CN1125976C - 电容压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种电容压力传感器，包括下晶片和上晶片、固定电极、第一和第二垫板、可动电极和多个抽提电极。下晶片具有第一电容形成区域(其上形成固定电极)和第一垫板形成区域(其上形成第一垫板，且通过第一接线与固定电极连通)。上晶片具有第二电容形成区域(其上形成可动电极)和第二垫板形成区域(其上形成第二垫板，且通过第二接线与可动电极相边连)。抽提电极与第一和第二垫板连接，且从下晶片的通孔中抽出。而且上、下晶片粘在一起并覆盖垫板形成区域。

Description

电容压力传感器

本发明涉及一种电容压力传感器，更具体地说，涉及一种电容压力传感器，其中将熔化焊料制成的抽提电极连接到固定电极和可动电极上以构成电容器元件。

在传统的电容压力传感器中，将构成膜片的薄晶片和具有凹槽以形成基座的厚晶片相互粘附在一起，并且凹槽和膜片构成电容器元件的电容腔。将构成电容器元件的电极布置在电容腔中以使其彼此相对。

如图9所示，传统的电容压力传感器101由下晶片102、上晶片103、抽提电极104、固定电极105、可动电极107、参考电极109、固定电极105用的垫板106以及可动电极107和参考电极109用的垫板108所组成。

下晶片102和上晶片103都是由蓝宝石、硅、玻璃、或氧化铝制成的基片。下晶片102在其除了外围的中心部分处具有圆形的凹进的电容形成区域102a和多个垫板形成区域102b和103b，从电容形成区域102a的外圆周向外伸出。上晶片103与下晶片102的边缘粘接，以覆盖电容形成区域102a以及垫板形成区域102b和103b。上晶片103构成膜片，就如所形成充分薄的膜片一样，因此膜片可以很容易地根据外部压力变化而偏转。

如图8所示，圆形的可动电极107被安装成与膜片的一个与电容形成区域120a相对的表面的中心部分紧密接触，并且将C形参考电极109被安装成与膜片的边缘紧密接触，以使其基本包围可动电极107。圆形的固定电极105被安装成与下晶片102紧密接触，与可动电极107和参考电极109相对。电极105、107、和109与贯穿下晶片102伸展的抽提电极104连接。上晶片103的可动电极107和参考电极109同下晶片102的固定电极105穿过预定的间隙相互对立，以构成电容器元件。

按照这种配置，当膜片103a由于压力变化而偏转时，可动电极107移动因而可动电极107和固定电极105之间的距离发生变化。可以通过电检测到固定电极105和可动电极107之间电容的变化，来间接测量压力的变化。参考电极109用于校正固定电极105和可动电极107之间所检测的电容。

将简要描述制造上述电容压力传感器的一种方法。通过处理由蓝宝石或类似物所制成的基片，预备好下晶片102和上晶片103。通过机械加工、激光处理、超声波处理类似处理，在下晶片102中形成用于形成抽提电极104的通孔110。通过干蚀刻在下晶片102的表面中形成用于电容形成区域102a的凹槽。

通过汽相淀积、离子电镀、溅射、或类似方法在凹槽中形成金属薄膜，并对其有选择地蚀刻以形成固定电极105。固定电极105由铂/附着力促进剂薄膜形成。为形成附着力促进剂薄膜，使用钛、钒、铬、铌、锆、铪、钽、或类似金属。显而易见的是，可以不进行蚀刻并且可以穿过荫罩板执行溅射或类似方法。

在上晶片103中，在由蓝宝石或类似物制成的基板上通过溅射或类似方法形成金属薄膜，并且对金属薄膜有选择地蚀刻以形成可动电极107、参考电极109、以及垫板106和108。垫板106由金/阻挡薄膜/附着力促进剂薄膜形成。例如，铂用于形成阻挡薄膜，并且铌用于形成附着力促进剂薄膜。显而易见的是，作为替代蚀刻金属薄膜以形成电极的方法，可以穿过荫罩板进行溅射以形成电极。

在此之后，将上晶片103粘结在下晶片102上，并且在温度条件为400℃到1,300℃的大气中直接将上晶片103和下晶片102相互粘结在一起。在粘结之后，用如锡-银焊料之类的熔化焊料104a填满下晶片102中的通孔110，以形成抽提电极104。如果预先将下和上晶片102和103的定位以使通孔110同垫板106和108彼此相对，且通孔中所填入的熔化焊料104a附在垫板106和108上以形成可靠的电连接。

上述传统电容压力传感器有几个问题。更具体的说，在构成膜片的上晶片103中，待形成可动电极107和参考电极109的表面和待粘接到下晶片102上的表面位于同一平面上。如果出现有缺陷的电极结构或晶片未对准，则未对准的电极可能妨碍粘接晶片。

一般说来，当下和上晶片由同种材料(例如蓝宝石)制成时，经常通过直接粘接将它们相互结合在一起。由于直接粘接需要粘接表面的平面性和小的表面粗糙度，所以未对准的电极极大削弱了晶片的粘接强度。由于这个原因，一般情况下，电极和附在它们上的导线部分必须充分远离晶片的粘接部分。这需要额外的空间，因而妨碍了缩小传感器的尺寸。

当形成抽提电极104时，熔化焊料104a可能会穿过内部连接流进电容腔中，以使电极相互短路。为了防止这一点，一般来讲，如图9所示，形成台阶γ以缩短垫板106和108与通孔110的开口之间的距离，由此阻止流出一定量的焊料。但是，由于陡峭的台阶γ，使得在区域δ中通过溅射或类似方法形成金属薄膜变得困难，而且产生有缺陷的互连结构。

本发明的一个目的在于提供一种电容压力传感器，其中当基础件分别具有待相互粘接在一起的电极时，可以防止由于未对准电极的材料所导致的有缺陷的结合。

本发明的另一个目的在于提供一种电容压力传感器，其中可以防止形成抽提电极的熔化焊料流进电容腔中。

为实现上述目的，根据本发明，提供一种电容压力传感器，它包括：一第一基础件，其具有第一主凹槽和与第一主凹槽连通的第一副凹槽；一第二基础件，其具有和第一主凹槽一起构成电容腔的第二主凹槽，和与第二主凹槽连通的第二副凹槽，且第二主凹槽具有构成一膜片的底表面；一固定电极，形成在第一主凹槽的底表面上；一第一垫板，在第一副凹槽的底表面上形成，并且通过第一内部连接与固定电极连接；一可动电极，形成在第二主凹槽的底表面上，从而与固定电极相对；一第二垫板，在第二副凹槽中形成，并且通过第二内部连接与可动电极连接；和多个抽提电极，其连接到第一和第二垫板上，并且穿过在第一基础件中所形成的通孔向外抽出；其中使第一和第二基础件相互粘接在一起，以利用第二和第一基础件的粘结合表面覆盖第一和第二副凹槽。

图1是根据本发明第一实施例的电容压力传感器的平面图，其中省略了上晶片；

图2是沿图1中II-II’线的剖面图；

图3A是图1中区域α的放大平面图，并且图3B是图3A的剖面图；

图4A是表示图1中区域β的平面图，并且图4B是图4A的剖面图；

图5A是图1所示的垫板形成区域的放大平面图，并且图5B是用于说明本发明第二个实施例的垫板形成区域的放大平面图；

图6是根据本发明第二实施例的电容压力传感器的平面图，其中省略了上晶片；

图7是沿图6中VII-VII’线的剖面图；

图8是传统电容压力传感器的平面图；和

图9是沿图8中IX-IX’线的剖面图。

将参照附图对本发明进行详细描述。

图1和图2表示根据本发明第一实施例的电容压力传感器。如图2所示，根据该实施例的电容压力传感器1，由下晶片2、上晶片3、抽提电极4、固定电极5、可动电极7、参考电极9、固定电极5的两个垫板6、与垫板6相对的反垫板6a、可动电极7和参考电极9用的垫板8、以及与垫板8相对的反垫板8a所组成。如图1所示，垫板6经过内部连接5a与固定电极5连接，垫板8经过内部连接7a和9a分别与可动电极7和参考电极9连接。

下晶片2和上晶片3都是由蓝宝石、硅、玻璃、或铝所制成的基板。下晶片2具有形成在其中心部分的凹进的圆形的电容形成区域2a，和凹进的卫星状的小圆形的垫板形成区域2b，该区域2b与电容形成区域2a连通。在构成垫板形成区域2b的下晶片2的底表面上形成固定电极5的环状垫板6，以围绕通孔10的开口。为与垫板形成区域2b相对应，在上晶片3边缘的较低表面上形成与垫板6相对的反垫板6a。

上晶片3具有形成在其中心部分的凹进的圆形的电容形成区域3a，和多个凹进的卫星状的小圆形的垫板形成区域3b，该区域3b与电容形成区域3a连通。可动电极7和参考电极9用的垫板8形成在上晶片3的顶面上，构成垫板形成区域3b。为相应于垫板形成区域3b，在下晶片2边缘的较高表面上形成环状的反垫板8a，以包围通孔10的开口，从而正对于垫板8。

上晶片3的电容形成区域3a的底表面构成一膜片，由于形成的膜片充分薄，因此膜片可以根据外部压力变化容易地偏转。在它们的边缘将上和下晶片3和2相互粘接在一起，以密封一个由电容形成区域2a和3a组成的电容腔。在这种情况下，电容形成区域2a和3a不会彼此相对，垫板形成区域3a受到下晶片2的边缘上表面的覆盖，并且垫板形成区域2b受到上晶片2的边缘下表面的覆盖。

如图1所示，圆形可动电极7安装成与构成电容形成区域2a的膜片(上晶片3的底表面)的中心部分紧密接触；并且C形的参考电极9安装成与膜片的边缘紧密接触，从而基本上包围可动电极7。圆形固定电极5安装成与下晶片2紧密接触，从而正对于可动电极7和参考电极9。电极5、7、和9与贯穿下晶片2的抽提电极4连接，如后面将描述的那样。

如上所述，上晶片3的电容形成区域3a和下晶片2的电容形成区域2a形成电容腔。在电容腔中，上晶片3的可动电极7和参考电极9与下晶片2的固定电极5通过所预定的间隙彼此相对，以构成电容元件。

按照这种配置，当膜片由于压力变化而偏转时，可动电极7移动因而可动电极7和固定电极5之间的距离变化。因此，可以通过电检测到固定电极5和可动电极7之间电容的变化，来间接测量压力的变化。参考电极9用于校正固定电极5和可动电极7之间所检测的电容。

参照图3A、3B和5A详细描述垫板形成区域2b。

如图3A和5A所示，每一个垫板形成区域2b具有焊料流出阻挡壁2c，以形成熔化焊料4a的旁路。更具体的说，将直径比垫板形成区域2b小的垫板6和反垫板6a布置在垫板形成区域2b的中心部分，形成在下晶片2中，以使其彼此相对。C形的焊料流出阻挡壁2c从下晶片2上凸起，从而包围垫板6和反垫板6a。焊料流出阻挡壁2c在相对于内部连接5a向电极5延伸的方向的侧边上具有凹口(开口)。

内部连接5a的一部分在垫板形成区域2b的底表面(下晶片2)上形成类似于环的形状，以进一步围绕焊料流出阻挡壁2c。类似环状的内部连接5a的一端穿过焊料流出阻挡壁2c的凹口与垫板6连接，并且另一端穿过电容形成区域2a与垫板形成区域2b的连通部分与电极5连接。

在上述设计的垫板形成区域2b中，流进垫板6和反垫板6a之间的部分的熔化焊料4a穿过下晶片2的通孔10沿类似环的内部连接5a流入垫板形成区域2b中。由于熔化焊料4a流经在焊料流出阻挡壁2c和垫板形成区域2b的壁表面之间所形成的旁路，故可防止熔化的焊料4a流入电容形成区域2a中。

由于形成的通孔10是锥形的，因此其垫板形成区域2b一侧是狭窄的，并且由于在其末端的开口具有稍微比垫板6和反垫板6a的小一些的直径，还阻止向除垫板6和反垫板6a之外的部件流入过多的熔化焊料4a。

将参照图4A和4B详细描述垫板形成区域3b。

如图4A所示，每一个垫板形成区域3b具有一焊料流出阻挡壁3c，以形成熔化焊料4a的旁路。更具体的说，将直径比垫板形成区域3b小的垫板8和反垫板8a布置在垫板形成区域3b的中心部分，形成在上晶片3中，以使其彼此相对。C形的焊料流出阻挡壁3c从上晶片上凸起，以围绕垫板8和反垫板8a。内部连接7a的一部分在垫板形成区域3b的底表面(上晶片3)上形成类似于环的形状，以进一步围绕焊料流出阻挡壁3c。类似环状的内部连接7a的一端穿过焊料流出阻挡壁3c的凹口与垫板8连接，并且其另一端穿过电容形成区域3a与垫板形成区域3b的连通部分与电极7连接。

在上述结构的垫板形成区域3b中，流进垫板8和反垫板8a之间的部分的熔化焊料4a穿过下晶片2的通孔10沿类似环的内部连接7a流入垫板形成区域3b中。由于熔化焊料4a流经在焊料流出阻挡壁3c和垫板形成区域3b的壁表面之间形成的旁路，故可阻止熔化焊料4a流入电容形成区域3a中。

由于形成的通孔10是锥形的，因此其垫板形成区域3b一侧是狭窄的，并且由于在其末端的开口具有稍微比垫板8和反垫板8a的小一些的直径，故可阻止向除垫板8和反垫板8a之外的部件流入过多的熔化焊料4a。对应于电极9和内部连接9a的垫板形成区域3b也具有与之同样的结构，并且将省略关于其的描述。

下面描述制造上述电容压力传感器的方法。

通过处理由蓝宝石或类似物所制成的基板，预备好下和上晶片2和3。通过机械加工、激光处理、超声波处理或类似处理，在下晶片2中形成用于形成抽提电极4的通孔10。通过干蚀刻除去下晶片2的表面区域，并且在下晶片2中形成用于电容形成区域2a以及用于垫板形成区域2b的凹槽。通过汽相淀积、离子电镀、溅射、或类似方法在凹槽底表面形成金属薄膜，并对其有选择地蚀刻以形成固定电极5、内部连接5a、和垫板6。同时，在下晶片2的周围形成反垫板8a，以与垫板形成区域3b相对。

在上晶片3中，在由蓝宝石或类似物制成的基板上通过干刻蚀形成用于电容形成区域3a和用于垫板形成区域3b的凹槽。在凹槽的底表面通过喷镀或类似方法形成金属薄膜，对金属薄膜蚀刻以形成可动电极7、参考电极9、内部连接7a和9a、以及垫板8。同时，在上晶片的外围上形成反垫板6a，以与垫板形成区域2b相对。

电极5、7、和9以及内部连接5a、7a、和9a由铂/附着力促进剂薄膜形成。例如，使用钛、钒、铬、铌、锆、铪、钽、或类似金属形成附着力促进剂薄膜。辅助垫板6、8、和8a由金/阻挡薄膜/附着力促进剂薄膜形成。例如，铂用于形成阻挡薄膜，而铌用于形成附着力促进剂薄膜。

在此之后，下和上晶片2和3相互粘结在一起，并且在温度条件为400℃到1,300℃的大气中直接将上部和下晶片相互粘接在一起。得到的结构设置为下晶片2位于顶部一侧，并且用熔化焊料4a填满通孔10，因此形成连接到垫板6和8的抽提电极4。

在下和上晶片2和3中，代替形成金属薄膜并在此之后蚀刻它们的方法是，可以穿过荫罩板进行溅射以形成电极、内部连接、和垫板。

在该装置中，如果下和上晶片2和3设置成使得通孔10的开口同反垫板6a和垫板6彼此相对，可以防止熔化焊料4a附在垫板6、6a、8和8a上而流进电容腔中。如图3A、3B、4A和4B所示，由焊料阻挡壁2b和3b所形成的旁路阻止熔化焊料4a流进电容腔中。

将参照图5B描述本发明的第二个实施例。

在第一实施例中，如上所述，形成C形的焊料流出阻挡壁2c，以具有在内部连接5a向电容腔(电极5)延伸的方向的相对方向(180°的方向)上延伸的凹口，因此形成熔化焊料4a的旁路。根据对形成旁路的焊料流出阻挡壁2c的设计，可以更有效地防止焊料的流出。

更具体的说，如图5B所示，形成具有问号形状的焊料流出阻挡壁2c，并且它的一端与下晶片2的壁表面连通，因此可以显著地增加旁路的长度。此时，如果焊料流出阻挡壁2c的凹口在形成与电容器成90°角的方向上延伸，内部连接5a沿相应保持270°的弧延伸，那么旁路的长度变得比第一个实施例的大1.5倍。在这种情况下，如果焊料流出阻挡壁2c凹口的方向在形成与内部连接5a向电极5延伸方向成0°到180°角的方向，它就足够。

参照图6和7描述本发明的第三个实施例。

在第三实施例中，除第一个实施例的结构外，在垫板形成区域2b和3b与电容形成区域2a和3a的连通部分中形成焊料流出阻挡凸起10和11，如图6所示。焊料流出阻挡凸起10从上晶片3上凸起，并且其末端与下晶片2的内部连接5a相接触，以关闭流出通道。焊料流出阻挡凸起11从下晶片2上凸起，并且其末端与上晶片3的内部连接7a和9a相接触，以关闭流出通道。

按照这种方式，当形成焊料流出阻挡凸起10和11时，即使熔化焊料4a从电容形成区域2a和3a中流出，也能可靠地防止其流入电容形成区域2a和3a中。特别是，如果焊料流出阻挡凸起10和11由焊料润滑性比内部连接的焊料润滑性差的材料所形成，就可以有效地防止熔化焊料4a的流出。

在上面的实施例中，焊料流出阻挡凸起10和11仅在内部连接5a、7、9a上断开焊料流。此外，焊料流出阻挡凸起10和11可以使垫板形成区域2b和3b与电容形成区域2a和3a完全断开。

在上面的实施例中，焊料流出阻挡壁2c和3c以及焊料流出阻挡凸起10和11与上或下晶片3或2整体形成。此外，可以粘附单独的元件以充当焊料流出阻挡壁或凸起。

如上所述，根据本发明，由于固定和可动电极安装在第一和第二基础件中形成的凹槽中，电极不会容易地暴露于第一和第二基础件的结合表面上。因此，就不会轻易出现第一和第二基础件的有缺陷的结合缺陷。与传统情形不一样的是，不需要用于充分使基础件和形成部件的电极之间相互分离的额外空间，因此实现缩小尺寸的传感器。

由于各自基础件的凹槽不会重叠，故抽提电极的通孔的开口和在相对基础件上形成的垫板之间的距离可以减小，因此熔化焊料不会轻易地流出。特别是，当焊料流出阻挡壁形成熔化焊料的旁路时，可阻止焊料流入电容腔中以防止电极的短路。

当形成焊料流出阻挡凸起时，可以可靠地防止熔化焊料流入电容腔中。如果焊料流出阻挡凸起由焊料润滑性比电极的焊料润滑性差的材料所形成，就可以更有效地防止焊料的流入。

Claims (12)

1.一种电容压力传感器，其特征在于包括：

-第一基础件(2)，其具有第一主凹槽(2a)和与第一主凹槽连通的第一副凹槽(2b)；

-第二基础件(3)，其具有和所说第一主凹槽一起构成一电容腔的第二主凹槽(3a)，和与所说第二主凹槽连通的第二副凹槽(3b)，所说第二主凹槽具有构成一膜片的底表面；

-固定电极(5)，形成在所说第一主凹槽的底表面上；

-第一垫板(6)，在所说第一副凹槽的底表面上形成，并且通过第一内部连接(5a)与所说固定电极连接；

-可动电极(7)，在所说第二主凹槽的底表面上形成，从而与所说固定电极相对；

-第二垫板(8)，在所说第二副凹槽中形成，并且通过第二内部连接(7a)与所说可动电极连接；和

抽提电极(4)，其与所说第一和第二垫板连接并且穿过在所说第一基础件中形成的通孔(10)向外抽出；

其中所说第一和第二基础件相互粘接在一起，以利用所说第二和第一基础件的粘接表面覆盖所说第一和第二副凹槽。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中所说抽提电极由熔化焊料制成，用熔化焊料填满所说通孔并且将其冷却和固化以粘附在所说第一和第二垫板上。

3.根据权利要求2所述的传感器，还包括在所说第一和第二副凹槽中的焊料流出阻挡壁(2c)，以构成焊料流出到所说第一、第二副凹槽和其内壁之间部分的旁路。

4.根据权利要求3所述的传感器，其中以环状在所说第一和第二垫板周围布置所说流出阻挡壁，并且流出阻挡壁具有形成所说第一和第二内部连接同所说第一和第二垫板连接通道的凹口，和

以环状布置所说第一和第二内部连接，以使其进一步围绕所说流出阻挡壁。

5.根据权利要求4所述的传感器，其中在不同于所说第一和第二内部连接向固定和可动电极延伸方向的方向上形成所说流出阻挡壁的所说凹口。

6.根据权利要求5所述的传感器，其中在与所说第一和第二内部连接向固定和可动电极延伸方向成180°的方向上，形成所说流出阻挡壁的所说凹口。

7.根据权利要求5所述的传感器，其中在与所说第一和第二内部连接向固定和可动电极延伸方向成0°到180°的方向上，形成所说流出阻挡壁的所说凹口，和

经由与所说流出阻挡壁的所说凹口所形成的角度相对侧边上的弧，将所说第一和第二内部连接与所说固定和可动电极连接。

8.根据权利要求5所述的传感器，其中形成C形的所说流出阻挡壁。

9.根据权利要求5所述的传感器，其中形成问号形状的所说流出阻挡壁，并且将每一个所说凹口的一端与所说第一和第二副凹槽的所说内壁的相应一个连接。

10.根据权利要求2所述的传感器，还包括焊料流出阻挡件(10、11)，用于阻止在所说第一主凹槽和所说第一副凹槽的连通部分、以及所说第二主凹槽和所说第二副凹槽的连通部分上流出熔化焊料。

11.根据权利要求10所述的传感器，其中所说焊料流出阻挡件，断开在所说第一和第二接线上流出的熔化焊料从所说第一和第二副凹槽到所说第一和第二主凹槽的流出通道。

12.根据权利要求10所述的传感器，其中所说焊料流出阻挡件，由焊料润滑性比第一和第二内部连接的焊料润滑性差的材料构成。

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