CN100587435C - 可用在超高纯和高腐蚀性环境中的传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明的电插头引线结构和铜焊技术提供一种传感器中的铜焊引线，其很好的粘附在半导体基片上，有助于横向弯曲性而不存在接头软化或破损。在一个实施例中，该插头引线包括线圈头，利用银-铜-钯铜焊材料将该线圈头铜焊在蓝宝石基片上的硅层上。该方法的一个优点是在单个处理步骤中，能将该插头引线铜焊在膜片上，并且将该隔板密封到具有高温玻璃的陶瓷后板上。而且，在铜焊成份中的钯是在冷却以避免基片中的应力断裂期间降低该金属引线和半导体基片之间的表面张力的因素。

Description

可用在超高纯和高腐蚀性环境中的传感器
相关申请
本申请是2000年7月20日提交的申请号是09/620,007，名称为可用在超高纯和高腐蚀性环境中的传感器的申请的后续部分。
发明领域
本发明通常涉及传感器，尤其是涉及具有温度稳定性和并抵抗化学腐蚀的压力和/或温度传感器。
发明背景
在各种应用中利用压力传感器以测量表压或绝对压力。许多这些应用包括在不利环境中的压力测量。该压力传感器可以是电容型或压阻型。例如，氧化铝陶瓷电容传感器可包括薄的，通常柔顺的陶瓷层，该陶瓷层具有夹在厚的，非柔顺的陶瓷层之间的绝缘垫片环。该第一薄层或膜片的厚度大约是.005到.050英寸，具有.020英寸的典型厚度。该厚陶瓷层具有在.100到.200英寸范围的厚度。本领域技术人员将清楚该膜片的厚度优选的取决于该膜片的直径。该垫片可由合适的玻璃材料构成。通过金属，如金、镍或铬将该陶瓷盘的并列面金属化，以产生电容器片。由Bell et al.在U.S专利4,177,496(该‘496专利)中描述了类似的电容压力传感器。类似于在‘496专利中描述的其他电容压力传感器在本领域中可获得并且是公知的。压阻传感器典型的使用惠斯登电桥，测量电压中的变化，并且将电压变化与检测的压力变化相关联。这些压力传感器类型中的任何一个可用于测量超高纯环境中的流体的压力，然而，需要一种无杂质压力传感器。
敏感材料的超高纯处理典型的需要使用腐蚀性液体。在制造过程中，对敏感材料的污染的敏感度是制造商面临的严重问题。设计各种制造系统以减小由在制造期间产生的杂质粒子、离子杂质和蒸汽引起的该敏感材料的污染。该敏感材料的处理经常包括直接与腐蚀性液体接触。因此，在未污染状态中将腐蚀性液体传送给处理地点并且没有杂质粒子是关键。通常设计该处理设备的各种部件以减小产生的粒子量和溶解在该处理液体中的离子，并且将该处理化学品与污染影响隔离。
该处理设备典型的包括液体传送系统，其运送该腐蚀性化学品从供应箱经过抽吸和调节站并经过该处理设备自身。包括导管、泵、管道、监控设备、检测设备、阀门、配件和相关设备的该液体化学品传送系统经常由抵抗该腐蚀性化学品的恶化效果的塑料制成。通常用于该监控设备的金属对于腐蚀性环境不能可靠的耐用，并且将长期的污染处理液体。因此，该监控和检测设备必须结合代替材料或保持与该腐蚀性液体隔离。
尽管该过程非常干净，但它们经常包括具有很强侵蚀性的化学品。这可以包括，例如刺目酸(harsh acid)、碱和溶剂。半导体工业最近引进的生产过程利用侵蚀性磨蚀剂。该处理设备和该监控装置必须不受这些磨蚀剂的机械作用的影响。
而且，处理设备装置的高可靠性是必须的。对于任何原因，关闭半导体或药品生产线是高代价的。在过去，压力传感器具有通常使用的由厚隔离膜片分开的填充液体，以从该过程向传感器自身发送压力。通过一种或其他种类的隔离膜片将该填充液体与该过程分开。该隔离膜片的失效和该生产过程中填充液体随后的损耗能引起产品的损耗，并且要求系统在重新启动操作之前进行清洗。该隔离膜片将会引入严重的，并且在一些情况下是无法接受的压力测量错误。从该设计中除去该隔离膜片和填充液体是有利的。
而且，在半导体生产中通常使用的处理设备具有一个或多个监控、阀调节和检测设备。这些设备典型的连接成闭环反馈关系，并且用于监控和控制设备。必须设计这些监控和检测设备以消除可能引入的任何污染。该检测设备可包括压力变换器模块和具有压力传感器的流量计。希望该压力变换器的压力传感器部分或流量计直接接触该腐蚀性液体。因此，与该腐蚀性液体直接接触的该压力传感器的表面应当是无杂质的。已经发现多孔材料允许腐蚀性液体通过该材料流入和流出。例如，陶瓷材料与各种玻璃等材料粘合在一起，该玻璃材料自身容易受到更侵蚀性的腐蚀材料的侵蚀。因此，优选的，与该腐蚀性材料直接接触的该压力传感器部分由无孔材料制成。
Ghiselin等发表的U.S专利4,774,843描述了一种具有附着在氧化铝基片上的结晶蓝宝石的应变仪。Ghiselin等指示通过玻璃粘接材料、环氧树脂或其他粘着材料粘合该蓝宝石。Ghiselin等没有提供该玻璃粘接材料的进一步描述，或者该玻璃粘合剂如何粘着该蓝宝石和氧化铝基片。然而，Ghiselin专利描述玻璃粘合剂作为在应变点分离的低强度材料。该Ghiselin专利描述了在几何学中的变化以减小应变点，并由此避免低强度玻璃的不足。Hegner等发表的U.S专利5,954,900描述了使用玻璃粘合氧化铝陶瓷部件的问题。该Hegner等专利描述了使用氧化铝作为氧化铝陶瓷的接合材料。相信由Hegner等和Ghiselin等描述的设备限于低于400℃的有效操作温度。因此，由Hegner等和Ghiselin等专利描述的该传感器的可靠性随着温度超过400℃而降低。具有低熔点的玻璃具有低强度和低的机械稳定性。而且在开发均匀粘合剂上，这些玻璃通常具有的问题。所有这些特性导致传感器具有低的最佳再现性和滞后作用。因此，需要一种具有通过高强度粘合剂粘着在基片上的无孔表面的压力传感器，其中在无孔材料和基片之间的粘合剂在超过400℃的温度中是稳定的。
也发现电磁和无线电频率干扰(分别为EMI和RFI)降低该压阻传感器。传导屏蔽层不能直接位于硅层(其上形成有惠登斯电桥)和该蓝宝石之间，因为蓝宝石上的硅的外延结构。当该蓝宝石的外部与该腐蚀性液体接触时，在该蓝宝石外部的传导屏蔽层不是优选的。因此，需要存在一种无污染压力传感器，防止该EMI和RFI影响在该压力传感器的未暴露表面上形成的检测元件。
希望高温处理(600℃到1200℃)通过铜焊、玻璃化和扩散粘接将单晶体材料，如蓝宝石或碳化硅结合到其他单晶体或多晶体陶瓷中，因为它们产生坚固的、高弯曲的、稳定的接合点。当使用高温处理时，向单晶体或陶瓷基片(典型的为硅，但也可包括砷化镓)上的半导体设备进行电连接的通常方法不再使用。两种最普通的连接方法是1)导线粘合和2)传导环氧树脂接合。通过导线粘合，金或优选的铝金属层必须首先设置在硅上。高温时，金和铝迅速扩散到硅中。一旦扩散，这些金属层不再形成用于导线粘合的表面。
存在于高温环境下的金属薄膜由跟随扩散膜的粘着层，诸如钛构成。用于高温处理的该扩散膜难熔金属，如钼、铱、铌、钛、钨或锇。这些金属将随着时间在导体和环氧树脂之间建立电阻氧化物。对于压阻传感器，这产生稳定性问题。在应用环氧树脂之前，预清洗该接合点以减缓但不阻止该氧化层的形成。焊锡也不附着在难熔金属上。
用于将插头或引线固定到半导体基片上的一个方法是将插头铜焊在适当的位置上，如图19A和19B分别所示。实际上，图19A是将钉头引脚铜焊到基片上的现有技术的范例，而图19B是将无头引脚铜焊到基片上的现有技术的范例。图19A示意了具有铜焊于其上的引脚210的单晶体基片200。引脚210包括引脚杆212和引脚头214，其提供与基片200较大的焊接表面区域。将铜焊216应用于引脚头214一侧。如图所示，由于压力性断裂218，薄的单晶体材料压力性断裂变成重要的问题。由于将钉头引脚214铜焊在基片200的平坦表面上，由于熔化的铜焊变硬(或冷却)和收缩，基片200产生张应力。该张应力集中在引脚头214的周围，并且在该基片上促使断裂。
解决应力断裂的一个方案是发现与基片结晶物质的热膨胀率匹配的金属。不幸的是，晶体，如蓝宝石在不同的方向上具有不同的膨胀率。更严重的是，金属在大的温度范围内不具有恒定的膨胀率。典型的是，它们在高温时比在室温时以非常快的速率膨胀。与晶体的温度系数匹配的合金在室温下比在800℃或900℃下膨胀的更快。
如图19B所示，另一最小化基片200上的应力的方法是最小化在基片200和无头引脚210之间的接合处的截面面积。该无头引脚有助于形成与基片200之间的非常小的截面接合处，然而，在后续的制造步骤中，重新形成的接合处对来自引脚操纵(来回，如箭头220所示)的高的、局部的应力是敏感的。认为该类型的对接接合处是不可靠的几何结构，因为小的接触面积和准直问题的敏感度。
本发明符合这些和其他需要，并且通过对本发明描述的审查将变得显而易见。
发明概述
本发明通常涉及传感器，尤其是涉及具有在200℃时优越的稳定性和700℃时有效的可操作性的压力和/或温度传感器。本发明的压力传感器不需要填充液体而操作，并且不具有外部暴露的金属成分。该压力传感器包括无孔、不可渗透表面，其可以在超高纯环境下直接与液体接触。在本发明的一个实施例中，无孔表面包括单晶蓝宝石层，其不受化学品侵蚀的影响。以该方式，随着时间，化学品或杂质不能从该传感器析取到工业生产液流中。没有限制，本发明的压力传感器适用于化学嵌入压力变换器模块或流量计，用于检测在工业生产液流中的压力，并且可直接模压为相同产品的高温塑料外壳。
本发明提供压力传感器，其包括无孔外表面。该无孔外表面特征在于低扩散率和低表面吸附作用。在该优选实施例中，该压力传感器包括背衬板、无孔膜片、靠近膜片内表面的检测元件，和通过玻璃化粘合在该背衬板和该无孔膜片上的高强度材料的玻璃层。该背衬板提供刚性表面。该背衬板的刚性阻挡应力从该外壳(未示出)传送到传感器膜片上的检测元件。尽管该背衬板与加工介质不直接接触，但是要求其机械稳定并能经受高温处理。该背衬板的热膨胀率应当大约接近该检测膜片的热膨胀率。当有可能补偿热效应时，在制造期间大的失配将产生应力，可引起两块之间的焊接随着时间弯曲。本领域技术人员将清楚，无孔膜片可包括惠登斯电桥或其上形成的传导层，分别作为压阻或电容型传感器的一部分。
没有限制，在该优选实施例中，在无孔膜片的内表面上形成硅层，在上面形成有应变片，如惠登斯电桥。该背衬板包括从中延伸的孔，该孔适用于容纳连接该检测元件的电引线。通过该检测元件可检测无孔膜片附近的压力的变化。相对于膜片的压力的增加和减小将引起膜片偏转，其轮流改变该应变片的电阻。电阻的变化与邻近膜片的压力有关。
没有限制，该无孔膜片优选的包括化学嵌入材料，如蓝宝石。在蓝宝石和背衬板之间的玻璃层优选的由高粘合强度硼硅玻璃或其他合适的已知结构的玻璃，该结构具有高粘合强度和超过700℃并且优选的超过1000℃的熔融温度。由该玻璃层的厚度和直径控制该膜片弯曲的量。该玻璃层可具有范围在.002和.030英寸之间的厚度，优选的具有.010英寸的厚度，和范围从.100到2.0英寸的外部直径，优选的具有0.700英寸的外部直径。该膜片的有效检测区的范围从.050到2.0英寸，优选为0.400英寸。本领域技术人员将清楚该膜片的厚度和直径的范围不应解释为限制，而且在特定应用中的厚度和直径可进一步随意的减小或增加。以该方式，该无孔膜片接合该背衬板的内表面。本领域技术人员将清楚，该背衬板和无孔膜片由具有相似的热膨胀率的材料构成，以避免在宽泛的温度范围内的不必要的应力。下面以更多细节描述的该压力传感器可构成使得该检测元件可检测绝对压力或表压。
该压力传感器还包括位于硅层和背衬板之间的氮化硅层和金属化或传导层(见图11)。以该方式，该氮化硅层充当电绝缘体，并且该金属化层阻止EMI/RFI影响该检测元件20。该压力传感器还包括涂敷、垫衬或密封该无孔膜片、氮化硅层、金属化层和该背衬板的外部边缘的至少一部分。没有限制，可以使用耐酸环氧树脂或耐腐蚀聚合物，如PTFE(聚四氟乙烯)、PVDF(聚偏氟乙稀)、PEEK(聚醚醚酮)、尿烷或聚对二甲苯保护，其中优选是耐酸环氧树脂。
该压力传感器包括在玻璃层和无孔膜片之间的膜片上形成的接合垫。没有限制，该接合垫的优选实施例包括钛层和扩散膜。该掺杂硅薄膜以公知的合适方式互联该接合垫以形成惠登斯电桥。在该玻璃层和背衬板上形成一个窗口，由此提供接近接合垫。电引线从在该玻璃层和背衬板中形成的窗口延伸通过，并且该电引线铜焊到该接合垫上。该电引线铜焊到接合垫行并且将该玻璃层玻璃化为膜片和背衬板。
在替换的实施例中，改变该膜片和检测元件以产生电容而不是压阻传感器。当应用压力时弯曲的该薄的检测膜片具有在该检测膜片的内表面上形成的电容片，和在该背衬板的内表面上形成的其他电容片。一个电引线连接在该检测膜片的内表面上形成的电容片，并且其他引线电连接该背衬板的内表面。由于在膜片和该电容片之间的空间随着压力变化，该电容片的电容变化。通过电连接公知的合适的结构的检测元件来检测电容中的变化。
从下面优选实施例的详细描述的审查中，尤其是当考虑结合权利要求和附图时，本发明的有点对本领域技术人员来说将显而易见，在附图中，在多个视图中的相同数字涉及相应的部分。
附图描述
图1是本发明的压力传感器的透视图。
图2是本发明的压力传感器实施例的局部侧视图。
图3是本发明的压力传感器实施例的局部侧视图。
图4是本发明的压力传感器实施例的局部侧视图。
图5是本发明的压力传感器实施例的局部侧视图。
图6是本发明的具有在其上形成的惠登斯电桥的膜片的俯视图。
图7是本发明的膜片的实施例的局部俯视图。
图8是本发明的接合垫的实施例的局部俯视图。
图9是本发明的接合垫的实施例的局部侧视图。
图10是本发明的接合垫的实施例的局部侧视图。
图11是本发明的压力传感器的实施例的局部侧视图。
图12是本发明的压力传感器的实施例的局部侧视图。
图13是所示的位于压力变换器外壳中的本发明的压力传感器的实施例的局部侧视图。
图14是所示的模压在压力变换器外壳中的本发明的压力传感器的实施例的局部侧视图。
图15是本发明的膜片的实施例的局部俯视图。
图16是本发明膜片的实施例的电气原理图。
图17是本发明压力传感器的实施例的局部侧视图。
图18是具有靠近传感器边缘的密封或垫衬的本发明的压力传感器的实施例的局部侧视图。
图19A是将钉头引脚铜焊到基片上的现有技术的范例。
图19B是将无头引脚铜焊到基片上的现有技术的范例。
图20是根据本发明的技术将本发明的线圈引脚实施例铜焊到基片上的局部侧视图。
图21是具有根据本发明的技术将卷黄引线铜焊到膜片上的传感器的分解图。
图22是图21的装配的传感器的侧视图。
图23是本发明的卷簧引线的放大视图。
附图的详细描述
本发明表现出对压力传感器的广阔的应用改进。在此详细的实施例意图作为本发明的改进可以结合并不进行限制的典型或示范。本发明的压力传感器可构成为具有检测膜片的压阻或电容传感器。该检测膜片由一块单径蓝宝石构成。替换的，该检测膜片可单晶金刚石制成。本发明的传感器10通常包括背衬板12、检测膜片14，在背衬板12和膜片14之间的石英玻璃粘合剂16，和电引线18(见图1和2)。在制造检测膜片14期间，使用大晶片的单晶蓝宝石，以便使用熟悉的半导体技术的平面处理同时制造许多检测器。
本领域技术人员将认识到，蓝宝石是电绝缘体。当沿着R-平面切割该蓝宝石时，有可能在该蓝宝石的顶部产生合适厚度的硅的单晶外延膜。该硅层可以，通过扩散、离子注入，或其他方式与原子种类，如硼或磷掺杂，以提供薄膜半导体特性。通过改变该注入能量和掺杂物浓度，可以调整该薄膜的区域电阻值。该薄膜，除了具有电阻，将响应该应变而改变它的电阻。作为压阻，该特性是公知的。如前所述，该检测膜片14的偏转将拉紧薄膜并且在电阻上产生变化。从电阻的变化中获得该压力传感信号。
如果选择离子注入来掺杂该硅，在掺杂之后需要退火步骤以除去在注入过程中在薄膜中产生的应力。该退火步骤也有助于在整个硅层中更均匀的分配掺杂原子。该硅压模20形成惠登斯电桥22(见图6和7)。本领域技术人员将清楚多种不同的压模可以产生该惠登斯电桥22。可通过标准的照相平版印刷技术设计该硅电阻器20。通过化学汽相沉积，氮化硅24的绝缘层(见图8和10)应用于该蓝宝石晶片的整个表面。照相平版印刷抗蚀剂应用于整个晶片。窗口压模在抗蚀剂中并被化学消除。酸itchant消除在抗蚀剂的窗口中暴露的的氮化物。当抗蚀剂被蚀刻掉时，靠近惠登斯电桥的每个连接点或接合垫26的并在其上面打开窗口28(见图8)。该氮化硅层24是坚硬的绝缘层，并且还保护易损的硅层。
需要金属接合垫26将该电引线18连接到惠登斯电桥22。通常用作半导体设备中的接合垫26的金属，如金和铝是不合适的，因为在玻璃化温度下，它们将与硅熔合。在优选的实施例中，构成两个金属层接合垫(见图10)。使用所谓无线电频率(RF)的过程，溅射在整个晶片上设置的钛层30。钛是非常活性的金属，并且具有良好的粘合特性。然而，钛需要在它和铜焊物质34之间的扩散膜32。该铜焊合金34将该接合垫26与引脚18连接。在没有扩散膜32的情况下，该铜焊与钛层30和该薄硅层20熔合。在冷却下，该合金通过表面张力拉伸在一起，并且局部破坏该硅薄膜。该扩散膜32需要成为难熔金属，其将在铜焊温度(大约1000℃)下不形成合金。没有限制，铌、钨、铱、钼、钛、铂和钯适用于该目的。该隔离材料32必须能够制成具有最小量贯穿该薄膜的针孔的薄膜。在铜焊温度下，任何氧化物必须分离。作为扩散膜，发现铌工作的很好。将铌进行RF溅射穿过在该钛层30的顶部上的整个蓝宝石晶片14。然后，使用公知的平板印刷技术压模该铌层。
在优选的实施例中，通过本领域技术人员公知的方法，包括但不限于汽化和溅射，来设置和压模用于该接合垫26的金属。以该方式塑膜该接合垫26，即该金属覆盖(见图8)该硅层20的一部分，但首先直接接触该蓝宝石膜片14。对此的原因是金属化层可具有小的针孔。已经发现，如果铜焊34能够穿透该扩散膜32，作为薄膜失败的结果，它将与该硅熔合。在玻璃化和铜焊期间，该硅玻璃16可用来抑制该铜焊34从该引脚流动到该接合垫26金属覆盖该硅压模20的区域。铜焊34不能超过硅层20。
一旦塑膜该蓝宝石膜片14，使用切割以从该蓝宝石晶片分离多个蓝宝石膜片的公知方法来切割该蓝宝石晶片。没有限制，可以使用多种方法，包括划线并沿着晶面断裂、超声波加工或激光切割。使用公知的方法允许切割用于压力传感器制造所需的圆形膜片。
将电引线18铜焊到该接合垫26上，并且该背衬板12玻璃化为膜片14。由具有孔或通孔36的陶瓷构成该厚背衬板12或晶片。在该背衬板12中形成通孔36与该结合垫片26对齐，并且提供电引线18从该传感器膜片14到使用该压力信息的电子部件的通道。当需要表压检测时，提供通气孔38穿过该背衬板12。总之，典型的利用少量的玻璃充当粘接剂，由金属氧化物粉末构成的陶瓷在高温下烧结在一起。普通的陶瓷是氧化铝，其具有许多与单晶蓝宝石类似的特性。只要氧化铝陶瓷的玻璃成份保持在低的百分比，两种材料的热膨胀特性的不同是微不足道。
很好的粘合蓝宝石和氧化铝陶瓷的玻璃16需要具有相似的热膨胀特性。已经发现硼硅玻璃能很好的适用于该目的。这些玻璃比用于将粘合材料烧结在一起的玻璃具有更高的熔融温度。已经发现通过块硅并暴露于600℃以上的温度下制造的传感器经历了掺杂原子过分的扩散到相邻区域。因此，将这些块硅典型的限制到不超过450℃的处理温度，并且只用于短暂的漂移。如Ghiselin等在U.S专利No.4,774,843所指示的，将蓝宝石膜片可靠的粘合到陶瓷背衬板上已经是重大的问题。提出的在玻璃化中使用的高粘合强度硼硅酸玻璃不同于低温度低强度焊接用玻璃或玻璃粉。该焊接用玻璃具有450℃左右的熔融温度，并且是低强度的。
为了通过“玻璃化”而不是铜焊，将该蓝宝石粘合到氧化铝陶瓷上，在该背衬板12的表面上可以预形成或遮蔽硅玻璃16。在任何一种情况下，该硅玻璃不会流动远离它的起点是重要的。如果该玻璃压模的内径大大的改变，该传感器10的压力特性能剧烈的变化。而且，在玻璃化过程中，如果在接合垫26上铜焊之前，在该金属接合垫26上流动的玻璃16熔化，则不能将该引脚18铜焊到该接合垫26上。应当在恒温下焙烧该玻璃，以避免在玻璃粘合剂上留下可导致不稳定性或玻璃断裂的应力。而且，为了该电引脚18，该硅玻璃16必须具有开口或窗口。另外，通过控制在该膜片14和背衬板12之间的该硅玻璃粘合剂16的厚度，在过压期间，该检测膜片14将在背衬板12上降至最低点(图4)。因此，该过压阻止该传感器10的过压能力增加系数100或更多。
PN结用于形成任何二极管或晶体管，并且用于隔离硅晶片上的任何特征。为了在硅基片上简单形成惠登斯电桥，需要PN结以将该电桥与该基片半导体隔离。尽管，PN结非常有用，但超过400℃时迅速恶化。对于许多过程，不可能让设备在450℃停留超过30分钟，否则将损坏设备。明显的，不可能让工序在高达900℃-1100℃的温度下持续2-6个小时，以产生高稳定性粘合剂。因为本发明的惠登斯电桥直接在蓝宝石膜片上建立，其间不存在PN结，将引起高熔融温度(超过400℃)失效。另外，PN结可引起该膜片和背衬板的玻璃粘合剂的破裂。只要不需要抵抗性表面，硅就被完全蚀刻掉。
用于将该电引线18与该接合垫26粘合的该铜焊合金34必须在比硅玻璃16稍微低的温度下熔化。而且，该铜焊34在它的熔融温度下必须具有足够的侵蚀性，以除去任何来该金属层26的氧化物。没有限制，已经发现多种具有合适的公知结构的铜的铜焊合金能符合该需求。当在玻璃16开始流动之前，该铜焊34熔化，如果该硅玻璃16流过该接合垫26，它将流过该铜焊34和接合垫26，由此提供足够的应力释放到该接合垫区域。没有限制，已经发现由Wesgo Metals、San Carlos、加利福尼亚，摩根高级陶瓷公司的分公司出售的铜焊合金，如Pakusil-15(包括钯、铜和银)为可接受的铜焊。
该电引线或引脚18具有小的横截面并且优选的由韧性金属制成。该引脚18构成由该陶瓷背衬板12中的孔36的几何结构限制，并具有良好的应变释放特性，并且不会将应力通过该引脚18传导给该检测元件。应当用具有良好铜焊和合理的锡焊性能的材料，如镍或金来电镀该引脚18。
一种改进的将该引脚或引线铜焊到半导体基片上的方法是改变该接缝的几何结构，改变该引脚结构的形状和该金属引脚的强度。图20示意了本发明的线圈引脚实施例的局部侧视图，根据本发明的技术将该线圈引脚铜焊到硅基片上。在线圈引脚头部254将该线圈引脚250铜焊到基片251上。在该特定实施例中，引脚250的底部是单个环形线圈254，其形成用作该引脚的头部。在相关的实施例中，在杆的末端形成弹簧，该杆具有安装在该基片上的弹簧部分。在其他相关的实施例中，多圈卷簧用作引线，因为制造容易，并且容易定位在基片上保持成90度。在该铜焊过程的冷却阶段，线圈引脚259比图19A示意的固体头引脚更有韧性。通过使用材料，如科瓦铁镍钴合金或镍铁合金，尽可能接近的匹配该膨胀系数，通过10或更大的因子，有可能减小该应力。
在一个范例中，该引脚具有大约0.320英寸的长度，0.040英寸的线圈外径，和大约0.008英寸的导线直径。在与该引脚的结构有关的一个重要的考虑是导线直径。导线直径尺寸的优选的范围是大约0.001英寸到大约0.020英寸。对于该导线的结构的其他重要的设计考虑是随着直径的4次幂，导线的刚性增加。镍是用于该引线的优选材料，但科瓦铁镍钴合金工作的更好。
其他重要的设计考虑是在将该引脚铜焊到该基片上所使用的铜焊材料的厚度和成份。优选的铜焊成份包括65％银、20％铜和15％钯。各种铜-银化合物用来获得硼硅酸玻璃附近的熔融温度(～900℃)，然而使用的钯的量可影响该铜焊的熔融温度。在该合成物中使用越多的钯，该铜焊材料的熔融温度越高。在该铜焊合成物中，钯在控制该铜焊熔融胶土的粘性上扮演重要的角色。公知的，银和铜在熔融温度的粘性非常低。这些材料将容易的通过该薄膜电介质水平和垂直的移动到相邻区域。该行为可导致电短路和低的加工产量。钯大大的增加了该铜焊的粘性，减小了银和铜的移动行为。在该范例中，铜焊材料具有大约.0001到大约.0002英寸的厚度。
存在与本发明有关的所使用的大量的铜焊处理。优选的使用链式炉处理，其允许玻璃化和铜焊发生在单一过程中。该方法节约成本，但对于铜焊接缝的功能不是必需的。
在替换的实施例中，镍用作该引脚或引线材料，以便镍不能精密的匹配该膨胀系数，而是具有非常低的抗屈强度。当膨胀率高时，该基片晶体结构和铜焊材料的强度能淹没小横截面导线线圈的强度。为了补偿，该线圈部分不仅连接在该铜焊端，而且连接在它与该电路板、导线或弯曲电路的另一端。为此，需要容易焊接的材料。金、铂和镍都符合该需求，而镍具有最低的成本。
传感器10的所有结构材料的高温性能允许在非常高的温度下(超过400℃)，使用该传感器10超过延长期和/或可将该传感器直接模压在高性能塑料外壳中，如PFA(类名)
Figure C20048001693000191
(“Teflon”是E.I.DuPontDeNemours and Company的注册商标)(见图14)。在该压力传感器中的压模在该传感器10和该塑料壳体之间提供非常可靠的密封。
再次参考图3和4，将讨论该膜片14的挠曲。由40标识的第一虚线表示该膜片14的过分夸大的弯曲。由42标识的第二虚线表示由于过压，该膜片的挠曲(不管在过压期间，在该膜片的挠曲上的该背衬板12的阻止效果)。该猛烈的弯曲可能断裂或损坏该膜片14。图5显示了修改的膜片14，具有比该膜片的外部较薄的膜片的中央部分。典型的，由于该膜片的直径减小，该膜片的厚度应当减小到最大灵敏度。可通过该玻璃粘合剂16的厚度来控制在该膜片14和背衬板12之间的缝隙。在一个范例中，最小化该玻璃的厚度，以提高该结构的刚性。在模压时，在陶瓷12中产生浅薄的下凹(2到5毫英寸)。在过压情况下，在该陶瓷12的内表面，该蓝宝石降至最低点，并且由此限制在该蓝宝石14上的弯曲应力。
没有限制，该膜片的典型弯曲在0.01到0.0001英寸之间，并且取决于该膜片14的直径和厚度，该间距在.02到.0002英寸之间。该缝隙的数量级优选的是该膜片14的厚度的两倍。对于具有厚度范围在0.002到0.050英寸的膜片，该膜片的有效检测区范围在0.075到2英寸之间。在晶片制造期间，实际约束条件限制单晶蓝宝石晶片的厚度。然而，与单晶硅不同，不存在通过化学处理容易的形成薄的蓝宝石膜片的方法。尽管该膜片的制造从薄的蓝宝石晶片逐渐达到一点，在传感器形成过程中诱发的高热应力导致自毁内部应力。换句话说，增加该膜片的检测区的直径，增加压力设备的灵敏度。然而，由于该膜片的直径增加，成本增加。
当通过较厚的蓝宝石晶片生产时，如图5所示的修改的膜片14减小最接近该检测区的膜片的厚度。在薄膜处理已经完成之后，修磨该膜片，允许更柔顺的压力检测膜片。例如，当该检测膜片直接与压力传感器外壳接触时，环绕每个设备的材料的边缘提供所需强度。该薄的中央区46提供所需的灵敏度。通过常规的机械方式，如本领域技术人员公知的研磨加工或超声波加工，可以将该蓝宝石膜片14变薄。另外，在该膜片14的外部检测表面上形成环形槽80(见图17)。本领域技术人员将清楚，尽管该槽的形状不是关键，圆形的边缘和槽是优选的。而且，尽管该槽是环形的，其他几何形状也适用于减缓在该玻璃粘合剂16附近的区域中的弯曲应力。
现在参考图11，显示了本发明的压力传感器的替换实施例具有夹在该背衬板12和该氮化硅层24之间的传导层。显示该传导层48电接地。以该方式，阻挡了电磁和无线电频率干扰(EMI和RFI)。公知的，EMI和RFI可降低该压阻传感器的性能。因为蓝宝石上的硅的外延结构并且希望将硅直接粘合到该蓝宝石上，不可能将传导层放置在硅和蓝宝石之间。而且，在该蓝宝石膜片的外部放置传导层将消除该蓝宝石膜片的无孔、化学惰性特性。没有限制，该传导或金属层48可以包括铌、钨、铱、钼、钛、铂和钯，或其他公知的材料，以屏蔽EMI和RFI。因此，该金属层48屏蔽该检测元件以防由上述传导层引起的EMI和RFI。
由于该传导层48位于地电势，该EMI和RFI在该传导层48上将产生具有零电势的驻波。应当知道，如果该驻波的辐射具有频率成份的波长在地平面和电阻部分之间的距离的左右，将产生严重的干扰。如果，另一方面，从地平面到电阻部分的距离较小，该驻波在压阻元件的位置将具有可忽视的振幅，并且不会发生干扰。由于EMI和RFI干扰发生在1MHz到1,000MHz的范围中，用于该频率范围的最小波长是0.3米。而且，在该地平面和该压阻元件或硅型板20之间的距离等于氮化硅层的厚度，该厚度是500埃或0.00000005米的一级。因此，期待的EMI和RFI屏蔽的有效性大约是6,000,000∶1。
现在，参考图12，显示了本发明传感器10的其他替换的实施例。无孔化学惰性压力传感器可用来有利的检测在高腐蚀环境中的压力。具有由单晶蓝宝石构成的检测膜片提供优良的抗化学侵蚀。该传感器10可位于具有主要和次要密封52或54的传感器外壳50内(见图13)。如果该主要密封啮合该蓝宝石膜片的外部表面，该加工液体只浸润该封条和蓝宝石。由于公知的合适结构的封条可让加工液体渗透。一些加工液体将越过该主密封。极具侵蚀性的加工液体，如氢氟酸渗透该第一主密封，可以侵蚀该蓝宝石膜片14和该陶瓷背衬板12之间的接缝。来自该接缝侵蚀的杂质可以渗透回该加工液体。本发明可以包含化学防腐聚合物，如耐酸环氧树脂，例如没有限制，从Hackensack，N.J.的Master Bond，Inc中获得的耐酸环氧树脂EP21AR应用于围绕该接缝的传感器10的边缘。替换的，垫圈型密封模式，例如没有限制，TEFLON，或由例如没有限制，KALREZ制成的弹性材料型密封，可相对于图18所示的传感器的接缝压缩。该密封84具有L形横截面，并可环绕该传感器10的侧面，和检测外部表面的该膜片14的上面。本领域技术人员将清楚，该垫圈密封84可形成为该外壳50的一部分。而且，为了增强电屏蔽，该材料可通过混合炭粉形成电传导。通过与地面耦合的传导链路58可将该传导环氧树脂连接电气接地。
在其他范例中，当使用该传感器时，将该传感器涂敷(包括该蓝宝石表面)聚对二甲苯，以便限制来自该蓝宝石并进入到该加工液体中的化学提取。在其他实施例中，可将该传感其涂敷PFA，也限制从该蓝宝石膜片的化学提取。
参考图13，显示了该传感器10位于具有液体通道的压力变换器外壳50之内。该蓝宝石膜片密封相对于该主和次密封52和54。出口或排放口62可从该压力变换器外壳的外部延伸到在该主和次密封之间的外壳中。该出口62可释放在该密封之间的压力和/或提供通道用于液体渗透通过该主密封从而离开该压力变换器外壳50。本发明的具有蓝宝石膜片14的传感器50提供耐腐蚀和耐溶解的压力传感器，具有希望的无可测温度或压力滞后的曲率，并且能忍受加工液体温度超过400℃。参考图14，由于该压力传感器能承受高温，在该塑性注入压模处理期间，该压力传感器可替换的模压到该压力变换器的塑料外壳50中作为插入物，由此消除对主和次密封的需要。该外壳本身充当该传感器10的密封。希望放置压力传感器和模块的模型减小产品成本，简化结构，并减小该压力变换器模块的整体尺寸。
参考图15，显示了本发明的其他替换实施例。该传感器10能检测邻近该膜片14的液体的压力和温度。接合垫72以类似的方式形成在该传感器上，并同时作为接合垫26。该电阻器70形成在该玻璃粘合剂16和该膜片14之间。通过将该电阻器放置在该压应力区域的外部，由此避免由压力引发可影响该电阻器70的电阻的应力。该单晶硅电阻器70的电阻具有明确定义的温度依赖性。已经发现，对于高掺杂浓度(p掺杂超过1019原子/cc)，在温度和电阻之间函数近似为线性函数。因此，容易的确定由于电阻改变的温度改变。
图16显示了该传感器10的其他实施例，其中该惠登斯电桥22的电阻器用于确定压力和温度。通过虚线表示该传感器10的外围。再一次，包括该惠登斯电桥的该单晶硅电阻器的电阻具有明确定义的温度依赖性。图16中指定为“Rt”的电阻器76电连接该惠登斯电桥22，但是为零温度系数结构。金属薄膜电阻器符合该需求。例如，没有限制，该电阻器76可位于该压力变换器的检测电子部件中，并且远离该膜片14。该电阻器76的值优选的近似为该惠登斯电桥22电阻值的一半。当利用本领域技术人员公知的多项式连同数据似合过程确定温度时，在温度确定的精确上，压力的影响可忽视。由于该惠登斯电桥22电阻随着温度改变，电压Vt也将变化。在分压电路中，整个电桥额可用作一个电阻器。该电压Vt可用作温度信号，用于模拟或数字校正方案。
该电压Vt将几乎完全依靠该惠登斯电桥22的温度，尤其是如果该硅电阻器严重掺杂。如果该电阻器轻微掺杂，或者如果该用户希望减小温度测量中的不定性，通过矩阵特性可导出该温度。必须利用下面的多项式，其中温度T表示为输Vt和Vp的函数：
T = a ∞ + a 01 V T + a 02 V T 2 + · · · + a 10 V p + a 11 V P V T + a 12 V P V T 2 + · · · + a 20 V P 2 + · · ·
其中通过本领域技术人员公知的最小平方拟合程序获得该系数axx。上述表征连同该数据拟合程序的利用将提供传感器校准的温度输出，为了应变效果而校准该校准的温度输出。因此，以快速的响应时间实现通过单个传感器的压力和温度的同时测量。替换的，如果只希望温度输出，通过在不是应变敏感的轴中定位该电阻器的脚可以避免压力表征。例如，通过定位该电阻器元件45相对于投影C轴45度，来获得蓝宝石上的R平面硅的最大应变灵敏度，在此通过晶体几何结构的米勒指数定义该R平面和C轴。对于和该投影C轴平行或垂直的电阻器元件，该压阻为零。可以旋转该电阻器的轴以消除压力灵敏度。以该方式，可以形成传感器以消除压力灵明度，并且由此只确定最接近该传感器10的温度。
高温玻璃密封(超过700℃)非常坚硬，并且具有比低温粘合方法(典型的450℃玻璃)更小的滞后作用。然而，该高温密封过程将破坏传统丝焊所需的任何结构(接合垫)。常规的替换丝焊的是传导环氧树脂，然而传导环氧树脂具有氧化的倾向，并且随着时间电阻增加。电阻的增加将导致该传感器的输出漂移。本发明的铜焊处理和电引线结构提供提供对该问题的有效解决方案。
当用作铜焊材料时，银和铜是有效的，因为它们倾向快速的扩散到硅或硅基片中，并破坏电/电子结构，该结构放置的远离它们被熔化的位置。在本发明中，在加热期间，钯用来增加该液体铜焊胶的粘性，并用于控制银和铜的移动。
图21和22示意了相关的传感器，本发明的传感器10A(或者压力、温度或者两者都有)设置为具有检测膜片14A的压阻或电容传感器。检测膜片14由一块单晶蓝宝石制成。换句话说，该检测膜片可由单晶金刚石构成。本发明的传感器10A通常包括背衬板12A，检测膜片14A，用于形成在该背衬板12和该膜片14之间的玻璃粘合剂的硅玻璃预制片16A(优选的，高温(超过700℃并具有高强度)的硼硅酸玻璃)，和卷簧电引线18A。在该范例中，背衬板具有从中穿过的孔36A，并调节该引线，并包括至少一个偏移通风孔38A。
在该范例中，该蓝宝石膜片具有大约0.695英寸的直径，并优选的在直径上比硅片16稍微小一些。预制硅片16具有大约0.710英寸的外径，和大约0.380英寸的内径，并且具有大约0.010英寸的厚度。调节引线的孔17A具有大约0.050英寸的直径，并且设置在具有大约0.545的直径的假想的内环上(见图22)。预成型铜焊合金34A优选的是钯、铜、和银(65％Ag；20％Cu和15％Pd)的合成材料，并且具有大约0.047+/-.002英寸的直径和大约.002+/-0.001英寸的厚度。一旦，该铜焊材料熔化在该引线上，拉拔强度最小值应是2磅。
背衬板14A具有96％的铝，并且具有大约0.710+/-.005英寸的直径并具有大约.240+/-.005英寸的厚度。孔36A具有大约.050英寸的直径，而通风孔38A具有直径从.050到.032英寸的锥形直径(在该实施例中)。设置改圆锥末端接近该膜片。
传感器10A的侧视图，如图22所示，示意了大约20％的从背衬板12A上突出的引线18A。如图23所示，该卷簧引线18A具有优选的.32英寸的长度，并优选的包括但不限制，两个死圈部分19A和延伸的中部线圈部分19B。在图22中，死圈部分19A从背衬板12A突出大约其长度的20％。该线圈优选的具有大约.036英寸到.042英寸的直径。镍优选的用于形成卷簧引线，因为它的柔韧性。科瓦铁镍钴合金也可用于形成该卷簧引线，但是因为它的刚性，其工作起来更加困难。
在相关的实施例中，上述的并在图23中示意的该卷簧引线结构也可用在其他电子应用中，其中引线的易弯曲性是优选的，并且涉及断裂该基础基片。
在该传感器的制造期间，重物放在传感器10A的部件的组合上，以确保在该背衬板和该膜片之间形成好的玻璃粘合。在该范例中，使用的重物由不锈钢制成，并且密封表面的每平方英寸重大约100克。优选的是该不锈钢，因为在加工中它不会与其他材料起反应，但是该重物可由其他无反应材料制成。该重物优选的放在具有从其上突出的引线18A的背衬板的侧面。在该范例中，以单一加热/熔融操作，如整个部件经历链式炉，来形成该玻璃粘合剂并铜焊该引线。在相关的实施例中，首先该背衬板和膜片被玻璃粘合在一起。然后将该铜焊材料沿着引线放置在孔中，并且该部件经历大约925℃的铜焊温度，并且慢慢冷却(每分钟大约7-10℃)，以避免基片断裂，整个操作持续大约2小时。该处理时间将取决于该制造的传感器的热质量而改变(例如，传感器越大，冷却时间越长)。
在传感器加工中的其他步骤是优选的形成该玻璃粘合剂以及在非氧化环境中铜焊。在铜焊过程中氧气的存在将引起该半导体表面地氧化作用，由此干扰在该铜焊的引线和膜片上的检测元件之间形成该机械和传导接缝。一个方法是在传感器形成的燃烧室中使用氩气或氮气来代替氧气。另一个方法是在高温下(超过1050℃)使用真空铜焊以避免该设备表面的氧化作用。
为了遵守专利条例，在此以相当多的细节描述了本发明，并为本领域技术人员提供了应用该新颖的原理所需的信息，并构成和使用所需的特殊部件。然而，应当理解，本发明可以通过特定的不同的装置和设备来实施，并且在不脱离本发明范围的情况下，可以实现对设备和操作过程的各种修改。

Claims (13)

1.一种具有无孔外表面的传感器，所述传感器包括：
包括延伸贯穿的孔的背衬板；
具有单晶蓝宝石或单晶金刚石的无孔膜片；
设置在该膜片的内表面之上的检测元件；
具有导线卷簧的至少一个电引线，所述导线卷簧包含镍的或科伐镍基合金，该电引线延伸穿过所述背衬板中的孔中的至少一个，该电引线具有使用高温铜焊成分铜焊在检测元件上的线圈头，电引线确定导线直径，导线卷簧确定外径；和
通过玻璃化粘合该背衬板和该膜片的玻璃层，该玻璃层具有高粘合强度和在700℃和700℃之上的高熔融温度，其中该玻璃层将背衬板粘合到膜片上。
2.如权利要求1的传感器，其中该至少一个电引线具有类似于该膜片的膨胀系数，以减小由于铜焊成分的膜片上的应力，并且该引线在经历单独的高温熔融操作后被冷却。
3.如权利要求1的传感器，其中该铜焊成分包含铜、银和钯。
4.如权利要求1的传感器，还包括：
接合垫，设置在所述玻璃层和所述无孔膜片之间；和
在所述玻璃层上形成的窗口，提供到所述接合垫的入口，其中所述电引线铜焊到所述接合垫上。
5.如权利要求4的传感器，其中所述接合垫包括钛层和扩散膜，并且该无孔膜片包含蓝宝石。
6.一种将电引线粘合到流体处理设备的半导体检测元件上的方法，包括以下步骤：
提供包括单晶蓝宝石或单晶金刚石的膜片；
在该膜片表面布置半导体检测元件；
形成包括线圈元件的电引线；
在该半导体检测元件表面施加铜焊合成材料；
将一部分线圈元件定位在该铜焊材料和该半导体检测元件表面上，以便引线的杆基本垂直于该半导体检测元件的表面；和
加热该铜焊合成材料到足够高的温度，以便该铜焊材料熔化，并且当该铜焊材料冷却时，该线圈元件粘附在该半导体检测元件表面上。
7.如权利要求6的方法，其中形成该线圈元件包括由多个线圈形成的线圈头。
8.如权利要求6的方法，还包括随着时间冷却该铜焊材料，以避免在该基片上由于应力断裂。
9.如权利要求6的方法，其中形成该线圈元件包括在该电引线上形成线圈头。
10.如权利要求6的方法，还包括在加热该铜焊材料之前在该传感器上添加重物的步骤。
11.一种用于将电引线粘合到半导体设备上的方法，包括以下步骤：
形成包括线圈元件的电引线；
提供包含延伸贯穿的孔的背衬板；
提供具有单晶蓝宝石或单晶金刚石的基片，该基片具有半导体元件并用于连接该背衬板；
提供玻璃层，该玻璃层用于通过玻璃化粘合该背衬板和该基片，该玻璃层包括高粘合强度和高熔融温度的材料；
在背衬板的孔中施加铜焊合成材料；和
定位该电引线的线圈元件穿过该背衬板中的至少一个孔，并且邻近该铜焊材料，以便该引线的一部分从该背衬板突出；和
将该铜焊合成材料和该玻璃层加热到足够高的温度，以便该线圈元件铜焊到基片上，并且该背衬板和该基片将共同玻璃化。
12.如权利要求11的方法，其中该电引线包括该线圈元件和杆。
13.如权利要求11的方法，还包括在加热该铜焊材料之前向该传感器添加重物。
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