基于微電子封裝工藝的濕/濕差動壓力感測器設計的制作方法

專利名稱：基于微電子封裝工藝的濕/濕差動壓力感測器設計的制作方法
技術領域：
實施例總體上涉及感測器方法和系統。實施例也涉及用于濕/濕應用的差動壓力 感測器。實施例也涉及基于微電子和/或MEMS (微機電系統)封裝工藝的差動壓力感測器 設計。
背景技術：
壓力感測器或者壓力變送器可以用于大范圍的感測應用中。在很多情況下，期望 測定特定類型介質(例如，通常為氣體或者液體)的壓力，如水，燃料，油，酸，堿，溶劑和腐 蝕性氣體。感測介質也可以包括(但是無需限定為)空氣，氮氣，工業過程氣體，水，自推進 流體(automotive fluid)，氣動流體，冷凍劑，工業化學品等。對于這些應用，壓力感測器可 用于精確感測介質的壓力。特別地，壓力感測器的一種類型或者配置被稱為差動壓力感測器。這種類型的感 測器測量作為輸入提供的兩個或者更多個壓力之間的差別。差動壓力感測器的一個實例應 用可包括測量穿過爐過濾器(furnace filter)或者油過濾器的壓力降從而確定堵塞水平。 另一個差動壓力感測器應用可以與文丘里效應一起來實現流量測量。在這種情況下，采用 不同縫隙設計的文丘里管的兩個部分之間會產生壓力差動。壓力差別直接與穿過文丘里管 的流動速率成比例并且可由差動壓力感測器精確地測量。在很多工業和商業應用中最通常使用的其中一種差動壓力感測器類型是固態 MEMS壓力感測器，該感測器使用硅壓阻技術。典型的MEMS壓力管芯采用一個響應于施加的 壓力而被加壓的薄硅膜片。壓敏電阻器被戰略地設置在或者布置在膜片上。當壓力施加到 感測器時，膜片被加壓并且壓敏電阻器將該機械應力轉換成電信號。通常地，壓敏電阻器形 成惠斯通電橋并且差動信號與所施加的壓力成比例。在濕性應用(wet application)中，壓力感測器與液體或者與具有高含水量的氣 體相接觸。差動壓力感測器也能夠用于感測管芯(sense die)的兩側都暴露在被感測介質 (例如水或者油)的濕/濕應用中。這樣的差動壓力感測器可能要求膜片的頂邊和底邊上 均有流體介質。因此差動壓力感測器的膜片可以與通常為腐蝕性或者有害的介質接觸。這 種腐蝕性或者有害介質能夠破壞壓力感測器的部件，尤其是作為到差動壓力感測器的被暴 露的電連接的接合焊盤。在許多應用中，即使介質自身不是導電的，它也可能產生對于暴露的接合焊盤來 說惡劣的環境，導致長期可靠性失效。因此，期望的是將感測元件、電路和電連接與和介質 的直接接觸隔離，從而進行可靠操作。然而對于濕-濕壓力感測器來說極少有節省成本的 解決方法。大多數解決方法都是基于利用油填充的介質隔離硅壓阻技術的不銹鋼隔離膜片 設計結構。在差動壓力感測器的一些隔離設置中，對環境敏感的硅壓力管芯可以采用三明 治方式放置在彈性密封之間，其中一個彈性密封包括用于電連接的導電堆疊。壓力感測器 可以使用預模制的彈性密封將壓力管芯和相對惡劣、潮濕的壓力感測環境分隔開。這樣的 壓力感測器可以獲得真正的差動操作和精確的介質壓力，但是所增加的生產和材料成本卻令人望而卻步。另外，一個與這樣的壓力感測器相關聯的問題是與隨著溫度而伸縮和移動 的彈性密封相關的熱滯后，從而引起設備的參數特性的偏移。因此存在一種對濕/濕應用具有高可靠性的改進差動壓力感測器的需求，該差動 壓力感測器能夠提供介質隔離的電連接，所述介質隔離的電連接最終會比目前實施的壓力 感測器更高效以及魯棒(robust)。這種差動壓力感測器在這里被更詳細地描述。

發明內容
提供如下說明從而有助于理解一些相對已公開的實施例來說特別的創新性特征 并且所述說明并不意圖作為全面描述。實施例的不同方面的全面理解可以通過將整個詳細 說明書，權利要求，附圖和摘要作為一個整體來獲得。因此，本發明的一方面是提供改進的感測器方法和系統。本發明的另一個方面是提供改進的頂面帽差動壓力感測器，該感測器具有孔，其 能夠克服前面提到的缺陷。本發明的另一個方面是提供一種用于組裝具有介質隔離的電連接的差動壓力感 測器的改進方法，該感測器用于基于微電子封裝過程的濕-濕應用。前面提到的方面和其他的目的以及優點現在可以如這里描述的獲得。公開了用于 基于微電子封裝工藝的濕/濕差動壓力感測器的方法和系統。帶孔的頂帽可以被附著到 MEMS-配置的壓力感測管芯的頂面(topside)，該管芯具有壓力感測膜片以便允許被感測 的介質與壓力感測膜片的頂面相接觸。用于應力釋放的帶孔的可選約束物可以被附著在壓 力感測管芯的背面。可以利用粘合劑和/或焊料和/或彈性密封來密封壓力感測管芯，從 而使得被感測的介質與壓力感測膜片的兩側都接觸而不會與線接合以及壓力感測管芯頂 面上的其它暴露的金屬化表面接觸。MEMS-配置的壓力感測管芯也能夠利用標準管芯附著 材料被接合到基板。這樣的微電子封裝工藝產生具有真正的濕-濕壓力感測能力的性能高 效并且節省成本的解決方法。頂帽和可選的由玻璃和/或硅構成的約束物能夠用標準的晶 片接合工藝(如陽極接合或者玻璃粉接合)被附加。在封裝的頂部和底部可以提供一對壓力孔(pressure port)，以允許壓力作用在 壓力感測膜片上。在頂帽內的孔處進行密封能夠通過將線接合、線接合焊盤和其它暴露的 電路與被感測的介質隔離來提供保護。膜片可能根據由介質施加的壓力而變形。可由摻雜 在膜片表面上的壓阻元件來測量該變形。壓阻元件能利用公知的壓阻原理將膜片的變形轉 換成電信號以便計算介質內的壓力。在感測管芯的頂表面或者底表面中的任一個或者兩者 上的粘合劑和/或焊料和/或彈性密封能夠用于獲得與多個壓力孔的連接。對于壓力感測 應用來說這樣的魯棒性設計方案提供了濕-濕介質兼容性從而使得濕介質與感測膜片的 兩側都接觸而不與可能會由于暴露到介質中而損壞的其它部分接觸。


在附圖中，類似的附圖標記在整個獨立的視圖中指的是相同的或者功能類似的元 件，并且附圖被并入到說明書中并形成說明書的一部分，所述附圖進一步說明實施例并且 與具體實施方式
一起用于解釋這里所公開的實施例。附圖1示出帶有用于濕-濕應用的頂帽的MEMS-配置的壓力感測器的截面圖，其能夠適用于實現優選實施例；附圖2示出根據優選實施例的帶有用于濕-濕應用的約束物的MEMS-配置的壓力 感測器的截面圖；附圖3示出根據優選實施例的濕-濕差動壓力感測器裝置的透視圖；以及附圖4示出高級別操作流程圖，該流程圖示出根據優選實施例的基于微電子封裝 過程將濕-濕差動壓力感測器與介質隔離的電連接組裝起來的方法的邏輯操作步驟。
具體實施例方式在這些非限制性實例中討論的特定值和配置可以是變化的，并且僅僅是被引用來 說明至少一個實施例，因此并不是意圖限定其范圍。在此公開了利用晶片制作工藝以及微電子封裝技術的MEMS-配置的壓力感測器 設計。在這種設備中，可以實現在被感測的介質和感測器的電子器件之間具有高度隔離的 差動壓力感測器。參考附圖1，示出根據優選實施例的差動壓力感測器100的截面圖。注意 附圖1-4中，相同的或者相似的部件或者元件通常采用相同的附圖標記來表示。壓力感測 器100通常包括具有頂面105和背面110的MEMS-配置的壓力感測管芯150。可以利用硅 壓阻技術或者電容技術來制作MEMS-配置的壓力感測管芯150，但不限于這些技術。在優選實施例中，從壓力感測管芯150可以蝕刻出膜片115，這樣一個或者多個壓 敏電阻器120可以位于壓力感測管芯150上。頂帽130可以利用公知的晶片接合方法(例 如，舉個例子來說陽極接合和/或玻璃粉接合)被附著到壓力感測管芯150的頂面105。在 附著頂帽130之前，如圖3所示通過頂帽130蝕刻或者鉆出單獨的孔165。頂帽130可以由 諸如硅或者玻璃之類的材料構造，但是不限于這些材料。頂帽130能夠保護線接合370，接 合焊盤360和其它暴露的電路免于暴露在被感測的介質中，從而避免對感測器造成損壞。感測器管芯150也可以配置成并入惠斯通電橋電路配置，簡稱為“惠斯通電橋”。 一個或者多個壓敏電阻器(例如，四個壓敏電阻器)(例如壓敏電阻器120)能夠在最大化 感測器的惠斯通電橋(沒有示出)的輸出的位置被嵌入到膜片115內。如圖1所示，第一 壓力穿過孔165施加到感測管芯150上，如箭頭Pl所示。第二壓力P2施加到感測管芯150 的背面110上。采用這個方式獲得差動壓力測量。另一方面，感測管芯150也能夠與周圍 環境連通(例如，通過孔165)，因此壓力Pl或P2中的任一個可以用作環境壓力參考以提供 表壓力測量。參考附圖2，示出根據優選實施例的帶有用于濕-濕應用的約束物135的差動壓力 感測器100的截面圖。約束物135能夠利用公知的晶片接合方法(例如，舉個例子來說陽 極接合和/或玻璃粉接合)被附著到壓力感測管芯150的背面110以進行應力釋放。約束 物135可以由諸如硅或者玻璃之類的材料構造，但不限于這些材料。其它類型的材料也可 以用來代替這些材料。通過約束物135可以蝕刻或者鉆出單獨的孔210并且所述單獨的孔210能夠至少 部分地與壓力孔P2(沒有示出)內的孔對齊。本領域技術人員應當認識到，通過穿過頂帽 130和約束物135形成孔165和210，這里所描述的方法可用于制造用于濕-濕應用的差動 壓力感測器封裝，其中在感測元件的兩側的介質都是濕的。來自壓力孔Pl和P2的介質通 過開口 165和210被施加。
在一個優選實施例中，可以使用玻璃粉接合工藝將硅帽130和約束物135接合到 硅壓力管芯150。硅和硅的接合能夠使由接合不相似的材料而產生的熱失配最小。根據特 定的應用，接合方法的質量可以基于例如接合精度、機械強度和熱特性的標準來判斷。大多 數晶片接合工藝是在比差動壓力感測器的工作溫度高得多的溫度下執行的，其會產生高溫 等級界面(rated interface)。差動壓力感測管芯150也能夠采用標準管芯附著材料160 被接合到基板155。該管芯附著材料可由粘合劑構造和/或由例如硅樹脂、環氧樹脂或者焊 料構成。該管芯附著材料可用于隔離差動壓力感測器100內的應力。附圖3示出根據優選實施例的濕-濕差動壓力感測器100的透視圖。濕-濕差動 壓力感測器100能夠用在其中感測元件150的兩側都暴露于被感測的介質(例如水或者 油)的濕/濕應用中。帶有孔165的頂帽130可利用頂面密封220被附著到頂部封裝帽 230。帶有壓力感測膜片115的MEMS-配置的壓力感測管芯150的頂面壓力孔305使得具 有壓力Pl的被感測的介質與壓力感測膜片115的頂面105相接觸。墊片或者介質密封220為頂帽130的頂面表面提供壓力密封。帶孔210的用于 應力釋放的可選約束物135能夠利用底面密封320被附著到底部封裝帽330。應當注意的 是，頂面密封220和底面密封320可以采用多種材料來完成，例如壓縮彈性墊片或者粘性材 料或者在感測器制造工業中采用的幾種其它常用技術。MEMS-配置的壓力感測管芯150的 底面壓力孔310使得具有壓力P2的被感測的介質與壓力感測薄膜115的底面110相接觸。 墊片或者其它介質密封320為約束物135的底面表面提供壓力密封。膜片115可以與能夠 接收施加在膜片115上的應力或者介質壓力的壓阻元件120合并。壓阻元件120能夠使用 公知的壓阻原理將所施加的壓力轉換成電信號。接合焊盤360能夠為膜片115提供外部電 連接。這種接合焊盤360能夠優選包括鋁或金金屬化。頂帽130能夠將介質和接合焊盤360密封在一起以避免產生對暴露的接合焊盤 360來說惡劣的環境。因此，差動壓力感測器100能夠可靠運行并且精確感測介質壓力。管 芯附著或者墊片220和320可以用于密封壓力感測管芯150，以使得要被感測的介質在不影 響線接合焊盤360、線接合370以及封裝端子350的情況下與壓力感測膜片115的兩側都接 觸。這樣的微電子封裝工藝產生高性能和節省成本的具有真正的濕_濕壓力感測能力的解 決方案。每個壓力孔305和310能夠以不同的壓力載送介質。每個壓力孔305和310中的 壓力之差可通過將硅壓力感測膜片115的兩側都暴露于介質來測量。在這種方式下，差動 壓力感測器100能夠感測介質中的差動壓力，所述介質包括但不限于水、燃料、油、酸、堿、 溶劑和腐蝕性氣體。參考附圖4，示出根據一個可能的實施例的用于說明基于微電子封裝工藝將 濕-濕差動壓力感測器100與介質隔離的電連接組裝起來的方法400的邏輯操作步驟的高 級別操作流程圖。在附圖4描述的實例方法中，該過程可以如所示在塊402開始。接下來， 如塊404所示，可以提供帶有蝕刻的壓力膜片115的差動壓力感測管芯150，如所示。接下 來，如塊406所描述的，可以完成的操作是帶孔的約束物可選地通過晶片接合工藝附著到 感測管芯的背面。接下來，如塊408所表示的，穿過頂帽130晶片可以形成一個或者多個孔。 之后，如塊410所描述的，利用晶片接合工藝可以附著頂帽130。接下來，如塊412所描述 的，可完成的操作是單切(singulate)(鋸開)帶有接合的頂帽130的壓力感測管芯。接下來，如塊414所示，通過標準的管芯附著工藝能夠將差動壓力感測管芯150接合到基板。之 后，如塊416所示，可以通過導電引線和線接合提供用于差動壓力感測管芯的電連接。在塊 416所描述的操作過程之后，可以完成的操作是通過利用標準工藝(例如墊片和/或管芯附 著)密封壓力孔來過封裝(over-packaging)所完成的感測結構，如塊418所示。最后，該 過程可以結束，如塊420所示。注意在優選實施例中，頂帽晶片在接合到壓力管芯晶片之前已經具有晶片級預先 蝕刻的或者預先鉆出的孔。同樣地，約束物中的孔優選在約束物晶片接合到壓力管芯晶片 之前被進行晶片級預先蝕刻或者預先鉆出。因此，根據附圖4描述的方法，帶孔210的約束物135能夠附著到壓力感測管芯 150的背面，如塊440所描述的。差動壓力感測管芯150能夠采用標準管芯附著工藝接合 到基板155。用于差動壓力管芯150的電連接可以通過線接合焊盤360、線接合370和端子 350來提供。可以采用頂面口 230和背面口 330、利用墊片或者介質密封220和330來對帶 有頂面帽130的感測管芯150進行過封裝，以產生具有真正的濕_濕壓力感測能力的高性 能和節省成本的解決方案。尤其是，濕/濕差動壓力感測器100能夠在膜片115的頂面和背面上都施加介質 以便進行流體壓力的測量、記錄和分析。所使用的用于獲得來自差動壓力感測器100的測 量來進行進一步分析和記錄的電子系統是本領域技術人員公知的。這樣差動壓力感測器 100能夠利用頂帽140來防止感測器壓力管芯150的頂面(特別是接合焊盤360)暴露于惡 劣的或者腐蝕性介質，這為濕/濕應用提供了更魯棒和可靠的感測輸出。應當理解，前面公開的和其它特征和功能的變化，或者其替換物，可預期地被合并 到許多其它不同的系統或者應用中。另外，其中多種目前無法預知的或者無法預料的替換 方案、修改、變型或者改進也可由本領域技術人員隨后作出，其也意圖被下面的權利要求所 包含。
權利要求
一種差動壓力感測器設備，包括頂帽，所述頂帽具有形成于其中的孔，所述頂帽附著到與壓力感測膜片相關的MEMS 配置的壓力感測管芯的頂面，其中所述頂帽將介質與多個線接合焊盤隔離；以及密封，所述密封對所述壓力感測管芯過封裝以便使得所述被感測的介質與所述壓力感測膜片的所述頂面和所述底面相接觸而不與所述多個線接合焊盤以及在所述壓力感測管芯的所述頂面上的多個金屬化表面相接觸，從而提供具有濕 濕壓力感測能力的差動壓力感測器設備。
2.如權利要求1所述的設備，其中所述壓力感測膜片被配置為并入約束物，所述約束 物具有形成于其中的孔，所述約束物有助于為所述壓力感測膜片提供應力釋放。
3.如權利要求1所述的設備，其中所述頂帽利用晶片接合工藝被附著到所述MEMS-配 置的壓力感測管芯。
4.如權利要求1所述的設備，其中所述MEMS-配置的壓力感測管芯使用管芯附著工藝 被接合到基板。
5.如權利要求1所述的設備，其中所述密封包括墊片和/或粘性密封，從而對所述頂帽 的頂面提供壓力密封。
6.如權利要求1所述的設備，其中利用硅壓阻技術和/或電容技術來制作所述 MEMS-配置的壓力感測管芯。
7.如權利要求3所述的設備，其中所述晶片接合工藝包括陽極接合工藝和/或玻璃粉 接合工藝。
8.如權利要求2所述的設備，其中所述頂帽和所述約束物包括硅和/或玻璃。
9.一種差動壓力感測器設備，包括頂帽，所述頂帽具有形成于其中的孔，所述頂帽附著到與壓力感測膜片相關的 MEMS-配置的壓力感測管芯的頂面，其中所述頂帽將介質與多個線接合焊盤隔離；以及密封，所述密封對所述壓力感測管芯過封裝以便使得所述被感測的介質與所述壓力感 測膜片的所述頂面和所述底面相接觸而不與所述多個線接合焊盤以及在所述壓力感測管 芯的所述頂面上的多個金屬化表面相接觸，從而提供具有濕_濕壓力感測能力的差動壓力 感測器設備；以及約束物，其中所述壓力感測膜片被配置為并入所述約束物，所述約束物具有形成于其 中的孔，所述約束物有助于為所述壓力感測膜片提供應力釋放。
10.如權利要求9所述的設備，其中所述頂帽利用晶片接合工藝被附著到所述MEMS-配置的壓力感測管芯，其中所述晶片 接合工藝包括陽極接合工藝和/或玻璃粉接合工藝；以及所述頂帽和所述約束物包括硅和/或玻璃。
11.如權利要求9所述的設備，其中所述MEMS-配置的壓力感測管芯利用管芯附著工藝 被接合到基板。
12.如權利要求9所述的設備，其中所述密封包括墊片和/或粘性密封，從而對所述頂 帽的頂面提供壓力密封。
全文摘要
本發明涉及基于微電子封裝工藝的濕/濕差動壓力感測器設計。帶孔的頂帽可以被附著到帶有壓力感測膜片的MEMS-配置的壓力感測管芯的頂面，從而使得被感測的介質與壓力感測膜片的頂面相接觸。用于應力釋放的帶孔的可選約束物能夠附著到壓力感測管芯的背面。粘合劑和/或彈性密封和/或焊料能夠用于密封壓力感測管芯，從而使得被感測的介質能夠與壓力感測膜片的兩側都接觸，而不會接觸線接合和其它金屬化表面。MEMS-配置的壓力感測管芯也可以采用標準管芯附著材料接合到基板。這樣的微電子封裝工藝會產生高性能和節省成本的解決方案，從而提供濕-濕壓力感測能力。
文檔編號G01L9/12GK101900625SQ20091024689
公開日2010年12月1日 申請日期2009年11月18日 優先權日2008年11月19日
發明者A·布拉德利, L·F·里克斯, P·羅斯戈, R·S·瓊斯 申請人:霍尼韋爾國際公司