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專利名稱：壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，其中具有應變片的半導體基板固定在金屬桿的隔膜片表面上。該壓力傳感器通過由應變片將隔膜片的彎曲量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑏頇z測壓力。例如，該壓力傳感器適用于檢測車輛的相關裝置的壓力。
背景技術：
一種壓力傳感器包括金屬桿，其具有用于檢測壓力的隔膜片；半導體基板，其連接在隔膜片的表面上；和應變片，其用于將形成在半導體基板上的隔膜片的彎曲量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?例如參見JP-B2-7-11461，其對應于USP 4,986,861和USP 4,840,067)。
在壓力傳感器中，彎曲部分的厚度由隔膜片的厚度和半導體基板的厚度構成。在這種情況下，為了增加傳感器的靈敏度，需要隔膜片和半導體基板都較薄一些。然而，當半導體基板較薄時，會大大損壞半導體基板的強度。
而且，當應變片由擴散電阻器(使用半導體工藝形成)構成時，應變片的電絕緣通常通過PN結實現(xiàn)。在這種情況下，高溫時在PN結部分處會發(fā)生漏電，從而在高溫環(huán)境中很難精確地檢測壓力。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種壓力傳感器，其提高了靈敏度，且可精確地檢測相關裝置的壓力。
根據(jù)本發(fā)明，壓力傳感器包括金屬桿，其具有根據(jù)施加的壓力而變形的隔膜片；半導體基板，其連接在隔膜片的表面上；和多個應變片，其形成在半導體基板的第一半導體層的預定區(qū)域，用于將隔膜片的彎曲量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?br> 在該壓力傳感器中，半導體基板是疊層結構，其中絕緣層插入在第一和第二半導體層之間；并且，應變片具有這樣的圖案形狀，所述圖案形狀彼此之間被溝槽絕緣且間隔開，其中每個溝槽都從第一半導體層的表面延伸到絕緣層。半導體基板具有凹槽部分，其從第二半導體層的表面凹向絕緣層，且被設置在與預定位置相對應的位置處。而且，隔膜片插入在凹槽部分中，且所述絕緣層在凹槽部分中被連接在隔膜片的表面上。
在該壓力傳感器中，用于檢測壓力的彎曲厚度部分由金屬桿的隔膜片的厚度部分和絕緣層的厚度部分構成。因此，可提高壓力傳感器的靈敏度，且通過使用形成在第一半導體上的應變片可精確地檢測相關裝置中的壓力。例如，壓力傳感器可檢測燃油壓力或制動壓力。
例如，半導體基板是SOI基板，其中第一和第二半導體層都由硅制成，絕緣層由二氧化硅薄膜制成。此外，絕緣層在凹槽部分中通過玻璃材料被粘結到隔膜片的表面上所述隔膜片可在與半導體基板的凹槽部分相對應的位置處具有突出部分。在這種情況下，所述隔膜片的突出部分插入在凹槽部分中，且在凹槽部分中連接在絕緣層上。
可選擇地，在半導體基板范圍內(nèi)的凹槽部分中，僅有絕緣層連接在隔膜片上。
舉例說明，所述凹槽部分由絕緣層和第二半導體層限定，以具有從絕緣層到第二半導體層的表面逐漸擴大的梯形橫截面形狀。在這種情況下，所述隔膜片具有與凹槽部分形狀相對應的突出部分，且所述半導體基板的絕緣層在凹槽部分中連接到突出部分的表面上。因此，可簡化壓力傳感器的結構。
而且，所述金屬桿具有一壁面，其從隔膜片向外延伸，且面向第二半導體層的表面，并且所述第二半導體層的表面在凹槽部分外側(cè)連接在金屬桿的壁面上。因此，即使在半導體基板中設置有凹槽部分，也可以有效地提高半導體基板的強度。


從下面結合附圖的優(yōu)選實施例的詳細說明，可以很明顯地看出本發(fā)明上述和其他目的、特征和優(yōu)點，其中圖1是表示根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的壓力傳感器的示意截面圖；圖2是圖1所示壓力傳感器的半導體基板的示意平面圖；圖3A-圖3D是表示制造半導體基板方法的示意截面圖；以及圖4是表示根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施例的壓力傳感器的示意截面圖。
具體實施例方式
(第一實施例)
圖1表示了壓力傳感器100，并且是沿圖2中I-I線的截面圖。舉例說明，壓力傳感器100可以連接在相關裝置上，例如連接在車輛噴射系統(tǒng)(例如共軌噴射系統(tǒng))的燃油管上。在這種情況下，壓力傳感器100檢測燃油管中的液體燃料或氣一液混合燃料(其作為壓力介質(zhì))的壓力。
壓力傳感器100包括金屬桿10，其具有隔膜片11，用于檢測壓力；半導體基板20，其連接在金屬桿10中的隔膜片11的表面上；和應變片24，用于將隔膜片11的彎曲(變形)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?br> 例如金屬桿10由鐵-鎳-鈷合金制成，且具有小熱膨脹系數(shù)。金屬桿10成形為中空圓柱體，且具有封閉的端部，如圖1所示。金屬桿10在封閉端部(圖1所示的頂端)具有隔膜片11(其成形為一薄壁區(qū)段)，且在另一端具有開口部分12。
由于高壓作用在金屬桿10上，金屬桿10的材料通常需要具有高強度。而且，因為由例如硅的半導體材料制成的半導體基板20通過玻璃30連接在金屬桿10上，所以需要使用具有低熱膨脹系數(shù)的材料來制造金屬桿10。例如使用鐵、鎳、鈷合金或鐵、鎳合金作為金屬桿10的主要材料，并在主要材料中添加鈦、鈮、鋁或鈦、鈮來作為沉積強化材料(deposition strengthening material)。金屬桿10通過壓制、切割或冷鍛等方法成形。
半導體基板20通過電絕緣的粘結材料連接在金屬桿10的隔膜片11的表面上。舉例說明，在該實施例中，半導體基板20通過具有低熔點的玻璃30粘結在金屬桿10的隔膜片11表面。
在這個實施例中，半導體基板20為疊層結構，其中絕緣層23插入在第一半導體層21和第一半導體層22之間。半導體基板20由絕緣體上硅(SOI)的基板構成，其中第一半導體層21和第二半導體層22由硅制成，絕緣體層23由二氧化硅薄膜制成。
如圖1所示，第一半導體層21作為P型表面硅層，且厚度大約為10μm。第二半導體層22作為基板硅層，且厚度大約為500μm。硅層21、22粘結在由二氧化硅薄膜形成的絕緣層23的兩個表面上。
如圖1和2所示，應變片24形成在半導體基板20的第一半導體層21上。應變片24彼此之間被溝槽25絕緣且間隔開，其中該溝槽25一直從第一半導體層21的表面形成到絕緣層23上。
而且，如圖2所示，應變片24相互電連接，以形成一橋接電路，所述橋接電路將對應于隔膜片11變形的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?br> 舉例說明，每個都具有折疊形狀的四個應變片24相互電連接，以形成一橋接電路(惠斯通電橋)。
配線部分26彼此之間被溝槽25分隔開，且形成在第一半導體基板21上。配線部分26分別與應變片24電連接。用于與外界相連的連接墊27形成在每個配線部分26上。例如可通過噴涂鋁材料來形成連接墊27。接合線連接在該連接墊27上。
在半導體基板20的另一側(cè)設置有凹槽部分28。該凹槽部分28至少在某一位置形成在第二半導體層22上，所述位置對應于形成應變片24的區(qū)域。如圖1所示，凹槽部分28從第二半導體層22的表面(其與第一半導體層21相反)凹向絕緣層23。應變片24設置在凹槽部分28上方的位置。舉例說明，應變片24設置在凹槽部分28的底部(絕緣部分23)的區(qū)域內(nèi)。
如圖1所示，金屬桿10的隔膜片11插入在凹槽部分28內(nèi)，使得形成凹槽部分28的表面(底部表面)的絕緣層23被粘結在隔膜片表面上。舉例說明，形成凹槽部分28的表面的絕緣層23和隔膜片11的表面，通過具有低熔點的玻璃30粘結在一起。因此，在半導體基板20中，限定了凹槽部分28的絕緣層23部分就會根據(jù)隔膜片11的變形而彎曲。
在金屬桿10中，隔膜片11具有突出部分11a，其與半導體基板20中的凹槽部分28相對應。隔膜片11的突出部分11a插入到凹槽部分28中，以在凹槽部分28中被粘結絕緣層23上。
下面將要說明制造半導體基板20的方法。通過半導體工藝將半導體基板制造成晶片狀態(tài)，然后通過使用分塊切割機分割成芯片單元。
雖然在圖3A一3D中示出的是晶片狀態(tài)的加工方法，但是其參考標記與圖1、2中示出的半導體基板20的結構元件的標記相同。
如圖3A所示，制備具有SOI基板結構的半導體晶片，來成形半導體基板20。在半導體晶片中，第一半導體層21和第二半導體層22被粘結在絕緣層23的兩個表面上，其中該絕緣層23是二氧化硅薄膜。也就是說，第一和第二半導體層21、22通過絕緣層23彼此粘結。
然后，如圖3B所示，使用薄膜成形方法(例如噴涂)在第一半導體層21的表面上形成墊27。墊27用于實現(xiàn)與外界電連接。例如，可通過引線接合來實現(xiàn)與外界的電連接。
然后，如圖3C所示，通過干法刻蝕(dry etching)來將從第一半導體層21的表面延伸到絕緣層23的溝槽25形成在第一半導體層21上。從而，形成了應變片24和配線部分26，其具有被溝槽25間隔開的圖案。
此外，如圖3D所示，通過刻蝕第二半導體層22來成形出從第二半導體層22的表面凹向絕緣層23的凹槽部分28。例如，使用干法刻蝕或氫氧化鉀(KOH)溶液的各向異性刻蝕(anisotropicetching)來處理第二半導體層22，以形成凹槽部分28。
在圖2所示的實例中，具有正方平面形狀的凹槽部分28通過使用氫氧化鉀(KOH)溶液的各向異性刻蝕來形成。然而，可以使用干法刻蝕成形出具有圓形平面形狀的凹槽部分28。此外，凹槽部分28可成形為梯形截面形狀，所述梯形截面從絕緣層23到第二半導體層22逐漸擴大，如圖3D所示。
然后，將半導體晶片切割成芯片單元，以成形出壓力傳感器100的半導體基板20。
相對照地，金屬桿10通過壓制、切割或冷鍛成形。通過上述方式成形的半導體基板20通過玻璃粘結劑粘結到金屬桿10的隔膜片11表面上。因此，半導體基板20就通過玻璃30連接在金屬桿10的隔膜片11表面上。在半導體基板20的凹槽部分28中，由于隔膜片11的表面與由二氧化硅薄膜制成的絕緣層23粘結在一起，所以可以實現(xiàn)與玻璃30的牢固連接。
通過上述方式制成的壓力傳感器100可以連接在燃油管路上，這樣金屬桿10的開口部分12就與燃油管的內(nèi)部相通。在這種情況下，燃油管中的壓力介質(zhì)從金屬桿10的開口部分12作用于金屬桿10的內(nèi)側(cè)。因此，燃油管中的壓力就作用于隔膜片11與半導體基板20相反的表面上。從而，隔膜片11和絕緣層23都根據(jù)所作用的壓力彎曲(變形)；并且，由于隔膜片和絕緣層23的彎曲(變形)，位于隔膜片11表面上方的應變片24也彎曲(變形)。
利用壓電電阻效應，應變片24根據(jù)應變程度改變其電阻值。應變片24的電阻值作為電信號被檢測，以檢測燃油管內(nèi)部的壓力。
例如，預定電壓作用于由應變片24構成的橋接電路上。在這種情況下，橋接電路的電阻平衡會根據(jù)隔膜片11的彎曲(變形)而改變，而且橋接電路的輸出電壓也改變了。因此，輸出電壓的改變可作為電信號被檢測。
在該實施例中，壓力傳感器100包括金屬桿10，其具有用于檢測壓力的隔膜片11；半導體基板20，其連接在金屬桿10的隔膜片11表面；和應變片24，其用于將隔膜片11的彎曲轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴０雽w基板20為疊層結構，其中絕緣層23插入在第一半導體層21和第二半導體層22之間。
應變片24形成在半導體基板20的第一半導體層21上，且應變片24彼此之間被溝槽25絕緣且間隔開，其中該溝槽25一直從第一半導體層21的表面延伸至絕緣層23。此外，從第二半導體層22的表面凹向絕緣層23的凹槽部分28，形成在第二半導體層22的某一位置上，該位置對應于形成有應變片24的區(qū)域。另外，隔膜片11插入在凹槽部分28內(nèi)，這樣形成凹槽部分28底部表面的絕緣層23就連接到隔膜片11的表面上。舉例說明，形成凹槽部分28底部表面的絕緣層23，通過例如玻璃30的粘結材料被粘結在隔膜片11的表面上。
相應地，在壓力傳感器100中，彎曲厚度部分由金屬桿10的隔膜片11的厚度部分和半導體基板20的絕緣層23的厚度部分構成。所以，通過使用形成在隔膜片11和彎曲絕緣層23上方的應變片24，可以很容易地精確檢測壓力。
在這個實施例中，半導體基板20中的彎曲厚度部分變薄成僅僅是絕緣層23的厚度。因此，可以有效地提高壓力傳感器100的壓力靈敏度。
通過使用壓電電阻效應，應變片24由第一半導體層21構成。此外，由于應變片24彼此被溝槽25間隔，所以應變片24在絕緣層23上彼此絕緣。因此，不需要使用PN結來絕緣和彼此間隔開應變片24。所以，可以防止壓力傳感器100在高溫時漏電，并且使用壓力傳感器100可以精確地檢測相關裝置的壓力。
在上述實施例中，半導體基板20是SOI基板，其中第一和第二半導體層21和22都由硅制成，且絕緣層23由二氧化硅薄膜制成。然而，只有當絕緣層23插入第一和第二半導體層21和22兩者之間時，才可以適當?shù)馗淖儼雽w基板20的結構。
此外，在上述實施例中，舉例說明，形成凹槽部分28底部表面的絕緣層23通過玻璃粘結劑(玻璃30)連接在隔膜片11的表面上。然而，絕緣層23與隔膜片11表面的連接不限于玻璃粘結劑(玻璃30)。
在上述實施例的壓力傳感器100中，隔膜片11具有突出部分11a，其在對應半導體基板20的凹槽部分28的位置處突伸出。而且，隔膜片11的突出部分11a插入在凹槽部分28內(nèi)，且連接在絕緣層23上。因此，隔膜片11的梢表面可以很容易地連接在半導體基板20上。
在這個實施例中，半導體基板20中的彎曲部分的厚度可以大致減少至絕緣層23的厚度。然而，半導體基板20圍繞凹槽部分28的其他部分具有足夠的厚度，其包括第二半導體層22的厚度。因此，可以充分地保持半導體基板20的強度。如圖1所示，金屬桿10具有從隔膜片11向外延伸的壁面，該壁面面向第二半導體層22的表面；在凹槽部分28的外側(cè)，第二半導體層22的表面連接在金屬桿10的壁面上。
(第二實施例)下面參考附圖4說明本發(fā)明的第二實施例。在第二實施例中，如圖4所示，金屬桿10中的隔膜片11的外徑小于凹槽部分28底部的直徑。
舉例說明，如圖4所示，金屬桿10的整個外徑小于半導體基板20的凹槽部分28的底部(絕緣層23)直徑。在這種情況下，隔膜片11全部地插入在凹槽部分28內(nèi)，且很容易地連接在絕緣層23上。
根據(jù)第二實施例，隔膜片11的表面可以很容易地連接到半導體基板20上，并且由于金屬桿10的形狀簡單，所以可以很容易地成形出金屬桿10。
(其他實施例)雖然結合附圖和一些優(yōu)選實施例說明了本發(fā)明，但是需要指出的是，本領域技術人員可以很容易地想到各種變形和改進。
例如，圖2所示的應變片24的形狀是一個實例，可以適當?shù)馗淖兤湫螤睢４送猓趫D2所示的實例中，除了應變片24之外，還可以在半導體基板20上設置用于檢測溫度的電阻元件。
此外，金屬桿10的形狀可以適當?shù)馗淖儯灰饘贄U10的隔膜片11的表面能夠在凹槽部分28中連接到半導體基板20上即可。
雖然參考優(yōu)選實施例說明了本發(fā)明，但是可以理解本發(fā)明不限于所述的實施例。本發(fā)明覆蓋各種變形和等同的布置。另外，雖然優(yōu)選實施例的各種元件具有各種組合和結構(只是舉例)，但是其他的組合和結構(多于、少于或只有單一元件)也在本發(fā)明的構思和范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種壓力傳感器，包括金屬桿(10)，其具有根據(jù)施加的壓力而變形的隔膜片(11)；半導體基板(20)，其連接在隔膜片的表面上，所述半導體基板是疊層結構，且其中絕緣層(23)插入在第一和第二半導體層(21、22)之間；以及多個應變片(24)，其形成在半導體基板的第一半導體層的預定區(qū)域，用于將隔膜片的彎曲轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺涮卣髟谟谒鰬兤哂羞@樣的圖案形狀，所述圖案形狀彼此之間被溝槽(25)絕緣且間隔開，其中每個溝槽都從第一半導體層的表面延伸到絕緣層；所述半導體基板具有凹槽部分(28)，其從第二半導體層的表面凹向絕緣層(23)，且被設置在對應于預定區(qū)域的位置處；以及所述隔膜片插入在凹槽部分中，且所述絕緣層在凹槽部分中連接在隔膜片的表面上。
2.根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于所述半導體基板是SOI基板，其中第一和第二半導體層都由硅制成，絕緣層由二氧化硅薄膜制成。
3.根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于所述絕緣層在凹槽部分中通過玻璃材料(30)粘結到隔膜片的表面上。
4.根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于所述隔膜片在對應于半導體基板的凹槽部分的位置處具有突出部分(11a)；以及所述隔膜片的突出部分插入在凹槽部分中，且在凹槽部分中連接在絕緣層上。
5.根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于在半導體基板范圍內(nèi)的凹槽部分中，僅有絕緣層連接在隔膜片上。
6.根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于所述凹槽部分由絕緣層和第二半導體層限定，以具有從絕緣層到第二半導體層的表面逐漸擴大的梯形橫截面形狀；以及所述隔膜片具有與凹槽部分形狀相對應的突出部分，且所述半導體基板的絕緣層在凹槽部分中連接到突出部分的表面上。
7.根據(jù)權利要求6所述的壓力傳感器，其特征在于所述金屬桿具有一壁面，其從隔膜片向外延伸，且面向第二半導體層的表面；以及所述第二半導體層的表面在凹槽部分外側(cè)連接在金屬桿的壁面上。
8.根據(jù)權利要求1-7中任一所述的壓力傳感器，其特征在于所述金屬桿為中空形狀，且具有在與隔膜片相反的端部處打開的開口；以及壓力介質(zhì)通過金屬桿的開口作用于在隔膜片上。
全文摘要
一種壓力傳感器，包括金屬桿(10)，其具有根據(jù)施加的壓力而變形的隔膜片(11)；以及半導體基板(20)，其中絕緣層(23)插入在第一和第二半導體層(21、22)之間。多個應變片(24)形成在半導體基板的第一半導體層的預定區(qū)域，用于將隔膜片的彎曲轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴Ｔ谠搲毫鞲衅髦校鰬兤哂羞@樣的圖案形狀，所述圖案形狀彼此之間被溝槽(25)絕緣且間隔開，其中每個溝槽都從第一半導體層的表面延伸到絕緣層。此外，所述半導體基板具有凹槽部分(28)，其從第二半導體層的表面凹向絕緣層，且被設置在對應于預定區(qū)域的位置處。所述隔膜片插入在凹槽部分中，且所述絕緣層在凹槽部分中連接在隔膜片的表面上。
文檔編號G01L9/04GK1715854SQ200510081079
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月29日 優(yōu)先權日2004年6月29日
發(fā)明者豐田稻男 申請人:株式會社電裝