[发明专利]低成本高压传感器

说明书

本发明的背景

技术领域

本发明涉及压力传感器。特别地，本发明涉及具有增强的可靠性、 热稳定性和粘附性质同时可廉价制造的高压传感器。

背景技术

近些年，本领域技术人员持续努力开发成本低且能够批量制造同 时具有高可靠性、敏感性和线性(linearity)的压力传感器。都知 道，一些常规公知的压力传感器包括具有微加工感测膜(sensing diaphragm)的半导体材料。在处理这种结构时，通常在硅晶片中通 过化学蚀刻形成薄的膜。之后使用离子注入和扩散技术以将掺杂元素 推入膜中，形成压阻元件，其导电性随着应变(strain)改变，从而 膜的挠曲或变形导致压阻元件的电阻值的变化。这些变化对应于施加 到膜的压力大小。然而，尤其在诸如感测高压介质(high pressure medium)的环境下，如涉及感测制动液、油、冷却剂、传动液、液压 油、燃料或转向液(steering fluid)的压力的汽车应用中，在两个 大气压或更大压力下，硅易受化学侵蚀和腐蚀的影响。对于这种应用， 压力传感器必须是有物理弹性的(physically resilient)，且对被 感测介质的有害环境有抵抗作用。

制造介质兼容传感器的目前使用的方法包括在诸如硅酮油或凝胶 的惰性流体中密封硅感测芯片，之后用金属膜进一步将感测芯片与要 感测的介质分开，使得压力必须通过金属膜和流体传输到感测芯片。 不幸的是，这些传感器的制造工艺昂贵且复杂。结果，这些传感器不 适合于批量生产。

另一种公知工艺包括在陶瓷膜上形成电容器板(capacitor plate)，之后用第二电容器板将其结合到基板上。使用诸如氧化铝 或氧化锆之类的耐化学腐蚀且机械坚韧的陶瓷材料允许该膜直接接 触要测量其压力的介质。由于陶瓷膜在压力作用下会变形或挠曲，因 此电容器板之间的间距会变化，从而导致对应于所施加压力的电容的 变化。然而，需要检测这种电容变化的电路通常是复杂的且受到噪声 干扰的影响。而且，获得陶瓷膜和基板之间的充分密封以用于高压应 用通常是困难的。

又一种公知的方式包括使用具有丝网印刷于其上的厚膜压敏电阻 器的耐化学腐蚀的陶瓷膜。如同陶瓷电容压力传感器一样，陶瓷材料 允许直接与将感测其压力的介质接触，不再需要保护封装。然而，虽 然信号检测电路较简单，但是难以可靠地用基板密封陶瓷膜。

而且，采用金属膜作为感测元件是本领域中公知的。由于对于给 定厚度和压力金属膜通常比陶瓷膜变形更大，在断裂之前陶瓷膜显示 出较低的延展性且因此被设计成在压力下变形较小，因此通过薄膜多 晶硅电阻器进行感测。首先用典型的二氧化硅或氮化硅薄膜层涂覆金 属膜以将该金属膜与薄膜电阻器及其导体电绝缘。之后通过化学气相 沉积(CVD)将薄膜多晶硅层沉积在绝缘层上，且之后通过由旋涂液 态光刻胶材料(photoresistive material)到多晶硅层上形成的掩 模对其进行蚀刻。曝光且显影光刻胶材料以获得电阻器所需图案，之 后通过蒸镀形成薄膜导体。然而，沉积绝缘和多晶硅层所必须的装置 昂贵，且沉积速度非常慢。对于其上旋涂了光刻胶和喷镀金属的所需 薄膜，沉积薄膜层需要多次图案形成、曝光、显影和剥离步骤，且其 必须在受控环境下实施以避免表面缺陷。此外，这种工艺通常沉积不 厚于约10000埃的薄膜，要求金属膜的表面非常光滑以避免缺陷。

已经用厚膜金属氧化物电阻器制造出金属膜传感器。厚膜氧化物 层通过印刷和焙烧厚膜墨水(thick-film ink)形成，之后在绝缘层 上印刷和焙烧厚膜金属氧化物层以形成电阻器。厚膜导体通常与这种 类型传感器一起使用。然而，由于厚膜材料在非常高的温度下焙烧， 例如在800℃至1000℃以上的范围内，因此，该膜必须由具有优良的 高温耐蚀性的金属形成。虽然几种抗高温特种金属在本领域中是公知 的，但是其非常昂贵且难以加工。另一种选择是将特种金属 (specialty metal)的小金属膜“按钮”附接到由较便宜材料制成 的压力孔(pressure port)基板上。然而，这些结构在较高压力下 通常不可靠。