高壓傳感器裝置的魯棒設計的制作方法
【專利摘要】在由形成到硅襯底中的壓敏電阻制成的壓力感測元件中，通過在形成電阻之前使襯底變薄以及隨后在變薄的凹槽中形成電阻，能夠減少壓敏電阻上的熱致應力和熱致電壓偏置。在襯底中形成圓形或圓盤形凹槽以及隨后在其中形成電阻被認為使得熱致應力在惠斯通電橋電路的所有四個壓敏電阻上均勻分布和／或抵消掉。
【專利說明】高壓傳感器裝置的魯棒設計
【背景技術】
[0001]高壓傳感器通常由用于壓力感測的壓力感測元件、用于放大和補償的特定于應用的集成電路(ASIC)、耐高壓和流體腐蝕并且用于安裝壓力感測元件的端口、以及用于電壓輸入和輸出的連接器組成。對于所關注的新裝置，這里僅僅描述了壓力感測元件、端口以及它們的封裝用于進行說明。圖1示出了現有技術的高壓傳感器裝置100的橫截面圖。該高壓傳感器裝置100包括端口 102，其中形成有平底孔104。端口 102優選由金屬制成。
[0002]端口 102被設計為旋入到孔中。因而，在端口 102的底部108的外表面106上形成有螺紋105，并且該螺紋使得傳感器100能夠被旋進到匹配的螺紋孔中。
[0003]孔104具有開口端110，流體通過該開口端110能夠流入到孔104中。孔104中的流體處于壓力下。因而，承壓流體向孔104的相對平坦的底端面112施加壓力。
[0004]端口 102的底端面112與頂面116之間的膜片114是相對薄的，并且根據壓力范圍和孔104的大小典型地大約具有0.5到1.5mm的厚度。當膜片114響應于施加到底端面112的壓力向上以及向下偏移時，膜片的頂面116響應于孔104中的壓力變化而偏移。
[0005]端口 102的頂面116的偏移使得連接到端口 102的頂面116的壓阻式壓力感測元件118在膜片114邊緣附近產生形變。壓力感測元件118由薄的單晶硅(Si)制成，其被嵌入到玻璃熔塊124中。如圖1所示，玻璃熔塊124在膜片邊緣附近連接到端口 102的頂面116并且位于其頂部。玻璃熔塊124具有大約50微米、即50X 10_6米的厚度。在壓力感測元件118的頂面126上，形成有4個壓敏電阻并且它們之間相互連接從而形成如圖2所示的用于壓力感測的惠斯通電橋。
[0006]韋氏詞典(Merriam-Webster，sCollegiate Dictionary)第 11 版定義了惠斯通電橋是由通過檢流計連接的兩個平行電路分支組成的電橋并且用于確定其中一個分支中的未知電阻的值。如在這里使用的，術語惠斯通電橋指的是圖2中所示的電路拓撲結構，即兩組串聯電阻的并聯。
[0007]圖2是規格為800umX800umX 15um的壓阻式壓力感測元件118的頂視圖。利用常用技術對壓力感測元件118進行處理，以在壓力感測元件118的頂面126中形成4個電阻202-1至202-4。電阻202-1至202-4由p型材料形成，P型材料的實施例是半導體領域中的普通技術人員眾所周知的。由連接到接合焊盤206的底部的p+型材料形成的電氣互連線204也形成在壓力感測元件118的頂面126上。每個互連線204在兩個電阻之間提供電氣連接，以便使電阻相互連接以形成電阻惠斯通電橋電路。
[0008]4個互連線204示出在頂面126上。每個互連線204從位于四個電阻202中彼此相鄰的兩個電阻之間的點或節點205向外延伸，并且連接到金屬接合焊盤206的底部。每個接合焊盤206被認為是位于壓力感測元件118的頂面126的相應角落208中或臨近該角落。因此，每個互連線204終止在并且連接到接合焊盤206。
[0009]圖2還示出了頂面126上的定位基準210。基準210是視覺上可感知的符號或圖標，其功能是能夠簡單地使壓力感測元件118定位。
[0010]每個接合焊盤206都具有表示其用途的不同標簽或名稱。位于右下角的接合焊盤206和位于左上角的接合焊盤206接收惠斯通電橋電路的輸入或電源電壓。這兩個接合焊盤分別命名為Vp和\。其它兩個接合焊盤是輸出信號節點，分別命名為Sp和Sn。
[0011]利用玻璃熔塊124將壓力感測元件128連接到膜片114的現有技術壓力傳感器的眾所周知的問題是玻璃燒制過程之后玻璃熔塊中可能形成一個或多個氣孔。圖3A是現有技術的玻璃熔塊124的橫截面圖，該玻璃熔塊124中具有氣泡302并且直接位于壓力感測元件118下方。圖3B是圖3A中橫截面示出的結構的頂視圖。在圖3B中可以看到，面間氣孔302的位置可以偏離壓力感測元件118的中心。這里，壓力感測元件118與玻璃熔塊124之間的氣孔302的位置被認為是不對稱的。然而，氣孔僅僅位于一個電阻202下方。對圖3A和圖3B描述的結構的實驗測量和計算機模擬都顯示了氣孔302產生偏置電壓輸出，并且由于電阻上的不對稱熱應力，該偏置電壓輸出隨工作溫度范圍而變化。氣孔302導致電阻202-1至202-4中的一個產生形變，或者使所述電阻中的一個的值相對于其它電阻不對稱地變化，導致傳感器輸出在工作溫度范圍內的偏置電壓輸出變化。工作溫度內的偏置電壓輸出變化被稱為偏置電壓輸出的溫度系數(TCO)，并且定義如下
[0012]TCO= (Vo at 140 0C -Vo at-40°C )/180°C
[0013]其中，Vo at 140 °C:不施加壓力在140°C時的偏置電壓
[0014]Vo at_40°C:不施加壓力在_40°C時的偏置電壓
[0015]通常我們想要將TCO保持在_50uV / 1:到50uV / °C之間，從而ASIC能夠更好地
處理熱噪聲。
[0016]ASIC很難補償隨著溫度的高偏置電壓輸出變化(或TC0)。用于減少玻璃熔塊中具有氣孔的傳感器的TCO的設備將會是對現有技術的改進。
[0017]附圖簡要說明
[0018]圖1是現有技術的高壓傳感器的橫截面圖；
[0019]圖2是圖1中示出的傳感器中使用的壓阻式壓力感測元件的頂視圖；
[0020]圖3A是安裝用玻璃熔塊的橫截面圖，其具有氣孔并且支承壓阻式壓力感測元件；
[0021]圖3B是圖3A中所示結構的頂視圖；
[0022]圖4A是改進的高壓傳感器裝置的頂視圖，該高壓傳感器裝置在其頂面形成有凹槽；
[0023]圖4B是圖4A中所示結構的橫截面圖；
[0024]圖5A描繪了在玻璃熔塊中具有氣孔的現有技術的高壓傳感器；
[0025]圖5B描繪了在玻璃熔塊中具有氣孔的改進的高壓傳感器裝置，該改進的高壓傳感器裝置具有凹槽；
[0026]圖6不出了 TCO與室溫偏置電壓輸出之間的關系；以及
[0027]圖7示出了對于不同實施例每個電阻在室溫下的應力，以說明TCO如何被改進。
【具體實施方式】
[0028]圖4A是由單晶硅制成的、改進的壓力感測元件襯底400的頂視圖。圖4B是圖4A中所示結構的橫截面圖。
[0029]襯底400形成為具有在襯底400的頂面418中的凹槽402。凹槽402具有使人聯想到淺碟或淺盤的橫截面形狀。圓形中心區域406是平面或基本上是平面，并且其周界408通過由附圖標記410標識的傾斜面或傾斜部分進行限制。
[0030]傾斜部分410具有由半徑限定的光滑狀底端412。傾斜部分410的頂端414也是輻射狀的。傾斜部分410的底端412和頂端414的半徑是用于形成凹槽402的過程的人工產物(artifacts)。
[0031]凹槽402可通過濕蝕刻或干蝕刻形成。如圖4A和4B所示，傾斜部分410使得能夠基本上較簡單地摻入P+型互連線。P-型材料制成的、形成惠斯通電橋電路的4個電阻416-1至416-4摻入到凹槽402的表面406中。4個電阻中的兩個電阻416-1和416-3示出在圖4B的橫截面圖中。
[0032]P+型材料制成的互連線422形成在襯底400的頂面418中。每個互連線422在形成到襯底400的頂面418中的電阻(416-1至416-4)中的兩個電阻之間提供電連接，所述襯底400的頂面418包括傾斜部分410的表面和凹槽402的表面406。因此，這些電阻被電連接為前述惠斯通電橋拓撲結構。
[0033]4個互連線422示出在頂面418上。每個互連線422從它們與電阻接合處開始向外延伸，終止在金屬接合焊盤424的底部。每個接合焊盤424被認為是位于或臨近頂面418的相應角落426。頂面418上的基準428能夠簡單地使改進的壓力感測元件400定位。
[0034]對圖4A和4B中所示結構的計算機建模表明，凹槽402減小了傳感器的偏置電壓輸出以及偏置電壓輸出的溫度系數或“TC0”。將凹槽402中的襯底400變薄被認為是使形成到凹槽402的表面406中的壓敏電阻416-1至416-4上的熱致應力“均衡”或重新分布。通過更均勻地分布熱致應力，組成前述惠斯通電橋的4個電阻的值對稱地變化，以最小化面間氣孔引起的TC0。
[0035]電子領域中的普通技術人員已知惠斯通電橋電路具有兩個輸入節點和兩個輸出節點。傳遞函數，即輸出電壓與輸入電壓之比，可以如下面的方程式I所示的那樣來表示。
[0036]
【權利要求】
1.一種壓力傳感器，包括: 膜片，響應于流體的壓力； 由形成到具有對稱形狀的凹槽的硅壓力感測元件中的壓敏電阻組成的惠斯通電橋，所述惠斯通電橋接近所述凹槽的幾何中心；以及 玻璃熔塊，其將壓力感測元件連接到膜片。
2.權利要求1的壓力傳感器，其中，硅壓力感測元件具有面向膜片的第一面和背對膜片的第二面，所述對稱形狀的凹槽形成到壓力感測元件的第二面中。
3.權利要求2的壓力感測元件，其中，所述對稱形狀的凹槽被配置為重新分布壓力感測元件上的熱致應力。
4.權利要求2的壓力感測元件，其中，所述對稱形狀的凹槽是基本上圓形的。
5.權利要求2的壓力感測元件，其中，所述對稱形狀的凹槽是基本上正方形的。
6.權利要求1的壓力傳感器，其中，所述膜片是金屬的。
7.權利要求1的壓力傳感器，其中，所述對稱形狀的凹槽是基本上圓形的并且形成到具有傾斜表面的壓力感測元件的第一面中。
8.權利要求1的壓力傳感器，其中，所述對稱形狀的凹槽是基本上正方形的并且形成到具有傾斜表面的壓力感測元件的第一面中。
9.權利要求1的壓力傳感器，其中，所述硅壓力感測元件是單晶體。
10.權利要求1的壓力傳感器，其中，所述硅壓力感測元件是多晶硅。
11.權利要求1的壓力傳感器，其中，所述硅壓力感測元件是非晶硅。
12.權利要求1的壓力傳感器，其中，所述硅壓力感測元件具有在大約5微米到大約30微米之間的厚度。
13.權利要求1的壓力傳感器，其中，所述玻璃熔塊具有在大約30微米到大約100微米之間的厚度。
14.權利要求1的壓力傳感器，其中，所述凹槽具有在大約I微米到大約20微米之間的厚度。
15.權利要求1的壓力傳感器，其中，壓力傳感器被配置為感測從大約I兆帕(MPa)到大約350MPa的壓力范圍。
16.—種傳感器,其包括: 單個的包含硅的模具，所述模具具有幾何中心、外周、以及位于所述外周附近的焊盤； 布置在焊盤上的金屬電觸點組，這些金屬電觸點包括至少一個輸入觸點和至少一個輸出觸點； 相互連接以形成惠斯通電橋電路的壓敏電阻陣列，所述壓敏電阻陣列形成到模具中并且被配置為測量模具上的響應于流體壓力的應力；壓敏電阻圍繞模具的幾何中心對稱分布，所述壓敏電阻陣列排成隊列并且接近模具的幾何中心以分布壓敏電阻上的熱致應力； 連接到模具上的膜片；以及 形成到模具中的凹槽，所述凹槽具有與模具的幾何中心基本重合的幾何中心，惠斯通電橋電路位于凹槽的幾何中心附近，凹槽被配置為重新分布壓敏電阻上的熱致應力，使得壓敏電阻上的縱向和橫向熱致應力基本相等。
17.權利要求16的傳感器，其進一步包括電子電路，其可操作地耦合到布置在焊盤上的金屬電觸點組。
18.權利要求16的傳感器，其中，膜片是金屬的。
19.權利要求16的傳感器，其進一步包括將模具連接到膜片的玻璃熔塊。
20.權利要求18的傳感器，其進一步包括膜片的第一面上的氧化層，所述玻璃熔塊位于氧化層和模 具之間。
【文檔編號】G01L9/00GK103443605SQ201280010447
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2012年1月30日 優先權日:2011年2月25日
【發明者】J-H·A·邱, S-H·S·陳 申請人:大陸汽車系統公司