CN102105769B - 带有帽的介质隔离的差动压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种差动压力传感器包括两个压力端口以允许介质经过而与隔膜的顶侧和底侧接触。硅压力传感器管芯可用管芯附接材料附接在所述压力端口之间以感测介质之间的差动压力而评估介质差动压力。有开口的帽可放置在硅压力管芯内形成的隔膜的顶侧上。硅压力管芯可包括可电连接到隔膜以输出电信号的管芯联结垫。所述帽可将所述管芯联结垫从恶劣介质密封并使电信号经过其内。介质可经过帽内的开口，使得到隔膜顶部的介质路径不暴露于硅压力管芯的管芯联结垫以确保长期的传感器可靠性。

Description

带有帽的介质隔离的差动压力传感器

技术领域

实施例大致涉及压力传感器。更具体地，实施例涉及差动压力传感器，其具有帽以从联结垫密封介质。实施例还涉及用于测量流体介质等的差动压力的差动压力传感器。

背景技术

许多工艺和设备可用于压力感测应用。压力传感器或压力换能器可用在广泛的感测应用中。在许多情况下，需要测量如水、燃料、油、酸、碱、溶剂和腐蚀性气体这样的流体介质的压力。这些流体介质还可包括但不限于空气、氮气、工业工艺气体、水、汽车流体、气动流体、冷却剂和工业化学制剂。对于这种应用，差动压力传感器可用于准确感测流体介质的压力。这种差动压力传感器可采用公知的半导体技术制成。最常见的差动压力传感器可为固态硅压力传感器，其包括响应于所施加的压力而受到应力的薄硅隔膜。该应力可由硅隔膜中形成的压阻元件测量。可计算所测量的应力以测量流体介质的压力。

另外，差动压力传感器可包含硅压力传感器管芯（die）以体现高度的准确性。差动压力传感器还可包括两个压力端口以感测两个端口之间的压力差以便计算介质压力。这种差动压力传感器通常要求在隔膜的顶侧和底侧上都有流体介质，其方式为使得差动压力传感器的隔膜可与可能是腐蚀性或有害的介质接触。这种腐蚀性或有害的介质会损坏压力传感器的其它部件，尤其是为将差动压力传感器线联结到封装而暴露的联结垫。

在许多应用中，介质会产生对于暴露的联结垫而言恶劣的环境，这会导致长期可靠性失效。因此，差动压力传感器应优选地以这种方式构造：它对介质具有抗性或者与介质物理隔离，以便测量介质压力。因此，差动压力传感器要么没有为了介质兼容性而得到充分地保护，要么采用额外的硬件而对于许多应用来说成本高得惊人。因此，为了工作可靠，需要将会被介质暴露损坏的区域（例如联结垫和线联结）隔离以免与介质直接接触。

在差动压力传感器的一些隔离布置中，环境敏感的硅压力管芯可被夹在包含在外壳内的弹性介质密封和导电弹性垫之间。压力传感器可采用预模制弹性密封以将压力管芯与相对恶劣、潮湿的压力感测环境分离。这种压力传感器可获得真实的传感器差动操作和介质的准确压力，但是可增加传感器的生产成本。

在大部分现有技术中，差动压力传感器可提供预先的介质隔离布置，但在构造隔离部时需要额外的成本。这样，会提高压力传感器的制造费用，并会减少压力传感器的准确性。高度期望提供一种介质兼容的差动压力传感器，其可相对于现有技术表现出可靠性和性能的实质性优势，而不增加生产成本。

因此需要一种改进的具有高可靠性的差动压力传感器，该差动压力传感器可提供比现在采用的压力传感器最终更高效、更坚固的介质隔离的电连接。这种差动压力传感器在下面更详细地说明。

发明内容

提供以下发明内容以帮助理解所公开实施例独有的一些创新特征，而不意味着完整说明。可将整个说明书、权利要求书、附图和摘要作为一个整体获得实施例各个方面的全面理解。

因此，本发明的一个方面是提供一种带有帽的改进的差动压力传感器，其可克服前述缺点。

本发明的另一方面是提供一种带有介质隔离电连接的改进的差动压力传感器。

现在可如这里所述实现前述方面以及其它目标和优点。一种差动压力传感器包括两个压力端口以允许介质经过其内形成的腔。硅压力传感器管芯可用管芯附接材料附接于所述压力端口之一，以感测介质之间的差动压力而评估介质压力。有开口的帽可放置在硅压力管芯内形成的隔膜的顶侧上。硅压力管芯可包括可电连接到隔膜以输出电信号的管芯联结垫。所述帽可将所述管芯联结垫从恶劣的介质隔离并使电信号在帽下面经过。介质因此可经过端口和帽内的开口内，使得管芯联结垫不暴露于硅压力管芯的介质路径，从而提供长期的传感器可靠性。

根据本发明的另一特征，帽可用本领域技术人员已知的方法联结在硅压力管芯的隔膜上。隔膜可由薄的硅制成。可将管芯附接材料施加在压力端口上，使得压力端口分别被附接到帽和硅压力管芯。另外，硅压力管芯联结垫可由硅帽与介质隔离。隔膜可根据由介质施加的压力而变形。该变形可由掺杂（或涂布）在隔膜表面上的压阻元件测量。该压阻元件可用公知的压阻原理将隔膜的变形转换成电信号，以便计算介质内的压力。

差动压力传感器可用在广泛的感测领域以评估介质（包括但不限于水、燃料、油、酸、碱、溶剂和腐蚀性气体）中的压力。本发明可采用帽来密封介质，使得防止介质进入联结垫内。这样，可减少由介质产生的对于暴露的联结垫的恶劣环境。因此，这种差动压力传感器可实现对介质差动压力的高度准确和可靠的检测，并且具有高测量范围而不增加制造成本。

附图说明

以下附图中，相似的附图标记指的是在所有独立的视图中相同或功能类似的元件，并且附图被合并在说明书中形成说明书的一部分，进一步示出实施例，并与具体实施方式一起起到解释这里所公开的实施例的作用。这里所述例子是采用联结到硅压力传感器晶片的硅帽晶片熔块（或玻料，frit）。其它实施例可采用阳极联结到硅压力传感器晶片的玻璃帽晶片。也可采用本领域技术人员已知的其它帽晶片材料或联结方法。

图1示出差动压力传感器的装配视图，其可适用于实施优选的实施例。

图2示出如图1所示的差动压力传感器的分解视图，其可根据优选的实施例来实施。

图3示出如图1所示的差动压力传感器的剖视图，其可根据优选的实施例来实施。

图4示出另一类型的差动压力传感器的装配视图，其可根据备选的实施例来实施。

图5示出如图4所示的差动压力传感器的分解视图，其可根据备选的实施例来实施。

图6示出如图4所示的差动压力传感器的剖视图，其可根据备选的实施例来实施。

具体实施方式

在这些非限制性例子中讨论的具体值和构造可被改变，并仅是为了解释至少一个实施例而引用，并不意味着限制其范围。这里所述例子是采用联结到硅压力传感器晶片的硅帽晶片熔块。另一实施例可采用阳极联结到硅压力传感器晶片的玻璃帽晶片。也可采用本领域技术人员已知的其他帽晶片材料或联结方法。

注意在图1-6中，同样或相似的部件或元件通常由同样的附图标记指代。参照图1，示出适于在实施优选实施例时使用的差动压力传感器100的装配视图。差动压力传感器100包括可用于允许介质从其经过的两个压力端口110和120。两个压力端口110和120可采用金属、热塑性材料或其它材料制成。两个压力端口110和120也可包括注模塑料部分。压力端口110可用管芯附接材料130粘性连接到硅帽140。帽140保持加压介质离开联结垫160。在差动压力传感器100中，压力端口110和120中的一个可附接在硅帽140的侧面上，使得两个压力端口110和120可大致成90度角。管芯附接材料130可为粘性的和/或由硅酮制成。管芯附接材料130可用于隔离差动压力传感器100中的应力并用于将压力端口110和120附接于硅帽140和硅压力管芯150。

每个压力端口110和120可携带不同压力下的介质。每个压力端口110和120中压力之间的差可通过用硅压力管芯接触该介质而测量，从而以差动压力传感器100可提供介质中的差动压力这样的方式来计算介质中的压力。介质可包括但不限于水、燃料、油、酸、碱、溶剂和腐蚀性气体。

参照图2，示出如图1中所示的差动压力传感器200的分解视图。差动压力传感器200的两个压力端口110和120可用管芯附接材料130和220分别密封地联结到硅帽140和硅压力管芯150。硅帽140可包括在侧面上的开口或孔230，其方式为使得通过硅帽140的开口230施加来自压力端口110的介质。硅帽140可用熔接玻璃（frit glass）210在25℃到550℃之间的温度范围下联结到硅压力管芯150的上表面。在硅压力管芯150的底表面中，压力端口120可被牢固地附接。

熔接玻璃210可在硅帽140与硅压力管芯150之间形成玻璃熔块联结。玻璃熔块联结可使由阳极联结玻璃产生的热失配最小化。这种玻璃熔块联结材料对于高性能设备，尤其是差动压力传感器200来说是高度期望的。取决于具体应用，联结方法的质量可通过例如联结精度、机械强度、光学性质和热性质这样的标准来判断。玻璃熔块联结可在比差动压力传感器200的工作温度高得多的温度下进行，这生成高温适应的界面。如此，差动压力传感器200可提高感测输出信号的准确性。

硅压力管芯150可设置成矩形管芯的形式，其内有开口；但是，可理解并不要求具体的几何形状。硅压力管芯150可通过其上、下表面从各自压力端口110和120接收不同的介质。硅压力管芯150可起到通过测量来自压力端口110与120的不同介质之间的差动压力来计算介质压力的作用。硅压力管芯150可由硅帽140保护以避免介质进入联结垫160及硅压力管芯150的电连接内。

参照图3，示出如图1中所示的差动压力传感器300的剖视图。在这种差动压力传感器300中，硅压力管芯150可包括隔膜310和其内的多个联结垫160。隔膜310可用于感测由介质所施加的压力。隔膜310可具有小于大约0.05 mm的相对薄的厚度并通常是硅隔膜。隔膜310可由许多薄材料制成以便测量介质中非常微小的压力。线或管芯联结垫160可形成在管芯150的顶侧上。

联结垫160可根据半导体处理方法和技术放置在管芯150上。联结垫160应形成有预定的长度以导电。隔膜310可包括有压阻元件（未示出），该压阻元件可对于施加在隔膜上的介质压力或应力起反应。压阻元件可用公知的压阻原理将所施加的压力转换成电信号。联结垫160可集成在这种压阻元件上。联结垫160可为隔膜提供外部电连接。这种联结垫160可由铝、金或本领域技术人员已知的其它材料制成。

每个压力端口110和120可包括有金属或塑料零件330和腔340。腔340可形成在压力端口110和120内，并可被内部金属或塑料零件330围绕。腔340可形成为通过压力端口110和120的金属或塑料零件330的通路。要被测量的介质可经过压力端口110和120的腔340。另外，具有隔膜310和多个联结垫160的硅压力管芯150可被硅帽140覆盖或罩住。硅帽140可将介质与联结垫160密封以避免为暴露的联结垫160造成恶劣的环境。这样，差动压力传感器300可在介质压力感测时产生长期的可靠性和准确性。

参照图4，示出可根据备选实施例实施的另一构造的差动压力传感器400的装配视图。在这种类型的差动压力传感器400中，两个压力端口110和120可以竖向方式放置，即，压力端口110可放置在硅帽140的顶侧上。压力端口110和120可为空心管道以提供介质通过压力端口110和120中的腔340的自由流动。硅帽140和硅压力传感器管芯150可按照边缘对准的方式附接于压力端口110和120。

参照图5，示出图4中所示差动压力传感器500的分解视图。在差动压力传感器500中，硅帽140可在其中央位置设置有孔或开口230。由于两个压力端口可以竖向方式对准，介质可沿直线经过差动压力传感器500。硅帽140和硅压力传感器管芯150可更优选地被设计成矩形。硅帽140和硅压力管芯150可与各自的压力端口110和120在相应的管芯附接材料130和220的帮助下粘性联结。可以适当的方式选择管芯附接材料130和220，使其应当不影响硅帽140和硅压力管芯150的特性。

参照图6，示出如图4中所示的差动压力传感器600的剖视图。隔膜310可用公知的半导体制造技术放置在硅帽140的底侧上并形成在硅压力管芯150的上表面上。恶劣介质的压力可施加在隔膜310的顶侧和底侧上。隔膜310可进一步包括预定的隔膜厚度和长度。硅压力管芯150的尺寸可通过减少隔膜长度和线路面积而最小化。

硅压力管芯150还可包括形成在其顶表面上的联结垫160。联结垫160可在硅压力管芯150的顶侧上的金属浇道（runner）（未示出）的帮助下电连接到隔膜310中形成的压阻元件（未示出）。薄熔接玻璃210可在硅压力管芯150中在隔膜310上提供密封腔。

硅压力管芯150可模制在硅晶片（未示出）上。可通过用硅帽140罩住隔膜310的顶侧而封装联结垫160。管芯联结垫160的电信号可在硅帽140下经过。硅帽140可将联结垫160与恶劣介质完全密封从而提供介质隔离的电连接。这样，差动压力传感器600可提供高度可靠的感测输出。

差动压力传感器600可将介质施加在隔膜310的顶侧和底侧上，用于测量、记录和分析。用于从差动压力传感器600获得测量结果以进一步分析和记录的电子系统对于本领域技术人员来说是公知的。这种差动压力传感器100、200、300、400、500或600可采用硅帽140来使得传感器压力管芯150的顶侧，尤其是联结垫160，免于接触（或暴露于）恶劣或腐蚀性介质，这会提供更强壮和可靠的感测输出。

差动压力传感器可用半导体技术来设计。

应理解以上公开的各种变化和其它特征和功能，或其备选方案可按需要组合到许多其它不同系统或应用中。另外，现在无法或不曾预料的备选方案、其中的修改、变化或改进也可由本领域技术人员随后实施，这些也被认为包含在所附权利要求中。

Claims (10)

1.一种差动压力传感器，包括：

具有第一侧和第二侧的压力传感器管芯，所述压力传感器管芯包括隔膜以及形成在所述压力传感器管芯的第一侧上的多个管芯联结垫；

帽，其包括顶部，并适于覆盖所述隔膜并将所述隔膜与所述管芯联结垫隔离，所述帽具有开口，其中，所述帽密封所述隔膜和测量介质并将所述联结垫与所述测量介质隔离；

源自所述帽的第一端口，所述第一端口与所述帽中的开口流体连通；和

源自所述压力传感器管芯的第二侧的第二端口，其中，所述第一端口和第二端口分别适于允许介质接触所述隔膜的所述第一侧和所述第二侧。

2.如权利要求1所述的差动压力传感器，进一步包括掺杂在所述隔膜的至少一侧上的压阻元件。

3.如权利要求1所述的差动压力传感器，其中，所述帽在所述隔膜上面被联结到所述压力传感器管芯的第一侧。

4.如权利要求1所述的差动压力传感器，其中，管芯附接材料分别将所述第一端口和第二端口附接到所述帽和所述隔膜的第二侧。

5.如权利要求1所述的差动压力传感器，其中，介质经过所述第一端口通过所述帽内的开口，使得所述管芯联结垫不暴露到由此形成的介质路径。

6.如权利要求5所述的差动压力传感器，其中，所述隔膜适于根据由所述介质施加的压力而发生变形。

7.一种差动压力传感器，包括：

具有第一侧和第二侧的压力传感器管芯，所述压力传感器管芯包括隔膜以及形成在所述压力传感器管芯的第一侧上的多个管芯联结垫，所述隔膜包括掺杂在其上的压阻元件；

帽，其包括顶部，并适于覆盖所述隔膜并将所述隔膜与所述管芯联结垫隔离，所述帽在所述隔膜上面被联结到所述压力传感器管芯的第一侧并具有开口，其中，所述帽密封所述隔膜和测量介质并将所述联结垫与所述测量介质隔离；

源自所述帽的第一端口，所述第一端口与所述帽中的开口流体连通；和

源自所述压力传感器管芯的第二侧的第二端口，其中，所述第一端口和第二端口分别适于允许介质接触所述压力传感器管芯的所述隔膜的所述第一侧和所述第二侧。

8.如权利要求7所述的差动压力传感器，其中，所述帽在所述隔膜上面被联结到所述压力传感器管芯的第一侧。

9.如权利要求7所述的差动压力传感器，其中，管芯附接材料用于将所述第一端口附接到所述帽以及将所述第二端口附接到所述压力传感器管芯的第二侧。

10.一种差动压力传感器，包括：

具有第一侧和第二侧的压力传感器管芯，所述压力传感器管芯包括隔膜，所述隔膜适于将差动压力转换成电信号，所述压力传感器管芯还包括形成在所述压力传感器管芯的第一侧上的多个管芯联结垫；

帽，其适于覆盖所述隔膜并将所述隔膜与所述管芯联结垫隔离，所述管芯联结垫能够从所述差动压力传感器的外侧访问以从所述差动压力传感器提供输出电信号，所述帽在所述隔膜上面被联结到所述压力传感器管芯的第一侧；以及

源自所述帽的第一端口和源自所述压力传感器管芯的第二侧的第二端口，其中，所述第一端口和第二端口分别适于允许介质接触所述压力传感器管芯的所述隔膜的所述第一侧和所述第二侧；

其中，介质经过所述第一端口并进入所述帽，使得所述管芯联结垫不暴露到所述介质。

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