CN1715854A

CN1715854A - 压力传感器

Info

Publication number: CN1715854A
Application number: CN200510081079.6A
Authority: CN
Inventors: 丰田稻男
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2006-01-04
Anticipated expiration: 2025-06-29
Also published as: US20050284228A1; FR2872281A1; US6997058B2; JP4337656B2; CN100417928C; DE102005027463A1; JP2006010623A; FR2872281B1

Abstract

一种压力传感器，包括：金属杆(10)，其具有根据施加的压力而变形的隔膜片(11)；以及半导体基板(20)，其中绝缘层(23)插入在第一和第二半导体层(21、22)之间。多个应变片(24)形成在半导体基板的第一半导体层的预定区域，用于将隔膜片的弯曲转变为电信号。在该压力传感器中，所述应变片具有这样的图案形状，所述图案形状彼此之间被沟槽(25)绝缘且间隔开，其中每个沟槽都从第一半导体层的表面延伸到绝缘层。此外，所述半导体基板具有凹槽部分(28)，其从第二半导体层的表面凹向绝缘层，且被设置在对应于预定区域的位置处。所述隔膜片插入在凹槽部分中，且所述绝缘层在凹槽部分中连接在隔膜片的表面上。

Description

压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，其中具有应变片的半导体基板固定在金属杆的隔膜片表面上。该压力传感器通过由应变片将隔膜片的弯曲量转变为电信号，来检测压力。例如，该压力传感器适用于检测车辆的相关装置的压力。

背景技术

一种压力传感器包括：金属杆，其具有用于检测压力的隔膜片；半导体基板，其连接在隔膜片的表面上；和应变片，其用于将形成在半导体基板上的隔膜片的弯曲量转变为电信号(例如参见JP-B2-7-11461，其对应于USP 4,986,861和USP 4,840,067)。

在压力传感器中，弯曲部分的厚度由隔膜片的厚度和半导体基板的厚度构成。在这种情况下，为了增加传感器的灵敏度，需要隔膜片和半导体基板都较薄一些。然而，当半导体基板较薄时，会大大损坏半导体基板的强度。

而且，当应变片由扩散电阻器(使用半导体工艺形成)构成时，应变片的电绝缘通常通过PN结实现。在这种情况下，高温时在PN结部分处会发生漏电，从而在高温环境中很难精确地检测压力。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种压力传感器，其提高了灵敏度，且可精确地检测相关装置的压力。

根据本发明，压力传感器包括：金属杆，其具有根据施加的压力而变形的隔膜片；半导体基板，其连接在隔膜片的表面上；和多个应变片，其形成在半导体基板的第一半导体层的预定区域，用于将隔膜片的弯曲量转变为电信号。

在该压力传感器中，半导体基板是叠层结构，其中绝缘层插入在第一和第二半导体层之间；并且，应变片具有这样的图案形状，所述图案形状彼此之间被沟槽绝缘且间隔开，其中每个沟槽都从第一半导体层的表面延伸到绝缘层。半导体基板具有凹槽部分，其从第二半导体层的表面凹向绝缘层，且被设置在与预定位置相对应的位置处。而且，隔膜片插入在凹槽部分中，且所述绝缘层在凹槽部分中被连接在隔膜片的表面上。

在该压力传感器中，用于检测压力的弯曲厚度部分由金属杆的隔膜片的厚度部分和绝缘层的厚度部分构成。因此，可提高压力传感器的灵敏度，且通过使用形成在第一半导体上的应变片可精确地检测相关装置中的压力。例如，压力传感器可检测燃油压力或制动压力。

例如，半导体基板是SOI基板，其中第一和第二半导体层都由硅制成，绝缘层由二氧化硅薄膜制成。此外，绝缘层在凹槽部分中通过玻璃材料被粘结到隔膜片的表面上

所述隔膜片可在与半导体基板的凹槽部分相对应的位置处具有突出部分。在这种情况下，所述隔膜片的突出部分插入在凹槽部分中，且在凹槽部分中连接在绝缘层上。

可选择地，在半导体基板范围内的凹槽部分中，仅有绝缘层连接在隔膜片上。

举例说明，所述凹槽部分由绝缘层和第二半导体层限定，以具有从绝缘层到第二半导体层的表面逐渐扩大的梯形横截面形状。在这种情况下，所述隔膜片具有与凹槽部分形状相对应的突出部分，且所述半导体基板的绝缘层在凹槽部分中连接到突出部分的表面上。因此，可简化压力传感器的结构。

而且，所述金属杆具有一壁面，其从隔膜片向外延伸，且面向第二半导体层的表面，并且所述第二半导体层的表面在凹槽部分外侧连接在金属杆的壁面上。因此，即使在半导体基板中设置有凹槽部分，也可以有效地提高半导体基板的强度。

附图说明

从下面结合附图的优选实施例的详细说明，可以很明显地看出本发明上述和其他目的、特征和优点，其中：

图1是表示根据本发明第一优选实施例的压力传感器的示意截面图；

图2是图1所示压力传感器的半导体基板的示意平面图；

图3A-图3D是表示制造半导体基板方法的示意截面图；以及

图4是表示根据本发明第二优选实施例的压力传感器的示意截面图。

具体实施方式

(第一实施例)

图1表示了压力传感器100，并且是沿图2中I-I线的截面图。举例说明，压力传感器100可以连接在相关装置上，例如连接在车辆喷射系统(例如共轨喷射系统)的燃油管上。在这种情况下，压力传感器100检测燃油管中的液体燃料或气一液混合燃料(其作为压力介质)的压力。

压力传感器100包括：金属杆10，其具有隔膜片11，用于检测压力；半导体基板20，其连接在金属杆10中的隔膜片11的表面上；和应变片24，用于将隔膜片11的弯曲(变形)转变为电信号。

例如金属杆10由铁-镍-钴合金制成，且具有小热膨胀系数。金属杆10成形为中空圆柱体，且具有封闭的端部，如图1所示。金属杆10在封闭端部(图1所示的顶端)具有隔膜片11(其成形为一薄壁区段)，且在另一端具有开口部分12。

由于高压作用在金属杆10上，金属杆10的材料通常需要具有高强度。而且，因为由例如硅的半导体材料制成的半导体基板20通过玻璃30连接在金属杆10上，所以需要使用具有低热膨胀系数的材料来制造金属杆10。例如使用铁、镍、钴合金或铁、镍合金作为金属杆10的主要材料，并在主要材料中添加钛、铌、铝或钛、铌来作为沉积强化材料(deposition strengthening material)。金属杆10通过压制、切割或冷锻等方法成形。

半导体基板20通过电绝缘的粘结材料连接在金属杆10的隔膜片11的表面上。举例说明，在该实施例中，半导体基板20通过具有低熔点的玻璃30粘结在金属杆10的隔膜片11表面。

在这个实施例中，半导体基板20为叠层结构，其中绝缘层23插入在第一半导体层21和第一半导体层22之间。半导体基板20由绝缘体上硅(SOI)的基板构成，其中第一半导体层21和第二半导体层22由硅制成，绝缘体层23由二氧化硅薄膜制成。

如图1所示，第一半导体层21作为P型表面硅层，且厚度大约为10μm。第二半导体层22作为基板硅层，且厚度大约为500μm。硅层21、22粘结在由二氧化硅薄膜形成的绝缘层23的两个表面上。

如图1和2所示，应变片24形成在半导体基板20的第一半导体层21上。应变片24彼此之间被沟槽25绝缘且间隔开，其中该沟槽25一直从第一半导体层21的表面形成到绝缘层23上。

而且，如图2所示，应变片24相互电连接，以形成一桥接电路，所述桥接电路将对应于隔膜片11变形的电阻变化转变为电信号。

举例说明，每个都具有折叠形状的四个应变片24相互电连接，以形成一桥接电路(惠斯通电桥)。

配线部分26彼此之间被沟槽25分隔开，且形成在第一半导体基板21上。配线部分26分别与应变片24电连接。用于与外界相连的连接垫27形成在每个配线部分26上。例如可通过喷涂铝材料来形成连接垫27。接合线连接在该连接垫27上。

在半导体基板20的另一侧设置有凹槽部分28。该凹槽部分28至少在某一位置形成在第二半导体层22上，所述位置对应于形成应变片24的区域。如图1所示，凹槽部分28从第二半导体层22的表面(其与第一半导体层21相反)凹向绝缘层23。应变片24设置在凹槽部分28上方的位置。举例说明，应变片24设置在凹槽部分28的底部(绝缘部分23)的区域内。

如图1所示，金属杆10的隔膜片11插入在凹槽部分28内，使得形成凹槽部分28的表面(底部表面)的绝缘层23被粘结在隔膜片表面上。举例说明，形成凹槽部分28的表面的绝缘层23和隔膜片11的表面，通过具有低熔点的玻璃30粘结在一起。因此，在半导体基板20中，限定了凹槽部分28的绝缘层23部分就会根据隔膜片11的变形而弯曲。

在金属杆10中，隔膜片11具有突出部分11a，其与半导体基板20中的凹槽部分28相对应。隔膜片11的突出部分11a插入到凹槽部分28中，以在凹槽部分28中被粘结绝缘层23上。

下面将要说明制造半导体基板20的方法。通过半导体工艺将半导体基板制造成晶片状态，然后通过使用分块切割机分割成芯片单元。

虽然在图3A一3D中示出的是晶片状态的加工方法，但是其参考标记与图1、2中示出的半导体基板20的结构元件的标记相同。

如图3A所示，制备具有SOI基板结构的半导体晶片，来成形半导体基板20。在半导体晶片中，第一半导体层21和第二半导体层22被粘结在绝缘层23的两个表面上，其中该绝缘层23是二氧化硅薄膜。也就是说，第一和第二半导体层21、22通过绝缘层23彼此粘结。

然后，如图3B所示，使用薄膜成形方法(例如喷涂)在第一半导体层21的表面上形成垫27。垫27用于实现与外界电连接。例如，可通过引线接合来实现与外界的电连接。

然后，如图3C所示，通过干法刻蚀(dry etching)来将从第一半导体层21的表面延伸到绝缘层23的沟槽25形成在第一半导体层21上。从而，形成了应变片24和配线部分26，其具有被沟槽25间隔开的图案。

此外，如图3D所示，通过刻蚀第二半导体层22来成形出从第二半导体层22的表面凹向绝缘层23的凹槽部分28。例如，使用干法刻蚀或氢氧化钾(KOH)溶液的各向异性刻蚀(anisotropicetching)来处理第二半导体层22，以形成凹槽部分28。

在图2所示的实例中，具有正方平面形状的凹槽部分28通过使用氢氧化钾(KOH)溶液的各向异性刻蚀来形成。然而，可以使用干法刻蚀成形出具有圆形平面形状的凹槽部分28。此外，凹槽部分28可成形为梯形截面形状，所述梯形截面从绝缘层23到第二半导体层22逐渐扩大，如图3D所示。

然后，将半导体晶片切割成芯片单元，以成形出压力传感器100的半导体基板20。

相对照地，金属杆10通过压制、切割或冷锻成形。通过上述方式成形的半导体基板20通过玻璃粘结剂粘结到金属杆10的隔膜片11表面上。因此，半导体基板20就通过玻璃30连接在金属杆10的隔膜片11表面上。在半导体基板20的凹槽部分28中，由于隔膜片11的表面与由二氧化硅薄膜制成的绝缘层23粘结在一起，所以可以实现与玻璃30的牢固连接。

通过上述方式制成的压力传感器100可以连接在燃油管路上，这样金属杆10的开口部分12就与燃油管的内部相通。在这种情况下，燃油管中的压力介质从金属杆10的开口部分12作用于金属杆10的内侧。因此，燃油管中的压力就作用于隔膜片11与半导体基板20相反的表面上。从而，隔膜片11和绝缘层23都根据所作用的压力弯曲(变形)；并且，由于隔膜片和绝缘层23的弯曲(变形)，位于隔膜片11表面上方的应变片24也弯曲(变形)。

利用压电电阻效应，应变片24根据应变程度改变其电阻值。应变片24的电阻值作为电信号被检测，以检测燃油管内部的压力。

例如，预定电压作用于由应变片24构成的桥接电路上。在这种情况下，桥接电路的电阻平衡会根据隔膜片11的弯曲(变形)而改变，而且桥接电路的输出电压也改变了。因此，输出电压的改变可作为电信号被检测。

在该实施例中，压力传感器100包括：金属杆10，其具有用于检测压力的隔膜片11；半导体基板20，其连接在金属杆10的隔膜片11表面；和应变片24，其用于将隔膜片11的弯曲转变为电信号。半导体基板20为叠层结构，其中绝缘层23插入在第一半导体层21和第二半导体层22之间。

应变片24形成在半导体基板20的第一半导体层21上，且应变片24彼此之间被沟槽25绝缘且间隔开，其中该沟槽25一直从第一半导体层21的表面延伸至绝缘层23。此外，从第二半导体层22的表面凹向绝缘层23的凹槽部分28，形成在第二半导体层22的某一位置上，该位置对应于形成有应变片24的区域。另外，隔膜片11插入在凹槽部分28内，这样形成凹槽部分28底部表面的绝缘层23就连接到隔膜片11的表面上。举例说明，形成凹槽部分28底部表面的绝缘层23，通过例如玻璃30的粘结材料被粘结在隔膜片11的表面上。

相应地，在压力传感器100中，弯曲厚度部分由金属杆10的隔膜片11的厚度部分和半导体基板20的绝缘层23的厚度部分构成。所以，通过使用形成在隔膜片11和弯曲绝缘层23上方的应变片24，可以很容易地精确检测压力。

在这个实施例中，半导体基板20中的弯曲厚度部分变薄成仅仅是绝缘层23的厚度。因此，可以有效地提高压力传感器100的压力灵敏度。

通过使用压电电阻效应，应变片24由第一半导体层21构成。此外，由于应变片24彼此被沟槽25间隔，所以应变片24在绝缘层23上彼此绝缘。因此，不需要使用PN结来绝缘和彼此间隔开应变片24。所以，可以防止压力传感器100在高温时漏电，并且使用压力传感器100可以精确地检测相关装置的压力。

在上述实施例中，半导体基板20是SOI基板，其中第一和第二半导体层21和22都由硅制成，且绝缘层23由二氧化硅薄膜制成。然而，只有当绝缘层23插入第一和第二半导体层21和22两者之间时，才可以适当地改变半导体基板20的结构。

此外，在上述实施例中，举例说明，形成凹槽部分28底部表面的绝缘层23通过玻璃粘结剂(玻璃30)连接在隔膜片11的表面上。然而，绝缘层23与隔膜片11表面的连接不限于玻璃粘结剂(玻璃30)。

在上述实施例的压力传感器100中，隔膜片11具有突出部分11a，其在对应半导体基板20的凹槽部分28的位置处突伸出。而且，隔膜片11的突出部分11a插入在凹槽部分28内，且连接在绝缘层23上。因此，隔膜片11的梢表面可以很容易地连接在半导体基板20上。

在这个实施例中，半导体基板20中的弯曲部分的厚度可以大致减少至绝缘层23的厚度。然而，半导体基板20围绕凹槽部分28的其他部分具有足够的厚度，其包括第二半导体层22的厚度。因此，可以充分地保持半导体基板20的强度。如图1所示，金属杆10具有从隔膜片11向外延伸的壁面，该壁面面向第二半导体层22的表面；在凹槽部分28的外侧，第二半导体层22的表面连接在金属杆10的壁面上。

(第二实施例)

下面参考附图4说明本发明的第二实施例。在第二实施例中，如图4所示，金属杆10中的隔膜片11的外径小于凹槽部分28底部的直径。

举例说明，如图4所示，金属杆10的整个外径小于半导体基板20的凹槽部分28的底部(绝缘层23)直径。在这种情况下，隔膜片11全部地插入在凹槽部分28内，且很容易地连接在绝缘层23上。

根据第二实施例，隔膜片11的表面可以很容易地连接到半导体基板20上，并且由于金属杆10的形状简单，所以可以很容易地成形出金属杆10。

(其他实施例)

虽然结合附图和一些优选实施例说明了本发明，但是需要指出的是，本领域技术人员可以很容易地想到各种变形和改进。

例如，图2所示的应变片24的形状是一个实例，可以适当地改变其形状。此外，在图2所示的实例中，除了应变片24之外，还可以在半导体基板20上设置用于检测温度的电阻元件。

此外，金属杆10的形状可以适当地改变，只要金属杆10的隔膜片11的表面能够在凹槽部分28中连接到半导体基板20上即可。

虽然参考优选实施例说明了本发明，但是可以理解本发明不限于所述的实施例。本发明覆盖各种变形和等同的布置。另外，虽然优选实施例的各种元件具有各种组合和结构(只是举例)，但是其他的组合和结构(多于、少于或只有单一元件)也在本发明的构思和范围内。

Claims

1.一种压力传感器，包括：

金属杆(10)，其具有根据施加的压力而变形的隔膜片(11)；

半导体基板(20)，其连接在隔膜片的表面上，所述半导体基板是叠层结构，且其中绝缘层(23)插入在第一和第二半导体层(21、22)之间；以及

多个应变片(24)，其形成在半导体基板的第一半导体层的预定区域，用于将隔膜片的弯曲转变为电信号，其特征在于：

所述应变片具有这样的图案形状，所述图案形状彼此之间被沟槽(25)绝缘且间隔开，其中每个沟槽都从第一半导体层的表面延伸到绝缘层；

所述半导体基板具有凹槽部分(28)，其从第二半导体层的表面凹向绝缘层(23)，且被设置在对应于预定区域的位置处；以及

所述隔膜片插入在凹槽部分中，且所述绝缘层在凹槽部分中连接在隔膜片的表面上。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述半导体基板是SOI基板，其中第一和第二半导体层都由硅制成，绝缘层由二氧化硅薄膜制成。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述绝缘层在凹槽部分中通过玻璃材料(30)粘结到隔膜片的表面上。

4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：

所述隔膜片在对应于半导体基板的凹槽部分的位置处具有突出部分(11a)；以及

所述隔膜片的突出部分插入在凹槽部分中，且在凹槽部分中连接在绝缘层上。

5.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：

在半导体基板范围内的凹槽部分中，仅有绝缘层连接在隔膜片上。

6.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：

所述凹槽部分由绝缘层和第二半导体层限定，以具有从绝缘层到第二半导体层的表面逐渐扩大的梯形横截面形状；以及

所述隔膜片具有与凹槽部分形状相对应的突出部分，且所述半导体基板的绝缘层在凹槽部分中连接到突出部分的表面上。

7.根据权利要求6所述的压力传感器，其特征在于：

所述金属杆具有一壁面，其从隔膜片向外延伸，且面向第二半导体层的表面；以及

所述第二半导体层的表面在凹槽部分外侧连接在金属杆的壁面上。

8.根据权利要求1-7中任一所述的压力传感器，其特征在于：

所述金属杆为中空形状，且具有在与隔膜片相反的端部处打开的开口；以及

压力介质通过金属杆的开口作用于在隔膜片上。