专利名称：利用整体式端口与膜片构造的基于厚膜技术的超高压传感器的制作方法
利用整体式端口与膜片构造的基于厚膜技术的超高压传感器技术领域实施例大体涉及传感装置及其方法。实施例还涉及压力变换器。实施例另外涉及压力传感器。实施例另外涉及ATF(先进厚膜)工艺和 技术。
背景技术：
各种传感器已在压力传感器领域中已知。压力变换器已在本领域 中熟知。压力变换器的一个实例是形成有硅衬底和生长在衬底上的外 延层的装置。然后可以移除衬底的一部分，从而留下薄的柔软膜片部。 传感部件可位于膜片部中以形成压力变换器。在操作中，膜片的至少 一个表面暴露于工艺压力。膜片根据压力的幅度而偏转，并且这种偏 转使所附接的传感部件弯曲。膜片的弯曲造成传感部件的电阻值变信号的变化。用于形成压力变换器或类似装置的复合膜片的某些技术涉及构 造具有第一传导类型的衬底层，其中该衬底层包括第一表面。然后， 可在衬底层的第一表面和生长在衬底层的第一表面上的外延层上沉 积P型掺杂(positive implant)，使得P型掺杂在外延层中形成P型扩散。 然后可在外延层上形成氧化物图案且在外延层和氧化物图案上沉积 顶层。然后可蚀刻衬底层和外延层的P型扩散以形成复合膜片。因此， 可提供该复合膜片用于压力传感器或类似装置。膜片包括第一氮化硅 层和附接到该氮化硅层且包括硅材料的压力传感器图案的第二层。一种压力变换器包括诸如硅或陶瓷的合适材料的薄的相对柔性 的膜片部分，在该膜片部分上印刷选定电阻元件或者电容板，由此向压力源暴露会造成膜片偏转，这将造成电阻元件的电阻值变化或电容 板与配合电容板的间距变化和同时电容的变化，因此这种压力变换器 是本领域中所熟知的。变才灸器构造的一个示例7>开于名称为"Ceramic on Metal Pressure Transducer"的美国专利No.6,945,118中，该专利在2005年9月20 日授予William D.Maitland， Jr.，并且以引用的方式结合到本文中。美 国专利No.6,945， 118大体上公开了 一种变换器装置和形成该变换器装 置的方法。金属膜片以分子的方式(moleculariy)结合到陶瓷材料上，以 形成其陶瓷表面。然后，将桥接电路连接到金属膜片的陶瓷表面上。 用于压力传感的输入压力端口也提供于美国专利No.6，945，118的构造 中，其中输入压力端口连接至金属膜片，从而形成包括金属膜片、桥 接电路和输入压力端口的变换器装置。在美国专利No.6,945,118的示例中，金属膜片悍接到输入压力端 口上。金属膜片及其陶瓷表面优选地在至少大约-40。C至150。C的温度 范围内操作，变换器装置也在此温度范围内操作。陶瓷材料以分子的 方式结合到金属膜片上以形成其陶瓷表面。结合到金属膜片上的陶乾 表面也可被构造为陶瓷衬底。陶瓷表面为金属膜片提供腐蚀防护。桥 接电路通常包括电阻器网络并且提供与所施加的力成比例的输出。包 括ASIC(专用集成电路)、相关的电路和EMI防护的柔性电路提供信 号调节、校准和补偿。位于包括引线框架的塑料按扣的连接器系统上 的按扣和Z轴导体材料可用于将柔性电路连接到位于膜片上的桥接网 络。当用作低压传感器时，在外壳中变换器的经济包装可提供有效的 密封。然而，防止变换器的安装和密封等影响到输出可能是一个问题。 这至少部分是由于用于形成变换器的材料(例如硅、陶瓷等)与外壳(塑 料等)之间的热膨胀的显著差异造成的。常规的密封布置涉及绕外壳中 的入口压力端口放置密封材料环，以及安装该变换器使得压敏膜片与 压力端口精确地对准。这种常规布置不仅涉及到应力隔离问题，而且其还在限定包装内的变换器位置方面限制设计选择的灵活性。图l示出了膜片102到端口 104上的现有技术焊接的示意图。图 2示出了膜片102到端口 104上的现有技术连接的等距视图。图3示 出了图1至图2所示的膜片102与端口 104的截面侧视图。应注意的 是，在图1至图3中，相同或相似的构件通常用相同的附图标记来表 示。焊接到端口 104的膜片102不足以用于极限的压力条件，诸如， 在高达3000巴(即43,500 psi)的压力下进行操作的环境。在验证寿命 测试期间，诸如图1至图3所示构造的焊接构造的整体性是所关注的 可靠性的根源。因此，图1至图3所示的传感器设计类型不足以用于 超高压应用。包括利用膜片或膜片部分构造的压力变换器装置的压力变换器 装置的主要问题中的一个问题在于，这种装置在腐蚀与高温应用中是 不可靠的。因此，需要可用于腐蚀介质与高温应用的低成本、高准确 度压力的变换器。发明内容特征，并且并不意图是本发明的全面描述。通过将整个说明书、权利 要求书、附图和摘要作为一个整体来理解而获得本发明的各种方面的 透彻的iU只。因此，本发明的一个方面在于提供一种装置和方法，其克服上述 现有技术局限。本发明的另一方面在于提供一种改进的传感器装置和方法。 本发明的另外方面在于提供一种改进的压力传感器方法和装置， 其可利用ATF(先进厚膜)工艺和技术形成。现可如本文所述来实现本发明的前述方面及其它的目的和优点。 本发明公开了用于构造压力传感器的方法和装置。概括而言，提供均 质(homogeneous)金属件。将压力端口和加工膜片集成到该均质金属件上，其中加工膜片连接到压力端口上。可利用先进厚膜(ATF)技术来 构造加工膜片，从而提供一种基于压力端口和加工膜片及其相关的压 力传感器构件的用于高压传感应用的高压压力传感器。
密封垫片可设置于膜片与压力端口之间，以形成用于压力传感器 的端口-膜片组件。此外，可提供柔性组件和ESD夹子，其中ESD夹 子连接到柔性组件。然后，可将柔性组件附连到连接器上且将扣帽附 连到柔性组件上。然后，可将导体插入于膜片与扣帽之间且该扣帽附 连到该膜片上。ESD夹子可附连到压力端口与柔性组件上。可通过将 盖子压接(crimp)到压力端口上而最终形成压力传感器。电缆也可连接 到盖子上。端帽也可附连到盖子上，其中端帽填充有环氧树脂，用于 将端帽连接到盖子上。
附图进一步说明了本发明，并且与本发明的具体实施例方式一起 用于解释本发明的原理，在所有独立的附图中，类似的附图标记指代 相同或功能相似的元件，附图结合到本说明书中并且构成本il明书的 一部分。
图1示出了焊接到端口的现有技术的示意图； 图2示出了图1所示的膜片到端口的现有技术连接的等距视图； 图3示出了图1至图2所示的现有技术的膜片与端口构造的截面 侧-现图4示出了形成压力传感器的工艺；
图5示出了可根据优选实施例实施的集成的膜片与端口的等距视 图；以及
图6示出了才艮据优选实施例的图5所示的集成的膜片与端口的截 面图。
具体实施例方式
在这些非限制性示例中所讨论的特定值和构造可被改变，并且仅用于说明本发明的至少 一个实施例且并不限制本发明的范围。图4示出了用于形成压力传感器的工艺100。如在图1中的步骤 Al所表示，可提供先进厚膜(ATF)膜片102。应注意的是，如本文所 用的术语"ATF"和"先进厚膜"大体上指的是基于易于定制的模块 化构造工艺的技术。这种ATF技术的示例公开于上文所讨论的美国专 利No.6,945，118中。概括而言，ATF技术极为可靠并且可与较大范围 的流体和气体兼容。如箭头121和步骤B1所示，膜片102可焊接到 压力端口 104上。应注意的是，实际焊接工艺描绘于圆形线103的边 界内。图5至图6所示的构造预期代替对圆形线103内所示的焊接工 艺的需要。如箭头123和步骤C1所示，密封垫片106可安装于膜片 102上和压力端口 104内。即，密封垫片106位于膜片102与压力端 口 104之间。其后，如箭头125和步骤C1所示，可构造端口-膜片组 件105，其包括膜片102、密封垫片106和压力端口 104。之前，在图1的步骤A1、 Bl、 Cl和D1处理的同时或之后，还 可实施多个其它步骤A2、 B2、 C2和D2。因此，如步骤A2所示，可 提供由柔性组件部分110， 112所组成的组装的(populated)柔性组件 109。其后，如箭头127和步骤B2所示，ESD夹子114可连接到柔性 组件109上。才艮据设计考虑，ESD夹子114例如可软^tf焊到柔性组件 109上。其后，如箭头129和步骤C2所示，可提供连接器116,并且 柔性组件109和ESD夹子114连接到连接器116。其后，如箭头131 和步骤D2所示，可提供扣帽118。扣帽118可热熔(heatstake)到柔性 组件109上，如步骤D2所示。在步骤A1-D1和A2-D2的处理之后， 可实施图2所示的后续工艺200。图1所示的箭头132表示现在应该 以步骤E开始实施图2所示的工艺。如图2中的步骤E所示，Z轴导体可插入于膜片102与扣帽118 之间。其后，如箭头135所示，可实施在步骤F所示的工艺，其中扣 帽118附连到膜片102上。在步骤F所示的操作处理后，可实施步骤 G所示的操作，如之后的箭头137所示。在步骤G中，ESD夹子114可附连到端口 104上，并且柔性组件109可折叠到连接器116内。最 后，如箭头139和步骤H所示，端口 104可压接到连接器或盖子116 上。
图4所示的操作和所得的压力传感器装置可有利地使用单件端口 设计，其中端口 104, 304和膜片102， 302集成到由柔性組件109所 提供的同一均质金属件内。这种单件端口设计示于图5至图6中。代 替在膜片上丝网印刷和焙烧厚膜压敏电阻器且随后将完成的膜片焊 接到端口上，图5至图6的设计采用对单件端口 104， 304直接执行 的ATF技术，从而排除了对焊接工艺的需要。此设计对于高压应用是 最佳的，这是因为其提供无焊构造，同时有利地使用了 ATF技术。
图5示出了集成的膜片102与端口 104构造500的等距视图，可 根据优选实施例来实施该构造500。图6示出了根据优选实施例的图 5所示的集成的膜片102与端口 104构造500的截面图。应注意的是， 在图5至图6中，相同或缺失的构件或元件由附图标记整体表示。图 5至图6所示的构造500有利地使用单件端口设计，其中端口 104和 膜片102集成到同一均质金属件内。可将图5至图6的单件端口设计 用于超高压传感器设计，并且可代替图4所示的圆形线103的边界内 的焊接工艺。
可基于先进厚膜(ATF)压力传感技术来实施构造500。代替在图1 至图3的现有技术构造的情况和在线103内示出的工艺，即代替在膜 片上丝网印刷和焙烧厚膜压敏电阻器且随后将完成的膜片焊接到端 口上，可直接对单件压力端口执行ATF技术，从而排除对焊接工艺的 需要。因此，构造500的设计对于高压力情况来说是最佳的，这是因 为其是基于无焊构造且有利地使用ATF技术。因此，构造500可基于 均质金属件的使用而构成压力传感器。压力端口 104与膜片102集成 到均质金属件上，从而提供基于压力端口 104和膜片102及其相关的 压力传感器构件的压力传感器500。
应了解的是，本发明的使用可涉及具有不同特征的构件。预期本 发明的范围由权利要求书限定，并且完全涵盖所有方面的等效物。
权利要求
1.一种用于构造压力传感器的方法，其包括提供均质金属件；将压力端口和膜片集成到所述均质金属件上，从而提供基于所述压力端口和所述膜片及其相关的压力传感器构件的压力传感器。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用先进厚膜(ATF) 4支术来构造所述膜片。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 将所述膜片连接到所述压力端口上；将密封垫片安装于所述膜片与所述压力端口之间，以形成用于所 述压力传感器的端口-膜片组件。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 提供柔性组件和ESD夹子；将所述ESD夹子连接到所述柔性组件上；其后将所述柔性组件附连到连接器上；并且将扣帽附连到所述柔性组件上。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 将导体插入在所述膜片与所述扣帽之间；将所述扣帽附连到所述膜片上；将所述ESD夹子附连到所述压力端口和所述柔性组件上；并且 通过将盖子压接到所述压力端口上而形成所述压力传感器。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 将电缆连接到所述连接器上；并且将端帽连接到所述盖子上，所述盖子填充有环氧树脂，用于将所 述端帽连接至所述盖子上。
7. —种用于构造压力传感器的方法，其包括 提供均质金属件；将压力端口与加工膜片集成到所述均质金属件上，其中，所述加工膜片连接到所述压力端口上，并且利用先进厚膜(ATF)技术来构造 所述加工膜片，从而提供基于所述压力端口和所述加工膜片及其相关 的压力传感器构件的用于高压传感应用的高压压力传感器。
8. —种压力传感器装置，其包括 均质金属件；压力端口和膜片，所述压力端口和所述膜片集成到所述均质金属 片上，从而提供基于所述压力端口和所述膜片及其相关的压力传感器 构件的压力传感器。
9. 根据权利要求8所述的压力传感器装置，其特征在于， 利用先进厚膜(ATF)技术来构造所述膜片；所述膜片连接到所述压力端口上；密封垫片位于且安装于所述膜片与所述压力端口之间，以形成用 于所述压力传感器的端口-膜片组件；柔性组件和ESD夹子，其中，所述ESD夹子连接到所述柔性组件上；附连到所述柔性组件上的连^l妄器；以及 附连到所述柔性组件上的扣帽。
10. 根据权利要求9所述的压力传感器装置，其特征在于，所述 装置还包括插入在所述膜片与所述扣帽之间的导休，其中，所述扣帽附连到 所述膜片上，并且所述ESD夹子附连到所述压力端口和所述柔性组件 上；盖子，其压接到所述压力端口上以形成所述压力传感器； 连接到所述连接器上的电缆；以及附连到所述盖子上的端帽，其中，所述端帽填充有环氧树脂，用 于将所述端帽连接至所述盖子上。
全文摘要
本发明提供一种用于构造压力传感器的方法和装置。可提供均质金属件。将压力端口和加工膜片集成到该均质金属件上，其中加工膜片连接到该压力端口上。可利用先进厚膜(ATF)技术来构造该加工膜片，从而提供一种基于压力端口和加工膜片及其相关的压力传感器构件的用于高压传感应用的高压压力传感器。
文档编号G01L9/00GK101410702SQ200780010840
公开日2009年4月15日 申请日期2007年1月26日 优先权日2006年1月30日
发明者L·F·里克斯 申请人:霍尼韦尔国际公司