用于汽車應用的中壓力傳感器的裸片接合設(shè)計的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于汽車應用的中壓力傳感器的裸片接合設(shè)計。通過將MEMS傳感器附接到用低CTE填充劑填充的塑料，該填充劑降低塑料的熱膨脹系數(shù)（CTE）以更接近硅的熱膨脹系數(shù)，來減小在硅微機電壓力轉(zhuǎn)換器（MEMS傳感器）上的熱引發(fā)的應力。使用環(huán)氧樹脂粘合劑/硅石填充劑混合物將MEMS傳感器附接到殼體，當固化時，為匹配殼體的CTE該環(huán)氧樹脂粘合劑/硅石填充劑混合物具有在大約十PPM/°C到大約三十PPM/°C之間的CTE。該粘合劑也具有在操作溫度范圍之上的玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。該設(shè)計提供好的傳感器密封和穩(wěn)定的傳感器輸出。
【專利說明】用于汽車應用的中壓力傳感器的裸片接合設(shè)計
【背景技術(shù)】
[0001]微機電壓力傳感器系統(tǒng)(MEMS)是眾所周知的。它們是由通過相對較厚、相對較重的基底支撐的薄硅隔膜形成的。隔膜響應于通過端口施加到隔膜上的壓力而彎曲。形成到隔膜中的壓電電阻惠斯通橋電路響應于隔膜偏轉(zhuǎn)而改變其電阻。
[0002]MEMS傳感器通常附接到殼體或基底的表面并被用于檢測各種壓力，該殼體或基底將被附接到車輛的組件。為了具有可操作性，MEMS傳感器典型地固定地附接到殼體。在裸
片(die)上形成MEMS傳感器，而且裸片還密封壓力端口并且應具有足夠的強度以防止爆
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[0003]在MEMS裝置的熱膨脹系數(shù)(Cte)和用于MEMS裝置的殼體的熱膨脹系數(shù)之間通常有很大的不同，無論殼體是塑料的還是陶瓷的。當MEMS裝置和殼體用粘合劑接合(bond)在一起時，通過Cte差異引發(fā)的接合應力可以影響MEMS輸出。
[0004]低模量硅廣泛用于減少針對低壓力傳感器的接合應力，當受到三次或更多次最大操作壓力時，低模量硅也應該能夠防止爆裂。然而，低模量裸片接合材料通常不牢固并且因此不是很適合用于中壓傳感器，例如傳動液壓力(transmission fluid pressure)傳感器，發(fā)動機油傳感器等等。中壓傳感器需要更強的接合材料。但是接合應力典型地隨著它們通常更高的模量而增加。增加接合面積可以增加接合強度，但是，增加接合面積通常并不實際或可行，因為MEMS傳感器的尺寸由于至少降低成本(或包裝的物理限制)的原因而日益收縮這一事實。因此應該仔細 考慮接合應力和接合強度。匹配硅MEMS傳感器裝置和基于低模量聚合物的使用的殼體以及安裝粘合劑的熱膨脹系數(shù)將是對現(xiàn)有技術(shù)的改進。
本發(fā)明的簡要說明
[0005]通過將MEMS傳感器附接到用低Cte填充劑填充的塑料，減少對硅微機電壓力轉(zhuǎn)換器(transducer) (MEMS傳感器)的熱引發(fā)的應力，該填充劑降低塑料的熱膨脹系數(shù)(Cte)以更接近于硅的熱膨脹系數(shù)。MEMS傳感器被附接到使用環(huán)氧樹脂粘合劑/硅石填充劑混合物的殼體，當固化時為了匹配殼體Cte該環(huán)氧樹脂粘合劑/硅石填充劑混合物具有在大約10PPM / °C和大約30PPM / °C之間的CTE。該粘合劑也具有在操作溫度范圍之上的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。該設(shè)計提供好的傳感器密封和穩(wěn)定的傳感器輸出。
附圖的簡要說明
[0006]圖1是中壓MEMS傳感器的剖視圖。
[0007]圖2是示出形成圖1所示傳感器的方法的步驟的圖。
詳細說明
[0008]圖1是壓力傳感器100的剖視圖，該壓力傳感器配置為能夠?qū)⒋蠹s10巴和大約70巴之間的壓力轉(zhuǎn)換為可測量的電信號。傳感器100包括由硅形成的常規(guī)微機電壓力傳感器102?？梢蕴砑佑刹ＡЩ蚬柚瞥傻幕蛏w子。因為MEMS傳感器102是硅，所以MEMS傳感器102有相對低的熱膨脹系數(shù)Cte，其在大約百萬分之一(I)每攝氏度和大約百萬分之五
(5)每攝氏度之間。
[0009]硅MEMS傳感器102安裝在相對平坦的安裝表面104上，該安裝表面位于形成在由塑料——例如聚苯硫醚(PPS)、液晶聚合物(LCP)熱塑性塑料或熱固性環(huán)氧樹脂——制成的殼體108內(nèi)部的空腔106內(nèi)部。傳感器102由基于聚合物的粘合劑110——例如環(huán)氧樹脂或雙馬來酰亞胺(BMI)——固定在安裝表面104上的適當位置。
[0010]空腔106由蓋108保護?？梢酝ㄟ^在導電的信號導線114上運送的信號來接入空腔104內(nèi)的其他電子設(shè)備110，112，這些信號導線延伸穿過殼體108的側(cè)壁118。形成延伸穿過殼體108的壓力端口 116以允許流體，即液體和氣體施加壓力或真空到在MEMS傳感器102內(nèi)的薄隔膜上。
[0011]如上所述，硅具有在大約百萬分之一(I)每攝氏度(PPM / V )和百萬分之五(5)每攝氏度(PPM / °C)之間的CTE。殼體塑料具有它們自己的、名義上的熱膨脹系數(shù)Cte，它們明顯大于娃的CTE。基于聚合物的粘合劑也有它們自己的Cte,它們不同于娃的Cte和塑料的
Cte。
[0012]硅的、塑料殼體的和裸片接合粘合劑的不同熱膨脹系數(shù)都有份參與由于不同Cte而生成的接合熱應力。
[0013]塑料殼體的熱膨脹系數(shù)和基于聚合物的粘合劑的熱膨脹系數(shù)可以通過用低CTE填充劑混合塑料和粘合劑而被降低，以匹配硅的熱膨脹系數(shù)。一些熱塑性塑料，例如LCP，可能一開始具有相對低的Cte，但是當和硅的Cte相比時仍然相對較高。
[0014]在一個優(yōu)選實施例中，塑料殼體108由聚苯硫醚或PPS制造，其中混合了玻璃和礦物填充劑。PPS樹脂具有50PPM / °C左右的CTE。該填充劑所具有的Cte因此應該遠小于PPS的 Cte。
[0015]應該加到PPS的數(shù)量上以便產(chǎn)生具有接近硅的Cte的Cte的熱塑性塑料的填充劑數(shù)量由實驗確定并以重量測量。在優(yōu)選實施例中，加到PPS上以便產(chǎn)生具有在大約10PPM / V和大約30PPM / °C之間的Cte的熱塑性塑料的填充劑數(shù)量被確定為大約為PPS和填充劑的混合物重量的百分之六十(60% )，S卩，殼體重量的大約60%是填充劑，殼體重量的大約40%是 PPS。
[0016]環(huán)氧樹脂也有明顯高于硅的Cte的CTE。環(huán)氧樹脂粘合劑的Cte通過與降低PPS的Cte相同的方式被降低。在實施例中，使用有機的、具有在大約10PPM / °C和大約30PPM / V之間的Cte的環(huán)氧樹脂粘合劑110，將硅MEMS傳感器固定在熱塑性塑料安裝表面104上的合適位置。通過將環(huán)氧樹脂110和低Cte填充劑——例如硅石——混合來減少環(huán)氧樹脂110的CTE。加在特定粘合劑上以便調(diào)整粘合劑的Cte來“匹配”殼體/ MEMS裝置的Cte的填充劑含量的百分比或數(shù)量當然將隨著特定粘合劑的改變而改變。在使用環(huán)氧樹脂的優(yōu)選實施例中，環(huán)氧樹脂大約有65 %的填充劑。
[0017]和壓力傳感器/壓力轉(zhuǎn)換器一起使用的粘合劑具有在傳感器的操作溫度上限之上的玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg也是很重要的。通常比最大操作溫度，即上限高20-25°C將避免非線性材料特性變化，該變化可能會影響MEMS傳感器輸出。環(huán)氧樹脂110因此優(yōu)選具有至少一百七十攝氏度(170°C)的玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg，以在高達大約150°C的溫度下施加檢測壓力。
[0018]圖1中所示的壓力傳感器可使用圖2中所描繪的方法形成。
[0019]在第一步驟202，殼體108通過模制熱塑性塑料——例如PPS——與預定數(shù)量的填充劑混合的混合物形成，所述填充劑典型的大約為該混合物重量的60%到65%，使得填充劑的數(shù)量足夠來提供具有大約10PPM / 1:到30PPM / 1:的Cte的最終塑料。[0020]在第二步驟204，混合有預定數(shù)量的硅石填充劑的環(huán)氧樹脂粘合劑被施加到位于塑料殼體108的空腔106內(nèi)部的MEMS安裝表面104上。
[0021]環(huán)氧樹脂需要時間來固化。方法200因此包括延時循環(huán)208和210，重復該延時循環(huán)直到固化環(huán)氧樹脂所需的時間過去。當在步驟210環(huán)氧樹脂固化時間過去時，壓力傳感器組裝的剩余部分可在步驟212完成。
[0022]前面的描述用于圖示。本發(fā)明的真正范圍在下述權(quán)利要求中提出。
【權(quán)利要求】
1.一種壓力傳感器，包括: 由硅形成并包含隔膜的微機電壓力轉(zhuǎn)換器(MEMS傳感器)，該MEMS傳感器具有在大約百萬分之(PPM) —每攝氏度(/ °C )到大約5PPM / °C之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)； 包括用于MEMS傳感器的安裝表面并且具有配置為允許流體將壓力施加到所述隔膜的壓力端口的塑料殼體，該塑料殼體配置為具有在大約百萬分之(PPM)十(10)每攝氏度(/°C)到大約三十(30)PPM / °C之間的熱膨脹系數(shù)，基底具有配置為用于延伸的通孔；以及 具有在大約十PPM / °C和大約三十PPM / °C之間的CTE的粘合劑，該粘合劑位于安裝表面和MEMS傳感器之間，因此將MEMS傳感器附接到安裝表面。
2.權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中所述殼體由第一數(shù)量的塑料混合第二數(shù)量的玻璃礦物填充劑形成，使得由該混合物形成的殼體的CTE在十PPM / °C到三十PPM / °C之間。
3.權(quán)利要求2所述的壓力傳感器，其中塑料包括聚苯硫醚。
4.權(quán)利要求3所述的壓力傳感器，其中填充劑包括玻璃礦物。
5.權(quán)利要求2所述的壓力傳感器，其中該熱固性塑料具有大約50PPM/ V的CTE，并且其中填充劑具有的CTE小于該熱固性塑料的CTE。
6.權(quán)利要求3所述的壓力傳感器，其中第二數(shù)量的填充劑具有在殼體重量的大約百分之五十到大約百分之六十五之間的重量。
7.權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中所述粘合劑是有機粘合劑和填充劑的混合物。
8.權(quán)利要求5所述的壓力傳感器，其中所述粘合劑是具有在大約十九PPM/°C到大約二十四PPM / °C之間的CTE并且還具有至少一百七十攝氏度(170°C )玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的環(huán)氧樹脂，該環(huán)氧樹脂與預定數(shù)量的硅石填充劑混合。
9.權(quán)利要求6所述的壓力傳感器，其中預定數(shù)量的硅石填充劑在混合物重量的大約百分之五十到大約百分之八十之間。
10.權(quán)利要求6所述的壓力傳感器，其中預定數(shù)量的硅石填充劑大約是粘合劑和填充劑混合物重量的百分之六十五。
11.一種形成壓力傳感器的方法，包括: 形成具有用于具有壓力響應隔膜的MEMS壓力傳感器的安裝表面的塑料殼體，該塑料殼體具有配置為允許流體將壓力施加到該隔膜的壓力端口，該塑料殼體配置為具有在大約百萬分之(PPM)十(10)每攝氏度(/ °C )到大約三十(30)PPM / °C之間的熱膨脹系數(shù)，基底具有配置用于延伸的通孔； 將粘合劑層施加到安裝表面，當粘合劑固化時，該粘合劑具有在大約十PPM / °C到大約三十PPM / °C之間的CTE ;并且 在粘合劑固化之前，將粘合劑施加到由硅形成并包括隔膜的微機電壓力轉(zhuǎn)換器(MEMS傳感器)，該MEMS傳感器具有在大約百萬分之(PPM) —每攝氏度(/ °C )到大約5PPM / V之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)。
12.權(quán)利要求11所述的方法，其中形成塑料殼體的步驟包括混合塑料和填充劑的步驟，該塑料具有在大約50PPM / °C到大約80PPM / °C之間的CTE，該填充劑具有的CTE小于該熱固性塑料的CTE。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述塑料包括聚苯硫醚。
14.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述填充劑包括玻璃礦物。
15.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述填充劑在殼體重量的大約百分之五十到大約百分之六十五之間。
16.權(quán)利要求11所述的方法，其中施加粘合劑包括施加混合有填充劑的環(huán)氧樹脂。
17.權(quán)利要求16所述的方法，其中施加粘合劑包括施加環(huán)氧樹脂和預定數(shù)量的硅石的混合物。
18.權(quán)利要求17所述的方法，其中預定數(shù)量的硅石在環(huán)氧樹脂和硅石混合物重量的大約百分之五十到大約百分之七`十之間。
【文檔編號】G01L9/06GK103728064SQ201310607743
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月16日
【發(fā)明者】王仲平 申請人:大陸汽車系統(tǒng)公司