用于力传感器的埋入式腔体感测管芯膜片止动件的制作方法

本专利申请要求richardwade等人于2016年9月8日提交且名称为“buriedcavitysensediediaphragmstopforforcesensors(用于力传感器的埋入式腔体感测管芯膜片止动件)”的美国专利申请序列号15/260,065的优先权，该申请以引用方式并入本文，就如同将其全文复制在此一样。

关于联邦赞助研究或开发的声明

不适用。

缩微平片附件的引用

不适用。

背景技术：

压力传感器用于各种应用，包括例如商业、汽车、航空、工业和医疗应用。压力传感器通常使用压力感测管芯，该压力感测管芯使用管芯附接件安装到压力传感器封装上。压力感测管芯通常被配置为通过将由压力感测管芯的感测膜片中的感测介质引起的机械应力转换为电输出信号来检测感测介质的压力。具有以下特征的传感器构造可提供可以用于各种环境中的稳健压力传感器：允许向感测管芯向下施加压力，并且还将压力感测管芯的敏感部件与待感测的介质隔离。

技术实现要素：

在一个实施方案中，压力传感器可包括：第一晶片，该第一晶片包括形成在其上的多个凹槽；第二晶片，该第二晶片在多个凹槽上方粘合到第一晶片，其中第二晶片包括多个感测膜片，其中多个感测膜片中的每个感测膜片由设置在多个凹槽中的每个凹槽上方的第二晶片的区域限定，并且其中多个凹槽中的每个凹槽在第一晶片和第二晶片之间形成腔体；一个或多个感测元件，该一个或多个感测元件由多个感测膜片中的每个感测膜片支撑，其中多个感测膜片中的至少一个感测膜片被构造成响应于压力而朝向相应腔体折曲，其中该至少一个感测膜片被构造成接触相应腔体的表面以防止该至少一个感测膜片上的过载，并且其中当该至少一个感测膜片与相应腔体的表面接触时，该至少一个感测膜片上的一个或多个感测元件继续提供压力指示。

在一个实施方案中，压力传感器可包括：第一晶片，该第一晶片包括凹槽；第二晶片，其中第一晶片粘合到第二晶片使得形成在第一晶片中的凹槽在第一晶片和第二晶片之间产生腔体，其中第二晶片包括由设置在凹槽上方的第二晶片的一部分限定的感测膜片；和一个或多个感测元件，该一个或多个感测元件由第二晶片的感测膜片支撑，其中第一晶片和第二晶片之间的密封腔体的深度被构造成通过允许感测膜片在凹槽中接触第一晶片的表面来防止感测膜片上的过载，并且其中当感测膜片与腔体的表面接触时，一个或多个感测元件被构造成继续提供输出。

在一个实施方案中，使用压力传感器检测压力的方法可包括：将力施加到压力传感器，压力传感器包括腔体，其中腔体位于两个晶片之间，其中晶片中的一者的一部分限定感测膜片，并且其中压力传感器包括位于感测膜片上的一个或多个感测元件；在膜片在腔体内自由移动时，以第一速率检测压力增加；使膜片至少部分地接触腔体的表面；以及在膜片至少部分地接触腔体的表面时，以第二速率检测压力增加。

附图说明

为了更完整地理解本公开，现在结合附图和具体实施方式参考以下简要描述，其中类似的附图标号表示类似的部分。

图1a至图1f示出了根据本公开的一个实施方案的组装压力传感器的感测区域的步骤；

图2示出了根据本公开的一个实施方案的压力传感器内的一个或多个晶片的剖视图；

图3示出了根据本公开的一个实施方案的压力传感器内的一个或多个晶片的顶视图；

图4示出了根据本公开的一个实施方案的压力传感器的输出的曲线图；

图5示出了根据本公开的一个实施方案的压力传感器的输出的另一个曲线图；并且

图6是根据本公开的一个实施方案的感测管芯的示意性顶视图。

具体实施方式

首先应当理解，尽管以下示出了一个或多个实施方案的示例性实施方式，但是可以使用任何数量的技术(无论是当前己知的还是尚不存在的技术)来实现所公开的系统和方法。本公开决不应当限于下文所示的示例性实施方式、附图和技术，而是可以在所附权利要求书的范围以及其等同物的全部范围内进行修改。

以下简短术语的定义应适用于整个申请文件：

术语“包括”意指包括但不限于，并且应以在专利上下文中通常使用的方式加以解释；

短语“在一个实施方案中”、“根据一个实施方案”等一般意指跟在该短语后的特定特征、结构或特性可包括在本发明的至少一个实施方案中，并且可包括在本发明的不止一个实施方案中(重要的是，这类短语不一定是指相同实施方案)；

如果说明书将某物描述为“示例性的”或“示例”，则应当理解为是指非排他性的示例；

术语“约”或“大约”等在与数字一起使用时，可意指具体数字，或另选地，如本领域技术人员所理解的接近该具体数字的范围；并且

如果说明书陈述了部件或特征“可以”、“能够”、“能”、“应当”、“将”、“优选地”、“有可能地”、“通常”、“任选地”、“例如”、“经常”或“可能”(或其他此类词语)被包括或具有特性，则特定部件或特征不是必须被包括或具有该特性。这种部件或特征可任选地包括在一些实施方案中，或可排除在外。

本公开的实施方案包括使用压力传感器检测压力的系统和方法，该压力传感器包括位于传感器内的两个晶片之间的腔体。

随着将力传感器开发为适配越来越小的封装，实现高过载保护水平所面临的挑战也在增加。市场上的典型力传感器或荷重元通过将一个或多个机械特征部添加到设计中来实现其过载保护。就荷重元而言，这可通过将机械行程限制器放置在感测的梁元件上来完成。然而，对于荷重元和力传感器，较小的封装可限制包括机械特征部(诸如止动元件或控制元件)的能力。

本公开的实施方案在传感器本身的结构内提供了过载保护，其中该结构可不依赖于任何最终组件控件，而是利用精确的晶片粘合工艺。实施方案可包括粘合到第二(装置)晶片的第一(处理或约束)晶片。装置晶片可包含惠斯通电桥和感测元件以及在所施加的力下移动的膜片。装置晶片可粘合到处理晶片。处理晶片可包括在其上产生的浅腔，该浅腔可以是通气的或不通气的。装置晶片膜片在被操作力移位时向下移动到处理晶片的浅腔中。随着负荷继续增加到超过第一(操作)力范围并且进入第二(验证)力范围，膜片接近浅腔的底表面并且最终接触底表面，并且可停止移动。当膜片接触腔的底表面时，这可将来自所施加的力的整个负荷转移到处理晶片并且可限制膜片上的应力，从而防止膜片的过载(和可能的损坏)。

参见图1a，示出了组装在压力传感器内的晶片的详细视图。可形成第一晶片102，其中第一晶片102可包括“处理”晶片。在一些实施方案中，腔体104可形成在第一晶片102的顶表面上。腔体允许膜片的移动受限，并且腔体104的后表面可用作膜片止动件，同时允许信号跨越传感器上预期的满刻度负荷。可严格控制腔体104的深度，以确保膜片止动在过载中发生，同时防止或降低膜片断裂的可能性。

如图1b所示，第二晶片106可粘合到第一晶片102的顶表面，其中腔体104位于第一晶片102和第二晶片106之间。在一些实施方案中，第二晶片106可包括“装置”晶片。

第二晶片106(晶片“a”)用氧化硅层处理以有利于硅晶片粘合，或用任何需要的工艺流程处理以有利于晶片粘合工艺。该晶片可在粘合之前研磨或粘合之后研磨。一旦将两个晶片粘合，就可以处理第二晶片106以将金属层添加到顶侧并且添加压阻感测元件或其他感测技术，其中在一些实施方案中感测元件可被布置在半惠斯通电桥或全惠斯通电桥中。一旦完成该处理，就可以切割和使用第二晶片106，或者可以进一步在第一晶片102(或处理晶片)侧上研磨第二晶片，以为感测管芯提供一致的高度。由于力传感器对整体耦合高度非常敏感，因此一致的耦合高度可能有用。然后可以将管芯粘合到衬底，并且可以使耦合元件(例如，丝焊线、焊料球等)与传感器接触以将传感器耦合到外部电路以形成传感器。

在一些实施方案中，氧化硅层108可被构造成将第二晶片106粘合到第一晶片102。另选地，可使用另一种材料和/或方法将第二晶片106粘合到第一晶片102。在一些实施方案中，如图1c所示，可以通过研磨、铣削、蚀刻或其他工艺移除第二晶片106的一部分，以减小第二晶片106的厚度。相似地，如图1d所示，可以通过研磨、铣削、蚀刻或其他工艺移除第一晶片102的一部分，以减小第一晶片102的厚度。在已将晶片102和106粘合并且形成所需厚度之后，可将附加元件组装到晶片102和106中的一者或两者上。例如，如图1e所示，可将一个或多个感测元件110组装到第二晶片106上，其中感测元件110可位于第一晶片102的腔体104附近。在一些实施方案中，腔体104和感测元件110的组合可在晶片102和106中形成感测区域120。在一些实施方案中，腔体104的尺寸可被设定为使得压力传感器被配置为测量小于大约15psi的压力。

在一些实施方案中，腔体104可具有真空参考压力，或可根据需要具有任何其他合适的参考压力。当如此设置时，第二晶片106可形成感测膜片116，该感测膜片参考腔体104中的参考压力。感测膜片116可响应于介质所施加的压力而受到应力和/或变形。该应力和/或变形可通过感测膜片116上或嵌入其内的一个或多个感测元件110检测。

在一些实施方案中，从具有腔体104的第一晶片102开始，可使用标准图案、注入、扩散和/或金属互连工艺来在第二晶片106的上表面上形成一个或多个元件。例如，可在感测膜片116上形成一个或多个压阻感测元件110。压阻感测元件110可被构造成具有根据所施加的机械应力(例如，压力感测膜片116的偏转)而变化的电阻。因此可以使用压阻感测元件110来将所施加的压力转换为电信号。在一些情况下，压阻部件可包括硅压阻材料；然而，也可使用其他非硅材料。在一些情况下，可以惠斯通电桥构型(全电桥或半电桥)连接压阻感测元件110。通常应当理解，压阻感测元件110仅是压力感测元件的一个示例，并且可以设想可根据需要使用任何其他合适的感测元件。

图1f示出了感测膜片由于所施加的压力偏转到腔体104中，并且接触腔体104的底表面。腔体104可防止感测膜片116的过载，从而防止对感测膜片116造成损坏。

在使用中，可将压力施加在腔体104和第二晶片106的相对侧之间的传感器上。响应于压差，感测膜片116和/或第二晶片106可偏转到腔体104中。随着感测膜片116偏转到腔体104中，一个或多个感测元件110的电阻可变化以提供第二晶片106的偏转的程度指示。一般来讲，感测膜片116或第二晶片106可以最初自由地偏转到腔体104中。当感测膜片116或第二晶片106充分偏转时，感测膜片116或第二晶片106可以接触腔体104的表面。然后，腔体104的表面可用于限制感测膜片116或第二晶片106的接触腔体104的表面的部分的进一步运动。感测膜片116或第二晶片106上的压力或力进一步增大可继续使感测膜片116朝向腔体104偏转或变形，这可导致感测膜片116或第二晶片106在腔体104的表面上变平。在此过程期间，一个或多个感测元件110的电阻可继续变化，但是该变化可以不同于在感测膜片116或第二晶片106的自由运动期间的速率发生。在足够高的力下，感测膜片116或第二晶片106可在足够的表面区域上接触腔体104的表面，以有效地防止进一步偏转。由腔体104的表面支撑可导致力检测具有两个区域或速率，即在感测膜片116或第二晶片106的自由运动期间的第一速率或检测范围，以及当感测膜片116或第二晶片106接触腔体104的表面并且继续偏转成与该表面接触时的第二速率或检测范围。

图2示出了其中压力传感器100包括多个感测区域120的一个实施方案。图2中的视图示出了压力传感器100的晶片元件的剖视图。第一晶片102可包括多个腔体104，并且第二晶片106可包括多个感测元件110。由腔体104和感测元件110产生的多个感测区域120可允许在压力传感器100上进行详细且精确的压力感测。在一些实施方案中，压力传感器100包括介于大约120个和140个之间的感测区域120。

图3示出了如图2所示的第一晶片102的顶视图。第一晶片102可包括贯穿第一晶片102的表面的多个腔体104。在一些实施方案中，第一晶片102可包括大约120个腔体104。在一些实施方案中，第一晶片102(以及可能地第二晶片106)的直径可小于大约8英寸。

图4示出了原型压力传感器的输出的示例，该原型压力传感器具有充当如上所述的膜片止动件的埋入式腔体。虚线大致示出了曲线图的第一部分的第一斜率，其中膜片的中心完全自由地在腔体内移动；以及曲线图的第二部分的第二斜率(其可小于第一斜率)，其中膜片的中心中越来越大的区域与腔体的底部接触。该曲线图示出了10个不同样本的数据，其中所有样本的行为一致。这些独立的压力测量部分可从传感器输出，并且可提供关于施加到传感器的压力的附加信息。

图5示出了压力传感器的输出的另一个示例，其中腔体的深度在传感器之间变化。该曲线图示出了传感器输出与一系列腔体深度负荷的关系。图表上的深度在介于0.50微米和2.50微米之间变化。如图4的曲线图中所示，传感器输出包含具有第一斜率的第一部分以及具有第二斜率的第二部分。

如上所述的压力传感器可用于许多不同的应用中。例如，压力传感器可用于监测医疗领域中的液位，诸如给患者静脉注射的药物中的液位。压力传感器可被配置为监测两个不同读取区域(如上所述)中的液位，其中当液位较高时，压力可较高，因此膜片可接触腔体的底表面。然后，随着液位降低，压力可也减小，并且膜片可远离腔体的底表面向上收缩，从而进入压力读取区域的第二区域。在一些实施方案中，从第一区域到第二区域的切换可向用户指示液位已达到某个点。这些读数提供的详细信息可能对监测液位的人员有用。

如图6所示，感测管芯600(其与上述传感器100相似)可具有设置在膜片602上或附近的一个或多个感测元件620、622、624、626，诸如使用合适的制造技术或印刷技术形成的压阻感测元件或部件。例如，从硅感测管芯600开始，可使用标准图案、注入、扩散和/或金属互连工艺来在硅管芯的表面603、605上形成一个或多个元件620、622、624、626。例如，可在膜片602上形成一个或多个压阻感测元件620、622、624、626。压阻感测元件620、622、624、626可被构造成具有根据所施加的机械应力(例如，膜片602的偏转)而变化的电阻。因此可以使用压阻感测元件620、622、624、626来将所施加的力或压力转换为电信号。在一些情况下，压阻部件可包括硅压阻材料；然而，也可使用其他非硅材料。

可在硅管芯600的上表面603上和膜片602附近形成一个或多个接合焊盘630、632、634、636。可提供金属、扩散或其他互连件以使一个或多个压阻传感器元件620、622、624、626和一个或多个接合焊盘630、632、634、636互连。如图6所示，压阻传感器元件620、622、624、626中的一者或多者可电耦合到接合焊盘630、632、634、636中的一者或多者。

在第一实施方案中，压力传感器可包括：第一晶片，该第一晶片包括形成在其上的多个凹槽；第二晶片，该第二晶片在多个凹槽上方粘合到第一晶片，其中第二晶片包括多个感测膜片，其中多个感测膜片中的每个感测膜片由设置在多个凹槽中的每个凹槽上方的第二晶片的区域限定，并且其中多个凹槽中的每个凹槽在第一晶片和第二晶片之间形成腔体；一个或多个感测元件，该一个或多个感测元件由多个感测膜片中的每个感测膜片支撑，其中多个感测膜片中的至少一个感测膜片被构造成响应于压力而朝向相应腔体折曲，其中该至少一个感测膜片被构造成接触相应腔体的表面以防止该至少一个感测膜片上的过载，并且其中当该至少一个感测膜片与相应腔体的表面接触时，该至少一个感测膜片上的一个或多个感测元件继续提供压力指示。

第二实施方案可包括第一实施方案的传感器，其中该至少一个感测膜片上的一个或多个感测元件被配置为在膜片接触相应腔体的表面之前以第一速率测量压力变化，并且在该至少一个感测膜片与相应腔体的表面接触时以第二速率测量压力变化。

第三实施方案可包括第一实施方案或第二实施方案的传感器，其中腔体的深度小于大约2.5微米。

第四实施方案可包括第一实施方案至第三实施方案中任一项的传感器，其中压力传感器包括介于大约120个和140个之间的凹槽。

第五实施方案可包括第一实施方案至第四实施方案中任一项的传感器，其中压力传感器被配置为测量小于大约15psi的压力。

第六实施方案可包括第一实施方案至第五实施方案中任一项的传感器，其中第一晶片的直径小于大约8英寸。

第七实施方案可包括第一实施方案至第六实施方案中任一项的传感器，还包括位于第一晶片和第二晶片之间的氧化硅粘合层。

第八实施方案可包括第一实施方案至第七实施方案中任一项的传感器，其中多个腔体中的每个腔体为传感器提供绝对参考。

在第九实施方案中，压力传感器可包括第一晶片，该第一晶片包括凹槽；第二晶片，其中第一晶片粘合到第二晶片使得形成在第一晶片中的凹槽在第一晶片和第二晶片之间产生腔体，其中第二晶片包括由设置在凹槽上方的第二晶片的一部分限定的感测膜片；和一个或多个感测元件，该一个或多个感测元件由第二晶片的感测膜片支撑，其中第一晶片和第二晶片之间的密封腔体的深度被构造成通过允许感测膜片在凹槽中接触第一晶片的表面来防止感测膜片上的过载，并且其中当感测膜片与腔体的表面接触时，一个或多个感测元件被构造成继续提供输出。

第十实施方案可包括第九实施方案的传感器，其中一个或多个感测元件和感测膜片被构造成提供输出，该输出在感测膜片在腔体内自由移动时以第一速率增加，并且在感测膜片与腔体的表面接触之后以第二速率增加。

第十一实施方案可包括第九实施方案或第十实施方案的传感器，其中腔体的深度小于大约2.5微米。

第十二实施方案可包括第九实施方案至第十一实施方案中任一项的传感器，其中腔体的深度为大约1微米。

第十三实施方案可包括第九实施方案至第十二实施方案中任一项的传感器，其中腔体的深度介于约0.5微米和约2.5微米之间。

第十四实施方案可包括第九实施方案至第十三实施方案的传感器，还包括位于第一晶片和第二晶片之间的氧化硅粘合层。

第十五实施方案可包括第八实施方案至第十四实施方案中任一项的传感器，其中腔体为传感器提供绝对参考压力。

在第十六实施方案中，使用压力传感器检测压力的方法可包括：将力施加到压力传感器，压力传感器包括腔体，其中腔体位于两个晶片之间，其中晶片中的一者的一部分限定感测膜片，并且其中压力传感器包括位于感测膜片上的一个或多个感测元件；在感测膜片在腔体内自由移动时，以第一速率检测压力增加；使感测膜片至少部分地接触腔体的表面；以及在感测膜片至少部分地接触腔体的表面时，以第二速率检测压力增加。

第十七实施方案可包括第十六实施方案的方法，其中腔体包括密封腔体，并且其中该方法还包括经由密封腔体为传感器提供绝对压力参考。

第十八实施方案可包括第十六实施方案或第十七实施方案的方法，其中腔体包括通气腔体，并且其中该方法还包括经由通气腔体为传感器提供压力参考。

第十九实施方案可包括第十六实施方案至第十八实施方案中任一项的方法，还包括组装压力传感器，其中组装包括在第一晶片的顶表面中产生凹槽；将凹槽上方的第二晶片粘合在第一晶片的顶表面中；以及将感测元件施加到第二晶片的表面。

第二十实施方案可包括根据第十六实施方案至第十九实施方案中任一项的方法，其中腔体的深度小于大约2.5微米。

尽管上文已经示出和描述了根据本文所公开的原理的各种实施方案，但在不脱离本公开的实质和教导的情况下，本领域的技术人员可以对其做出修改。本文所述的实施方案仅是代表性的而并非意在进行限制。许多变化、组合和修改都是可能的，且在本公开的范围之内。由于合并、整合和/或省略一个或多个实施方案的特征而得到的替代实施方案也在本公开的范围之内。因此，保护范围不受上面给出的描述的限制，而是由以下的权利要求书限定，该范围包括权利要求书的主题的所有等价物。每一项权利要求作为进一步的公开内容并入说明书中，且权利要求书为一个或多个本发明的一个或多个实施方案。此外，任何上述优点和特征可涉及特定实施方案，但不应将这些公布的权利要求书的应用限制为实现任何或所有以上优点或具有任何或所有以上特征的方法和结构。

另外，本文所使用的章节标题是为了与37c.f.r.1.77的建议一致或者提供组织线索。这些标题不应限制或表征可以从本公开公布的任何权利要求书中所阐述的一个或多个发明。具体地并且以举例的方式，尽管标题可能是指“技术领域”，但权利要求书不应被该标题下所选择的语言限制为描述所谓的领域。此外，“背景技术”中的技术的描述不应被解读为承认某项技术是本公开中的任何一个或多个发明的现有技术。“发明内容”也不应被认为是在公布的权利要求中所阐述的一个或多个发明的限制性表征。此外，本公开中对单数的“发明”的任何提及不应被用于证明在本公开中仅有一个新颖点。根据从本公开公布的多个权利要求的限制，可以阐述多个发明，并且这些权利要求相应地限定了由其保护的一个或多个发明及其等同形式。在所有情况下，这些权利要求的范围应根据本公开按照权利要求自身的优点来考虑，而不应受到本文所陈述的标题的限制。

应当理解，使用广义的术语如“包含”、“包括”和“具有”提供对狭义的术语如“由…组成”、“基本上由…组成”和“基本上由…构成”的支持。针对实施方案的任何元件使用术语“任选地”、“可”、“可能”、“有可能地”等意指该元件是不需要的，或另选地，该元件是需要的，两种替代方案均在一个或多个实施方案的范围之内。另外，对示例的提及仅仅用于说明目的，并非意在是排他性的。

尽管本公开中提供了若干实施方案，但应当理解，在不脱离本公开的实质或范围的情况下可以通过许多其他具体形式来体现所公开的系统和方法。本发明示例应被认为是例示性的而非限制性的，并且本发明并非局限于本文中给出的细节。例如，可以将各种元件或部件结合或集成到另一个系统中，或者可以省略或不实现某些特征。

此外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以将在各个实施方案中被描述和示出为分立或独立的技术、系统、子系统和方法与其他系统、模块、技术或方法结合或集成。被示出或讨论为彼此直接耦合或通信的其他项可以通过一些接口、设备或中间部件间接耦合或通信，而不论是通过电、机械还是其他方式进行这种耦合或通信。本领域技术人员可确定并且在不脱离本文所公开的实质和范围的情况下可以做出变化、替换和变更的其他示例。