CN111504492B - 具有两个校准部的汽车废气传感器 - Google Patents

Abstract

一种制造传感器的方法，包括在衬底上沉积金属层以及在金属层上制造校准结构。校准结构可以包括第一校准部和第二校准部。该方法可以进一步包括通过修改第一校准部来执行对传感器的第一校准。此外，该方法可以包括在第一校准之后将覆盖层放置在第一校准部的一部分上，然后通过修改第二校准部来执行对传感器的第二校准。

Description

具有两个校准部的汽车废气传感器

相关申请

本申请要求于2019年1月30日提交的标题为“用于汽车废气传感器的精度(ACCURACY FOR AUTOMOTIVE EXHAUST GAS SENSORS)”的美国临时申请号为62/798,522的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本公开涉及具有改进的精度的感测装置和制造这种感测装置的方法。更具体地，本公开涉及高温废气传感器的精度的改进。

背景技术

内燃发动机(例如但不限于柴油发动机和汽油发动机)可包括至少部分地设置在废气系统内的一个或多个温度传感器。这些温度传感器感测废气的温度，并且可以由发动机控制系统用于调节发动机的一个或多个特性，诸如空气/燃料比、增压压力、定时等。这些温度传感器通常在高于600℃的温度下在热力学和化学侵蚀性环境条件下操作。

对于高温传感器的生产，通常在其生产期间将铂电阻层施加在金属氧化物陶瓷衬底上。传感器的校准是通过调整铂曲折电阻(Platinum meander resistance)来实现的，并且在生产过程期间但在钝化完成和保护封套放置之前执行。在完成传感器的生产之后，一个或多个铂钝化层和保护封套可包括一个或多个玻璃和/或陶瓷和/或复合层，从而导致感测元件精度较低。

所需要的是具有改进的精度的温度传感器。

发明内容

根据各种实施例，提供了一种制造传感器的方法。该方法可以包括在衬底上沉积金属层，以及在金属层上制造具有第一校准部和第二校准部的校准结构。该方法可以进一步包括通过修改第一校准部来执行传感器的第一校准。此外，该方法可以包括将覆盖层放置在第一校准部的一部分上，并且在将覆盖层放置在第一校准部上之后通过修改第二校准部来执行传感器的第二校准。

在一些实施例中，修改第一校准部可以通过借由去除材料来修改曲折结构(meander structure)来执行。在一些实施例中，修改第二校准部可以通过去除材料来执行。

在一些实施例中，制造第二校准部可包括在金属层上制造以下中的至少一项：具有矩形形状的结构、具有阶梯形状的结构或具有球形形状的结构。

根据各种实施例，提供一种传感器。传感器可以包括具有校准结构的衬底，校准结构包括第一校准部和第二校准部。传感器还可包括与第一校准部接触的覆盖层；其中第二校准部的至少一部分不与所述覆盖层接触，并且其中在覆盖层被放置成与所述第一校准部接触之后第二校准部已经被修改。

在一些实施例中，第一校准部可以包括曲折结构。在一些实施例中，第二校准部可包括具有矩形形状的结构、具有阶梯形状的结构或具有球形形状的结构。在一些实施例中，第一校准部和第二校准部中的至少一个已经通过去除材料被修改。在其他实施例中，第一校准部可以与第二校准部串联电连接。

根据各种实施例，提供一种传感器。所述传感器可以包括衬底、设置在所述衬底上的曲折结构、以及设置在所述衬底上并且耦合到曲折部的校准部。传感器还可以包括与曲折部接触并且不与校准部接触的第一覆盖层，其中可以在将所述第一覆盖层放置成与所述曲折部接触之后修改校准部。

在一些实施例中，可在放置第一覆盖层之后通过移除材料来修改校准部。在一些实施例中，校准部可以包括以下中的至少一项：具有矩形形状的结构、具有阶梯形状的结构、或具有球形形状的结构。在一些实施例中，曲折部和校准部中的至少一个可以通过移除材料来修改。在一些实施例中，传感器还可以包括在衬底上彼此相邻地设置并且与曲折部和校准部串联电连接的第一接触焊盘和第二接触焊盘。在一些实施例中，校准部可以设置在第一接触焊盘和第二接触焊盘之间的衬底上。在一些实施例中，校准部和曲折部中的每个可以包括用于选择性还原的相应的电阻量，其中相应的电阻量是相应的尺寸、形状、宽度和厚度的函数。

附图说明

下面参照附图讨论本公开的至少一个实施例的各个方面。应当理解，为了说明的简单和清楚起见，附图中所示的元件不一定是精确地或按比例绘制的。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可能相对于其他元件被放大，或者多个物理部件可以被包括在一个功能块或元件中。此外，在认为适当的情况下，附图标记可以在附图中重复以指示对应的或类似的元件。为了清楚起见，不是每个部件都可以在每个附图中被标记。附图是为了说明和解释的目的而提供的，并不旨在作为对本公开的各方面的限制的定义。

图1示出了已知的温度传感器；

图2A和图2B示出了在图1的温度传感器的校准过程期间的数字修整；

图3示出了图1的温度传感器的电阻分布；

图4是图1中的已知传感器的生产过程；

图5A和图5B示出了在图4所示的生产过程期间传感器的电阻分布；

图6A示出了根据本公开的一方面的传感器设计；

图6B示出了图6中所示的传感器的金属结构的特写视图；

图6C示出了根据本公开的一方面的图6B中所示的金属结构的一部分；

图6D示出了根据本公开的一个方面的图6A中所示的传感器设计；

图7示出了根据本公开的方面的制造传感器的方法；

图8A-图8B是示出在图7所示的制造方法期间获得的传感器的电阻的曲线图；以及

图9是示出根据图7的方法的传感器的电阻分布的曲线图。

具体实施方式

本申请要求于2019年1月30日提交的标题为“用于汽车废气传感器的精度”的美国临时申请号为62/798,522的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本公开的实施例的透彻理解。本领域普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节中的一些的情况下实践这些实施例。在其他情况下，可能没有详细描述众所周知的方法、过程、部件和结构，以免模糊所描述的实施例。

在详细解释至少一个实施例之前，应当理解，这些在其应用中不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的部件的构造和布置的细节。此外，应当理解，本文所采用的措辞和术语仅用于描述的目的，而不应被认为是限制性的。

本公开描述一种具有特定设计以改进其感测精度的传感器。该设计允许在制造过程期间的附加校准步骤，因此得到更准确的感测结果。

本公开中描述的具有附加校准区的校准过程可以在0小时(0h)处提高传感器精度，从而使其性能优于工业中使用的已知商业传感器。此外，本公开的方面降低了传感器生产成本。

对于传感器，尤其是高温传感器，需要执行精细校准以便得到准确的感测结果。图1示出了已知的温度传感器100。在高温传感器(例如，传感器100)的生产期间，例如金属氧化物陶瓷的衬底102设置有铂曲折件(Platinum meander)104和接触焊盘112和114。第一钝化层106沉积在铂曲折件104上方。

传感器100的校准是通过在导线116、第二钝化层108、覆盖层110和覆盖层118定位在衬底102上之前根据已知技术(例如，激光修整)调整铂曲折件104电阻来实现的。覆盖层110可以包括两个盖，陶瓷盖和在陶瓷盖的顶部上的玻璃盖。覆盖层118可以是玻璃盖。一个或多个金属钝化层106、108和覆盖层110可以包括一个或多个玻璃和/或陶瓷和/或复合层。

如已知的，通过借由增加导体长度来调整铂曲折件104的电阻来实现传感器的校准。每个感测元件的电阻可以被调整到标称值以符合期望的精度规格。电阻调节可以通过如下所述的激光修整来完成。

现在参考图2A和2B，铂曲折件104包含具有不同电阻的电阻回路。回路与电路桥202并联连接。

第一调整是通过数字修整。在数字修整中，通过添加增加铂曲折件104长度的电阻回路而将每个感测元件的电阻调整到接近标称+/-3欧姆的值。

图2B示出了在修整期间，激光修整器切割连接桥202并且将对应的回路电阻改变为总的感测元件电阻。

此外，众所周知，模拟修整是精细校准过程，该精细校准过程以大约+/-0.1欧姆的精度将电阻调节为标称值。该步骤在数字修整之后通过切割来执行。在测量电阻值的同时执行激光切割，直到达到标称值为止。

图3表示已知传感器100(即，铂曲折件104)在校准之前和之后的电阻分布。如图3所示，在线302的情况下，在校准过程之前电阻分布不均匀。然而，在校准过程之后，依照线304，电阻分布是均匀的。

如上所述，传感器的校准(例如，通过激光修整)在生产过程期间实施。图4示出了利用校准的传感器生产的已知方法400。如图4所示，对于温度传感器的生产，在衬底上沉积404铂层并烧结。然后，感测元件结构被制造在铂层408上，随后是钝化层412，然后烧结。钝化是将薄膜沉积到微型器件的表面上以修改其电学特性的过程。

下一步骤416是使用如上所述的激光修整并且其是本领域普通技术人员已知的校准过程。在传感器被校准之后，然后执行420第二钝化，随后烧结。在以下步骤中，将陶瓷层放置424在第二钝化层上，然后烧结。随后，测量428传感器的电阻，然后将传感器切块(dice)成行432。对于传感器的生产，通常在衬底(例如，硅晶片)上生产多个传感器，并且然后将衬底切块以获得单个传感器。在切块过程中，将衬底切块成行，且接着对每一行进行切块以获得单个传感器。生产的下一步骤是导线焊接和附接或固定玻璃调剂(glassdispensing)436，随后进行烧结。在导线焊接过程中，导线116被焊接到导电焊盘112、114上并且连接到感测结构(例如，曲折结构104)，从而提供与感测结构的电连接。导线可以是金属或金属/陶瓷。例如，铂、铂铑(Pt Rh)、铜、镍或任何其它合适的金属或金属合金。下一过程是在焊接的导线116上沉积玻璃膏，随后烧结。玻璃提供导电结构的机械强度和电隔离。在步骤436中，玻璃可以将任何焊接的导线和第二校准部607密封或固定到基板602以形成均匀的结构，即传感器600。然后，行将被单独地切块440，并且将第二次检查电阻(R check2)444。

图5A和5B示出了在已知生产过程的各个步骤中传感器的电阻分布的变化。如图5A所示，在修整过程416结束时的传感器电阻(R0)分布504是均匀的。然而，随后，在步骤428之后，分布508失去均匀性，并且在步骤444之后，分布512已经改变甚至更多。这是由于高温暴露(烧结步骤)和热膨胀系数(CTE)失配。图5B示出了在步骤428和444测量的电阻分布。

对于包括校准回路的曲折结构的现有设计不提供缓解的可能性，即校正烧结过程的影响。为了满足客户规格，已知的R0分布512需要在芯片级进行100％筛选(sorting)，导致经济损失。

如上所述，在已知的传感器中，铂曲折设计仅在完成一个或多个钝化层和放置保护层或覆盖层之前允许进行校准。因此，烧结过程对电阻分布的负面影响反映在制造过程结束时的传感器精度中。

有利地，根据本公开的方面的本传感器设计包括传感器结构中的附加校准区(即改进的曲折结构)以实现该目标。

如图6A-6C所示，根据本公开的方面的传感器设计600可以包括由任何合适的材料(例如，金属氧化物陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷或这些材料中的任何材料的混合物)制成的衬底602。传感器600可以包括被制造在衬底602上的校准结构604。校准结构604可以由任何合适的金属制成，例如铂、铜、镍、铑、钯或铂/铑合金。合适的金属或金属合金可取决于装置及其应用的温度范围和精度。例如，铂在最大温度范围上具有非常稳定的电阻-温度关系。校准结构604包括第一校准部606和第二校准部607。如图6A-6B所示，第一校准部606可以是由例如铂制成的曲折结构。第一校准部606和第二校准部607二者都可以是传感器600的感测元件。传感器600还可包括与接触焊盘612接触的导线616。在一些实施例中，传感器600还可以包括与导线616和接触焊盘612接触的接触焊盘614。传感器600可以暴露于废气，这使得接触焊盘612之间的电阻相应地改变，并且电阻的变化与废气的温度成比例。在一些实施例中，校准结构604、接触焊盘612和614以及导线616暴露于废气。

传感器600可以包括第一钝化层605。第一钝化层605与衬底602和校准结构604的至少一部分接触。在一些实施例中，第一钝化层605与衬底602和第一校准部606接触。在一些实施例中，第一钝化层605仅与第一校准部606接触。在一些实施例中，第一钝化层605不与第二校准部607接触。在其他实施例中，第一钝化层605仅与第二校准部607的一部分接触。

传感器600还可以包括第二钝化层608。在一些实施例中，第二钝化层608与第一钝化层605接触。传感器600还可以包括覆盖层610和610’。覆盖层610和610’可由任何合适的材料制成以保护传感器600。例如，覆盖层610和610’可以由玻璃、陶瓷或复合材料制成。

图6B示出了根据本公开的方面的校准结构604的特写视图。第二校准部607可用于制造传感器的第二校准步骤。第一校准部604与第二校准部607串联电连接。如上所述，已知传感器在生产过程中被校准一次。有利地，第二校准部607使得传感器600的第二校准步骤在生产过程中能够进一步向下，如下所述。

如图6B所示，校准结构604可以由第一校准部606、第二校准部607和接触焊盘612组成。在一些实施例中，校准结构604包括两个接触焊盘612。在一些实施例中，校准结构604包括至少一个接触焊盘612。在一些实施例中，第一校准部604、第二校准部607和接触焊盘112串联连接。如上所述，校准结构604可以通过沉积金属(例如铂)层，随后进行制造过程而被制造在衬底602上。在一些实施例中，接触焊盘112由与第一校准部606和第二校准部607相同的材料制成。在一些实施例中，接触焊盘612可以是金属，例如铂。

第二校准部607可被制造并位于衬底602上的任何位置，只要其与第一校准部606电接触即可。在一些实施例中，第二校准部607位于接触焊盘612之间。在一些实施例中，第二校准部607不与钝化层605、608接触。在一些实施例中，第二校准部607不与钝化层605、608和覆盖层610接触。在一些实施例中，第二校准部607的至少一部分不与钝化层605、608和/或覆盖层610接触。使第二校准部607的至少一部分与钝化层605、608和/或覆盖层610无接触，使得第二校准步骤能够在制造过程中进一步向下。

第二校准部607可以制成任何形状。在一些实施例中，第二校准部607具有矩形形状。图6C示出了第二校准部607的一些实施例。例如，第二校准部607可以制成矩形A、圆形环B或阶梯设计C。具有如图6C所示的设计中的第二校准部607，允许修整器切割第二校准部607的部分以将传感器600的电阻修改为期望的范围。

图6D示出了处于组装布置的传感器600。

在图7中呈现了根据本公开的方面的制造传感器的过程(方法)700。方法700可以包括在衬底上沉积704金属层，然后烧结。金属可以是任何合适的金属，例如铂。然后，可以在金属层上制造708结构，例如感测元件，然后施加712钝化层605。下一个步骤可以是烧结步骤。

以下步骤可以是传感器600的第一校准步骤716。校准可以是如上所述的数字和/或模拟校准。在传感器600被校准之后，则可以执行第二钝化720并且可以烧结钝化层608。在以下步骤724中，可将覆盖层610放置在第二钝化层608上，然后烧结。覆盖层610可以由任何合适的材料(例如玻璃或陶瓷)制成。在一些实施例中，方法700可以包括将覆盖层610放置在衬底602和第二钝化层608的部分上。在一些实施例中，方法700可以包括将覆盖层610放置在衬底602、第二钝化层608和校准结构604的至少一部分的部分上。在该步骤728，可以测量传感器600的电阻(R Check 1)，并且可以执行第二校准步骤。

可以对未被第一钝化层605和/或第二钝化层608和/或覆盖层610覆盖的校准结构604的第二校准部607执行第二校准步骤。下一步骤732可以是按行对传感器600进行切块。生产的下一步骤736可以是导线焊接和附接或固定玻璃，随后进行烧结。然后，装置可以被单独地切块，并且可以第二次检查电阻744，R Check 2。

如上所述，第二校准步骤728可以作为第一电阻检查(例如，R Check 1)的一部分来执行。在一些实施例中，可以向主结构添加2Ω-6Ω电阻(取决于轮廓设计)以补偿电阻分布斜率。如上所述，制造方法可以包括两个校准步骤，以便达到标称值。可以根据传感器的应用和期望的电阻来选择自身的标称值。在第一校准步骤、数字和模拟修整中，电阻值被调节到接近标称值但不低于附加轮廓的最大电阻的低值。例如，调整到195.00Ω-199.00Ω之间的标称值。第二校准步骤然后可以通过修改第二校准部607来将所有元件调整到标称电阻(例如，调整到例如200Ω的标称值)。要添加的电阻量可以取决于第二校准部607的设计、第一校准部606的宽度、曲折件宽度、校准结构604的厚度等。第二校准部607可以通过玻璃或玻璃陶瓷盖以及利用图7的生产过程的导线固定步骤而被保护。

图8A和图8B示出了根据本公开的方面的在生产过程的各个步骤处的根据方法700的所得传感器的电阻分布。如图8A所示，在第一校准步骤716之后，传感器600电阻804相对恒定。传感器600的电阻分布808在两个钝化过程712、720和覆盖层放置724之后改变。在第一电阻检查728(R check 1)处，再次校准传感器600，即，如812中所示的第二校准步骤。如图8A所示，在过程(R check 2)744结束时测量的电阻分布816类似于在第二校准步骤728测量的电阻812。图8B表示在两个步骤校准步骤716、728之后传感器600的电阻分布。

图9示出了已知传感器和根据本公开的方面的传感器的电阻测量分布的比较。曲线901展示了已知传感器的电阻测量分布，并且曲线902展示了根据方法700制造的传感器600的电阻测量结果。如图9所示，传感器600的电阻分布902显著优于已知传感器100的电阻分布。

应当理解，虽然为了清楚起见，在单独的实施例的上下文中描述了某些特征，但是它们也可以在单个实施例中组合地提供。相反地，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的各种其他特征也可以单独地或以任何合适的子组合来提供。

在阅读前面的描述之后，对本领域的普通技术人员来说，对本公开的许多改变和修改无疑将变得显而易见，但是应当理解，作为说明示出和描述的特定实施例决不旨在被认为是限制性的。此外，已经参考特定实施例描述了主题，但是本领域技术人员将想到在本公开的精神和范围内的变化。应注意，前述示例仅出于解释的目的而提供，并且绝不应解释为限制本公开。

尽管本文已参考特定实施例描述了本公开，但本公开并非旨在被限定于本文中所公开的细节；相反，本公开延伸到所有功能上等同的结构、方法和用途，诸如在权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种制造传感器的方法，包括：

在衬底上沉积金属层；

在所述金属层上制造具有第一校准部和第二校准部的校准结构；

通过修改所述第一校准部来执行对所述传感器的第一校准；

将第一覆盖层放置在所述第一校准部的一部分上；

将至少一个钝化层放置在所述第一覆盖层和所述第一校准部之间；以及

在将所述第一覆盖层放置在所述第一校准部的所述部分上之后，通过修改所述第二校准部来执行对所述传感器的第二校准，

其中所述第一校准部与所述第二校准部串联电连接。

2.根据权利要求1所述的方法，其中修改所述第一校准部包括通过去除材料来修改曲折结构。

3.根据权利要求1所述的方法，其中修改所述第二校准部包括去除材料。

4.根据权利要求1所述的方法，其中制造所述第二校准部包括：

在所述金属层上制造以下中的至少一个：具有矩形形状的结构、具有阶梯形状的结构、或具有球形形状的结构。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

将第二覆盖层放置在所述第二校准部上。

6.一种传感器，包括：

具有校准结构的衬底，所述校准结构包括第一校准部和第二校准部；以及

与所述第一校准部接触的第一覆盖层，

在所述第一覆盖层和所述第一校准部之间的至少一个钝化层，

其中所述第二校准部的至少一部分不与所述第一覆盖层接触，

其中所述第一校准部与所述第二校准部电连接，并且

其中在将所述第一覆盖层放置成与所述第一校准部接触之后，修改所述第二校准部。

7.根据权利要求6所述的传感器，其中所述第一校准部包括曲折结构。

8.根据权利要求6所述的传感器，其中所述第二校准部包括具有矩形形状的结构、具有阶梯形状的结构或具有球形形状的结构。

9.根据权利要求6所述的传感器，其中所述第一校准部和所述第二校准部中的至少一个已经通过去除材料而被修改。

10.根据权利要求6所述的传感器，其中所述第一校准部与所述第二校准部串联电连接。

11.根据权利要求6所述的传感器，还包括：

与所述第二校准部接触的第二覆盖层。

12.一种传感器，包括：

衬底；

被设置在所述衬底上的曲折部；

校准部，其被设置在所述衬底上并且被耦合到所述曲折部；以及

第一覆盖层，所述第一覆盖层与所述曲折部接触并且不与所述校准部接触，

其中在将所述第一覆盖层放置成与所述曲折部接触之后，修改所述校准部；并且

其中所述曲折部与所述校准部电连接；以及

在所述第一覆盖层和所述曲折部之间的至少一个钝化层。

13.根据权利要求12所述的传感器，其中所述校准部已经在所述第一覆盖层的放置之后通过去除材料而被修改。

14.根据权利要求12所述的传感器，其中所述校准部包括以下中的至少一个：具有矩形形状的结构、具有阶梯形状的结构或具有球形形状的结构。

15.根据权利要求12所述的传感器，其中所述曲折部和所述校准部中的至少一个已经通过去除材料而被修改。

16.根据权利要求12所述的传感器，还包括：

第一接触焊盘和第二接触焊盘，其彼此相邻地设置在所述衬底上并且与所述曲折部和所述校准部串联电连接，

其中所述校准部被设置在所述第一接触焊盘和所述第二接触焊盘之间的衬底上。

17.根据权利要求16所述的传感器，其中所述校准部和所述曲折部中的每个包括用于选择性还原的相应电阻量，

其中所述相应电阻量是相应尺寸、形状、宽度和厚度的函数。

18.根据权利要求12所述的传感器，还包括：

与所述校准部接触的第二覆盖层。