压力传感器和通过接合材料形成的装置的制作方法

本实用新型涉及一种压力传感器和通过接合材料形成的装置。

背景技术：

许多装置和应用需要诸如传感器或其他电子装置的部件被安装或固定到诸如陶瓷，玻璃或结晶材料的脆性材料上。通常，使用合适的方法(例如气相沉积)将金属层沉积在脆性材料上，然后将所述部件锡焊或钎焊到金属化层。热膨胀系数的差异会产生可能损坏接头或以其他方式缩短其使用寿命的应力。提供部件和脆性材料之间改进的接头将为许多行业提供重要的进步。

技术实现要素：

提供了一种压力传感器，包括：

压力测量电路；

压力传感器管芯，该压力传感器管芯被构造为接收过程压力并向压力测量电路提供指示过程压力的输出；

压力传感器主体；和

压力传感器基座，该压力传感器基座连接到所述压力传感器管芯，所述压力传感器基座被构造成在所述压力传感器管芯和所述压力传感器主体之间提供绝缘，所述压力传感器基座包括：

绝缘层，该绝缘层包括脆性材料，所述绝缘层被构造为将所述压力传感器主体与所述压力传感器管芯隔离；

设置在所述绝缘层上的金属化层；

接合材料层，该接合材料层将所述金属化层连接到所述压力传感器管芯；并且

其中所述金属化层延伸超过所述绝缘层和所述压力传感器管芯之间的接合区域。

在一个实施例中，其中所述绝缘层包括圆筒。

在一个实施例中，其中钻孔延伸穿过所述绝缘层，并且其中所述钻孔接收来自流体的过程压力。

在一个实施例中，其中所述金属化层和所述接合材料被施加成使得所述绝缘层和所述压力传感器管芯自调整为应力减小的构造。

在一个实施例中，其中所述接合材料包括锡焊料和钎焊料中的一种。

同时提供一种通过接合材料形成的装置，包括：

金属部件；

绝缘层，在该绝缘层上沉积有金属化层，并且该绝缘层通过接合材料被连接到所述金属部件；

其中所述接合材料被构造为在接合区域处将沉积的金属化层连接到所述金属部件，并且其中所述接合材料形成接合材料层，该接合材料层的表面积大于所述接合区域的表面积。

在一个实施例中，其中所述绝缘层包括陶瓷氧化铝。

在一个实施例中，其中所述金属化层延伸越过所述绝缘层的边缘。

在一个实施例中，其中所述边缘包括凸边缘结构，所述金属化层被沉积到所述凸边缘结构上。

提供了将脆性材料接合到部件的方法。该方法包括在脆性材料的表面上沉积金属化层。在脆性材料和部件之间施加一层接合材料，使得该部件和脆性材料限定一个界面区域。金属化层和接合材料层延伸超出所述界面区域。

附图说明

图1A和1B是示出脆性材料和部件之间的可能产生应力问题的一些示例性联接情况的剖视图。

图2是示出根据本实用新型的实施例的与界面区域分离的应力突增处(stress riser)的剖视图。

图3是示出根据本实用新型的实施例的具有位于与界面区域分开的面上的应力突增处的联接场景的横截面图。

图4是根据本实用新型的实施例的具有压力传感器安装件的压力变送器的局部剖视图。

图5是图1的压力变送器的放大剖视图，其示出了根据本实用新型实施例的压力传感器安装件。

图6A和6B是根据本实用新型实施例的压力传感器安装件的放大剖视图。

图7是根据本实用新型实施例的提供压力传感器安装件的方法的流程图。

具体实施方式

存在许多许下的应用：在该应用中，使用锡焊料(solder)或钎焊料(braze)以将一种自身可能是可锻的或脆性的部件连接到脆性材料。脆性材料可以是诸如玻璃，陶瓷或结晶材料的电绝缘体。脆性材料需要首先将金属沉积在具体限定的区域上，以便之后能够施加锡焊或钎焊接头。期望锡焊料和钎焊料涂覆整个金属化区域。与诸如陶瓷的脆性材料相比，锡焊料和钎焊料具有非常不同的热膨胀系数。相对于基础脆性材料，锡焊料或钎焊料的热膨胀系数的不同在初始接合后的冷却过程中导致应力。金属化区域的边缘(其中锡焊料或钎焊料流入或润湿沉积金属的最边缘)也可以集中应力，导致应力突增处的发展。

虽然将关于使用改进的接头来联接压力变送器内的压力传感器的特定物理实施例来描述本实用新型的实施例，但是本领域技术人员将认识到：任何在将脆性材料连接到部件上的材料之间的不同的热膨胀系数产生挑战的地方，都可以实施本实用新型的实施例。

当金属的边缘接近两个连接的部件的边界或在两个连接的部件的边界内时，应力集中问题变得强烈。这对于例如存在于压力传感器中的类似微电子机械系统(MEMS)的小部件应用尤其如此。界面处的金属层和陶瓷层之间的热膨胀差异也可以增加整个界面区域的应力水平。如果应力突增处位置处的应力高于陶瓷层的强度极限，则可能开始形成裂纹。受应力的体积中的裂纹将增长，直到裂纹前端处的应力低于材料的强度。结果可能是陶瓷层和金属层之间的无效接头。

图1A和1B示出了在金属和脆性部件之间的可以产生应力突增处的一些示例联接情景。图1A示出了脆性材料层410和金属层440之间的使用金属化层420和锡焊料或钎焊料430的联接不太好的一个示例。脆性材料410例如可以是诸如下文所述的压力传感器基座的陶瓷层。金属层440可以是例如压力传感器或压力传感器的一部分。

如图1A所示，在裂纹点402处开始开裂，在该裂纹点402处，应力突增处位置高于脆性材料410的强度极限。在如图1A所示的示例中，脆性材料410的金属化区域420在接头的匹配表面之间终止，该终止位置是裂纹402开始的位置。通常，在MEMS应用中，金属层必须被图案化以进行所需的电隔离。如果涉及的材料具有相似的匹配的热膨胀，则该接头可能性能更好。然而，膨胀系数匹配的情况很少发生。

图1B示出了用于避免图1A所示的开裂情况的一个潜在解决方案。图1B示出了金属化部分470稍大于金属部件490。结果是在金属化终结点452处产生应力突增处。然而，添加锡焊料或钎焊料层480可以增加所经历的应力，因为较厚的锡焊层或钎焊层增加在金属化终结点452处的应力。

根据本实用新型的实施例，金属化部分的终结点452在脆性材料上被重新定位成远离已经产生应力的位置。因此，如果要避免裂纹，那么终结点452不能位于部件490与脆性材料460之间的界面区域中。部件490与脆性材料460之间的接头的边界附近的区域也是对于终结点452的非优选位置，因为该区域也可能具有高应力。在一个实施例中，终结的锡焊/钎焊润湿材料是实用的，以使脆性材料460和部件490能够自动调整。一个部件通过锡焊料的表面张力位于另一部件上。这从而使得应力突增处金属终结点接近接头并在接头的高应力状态中。

图2是根据本实用新型的一个实施例的联接的剖视图。在脆性材料510和金属部件540之间形成接头500。在一个实施例中，脆性材料510经受其中提供金属层520的沉积过程。在一个实施例中，沉积的金属层520能够使锡焊料或钎焊料层530在与金属部件540接合之前润湿到脆性材料510。在一个实施例中，沉积的金属层520和锡焊料或钎焊料层530都延伸越过金属部件540的接合界面区域504。在一个实施例中，终结点502定位成远离接合区域504，使得在金属化部分的终结502处的应力突增处在脆性材料510和部件540之间的高应力区域之外。在一个实施例中，锡焊料或钎焊料层530具有与脆性材料510不同的热膨胀系数。在一个实施例中，定位成远离接头的锡焊料或钎焊料530的厚度与如果定位成临近接头500的锡焊料或钎焊料530的厚度相比更薄，从而由于较薄的锡焊料层530而在金属终结点502处导致较低的应力。由于焊锡料530和脆性材料510通常具有不同的热膨胀系数，所以较薄焊料530更好以减少金属终结点502处的应力，以避免破坏脆性材料510，使得损坏接头500的风险降低。

图3示出了根据本实用新型的一个实施例的具有位于与界面区域分开的面上的应力突增处的联接场景。接头600包括在表面608上的终结点602，该表面608是接合表面612的相邻表面并由边缘606分隔开。接头600包括联接到金属部件640的脆性材料610，例如联接到金属层640的陶瓷层610。在一个实施例中，脆性材料610首先被涂覆有沉积的金属层620，如图3所示，该沉积的金属层620沿着脆性层610的表面的长度延伸。如图3所示，沉积的金属层620沿着表面612延伸，经过边缘606，并向上延伸到表面608的一部分。将金属化终结点602定位在除了接合表面612之外的表面上，使得应力突增处与焊接接头显著地分离。与相似量的沉积金属层620刚好放置在接合表面612上的情况相比，在脆性材料610的多个表面上分离焊点可以有效地以更短的距离减少表面应力。接头600中应力突增处的取向位于表面612的平面之外。

图3示出了包括在其上形成有金属化层的凸边缘特征部606的一个实施例。如图3所示，凸边缘特征部606为润湿超出终结点602的所施加的焊料630提供阻碍。在金属终结点602处减少沉积的焊料量也降低了应力突增处处的应力水平。如果不存在凹特征部、凸特征部，则可 能会增加焊料传输，使接头600处于损坏的危险之中。

图4是压力变送器的局部剖视图，该压力变送器包括根据本实用新型的实施例被联接的压力传感器。过程控制或测量系统10包括压力变送器12，压力变送器12联接到承载过程流体16的过程管道14。在一个实施例中，变送器12是系统10的测量部件，其被构造成测量由过程流体16施加到压力变送器12的压力P。在一个实施例中，压力变送器12通过双线过程控制回路20向远程位置(例如控制室22)提供输出。过程控制回路20可以根据任何适当的协议操作。在一个实施例中，过程控制回路20是具有模拟电流水平的双线过程控制回路，该模拟电流水平表示与过程压力P相关的“过程变量”。在另一示例中，过程控制回路20承载与过程压力P相关的数字值。协议的一些示例包括或FOUNDATION^TM现场总线通信协议、无线通信链路或任何其他合适的协议。在一个实施例中，元件20表示变送器12和过程控制室22之间的无线通信链路。

变送器12包括压力传感器40。在一个实施例中，压力传感器40是压力传感器管芯，其包括响应于所施加的压力而偏转的元件。该元件包括或被联接到具有响应于所施加的压力而改变的电特性的部件。过程联接件42将变送器12的主体或壳体18连接到处理管道14。这允许过程流体压力P被施加到变送器12的隔离隔膜50。压力P导致隔膜50中的偏转，该偏转通过通道52传递，并且该通道52将隔离流体运送到压力传感器40。通道52延伸穿过还支撑压力传感器40的压力传感器模块54。传感器模块54在一个实施例中包括传感器安装件38，该传感器安装件38被构造为安装压力传感器40。压力传感器40向测量电路62提供电输出60，该测量电路62在一个实施例中连接到端子块70，端子块70联接到过程控制回路20。在一个示例性的构造中，过程控制回路20还用于在一个实施例中向诸如变送器12的测量电路62的电路提供电力。

图5是图4的压力变送器的放大剖视图，其示出了根据本实用新型的一个实施例的压力传感器安装件。图5示出了变送器12的一部分的放大视图120，更详细地示出了传感器安装件38。注意，在图4和图5中，传感器安装件38和压力传感器40没有按比例示出，并且为了说明的目的而被放大。

已经用于安装压力传感器管芯(例如压力传感器管芯40)的方法和部件的示例包括金属电镀，金属对陶瓷接头，粘合剂和其它构造。然而，许多这些技术已经经历了一些显著的可靠性问题。例如，通常使用金属电镀以允许将部件焊接在一起。然而，质量差的镀层可能导致镀层对部件的润湿性或粘附性差。这导致制造过程中的故障以及成品的可靠性降低。

在一个实施例中，压力传感器管芯40安装在基座110上。在一个实施例中，基座110构造成提供与壳体和压力传感器部件之间的安装和温度引起的应力的隔离。在一个实施例中，基 座110是圆柱形的，具有贯穿的孔，使得可以容纳毛细管52。然而，由于其结构，基座110易于发生潜在的开裂，例如在图5所示的界面90中的任一个处。

图6A和6B是根据本实用新型的一个实施例的压力传感器安装件的细节视图。如图6所示的压力传感器200类似于如图4和5所示的压力传感器，类似的部件可以类似地编号。在一个实施例中，压力传感器200可以包括联接到压力过孔252的压力传感器管芯240。在一个实施例中，压力传感器管芯240可以安装在基座210上。基座210可以由多个材料构成，例如一个或多个金属化部分220和陶瓷部分230。本文所述的至少一些实施例提供用于产生基座210的降低沿着界面290的开裂风险的不同方法和系统。陶瓷层230设置在两个金属化层220之间，并且使用锡焊料或钎焊料将金属部件诸如压力传感器结合到陶瓷230。

图6B示出了压力传感器基座210的细节视图，压力传感器基座210包括陶瓷层230，其两侧具有金属化层220。在一个实施例中，金属层220和陶瓷层230都具有基本上相同的半径280。孔282延伸穿过金属层220和陶瓷层230。在一个实施例中，每个金属层220沉积在陶瓷层230上并且稍后使用锡焊料或钎焊料连接到金属部件。在一个实施例中，沉积的金属在包括如图6B所示的平坦区域的整个接合区域上延伸。在一个实施例中，金属层220基本上是相同的厚度。

图7是根据本实用新型的一个实施例的使用锡焊或钎焊接头将脆性部件接合到金属部件的方法的流程图。在一个实施例中，在形成用于压力传感器的基座的上下文中描述了方法700，该基座具有两个金属层之间的陶瓷层。然而，应当理解，本文所述的方法和构造可用于将脆性材料连接到另一部件的各种锡焊或钎焊操作。

在框710中，制备脆性材料。在一个实施例中，例如为了形成用于压力变送器的基座，脆性材料具有通过其设置的孔，以适当地连接到压力传感器管芯并接收压力输送管，如框712所示。通常该孔与陶瓷部件一起模制，但可以以任何合适的方式产生。脆性材料也可以经历其它制备步骤，如框714所示，例如清洁、抛光等。

在框720中，脆性材料经历金属沉积过程，其中金属层沉积在脆性材料的表面上。在一个实施例中，如框722所示，例如在将脆性材料接合到金属部件的情况下，金属层沉积在比接收金属部件的区域宽的区域中。在一个实施例中，例如如框724所示，策略性地沉积金属层，以便将应力突增处位置移动到将接收金属部件的区域之外。在一个实施例中，移动应力突增处位置包括越过脆性材料的边缘沉积金属层，从而应力突增处位置将不平行于接合区域。在一个实施例中，如框726所示，金属沉积层基本上沿着接合表面延伸。在一个实施例中，如框728所示，金属沉积层延伸越过接合表面的边缘以到达相邻表面。

在框730中，完成锡焊或钎焊操作。在一个实施例中，锡焊或钎焊操作包括使用锡焊料或钎焊料作为中间层将金属部件接合到脆性材料。如框732所示，锡焊料层比将要接收金属部件的区域宽。在一个实施例中，锡焊料层可以延伸超过脆性部件的边缘。在一个实施例中，策略性地施加锡焊料或钎焊料层，使得应力突增处位置位于将接收金属部件的区域的外部，例如如框734所示。在一个实施例中，施加锡焊料层使得当金属部件与陶瓷部件接触时，这些部件将相对于彼此自动调整(self-aligh)，如框736所示。当对准金属部件和陶瓷部件时，会发生自动调整，使得在两个部件之间的应力降低。

在框740中，对接合的陶瓷和金属部件进行可选的顺应性/符合性测试(compliance test)。已知由于在接合过程中脆性部件和金属部件之间发生裂纹，压力变送器的基座在安装过程中失效。因此，重要的是在安装之前，有时在安装之后，对压力变送器内的基座进行顺应性/符合性测试。因此，各个部件应能够承受顺应性/符合性测试。顺应性/符合性测试是可选的测试，并且可以包括框742-748中列出的任何一个或全部选项，例如框742所示的气密性测试和/或如框744所示的电介质测试和/或如框746所示的绝缘电阻测试和/或如框748所示的其他测试，例如施加热或压力测试以确保基座能够承受各种操作环境。

本文所述的实施例和方法涉及锡焊或钎焊接头，该接头包括脆性电绝缘材料的至少一个表面，该表面被金属化以实现锡焊或钎焊接头。在一个实施例中，锡焊料或钎焊料的润湿金属化终结点定位成远离金属和陶瓷层之间的接合表面。金属化终结点在与接合表面相邻的表面上。在一个实施例中，金属化层延伸超出接合区域并且经过电绝缘层的边缘结构，使得金属化终结点在不平行于接合表面的表面上。

在一个实施方案中，脆性材料包括陶瓷氧化铝，并且金属部件包括镀镍的科瓦板(Kovar plate)。在其它实施例中，脆性材料是导体或半导体材料。在一个实施例中，钎焊料包括银合金。

虽然已经参考优选实施例描述了本实用新型，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。