CN101900625B - 基于微电子封装工艺的湿/湿差动压力感测器设计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于微电子封装工艺的湿/湿差动压力感测器设计。带孔的顶帽可以被附着到带有压力感测膜片的MEMS-配置的压力感测管芯的顶面，从而使得被感测的介质与压力感测膜片的顶面相接触。用于应力释放的带孔的可选约束物能够附着到压力感测管芯的背面。粘合剂和/或弹性密封和/或焊料能够用于密封压力感测管芯，从而使得被感测的介质能够与压力感测膜片的两侧都接触，而不会接触线接合和其它金属化表面。MEMS-配置的压力感测管芯也可以采用标准管芯附着材料接合到基板。这样的微电子封装工艺会产生高性能和节省成本的解决方案，从而提供湿-湿压力感测能力。

Description

基于微电子封装工艺的湿/湿差动压力感测器设计
技术领域
实施例总体上涉及感测器方法和系统。实施例也涉及用于湿/湿应用的差动压力感测器。实施例也涉及基于微电子和/或MEMS(微机电系统)封装工艺的差动压力感测器设计。
背景技术
压力感测器或者压力变送器可以用于大范围的感测应用中。在很多情况下，期望测定特定类型介质(例如，通常为气体或者液体)的压力，如水，燃料，油，酸，碱，溶剂和腐蚀性气体。感测介质也可以包括(但是无需限定为)空气，氮气，工业过程气体，水，自推进流体(automotive fluid)，气动流体，冷冻剂，工业化学品等。对于这些应用，压力感测器可用于精确感测介质的压力。
特别地，压力感测器的一种类型或者配置被称为差动压力感测器。这种类型的感测器测量作为输入提供的两个或者更多个压力之间的差别。差动压力感测器的一个实例应用可包括测量穿过炉过滤器(furnace filter)或者油过滤器的压力降从而确定堵塞水平。另一个差动压力感测器应用可以与文丘里效应一起来实现流量测量。在这种情况下，采用不同缝隙设计的文丘里管的两个部分之间会产生压力差动。压力差别直接与穿过文丘里管的流动速率成比例并且可由差动压力感测器精确地测量。
在很多工业和商业应用中最通常使用的其中一种差动压力感测器类型是固态MEMS压力感测器，该感测器使用硅压阻技术。典型的MEMS压力管芯采用一个响应于施加的压力而被加压的薄硅膜片。压敏电阻器被战略地设置在或者布置在膜片上。当压力施加到感测器时，膜片被加压并且压敏电阻器将该机械应力转换成电信号。通常地，压敏电阻器形成惠斯通电桥并且差动信号与所施加的压力成比例。
在湿性应用(wet application)中，压力感测器与液体或者与具有高含水量的气体相接触。差动压力感测器也能够用于感测管芯(sense die)的两侧都暴露在被感测介质(例如水或者油)的湿/湿应用中。这样的差动压力感测器可能要求膜片的顶边和底边上均有流体介质。因此差动压力感测器的膜片可以与通常为腐蚀性或者有害的介质接触。这种腐蚀性或者有害介质能够破坏压力感测器的部件，尤其是作为到差动压力感测器的被暴露的电连接的接合焊盘。
在许多应用中，即使介质自身不是导电的，它也可能产生对于暴露的接合焊盘来说恶劣的环境，导致长期可靠性失效。因此，期望的是将感测元件、电路和电连接与和介质的直接接触隔离，从而进行可靠操作。然而对于湿-湿压力感测器来说极少有节省成本的解决方法。大多数解决方法都是基于利用油填充的介质隔离硅压阻技术的不锈钢隔离膜片设计结构。在差动压力感测器的一些隔离设置中，对环境敏感的硅压力管芯可以采用三明治方式放置在弹性密封之间，其中一个弹性密封包括用于电连接的导电堆叠。压力感测器可以使用预模制的弹性密封将压力管芯和相对恶劣、潮湿的压力感测环境分隔开。这样的压力感测器可以获得真正的差动操作和精确的介质压力，但是所增加的生产和材料成本却令人望而却步。另外，一个与这样的压力感测器相关联的问题是与随着温度而伸缩和移动的弹性密封相关的热滞后，从而引起设备的参数特性的偏移。
因此存在一种对湿/湿应用具有高可靠性的改进差动压力感测器的需求，该差动压力感测器能够提供介质隔离的电连接，所述介质隔离的电连接最终会比目前实施的压力感测器更高效以及鲁棒(robust)。这种差动压力感测器在这里被更详细地描述。
发明内容
提供如下说明从而有助于理解一些相对已公开的实施例来说特别的创新性特征并且所述说明并不意图作为全面描述。实施例的不同方面的全面理解可以通过将整个详细说明书，权利要求，附图和摘要作为一个整体来获得。
因此，本发明的一方面是提供改进的感测器方法和系统。
本发明的另一个方面是提供改进的顶面帽差动压力感测器，该感测器具有孔，其能够克服前面提到的缺陷。
本发明的另一个方面是提供一种用于组装具有介质隔离的电连接的差动压力感测器的改进方法，该感测器用于基于微电子封装过程的湿-湿应用。
前面提到的方面和其他的目的以及优点现在可以如这里描述的获得。公开了用于基于微电子封装工艺的湿/湿差动压力感测器的方法和系统。带孔的顶帽可以被附着到MEMS-配置的压力感测管芯的顶面(topside)，该管芯具有压力感测膜片以便允许被感测的介质与压力感测膜片的顶面相接触。用于应力释放的带孔的可选约束物可以被附着在压力感测管芯的背面。可以利用粘合剂和/或焊料和/或弹性密封来密封压力感测管芯，从而使得被感测的介质与压力感测膜片的两侧都接触而不会与线接合以及压力感测管芯顶面上的其它暴露的金属化表面接触。MEMS-配置的压力感测管芯也能够利用标准管芯附着材料被接合到基板。这样的微电子封装工艺产生具有真正的湿-湿压力感测能力的性能高效并且节省成本的解决方法。顶帽和可选的由玻璃和/或硅构成的约束物能够用标准的晶片接合工艺(如阳极接合或者玻璃粉接合)被附加。
在封装的顶部和底部可以提供一对压力孔(pressure port)，以允许压力作用在压力感测膜片上。在顶帽内的孔处进行密封能够通过将线接合、线接合焊盘和其它暴露的电路与被感测的介质隔离来提供保护。膜片可能根据由介质施加的压力而变形。可由掺杂在膜片表面上的压阻元件来测量该变形。压阻元件能利用公知的压阻原理将膜片的变形转换成电信号以便计算介质内的压力。在感测管芯的顶表面或者底表面中的任一个或者两者上的粘合剂和/或焊料和/或弹性密封能够用于获得与多个压力孔的连接。对于压力感测应用来说这样的鲁棒性设计方案提供了湿-湿介质兼容性从而使得湿介质与感测膜片的两侧都接触而不与可能会由于暴露到介质中而损坏的其它部分接触。
附图说明
在附图中，类似的附图标记在整个独立的视图中指的是相同的或者功能类似的元件，并且附图被并入到说明书中并形成说明书的一部分，所述附图进一步说明实施例并且与具体实施方式一起用于解释这里所公开的实施例。
附图1示出带有用于湿-湿应用的顶帽的MEMS-配置的压力感测器的截面图，其能够适用于实现优选实施例；
附图2示出根据优选实施例的带有用于湿-湿应用的约束物的MEMS-配置的压力感测器的截面图；
附图3示出根据优选实施例的湿-湿差动压力感测器装置的透视图；以及
附图4示出高级别操作流程图，该流程图示出根据优选实施例的基于微电子封装过程将湿-湿差动压力感测器与介质隔离的电连接组装起来的方法的逻辑操作步骤。
具体实施方式
在这些非限制性实例中讨论的特定值和配置可以是变化的，并且仅仅是被引用来说明至少一个实施例，因此并不是意图限定其范围。
在此公开了利用晶片制作工艺以及微电子封装技术的MEMS-配置的压力感测器设计。在这种设备中，可以实现在被感测的介质和感测器的电子器件之间具有高度隔离的差动压力感测器。参考附图1，示出根据优选实施例的差动压力感测器100的截面图。注意附图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图标记来表示。压力感测器100通常包括具有顶面105和背面110的MEMS-配置的压力感测管芯150。可以利用硅压阻技术或者电容技术来制作MEMS-配置的压力感测管芯150，但不限于这些技术。
在优选实施例中，从压力感测管芯150可以蚀刻出膜片115，这样一个或者多个压敏电阻器120可以位于压力感测管芯150上。顶帽130可以利用公知的晶片接合方法(例如，举个例子来说阳极接合和/或玻璃粉接合)被附着到压力感测管芯150的顶面105。在附着顶帽130之前，如图3所示通过顶帽130蚀刻或者钻出单独的孔165。顶帽130可以由诸如硅或者玻璃之类的材料构造，但是不限于这些材料。顶帽130能够保护线接合370，接合焊盘360和其它暴露的电路免于暴露在被感测的介质中，从而避免对感测器造成损坏。
感测器管芯150也可以配置成并入惠斯通电桥电路配置，简称为“惠斯通电桥”。一个或者多个压敏电阻器(例如，四个压敏电阻器)(例如压敏电阻器120)能够在最大化感测器的惠斯通电桥(没有示出)的输出的位置被嵌入到膜片115内。如图1所示，第一压力穿过孔165施加到感测管芯150上，如箭头P1所示。第二压力P2施加到感测管芯150的背面110上。采用这个方式获得差动压力测量。另一方面，感测管芯150也能够与周围环境连通(例如，通过孔165)，因此压力P1或P2中的任一个可以用作环境压力参考以提供表压力测量。
参考附图2，示出根据优选实施例的带有用于湿-湿应用的约束物135的差动压力感测器100的截面图。约束物135能够利用公知的晶片接合方法(例如，举个例子来说阳极接合和/或玻璃粉接合)被附着到压力感测管芯150的背面110以进行应力释放。约束物135可以由诸如硅或者玻璃之类的材料构造，但不限于这些材料。其它类型的材料也可以用来代替这些材料。
通过约束物135可以蚀刻或者钻出单独的孔210并且所述单独的孔210能够至少部分地与压力孔P2(没有示出)内的孔对齐。本领域技术人员应当认识到，通过穿过顶帽130和约束物135形成孔165和210，这里所描述的方法可用于制造用于湿-湿应用的差动压力感测器封装，其中在感测元件的两侧的介质都是湿的。来自压力孔P1和P2的介质通过开口165和210被施加。
在一个优选实施例中，可以使用玻璃粉接合工艺将硅帽130和约束物135接合到硅压力管芯150。硅和硅的接合能够使由接合不相似的材料而产生的热失配最小。根据特定的应用，接合方法的质量可以基于例如接合精度、机械强度和热特性的标准来判断。大多数晶片接合工艺是在比差动压力感测器的工作温度高得多的温度下执行的，其会产生高温等级界面(rated interface)。差动压力感测管芯150也能够采用标准管芯附着材料160被接合到基板155。该管芯附着材料可由粘合剂构造和/或由例如硅树脂、环氧树脂或者焊料构成。该管芯附着材料可用于隔离差动压力感测器100内的应力。
附图3示出根据优选实施例的湿-湿差动压力感测器100的透视图。湿-湿差动压力感测器100能够用在其中感测元件150的两侧都暴露于被感测的介质(例如水或者油)的湿/湿应用中。带有孔165的顶帽130可利用顶面密封220被附着到顶部封装帽230。带有压力感测膜片115的MEMS-配置的压力感测管芯150的顶面压力孔305使得具有压力P1的被感测的介质与压力感测膜片115的顶面105相接触。
垫片或者介质密封220为顶帽130的顶面表面提供压力密封。带孔210的用于应力释放的可选约束物135能够利用底面密封320被附着到底部封装帽330。应当注意的是，顶面密封220和底面密封320可以采用多种材料来完成，例如压缩弹性垫片或者粘性材料或者在感测器制造工业中采用的几种其它常用技术。MEMS-配置的压力感测管芯150的底面压力孔310使得具有压力P2的被感测的介质与压力感测薄膜115的底面110相接触。垫片或者其它介质密封320为约束物135的底面表面提供压力密封。膜片115可以与能够接收施加在膜片115上的应力或者介质压力的压阻元件120合并。压阻元件120能够使用公知的压阻原理将所施加的压力转换成电信号。接合焊盘360能够为膜片115提供外部电连接。这种接合焊盘360能够优选包括铝或金金属化。
顶帽130能够将介质和接合焊盘360密封在一起以避免产生对暴露的接合焊盘360来说恶劣的环境。因此，差动压力感测器100能够可靠运行并且精确感测介质压力。管芯附着或者垫片220和320可以用于密封压力感测管芯150，以使得要被感测的介质在不影响线接合焊盘360、线接合370以及封装端子350的情况下与压力感测膜片115的两侧都接触。这样的微电子封装工艺产生高性能和节省成本的具有真正的湿-湿压力感测能力的解决方案。
每个压力孔305和310能够以不同的压力载送介质。每个压力孔305和310中的压力之差可通过将硅压力感测膜片115的两侧都暴露于介质来测量。在这种方式下，差动压力感测器100能够感测介质中的差动压力，所述介质包括但不限于水、燃料、油、酸、碱、溶剂和腐蚀性气体。
参考附图4，示出根据一个可能的实施例的用于说明基于微电子封装工艺将湿-湿差动压力感测器100与介质隔离的电连接组装起来的方法400的逻辑操作步骤的高级别操作流程图。在附图4描述的实例方法中，该过程可以如所示在块402开始。接下来，如块404所示，可以提供带有蚀刻的压力膜片115的差动压力感测管芯150，如所示。接下来，如块406所描述的，可以完成的操作是带孔的约束物可选地通过晶片接合工艺附着到感测管芯的背面。接下来，如块408所表示的，穿过顶帽130晶片可以形成一个或者多个孔。之后，如块410所描述的，利用晶片接合工艺可以附着顶帽130。接下来，如块412所描述的，可完成的操作是单切(singulate)(锯开)带有接合的顶帽130的压力感测管芯。接下来，如块414所示，通过标准的管芯附着工艺能够将差动压力感测管芯150接合到基板。之后，如块416所示，可以通过导电引线和线接合提供用于差动压力感测管芯的电连接。在块416所描述的操作过程之后，可以完成的操作是通过利用标准工艺(例如垫片和/或管芯附着)密封压力孔来过封装(over-packaging)所完成的感测结构，如块418所示。最后，该过程可以结束，如块420所示。
注意在优选实施例中，顶帽晶片在接合到压力管芯晶片之前已经具有晶片级预先蚀刻的或者预先钻出的孔。同样地，约束物中的孔优选在约束物晶片接合到压力管芯晶片之前被进行晶片级预先蚀刻或者预先钻出。
因此，根据附图4描述的方法，带孔210的约束物135能够附着到压力感测管芯150的背面，如块440所描述的。差动压力感测管芯150能够采用标准管芯附着工艺接合到基板155。用于差动压力管芯150的电连接可以通过线接合焊盘360、线接合370和端子350来提供。可以采用顶面口230和背面口330、利用垫片或者介质密封220和330来对带有顶面帽130的感测管芯150进行过封装，以产生具有真正的湿-湿压力感测能力的高性能和节省成本的解决方案。
尤其是，湿/湿差动压力感测器100能够在膜片115的顶面和背面上都施加介质以便进行流体压力的测量、记录和分析。所使用的用于获得来自差动压力感测器100的测量来进行进一步分析和记录的电子系统是本领域技术人员公知的。这样差动压力感测器100能够利用顶帽140来防止感测器压力管芯150的顶面(特别是接合焊盘360)暴露于恶劣的或者腐蚀性介质，这为湿/湿应用提供了更鲁棒和可靠的感测输出。
应当理解，前面公开的和其它特征和功能的变化，或者其替换物，可预期地被合并到许多其它不同的系统或者应用中。另外，其中多种目前无法预知的或者无法预料的替换方案、修改、变型或者改进也可由本领域技术人员随后作出，其也意图被下面的权利要求所包含。

Claims (12)

1.一种差动压力感测器设备，包括：
顶帽，所述顶帽具有形成于其中的孔，所述顶帽附着到与压力感测膜片相关的MEMS-配置的压力感测管芯的顶面，其中所述顶帽将介质与多个线接合焊盘隔离；以及
密封，所述密封对所述压力感测管芯和所述顶帽过封装以便使得所述介质通过所述顶帽中的所述孔与所述压力感测膜片的顶面相接触，并且与所述压力感测膜片的底面相接触，而所述介质不与所述多个线接合焊盘以及在所述压力感测管芯的所述顶面上的多个金属化表面相接触，从而提供具有湿-湿压力感测能力的差动压力感测器设备。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述压力感测膜片被配置为并入约束物，所述约束物具有形成于其中的孔，所述约束物有助于为所述压力感测膜片提供应力释放。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述顶帽利用晶片接合工艺被附着到所述MEMS-配置的压力感测管芯。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述MEMS-配置的压力感测管芯使用管芯附着工艺被接合到基板。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述密封包括垫片或粘性密封，从而对所述顶帽的顶面提供压力密封。
6.如权利要求1所述的设备，其中利用硅压阻技术或电容技术来制作所述MEMS-配置的压力感测管芯。
7.如权利要求3所述的设备，其中所述晶片接合工艺包括阳极接合工艺或玻璃粉接合工艺。
8.如权利要求2所述的设备，其中所述顶帽和所述约束物包括硅和/或玻璃。
9.一种差动压力感测器设备，包括：
顶帽，所述顶帽具有形成于其中的孔，所述顶帽附着到与压力感测膜片相关的MEMS-配置的压力感测管芯的顶面，其中所述顶帽将介质与多个线接合焊盘隔离；以及
密封，所述密封对所述压力感测管芯和所述顶帽过封装以便使得所述介质通过所述顶帽中的所述孔与所述压力感测膜片的顶面相接触，并且与所述压力感测膜片的底面相接触，而所述介质不与所述多个线接合焊盘以及在所述压力感测管芯的所述顶面上的多个金属化表面相接触，从而提供具有湿-湿压力感测能力的差动压力感测器设备；以及
约束物，其中所述压力感测膜片被配置为并入所述约束物，所述约束物具有形成于其中的孔，所述约束物有助于为所述压力感测膜片提供应力释放。
10.如权利要求9所述的设备，其中：
所述顶帽利用晶片接合工艺被附着到所述MEMS-配置的压力感测管芯，其中所述晶片接合工艺包括阳极接合工艺或玻璃粉接合工艺；以及
所述顶帽和所述约束物包括硅和/或玻璃。
11.如权利要求9所述的设备，其中所述MEMS-配置的压力感测管芯利用管芯附着工艺被接合到基板。
12.如权利要求9所述的设备，其中所述密封包括垫片或粘性密封，从而对所述顶帽的顶面提供压力密封。
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