CN105705926B - 包括用于对耐受温度变化的粘合剂层进行控制的结构的压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压力传感器，其包括敏感元件、外壳、中间结构以及粘合剂层，该敏感元件包括安装衬底，该安装衬底包括顶面和底面，该敏感元件还包括可形变膜片，该可形变膜片被连接至所述安装衬底的顶面；该敏感元件被放置在所述外壳中，所述外壳包括基底；所述中间结构被放置在所述外壳的基底和所述安装衬底之间，所述中间结构包括基底，该基底包括顶面和底面，该底面被连接至所述外壳的基底，所述中间结构被配置成使得所述安装衬底与所述中间结构的顶面之间保持预定的距离；所述粘合剂层在所述中间结构的顶面上延展。所述粘合剂层的厚度由所述安装衬底与所述中间结构的顶面之间所保持的预定的距离来控制。本发明还涉及一种用于制造所述压力传感器的方法。

Description

包括用于对耐受温度变化的粘合剂层进行控制的结构的压力 传感器

技术领域

本发明涉及一种包括安装衬底和被布置在安装衬底上的可形变膜片的压力传感器。

背景技术

参照图1，压力传感器包括包含有可形变膜片10的敏感元件1，可形变膜片10的形变表示了施加于该膜片上的压力。膜片被放置在典型地由玻璃基材料(matériauàbase deverre)制成的安装衬底11上。此外，膜片10对用于测量压力的元件12a、12b、12c进行支承。

敏感元件1被装配至金属外壳2。安装衬底通过例如硅酮基的中间粘合剂层3被连接至外壳，中间粘合剂层3在经受温度变化时具有柔性(RTV硅胶)。

这种粘合剂层3的使用将影响传感器的精度。

事实上，传感器的精度对热循环敏感，并且温度变化引起敏感元件和外壳之间的约束(由于两种材料的热膨胀系数之间的差异而产生的约束)；该约束由安装衬底11传递，并且产生了机械应力以及因此产生了可形变膜片10的机械形变，该形变被传递至用于测量压力的元件上，并且该形变生成了来自于敏感元件的信号的残留偏移量(offset)，非零的残留偏移量与被应用于由热机械约束(contraintes thermo-mécaniques)所引起的应力的温度变化成比例。

然而，该约束几乎可以被粘合剂层3吸收。

但是，如果粘合剂层的厚度太薄，则约束会被部分地转移至敏感元件，并且在该敏感元件上产生形变，在用于测量压力的元件上所产生的形变在所测量的信号上生成了残留偏移量，该残留偏移量是非零的，并且该残留偏移量与所应用的温度变化成比例，以及与由热机械约束所引起的应力成比例；不依赖于压力的该残留偏移量产生了被称为温度滞后的测量误差。

因此，需要能够对装配前述类型的压力传感器的过程中所使用的粘合剂层的厚度进行控制。

发明内容

本发明意在克服这种缺陷。

为此，本发明提出了一种压力传感器，包括：

包含有安装衬底的敏感元件，所述安装衬底包括顶面和底面，敏感元件进一步包括可形变膜片，可形变膜片被连接至安装衬底的顶面；

外壳，敏感元件被放置在外壳中，该外壳包括基底；

中间结构，其被布置在外壳的基底与安装衬底之间，所述中间结构包括基底，该基底包括顶面和被连接至外壳的基底的底面，所述中间结构进一步包括多个楔形体，该多个楔形体被布置成使安装衬底与基底的顶面之间保持预定的距离；

粘合剂层，其在基底的顶面上以及在楔形体之间延展，所述粘合剂层的厚度由安装衬底与基底的顶面之间的预定的距离来控制。

本发明有利地通过单独使用下述特征或使用下述特征的任何技术上可能的结合来实现：

-中间结构被进一步配置成限定介于安装衬底的底面与中间结构的顶面之间的空间；

-中间结构为矩形并且包括四个楔形体，每一个楔形体被放置在所述中间结构的一个角上，并且这些楔形体使安装衬底与中间结构的顶面之间保持预定的距离；

-中间结构是可形变的；

-中间结构包括薄部和厚部，所述薄部支承粘合剂层；

-中间结构进一步包括支承台，该支承台被布置在所述中间结构的薄部中央；

-中间结构是由选自于下述组中的材料所制成的衬底：硅、玻璃、石英、派莱克斯耐热玻璃(Pyrex^TM)、氧化铝、蓝宝石、碳化硅(SiC)；

-粘合剂层以硅酮为基本成分，硅酮为在经受温度变化时具有柔性的材料；

-中间结构的底面通过黏合层的中介作用被连接至外壳的基底；

-黏合层例如是环氧树脂层；

-粘合剂层的厚度等于敏感元件与中间结构的顶面之间所保持的预定的距离；

-该压力传感器包括中央凹部，使得所述压力传感器被配置成差异性地测量压力。

本发明还涉及一种用于制造前述压力传感器的方法，该方法包括下述步骤：

提供包含有安装衬底的敏感元件，所述安装衬底包括顶面和底面，敏感元件进一步包括可形变膜片，可形变膜片被连接至安装衬底的顶面；

提供包含有基底的外壳；

提供包含有基底的中间结构，基底包括顶面，所述中间结构进一步被配置成使安装衬底与中间结构的顶面之间保持预定的距离；

将粘合剂层沉积在中间结构的顶面上，所述粘合剂层的厚度由安装衬底与中间结构的顶面之间的预定的距离来控制；

将中间结构连接至安装衬底；

将中间结构连接至外壳的基底。

附图说明

本发明的其他特征、目的和优势将从以下描述中体现出来，该描述仅为了说明并且是非限制性的并且必须参照附图，附图中除了已经讨论过的图1之外：

-图2示出了根据本发明的第一实施例的压力传感器；

-图3示出了根据本发明的第二实施例的压力传感器；

-图4示出了根据本发明的第三实施例的压力传感器；

-图5示出了根据本发明的第四实施例的压力传感器；

-图6示出了根据本发明的第一实施例的压力传感器的中间结构的视图；

-图6a和6b分别示出了根据本发明的第二实施例的压力传感器的中间结构的俯视图和底视图；

-图7示意性地示出了用于制造根据本发明的压力传感器的方法步骤；

-图8分别以两种形变状态比较性地示出了根据本发明的第三实施例的压力传感器以及根据本发明的第四实施例的压力传感器。

在所有附图中，相似的元件具有相同的标记。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的第一实施例的压力传感器。

该传感器包括：

-敏感元件1；

-外壳2，敏感元件被放置在外壳2中，该外壳包括基底21；

-粘合剂层3，其厚度为e；以及

-中间结构4。

敏感元件包括安装衬底11，安装衬底11包括顶面11a和底面11b，敏感元件1进一步包括可形变膜片10，可形变膜片10被连接至安装衬底11的顶面11a。

安装衬底11可以由以下述各项为基本成分的材料制成：玻璃、硅、石英、派莱克斯耐热玻璃、蓝宝石、氧化铝、碳化硅(SiC)。

通过阳极密封、或借助于具有或不具有中间层的分子键或原子键、或通过烧结或通过铜焊，将可形变膜片10连接至安装衬底11。

可形变膜片10典型地通过使用例如由单晶硅、蓝宝石或其他材料构成的衬底来形成，单晶硅诸如为绝缘体上的硅(SOI，Silicon On Insulator)和绝缘体上的多晶硅(PSOI，Poly Silicon On Insulator)，蓝宝石诸如为蓝宝石上的硅(SOS，Silicon On Sapphire)，其他材料诸如为绝缘体上的SiC(SiCOI，SiC on Insulator)或SiC。

此外，电绝缘层13被布置在可形变膜片10之上。在SOI或PSOI膜片的情况下，该层例如由SiO₂制成。在该绝缘层13上，不同的材料(诸如氮化物、氧化物、金属层、单晶硅和多晶硅)被布置以形成用于测量压力的元件12a、12b、12c(在图2中，仅显示了三个用于测量压力的元件，虽然在实际中存在四个用于测量压力的元件)。

外壳2更优选地由金属材料制成。

中间结构4包括基底41，基底41具有顶面41a和底面41b，在顶面41a上延伸有粘合剂层3，底面41b被连接至外壳的基底。

为了控制粘合剂层的厚度e，中间结构4被配置成使得安装衬底11与中间结构4的顶面41a之间保持预定的距离d。

特别地，中间结构4的配置能够限定介于安装衬底11的底面11b和基底41的顶面41a之间的自由空间。

粘合剂层3正是被沉积在该空间40中。

以这种方式，中间结构4能够精确确定粘合剂层3的厚度e。

优选地，中间结构4包括与安装衬底11相接触的至少两个楔形体42、43。因此，由于该至少两个楔形体42、43，从而得到了在安装衬底11和中间结构4的顶面41a之间的预定距离d，这使得能够对被放置于基底41的顶面41a和安装衬底11的底面11b之间的粘合剂层3的厚度进行控制。

事实上，楔形体42、43使得能够对中间结构4的顶面41a与安装衬底11的底面11b之间的自由空间40进行限定，在楔形体42和43之间，粘合剂层被布置在该自由空间40中。此外，由于多个楔形体被布置在粘合剂层周围，因此也对楔形体42和43之间的空间进行了限定。在每一对楔形体之间的这个空间使得粘合剂层有可能沿着水平面(即，平行于顶面41a)向外延展，可能存在中间结构4和膜片10之间的粘合剂的累积的风险，更精确地而言在每个楔形体的顶面和可形变膜片的底面之间存在粘合剂的累积的风险。

相对于具有自身闭合的单个楔形体的配置，这种具有多个楔形体的配置提供了一定优势。事实上，当由该单个环形楔形体所包围的粘合剂层被延展和/或扩展时，该粘合剂只能在本身闭合的楔形体的顶环面之间滑动，这导致粘合剂层的厚度产生了不期望的变化，并且因此在传感器所获取的测量值中引入了误差。

更优选地，粘合剂层3以硅酮为基本成分，或者为当经受温度变化时具有柔性的任何粘合剂产品。举例来说，厚度e大于100μm的粘合剂层能够使得由温度循环所产生的误差最小化，并且使得能够得到可忽略的温度滞后(＜压力范围从几毫巴到几巴的传感器的满刻度的0.05％，并且温度在-55℃到+150℃之间)。

在没有如现有技术情况中的特定键合的任何其他作用的情况下，粘合剂层3的存在将影响压力传感器的精度。

图3示出了根据本发明的第二实施例的压力传感器。

该第二实施例与第一实施例类似但是不同于第一实施例，在第二实施例中的中间结构4是可形变的。

粘合剂层则被限制在两个可形变元件之间：膜片10和中间结构4之间，这两个可形变元件通过楔形体接触相连。

粘合剂层3可以因温度的作用而膨胀或收缩；粘合剂层3引起了可以通过楔形体的中介作用被传递至敏感元件1的应力。然而，中间结构的可形变性质使得能够吸收该应力的全部或部分，以致该应力不会被传递至元件1；这在传感器的使用期间是很重要的，并且特别在传感器工作在不同温度的情况下是很重要的。

根据该实施例，中间结构4除了包括顶面41a和底面41b之外，还包括薄部41c和基底41d，基底41d形成了中间结构4的厚部41d。

优选地，粘合剂层3依附于薄部41c之上。厚部41d的厚度大于薄部41c的厚度。正是这个厚度差异造成了薄部41c的形变，并因此提供了阻尼功能。

图8比较性地示出了根据第二实施例的传感器(右侧)以及没有薄部41c的另一个实施例，两个示例均承受了朝向膜片穹形拱起的弯曲类型形变(上侧的图)和朝向外壳穹形拱起的弯曲类型形变(下侧的图)。由于提供了阻尼功能的薄部41c，因此根据第二实施例的传感器的可形变膜片10所形变的程度小于在左侧示出的没有中央薄部的实施例膜片的形变程度。这进一步有助于因温度降低而产生滞后，并且因此改进了压力传感器的性能。

为了保护中间结构4(这里是可形变的)免受被施加在薄部41c的任何超压，中间结构4在其中心包括支承台41e。因此，在超压的情况中，支承台41e将与外壳2的基底21相接触。支承台41e可以通过与中间结构的剩余部分相连的单个部分来形成，或支承台41e可以被添加并且之后被连接至中间结构4的薄部41c。

当然，在该第二实施例中，中间结构4包括与安装衬底11相接触的至少一个楔形体42、43。

图4示出了根据本发明的第三实施例的压力传感器。

该第三实施例与第一实施例类似，并且另外包括中央凹部50，以致压力传感器被配置成差异性地测量压力(上述图2中的传感器允许对压力的绝对测量)。当然，如在图3中所所示出的，可形变膜片10没有被凹部50穿过。

图5示出了根据本发明的第四实施例的压力传感器。

该第四实施例与第二实施例类似，并且另外包括中央凹部50，以致压力传感器被配置成差异性地测量压力。在该图中，支承台4e不可见，因为这是截面图。然而，应理解的是凹部形成在支承台的中央。

有利地，如在图6、6a和6b示出的，中间结构4为矩形，或具有适于支承安装衬底11的形状和尺寸。有利地，中间结构4包括多个楔形体(在示例中为四个)42、43、44、45，更精确地为从中间结构4突出的四个凸起。每一个楔形体被放置在中间结构的各个角中。在该实施例中，在每一对楔形体之间限定了通道，因此通过使每一对相邻楔形体之间的四个通道保持自由，粘合剂层在四个不同的方向上能够进行延展并且水平地膨胀。

中间结构4可以由以下述各项为基本成分的材料制成：玻璃、硅、石英、派莱克斯耐热玻璃、蓝宝石、氧化铝、SiC。

以补充的方式而言，中间结构4的底面41b通过黏合层5的中介作用被连接至外壳2的基底。该黏合层5优选地是环氧树脂层。

本发明还涉及一种用于制造如上所述的压力传感器且与图7相关的方法。

该制造方法包括下述步骤：

-提供E1敏感元件1；

-提供E2外壳2；

-提供E3中间结构。

一旦提供了传感器的主要元件，该方法便可包括下述步骤：

-将粘合剂层3沉积E4在中间结构4的顶面上，所述粘合剂层的厚度由安装衬底11与基底41的顶面41d之间的预定距离来控制。

-将中间结构连接E5至安装衬底11，中间结构设置有所述至少一个楔形体42、43、44、45；

-将中间结构4连接E6至外壳的基底21。

上述方法步骤的顺序没有限制性。特别地，在不影响最终得到的结构的前提下，沉积粘合剂层的步骤(步骤E4)、连接中间结构4的步骤(步骤E5)以及将中间结构连接至基底的步骤(步骤E6)的顺序可以被修改。

当安装衬底11被放置在中间结构之上时，在步骤E5中进行对粘合剂层厚度的控制。

如上文所指出的，多个楔形体42、43允许对粘合剂3的厚度进行控制，并且允许粘合剂的延展。在传感器的不同部件的装配期间，对粘合剂的厚度和延展的控制特别地能够防止粘合剂在楔形体42、43与安装衬底之间的累积。

Claims (14)

1.一种压力传感器，包括：

敏感元件(1)，该敏感元件(1)包括安装衬底(11)，该安装衬底(11)包括顶面(11a)和底面(11b)，所述敏感元件(1)进一步包括可形变膜片(10)，该可形变膜片(10)被连接至所述安装衬底(11)的所述顶面(11a)；

外壳(2)，所述敏感元件(1)被放置在该外壳(2)中，该外壳包括基底(21)；

中间结构(4)，其被布置在所述外壳(2)的所述基底(21)与所述安装衬底(11)之间，所述中间结构(4)包括基底(41、41d)，该基底(41、41d)包括顶面(41a)和被连接至所述外壳的所述基底(21)的底面(41b)，所述中间结构(4)进一步包括多个楔形体(42、43、44、45)，该多个楔形体(42、43、44、45)被布置成使所述安装衬底(11)与所述基底(41、41d)的所述顶面(41a)之间保持预定的距离(d)，所述多个楔形体在所述安装衬底(11)与所述中间结构(4)中间限定了自由空间(40)；

粘合剂层(3)，其在所述基底(41、41d)的所述顶面上延展以使得所述多个楔形体被布置在所述粘合剂层周围，所述粘合剂层(3)的厚度(e)由所述安装衬底(11)与所述基底(41、41d)的所述顶面之间的所述预定的距离(d)来控制。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述中间结构被进一步配置成限定介于所述安装衬底(11)的所述底面(11b)与所述中间结构(4)的所述顶面(41a)之间的空间(40)。

3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其中，所述中间结构(4)为矩形，并且包括四个楔形体(42、43、44、45)，每一个楔形体被放置在所述中间结构(4)的一个角上。

4.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其中，所述中间结构(4)是可形变的。

5.根据权利要求4所述的压力传感器，其中，所述中间结构(4)进一步包括薄部(41c)和厚部(41d)，所述薄部(41c)支承所述粘合剂层(3)。

6.根据权利要求5所述的压力传感器，其中，所述中间结构进一步包括支承台(41e)，所述支承台(41e)被布置在所述中间结构(4)的所述薄部(41c)的中央。

7.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其中，所述中间结构(4)是由选自下述组中的材料所制成的衬底：硅、玻璃、石英、氧化铝、蓝宝石、碳化硅。

8.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其中，所述中间结构(4)是由派莱克斯耐热玻璃制成的衬底。

9.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其中，所述粘合剂层(3)以硅酮为基本成分，硅酮为在经受温度变化时具有柔性的材料。

10.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其中，所述中间结构(4)的所述底面(41b)通过黏合层(5)的中介作用被连接至所述外壳(2)的基底。

11.根据权利要求10所述的压力传感器，其中，所述黏合层(5)是环氧树脂层。

12.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其中，所述粘合剂层(3)的厚度(e)等于所述敏感元件(1)与所述中间结构(4)的所述顶面之间所保持的所述预定的距离(d)。

13.根据权利要求1或2所述的压力传感器，包括中央凹部(50)，该中央凹部(50)使得所述压力传感器被配置成差异性地测量压力。

14.一种用于制造根据权利要求1至13中任一项所述的压力传感器的方法，该方法包括下述步骤：

提供(E1)敏感元件(1)，所述敏感元件(1)包括安装衬底(11)，所述安装衬底包括顶面(11a)和底面(11b)，所述敏感元件进一步包括可形变膜片(10)，该可形变膜片(10)被连接至所述安装衬底(11)的所述顶面(11a)；

提供(E2)包含有基底(21)的外壳(2)；

提供(E3)中间结构(4)，该中间结构(4)包括基底(41)，该基底(41、41d)包括顶面(41a)，所述中间结构(4)进一步包括多个楔形体(42、43、44、45)，该多个楔形体(42、43、44、45)被布置成使所述安装衬底(11)与所述基底(41、41d)的所述顶面(41a)之间保持预定的距离(d)，所述多个楔形体在所述安装衬底(11)与所述中间结构(4)中间限定了自由空间(40)；

在所述中间结构(4)的顶面上沉积(E4)粘合剂层(3)以使得所述多个楔形体被布置在所述粘合剂层周围，所述粘合剂层(3)的厚度(e)由所述安装衬底(11)与所述基底(41、41d)的所述顶面之间的所述预定的距离(d)来控制；

将所述中间结构(4)连接(E5)至所述安装衬底(11)；

将所述中间结构(4)连接(E6)至所述外壳的所述基底(21)。