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CN106017750A - 半导体应变仪 - Google Patents

半导体应变仪 Download PDF

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CN106017750A
CN106017750A CN201610240558.6A CN201610240558A CN106017750A CN 106017750 A CN106017750 A CN 106017750A CN 201610240558 A CN201610240558 A CN 201610240558A CN 106017750 A CN106017750 A CN 106017750A
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霍史红
C·布斯奎特
D·冈卡尔维斯
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Sensata Technologies Inc
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Abstract

本公开涉及半导体应变仪.公开了一种用于半导体应变仪压力传感器的方法和装置.装置包括被配置为暴露于压力环境的感测元件，感测元件包括至少一个高掺杂半导体应变仪，该高掺杂半导体应变仪包括5焊盘单惠斯通全电桥，装置还包括设置在载体上并且电耦接到感测元件的电子封装件，所述载体设置在包括感测元件的端口上，壳体围绕感测元件和电子封装件设置，以及装置包括连接器，该连接器连到壳体并且电连接到电子封装件。

Description

半导体应变仪
技术领域
本发明总体涉及传感器，并且更具体地涉及半导体应变仪.
背景技术
一般来说，微熔硅应变仪(MSG)压力传感器在整个汽车产业中广泛使用，应用范围从制动、传动和燃料压力传感器到乘客重力感测.这样的压力传感器通常包括玻璃接合到不锈钢膜片的硅应变仪元件.传感器设计为通过校准它提供了正比于在钢膜片上施加的压力的线性电压输出.
发明内容
以下呈现了创新的简要说明，以提供对本发明一些方面的基本理解.该说明不是本发明的广泛综述.其既不旨在标识本发明的关键或重要元件，也不旨在描绘本发明的范围.其唯一的目的在于以简化的形式呈现本发明的一些概念，作为随后呈现的更详细描述的序幕.
本发明提供了一种用于半导体应变仪的方法和装置.
在一个方面，本发明特征在于一种装置，其包括配置为暴露于压力环境的感测元件，感测元件包括至少一个高掺杂半导体应变仪，该高掺杂半导体应变仪包括5焊盘单惠斯通全电桥，装置还包括设置在载体上并且电耦接到感测元件的电子封装件，所述载体设置在包括感测元件的端口上，本装置还包括围绕感测元件和电子封装件设置的壳体以及连到壳体并且电连接到电子封装件的连接器，连接器包括外部接口.
在另一方面，本发明特征在于一种高掺杂半导体应变仪，其包括5焊盘单惠斯通全电桥、4个压阻式电阻器以及侧壁上的绝缘层.
这些和其它特征以及优点将从下面的详细描述的阅读中以及相关附图的查阅中变得显而易见.可以理解的是，前面的大致描述和下面的详细描述都仅是解释性的，并不是对所要求的方面的限制.
附图说明
通过参照详细描述结合下面附图，本发明将被更充分地理解，其中：
图1A、图1B和图1C为示例性微熔硅应变仪(MSG)压力传感器的示图.
图2为根据本发明的示例性高掺杂半导体单个全惠斯通应变仪的示图.
图3示出了本发明的半导体单个全惠斯通应变仪的顶视图.
图4示出了包括绝缘层的高掺杂半导体应变仪的截面图.
具体实施方式
现在参照附图描述本主题的创新，其中相似的附图标记用来指代各处的相似元件.在下面的描述中，出于解释的目的，提出了多个具体细节以便提供对本发明的透彻理解.然而，会显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其它情况下，公知的结构和设备以框图的形式示出，以便于帮助描述本发明.
在下面的描述中，术语“或”旨在表示包括性的“或”，而不是排他性的“或”.即，除非另有规定，或者从上下文可以清楚知道，则“X采用A或B”旨在表示自然的包括性排列的任何一种.也就是说，如果X采用A，X采用B，或者X采用A和B，则在前述情况的任一种下满足“X采用A或B”.此外，在本说明和附图中使用的冠词“一”通常应被解释为表示“一个或多个”，除非另有规定或从上下文清楚看出是指单数形式.
如图1A所示，示例性压力传感器100示出为包含在壳体110内.壳体110包括弹簧导向件120，其可以包括多个弹簧130.弹簧130可以从弹簧导向件120的顶端突出.图1B为图1A中描绘的压力传感器100的剖面图，其中剖面图为沿着轴A.
如图1B所示，压力传感器100围绕长轴设置.感测元件膜片140通过内部钻孔150而暴露于外部环境(即，压力环境)，内部钻孔150开放到环境.内部钻孔150围绕轴A-A中心设置，并且设在压力端口160内.印刷电路板(PCB)170安装在压力端口160上，并且通常垂直于长轴，其沿着图1A所示的轴设置.通常地，PCB170设置在压力端口160上，其间具有合适的凝胶180.支撑环190围绕PCB170周向设置，并且用于保持PCB170的定心，而弹簧130与弹簧保持器200协作.
如图1C所示，PCB170承接玻璃基板210，在玻璃基板210上安装至少一个应变仪220。由接合导线230将各个应变仪220电耦接到PCB170.
如图2所示，根据本发明的示例性高掺杂半导体单个全惠斯通应变仪220玻璃接合到钢制端口160的顶表面240上，其中“P”指的是施加到钢制端口160的压力的方向.
如图3所示，半导体单个全惠斯通应变仪220的顶视图包括4个压阻式电阻器250(R2)、260(R3)、270(R1)、280(R4).此外，在一个实施例中，应变仪220包括5个焊盘290、300、310、320、330.在一个实施例中，焊盘290、330为电桥输出，焊盘310为接地，并且焊盘300、320为电压供给.这样的5焊盘硅仪器配置使得接地焊盘310位于中间，并且当压力施加到钢制端口160时，使得接地焊盘310连接拉伸的电阻器(250)和压缩的电阻器(280)，同时，260为拉伸的而270为压缩的，从而惠斯通电桥形成为感测压力变化.相比于使用两个半电桥，这样的5焊盘硅仪器配置还使得成本降低.而且，由于两对电阻器是对称的，这样的5焊盘硅仪器配置减小了压力非线性.此外，这样的具有5个相同取向的平行焊盘的5焊盘硅仪器配置使引线接合过程变得容易.
如图4所示，如前所述的高掺杂半导体应变仪220通常由玻璃340接合到钢制压力端口160.玻璃绝缘电阻和化学网络接合对于一定温度范围是良好的.当环境温度增加到阈值水平时并且如果传感器持续被供电，由于外延(EPI)层直接与玻璃接触，则在玻璃中存在显著的离子迁移和聚集；这可能改变半导体硅仪器的电阻并且导致传感器输出漂移.高掺杂半导体应变仪220包括在仪器侧壁上的绝缘层350，以隔离仪器并且阻止运动离子迁移.因此，包括绝缘层350显著地降低了传感器信号漂移.在实施例中，绝缘层350可以为一氮化硅(SiN)或者是氮化硅(Si3N4).
在其它实施例中，高掺杂半导体应变仪220可以配置为3焊盘半电桥、4焊盘全电桥、6焊盘全电桥等等.这些实施例中的每一个可以包括侧壁氮化物沉积物/绝缘层.
可以使用“一个实施例”或者“实施例”连同其衍生的表达来描述一些实施例.这些术语表示与实施例一起描述的特定的特征、结构或者特性被包括在至少一个实施例中.说明书中的各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定全部指的是同一实施例.
尽管已经参照本发明优选实施例具体示出并描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解，在不背离由所附权利要求限定的本申请的精神和范围的情况下可以做出各种形式上和细节上的改变.这样的变化旨在被本申请的范围来覆盖.因此，本申请实施例的前述描述并不旨在限制.而是，对本发明的任何限制呈现在下面的权利要求中。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
感测元件，所述感测元件被配置为暴露于压力环境，所述感测元件包括至少一个高掺杂半导体应变仪，所述高掺杂半导体应变仪包括5焊盘单惠斯通全电桥；
电子封装件，所述电子封装件设置在载体上并且电耦接到所述感测元件，所述载体设置在包括所述感测元件的端口上，壳体围绕所述感测元件和所述电子封装件设置；以及
连接器，所述连接器连到所述壳体并且电连接到所述电子封装件，所述连接器包括外部接口。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述高掺杂半导体应变仪还包括侧壁上的绝缘层。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述绝缘层包括一氮化硅SiN。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述绝缘层包括氮化硅Si3N4。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述5焊盘单惠斯通全电桥包括：
第一电桥输出焊盘；
第一电压供给焊盘；
接地焊盘；
第二电压供给焊盘；以及
第二电桥输出焊盘。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述接地焊盘位于所述第一电压供给焊盘和所述第二电压供给焊盘之间。
7.根据权利要求5所述的装置，其中所述5焊盘单惠斯通全电桥还包括4个压阻式电阻器。
8.根据权利要求5所述的装置，其中所述第一电桥输出焊盘、所述第一电压供给焊盘、所述接地焊盘、所述第二电压供给焊盘和所述第二电桥输出焊盘在相同的取向上并且平行排列。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述5焊盘单惠斯通全电桥包括两个具有侧壁沉积物的半电桥。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述高掺杂半导体应变仪包括3焊盘半电桥、4焊盘全电桥或6焊盘全电桥中的一种。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述高掺杂半导体应变仪还包括侧壁氮化物沉积物/绝缘层。
12.一种高掺杂半导体应变仪，包括：
5焊盘单惠斯通全电桥；
4个压阻式电阻器；以及
侧壁上的绝缘层。
13.根据权利要求12所述的高掺杂半导体应变仪，其中所述绝缘层包括一氮化硅SiN。
14.根据权利要求12所述的高掺杂半导体应变仪，其中所述绝缘层包括氮化硅Si3N4。
15.根据权利要求12所述的高掺杂半导体应变仪，其中所述5焊盘单惠斯通全电桥包括：
第一电桥输出焊盘；
第一电压供给焊盘；
接地焊盘；
第二电压供给焊盘；以及
第二电桥输出焊盘。
16.根据权利要求15所述的高掺杂半导体应变仪，其中所述接地焊盘位于所述第一电压供给焊盘和所述第二电压供给焊盘之间。
17.根据权利要求15所述的高掺杂半导体应变仪，其中所述第一电桥输出焊盘、所述第一电压供给焊盘、所述接地焊盘、所述第二电压供给焊盘和所述第二电桥输出焊盘在相同的取向上并且平行排列。
18.根据权利要求12所述的高掺杂半导体应变仪，其中所述5焊盘单惠斯通全电桥包括两个具有侧壁沉积物的半电桥。
19.根据权利要求12所述的高掺杂半导体应变仪，其中采用3焊盘半电桥、4焊盘全电桥或6焊盘全电桥中的一种来代替所述5焊盘单惠斯通全电桥。
20.根据权利要求19所述的高掺杂半导体应变仪，其中所述高掺杂半导体应变仪还包括侧壁氮化物沉积物/绝缘层。
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