專利名稱：金屬基陶瓷壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例總體上涉及傳感器件及其方法。本發(fā)明的實(shí)施例還涉及壓力傳感器。本發(fā)明的實(shí)施例還涉及壓力敏感元件。本發(fā)明的實(shí)施例還涉及“陶瓷結(jié)合在金屬上”和ATF(Advanced Thick Film)工藝和技術(shù)。
背景技術(shù)：
在壓力傳感技術(shù)領(lǐng)域已知有各式各樣的傳感器。壓力傳感器在該領(lǐng)域是已知的。壓力傳感器的一個(gè)例子是一個(gè)由硅襯底和在該襯底上生長(zhǎng)的外延層形成的器件。然后，移除襯底的一部分，留下薄的柔韌性膜片部分?？梢栽谀て糠种性O(shè)置傳感元件來(lái)形成壓力傳感器。在操作中，膜片的至少一個(gè)表面被暴露于加工壓力。膜片根據(jù)壓力的大小而撓曲，并且膜片的撓曲使附著的傳感元件彎曲。膜片的彎曲產(chǎn)生了傳感元件阻抗值的改變，這種改變可以由至少部分地由傳感元件形成的電阻電橋的輸出電壓信號(hào)的變化來(lái)反映。
形成壓力傳感器或類似器件的復(fù)合膜片的一些技術(shù)包括形成具有第一導(dǎo)電類型的襯底層，其中襯底層包含第一表面。然后在襯底層的第一表面進(jìn)行正離子注入(positive implant)淀積，并且在襯底層的第一表面上生長(zhǎng)外延層以便正離子注入在外延層中形成正離子擴(kuò)散。然后在外延層上形成氧化圖案，并且在外延層和氧化圖案上沉積頂層。然后襯底層和外延層的正離子擴(kuò)散可以被蝕刻形成復(fù)合膜片。這樣的復(fù)合膜片因此可以被用于壓力傳感器或類似器件。該膜片包括由氮化硅形成的第一層和附著于該氮化硅層并且包含硅材料形成的壓力敏感元件圖案的第二層。
這一類型的壓力傳感器包含薄的、相對(duì)柔韌的、由如硅或陶瓷的適合材料形成的膜片部分，在膜片部分上印有選擇的電阻元件或電容板，由此暴露于壓力源使膜片撓曲，這將引起電阻元件的阻抗值改變或者電容板與對(duì)應(yīng)的電容板的距離變化以及電容變化，這種壓力傳感器是本領(lǐng)域所公知的。
當(dāng)用作低壓敏感元件時(shí)，經(jīng)濟(jì)封裝的傳感器在外殼中封裝傳感器可以獲得有效的密封，同時(shí)可以防止傳感器的安裝和封裝所引起的應(yīng)力影響輸出。這是由于或者至少部分由于用來(lái)形成傳感器的材料例如硅、陶瓷等與塑料等外殼之間熱膨脹的顯著差異造成的。常規(guī)的密封裝置包括在外殼的壓力入口周圍放置密封材料環(huán)并安裝傳感器，以便將壓敏膜片精確地與壓力入口對(duì)齊。這種常規(guī)的裝置不僅包括壓力隔離問(wèn)題，它也由于包裝中傳感器的定位而限制了在設(shè)計(jì)選擇中靈活性。
這種包含使用膜片或膜片部分結(jié)構(gòu)的壓力傳感器器件的主要問(wèn)題之一在于這種器件在腐蝕性環(huán)境或高溫環(huán)境中的應(yīng)用是不可靠的。因此，存在提供一種對(duì)能用于腐蝕性介質(zhì)和高溫應(yīng)用的低成本高精度壓力傳感器的需要。

發(fā)明內(nèi)容
對(duì)發(fā)明的下列概述是為了方便理解只有本發(fā)明才有的一些創(chuàng)新特征，而不是完整的描述。對(duì)本發(fā)明的各個(gè)方面的完整理解可以通過(guò)將說(shuō)明書、權(quán)利要求書、附圖和摘要作為一個(gè)整體來(lái)獲得。
因此，本發(fā)明的一個(gè)方面是為了提供克服了前面提到的現(xiàn)有技術(shù)局限的一種裝置和方法。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是為了提供一種改進(jìn)的敏感元件裝置和方法。
本發(fā)明的另一方面是提供一種改進(jìn)的傳感器裝置。
本發(fā)明的另一方面是提供一種改進(jìn)的傳感器裝置，該裝置可以使用“陶瓷結(jié)合在金屬上”(金屬基陶瓷)和ATF(Advanced Thick Film)工藝和技術(shù)來(lái)形成。
本發(fā)明的又一方面是提供一種將柔性電路連接到橋式電路的改進(jìn)的方法。
本發(fā)明的前面提到的方面和其他目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)可以由這里的描述來(lái)獲得。這里公開(kāi)了一種傳感器裝置，以及包括一種構(gòu)造該傳感器裝置的方法。金屬膜片的分子結(jié)合陶瓷材料來(lái)形成它的陶瓷表面。連接橋式電路到該金屬膜片的陶瓷表面。然后提供壓力傳感用的壓力輸入端口，其中該壓力輸入端口連接到金屬膜片，從而形成包括金屬膜片、橋式電路和壓力輸入端口的傳感器裝置。
金屬膜片優(yōu)選地焊接于壓力輸入端口。金屬膜片及其陶瓷表面優(yōu)選地至少在大約-40℃到150℃的溫度范圍內(nèi)工作，傳感器裝置也是如此。陶瓷材料的分子結(jié)合到金屬膜片上以形成其陶瓷表面。結(jié)合到金屬膜片的陶瓷表面也可以配置成陶瓷襯底。陶瓷表面為金屬膜片提供抗腐蝕保護(hù)。橋式電路通常包含電阻網(wǎng)絡(luò)并提供正比于所施加力量的輸出。由ASIC(特定應(yīng)用場(chǎng)合的集成電路)、關(guān)聯(lián)電路和EMI保護(hù)形成的柔性電路提供信號(hào)調(diào)節(jié)、校正和補(bǔ)償。連接器系統(tǒng)的卡扣接頭包括引線框和Z軸導(dǎo)線材料上的塑料卡扣，可以使用該卡扣接頭來(lái)連接柔性電路到位于膜片上的橋電阻網(wǎng)絡(luò)。


附圖各個(gè)圖中的相同附圖標(biāo)記指代相同的或功能相似的元件，這些附圖與說(shuō)明書相結(jié)合并成為說(shuō)明書一部分。這些附示了本發(fā)明并和本發(fā)明具體實(shí)施方式
部分一起來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的原理。
圖1圖示了傳感器裝置的頂視圖和側(cè)視剖面圖，可以根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式來(lái)實(shí)現(xiàn)該傳感器裝置。
具體實(shí)施例方式
這些非限制性例子中討論的具體數(shù)值和結(jié)構(gòu)是可更改的，并且列舉只是為了說(shuō)明本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式，而不是為了限制本發(fā)明的范圍。
圖1圖示了傳感器裝置100的側(cè)視剖面圖，其可以根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳感器裝置通常包含一金屬膜片119，其以分子結(jié)合的方式結(jié)合到陶瓷材料或陶瓷襯底118上。由電阻網(wǎng)絡(luò)形成的橋式電路115可以被結(jié)合到陶瓷襯底118上，該陶瓷襯底118形成于金屬膜片119之上。柔性電路112由ASIC(特定應(yīng)用場(chǎng)合的集成電路)、EMI(電磁干擾)保護(hù)裝置和相關(guān)的電路組件形成。陶瓷襯底118結(jié)合到金屬膜片上并為金屬膜片119提供抗腐蝕保護(hù)。
柔性條112使得橋式電路115連接到容器或外殼108(例如蓋子)和連接器部分106。通過(guò)使用塑料引線框127來(lái)鎖扣柔性電路112和z軸導(dǎo)線128，柔性電路可以與橋式電路電連接和機(jī)械連接，該塑料引線框127圍繞z軸導(dǎo)線和柔性電路咬合并保持z軸導(dǎo)線和柔性電路在適當(dāng)?shù)奈恢谩？梢詫?duì)齊這些組件以使傳導(dǎo)路徑由橋式電路開(kāi)始，通過(guò)z軸導(dǎo)線進(jìn)入柔性電路。因此，這樣的裝配方法和結(jié)構(gòu)消除了對(duì)焊接和線連接的需要。
為其壓力傳感可以提供壓力輸入端口122，這樣將壓力輸入端口焊接到金屬膜片119，因此來(lái)形成包含金屬膜片、陶瓷襯底、橋式電路和壓力輸入端口的傳感器裝置100。圖1還示出了壓力輸入端口122和膜片119間的焊接接合處。在圖1中還描述了螺紋部分123、連同褶邊126和連接器部分106。容器或外殼108包圍傳感器裝置100的前述的內(nèi)部組件。外殼108可以由適合的材料來(lái)形成，例如塑料，輕質(zhì)的不導(dǎo)電材料。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，傳感器裝置100可以包含不止一個(gè)壓力端口122或者連接器106。
傳感器裝置100解決了對(duì)低成本高精度且能夠用于腐蝕性介質(zhì)和高溫應(yīng)用的壓力傳感器的需要。傳感器裝置100可以通過(guò)“陶瓷結(jié)合在金屬上”(ceramic-on-metal(金屬基陶瓷))技術(shù)來(lái)形成，這一技術(shù)適合于用作以低成本構(gòu)造的壓力傳感器的設(shè)計(jì)。用于形成傳感器裝置100的工藝包括將陶瓷分子結(jié)合到金屬膜片上，例如金屬膜片119，然后的工藝是將金屬膜片(即金屬膜片敏感元件)焊接到壓力輸入端口?！疤沾山Y(jié)合在金屬上”的結(jié)構(gòu)提供了在大約40℃到150℃的工作溫度范圍內(nèi)的高精度和穩(wěn)定性。
使用ATF(先進(jìn)的厚膜)工藝可以將陶瓷材料的分子結(jié)合到金屬膜片上。因此金屬膜片形成了外涂陶瓷的物體，該物體具有金屬核心(即金屬膜片的金屬)且金屬核心的至少一部分表面上具有陶瓷涂層。這種陶瓷可以是例如玻璃陶瓷，但使用玻璃陶瓷并不被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明特征的限定。這里的玻璃陶瓷只是作為通過(guò)ATF工藝實(shí)施本發(fā)明的一種示例。
玻璃陶瓷涂層可以基于其氧化物成分和涂層的總重量，例如包含(a)重量比從大約8％到大約26％的氧化鎂(MgO)；(b)重量比從大約10％到大約49％的氧化鋁(Al2O3)；和(c)重量比從大約42％到大約68％的氧化硅(SiO2)。這里描述的適合用于傳感器裝置100的陶瓷/玻璃通常具有高溫再燃能力(例如850℃)，并且是空氣可燃的。此外，外涂陶瓷的物體展示出復(fù)合的熱膨脹系數(shù)，這適合用于電子器件中，并且其可展示出低介電常數(shù)，這可以用于高頻電路且在電子應(yīng)用中具有更大的適用性。
而且，通過(guò)ATF工藝使用的陶瓷/玻璃展示出焙燒后對(duì)金屬襯底的強(qiáng)附著力并且對(duì)熱應(yīng)力非常穩(wěn)定。這避免了當(dāng)該物體暴露于電子器件工作過(guò)程中經(jīng)常遇到的高溫時(shí)，擊穿這些由本發(fā)明的具有陶瓷涂層的物體形成的器件?？紤]到金屬襯底和陶瓷玻璃間膨脹系數(shù)的相對(duì)巨大的差異，這種對(duì)熱應(yīng)力的穩(wěn)定性確實(shí)是令人驚訝的，經(jīng)驗(yàn)教導(dǎo)必需使金屬和和涂層的膨脹系數(shù)匹配以產(chǎn)生好的附著力。
這樣外涂玻璃/陶瓷的物體通常包含金屬核心并且在金屬核心的至少一部分表面具有玻璃陶瓷涂層。一個(gè)普通的ATF的例子包括(a)在氧氣環(huán)境中在第一溫度加熱金屬襯底一段時(shí)間，以便足夠在襯底表面形成任何數(shù)量的氧化層；和(b)在襯底的所有或一部分表面施加懸浮液，該懸浮液包含有一種或多種有機(jī)溶劑、一種或多種熱可降解的聚合物黏合劑和一種經(jīng)過(guò)煅燒的細(xì)碎粒狀非導(dǎo)電材料的混合物，該混合物包括(i)重量比從大約8％到大約26％的MgO；(ii)重量比從大約10％到大約49％的Al2O3和(iii)重量比從大約42％到大約68％的SiO2。
這種ATF工藝還可以包括(c)在第二溫度下加熱步驟(b)中的外涂層/金屬襯底組合物一段時(shí)間，以便足夠從施加的懸浮液中充分移除所有溶劑；和(d)在第三溫度下加熱步驟(c)中的外涂層/金屬襯底組合物一段時(shí)間，以便足夠在施加的懸浮液中充分降解所有粘合劑；(e)在第四溫度下加熱步驟(d)中的外涂層/金屬襯底組合物一段時(shí)間，以便足夠燒結(jié)非導(dǎo)電材料以形成由金屬襯底形成的器件，該金屬襯底具有結(jié)合到其一個(gè)或更多表面的玻璃/陶瓷材料的預(yù)定圖案。
這種材料通常包括(以氧化物為主要成分)(i)重量比從大約8％到大約26％的MgO；(ii)重量比從大約10％到大約49％的Al2O3和(iii)重量比從大約42％到大約68％的SiO2；(f)在第五溫度下對(duì)該器件進(jìn)行熱處理一段時(shí)間，以便在某種程度上足夠使材料中任何的殘留玻璃再結(jié)晶。
ATF工藝提供了玻璃/陶瓷材料在襯底上特定位置的應(yīng)用中的更大選擇性，這提供了如傳感器裝置100的器件制造的更大自由度。根據(jù)這里公開(kāi)的實(shí)施方式，經(jīng)過(guò)處理后，該涂層可包含結(jié)晶的玻璃/陶瓷，其堅(jiān)固地附著于金屬核心上并且適合作為襯底以用于經(jīng)加工的感應(yīng)元件。ATF工藝的例子在名稱為“Ceramic Coated Metal Substrates for Electronic Applications”的美國(guó)專利No.4794048中公開(kāi)，該專利于1988年12月28日授予Oboodi等，通過(guò)引用將該專利結(jié)合到此。ATF工藝的另一個(gè)例子在名稱為“Ceramic Coated MetalSubstrates for Electronic Applications”的美國(guó)專利No.4997698中公開(kāi)，該專利于1991年3月5日授予Oboodi等，通過(guò)引用將該專利結(jié)合到此。
這里闡述的實(shí)施方式和例子是為了對(duì)本發(fā)明及其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行最好的說(shuō)明，以使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到介紹前面的描述和例子只是為了說(shuō)明和舉例。本發(fā)明的其他變形和修改對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯然的，并且將用附加的權(quán)利要求書來(lái)覆蓋這些變形和修改。
所進(jìn)行的描述并不是窮舉性的或者限制本發(fā)明的范圍。在上述教導(dǎo)的啟示下且不脫離下面的權(quán)利要求書的范圍的情況下，可進(jìn)行很多修改和變形?？梢灶A(yù)期到，本發(fā)明的使用可包括具有不同特性的組件。本發(fā)明的范圍將由附加在此的權(quán)利要求書來(lái)限定，在所有方面給出了等效的全部范圍。
權(quán)利要求
1.一種傳感器裝置，包括金屬膜片，該金屬膜片以分子結(jié)合的方式結(jié)合到陶瓷材料上以便形成其陶瓷表面；連接到所述金屬膜片的所述陶瓷表面上的橋式電路；用于壓力傳感的壓力輸入端口，其中，所述的壓力輸入端口連接到所述的金屬膜片，從而形成包括所述金屬膜片、所述橋式電路和所述壓力輸入端口的傳感器裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述金屬膜片焊接到所述壓力輸入端口。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述金屬膜片和其所述陶瓷表面在至少40℃到150℃的溫度范圍內(nèi)工作。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述陶瓷材料分子結(jié)合于所述金屬膜片以便形成其所述陶瓷表面。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，結(jié)合到所述金屬膜片上的所述陶瓷表面形成陶瓷襯底。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，結(jié)合到所述金屬膜片上的所述陶瓷襯底為所述金屬膜片提供抗腐蝕保護(hù)。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述橋式電路包括電阻網(wǎng)絡(luò)。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，一電路由包含特定應(yīng)用場(chǎng)合的集成電路及其相關(guān)電路的柔性電路板形成。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，還包括形成所述柔性電路的一部分的EMI電路。
10.一種傳感器裝置，包括以分子結(jié)合方式結(jié)合到陶瓷襯底上的金屬膜片，其中所述金屬膜片和所述陶瓷襯底在至少40℃到150℃的溫度范圍內(nèi)工作；結(jié)合到所述金屬膜片的所述陶瓷襯底上的橋式電路，以便為所述金屬膜片提供抗腐蝕保護(hù)；配置在所述柔性電路上的EMI電路；用于壓力傳感的壓力輸入端口，其中，所述壓力傳感端口焊接到所述金屬膜片上，從而形成包括所述金屬膜片、所述陶瓷襯底、所述橋式電路和所述壓力輸入端口的傳感器裝置。
11.一種形成傳感器的方法，包括以下步驟將金屬膜片以分子結(jié)合方式結(jié)合到陶瓷材料上以便形成其陶瓷表面；將橋式電路連接到所述金屬膜片的所述陶瓷表面上；和為壓力傳感提供壓力輸入端口，其中，所述壓力輸入端口連接到所述金屬膜片以形成包括所述金屬膜片、所述橋式電路和所述壓力輸入端口的傳感器裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，連接橋式電路到所述金屬膜片的所述陶瓷表面的步驟，還包括以下步驟所述金屬膜片焊接到所述壓力輸入端口。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述金屬膜片和其所述陶瓷表面在至少40℃到150℃的溫度范圍內(nèi)工作。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，橋式電路連接到所述金屬膜片的所述陶瓷表面的步驟，還包括以下步驟分子結(jié)合所述陶瓷材料到所述金屬膜片上以形成其所述陶瓷表面。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，結(jié)合到所述金屬膜片上的所述陶瓷表面形成陶瓷襯底。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，結(jié)合到所述金屬膜片上的所述陶瓷襯底為所述金屬膜片提供抗腐蝕保護(hù)。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述柔性電路包含特定應(yīng)用場(chǎng)合的集成電路。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括由柔性電路形成所述特定應(yīng)用場(chǎng)合的集成電路的步驟。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟提供Z軸導(dǎo)線；和形成從所述橋式電路經(jīng)由所述z軸導(dǎo)線到所述柔性電路的導(dǎo)電路徑。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括提供外殼的步驟，包括所述橋式電路、所述金屬膜片、所述陶瓷表面和所述壓力輸入端口的所述傳感器裝置位于該外殼內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種傳感器裝置以及形成該傳感器裝置的方法。金屬膜片可以分子結(jié)合到陶瓷材料上以形成其陶瓷表面。橋式電路連接到金屬膜片的陶瓷表面上。壓力傳感還設(shè)置有壓力輸入端口，其中壓力輸入端口連接到金屬膜片，從而形成包括金屬膜片、橋式電路和壓力輸入端口的傳感器裝置。金屬膜片優(yōu)選地焊接到壓力輸入端口。金屬膜片和其陶瓷表面優(yōu)選地在至少40℃到150℃的溫度范圍上工作，傳感器裝置也是如此。傳感器裝置作為能夠用于腐蝕性介質(zhì)和高溫應(yīng)用的壓力傳感器來(lái)使用。
文檔編號(hào)G01L19/14GK1938571SQ200580008062
公開(kāi)日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2005年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月13日
發(fā)明者W·D·梅特蘭, Z·烏瓦諾維克, L·J·帕納戈托普洛斯 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司