电容压力传感器制造技术

一种可成批生产的电容压力传感器使检测元件和引线与压力媒质隔离并提供应力隔离。该传感器制成多层夹心结构。一个硅晶片的一侧蚀刻成一系列腔形成挠曲膜片，其一个表面作为电容器极板。一个玻璃层在两侧金属化并有孔。玻璃层粘接到晶片上形成数微米的电容间隙。该组件夹在两个附加层之间，在真空中粘接。将四层夹心结构裁成单个传感器。初始组件可制成一定形状以衰减膜片的响应次数，并在高频输入时降低虚假信号。（*该技术在2007年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微型电容压力传感器，它利用安装在一个半导体膜片上的电介质，形成一个应力隔离及压力媒质隔离的传感器。该电介层有一块面向膜片的金属化的电容器极板，以及一个在电介层中的金属化孔，它保证了膜片检测腔的排气并在密封后提供馈电通路。本专利技术的另一方面是为压力媒质隔离传感器提供一种阻尼作用，以便用机械办法减少输出数字取样电路中的假信号并具备利用成批生产技术的特点。使用硅膜片的电容压力传感器在一篇题目为“微型硅电容绝对压力传感器”(M.E.Behr等，I.Mech E.1981)的文章中描述过。该文描述了一个用来形成膜片的硅晶片。晶片安装在一个玻璃基片上，在玻璃中有一个金属化层，形成一个面向膜片并与膜片隔开的电容器电极或称极板。通过穿过玻璃的孔道中的金属化层形成对膜片和电容器极板的电联接。然而，带有电引线馈通和用来从膜片构成的小腔排气的孔道的问题以及能以批量生产工艺制造传感器的问题依然存在，再者，这种传感器的应力隔离(使膜片与外界应力隔离)是一个问题。在一篇题目为“Senser IC′sProcessins，Materials Open Factory Doors”的文章(Frank Goodenough;Electrical Design，1985.4.18，131-148页)中给出了对制作集成电路传感器的现有技术的评论。在采用诸如硅或其它半导体刚性材料的微型电容压力传感器中出现的另一个问题是膜片的频率响应相当高，并且当使用数字取样电路时，膜片的响应频率变得太高而不能在用于检测电容值的取样间隔内进行分析。这种取样电路通过以固定时间间隔对电容输出信号取样，产生由电容检测电路发出的输出信号。硅膜片的频率响应高得足以需要在数据被取样之前进行阻尼衰减或低通滤波，以防止由接近或高于取样频率的噪声信号产生的混淆错误。最好是引入检测元件的机械阻尼，但是当采用已知结构时，这对于只具有很小体积空间的微型固体传感器来说是一个相当大的问题。本专利技术涉及微型电容压力传感器，它最好由安装在金属化介电层上的半导体膜片构成，以便能够成批生产传感器。一个膜片和一相对的金属化层构成电容器极板，当膜片在压力下挠曲时，极板间的电容量改变。介电层包含金属化的通孔，该通孔将电容器极板电联接到介电层的另一侧的另一金属化层上。孔中的金属化层构成线路的引线，并且该孔保证从该膜片和在该介电层上形成的电容器极板之间的空腔排气。在成批生产工艺中该孔可以被覆盖和密封，而另一金属化层露出并用来附接引线。本专利技术的典型例子是一个具有最好用诸如硼硅酸(Pyrex)玻璃的介电玻璃作的基片或衬底的压力传感器。在较佳形式中，对一块P型硅晶片在多处所要求的位置上从其两面进行蚀刻。在晶片的一面上蚀刻较深，以形成检测膜片(即隔膜)，在晶片的另一个面上正对膜片位置的地方进行较浅的蚀刻以形成检测腔。晶片在第一个面(与检测腔相反的一面)上金属化并退火，以便在该金属层与硅之间形成欧姆接触。在一个玻璃园片上制成小孔，该孔位置正对硅检测膜的中心，然后在此园片的两个面上(包括在小孔中)金属化。在一个面上金属层用掩膜遮蔽，以形成分离的电容器极板，每一极板以一个孔为中心，这样，构成电容器极板的金属层将与在硅晶片上形成的膜片相互对中。然后玻璃园片成薄层按适当位置安放在硅晶片上，使得玻璃圆片上面对硅晶片一面的金属化层恰当地置于硅晶片上的膜片位置上。在玻璃圆片上形成的电容器极板与硅晶片是电绝缘的，但是在所制成的各个电容器极板中心处的玻璃中的每个孔内的金属化使玻璃上的电容器极板与玻璃圆片相反一侧上的金属化层相互电联通。硅晶片和玻璃圆片在环绕每一膜片的区域上粘接，在膜片区形成数微米的间隙。玻璃圆片与硅晶片之间的间隙形成一个腔室，腔室在围绕其周边处密封但是通过金属化孔向外部开口。这样，玻璃圆片或薄层及硅晶片的组件可以用来构成一个绝对压力传感器，并且当如此应用时，该组件与第三个和第四个晶片或圆片同心装配。复盖在上述第一个玻璃圆片上的第三个圆片或薄层既可以是玻璃的也可以是硅的，并且在面对第一个玻璃圆片的表面上形成有凸台。凸台位于复盖和密封上述第一个玻璃圆片中的孔的位置上，玻璃圆片在该区域内有金属层。当圆片组件置于真空环境中，第三圆片粘接到所说第一玻璃圆片上时，这第三圆片将使膜片与玻璃圆片之间检测腔有效地密封。因此玻璃圆片中的孔既形成了来自电容器极板的电信号的馈通，又成为在成批生产过程中对膜片上的腔排气和密封的手段。去掉第三薄层的部分区域以暴露附接引线的金属层，但保留孔的密封。第四薄层置于上述第一硅片的外侧，此硅片上有加工成形的薄膜(与第一玻璃圆片相反的一侧)，这个第四薄层通常由硅制成，具有通向由于加工成膜片而形成的腔的通道。该通道是为了使压力下的流体(媒质)作用于膜片。如图所示的第四圆片具有由组件向外延伸且环绕压力传递通道的应力隔离颈。该第四圆片也是在真空气氛中粘接固定的。一种玻璃熔接物或阳极粘结剂可用来将外边的两个薄层(第三和第四薄层)粘接到硅晶片和第一玻璃圆片的初始组件上。然后将这个四层的夹心结构切割(切断)成单个的传感器。在本专利技术中，如果需要响应阻尼或隔离，该晶片和所说第一玻璃圆片的初始组件将被制成封闭的，但是对于在该晶片与所说第一玻璃圆片相反一侧上的第四薄层或复盖层略有区别地处理，并将其放置在与第一玻璃圆片相反一侧上的膜片上。该复盖层具有与膜片腔配合相适的凸台，在与膜片的有效电容器表面相反一侧的膜片上形成小体积的阻尼室。小体积阻尼室充满流质(硅油)，并通过细小的通道通向传递作用于隔离膜片上的压力的隔离室。这种压力会使探测膜片挠曲。所示产生阻尼的膜片的压力孔道既可以是一个在第四薄层或复盖层中用激光钻的孔，也可以是在膜片支承凸缘上形成的通向阻尼室的多个横向浅槽。这些槽可以在蚀刻硅晶片或第四薄层时在这些薄层中加工成，构成通向阻尼室的小而有限的孔道，在阻尼室里压力作用于膜片上。在这种小体积阻尼室中的流质必须随着膜片的挠曲而流过限流装置，从而衰减膜片的频率响应。由于使用非常小的阻尼油或流质的内部容量，使得用流质填注这种阻尼室的工作更容易。如所示的对膜片响应产生机械阻尼的能力，取消了在所用的检测电路中附加滤波的需要。这样传统的数据取样电路就可以应用于本器件，而流质阻尼用来使膜片的频率响应保持在低于线路取样频率的 1/2 的范围内。图1是一批压力传感器的一块分割部分的俯视平面图，一些地方被切开以显示用来制作本专利技术传感器的薄层;图2是大体上沿图1中2-2线得到的放大的截面图，显示根据本专利技术以成批生产工艺制造的完整的传感器组件;图3是图2中显示的单个压力传感器的截面图，已从同一批制造的其它传感器中将此传感器分离出来并将该传感器装进一个外壳中;图4是一段玻璃薄层的不完全的放大截面图，用来使本传感器显示金属化馈通孔的细节;图5是本专利技术改进形式的截面图，在装有隔离膜片的外壳中注满油，一个根据本专利技术制造的传感器安装在其中，具有响应阻尼特性;图6是根据本专利技术制造的其中带有第一种类型的流质阻尼孔的压力传感器的垂直截面图;图7是在图8中沿7-7线得到的内含流质阻尼孔的改进型的截面图;图8是大体上沿图7中8-8线得到的平面图;图9是改进了的含有一个参考电容器的单个压力传感器的截面图;图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用来联接到电容检测电路，提供代表被测压力的输出的电容压力传感器，其特征在于包括：一个用介电材料制成的第一薄层，它有至少一个基本上平的表面，该表面与该薄层的第二个相反的表面隔开一定距离，一个第一小孔穿过该第一薄层，由第一表面延伸到第二 表面；淀积在第一薄层上的导电装置，其在第一表面的第一区域延伸用来形成一个电容器第一极板，同时在第二表面的一个区域上延伸，形成一个电接触层，该层在小孔处形成空洞并穿过该小孔延伸到第一电容器极板，通过该接触层使第一电容器极板与检测电路联接起 来；一个由脆性材料制成的膜片层，它有一个密封粘接到该第一薄层的第一表面上的环绕膜片的凸缘；包围电容器第一极板，所说的膜片面对电容器第一极板并与之相距一定距离，所说的膜片在该脆性材料中构成一个对加在该膜片上的压力有响应的电容器第二极板；以 及一个其上具有密封表面的，粘接到该第一薄层的第二表面上的导电结构上用来密封小孔的密封层，对面对电容器第一极板那一侧的膜片提供一个参考压力。

【技术特征摘要】
US 1986-6-23 8772811.一种用来联接到电容检测电路，提供代表被测压力的输出的电容压力传感器，其特征在于包括一个用介电材料制成的第一薄层，它有至少一个基本上平的表面，该表面与该薄层的第二个相反的表面隔开一定距离，一个第一小孔穿过该第一薄层，由第一表面延伸到第二表面；淀积在第一薄层上的导电装置，其在第一表面的第一区域延伸用来形成一个电容器第一极板，同时在第二表面的一个区域上延伸，形成一个电接触层，该层在小孔处形成空洞并穿过该小孔延伸到第一电容器极板，通过该接触层使第一电容器极板与检测电路联接起来；一个由脆性材料制成的膜片层，它有一个密封粘接到该第一薄层的第一表面上的环绕膜片的凸缘；包围电容器第一极板，所说的膜片面对电容器第一极板并与之相距一定距离，所说的膜片在该脆性材料中构成一个对加在该膜片上的压力有响应的电容器第二极板；以及一个其上具有密封表面的，粘接到该第一薄层的第二表面上的导电结构上用来密封小孔的密封层，对面对电容器第一极板那一侧的膜片提供一个参考压力。2.权利要求1的电容压力传感器，其中的膜片在一层半导体材料中制成。3.权利要求2的电容压力传感器，其中的半导体材料层具有一个与半导体材料欧姆接触的金属层。4.权利要求3的电容压力传感器，有一个第四薄层，其材料粘接到在半导体层的第二表面上的半导体层上，并且跨过膜片区域，所所说的第四薄层具有一个使待测压力下的流质能够对该膜片产生作用的小孔。5.权利要求4的电容传感器，其中第四薄层包含一个比该传感器横向宽度尺寸小得多的细颈部分，穿过该第四薄层的小孔穿过该细颈。6.权利要求5的电容压力传感器，进一步包括一个配置在该传感器中的参考电容，该参考电容包括一个配置在基本上平的表面上的参考电容器第一极板，并且与凸缘的一部分进行电容耦合，形成一个参考电容。7.权利要求5的电容压力传感器，包括一个粘接到第四薄层上的底座构件，和一个粘接到底座层上并与第四薄层隔开一定距离的参考电容器，所说的参考电容器联接到检测电路，这样降低输出对震动的敏感度。8.权利要求5中的电容压力传感器，其中密封层被粘接到膜片组件凸缘上方的导电装置上。9.权利要求5的电容传感器，其中所说的细颈有一个安装表面，借助于所说的细颈安装该传感器，形成应力隔离装置，使外部应力与膜片隔离。10.权利要求4的电容传感器，其中第四薄层与膜片共同限定一个腔室，而限定在该腔室与传感器的外边界之间的有限的小孔装置限制随着膜片从某一参考位置挠曲而通过该处的流质的流动。11.一种成批制造的电容传感器，其特征在于包括一个具有第一和第二表面的刚性材料的介电层;一个包含第二薄层的膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤马斯A克纳施特，罗格L弗里克，
申请(专利权)人：罗斯蒙德公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]