CN101389940B - 带有硅玻璃料结合帽的压力传感器 - Google Patents

Abstract

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。

Description

带有硅玻璃料结合帽的压力传感器

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。

发明背景

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、差压传感器、绝对压力传感器和大气压力传感器代表了在当今工业中广为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。

一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(anodicbonding)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域的隔膜部分。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，其结合了对硅玻璃料结合帽的使用，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，诸如压敏电阻等。压力传感器还包括硅帽晶片中的孔，以便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某材料的第一层，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，在第二层上沉积第三层，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述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1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。

一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，就可以获得更小的芯片尺寸。可以通过本领域技术人员已知的方法来构造连接金属线(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的顶侧。使用薄的玻璃料114将硅帽晶片106与硅传感器晶片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的下方延伸的下衬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、硅传感器芯片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100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1)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，从而形成玻璃料结合区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被玻璃料结合区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110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1-5还大体显示了用于形成压力传感器装置的方法。大体上，图1-5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，以在所述隔膜的所述顶侧上形成基准腔。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。

Claims (9)

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用于感测压力的多个传感器芯片，各传感器芯片包括感测器件以及连接至感测器件的引线焊盘；

多个帽芯片，其被刻蚀于帽晶片上，所述帽晶片构造成在所述隔膜的所述顶侧上形成压力基准腔；

薄玻璃料层，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，所述玻璃料结合区围绕所述基准腔，从而在隔膜之上提供了基准腔的密封，

其中，所述帽晶片被对准到并使用所述薄玻璃料层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；并且

其中，所述帽晶片包括多个孔，所述孔提供通向所述传感器晶片的各所述传感器芯片的所述引线焊盘的通路。

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，所述引线焊盘在所述传感器芯片的所述顶侧上形成，其中，引线焊盘通过在传感器芯片的顶侧上的金属线以及在传感器芯片的顶面下面和玻璃料结合区的下方延伸的下衬而电连接到感测器件，其中，所述感测器件包括压敏电阻。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔膜对施加的压力是可作出响应的。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述帽晶片密封了所述压力基准腔中的基准压力，并保护所述多个传感器芯片以免其受严酷介质的影响。

6.一种压力传感器装置，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，所述隔膜包括顶侧和底侧，所述传感器晶片包括硅；

多个压力传感器芯片，其在所述传感器晶片上形成，各传感器芯片包括感测器件；

多个帽芯片，其被刻蚀在帽晶片上，以在所述隔膜的所述顶侧上形成压力基准腔，所述帽晶片包括硅；

薄玻璃料，其定位成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，其中，所述帽晶片构造成包括孔，所述孔提供通向在所述传感器晶片上的所述多个传感器芯片中的每个的感测器件的电连接。

7.一种用于形成压力传感器装置的方法，包括：

构造带有多个传感器芯片的传感器晶片，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，各所述隔膜包括顶侧和底侧；

将感测器件设置在所述传感器芯片的顶侧上；

刻蚀帽晶片，以形成用于置于所述隔膜的顶侧之上的压力基准腔；

配置薄玻璃料层，利用所述薄玻璃料层将所述帽晶片结合在所述传感器晶片上，以在所述帽晶片和所述传感器晶片之间形成晶片-晶片玻璃料结合区并且用以密封所述压力基准腔，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；

在所述帽晶片中形成多个孔，以提供通向到各所述传感器芯片的所述感测器件上的电连接的通路，同时保护所述传感器芯片的顶侧以免受严酷介质的影响。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述帽晶片包括硅；以及所述传感器晶片包括硅。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述传感器芯片的所述顶侧上形成多个引线焊盘，其中，引线焊盘通过在传感器芯片的顶侧上的金属线以及在传感器芯片的顶面下面和玻璃料结合区的下方延伸的下衬而电连接到感测器件。

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