气密玻璃密封传感器的制造方法

气密玻璃密封传感器的制造方法
【专利摘要】本文所公开的技术包括用于包含有车用流体的流体压力测量的系统及方法。压力传感器包括用于压力测量的微机电系统(MEMS)传感器。MEMS传感器被附连到玻璃管，其被压缩地密封到可附连到包含有流体的箱的压力端口的安装框架上。本文所公开的技术在管子与安装框架之间提供气密密封件，以及在MEMS传感器和压力传感器之间提供刚性密封件，同时使来自于MEMS传感器的热膨胀应力解耦。利用这种解耦技术，可改进压力感测的可靠性和准确性，这是因为热膨胀应力被从MEMS传感器解耦。这种技术提供了一种精确、耐用且成本高效的压力传感器。
【专利说明】气密玻璃密封传感器
[0001]相关申请
[0002]本申请与和本申请同日提交的(代理人案号为SEN12-21 (42844))名称为“压力传感器，，的美国专利申请相关。该专利申请的全部教导和内容通过引用整体合并于此。
【技术领域】
[0003]本公开涉及压力传感器装置，且具体地涉及识别液体压力的变化的装置。
【背景技术】
[0004]压力传感器典型地测量诸如气体或液体的流体的绝对或相对压力。流体的测量使得能够精确控制和监测各种装置和系统。存在利用多个可获得的测量压力的作用机制中的任意一个的多种压力传感器装置。例如，给定的传感器装置可利用压电、压阻、光学、电磁及其它技术用于测量压力。某些压力传感器被以非常小的尺寸制造。例如，微机电系统(MEMS)现在被用作压力传感器。MEMS传感器的主要功能为，基于绝对或差分压力输入，连同提供电基信号，将压力信号转换成电输出信号。这种相对较小的压力传感器在尺寸和重量被重点考虑的系统中使用。
[0005]传统的中压压力传感器采用了利用强力且稳定的环氧树脂或共晶粘合来粘结到MEMS芯片上的金属合金底座。这种金属合金的使用是昂贵的，且可能危害精度，这是因为在金属合金材料与MEMS芯片之间的热膨胀值的系数存在显著的差异。传统的MEMS芯片也可利用在晶片制造过程期间附连到MEMS芯片的集成玻璃底座来加工。这种集成的玻璃底座(也称作熔融玻璃底座)比较昂贵，且MEMS芯片通常利用阳极粘合技术来粘结到玻璃底座上，且底座通过粘合或共晶金属粘合粘结到压力端口安装框架上。
[0006]在传统的装置中，抗化学腐蚀的环氧树脂或共晶粘合必须为传动应用提供机械粘合的强度及足够的密封。当组件和胶粘剂与诸如燃料、传动液和油的粗糙媒质相接触时，很难提供成本高效、化学上稳健的且机械上牢固的解决方案。
[0007]由于MEMS装置相对于传统压力感测技术的较小的空间占用，在压力感测技术中使用MEMS技术可以是有利的。这样，MEMS装置适用于具有尺寸限制的领域，诸如包括具有对较小传感器的需求增加的双离合传动(DCT)系统的汽车传动装置。然而，MEMS压力感测装置的挑战是产生成本高效的且稳健的细件或封装件。传统的MEMS压力传感器可能较昂贵，并损失精度，或者甚至在包括高温、热膨胀及化学劣变的特定操作条件下失效。例如，由于部件的数量及类型，以及为了改善粘合性能使用诸如黄金的贵金属粘合，传统的MEMS压力传感器是昂贵的。MEMS感测组件应与感测媒介(诸如流体压力或油压)相化学密封。而且，由于传统的组件由不同的材料制成，热膨胀系数(CTE)存在不匹配。这种不匹配的结果会导致，由于热应力的累积和/或将过量的膨胀应力施加到MEMS感测部件，热的条件可能损坏化学密封。
[0008]采用MEMS压力感测部件的一个挑战为，确定如何将MEMS芯片附连到衬底，以导致足够牢固的连接(物理附着)，同时使得能够进行精确的压力读取。当组件的热膨胀系数不匹配时，牢固的机械连接和良好的精度可能相冲突。采用牢固的连接，总是存在可能是不期望的相应水平的应力。例如，在相对较高或较低温度处的温度变化可能引起MEMS芯片附连粘合上的应力。刚性连接将这些应力转移到芯片，其影响了压力测量的精度。

【发明内容】

[0009]本文所公开的技术提供了 MEMS芯片与压力传感器的牢固连接，但同时使来自于MEMS芯片的热膨胀应力解耦。利用这种解耦技术，压力感测精度可超过99%。例如，本文中的技术可使用具有流体管路的管子，且不是将金属底座化学粘合到安装板上，而是管子利用压缩的玻璃密封被机械地保持在适当位置。管子的一部分可从安装框架的外侧接近，或者可替换地，管子的一部分从安装框架突出以便能够进行MEMS芯片附连。MEMS芯片可被直接地粘贴到管子上或者粘贴到单独的底座上，该底座粘贴到管子上。利用玻璃浆料或玻璃粉，例如低温熔融玻璃(通常称作焊料玻璃)，随后MEMS芯片可被附连到管子上。该玻璃浆料在被加热时，利用与MEMS芯片及可选玻璃底座匹配的热膨胀，形成刚性密封。利用这种结构，安装框架的热膨胀不成为问题，这是因为玻璃密封件和其它组件在操作温度保持压缩，且由此安装框架不必从具有与MEMS芯片的热膨胀系数相类似的材料中选择。利用这些技术，管子被插入到安装框架，并被压缩地密封到安装框架上以形成气密密封。在特定的实施例中，低温熔融玻璃(例如，焊料玻璃)被用于粘合MEMS芯片和硼硅管。该粘合形成与刚性密封相匹配的热膨胀系数。硼硅与压力传感器的安装框架之间的密封，是在某些实施例中利用压缩的金属来形成玻璃密封件实现的。利用玻璃而不是环氧树脂来保持MEMS部件或硼硅管的一个优点在于，玻璃更加抵抗来自于传递压力的流体的化学冲击，其部分地由例如乙醇或甲醇的溶剂的渗透所引起。
[0010]一个实施例包括用于测量液体压力的压力传感器装置。该压力传感器装置具有包括压力端口安装框架的几个组件，该安装框架具有面对包含有流体的箱的内侧，该安装框架具有背离包含有流体的箱的外侧，安装框架限定从内侧延伸到外侧的开口，安装框架在内侧具有侧壁，管子限定了完全穿过管子延伸的流体管路，该管子定位成使得流体管路及流体管路所穿出的管子的表面区域，可从安装框架的外侧接近。该装置进一步包括微机电系统(MEMS)传感器，其在管子的表面区域处被密封到管子，以使得当流体管路填充有来自于包含有流体的箱的流体时，流体挤压MEMS传感器和气密密封件，该气密密封件通过将管子压缩地密封到安装框架的内侧的一部分上来形成。归因于压缩及匹配的热系数玻璃密封件，这种传感器是低成本、小尺寸且稳健的传感器。而且，该传感器提供气密的玻璃密封件以保护MEMS传感器。该传感器的应用包括但不限于:液体燃料压力感测(LFS)、油压感测(OPS)和双离合变速器(DCT)液压感测。根据应用领域，某些应用中的被测压力范围大约为0-10巴或0-70巴。
[0011]用于组装测量流体压力的压力传感器的一种技术包括，提供可附连到包含有流体的箱的压力端口的安装框架，安装框架具有面对包含有流体的箱的内侧，安装框架具有背离包含有流体的箱的外侧，安装框架限定从内侧向外侧延申的开口，在开口处设置管子，管子限定了完全穿过管子延伸的流体管路，管子定位成使得流体管路及流体管路所穿出的管子的表面区域，可从安装框架的外侧接近，将管子压缩粘合(也被称作使管子密封)到安装框架上，在MEMS传感器与包含有流体的箱之间形成气密密封，并将微机电系统(MEMS)传感器在管子的表面区域处密封到管子，以使得当流体管路填充有来自于包含有流体的箱的流体时，流体挤压MEMS传感器。
[0012]此外，尽管本文中的不同特征、技术、结构等等中的每一个都可在本公开的不同位置中讨论，但概念中的每一个都可独立于彼此实施或者彼此联合实施。因此，本发明可以许多不同的方式实施和考虑。
[0013]注意，本文的该
【发明内容】
部分未详细说明本公开或所要求保护的发明的所有实施例和/或增值新颖的方面。相反，该
【发明内容】
仅仅提供不同实施例的初步讨论及相应的超越传统技术的新颖之处。对于本发明和实施例的附加细节和/或可能观点，读者被指引到下面所进一步讨论的本公开的详细说明部分及相应的附图。
【专利附图】

【附图说明】
[0014]由下面附图中所阐释的本文的优选实施例的更具体的说明，本发明的前述以及其它目的、特色、及优点将变得显而易见，其中，在所有不同的视图中，同样的附图标记指代相同的部件。附图不必按比例，反而重点被放在阐释实施例、原理和概念上。
[0015]图1为根据本文的实施例的压力传感器的剖面侧部透视图。
[0016]图2为根据本文的实施例的压力传感器的示例组件的透视分解视图。
[0017]图3为图1的压力传感器的组件之间的粘合的剖面侧视图。
[0018]图4为根据本文的实施例的可替换压力传感器的剖面侧视图。
【具体实施方式】
[0019]本文所公开的技术包括用于压力传感器的系统和方法。本文的压力传感器可用于测量诸如空气、油、水、燃料等等的各种类型的流体媒介。本文的实施例对于测量包括双离合变速器(DCT)的汽车变速器中的油压是特别有用的。为了便于阐释本文的各个实施例，本公开将主要参考与DCT—起使用的传感器装置。然而，这种应用为非限定性的，且本文的压力传感器也可用于其它领域，尤其用于传感器的尺寸为重点考虑的领域。在DCT中，在压力容器(外壳或箱)中储存压力以便换档。随着每次换档，压力可能降低。当压力降落到特定点之下时，DCT需要被再次加压以便更好地换档。
[0020]对于双离合变速器(DCT)的应用，正如诸如功能性、稳健性和介格的其它方面一样，相对较小、的压力传感器是非常有益的。微机电系统(MEMS)芯片(电路)的固有的较小的空间占用对于获得缩减尺寸的传感器是有益的。对于非常小的(2X2mm或更小的)感测元件，重大的挑战在于设计和制造稳健的组件/包装。利用MEMS感测元件的传统压力传感器典型地采用与玻璃金属焊料粘合或者环氧树脂来将MEMS元件连接到支撑组件。
[0021]已发现，采用焊料玻璃(在大约450°C燃烧)的热匹配密封件(在大约30%内的CTE)可用于将硼硅管密封到MEMS芯片和金属安装框架两者上。在一个实施例中，如果需要较高的精度，匹配的密封件甚至可以通过引入通用的硼硅底座来制成得更好，该硼硅底座被阳极粘合到MEMS芯片上。
[0022]本文采用的技术利用形成刚性密封件的焊料玻璃粘合来将硼硅管连接到背侧暴露的MEMS芯片上或连接到耦连于MEMS芯片的可选附加玻璃底座上。在某些实施例中，相对低廉的硼硅玻璃管或具有管的块被用作MEMS芯片和压力端口之间的接口。金属安装框架被气密密封到管子上。安装框架中的孔使得MEMS芯片突出(或被暴露)，同时安装框架支撑管子。在这种构造中，管子被压缩密封到安装框架上，且这种密封不依赖于环氧树脂或其它粘合剂的机械特性。这种技术导致压力传感器比传统的压力传感器(其具有直接由环氧树脂附连到端口的MEMS并利用环氧树脂与安装框架接触)更可靠。这种技术的另一个优点在于，压缩密封可补偿管子与安装框架之间的热膨胀系数的不匹配。金属(例如，不锈钢)或金属合金安装框架材料的使用是有利的，这是因为，这种材料的选择可在压力点附连位置处与材料对应物或给定的汽车变速器壳体的基板完全匹配。然而，在某些实施例中，密封层可能具有足够的厚度而影响其它元件。在这种实施例中，密封层的热膨胀系数可与MEMS芯片、刚性密封件、和管子的热膨胀系数相匹配。热膨胀系数被以(百万分之一 /开尔文度)PPin/K提及。在另一个实施例中，使用中间的陶瓷安装框架。
[0023]随着安装框架被粘合结合到管子上，匹配的玻璃密封可被用于将具有MEMS芯片的可选底座组件粘合到管子上。可替换地，MEMS芯片可被直接粘合到管子上。被匹配的刚性密封件涉及相同的热膨胀系数值。例如，刚性密封件和管子的热膨胀系数值彼此在10%的差值内。MEMS芯片还包括在刚性密封件和管子的约30%内的热膨胀系数值。这是明显有利的，原因在于传统的金属合金底座可具有不同于MEMS芯片的超过50 %或100 %的热膨胀系数值。
[0024]现在参考图1，示出了用于测量流体压力的示例压力传感器装置100的剖面侧视图。压力端口安装框架105可附连到包含有流体的箱的压力端口。包含有流体的箱和相应的压力端口未示出。包含有流体的箱可以是汽车变速器外壳、流体罐等等。示例的流体可为气体或包括油的液体。安装框架105具有面对包含有流体的箱的内部或内侧107。当压力传感器100安装到包含有流体的箱上时，安装框架105具有背离包含有流体的箱(或包含有流体的箱的端口)的外侧109。安装框架105限定了从内侧107延伸到外侧109的开口 111。如图1中所示，开口 111被限定为安装框架105的凹入部分的一部分。注意，这种结构是非限定生的，且开口可与安装框架105平齐或成一直排，即没有凹入部分。在可替换的实施例中，安装框架105可包括在内侧107上方延伸的支撑结构件以形成托架或插座或侧支架。
[0025]注意，可附连到压力端口的安装框架可被直接或间接地附连。例如，压力传感器可包括螺纹部分，和/或可被包含在或嵌套在物理上附连到压力端口或包含有流体的箱的外壳内，同时压力传感器组件安装在外壳内。
[0026]管子120 (也被称作硼硅管120)定位在开口 111处，且与安装框架105的一部分内侧107相接触，以使得安装框架105防止管子120完全穿过开口，就如同从内侧107朝向外侧109行进。管子120限定了完全穿过管子120延伸的流体管路121。管子120设置成使得流体管路121和流体管路所穿出的管子120的表面区域124可从安装框架105的外侧109接近。管子可由一个或多个具有与包括MEMS芯片132的微机电系统(MEMS)传感器130的热膨胀系数相接近的热膨胀系数的材料形成。通过非限定示例的方式，取决于特定的应用领域，管子120可由玻璃制成以及成形为各种几何形状。在示例的附图中，管子120示出为圆柱形。其它几何结构是可能的，其仍旧提供足够的材料来将流体管路121限定成在当管子120与安装框架105相接触时延伸穿过开口 111。
[0027]MEMS传感器130在管子120的表面区域124处附连到管子120，以使得当流体管路121填充有来自于包含有流体的箱的流体(源于内侧107)时，流体挤压MEMS传感器130。随着流体挤压MEMS传感器130，压力传感器100可监测和检测流体压力的变化。MEMS传感器130可利用刚性密封件140附连到管子120上。刚性密封件140包括开口 141 (图2)，其中流体可穿过该开口并接触一部分MEMS芯片132。刚性密封件140防止流体逸出到MEMS芯片132的周围，并防止流体在外侧109排出压力传感器装置100，由此防止污染。在一个实施例中，MEMS传感器130包括MEMS芯片132，其可附连到可选的底座138上。
[0028]管子120具有第一热膨胀系数，MEMS130传感器(即，MEMS芯片132)具有第二热膨胀系数，且刚性密封件140具有第三热膨胀系数。在一个实施例中，其中，第一、第二及第三热膨胀系数彼此在大约0.75ppm/K的差值内，由此具有相近的热膨胀系数。刚性密封件140可由焊料玻璃、共晶粘合、阳极粘合、熔融粘合、或类似的技术来形成。焊料玻璃，也被称作烧结玻璃，为具有特别低的软化点(低于550°C)的特种玻璃。它们用于将玻璃接接合到其它玻璃、陶瓷或金属，而不会热损害要被接合的材料。为了确保无应力的密封，热膨胀系数(CTE)需要与MEMS传感器130紧密匹配。在某些实施例中，如果刚性密封件140较薄，则CTE系数的差值大于0.75。
[0029]利用焊料玻璃(也被称作烧结玻璃)，可通过将组件加热到大约450摄氏度来固化刚性密封件140，其远远低于MEMS芯片132可承受的最大温度。焊料玻璃可利用糊状物和/或配剂或者通过丝网印刷来实施。通过利用硼硅玻璃管120，MEMS传感器130(即，硅MEMS芯片132)可直接附连到管子120，从而消除对较昂贵的在晶片制造期间熔合在裸片上的可选玻璃底座138的需要。在可替换的实施例中，诸如在具有非常高的精度要求的应用中，融合在裸片上的可选玻璃底座138可用于降低由焊料玻璃与管子120之间的较小的热膨胀系数的不匹配引起的力。在一个实施例中，刚性密封件具有大约20-80微米的厚度。
[0030]管子120可利用至少两种方法附连到安装框架105上。第一种方法采用预成形件来将管子120密封到安装框架105上。第二种方法将管子120直接密封到安装框架105上。管子120、MEMS芯片132和刚性密封件140的热膨胀系数可全部位于热膨胀系数值的预定范围内。例如，可将材料选择成使得各个值的差异可使热应力最小化以便提高准确度和可靠性。利用这种技术，位于压紧在管子120上的箱内的流体压力不会将该压力传递到MEMS芯片，相反，仅仅是穿过管路121的流体压力在MEMS传感器10上形成压力。管子120上的流体压力由安装框架105或安装框架的凸缘所接收，即，该力被传递到安装框架105上。
[0031]在某些实施例中，安装框架105限定了凹入的开口，S卩，相对于内侧107凹入，以使得凹入的开口突出在外侧109/上方。安装框架105可包括接收凸缘114，其在制造后压缩地保持管子120。在一个实施例中，两个可选的凸缘127可接触管子120，以使得流体压力不能迫使管子120穿过开口 111。注意，可使用其它的物理结构或构造，以使得安装框架105在机械上防止管子120穿过(完全穿过)开口 111。例如，其它的实施例可具有安装框架，其具有防止管子通过的逐渐变窄的开口。在另一个实施例中，管子可定位在大体扁平的内侧107，安装框架限定部分围绕管子120的凸棱或其它的支撑结构，以防止管子120的侧向移动。
[0032]在另一个实施例中，硼硅管可包括改进压缩密封的凸缘或其它的几何结构。该结构可用于代替安装框架中的类似的相应的凸缘特征或与其联合使用。这种特征提供支撑以承受较高的破裂压力。[0033]在另一个实施例中，凸缘127不需更接触管子124的顶部，或者根本不使用凸缘。这可降低由安装框架105引起的、传递到MEMS传感器130的应力，此处，金属安装框架在越低的温度比其它组件收缩的更多。在该实施例中，压缩密封件不需要凸缘127“突伸”，且该密封件足膨强健以在高达大约200巴的压力下将管子保持在适当位置。
[0034]在某些实施例中，管子120可包括穿过开口 111突出的部分，以使得MEMS芯片132附连到开口 111的外部。换句话说，MEMS芯片132附连到管子120，以使得MEMS芯片稍微定位在外侧109之上。在其它实施例中，如图1中所示的，管子120不穿过开口 111突出，而是MEMS芯片被至少部分地定位在开口 111内。
[0035]压力传感器装置100也可包括连接到MEMS传感器130的印刷电路板(PCB) 150，以及将印刷电路板150和相关结构附连到安装框架105的支撑构件(未示出)。PCB150可用于信号处理，并且可包括实施信号处理的组件。丝焊或连接可将MEMS芯片132电连接到PCB150。安装框架105可由诸如金属或金属合金的金属材料组成，且可被选择成与包含有流体的箱的箱材料相匹配。安装框架105可被构造成附连到汽车变速器，且MEMS传感器130可被构造成监测汽车变速器内的油压。MEMS传感器130和印刷电路板150可被校准以便监测来自于双离合变速器系统的油压的变化。
[0036]图2示出了图1的组件的分解透视图。这种分解透视图可示出示例的装配设置。本文中所公开的技术可包括一种用于组装测量流体压力的压力传感器的方法，和一种用于利用这种压力传感器测量压力的方法。示例的装配方法包括提供可附连到包含有流体的箱的压力端口的安装框架105。安装框架105具有面对包含有流体的箱的内侧107。安装框架105具有背离包含有流体的箱的外侧109。安装框架105限定了从内侧197延伸到外侧109的开口 111。管子120限定了完全穿过管子120延伸的流体管路121。管子120被定位成使得流体管路121和流体管路穿出的管子121的表面区域124可从安装框架105的外侧109接近。注意，在分解图中，管子120被装配在安装框架105之下，S卩，管子搁置在安装框架105的内部或面对油的一侧，换句话说，被从底部插入。可选择地，管子120被设置在开口 111处，以使得管子接触安装框架105的内侧107的一部分凸缘127，以使得安装框架105防止管子120从内侧107到外侧109完全穿过开口 111。
[0037]在传统的压力传感器中，MEMS芯片被粘合到底座构件上，粘贴到安装板的外侧的金属合金需要强力的胶粘剂以保持底座构件不会从安装框架分离。传统的压力传感器具有与其热不匹配的组件。
[0038]在管子120被附连到安装框架105之前或之后，微机电系统(MEMS)芯片130在管子120的表面区域124处被附连到底座138，以使得当流体管路121充满来自于包含有流体的箱的流体时，流体挤压MEMS芯片132。压力传感器100于是可监测流体压力以及与控制系统相关的信号的变化，与控制系统相关的信号诸如为向泵提供信号以增大包含有流体的箱内的压力，或者向阀提供信号以释放过量的压力。可利用刚性密封件140来实现将管子120附连到安装框架105上，其防止流体直接接触MEMS芯片132以及防止流体排出压力传感器100。当利用玻璃焊料、玻璃粉或浆料时，这种粘合过程可在炉内实行。刚性密封件140可包括如上所述的热膨胀特性。粘合层116被用于在凹入开口 111内压缩地保持管子120。
[0039]在一个实施例中，管子120为硼硅(例如，Pyrex? )玻璃和低成本焊料玻璃，且密封玻璃预成形件142被用于将管子120粘合到安装框架105。高温或中温密封玻璃(无铅或少量铅成分的)连同焊料玻璃一起被用于气密地将低成本硼硅管120密封到安装框架105。利用燃烧温度比硼硅的玻璃转流点(Tg)低的玻璃预成形件142来压缩地密封硼硅管120。由于玻璃不会粘在碳上，简单的碳固定装置(未示出)用于在燃烧(即，加热)期间将预成形件保持在适当位置。除了硼硅之外，可使用其它的低膨胀玻璃管。
[0040]在一个实施例中，硼硅管120利用预成形件142被压缩地密封在安装框架105内，预成形件包括低膨胀玻璃，例如Ferro7574玻璃，其以高温(位于600_750°C之间的)的中间值密封，且与硼硅密封得很好。
[0041]取决于所需要的精度及MEMS芯片132上所承受的应力，硼硅底座138，其例如被阳极粘合到MEMS芯片132上，可被省略。可替换地，MEMS芯片132利用焊料玻璃可直接附连到硼硅管120上以形成热匹配的密封。
[0042]上述的技术在硼硅管120与MEMS芯片132之间形成热匹配的刚性密封件(位于彼此差值大约30%内的CTE)，其部分的通过利用焊料玻璃来获得。在一个实施例中，组件的燃烧温度大约为450°C，其比用于压缩密封的玻璃预成形件142的燃烧温度低很多。在一个实施例中，焊料玻璃可利用膏及丝网印刷或者配剂技术施加到MEMS芯片132的顶部扁平表面和/或硼硅管120上。焊料玻璃对类似于乙醇或甲醇的溶剂不可渗透或不敏感，而环氧树脂可以。由于硼硅管的使用，硅MEMS芯片132可直接附连到管子上，其消除了对于裸片上的可选的且昂贵的玻璃底座138的需要。在高精度需求的情形中，玻璃底座138可选择地用于降低由焊料玻璃与硅之间的CTE不匹配所引起的力。
[0043]材料可被选择成使得MEMS芯片132与硼硅管120CTE差值约小于075ppm/ (度)K。例如，在一个实施例中，硼硅管120为具有约3.25CTE的Pyrex? 7740硼硅管，焊料玻璃和MEMS芯片CTE约为2.5。在该示例中，组件之间的最大CTE差值约为.75ppm/K或约为30%。
[0044]作为比较，在传统的装置中，合金42具有约为4.9ppm/K的CTE，而如Kovar的更加昂贵的金属具有约为4.5ppm/K的CTE，这提供分别约为2.4ppm/K和2ppm/K的MEMS2.5CTE的差值，和约为96%和80%的百分比差值。当密封层的厚度超过200um时，密封件的CTE是一个因素。利用较厚的密封层，刚性密封件140的CTE值约为3.0ppm/K。当利用底座时，MEMS芯片132、刚性密封件140及硼硅管120的CTE值应具有2.0ppm/K的最大差值。
[0045]在一个实施例中，硼硅生坯状态预成形件用于压缩地密封到安装框架上。用于安装框架的材料包括但不限于:陶瓷或金属(例如，Kovar、Invar或合金42)。利用生还状态预成形件与利用烧结的预成形件相比的一个优点在于，可消除特定处理步骤(例如，几个烧结燃烧的步骤)，或者步骤可被合并成一个炉曲线(oven profile)。
[0046]现在参考图3，图1的压力传感器的组件之间的粘合层116包括焊料玻璃层310，设置为邻近于一部分硼硅管120和安装框架侧壁105的一部分凸缘。玻璃预成形件142最初放置在安装框架105与硼硅管120之间，并且利用固定装置(例如，碳固定装置)保持在适当位置。在燃烧期间，固定装置防止玻璃流出安装框架105与硼硅管120之间的空间。可替换地，焊料玻璃的涂层可被施加到硼硅管120和安装框架105中的每一个上。在某些实施例中，刚性密封件140和粘合层116的形成(压缩密封件)可通过利用相同的或类似的玻璃成分来在相同的炉步骤(oven step)中实现。[0047]在其它的实施例中，较低的CTE焊料玻璃可被用于粘合层130，然而在这些实施例中，安装框架105的几何结构和/或成分被调整以便将压缩力保持在预定的目标区域内从而避免过分的压缩。在某些实施例中，预成形件的使用优选为避免由陷入在浆料或粉中的粘合剂而引起的捕获玻璃气泡。
[0048]现在参考图4，示出了类似于图1的传感器100的压力传感器100’。在该实施例中，硼硅管120，包括烧结的或生坯状态的预成形件。在该实施例中，硼硅管120’与金属安装框架105之间的低成本连接在燃烧期间形成。在大约800°C的温度处，玻璃硼硅管120’软化并且气密密封件/压缩密封件410被形成在部分安装框架105与硼硅管120’之间。当组件被冷却时，硼硅管120’固化，且安装框架，此处为(具有约为11的CTE)不锈钢的较大的的热膨胀系数(CTE)确保了硼硅管120’的压缩。此处在固化的硼硅管120’与安装框架105之间不具有额外的玻璃层。
[0049]在某些实施例中，安装框架105包括分别具有约为4.9和4.5的CTE的合金42或Kovar。换句话说，管子被压缩地密封到安装框架上，这是因为管子的热膨胀系数低于安装框架。处于压缩的玻璃密封件的一个益处在于高度抗裂纹的形成。
[0050]在燃烧(即，使装配的硼硅管120’和安装框架105加热到高于硼硅管120的玻璃转化温度的温度)期间，硼硅管120’的形状和流体管路121由碳固定装置(未示出)保持。碳固定装置确保管路121不闭合。高燃烧温度和安装框架105与硼硅管120’的热膨胀系数的差异形成了压缩玻璃密封件。在一个实施例中，可使用如AISI430或低成本镀镍碳钢的钢，但是如果需要较低的压缩水平，可使用金属合金42 (CTE4.9ppm/K)或如Kovar (CET4.5ppm/K)的更加昂贵的金属。在一个实施例中，压缩密封件410约为
0.1-0.3mm。
[0051]本领域技术人员还将理解，存在对上述技术的操作的多种变型，而仍旧能获得与本发明相同的目的。这种变型意欲由本发明的范围所覆盖。这样，本发明的实施例的前述说明不意欲为限定性的。更确切地说，对于本发明的实施例的任何限制在随后的权利要求中提出。
【权利要求】
1.一种压力传感器装置，所述压力传感器装置能附连到包含有流体的箱的压力端口以用于测量流体压力，所述压力传感器装置包括: 压力端口安装框架，所述安装框架具有面对包含有流体的箱的内侧，所述安装框架具有背离包含有流体的箱的外侧，所述安装框架限定从内侧延伸到外侧的开口，所述安装框架在内侧上具有侧壁； 管子，所述管子限定完全穿过管子延伸的流体管路，所述管子定位成使得能够从安装框架的外侧接近流体管路和流体管路穿出的管子的表面区域； 微机电系统(MEMS)传感器，所述MEMS传感器在管子的表面区域密封到管子，以使得当流体管路填充有来自于包含有流体的箱的流体时，流体挤压MEMS传感器；以及 气密密封件，所述气密密封件通过将管子压缩地密封到安装框架的内侧的一部分上而形成。
2.根据权利要求1的压力传感器装置，进一步包括设置在一部分MEMS传感器与邻近MEMS传感器的一部分管子之间的刚性密封件，其中，刚性密封件具有开口，以使得流体接触MEMS传感器的一部分，并且刚性密封件防止流体从压力传感器排出。
3.根据权利要求2的压力传感器装置，其中，刚性密封件包括焊料玻璃。
4.根据权利要求3的压力传感器装置，其中，管子具有第一热膨胀系数，MEMS传感器具有第二热膨胀系数，且刚性密封件具有第三热膨胀系数；以及 其中，第一、第二及第三热膨胀系数彼此差值在大约0.75mmp/K内。
5.根据权利要求4的压力传感器装置，其中，气密密封件具有第四热膨胀系数；以及 其中，第一、第二、第三及第四热膨胀系数彼此差值在大约0.75mmp/K内。
6.根据权利要求3的压力传感器装置，其中，MEMS传感器包括: 粘合到底座上的MEMS芯片，粘合选自于以下构成的组: 焊料玻璃粘合； 共晶粘合； 熔融粘合；以及 阳极粘合；且 其中，底座利用刚性密封件附连到管子。
7.根据权利要求1的压力传感器装置，进一步包括设置在一部分管子与一部分安装框架侧壁之间的熔融的玻璃层。
8.根据权利要求1的压力传感器装置，进一步包括设置在一部分管子与一部分安装框架侧壁之间的粘合层，所述粘合层包括设置在所述一部分管子与所述一部分安装框架侧壁之间的热处理过的焊料玻璃预成形层。
9.根据权利要求8的压力传感器装置，其中，管子具有第一热膨胀系数，MEMS传感器具有第二热膨胀系数，而焊料玻璃具有第三热膨胀系数，且 其中，第一、第二和第三热膨胀系数彼此差值在大约0.75mmp/K内。
10.根据权利要 求1的压力传感器装置，进一步包括设置在一部分管子与一部分安装框架侧壁之间的粘合层，所述粘合层包括: 设置在所述一部分管子与所述一部分安装框架侧壁之间的热处理过的玻璃粉浆料层。
11.根据权利要求1的压力传感器装置，其中，管子由玻璃构成。
12.根据权利要求11的压力传感器装置，其中，玻璃管由硼硅玻璃构成。
13.根据权利要求1的压力传感器装置，其进一步包括: 连接到MEMS芯片的印刷电路板；以及 将印刷电路板附连到安装框架的支撑构件。
14.根据权利要求13的压力传感器装置，其中，安装框架由金属材料构成。
15.根据权利要求14的压力传感器装置，其中，安装框架构造成附连到汽车变速器上，MEMS传感器构造成监测汽车变速器内的油压。
16.根据权利要求14的压力传感器装置，其中，MEMS传感器被校准以监测双离合变速器系统的油压变化。
17.根据权利要求1的压力传感器装置，其中，安装框架进一步包括位于安装框架的内侧上的凸缘，并且一部分管子被定位在所述开口处并与一部分凸缘相接触。
18.一种用于装配测量流体压力的压力传感器的方法，所述方法包括: 提供能附连到包含有流体的箱的压力端口的安装框架，所述安装框架具有面对包含有流体的箱的内侧，所述安装框架具有背离包含有流体的箱的外侧，所述安装框架限定从内侧延伸到外侧的开口； 将管子设置在所述开口处，所述管子限定完全穿过管子延伸的流体管路，所述管子定位成使得能够从安装框架的外侧接近流体管路和流体管路穿出的管子的表面区域； 将管子压缩地密封到安装框架上，以在MEMS传感器与包含有流体的箱之间形成气密常封件；以及 在管子的表面区域处将微机电系统(MEMS)传感器密封到管子上，以使得当流体管路填充有来自于包含有流体的箱的流体时，流体挤压MEMS传感器。
19.根据权利要求18的方法，其中，安装框架进一步包括位于安装框架的内侧上的凸缘，且所述方法进一步包括将一部分管子与一部分凸缘相接触地定位在所述开口处。
20.根据权利要求18的方法，其中，将管子压缩地粘合到安装框架上的步骤进一步包括将已装配的管子和安装框架加热到高于管子的玻璃转化温度的温度；以及， 管子的热膨胀系数低于安装框架的热膨胀系数。
21.根据权利要求20的方法，其中，将MEMS传感器密封到管子的步骤进一步包括: 形成设置在一部分MEMS传感器与邻近MEMS传感器的一部分管子之间的刚性密封件，其中，所述刚性密封件具有开口，以使得流体接触一部分MEMS传感器，且刚性密封件防止流体排出压力传感器； 其中，管子具有第一热膨胀系数，MEMS传感器具有第二热膨胀系数，且刚性密封件具有第三热膨胀系数；以及 其中，第一、 第二和第三热膨胀系数彼此差值在大约0.75mmp/K内。
22.根据权利要求18的方法，其中，将管子压缩地密封到安装框架上的步骤进一步包括: 在管子与安装框架之间放置压缩密封件，以及 将所装配的管子、安装框架和压缩密封件加热到高于预成形件的熔点的温度。
23.根据权利要求22的方法，进一步包括，利用焊料玻璃预成形件将MEMS传感器附连到管子上，以在加热之前形成刚性密封件。
24.根据权利要求23的方法，其中，管子具有第一热膨胀系数，MEMS芯片具有第二热膨胀系数，而刚性密封件具有第三热膨胀系数；以及 其中，第一、第二及第三热膨胀系数彼此差值在大约0.75mmp/K内。
25.根据权利要求22的方法，其中，压缩密封件为下列的其中一个: 烧结的玻璃预成形件； 生坯状态的预成形件；以及 玻璃粉浆料。
26.根据权利要求22的方法，其中，MEMS传感器包括: 粘合到底座上的MEMS芯片，粘合选自由焊料玻璃粘合和阳极粘合构成的组中；以及 利用刚性密封件将底座附`连到管子上。
【文档编号】G01L11/00GK103674408SQ201310582378
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2012年9月14日
【发明者】E·霍普, G·克拉斯, R·斯莱克霍斯特, W·霍普曼, A·范登博斯 申请人:森萨塔科技公司