专利名称：带有硅玻璃料结合帽的压力传感器的制作方法
技术领域：
实施例大体上涉及传感器器件和元件。实施例还涉及压力 传感器，更具体地涉及结合了硅玻璃料结合(frit bonded)帽的使用以在 隔膜的顶侧上的腔中形成基准压力的压力传感器。
背景技术：
压力传感器用于多种工业和商业应用，诸如汽车、液压系 统、发动机测试等等。例如，表压力传感器、真空压力传感器、差压
接受的不同类型的压力传感器。根据它们的特性的特定方面，这些传 感器类型中的每一个可以用于不同的应用。例如，这类器件可以适用 于在不友好介质如腐蚀性流体和气体中进行的高精度压力测量，因而 它们需要是坚固、可靠的，同时以更高的抗腐蚀性来保持长的寿命。 —些压力传感器使用干燥空气作为压力介质。但是，除干 燥空气之外的介质常对传感器的性能和长期稳定性产生不利的影响。 例如， 一种已知的补偿半导体压力传感器适于用作流体介质相容的集 成压力传感器。这种器件通常包括传感器膜盒(capsule)、半导体芯片、 对施加的压力作出响应的隔膜区域、外框架区域、用以将边缘区域联 接到外框架区域的应力隔离区域，以及结合到半导体芯片的外框架区 域上以覆盖隔膜区域的硅帽。然而，这种传感器缺乏与流体介质和气 体介质正确地相互作用的能力，并且还面对例如腐蚀等缺点，另一种已知的压力传感器基于用于压力传感器的顶侧基 准腔的形成。这种器件包括具有底面和顶面的硅隔膜，以及施加于底 面上的介质。帽是例如为Pyrex的玻璃，并且通过阳极焊(anodic
bonding)而附连。通过压力传感器来感测相对于密封于隔膜顶侧上的 基准压力的介质压力。然而，这种器件面临着一些主要的问题，如输 出信号漂移。又一种已知的半导体压力传感器包括形成基体的第一半 导体层，在第一半导体层上形成的绝缘层，在绝缘层上形成的第二半 导体层，以及构成压力敏感区Jt成的隔膜部分。形成用于这种器件的层 的方法是难以在诸如流体介质或气体介质的严酷介质中使用的。如果压力传感器器件要高效地并且以最高的可能精度工 作，那么这样的压力传感器器件应该与流体介质和气体介质相容。在 理想上，这样的压力传感器应该能够以改善的热膨胀匹配和改善的信 号输出漂移来工作。因此，需要克服上述缺点的压力传感器。
概述提供了本发明的下文概述，以有助于理解本发明所独有的 其中一些创新性特征，且该概述并非意图是完整的描述。通过将整个
说明书、权利要求、附图和摘要作为一个整体来看，可以获得对本发
明的各个方面的完整的理解。因此，本发明的一个方面是提供一种改进的传感器。
本发明的另一方面是提供一种改进的压力传感器。
本发明的又一方面是提供一种压力传感器，其结合了对硅
玻璃^F结合帽的使用，以在隔膜的顶侧上形成基准压力。本发明的又一方面是提供一种压力传感器，其具有改善的
热性能和改善的输出信号漂移。现在可以如本申请所述的那样，来获得前述的方面和其它 目的与优点。公开了一种压力传感器装置，其包括了硅传感器晶片、 硅帽晶片、薄的玻璃料和用于感测压力的机构，其中，硅传感器晶片 具有使用本领域技术人员所熟悉的技术而形成的多个传感器；硅帽晶
片具有多个帽，这些帽被刻蚀，用以在当玻璃料结合到硅传感器晶片 上时，在隔膜的顶侧上形成基准压力腔，从而形成多个带顶面基准压
力腔的传感器芯片；薄的玻璃料用于在硅传感器晶片和硅帽晶片之间 形成晶片-晶片结合。用于感测压力的机构可以包括感测器件，诸如压 鸟文电阻等。压力传感器还包括硅帽晶片中的孔，以^^为在传感器晶片 上形成的多个传感器芯片中的每个传感器芯片来容纳引线焊盘，并且 用于与感测机构有效连接。在一个实施例中，可以实施制作压力传感器及帽晶片的晶 片-晶片玻璃料结合的方法。这种方法包括这些步骤提供带有背面刻 蚀的隔膜的硅基底，在基底的顶侧上沉积茱材料的第一层，沉积与第 一层不同的材料的第二层，在第二层中刻蚀出孔，通过第二层中的孔 而将第一层从第二层下面移除以在隔膜的顶侧上形成基准腔，在第二 层上沉积笫三层，用于对该孔进行密封并形成基准压力腔。第二层和 第三层一起形成帽。在另一个优选实施例中，可以将硅帽晶片对准并用玻璃料 结合到传感器晶片上，以形成基准压力腔。晶片-晶片的玻璃料结合改 善了压力传感器的输出信号漂移和热性能，减轻了由阳极焊玻璃晶片 形成的热不匹配。
附图简述附图进一步显示了实施例并与详细描迷一起用于解释本 发明中公开的实施例，在附图中，相似的参考标号在各个单独的图中 表示相同的或功能相似的元件，这些附图结合到说明书中且形成为说 明书的一部分。图l显示了根据一个优选实施例的压力传感器的正视截面 图，该压力传感器显示了用玻璃料结合到硅传感器晶片上的硅帽晶
片；图2显示了根据一个优选实施例的包括与硅帽晶片结合的 多个硅传感器晶片的压力传感器的正视截面图；图3显示了根据一个优选实施例的包括安装在硅传感器晶 片上的多个硅传感器芯片的图2所示压力传感器的水平截面视图；图4显示了根据一个优选实施例的图3的单个硅传感器芯 片；和图5显示了根据一个实施例的图案化的硅晶片帽。
实施例的详细描述在这些非限制性示例中所讨论的具体值和构造是能够改 变的，并且对它们的引用仅仅是用以说明至少一个实施例，而并不意 图限制其范围。 —个示范性的实施例提供了使得用户能够检测相对于密 封在由帽形成的顶侧腔中的基准压力的压力的方法。下文描述的方法 提出了用以测量压力的装置，其包括硅(硅)传感器晶片、硅(硅)帽晶片 及由硅(硅)材料制成的多个传感器芯片。
图1显示了压力传感器100的正视截面图，该压力传感器 100包括通过本领域技术人员已知的方法而形成的硅传感器晶片 102，用于感测压力的硅传感器芯片104(图1中未示出)，以及根据一 个优选实施例的硅帽晶片106。使用本领域技术人员已知的方法，在 硅传感器晶片102的背面上形成隔膜110。将待测量的严酷介质和/或 流体介质的压力施加到隔膜110的背面/底面上。由硅制成的帽108覆 盖了隔膜110的顶侧，以形成基准压力腔112。隔膜110还包括侧壁和确定的隔膜厚度和长度。通过减少 隔膜长度和电路面积，就可以^l得更小的芯片尺寸。可以通过本领域 技术人员已知的方法来构造连4妄金属线(metal runner)122和125的下 衬(duck under)126。存在于隔膜110的顶侧上的基准腔112为压力传 感器提供了基准压力。基准腔112密封了传感器晶片102上的传感器芯片104的 隔膜110的顶側。使用薄的玻璃料114将硅帽晶片106与珪传感器晶
片102结合，以形成玻璃料结合区120。在将它们结合前，必须将硅 帽晶片106与硅传感器晶片102正确地对准。根据一个实施例，将硅帽晶片106用玻璃料结合到硅传感 器晶片102上减轻了阳极焊玻璃晶片所产生的热不匹配。对于高性能 器件而言，非常需要材料的结合。根据特定的应用，按照诸如结合精 度、机械强度、光学性能和热特性标准，来评判结合方法的质量。玻 璃料结合在比传感器的工作温度更高的温度下完成，这就形成了高温 等级的界面。该界面在机械上是强度较好的。玻璃料结合区120形成 了在室温下与结合的传感器芯片104之间的良好的热膨胀(CTE)系数 匹配，并因此有助于改善输出信号漂移和热膨胀匹配。引线焊盘118 形成于传感器芯片104的顶面上。引线焊盘118通过在传感器芯片104 的顶侧上的金属线122，125以及在传感器芯片104的顶面下面和玻璃 料结合区120的下方延伸的下4t 126，而电连接到感测器件124，例 如压敏电阻等上。图2显示了多个压力传感器100,其包括硅传感器晶片 102、珪传感器芯片104(图3中所示)，以及根据该优选实施例的用玻 璃料结合到硅传感器晶片102上的硅帽晶片106。图3显示了根据该优选实施例的压力传感器IOO的水平截 面视图。该图显示了在硅传感器晶片102上形成的多个硅传感器芯片 104。硅传感器芯片104包括在硅帽晶片106(示于图l)与硅传感器晶 片102的晶片-晶片玻璃料结合期间由薄的玻璃料114所形成的玻璃料 结合区120。在帽晶片106的制作过程中，在硅帽晶片106上形成多 个孔116，该硅帽晶片106将对准到传感器晶片102上的多个传感器 芯片上，从而形成传感器芯片104。硅帽晶片106中的孔116提供了 接近引线焊盘118的通路，引线焊盘118提供了到感测器件上的电连 接。图4显示了根据该优选实施例的图3所示的单个传感器芯 片104。硅传感器芯片104包括使用本领域技术人员已知的方法在硅
传感器晶片102上形成的多个压力传感器芯片中的一个压力传感器芯 片。该硅传感器芯片具有在顶面上形成的引线焊盘118，其通过在顶 面上形成的金属线122,125和在顶面的下边形成并从玻璃料结合区 120下面经过的下衬126而提供了连接至感测器件124的电连接。硅 芯片104具有帽108,在使用薄玻璃料114将硅帽晶片106结合到硅 传感器晶片102时，对帽108进行玻璃料结合，从而形^玻璃料结合 区120。在硅帽晶片106中形成的多个基准腔112中的一个基准腔现 在净皮玻璃料结合区120所围绕，这样就在隔膜之上提供了密封的基准 腔。在硅帽晶片106中形成的多个孔116中的一个孔现在提供了至通 往硅传感器芯片104上的引线焊盘118的通路。图5显示了图案化的硅帽晶片106,其覆盖了硅传感器晶 片102，从而保护传感器芯片104的顶侧以免其接触严酷的介质。根据该优选实施例，必须将隔膜IIO的背面暴露到介质， 以用于测量、记录和分析。用于从传感器中获得测量结果以用于进一 步分析和记录的电子系统是本领域的技术人员所公知的。将隔膜110 的背面暴露到介质，并且将密封在隔膜110的顶侧上的腔112中的压 力用作基准压力，以测量介质压力。在操作过程中，将介质施加到隔 膜110的底面。本方法仅将硅背面暴露到介质，这种介质可以是腐蚀 性的，例如汽车废气。通过保护传感器芯片104的顶侧面以免受到严 酷介质/腐蚀性介质的影响，这种新颖的方法提供了更坚固和可靠的传 感器。如上文描述，玻璃料结合进一步改善了信号输出漂移和热膨胀 匹配。注意，图l-5还大体显示了用于形成压力传感器装置的方 法。大体上，图l-5表示，传感器晶片可以构造成在所述传感器晶片 的下表面上包括多个隔膜，其中所述隔膜包括顶侧和底侧。多个传感 器芯片可以在所述传感器晶片上形成。接着可以执行一个步骤，在该 步骤中，在帽晶片上刻蚀一个或多个帽芯片，以在所述隔膜的所迷顶 侧上形成基准腔。还可以进行一个步骤，在该步骤中，将薄玻璃料构
造成用以在所述帽晶片和所述传感器晶片之间形成晶片-晶片玻璃料 结合区，其中，将所述帽晶片对准到所述传感器晶片上并使用所述薄 玻璃料结合到所述传感器晶片上，以改善所述压力传感器的热性能， 同时减轻热膨胀不匹配，并改善所述压力传感器的输出信号漂移。将理解的是，上文所公开的以及其它的特征和方法的变型 或其备选方案可以合乎需要地结合到许多其它的不同的系统或应用 中。本领域技术人员可能随后设计出多种目前所无法预见的或无法预 期的备选方案、修改、变型或改进，也意图将它们包含于所附的权利 要求中。
权利要求
1. 一种压力传感器装置，包括传感器晶片，其构造成在所述传感器晶片的下表面上包括多个隔膜，其中，所述隔膜包括顶侧和底侧；在所述传感器晶片上形成的多个传感器芯片；多个帽芯片，其被刻蚀于帽晶片上，以在所述隔膜的所述顶侧上形成基准腔；薄玻璃料，其在所述帽晶片和所述传感器晶片之间形成晶片-晶片玻璃料结合区，其中，所述帽晶片被对准到并使用所述薄玻璃料结合到所述传感器晶片上，以改善所述压力传感器的热性能，同时减轻热膨胀不匹配，并改善所述压力传感器的输出信号漂移。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述帽晶片包括硅， 并且所述传感器晶片包括硅。
3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述帽晶片构造成 包括孔，所述孔提供连接至在所述传感器晶片上的所述多个传感器芯 片中的每个芯片的电连接。
4. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括在 所述隔膜的所述顶側上形成的多个引线焊盘，其中，使用穿过所述孔 的结合而将所述多个引线焊盘连接到多个感测机构上，其中，所述多 个感测机构中的至少一个感测才几构包括所述多个感测芯片，并且所述 多个感测芯片包括传感器压敏电阻。
5. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所迷基底下面形 成的所述隔膜对施加的压力是可作出响应的。
6. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述帽晶片将位于 所述隔膜的所述顶侧上的基准压力密封到所述多个感测芯片中的备 个感测芯片，并保护所述多个感测芯片以免其受严酷介质的影响。
7. —种压力传感器装置，包括传感器晶片，其构造成在所述传感器晶片的下表面上包括多个隔膜，所述隔膜包括顶側和底侧，所述传感器晶片包括硅；多个传感器芯片，其在所迷传感器晶片上形成；多个帽芯片，其被刻蚀在帽晶片上，以在所述隔膜的所迷顶侧上 形成基准腔，所述帽晶片包括硅；薄玻璃料，其在所述帽晶片和所述传感器晶片之间形成晶片-晶片 玻璃料结合区，其中，所述帽晶片被对准到并使用所述薄玻璃料结合 到所述传感器晶片上以改善所迷压力传感器的热牲能，同时减轻热膨 胀不匹配并改善所述压力传感器的输出信号漂移，其中，所述帽晶片 构造成包括孔，所述孔提供连接到在所述传感器晶片上的所述多个传 感器芯片中的每个芯片的电连"l秦。
8. —种用于形成压力传感器装置的方法，包括构造传感器晶片，将其构造成在所述传感器晶片的下表面上包括 多个隔膜，其中，所述隔膜包括顶侧和威侧；在所述传感器晶片上形成多个传感器芯片；在帽晶片上刻蚀出多个帽芯片，以在所述隔膜的所述顶侧上形成 基准腔；配置薄玻璃料，以在所述帽晶片和所述传感器晶片之间形成晶片 -晶片玻璃料结合区，其中，将所述帽晶片对准到并使用所述薄玻璃料 结合到所述传感器晶片上，以改善所述压力传感器的热性能，同时减 轻热膨胀不匹配并改善所述压力传感器的输出信号漂移。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括 将所述帽晶片构造成包括,圭；以及 将所述传感器晶片构造成包括硅。
10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括 将所述帽晶片构造成包括孔，所述孔提供连接到所述传感器晶片上的所述多个传感器芯片中的每个芯片的电连接；以及在所述隔膜的所述顶侧上形成多个引线焊盘，其中，使用穿过所 述孔的结合而将所述多个引线焊盘连接到多个感测机构上。
全文摘要
一种结合了硅玻璃料结合帽的压力传感器装置和方法。该压力传感器包括硅传感器晶片，在其底面带有隔膜；安装在各个传感器晶片顶侧上的硅帽晶片；在传感器晶片上形成的多个硅传感器芯片；硅帽晶片，其被进行刻蚀，以便在隔膜的顶侧上形成多个基准腔；薄的玻璃料，其用以在传感器晶片和帽晶片之间形成晶片-晶片结合。感测器件，例如半导体芯片/传感器、压敏电阻，可以用于感测压力。晶片-晶片玻璃料结合改善了压力传感器的输出信号漂移和热性能，减轻了由阳极焊玻璃晶片形成的热不匹配。
文档编号G01L9/00GK101389940SQ200780006554
公开日2009年3月18日 申请日期2007年1月4日 优先权日2006年1月6日
发明者C·E·斯图尔特, G·莫雷尔斯 申请人:霍尼韦尔国际公司