qū)域內(nèi)，并且占用沿著半徑大約0.33r0的長度L，其代表大約1.5mm。該值由915MHz的操作頻率引起，并且頻率帶寬來自于無許可(license-free)域。第四種假設基于獲得壓力靈敏度高值的想法。這種假設可以通過最優(yōu)化徑向和切向應力的組合實現(xiàn)，這在膜片的壓縮區(qū)域是可能的。
對于與上述假設相關的要測量的150psi的最大壓力，仿真結果提供了大約等于4.5mm的膜片半徑r0，如圖6中箭頭608所指示的。對于c＝1.5的安全因子，膜片半徑和膜片厚度之間的比率小于6.67。這樣一種構造提供了675微米的石英膜片厚度。這種解決方案的優(yōu)勢包括這樣的事實，即，SAW諧振器614(即，Pres-SAW)的位置全在壓縮區(qū)域內(nèi)，其中高壓力靈敏度產(chǎn)生。另一個優(yōu)勢在于，SAW諧振器616(即，Ref.SAW)和SAW諧振器618(即，T-AW)定位在無應力區(qū)域上，其中，降低的測量壓力的的溫度相關性產(chǎn)生。圖6的這種構造的缺點包括增加的片大小和膜片厚度，以及長的金屬化路徑。長的金屬連接會增加傳感器的電串聯(lián)電阻，并且還可能影響這種裝置的品質(zhì)因數(shù)(Q)。
圖7示出了與壓力SAW諧振器714(即，Pres-SAW傳感器)相關的圖6中描繪的三個SAW諧振器的框圖的實例，壓力SAW諧振器714部分地定位在石英膜片702上。根據(jù)本發(fā)明的一個可替換實施例，另外兩個SAW傳感器718和716可以被構造在與圖6所示的石英片大約相同的位置。在圖7描述的構造中，可以將一組P-SAW傳感器的反射器定位在無應力區(qū)域上。
在圖7的實例中，區(qū)域704的半徑r大約等于0.6r0，其大約等于1.5mm，如箭頭706指示的。箭頭708指示大約2.5mm的半徑r0。箭頭712指示0.4r0大約等于1mm，同時，箭頭710指示了大約1.5mm的Pres-SAW諧振器714的長度。箭頭728和724分別指示了石英片700的尺寸大約是6.5mm(即，長度)和6mm(即，寬度)。
圖7描繪的構造的優(yōu)勢在于，SAW諧振器716(即，Ref SAW)和SAW諧振器718(即，T-SAW)定位在無應力區(qū)域上。另一個優(yōu)勢是測量壓力的溫度相關性的降低和片尺寸的降低，特別是相對于圖6中描繪的實例。圖7構造的缺點是SAW諧振器714(即，Pres-SAW)的部分位置在壓縮區(qū)域上，其由箭頭710指示，其中可能導致壓力靈敏度的減小，特別是相對于圖6中描繪的構造。圖7構造的其它缺點包括長的金屬化路徑。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個可替換實施例，與部分地定位在石英膜片802上的壓力SAW諧振器814，以及以更緊湊的排列構造的兩個其它SAW諧振器816和818相關的圖6中描繪的三個SAW-諧振器的框圖。擁有如箭頭808指示的2.5mm的半徑r0的膜片802，大體上定位在石英片800上，并且包括具有半徑r＝0.6r0＝1.5mm的拉力區(qū)804，如箭頭806所指示的。石英片800的寬度大約是6mm，如箭頭824所指示的，同時石英片800的長度大約是7.5mm，如箭頭828指示的。箭頭812指示0.4r0＝1mm。箭頭810和815分別指示分別大約為1.5mm和1.2mm的Pres-SAW諧振器814的長度和寬度。SAW諧振器816可以作為Ref.SAW實現(xiàn)，同時SAW諧振器818可以作為T-SAW實現(xiàn)。
存在于圖7中構造的一些相同的缺點也存在于圖8描繪的實例中。然而，圖8的構造呈現(xiàn)了一些優(yōu)勢，諸如三個SAW諧振器(傳感器)818，814和816之間的短金屬連接，其有助于金屬的低串聯(lián)電阻以及因此提供了高品質(zhì)因數(shù)。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的一個可替換實施例，與整體地定位在石英膜片902的拉應力區(qū)上的壓力SAW諧振器914，以及定位在石英片900上無應力區(qū)內(nèi)的SAW諧振器918(即，T-SAW)和參考SAW諧振器916(即，Ref.SAW)相關的圖6中描繪的三個SAW諧振器的框圖。在圖9中描繪的可替換實施例中，石英片900大體上具有如箭頭924指示的6mm的寬度，以及由箭頭928指示的7.5mm的長度。石英膜片902的拉應力區(qū)域904具有如箭頭906指示的r＝0.6r0＝1.5mm的半徑。
膜片902的半徑r0大約等于2.5mm，如箭頭908所示。箭頭920代表“在石英上的X方向”，同時箭頭912指示膜片902的壓應力區(qū)的0.4r0＝1mm的距離。在圖9描繪的構造中，SAW諧振器914(即，Pres.SAW)完全地定位在通常由箭頭906指示的r＝0.6r0＝1.5mm的拉應力區(qū)域內(nèi)，從膜片902的中心開始，到拉和壓區(qū)域之間的邊界，其通常由虛的圓形線930指示。另兩個傳感器(即，SAW諧振器916和918)定位在膜片902外面，在無應力表面上，盡可能接近SAW諧振器914(即，Pres-SAW傳感器)。
在這種情況下的聲波靈敏度可以在靠近拉和壓區(qū)域之間邊界(即，見虛線930)的膜片區(qū)域上最大化?；谖g刻石英膜片，該檢測原理已經(jīng)推動了一種用于新一代高頻SAW壓力傳感器的方法，其中，SAW傳感器區(qū)域和膜片直徑可以盡可能的最小化。通常，蝕刻石英膜片制造需要高蝕刻速度，但是這種需要和實現(xiàn)平的蝕刻表面的需要是兩個相當沖突的條件，這可以利用優(yōu)化的高密度等離子蝕刻技術和設備完成，其中，可以有效地做出蝕刻速度和表面粗糙度之間的折衷。
例如，高達0.3微米每分鐘的蝕刻速度和大約2nm的表面粗糙度可以經(jīng)由利用SF6蝕刻氣體，低處理壓力(例如，2mTorr)和自偏壓(例如，340V)的感應耦合的等離子反應離子蝕刻(ICP RIE)獲得。圖10-12在這里示出了這種參數(shù)的實例，并且其僅用于通用的說明性和涉及上下文的目的。此外，這些圖可以用作為對于這里公開的實施例的理論支持。Abe和Esashi(傳感器&執(zhí)行器，A82，2000，pp.139-143)以非限制參考的更詳細的方式提出了這些參數(shù)的實例。
圖10示出了AT石英干蝕刻速度與SF6蝕刻壓力/流速的關系的曲線圖1000，同時，描繪了蝕刻參數(shù)對ICP-RIE中AT石英表面粗糙度的效果。另一方面，圖11示出了圖解構造110，其包括描繪AFM粗糙度估計的曲線圖1104和1102，其中，粗糙度平均值大體上小于2nm。圖12示出了描繪自偏壓對ICP RIE中AT石英蝕刻速度和表面質(zhì)量的影響的曲線圖1200。
通常，增加SAW傳感器操作的頻率可以決定SAW裝置尺寸的強減少，同時，可以容易地實現(xiàn)保持在無許可頻帶中操作的頻率帶寬限制。SAW濾波器的標準技術還可以應用于限定交叉指型轉(zhuǎn)換(IDT)域。因為直接的石英接合技術需要非常平的表面，優(yōu)選的是使用金屬離子注入作為創(chuàng)造從全石英封裝內(nèi)到外部焊接區(qū)的導電路徑的方法。鈦代表一種優(yōu)選的金屬類型，鈦注入的能量和劑量由設計的導電路徑電阻率決定，如由到傳感器天線的適應電路(adaptation circuit)所需要的。
用于封裝和封閉SAW裝置的材料選擇會在溫度相關性和長期穩(wěn)定性上具有極大的影響，因為定位SAW裝置的石英基底表面上的任何熱應力會改變操作頻率。因此，SAW壓力傳感器的封裝是關鍵的處理，類似于壓阻壓力傳感器的封裝。為了避免由熱膨脹系數(shù)失配引起的熱應力，和通過構建過壓止動來保護石英膜片，在如下的直接石英-石英晶片連接處理的環(huán)境中，可以實現(xiàn)真正的全石英封裝(TAQP)技術1、原始樣品的(as-received)石英晶片的微觀粗糙度估計(AFM∶RMS＜1.3nm)；2、處理過的石英罩(晶片級)和石英SAW基底(晶片級)的微觀粗糙度估計(AFM∶RMS＜1.3nm)；3、在煮沸的濃縮的HNO3中親水性處理石英罩和石英SAW基底30-50分鐘(即，通常RMS在該處理后減少)；4、在DI水中沖洗，然后干燥；5、在兆頻聲波RCA 1溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)中清洗10分鐘，然后由HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶6清洗10分鐘；6、干燥石英罩和石英SAW基底；
7、直接接觸并對準罩和SAW基底；8、在溫度T＜450℃的N2中加溫退火1小時(即，溫度應該以大約10℃/min向上和向下傾斜)；并且9、連接控制，其中，借助于50nm的薄刀片利用“裂紋張開(crackopening)”方法。
上面指示的處理可以應用到大體上在圖13-15描繪的最終封裝的石英SAW壓力裝置。因此，在圖13-15示出的每個實例中，當然根據(jù)本發(fā)明變化的實施例，描繪了貫穿完全封閉的TAQP SAW裝置的截面。在高壓力測量的情況下，對于假定的50MPa的石英強度值，通常沒有必要利用蝕刻的石英膜片。在這樣一種狀況下，“開始”石英晶片可以作為整體被利用，以至于基于膜片的檢測原理在用于適度和低壓力操作的TAQP處理的環(huán)境下實現(xiàn)。
圖13示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的石英封裝的SAW壓力傳感器裝置1300的截面圖。在圖13中，壓力檢測石英膜片可以被構造成TAQP處理的一部分。在圖13描繪的實例中，作為主要部件(package)的石英SAW片1306可以在區(qū)域1302和1303中以倒置直接連接(石英-石英)的特征實現(xiàn)。石英基片1326可以為了確定膜片的界限而被構造成包括蝕刻的間隙1324。此外，蝕刻的間隙1324可以起過壓止動的作用。凹口區(qū)1322可以允許通過切割處理移除線接頭，因此，留下了石英SAW片1306的橫向條紋，如這里更詳細討論的。
因為片1306和1326的連接可以在真空或在外界壓力下完成，所以間隙1324可以用作參考腔，同時封裝的傳感器1300可以被分別地用作絕對或表壓傳感器。石英SAW片1306可以被構造成包括凹口區(qū)1338，其借助于導電樹脂1318允許電接觸被定位在沉積到石英SAW片1306和石英基片1326上的兩個金屬層1336之間。諸如鈦注入物1334等的注入金屬連接還可以穿過直接連接1303，從而進行石英SAW片1306的金屬連接(例如，SAW電極1332和沉積金屬1336)之間的歐姆接觸。
在二級封裝中，石英直接連接片1306和1308的組合體可以利用連接樹脂1328(例如，硅酮PSA，RTV橡膠，環(huán)氧樹脂等)被連接到封裝基板1320(即，由金屬或塑料構造的)上。絕緣的金屬引線1316可以穿過封裝基板1320，從而與線接頭1310接觸。于是導電樹脂1318可以從一分配器注入，用于建立兩個沉積金屬層1336之間的電連接。此外，保護性絕緣軟樹脂1312可以環(huán)繞線接頭1310。由金屬或塑料構造的外罩1308通常密封組合體1306/1308和封裝基板1320。
外罩1308可以通過可替換的焊接1330或1314(例如，激光或電焊接，樹脂焊接，塑料-塑料焊接等等)被連接到基板1320。外封裝可以由金屬和/或塑料構造。壓力傳送元件1304(例如，空氣過濾器，柔軟凝膠)可以定位在外罩1308的空氣入口，從而阻止污染物達到石英SAW片的背面。如果在間隙1324的區(qū)域中有一孔穿過基片1326和封裝基板1320，那么封裝的傳感器1300可以作為差動測量壓力傳感器被利用。此外，取決于設計需要，金屬引線1316可以被利用來連接天線或者另一個電或無線構件。
相對于石英SAW片1306的基片1326的較大尺寸可以在模分隔(die separation)期間通過在相同方向執(zhí)行特殊的雙切割處理獲得。組合體1306/1326可以通過石英-石英直接連接被執(zhí)行在晶片級上。最初，可以執(zhí)行切割步驟，從而僅去除(在后續(xù)的片間切割步驟中)定位在石英基片1326的凹口區(qū)1322上的石英SAW片1306的上側(cè)端(upper side steak)。最后，可以在片間構件的垂直方向上執(zhí)行切割步驟，從而釋放全部的石英直接連接的組合體1306/1308。
圖14示出了根據(jù)本發(fā)明一個可替換實施例的石英封裝SAW壓力傳感器裝置1400的截面圖。裝置1400大體上包括石英SAW片1404，其可以被提供有蝕刻膜片1428和在石英SAW片1404的上側(cè)的區(qū)域1416和1417中直接連接(石英-石英)的石英罩1406。石英罩1406可以被構造以包括用作對于膜片1428過壓止動的蝕刻間隙1402。因為片1406和1404的連接可以在真空中或者外界壓力下完成，所以間隙1402可以用作參考腔。封裝的傳感器1400可以被分別地用作絕對或表壓傳感器。
石英SAW片1404區(qū)可以被構造以包括凹口區(qū)1434，其允許生成到沉積在凹口區(qū)域1434上的金屬1412的線接頭。在通過切割處理去除后，石英罩1406上的橫向條紋(streak)可以以相對于圖13中描繪的實施例所討論的相同方式被定位在凹口區(qū)域1434上?？梢詫⑩佔⑷攵ㄎ辉谑AW片1404上，從而進行連接SAW電極1414的沉積金屬1412和在凹口區(qū)1434上的沉積金屬1412之間的接觸。組合體1404/1406，通過石英-石英直接連接被執(zhí)行在晶片級，其也被看作“初級封裝”，然后可以經(jīng)由連接樹脂1430，1431(例如，硅酮PSA，RTV橡膠，環(huán)氧樹脂等)被連接到基板1424上(在“二級封裝”中)。
線接頭1410通常在凹口區(qū)域上的沉積金屬1412和穿過由金屬或塑料形成的基板1424的金屬引線1420之間延伸。壓力傳送元件1426(即，定位在空氣入口的空氣過濾器或者與石英檢測膜片直接接觸的柔性凝膠)可以被采用在基板1424附近，從而阻止污染物達到石英SAW片的背面。可替換的焊接1418和1432(例如，激光或電焊接，樹脂焊接，塑料-塑料焊接等等)可以被利用來將基板1424連接到外罩1408。注意，外罩1408可以由金屬或塑料形成。
因此，圖14提出了對于SAW傳感器技術和封裝的可替換解決方案，其可以應用于低壓力測量，其中蝕刻的石英膜片是必要的。這個傳感器技術和封裝技術的主要優(yōu)勢來源于這樣一種事實，即，通過利用SAW電極到線焊接區(qū)之間的鈦注入連接，其中二者都位于相同的石英件上，從SAW電極到外部金屬引線(例如，引線1420)的電接觸可以做地更簡單。注意的是，如果一孔在間隙11402的區(qū)域內(nèi)穿過外罩1408和石英罩1406，那么封裝的傳感器1400可以被用作差動測量壓力傳感器。
圖15示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例，利用微加工的石英檢測膜片1510實現(xiàn)的SAW壓力傳感器封裝1500的框圖。在圖15的可替換實施例中，穿過晶片的接觸孔1506，1508可以被利用來接觸SAW裝置，包括SAW溫度傳感器1502，1504(即，T1SAW和T2SAW)。在圖15示出的構造中，壓力SAW傳感器1512(PSAW或Pres.SAW)可以被定位在膜片1510上。SAW傳感器1502，1504(即，T1SAW和T2SAW)通常定位在遠離膜片1510處。
“初級封裝”通常(i)石英SAW片1516，其可以被提供有溫度和壓力SAW傳感器1502，1504和1512，所述最后一個傳感器定位在膜片1510上，以及通過晶片的接觸孔1506，1508，(ii)石英罩1501，其被提供有作為對于膜片1510過壓止動工作的蝕刻間隙1520，二者工件通過直接石英-石英連接技術連接。因為片1501和1516的連接可以在真空中或在外界壓力下完成，所以間隙1520可以用作參考腔，封裝的傳感器1500可以被利用作為絕對或表壓傳感器。如果一孔在間隙1520的區(qū)域內(nèi)穿過石英罩1501，那么封裝的傳感器1500可以被用作差動測量壓力傳感器。對于“二級封裝”可以實現(xiàn)多個密封變型。例如，一個非常方便的解決方案，包含簡單地倒置組合體1501/1516，和將石英罩1501連接到板基底上。
通常，對于這里描述的用作高壓測量的SAW裝置(例如，見圖13)，許多處理步驟可以用于SAW石英晶片制造。這種處理步驟的一個實例提供如下1、原始樣品(as-received)的雙面化學拋光石英SAW晶片的微觀粗糙度估計；2、晶片清洗；3、薄金屬層的沉積，該層用作下一個步驟中的抗蝕劑掩膜；4、用于通道間隙形成的光刻處理，這是對于通過從SAW表面到外部連接的金屬路徑所需要的；5、通道間隙的RIE蝕刻；6、金屬去除；7、晶片清洗；8、薄膜層的沉積，該層用作鈦注入的抗蝕劑掩模；9、用于鈦注入的光刻處理；10、用于埋入的導電路徑形成的鈦注入；11、用于SAW電極形成和外部接觸的金屬層的沉積；12、用于金屬圖案的光刻處理；13、金屬蝕刻；14、晶片清洗；15、在煮沸的、濃縮的HNO3中親水性處理石英SAW晶片30-50分鐘；16、在DI水中沖洗，然后干燥；17、在兆頻聲波RCA 1溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)中清洗10分鐘，然后由HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶6清洗10分鐘；并且18、干燥。
在完成上面指示的處理步驟基礎上，可以對于另一個石英晶片實施一組相似的處理步驟，從而形成石英基板。當兩個石英晶片準備好直接連接時，可以處理晶片切割和片組裝，如下所示
1、接觸并對準石英SAW晶片和石英基板；2、在T＜450℃情況下在N2中加熱退火1小時，其中該溫度應該以大約10℃/min向上和向下傾斜；3、連接控制，其中借助于50mm刀片利用“裂紋張開”的方法；4、部分晶片切割(即，與石英SAW晶片厚度相等厚度的切口，并且僅在一個方向上)；5、在AQP微型結構的片間空間上連接晶片的整個厚度切割；6、在封裝基板上與特殊樹脂的片連接；7、用于來自于兩個片的金屬接觸的導電樹脂的分配(dispense)；8、引線連接；9、分配保護樹脂；以及10、蓋上蓋子并焊接。
以相似的方式，可以描述對于AQP SAW壓力傳感器的其它制造解決方案的技術。例如可以通過濕或干蝕刻進行蝕刻石英晶片。在“全石英”傳感器封裝中，到天線的電極連接可以經(jīng)由“穿過晶片”的連接被執(zhí)行。在“穿過晶片”的設計中，該“通”孔可以由激光，超聲波或濕蝕刻被鉆出。
這里公開的實施例和實例大體上描述了改進的機械設計和仿真方法，以及用于SAW傳感器組合、面向更集成制造和在測試階段減少的校準行為的封裝技術。這種技術基于石英制造的壓力檢測膜片、對于石英膜片的選擇性石英晶片蝕刻、過壓止動制造、對于金屬連接的金屬離子注入以及對于低價無校準SAW傳感器的直接石英-石英晶片連接的機械仿真。
這里陳述的實施例和實例被提出來最好地解釋本發(fā)明和它的實際應用，并且因此允許本領域技術人員來制造和利用本發(fā)明。然而，本領域的技術人員將認識到已經(jīng)提出的前面描述和實例僅用于說明和示例的目的。本發(fā)明的其它變化和改動對于本領域技術人員來說是明顯的，并且附加的權利要求的目的是覆蓋這些變化和改動。
所陳述的描述并非是窮舉或限制本發(fā)明的范圍。在不背離下述權利要求范圍的情況下，按照上面的教導，許多改動和變化是可能的。設想的是本發(fā)明的使用可以包含具有不同特性的組件。至此，所附加的權利要求限定了本發(fā)明的范圍，給出了在所有方面對等效形式的完整認識。
權利要求
1.一種石英傳感器方法，包含以下步驟機械地仿真多個SAW檢測諧振器，以便在石英晶片基底上實現(xiàn)；蝕刻所述石英晶片基底，從而從所述石英晶片基底中生產(chǎn)多個石英壓力檢測膜片；以及在所述石英晶片基底上定位多個SAW檢測諧振器，其基于為了在所述基底上實現(xiàn)而機械地仿真的所述多個SAW檢測諧振器，從而從所述石英晶片基底中生產(chǎn)石英傳感器封裝。
2.根據(jù)權利要求1的方法，還包含在所述石英晶片基底上制造過壓止動構件的步驟。
3.根據(jù)權利要求1的方法，還包含向所述石英晶片基底注入金屬離子用于形成它的導電路徑連接的步驟。
4.根據(jù)權利要求3的方法，其中，所述金屬離子包含鈦。
5.根據(jù)權利要求1的方法，還包含在所述石英晶片基底上實施石英一石英晶片連接操作從而形成所述石英傳感器封裝的步驟。
6.根據(jù)權利要求1的方法，其中，所述多個SAW檢測諧振器包含至少一個壓力SAW諧振器。
7.根據(jù)權利要求1的方法，其中，所述多個SAW檢測諧振器包含至少一個溫度SAW諧振器。
8.根據(jù)權利要求1的方法，其中，所述多個SAW檢測諧振器包含至少一個參考SAW諧振器。
9.根據(jù)權利要求1的方法，其中，所述多個SAW檢測諧振器包含部分地定位在所述石英晶片基底的壓應力區(qū)域上的至少一個壓力SAW諧振器。
10.一種石英傳感器系統(tǒng)，包含多個SAW檢測諧振器，用于在石英晶片基底上實現(xiàn)；從所述石英晶片基底上蝕刻的石英膜片；以及其中，在所述石英晶片基底上定位多個SAW檢測諧振器，其基于為了在所述基底上實現(xiàn)而機械地仿真的所述石英膜片，從而從所述石英晶片基底中生產(chǎn)石英傳感器封裝。
11.根據(jù)權利要求10的系統(tǒng)，還包含在所述石英晶片基底上制造的過壓止動構件。
12.根據(jù)權利要求10的系統(tǒng)，還包含注入到所述石英晶片基底的金屬離子，用于形成它的導電路徑連接。
13.根據(jù)權利要求10的系統(tǒng)，其中，所述金屬離子包含鈦。
14.根據(jù)權利要求10的系統(tǒng)，其中，所述石英晶片基底承受石英-石英晶片連接操作，從而形成所述石英傳感器封裝。
15.根據(jù)權利要求1的方法，其中，所述多個SAW檢測諧振器包含至少一個壓力SAW諧振器。
16.根據(jù)權利要求1的方法，其中，所述多個SAW檢測諧振器包含至少一個溫度SAW諧振器。
17.根據(jù)權利要求1的方法，其中，所述多個SAW檢測諧振器包含至少一個參考SAW諧振器。
18.根據(jù)權利要求1的方法，其中，所述多個SAW檢測諧振器包含部分地整體定位在所述石英膜片的壓應力區(qū)域上的至少一個壓力SAW諧振器。
19.一種石英傳感器系統(tǒng)，包含提供有石英蝕刻罩的石英SAW片，從而在那里它們之間形成蝕刻過壓止動間隙；在所述蝕刻的過壓止動間隙內(nèi)的所述石英SAW片上布置的多個SAW檢測諧振器；金屬引線穿過的基板，以便所述金屬引線通過線接頭接觸；沉積在所述石英SAW片上的金屬，以及之上沉積在所述石英SAW片上的鈦注入；連接到所述基板上的外罩，其中，所述外罩環(huán)繞所述石英SAW片和所述石英罩，從而形成SAW壓力傳感器。
20.根據(jù)權利要求19的系統(tǒng)，還包含在所述石英SAW片和所述石英罩之間的石英直接連接；在所述基板和所述石英SAW片之間的連接樹脂；定位在形成在所述基板內(nèi)的間隙內(nèi)的壓力傳送元件，從而阻止污染物與所述石英SAW片接觸；以及其中，所述石英SAW片包含蝕刻的膜片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石英傳感器方法和系統(tǒng)，其中，可以機械地仿真多個SAW檢測諧振器，以便在石英晶片基底上實現(xiàn)。此后，可以適當?shù)匚g刻石英晶片基底，用來從石英晶片基底中生產(chǎn)石英膜片。然后，多個SAW檢測諧振器(例如，壓力，參考和/或溫度SAW諧振器)可以定位在石英晶片基底上，其基于為了在基底上實現(xiàn)而先前機械仿真，從而從石英晶片基底中生產(chǎn)石英傳感器封裝。
文檔編號G01L9/00GK1973193SQ200580020404
公開日2007年5月30日 申請日期2005年4月19日 優(yōu)先權日2004年4月20日
發(fā)明者J·D·庫克, B·J·馬什, J·Z·劉, B·D·斯佩爾德里奇, I·帕夫萊斯庫, V·布伊庫萊斯庫, C·P·科比亞努 申請人:霍尼韋爾國際公司