CN100456007C - 压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种压力传感器，用于检测压力并基于传感器芯片的压电电阻效应输出信号，该压力传感器包括：衬底，其在一侧上具有传感器芯片和在另一侧上具有凹入部分；传感器芯片中的压电电阻；基座，其附装到衬底并具有通孔以在薄部分上将压力引入到传感器芯片；和填充在凹入部分和通孔中用于保护传感器芯片的凝胶材料。通孔的直径对基座的厚度的比值基本上在1至3的范围内。

Description

压力传感器

技术领域

本发明一般地涉及压力传感器。

背景技术

传统上，利用半导体型膜片检测压力的压力传感器使用凝胶材料来保护基座部分中的压力引入部分。以下日本和美国专利文献JP-A-H4-370726、JP-A-H5-133827、JP-A-H11-201845和US 6,651,508中公开的压力传感器具有使用凝胶材料来保护基座的结构。上述公开中的压力传感器包括半导体膜片传感器芯片和玻璃等制成的基座，其中半导体膜片传感器芯片在传感器区域的一侧具有压电电阻元件而在背面侧上具有凹入部分，基座具有将凹入部分连接到传感器外部的通孔。

基座通过阳极接合连接到传感器芯片，并且传感器芯片的凹入部分填充凝胶材料来保护膜片传感器芯片的背面侧。

膜片传感器芯片检测从其中包含凝胶材料的通孔引入的压力。传感器芯片是所谓的“背面侧密封型膜片传感器芯片(reverse side sealed typediaphragm sensor chip)”。传感器芯片基于压电电阻效应输出与所施加压力成比例的信号。

传感器芯片需要保护是因为芯片被用于检测具有腐蚀效果的液体或气体的压力。凝胶材料被用于保护传感器芯片免受该液体或气体造成的腐蚀。

凝胶材料对于防止由通孔中冻结水的膨胀力所造成的膜片传感器芯片的断裂、变形等也很有效。

压力传感器用于检测柴油机等排出的排气压力。更具体而言，压力传感器检测DPF(柴油机微粒过滤器)或EGR(排气再循环)系统中或附近的排气压力。

但是，期待压力传感器可以在环境温度很宽地从0摄氏度到100摄氏度范围变化的车辆排气管等中工作。所以，通孔中的凝胶材料在例如-30度的温度下硬化，由此产生按压膜片背面侧的变形力。结果，传感器芯片的膜片部分变形而产生错误输出。就是说，传统类型的压力传感器不具有处理诸如极低温度等的情形的措施。

发明内容

考虑到上述和其他问题，本发明的目的是提供一种压力传感器，其从结构上可抵抗包括温度变化在内的环境变化。

本发明的压力传感器包括基座，其具有将外部连接到膜片的传感器部分背面侧的通孔。当通孔的直径足够大时，防止了由通孔中凝胶材料引起的膜片变形。就是说，即使当凝胶材料在极低温度下硬化时，足够大的通孔中的凝胶材料被允许在与膜片相反的方向上膨胀。所以，从结构上防止了膜片在背面侧上的变形。

在根据本发明公开的的压力传感器中，研究了通孔的直径L对基座的厚度T的比值。就是说，实验确定的比值L/T已经证明在膜片相反侧上防止凝胶材料在极低温度下变形方面是有效的。

在本发明的压力传感器中，比值L/T被确定为基本上在1和3之间的值，因为当通孔相对于基座厚度具有大的直径时，在结构上限制了在极低温度下通孔中的凝胶材料向着膜片的变形。就是说，当通孔在轴向上较扁平时，防止了由硬化的凝胶材料引起的膜片变形。

在本发明的另一个方面中，传感器芯片的基座中的通孔直径比凹入部分在传感器芯片的背面侧上的直径小。这样，因为有充足的面积用于将传感器芯片附装到基座上，传感器芯片以稳定的方式附装到基座上。

在本发明的又一个方面中，传感器芯片的基座布置在壳体上，该壳体具有连接到基座的通孔的另一个通孔，凝胶材料都通过两个通孔进行填充，并且另一个通孔在基座侧上的直径大于基座中通孔的直径。这样，测量目标的压力被引入到传感器芯片的膜片部分，并且传感器芯片由凝胶材料保护，其中在较低温度状况下凝胶材料的应力被正确转移而不会施加到膜片上。

在本发明的又一个方面中，壳体中的另一个通孔采用喇叭形状，其孔直径向着壳体的外部扩大。这样，来自孔中凝胶材料的应力从膜片被正确转移，因为凝胶材料的移动在膜片的相反方向上被引导。此外，即使在低温下凝胶材料也可以容易捕集壳体外部的测量目标的压力，因为喇叭形状朝向壳体外部扩大。

附图说明

从结合附图所做的以下详细说明，本发明的其他目的、特征和优点将变得更清楚，附图中：

图1示出了本发明实施例中的压力传感器的剖视图；

图2示出了在该实施例的压力传感器上形成的桥接电路的示意图；

图3示出了比值L/T和传感器特性变化之间的关系图；

图4示出了该实施例的第一改进的剖视图；和

图5示出了该实施例的第二改进的剖视图。

具体实施方式

将参照附图说明本发明的实施例。在每个实施例中相似部件具有相似标号。

本实施例的压力传感器100用于例如测量诸如柴油机排气管中排气等的测量目标的压力，来确定DPF(柴油机微粒过滤器)、管道中液体等的压差。

图1示出了本实施例中压力传感器100的剖视图。压力传感器100包括半导体膜片型传感器芯片10、具有从外部引入压力的通孔21的基座20、和填充在通孔21中的凝胶材料30。

传感器芯片10是诸如硅半导体衬底等的半导体衬底，并且具有上侧11和背面侧12，背面侧12上具有使用化学刻蚀方法等形成的凹入部分13。在传感器芯片10的上侧11上的薄部分形成为膜片14。

传感器芯片10的上侧11上的膜片14具有形成为扩散电阻等的压电电阻15。传感器芯片10的上侧11上的压电电阻15形成如图2所示的桥接电路。就是说，本实施例的传感器芯片10使用压电电阻15来用作半导体膜片型传感器芯片。

传感器芯片10基于压电电阻效应(压电电阻率)输出与施加到芯片10的压力成比例的信号。

更具体而言，传感器芯片10基于承受压力的膜片14的变形而输出该信号，而膜片14的变形通过膜片14上形成的桥接电路转换成与压力成比例的信号。

在背面侧12上在环绕膜片14的厚部分16，传感器芯片10处固定到基座20上。传感器芯片10的基座20由玻璃制成，并且基座20通过阳极接合附装到传感器芯片10。

基座20的通孔21将基座20的传感器芯片侧与另一侧相连接。基座20的通孔21一般为具有圆形横截面的直孔。

传感器芯片10使基座20的通孔21从背面侧12与膜片14相对。就是说，基座20的通孔21将压力从传感器芯片10的外部引入到传感器芯片10的凹入部分13中的膜片14。

结果，通孔21的直径L和基座20的厚度T具有1至3之间的比值。就是说，L和T之间的关系由不等式1＜L/T＜3表示。

此外，通孔21在传感器芯片侧上的开口21a大于凹入部分13的开口。就是说，开口21a的直径大于凹入部分13的直径。这样，基座20的台肩部分22从传感器芯片10的凹入部分13的开口的边缘突出，如图1所示。

通孔21通过超声波切割法、喷砂切割法等打孔。

基座20例如是与传感器芯片10的方形形状相对应形状的方形平板。通孔21的直径L例如在约0.8mm至2.1mm的范围中，并且基座20的厚度T在约0.7mm至2.1dmm的范围中，并使得L/T的比值在1至3的范围内。

传感器芯片10上的压电电阻15布置在膜片14变形量大的部分上以获得提高的灵敏度。就是说，压电电阻15布置在膜片14的附近。此外，压电电阻15定位在基座20的通孔21的传感器芯片侧上的开口21a中。

传感器芯片10的凹入部分13和基座20的通孔21填充凝胶材料30。传感器芯片10的膜片14被凝胶材料30密封和保护。

凝胶材料30例如是由硅胶、氟胶和氟硅胶制成的凝胶状态材料。凝胶材料30注入到通孔21中并在通孔21中部分硬化以进行密封。

压力传感器100即传感器芯片10的膜片14的背面侧12被凝胶材料30保护免受诸如柴油机排气的腐蚀性气体或液体的腐蚀。

本发明的压力传感器100包括用于安装到车辆排气系统的壳体40。壳体40具有与外部电路电连接的端子(图中未示出)。

壳体40例如由诸如PBT(Polybutylene Terephthalte，聚对苯二甲酸丁二醇酯)、PPS(Polyphenylene Sulfide，聚苯硫醚)等的树脂制成。插入模制在壳体40上的端子例如由铜、42合金(铁镍合金)等制成。

基座20上的传感器芯片10通过粘合剂50固定到壳体40上。粘合剂50例如是树脂型粘合剂，如硅粘合剂、氟硅粘合剂等。

壳体40上的端子和传感器芯片10例如通过由金、铝等制成的结合线(图中未示出)电连接。所以，传感器10和外部电路/部件电连接。

基座20在传感器芯片10的相反侧上固定到壳体40。壳体40具有用于将压力从壳体40外部引入的孔41。孔41和通孔21连接到彼此并且填充凝胶材料30。

壳体40上的孔41例如是圆孔形状。孔41在通孔侧上的直径L1大于通孔21的直径L。

此外，孔41的直径向着壳体40的相反侧增大。就是说，壳体40上的孔41向着压力检测侧具有喇叭形状。

具有传感器芯片10(其包括压电电阻15和其他布置在其上的部件)的压力传感器100使用诸如CVD(化学气相沉积)法、溅射法、各向异性刻蚀等公知半导体制造方法来制造。

通过利用凝胶材料30(其密封传感器芯片10的背面侧12，即膜片14的背面侧12)的媒介作用，压力传感器100将压力从壳体40的孔41向着基座20的通孔21引入来检测测量目标的压力。传感器芯片10基于压电电阻效应输出其值与施加到传感器芯片上的压力成比例的信号。此信号从通过导线结合连接到芯片10的端子(图中未示出)输出。

以上述方式构造的压力传感器100被用于检测例如柴油机排放系统中的压差。就是说，压力可以从传感器芯片侧(上侧11)和背面侧12两者施加到传感器100，以使得传感器100的薄部分(膜片14)变形。薄部分的变形被转换为压力信号，该压力信号由芯片10上形成的压电电阻15通过端子输出到外部电路等。

图2示出了本实施例的压力传感器100上形成的桥接电路的示意图。如图2所示，压电电阻15a、15b、15c、15d被用于形成惠斯顿桥接电路来进行压力检测。就是说，当直流输入电压V作用在端子Ia和Ib之间时，响应于在施加到其上的压力作用下变形的电阻15a、15b、15c、15d的压电电阻效应，施加到传感器芯片10的压力被检测为端子Pa和Pb之间的输出电压Vout。所施加的压力被转换为成比例的输出信号。

本实施例的压力传感器100被用于检测极限条件下的压力。就是说，环境温度可在较宽范围(例如0摄氏度至100摄氏度之间的范围等)中变化。

即使在约-30摄氏度的温度下，在极限条件下使用的压力传感器100也可按以下方式构造来正确消除(防止/抑制)环境效应。就是说，基座20中的通孔21的直径L与基座20的厚度T的比值在1和3之间。

图3示出了得自实验的比值L/T和传感器特性变化之间关系图。如图3所示，基于通孔21的直径L从0.8变化到2.0(mm)的示例，在凝胶填充过程之前和之后补偿电压(TCO)变化(％FS(满标度))的温度特性对比值L/T的关系曲线在约1.5％FS的阈值之下。在此情况下，在填充过程之前和之后的TCO变化表示在凝胶填充之前和之后在-30摄氏度下测量的传感器特性的差。更具体而言，以如下方式确定TCO变化的值。就是说，例如作为传感器芯片10的输出电压Vout，在室温和-30摄氏度下测得凝胶填充之前的传感器特性。还在室温和-30摄氏度下在凝胶填充之后测得输出电压Vout。当在凝胶填充之前在室温和-30摄氏度下的Vout值的差为a％，并且在凝胶填充之后的Vout值的差为(a+b)％时，b％的值对应于图3所示图中由凝胶填充产生的TCO变化的曲线。

基于以下考虑确定比值L/T的范围。就是说，当比值L/T在值1之下时TCO变化通常高于1.5％FS。当比值L/T在值1和3之间时，比值L/T在1.5％FS之下。所以，比值L/T的值由于实践限制而被选择为约在1和3之间。

换言之，在实际使用中，基座20具有直径为L的通孔21并且厚度T使得比值L/T在值1之下，该基座20因为通孔21的较窄形状而不能适当地用作从凝胶材料解除应力的介质。此外，就基座20的稳定性以及传感器芯片10在结合处理中的翘曲而言，基座20的厚度T需要大于值0.7(mm)，并且就结合到传感器芯片10的结合面积和基座20的机械强度而言，通孔21的直径L需要小于值2.1(mm)。就是说，作为比值L/T范围的上端值3基本上确定为通孔21的直径L的最大值2.1除以基座20的厚度T的最小值0.7。

此外，就从凝胶材料30解除应力而言，传感器芯片10布置在凹入部分13(其直径大于基座20中的通孔21在传感器芯片侧上的直径)的相反侧上是有利的。就是说，以此方式，传感器芯片10在凹入部分13周围的厚部分16整个地附装到基座20以实现传感器芯片10和基座20的组合结构有充足的结合强度和机械强度。此外，当结合/机械强度以图4所示的其他方式确保时，传感器芯片10可以具有凹入部分13，其直径小于通孔21在芯片侧上开口21a的直径。

此外，壳体40上的孔41具有比通孔21的直径大的直径(图1中L1＞L)。这样，在低温下硬化的通孔21和孔41中的凝胶材料的扩大体积被引导向孔41的压力检测侧(即相对于传感器芯片侧的相反方向)。就在传感器芯片10的背面侧12上在低温下从凝胶材料30解除应力而言，此结构是有利的。

此外，孔41在压力检测侧上具有更大直径(图1中L2＞L1)。这样，孔41容易在壳体40中打孔，并且对从凝胶材料30解除应力在结构上有利，因为在孔41中填充了增大量/区域的凝胶材料30来防水等。

图5示出了本实施例压力传感器100的第二改进。在此情况下，孔41的侧壁具有台阶形状而非锥形。此结构就在低温下从凝胶材料30解除应力而言也是有利的。

此外，管40b可以安装在由树脂制成的壳体40的孔41中。就是说，在图5所示的情况下孔41的一部分由管40b覆盖。管40b例如可以由陶瓷材料制成，如富铝红柱石、氧化铝等，或者可以由金属制成，如42合金等。管40b例如通过插入模制或者压配合固定到孔41中。管40b固定在孔41的通孔侧上。管40b的内径在图5中表示为直径L1。

此外，就在低温下从凝胶材料30解除应力而言，压电电阻15的位置在玻璃基座20中的通孔21的开口21a(其在传感器芯片10的背面侧12上)的突出区域内是有利的，因为与容纳在基座20的台肩部分22和凹入部分13的侧壁之间的凝胶材料30的应力相比，在突出区域内的凝胶材料30的应力更容易向着压力检测侧解除。

虽然已经参照附图结合本发明的优选实施例对本发明进行了说明，但是应注意到对本领域技术人员而言各种变化和改进都将变得明显。

例如，基座20可以由不同于玻璃的材料制成。就是说，基座20可以由硅、陶瓷、金属(例如42合金)等制成。换言之，具有与传感器芯片10的硅相似的线性膨胀系数的材料都可以用来形成基座20，只要该材料能够承受在排气等影响下的环境就可以。

此外，凝胶材料30可以由不同于上述材料的材料制成，只要该材料能够保护传感器芯片10并且能够传递测量目标的压力就可以。

此外，壳体40中的孔41可以采用不同于上述形状的形状。就是说，孔41可以具有弯曲侧壁而非锥形侧壁，或者可以具有直的侧壁。

此外，压力传感器100可以通过仅使用基座20直接布置在目标系统例如车辆中的排气系统上，而非通过使用壳体40来布置。

此外，压力传感器100可以通过使用例如在传感器芯片100的两侧上的凝胶材料30等来保护。这样，可以有效地保护通过将压力引入到传感器芯片10两侧上来检测DPF(柴油机微粒过滤器)压差的压力传感器100。

此外，上述实施例中的压力传感器100可以用于相对于真空或者传感器芯片10上的基准压力来检测引入到膜片14的背面侧12的绝对压力，而非检测压差。

此外，压力传感器100可以用于检测到发动机的进气压力、各种容器的室压、或者各种空间的压力。

这些变化和改进应当理解为在所附权利要求限定的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种压力传感器，其用于检测压力并基于传感器芯片的压电电阻效应而输出信号，所述压力传感器包括：

衬底，其在一侧上具有所述传感器芯片和在另一侧上具有凹入部分，其中所述传感器芯片被布置在所述衬底的所述一侧上的区域是对应于所述凹入部分在所述衬底的所述另一侧上的区域，以形成薄部分；

位于所述传感器芯片中的压电电阻，其用于输出成比例地表示所施加压力的传感器信号；

基座，其被附装到所述衬底上并具有通孔，所述通孔使得引入到传感器芯片上的压力作用在所述薄部分上；和

凝胶材料，其被填充在所述凹入部分和所述通孔中，用于保护所述传感器芯片，其特征在于：

由玻璃制成的所述基座是通过阳极接合被附装到所述衬底上，并且

所述通孔的直径与所述基座的厚度的比值是在1至3的范围内。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：

所述通孔在传感器芯片侧上的开口的直径小于所述凹入部分的直径。

3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于还包括：

壳体，其被布置在所述基座上并具有将压力引入到所述通孔的窗口，

其中所述壳体被附装到所述基座相对于所述传感器芯片的相反侧上，

大量凝胶材料作为一个整体填充着所述窗口和通孔，并且

所述通孔的壳体侧直径小于所述窗口的基座侧直径。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于：

孔状的所述窗口在压力检测侧上的直径大于在基座侧上的直径。

5.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于：

所述窗口的内周由固定到其上的封盖所完全覆盖，并且

上述大量凝胶材料完全填满所述窗口中的空间，同时在所述窗口内周上的封盖被上述大量凝胶材料所密封。

6.一种压力传感器，其用于检测压力并基于传感器芯片的压电电阻效应而输出信号，所述压力传感器包括：

衬底，其在一侧上具有所述传感器芯片和在另一侧上具有凹入部分，其中所述传感器芯片被布置在所述衬底的所述一侧上的区域是对应于所述凹入部分在所述衬底的所述另一侧上的区域，以形成薄部分；

位于所述传感器芯片中的压电电阻，其用于输出成比例地表示所施加压力的传感器信号；

基座，其被附装到所述衬底上并具有通孔，所述通孔使得引入到传感器芯片上的压力作用在所述薄部分上；和

凝胶材料，其被填充在所述凹入部分和所述通孔中，用于保护所述传感器芯片，其特征在于：

其中所述基座由陶瓷材料制成，并通过共价结合被附装到所述衬底上，并且

所述通孔的直径对所述基座的厚度的比值是在1至3的范围内。

7.根据权利要求6所述的压力传感器，其特征在于：

所述通孔在传感器芯片侧上的开口的直径小于所述凹入部分的直径。

8.根据权利要求6或7所述的压力传感器，其特征在于还包括：

壳体，其被布置在所述基座上且具有将压力引入到所述通孔的窗口，

其中所述壳体被附装到所述基座相对于所述传感器芯片的相反侧上，

大量凝胶材料作为一个整体填充着所述窗口和通孔，并且

所述通孔的壳体侧直径小于所述窗口的基座侧直径。

9.根据权利要求8所述的压力传感器，其特征在于：

孔状的所述窗口在压力检测侧上的直径大于在基座侧上的直径。

10.根据权利要求9所述的压力传感器，其特征在于：

所述窗口的内周由固定到其上的封盖所完全覆盖，并且

上述大量凝胶材料完全填满所述窗口中的空间，同时在所述窗口内周上的封盖被上述大量凝胶材料所密封。

Images