專(zhuān)利名稱(chēng)：高壓傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)涉及一種固態(tài)壓力傳感器，具體地說(shuō)涉及一種檢測(cè)高壓的器件。
今天，以硅的壓阻特性為基礎(chǔ)的固態(tài)壓力傳感器已被公眾所熟知并且用于許多領(lǐng)域。高壓檢測(cè)器件，即能夠檢測(cè)高達(dá)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(gè)硅片，該硅片帶有一個(gè)用于形成一層膜片的侵蝕穴。硅片被裝在一個(gè)包括一層金屬隔片的外殼中，金屬隔片將硅片與高壓環(huán)境隔離開(kāi)。金屬隔片與硅片相距一段距離，從而形成一個(gè)腔室。腔室內(nèi)充滿(mǎn)了硅油，硅油與金屬隔片一起充當(dāng)一種傳輸介質(zhì)。
當(dāng)這種高壓檢測(cè)器件處在高壓環(huán)境中時(shí)，金屬隔片產(chǎn)生朝向硅片的位移，引起硅油中的位移，最終引起膜片的位移。當(dāng)膜片產(chǎn)生位移時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)電輸出信號(hào)，該信號(hào)的幅度是壓阻材料中的應(yīng)力大小的函數(shù)。
現(xiàn)有的高壓檢測(cè)器件有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，它們采用一種帶有侵蝕穴的硅片，由于侵蝕膜片的脆性，這種硅片容易產(chǎn)生與應(yīng)力有關(guān)的故障。其次，在硅片中形成空穴需要經(jīng)過(guò)幾道昂貴的處理工序。此外，由于硅油的熱膨脹特性，現(xiàn)有的高壓檢測(cè)器件只能在一個(gè)有限的溫度范圍內(nèi)工作。當(dāng)溫度上升時(shí)，硅油膨脹，產(chǎn)生一個(gè)作用于金屬隔片的壓力，這一壓力也作用于作用在金屬隔片上的外部壓力，這樣就使硅片檢測(cè)到一個(gè)不精確的外部壓力。另外，硅油與許多種硅片固定材料都不相容，從而帶來(lái)可靠性方面的問(wèn)題。并且，為了在大規(guī)模生產(chǎn)的基礎(chǔ)上以最小的器件間差異制造出可靠的器件，現(xiàn)有的高壓檢測(cè)器件的制造者必須控制金屬隔片、硅油以及硅片的公差。這極大地提高了制造成本。
因此，需要提供一種既不采用帶侵蝕穴的半導(dǎo)體晶片、又不需要金屬隔片/硅油傳輸介質(zhì)、成本又低且能精確測(cè)試高達(dá)14000Kpa范圍的壓力的高壓檢測(cè)器件。


圖1是本發(fā)明的高壓傳感器的一個(gè)實(shí)施例的橫截面圖；圖2是本發(fā)明的高壓傳感器的另一實(shí)施例的橫截面圖；圖3是本發(fā)明的高壓傳感器的又一實(shí)施例的橫截面圖。
參考圖1至3能夠更好地理解本發(fā)明的高壓傳感器。圖1是用于檢測(cè)高達(dá)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(gè)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(gòu)成并利用公知的處理技術(shù)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(lèi)的高強(qiáng)度工程塑料。
外殼12包括一個(gè)上腔或上部13及一個(gè)下腔或下部16。傳輸壓力的部件或膜片18位于外殼12內(nèi)，并且將上腔13與下腔16分隔開(kāi)。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(guó))國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)管螺紋(NPT)?？筛鶕?jù)具體的應(yīng)用要求改變外表面17。
如圖1所示，膜片18最好由塑料構(gòu)成并且在注模過(guò)程中與外殼12形成一個(gè)整體。膜片18具有厚度21，在模片18的位于其下表面的外露部分上的整個(gè)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還包括位于上腔13中并固定在膜片18的上表面上的半導(dǎo)體芯片或檢測(cè)芯片26。半導(dǎo)體芯片26最好是借助粘接層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(huán)氧樹(shù)脂膠或聚酰亞胺一類(lèi)的小片粘接劑構(gòu)成。粘接層27的厚度最好是約0.1mm(約4mils)。半導(dǎo)體芯片26最好是固定在所述上表面的正中間。
半導(dǎo)體芯片26最好由一種非補(bǔ)償?shù)?只提供檢測(cè)輸出)、補(bǔ)償?shù)?提供檢測(cè)輸出以及溫度和/或變形補(bǔ)償)或集成的(提供信號(hào)處理)硅換能器構(gòu)成。采用本領(lǐng)域公知的常規(guī)處理技術(shù)制成半導(dǎo)體芯片26。半導(dǎo)體芯片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)的范圍內(nèi)。在半導(dǎo)體芯片26上形成一個(gè)焊接片38。下面將要更為詳細(xì)地描述，膜片18的厚度21及外露寬度23都是經(jīng)過(guò)選擇的，使半導(dǎo)體芯片26可以在一個(gè)特定的高壓范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)可測(cè)的電信號(hào)，并且不會(huì)過(guò)載、破裂或?qū)е掳雽?dǎo)體芯片26、外殼12和/或膜片18破損。
傳感器11還包括一個(gè)導(dǎo)電的連接部件，用于將半導(dǎo)體芯片26和外部的測(cè)量裝置電連接起來(lái)。導(dǎo)電的連接部件最好包括接合引線或?qū)Ь€31以及導(dǎo)電引片32。導(dǎo)電引片32的至少一個(gè)部分最好與外殼12構(gòu)成一個(gè)整體。圖中只示出了一條接合引線和一個(gè)導(dǎo)電引片。每個(gè)導(dǎo)電引片32都具有一個(gè)外部接頭36和一個(gè)接線柱部分37。每條接合引線31都是一端與半導(dǎo)體芯片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(gè)可選的連接器39，連接器39最好是與外殼12整體構(gòu)成。連接器39用于容納標(biāo)準(zhǔn)的匹配電纜連接器。
保護(hù)層41最好至少覆蓋半導(dǎo)體芯片26和接合線31。較為可取的是，保護(hù)層41由一種有機(jī)的或無(wú)機(jī)的片鈍化材料構(gòu)成。例如硅膠、可從聯(lián)合碳化物公司購(gòu)得的聚對(duì)苯二甲基、氮化硅、或碳化硅。外罩或蓋43蓋住上腔13，并借助于粘接層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(huán)氧樹(shù)脂膠構(gòu)成。外罩43最好是由一種能夠容納并保持產(chǎn)品識(shí)別標(biāo)記的材料構(gòu)成。當(dāng)采用激光刻印標(biāo)記的方法時(shí)，外罩43最好是由金屬或塑料構(gòu)成。
當(dāng)把傳感器11放置在高壓環(huán)境或介質(zhì)中時(shí)，例如放置在汽車(chē)制動(dòng)線路系統(tǒng)中時(shí)，應(yīng)該安置好下腔16的位置，使下腔16中的開(kāi)口47暴露在高壓環(huán)境中。高壓介質(zhì)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(dòng)。這種移動(dòng)使半導(dǎo)體芯片26受到應(yīng)力的作用。這一應(yīng)力使半導(dǎo)體芯片26產(chǎn)生一個(gè)與所受壓力具有一種函數(shù)關(guān)系的輸出信號(hào)。這一輸出信號(hào)被傳送到用來(lái)處理該輸出信號(hào)的外部測(cè)量或監(jiān)視系統(tǒng)中，例如發(fā)動(dòng)電子控制單元中。
在一個(gè)較為可取的實(shí)施例中，在不使傳感器11過(guò)載的前提下，用于測(cè)量0至3400Kpa(0-500psi)范圍內(nèi)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)。在用于檢測(cè)0至6800Kpa(0至1000psi)范圍內(nèi)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)。在用于檢測(cè)0至14000Kpa(0至2000psi)范圍內(nèi)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)。
由于傳感器11采用了位于半導(dǎo)體芯片26外部的薄片18，半導(dǎo)體芯片26不需要帶有侵蝕穴的膜片。這就減少了片材在高壓下發(fā)生應(yīng)力斷裂的可能性，因而提高了傳感器11的可靠性。并且，由于省去了昂貴的處理工序，因而降低了半導(dǎo)體芯片的制造成本。傳感器11不再需要金屬隔片/硅油傳輸介質(zhì)，從而降低了成本，提高了在更大的溫度范圍內(nèi)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(shí)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(gè)上腔部分或上部113和一個(gè)下腔部分或下部116。外殼112最好由塑料構(gòu)成并最好是采用公知的注模技術(shù)成形。下腔部分116的外表面117呈螺紋形?？梢愿鶕?jù)具體的應(yīng)用要求來(lái)改變這一形狀。
膜片118將上腔部分113與下腔部分116隔開(kāi)。在該實(shí)施例中，膜片118由一塊金屬插片構(gòu)成，最好是在注模過(guò)程中將這種膜片118嵌入到外殼112中。膜片118與導(dǎo)電引片(lead)132在一個(gè)導(dǎo)引構(gòu)件中連成一體。膜片118也可以固定到帶有導(dǎo)電引片132的導(dǎo)引構(gòu)件中。膜片118還可以是一片獨(dú)立的小片。膜片118最好由一種鐵/鎳合金構(gòu)成，例如可從Carpenter Technology Co.of Read-ing，Pennsylvania購(gòu)得的ALLOY42或KOVar。膜片118具有厚度121，厚度121在膜片118的位于下腔116一側(cè)的整個(gè)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(dǎo)體芯片或換能器126。半導(dǎo)體芯片126最好是借助于一個(gè)有機(jī)粘合層或一個(gè)無(wú)機(jī)玻璃層或一個(gè)熔結(jié)玻璃層或一個(gè)焊料層或類(lèi)似的接合層粘合到膜片118上。半導(dǎo)體芯片126與半導(dǎo)體芯片26相似。膜片118的厚度121和外露寬度123都是經(jīng)過(guò)選擇的，使半導(dǎo)體芯片126在所要求的壓力范圍內(nèi)能夠產(chǎn)生一個(gè)可以檢測(cè)的輸出信號(hào)，并且不會(huì)使半導(dǎo)體芯片126、外殼111及/或膜片118過(guò)載。圖2中的元件131至149與圖1中的元件31至49一一對(duì)應(yīng)，不再重復(fù)敘述。
在一個(gè)較為可取的實(shí)施例中，在不使傳感器111過(guò)載的情況下，用于測(cè)量0至3400Kpa(0-500psi)范圍內(nèi)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)。在用于測(cè)量0至6800Kpa(0至1000psi)范圍內(nèi)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)。在用于測(cè)量0至14000Kpa(0至2000psi)范圍內(nèi)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(fā)明的高壓傳感器211的橫截面視圖的另一實(shí)施例。傳感器結(jié)構(gòu)211包括一個(gè)具有上腔部分213和下腔部分216的外殼212。在本實(shí)施例中，外殼212由一種陶瓷材料構(gòu)成并通過(guò)壓制、焙燒、以及機(jī)加工(必要時(shí))等公知的處理技術(shù)成形。下腔部分216的外表面217呈螺紋形?？梢愿鶕?jù)具體的應(yīng)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(kāi)。在本實(shí)施例中，膜片218最好是由諸如Alloy42或Kovar一類(lèi)的鐵/鎳合金構(gòu)成，并借助于粘接層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(jié)玻璃、銀玻璃或一種有機(jī)材料構(gòu)成。本實(shí)施例顯示，粘接層219與下腔部分216處在同一側(cè)。在一個(gè)可供選擇的實(shí)施例中，粘接層219與上腔部分213處在同一側(cè)。在這個(gè)可供選擇的實(shí)施例中，當(dāng)下腔部分216處在高壓環(huán)境中時(shí)，粘接層219受到壓應(yīng)力。膜片218具有厚度221，在膜片218的位于下腔部分216一側(cè)的整個(gè)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(gè)粘接層227將半導(dǎo)體芯片或換能器226固定到膜片218的上表面上。半導(dǎo)體芯片226與半導(dǎo)體芯片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(jīng)過(guò)選擇的，使半導(dǎo)體芯片226在一個(gè)特定的壓力范圍內(nèi)能夠產(chǎn)生一個(gè)可監(jiān)視的輸出響應(yīng)，并且不使半導(dǎo)體芯片226、外殼211及/或膜片218過(guò)載。厚度221和外露寬度223最好是與上述傳感器111中的相應(yīng)數(shù)據(jù)相同。圖3中的元件213至249與圖1中的元件31至49一一對(duì)應(yīng)，不再重復(fù)敘述。傳感器211盡管比傳感器111要貴一些，但它更適用于檢測(cè)某種危險(xiǎn)介質(zhì)中的壓力或檢測(cè)高溫環(huán)境下的壓力。
至此，應(yīng)該能夠理解，已經(jīng)提供了一種用于檢側(cè)高達(dá)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(gè)具有上腔和下腔的外殼，外殼中有一個(gè)傳輸壓力的部件。該傳輸壓力的部件將上腔與下腔分開(kāi)。一個(gè)固態(tài)換能器位于上腔中并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(jīng)過(guò)選擇，使換能器在一個(gè)特定的壓力范圍內(nèi)能夠產(chǎn)生一個(gè)可以測(cè)量的輸出信號(hào)。由于傳輸壓力的部件位于固態(tài)換能器之外，因而不再需要帶有侵蝕穴的換能器。這就節(jié)約了生產(chǎn)成本。此外，這種高壓傳感器不再需要金屬隔片/硅油傳輸介質(zhì)。這樣就提供了對(duì)溫度的敏感性較低、成本較低、并且器件與器件間的差異較小的傳感器。
權(quán)利要求
1.一種高壓傳感器，其特征在于，包括一個(gè)具有一個(gè)上腔(13，113，213)和一個(gè)下腔(16，116，216)的外殼(12，112，212)；一個(gè)將所述上腔(13，113，213)與所述下腔(16，116，216)分隔開(kāi)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(gè)厚度(21，121，221)，一段外露寬度(23，123，223)，一個(gè)上表面，以及一個(gè)下表面，所述下腔(16，116，216)帶有一個(gè)開(kāi)口(47，147，247)，用于將傳輸壓力的部件(18，118，218)的下表面暴露在高壓環(huán)境中；一個(gè)位于上腔(13，113，213)中并固定在所述傳輸壓力的部件(18，118，218)的上表面上的檢測(cè)芯片(26，126，226)，該檢測(cè)芯片(26，126，226)的外露寬度(23，123，223)及厚度(21，121，221)都是經(jīng)過(guò)選擇的，當(dāng)所述的傳輸壓力的部件(18，118，218)的下表面處在高壓環(huán)境中時(shí)，所述檢測(cè)芯片(26，126，226)可產(chǎn)生一個(gè)可檢測(cè)的電信號(hào)；一個(gè)與所述檢測(cè)芯片(26，126，226)相連的、導(dǎo)電的連接部件；以及一個(gè)覆蓋所述上腔(13，113，213)的外罩(43，143，243)。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述外殼(12，112，212)由一種注模塑料構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其特性在于，所述傳輸壓力的部件(18)由一種塑料構(gòu)成，并且所述傳輸壓力的部件(18)與外殼(12)構(gòu)成一個(gè)整體。
4.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，所述的傳輸壓力的部件(118)由一塊金屬插片構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述的外殼(212)由陶瓷構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求5所述的傳感器，其特征在于，所述的傳輸壓力的部件(218)由一種金屬構(gòu)成，該傳輸壓力的部件粘接在外殼(212)上。
7.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述的檢測(cè)芯片(26，126，226)包括一些焊接片(38，138，238)，所述的導(dǎo)電的連接部件包括多個(gè)接合引線(31，131，231)和多個(gè)導(dǎo)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(dǎo)電的引片(36，136，236)電連接起來(lái)。
8.一種檢測(cè)高壓的器件，具有一片位于半導(dǎo)體芯片之外的膜片，其特征在于，還包括一個(gè)具有一個(gè)上部(13，113，213)和一個(gè)下部(16，116，216)的帶有腔室的構(gòu)件(12，112，212)，下部(16，116，216)一端開(kāi)口并且具有一個(gè)外表面，一片位于所述的帶有腔室的構(gòu)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(kāi)，所述的膜片(18，118，218)具有一個(gè)厚度(12，121，221)，一個(gè)上表面，一個(gè)下表面，一段外露寬度(23，123，223)，所述的厚度(21，121，221)在整個(gè)所述的外露寬度(23，123，223)上是基本上均勻的；一片位于上部(13，113，213)中并固定到所述膜片(18，118，218)的上表面上的半導(dǎo)體芯片(26，126，226)，所述的半導(dǎo)體芯片(26，126，226)具有一些焊接片(38，138，238)；一些導(dǎo)電的引片(36，136，236)，每個(gè)所述的導(dǎo)電的引片都具有一個(gè)接線柱部分和一個(gè)外部接頭；一些導(dǎo)線(31，131，231)，這些導(dǎo)線將所述的一些焊接片(38，138，238)與所述的一些導(dǎo)電的引片(36，136，236)電連接起來(lái)。
9.一種制造一種高壓傳感器的方法，其特征在于包括以下步驟制作一個(gè)具有一個(gè)上腔(13，113，213)、一個(gè)下腔(16，116，216)、一個(gè)將上腔(13，113，213)與下腔(16，116，216)分隔開(kāi)的傳輸壓力的部件(18，118，218)以及一個(gè)導(dǎo)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(gè)厚度(21，121，221)、一段外露寬度(23，123，223)，一個(gè)上表面和一個(gè)下表面，所述的下腔(16，116，216)具有一個(gè)開(kāi)口(47，147，247)，用于將所述的下表面暴露在高壓介質(zhì)中；將一個(gè)半導(dǎo)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(jīng)過(guò)選擇的，因而當(dāng)所述的下表面暴露在高壓介質(zhì)中時(shí)，所述的半導(dǎo)體換能器(26，126，226)產(chǎn)生一個(gè)輸出響應(yīng)；將所述的半導(dǎo)體換能器(26，126，226)與所述的導(dǎo)電的連接部件連接起來(lái)；以及將所述的上腔封閉起來(lái)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述的制作所述外殼(12，112，212)的步驟包括提供一個(gè)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(gòu)成，所述的傳輸壓力的部件(18)與外殼(12)成為一個(gè)整體。
全文摘要
一種高壓傳感器，包括一個(gè)具有一個(gè)上腔部分和一個(gè)下腔部分的外殼。一片膜片將上腔部分與下腔部分分開(kāi)。一片半導(dǎo)體芯片位于上腔部分中并固定在膜片的上表面上。膜片具有一個(gè)厚度和一段外露寬度，當(dāng)膜片的下表面暴露在高壓環(huán)境中時(shí)，半導(dǎo)體芯片會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可以測(cè)量的輸出信號(hào)。
文檔編號(hào)H01L29/84GK1132854SQ9511611
公開(kāi)日1996年10月9日 申請(qǐng)日期1995年9月15日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月2日
發(fā)明者馬海什·沙 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司