CN111189574A - 压差传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压差传感器装置，包括：基板、形成在该基板的主表面上的另一层、以及通过膜片彼此分开的第一腔体和第二腔体。该第一腔体与通道流体连通，该通道与通气孔流体连通，空气可以通过该通气孔从该传感器装置的环境进入。该通道在该另一层或该基板内在与该主表面基本上平行的平面中延伸。

Description

压差传感器装置
技术领域
本发明涉及一种压差传感器装置，以及特别地，涉及一种包括包含通道的基板和另一层的压差传感器装置，并且本发明还涉及一种制造这种装置的方法。
背景技术
压差传感器测量两种隔离的液体或气体之间的压力差。压差传感器(或换能器)将液体或气体的压力差转换为可以测量的电信号以确定压差值。通常，有三种不同转导机构用于测量压力，例如压阻式、压电式和电容式。传感器的压力感测装置通常通过微机电系统(MEMS)技术来制造。该技术与蚀刻和接合技术一起用于制造商用半导体，以制造非常小的廉价的将压差转换为电信号的装置。
常规地，当制造电容性或电阻性压差传感器时，压力感测裸芯由例如硅的半导体材料形成。裸芯由硅晶片通过例如切割等方法形成以制造硅结构，其被减薄以形成腔体并限定关联的隔膜。在如下情况下，压阻元件形成或放置在隔膜的表面处，并且配置为表现出与放置在形成隔膜的减薄的半导体材料上的应变成比例的电阻。连接到压阻元件的电路部分地基于压阻元件的电阻值(通常形成惠斯通电桥网络)来产生电信号。相应地，电信号代表被测介质的压力。
在特定类别的压差传感器(也称为表压型压力传感器)中，在隔膜(膜片)的一侧提供了必须测量的加压液体或气体型介质，而膜片的另一侧向大气敞开。因此，测试介质的压力是比照大气压测量的。与大气的连接通常称为通气(通风)孔。由于传感器具有通气孔以允许其感测大气压，因此通气孔必须始终保持畅通。
图1示出了这种如本领域中已知的具有通气孔的压差传感器10的示例。如图1所示，传感器10具有基板1和外壳2。表面安装装置(SMD)接触垫3设置在基板1的底部，用于接触安装PCB。另一层(例如，电介质层)4形成在基板1上，导电图案可以设置在另一层4上。在电介质4之上形成微机电系统(MEMS)5和专用集成电路(ASIC)6。感测膜片形成在MEMS顶表面上或由MEMS顶表面形成。凝胶保护件7水平地设置在外壳2中。
可以比照大气压测量从顶部进入的流体(液体或气体)的压力(参见指向下的宽箭头)，该大气压是通过穿过通气孔8的气流(参见指向上的细箭头)建立的，该通气孔8形成为穿过基板1的底表面(并且设置在接触垫3之间)并连接到通道，该通道从通气孔8延伸穿过基板1和电介质层4到腔体，在该腔体中建立大气压。然而，当传感器10安装在印刷电路板(PCB)上用于完成可操作装置的制造时，存在堵塞通气孔的风险。此外，必须在PCB中设置与环境和传感器10的通气孔连通的对应的通孔。形成在PCB中的通孔也可能被无意堵塞，例如被焊料或某种保形涂层堵塞。
鉴于以上所述，本发明的目的是提供一种压差传感器装置，其中可以以与现有技术相比更可靠的方式建立和维持大气压。
发明内容
本发明通过提供一种压差(例如，表压差)传感器装置来解决上述问题，该压差传感器装置包括基板(例如，多层或体陶瓷基板)，形成在基板的主(顶)表面上的另一层，以及通过膜片彼此分开的第一腔体和第二腔体。基板可以例如是某种半导体基板、或者高温或低温共烧陶瓷。该术语通常也涵盖印刷电路板。另一层可以是电介质层，并且也可以是由与基板相同的材料形成的层。第一腔体与至少一个通道流体(液体或气体)连通，该通道与通气孔流体连通，空气(或不同的气体)可以通过该通气孔从传感器装置的环境(从一些参考压力贮液器或大气压下的空气)进入。
至少一个通道在另一层或基板内在与主表面基本上平行的平面中延伸。至少一个通道也可以到达基板和/或另一层的顶表面。特别地，基板可以是包括多个子层的多层基板，并且在这种情况下，至少一个通道可以形成在基板的多个子层中的一个中。特别地，另一层(例如电介质层)可以是包括多个子层的多层层，并且在这种情况下，至少一个通道可以形成在另一层的多个子层中的一个中。
例如，通过设置通气孔和通道，可以在第一腔体中建立并维持大气压。这允许比照大气压测量从储液器通过另一通道进入第二腔体的测试介质的压力。应当注意的是，在此以及在下面的描述中，没有必要限制大气压。实际上，大气压可以被由对应的参考压力储液器提供的任何参考压力代替。
压力差由膜片感测。可以形成惠斯通电桥网络的电阻器，例如压阻元件，可以形成在膜片的表面上。每个电阻器的电阻随施加应变的变化而变化。压差传感器装置可以还包括：MEMS，用于产生指示由膜片感测到的压力变化的电信号；以及ASIC，用于进一步处理电信号，其中，ASIC和MEMS形成在基板的主表面之上。
与现有技术相反，经由通气孔使第一腔体与环境(例如处于大气压下的环境)连接的通道形成在与主表面平行的平面中，意思是通气孔没有形成在基板的底表面(与主(顶)面相对)中。由此，通气孔的堵塞风险与现有技术相比大大降低。实际上，通气孔距基板的安装表面(即底表面)的距离可以沿着基板和另一层的堆叠的厚度(垂直)方向在垂直于主表面的方向上任意选择，并且该距离可以选择得足够大，以防止被可以安装基板的安装PCB的某种保形涂层所堵塞。完全不必在安装PCB中形成与通气孔对应的通孔。由此，节省了空间，因为减小了板的另一侧的足印。
上述问题也通过一种制造(表)压差传感器装置的方法来解决，其中该方法包括以下步骤：形成基板(例如，由陶瓷材料或PCB制成或包括陶瓷材料或PCB)；在基板的主(顶)表面上形成另一层(例如，可以由电介质材料或与基板相同的材料形成)；在另一层或基板中在平行于基板的主表面的平面中形成至少一个通道，使得通道在另一层或基板的(垂直于主表面取向的)次表面中形成垂直于基板的主表面取向的通气孔；以及形成(例如，在垂直于主表面的平面中)穿过另一层的贯通通道并连接到通道。贯通通道还连接到腔体，必须在该腔体中建立某一参考压力。
传感器单元可以在另一层和基板之上形成。传感器单元包括用于提供参考压力的第一腔体。因此，上述方法可以包括通过在另一层之上形成膜片来在另一层之上形成第一腔体，其中贯通通道形成为使得其连接到第一腔体，以允许通过通气孔(和至少一个通道)建立参考压力(例如，大气压)。多个电阻器，特别地，多个压阻元件，可以形成在膜片的表面上，以制造电阻式压差传感器装置。
如果通气孔形成在另一层中，则形成另一层可以包括：在基板上形成第一电介质子层(单层或多层基板)，形成部分包含牺牲材料的第二电介质子层或邻接第一电介质子层上的第二电介质子层形成由牺牲材料制成的牺牲层，以及在部分包含牺牲材料的第二电介质子层上或在由牺牲材料制成的牺牲层和相邻的第二电介质子层上形成第三电介质子层。在这种情况下，通道的形成包括在形成第三电介质子层之后移除牺牲材料，例如通过执行退火工艺。
如果通气孔形成在基板中，则形成基板可以包括：形成第一基板子层，形成部分包含牺牲材料的第二基板子层或邻接第一基板子层上的第二基板子层形成由牺牲材料制成的牺牲层，以及在部分包含牺牲材料的第二基板子层上或在由牺牲材料制成的牺牲层和相邻的第二基板子层上形成第三基板子层。在这种情况下，通道的形成包括在形成第三基板子层之后移除牺牲材料，例如通过执行退火工艺。
替代地，在不形成牺牲材料而是通过激光蚀刻、化学蚀刻、锯切等的情况下，在基板或另一层中形成通道或多个通道。
根据一个实施例，MEMS或另一压力感测元件以及ASIC和膜片形成在另一层上，并且设置外壳，该外壳可以部分地在膜片的下方(在向另一层的方向上)形成上述第一腔体，以及在膜片的上方形成第二腔体，其中第二腔体设置用于容纳测试介质，该测试介质的压力将比较第一腔体中建立的参考压力来测量。此外，印刷电路板可以接合到基板的与主(顶)表面相对的另一主(底)表面，并可以设置有合适的接触垫。
将参考附图描述本发明的附加特征和优点。在说明书中，参考了旨在图示本发明的优选实施例的附图。应该理解，这样的实施例不代表本发明的全部范围。
附图说明
图1示意性地图示了根据现有技术的示例的压差传感器装置。
图2图示了根据本发明实施例的压差传感器装置，其具有形成在另一个层中的一个或多个通道。
图3图示了根据本发明的另一实施例的压差传感器装置，其具有形成在基板中的一个或多个通道。
图4示出了制造压差传感器装置的步骤，在该压差传感器装置中，通气孔形成在另一层中。
图5示出了制造压差传感器装置的步骤，在该压差传感器装置中，通气孔形成在基板中。
具体实施方式
本发明提供了一种压差传感器装置，例如，一种压差传感器装置，其中测试介质的压力是比照某种参考压力测量的，例如比照大气压(表压传感器装置)。创造性的压差传感器装置100的实施例在图2中图示。压差传感器装置100包括基板110和外壳102。
基板110可以由陶瓷材料(特别的，导电陶瓷材料)制成。掺杂的氧化锆(例如掺杂有钇和/或钐和/或钪)和/或掺杂的氧化铈(例如掺杂有钆和/或钪)是陶瓷材料的示例。可以包含其他金属，特别是铜、钴和/或其他过渡金属和/或金属合金。
外壳102可以由如下材料制成，例如硅或其他半导体材料、玻璃、金属、塑料、陶瓷以及其他合适材料。使用例如O形环密封件可以在外壳102的上表面和基板110的下侧形成密封件。外壳102可以经由某种粘合剂、焊接或玻璃粉附接到基板110。
另一层104形成在基板110的顶部主表面(在图2在水平方向上取向)上。另一层104可以例如由电介质(例如某种氧化物材料)制成或包括电介质(例如某种氧化物材料)。用于电接触安装PCB的接触垫103形成在基板110的主底表面上。
MEMS 105和ASIC 106设置在外壳102中，在基板110和电介质层103的顶部主表面上方。感测膜片形成在MEMS的顶表面上或由MEMS的顶表面形成。此外，凝胶保护件107设置在外壳102中，并且将两个腔体彼此分开。例如，接触测量介质的柔性膜片可以包括不锈钢。柔性膜片配置为当介质的结果净压差向柔性膜片的表面施加力时弯曲。可以形成惠斯通电桥网络的电阻器R(例如，压阻元件)可以形成在膜片的表面上。
通过向膜片的第一表面施加第一压力，同时向与第一表面相对的膜片的第二表面施加第二压力，膜片将经受力的作用，该力表示施加到第一表面和第二表面的压力之间的净压差。压阻元件将展示电阻，该电阻表示施加到膜片的净压差。MEMS 105输出指示由膜片(的电阻器)感测到的压力变化的电信号到MEMS ASIC 106。ASIC 106可以根据需要处理电信号，用于模数转换和/或放大、噪声过滤等。外壳102可以包括其他压力传感器部件，例如充满油的隔离容积，其防止苛刻介质(其压力将被测量)与敏感膜片以及ASIC 106和MEMS105进行接触。可以通过某种适当的涂层来提供保护。
通气孔108形成在另一层104中，并且由通道或多个通道109连接，该通道109在图2中水平延伸并连接到入口120。(多个)通道109在电介质层104内在与基板的主顶表面基本上平行的平面中形成，电介质层104形成在基板的主顶表面上。(多个)通道9与通气孔108和入口120流体连通。由此，如果通气孔108表示到自然环境的入口，则可以在由膜片部分建造的腔体中的下部的一个中建立(参见图2中的箭头)并维持大气压。替代地，可以将提供不同于大气压的任何参考压力的任何储液器连接到通气孔108。
图3图示了创造性的压差传感器装置200的替代实施例。压差传感器装置200包括多层基板210，其包括至少包括三个子层211、212和213，以及外壳102。另一层104(例如，电介质层)形成在多层基板210上。外壳202容纳MEMS 205、ASIC 206和凝胶保护件207。各种部件的材料可以选择与上文在描述图2中示出的实施例的背景下提到的各种部件的材料相似。可以形成惠斯通电桥网络的电阻器R(例如压阻元件)可以形成在膜片M的表面上，膜片M形成在MEMS 205的顶表面上或由MEMS 205的顶表面形成。膜片M将第一腔体C1与第二腔体C2分开。测试(测量)介质可以引入在第二腔体C2中，并且测试介质的压力可以比照引入第一腔体C1中的参考介质的压力来测量。参考介质可以是具有大气压的空气。
与图2示出的实施例不同，一个或多个通道209形成在基板210的子层211、212、213中的一个或多个中在平行于基板210的顶部主表面的平面中，并连接到入口220。此外，(多个)通道209连接到通气孔208，通气孔208形成在基板210的次表面(垂直于主表面取向)中。如果通气孔208指向自然环境，则可以在第一腔体C1中建立并维持大气压。
在上述实施例中，通气孔和连接至通气孔并且平行于基板的顶部主表面延伸的一个或多个通道以避免或至少降低通气孔堵塞风险的方式设置。在下文中，参考图4和图5描述用于制造压差传感器装置，例如分别在图2和图3中示出的压差传感器装置100和的压差传感器装置200中的一个的示例性过程。
根据本发明实施例的压差传感器装置包括基板和形成在基板上的另一层。压差传感器装置的有源部件形成在基板和电介质层之上。在下面的描述中，出于示例性目的，假设另一层是电介质层。在图4中，示出了多层堆叠体的形成，该多层堆叠体包括基板和形成在基板上的电介质层，其中用于提供参考压力的通气孔形成在电介质层中。在图5中，示出了多层堆叠体的形成，该多层堆叠体包括基板和形成在基板上的另一层，其中用于提供参考压力的通气孔形成在另一层中。
在图4所图示的实施例中，设置了基板301(参见图4的顶行)。基板301可以包含陶瓷材料(特别是电子导电陶瓷材料)或由其组成。掺杂的氧化锆(例如掺杂有钇和/或钐和/或钪)和/或掺杂的氧化铈(例如掺杂有钆和/或钪)是陶瓷材料的示例。可以包含其他金属，特别是铜、钴和/或其他过渡金属和/或金属合金。基板301可以以体基板或多层基板的形式设置。
在图4中自上而下第二行中示出的制造步骤中，电介质层302形成在基板301上。电介质层302可以是某种氧化物层。如图4中自上而下第三行中所示出的，部分牺牲层303形成在电介质层302上。部分牺牲层303包含一部分牺牲材料303a(由图4中的点指示)，其将在进一步的过程期间被移除。特别地，部分牺牲层303包含将被移除并且延伸到多层堆叠体的边缘(在图4中示出的配置中在左手边)的材料。牺牲材料可以通过适当的掺杂或沉积参数的调整来形成。根据一个实施例，形成部分牺牲层303包括：在电介质层302上形成由牺牲材料构成的层303a，并且在电介质层302上邻接层303a形成由牺牲材料构成的另一层303b。
随后，另一电介质层304形成在部分牺牲层303上(参见图4中的倒数第二行)。附加地，可以在另一电介质层304上和之上形成层。
在整个制造过程的某个阶段，部分牺牲层303的牺牲材料被移除(参见图4的最后一行)。例如，牺牲材料可以通过某种加热/(短时间)退火程序320来移除。牺牲材料可以在(例如，陶瓷)基板301的固化期间移除。通过移除部分牺牲层303的牺牲材料，通气孔305和通道306形成。不用说，任何(并且特别地，不止一个)电介质子层都可以设置有牺牲材料。
注意，可以通过适当选择牺牲材料来形成一个或多个通道。在整个制造过程的稍后阶段，贯通通道307形成为贯通叠盖层(例如，贯通电介质层304)到一个或多个通道306。关于此处和下文中使用的术语，连接到(多个)通道的贯通通道307也可以被认为是连接到通气孔(此处为通气孔305)的通道的一部分。通过贯通通道、(多个)通道306和通气孔305，可以在压力传感器装置的腔体中建立参考压力，其中提供了一种压力，测试介质的压力可以比照该压力来确定。
随后，压差传感器装置的其他部件形成在电介质层304之上(参见图2)。
图5中图示了替代的制造过程的步骤。设置了基板的第一层401(参见图5的顶行)。基板可以包含陶瓷材料(特别是电子导电陶瓷材料)或由其组成。掺杂的氧化锆(例如掺杂有钇和/或钐和/或钪)和/或掺杂的氧化铈(例如掺杂有钆和/或钪)是陶瓷材料的示例。可以包含其他金属，特别是铜、钴和/或其他过渡金属和/或金属合金。基板以多层基板的形式设置。
在图5自上而下的第二行示出的制造阶段中，基板的第二层402形成在第一层401上。随后，另一层403形成在层402上(参见图5自上而下的第三行)。部分牺牲层403包含例如由掺杂形成的牺牲材料，由图5中的点指示。根据一个实施例，形成层503包括：在层402上形成由牺牲材料构成的层403a，并且在层402上邻接该层403a形成由基板材料构成的另一层403b。基板的牺牲材料将在整个制造过程的稍后阶段被移除。
在进一步发展的制造阶段中，基板的另一层404形成在包含牺牲材料的层403上(参见图5自上而下的第四行)。随后，电介质层405形成在层404上。电介质层405可以是单层或多层层。
在整个制造过程的某个阶段，部分牺牲层403的牺牲材料被移除(参见图5的最后一行)。例如，牺牲材料可以通过某种加热/(短时间)退火程序来移除。牺牲材料可以在(例如，陶瓷)基板的固化期间移除。通过移除部分牺牲层403的牺牲材料，通气孔406和通道407形成。不用说，基板的任何(并且特别地，不止一个)子层都可以设置有牺牲材料。
注意，可以通过适当选择牺牲材料来形成一个或多个通道。在整个制造过程的稍后阶段，贯通通道408形成为贯通电介质层405和层404到一个或多个通道407通过贯通通道408。(多个)通道407和通气孔305，可以在压力传感器装置的腔体中建立参考压力，其中提供了一种压力，测试介质的压力可以比照该压力来确定。
尽管本公开的实施例已经描述为利用例如压阻元件来检测压力感测隔膜的应变，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以实现任何合适类型的压力感测技术。不必通过MEMS来设置感测元件。其他示例覆盖陶瓷膜片。例如，如本领域技术人员将理解的，本文公开的压力传感器装置可以实现电容、电磁、压电、光学或热压力感测技术。
所有先前讨论的实施例并非旨在作为限制，而是用作说明本发明的特征和优点的示例。应该理解的是，上述特征中的一些或全部也可以以不同的方式组合。

Claims (15)

1.一种压差传感器装置(100，200)，包括：
基板(110，210)；
形成在所述基板(110，210)的主表面上的另一层(104，204，405)；
第一腔体(C1)和第二腔体(C2)，其通过膜片(M)彼此分开；
其中所述第一腔体(C1)与通道(109，209，306，407)流体连通，所述通道与通气孔(108，208，305，406)流体连通；
其特征在于：
所述通道(109，209，306，407)在所述另一层或所述基板(110，210)内在与所述基板(110，210)的主表面基本上平行的平面中延伸。
2.根据权利要求1所述的压差传感器装置(100，200)，还包括与所述第二腔体和测试介质的贮液器流体连通的另一通道。
3.根据权利要求1或2所述的压差传感器装置(100，200)，还包括印刷电路板，所述印刷电路板接合到所述基板(110，210)的与所述基板(110，210)的主表面相对的另一主表面。
4.根据前述权利要求中的一项所述的压差传感器装置(100，200)，还包括：
专用集成电路ASIC(106，206)和/或微机电系统MEMS(105，205)或
另一压力感测元件，其中所述MEMS配置为将指示由所述膜片(M)感测到的压力变化的电信号输出到所述ASIC，并且所述ASIC配置为通过放大和/或模数转换和/或噪声滤波来处理所述电信号。
5.根据权利要求1所述的压差传感器装置(100，200)，其中多个电阻器，特别是多个压阻元件，形成在所述膜片(M)的表面上。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的压差传感器装置(100，200)，其中所述通气孔(108，208，305，406)与所述压差传感器装置(100，200)的环境流体连通，使得可以在所述第一腔体(C1)中建立大气压。
7.根据前述权利要求中的一项所述的压差传感器装置(200)，其中所述基板(210)是包括多个子层的多层基板，并且其中所述通道(209，407)形成在所述多个子层中的一个中。
8.根据权利要求1至6中的一项所述的压差传感器装置(100，200)，其中所述另一层(104)包括多个子层，并且其中所述通道(109，306)形成在所述多个子层中的一个子层中。
9.一种制造压差传感器装置(100，200)的方法，所述方法包括以下步骤：
形成基板(110，210)；
在所述基板(110，210)的主表面上形成另一层(104，204，405)；
在所述另一层(104，204，405)或所述基板(110，210)中在与所述基板(110，210)的主表面平行的平面中形成通道(109，209，306，407)，使得所述通道(109，209，306，407)在所述另一层(104，204，405)或所述基板(110，210)的垂直于所述基板(110，210)的主表面取向的次表面中形成通气孔(108，208，305，406)，以及
形成穿过所述另一层(104，204，405)的贯通通道并连接到所述通道(109，209，306，407)。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括通过在所述另一层(104，204，405)之上形成膜片(M)而在所述另一层(104，204，405)之上形成第一腔体(C1)，并且其中所述贯通通道形成为使得它连接到第一腔体(C1)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中：
所述通道(109，306)形成在所述另一层(104)中；
所述通气孔(108，305)形成在所述另一层(104，204)的次表面中；以及
形成所述另一层(104)包括：在所述基板(110，301)上形成第一其他子层(302)，在所述第一其他子层(302)之上形成部分包含牺牲材料的第二其他子层(303)或邻接第二其他子层的包含牺牲材料的牺牲层，以及在所述部分包含牺牲材料的第二其他子层(303)上或在所述包含牺牲材料的牺牲层和所述相邻的第二其他子层上形成第三其他子层(304)；以及
在所述另一层(104)中形成通道(109，306)包括在形成所述第三其他子层(304)之后移除所述牺牲材料。
12.根据权利要求9或10中的一项的方法，其中：
所述通道(209，407)形成在所述基板(110，210)中；
所述通气孔(208，406)形成在所述基板(210)的次表面中；以及
形成所述基板(210)包括：形成第一基板子层(401)，在所述第一基板子层(401)之上形成部分包含牺牲材料的第二基板子层(403)或邻接第二基板子层的包含牺牲材料的牺牲层，以及在所述部分包含牺牲材料的第二基板子层(403)上或在所述包含牺牲材料的牺牲层和所述相邻的第二基板子层上形成第三基板子层(404)；以及
在所述基板(210)中形成通道(209，407)包括在形成所述第三基板子层(404)之后移除所述牺牲材料。
13.根据权利要求9至12中的一项所述的方法，还包括
在所述基板(110，210)的与所述基板(110，210)的主表面相对的另一主表面上形成接触垫；
将印刷电路板接合到其他主表面；以及
在所述另一层(104、204、405)之上形成专用集成电路，ASIC，和微机电系统，MEMS。
14.根据权利要求9至13中的一项所述的方法，还包括在所述膜片(M)的表面上形成多个电阻器，特别是多个压阻元件。
15.一种压差传感器装置(100，200)，其可通过根据权利要求9至14之一所述的方法获得。
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