CN1033469C - 多功能压差传感器 - Google Patents

Abstract

一种多功能压差传感器，它包括：半导体芯片，具有与半导体芯片的厚壁部分相结合的结合部分的固定基座，和与固定基座相结合的壳体。半导体芯片具有：压差检测单元，静压检测单元，和温度检测单元。固定基座的结合部分不厚于半导体芯片。固定基座有一个或多个薄壁部分，从平面图看，薄壁部分位于半导体芯片的圆形压力敏感膜内。

Description

多功能压差传感器

本发明涉及适用于测量两流体之间压差的压差传感器，尤其是(但不仅仅)涉及一种能够测量静压和温度及压差的多功能压差传感器。

在传统的压差传感器中，人们已知有种种多功能压差传感器，这类传感器将压差、静压和温度传感器安排在一个芯片中用来同时检测压差、静压和温度。较早的这种努力例如可参见日本的未经实审的专利，其公开号为61(1986)-240134及2(1990)-9704。另一种尝试是，作为主传感器的压差敏感元件设在一个称为压力敏感膜的薄壁上，其中具有4个对差压敏感的半导体电阻。而且该压差敏感元件也设在一个厚壁部分上，其中具有几个对静压(线性压力)和温度敏感的半导体电阻。这些半导体电阻按照半导体生产过程中的热扩散或离子注入同时形成在半导体的基片中。该半导体基片则安装到一固定的基座上，该基座与一个壳体相连。

在这种多功能压差传感器中，由过程中线性压力和温度变化引起的零点偏移利用安装在该传感器上的辅助传感器如静压传感器和温度传感器的信号进行补偿以便产生高精度的差分信号。

在这种较早的尝试中，尤其是公开号为2-9704的未经实审的日本专利所用的做法，利用在加静压力时，半导体基片和固定基座之间的杨氏模量差产生的挠应变，因此静压力信号的输出是非常小的，且只能产生S/N(信噪比)低的补偿信号。而且，挠应变是为了产生静压信号，因此它对压差传感器的压力敏感膜产生影响，所以压差信号和静压信号相互产生干扰。由于这些原因，为了获得高精度压差信号，就必须在温度和静压变化的同时精细收集压差传感器的输入和输出特性。

在公开号为61-240134的未审查的日本专利中，要检测的压差和静压在各自的压力敏感部分进行检测，因此与公开号为2-9704的未审查的日本专利中的那些信号相比静压信号较大。但是，在上述公开号为61-240134的未审查的日本专利中，为了产生具有高S/N的信号就必须为静压传感器信号提供把基准压力引到压力敏感部分的后表面的感应管部分。这样的结构差不多就等于提供一个新的静压传感器。因此，传感器的结构和制造变得复杂且传感器可靠性下降，造价上升。以致人们宁可像公开号为2-9704的未审查的日本专利中那样在单个芯片上安装多种传感器。

在多功能压差传感器的以上两种努力中，人们的注意力主要放在作为主要的应变传感器的压差传感器加静压时的零点偏移上，且这种零点偏移是用静压传感器的输出信号作为参数对其进行补偿的。在对压差传感器施加静压时，不仅零点偏移而且刻度单位的间隔(量程间距)变化都必定要产生。与零点偏移的补偿相比，刻度单位的间隔的变化在收集补偿数据方面是很困难的。这是由于必须在加静压的情况下产生一预定的差压来收集压差传感器的特性。由于这种原因，关于刻度单位的间隔变化，一般不作补偿或只作简单的补偿。在压差传感器作为主应变传感器中，从测量精度看，刻度单位的间隔变化与零点偏移相比应该认为更重要，但是在先前的努力中，上述刻度单位间隔变化未获得足够的补偿。

因此，本发明的目的在于提供一种压差传感器，它能通过以硬件方式减少零点偏移和刻度单位间隔变化而产生高精度的差分信号。

本发明另一目的在于提供一种多功能传感器，它能相互间不产生干扰地独立产生差分信号、静压信号和温度信号。

本发明的再一个目的是使所提供的压差传感器易于制造、成本低且可以产生高压输出信号。

为完成第一个目的，按照本发明的一个方面，压差传感器包括在其单芯片上具有相反的第一和第二表面的半导体芯片，和与该半导体芯片的第一表面结合以牢靠安装该半导体芯片的固定基座，半导体芯片在两相反表面的至少一个面上设有检测分别加给其表面的两压力之间差的压差检测装置，其特征在于，所述固定基座有一个形成于其与所述半导体芯片和所述固定基座之间的结合处相对的表面中的通道，以便引入一个压力加到所述半导体芯片的第一表面上。

为实现第二个目的，按照本发明的另一方面，多功能压差传感器包括具有薄壁部分的单一半导体芯片；设在该薄壁部分上的压差检测装置和设在半导体芯片的厚壁部分上而不是该薄壁部分上的静压检测装置；和具有与该半导体芯片的厚壁部分相接触的结合面和一薄壁部分的固定基座。该结合面的厚度等于或小于半导体芯片的厚度，且从平面图看，固定基座的薄壁部分安排在其上设有压差检测装置的半导体芯片的薄壁部分中。

进而为了实现其它目的，本发明在固定基座的形状和半导体固定基座及壳体相互之间的连接方式方面做了改进，这种改进后面将详细加以叙述。

在上述按照本发明第一方面的安排中，该固定基座与半导体相接触的接合部分起一个吸收由于静压和热形成的应变的吸收器作用，同时也用作承受作用于半导体芯片表面的压力的压力作用面。因此，半导体芯片仿佛处于静压状态，从而通过传感器结构的改进可以减少只有静压作用时的应变、零点偏移和刻度单位间隔的变化。

按照本发明的第一个方面和第二个方面的传感器的功能下面将更详细描述。在本发明的一个实施例中，半导体芯片的薄壁部分基本上形成在半导体芯片的中心部分且起一个响应压差的压力敏感膜的作用。构成压差检测装置的压差电阻形成在该膜上，它的阻值按照加在膜上的压差而变化。一个仅对温度响应的温度敏感电阻形成在半导体芯片的厚壁部分上，按温度变化而改变它的电阻而输出温度信号。另一方面，与温度敏感电阻类同，检测静压的4个电阻形成在半导体芯片的厚壁上。静压电阻中的至少两个安排在用于静压压力的敏压膜上，该膜是以与压差敏压膜同样的方式新形成的，或者和温度电阻一样安排在厚壁部分上。当加静压时，在形成静压敏感膜的情况下，形成在半导体厚壁部分上的静压电阻其阻值随压力作大的变化，或在没有形成静压敏感膜的情况下，它们的阻值会由于固定基座和半导体芯片的畸变之间的差而发生变化，从而输出静压信号。

设在固定基座上以牢固地安装半导体芯片且把它安装在壳上的接合部分，至少有一个大于半导体芯片的厚壁部分的面积且在厚度上等于或小于半导体芯片。该接合部用作吸收由静压和热引起的应变的吸收器，同时也作为牢固连接的结合面。该结合部分进一步起在半导体芯片的厚壁部分上形成一个静压状态的压力作用面的功能。由于这些功能即使只加静压时，只有将由静压产生的应变原封不动地平行移向它们的张力侧的应变才在半导体芯片的敏感膜上产生。压差传感器在加静压期间的零点偏移和刻度单位间隔变化的大小取决于压力敏感膜中的应变的分布。但是，由于上述接合部分的特殊形状的作用，完全有可能基本上排除零点偏移并尽可能减小刻度单位间隔的变化，固定基座上除了接合部分外，至少还有一个设在其上的薄壁部分，它有一个在平面图中看起来其大小安排在差压敏感膜内的外周缘。这样，该薄壁部分不会损害结合部分作用在半导体芯片厚壁部分上的上述功能。即使固定基座所用材料不同于半导体的材料，该薄壁部分也能起到吸收外应变如静压应变和热应变的吸收器的作用，因此结合部分的性能不会受到损害。而且，可以把压力应变和热应变与半导体芯片隔离开，这些应变是在施加静压期间从壳体传来的。因此通过对固定基座形状的简单改进，压差传感器能减少零点偏移和刻度单位间隔变化且能耐受外应变。

图1是本发明多功能压差传感器一实施例的垂直剖视图；

图2是图1的多功能压差传感器的平面视图；

图3是图1传感器的电路图；

图4A至图4D是本发明原理说明图；

图5A是本发明传感器的特性曲线图，传感器中的接合部分在厚度上是有变化的；

图5B为图5A传感器的部分垂直剖示图；

图6A为本发明传感器的特性曲线图，传感器的杨氏模量是变化的；

图6B为图6A传感器部分垂直剖示图；

图7A和图7B是本发明另一实施例的多功能压差传感器的平面图和轴向剖示图；

图8A和图8B是本发明多功能压差传感器第三实施例的平面图和轴向剖示图；

图9A和图9B是本发明多功能压差传感器第四实施例的平面图和轴向剖示图；

图10A和图10B是本发明多功能压差传感器第五实施例的平面图和轴向剖示图；

图11A和图11B是本发明多功能压差传感器第六实施例的平面图和轴向剖示图；

虽然多功能压差传感器作为本发明的实施例在下面加以描述，但是，很明显，本领域中的技术人员通过下面的描述完全能将本发明仅用于压差传感器。

请参见图1至图3，下面将描述本发明的多功能压差传感器。图1中，标号1是由单晶硅制成的多功能压差传感器芯片。传感器芯片1通过空心固定基座2安装到壳体4中。固定基座2最好用陶瓷如SiC构成，这种陶瓷在线膨胀系数上近似等于硅，这样考虑是由于：固定基座2要与壳体4电气绝缘；固定基座2和壳体4之间的线膨胀系数之间的差引起的热应变要减小。然而，即使固定基座2不用陶瓷也能获得实用的精度。在固定基座2的结合面上有一层结合层20，固定基座2的该结合面通过结合层20与传感器芯片1相连。该结合层20由下面任一方法形成：固定基座2的结合面涂上氧化物焊剂如低熔点玻璃；通过喷涂(溅射)或蒸汽(汽相)沉积在结合面上形成一层金属焊剂，即一种Au-Si合金层或Au薄膜；和在该结合面上涂上有机或无机物粘合剂。用这种方法，传感器芯片1只要比较低的温度就很容易结合到固定基座2。此外，该结合层可相当薄以减少不利影响。

压差信号、静压信号和温度信号通过导线17从传感器芯片1输出到导线板5，从那儿信号通过密封单元41的端线42传送到外部。传感器芯片1是一个n型(100)面单晶。在传感器芯片1底面大致中心部分形成一个圆形或多边形的凹槽13，且凹槽13有一个浅的中心底部13A。结果，在传感器芯片1的大致中心部分中形成一个圆形或多边形的薄壁11。凹槽13通过固定基座2的孔29与中心部位连通，以便压力通过孔29从外部引入凹槽13。压差是在凹槽13中的压力与加于传感器芯片1上表面的压力之间测量的。用这种结构，薄壁11用作对压差敏感的应变产生体，且具有检测压差的压力敏感膜的功能。在压差敏感膜11的上表面上有由热扩散或离子注入形成的(110)轴向P形电阻(测量电阻)111到114，该P型电阻平行或垂直于晶轴。电阻111到114安排在邻近于径向应变变成最大的部分，该径向应变是在施加压差期间产生于压差敏感膜11中的。通过在圆形膜11的径向中设置电阻111和113、和在切向中设置电阻112和114，并如图3中所示连接电阻111-114，就能得到相当大的差分信号。压差敏感膜11通过各向异性的湿蚀刻或干蚀刻形成，压差敏感膜11的形状和厚度按照该压差敏感膜11对之必须灵敏响应的预定的压差而定。

电阻111至114承受着由压差敏感膜11的上表面中的压力和凹槽13压力之间的压差产生的应变，且通过压电电阻效应而使其阻值发生变化。这样，图3中所示电路就能使得代表压差的信号从端子d至g输出。

即使加于压差敏感膜11的两个相反表面上的压力相等(静压状态)或当压差敏感膜11温度发生变化，电阻111至114仍是敏感的。结果，电阻111至114的输出发生变化。由静压产生的变化称为静压零点偏移，而温度变化引起的输出变化称为温度变化零点偏移。温度变化零点偏移的产生是因为电阻111至114在阻值上不是恒定的，每个电阻的阻值都是温度的函数。因为温度传感器和压差传感器的输出之间的关系是精确地给出的，所以可容易地对零点偏移进行补偿。加静压期间的零点偏移是由于除传感器芯片1之外的结构件如固定基座2和壳体4等产生的应变而形成的。和由温度变化产生的零点偏移中一样，压差传感器的零点偏移和施加静压期间的静压传感器的输出之间的关系可作为信息存储起来，且这种静压施加期间的零点偏移能根据该信息可以比较容易地进行补偿。此外，加静压期间的零点偏移发生变化压差传感器的压差灵敏度也发生变化，这称之为刻度单位间隔变化，如图1所示，传感器芯片1有一厚壁部分12，通过该部分传感器芯片1安装到与壳体4相连的固定基座2上。在加静压期间，在厚壁部分12中，按照该壁形状和其内径的差产生应变。这些应变传递到压差敏感膜11，从而压差电阻111至114发生阻值变化。在压差测量中这些应变达压差敏感膜11中产生的最大应变的5-50％。当在如此高应变状态下在压差敏感膜11的相对的表面之间产生压差时，压差敏感膜11按压差变形，于是电阻111至114中产生大的变化。在这种变形期间，加上了大而均匀的如上所述的静压应变，因此压差敏感膜11的应变分布不同于大气压(静压＝0)下的应变分布。这就是说，在大气压下和在一静压下压差传感器的输出是不同的。可以想象，当传感器芯片1单独设置时，如已描述的那样，会产生输出的这种变化(刻度单位间隔变化)。另一方面，也可以想像，由于均匀的应变分布，不会产生零点偏移。附加构件如固定基座为安装传感器芯片1而必须提供，于是，因为传感器1承受加静压期间的应变的影响，而使刻度单位间隔变化变得更大。

压差传感器，作为多功能压差传感器的主应变传感器，它的零点偏移和刻度单位间隔变化在压差测量中是两个大问题。尤其是，刻度单位间隔变化的问题更重要。这是因为刻度单位间隔变化与压差测量精度的关系最密切，相当大的影响到设备的控制精度。最近，低压差的压差计得到广泛的应用。作为压差传感器，压差敏感膜11必须减少厚度以使增大其灵敏度，但是这也增大了刻度单位间隔变化，结果是难以改进传感器的压差灵敏度。

为了克服这些问题，传统的做法是用一个静压传感器作为辅助传感器安装在传感器芯片上，此静压传感器的信号用来补偿压差传感器的零点偏移和刻度单位间隔变化。然而，这种解决办法出现了下面的问题。尤其是，在多功能传感器中，这种传感器利用了固定基座的杨氏模量差，为了产生静压信号在厚壁部分12中产生了过量的挠应变。这些挠应变传递到压差敏感膜11，给压差传感器的输出带来大的干扰。于是，就必须测定压差传感器的有关温度、静压和压差的输入—输出之间的关系。测定这种输入—输出关系的信息量是非常大的。而且，在取得这种信息的过程中，必须收集尤其是当温度、静压和压差变化时的压差传感器的输入—输出特性。关于收集这种信息的方法和装置，没有方便的建议可资借鉴，因此给制造传感器带来了额外的步骤。

更具体说，在加静压情况下，该静压传感器对作为多功能压差传感器的主应变传感器的压差传感器的零点和刻度单位间隔偏移带来相当有效的补偿作用，然而另一方面，因为在压差传感器的压差敏感膜中产生过量的应变，而需要更复杂的制造方法和补偿方法。而且也不太能够完成多功能压差传感器的功能。本实施例为了解决这些问题，对固定基座的形状作了改进，用硬件的办法来减少压差传感器的零点偏移和刻度单位间隔变化，且不用任何补偿就能提高性能。通过减少零点偏移和刻度单位间隔变化，该静压传感器可用作线性压力传感器。

在图1和图2中，传感器芯片1至少有一个温度敏感电阻155形成在离开压差敏感膜11的厚壁部分12上。温敏电阻155是(100)轴向的P型电阻，在(100)平面中呈现最小的压电电阻系数灵敏度，且对压差或静压不敏感。与压差电阻111至114中所用方法相同，电阻155具有一预定的阻值。

作为另外的辅助传感器静压传感器，与温度敏感传感器相类似，电阻151至154以平行或垂直于与压差电阻器相同的晶轴方向形成在传感器芯片1的厚壁部分12上。电阻151至154中，电阻151和154形成在传感器芯片1的厚壁部分12中所形成的薄壁部分15的相对的表面之一上。薄壁部分15有一凹槽121形成在其另一表面中，且当薄壁部分15连接到固定基座2的一个表面上时，该凹槽121被闭合而形成一个腔室。该室当加静压时起基准室的作用，薄壁部分15则起静压敏感膜的作用。薄壁部分15上的电阻151和154如压差敏感膜11上的电阻那样能产生大的电阻变化。另一方面，两个电阻152和153形成在传感器芯片1的厚壁部分12上，因此在加静压情况下基本上不变化。这些电阻151至154连接成如图3所示的电桥，信号从端子h至K输出。在实施例中，该桥路是一个已描述过的双电阻应变仪的动作部分，当线性压力传感器有输出时，虽然输出比压差传感器的输出小，但该轿路有足够大的输出。

在传感器芯片1的其它表面上，形成有保护涂覆层18，用于保护压差、静压和温敏电阻器，一铝线16连接于图3中的每个电阻和焊点a到k。保护层18形成在电阻上和传感器芯片1的厚壁部分上，但在压差敏感膜11上并不提供这种保护层18。这样做为了排除热应变的影响，这种热应变是在温度有变化时由于在保护层18和传感器芯片1之间的材料的差别形成的。压差敏感膜11越薄(小压差传感器)，这种特性的效应就变得越大。

图4A至图4D概略地说明了多功能压差传感器芯片1在静压下如何使零点偏移和刻度单位间隔变化减少的原理。图4A是传感器芯片1无负状态下的示意图。图4B表明传感器芯片1施加静压时的形状。加静压时，传感器芯片1的厚壁部分12的管的形状(外径2B，内径2A)使传感器芯片1向内变形，而厚壁部分12的上表面的静压使传感器芯片1朝下变形。变形后的状态由实线示于图4B中。在这种情况下，由于应变的不同与静压相对应的均匀应变发生在传感器芯片1的压差敏感膜11中。当在这种状态下加上压差时，压差敏感膜在静压应变的基础上受到一个压差应变。这种静压应变对压差应变的产生有大的影响，因此这不同于由于只有大气压(静压＝0)的压差所产生的应变。因此，刻度单位间隔在加静压时发生变化。在图4B(静压＝P_s和压差＝0)的状态中，均匀的静应变发生在压差敏感膜11和厚壁部分12两者中，因此零点没有发生变化。

为了排除静压时的零点和刻度单位间隔中的偏移，如图4B所示，一个均匀的力F被加到传感器芯片1的厚壁部分12上，同时如图4C中所示，传感器芯片1以平行的方式回到点划线的形状(如图4A中所示的原有形状)。在这种方式中，不存在零点和刻度单位间隔的偏移。如果如图4C中所示的静压P’s加到传感器芯片1到固定基座2的结合面上，则这种张力F由于泊松效应能够产生。通常，为P’s的大小等于静压Ps的大小，换句话说，传感器芯片1的厚壁部分12放置在静压状态中。在此实施例中，固定基座2的结合部分的另一表面21受到静压Ps(图4D)的压力，另一面21与连接到传感器芯片1的结合部分的表面相反。于是，传感器芯片1的厚壁部分12可保持在静压状态。通过保持传感器芯片1的厚壁部分的面积，可足够维持这种静压状态。最理想的是使厚壁部分的厚度尽可能的薄但从强度的观点出发需要有一预定的厚度。

尽管力F的大小与先前描述的静压时的泊松效应相比是小的，但该力F能根据传感器芯片1和固定基座所使用的材料来产生。例如，当一种杨氏模量比传感器芯片1的材料杨氏模量低的材料用于固定基座2，且传感器芯片1的厚度达最大时，则在传感器芯片1的厚壁部分12和固定基座2的结合部分之间产生一个应变差。该应变差使得一个正挠应变发生在厚壁部分12的上表面上。该挠应变起张力的作用朝外拉传感器芯片1的压差敏感膜11。相反，当一种相氏模量大于传感器芯片1的材料的杨氏模量的材料用于固定基座2且厚度小于先前情况中的厚度时，挠应变起向外拉传感器芯片1的压差敏感膜11的力的作用。

固定基座2的另一表面用作把传感器芯片1安装到壳体4的结合面。固定基座2在上述结合面与具有被连接到传感器芯片1的厚壁部分12的表面的部分(该部分将传感器芯片1置于静压状态)之间至少有一弹性薄壁部分22。从传感器芯片1上面看，该薄壁部分22位于传感器芯片1的圆形厚壁部分12内，亦即位于传感器芯片1的压差敏感膜11的内周边(直径＝2A)内(2C≤2A)。在此实施例中，薄壁部分22作为吸收壳体4的热应变和由于加静压时的压力应变的部分，因此，由传感器芯片1的厚壁部分12和固定基座2的结合部分21所形成的静压状态不致被破坏。

如已描述的那样，固定基座2的结合部分21这样来构成：从传感器芯片1上方看，结合部分21在面积上比传感器芯片1的厚壁部分12大；该结合部分21的厚度不大于传感器芯片1的厚壁部分12的厚度。用这样的结合部分21的结构，传感器芯片1的厚壁部分12可保持在静压状态，因此，零点和刻度单位间隔的偏移可做到设有或尽可能的小。此外，固定基座2至少有一个形成在其中的薄壁部分22，该薄壁部分22从传感器芯片1的上方看或在平面图中看均位于传感器芯片1的压差敏感膜11内。这样可以确保保持静压状态，且薄壁部分22起到吸收热应变和由加静压引起的压力应变的作用。这种功能使得由于环境因素产生的热应变和压力应变的任何影响都不会加给传感器芯片1的压差敏感膜11。在这种结构的多功能压差传感器中，除了零点和刻度单位间隔的偏移可以做到没有或尽可能地小的优点之外，而且任何负载都不加给作为辅助传感器的静压传感器。因此这种静压传感器可有效地用作线性压力传感器。

图5A和图6A是修改后的多功能压差传感器的特性曲线图，这些传感器是按照先前描述的本发明原理制造的。该压差传感器是用于低压差范围，且每个传感器的压差敏感膜11都是很薄的(膜片厚度约10^μm其直径约4^mm)。

图5A和图5B的传感器中，固定基座有一两层的结构；它有结合部分21和薄壁部分22。当结合部分21的厚度tf和传感器芯片1的厚度ts变化时测量了零点偏移和刻度单位间隔的变化。从图5A看可以明显看出，零点和刻度单位间隔随传感器芯片1的厚度ts和固定基座2的结合部分21的厚度tf有大的变化，但是通过使得固定基座2的结合部分21的厚度tf小于传感器芯片1的厚壁部分的厚度，则这种变化可以变得小得多。结合部分21使用的材料其杨氏模量比传感器芯片1的材料的杨氏模量小，而薄壁部分22所用的材料其杨氏模量比传感器芯片1材料的杨氏模量大。

在图6A和图6B的传感器的固定基座2中，结合部分21和薄壁部分22是个整体，且结合部分21的厚度tf＜传感器芯片1的厚度ts，而薄壁部分22的外径2C＜压差敏感膜11的内径2A，并且其长度G等于结合部分21的厚度tf。在测试中，零点偏移和刻度单位间隔变化是在固定基座2的杨氏模量在0.5×10⁵到4×10⁵MPa的范围内变化时测量的。压差敏感膜11的厚度等于图5A和图5B中的压差敏感膜11的厚度。从图6A可以清楚地看出，零点偏移和刻度单位间隔变化与杨氏模量变化相比显然是非常小的且其绝对值也极小。

图5A和图6A表明，按本发明原理构成的每种多功能压差传感器，作为主应变传感器的压差传感器其性能是极好的，且固定基座2的材料有相当宽的选择范围。

在图1的实施例中，固定基座2不仅采用了先前描述的原理结构，而且也采用了把与壳体4的结合性能及特性上的改进考虑进去的形状。在壳体4、结合层3和固定基座2所用材料不同的情况下，各种应变，如结合应变、温度应变和静压应变，在结合、温度变化和加静压期间都会产生。为了通过将它们(各种应变)吸收而排除各种应变的影响，在固定基座2的与壳体4相连的结合部分的附近处，设有薄壁部分24，该薄壁部分24用作绝缘部分或作为应变吸收体。

图7A和图7B表示本发明另一实施例。在这实施例中，固定基座2使用Fe-Ni合金，这种合金在杨氏模量和线膨胀系数两者上与传感器芯片1几乎相等，且固定基座2的薄壁部分22与连接的应变吸收部分24形成体。该传感器的结合层20由氧化物焊料如高绝缘低熔点的玻璃或陶瓷构成。壳体4和固定基座2通过结合的应变吸收部分24由氩弧焊接或等离子焊接进行接合。采用这种结构，将会获得本发明的优点，而且该实施例有利于固定基座2的选材和制造并具有良好的经济效益。

本发明第三个实施例示于图8A和图8B。在该实施例中，固定基座2使用硅，它也用于传感器芯片1，或用硼硅酸盐玻璃，它的线膨胀系数近似等于传感器芯片1。而且，应变吸收部分与固定基座2的薄壁部分22成一整体。传感器芯片1的厚壁部分12设有四个静压敏感膜15，通过这些膜15，静压传感器能产生等于前面实施例的静压传感器两倍的输出。这样，能得到具有比较高的S/N的过程压力信号。当固定基座2由硼硅酸盐玻璃制作时，固定基座2不需要任何接合层20就可与传感器芯片1相接合，且也没有由阳极氧化物结合过程产生的任何应变，并且传感器的制造也容易，提高了传感器的经济效益。在固定基座2由硅制作的情况下，在传感器芯片1和固定基座2的结合部分21之间需要插入几十微米厚的氧化物薄膜、高绝缘氧化物焊剂层或陶瓷焊剂层，以便电气绝缘或结合。在这种情况下，传感器的制造能按照与传统的半导体工艺相同的工艺很容易地进行。而且，固定基座2在材料特性上，尤其是线膨胀系数与传感器芯片1的相等，因此，传感器能获得极好的温度特性。

图9A和图9B显示了本发明第四个实施例，其中固定基座2的结合部分21和薄壁部分22按照其功能用不同的材料制成。薄壁部分22具有结合应变吸收部分24。结合部分21的材料使用硼硅酸盐玻璃，而金属材料如Fe-Ni合金用于薄壁部分22。该实施例的传感器芯片1，在厚壁部分12中没有静压敏感膜而用静压电阻器。该实施例不会降低本发明所具有的优点，而且还有这样一种有利作用：固定基座2的结合部分21可以通过阳极氧化物结合工艺与传感器芯片1相结合而不用任何结合层，且不产生应变。而且，传感器芯片1和固定基座2的结合部分21以一块基片为基础(在一个晶片中)整个结合在一起。在该实施例中，传感器芯片1和固定基座2在杨氏模量上有相当大的差别，且在加静压期间在传感器芯片1的上表面中由于应变差而产生挠应变。这样，即使没有静压敏感膜也能产生静压信号，而且没有必要去关心静压敏感膜的强度(最大工作压力)。因此，能提供具有相当高的最大工作压力的传感器且传感器的尺寸也可以有所减小。当薄壁部分22使用在线膨胀系数上几乎等于传感器芯片1的Fe-Ni合金时，薄壁部分22可通过阳极氧化物结合工艺结合到结合部分21上，并且通过结合应变吸收部分24由氩弧焊接或等离子焊接很容易结合到壳体4上。在薄壁部分22使用Fe-Ni合金以外的金属材料的情况下，可以在薄壁部分22和结合部分21之间设置结合层212。该结合层可由氧化物焊剂如软低熔点玻璃、有机或无机粘合剂或金属焊剂制成。薄壁部分22可以很容易地焊到壳体4上。该软结合层212能够吸收静压引起的压力应变和温度变化引起的温度应变。在该实施例中，通过用Fe金属材料制造固定基座2的薄壁部分22，传感器的装配是很方便的，可以达到高的生产率，且传感器具有良好的经济效益。

图10A和图10B表明本发明的第五个实施例。在这实施例中，固定基座2结合部分21和薄壁部分22按照其功能由不同的材料制成。薄壁部分22具有结合应变吸收部分24，而传感器芯片1的厚壁部分12至少具有两个形成在该厚壁部分12上的静压敏感膜15。采用这种结构，可以根据材料的电气绝缘、结合特性、形成结合层时的粘合特性和形状如平面形还是管形等要求，使用适当的材料制成的结合部份21和薄壁部分22；例如，电气绝缘用于结合部分21；结合部分21在线膨胀系数上尽可能地等于传感器芯片1；结合部分21可用陶瓷如SiC或硼硅酸盐玻璃来制作以便赋予传感器以良好的温度特性；而薄壁部分22用陶瓷SiC、硼硅酸盐玻璃，或金属材料如Fe-Ni合金来制作。当在这样的组合中，即薄壁部分22用Fe-Ni合金制作时，薄壁部分22可通过焊接接合到壳体4上，并且该传感器除了具有前面所述的优点以外在元件装配方面也很有利。另一方面，薄壁部分22可用高绝缘材料如陶瓷或硼硅酸盐玻璃来制作，而接合部分21使用材料如硅和Fe-Ni合金，这一材料在线膨胀系数方面近似等于传感器芯片1的材料。如先前在上述各实施例中所述的各种焊剂或粘合剂可以以适当的配比组合用于制作结合层20、212和3。除了本发明的有利之点以外，该实施例的传感器还具有这样的优点，即各种金属材料都可使用，而且传感器的制造和组装也很方便。

图11A和图11B表示本发明第六个实施例：至少一个与前面实施例中的固定基座2的薄壁部分22相对应的薄壁部分42与壳体4形成整体；如已描述的那样，该薄壁部分42的外直径2C＜压差敏感膜11的内直径2A；薄壁部分42和用于安装传感器芯片1的厚壁部分12的结合部分21通过结合层421结合；而薄壁部分42至少有一个应变吸收部分44形成在它的远离固定基座2的结合部分21的部分。在该实施例中，壳体4通常用金属材料制成，因此固定基座2使用一种具有高绝缘的且在线膨胀系数上近似等于传感器芯片1的材料。这样的材料包括硼硅酸盐玻璃、陶瓷如SiC和具有绝缘涂层20的硅基片。在该实施例中，固定基座2的薄壁部分42设于壳体4，这样能减少传感器的材料消耗而不会损害本发明前面所描述的优点。而且，传感器芯片1和固定基座2作为与壳体4分开的传感器芯片组件来制造，因此该实施例的传感器在经济效益上有利且容易制造。

虽然本发明主要是围绕多功能压差传感器进行描述的，但本发明也可用于仅有压差的传感器。在本发明中，半导体芯片可以是任何传统的芯片，其中心部分可以没有厚壁部分。

Claims (15)

1.一种压差传感器包括在其单芯片上具有相反的第一和第二表面的半导体芯片，和与该半导体芯片的第一表面结合以牢靠安装该半导体芯片的固定基座，半导体芯片在两相反表面的至少一个面上设有检测分别加给其表面的两压力之间差的压差检测装置，其特征在于，所述固定基座有一个形成于其与所述半导体芯片和所述固定基座之间的结合处相对的表面中的通道，以便引入一个压力加到所述半导体芯片的第一表面上。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述固定基座有一中空部分和形成接合面的外周面，在该外周面上所述固定基座与所述半导体芯片相接合，且另一压力通过所述空心部分加到所述半导体芯片上。

3.一种压差传感器，包含：

至少具有一压差检测装置的半导体芯片，

与所述半导体芯片相结合以确保所述半导体芯片固定安装的固定基座，

用于测量的第一流体的通道，

另一个用于要测量的第二流体的通道，所述第二流体通道由形成在所述固定基座的中空部分和所述半导体芯片的一表面所限定，其特征在于，

所述第一流体通道形成在所述半导体芯片的另一个表面和所述固定基座的一个表面中，这两个表面各自与所述半导体芯片和所述固定基座之间的接合处相对。

4.一种多功能压差传感器，它包含：

一包含一薄壁部分的单片半导体芯片，所述薄壁部分具有安装其上用于检测压差的压差检测装置；和一形成在所述薄壁部分周围上的厚壁部分，所述厚壁部分有一安装其上用于检测静压的静压检测装置，具有结合面的固定基座，在该结合面上所述固定基座与所述半导体芯片相结合；和与所述固定基座结合的壳体；其特征在于，

所述固定基座的结合面在面积上大于所述半导体芯片的所述厚壁部分，但在厚度上小于所述半导体芯片的所述厚壁部分，该固定基座还有一个薄壁部分，从平面视图看，该薄壁部分安排在所述半导体芯片的所述薄壁部分范围内。

5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，进一步包含设置在所述半导体芯片的所述厚壁上的用于检测温度的装置。

6.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述固定基座由陶瓷组成并具有形成在与所述半导体芯片相结合的结合面上的第一结合层，第一结合层由从低熔点玻璃等氧化物焊剂中选择的焊剂、薄金属膜Au焊剂或薄金属膜Au-Si合金焊剂制成，且该固定基座通过第二结合层与所述壳体相结合，该第二结合层形成在所述固定基座的与所述壳体相结合的部分，且该第二结合层由上述焊剂、无机物粘合剂和有机物粘合剂之一制成。

7.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述固定基座由Fe-Ni合金制成并具有形成在与所述半导体芯片结合的所述接合面上的接合层，该接合层由高介质强度的氧化物焊剂制成，且该固定基座用焊接牢固地接合到所述壳体上。

8.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述固定基座由硼硅酸盐玻璃制成，利用阳极氧化物结合工艺与所述半导体芯片相结合，且通过结合层牢固地与所述壳体相结合，该结合层形成在所述固定基座的与所述壳体相结合的部分上，且由低熔点玻璃等氧化物焊剂、金属焊剂、无机粘合剂和有机粘合剂之一制成。

9.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述固定基座由硅制成并具有形成在与所述半导体芯片相结合的结合面上的层，该层由低熔点玻璃或氧化物构成用作电气绝缘和结合的焊接层，所述固定基座通过另一结合层牢靠地与所述壳体结合，该结合层形成在所述固定基座的与所述壳体相结合的部分上，且由低熔点玻璃等氧化物焊剂、金属焊剂、无机物粘合剂和有机粘合剂之一制成。

10.一种多功能压差传感器，包含：

包括一厚壁部分的单片半导体芯片；有一个结合到所述半导体芯片的所述厚壁部分的结合面的第一固定基座；一具有将所述半导体芯片的信号取到外部装置的壳体，所述单片上有：检测压差的压差检测装置，检测温度的温度检测装置和检测静压的静压检测装置；所述压差检测装置包括一压力敏感膜；其特征在于，

所述结合面在面积上大于所述半导体芯片的厚壁部分而在厚度上最多等于所述半导体的厚壁部分，

一薄壁结构的第二固定基座，从平面视图看，其外周缘安排在所述半导体芯片的所述压差检测装置的压力敏感膜的范围内，并有一个结合到所述第一固定基座的面，和

所述壳体结合到所述第二固定基座的另一面。

11.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，所述第一固定基座由硼硅酸盐玻璃制成，所述第二固定基座由Fe-Ni合金和Fe合金两者中任一材料制成，所述半导体芯片和所述第一固定基座利用阳极氧化物结合工艺相互接合，而所述第一和第二固定基座利用阳极氧化物结合工艺、低熔点玻璃等氧化物焊剂、无机粘合剂、有机粘合剂和金属焊剂之一结合。

12.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，所述第一固定基座由陶瓷和硼硅酸盐玻璃中任一材料制成，所述第二固定基座由从陶瓷、硼硅酸盐玻璃、Fe-Ni合金和另一种金属材料中任选一种材料制成，所述半导体芯片和所述第一固定基座利用低熔点玻璃等氧化物焊剂、Au-Si合金金属膜焊剂、Au金属膜焊剂、另一种金属焊剂、阳极氧化物结合工艺、无机粘合剂和有机粘合剂之一相互结合，且所述第一和第二固定基座利用低熔点玻璃等氧化物焊剂、Au-Si合金金属膜焊剂、Au金属膜焊剂、另一种金属焊剂、阳极氧化物结合工艺、无机粘合剂和有机粘合剂之一结合。

13.一种多功能压差传感器，包含：

包括一厚壁部分的单片半导体芯片，具有与所述半导体芯片结合的结合面的固定基座，和包括一将所述半导体芯片的输出信号取到外部装置的一壳体；所述单片上有检测压差的压差检测装置；检测温度的温度检测装置，和检测静压的静压检测装置，所述压差检测装置包括一个压力敏感膜；其特征在于，基座的所述结合面在面积上大于所述半导体芯片的厚壁部分，在厚度上最多等于所述半导体芯片的厚壁部分；所述壳体包括结合到所述固定基座的薄壁结构的结合部分；和从平面视图看，壳体的所述结合部分有一安排在所述半导体芯片的所述压差检测装置的压力敏感膜范围内的外周部。

14.如权利要求13所述的传感器，其特征在于，所述固定基座由陶瓷制成并具有形成在与所述半导体芯片相结合的结合面上的结合层，所述结合层由低熔点玻璃等氧化物焊剂、Au膜金属焊剂、Au-Si合金膜金属焊剂和另一金属焊剂之一制成，所述固定基座通过上述层、无机粘合剂和有机粘合剂之一固定地结合到所述壳体的薄壁结构的所述结合部分上。

15.如权利要求13所述的传感器，其特征在于，所述固定基座由硼硅酸盐玻璃制成，它通过阳极氧化物结合工艺结合到所述半导体芯片，并且通过一个由低熔点玻璃的氧化物焊剂、金属焊剂、无机粘合剂和有机粘合剂之一制成的层固定地结合到所述壳体的薄壁结构的所述结合部分上。

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