專利名稱：可用于高度潔凈及高腐蝕性環(huán)境的感測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及多個感測器，更具體而言是涉及一種壓力及/或溫度感測器，其在200℃以上具有優(yōu)異的穩(wěn)定度且在700℃以上仍能有效地運作。本發(fā)明的感測器的操作無須液體充填，且無外在暴露的金屬元件。該感測器包括無孔隙且不滲透的表面，其可置于高度潔凈環(huán)境直接與流體接觸。在本發(fā)明一具體實施例中，該無孔隙表面包括化學(xué)侵蝕無法滲透的單晶藍寶石層。依此方式，化學(xué)物或污染物無法隨時間從感測器被抽出至過程流中。在無限制情況下，本發(fā)明的壓力感測器可適用于使用在化學(xué)惰性的壓力傳感器模塊或流量計中以感測在過程流體中的壓力，并且可直接模制成該壓力傳感器模塊或流量計的高溫塑膠殼體。
背景技術(shù)：
壓力感測器已被運用于多樣不同的應(yīng)用以量測計量壓力或絕對壓力。這些應(yīng)用中的許多包括在不利的環(huán)境中的壓力量測。該壓力感測器可為一電容形式或壓阻形式。例如，一氧化鋁陶瓷電容器感測器可包括一薄，通常合用的陶瓷板，其具有一絕緣間隔環(huán)包夾于一厚，不合用陶瓷板之中。第一個薄陶瓷板或隔膜厚度約.005至.050英寸，典型地為.020時。厚陶瓷板則有一厚度范圍.100至.200英寸。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認可，隔膜的厚度是較佳地取決于該薄膜的直徑。該間隔則可由一適用的聚合物建構(gòu)。附添的面由金屬如金、鎳、黃鉛金屬化合以造出一電容盤。一類似的電容壓力傳感器已被貝爾(Bell)等人說明于美國專利第4,177,496號(專利’496號)。其他類似專利’496號中述及的電容壓力傳感器，均可取得且為本領(lǐng)域所知。一壓阻感測器典型地利用到一惠斯頓電橋，其可量測電壓變化并將該電壓變化關(guān)聯(lián)至感測壓力的變化。任一這些壓力感測器形式可利用以量測高度潔凈環(huán)境中的流體壓力，然而，一無污染壓力感測器仍有其必要。
敏感材料的高度潔凈過程處理典型地需要利用腐蝕性的流體。在制造程序中敏感材料對污染物的敏感性，是制造者面對的一項重大難題。多樣不同的制造系統(tǒng)已被至設(shè)計出以便減低外來微粒、離子污染物、及制造程序產(chǎn)生的煙霧對敏感材料的污染。敏感材料的過程處理經(jīng)常包括直接接觸腐蝕性的流體。因此，將腐蝕性的流體以一無污染狀態(tài)且無外來微粒下輸送至過程處理位址是非常重要的。過程處理設(shè)備的多樣不同元件一般設(shè)計以減低產(chǎn)生微粒的總量與溶解至過程流體的離子，并隔絕過程處理化學(xué)物以免遭污染物影響。
過程處理設(shè)備典型地包括流體傳送系統(tǒng)，以自進料槽運送腐蝕性化學(xué)物經(jīng)過汞，控制站，及過程處理設(shè)備本身。該流體化學(xué)傳送系統(tǒng)包括輸送管、汞、軟管、監(jiān)視裝置、感測裝置、閥、接頭配件、及相關(guān)裝置等，是經(jīng)常由抗腐蝕性化學(xué)物毀壞效應(yīng)的塑膠制成。傳統(tǒng)上用于如此監(jiān)視裝置的金屬，無法可靠地長時間處于該腐蝕性環(huán)境。因此，監(jiān)視與感測裝置必須并入替代材料或維持與腐蝕性流體隔絕。
盡管過程處理必須非常潔凈，單過程處理常包括侵略性非常強的化學(xué)物。其可包括例如強烈的酸、脫氧核糖核酸基鹽、與溶劑。半導(dǎo)體工業(yè)近來已引進使用具侵略性的磨粒(研磨粉體)的過程處理。
另外，過程處理設(shè)備器械的高可靠性是不可或缺的。為任何理由關(guān)閉一半導(dǎo)體或制藥的生產(chǎn)線代價昂貴。在過去，壓力傳感器一般是利用填料流體以自過程處理傳送壓力至感測器本身。該填料充體借助某類或其他絕緣隔膜與過程處理分離。此絕緣隔膜的失效及進入過程處理的填料流體隨后的損失，會導(dǎo)致產(chǎn)品損失且需在重新運作前清洗系統(tǒng)。自該設(shè)計中減除絕緣隔膜與填料流體是有利的。
此外，一般使用于制造半導(dǎo)體的過程處理設(shè)備具有一監(jiān)視、閥、及感測裝置。這些裝置典型地是以一緊密循環(huán)反饋關(guān)系連接，且用以監(jiān)視及控制該設(shè)備。這些監(jiān)視及感測裝置亦必須設(shè)計為可消除可能引入的任何污染。感測裝置可包括壓力傳感器模塊及具有壓力感測器的流量計。亦可能意欲具有一直接執(zhí)著觸腐蝕性流體的壓力傳感器或流量計的壓力感測器的部分部件。因而，直接接觸腐蝕性流體的壓力感測器表面應(yīng)為無污染。頃發(fā)現(xiàn)，滲透性材料允許腐蝕性流體進出穿透該等材料。例如，陶瓷材料被多樣不同玻璃類似材料粘合在一起，該玻璃類似材料其自身極易遭更具侵略性的腐蝕性材料侵蝕。因此，較佳地為直接接觸腐蝕性流體的壓力感測器的部分部件，由無孔隙材料制成。
頒發(fā)給Ghiselin等人的美國專利第4,774,843號中，說明一應(yīng)變計具有一單晶藍寶石隔膜粘附于一鋁基氧化物。Ghiselin等人指出該單晶藍寶石是借助一玻璃粘合材料，環(huán)氧化物或其他膠粘方法粘附。Ghiselin等人并未提供該玻璃粘合材料的進一步說明或該玻璃粘合如何粘附于藍寶石及鋁基氧化物。然而，Ghiselin等人說明了一幾何可變化以降低應(yīng)變點即因此避免低強度玻璃的缺點。頒發(fā)給Hegner等人的美國專利第5,954,900號中，說明使用玻璃粘合于鋁氧化物陶瓷部分的難題。Hegner等人說明了于氧化鋁陶瓷使用氧化鋁作為粘接材料。Hegner等人及Ghiselin等人說明的裝置被相信被限制于低于400℃溫度下可有效操作。因此，當(dāng)溫度超過400℃時，Hegner等人及Ghiselin等人說明的感測器的可靠度便降低。過程處理設(shè)備的腐蝕性流體溫度經(jīng)常超過400℃。因此，具有一無孔隙表面的壓力感測器有其必要，該表面是以一高強度粘合粘合于該基底，其中介于無孔隙材料與基底間的該粘合于溫度超過400℃時為穩(wěn)定。
頃發(fā)現(xiàn)，電磁與射頻干擾(電磁干擾與射頻干擾個別地)會降低壓阻感測器性能。由于藍寶石上的硅的磊晶結(jié)構(gòu)，一傳導(dǎo)屏蔽層不能直接置于一硅層(其上構(gòu)造有惠斯頓電橋)與藍寶石之間。而當(dāng)藍寶石外部與腐蝕性流體接觸時，一傳導(dǎo)屏蔽層置于藍寶石外部并不為較佳。因此，一無污染壓力感測器存在一需求，其為可阻擋電磁干擾與射頻干擾，免于影響構(gòu)造在壓力感測第一非外露表面上的感測元件。檢閱本發(fā)明的說明，則易顯本發(fā)明符合這些及其他需求。
發(fā)明概要本發(fā)明提供一壓力感測器，包括一無孔隙外部表面。該無孔隙表面性質(zhì)為一低擴散性與低吸收性。在較佳具體實施例中，壓力感測器包括，一支撐板，無孔隙隔膜，一感測元件鄰接于隔膜內(nèi)部表面，及一高強度材料的玻璃層，該層借助玻璃裝配粘合于支撐板與無孔隙隔膜之間。支撐板提供結(jié)構(gòu)剛性。支撐板的剛性抗拒自殼體(未圖示)傳送至感測隔膜上的感測元件的應(yīng)力。雖然支撐板未直接接觸過程處理升值，其仍必須為機械穩(wěn)定且經(jīng)得起高溫過程處理考驗。支撐板的熱膨脹率應(yīng)極近似感測隔膜。由于熱效應(yīng)的(溫度)補償為可能，一大型不協(xié)調(diào)將在過程處理中產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致兩元件的粘合超過時間而被迫失效。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認可無孔隙隔膜可包括一惠斯頓電橋或一構(gòu)造在其上的探頭層以個別地作為電容形式感測器之一壓阻。
在無限制下，于較佳具體實施例中，一硅層構(gòu)造在無孔隙隔膜的內(nèi)部表面上，其中一應(yīng)變計例如一惠斯頓電橋構(gòu)造在其上。支撐板包括伸展穿透于其中的多孔隙縫，該縫隙被改裝得適應(yīng)接受鄰接于感測元件的電導(dǎo)線。接近無孔隙隔膜的一壓力變化可經(jīng)感測元件檢測。沿靠隔膜的一壓力增減會導(dǎo)致隔膜撓曲，該撓曲因而改變應(yīng)變計的電阻。該電阻變化是相關(guān)于毗連隔膜的壓力。
在無限制下，無孔隙膜是較佳地被包括于一化學(xué)惰性材料例如藍寶石。介于藍寶石與支撐板的玻璃層，是較佳地由高粘合強度硅酸硼玻璃或其他已知結(jié)構(gòu)適用的玻璃制成，及熔點高于700℃且較佳地高于1000℃。隔膜撓曲的總量由玻璃層的厚度與直徑控制。玻璃可有一厚度范圍自.002至.030英寸且較佳地為.010英寸，及一外經(jīng)范圍自.100至2.0英寸時且較佳地為0.007英寸。隔膜的有效感測區(qū)域可有范圍自.050至2.0英寸且較佳地為0.400英寸。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認可，隔膜的厚度與直徑范圍不應(yīng)建構(gòu)為有限制，于某些特定應(yīng)用中，厚度與直徑可依所意欲進一步減少或增加。依此方式，當(dāng)無孔隙隔膜撓曲至最大曲率，隔膜內(nèi)部表面的一部分接合支撐板的內(nèi)部表面。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認可，支撐板與無孔隙隔膜是以具類似膨脹率的材料建構(gòu)，以便避免歷經(jīng)大范圍溫度時的非必要應(yīng)力。如下更詳細的說明，壓力感測器可建構(gòu)為其感測元件可檢測一絕對壓力或計量壓力。
壓力感測器可還包括一硅層與一金屬化合或傳導(dǎo)層，該等層置于硅層與支撐板之間(見

圖11)。依此方式，該氮化硅層作用如一電絕緣體，且該金屬化層阻擋阻擋EMI/FRI免于影響該感測元件20。壓力感測器可還包括一涂層、襯墊、或密封墊鄰接于無孔隙隔膜、氮化硅層、金屬化層及支撐板的一外緣的至少一部分部件。在無限制下，抗酸環(huán)氧化物或抗腐蝕聚合物例如PTFE(聚四氟乙烯)，PVDF(聚偏二氟乙烯)，PEEK(聚二醚酮)，聚胺酯，或聚對亞苯基二甲基(parylene)均可利用，其中一抗酸環(huán)氧化物是為較佳。
壓力感測器包括多個粘合墊，構(gòu)造在介于玻璃層與無孔隙隔膜間的隔膜上。在無限制下，粘合墊的具體實施例包括一鈦層與一擴散阻障層。摻雜硅薄膜以一已知適用方式互連粘合墊，以構(gòu)造成為惠斯頓電橋。一窗口被構(gòu)造在玻璃層與支撐板之間，藉此提供粘合墊通道。電導(dǎo)線是硬焊于粘合墊，且玻璃層是將玻璃裝配到隔膜與支撐板上。
在一替代性具體實施例中，隔膜與感測元件被修正以創(chuàng)造一電容而非壓阻感測器。施壓會撓曲的薄感測隔膜有一電容板構(gòu)造在感測隔膜內(nèi)部表面上，及另一電容板構(gòu)造在支撐板內(nèi)部表面上。一電導(dǎo)線被連接至構(gòu)造在感測隔膜內(nèi)部表面上的電容板，及另一電導(dǎo)線被電連接至支撐板的薄表面。隔膜與板之間隔隨著板的電容改變而變化。此電容變化可由一已知適用結(jié)構(gòu)的電連接感測元件檢測。
自檢閱如下具體實施例的詳細說明，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，則易顯本發(fā)明的優(yōu)點，特別是當(dāng)一并慮及權(quán)利要求及如編號所指相關(guān)部件一些視圖的附圖時。
圖式說明圖1為本發(fā)明壓力感測器的一透視圖；圖2為本發(fā)明壓力感測器的一具體實施例的部分部件側(cè)視圖；圖3為本發(fā)明壓力感測器的一具體實施例的部分部件側(cè)視圖；圖4為本發(fā)明壓力感測器的一具體實施例的部分部件側(cè)視圖；圖5為本發(fā)明壓力感測器的一具體實施例的部分部件側(cè)視圖；圖6為本發(fā)明具有一惠斯登電橋構(gòu)造于其上的該隔膜的上平面視圖；圖7為本發(fā)明隔膜的一具體實施例的部分部件上平面視圖；圖8為本發(fā)明粘合墊的一具體實施例的部份部件上平面視圖；圖9為本發(fā)明粘合墊的一具體實施例的部分部件側(cè)視圖；圖10為本發(fā)明粘合墊的一具體實施例的部分部件側(cè)視圖；圖11為本發(fā)明壓力感測器的一具體實施例的部分部件側(cè)視圖；圖12為本發(fā)明壓力感測器的一具體實施例的部分部件側(cè)視圖；圖13為本發(fā)明壓力感測器的一具體實施例的部分部件側(cè)視圖，圖示為位于一壓力傳感器殼體內(nèi)；圖14為本發(fā)明壓力感測器的一具體實施例的部分部件側(cè)視圖，圖示為射出成形為一壓力傳感器殼體；圖15為本發(fā)明隔膜的一具體實施例的部分部件上平面視圖；圖16為本發(fā)明隔膜的一具體實施例的部分上平面視圖；圖17為本發(fā)明壓力感測器的一具體實施例的部分部件側(cè)視圖；及圖18為本發(fā)明壓力感測器的一具體實施例的部分部件側(cè)視圖，其中有一密封墊或襯墊鄰接于該感測器邊緣。
詳細說明本發(fā)明相當(dāng)于壓力感測器的廣泛地可應(yīng)用的改進。于此的多個詳細具體實施例意為可并入本發(fā)明的改進的代表或示范，并不因而意味限制于此。本發(fā)明壓力感測器可建構(gòu)為一具有感測隔膜的壓阻或電容感測器。該感測隔膜是由一塊單晶藍寶石構(gòu)成。替代地，感測隔膜可包括一單晶藍寶石。本發(fā)明感測器10通常包括一支撐板12，感測隔膜14，二氧化硅玻璃粘合于支撐板14、隔膜16、及電導(dǎo)線18之間(見圖1及圖2)。在感測隔膜14的制造過程中，單晶藍寶石的一大塊晶圓片被使用，以使許多感測器利用常見的半導(dǎo)體技術(shù)平面過程處理便可同時制成。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認可藍寶石為一電絕緣體。當(dāng)藍寶石被沿R-平面切割時，于藍寶石頂部形成一近似厚度的單晶磊晶薄膜是可能的。借助擴散、離子植入、或其他方法，硅層可于其中摻雜諸如硼或磷的原子碎片，以使該薄膜具有半導(dǎo)體的特性。借助變化植入能量及摻雜物集中程度，薄膜的區(qū)域電阻值可被調(diào)整。此附加有電阻的薄膜，將在回應(yīng)應(yīng)變時變化其電阻。此項特性即眾所熟知的壓阻。如前述，感測隔膜14的偏斜將使該薄膜拉緊，及產(chǎn)生電阻的變化。壓力感測訊號即由該電阻變化導(dǎo)出。
若選擇離子植入法摻雜該硅層，則在摻雜后用超過1000℃的高溫爐管退火步驟，以移除在植入過程中施于薄膜中的應(yīng)力，將是所意欲的。超過1000℃的高溫爐管退火步驟，亦有助于將摻雜原子更均勻地分布于整個硅層。硅圖案20構(gòu)造成一惠斯頓電橋22(見圖6與7)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)了解尚有一些不同的模式可構(gòu)造成為惠斯頓電橋22。硅電阻20可由光蝕刻技術(shù)構(gòu)造成。一絕緣的氮化硅層24(見圖8與9)借助化學(xué)氣相沉積被施用于藍寶石晶圓片表面。光蝕刻電阻被用于防止氮化硅層24免于粘合墊26區(qū)域內(nèi)被沉積。當(dāng)電阻被蝕刻，一窗口28被開于其上并毗連至惠斯頓電橋(見圖8)的每一連接點或粘合墊26。氮化硅層24是為一高絕緣層且可更進一步保護精密的硅層。
金屬化合墊26是必需的，以便將電導(dǎo)線18連接至惠斯頓電橋22。因諸如金與鋁在玻璃裝配溫度會與硅化合，并不適用，故一般在半導(dǎo)體中使用其他金屬做為粘合墊26。在具體實施例中，一兩金屬層粘合墊被構(gòu)造成(見圖10)。利用被稱為射頻(RF)的程序濺鍍的一鈦層30，被沉積至整個晶圓片。鈦是一種極活躍的金屬，且有一極佳的粘合特性。然而，在鈦與硬焊填料34之間仍需有一擴散阻障層32。該硬焊填料合金34將粘合墊26連結(jié)至多個腳18。若無擴散阻障層32，硬焊填料34將與鈦層30及薄硅層20兩者合金化。當(dāng)冷卻時，該金合將被表面張力拉在一起，并局部摧毀該硅薄膜。擴散阻障層32應(yīng)為一折射性金屬，其不會于硬焊的溫度(約1000℃)構(gòu)造成為合金。為此目的，鈮、鎢、銥、鉬、鉭、鉑等均適用，并無任何限制。擴散阻障層32必須可被制于一薄膜中，該薄膜有一伸展穿過其中的最小數(shù)量的腳洞。任何氧化物在硬焊的溫度均會分解。鈮被發(fā)現(xiàn)可為一良好的擴散阻障層。鈮是經(jīng)RF射頻濺鍍于鈦層30頂部的整個藍寶石晶圓片14。鈮層因而藉眾所熟知的光蝕刻技術(shù)被模造。
在較佳具體實施例中，制成粘合墊26的金屬是被沉積及模造，藉本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的方法，包括且不限于，如蒸發(fā)及濺鍍。粘合墊26是按金屬鍍于(見圖8)硅層20的一部份，但主要為直接接觸藍寶石隔膜14的方式被模造。如此做的理由是因為金屬化合的層可能有著小的腳洞。頃發(fā)現(xiàn)，如果硬焊填料34能穿透擴散阻障層32，其將與硅合金化導(dǎo)致薄膜損壞。在玻璃裝配與硬焊時，二氧化硅玻璃16可用以禁止硬焊填料34自腳流至粘合墊26鍍于硅圖案20的區(qū)域。硬焊填料34絕不可覆蓋硅圖案20。
一旦藍寶石隔膜14被模造，藍寶石晶圓片被以眾所熟知的切割法切割，以便將藍寶石隔膜自藍寶石晶圓片分離。一些方法包括且不限于，加在沿晶平面劃刻及破裂切削，超音波切割，或雷射切割，均可利用。已知的方法皆可用以切割制造壓力感測器所意欲的圓形隔膜14。
電導(dǎo)線18被硬焊于粘合墊26，而支撐板12則藉裝配玻璃至隔膜14。厚的支撐板12或晶圓片是由具有多個洞或孔36(見圖2)的陶瓷構(gòu)成?？?6構(gòu)造在支撐板12之內(nèi)，以與粘合墊26成一直線，并利用壓力資訊提供電導(dǎo)線18由感測隔膜14至多個電子裝置的通道。當(dāng)一量測壓力感測合意時，一孔洞38被提供穿過支撐板12。一般而言，陶瓷包括金屬氧化物粉末，其是典型地使用小量玻璃作為粘合劑，而于高溫?zé)Y(jié)在一起。一普通的陶瓷為氧化鋁，其具有許多性質(zhì)與單晶藍寶石類似。只要氧化鋁陶瓷中的玻璃成分被保持在低百分比，則這兩種材料的熱漲性質(zhì)將是可以忽略地差異。
一將良好粘合藍寶石與氧化鋁陶瓷的玻璃，必須有類似的熱漲性質(zhì)。硅酸硼玻璃已被發(fā)現(xiàn)極適合此目的。這些玻璃具有遠高于用以燒結(jié)粘合材料的玻璃質(zhì)的熔點。已發(fā)現(xiàn)，自大塊硅制成的感測器，遭受摻雜原子的過度擴散進入毗連區(qū)域。因而，這些大塊硅感測器典型地被限制于處理溫度不超過450℃，及僅于短程。如Ghiselin等人于美國專利第4,774,843號中所指出，藍寶石隔膜的可靠粘合于一陶瓷支撐板，一直是一項重大難題。所推薦的用于裝配玻璃的高粘合強度硅酸硼玻璃，顯然與低溫低強度的焊錫玻璃或(用以制造瓷器或釉料的)玻璃質(zhì)不同。焊錫玻璃有一熔點約450℃且為低強度。
為了通過“玻璃裝配”而非硬焊以便使藍寶石與氧化鋁陶瓷粘合，二氧化硅玻璃可被預(yù)先成型或映射至支撐板12的表面上。在兩者任一實例中，重要的是二氧化硅玻璃并未流動遠離其起始位置。如果玻璃模式之內(nèi)徑顯著地變化，則感測器10的壓力特性亦會大大地變化。另外，在玻璃裝配過程期間，如果在粘合墊26上的硬焊填料34熔化前，玻璃16流動經(jīng)過金屬化合墊26，則多個腳18將無法硬焊于粘合墊26。玻璃的爐火應(yīng)為固定的溫度，以避免遺留可導(dǎo)致不穩(wěn)定或玻璃破裂的應(yīng)力于玻璃粘合中。二氧化硅玻璃更應(yīng)為多個電腳18而具有多個開口或窗口。此外，借助控制二氧化硅玻璃粘合16介于隔膜14與支撐板12間的厚度，感測隔膜14于過大壓力期間在支撐板12上將降至最低點(見圖4)。因而，此過大壓力阻擋借助一系數(shù)100或更高得以增加感測器10的過大壓力容量。
用以將電導(dǎo)線18粘合于粘合墊26的硬焊填料合金34，熔點必須低于二氧化硅玻璃16。另外，硬焊填料34于其熔點時必須具足夠的侵略性，以移除金屬層26的任何氧化物。在無限制下，頃發(fā)現(xiàn)一些可適用的已知結(jié)構(gòu)的銅硬焊合金，可符合這些條件。當(dāng)硬焊填料34在玻璃16開始流動之前熔化，則若二氧化硅玻璃16流動經(jīng)過粘合墊26，其將流動經(jīng)過硬焊填料34與粘合墊26，藉此可對粘合墊區(qū)域提供顯著的應(yīng)力緩和。在無限制下，硬焊填料合金如由加州圣卡羅斯(SanCarlos，California)威士高金屬公司(Wesgo Metals)，即摩根先進陶瓷公司(Morgan Advanced Ceramics Incorporated)的一分公司，所生產(chǎn)的巴庫索-15(Pakusil-15)已被發(fā)現(xiàn)可適用于硬焊。
電導(dǎo)線或腳18其橫斷面應(yīng)小，且較佳地出易延展的材料制成。借助陶瓷12內(nèi)多個洞36的幾何所限制的如此一腳18，將具有良好的應(yīng)變緩和性質(zhì)，且不會將應(yīng)力自多個腳18導(dǎo)引至感測元件。多個腳18應(yīng)鍍有良好硬焊及合理軟焊能力的材料，例如鎳或金。
建構(gòu)感測器10全部材料的高溫能力，允許于一非常高的溫度(高于400℃)延長時間使用如此的感測器10，及/或如此的感測器10可直接射出成形為高性能塑膠殼體，如特氟隆(TEFLON)(“TEFLON”為杜邦公司(E.I.DuPont DeNemours and Company)的注冊商標(biāo))(見圖14)。在壓力感測器內(nèi)的如此射出成形，于感測器10與塑膠殼體間提供了一極端可靠的密封。
再次參考圖3與4，隔膜14的曲率現(xiàn)可被討論。第一條虛線標(biāo)為40，代表隔膜14的一極度夸張的撓曲。第二條虛線標(biāo)為42，代表隔膜14因過大壓力的撓曲(忽略支撐板12在過大壓力其間因隔膜14撓曲而具有的阻擋效應(yīng))。如此的極端的撓曲很可能會使得隔膜14破裂或碎裂。圖5顯示一經(jīng)修正的隔膜14，具有一隔膜中心部位較隔膜外緣部位薄。典型地，當(dāng)隔膜的直徑減少時，隔膜的厚度亦應(yīng)減少以求最大敏感度。隔膜14與支撐板12之間的縫隙，可藉玻璃粘合16的厚度控制。在無限制下，一隔膜的典型的曲率約介于0.01至0.0001英寸，且間隔約介于0.2至0.0002英寸，視隔膜1 4的厚度與直徑而定?？p隙大小的規(guī)律是較佳地兩倍于隔膜14的厚度。一厚度介于0.002至0.050英寸的隔膜的隔膜有效感測區(qū)域可介于0.075至2英寸。實際的限制條件于制成圓過程中，限制單晶藍寶石晶圓片的厚度。然而，不像單晶硅，并無借助化學(xué)過程處理可構(gòu)造成薄的藍寶石隔膜的簡易方法。雖然自一薄的藍寶石晶圓片制造隔膜已研發(fā)到達某程度，在感測器構(gòu)成過程中誘發(fā)的高熱應(yīng)力仍會導(dǎo)致自破壞的內(nèi)部應(yīng)力。替代性地，增加隔膜感測區(qū)域的直徑，亦會增加一壓力感測裝置的敏感度。然而，典型地當(dāng)隔膜直徑增加時，成本亦會增加。
圖5所示經(jīng)修正的隔膜14，在自一厚的藍寶石晶圓片制造時，是于近似感測區(qū)域減少隔膜厚度。在薄膜過程處理完成后令隔膜變薄，可產(chǎn)制更多合用的壓力感測隔膜。經(jīng)過每一裝置的一材料外緣提供所需的強度，例如，當(dāng)感測隔膜直接接觸一壓力感測殼體時。薄的中央感測區(qū)域46提供所需的敏感度。藍寶石隔膜可藉傳統(tǒng)的機械方法變薄，例如為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的磨粒(磨粒(研磨粉體)粉體)切削或超音波切削。替代性地，一環(huán)狀溝槽80可構(gòu)造在隔膜14的外部感測表面上(見圖17)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)了解的是，雖然溝槽的形狀并非十分緊要，但環(huán)繞的邊及溝槽是較佳的。同樣地，雖然溝槽是環(huán)狀的，其他幾何形狀于毗連玻璃粘合16的區(qū)域亦可適用以緩和撓曲應(yīng)力。
現(xiàn)在參考圖11所示為本發(fā)明壓力感測器的一替代性具體實施例，具有一傳導(dǎo)層夾在支撐板12與氮化硅層24中間。所示的該傳導(dǎo)層48是為電接地。于此方式，電磁干擾與射頻干擾((EMI及FRI)是被阻擋。電磁干擾與射頻干擾已知會降低壓阻感測器性能。由于藍寶石上的硅的磊晶結(jié)構(gòu)，及意欲將硅直接粘合于藍寶石，在硅與藍寶石之間置一傳導(dǎo)層并非所意欲的。另外，在藍寶石隔膜外面置一傳導(dǎo)層將使無孔隙失效，化學(xué)地在藍寶石隔膜插入屬性。在無限制下，該傳導(dǎo)層或金屬化層48可包括一鈮、鎢、銥、鉬、鉭、鉑、及鈀層，或其他材料已知可屏蔽電磁干擾與射頻干擾者。如此，金屬層48便可屏蔽發(fā)自傳導(dǎo)層上方的電磁干擾與射頻干擾。
由于傳導(dǎo)層48為接地電位，電磁干擾與射頻干擾將于傳導(dǎo)層48建立零電位的靜止波。已為吾人所知者為，若靜止波的放射線具有頻率組成為波長介于地面及電阻元件之間的規(guī)律距離，則顯著的干擾將產(chǎn)生。另一方面，若地面至電阻元件的距離是小的，則靜止波于壓阻元件位置上具有可以忽略的振幅且沒有干擾會產(chǎn)生。由于電磁干擾與射頻干擾的干擾范圍為1MHz至1,000MHz，該頻率范圍的最小波長為0.3米。另外，地面與壓阻元件或硅圖案20間的距離等于氮化硅層的厚度，其規(guī)律為500?；?.00000005米。如此，可預(yù)期的電磁干擾與射頻干擾有效屏蔽為約6,000,000∶1。
現(xiàn)在參考圖12，所示為本發(fā)明壓力感測器10的又一替代性具體實施例。一無孔隙化學(xué)惰性的壓力感測器10可用于一高腐蝕性的環(huán)境便利地檢測壓力。具有一由單晶藍寶石建構(gòu)的感測隔膜的感測器，提供極佳保護免于化學(xué)侵蝕。感測器10可置于一具有首要與次要密封墊52與54的壓力傳感器殼體50之內(nèi)(見圖13)。若首要密封墊接合藍寶石隔膜外部表面，過程流體只會弄濕密封墊與藍寶石。由于密封墊已知的適用構(gòu)造對過程流體為具滲透性，某些過程流體將流過首要密封墊。非常具侵略性的過程流體如可穿透首要密封墊的氬氟酸，會侵蝕藍寶石隔膜14與陶瓷支撐板12之間的接合。腐蝕該接合產(chǎn)生的污染物，可因此穿透回至過程流體。本發(fā)明可包括一具化學(xué)阻抗的聚合物如一抗酸環(huán)氧化物，例如在無限制下，于感測器10環(huán)繞該接合的邊緣施用可自紐澤西州?？腺惪?Hackensack，N.J.)的馬司特，龐德公司(Master Bond，Inc.)取得的抗酸環(huán)氧化物EP21AR。替代性地，例如在無限制下，由TEFLON制成的襯墊形式密封墊，或例如在無限制下，由KALREZ制成的合成橡膠形式密封墊84，可靠著感測器的接合被壓縮，如圖18所示。密封墊84有一L形橫斷面，且可纏繞感測器10的側(cè)邊，及纏繞于隔膜14感測外部表面上。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認可襯墊密封墊84可被構(gòu)造成為殼體50的部件。另外，如加強電屏蔽，材料可藉混合碳粉被制成具傳導(dǎo)性。該傳導(dǎo)環(huán)氧化物可藉毗連至地面的傳導(dǎo)油墨方法，被連接于一電接地。
參考圖13，所示的感測器10置于一壓力傳感器殼體50的內(nèi)具有流體接口60。藍寶石隔膜靠著首要與次要密封墊52與54密封。一排氣孔或排水管62自壓力傳感器殼體外部，延伸入介于首要與次要密封墊之間的該殼體。排氣孔62可釋放該等密封墊之間的壓力，及/或提供滲透穿過首要密封墊以排出于壓力傳感器殼體50外的流體一通道。本發(fā)明感測器10具有一藍寶石隔膜，提供一抗腐蝕與溶解的壓力感測器，具有一意欲的撓曲而無可測溫度及壓力磁滯現(xiàn)象，且可忍受超過400℃的過程流體溫度。參考圖14，由于該壓力感測器可抵擋高溫，該壓力感測器可于射出成形過程處理中作為一插入物，替代性地射出成形為壓力傳感器的塑膠殼體50，藉此消除一首要或次要密封墊的需求。殼體本身于感測器10作用如一密封墊。如此適當(dāng)?shù)啬Ｖ频膲毫Ω袦y器與模塊，預(yù)料可降低生產(chǎn)成本，簡化建構(gòu)及減小整個壓力傳感器模塊的大小。
參考圖15，所示為本發(fā)明壓力感測器10的又一替代性具體實施例。感測器10能檢測毗連隔膜14的流體的壓力與溫度。感測器10還包括一電阻器70模造于藍寶石隔膜14上。粘合墊72以與粘合墊72類似的方式并同時構(gòu)造在感測器上。電阻器70構(gòu)造在玻璃粘合墊16與隔膜14之間。藉將電阻器置于壓應(yīng)力區(qū)外，壓力誘發(fā)的可影響電阻器70電阻的應(yīng)力因此而被避免。該罩晶硅電阻器70的電阻具有良好清楚的溫度依賴度。頃發(fā)現(xiàn)，于高摻雜集中(p摻雜高于1019原子/公撮(atoms/cc))，溫度與電阻之間的方程式接近近似一線性方程式。因而，當(dāng)電阻變化時，溫度變化可立即決定。
圖16為感測器10的又一具體實施例，其中該惠斯頓電橋22的電阻器被利用以決定壓力與溫度。感測器10的外部周圍以虛線代表。同樣地，包括惠斯頓電橋的單晶硅電阻器具有良好清楚的溫度依賴度。圖16中標(biāo)為“Rt”的一電阻器76是電鄰接于惠斯頓電橋22，但可絕緣于來自過程流體溫度變化的任何溫度影響。例如，在無限制下，電阻器76可與一壓力傳感器的感測電子裝置置于同處，并自隔膜14遙控。電阻器76的值較佳為近似惠斯頓電橋22電阻的一半。當(dāng)溫度是由一本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的數(shù)據(jù)符合程序多項式所決定，則壓力效應(yīng)在溫度決定的準(zhǔn)確性是可忽略的。當(dāng)惠斯頓電橋22電阻因溫度變化時，電壓Vt亦會變化。整個電橋可利用為一在電壓區(qū)分電路中的電阻。電壓Vt可因而被用為類比或數(shù)位校正結(jié)構(gòu)的一溫度訊號。
電壓Vt將幾乎全賴惠斯頓電橋22的溫度決定，特別是若硅電阻被重度摻雜時。若硅電阻被輕度摻雜或若使用者意欲降低溫度量測的不穩(wěn)定度，則溫度可由一矩陣描述導(dǎo)出。以下多項式可被利用，其中溫度可T被表為以Vt與Vp兩者為輸出的方程式T=a00+a01VT+a02VT2+...+a10VP+a11VPVT+a12VPVT2+...+a20VP2+...]]>其中系數(shù)axx是由一本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的最小二次冪符合程序取得。利用上述數(shù)據(jù)符合程序描述，可提供一感測器一因應(yīng)變效應(yīng)校準(zhǔn)的校準(zhǔn)溫度輸出。如此，自一單一感測器同時量測的壓力與溫度可藉快速反應(yīng)次數(shù)達成。替代性地，若只意欲溫度輸出，壓力描述可藉將電阻器的腳導(dǎo)向于應(yīng)變不敏感的輔而被避免。例如，藍寶石上的硅的R-平面的最大應(yīng)變敏感度，可借助將電阻器元件45的腳導(dǎo)向突出的C-軸，其中R-平面與C-軸是由晶體幾何的米勒指數(shù)定義。與突出的C-軸直線平行或垂直的電阻器元件的壓阻為零。電阻器的軸可被旋轉(zhuǎn)以消除壓力敏感度。依此方式，感測器10可被制成以消除壓力敏感度且以，因而，只決定近似感測器10的溫度。
本發(fā)明業(yè)已于此相當(dāng)詳?shù)厥钦f明以便符合專利申請，并提供本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)用新穎原則，和建構(gòu)及利用所需的專業(yè)要素時所需的資訊。然而，請了解本發(fā)明可藉特殊不同的裝備與裝置而實踐，及裝備與操作程序兩者的多樣的修正，亦均可在不脫離本發(fā)明自身范圍內(nèi)完成。
權(quán)利要求
1.一種具有無孔隙的外部表面的感測器，該感測器包括支撐板，其具有內(nèi)部與外部表面；無孔隙的隔膜，其具有內(nèi)部與外部表面；鄰接于該隔膜的內(nèi)部表面的感測元件；玻璃層，該層是通過將玻璃裝配到該支撐板的內(nèi)部表面和該無孔隙隔膜的內(nèi)部表面的靠近其外緣處而粘合的，由此粘合支撐板與無孔隙隔膜，其中于接近所述無孔隙隔膜處的壓力和溫度中的至少之一可借助該感測元件檢測。
2.如權(quán)利要求1的感測器，其中該無孔隙隔膜是由化學(xué)惰性物質(zhì)組成。
3.如權(quán)利要求2的感測器，其中該玻璃同時具有高粘接強度與高熔點。
4.如權(quán)利要求1的感測器，該玻璃層具有一厚度尺寸，其中當(dāng)該無孔隙隔膜彎曲到所需的最大曲率時，隔膜的內(nèi)部表面的一部分與該支撐板的內(nèi)部表面接合。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項的感測器，其中該支撐板與該無孔隙隔膜由具有相似熱膨脹率的材料構(gòu)造成。
6.如權(quán)利要求1與2的感測器，其中感測元件是檢測絕對壓力。
7.如權(quán)利要求1與2的感測器，還包括一伸展穿過該支撐板的孔，以便表壓力的檢測。
8.如權(quán)利要求1的感測器，還包括一外延沉積的硅層，該硅層位于支撐板與隔膜之間的藍寶石隔膜上，其中該感測元件形成于該硅層上。
9.如權(quán)利要求8的感測器，還包括定位于該硅層與支撐板之間的耐化學(xué)腐蝕層，其中該耐化學(xué)腐蝕層作為電絕緣體。
10.如權(quán)利要求8的感測器，還包括在所述玻璃層與所述無孔隙隔膜之間的粘合墊。
11.如權(quán)利要求10的感測器，還包括形成在該玻璃層內(nèi)的窗口，以提供該粘合墊的通道。
12.如權(quán)利要求1的感測器，還包括定位于支撐板與無孔隙隔膜之間的所述硅層，其中該感測元件形成于該硅層上。
13.如權(quán)利要求1的感測器，還包括位于無孔隙隔膜與支撐板之間的金屬化層，以阻擋電磁干擾/射頻干擾(EMI/FRI)從而避免影響該感測元件。
14.如權(quán)利要求10的感測器，其中該多個粘合墊包括鈦層與擴散阻障層。
15.如權(quán)利要求1的感測器，還包括耐化學(xué)腐蝕層聚合物，其鄰接于所述無孔隙隔膜與所述支撐板的外邊緣的至少一部分。
16.如權(quán)利要求1的感測器，其中該無孔隙隔膜包括藍寶石。
17.如權(quán)利要求1的感測器，其中該感測元件是為電容式的。
18.如權(quán)利要求1的感測器，其中該玻璃層選用熔點在700℃以上的玻璃。
全文摘要
一種在超過400℃溫度下可操作的感測器。本發(fā)明的感測器的操作無須液體充填，該感測器是無孔隙、無污染，且無外在暴露金屬元件。該感測器包括一無孔隙不滲透的感測隔膜，其可置于高度潔凈環(huán)境直接與流體接觸。無孔隙表面被包括作為玻璃裝配于支撐板的單晶藍寶石層。本發(fā)明的感測器可適用于呈化學(xué)惰性的壓力傳感器，以感測在過程流體中的壓力及/或溫度，且可直接模制成形為壓力傳感器模塊的高溫塑膠殼體。
文檔編號G01L9/00GK1461407SQ01815989
公開日2003年12月10日 申請日期2001年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月20日
發(fā)明者T·彼得森, J·A·迪爾茲迪爾茲, G·R·庫茨 申請人:誠實公司