具有低熱噪聲的壓阻式轉換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及具有低熱噪聲的壓阻式轉換器。在膜片被定位成從管芯的中心偏置的MEMS壓阻式壓力轉換器中，通過將惠斯通電橋電路定位成遠離支承臺座和管芯的最大區(qū)域，使在惠斯通電橋電路的輸出中的熱感生的熱噪聲得到降低。
【專利說明】具有低熱噪聲的壓阻式轉換器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及壓阻式轉換器(transducer)和壓力傳感器。
【背景技術】
[0002]微電子機械系統(tǒng)(MEMS)壓阻式轉換器(PRT)是眾所周知的，并包括被臺座支承在壓力端口之上的薄硅膜片。壓力端口通常被形成穿過塑料殼體，所述塑料殼體能夠被附接至加壓流體的源，所述加壓流體當然能夠是液體或者氣體。支承膜片的臺座通常通過粘結劑被附接至殼體。
[0003]在其中形成有壓電電阻器的膜片應該響應于所施加流體的壓力的改變而撓曲(deflect)。膜片撓曲使壓電電阻器的尺寸和形狀改變，這使它們的電阻改變。膜片的撓曲因此能夠被用于將壓力轉換或者改變成可測量的電壓改變。
[0004]塑料、粘結劑、玻璃和硅具有不同的熱膨脹系數。將單晶硅的薄膜片安裝至由玻璃或者硅制成的也經由粘結劑被安裝至塑料殼體的臺座的一個眾所周知的問題是由于不同的熱膨脹系數而生成熱感生應力。熱感生應力將使膜片的形狀畸變，并使所測量壓力的值畸變。
[0005]MEMS壓阻式壓力轉換器領域的技術人員知道MEMS壓阻式壓力轉換器的形狀優(yōu)選是長方體的，且膜片被偏置或者定位成趨近裝置的一個側面或者另一側面。長方體形管芯(die)和支承管芯的臺座的一個問題發(fā)生在膜片被偏置時，因為膜片的偏置趨于在管芯中生成不均勻的熱感生應力。
[0006]通過使用圓形或者正方形的管芯和臺座能夠避免不均勻的熱應力，然而，正方形的管芯和臺座浪費半導體晶片中的寶貴空間。圓形的管芯和臺座的制造效率低下。用于降低熱感生電信號或者噪聲的設備將是在現(xiàn)有技術之上的改進。

【發(fā)明內容】

[0007]在膜片被定位成從管芯的中心偏置的MEMS壓阻式壓力轉換器中，通過將惠斯通電橋電路定位成遠離支承臺座和管芯的最大區(qū)域，使在惠斯通電橋電路的輸出中的熱感生的熱噪聲得到降低。
[0008]根據一個方面，本發(fā)明提供了一種壓力轉換器，其包括:大致平行六面體形的管芯，其具有頂表面和底表面，并具有南側面、北側面、西側面和東側面，所述北側面和南側面彼此相對，并且所述東側面和西側面彼此相對；多個成一線(in-line)的結合焊盤，其沿著所述南側面形成到所述頂表面中；膜片，其形成到所述底表面中，并響應于流體的壓力；惠斯通電橋，其包括形成到所述頂表面中的四個壓電電阻器，所述四個壓電電阻器定位成相鄰于所述北側面附近的膜片邊緣。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是壓力傳感器的剖視透視圖； 圖2是壓力傳感器的孤立剖視圖，繪出了壓力轉換器的橫截面視圖；
圖3是壓力轉換器的剖視圖；
圖4是MEMS壓阻式壓力轉換器管芯的俯視圖；
圖5是現(xiàn)有技術MEMS壓阻式壓力轉換器管芯的俯視圖；
圖6是MEMS壓阻式壓力轉換器管芯的俯視圖，示出了依據本發(fā)明的實施例的惠斯通電橋電路的位置；
圖7是具有引線框架的壓力傳感器殼體的透視圖；并且 圖8是壓力傳感器的孤立俯視圖。
【具體實施方式】
[0010]圖1是壓力傳感器100的剖視圖。壓力傳感器100包括模制塑料殼體102，其被形成為在殼體102內具有袋部104。袋部104能夠被蓋封閉，所述蓋從圖1中被省略，以便示出袋部的內部。
[0011]袋部104封閉微電子機械系統(tǒng)(MEMS)壓阻式壓力轉換器(PRT) 106，其在下面被描述。MEMS壓阻式壓力轉換器106被附接至袋部104的底部109，使得MEMS壓阻式壓力轉換器106定位在形成在袋部104的底部109中的孔108上方。
[0012]袋部104的底部109中的孔108實際上是包括穿過殼體102形成的管112的壓力端口 110的頂部開口。壓力端口 110因此能夠從殼體102外引導加壓流體穿過殼體102并克服定位在MEMS壓阻式壓力轉換器106中的柔性膜片。
[0013]圖2是MEMS壓阻式壓力轉換器106的孤立剖視圖，以更詳細的細節(jié)示出了 MEMS壓阻式壓力轉換器106的結構。圖3是壓力轉換器106的剖視圖。
[0014]為清楚起見，多面體在本文被考慮為由平面形成的實體。平行六面體在本文被考慮為六面狀多面體，它的面是定位在相對的平行平面對中的平行四邊形。長方體是一種平行六面體，其所有面是矩形。正方形是一種矩形，其四邊是相等的。立方體因此是平行六面體，正長方體是如此。
[0015]MEMS壓阻式壓力轉換器106包括薄的玻璃臺座200，其具有仿似長方體或者本質上與長方體相同的形狀。臺座200通過一薄層粘結劑202附接至袋部104的底部109。
[0016]由于玻璃臺座成形為類似平行六面體，所以玻璃臺座200當然包括四個側面204、206、208(不可見)和210 (不可見)和底表面212。這些側面大致正交于臺座200的底表面212。臺座200的底表面212面向袋部104的底部109，并被附接至所述底部109。側面204,206,208和210也正交于臺座200的頂表面214，所述頂表面214面向上方。
[0017]臺座200的側面中的兩個204、206是短側面。其它兩個側面208、210是長側面。為了方便、清楚以及權利要求構造的目的，第一短側面204在本文中被命名為臺座200的南側面204。第二短側面206被命名為臺座的北側面206。第一長側面208，其在圖2中不可見，被命名為西側面，其在圖2的紙面外，因為圖2是壓力轉換器106的剖視圖。與西側面208相對的在圖2中不可見的第二長側面210被命名為東側面。
[0018]加壓流體傳導孔215被形成穿過臺座200。臺座200位于袋部104的底部109上，使得臺座200中的孔215定位在殼體的頂表面109中的開口 108的直接上方。臺座200中的孔215在臺座200的底表面212與臺座200的頂表面214之間延伸?？?15在臺座200中形成為使得孔215的位置在北側面與南側面之間偏置，這意味著孔215比起南側面204更靠近北側面206。將孔215定位成更靠近北側面206意味著在孔215與南側面204之間的臺座200的底部212的表面面積大于在孔215與北側面206之間的臺座200的底部212的表面面積。
[0019]MEMS壓阻式壓力轉換器管芯216，其也具有仿似長方體的形狀，通過陽極結合(anodic bond)被附接至玻璃臺座200的頂表面214,在圖中不可見但卻是本領域技術人員眾所周知的。與臺座200 —樣，MEMS壓阻式壓力轉換器管芯216具有兩個短側面218、220和兩個長側面222 (不可見)、224。為了清楚以及權利要求構造的目的，管芯216的第一短側面218被命名為管芯216的南側面218。相對的第二短側面220被命名為管芯216的北側面220。第一長側面和第二長側面222、224分別被命名為西側面和東側面。與臺座200的側面一樣，管芯216的側面218、220、222和224正交于管芯216的頂表面226，并且正交于管芯216的底表面228。
[0020]仍然參見圖2，MEMS壓阻式壓力轉換器管芯216的底表面228的一部分被蝕刻，用以形成非常薄的膜片232。膜片232被形成到管芯216中，使得當管芯216被附接至臺座200時，膜片的中心優(yōu)選地定位在臺座200中的孔215的中心上方。然而，與臺座200中的偏置孔215 —樣，膜片232在管芯216中的位置也相對于MEMS壓阻式壓力轉換器管芯216的北側面220和南側面218偏置，使得膜片232更靠近管芯216的北側面220，而不是更靠近管芯216的南側面218。在膜片232的“南側”并被附接至臺座200的頂表面214的管芯216的底部228的面積因此大于在膜片232的“北側”被附接至臺座200的頂表面214的管芯216的底部228的面積。
[0021]加壓流體(未示出)流動穿過殼體中的端口 110，并穿過臺座200中的孔215，且克服膜片232。加壓流體因此克服膜片232施加分布力，其將使膜片向上或者向下?lián)锨Ｄて?32因此將響應于端口 100中流體的壓力的改變而撓曲。當膜片232撓曲時，它改變被形成到膜片232的頂表面中的壓電電阻器的物理尺寸，這改變它們的電阻。
[0022]壓電電阻器使用常規(guī)半導體制造工藝被形成到膜片232的頂表面中。如此形成的壓電電阻器被連接在一起用以形成惠斯通電橋(Wheatstone bridge),其是本領域技術人員眾所周知的電路拓撲。當電壓被施加至惠斯通電橋的兩個輸入節(jié)點時，來自電路的輸出節(jié)點的輸出電壓將響應于壓力變化而改變。膜片232及其被包括的壓電電阻器因此將壓力改變轉換成可測量的電壓。
[0023]膜片232的撓曲通過膜片232上方的被排空(evacuated)空間234得到增強。被排空空間由形成在玻璃蓋236內的開放容積或者空腔240限定出?？涨?40，其通常通過蝕刻形成，被考慮為具有底表面，該底表面由附圖標記238來標識。
[0024]蓋236通過陽極結合被附接至MEMS壓阻式壓力轉換器管芯216的頂表面226，在圖中未示出但卻是本領域技術人員眾所周知的。蓋236定位在管芯216的頂表面232上，使得蓋236的北側面242與管芯216的北側面220對齊。
[0025]蓋236的寬度大致等于管芯216的寬度。然而，蓋236的長度小于管芯216的長度。當蓋236被附接至管芯216的頂表面226使得蓋236的北側面242與管芯216的北側面220對齊時，蓋236留下管芯216的延伸部246被暴露。延伸部246相鄰于管芯216的南側面218。導電性結合焊盤(bond pad) 248定位在管芯216的頂表面226的暴露出的延伸部246中。結合焊盤248是用于通過被形成到膜片232的頂表面中的四個壓電電阻器形成在MEMS壓阻式壓力轉換器管芯216的頂表面226中的壓阻式惠斯通電橋的電觸點。
[0026]圖4是MEMS壓阻式壓力轉換器管芯216的俯視圖。記住壓電電阻器的物理變形改變它們的電阻，壓力傳感壓電電阻器優(yōu)選地定位成靠近膜片232的邊緣，用于較高的壓力敏感度。圖4因此對于由字母X指示的惠斯通電橋電路示出了四個可能的鄰近膜片的邊緣的位置。附圖標記250示出了 MEMS壓阻式壓力轉換器管芯216與玻璃蓋236之間的陽極結合寬度。蓋空腔240的四個內邊緣被分別表示為240S、240E、240N和240W。
[0027]壓力轉換器106的計算機模型顯示:將惠斯通電橋定位成趨近管芯216的北側面220將使從惠斯通電橋輸出的熱產生電噪聲的產生量降低至低于通過將惠斯通電橋定位成鄰近管芯216的南側面所產生的電噪聲的產生量。將惠斯通電橋定位成沿著西側面222或者東側面224也將使熱產生電噪聲降低至低于沿著南側面所產生的電噪聲。
[0028]圖5是現(xiàn)有技術MEMS壓阻式壓力轉換器管芯的俯視圖，示出了惠斯通電橋電路500在膜片232的頂表面上的位置。結合焊盤248通過形成到MEMS壓阻式壓力轉換器管芯216的頂表面226中的導電跡線502被連接至惠斯通電橋電路的電阻器。
[0029]MEMS壓阻式壓力轉換器領域中的技術人員知道玻璃、硅、塑料和粘結劑具有不同的熱膨脹系數。那些差異總是在MEMS壓阻式壓力轉換器管芯中生成熱感生應力?，F(xiàn)有技術的矩形MEMS壓阻式壓力轉換器的計算機模型顯示:將MEMS壓阻式壓力轉換器管芯的膜片定位成遠離管芯的中間即偏置趨近管芯的一側的不幸后果是熱感生應力在膜片的相對側是不相等的。
[0030]如在圖1-3中可以看出的，在臺座的南側面204與孔215之間的臺座200的底表面212的面積大于在臺座的北側面206與孔215之間的面積。當塑料殼體、粘結劑和玻璃的溫度波動時，在臺座200的處于孔215與南側面204之間的部分上的熱感生應力將大于在臺座200的處于孔215與北側面206之間的部分上的熱感生應力。
[0031]圖1-3還示出了:在管芯216的南側面218與膜片232之間的管芯216的底表面228的面積大于在管芯216的北側面220與膜片232之間的管芯216的底表面228的面積。在這兩個區(qū)域中的陽極結合的尺寸和強度是不同的。當玻璃臺座和管芯的溫度波動時，在管芯的處于膜片232與南側面218之間的部分上的熱感生應力將大于在管芯的定位在膜片232與北側面220之間的部分上的熱感生應力。
[0032]由于優(yōu)選的是將惠斯通電橋電路的壓電電阻器定位在它們將經受最少量的熱感生應力的地方，所以優(yōu)選的是將壓電電阻器定位成遠離結合焊盤，其在圖中為沿著轉換器106的北側面。換種說法，當壓力響應膜片不定位在具有兩個短側面和兩個長側面的矩形或者大致矩形管芯的中心處或附近時，壓電電阻器應該在膜片中定位成遠離臺座和管芯的底部的較大區(qū)域。計算機模型顯示:能夠通過將惠斯通電橋電路定位成盡可能遠離結合焊盤，來實現(xiàn)明顯改進的壓阻式壓力傳感。
[0033]圖6是大致矩形的MEMS壓阻式壓力轉換器管芯216的實施例的俯視圖。管芯216能夠被看見具有兩個短側面218、220和兩個長側面222、224。四個結合焊盤248被形成到管芯216的頂表面226中，并且相鄰于短側面中的第一個短側面218。如圖6中所示的膜片232被形成到管芯的相對底表面中，其響應于經由圖1和2中繪出的壓力端口被施加至膜片的壓力。結合焊盤248定位于其中的大致矩形的延伸部246在被陽極地結合至玻璃臺座200的頂表面的管芯216的底表面的前述大區(qū)域的直接上方，在其下方是通過粘結劑202被附接至塑料殼體的對應區(qū)域的臺座200的底表面的大區(qū)域。
[0034]本領域技術人員眾所周知的惠斯通電橋電路600包括四個壓電電阻器602A-602D，它們被形成到頂表面226中，并定位成盡可能靠近第二短側面或者北側面220。將惠斯通電橋電路600定位成遠離結合焊盤248并遠離被陽極地結合至臺座的大區(qū)域會降低由于臺座、將管芯附接至臺座的粘結劑和管芯自身之間的熱膨脹系數差異而被施加至壓電電阻器的應力。
[0035]圖7是壓力傳感器殼體700的透視圖，其中壓阻式壓力轉換器106被移除以示出孔108在袋部104的底部109中的位置。圖8是看到被形成到殼體700中的前述袋部104中的壓力傳感器800的俯視圖。壓力傳感器800能夠被看見包括前述壓力轉換器106。專用集成電路(ASIC) 810通過短的小直徑導線820被連接至MEMS壓阻式壓力轉換器106上的結合焊盤248。引線框架708延伸穿過殼體700至殼體700的外表面710。引線框架708在袋部104內的端部通過小導線820被連接至ASIC 810，如圖8中所示。
[0036]本領域技術人員應該意識到的是，圖中示出的臺座200和管芯216都是大致矩形的。在另一實施例中，臺座和管芯是大致正方形的，且形成在管芯中的膜片定位成遠離中心并偏置至臺座和管芯的一個側面。
[0037]雖然以上描述的轉換器和傳感器的實施例使用玻璃臺座，但是轉換器和傳感器的替代實施例使用由單晶硅制成的臺座。在這種實施例中，硅臺座以粘結劑被附接至殼體，并被熔化結合至硅MEMS壓阻式壓力轉換器。
[0038]本領域技術人員應該意識到的是，臺座的熱膨脹系數應該盡可能接近管芯的熱膨脹系數。此外，粘結劑或者將管芯附接至臺座的方法也應該降低管芯與粘結劑之間在熱膨脹系數上的差異。在一實施例中，玻璃臺座具有大約2?4e-6/°C的熱膨脹系數。玻璃臺座的優(yōu)選熱膨脹系數為大約3e-6/V。
[0039]蓋優(yōu)選為正方形的，并在膜片上方封閉被排空容積。蓋也可以是矩形的，只要MEMS壓阻式壓力轉換器管芯的頂表面上的結合焊盤被暴露即可。雖然以上描述的轉換器和傳感器的實施例使用玻璃蓋，但是轉換器和傳感器的另一實施例使用由單晶硅制成的蓋，其被熔化結合至硅MEMS壓阻式壓力轉換器。
[0040]在又一實施例中，蓋能夠被省略，用以形成頂側絕對壓力轉換器或者差別壓力傳感器。
[0041]前述描述只用于說明的目的。本發(fā)明的真實范圍在后附權利要求書中給出。
【權利要求】
1.一種壓力轉換器，包括: 大致平行六面體形的管芯，其具有頂表面和底表面，并具有南側面、北側面、西側面和東側面，所述北側面和南側面彼此相對，并且所述東側面和西側面彼此相對； 多個成一線的結合焊盤，其沿著所述南側面形成到所述頂表面中； 膜片，其形成到所述底表面中，并響應于流體的壓力； 惠斯通電橋，其包括形成到所述頂表面中的四個壓電電阻器，所述四個壓電電阻器定位成相鄰于所述北側面附近的膜片邊緣。
2.如權利要求1所述的壓力轉換器，其中，所述平行六面體形的管芯是大致矩形的。
3.如權利要求1所述的壓力轉換器，進一步包括被附接至所述管芯的底表面的臺座。
4.如權利要求3所述的壓力轉換器，其中，所述臺座是玻璃。
5.如權利要求3所述的壓力轉換器，其中，所述臺座是硅。
6.如權利要求3所述的壓力轉換器，其中，所述臺座被形成為具有與所述膜片對齊的壓力端口。
7.如權利要求1所述的壓力轉換器，進一步包括蓋，所述蓋被構造成覆蓋所述膜片，并在所述膜片上方限定出封閉的被排空容積。
8.如權利要求7所述的壓力轉換器，其中，所述蓋是矩形的。
9.如權利要求7所述的壓力轉換器，其中，所述蓋是正方形的。
10.一種壓力轉換器，包括: 管芯，其具有頂表面和底表面、以及包括南側面、北側面、西側面和東側面的四個側面； 多個成一線的結合焊盤，其沿著所述南側面形成到所述頂表面中； 膜片，其形成到所述底表面中，并響應于流體的壓力； 惠斯通電橋，其包括形成到所述頂表面中的四個壓電電阻器，所述四個壓電電阻器定位成相鄰于所述西側面和東側面之一附近的膜片邊緣。
11.如權利要求10所述的壓力轉換器，進一步包括被附接至所述管芯的底表面的臺座。
12.如權利要求11所述的壓力轉換器，其中，所述臺座是玻璃。
13.如權利要求11所述的壓力轉換器，其中，所述臺座是硅。
14.如權利要求11所述的壓力轉換器，其中，所述臺座被形成為具有與所述膜片對齊的壓力端口。
15.如權利要求10所述的壓力轉換器，進一步包括蓋，所述蓋被構造成覆蓋所述膜片，并在所述膜片上方限定出封閉的被排空容積。
16.如權利要求15所述的壓力轉換器，其中，所述蓋是矩形的。
17.如權利要求15所述的壓力轉換器，其中，所述蓋是正方形的。
18.一種壓力傳感器，包括: 具有袋部的殼體； 位于所述袋部內的壓力轉換器，所述壓力轉換器包括: i)管芯，其具有頂表面和底表面、以及包括南側面、北側面、西側面和東側面的四個側面；?)多個成一線的結合焊盤，其沿著所述南側面形成到所述頂表面中； iii)膜片，其形成到所述底表面中，并響應于流體的壓力； iv)惠斯通電橋，其包括形成到所述頂表面中的四個壓電電阻器，所述四個壓電電阻器定位成相鄰于所述北側面附近的膜片邊緣；和 壓力端口，其延伸穿過所述殼體至所述膜片。
19.如權利要求18所述的壓力傳感器，進一步包括: 定位在所述袋部內的專用集成電路； 多個導線，其將所述專用集成電路聯(lián)接至對應的結合焊盤；和 多個引線框架，其從所述專用集成電路延伸至所述殼體的外表面。
20.一種壓力傳感器,包括: 具有袋部的殼體； 位于所述袋部內的壓力轉換器，所述壓力轉換器包括: i)管芯，其具有頂表面和底表面、以及包括南側面、北側面、西側面和東側面的四個側 面； ?)多個成一線的結合焊盤，其沿著所述南側面形成到所述頂表面中； iii)膜片，其形成到所述底表面中，并響應于流體的壓力； iv)惠斯通電橋，其包括形成到所述頂表面中的四個壓電電阻器，所述四個壓電電阻器定位成相鄰于所述西側面和東側面之一附近的膜片邊緣；和 壓力端口，其延伸穿過所述殼體至所述膜片。
21.如權利要求20所述的壓力傳感器，進一步包括: 定位在所述袋部內的專用集成電路； 多個導線，其將所述專用集成電路聯(lián)接至對應的結合焊盤；和 多個引線框架，其從所述專用集成電路延伸至所述殼體的外表面。
【文檔編號】G01L9/06GK103837288SQ201310588418
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權日:2012年11月21日
【發(fā)明者】J-H.A.邱, X.丁, S-H.S.陳, J.弗里 申請人:大陸汽車系統(tǒng)公司