CN110873621B - 压力传感器设备和感测压力的方法 - Google Patents

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Abstract

压力传感器设备包括设备封装(110)，其被布置成限定具有用于与腔体内部体积流体连通的开口的腔体(116)。腔体(116)包括侧壁(114，115)。提供细长压力传感器元件(100)，并且该元件具有近端(120)和远端(122)。侧壁(114,115)被布置成将压力传感器元件(100)的近端(120)固定地保持在侧壁中，使得压力传感器元件(100)悬臂式地悬挂在腔体(116)内的侧壁(114,115)上。

Description

压力传感器设备和感测压力的方法
本发明涉及例如包括设置在设备封装内的压力传感器的类型的压力传感器设备。本发明还涉及感测压力的方法，该方法是例如在设备封装内提供压力传感器的类型。
针对压力传感器设备的应用是多样的。实际上，仅考虑汽车工业为例，针对压力传感器设备存在一系列压力测量应用。然而，这种应用具有相关联的挑战。针对使用所谓的微电机系统(MEMS)技术所形成的压力感测设备尤其如此，其中压力测量需要在高静压和/或快速压力瞬变的情况下进行。例如，在汽车传动系统中，已知作为称为“压力空化”现象的结果发生快速压力波动。这种压力变化可损坏压力传感器设备。
冻结液体也为压力传感器设备带来了设计挑战。在这方面，已知压力传感器设备与将测量其压力的介质接触。然而，当介质冻结，压力传感器设备脆弱的MEMS部件可能损坏。例如，所谓的选择性催化还原(SCR)系统采用包括大量尿素的流体，该流体被分散在柴油引擎车辆的排气系统中以便减少车辆的NOx气体到大气中的排放，分散到排气系统中的流体与废气反应。然而，SCR系统的操作温度范围通常包括冻结温度，导致流体冻结的尿素成分使压力传感器设备损坏。汽油引擎使用的通过控制燃烧温度来提高其性能的注水系统也采用类似地易受损害的压力传感器。在此方面中，水会冻结，存在损坏所使用的基于MEMS的压力传感器设备的风险。
为了提供对恶劣压力条件和/或冻结介质具有免疫力的压力传感器设备，已知通过提供模块来制造压力传感器设备，该模块包括例如不锈钢的金属膜，金属膜焊接到模块的外围壁上。该膜以金属膜的一侧与待测介质流体连通的方式承载应变仪。然而，这种压力传感器设备不能很好地适应小型化并且缺乏使由用MEMS技术形成的压力传感器设备可实现的生产可扩展性。
作为替代，已知采用所谓的充油类型的压力传感器，其包括填充油的腔室。这种压力传感器设备可以使用MEMS技术形成，同时提供比传统MEMS压力传感器设备更好的对高静压和快速压力瞬变的免疫力。然而，这种压力传感器设备需要相对复杂的结构来支撑用油填充压力传感器设备。此外，在成本敏感的高批量市场中，充油压力传感器设备设计成本过高。
EP-A-2 657 669涉及使用MEMS技术形成的另一背面外露式压力传感器设备，其包括MEMS感测元件，但避免用油填充设备。为了耐受高压，必须仔细选择管芯连接材料，例如硬胶或者甚至焊料，以防止MEMS感测元件上的过度应变。相对非常厚的玻璃层有时也被用来充当应力缓冲器。还必须添加压力传感器设备的压力通道的特征以抑制可能发生的压力波动。另外，预期压力传感器设备暴露于预期有时冻结的介质，通常将复杂的可展开结构添加至压力感测设备的压力端口，以吸收由冻结介质引发的应力，从而减小因此转移至MEMS压力传感器元件的应力。然而，所采用的背面外露式结构可能是不可靠的，压力传感器设备具有许多拐角，这些拐角集中应力，导致设备中的破裂并且因此导致设备的故障。
使用背面外露式压力传感器的一种替代方式是非用油填充的正面式压力传感器。然而，这种结构需要保护传感器元件和引线键合免受介质影响，例如，通过用凝胶覆盖管芯，该凝胶将传感器元件和介质隔离，同时仍将介质中的压力传送给压力感测元件。虽然由该方法提供了对冻结介质的免疫力，但在该结构中使用凝胶不能耐受高静压级别或高动压级别，导致凝胶中气泡的形成并且最终导致压力传感器设备的引线键合故障，其因此导致液体介质中的电短路。
此外，许多应用需要绝对压力的测量。尽管采用MEMS技术的背面外露式压力传感器设备是最合适的，但它们仍遭受以上提到的缺陷并且需要感测元件的膜由盖支撑，因此还需要其中设置盖的腔体是浅的。然而，即使膜能耐受高压力级别，硅管芯在使用期间仍暴露于非常高的压力并且当快速压力瞬变发生或介质冻结时，压力传感器设备的太多结构(例如玻璃基座、硅管芯和盖)可能破裂。另外，背面外露式压力传感器通常由三个晶片形成，增加了制造复杂性并且因此增加了成本。由于晶片间存在热失配的可能性，使用三个不同晶片也进一步增加了设计复杂性。
US 2015/0128713描述了一种压力传感器，其包括承载应变仪的传感器部分，该传感器部分的形状是例如长方形平行六面体。传感器部分由支撑构件支撑，传感器部分的一端键合在支撑构件的边缘上，使得传感器部分由支撑构件悬臂式支撑。然而，该结构易受高静压、快速压力瞬变以及就压力传感器测量绝对压力而言的介质冻结的持续损害。
根据本发明的第一方面，提供了一种压力传感器设备，包括：设备封装，其被布置成限定具有用于与腔体内部体积流体连通的开口的腔体，该腔体包括侧壁；细长压力传感器元件，其具有近端和远端；其中侧壁被布置成将压力传感器元件的近端固定地保持在侧壁中，使得压力传感器元件悬臂式地悬挂在腔体内的侧壁上。
侧壁可以基本上围绕压力传感器元件的近端。
压力传感器元件可被流体围绕。流体可以是液体或凝胶状材料。
压力传感器元件可在其中包括封闭的腔体。
在使用时，膜还可将封闭腔体的内部体积与被测试的介质分开。封闭腔体的内部压力可限定参考压力。
压力传感器元件可包括：衬底层；以及与衬底层相邻设置的膜层；衬底层和膜层可协作以限定封闭腔体。
衬底层可以是玻璃层并且膜层可以是蚀刻硅层。
衬底层可以是第一硅层并且膜层可以是第二硅胶层。
衬底层可包括形成在其中的凹陷部分；该凹陷部分可限定开放的传感器元件腔体部分。
膜层可被布置成封闭该开放的传感器元件腔体部分。
设备封装可包括用于在使用时固定到对应配合表面的配合表面，其中配合表面可以限定设备封装腔体的开口并且可以是键接表面。该键接表面可以是粗糙表面。
压力传感器元件可以是微电机系统元件。
压力传感器元件可由两个晶片形成。
根据发明的第二方面，提供了一种绝对压力传感器设备，其包括如以上关于本发明第一方面所阐述的压力传感器。
根据发明的第三方面，提供了一种机动车辆，其包括如以上关于本发明第一或第二方面所阐述的压力传感器设备。
根据发明的第四方面，提供了一种感测压力的方法，该方法包括：提供限定具有用于与腔体内部体积流体连通的开口的腔体的设备封装，该腔体具有侧壁；并且侧壁将细长压力传感器元件固定地保持在压力传感器元件的第一端，从而将压力传感器元件悬臂式地悬挂在腔体内。
因此可能提供一种无论恶劣条件都能实现稳健的压力感测的设备和方法，恶劣条件例如流体中的高静压、快速瞬变压力和冻结介质。在这方面，压力传感器的膜不易受高压影响。该设备和方法还从需要更少的部件部分受益并因此很好地适应低成本高批量应用。此外，该设备的结构能够通过将压力传感器元件连接至设备封装或通过包覆成型将压力传感器元件连接至信号调节电路来保护引线键合，从而避免需要保护凝胶作为介质和压力传感器元件间的缓冲器。另外，该设备和方法可使用MEMS技术来制造，使得不需要硬胶或玻璃基座焊料来保持压力传感器。该设备的结构避免了形成具有暴露内角的压力传感器，其中由介质引发的应力可以集中。
将参照附图通过示例的方式描述本发明至少一个实施例，其中：
图1是构成本发明实施例一部分的压力传感器元件示意图；
图2是图1中压力传感器元件的示意平面图；
图3-5是图1中压力传感器元件形成的不同阶段的示意图；
图6是构成本发明一个实施例的封装的示意图；
图7是构成本发明一个实施例的压力传感器设备的示意图；
图8是构成本发明另一个实施例的用于接收压力传感器元件的部分成形的封装的示意图；
图9是构成本发明另一个实施例的形成图7的压力传感器设备的方法的流程图；
图10是构成本发明又一实施例的另一个压力传感器设备的示意图。
贯穿下列描述，相同的附图标记将用于标识相同的部件。
参看图1，压力传感器设备的压力感测元件100(例如MEMS压力传感器元件)包括衬底层102和表面膜层106，衬底层102具有形成在其中的腔体104，表面膜层106与衬底层102密封地相邻设置。衬底100可用任何合适的材料形成，例如硅或玻璃。对于某些应用，使用硅衬底是有利的，因为硅具有所需的机械性质和/或允许压电电阻器与硅衬底的集成将允许其在硅的晶体结构内的隔离。表面膜106也可以由任意合适的材料形成，例如硅。转向图2，压力传感器元件100是细长的，并且在该示例中，具有大致长方形形状。然而，本领域技术人员将领会可以采用其他形状。
参看图3-9，构成衬底102的晶片是从使用任意合适的生长技术(图3)生长的硅获得的。，在该示例中，限定开放的传感器元件腔体位置的凹陷位置或凹陷108随后在衬底102(图4)中使用表面微机械技术形成(步骤202)。然而，本领域技术人员将领会，其他半导体处理技术可以被采用来形成凹陷108，例如使用任意合适的蚀刻技术，诸如化学蚀刻技术。还应当理解，尽管在该示例中单个凹陷被描述为在衬底102中形成，在衬底102中可形成不止一个凹陷。
此后，随后与衬底102(图5)固定地相邻设置膜106(步骤204)，例如通过使用任意合适的技术键合的方式，例如MEMS晶片键合技术，诸如融合键合、阳极键合、玻璃料键合、或共晶键合，膜106在该示例中接地并且分别从较厚的初始硅晶片抛光，，从而封闭凹陷108并且因此形成封闭腔体104。将膜106施加至衬底102，使得所形成的腔体104在其中包括真空，例如通过在真空中将膜106施加至衬底102。
在另一个实施例中，压力传感器元件100可以通过提供具有第一侧和相反第二侧的初始硅晶片来形成。从第一侧蚀刻硅晶片来在其中形成开放腔体。足够深地蚀刻硅晶片来在硅晶片的第二侧仅留下硅衬底的壁区域的薄层。该薄背面壁构成整体形成的膜。玻璃晶片随后被键合至蚀刻硅晶片的开放第一侧来封闭开放腔体，例如使用阳极键合技术。在制造期间，在蚀刻之前可以在第二侧上限定压电电阻器，使得压电电阻器设置在硅衬底的壁区域的薄层上的压力传感器元件100的外部。
参看图6，压力传感器元件100是压力传感器设备的第一部分。在此方面中，第二部分是设备封装110。在该示例中，封装110包括基座112和侧壁114。侧壁114远离基座112延伸并且，在该示例中，基本垂直于基座112。然而，本领域技术人员将领会侧壁114不需要基本垂直地远离基座112延伸，但可以其他角度延伸，例如在约70°与约90°之间。基座112和侧壁114被布置成使得封装110在其中包括开放腔体116，为了允许与开放腔体116的内部体积的流体连通。在该示例中，开放腔体116在面积上比压力传感器元件100的相邻表面大，例如膜106的外表面107。因此，开放腔体116的面积可以比例如压力传感器元件100的驻留在开放腔体116的部分的相邻表面的面积大高达约50倍，诸如高达约10倍大。开放腔体116的深度可以是压力传感器元件100的厚度的约2至5倍之间。开放腔体116的体积不显著地大于压力传感器元件100的驻留在开放腔体116的部分的体积，以便限制施加至封装110的基座112和/或侧壁114的压力。在此方面中，开放腔体116的体积可以是，例如，比压力传感器元件100的驻留在开放腔体116的部分的体积大高达250倍，例如20倍大。因此，施加至封装110的主体(例如基座112和侧壁114)的力受到限制以便避免对封装110的损坏。在完成时，侧壁114之一包括凹陷部分，例如在其中形成的侧凹陷118。侧凹陷118在该示例中在形状上基本是超长方形的，并且被布置成用于紧密地在其中接收压力传感器元件100的部分。
当然，本领域技术人员将领会在以上描述的基本超长方形开放腔体结构的同时，开放腔体116可以拥有不同的形式，例如开放腔体116可以是盲孔。
参看图7，压力传感器设备124的压力传感器元件100具有相对于侧壁的近端120和远端122，该侧壁包括侧凹陷118，压力传感器元件100最终被设置在其中。压力传感器元件100的近端120位于封装100的侧凹陷118使得压力传感器元件100从开放腔体116中的侧壁114悬臂式地悬挂。由此，在该示例中，其中设置有侧凹陷118的侧壁114基本围绕压力传感器元件100的近端120。在该示例中，分两个阶段形成侧壁114以及侧凹陷118，其中，压力传感器元件100的近端120设置在侧壁114上。在此方面中，形成压力传感器设备124的一种技术包括：使用任意合适的模压成型技术来部分形成(步骤206)设备封装110(图8)，该封装包括引线框架(未示出)，形成设备封装110的侧壁114使得侧壁114中的侧壁121在其中包括肩部123以接收压力传感器元件100。在另一示例中，侧壁114可被完全模压成型并且肩部123可使用任意合适的侵蚀技术形成，例如钻孔。在还有另一示例中，封装110可以被模压成型为在其中包括相对浅的凹陷，并且封装110的一部分可以随后进一步被例如通过钻孔来侵蚀以形成侧壁114，以及通过使浅凹陷的一部分保持完整来完成肩部123的限定。压力传感器元件100的近端120随后被设置(步骤208)在侧壁121的肩部123上，使得压力传感器元件100延伸到开放腔体116内。在该阶段，执行引线键合(步骤210)以将压力传感器元件100电气连接至例如设备封装110和/或要与压力传感器元件100封装在一起的任意其他半导体设备或集成电路的引线框架(未示出)。随后，通过在压力传感器元件100的近端120上施加密封剂例如顶部包封，完成侧凹陷118和侧壁121(步骤212)。应当领会，这仅仅是用于形成其中有压力传感器元件100的设备封装的一种技术，并且可以采用其他制造技术。
在操作中，开放腔体116使压力传感器元件100能够暴露于流体，例如要感测压力的介质。压力传感器元件100因此被流体围绕，流体在使用中可以是液体或凝胶状材料。膜106当然将封闭腔体104的内部体积与被测流体分开。在此方面中，封闭腔体104的内部压力构成针对压力传感器元件100的参考压力。
压力传感器设备124在该示例中是绝对压力传感器设备，其可以应用在关于各种努力的领域，例如在机动车辆中，诸如汽车。
转向图10，封装110包括配合表面126，其用于固定至压力传感器设备124将要连接或耦合至的元件或装置的对应配合表面128。配合表面126限定封装110的开放腔体116的开口，在该示例中，配合表面126是键接表面。键接表面可以例如通过粗糙化配合表面126被形成。
本领域技术人员应当领会以上描述的实施方式仅仅是在所附权利要求的范围内可想到的各种实施方式的示例。实际上，应当领会，压力传感器元件100可以由微机械技术以外的技术形成。类似地，压力传感器设备可用于其他感测绝对压力的应用。

Claims (11)

1.一种压力传感器设备(124)，包括：
模制设备封装(110)，其被布置成限定具有由开口、侧壁(114)和基部(112)限定的内部体积的腔体(116)；
细长压力传感器元件(100)，其具有近端(120)和远端(122)；其中
所述侧壁(114)被布置成将所述压力传感器元件(100)的所述近端(120)固定地保持在其中；
所述压力传感器元件(100)包括：
在其中的封闭腔体(104)；其中
所述压力传感器元件(100)进一步包括：
衬底层(102)，其包括形成在其中的凹陷部分(108)，所述凹陷部分(108)限定开放的传感器元件腔体部分；以及
膜层(106)，其与所述衬底层(102)相邻设置，所述衬底层(102)和所述膜层(106)协作以关闭所述开放的传感器元件腔体部分并限定所述封闭腔体(104)；特点在于
所述腔体(116)的开口与所述腔体(116)的所述内部体积流体连通；
包括所述封闭腔体的所述压力传感器元件(100)被所述侧壁(114)固定地保持，使得所述压力传感器元件(100)悬臂式地悬挂在所述腔体(116)内的所述侧壁(114)上；以及
所述模制设备封装(110)的所述侧壁(114)和所述基部(112)一体形成。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述侧壁(114)基本围绕所述压力传感器元件(100)的所述近端(120)。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述压力传感器元件(100)被流体围绕。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述流体是液体或凝胶状材料。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备封装(110)包括用于在使用时固定到对应配合表面(128)的配合表面(126)，其中所述配合表面(126)限定所述设备封装(110)的所述腔体(116)的所述开口并且是键接表面。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述键接表面是粗糙表面。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述压力传感器元件(100)是微电机系统元件。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述压力传感器元件(100)由两个晶片(102,106)形成。
9.一种包括如前述权利要求中任一项所述的压力传感器设备(124)的绝对压力传感器设备。
10.一种包括如前述权利要求中任一项所述的压力传感器设备(124)的机动车辆。
11.一种感测对象的方法，所述方法包括：
提供如前述任一权利要求中任一项所述的压力传感器设备(124)；以及
将所述压力传感器设备(124)的所述腔体(116)暴露于流体。
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