氣密玻璃密封傳感器的制造方法
【專利摘要】本文所公開的技術包括用于包含有車用流體的流體壓力測量的系統及方法。壓力傳感器包括用于壓力測量的微機電系統(MEMS)傳感器。MEMS傳感器被附連到玻璃管，其被壓縮地密封到可附連到包含有流體的箱的壓力端口的安裝框架上。本文所公開的技術在管子與安裝框架之間提供氣密密封件，以及在MEMS傳感器和壓力傳感器之間提供剛性密封件，同時使來自于MEMS傳感器的熱膨脹應力解耦。利用這種解耦技術，可改進壓力感測的可靠性和準確性，這是因為熱膨脹應力被從MEMS傳感器解耦。這種技術提供了一種精確、耐用且成本高效的壓力傳感器。
【專利說明】氣密玻璃密封傳感器
[0001]相關申請
[0002]本申請與和本申請同日提交的(代理人案號為SEN12-21 (42844))名稱為“壓力傳感器，，的美國專利申請相關。該專利申請的全部教導和內容通過引用整體合并于此。
【技術領域】
[0003]本公開涉及壓力傳感器裝置，且具體地涉及識別液體壓力的變化的裝置。
【背景技術】
[0004]壓力傳感器典型地測量諸如氣體或液體的流體的絕對或相對壓力。流體的測量使得能夠精確控制和監測各種裝置和系統。存在利用多個可獲得的測量壓力的作用機制中的任意一個的多種壓力傳感器裝置。例如，給定的傳感器裝置可利用壓電、壓阻、光學、電磁及其它技術用于測量壓力。某些壓力傳感器被以非常小的尺寸制造。例如，微機電系統(MEMS)現在被用作壓力傳感器。MEMS傳感器的主要功能為，基于絕對或差分壓力輸入，連同提供電基信號，將壓力信號轉換成電輸出信號。這種相對較小的壓力傳感器在尺寸和重量被重點考慮的系統中使用。
[0005]傳統的中壓壓力傳感器采用了利用強力且穩定的環氧樹脂或共晶粘合來粘結到MEMS芯片上的金屬合金底座。這種金屬合金的使用是昂貴的，且可能危害精度，這是因為在金屬合金材料與MEMS芯片之間的熱膨脹值的系數存在顯著的差異。傳統的MEMS芯片也可利用在晶片制造過程期間附連到MEMS芯片的集成玻璃底座來加工。這種集成的玻璃底座(也稱作熔融玻璃底座)比較昂貴，且MEMS芯片通常利用陽極粘合技術來粘結到玻璃底座上，且底座通過粘合或共晶金屬粘合粘結到壓力端口安裝框架上。
[0006]在傳統的裝置中，抗化學腐蝕的環氧樹脂或共晶粘合必須為傳動應用提供機械粘合的強度及足夠的密封。當組件和膠粘劑與諸如燃料、傳動液和油的粗糙媒質相接觸時，很難提供成本高效、化學上穩健的且機械上牢固的解決方案。
[0007]由于MEMS裝置相對于傳統壓力感測技術的較小的空間占用，在壓力感測技術中使用MEMS技術可以是有利的。這樣，MEMS裝置適用于具有尺寸限制的領域，諸如包括具有對較小傳感器的需求增加的雙離合傳動(DCT)系統的汽車傳動裝置。然而，MEMS壓力感測裝置的挑戰是產生成本高效的且穩健的細件或封裝件。傳統的MEMS壓力傳感器可能較昂貴，并損失精度，或者甚至在包括高溫、熱膨脹及化學劣變的特定操作條件下失效。例如，由于部件的數量及類型，以及為了改善粘合性能使用諸如黃金的貴金屬粘合，傳統的MEMS壓力傳感器是昂貴的。MEMS感測組件應與感測媒介(諸如流體壓力或油壓)相化學密封。而且，由于傳統的組件由不同的材料制成，熱膨脹系數(CTE)存在不匹配。這種不匹配的結果會導致，由于熱應力的累積和/或將過量的膨脹應力施加到MEMS感測部件，熱的條件可能損壞化學密封。
[0008]采用MEMS壓力感測部件的一個挑戰為，確定如何將MEMS芯片附連到襯底，以導致足夠牢固的連接(物理附著)，同時使得能夠進行精確的壓力讀取。當組件的熱膨脹系數不匹配時，牢固的機械連接和良好的精度可能相沖突。采用牢固的連接，總是存在可能是不期望的相應水平的應力。例如，在相對較高或較低溫度處的溫度變化可能引起MEMS芯片附連粘合上的應力。剛性連接將這些應力轉移到芯片，其影響了壓力測量的精度。
【發明內容】
[0009]本文所公開的技術提供了 MEMS芯片與壓力傳感器的牢固連接，但同時使來自于MEMS芯片的熱膨脹應力解耦。利用這種解耦技術，壓力感測精度可超過99%。例如，本文中的技術可使用具有流體管路的管子，且不是將金屬底座化學粘合到安裝板上，而是管子利用壓縮的玻璃密封被機械地保持在適當位置。管子的一部分可從安裝框架的外側接近，或者可替換地，管子的一部分從安裝框架突出以便能夠進行MEMS芯片附連。MEMS芯片可被直接地粘貼到管子上或者粘貼到單獨的底座上，該底座粘貼到管子上。利用玻璃漿料或玻璃粉，例如低溫熔融玻璃(通常稱作焊料玻璃)，隨后MEMS芯片可被附連到管子上。該玻璃漿料在被加熱時，利用與MEMS芯片及可選玻璃底座匹配的熱膨脹，形成剛性密封。利用這種結構，安裝框架的熱膨脹不成為問題，這是因為玻璃密封件和其它組件在操作溫度保持壓縮，且由此安裝框架不必從具有與MEMS芯片的熱膨脹系數相類似的材料中選擇。利用這些技術，管子被插入到安裝框架，并被壓縮地密封到安裝框架上以形成氣密密封。在特定的實施例中，低溫熔融玻璃(例如，焊料玻璃)被用于粘合MEMS芯片和硼硅管。該粘合形成與剛性密封相匹配的熱膨脹系數。硼硅與壓力傳感器的安裝框架之間的密封，是在某些實施例中利用壓縮的金屬來形成玻璃密封件實現的。利用玻璃而不是環氧樹脂來保持MEMS部件或硼硅管的一個優點在于，玻璃更加抵抗來自于傳遞壓力的流體的化學沖擊，其部分地由例如乙醇或甲醇的溶劑的滲透所引起。
[0010]一個實施例包括用于測量液體壓力的壓力傳感器裝置。該壓力傳感器裝置具有包括壓力端口安裝框架的幾個組件，該安裝框架具有面對包含有流體的箱的內側，該安裝框架具有背離包含有流體的箱的外側，安裝框架限定從內側延伸到外側的開口，安裝框架在內側具有側壁，管子限定了完全穿過管子延伸的流體管路，該管子定位成使得流體管路及流體管路所穿出的管子的表面區域，可從安裝框架的外側接近。該裝置進一步包括微機電系統(MEMS)傳感器，其在管子的表面區域處被密封到管子，以使得當流體管路填充有來自于包含有流體的箱的流體時，流體擠壓MEMS傳感器和氣密密封件，該氣密密封件通過將管子壓縮地密封到安裝框架的內側的一部分上來形成。歸因于壓縮及匹配的熱系數玻璃密封件，這種傳感器是低成本、小尺寸且穩健的傳感器。而且，該傳感器提供氣密的玻璃密封件以保護MEMS傳感器。該傳感器的應用包括但不限于:液體燃料壓力感測(LFS)、油壓感測(OPS)和雙離合變速器(DCT)液壓感測。根據應用領域，某些應用中的被測壓力范圍大約為0-10巴或0-70巴。
[0011]用于組裝測量流體壓力的壓力傳感器的一種技術包括，提供可附連到包含有流體的箱的壓力端口的安裝框架，安裝框架具有面對包含有流體的箱的內側，安裝框架具有背離包含有流體的箱的外側，安裝框架限定從內側向外側延申的開口，在開口處設置管子，管子限定了完全穿過管子延伸的流體管路，管子定位成使得流體管路及流體管路所穿出的管子的表面區域，可從安裝框架的外側接近，將管子壓縮粘合(也被稱作使管子密封)到安裝框架上，在MEMS傳感器與包含有流體的箱之間形成氣密密封，并將微機電系統(MEMS)傳感器在管子的表面區域處密封到管子，以使得當流體管路填充有來自于包含有流體的箱的流體時，流體擠壓MEMS傳感器。
[0012]此外，盡管本文中的不同特征、技術、結構等等中的每一個都可在本公開的不同位置中討論，但概念中的每一個都可獨立于彼此實施或者彼此聯合實施。因此，本發明可以許多不同的方式實施和考慮。
[0013]注意，本文的該
【發明內容】
部分未詳細說明本公開或所要求保護的發明的所有實施例和/或增值新穎的方面。相反，該
【發明內容】
僅僅提供不同實施例的初步討論及相應的超越傳統技術的新穎之處。對于本發明和實施例的附加細節和/或可能觀點，讀者被指引到下面所進一步討論的本公開的詳細說明部分及相應的附圖。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]由下面附圖中所闡釋的本文的優選實施例的更具體的說明，本發明的前述以及其它目的、特色、及優點將變得顯而易見，其中，在所有不同的視圖中，同樣的附圖標記指代相同的部件。附圖不必按比例，反而重點被放在闡釋實施例、原理和概念上。
[0015]圖1為根據本文的實施例的壓力傳感器的剖面側部透視圖。
[0016]圖2為根據本文的實施例的壓力傳感器的示例組件的透視分解視圖。
[0017]圖3為圖1的壓力傳感器的組件之間的粘合的剖面側視圖。
[0018]圖4為根據本文的實施例的可替換壓力傳感器的剖面側視圖。
【具體實施方式】
[0019]本文所公開的技術包括用于壓力傳感器的系統和方法。本文的壓力傳感器可用于測量諸如空氣、油、水、燃料等等的各種類型的流體媒介。本文的實施例對于測量包括雙離合變速器(DCT)的汽車變速器中的油壓是特別有用的。為了便于闡釋本文的各個實施例，本公開將主要參考與DCT—起使用的傳感器裝置。然而，這種應用為非限定性的，且本文的壓力傳感器也可用于其它領域，尤其用于傳感器的尺寸為重點考慮的領域。在DCT中，在壓力容器(外殼或箱)中儲存壓力以便換檔。隨著每次換檔，壓力可能降低。當壓力降落到特定點之下時，DCT需要被再次加壓以便更好地換檔。
[0020]對于雙離合變速器(DCT)的應用，正如諸如功能性、穩健性和介格的其它方面一樣，相對較小、的壓力傳感器是非常有益的。微機電系統(MEMS)芯片(電路)的固有的較小的空間占用對于獲得縮減尺寸的傳感器是有益的。對于非常小的(2X2mm或更小的)感測元件，重大的挑戰在于設計和制造穩健的組件/包裝。利用MEMS感測元件的傳統壓力傳感器典型地采用與玻璃金屬焊料粘合或者環氧樹脂來將MEMS元件連接到支撐組件。
[0021]已發現，采用焊料玻璃(在大約450°C燃燒)的熱匹配密封件(在大約30%內的CTE)可用于將硼硅管密封到MEMS芯片和金屬安裝框架兩者上。在一個實施例中，如果需要較高的精度，匹配的密封件甚至可以通過引入通用的硼硅底座來制成得更好，該硼硅底座被陽極粘合到MEMS芯片上。
[0022]本文采用的技術利用形成剛性密封件的焊料玻璃粘合來將硼硅管連接到背側暴露的MEMS芯片上或連接到耦連于MEMS芯片的可選附加玻璃底座上。在某些實施例中，相對低廉的硼硅玻璃管或具有管的塊被用作MEMS芯片和壓力端口之間的接口。金屬安裝框架被氣密密封到管子上。安裝框架中的孔使得MEMS芯片突出(或被暴露)，同時安裝框架支撐管子。在這種構造中，管子被壓縮密封到安裝框架上，且這種密封不依賴于環氧樹脂或其它粘合劑的機械特性。這種技術導致壓力傳感器比傳統的壓力傳感器(其具有直接由環氧樹脂附連到端口的MEMS并利用環氧樹脂與安裝框架接觸)更可靠。這種技術的另一個優點在于，壓縮密封可補償管子與安裝框架之間的熱膨脹系數的不匹配。金屬(例如，不銹鋼)或金屬合金安裝框架材料的使用是有利的，這是因為，這種材料的選擇可在壓力點附連位置處與材料對應物或給定的汽車變速器殼體的基板完全匹配。然而，在某些實施例中，密封層可能具有足夠的厚度而影響其它元件。在這種實施例中，密封層的熱膨脹系數可與MEMS芯片、剛性密封件、和管子的熱膨脹系數相匹配。熱膨脹系數被以(百萬分之一 /開爾文度)PPin/K提及。在另一個實施例中，使用中間的陶瓷安裝框架。
[0023]隨著安裝框架被粘合結合到管子上，匹配的玻璃密封可被用于將具有MEMS芯片的可選底座組件粘合到管子上。可替換地，MEMS芯片可被直接粘合到管子上。被匹配的剛性密封件涉及相同的熱膨脹系數值。例如，剛性密封件和管子的熱膨脹系數值彼此在10%的差值內。MEMS芯片還包括在剛性密封件和管子的約30%內的熱膨脹系數值。這是明顯有利的，原因在于傳統的金屬合金底座可具有不同于MEMS芯片的超過50 %或100 %的熱膨脹系數值。
[0024]現在參考圖1，示出了用于測量流體壓力的示例壓力傳感器裝置100的剖面側視圖。壓力端口安裝框架105可附連到包含有流體的箱的壓力端口。包含有流體的箱和相應的壓力端口未示出。包含有流體的箱可以是汽車變速器外殼、流體罐等等。示例的流體可為氣體或包括油的液體。安裝框架105具有面對包含有流體的箱的內部或內側107。當壓力傳感器100安裝到包含有流體的箱上時，安裝框架105具有背離包含有流體的箱(或包含有流體的箱的端口)的外側109。安裝框架105限定了從內側107延伸到外側109的開口 111。如圖1中所示，開口 111被限定為安裝框架105的凹入部分的一部分。注意，這種結構是非限定生的，且開口可與安裝框架105平齊或成一直排，即沒有凹入部分。在可替換的實施例中，安裝框架105可包括在內側107上方延伸的支撐結構件以形成托架或插座或側支架。
[0025]注意，可附連到壓力端口的安裝框架可被直接或間接地附連。例如，壓力傳感器可包括螺紋部分，和/或可被包含在或嵌套在物理上附連到壓力端口或包含有流體的箱的外殼內，同時壓力傳感器組件安裝在外殼內。
[0026]管子120 (也被稱作硼硅管120)定位在開口 111處，且與安裝框架105的一部分內側107相接觸，以使得安裝框架105防止管子120完全穿過開口，就如同從內側107朝向外側109行進。管子120限定了完全穿過管子120延伸的流體管路121。管子120設置成使得流體管路121和流體管路所穿出的管子120的表面區域124可從安裝框架105的外側109接近。管子可由一個或多個具有與包括MEMS芯片132的微機電系統(MEMS)傳感器130的熱膨脹系數相接近的熱膨脹系數的材料形成。通過非限定示例的方式，取決于特定的應用領域，管子120可由玻璃制成以及成形為各種幾何形狀。在示例的附圖中，管子120示出為圓柱形。其它幾何結構是可能的，其仍舊提供足夠的材料來將流體管路121限定成在當管子120與安裝框架105相接觸時延伸穿過開口 111。
[0027]MEMS傳感器130在管子120的表面區域124處附連到管子120，以使得當流體管路121填充有來自于包含有流體的箱的流體(源于內側107)時，流體擠壓MEMS傳感器130。隨著流體擠壓MEMS傳感器130，壓力傳感器100可監測和檢測流體壓力的變化。MEMS傳感器130可利用剛性密封件140附連到管子120上。剛性密封件140包括開口 141 (圖2)，其中流體可穿過該開口并接觸一部分MEMS芯片132。剛性密封件140防止流體逸出到MEMS芯片132的周圍，并防止流體在外側109排出壓力傳感器裝置100，由此防止污染。在一個實施例中，MEMS傳感器130包括MEMS芯片132，其可附連到可選的底座138上。
[0028]管子120具有第一熱膨脹系數，MEMS130傳感器(即，MEMS芯片132)具有第二熱膨脹系數，且剛性密封件140具有第三熱膨脹系數。在一個實施例中，其中，第一、第二及第三熱膨脹系數彼此在大約0.75ppm/K的差值內，由此具有相近的熱膨脹系數。剛性密封件140可由焊料玻璃、共晶粘合、陽極粘合、熔融粘合、或類似的技術來形成。焊料玻璃，也被稱作燒結玻璃，為具有特別低的軟化點(低于550°C)的特種玻璃。它們用于將玻璃接接合到其它玻璃、陶瓷或金屬，而不會熱損害要被接合的材料。為了確保無應力的密封，熱膨脹系數(CTE)需要與MEMS傳感器130緊密匹配。在某些實施例中，如果剛性密封件140較薄，則CTE系數的差值大于0.75。
[0029]利用焊料玻璃(也被稱作燒結玻璃)，可通過將組件加熱到大約450攝氏度來固化剛性密封件140，其遠遠低于MEMS芯片132可承受的最大溫度。焊料玻璃可利用糊狀物和/或配劑或者通過絲網印刷來實施。通過利用硼硅玻璃管120，MEMS傳感器130(即，硅MEMS芯片132)可直接附連到管子120，從而消除對較昂貴的在晶片制造期間熔合在裸片上的可選玻璃底座138的需要。在可替換的實施例中，諸如在具有非常高的精度要求的應用中，融合在裸片上的可選玻璃底座138可用于降低由焊料玻璃與管子120之間的較小的熱膨脹系數的不匹配引起的力。在一個實施例中，剛性密封件具有大約20-80微米的厚度。
[0030]管子120可利用至少兩種方法附連到安裝框架105上。第一種方法采用預成形件來將管子120密封到安裝框架105上。第二種方法將管子120直接密封到安裝框架105上。管子120、MEMS芯片132和剛性密封件140的熱膨脹系數可全部位于熱膨脹系數值的預定范圍內。例如，可將材料選擇成使得各個值的差異可使熱應力最小化以便提高準確度和可靠性。利用這種技術，位于壓緊在管子120上的箱內的流體壓力不會將該壓力傳遞到MEMS芯片，相反，僅僅是穿過管路121的流體壓力在MEMS傳感器10上形成壓力。管子120上的流體壓力由安裝框架105或安裝框架的凸緣所接收，即，該力被傳遞到安裝框架105上。
[0031]在某些實施例中，安裝框架105限定了凹入的開口，S卩，相對于內側107凹入，以使得凹入的開口突出在外側109/上方。安裝框架105可包括接收凸緣114，其在制造后壓縮地保持管子120。在一個實施例中，兩個可選的凸緣127可接觸管子120，以使得流體壓力不能迫使管子120穿過開口 111。注意，可使用其它的物理結構或構造，以使得安裝框架105在機械上防止管子120穿過(完全穿過)開口 111。例如，其它的實施例可具有安裝框架，其具有防止管子通過的逐漸變窄的開口。在另一個實施例中，管子可定位在大體扁平的內側107，安裝框架限定部分圍繞管子120的凸棱或其它的支撐結構，以防止管子120的側向移動。
[0032]在另一個實施例中，硼硅管可包括改進壓縮密封的凸緣或其它的幾何結構。該結構可用于代替安裝框架中的類似的相應的凸緣特征或與其聯合使用。這種特征提供支撐以承受較高的破裂壓力。[0033]在另一個實施例中，凸緣127不需更接觸管子124的頂部，或者根本不使用凸緣。這可降低由安裝框架105引起的、傳遞到MEMS傳感器130的應力，此處，金屬安裝框架在越低的溫度比其它組件收縮的更多。在該實施例中，壓縮密封件不需要凸緣127“突伸”，且該密封件足膨強健以在高達大約200巴的壓力下將管子保持在適當位置。
[0034]在某些實施例中，管子120可包括穿過開口 111突出的部分，以使得MEMS芯片132附連到開口 111的外部。換句話說，MEMS芯片132附連到管子120，以使得MEMS芯片稍微定位在外側109之上。在其它實施例中，如圖1中所示的，管子120不穿過開口 111突出，而是MEMS芯片被至少部分地定位在開口 111內。
[0035]壓力傳感器裝置100也可包括連接到MEMS傳感器130的印刷電路板(PCB) 150，以及將印刷電路板150和相關結構附連到安裝框架105的支撐構件(未示出)。PCB150可用于信號處理，并且可包括實施信號處理的組件。絲焊或連接可將MEMS芯片132電連接到PCB150。安裝框架105可由諸如金屬或金屬合金的金屬材料組成，且可被選擇成與包含有流體的箱的箱材料相匹配。安裝框架105可被構造成附連到汽車變速器，且MEMS傳感器130可被構造成監測汽車變速器內的油壓。MEMS傳感器130和印刷電路板150可被校準以便監測來自于雙離合變速器系統的油壓的變化。
[0036]圖2示出了圖1的組件的分解透視圖。這種分解透視圖可示出示例的裝配設置。本文中所公開的技術可包括一種用于組裝測量流體壓力的壓力傳感器的方法，和一種用于利用這種壓力傳感器測量壓力的方法。示例的裝配方法包括提供可附連到包含有流體的箱的壓力端口的安裝框架105。安裝框架105具有面對包含有流體的箱的內側107。安裝框架105具有背離包含有流體的箱的外側109。安裝框架105限定了從內側197延伸到外側109的開口 111。管子120限定了完全穿過管子120延伸的流體管路121。管子120被定位成使得流體管路121和流體管路穿出的管子121的表面區域124可從安裝框架105的外側109接近。注意，在分解圖中，管子120被裝配在安裝框架105之下，S卩，管子擱置在安裝框架105的內部或面對油的一側，換句話說，被從底部插入。可選擇地，管子120被設置在開口 111處，以使得管子接觸安裝框架105的內側107的一部分凸緣127，以使得安裝框架105防止管子120從內側107到外側109完全穿過開口 111。
[0037]在傳統的壓力傳感器中，MEMS芯片被粘合到底座構件上，粘貼到安裝板的外側的金屬合金需要強力的膠粘劑以保持底座構件不會從安裝框架分離。傳統的壓力傳感器具有與其熱不匹配的組件。
[0038]在管子120被附連到安裝框架105之前或之后，微機電系統(MEMS)芯片130在管子120的表面區域124處被附連到底座138，以使得當流體管路121充滿來自于包含有流體的箱的流體時，流體擠壓MEMS芯片132。壓力傳感器100于是可監測流體壓力以及與控制系統相關的信號的變化，與控制系統相關的信號諸如為向泵提供信號以增大包含有流體的箱內的壓力，或者向閥提供信號以釋放過量的壓力。可利用剛性密封件140來實現將管子120附連到安裝框架105上，其防止流體直接接觸MEMS芯片132以及防止流體排出壓力傳感器100。當利用玻璃焊料、玻璃粉或漿料時，這種粘合過程可在爐內實行。剛性密封件140可包括如上所述的熱膨脹特性。粘合層116被用于在凹入開口 111內壓縮地保持管子120。
[0039]在一個實施例中，管子120為硼硅(例如，Pyrex? )玻璃和低成本焊料玻璃，且密封玻璃預成形件142被用于將管子120粘合到安裝框架105。高溫或中溫密封玻璃(無鉛或少量鉛成分的)連同焊料玻璃一起被用于氣密地將低成本硼硅管120密封到安裝框架105。利用燃燒溫度比硼硅的玻璃轉流點(Tg)低的玻璃預成形件142來壓縮地密封硼硅管120。由于玻璃不會粘在碳上，簡單的碳固定裝置(未示出)用于在燃燒(即，加熱)期間將預成形件保持在適當位置。除了硼硅之外，可使用其它的低膨脹玻璃管。
[0040]在一個實施例中，硼硅管120利用預成形件142被壓縮地密封在安裝框架105內，預成形件包括低膨脹玻璃，例如Ferro7574玻璃，其以高溫(位于600_750°C之間的)的中間值密封，且與硼硅密封得很好。
[0041]取決于所需要的精度及MEMS芯片132上所承受的應力，硼硅底座138，其例如被陽極粘合到MEMS芯片132上，可被省略。可替換地，MEMS芯片132利用焊料玻璃可直接附連到硼硅管120上以形成熱匹配的密封。
[0042]上述的技術在硼硅管120與MEMS芯片132之間形成熱匹配的剛性密封件(位于彼此差值大約30%內的CTE)，其部分的通過利用焊料玻璃來獲得。在一個實施例中，組件的燃燒溫度大約為450°C，其比用于壓縮密封的玻璃預成形件142的燃燒溫度低很多。在一個實施例中，焊料玻璃可利用膏及絲網印刷或者配劑技術施加到MEMS芯片132的頂部扁平表面和/或硼硅管120上。焊料玻璃對類似于乙醇或甲醇的溶劑不可滲透或不敏感，而環氧樹脂可以。由于硼硅管的使用，硅MEMS芯片132可直接附連到管子上，其消除了對于裸片上的可選的且昂貴的玻璃底座138的需要。在高精度需求的情形中，玻璃底座138可選擇地用于降低由焊料玻璃與硅之間的CTE不匹配所引起的力。
[0043]材料可被選擇成使得MEMS芯片132與硼硅管120CTE差值約小于075ppm/ (度)K。例如，在一個實施例中，硼硅管120為具有約3.25CTE的Pyrex? 7740硼硅管，焊料玻璃和MEMS芯片CTE約為2.5。在該示例中，組件之間的最大CTE差值約為.75ppm/K或約為30%。
[0044]作為比較，在傳統的裝置中，合金42具有約為4.9ppm/K的CTE，而如Kovar的更加昂貴的金屬具有約為4.5ppm/K的CTE，這提供分別約為2.4ppm/K和2ppm/K的MEMS2.5CTE的差值，和約為96%和80%的百分比差值。當密封層的厚度超過200um時，密封件的CTE是一個因素。利用較厚的密封層，剛性密封件140的CTE值約為3.0ppm/K。當利用底座時，MEMS芯片132、剛性密封件140及硼硅管120的CTE值應具有2.0ppm/K的最大差值。
[0045]在一個實施例中，硼硅生坯狀態預成形件用于壓縮地密封到安裝框架上。用于安裝框架的材料包括但不限于:陶瓷或金屬(例如，Kovar、Invar或合金42)。利用生還狀態預成形件與利用燒結的預成形件相比的一個優點在于，可消除特定處理步驟(例如，幾個燒結燃燒的步驟)，或者步驟可被合并成一個爐曲線(oven profile)。
[0046]現在參考圖3，圖1的壓力傳感器的組件之間的粘合層116包括焊料玻璃層310，設置為鄰近于一部分硼硅管120和安裝框架側壁105的一部分凸緣。玻璃預成形件142最初放置在安裝框架105與硼硅管120之間，并且利用固定裝置(例如，碳固定裝置)保持在適當位置。在燃燒期間，固定裝置防止玻璃流出安裝框架105與硼硅管120之間的空間。可替換地，焊料玻璃的涂層可被施加到硼硅管120和安裝框架105中的每一個上。在某些實施例中，剛性密封件140和粘合層116的形成(壓縮密封件)可通過利用相同的或類似的玻璃成分來在相同的爐步驟(oven step)中實現。[0047]在其它的實施例中，較低的CTE焊料玻璃可被用于粘合層130，然而在這些實施例中，安裝框架105的幾何結構和/或成分被調整以便將壓縮力保持在預定的目標區域內從而避免過分的壓縮。在某些實施例中，預成形件的使用優選為避免由陷入在漿料或粉中的粘合劑而引起的捕獲玻璃氣泡。
[0048]現在參考圖4，示出了類似于圖1的傳感器100的壓力傳感器100’。在該實施例中，硼硅管120，包括燒結的或生坯狀態的預成形件。在該實施例中，硼硅管120’與金屬安裝框架105之間的低成本連接在燃燒期間形成。在大約800°C的溫度處，玻璃硼硅管120’軟化并且氣密密封件/壓縮密封件410被形成在部分安裝框架105與硼硅管120’之間。當組件被冷卻時，硼硅管120’固化，且安裝框架，此處為(具有約為11的CTE)不銹鋼的較大的的熱膨脹系數(CTE)確保了硼硅管120’的壓縮。此處在固化的硼硅管120’與安裝框架105之間不具有額外的玻璃層。
[0049]在某些實施例中，安裝框架105包括分別具有約為4.9和4.5的CTE的合金42或Kovar。換句話說，管子被壓縮地密封到安裝框架上，這是因為管子的熱膨脹系數低于安裝框架。處于壓縮的玻璃密封件的一個益處在于高度抗裂紋的形成。
[0050]在燃燒(即，使裝配的硼硅管120’和安裝框架105加熱到高于硼硅管120的玻璃轉化溫度的溫度)期間，硼硅管120’的形狀和流體管路121由碳固定裝置(未示出)保持。碳固定裝置確保管路121不閉合。高燃燒溫度和安裝框架105與硼硅管120’的熱膨脹系數的差異形成了壓縮玻璃密封件。在一個實施例中，可使用如AISI430或低成本鍍鎳碳鋼的鋼，但是如果需要較低的壓縮水平，可使用金屬合金42 (CTE4.9ppm/K)或如Kovar (CET4.5ppm/K)的更加昂貴的金屬。在一個實施例中，壓縮密封件410約為
0.1-0.3mm。
[0051]本領域技術人員還將理解，存在對上述技術的操作的多種變型，而仍舊能獲得與本發明相同的目的。這種變型意欲由本發明的范圍所覆蓋。這樣，本發明的實施例的前述說明不意欲為限定性的。更確切地說，對于本發明的實施例的任何限制在隨后的權利要求中提出。
【權利要求】
1.一種壓力傳感器裝置，所述壓力傳感器裝置能附連到包含有流體的箱的壓力端口以用于測量流體壓力，所述壓力傳感器裝置包括: 壓力端口安裝框架，所述安裝框架具有面對包含有流體的箱的內側，所述安裝框架具有背離包含有流體的箱的外側，所述安裝框架限定從內側延伸到外側的開口，所述安裝框架在內側上具有側壁； 管子，所述管子限定完全穿過管子延伸的流體管路，所述管子定位成使得能夠從安裝框架的外側接近流體管路和流體管路穿出的管子的表面區域； 微機電系統(MEMS)傳感器，所述MEMS傳感器在管子的表面區域密封到管子，以使得當流體管路填充有來自于包含有流體的箱的流體時，流體擠壓MEMS傳感器；以及 氣密密封件，所述氣密密封件通過將管子壓縮地密封到安裝框架的內側的一部分上而形成。
2.根據權利要求1的壓力傳感器裝置，進一步包括設置在一部分MEMS傳感器與鄰近MEMS傳感器的一部分管子之間的剛性密封件，其中，剛性密封件具有開口，以使得流體接觸MEMS傳感器的一部分，并且剛性密封件防止流體從壓力傳感器排出。
3.根據權利要求2的壓力傳感器裝置，其中，剛性密封件包括焊料玻璃。
4.根據權利要求3的壓力傳感器裝置，其中，管子具有第一熱膨脹系數，MEMS傳感器具有第二熱膨脹系數，且剛性密封件具有第三熱膨脹系數；以及 其中，第一、第二及第三熱膨脹系數彼此差值在大約0.75mmp/K內。
5.根據權利要求4的壓力傳感器裝置，其中，氣密密封件具有第四熱膨脹系數；以及 其中，第一、第二、第三及第四熱膨脹系數彼此差值在大約0.75mmp/K內。
6.根據權利要求3的壓力傳感器裝置，其中，MEMS傳感器包括: 粘合到底座上的MEMS芯片，粘合選自于以下構成的組: 焊料玻璃粘合； 共晶粘合； 熔融粘合；以及 陽極粘合；且 其中，底座利用剛性密封件附連到管子。
7.根據權利要求1的壓力傳感器裝置，進一步包括設置在一部分管子與一部分安裝框架側壁之間的熔融的玻璃層。
8.根據權利要求1的壓力傳感器裝置，進一步包括設置在一部分管子與一部分安裝框架側壁之間的粘合層，所述粘合層包括設置在所述一部分管子與所述一部分安裝框架側壁之間的熱處理過的焊料玻璃預成形層。
9.根據權利要求8的壓力傳感器裝置，其中，管子具有第一熱膨脹系數，MEMS傳感器具有第二熱膨脹系數，而焊料玻璃具有第三熱膨脹系數，且 其中，第一、第二和第三熱膨脹系數彼此差值在大約0.75mmp/K內。
10.根據權利要 求1的壓力傳感器裝置，進一步包括設置在一部分管子與一部分安裝框架側壁之間的粘合層，所述粘合層包括: 設置在所述一部分管子與所述一部分安裝框架側壁之間的熱處理過的玻璃粉漿料層。
11.根據權利要求1的壓力傳感器裝置，其中，管子由玻璃構成。
12.根據權利要求11的壓力傳感器裝置，其中，玻璃管由硼硅玻璃構成。
13.根據權利要求1的壓力傳感器裝置，其進一步包括: 連接到MEMS芯片的印刷電路板；以及 將印刷電路板附連到安裝框架的支撐構件。
14.根據權利要求13的壓力傳感器裝置，其中，安裝框架由金屬材料構成。
15.根據權利要求14的壓力傳感器裝置，其中，安裝框架構造成附連到汽車變速器上，MEMS傳感器構造成監測汽車變速器內的油壓。
16.根據權利要求14的壓力傳感器裝置，其中，MEMS傳感器被校準以監測雙離合變速器系統的油壓變化。
17.根據權利要求1的壓力傳感器裝置，其中，安裝框架進一步包括位于安裝框架的內側上的凸緣，并且一部分管子被定位在所述開口處并與一部分凸緣相接觸。
18.一種用于裝配測量流體壓力的壓力傳感器的方法，所述方法包括: 提供能附連到包含有流體的箱的壓力端口的安裝框架，所述安裝框架具有面對包含有流體的箱的內側，所述安裝框架具有背離包含有流體的箱的外側，所述安裝框架限定從內側延伸到外側的開口； 將管子設置在所述開口處，所述管子限定完全穿過管子延伸的流體管路，所述管子定位成使得能夠從安裝框架的外側接近流體管路和流體管路穿出的管子的表面區域； 將管子壓縮地密封到安裝框架上，以在MEMS傳感器與包含有流體的箱之間形成氣密常封件；以及 在管子的表面區域處將微機電系統(MEMS)傳感器密封到管子上，以使得當流體管路填充有來自于包含有流體的箱的流體時，流體擠壓MEMS傳感器。
19.根據權利要求18的方法，其中，安裝框架進一步包括位于安裝框架的內側上的凸緣，且所述方法進一步包括將一部分管子與一部分凸緣相接觸地定位在所述開口處。
20.根據權利要求18的方法，其中，將管子壓縮地粘合到安裝框架上的步驟進一步包括將已裝配的管子和安裝框架加熱到高于管子的玻璃轉化溫度的溫度；以及， 管子的熱膨脹系數低于安裝框架的熱膨脹系數。
21.根據權利要求20的方法，其中，將MEMS傳感器密封到管子的步驟進一步包括: 形成設置在一部分MEMS傳感器與鄰近MEMS傳感器的一部分管子之間的剛性密封件，其中，所述剛性密封件具有開口，以使得流體接觸一部分MEMS傳感器，且剛性密封件防止流體排出壓力傳感器； 其中，管子具有第一熱膨脹系數，MEMS傳感器具有第二熱膨脹系數，且剛性密封件具有第三熱膨脹系數；以及 其中，第一、 第二和第三熱膨脹系數彼此差值在大約0.75mmp/K內。
22.根據權利要求18的方法，其中，將管子壓縮地密封到安裝框架上的步驟進一步包括: 在管子與安裝框架之間放置壓縮密封件，以及 將所裝配的管子、安裝框架和壓縮密封件加熱到高于預成形件的熔點的溫度。
23.根據權利要求22的方法，進一步包括，利用焊料玻璃預成形件將MEMS傳感器附連到管子上，以在加熱之前形成剛性密封件。
24.根據權利要求23的方法，其中，管子具有第一熱膨脹系數，MEMS芯片具有第二熱膨脹系數，而剛性密封件具有第三熱膨脹系數；以及 其中，第一、第二及第三熱膨脹系數彼此差值在大約0.75mmp/K內。
25.根據權利要求22的方法，其中，壓縮密封件為下列的其中一個: 燒結的玻璃預成形件； 生坯狀態的預成形件；以及 玻璃粉漿料。
26.根據權利要求22的方法，其中，MEMS傳感器包括: 粘合到底座上的MEMS芯片，粘合選自由焊料玻璃粘合和陽極粘合構成的組中；以及 利用剛性密封件將底座附`連到管子上。
【文檔編號】G01L11/00GK103674408SQ201310582378
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月13日 優先權日:2012年9月14日
【發明者】E·霍普, G·克拉斯, R·斯萊克霍斯特, W·霍普曼, A·范登博斯 申請人:森薩塔科技公司
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