CN101120237A - 表面声波传感器方法和系统 - Google Patents
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Abstract
这里公开了传感器系统和方法，其包括传感器芯片，在该传感器芯片上至少两个表面声波(SAW)感测元件中心定位在传感器芯片的第一侧(例如，前侧)。SAW感测元件占据传感器芯片第一侧上的共用区。被蚀刻的隔膜中心定位在与和该两个SAW感测元件相关联的第一侧相对的传感器的第二侧(即，后侧)，以便将传感器系统或传感器装置的机械应变集中在被蚀刻的隔膜中，从而提供高强度，高灵敏度以及其制造的容易度。
Description
技术领域
实施例大体上涉及感测方法和系统。实施例还涉及微加工的感测装置。实施例另外还涉及表面声波(SAW)装置和传感器。实施例另外涉及扭矩、压力和/或温度传感器。
背景技术
表面声波传感器可以被用在多种感测应用中，例如用在扭矩、压力和/或温度探测中。这些传感器可以例如通过将表面声波(SAW)装置定位在诸如石英的压电材料内的被蚀刻的隔膜上来实施。然而到目前为止，技术障碍妨碍了这种装置被有效地实施。当前，存在一种很强的在恶劣的环境中或与旋转部件相关联利用扭矩、压力和/或温度传感器的需求。
对于实施压力感测装置已经作出了很多尝试。然而，许多问题与传统的传感器应用有关。例如，在SAW传感器中，机械应变既影响了传播路径，也影响了波速。因此，频率和/或相位的改变与该应变相关联。在传统的SAW扭矩传感器设计中，例如，以扭矩传感器配置实施一个或两个SAW芯片。然而，这种装置的使用导致了增加生产成本，芯片尺寸较大，并且很难微加工。因此，现有的设计需要大基板和电路尺寸，以及在生产期间昂贵的校准处理。
因此，存在对于改善的SAW传感器应用的需要，特别是涉及扭矩、压力和/或温度感测的那些应用。应该相信的是，如这里公开的微加工方法可以克服传统感测系统固有的上述问题。
发明内容
本发明的下述概述被提供来辅助理解一些本发明独特的创新特征，并且不打算成为一个完整的描述。完整地理解本发明的各个方面可以通过将整个说明书、权利要求、附图和摘要作为一个整体而获得。
因此，本发明的一个方面是提供改善的基于传感器的系统和方法。
本发明的另一个方面是提供改善的基于SAW传感器的系统和方法。
本发明的又一个方面是提供改善的基于石英SAW传感器的系统和方法。
本发明的上述方面以及其它目的和优点可以根据这里所描述的来获得。这里公开了传感器系统和方法，其包括传感器芯片，在该传感器芯片上，至少两个表面声波(SAW)感测元件中心定位在传感器芯片的第一侧(例如，前侧)。SAW感测元件占据传感器芯片第一侧上的共用区。被蚀刻的隔膜中心定位在与和该两个SAW感测元件相关联的第一侧相对的传感器芯片的第二侧(即，后侧)，以便将传感器系统或传感器装置的机械应变集中在被蚀刻的隔膜中，从而提供高强度，高灵敏度以及其制造的容易度。
传感器芯片可以由驱杂石英(swept quartz)配置，而SAW感测元件由交叉指型变换器(IDT)构成。取决于设计考虑，该传感器芯片可以设置成延迟线配置或谐振器配置。隔膜可以利用湿法或干法蚀刻剂或者机械蚀刻方法进行蚀刻。注意，与传感器芯片相关联的频率、相位或幅度的改变与机械应变相关。
附图说明
附图进一步说明了本发明，并且与本发明的详细说明一起用于解释本发明的原理，其中，附图中相似的附图标记指的是贯穿各个视图的相同的或功能相似的元件，并且附图被引入并形成说明书的一部分。
图1显示了可以根据优选实施例实施的SAW扭矩传感器系统的方框图；
图2显示了可以根据替换实施例实施的SAW扭矩传感器系统的方框图；
图3A显示了可以根据一个实施例实施的SAW扭矩传感器封装系统的顶视图；
图3B显示了根据实施例的图3A的系统的侧视图；
图4显示了可以根据优选实施例实施的被蚀刻的扭矩传感器系统的方框图；
图5显示了可以根据另一个实施例实施的SAW传感器系统的方框图；以及
图6显示了可以根据优选实施例实施的被蚀刻的传感器系统的方框图。
具体实施方式
这些非限制性实例中讨论的特定值和配置可以进行改变，并且仅为了说明本发明的实施例进行引用，并不打算限制本发明的范围。
这里公开的实施例大体上描述了一种用于扭矩、压力和/或温度感测的蚀刻的石英隔膜的机械设计的方法，以及用于深石英蚀刻，直接石英到石英封装以及伸出到石英罩(cage)外的金属连接的一般技术。基于多个SAW谐振器的实施方式，这些概念可以应用于感测配置。
两个SAW谐振器或者SAW延迟线可以至少部分地位于感测隔膜上。SAW谐振器或SAW延迟线应该彼此垂直定位，以形成用于扭矩应变测量的半桥。
在为扭矩、压力和/或温度测量设计和加工无线和/或无源石英基SAW传感器之前，应该执行对隔膜的应变状况的机械仿真，以便确保在扭矩、压力和/或温度操作的整个范围期间可以实现石英SAW传感器的可靠和弹性的特性。
取决于待测量的扭矩范围，在扭矩下偏转的石英隔膜或者可以由通过另一个用于封装以及过扭矩止动的石英晶片被支撑在边缘的更薄的石英晶片(即，不具有任何被蚀刻的区域)来配置，或者通过选择性地蚀刻石英以便获得被蚀刻的石英扭矩感测隔膜来配置。对于较小的扭矩测量可以配置通过湿法、干法或者机械石英蚀刻实现的石英隔膜。
通常，增加SAW传感器操作的频率可以确定很大地减小SAW装置的尺寸，同时可以容易地实现用于保持操作在免许可(license-free)频带的频率带宽限制。SAW过滤器的标准技术还可以用于限定交叉指型变换(IDT)域。由于直接的石英结合技术需要非常平的表面，因此优选的是采用金属离子注入作为制作全石英(all-quartz)封装内部到结合焊盘外部的导电路径的方法。钛代表一种类型的优选金属，根据自适应电路到传感器天线的需要，钛注入的能量和剂量由设计的导电路径的电阻率确定。
选择用于封装和密封SAW装置的材料可能对温度依赖特性，长期稳定性，滞后现象以及频率漂移具有极大的影响，因为在SAW设备所定位的石英基板表面处的任何热应力可以改变操作频率。因此，SAW传感器的封装是一个关键工艺。为了避免由于热膨胀系数失配导致的热应力，在直接石英到石英晶片结合工艺的情况下，可以按照下述实施真正的全石英封装(TAQP)技术：
1、原始样品石英晶片的微观粗糙度评估(AFM：RMS＜1.3nm)；
2、经过处理的石英盖(晶片级)和石英SAW基板(晶片级)的微观粗糙度评估(AFM：RMS＜1.3nm)；
3、在煮沸的、浓缩的HNO3中对石英盖和石英SAW基板进行亲水化处理30-50分钟(即，通常在该处理后，RMS减小)；
4、在DI水中漂洗，随后干燥；
5、在兆频超声波RCA1溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)中清洗10分钟，随后由HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶6清洗10分钟；
6、干燥石英盖和石英SAW基板；
7、直接接触并对准盖和SAW基板；
8、在N2中在温度T＜450℃热退火1小时(即，温度应该以大约10℃/分钟斜升和斜降)；以及
9、结合控制，其中借助于50nm薄刀片采用“裂口(crackopening)”方法。
在大扭矩测量的情况下，对于假定的50MPa的石英强度值，通常不必利用被蚀刻的石英隔膜。在这种状况下，“启动”石英晶片可以被作为整体采用，以便基于隔膜的感测原理在对中等和低扭矩操作的TAQP处理的情况下实施。
图1显示了可以根据优选的实施例实施的SAW扭矩传感器系统100的方框图。注意在图1中，侧视图101和顶视图103显示了系统100的变化的视图。通常，系统100包括石英传感器基板102，X-SAW谐振器104和Y-SAW谐振器106定位在其上。X和Y SAW谐振器104和106定位在基板102上，以便它们拥有相反的信号极性。这种配置允许系统100测量压应变和拉应变的幅度。因此，扭矩的方向和幅度可以容易地利用系统100进行测量。注意，在侧视图101中，结合位置108和110被显示为最接近基板102。
图2显示了可以根据替换实施例实施的SAW扭矩传感器系统200的方框图。系统200描绘了系统200的侧视图201和顶视图203。通常，基板202可以与结合位置208和210相关联地来提供。微加工的腔212可以由基板202配置。此外，参考SAW谐振器218和温度SAW谐振器214可以配置在基板202上，或由基板202配置。此外，扭矩SAW谐振器216可以配置在定位于腔212之上的区217内的基板202上。
谐振器216定位在基板202中的薄部分213上，以便扭矩信号由于区域213中增加的应变而被最大化。温度SAW谐振器214被定位，以便它仅受温度的影响。参考SAW谐振器218定位在基板202上，以便它不受扭矩的影响并且可以用作对于温度的参考谐振器。为了获得增加的准确的扭矩或压力读数，需要温度信息。在不具有专用温度传感器的配置中(例如，见图4和5)，温度信息可以通过利用一个在压应变下且另一个在拉应变下的半桥配置来获得。于是，产生的两个频率可以混合在一起以产生差或和。该差将是扭矩，该和将是温度。
图3A显示了可以根据一个实施例实施的SAW扭矩传感器封装系统300的顶视图。相似的，图3B显示了根据实施例的系统300的侧视图。系统300通常包括定位在SAW基板303上的参考SAW谐振器308和温度SAW谐振器312。扭矩SAW谐振器310可以以与上面参考图2的配置描述的相似的方式定位在基板303上。天线接触或输出引脚302和引脚304穿过环绕谐振器308，310和312的壁330从系统300伸出。
腔334可以由封装基座322配置，并且用作应变集中器。焊接和/或粘合剂325和327可以配置成围绕安装用法兰(未显示在图3A-3B中)。气密密封326和328也可以提供在封装壁330和盖324上。相似的封装壁330也与盖324相关联地来实施。SAW基板303还被配置成包括腔313，该腔定位在基板303的薄区域311下面。此外，结合位置330和332定位在基板303下面，以便将基板303紧固于基座322。
通过利用分别定位在SAW传感器基板303和封装基座302中的腔313和334，系统300的封装被设计成最大化扭矩SAW谐振器310中的应变。利用高强度不锈钢(例如，17-7PH，Hastalloy，EN56等)用于基座322，以及利用更柔性的不锈钢用于由壁330形成的封装壁，可以形成这种封装或系统300。玻璃到金属密封(GTMS)306还可以由形成封装壁330的柔性不锈钢材料形成。这种GTMS可以定位在保持GTMS可靠性的较低应变区中。
通常，对于这里描述的用于扭矩测量的SAW装置，多个处理步骤可以用于SAW石英晶片制造。这些处理步骤的一个实例提供如下：
1、原始样品双面化学抛光的石英SAW晶片的微观粗糙度评估；
2、晶片清洗；
3、沉积用作下一步中的抗蚀剂掩模的薄金属层；
4、用于沟道间隙形成的光刻处理，该沟道间隙形成是从SAW表面传递到外部连接的金属路径所需要的；
5、沟道间隙的RIE蚀刻；
6、金属去除；
7、晶片清洗；
8、沉积用作钛注入的抗蚀剂掩模的薄膜层；
9、对于钛注入的光刻处理；
10、用于掩埋导电路径形成的钛注入；
11、沉积用于SAW电极形成和外部接触的金属层；
12、对于金属图案化的光刻处理；
13、金属蚀刻；
14、晶片清洗；
15、在煮沸的、浓缩的HNO3中对石英SAW晶片进行亲水化处理30-50分钟；
16、在DI水中漂洗，随后干燥；
17、在兆频超声波RCA1溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)中清洗10分钟，随后由HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶6清洗10分钟；以及
18、干燥。
一完成上述处理步骤，就可以在另一个石英晶片上实施一组相似的处理步骤以形成石英基座板。当两个石英晶片准备好直接结合时，可以进行晶片切割和芯片组装，如下所示：
1、接触并对准石英SAW晶片和石英基座板；
2、在N2中在温度T＜450℃热退火1小时，其中该温度应该以大约10℃/分钟斜升和斜降；
3、结合控制，其中借助于50mm刀片采用“裂口”方法。
4、部分晶片切割(即，厚度与石英SAW晶片的厚度相等的切口，并且仅在一个方向上)；
5、在AQP微结构的芯片间空间上整个厚度地切割结合的晶片；
6、在封装基座板上利用特殊树脂进行的芯片结合；
7、为两个芯片的金属接触分配导电树脂；
8、线结合；
9、分配保护树脂；以及
10、封盖和焊接。
以相似的方式，可以描述用于其它AQP SAW传感器的制造解决方案的技术。例如，石英晶片可以通过湿法、干法或者机械蚀刻进行蚀刻。在“全石英”传感器封装中，到天线的电极连接可以借助“直通晶片”的连接实施。在“直通晶片”的设计中，“直通”孔可以通过激光、超声或湿法蚀刻进行穿孔。
在SAW传感器中，机械应变既影响传播路径长度，还影响波速。频率和/或相位的改变与该应变相关。因此，图2-4的配置显示了变化的实施例，其中机械应变集中在诸如隔膜的单个部件中，以便促进增加传感器灵敏度，同时提供容易的制造以及允许在选择隔膜直径上的设计的更多选择。
图4显示了可以根据一个实施例实施的SAW传感器系统400的方框图。系统400大体上包括轴401，两个SAW芯片402和404定位在其上。SAW芯片402包括隔膜406，该隔膜在SAW芯片402的后侧被蚀刻。相似的，SAW芯片404包括隔膜408，该隔膜在SAW芯片402的后侧被蚀刻。蚀刻从SAW芯片402和404的后侧执行，以便提供较高的芯片强度，并且将这些芯片的机械应变集中在被蚀刻的隔膜408中。
图5显示了可以根据另一个实施例实施的SAW传感器系统500的方框图。系统500大体上包括两个SAW传感器504和506。隔膜508在SAW传感器504的后侧被蚀刻，而隔膜510在SAW传感器506的后侧被蚀刻。两个SAW芯片504和506定位在相同的基板502内。
图6显示了可以根据优选实施例实施的蚀刻传感器系统601的方框图。系统601大体上包括传感器芯片600，在该传感器芯片上至少两个表面声波(SAW)感测元件610和612中心定位在传感器芯片600的第一侧(例如，前侧)。SAW感测元件610，612占据该传感器芯片的第一侧的共用区。被蚀刻的隔膜606中心定位在与两个SAW感测元件610，608相对的传感器芯片600的第二侧(即，后侧)，以便将传感器系统601或者传感器装置的机械应变集中在被蚀刻的隔膜606中，从而提供高强度，高灵敏度以及其制造的容易度。
传感器芯片600可以由驱杂石英配置，而SAW感测元件610，612可以由交叉指型变换器(IDT)构成。取决于设计考虑，传感器芯片600可以布置成延迟线配置或者谐振器配置。隔膜606可以利用湿法、干法或机械蚀刻进行蚀刻。注意，与传感器芯片600相关联的频率或相位的改变与机械应变相关。可以提供多个反射器，以便例如反射器614，616，618与SAW感测元件610相关联。相似的，反射器620，622，624与SAW感测元件612相关联。
因此，SAW芯片(例如，延迟线或谐振器)的IDT定位在SAW芯片600的一侧，而从芯片600的另一侧完成蚀刻。蚀刻剂可以是干的或湿的，这取决于制造要求。由于增加的机械强度以及更好的蚀刻表面特征，驱杂石英是优选的。系统600可以用作扭矩传感器。
可以理解的是，这里所教导的各种其它替换、修改，改变、改善、等同物或基本等同物，例如是或者可能是目前未预见的，不被欣赏的，或者是随后由申请人或者其他人所得出的，也都打算由权利要求及其修改所包括。
Claims (23)
1.一种传感器系统，包含：
传感器芯片；
至少两个表面声波(SAW)感测元件，其中心定位在所述传感器芯片的第一侧，其中所述至少两个SAW感测元件占据所述传感器芯片的所述第一侧上的共用区；
被蚀刻的隔膜，其中心定位在与和所述至少两个SAW感测元件相关联的所述第一侧相对的所述传感器芯片的第二侧，以便将机械应变集中在所述被蚀刻的隔膜中，从而提供高强度，高灵敏度以及其制造的容易度。
2.权利要求1的系统，其中所述传感器芯片包含驱杂石英。
3.权利要求1的系统，其中所述至少两个SAW感测元件包含其交叉指型变换器。
4.权利要求1的系统，其中所述传感器芯片包含延迟线配置。
5.权利要求1的系统，其中所述传感器芯片包含谐振器配置。
6.权利要求1的系统，其中所述被蚀刻的隔膜利用湿法蚀刻剂进行蚀刻。
7.权利要求1的系统，其中所述被蚀刻的隔膜利用干法蚀刻剂进行蚀刻。
8.权利要求1的系统，其中所述被蚀刻的隔膜被机械地蚀刻。
9.权利要求1的系统，其中与所述传感器芯片相关联的频率的改变与所述机械应变相关。
10.权利要求1的系统，其中与所述传感器芯片相关联的相位的改变与所述机械应变相关。
11.权利要求1的系统，其中与所述传感器芯片相关联的延迟时间的改变与所述机械应变相关。
12.权利要求1的系统，其中所述至少两个SAW感测元件包含第一SAW传感器和第二SAW传感器。
13.权利要求12的系统，还包含在所述传感器芯片的所述第一侧上的与所述第一SAW传感器相关联的第一组反射器以及与所述第二SAW传感器相关联的第二组反射器。
14.一种传感器系统，包含：
传感器芯片，其中所述传感器芯片包含驱杂石英；
至少两个表面声波(SAW)感测元件，其中心定位在所述传感器芯片的第一侧，其中所述至少两个SAW感测元件包含其交叉指型变换器并且占据在所述传感器芯片的所述第一侧上的共用区；
被蚀刻的隔膜，其中心定位在与和所述至少两个SAW感测元件相关联的所述第一侧相对的所述传感器芯片的第二侧，以便将机械应变集中在所述被蚀刻的隔膜中，从而提供高强度，高灵敏度以及其制造的容易度。
这里所述第一组反射器与所述第二组反射器相对地延伸。
15.权利要求14的系统，其中所述传感器芯片包含延迟线配置。
16.权利要求14的系统，其中所述传感器芯片包含谐振器配置。
17.一种传感器方法，包含以下步骤：
提供包含驱杂石英的传感器芯片；
定位至少两个表面声波(SAW)感测元件，其中心定位在所述传感器芯片的第一侧，其中所述至少两个SAW感测元件占据所述传感器芯片的所述第一侧上的共用区，并且其中所述至少两个SAW感测元件包含其交叉指型变换器；
在与和所述至少两个SAW感测元件相关联的所述第一侧相对的所述传感器芯片的第二侧上在中心蚀刻隔膜，以便将机械应变集中在所述被蚀刻的隔膜中，从而提供高强度，高灵敏度以及其制造的容易度。
18.权利要求17的方法，还包含以延迟线配置布置所述传感器芯片的步骤。
19.权利要求17的方法，还包含以谐振器配置布置所述传感器芯片的步骤。
20.权利要求17的方法，还包含利用湿法蚀刻剂在所述传感器芯片的所述第二侧上蚀刻所述隔膜的步骤。
21.权利要求17的方法，还包含利用干法蚀刻剂在所述传感器芯片的所述第二侧上蚀刻所述隔膜的步骤。
22.权利要求17的方法，还包含在所述传感器芯片的所述第二侧上机械地蚀刻所述隔膜的步骤。
23.权利要求17的方法，还包含以下步骤：
将所述至少两个SAW感测元件配置成包含第一SAW传感器和第二SAW传感器；以及
在所述传感器芯片的所述第一侧上将第一组反射器与所述第一SAW传感器相关联以及将第二组反射器与所述第二SAW传感器相关联。
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