專利名稱：利用整體式端口與膜片構(gòu)造的基于厚膜技術(shù)的超高壓傳感器的制作方法
利用整體式端口與膜片構(gòu)造的基于厚膜技術(shù)的超高壓傳感器技術(shù)領(lǐng)域?qū)嵤├篌w涉及傳感裝置及其方法。實(shí)施例還涉及壓力變換器。實(shí)施例另外涉及壓力傳感器。實(shí)施例另外涉及ATF(先進(jìn)厚膜)工藝和 技術(shù)。
背景技術(shù)：
各種傳感器已在壓力傳感器領(lǐng)域中已知。壓力變換器已在本領(lǐng)域 中熟知。壓力變換器的一個(gè)實(shí)例是形成有硅襯底和生長在襯底上的外 延層的裝置。然后可以移除襯底的一部分，從而留下薄的柔軟膜片部。 傳感部件可位于膜片部中以形成壓力變換器。在操作中，膜片的至少 一個(gè)表面暴露于工藝壓力。膜片根據(jù)壓力的幅度而偏轉(zhuǎn)，并且這種偏 轉(zhuǎn)使所附接的傳感部件彎曲。膜片的彎曲造成傳感部件的電阻值變信號(hào)的變化。用于形成壓力變換器或類似裝置的復(fù)合膜片的某些技術(shù)涉及構(gòu) 造具有第一傳導(dǎo)類型的襯底層，其中該襯底層包括第一表面。然后， 可在襯底層的第一表面和生長在襯底層的第一表面上的外延層上沉 積P型摻雜(positive implant)，使得P型摻雜在外延層中形成P型擴(kuò)散。 然后可在外延層上形成氧化物圖案且在外延層和氧化物圖案上沉積 頂層。然后可蝕刻襯底層和外延層的P型擴(kuò)散以形成復(fù)合膜片。因此， 可提供該復(fù)合膜片用于壓力傳感器或類似裝置。膜片包括第一氮化硅 層和附接到該氮化硅層且包括硅材料的壓力傳感器圖案的第二層。一種壓力變換器包括諸如硅或陶瓷的合適材料的薄的相對(duì)柔性 的膜片部分，在該膜片部分上印刷選定電阻元件或者電容板，由此向壓力源暴露會(huì)造成膜片偏轉(zhuǎn)，這將造成電阻元件的電阻值變化或電容 板與配合電容板的間距變化和同時(shí)電容的變化，因此這種壓力變換器 是本領(lǐng)域中所熟知的。變才灸器構(gòu)造的一個(gè)示例7>開于名稱為"Ceramic on Metal Pressure Transducer"的美國專利No.6,945,118中，該專利在2005年9月20 日授予William D.Maitland， Jr.，并且以引用的方式結(jié)合到本文中。美 國專利No.6,945， 118大體上公開了 一種變換器裝置和形成該變換器裝 置的方法。金屬膜片以分子的方式(moleculariy)結(jié)合到陶瓷材料上，以 形成其陶瓷表面。然后，將橋接電路連接到金屬膜片的陶瓷表面上。 用于壓力傳感的輸入壓力端口也提供于美國專利No.6，945，118的構(gòu)造 中，其中輸入壓力端口連接至金屬膜片，從而形成包括金屬膜片、橋 接電路和輸入壓力端口的變換器裝置。在美國專利No.6,945,118的示例中，金屬膜片悍接到輸入壓力端 口上。金屬膜片及其陶瓷表面優(yōu)選地在至少大約-40。C至150。C的溫度 范圍內(nèi)操作，變換器裝置也在此溫度范圍內(nèi)操作。陶瓷材料以分子的 方式結(jié)合到金屬膜片上以形成其陶瓷表面。結(jié)合到金屬膜片上的陶乾 表面也可被構(gòu)造為陶瓷襯底。陶瓷表面為金屬膜片提供腐蝕防護(hù)。橋 接電路通常包括電阻器網(wǎng)絡(luò)并且提供與所施加的力成比例的輸出。包 括ASIC(專用集成電路)、相關(guān)的電路和EMI防護(hù)的柔性電路提供信 號(hào)調(diào)節(jié)、校準(zhǔn)和補(bǔ)償。位于包括引線框架的塑料按扣的連接器系統(tǒng)上 的按扣和Z軸導(dǎo)體材料可用于將柔性電路連接到位于膜片上的橋接網(wǎng) 絡(luò)。當(dāng)用作低壓傳感器時(shí)，在外殼中變換器的經(jīng)濟(jì)包裝可提供有效的 密封。然而，防止變換器的安裝和密封等影響到輸出可能是一個(gè)問題。 這至少部分是由于用于形成變換器的材料(例如硅、陶瓷等)與外殼(塑 料等)之間的熱膨脹的顯著差異造成的。常規(guī)的密封布置涉及繞外殼中 的入口壓力端口放置密封材料環(huán)，以及安裝該變換器使得壓敏膜片與 壓力端口精確地對(duì)準(zhǔn)。這種常規(guī)布置不僅涉及到應(yīng)力隔離問題，而且其還在限定包裝內(nèi)的變換器位置方面限制設(shè)計(jì)選擇的靈活性。圖l示出了膜片102到端口 104上的現(xiàn)有技術(shù)焊接的示意圖。圖 2示出了膜片102到端口 104上的現(xiàn)有技術(shù)連接的等距視圖。圖3示 出了圖1至圖2所示的膜片102與端口 104的截面?zhèn)纫晥D。應(yīng)注意的 是，在圖1至圖3中，相同或相似的構(gòu)件通常用相同的附圖標(biāo)記來表 示。焊接到端口 104的膜片102不足以用于極限的壓力條件，諸如， 在高達(dá)3000巴(即43,500 psi)的壓力下進(jìn)行操作的環(huán)境。在驗(yàn)證壽命 測試期間，諸如圖1至圖3所示構(gòu)造的焊接構(gòu)造的整體性是所關(guān)注的 可靠性的根源。因此，圖1至圖3所示的傳感器設(shè)計(jì)類型不足以用于 超高壓應(yīng)用。包括利用膜片或膜片部分構(gòu)造的壓力變換器裝置的壓力變換器 裝置的主要問題中的一個(gè)問題在于，這種裝置在腐蝕與高溫應(yīng)用中是 不可靠的。因此，需要可用于腐蝕介質(zhì)與高溫應(yīng)用的低成本、高準(zhǔn)確 度壓力的變換器。發(fā)明內(nèi)容特征，并且并不意圖是本發(fā)明的全面描述。通過將整個(gè)說明書、權(quán)利 要求書、附圖和摘要作為一個(gè)整體來理解而獲得本發(fā)明的各種方面的 透徹的iU只。因此，本發(fā)明的一個(gè)方面在于提供一種裝置和方法，其克服上述 現(xiàn)有技術(shù)局限。本發(fā)明的另一方面在于提供一種改進(jìn)的傳感器裝置和方法。 本發(fā)明的另外方面在于提供一種改進(jìn)的壓力傳感器方法和裝置， 其可利用ATF(先進(jìn)厚膜)工藝和技術(shù)形成?，F(xiàn)可如本文所述來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的前述方面及其它的目的和優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明公開了用于構(gòu)造壓力傳感器的方法和裝置。概括而言，提供均 質(zhì)(homogeneous)金屬件。將壓力端口和加工膜片集成到該均質(zhì)金屬件上，其中加工膜片連接到壓力端口上。可利用先進(jìn)厚膜(ATF)技術(shù)來 構(gòu)造加工膜片，從而提供一種基于壓力端口和加工膜片及其相關(guān)的壓 力傳感器構(gòu)件的用于高壓傳感應(yīng)用的高壓壓力傳感器。
密封墊片可設(shè)置于膜片與壓力端口之間，以形成用于壓力傳感器 的端口-膜片組件。此外，可提供柔性組件和ESD夾子，其中ESD夾 子連接到柔性組件。然后，可將柔性組件附連到連接器上且將扣帽附 連到柔性組件上。然后，可將導(dǎo)體插入于膜片與扣帽之間且該扣帽附 連到該膜片上。ESD夾子可附連到壓力端口與柔性組件上?？赏ㄟ^將 蓋子壓接(crimp)到壓力端口上而最終形成壓力傳感器。電纜也可連接 到蓋子上。端帽也可附連到蓋子上，其中端帽填充有環(huán)氧樹脂，用于 將端帽連接到蓋子上。


附圖進(jìn)一步說明了本發(fā)明，并且與本發(fā)明的具體實(shí)施例方式一起 用于解釋本發(fā)明的原理，在所有獨(dú)立的附圖中，類似的附圖標(biāo)記指代 相同或功能相似的元件，附圖結(jié)合到本說明書中并且構(gòu)成本il明書的 一部分。
圖1示出了焊接到端口的現(xiàn)有技術(shù)的示意圖； 圖2示出了圖1所示的膜片到端口的現(xiàn)有技術(shù)連接的等距視圖； 圖3示出了圖1至圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)的膜片與端口構(gòu)造的截面 側(cè)-現(xiàn)圖4示出了形成壓力傳感器的工藝；
圖5示出了可根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例實(shí)施的集成的膜片與端口的等距視 圖；以及
圖6示出了才艮據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的圖5所示的集成的膜片與端口的截 面圖。
具體實(shí)施例方式
在這些非限制性示例中所討論的特定值和構(gòu)造可被改變，并且僅用于說明本發(fā)明的至少 一個(gè)實(shí)施例且并不限制本發(fā)明的范圍。圖4示出了用于形成壓力傳感器的工藝100。如在圖1中的步驟 Al所表示，可提供先進(jìn)厚膜(ATF)膜片102。應(yīng)注意的是，如本文所 用的術(shù)語"ATF"和"先進(jìn)厚膜"大體上指的是基于易于定制的模塊 化構(gòu)造工藝的技術(shù)。這種ATF技術(shù)的示例公開于上文所討論的美國專 利No.6,945，118中。概括而言，ATF技術(shù)極為可靠并且可與較大范圍 的流體和氣體兼容。如箭頭121和步驟B1所示，膜片102可焊接到 壓力端口 104上。應(yīng)注意的是，實(shí)際焊接工藝描繪于圓形線103的邊 界內(nèi)。圖5至圖6所示的構(gòu)造預(yù)期代替對(duì)圓形線103內(nèi)所示的焊接工 藝的需要。如箭頭123和步驟C1所示，密封墊片106可安裝于膜片 102上和壓力端口 104內(nèi)。即，密封墊片106位于膜片102與壓力端 口 104之間。其后，如箭頭125和步驟C1所示，可構(gòu)造端口-膜片組 件105，其包括膜片102、密封墊片106和壓力端口 104。之前，在圖1的步驟A1、 Bl、 Cl和D1處理的同時(shí)或之后，還 可實(shí)施多個(gè)其它步驟A2、 B2、 C2和D2。因此，如步驟A2所示，可 提供由柔性組件部分110， 112所組成的組裝的(populated)柔性組件 109。其后，如箭頭127和步驟B2所示，ESD夾子114可連接到柔性 組件109上。才艮據(jù)設(shè)計(jì)考慮，ESD夾子114例如可軟^tf焊到柔性組件 109上。其后，如箭頭129和步驟C2所示，可提供連接器116,并且 柔性組件109和ESD夾子114連接到連接器116。其后，如箭頭131 和步驟D2所示，可提供扣帽118。扣帽118可熱熔(heatstake)到柔性 組件109上，如步驟D2所示。在步驟A1-D1和A2-D2的處理之后， 可實(shí)施圖2所示的后續(xù)工藝200。圖1所示的箭頭132表示現(xiàn)在應(yīng)該 以步驟E開始實(shí)施圖2所示的工藝。如圖2中的步驟E所示，Z軸導(dǎo)體可插入于膜片102與扣帽118 之間。其后，如箭頭135所示，可實(shí)施在步驟F所示的工藝，其中扣 帽118附連到膜片102上。在步驟F所示的操作處理后，可實(shí)施步驟 G所示的操作，如之后的箭頭137所示。在步驟G中，ESD夾子114可附連到端口 104上，并且柔性組件109可折疊到連接器116內(nèi)。最 后，如箭頭139和步驟H所示，端口 104可壓接到連接器或蓋子116 上。
圖4所示的操作和所得的壓力傳感器裝置可有利地使用單件端口 設(shè)計(jì)，其中端口 104, 304和膜片102， 302集成到由柔性組件109所 提供的同一均質(zhì)金屬件內(nèi)。這種單件端口設(shè)計(jì)示于圖5至圖6中。代 替在膜片上絲網(wǎng)印刷和焙燒厚膜壓敏電阻器且隨后將完成的膜片焊 接到端口上，圖5至圖6的設(shè)計(jì)采用對(duì)單件端口 104， 304直接執(zhí)行 的ATF技術(shù)，從而排除了對(duì)焊接工藝的需要。此設(shè)計(jì)對(duì)于高壓應(yīng)用是 最佳的，這是因?yàn)槠涮峁o焊構(gòu)造，同時(shí)有利地使用了 ATF技術(shù)。
圖5示出了集成的膜片102與端口 104構(gòu)造500的等距視圖，可 根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例來實(shí)施該構(gòu)造500。圖6示出了根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的圖 5所示的集成的膜片102與端口 104構(gòu)造500的截面圖。應(yīng)注意的是， 在圖5至圖6中，相同或缺失的構(gòu)件或元件由附圖標(biāo)記整體表示。圖 5至圖6所示的構(gòu)造500有利地使用單件端口設(shè)計(jì)，其中端口 104和 膜片102集成到同一均質(zhì)金屬件內(nèi)?？蓪D5至圖6的單件端口設(shè)計(jì) 用于超高壓傳感器設(shè)計(jì)，并且可代替圖4所示的圓形線103的邊界內(nèi) 的焊接工藝。
可基于先進(jìn)厚膜(ATF)壓力傳感技術(shù)來實(shí)施構(gòu)造500。代替在圖1 至圖3的現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)造的情況和在線103內(nèi)示出的工藝，即代替在膜 片上絲網(wǎng)印刷和焙燒厚膜壓敏電阻器且隨后將完成的膜片焊接到端 口上，可直接對(duì)單件壓力端口執(zhí)行ATF技術(shù)，從而排除對(duì)焊接工藝的 需要。因此，構(gòu)造500的設(shè)計(jì)對(duì)于高壓力情況來說是最佳的，這是因 為其是基于無焊構(gòu)造且有利地使用ATF技術(shù)。因此，構(gòu)造500可基于 均質(zhì)金屬件的使用而構(gòu)成壓力傳感器。壓力端口 104與膜片102集成 到均質(zhì)金屬件上，從而提供基于壓力端口 104和膜片102及其相關(guān)的 壓力傳感器構(gòu)件的壓力傳感器500。
應(yīng)了解的是，本發(fā)明的使用可涉及具有不同特征的構(gòu)件。預(yù)期本 發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書限定，并且完全涵蓋所有方面的等效物。
權(quán)利要求
1.一種用于構(gòu)造壓力傳感器的方法，其包括提供均質(zhì)金屬件；將壓力端口和膜片集成到所述均質(zhì)金屬件上，從而提供基于所述壓力端口和所述膜片及其相關(guān)的壓力傳感器構(gòu)件的壓力傳感器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用先進(jìn)厚膜(ATF) 4支術(shù)來構(gòu)造所述膜片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 將所述膜片連接到所述壓力端口上；將密封墊片安裝于所述膜片與所述壓力端口之間，以形成用于所 述壓力傳感器的端口-膜片組件。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 提供柔性組件和ESD夾子；將所述ESD夾子連接到所述柔性組件上；其后將所述柔性組件附連到連接器上；并且將扣帽附連到所述柔性組件上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 將導(dǎo)體插入在所述膜片與所述扣帽之間；將所述扣帽附連到所述膜片上；將所述ESD夾子附連到所述壓力端口和所述柔性組件上；并且 通過將蓋子壓接到所述壓力端口上而形成所述壓力傳感器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 將電纜連接到所述連接器上；并且將端帽連接到所述蓋子上，所述蓋子填充有環(huán)氧樹脂，用于將所 述端帽連接至所述蓋子上。
7. —種用于構(gòu)造壓力傳感器的方法，其包括 提供均質(zhì)金屬件；將壓力端口與加工膜片集成到所述均質(zhì)金屬件上，其中，所述加工膜片連接到所述壓力端口上，并且利用先進(jìn)厚膜(ATF)技術(shù)來構(gòu)造 所述加工膜片，從而提供基于所述壓力端口和所述加工膜片及其相關(guān) 的壓力傳感器構(gòu)件的用于高壓傳感應(yīng)用的高壓壓力傳感器。
8. —種壓力傳感器裝置，其包括 均質(zhì)金屬件；壓力端口和膜片，所述壓力端口和所述膜片集成到所述均質(zhì)金屬 片上，從而提供基于所述壓力端口和所述膜片及其相關(guān)的壓力傳感器 構(gòu)件的壓力傳感器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓力傳感器裝置，其特征在于， 利用先進(jìn)厚膜(ATF)技術(shù)來構(gòu)造所述膜片；所述膜片連接到所述壓力端口上；密封墊片位于且安裝于所述膜片與所述壓力端口之間，以形成用 于所述壓力傳感器的端口-膜片組件；柔性組件和ESD夾子，其中，所述ESD夾子連接到所述柔性組件上；附連到所述柔性組件上的連^l妄器；以及 附連到所述柔性組件上的扣帽。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓力傳感器裝置，其特征在于，所述 裝置還包括插入在所述膜片與所述扣帽之間的導(dǎo)休，其中，所述扣帽附連到 所述膜片上，并且所述ESD夾子附連到所述壓力端口和所述柔性組件 上；蓋子，其壓接到所述壓力端口上以形成所述壓力傳感器； 連接到所述連接器上的電纜；以及附連到所述蓋子上的端帽，其中，所述端帽填充有環(huán)氧樹脂，用 于將所述端帽連接至所述蓋子上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于構(gòu)造壓力傳感器的方法和裝置?？商峁┚|(zhì)金屬件。將壓力端口和加工膜片集成到該均質(zhì)金屬件上，其中加工膜片連接到該壓力端口上?？衫孟冗M(jìn)厚膜(ATF)技術(shù)來構(gòu)造該加工膜片，從而提供一種基于壓力端口和加工膜片及其相關(guān)的壓力傳感器構(gòu)件的用于高壓傳感應(yīng)用的高壓壓力傳感器。
文檔編號(hào)G01L9/00GK101410702SQ200780010840
公開日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2007年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月30日
發(fā)明者L·F·里克斯 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國際公司