[发明专利]具有高精确度和高灵敏度的低压传感器装置

说明书

背景技术

固态压力传感器是众所周知的。Kurtz等人的美国专利No.4,236,137公开了一种半导体压力换能器。Johnson等人的美国专利No.5,156,052也公开了一种固态压力换能器。Bryzek等人的美国专利No.6,006,607公开了使用压阻器件的压力传感器。美国专利No.5,178,016和No.6,093,579也公开了固态压力传感器。

对于使用形成在薄的硅膜中的压阻器件的现有技术压力传感器，众所周知的问题是压力非线性(或PNL)。PNL是硅膜的挠曲的函数。膜挠曲越大，输出非线性的程度就越大，无论压电电阻作为电压还是作为电流被检测和测量。

输出非线性在用于检测低压，例如，低于10kPa的压力的传感器中变得较成问题。因为低压传感装置需要非常薄的硅膜，薄的膜中的膜挠曲趋向于使在被设计成测量低压的压力传感器中的PNL加剧。薄的硅膜的另一问题是它们易碎裂。主要的挑战是，在改进压力灵敏度而不增加用于低压传感器的芯片尺寸的同时产生降低或减少PNL的膜。固态压阻压力传感器将会是一种改进，其能在低压时使用并且具有改进的输出线性，而且其比现有技术中的那些压力传感器更结实且更灵敏。

附图说明

图1和图2是压力传感器的透视图；

图3是图1和图2中所示的压力传感器的截面图；

图4是在图1、2和3中所示的压力传感器中使用的压力传感器元件的截面图；

图5是在图3中所示的压力传感器中使用的压力传感器元件的俯视图；

图6是压力传感器元件的仰视图；

图7是压力传感器元件的膜的底部的透视图；以及

图8示出形成压力传感器元件的工艺步骤。

具体实施方式

图1和图2是在自动和工业压力传感应用中使用的压力传感器10的优选实施方式的不同透视图。图3是图1和图2中示出的压力传感器10的剖视图。图1、2和3中示出的传感器10包括压阻压力传感器元件，其在下面被描述并且该压阻压力传感器元件通过使用薄的膜而具有减少的PNL和改进的压力灵敏度，其包括表面微加工的刚性构件，这里也称为“浅凸台”。以下描述的传感器元件在图1或图2中没有示出，因为其在外壳12内侧。但是，图3示出了在传感器10中的压力传感器元件14的相对位置。

注射模制的塑料外壳12将膜型压力传感器元件14密封在腔16内侧。集成电路18经导线20电连接到压力传感器元件14的膜中的压阻器件，该集成电路18包括电子器件以测量传感器元件14中的一个或更多个压阻器件的电阻变化，且响应于该电阻变化而产生电测量输出信号，该导线20从集成电路18延伸到压力传感器元件14上的金属焊垫。电源和接地连接导线22为集成电路18提供电流。

来自集成电路18内部的电子器件且表示压力传感器元件14中的膜的挠曲的电信号通过信号引线框架24传送通过外壳12，信号引线框架24延伸到包围信号和电源引线框架24的套罩内。

如下所述，压力传感器元件14由薄的、方形或矩形硅膜36形成，硅膜36具有顶表面(或顶侧)和底表面(或底侧)，方形为具有四条相等长度的侧边和四个相等的内角(90度)的特殊类型的矩形。利用普通技术人员公知的现有技术，一个或多个压阻换能器38靠近膜36的外周的边形成到膜36内。响应于施加到膜表面的压力的膜挠曲使压阻换能器中产生应力，这导致其电阻改变。压阻器件的电阻改变随后通过集成电路(IC)18中的电路而转换成可测量的电量，即，电压或电流，以产生表示膜上的压力的电信号。

因为压力传感器10用于感测低压，所以膜厚度应该是薄的。在优选实施方式中，膜厚度标称在大约三(3)和大约五(5)微米之间，但是，可替代的实施方式包括厚度在1微米和大约10微米之间的膜，以便使膜能够响应低于10kPa的压力。尽管薄的膜使压力传感器元件14能够响应非常低的压力，但是这种薄的膜的使用会使PNL加剧。本发明人通过使用薄或“浅”的刚性构件34已经克服了由薄的膜引起的PNL的增加，刚性构件34在膜的与压阻换能器38相反的一侧应用于膜36或形成为膜36的一部分。刚性构件34在这里也称为“凸台”。使用适当厚度的薄刚性构件使膜能够响应低压但不会使膜过度挠曲。

在形成膜本身的蚀刻工艺过程中，薄刚性构件34或“凸台”优选地形成为膜36的一部分。表面微加工为可选的，其是一次一个相互施加多个层的公知的工艺，但是优选地用于适当“薄”的膜36并且形成刚性构件34。在替代的实施方式中，刚性构件34分开地形成并且随后附连到膜36。