专利名称:电容压力传感器的制作方法本发明涉及微型电容压力传感器，它利用安装在一个半导体膜片上的电介质，形成一个应力隔离及压力媒质隔离的传感器。该电介层有一块面向膜片的金属化的电容器极板，以及一个在电介层中的金属化孔，它保证了膜片检测腔的排气并在密封后提供馈电通路。本发明的另一方面是为压力媒质隔离传感器提供一种阻尼作用，以便用机械办法减少输出数字取样电路中的假信号并具备利用成批生产技术的特点。使用硅膜片的电容压力传感器在一篇题目为“微型硅电容绝对压力传感器”(M.E.Behr等，I.Mech E.1981)的文章中描述过。该文描述了一个用来形成膜片的硅晶片。晶片安装在一个玻璃基片上，在玻璃中有一个金属化层，形成一个面向膜片并与膜片隔开的电容器电极或称极板。通过穿过玻璃的孔道中的金属化层形成对膜片和电容器极板的电联接。然而，带有电引线馈通和用来从膜片构成的小腔排气的孔道的问题以及能以批量生产工艺制造传感器的问题依然存在，再者，这种传感器的应力隔离(使膜片与外界应力隔离)是一个问题。在一篇题目为“Senser IC′sProcessins，Materials Open Factory Doors”的文章(Frank Goodenough;Electrical Design，1985.4.18，131-148页)中给出了对制作集成电路传感器的现有技术的评论。在采用诸如硅或其它半导体刚性材料的微型电容压力传感器中出现的另一个问题是膜片的频率响应相当高，并且当使用数字取样电路时，膜片的响应频率变得太高而不能在用于检测电容值的取样间隔内进行分析。这种取样电路通过以固定时间间隔对电容输出信号取样，产生由电容检测电路发出的输出信号。硅膜片的频率响应高得足以需要在数据被取样之前进行阻尼衰减或低通滤波，以防止由接近或高于取样频率的噪声信号产生的混淆错误。最好是引入检测元件的机械阻尼，但是当采用已知结构时，这对于只具有很小体积空间的微型固体传感器来说是一个相当大的问题。本发明涉及微型电容压力传感器，它最好由安装在金属化介电层上的半导体膜片构成，以便能够成批生产传感器。一个膜片和一相对的金属化层构成电容器极板，当膜片在压力下挠曲时，极板间的电容量改变。介电层包含金属化的通孔，该通孔将电容器极板电联接到介电层的另一侧的另一金属化层上。孔中的金属化层构成线路的引线，并且该孔保证从该膜片和在该介电层上形成的电容器极板之间的空腔排气。在成批生产工艺中该孔可以被覆盖和密封，而另一金属化层露出并用来附接引线。本发明的典型例子是一个具有最好用诸如硼硅酸(Pyrex)玻璃的介电玻璃作的基片或衬底的压力传感器。在较佳形式中，对一块P型硅晶片在多处所要求的位置上从其两面进行蚀刻。在晶片的一面上蚀刻较深，以形成检测膜片(即隔膜)，在晶片的另一个面上正对膜片位置的地方进行较浅的蚀刻以形成检测腔。晶片在第一个面(与检测腔相反的一面)上金属化并退火，以便在该金属层与硅之间形成欧姆接触。在一个玻璃园片上制成小孔，该孔位置正对硅检测膜的中心，然后在此园片的两个面上(包括在小孔中)金属化。在一个面上金属层用掩膜遮蔽，以形成分离的电容器极板，每一极板以一个孔为中心，这样，构成电容器极板的金属层将与在硅晶片上形成的膜片相互对中。然后玻璃园片成薄层按适当位置安放在硅晶片上，使得玻璃圆片上面对硅晶片一面的金属化层恰当地置于硅晶片上的膜片位置上。在玻璃圆片上形成的电容器极板与硅晶片是电绝缘的，但是在所制成的各个电容器极板中心处的玻璃中的每个孔内的金属化使玻璃上的电容器极板与玻璃圆片相反一侧上的金属化层相互电联通。硅晶片和玻璃圆片在环绕每一膜片的区域上粘接，在膜片区形成数微米的间隙。玻璃圆片与硅晶片之间的间隙形成一个腔室，腔室在围绕其周边处密封但是通过金属化孔向外部开口。这样，玻璃圆片或薄层及硅晶片的组件可以用来构成一个绝对压力传感器，并且当如此应用时，该组件与第三个和第四个晶片或圆片同心装配。复盖在上述第一个玻璃圆片上的第三个圆片或薄层既可以是玻璃的也可以是硅的，并且在面对第一个玻璃圆片的表面上形成有凸台。凸台位于复盖和密封上述第一个玻璃圆片中的孔的位置上，玻璃圆片在该区域内有金属层。当圆片组件置于真空环境中，第三圆片粘接到所说第一玻璃圆片上时，这第三圆片将使膜片与玻璃圆片之间检测腔有效地密封。因此玻璃圆片中的孔既形成了来自电容器极板的电信号的馈通，又成为在成批生产过程中对膜片上的腔排气和密封的手段。去掉第三薄层的部分区域以暴露附接引线的金属层，但保留孔的密封。第四薄层置于上述第一硅片的外侧，此硅片上有加工成形的薄膜(与第一玻璃圆片相反的一侧)，这个第四薄层通常由硅制成，具有通向由于加工成膜片而形成的腔的通道。该通道是为了使压力下的流体(媒质)作用于膜片。如图所示的第四圆片具有由组件向外延伸且环绕压力传递通道的应力隔离颈。该第四圆片也是在真空气氛中粘接固定的。
一种玻璃熔接物或阳极粘结剂可用来将外边的两个薄层(第三和第四薄层)粘接到硅晶片和第一玻璃圆片的初始组件上。然后将这个四层的夹心结构切割(切断)成单个的传感器。
在本发明中，如果需要响应阻尼或隔离，该晶片和所说第一玻璃圆片的初始组件将被制成封闭的，但是对于在该晶片与所说第一玻璃圆片相反一侧上的第四薄层或复盖层略有区别地处理，并将其放置在与第一玻璃圆片相反一侧上的膜片上。该复盖层具有与膜片腔配合相适的凸台，在与膜片的有效电容器表面相反一侧的膜片上形成小体积的阻尼室。小体积阻尼室充满流质(硅油)，并通过细小的通道通向传递作用于隔离膜片上的压力的隔离室。这种压力会使探测膜片挠曲。所示产生阻尼的膜片的压力孔道既可以是一个在第四薄层或复盖层中用激光钻的孔，也可以是在膜片支承凸缘上形成的通向阻尼室的多个横向浅槽。这些槽可以在蚀刻硅晶片或第四薄层时在这些薄层中加工成，构成通向阻尼室的小而有限的孔道，在阻尼室里压力作用于膜片上。
在这种小体积阻尼室中的流质必须随着膜片的挠曲而流过限流装置，从而衰减膜片的频率响应。由于使用非常小的阻尼油或流质的内部容量，使得用流质填注这种阻尼室的工作更容易。
如所示的对膜片响应产生机械阻尼的能力，取消了在所用的检测电路中附加滤波的需要。这样传统的数据取样电路就可以应用于本器件，而流质阻尼用来使膜片的频率响应保持在低于线路取样频率的 1/2 的范围内。
图1是一批压力传感器的一块分割部分的俯视平面图，一些地方被切开以显示用来制作本发明传感器的薄层;
图2是大体上沿图1中2-2线得到的放大的截面图，显示根据本发明以成批生产工艺制造的完整的传感器组件;
图3是图2中显示的单个压力传感器的截面图，已从同一批制造的其它传感器中将此传感器分离出来并将该传感器装进一个外壳中;
图4是一段玻璃薄层的不完全的放大截面图，用来使本传感器显示金属化馈通孔的细节;
图5是本发明改进形式的截面图，在装有隔离膜片的外壳中注满油，一个根据本发明制造的传感器安装在其中，具有响应阻尼特性;
图6是根据本发明制造的其中带有第一种类型的流质阻尼孔的压力传感器的垂直截面图;
图7是在图8中沿7-7线得到的内含流质阻尼孔的改进型的截面图;
图8是大体上沿图7中8-8线得到的平面图;
图9是改进了的含有一个参考电容器的单个压力传感器的截面图;
图10是图9压力传感器的介电层与金属化图案的平面图;
图11是根据本发明与一个参考电容器装在一起的传感器的截面图;
图12是一个带有延伸密封层的传感器的截面图。
如图1所示，电介质(玻璃)的第一薄层或圆片20有一个各图统标为10的装在该处的硅晶片(在图1中央部分表示)。硅晶片10通过蚀刻制备形成多个检测膜片构件12，环绕它们的是凸缘部分13。在晶片第一个面上的膜片构件12和凸缘部分13与玻璃圆片一起构成腔14。在相反的第二个面上(见图2)制做一个足够深的凹陷15，从而检测膜片12对于工作在所要求的压力范围来说足够薄。每一凸缘13和有关的膜片12构成一个膜片组件17。在与电容腔14相反的第二表面上，如图2中所示的16处，将硅晶片金属化并退火，以便在金属层与硅之间形成欧姆接触。
通过介电圆片或第一玻璃层20钻一些合适的孔，从而标为23的孔将置于晶片10上电容腔14的上面。然后将介电圆片20的两侧面金属化，在一侧形成金属层21，在另一侧复盖膜片12的区域形成金属电容器极板层部分22。圆片20的表面可用已知方式遮罩起来形成电容器极板区。孔23的内表面也被金属化，这样金属层21与金属电容器极板层区域22是电联接的。孔23具有足够大的尺寸，使得它们在金属化过程中不会被堵塞。
硅晶片10和金属化玻璃圆片或薄层相配放置，这样孔23与检测膜片大体上对中而玻璃圆片放置在凸缘13上使电容腔14密封。
圆片或第一薄层20与晶片或第二薄层10沿凸缘13粘接，使电容腔14密封。在电容极板层22与电容腔内相应膜片12的相对表面之间形成仅数微米的电容间隙，电容极板层22与凸缘13绝缘，这样形成了相对于同心膜片12的电容器极板，膜片12构成电容器的第二极板。在此工艺阶段中腔14通过孔道23通向外界。
如图1和2所示为完成制成组件的成批生产工序，硅晶片10与玻璃圆片或薄层20构成的子组件26依次与另两个圆片或薄层构成夹层结构。
一个统标为40的硅或玻璃的复盖晶片或第三薄层首先经蚀刻形成周边凸缘41(见图2)，该凸缘构成沿着环绕在晶片10上已经形成的检测膜片12周围的周边支承。当各层组装在一起时，凸缘41环绕膜片。此外，在第三薄层40上的与基本上呈平面的23A对齐的位置上，形成基本上呈平面的密封凸台42，23A环绕在玻璃圆片或第一薄层20中的金属化孔23周围。然后制成组件，使凸缘41与凸台42粘接到玻璃圆片20的金属层21之外露面上。粘接方式可以是阳极接合或在接触线上使用玻璃熔接剂来完成。粘接通常是在真空中进行的，使得电容室或腔14处于减压状态，在这种减压状态下腔14被凸台42密封。
一个同样可以用硅制成的第四薄层30被用来在晶片10的与玻璃圆片或薄层20相反的一侧支承晶片10。第四薄层30在组装前先经蚀刻，使其在一侧上有多个与腔15同心并由第四薄层30背向膜片一侧向外延伸的细颈或圆柱31。穿过每一细颈31构成一个通道32，并且该通道延伸穿过薄层30。此外，在薄层30的与细颈相反一侧上形成标为34的槽，以分割出与腔或凹陷15对齐并跨越15的凸台35，腔或凹陷15在硅晶片10中形成并位于凸缘42的下面，如图1、2、3中所示，凹陷34环绕着在晶片10上形成膜片的每一区域。可以看出，细颈31具有的端面36与薄层30的该侧表面37相隔一定距离。用已知方式蚀刻掉凹陷34位置上的材料以构成凸台35。薄层30在接触面上粘接到晶片10上。
这一四层夹心结构可以进一步处理去除薄层40，只保留凸台42，这样孔道23仍被密封，但是玻璃圆片20上的金属层21在环绕凸台42的区域暴露出来。该四层夹心结构形成后，沿着如图1中50所示的线将其切割(切断)。切开线位于凹陷34的中心，使得围绕每一检测膜片12有周边凸缘13，形成膜片组件17。用切割或其它合适的方法去除第三薄层40，除了凸台42以外的地方，使环绕每个凸台42的区域露出薄层21。露出的金属层21形成一个易于附接电引线的区域。
单个的传感器47被切割出来后，每一传感器的薄层30也在其周边处切割或蚀刻，去除掉与凹陷34对齐的剩余边料。这使薄层30的边缘修整到与凸台35边缘对齐。缩小了外围的截面38(图3)使晶片10上金属层16的周边地带暴露出来，引线52可以接在这一薄层16上。玻璃薄层或圆片上的金属层21也使引线53可以用传统的例如焊接的方式接上。
通过将细颈31的下表面36以适当方式粘接到外壳底座上，把传感器47安装到外壳底座构件54上。底座54支承壳壁55，盖子56用来在外壳内形成一个封闭的盒子57。围绕细颈31的表面36的密封使压力可以通过底座54中的孔58和孔32作用到腔15上。压力媒质(被测量的流质)与引线52和53隔离，这样，与金属电容器极板区域的电联接不受腐蚀性液体的影响。细颈31形成对电容压力传感器47的应力隔离弹性支承，使得安装时的应力并不引起检测膜片的附加挠曲。加在密封外壳上的应力并不影响膜片。电容器腔14在真空下由凸台42密封并保持这一密封状态。金属化孔23形成信号通道及从腔14排气的孔道。
在另一种安装形式中，根据本发明制造的一个典型的传感器装在图5表示的外部隔离罩壳内。如图所示，统标为75的从图1-4所示状态颠倒过来的传感器安装在具有隔离膜片77的外部罩壳76内。标以箭头P的待测压力作用在隔离膜片77上。罩壳76的内部空间注满惰性油或其它可用来衰减膜片响应的惰性液体。
传感器75利用图2和图3所示的密封凸台42支承在罩壳的底部壳层78上。传感器76包含一个用硼硅酸玻璃或其它适当材料制成的薄层或圆片20，膜片组件17粘接在薄层20上。凸缘13和挠曲检测膜片12如先前描述的那样制成。膜片12是刚性的或坚硬的，具有高的频率响应。膜片组件17用脆性材料如硅、石英、蓝宝石或玻璃制成比较好。最好选用硅。若使用玻璃，膜片表面可以金属化，以形成一个适当的电容极板。在玻璃圆片或薄层20上的金属电容极板层22面对膜片12，而薄层21通过孔23中的金属化层与薄层22相联。
传感器组件75如同前述一样地构成，使孔23作为从电容腔14排气的通道，同时在薄层21和22之间提供电导通途径。引线83与金属层21相联。当膜片12由半导体例如硅制成时，如果需要，可以不必在其上淀积任何金属电容器极板而照常工作。可以联接金属化层16和导线84，构成第二条引线，利用适当已知的电容检测线路86对薄层22和检测膜片12的相对面之间的电容进行检测。
膜片12在相当高的频率上响应。当检测线路的输出信号被用来获得数字输出时，对引线83和84上的电容信号以所选择的速率取样。假如膜片12的频率响应比85所示的取样电路的取样速率或频率的大约一半还要高，则输出可能产生虚假信息(叫做频谱混淆)。与信息频率有关的所要求的取样速率规定在“电子学设计者手册”(Giacolleto，第二次新增版，McGraw-rlill 1977，第22.8a节，22-77页)中。
为了对膜片响应产生阻尼，并且以简便的方式达到这一目的，图1-4中的薄层30用每一凹陷15上形成盖板88的薄层所替代。盖板88由硅或其它具有与膜片组件17相容的温度膨胀系数的刚性材料制成。盖板88结构上有一个抵在凸缘13上的外凸缘89，以及一个制成凸台的与限定在凸缘13内的凹陷15相配合的中央部分90。凸台90的端面与膜片12的表面相邻近最好与膜片隔开并且靠近。在膜片12与凸台90的端面之间，凸台90构成一个以91表示的容积很小的腔。
在盖极88中制成一个以92标记的用激光钻的、适当的、小直径孔，它使腔91通向外部，也就是通向任何隔离罩壳例如罩壳76的内部，传感器75就是安装在它里面的。通道92的横截面很小，很短，但是由于腔91的容积很小，因此可以相当容易地利用已知的技术(例如在真空中将传感器浸在油里来填注该腔)用油将腔91和通道92注满。通道92提供了用于阻尼作用的必要的流量限制或控制孔，以便将对膜片12的所有频率响应降低到一个适当的水平。当膜片挠曲时油或填注液必须流过通道92。
盖板88上的凸台90可以通过该领域熟知的适当的蚀刻处理来形成。盖板用玻璃熔接剂固定在晶片10的膜片凸缘上的适当位置，或者用描述过的关于粘接图1-4所示薄层30的其它传统方法来粘接。
本发明的一个优点是，在过压情况下膜片12将接触到玻璃圆片或薄层20而截止，以防膜片损坏。图5和图6中显示的传感器是一个绝对压力传感器，所以在待测试的压力下膜片12并不从一个静止位置向盖板88上的凸台90挠曲。腔14通常处于至少半真空状态下。
图7和图8中图示说明了标为100的一个改进型压力传感器组件，它可以在罩壳76内使用。组件100包含一个玻璃圆片或薄层20，以及一个以基于硅晶片10的成批生产工艺用像膜片组件17同样方式制造的膜片组件102。膜片组件102也是用脆性材料，例如硅、蓝宝石、石英或玻璃制成的，并且有一个围绕挠曲检测膜片104形成的周边凸缘103。凸缘103粘接到薄层20上，膜片104的下表面106与薄层20的金属层22之间留有一定距离，与膜片104形成一个电容间隙。如先前描述从玻璃圆片20上的金属化层上取出引线。引线可联通到电路85和86。
盖板105放置在膜片104的与表面106相反一侧形成的腔108上。盖板105上的凸台109伸进腔108内，与膜片104隔开一定距离。盖板105粘接固定。如果需要，盖板105也可以用硅制成。凸台109形成一个小容积的可用油填注的腔。
在本发明的这种形式中，围绕伸向腔108的凸台109限定一个窄的外围空间110。在凸缘103中(如果需要的话或在盖板105中)蚀刻或微切削加工出细小通道111并与空间110联通。通道111如图7和图8中所示延伸跨过凸缘103的顶部表面，形成极小横截面的有限的通道，通向在凸缘103的周边内形成的在挠曲膜片104上面的腔108。
在腔108内形成一个小容积的腔室112，它有一些通向那里的有限的孔道，用来以适当的油注满腔室112以后衰减挠曲膜片的运动。
这里，膜片104的频率响应同样被衰减到与所用线路的取样速率相容的水平，方法是形成一个低容积的腔，而且是这样一种腔，即，使它只具有作为油通路的细小节流孔或阻尼孔，还能够用硅油或其它适当的阻尼液体注满。
阻尼腔在传感器组件的正上方形成，并且不依赖于用来提供阻尼的分立的罩壳。
传感器组件可以在真空中通过背面灌注阻尼腔91或112来注满。
该传感器可以用成批处理工艺制得，而且介电的第一薄层20可以经金属化既形成一个电容器极板又形成一个引线装配区域，二者通过限定孔23的表面上的金属化层相联接，孔23还使得能在电容腔密封前从电容腔排气。
在图9和图10中图示说明了一个标为130的改进了的压力传感器组件。组件130包括一个电介层131，它被金属化，形成一个电容器极板133。一个半导体薄层132上形成有一个挠曲膜片区134，电容器极板133与膜片区134处的半导体层132容性耦合以形成一个压力检测电容。另一个金属化的电容器极板137配置在介电层131上，并且与电容器极板133电绝缘。电容器极板137也与在一个非挠曲部分139处(它复盖在挠曲膜片部分的支承凸缘部分上)的半导体层132容性耦合以形成一个参考电容。压力检测电容和参考电容是以同样结构制造的，因此，包含极板137和区域139的参考电容的诸如电容温度系数和损耗因子的参数与包含极板133和膜片区134的压力检测电容的参数基本上是一致的。
透过介电层131钻适当的孔141和143，这些孔壁被金属化，以形成如图9所示的从电容器极板137到平面联接区149的电馈通联接145以及从电容器极板133到平面联接区151的电馈通联接147。
半导体层132经蚀刻成型，形成在电容器极板133下方的可挠曲矩形膜片区134，以及在电容器极板137下方的基本上是刚性的区域139。半导体层132如图9所示粘接到区域152的介电(玻璃)层131上。一个支承层154粘接到半导体层132的下侧面上，类似于图2所示的支承层30的情况。在支承层154上钻一个孔156，以便导入将使膜片区134挠曲的压力P。半导体层132在表面153处金属化，以形成对半导体层的欧姆接触。引线155、157和159在金属化接触表面153、149和151处联接到传感器上，以形成对外部检测电路的联接。参考电容联接到引线157和159，压力检测电容联接到引线159和155。外部检测电路以已知方式将压力检测电容与参考电容相比较，以形成检测电容的测量，这一测量结果对压力检测电容和参考电容共同的参数变化进了修正。
平面密封凸台161和163分别在真空中粘接到表面149和151上，在电容器极板137、133和半导体层132之间形成一个密封的抽空腔165。
在图11中显示了一个类似于图3中传感器的压力传感器170，传感器170安装在外壳171上，具有一个检测通过外壳171中的孔173加到传感器170上的压力P的膜片183。一个参考电容器175安装在外壳内，与传感器170相隔一定距离，但在外壳内的排列方向与传感器170是一致的。参考电容175在结构上除了没有在压力下使流质导入到膜片177的孔以外，与传感器170是一样的;膜片177具有一个在该膜片下方的抽空的腔179，以及一个在该膜片上方的抽空的腔181。传感器170和参考电容175相似结构和排列，使膜片177和183对外壳171震动的响应基本上是相互一致的。传感器170和参考电容175可以联接到检测电路185，这样作用在压力传感器170的电容上的震动可以被来自参考电容器175的相应信号有效地抵消。这样一种结构安排特别适用于存在着震动的运载工具方面的应用，例如在飞行器上。
在图12中给出一个改进了的压力传感器190。传感器190类似于图3中说明的传感器，并且对应的标注数字在图3和图12中指示相似的零部件。图3中的密封凸台42未在图12的传感器190中使用。在图12中，用一个更大的密封凸台43使孔23密封。密封凸台43在孔23的上方延伸到周边凸缘44，凸缘44密封到膜片组件17的凸缘13上方的金属化材料21上。密封凸台43利用热和机械压力密封到金属化材料层21上。在凸缘44上的密封表面的结构避免了玻璃层20在密封过程中的变形。
所示压力传感器可以用于检测从很低到中等程度的压力，并且由于未使用任何有机材料，是高性能的压力传感器。


一种可成批生产的电容压力传感器使检测元件和引线与压力媒质隔离并提供应力隔离。该传感器制成多层夹心结构。一个硅晶片的一侧蚀刻成一系列腔形成挠曲膜片，其一个表面作为电容器极板。一个玻璃层在两侧金属化并有孔。玻璃层粘接到晶片上形成数微米的电容间隙。该组件夹在两个附加层之间，在真空中粘接。将四层夹心结构裁成单个传感器。初始组件可制成一定形状以衰减膜片的响应次数，并在高频输入时降低虚假信号。