CN104515639A - 用于介质压力传感器的管芯结合设计 - Google Patents
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Abstract
一种微机电压力传感器，其通过向基座的正方形顶面施加预定量的液体环氧树脂粘合剂并允许液体粘合剂本身分布在顶面上而在基座上而由硅管芯中心本身形成，该基座由金属或电介质形成。被放置到液体粘合剂上的MEMS管芯由于管芯的侧面与顶面之间的表面张力而在顶面上被置于中心。
Description
背景技术
基于硅的微型传感器使用所谓的MEMS（微机电系统）技术来实现低成本和高性能。一个此类器件是MEMS压力传感器，其包括向其上面形成压阻电路（通常地为惠斯通电桥）的小的薄硅隔膜。由施加于隔膜的压力引起的隔膜应力改变桥路中的压电电阻器电阻值。电子电路检测压阻桥路的电阻变化并输出表示外加电压的电信号。一个此类期间是在美国专利8,466,523中公开的“差分压力传感器件”，该美国专利的内容被通过引用结合到本文中。
为了感测液体或气体（两者都为流体）的压力，需要将流体的压力施加于硅隔膜。通常使用被形成到隔离物的端口或孔来实现向硅隔膜施加流体的压力，具有压电电阻器的硅管芯被附着于该隔离物。因此通过隔离物的端口或孔的精确对准是重要的。然而，随着微型传感器变得越来越小，将其组装使得其结构适当地相互对准变得越来越有挑战性。在MEMS硅管芯与隔离物或基座（其将自动地使硅管芯对准到隔离物或基座上）之间形成的结合点或连接相比于现有技术将是改进。
发明内容
本发明的实施例针对一种微机电压力传感器，其通过向基座的正方形顶面施加预定量的液体环氧树脂粘合剂并允许液体粘合剂本身分布在顶面上而在基座上而由硅管芯中心本身形成，该基座由金属或电介质形成。被放置到液体粘合剂上的MEMS管芯由于管芯的侧面与顶面之间的表面张力而在顶面上被置于中心。
附图说明
图1A—1C是直角矩形棱镜的示例的透视图；
图1D是直角矩形棱镜的顶视图，其垂直拐角具有半径；
图2是液体柱的弯曲上表面的截面图，也称为弯月面且在本文中也称为平缘；
图3是MEMS压力传感器的透视图；
图4是图3中所示的传感器的顶视图；
图5是图4中所示的传感器的截面图；以及
图6是示出了将MEMS管芯附着于基座的方法的步骤的流程图。
具体实施方式
如本文所使用的直角矩形棱镜是以六个四边形面为界的凸面多面体。该四面性面可以是矩形或正方形的。
图1A是直角矩形棱镜100-1的一个实施例的透视图，其六个面是正方形。棱镜100-1具有顶面102-1、相对底面104-1和四个侧面106-1、108-1、110-1以及112-1。由于外表面是正方形，所以图1A中所示的直角矩形棱镜100-1是立方体。
图1B描述了直角矩形棱镜100-2的另一实施例。其顶面和底面102-2和104-2是正方形，但是其侧面106-2、108-2、110-2以及112-2是矩形。侧面高度尺寸114小于侧面宽度尺寸116。高度尺寸114还小于棱镜100-2的深度尺寸118。
图1C是直角矩形棱镜100-3的另一实施例。其也具有顶面102-3、相对底面104-3，但是顶面和底面是矩形。然而，不同于图1A和1B中所示的棱镜100-2和100-2，图1C中所示的直角矩形棱镜100-3高于其长度或宽度。其侧面高度尺寸120大于其侧面宽度124和其深度122。
图1D示出了直角矩形棱镜100-4的另一实施例的顶面102-4。在图1D中，垂直取向拐角150是圆形的且具有曲率半径R。
图2是典型平缘200的截面图，其是当体积或液体201接触两个表面204和206时形成的一定体积的液体201的弯曲上表面。平缘200具有垂直高度208和水平宽度210。高度208和宽度210取决于液体201的粘性、其表面张力以及两个表面204和206的表面粗糙度和可润湿性。
图3是MEMS压力传感器300的透视图。图4是压力传感器300的顶视图。图5是传感器300的截面图。
传感器300包括微机电系统（MEMS）压力传感器半导体管芯301，此后称为MEMS传感器管芯301，其形状本质上是直角矩形棱镜。MEMS传感器管芯301具有顶面302、相对底面304以及四个垂直侧面306、308、310和312。
MEMS传感器管芯301借助管芯结合330而被附着于相当薄的基座314，其将自动地使MEMS传感器管芯301在基座314上面被置于中心。基座314的形状也是直角矩形棱镜，然而，其基本上平面顶面318上的拐角216优选地是圆形的，如下面所解释的。基座314具有四个、基本上垂直侧面320、322、324和326。
基座314优选地是电介质，但是其也可以由金属形成。然而，在优选实施例中，基座是塑料，并且通过在形成用于压力传感器的基板的材料周围和向其中模制沟槽而形成。在优选实施例中，基座314具有约0.1毫米的垂直高度。然而，在替换实施例中，增加基座314的高度以提供MEMS管芯从基板的附加应力隔离，基座被附着在该基板上或者由其形成基座。因此认为基座是用于MEMS管芯的应力隔离器。
基座314形成有通孔328，其在顶面318中被置于中心且在基座的底面319中被置于中心。孔328完全延伸通过顶面318和底面319，并且因此提供通过基座的通道，流体（液体和气体）能够容易地通过该通道，并在形成于MEMS传感器管芯301的顶面302中的隔膜上施加力。
基座314的顶面318“面对”MEMS传感器管芯301的底面304，但是两个表面318和304并不相互卡合或接触。MEMS传感器管芯301被嵌入环氧树脂粘合剂中，并且其顶面304与基座314的顶面318分离短距离，该短距离等于管芯结合粘合剂层的厚度，该层也称为管芯结合层330，其位于它们之间。
为了使得MEMS管芯301自动地使其本身与基座314的顶面318的中心对准，基座314的顶面318的表面面积“A”应大于MEMS传感器管芯301的底面304的面积B，如在图4中可以看到的。在优选实施例中，如在图4中可以看到的，MEMS管芯301的每侧在长度方面约为两毫米。基座的每个侧面远离MEMS传感器管芯301的侧面约0.65毫米。具有约6500厘泊的粘度的液体环氧树脂能够在MEMS管芯301的全部四个侧面上形成统一尺寸的平缘。还可确定基座的顶面318的拐角316应是圆形的以便促进液体粘合剂在MEMS传感器管芯301周围的分布且从而帮助形成统一尺寸的平缘。
在MEMS传感器管芯301与基座314之间的是在图5中最好地看到的前述管芯结合层300，其在本文中也称为结合层330和管芯结合330。管芯结合330是一层硬化环氧树脂，在本文中也称为固化环氧树脂。在其固化前液态中，环氧树脂具有粘度，其优选地约为6500厘泊。固化前液体环氧树脂被施加于基座314的顶面318。
施加于顶面318的液体环氧树脂id体积应是预定的，即在将其施加于基座314的顶面318之前确定。液体粘合剂的体积应仅仅足以能够在顶面318的整个面积A上流动，而不是溢出到通孔328中。施加的液体环氧树脂的量因此将取决于顶面318的面积A、顶面318的粗糙度以及正在使用的特定液体粘合剂的粘度。基座中的通孔328将使得压力传感器300不可操作，该通孔328由于过多的环氧树脂被施加于基座314的顶面318而在组装期间被环氧树脂堵塞或者甚至部分地阻塞。
几乎立即在将液体环氧树脂施加于基座314的顶面318之后，将MEMS传感器管芯301放置到液体上。当MEMS传感器301被放置在液体环氧树脂的顶部上时，其将开始沉入液体粘合剂中。随着MEMS传感器管芯301下沉，液体环氧树脂的表面张力促使液体粘附于、即润湿MEMS传感器管芯301的垂直侧面306、308、310、312以及电介质基座314的水平顶面318。
随着MEMS传感器沉入液体粘合剂中，表面张力促使平缘331在MEMS传感器管芯301的每个侧面306、308、310、312上且水平地跨基座314的顶面318而形成。如果在MEMS传感器管芯301的相对侧形成的平缘331并不是相同尺寸的，则在一侧的较大平缘331将在管芯的其侧面施加拉伸力，该拉伸力大于施加在MEMS传感器管芯301的相对侧的拉伸力。由在管芯301的一侧的较大平缘331施加的较大拉伸力趋向于在较大平缘331的方向上拉动MEMS传感器管芯301，在基座314的顶面318上打开区域，其允许更多的液体粘合剂在开放区域上流动，这还提供更多的液体粘合剂以均衡平缘331的尺寸，直至平缘由于由平缘施加在相对侧的力在量值方面但在相反的方向上变得相等而均衡为止。由于基座314的顶面318是正方形且由于MEMS传感器管芯301的底面304也是正方形，所以液体粘合剂将最后使其本身跨基座314的顶面318而均匀地分布，以针对MEMS传感器管芯301的每一侧形成相等尺寸平缘331。在液体粘合剂已使其本身均匀地跨基座314的顶面318且在MEMS传感器管芯301的垂直侧面306、308、310和312分布之后，相等尺寸平缘331将在基座的相对表面上施加相等量值但相反方向的力。此类力将把MEMS传感器管芯301向基座的精确中心推进。
在优选实施例中，平缘331优选地是对称的，以便减小由相当刚性的固化粘合剂施加在MEMS传感器管芯301上的结合应力。为了使得平缘331对称，基座314的顶面318的面积、施加于基座314的顶面318的液体粘合剂的体积、MEMS传感器管芯和基座表面的其粘度和可润湿性优选地被选择成使得当MEMS传感器管芯301被放置到液体粘合剂中时，平缘331将在MEMS传感器管芯301的侧面306、308、310和312上向上延伸垂直距离，该垂直距离等于平缘从MEMS传感器管芯301的侧面向基座314的侧面320、322、324、326水平地跨基座314的顶面318延伸的距离。
本领域的技术人员将认识到包括MEMS传感器管芯301、管芯结合层330和基座314的压力传感器300通常将被安装在由不同于基座材料的材料制成的某个其他表面上。当被这样安装时，可以增加基座高度以减小MEMS传感器管芯上的热致应力。
如图5中所示，与MEMS传感器管芯301的高度502相比，基座高度500是相对短的，即约0.1毫米。当压力传感器300被安装在塑料基板504上时，热膨胀系数的差可以促使由基板504在基座314上引起的热致应力被传输到MEMS传感器管芯301。在替换实施例中，根据需要而增加基座高度500以便提供MEMS传感器管芯301与基座上和其后MEMS传感器管芯301上的热致应力的更多隔离。
在优选实施例中，由基座的邻近垂直面形成的垂直取向拐角应是圆形的以确保平缘331的半径是统一的。图1D是具有被形成为具有半径R的垂直拐角150的直角矩形棱镜100-4的顶面102-4的视图。图1D因此描述了其垂直取向拐角为圆形以具有半径的基座的顶面。在优选实施例中，基座314的圆形拐角316的半径应基本上等于液体粘合剂的平缘200的水平宽度210。
图6是将压力传感器组装的方法600的流程图。在第一步骤602中，向塑料基座的顶面施加预定量的预定粘合剂，该量被确定为仅仅覆盖基座的顶面。在步骤604和608中，该方法等待预定的时间量直至液体粘合剂本身已跨基座的顶面而沉淀为止。在步骤608处施加MEMS传感器管芯，其后面是步骤610中的“等待”时间，在其期间液体粘合剂固化成坚硬的。
通过适当地确定直角矩形棱镜的尺寸使得下棱镜仅仅略微大于上棱镜且通过适当地确定粘合剂量的尺寸并选择具有适当粘度的粘合剂，施加于基座顶部上的液体粘合剂的MEMS传感器将促使MEMS传感器本身在基座的顶面上被置于中心。在环氧树脂固化之后，可以在环氧树脂固化之后将结果得到的结构附着到电路板或外壳上。通过基座的通孔将由于施加在MEMS传感器的侧面的液体粘合剂的表面张力而自动地以MEMS传感器中的通孔为中心。
前述描述仅仅是出于举例说明的目的。本发明的范围由以下权利要求限定。
Claims (18)
1. 一种压力传感器，包括：
微机电压力传感器（MEMS传感器），包括：
第一、基本上直角矩形棱镜，由硅制成，具有四个基本上垂直且基本上矩形的侧面和基本上正方形且相对的顶面和底面，第一棱镜的顶面和底面具有带有第一长度尺寸的四个基本上等长度侧边，顶面和底面具有相应的第一面积，顶面还限定隔膜，其响应于施加于隔膜的压力而偏转，该第一棱镜还具有通过底面的第一孔，并且其延伸通过第一棱镜而到达在隔膜下面的开放空间；
基座，由具有四个基本上垂直且基本上矩形的侧面和基本上正方形且相对的顶面和底面的第二基本上直角矩形棱镜形成，第二棱镜的顶面和底面具有带有第二长度尺寸的四个基本上相等长度的侧边和相应的第二面积，第二长度尺寸大于第一长度尺寸，该第二面积也大于第一面积，第二棱镜也具有第二孔，其延伸通过第二棱镜及其顶面和底面，第二孔与第一孔对准；以及
管芯结合层，位于第二棱镜的所述顶侧与第一棱镜的底面之间，管芯结合层由预定体积的液体粘合剂形成，其通过固化而硬化，该液体粘合剂在固化之前具有预定粘度，该粘合剂还具有表面张力，该液体粘合剂被选择成使得液体粘合剂的表面张力促使所述预定体积的液体本身均匀地分布在第二孔周围。
2. 权利要求1的压力传感器，其中，所述基座由电介质材料形成。
3. 权利要求1的压力传感器，其中，所述基座是金属的。
4. 权利要求1的压力传感器，其中，基座的基本上正方形顶面包括四个拐角，其是圆形的。
5. 权利要求4的压力传感器，其中，选择所述第一和第二面积、所述预定体积和所述粘度，并构造圆形拐角，使得液体粘合剂的预定体积形成四个、基本上相等尺寸的平缘，其被附着于第一棱镜的侧面且被附着于第二棱镜的顶面，平缘是被附着于第一棱镜的侧面和第二棱镜的顶面的液体粘合剂的凹面状积聚。
6. 权利要求5的压力传感器，其中，基座的圆形拐角具有第一曲率半径且液体粘合剂的平缘具有第二曲率半径。
7. 权利要求5的压力传感器，其中，基座的圆形拐角具有第一曲率半径且平缘具有垂直高度尺寸和水平宽度尺寸。
8. 权利要求6的压力传感器，其中，第一曲率半径和第二曲率半径是基本上相等的。
9. 权利要求6的压力传感器，其中，拐角的第一曲率半径和平缘的宽度尺寸是基本上相等的。
10. 权利要求1的压力传感器，其中，所述液体粘合剂润湿第一棱镜的侧面且润湿第二棱镜的顶面。
11. 权利要求1的压力传感器，其中，第一棱镜边长为约2毫米，第二棱镜边长为约3.25毫米且液体粘合剂是具有约6500厘泊（CPS）的粘度的环氧树脂，由此，液体粘合剂的表面张力使第一棱镜的中心与第二棱镜的中心对准。
12. 权利要求11的压力传感器，其中，第一和第二孔通过平缘而相互对准。
13. 一种形成压力传感器的方法，包括步骤：
向由具有四个、基本上垂直和基本上矩形侧面、具有中心的基本上正方形顶面和具有中心的相对基本上正方形底面的第一基本上直角矩形棱镜形成的基座的顶面施加预定量的预定液体粘合剂，所述顶面具有四个基本上相等长度的侧边和第一表面面积，第一棱镜具有第一通孔，其延伸通过顶面和底面，所述液体粘合剂本身在其固化之前分布在顶面上和孔周围；以及
在基座的顶面上向液体粘合剂施加微机电压力传感器管芯（MEMS传感器），该MEMS传感器由第二、基本上直角矩形棱镜形成，其由硅制成，该第二棱镜具有基本上平面的相对顶面和底面，其具有基本上相等长度的侧边，该顶面和底面具有中心和第二表面面积，该第二表面面积小于第一表面面积，该第二棱镜还包括通孔，其延伸通过顶面和底面；
由此，粘合剂在MEMS传感器被施加于液体粘合剂之后在MEMS传感器的外侧表面周围形成平缘，由此，在MEMS传感器周围的液体粘合剂的表面张力促使MEMS传感器被对准到基座的顶面的中心。
14. 权利要求13的方法，其中，所述基座由电介质材料形成。
15. 权利要求13的方法，其中，所述基座是金属的。
16. 权利要求13的方法，其中，所述基座由第一基本上直角矩形棱镜形成，其具有带有圆形的拐角的基本上正方形顶面。
17. 权利要求13的方法，其中，施加预定量的预定液体粘合剂的步骤还包括施加足以本身分布在顶面上和基座的孔周围但不足以行进至第一孔中的预定量的液体粘合剂。
18. 权利要求13的方法，其中，施加预定量的预定液体粘合剂的步骤包括施加液体环氧树脂的步骤，该液体环氧树脂在其液态下具有约6500厘泊的粘度。
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