专利名称：高压传感器及其制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及一种固态压力传感器，具体地说涉及一种检测高压的器件。
今天，以硅的压阻特性为基础的固态压力传感器已被公众所熟知并且用于许多领域。高压检测器件，即能够检测高达约14000千帕(Kpa)[大约2000磅/平方英寸(psi)]的压力的器件通常包括一个硅片，该硅片带有一个用于形成一层膜片的侵蚀穴。硅片被装在一个包括一层金属隔片的外壳中，金属隔片将硅片与高压环境隔离开。金属隔片与硅片相距一段距离，从而形成一个腔室。腔室内充满了硅油，硅油与金属隔片一起充当一种传输介质。
当这种高压检测器件处在高压环境中时，金属隔片产生朝向硅片的位移，引起硅油中的位移，最终引起膜片的位移。当膜片产生位移时，便产生一个电输出信号，该信号的幅度是压阻材料中的应力大小的函数。
现有的高压检测器件有几个缺点。首先，它们采用一种带有侵蚀穴的硅片，由于侵蚀膜片的脆性，这种硅片容易产生与应力有关的故障。其次，在硅片中形成空穴需要经过几道昂贵的处理工序。此外，由于硅油的热膨胀特性，现有的高压检测器件只能在一个有限的温度范围内工作。当温度上升时，硅油膨胀，产生一个作用于金属隔片的压力，这一压力也作用于作用在金属隔片上的外部压力，这样就使硅片检测到一个不精确的外部压力。另外，硅油与许多种硅片固定材料都不相容，从而带来可靠性方面的问题。并且，为了在大规模生产的基础上以最小的器件间差异制造出可靠的器件，现有的高压检测器件的制造者必须控制金属隔片、硅油以及硅片的公差。这极大地提高了制造成本。
因此，需要提供一种既不采用带侵蚀穴的半导体晶片、又不需要金属隔片/硅油传输介质、成本又低且能精确测试高达14000Kpa范围的压力的高压检测器件。
图1是本发明的高压传感器的一个实施例的横截面图；图2是本发明的高压传感器的另一实施例的横截面图；图3是本发明的高压传感器的又一实施例的横截面图。
参考图1至3能够更好地理解本发明的高压传感器。图1是用于检测高达约14000Kpa(约2000psi)压力的高压传感器或器件11的横截面图。传感器11包括一个外壳或含有腔室的部件12。外壳12最好是由一种注模塑料构成并利用公知的处理技术成形。最好选用如玻璃填充塑料，液晶聚合物(LCP)或玻璃填充聚苯撑硫(PPS)一类的高强度工程塑料。
外壳12包括一个上腔或上部13及一个下腔或下部16。传输压力的部件或膜片18位于外壳12内，并且将上腔13与下腔16分隔开。下腔部分16最好具有圆形或柱形的几何形状。下腔16的外表面17呈螺纹形，例如3/4″(美国)国家标准管螺纹(NPT)。可根据具体的应用要求改变外表面17。
如图1所示，膜片18最好由塑料构成并且在注模过程中与外壳12形成一个整体。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个外露宽度或自由段23上，厚度21最好是大致均匀的。
传感器11还包括位于上腔13中并固定在膜片18的上表面上的半导体芯片或检测芯片26。半导体芯片26最好是借助粘接层27固定在所述上表面上，粘接层27最好是由如热塑性塑料、环氧树脂胶或聚酰亚胺一类的小片粘接剂构成。粘接层27的厚度最好是约0.1mm(约4mils)。半导体芯片26最好是固定在所述上表面的正中间。
半导体芯片26最好由一种非补偿的(只提供检测输出)、补偿的(提供检测输出以及温度和/或变形补偿)或集成的(提供信号处理)硅换能器构成。采用本领域公知的常规处理技术制成半导体芯片26。半导体芯片26最好不包括带有侵蚀穴的膜片，其片厚在大约0.3至0.5mm(大约12至18mils)的范围内。在半导体芯片26上形成一个焊接片38。下面将要更为详细地描述，膜片18的厚度21及外露宽度23都是经过选择的，使半导体芯片26可以在一个特定的高压范围内产生一个可测的电信号，并且不会过载、破裂或导致半导体芯片26、外壳12和/或膜片18破损。
传感器11还包括一个导电的连接部件，用于将半导体芯片26和外部的测量装置电连接起来。导电的连接部件最好包括接合引线或导线31以及导电引片32。导电引片32的至少一个部分最好与外壳12构成一个整体。图中只示出了一条接合引线和一个导电引片。每个导电引片32都具有一个外部接头36和一个接线柱部分37。每条接合引线31都是一端与半导体芯片26上的焊接片38相连，另一端与接线柱部分37相连。图中示出外壳12还带有一个可选的连接器39，连接器39最好是与外壳12整体构成。连接器39用于容纳标准的匹配电缆连接器。
保护层41最好至少覆盖半导体芯片26和接合线31。较为可取的是，保护层41由一种有机的或无机的片钝化材料构成。例如硅胶、可从联合碳化物公司购得的聚对苯二甲基、氮化硅、或碳化硅。外罩或盖43盖住上腔13，并借助于粘接层44固定到外壳12上。粘接层44最好由一种一部分的或两部分的环氧树脂胶构成。外罩43最好是由一种能够容纳并保持产品识别标记的材料构成。当采用激光刻印标记的方法时，外罩43最好是由金属或塑料构成。
当把传感器11放置在高压环境或介质中时，例如放置在汽车制动线路系统中时，应该安置好下腔16的位置，使下腔16中的开口47暴露在高压环境中。高压介质与薄片18的下表面接触，使膜片18向箭头49所指的方面移动。这种移动使半导体芯片26受到应力的作用。这一应力使半导体芯片26产生一个与所受压力具有一种函数关系的输出信号。这一输出信号被传送到用来处理该输出信号的外部测量或监视系统中，例如发动电子控制单元中。
在一个较为可取的实施例中，在不使传感器11过载的前提下，用于测量0至3400Kpa(0-500psi)范围内的压力的传感器11的膜片18的厚度21大约为1.0mm(大约40mils)，外露宽度23大约为7.5mm(大约300mils)。在用于检测0至6800Kpa(0至1000psi)范围内的压力的传感器11中，厚度21大约为1.5mm(大约60mils)，外露宽度23大约为7.5mm(大约300mils)。在用于检测0至14000Kpa(0至2000psi)范围内的压力的传感器11中，厚度21大约为1.5mm(大约60mils)，外露宽度23大约为6.0mm(大约240mils)。
由于传感器11采用了位于半导体芯片26外部的薄片18，半导体芯片26不需要带有侵蚀穴的膜片。这就减少了片材在高压下发生应力断裂的可能性，因而提高了传感器11的可靠性。并且，由于省去了昂贵的处理工序，因而降低了半导体芯片的制造成本。传感器11不再需要金属隔片/硅油传输介质，从而降低了成本，提高了在更大的温度范围内的灵敏度，极大地减少了器件与器件之间的差异。
图2表示另外一种高压传感器11的实施例。与传感器11一样，传感器111包括外壳112，外壳112具有一个上腔部分或上部113和一个下腔部分或下部116。外壳112最好由塑料构成并最好是采用公知的注模技术成形。下腔部分116的外表面117呈螺纹形。可以根据具体的应用要求来改变这一形状。
膜片118将上腔部分113与下腔部分116隔开。在该实施例中，膜片118由一块金属插片构成，最好是在注模过程中将这种膜片118嵌入到外壳112中。膜片118与导电引片(lead)132在一个导引构件中连成一体。膜片118也可以固定到带有导电引片132的导引构件中。膜片118还可以是一片独立的小片。膜片118最好由一种铁/镍合金构成，例如可从Carpenter Technology Co.of Read-ing，Pennsylvania购得的ALLOY42或KOVar。膜片118具有厚度121，厚度121在膜片118的位于下腔116一侧的整个外露宽度或自由段123上基本上是均匀的。
传感器111还包括固定在膜片118的上表面的半导体芯片或换能器126。半导体芯片126最好是借助于一个有机粘合层或一个无机玻璃层或一个熔结玻璃层或一个焊料层或类似的接合层粘合到膜片118上。半导体芯片126与半导体芯片26相似。膜片118的厚度121和外露宽度123都是经过选择的，使半导体芯片126在所要求的压力范围内能够产生一个可以检测的输出信号，并且不会使半导体芯片126、外壳111及/或膜片118过载。图2中的元件131至149与图1中的元件31至49一一对应，不再重复叙述。
在一个较为可取的实施例中，在不使传感器111过载的情况下，用于测量0至3400Kpa(0-500psi)范围内的压力的传感器111的膜片118的厚度121最好是大约0.5mm(大约20mils)。外露宽度123最好是大约7.5mm(大约300mils)。在用于测量0至6800Kpa(0至1000psi)范围内的压力的传感器111中，厚度121大约为0.8mm(约30mils)，外露宽度123大约为6.0mm(约240mils)。在用于测量0至14000Kpa(0至2000psi)范围内的压力的传感器111中，厚度121大约为1.0mm(约40mils)，外露宽度123大约为6.0mm(约240mils)。
图3表示本发明的高压传感器211的横截面视图的另一实施例。传感器结构211包括一个具有上腔部分213和下腔部分216的外壳212。在本实施例中，外壳212由一种陶瓷材料构成并通过压制、焙烧、以及机加工(必要时)等公知的处理技术成形。下腔部分216的外表面217呈螺纹形。可以根据具体的应用要求改变这一形状。
膜片218将上腔部分213与下腔部分216分隔开。在本实施例中，膜片218最好是由诸如Alloy42或Kovar一类的铁/镍合金构成，并借助于粘接层219粘接到外壳212的上腔部分213与下腔部分216之间。粘接层219最好是由封接玻璃、熔结玻璃、银玻璃或一种有机材料构成。本实施例显示，粘接层219与下腔部分216处在同一侧。在一个可供选择的实施例中，粘接层219与上腔部分213处在同一侧。在这个可供选择的实施例中，当下腔部分216处在高压环境中时，粘接层219受到压应力。膜片218具有厚度221，在膜片218的位于下腔部分216一侧的整个外露宽度或自由段223上，厚度221基本上是均匀的。
最好是利用一个粘接层227将半导体芯片或换能器226固定到膜片218的上表面上。半导体芯片226与半导体芯片26及126相似。粘接层227与粘接层127相似。膜片218的厚度221以及外露宽度223都是经过选择的，使半导体芯片226在一个特定的压力范围内能够产生一个可监视的输出响应，并且不使半导体芯片226、外壳211及/或膜片218过载。厚度221和外露宽度223最好是与上述传感器111中的相应数据相同。图3中的元件213至249与图1中的元件31至49一一对应，不再重复叙述。传感器211尽管比传感器111要贵一些，但它更适用于检测某种危险介质中的压力或检测高温环境下的压力。
至此，应该能够理解，已经提供了一种用于检侧高达大约14000Kpa(约2000psi)的压力的高压传感器。这种高压传感器包括一个具有上腔和下腔的外壳，外壳中有一个传输压力的部件。该传输压力的部件将上腔与下腔分开。一个固态换能器位于上腔中并固定在传输压力的部件的上表面上。传输压力的部件的厚度和外露宽度都经过选择，使换能器在一个特定的压力范围内能够产生一个可以测量的输出信号。由于传输压力的部件位于固态换能器之外，因而不再需要带有侵蚀穴的换能器。这就节约了生产成本。此外，这种高压传感器不再需要金属隔片/硅油传输介质。这样就提供了对温度的敏感性较低、成本较低、并且器件与器件间的差异较小的传感器。
权利要求
1.一种高压传感器，其特征在于，包括一个具有一个上腔(13，113，213)和一个下腔(16，116，216)的外壳(12，112，212)；一个将所述上腔(13，113，213)与所述下腔(16，116，216)分隔开的传输压力的部件(18，118，218)，该传输压力的部件(18，118，218)具有一个厚度(21，121，221)，一段外露宽度(23，123，223)，一个上表面，以及一个下表面，所述下腔(16，116，216)带有一个开口(47，147，247)，用于将传输压力的部件(18，118，218)的下表面暴露在高压环境中；一个位于上腔(13，113，213)中并固定在所述传输压力的部件(18，118，218)的上表面上的检测芯片(26，126，226)，该检测芯片(26，126，226)的外露宽度(23，123，223)及厚度(21，121，221)都是经过选择的，当所述的传输压力的部件(18，118，218)的下表面处在高压环境中时，所述检测芯片(26，126，226)可产生一个可检测的电信号；一个与所述检测芯片(26，126，226)相连的、导电的连接部件；以及一个覆盖所述上腔(13，113，213)的外罩(43，143，243)。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述外壳(12，112，212)由一种注模塑料构成。
3.如权利要求2所述的传感器，其特性在于，所述传输压力的部件(18)由一种塑料构成，并且所述传输压力的部件(18)与外壳(12)构成一个整体。
4.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述的传输压力的部件(118)由一块金属插片构成。
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述的外壳(212)由陶瓷构成。
6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述的传输压力的部件(218)由一种金属构成，该传输压力的部件粘接在外壳(212)上。
7.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述的检测芯片(26，126，226)包括一些焊接片(38，138，238)，所述的导电的连接部件包括多个接合引线(31，131，231)和多个导电的引片(36，136，Conductive 236)，这些接合引线(31，131，231)将这些焊接片(38，138，238)与这些导电的引片(36，136，236)电连接起来。
8.一种检测高压的器件，具有一片位于半导体芯片之外的膜片，其特征在于，还包括一个具有一个上部(13，113，213)和一个下部(16，116，216)的带有腔室的构件(12，112，212)，下部(16，116，216)一端开口并且具有一个外表面，一片位于所述的带有腔室的构件(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)分隔开，所述的膜片(18，118，218)具有一个厚度(12，121，221)，一个上表面，一个下表面，一段外露宽度(23，123，223)，所述的厚度(21，121，221)在整个所述的外露宽度(23，123，223)上是基本上均匀的；一片位于上部(13，113，213)中并固定到所述膜片(18，118，218)的上表面上的半导体芯片(26，126，226)，所述的半导体芯片(26，126，226)具有一些焊接片(38，138，238)；一些导电的引片(36，136，236)，每个所述的导电的引片都具有一个接线柱部分和一个外部接头；一些导线(31，131，231)，这些导线将所述的一些焊接片(38，138，238)与所述的一些导电的引片(36，136，236)电连接起来。
9.一种制造一种高压传感器的方法，其特征在于包括以下步骤制作一个具有一个上腔(13，113，213)、一个下腔(16，116，216)、一个将上腔(13，113，213)与下腔(16，116，216)分隔开的传输压力的部件(18，118，218)以及一个导电的连接部件的外壳(12，112，212)，所述的传输压力的部件(18，118，218)具有一个厚度(21，121，221)、一段外露宽度(23，123，223)，一个上表面和一个下表面，所述的下腔(16，116，216)具有一个开口(47，147，247)，用于将所述的下表面暴露在高压介质中；将一个半导体换能器(26，126，226)固定到所述的传输压力的部件(18，118，218)的上表面上，所述的外露宽度(23，123，223)及厚度(21，121，221)都是经过选择的，因而当所述的下表面暴露在高压介质中时，所述的半导体换能器(26，126，226)产生一个输出响应；将所述的半导体换能器(26，126，226)与所述的导电的连接部件连接起来；以及将所述的上腔封闭起来。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的制作所述外壳(12，112，212)的步骤包括提供一个注模塑料外壳(12)，所述的传输压力的部件(18)由一种注模塑料构成，所述的传输压力的部件(18)与外壳(12)成为一个整体。
全文摘要
一种高压传感器，包括一个具有一个上腔部分和一个下腔部分的外壳。一片膜片将上腔部分与下腔部分分开。一片半导体芯片位于上腔部分中并固定在膜片的上表面上。膜片具有一个厚度和一段外露宽度，当膜片的下表面暴露在高压环境中时，半导体芯片会产生一个可以测量的输出信号。
文档编号H01L29/84GK1132854SQ9511611
公开日1996年10月9日 申请日期1995年9月15日 优先权日1994年11月2日
发明者马海什·沙 申请人:摩托罗拉公司