專利名稱：電容性絕對壓力傳感器及其制造方法
背景技術：
本發(fā)明涉及工業(yè)用壓力檢測裝置，特別涉及電容性絕對壓力傳感器，它具有良好穩(wěn)定性，低功耗，堅固的結構，大的過壓保護范圍，采用消零時有良好的線性和大的靈敏度。
盡管本發(fā)明還特別涉及電容性絕對壓力傳感器技術，并將對其進行具體說明，但是應了解，本發(fā)明可用于其它領域，如用于加速器，力傳感器和隔膜型致動裝置。
本發(fā)明優(yōu)選按觸摸模式工作。觸摸式傳感器是已知的，例如，1990年11月25日召開的1990年ASME冬季年會Ding等人的文章“觸摸式硅電容性壓力傳感器”所公開的。
觸摸式傳感器簡述如下。例如，使用某些類型隔膜的電容性傳感器(是或不是觸摸式傳感器)，壓力加到隔膜上時，隔膜偏移。偏移必然使隔膜下的間隙變化。間隙變化引起測出的電容量變化，并用它確定壓力測量。在按觸摸式，隔膜偏移從而實際接觸其下的表面。接觸的面積是電容量變化大小的一個因素。
但是，所公開的傳感器不具有本發(fā)明的有用特性，如真空密封間隙，或用埋入的電極結構連接隔膜下面的區(qū)域，以實現便于檢測操作的電引線。而且，公開的傳感器還有穩(wěn)定性和滯后等問題，而本發(fā)明已克服了這些缺陷。
而且，Zanini-Fister等人的美國專利5264075還公開了硅/玻璃電容性絕對壓力傳感器的制造方法。但是，公開的制造方法非常復雜，并會造成結構不同的傳感器。
總的說來，常規(guī)電容性絕對壓力傳感器的工作溫度范圍大致限于-50℃至+100℃。而且，沒有哪種已知的傳感器能同時承受規(guī)定的工作溫度和壓力和極高(通常是工作指標的許多倍)的制造溫度和壓力。例如，將傳感器模壓進一輪胎中，便是常規(guī)傳感器無法滿足這些要求的指標的一個實例。而且，大多數價格低廉或價格適中的市售傳感器在使用中存在基線隨時間漂移的問題。因此，如果不加以校正，則使用一年以上的精度比+1％差。
對絕對電容性壓力傳感器而言，最困難的問題之一是，從密封參考腔到能方便地用于檢測的區(qū)域之間的電引線的設計和制造。因此，電引線的低價格，可靠性和晶片級制造技術對于傳感器的制造和封裝顯得越來越重要。
現已開發(fā)了幾種電引線結構。這些措施之一是采用PN結引線的真空密封。該技術中，用N型硅構成上傳感器/隔膜結構。上電極是P+硅隔膜。但是，下電極是用玻璃襯底晶片上兩個分開的金屬結構形成的。在N型硅上制成擴散的P+引線，并用于在氧化(靜電)焊接工藝中連接這兩部分。因而，用該技術能在晶片級過程中制成有多個引線的密封腔。
但是，該引線結構有與PN結相關的問題。由于結噪聲和反向漏電流使其不能適當保護結，從而損壞傳感器性能。除結的保護之外，為減小擴散造成的表面臺階，必須進行離子注入來形成P+引線。因此，為制成高性能壓力傳感器，需要進行大量的改進。
已開發(fā)了處理工藝和/或操作缺陷有很多不完善之處的其它方法。一種方法中，在硅的分割壁中腐蝕出電引線通道。用靜電焊接(氧化)法連接硅隔膜組件和玻璃襯底在一起之后，襯底電極從腔內伸出經小溝道達到外部的連接焊盤。為實現絕對電容性壓力傳感器的密封腔，將引線通道的該小孔密封。用玻璃原料作為用于此目的的密封材料。
在真空爐內進行直接真空密封。采用適當組成的玻璃原料來密封通道的裝置放入真空爐內加熱到使玻璃原料熔化的規(guī)定的溫度一時間曲線。然后，爐子冷至室溫，因此密封了電引線。
用晶片級處理密封參考腔的另一較不完善的措施是在溝道開口上濺射硼硅酸玻璃膜進行真空密封。為簡化密封工藝，在硅中腐蝕1μm深的溝。制成硅掩模以遮擋器件除了溝道區(qū)外的大部分面積，該掩模與器件晶片對準并固定在一起。之后，組合晶片送入濺射機內。濺射淀積3μm的玻璃膜或其它絕緣膜，密封1μm深的溝。
本發(fā)明提出了一種新的改進了的電容性絕對壓力傳感器，它克服了上述的和其它的困難。
發(fā)明概要實現了高可靠性的，堅固的電容性絕對壓力傳感器。該傳感器包括其上沉積有電極的襯底，和密封連接到襯底上的隔膜組件。優(yōu)選地隨著壓力增大，隔膜偏移并接觸電極(觸摸式工作)，因此，引起隔膜下的電容量變化。用埋入引線技術使襯底上的電極從隔膜下伸出，以測量電容量變化并由此確定檢測的壓力。
本發(fā)明的另一方面，密封傳感器，將傳感器的從隔膜下至傳感器的易接觸部分的電極貫通區(qū)域密封。
本發(fā)明的另一方面，傳感器的制造方法包括腐蝕硅晶片第1邊上的第1和第2間隙，用分割壁將這些間隙隔開，構成傳感器腔和電極腔。之后，分開的玻璃上，硅或其它合適的襯底上淀積金屬電極，并在金屬上淀積玻璃膜。晶片與分開的玻璃襯底粘接在一起。之后，腐蝕對著晶片第1邊的晶片的第2邊，構成隔膜和傳感器上的檢測區(qū)。電極從分割壁下引出至電極腔的區(qū)域并被密封。
本發(fā)明的另一方面，密封包括適當選擇電極和玻璃層厚度。
在發(fā)明的另一方面，密封包括對玻璃、硅或其它適當襯底上的電極和玻璃層進行熱循環(huán)。
本發(fā)明的另一方面，構成的傳感器有堅固的設計，因此，能承受與制造，安裝和/或使用相關的苛刻環(huán)境。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是能以簡單結構探測和檢測壓力。
本發(fā)明的另一優(yōu)點是，由堅固的設計能實現穩(wěn)定性，高性能和高可靠性。
本發(fā)明的另一優(yōu)點是，經適當選擇材料和選擇的熱循環(huán)，實現測量用電極的方便引線。
本發(fā)明的另一優(yōu)點是，以優(yōu)選的觸摸模式，用消零法使傳感器有優(yōu)異的線性特性，過載保護和高靈敏度。
通過下面的詳細描述將明白本發(fā)明的應用范圍。但應了解，詳細描述和具體實施例只代表本發(fā)明的優(yōu)選實施例，只是用來說明發(fā)明，因此，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，對本領域的技術人員而言還會有各種變化和改型。
附圖簡述以結合附圖比上述內容更詳細地描述裝置的各種零部件的結構、安裝、和結合，以實現本發(fā)明的所有目的，并用權利要求具體指出。附圖中


圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例的裝配圖；圖2是圖1所示裝置的頂視圖；圖3是圖1所示裝置(沿圖2中線3-3)的剖視圖；圖4是沿圖2中線4-4的裝置剖視圖；圖5是沿圖2中線5-5的裝置剖視圖；圖6是圖1所示裝置的局部剖視圖，展示破壞密封的不希望有的間隙；圖7是圖1所示裝置的局部剖視圖，展示優(yōu)選的密封；圖8(a)-8(i)展示圖1所示裝置的優(yōu)選制造方法；圖9是按觸摸模式工作的圖1所示裝置的剖視圖；和圖10是圖1所示裝置的壓力-電壓特性曲線。
優(yōu)選實施方案和方法的詳細說明按本發(fā)明的硅電容性絕對壓力傳感器的優(yōu)點是，有良好的穩(wěn)定性，低功耗，堅固的結構，大的過壓允許，大范圍和用消零技術提高線性度和靈敏度的內在的特性。本發(fā)明涉及硅絕對壓力傳感器的設計，制造和封裝，本發(fā)明的傳感器能用于工業(yè)，和其它要求在惡劣環(huán)境中在寬的測試范圍內能穩(wěn)定工作的領域。本發(fā)明傳感器用消零特征優(yōu)選地以觸摸模式工作。但是，也可用非觸摸式工作。本發(fā)明的各種設計方法，封裝技術，能獲得獨特的性能。
本發(fā)明電容性絕對壓力傳感器的性能數據概括于下工作溫度 -150℃至200℃壓力范圍能設計出的全量程是10-4至103psi(磅/英寸2)過載壓力全量程是200％至200000％或500psi(磅/英寸2)；n小時的制造壓力高達500psi(磅/英寸2)；n小時的制造溫度高達300℃；在5-10年以上的全量程精度為±1.5％；5至10年以上的滯后小于全量程1％；供電功率3至30伏(5-15毫瓦)(用CP-10電容-電壓接口電路)。
現在，參見附圖，附圖只展示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但發(fā)明不限于此。圖1和2展示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例的總圖。傳感器10包括兩個主要部分，硅隔膜組件12和玻璃或硅襯底14。
組件12優(yōu)選是方形或矩形、并用P+腐蝕填塞技術用摻硼的(P+)硅構成(或用P-N結腐蝕填塞技術用N摻雜的硅構成)。隔膜組件12包括區(qū)域15，跨越區(qū)域15放置隔膜16，和有開口18的區(qū)域17，用較厚的分割壁20和較厚的框架22確定的區(qū)域。
電極26優(yōu)選用三層金屬層構成，最外面層是鉻層，里邊層是鉑(Cr Pt-Cr結構)，該電極在襯底14上構成。電極的鉻層有好的焊接性，而鉑層導電性好。電極24實際上位于開口18下面的部分28中，用來與隔膜16接觸。而且，如參見圖4和5要描述的，電極24不直接設置在襯底14上，而是設置在襯底上的絕緣層上。電極26跨越與隔膜16對準的部分28和30。
傳感器的精確尺寸隨傳感器要承受的壓力范圍和最大溫度/壓力而呈函數變化。例如，工作壓力為100psi(磅/英寸2)，最大壓力為400psi(磅/英寸2)，最大工作溫度為250℃的傳感器的隔膜16的寬度為250μm，隔膜16的長度為750μm，壁20的厚度是500μm，壁20的高度是300μm，它是75mm硅晶片的厚度，框架22的大小相當于壁20的厚度和高度?？梢哉J為，只要能實現本發(fā)明目的，任何適當的尺寸均可以用。
顯然，從上述的優(yōu)選尺寸發(fā)現，壁20和框架22可以制成厚而堅固的結構。這種設計的優(yōu)點是，傳感器10能承受制造，安裝和苛刻的工作溫度及壓力。傳感器特別能適用于苛刻的環(huán)境，如將傳感器模壓到汽車輪胎中并測量其壓力的環(huán)境中。正如本領域技術人員將發(fā)現的，在適當的電子儀器中用傳感器作監(jiān)測器，可用傳感器檢測電容性(電壓)變化。而且，還可以利用電子儀器進行遠距離監(jiān)測。
現參見圖3，參見圖1和2發(fā)現，要構成電容性壓力傳感器10，應將隔膜組件12靜電焊接到襯底14上。用隔膜16(a×b)和電極26的面積，隔膜下的間隙高度(d-dmin)和空氣或真空的介電常數確定傳感器10的電容量，用下式表示電容量c=∫∫∈0dxdy(d-dmin∈g-∈0∈g)----[1]]]>式中dxdy＝dA-隔膜上的基本面積；ε0＝空氣或真空介電常數εg＝玻璃介電常數(即層32的介電常數)
d＝隔膜與襯底間距離；因此，接觸面積(按觸摸模式)中，d＝dmin，所以(d-dmin∈g-∈0∈g)=dmin∈0∈g]]>c=∫∫∈gdxdydmin----[2]]]>用硅腐蝕形成間隙d(如參見圖8(a)至8(i)所述)，dmin是電極26上絕緣層32的所述厚度。即，dmin是絕緣層頂與襯底之間的距離。如圖所示，dmin的任何變化，例如圖3中電極上的絕緣層的曲率，可以忽略不計。由于最好用P+腐蝕填塞技術構成硅隔膜，隔膜的厚度h取決于P+層厚度，P+層厚度可精確控制。在全部相關范圍內dmin優(yōu)選為0.3至3.0μm。但是，和所有其它元件一樣，可選擇合適的dmin的大小，只要能達到本發(fā)明的優(yōu)點。
隔膜16下面構成真空密封腔34。電極26在壁20下延伸并連接電極26的焊盤36(位于開口18中)至密封真空腔34中的電極26。因而，能很好地檢測隔膜16上的壓力變化引起的膜34的電容變化。
圖2、4和5展示出電極24和26的相對位置。電極26上淀積有絕緣層32。電極24位于絕緣層32上，使得絕緣層32位于電極之間，使電極分開/層疊，如圖4所示。如圖5所示，電極24還在分割壁20下部分延伸，但不穿過腔34，因此，經過壁20與隔膜16接觸并保持腔34的真空狀態(tài)。
如圖3和4所示，電極26在分割壁20下從腔34到開口18延伸。這樣的設置要保持腔34的真空狀態(tài)是困難的。特別是作為本領域技術人員將會發(fā)現，例如，在分隔壁20與絕緣層32之間出現的間隙38和40是由電極26的邊緣在分割壁20下的絕緣層中(圖6)出現的小隆起或凸起而造成的。這些間隙38和40妨礙了腔34實現可靠的真空態(tài)。為克服該困難，在如圖7所示的優(yōu)選實施例中，仔細選擇電極26和絕緣層32的厚度，即dmin，并設計焊接和/或熱處理過程，使絕緣層32符合或變形以密封間隙38和40，在壁20下面的區(qū)域中，優(yōu)選的電極26的厚度約0.1-0.3μm，絕緣層32的厚度約0.3-3.0μm。因此，在分割壁20與絕緣層32的接口和在電極26與絕緣層32的接口保持真空密封。
具有埋入引線的傳感器10的制造方法展示于圖8(a)-8(i)中。如圖所示，用{100}P型硅晶片42開始制造過程(圖8(a))，用KOH(或任何其它合適的腐蝕液)腐蝕硅晶片，在晶片42中獲得要求的間隙44、46(圖8(b))。之后，進行硼擴散，確定P+層隔膜厚度h(圖8(c))。
靜電焊接到晶片42上之前制備玻璃襯底14。濺射電極26(圖8(d))，之后，電極26埋入濺射的7740型玻璃或等價玻璃組合物絕緣層32下(圖8(e))，當隔膜接觸腔34的底部時，絕緣層32最終使電極26與隔膜16隔離。用玻璃作掩模腐蝕去掉焊盤36上的絕緣層(圖3)。電極24最后濺射到絕緣層32上與晶片42(隔膜16)接觸。
優(yōu)選地將襯底14，電極26和絕緣層32的組合體進行熱循環(huán)。首先，組合體加熱到500℃至550℃約半小時，使絕緣層32在電極26周圍變形。其次，施加350℃-400℃的溫度約半小時。使組合體中的玻璃松馳并均勻，產生要求的溫度系數。之后，硅晶片42在350℃-400℃靜電焊接到玻璃襯底14上(圖8(f))。最后，緩慢冷卻組合物約1小時。
之后，用EDP(或用KOH或其它合適的腐蝕液)對晶片42進行深硅腐蝕，構成隔膜16和電極開口帽48(圖8(g))。切割之后，電極帽48開口(圖8(h))。在連到電極26(電極焊盤36)之前除去帽48下焊盤36上的絕緣層(圖8(i))。之后對制成的裝置引線和封裝。
按該結構，P型硅中不制造單獨的引線通道。位于氧化焊接區(qū)下的薄金屬引線，即，電極26制在玻璃襯底14上。與硅隔膜組件12氧化焊接之前，在玻璃襯底14上和玻璃襯底14的電極區(qū)上除焊盤區(qū)36外濺射淀積硼硅酸玻璃膜絕緣層32。該絕緣層32用作觸摸式工作的氧化焊接用的中間層和底電極的絕緣層。
圖8(a)至8(i)所示裝置有許多優(yōu)點，如，低成本，晶片級密封和高性能?？捎脙刹讲ＡR射工藝，而且進一步提高傳感器的靈敏度一步將Si(42)粘到玻璃(14)上，一步確定電極(26)頂上的dmin。
電容性壓力傳感器10的優(yōu)選工作模式是觸摸模式。在一些監(jiān)測規(guī)定范圍內的壓力的工業(yè)應用中，按該觸摸式工作的傳感器的性能比常規(guī)電容性傳感器的性能好很多。經適當設計和制造的圖9所示的傳感器10，用隔膜16經絕緣層32接觸電極26。接觸區(qū)的變化是所加壓力的線性函數。因此可用公式(1)和(2)確定電容量變化，而且，在接觸區(qū)電容量隨壓力幾乎成線性變化。
典型的傳感器特性示于圖10中，圖4標出三個工作區(qū)，區(qū)I是非線性，非接觸區(qū)，即隔膜與絕緣層不接觸。展示出電容量與壓力之間典型的非線性關系。區(qū)II示出傳感器10的隔膜16開始接觸電極26的絕緣層32時的過渡特性。曲線上存在小的峰值，是接觸區(qū)和非接觸區(qū)的組合電容產生的。區(qū)III中，觀察到電容量與壓力之間的近似線性關系。這種性能主要是由隨壓力增大而增大的接觸面積造成的。該線性工作區(qū)提供了前所未有的顯著的操作優(yōu)點。
就觸摸式壓力傳感器10而言，可調節(jié)設計參數來調節(jié)接觸點的位置，使傳感器在需要的壓力范圍內有線性特性。這為傳感器的設計提供了很大的自由度，只改少許工藝以適用于各種不同的應用。例如，客車輪胎的感興趣的壓力范圍是約50psi(磅/英寸2)，而卡車輪胎的感興趣的壓力范圍是約100psi(磅/英寸2)，傳感器制造中只需少許變化的是P+擴散時間。
這里所述的發(fā)明有顯著的優(yōu)良特征。首先，金屬電極26(優(yōu)選是Cr-Pt-Cr結構的引線，所述厚度為0.1至0.3μm，用所選厚度0.3至3.0μm的玻璃層32覆蓋，并經選定熱循環(huán)，使抽空的腔34易于可靠地密封，并能連接電極用于檢測。
第2，傳感器結構堅固，具有穩(wěn)定性，高性能和高可靠性。特別是，選擇框架22和壁20的尺寸使傳感器能承受制造和使用中的苛刻環(huán)境。
第3，按優(yōu)選的觸摸式工作時，使用消零及內在的過載保護，大大提高靈敏度，通過線性操作提高性能，線性度與隔膜厚度、隔膜下的間隙和其它尺寸因素有關。用任何適當的測試電路實現線性操作的消零。而且，由于隔膜只接觸襯底，可保護傳感器，防止過壓，當壓力增大時不會使傳感器斷裂或短路。過壓只會使接觸面積增大。同樣，由于電容有等于最小的dmin的等價間隙，按觸摸式可使傳感器靈敏度增大。
以上僅描述了本發(fā)明的一個特定優(yōu)選實施例，但發(fā)明不限于此。即本發(fā)明不限于上述實施例，對本領域的技術人員而言，不脫離本發(fā)明范圍的前提下還會有各種改型實施方案。
權利要求
1.電容性壓力傳感器，包括襯底，它有(1)設置于其上的電極，(2)由電極跨越的第1和第2部分，(3)只在第1部分中的電極上設置的絕緣層；襯底上的隔膜組件，包括框架結構和確定第1部分的分割壁，其上設置有隔膜，和第2開口區(qū)；和設置于襯底上的第1和第2區(qū)，使(1)襯底的第1部分對準第1區(qū)和隔膜，因此，隔膜，襯底，分割壁和相應的框架結構確定第1區(qū)，構成一個抽空的腔；(2)襯底的第2部分與第2開口區(qū)對準，以便于連接電極；分割壁通常分隔第1和第2區(qū)，并接觸第1部分中電極上的絕緣層；絕緣層和電極有預定厚度，絕緣層在電極周圍變形，以密封和保持抽空的腔內的真空狀態(tài)。
2.按權利要求1的傳感器，其特征是，框架結構和分割壁的尺寸確定為應使傳感器能承受大的外力，壓力和極高的溫度，以使其保持穩(wěn)定。
3.按權利要求1的傳感器，其特征是，絕緣層的預定厚度約為0.3-3.0μm。
4.按權利要求1的傳感器，其特征是，電極的預定厚度約為0.1-0.3μm。
5.按權利要求1的傳感器，其特征是，抽空的腔具有電容。
6.按權利要求5的傳感器，其特征是，電容量隨隔膜上的壓力變化。
7.按權利要求6的傳感器，其特征是，壓力使隔膜接觸絕緣層。
8.按權利要求1的傳感器，其特征是，電極包括鉻和鉑，因此，與絕緣層有良好的粘接。
9.按權利要求1的傳感器，其特征是，隔膜按加于其上的壓力而呈函數偏移，觸摸絕緣層，由此實現按觸模式工作。
10.按權利要求9的傳感器，其特征是，傳感器在接觸區(qū)內有線性工作范圍。
11.按權利要求10的傳感器，其特征是，傳感器承受過壓而產生偏移，觸摸絕緣層。
12.按權利要求11的傳感器，其特征是，抑制非線性區(qū)中的輸出電壓，使線性工作區(qū)相當于要求的壓力區(qū)。
13.電容性壓力傳感器的制造方法，包括下列步驟腐蝕硅晶片第1邊上的第1和第2間隙，用分割壁分開第1和第2間隙；在間隙中用擴散工藝形成P+層；襯底表面上按電極和焊盤形狀淀積金屬，襯底上有第1和第2部分，電極跨越第1部分和第2部分，焊盤處于第2部分中；表面和電極上濺射玻璃；使玻璃在電極周圍變形；硅晶片焊接到襯底上，使第1間隙與襯底第1部分對準，第2間隙對準襯底的第2部分，第1間隙和第1部分確定一個腔；腐蝕與晶片第1邊相對的晶片第2邊，形成(1)與第1間隙和第1部分對準的隔膜，(2)與第2間隙和第2部分對準的帽；和除去帽和電極上玻璃的相應部分，露出電極，由于電極周圍的玻璃變形和焊接而密封腔。
14.按權利要求13的方法，還包括將玻璃厚度選擇成使其能在電極周圍變形。
15.按權利要求14的方法，其特征是，選擇包括選擇玻璃厚度為0.3-3μm。
16.按權利要求13的方法，其特征是，腐蝕形成第1和第2間隙，隔膜和帽確定框架結構的尺寸，使傳感器能承受大的外力和高的溫度，以保持其穩(wěn)定性。
17.按權利要求13的方法，其特征是，還包括抽空第1間隙，并同時焊接晶片和襯底。
18.按權利要求13的方法，其特征是，變形并焊接包括對襯底和硅晶片進行選定的熱循環(huán)。
19.按權利要求18的方法，其特征是，選擇的熱循環(huán)包括玻璃襯底，淀積的金屬電極和濺射的玻璃置于第1溫度中約半小時；玻璃襯底，淀積的金屬電極和濺射的玻璃和硅晶片置于第2溫度中約半小時，使硅晶片粘到襯底上；和襯底，淀積的金屬電極，濺射的玻璃和焊接的硅晶片緩慢冷卻約1小時。
20.按權利要求19的方法，其特征是，第1溫度約為500℃。
21.按權利要求19的方法，其特征是，第2溫度為350℃至400℃，以減小傳感器的剩余應力。
全文摘要
電容性絕對壓力傳感器(10)包括其上沉積有電極(24)的襯底(14)和設置于襯底(14)上的隔膜組件(12)。隨著壓力的增大,隔膜(16)偏移,接觸電極(24)(按觸摸模式),并改變傳感器(10)的電容量。檢測變化的電容以測出壓力變化。用埋入的引線測出隔膜(76)下面的腔(34)中的電容變化,由此確定測出的壓力。適當選擇檢測電極和絕緣層(32)的厚度,對其進行熱循環(huán),并使隔膜組件(12)密封粘接到襯底(14),以保持腔(34)中的真空。
文檔編號G01L9/12GK1172547SQ95197303
公開日1998年2月4日 申請日期1995年11月9日 優(yōu)先權日1994年11月22日
發(fā)明者W·H·科 申請人:卡斯西部儲備大學