本發(fā)明涉及一種壓力傳感器裝置。本發(fā)明還涉及一種用于制造壓力傳感器裝置的方法。

背景技術(shù)：

1、用于壓差、相對(duì)壓力和絕對(duì)壓力的壓力傳感器通常是由具有變化的熱膨脹系數(shù)的不同的功能材料構(gòu)成的復(fù)合構(gòu)造從而當(dāng)暴露于高溫(例如直至至少150℃)和低溫(例如直至至少-40℃)時(shí)在引入復(fù)合物中的材料之間的機(jī)械應(yīng)力方面具有分別個(gè)性化專(zhuān)用的輪廓曲線。

2、已知的壓力傳感器裝置通常由傳感器元件組成，所述傳感器元件通過(guò)不同材料的組合機(jī)械地保持和電接觸，使得裝入工作裝置中以進(jìn)行壓力測(cè)量是可行的。在侵蝕性介質(zhì)中，經(jīng)由有機(jī)粘合劑無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳感器元件的機(jī)械保持，因?yàn)橛袡C(jī)粘合劑并非總是能夠承受侵蝕性液體。因此，在侵蝕性條件下進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，傳感器元件的機(jī)械保持通過(guò)在金屬或陶瓷襯底上的無(wú)機(jī)的接合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如通過(guò)硬焊料或軟焊料或接合玻璃來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這種構(gòu)造中，傳感器元件、焊料和襯底的熱膨脹系數(shù)相差很大，直至10ppm/k和更高。

3、由此產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致由于熱滯后、壓力滯后、零點(diǎn)穩(wěn)定性、壓力下的輸出穩(wěn)定性造成的壓力測(cè)量誤差以及導(dǎo)致其他無(wú)法補(bǔ)償?shù)恼`差。

4、因此，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的壓力傳感器裝置在暴露于高溫或低溫下時(shí)，其精度和功能都會(huì)具有技術(shù)限制。因此，壓力傳感器裝置的技術(shù)限制可能會(huì)限制工業(yè)應(yīng)用和汽車(chē)應(yīng)用中復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)的功能性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是描述一種壓力傳感器裝置和一種制造方法，所述壓力傳感器裝置和制造方法解決存在于現(xiàn)有技術(shù)中的主要問(wèn)題。

2、該目的通過(guò)根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求所述的壓力傳感器裝置和方法實(shí)現(xiàn)。

3、根據(jù)一個(gè)方面，描述壓力傳感器裝置。壓力傳感器裝置構(gòu)成用于確定壓差、相對(duì)壓力或絕對(duì)壓力。壓力傳感器裝置構(gòu)成用于在侵蝕性的條件下可靠地和準(zhǔn)確地測(cè)量液體或氣體的壓力。壓力傳感器裝置適用于承受得住侵蝕性的介質(zhì)，例如油、燃料、尿素、致冷劑等。壓力傳感器裝置還設(shè)計(jì)用于在寬的溫度范圍內(nèi)工作，所述溫度范圍包括直至至少-40℃的低溫和直至至少150℃的高溫。壓力傳感器裝置還構(gòu)成用于測(cè)量在以下壓力范圍內(nèi)的液體或氣體的壓力，所述壓力范圍從0.05bar延伸至100bar或更多。壓力傳感器裝置適合于在機(jī)動(dòng)車(chē)中使用例如作為機(jī)動(dòng)車(chē)廢氣應(yīng)用和/或在動(dòng)力總成中使用。壓力傳感器裝置例如還適合作為用于監(jiān)控工業(yè)過(guò)程的冷卻劑壓力傳感器或氫氣壓力傳感器。

4、壓力傳感器裝置具有至少一個(gè)傳感器元件。傳感器元件能夠構(gòu)成為mems(微型電子機(jī)械系統(tǒng))構(gòu)件。優(yōu)選地，傳感器元件具有硅芯片。

5、傳感器元件具有膜。膜構(gòu)成和設(shè)置成暴露于介質(zhì)，尤其液體或氣體。傳感器元件具有上側(cè)和下側(cè)。上側(cè)和下側(cè)彼此相對(duì)置地設(shè)置。下面，對(duì)于傳感器元件的取向而言，將傳感器元件的膜所位于的側(cè)稱(chēng)作為傳感器元件的上側(cè)并且將相對(duì)置的一側(cè)稱(chēng)作為傳感器元件的下側(cè)。在下側(cè)處，在傳感器元件中存在介質(zhì)入口，所述介質(zhì)入口使得膜從下側(cè)起對(duì)于引導(dǎo)壓力的介質(zhì)是可進(jìn)入的。

6、傳感器元件具有至少一個(gè)檢測(cè)元件，優(yōu)選多個(gè)檢測(cè)元件。檢測(cè)元件構(gòu)成用于測(cè)量介質(zhì)的壓力。檢測(cè)元件在膜上構(gòu)成。

7、壓力傳感器裝置還具有襯底。襯底具有上側(cè)和下側(cè)。襯底用作為傳感器元件的載體。傳感器元件設(shè)置在襯底上，尤其設(shè)置在襯底的上側(cè)上。襯底是光學(xué)透明的。襯底具有玻璃。優(yōu)選地，襯底由玻璃構(gòu)成。

8、傳感器元件和襯底機(jī)械固定地和不可脫開(kāi)地彼此連接。傳感器元件和襯底彼此融合或焊接。在傳感器元件和襯底之間構(gòu)成有連接界面。連接界面是襯底和傳感器元件彼此連接的區(qū)域。連接界面在傳感器元件的下側(cè)和襯底的上側(cè)之間構(gòu)成。

9、連接界面借助于激光焊接產(chǎn)生。換言之，襯底和傳感器元件通過(guò)激光焊接彼此連接，尤其融合。激光焊接優(yōu)選借助超短激光脈沖執(zhí)行(脈沖長(zhǎng)度在皮秒范圍內(nèi)和更短)。通過(guò)激光焊接產(chǎn)生的熱輸入是局部受限制的，即不進(jìn)行對(duì)襯底的完全加熱。僅在襯底和傳感器元件之間的接合區(qū)域中，即在襯底和傳感器元件彼此緊靠地接合的區(qū)域中，引起對(duì)襯底和傳感器元件的加熱從而融合。尤其地，在借助超短激光脈沖進(jìn)行激光焊接時(shí)，光穿過(guò)光學(xué)透明的襯底在沒(méi)有熱輸入進(jìn)入所述襯底中的情況下聚焦至接合區(qū)域，在該處熱經(jīng)由在超過(guò)數(shù)十微米的焦點(diǎn)范圍內(nèi)的多光子吸收極其局部地經(jīng)由融合引起傳感器元件和襯底的機(jī)械穩(wěn)定的接合從而引起連接界面的構(gòu)成。

10、因此，壓力傳感器裝置不具有用于連接傳感器元件和襯底的附加的連接機(jī)構(gòu)或附加的接合材料。傳感器元件和襯底在連接界面處機(jī)械固定地和嚴(yán)密密封地彼此連接。

11、通過(guò)將傳感器元件和襯底通過(guò)激光焊接連接，能夠省去附加的接合材料/接合機(jī)構(gòu)，所述接合材料/接合機(jī)構(gòu)由于熱膨脹系數(shù)不同會(huì)造成機(jī)械應(yīng)力。因此，提供壽命特別長(zhǎng)的和可靠的壓力傳感器裝置。此外，當(dāng)壓力傳感器暴露于高溫(直至至少150℃)和低溫(例如直至至少-40℃)時(shí)，所述壓力傳感器裝置由此與常規(guī)壓力傳感器裝置相比是更精確和功能更強(qiáng)的。

12、根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，襯底具有與傳感器元件的熱膨脹系數(shù)相差小于1ppm/k的熱膨脹系數(shù)。因此，襯底和傳感器元件具有近似相同的熱膨脹系數(shù)。由于最小或完全缺少的熱膨脹差異，在壓力傳感器裝置中僅產(chǎn)生最小的機(jī)械應(yīng)力或不產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，所述機(jī)械應(yīng)力在高溫和低溫下能夠從襯底傳遞到傳感器芯片上。由此提供特別可靠的壓力傳感器裝置。

13、根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，傳感器元件具有連接基座。連接基座設(shè)置在傳感器元件和襯底之間。連接基座設(shè)置在傳感器元件的下側(cè)處。傳感器元件和連接基座是傳感器系統(tǒng)。

14、連接基座確保傳感器元件從接合區(qū)域處與襯底機(jī)械脫耦。連接基座優(yōu)選在非常精確的壓力傳感器中使用。上文所描述的借助超短激光脈沖進(jìn)行的激光焊接不僅借助傳感器元件是可行的而且借助位于傳感器元件和襯底之間的連接基座是可行的。

15、連接基座具有玻璃。優(yōu)選地，連接基座由玻璃構(gòu)成。優(yōu)選地，連接基座具有與襯底材料相比非常類(lèi)似的和相同的材料。尤其地，連接基座的熱膨脹系數(shù)與襯底的熱膨脹系數(shù)相差小于1ppm/k。因此，壓力傳感器裝置能夠盡可能地保持不具有機(jī)械應(yīng)力。

16、根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，連接基座接合到傳感器元件上。例如，連接基座借助于陽(yáng)極鍵合與傳感器元件連接。

17、連接界面在連接基座和襯底之間構(gòu)成。換言之，具有傳感器元件和連接基座的傳感器系統(tǒng)借助于利用超短激光脈沖進(jìn)行的激光焊接與襯底連接。用于連接襯底和傳感器系統(tǒng)的激光能量為此在襯底的與傳感器系統(tǒng)相對(duì)置的一側(cè)，亦即：在襯底的下側(cè)處耦合輸入。

18、根據(jù)另一方面，描述一種用于制造壓力傳感器裝置的方法。優(yōu)選地，通過(guò)所述方法制造上文所描述的壓力傳感器裝置。關(guān)于壓力傳感器裝置或所述方法公開(kāi)的所有特性也對(duì)應(yīng)地關(guān)于相應(yīng)的其他方面公開(kāi)并且反之亦然，即使相應(yīng)的特性沒(méi)有詳盡地在相應(yīng)的方面的上下文中被提到也如此。所述方法具有以下步驟：

19、a)提供襯底，優(yōu)選上文所說(shuō)明的襯底。所述襯底具有玻璃。

20、b)提供傳感器元件，優(yōu)選上文所描述的傳感器元件。傳感器元件優(yōu)選具有硅芯片。傳感器元件具有上側(cè)和下側(cè)。膜在傳感器元件的上側(cè)處構(gòu)成。優(yōu)選地，襯底具有與傳感器元件的熱膨脹系數(shù)相差小于1ppm/k的熱膨脹系數(shù)。

21、c)通過(guò)激光焊接機(jī)械固定地和嚴(yán)密密封地連接襯底和傳感器元件。激光焊接借助超短激光脈沖執(zhí)行。脈沖長(zhǎng)度位于皮秒范圍和/或飛秒范圍內(nèi)。襯底的材料對(duì)于激光波長(zhǎng)是完全透明的。在所述方法中，光通過(guò)光學(xué)透明的襯底在沒(méi)有熱輸入到所述襯底中的情況下聚焦至在襯底和傳感器元件之間的接合區(qū)域。在接合區(qū)域處，熱經(jīng)由在數(shù)十微米的焦點(diǎn)范圍內(nèi)的非線性吸收(多光子吸收)極其局部地經(jīng)由融合引起傳感器元件和襯底的機(jī)械穩(wěn)定的接合。用于連接襯底和傳感器元件的激光能量在此在襯底的與傳感器元件相對(duì)置的一側(cè)耦合輸入。能量輸送在沒(méi)有與襯底/與傳感器元件的實(shí)體接觸的情況下進(jìn)行并且能夠選擇性地耦合輸入到期望的接合區(qū)域中。

22、通過(guò)借助于激光焊接的連接還能夠省去用于連接襯底和傳感器元件的附加的接合機(jī)構(gòu)。由于最小的或完全缺少的熱膨脹系數(shù)差異，在壓力傳感器裝置中僅產(chǎn)生最小的機(jī)械應(yīng)力或不產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，所述機(jī)械應(yīng)力在高溫和低溫下從襯底傳遞到傳感器芯片上。因此，提供非常靈活的和有效的方法，通過(guò)所述方法制造極其可靠、高效率且使用壽命長(zhǎng)的壓力傳感器裝置。

23、根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在可選的步驟中在將傳感器元件與襯底連接之前提供連接基座。連接基座具有玻璃。優(yōu)選地，襯底具有與傳感器元件和連接基座的熱膨脹系數(shù)相差小于1ppm/k的熱膨脹系數(shù)。優(yōu)選地，連接基座和襯底具有相同的材料。

24、連接基座、尤其連接基座的上側(cè)與傳感器元件的下側(cè)連接以構(gòu)成具有連接基座和傳感器元件的傳感器系統(tǒng)。優(yōu)選地，連接基座通過(guò)陽(yáng)極鍵合與傳感器元件連接。

25、接著，傳感器系統(tǒng)通過(guò)上述激光焊接(借助超短激光脈沖的激光焊接)與襯底連接，尤其融合。尤其地，通過(guò)激光焊接將傳感器系統(tǒng)的下側(cè)與襯底的上側(cè)機(jī)械固定地和嚴(yán)密密封地連接。用于連接襯底和傳感器系統(tǒng)的激光能量在這種情況下在襯底的與傳感器系統(tǒng)相對(duì)置的一側(cè)耦合輸入。