專利名稱：石英傳感器系統(tǒng)以及它的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
實(shí)施例大體上涉及檢測(cè)方法和系統(tǒng)。實(shí)施例還涉及壓力和溫度傳感器。另外，實(shí)施例還涉及表面聲波(SAW)裝置和傳感器。
背景技術(shù)：
壓力傳感器在有必要需要監(jiān)控壓力的任何時(shí)候得以利用。這種裝置理想地適合諸如輪胎壓力檢測(cè)的應(yīng)用。應(yīng)該相信的是，通過將表面聲波(SAW)裝置定位到諸如石英等壓電材料內(nèi)蝕刻的膜片上，可以實(shí)現(xiàn)壓力傳感器。然而，至今，技術(shù)障礙已經(jīng)阻礙了這種裝置有效地實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，存在一種很強(qiáng)的需求，即，在苛刻的環(huán)境中或者與旋轉(zhuǎn)部件結(jié)合來利用壓力和溫度傳感器，如在輪胎壓力監(jiān)控應(yīng)用的情況下。為了實(shí)現(xiàn)壓力檢測(cè)裝置已經(jīng)做出了很多嘗試?，F(xiàn)有的設(shè)計(jì)需要大的基底和電路尺寸，并且還需要在生產(chǎn)過程中昂貴的校準(zhǔn)處理。

發(fā)明內(nèi)容
提供本發(fā)明的下述概要，從而幫助理解只有本發(fā)明才有的一些創(chuàng)新特征，并且不企圖是一個(gè)完整的描述。通過把整個(gè)說明書、權(quán)利要求書、附圖和摘要作為一個(gè)整體，可以得到本發(fā)明各個(gè)方面的完全理解。
因此，本發(fā)明的一個(gè)方面是提供改進(jìn)的基于傳感器的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供一種改進(jìn)的基于SAW傳感器的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的又一個(gè)方面是提供改進(jìn)的基于石英SAW傳感器的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的前述方面以及其它目的和優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)在可以如這里所述的而獲得。公開了基于石英傳感器的方法和系統(tǒng)，其中，多個(gè)檢測(cè)膜片可以被機(jī)械地仿真，以便在石英晶片基底上實(shí)現(xiàn)。于是，石英晶片基底可以適當(dāng)?shù)乇晃g刻，從而從石英晶片基底中生產(chǎn)石英膜片。于是，多個(gè)檢測(cè)元件和裝置(例如，壓力，參考和/或溫度SAW諧振器)可以被定位到石英晶片基底上，其基于為了在基底上實(shí)現(xiàn)而先前仿真的檢測(cè)膜，從而從石英晶片基底中生產(chǎn)石英傳感器封裝。


附圖中同樣的參考數(shù)字指的是遍及不同視圖的相同或功能相似的元件，附圖被引入并且形成說明書的一部分，并且結(jié)合本發(fā)明的詳細(xì)描述進(jìn)一步闡明本發(fā)明，用來解釋本發(fā)明的原理。
圖1示出了描繪在均勻分布的壓力負(fù)荷下在具有夾緊的外邊緣的圓形平板中應(yīng)力定性表示的曲線圖，其可以被用作提供對(duì)于本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例理論支持的基礎(chǔ)；圖2示出了描繪具有安全系數(shù)c作為參數(shù)，依據(jù)石英膜片半徑/膜片厚度與壓力的關(guān)系所表達(dá)的石英膜片可允許彈性變形范圍的曲線圖，其可以被用作提供對(duì)于本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例理論支持的基礎(chǔ)；圖3示出了描繪標(biāo)準(zhǔn)化的徑向和切向應(yīng)力與從膜片中心到邊緣的標(biāo)準(zhǔn)化距離的關(guān)系的詳細(xì)相關(guān)性的曲線圖，其可以被用作提供對(duì)于本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例理論支持的基礎(chǔ)；圖4示出了描述作為膜片厚度函數(shù)的石英膜片最大彎曲的曲線圖和相關(guān)表，其可以被用作提供對(duì)于本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例理論支持的基礎(chǔ)；圖5示出了描述作為膜片厚度函數(shù)的石英膜片最大彎曲的曲線圖和相關(guān)表，其可以被用作提供對(duì)于本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例理論支持的基礎(chǔ)；圖6示出了在石英片上構(gòu)造的三個(gè)SAW-諧振器的框圖，其可以被用作提供對(duì)于本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例理論支持的基礎(chǔ)；圖7示出了，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，如在圖6中的，與圖6相同的三個(gè)SAW諧振器的框圖，其中，壓力SAW諧振器部分地定位在石英膜片上，另兩個(gè)SAW諧振器構(gòu)造在石英片上大致相同的位置；圖8示出了，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可替換實(shí)施例，圖6中描繪的三個(gè)SAW諧振器的框圖，其中，壓力SAW諧振器部分地定位在石英膜片上，以致于另兩個(gè)SAW諧振器以更緊湊的排列構(gòu)造；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可替換實(shí)施例，與整體地定位在石英膜片的拉應(yīng)力區(qū)上的壓力SAW諧振器，以及定位在無應(yīng)力區(qū)內(nèi)的T-SAW和參考SAW相關(guān)的圖6中描繪的三個(gè)SAW諧振器的框圖；圖10示出了，石英干蝕刻速度與SF6蝕刻壓力/流速的關(guān)系的曲線圖，與此同時(shí)，呈現(xiàn)了蝕刻參數(shù)對(duì)石英表面粗糙度的影響；圖11示出了大體上描繪AFM粗糙度估計(jì)的曲線圖；圖12示出了大體上描繪自偏壓對(duì)AT石英蝕刻速度的影響的曲線圖；圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的石英封裝SAW壓力傳感器的截面圖；圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可替換實(shí)施例的石英封裝SAW壓力傳感器的截面圖；圖15示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的利用微加工的石英檢測(cè)膜片實(shí)現(xiàn)的SAW壓力傳感器的框圖。
具體實(shí)施例方式
在這些非限制的實(shí)例中討論的特殊值和結(jié)構(gòu)可以改變，并且，僅被引用來說明本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例，并且不作為對(duì)于本發(fā)明范圍的限制。
這里公開的實(shí)施例大體上描述了一種用于壓力檢測(cè)的蝕刻石英圖的機(jī)械設(shè)計(jì)方法以及用于深度石英蝕刻、直接的石英-石英(quart-to-quartz)封裝以及伸出到石英殼體外部的金屬連接的技術(shù)。因此，相對(duì)于本發(fā)明的各不同實(shí)施例，在這里描述了對(duì)于SAW傳感器詢問的新方法和系統(tǒng)。這些概念可以應(yīng)用到基于多個(gè)SAW諧振器實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)構(gòu)造上。
這些SAW諧振器中的一個(gè)可以至少部分地在壓力檢測(cè)膜片上(即，被稱作“Pres-SAW”)。剩余的諧振器(即，Ref-SAW和T-SAW)可以被定位在無應(yīng)力區(qū)?？梢岳肞-SAW和Ref-SAW傳感器差動(dòng)地測(cè)量壓力，同時(shí)可以利用定位在無應(yīng)力區(qū)域的Ref-SAW和T-SAW傳感器以差動(dòng)的方式測(cè)量溫度。在溫度測(cè)量的情況下，為了石英基底上的溫度測(cè)量，可以推測(cè)出相位速度的溫度系數(shù)以及頻率的溫度系數(shù)的各向異性。對(duì)于利用的每種類型的石英，可以優(yōu)選地實(shí)現(xiàn)T-SAW諧振器相對(duì)于其它SAW傳感器的SAW傳播方向的最佳傾斜。
在設(shè)計(jì)和制造用于溫度和壓力測(cè)量的無線和/或基于無源石英的SAW傳感器之前，應(yīng)該執(zhí)行在膜片上的應(yīng)變狀況的機(jī)械仿真，從而確保在壓力和溫度操作的整個(gè)范圍期間，執(zhí)行石英SAW傳感器的可靠和彈性的行為。
取決于要測(cè)量的壓力范圍，壓力下彎曲的石英膜片可以從由為了封裝和過壓止動(dòng)所利用的另一個(gè)石英晶片在邊緣支撐的較薄石英晶片(即，在沒有任何蝕刻區(qū)域的條件下)構(gòu)造，或者通過選擇性地蝕刻石英構(gòu)造，從而獲得蝕刻的石英壓力檢測(cè)膜片?？梢詷?gòu)造通過濕和/或干石英蝕刻執(zhí)行的石英膜片，用于較小的壓力測(cè)量。通常，石英膜片機(jī)械行為的分析仿真可以提供若干結(jié)果，其相對(duì)于圖1-9的實(shí)施例在這里大體上得到描述。
圖1示出了描繪在均勻分布的壓力負(fù)荷p(N/m2)下在具有夾緊的外邊緣的圓形平板中應(yīng)力的定性表示的曲線圖100。結(jié)果由具有小彎曲(即，最大彎曲大致小于膜片厚度的五倍)的大板(即，板的厚度大約小于膜片最小開口-在圓盤情況下的直徑的10倍)的理論獲得。曲線圖100指示了標(biāo)準(zhǔn)化的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的徑向分布，如箭頭102指示的。應(yīng)力通常由軸108指示。曲線104和106指示由均勻分布的壓力負(fù)荷在膜片上分別引起的切向和徑向應(yīng)力，同時(shí)，箭頭110，111和112指示在膜片中心和夾緊膜片邊緣上的這種應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)化表示。
插入圖113也與曲線圖100結(jié)合，描繪在圖1中，代表夾緊的膜片，即，通過邊緣連結(jié)(bonded)的圓形平板114。在圓形平板114上均勻分布的壓力通常由在插入圖116中的多個(gè)箭頭指示，也描繪在圖1中。注意，相同的插入圖113和116在這里還在圖2-5中示出。大體上，圖1的曲線圖100描繪了作為距離膜片114中心的標(biāo)準(zhǔn)化距離(r/r0)的函數(shù)的膜片114上的應(yīng)力分布。
圖2示出了描繪依據(jù)石英膜片半徑/膜片厚度與壓力的關(guān)系表達(dá)的石英膜片可允許彈性變形范圍的曲線圖200。這樣一種構(gòu)造也由具有小彎曲的大板理論以及用于保持變形在彈性范圍內(nèi)的條件獲得(即，引起的最大應(yīng)力-其是在夾緊邊緣的徑向應(yīng)力-小于膜片材料的彈性/斷裂極限的“c”倍，“c”是安全系數(shù)，通常在1和3之間)。
曲線圖200大體上描繪了比率r0/h值與應(yīng)用到板114上的最大壓力的可允許值的范圍，該彈性變形由最大應(yīng)力σelastic/fracture＝50MPa調(diào)節(jié)。因此，曲線圖200指示，對(duì)于特定膜片厚度可以推出并利用膜片114的最大半徑，以致于對(duì)于某一壓力和安全系數(shù)可以獲得膜片114的彈性行為。
圖3示出了描繪標(biāo)準(zhǔn)化的徑向和切向應(yīng)力與從膜片114中心到膜片114邊緣的標(biāo)準(zhǔn)化距離的關(guān)系的詳細(xì)相關(guān)性的曲線圖300，由具有小彎曲的圓形盤理論獲得。曲線圖300大體上描述了與夾緊膜片相關(guān)的，對(duì)于諸如板114的石英圓形板的標(biāo)準(zhǔn)化的徑向和切向應(yīng)力(即，σr，θ/σ0，其中變量σ0代表膜片中心的應(yīng)力)。由圖3的曲線圖300指示的結(jié)果通常對(duì)于SAW裝置的聲波靈敏性的估計(jì)是優(yōu)選的。
圖4和5示出了曲線圖400和500，以及相關(guān)表402，404和502、504，其描繪了作為膜片厚度函數(shù)的石英膜片最大彎曲，這從具有小彎曲的大板理論以及保持變形在彈性范圍內(nèi)的條件獲得。圖4和5的曲線圖400和500以及各個(gè)表402，404和502、504大體上提供了，對(duì)于膜片半徑和安全系數(shù)的不同值，在150psi壓力下，作為膜片厚度函數(shù)的石英膜片114的最大彎曲。圖4和5的曲線圖400和500以及各個(gè)表402，404和502、504可以解釋為，對(duì)于給定壓力負(fù)荷以及膜片厚度和安全系數(shù)的不同值的膜片厚度可允許范圍的供給者。這種結(jié)果對(duì)于圓形膜片和過壓止動(dòng)的幾何特性的計(jì)算以及所有石英封裝技術(shù)的設(shè)計(jì)是有用的。
應(yīng)力的機(jī)械分析仿真(即，見圖1和3)證明了，對(duì)于半徑r0的圓形膜片，可以獲得具有大致0.6r0半徑r的拉力(即，+sign)中心區(qū)域，同時(shí)到它邊緣的膜片114的剩余部分(即，0.4r0寬度)將被壓縮(即，-sign)。徑向和切向拉應(yīng)力在膜片114的中心是最大的，并且分別對(duì)于徑向應(yīng)力在r＝0.55r0處減少到零，對(duì)于切向應(yīng)力在r＝0.9r0處減少到零。對(duì)于r＞0.55r0，徑向應(yīng)力變?yōu)樨?fù)，同時(shí)切向應(yīng)力對(duì)于r＞0.9r0變?yōu)樨?fù)，最大壓縮對(duì)于兩種應(yīng)力類型在膜片114的邊緣獲得。
從分析仿真獲得的徑向和切向應(yīng)變對(duì)于定位在膜片114上的SAW-諧振器的聲波靈敏性的估計(jì)是非常重要的。徑向和切向應(yīng)力之間的組合是形成SAW裝置聲波靈敏性的原因?？梢酝ㄟ^在優(yōu)化所有SAW振蕩器的石英封裝期間實(shí)驗(yàn)確認(rèn)證實(shí)的這樣一種結(jié)果，對(duì)于膜片上SAW諧振器的靈敏性、設(shè)計(jì)和位置是必要的。這種結(jié)果對(duì)于封裝技術(shù)也是必要的，從而獲得它的無應(yīng)力密封。取決于設(shè)計(jì)者希望的靈敏度等級(jí)，用于測(cè)量壓力和溫度的三個(gè)SAW諧振器傳感器的位置可以利用多種構(gòu)造實(shí)現(xiàn)。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在石英片600上構(gòu)造的三個(gè)SAW-諧振器618、614和616的框圖。在圖6描繪的實(shí)施例中，可以將SAW諧振器614(即，Pres-SAW)定位在更靠近邊緣的石英片600上，以致于它受到壓應(yīng)力。以這種方式，整個(gè)傳感器可以僅“看到”一個(gè)壓縮區(qū)。可以將參考SAW諧振器616(即，Ref.SAW)定位在外面，可以通過確定SAW諧振器614和SAW諧振器616之間的頻率差來測(cè)量。
相似地，溫度可以以差動(dòng)的方式測(cè)量，其中將兩個(gè)SAW傳感器(即，T-SAW和Ref.SAW)定位在無應(yīng)力區(qū)。在圖6的構(gòu)造中，溫度可以從SAW諧振器618(即，T-SAW)和SAW諧振器616(即，Ref.SAW)之間的頻率差獲得。三個(gè)SAW諧振器的這種定位方式對(duì)于消除溫度對(duì)壓力測(cè)量的影響以及相反影響是必要的改進(jìn)。在圖6中，區(qū)域604的半徑r大約等于0.6r0，其大約等于2.7mm，如箭頭606所指示的。箭頭608指示大約4.5mm的半徑r0。箭頭612指示0.4r0大約等于1.8mm，箭頭610指示大約1.5mm的Pre-SAW諧振器614的長(zhǎng)度。箭頭628和624分別指示大約11mm(即，長(zhǎng)度)和10mm(即，寬度)的石英片600的尺寸。
圖6大體上示出了通過考慮幾種假設(shè)，對(duì)于從0到150psi范圍內(nèi)的壓力測(cè)量，石英膜片的機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)例。第一種假設(shè)是石英強(qiáng)度等于50MPa(拉應(yīng)力)，其代表對(duì)于石英膜片彈性極限的計(jì)算為最差的情況。第二種假設(shè)是，安全系數(shù)c等于1.5。第三種假設(shè)是將SAW諧振器614(即Pres-SAW)定位在靠近它邊緣的圓形膜片602的壓縮區(qū)域內(nèi)，并且占用沿著半徑大約0.33r0的長(zhǎng)度L，其代表大約1.5mm。該值由915MHz的操作頻率引起，并且頻率帶寬來自于無許可(license-free)域。第四種假設(shè)基于獲得壓力靈敏度高值的想法。這種假設(shè)可以通過最優(yōu)化徑向和切向應(yīng)力的組合實(shí)現(xiàn)，這在膜片的壓縮區(qū)域是可能的。
對(duì)于與上述假設(shè)相關(guān)的要測(cè)量的150psi的最大壓力，仿真結(jié)果提供了大約等于4.5mm的膜片半徑r0，如圖6中箭頭608所指示的。對(duì)于c＝1.5的安全因子，膜片半徑和膜片厚度之間的比率小于6.67。這樣一種構(gòu)造提供了675微米的石英膜片厚度。這種解決方案的優(yōu)勢(shì)包括這樣的事實(shí)，即，SAW諧振器614(即，Pres-SAW)的位置全在壓縮區(qū)域內(nèi)，其中高壓力靈敏度產(chǎn)生。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，SAW諧振器616(即，Ref.SAW)和SAW諧振器618(即，T-AW)定位在無應(yīng)力區(qū)域上，其中，降低的測(cè)量壓力的的溫度相關(guān)性產(chǎn)生。圖6的這種構(gòu)造的缺點(diǎn)包括增加的片大小和膜片厚度，以及長(zhǎng)的金屬化路徑。長(zhǎng)的金屬連接會(huì)增加傳感器的電串聯(lián)電阻，并且還可能影響這種裝置的品質(zhì)因數(shù)(Q)。
圖7示出了與壓力SAW諧振器714(即，Pres-SAW傳感器)相關(guān)的圖6中描繪的三個(gè)SAW諧振器的框圖的實(shí)例，壓力SAW諧振器714部分地定位在石英膜片702上。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可替換實(shí)施例，另外兩個(gè)SAW傳感器718和716可以被構(gòu)造在與圖6所示的石英片大約相同的位置。在圖7描述的構(gòu)造中，可以將一組P-SAW傳感器的反射器定位在無應(yīng)力區(qū)域上。
在圖7的實(shí)例中，區(qū)域704的半徑r大約等于0.6r0，其大約等于1.5mm，如箭頭706指示的。箭頭708指示大約2.5mm的半徑r0。箭頭712指示0.4r0大約等于1mm，同時(shí)，箭頭710指示了大約1.5mm的Pres-SAW諧振器714的長(zhǎng)度。箭頭728和724分別指示了石英片700的尺寸大約是6.5mm(即，長(zhǎng)度)和6mm(即，寬度)。
圖7描繪的構(gòu)造的優(yōu)勢(shì)在于，SAW諧振器716(即，Ref SAW)和SAW諧振器718(即，T-SAW)定位在無應(yīng)力區(qū)域上。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是測(cè)量壓力的溫度相關(guān)性的降低和片尺寸的降低，特別是相對(duì)于圖6中描繪的實(shí)例。圖7構(gòu)造的缺點(diǎn)是SAW諧振器714(即，Pres-SAW)的部分位置在壓縮區(qū)域上，其由箭頭710指示，其中可能導(dǎo)致壓力靈敏度的減小，特別是相對(duì)于圖6中描繪的構(gòu)造。圖7構(gòu)造的其它缺點(diǎn)包括長(zhǎng)的金屬化路徑。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可替換實(shí)施例，與部分地定位在石英膜片802上的壓力SAW諧振器814，以及以更緊湊的排列構(gòu)造的兩個(gè)其它SAW諧振器816和818相關(guān)的圖6中描繪的三個(gè)SAW-諧振器的框圖。擁有如箭頭808指示的2.5mm的半徑r0的膜片802，大體上定位在石英片800上，并且包括具有半徑r＝0.6r0＝1.5mm的拉力區(qū)804，如箭頭806所指示的。石英片800的寬度大約是6mm，如箭頭824所指示的，同時(shí)石英片800的長(zhǎng)度大約是7.5mm，如箭頭828指示的。箭頭812指示0.4r0＝1mm。箭頭810和815分別指示分別大約為1.5mm和1.2mm的Pres-SAW諧振器814的長(zhǎng)度和寬度。SAW諧振器816可以作為Ref.SAW實(shí)現(xiàn)，同時(shí)SAW諧振器818可以作為T-SAW實(shí)現(xiàn)。
存在于圖7中構(gòu)造的一些相同的缺點(diǎn)也存在于圖8描繪的實(shí)例中。然而，圖8的構(gòu)造呈現(xiàn)了一些優(yōu)勢(shì)，諸如三個(gè)SAW諧振器(傳感器)818，814和816之間的短金屬連接，其有助于金屬的低串聯(lián)電阻以及因此提供了高品質(zhì)因數(shù)。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可替換實(shí)施例，與整體地定位在石英膜片902的拉應(yīng)力區(qū)上的壓力SAW諧振器914，以及定位在石英片900上無應(yīng)力區(qū)內(nèi)的SAW諧振器918(即，T-SAW)和參考SAW諧振器916(即，Ref.SAW)相關(guān)的圖6中描繪的三個(gè)SAW諧振器的框圖。在圖9中描繪的可替換實(shí)施例中，石英片900大體上具有如箭頭924指示的6mm的寬度，以及由箭頭928指示的7.5mm的長(zhǎng)度。石英膜片902的拉應(yīng)力區(qū)域904具有如箭頭906指示的r＝0.6r0＝1.5mm的半徑。
膜片902的半徑r0大約等于2.5mm，如箭頭908所示。箭頭920代表“在石英上的X方向”，同時(shí)箭頭912指示膜片902的壓應(yīng)力區(qū)的0.4r0＝1mm的距離。在圖9描繪的構(gòu)造中，SAW諧振器914(即，Pres.SAW)完全地定位在通常由箭頭906指示的r＝0.6r0＝1.5mm的拉應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，從膜片902的中心開始，到拉和壓區(qū)域之間的邊界，其通常由虛的圓形線930指示。另兩個(gè)傳感器(即，SAW諧振器916和918)定位在膜片902外面，在無應(yīng)力表面上，盡可能接近SAW諧振器914(即，Pres-SAW傳感器)。
在這種情況下的聲波靈敏度可以在靠近拉和壓區(qū)域之間邊界(即，見虛線930)的膜片區(qū)域上最大化?；谖g刻石英膜片，該檢測(cè)原理已經(jīng)推動(dòng)了一種用于新一代高頻SAW壓力傳感器的方法，其中，SAW傳感器區(qū)域和膜片直徑可以盡可能的最小化。通常，蝕刻石英膜片制造需要高蝕刻速度，但是這種需要和實(shí)現(xiàn)平的蝕刻表面的需要是兩個(gè)相當(dāng)沖突的條件，這可以利用優(yōu)化的高密度等離子蝕刻技術(shù)和設(shè)備完成，其中，可以有效地做出蝕刻速度和表面粗糙度之間的折衷。
例如，高達(dá)0.3微米每分鐘的蝕刻速度和大約2nm的表面粗糙度可以經(jīng)由利用SF6蝕刻氣體，低處理壓力(例如，2mTorr)和自偏壓(例如，340V)的感應(yīng)耦合的等離子反應(yīng)離子蝕刻(ICP RIE)獲得。圖10-12在這里示出了這種參數(shù)的實(shí)例，并且其僅用于通用的說明性和涉及上下文的目的。此外，這些圖可以用作為對(duì)于這里公開的實(shí)施例的理論支持。Abe和Esashi(傳感器&執(zhí)行器，A82，2000，pp.139-143)以非限制參考的更詳細(xì)的方式提出了這些參數(shù)的實(shí)例。
圖10示出了AT石英干蝕刻速度與SF6蝕刻壓力/流速的關(guān)系的曲線圖1000，同時(shí)，描繪了蝕刻參數(shù)對(duì)ICP-RIE中AT石英表面粗糙度的效果。另一方面，圖11示出了圖解構(gòu)造110，其包括描繪AFM粗糙度估計(jì)的曲線圖1104和1102，其中，粗糙度平均值大體上小于2nm。圖12示出了描繪自偏壓對(duì)ICP RIE中AT石英蝕刻速度和表面質(zhì)量的影響的曲線圖1200。
通常，增加SAW傳感器操作的頻率可以決定SAW裝置尺寸的強(qiáng)減少，同時(shí)，可以容易地實(shí)現(xiàn)保持在無許可頻帶中操作的頻率帶寬限制。SAW濾波器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)還可以應(yīng)用于限定交叉指型轉(zhuǎn)換(IDT)域。因?yàn)橹苯拥氖⒔雍霞夹g(shù)需要非常平的表面，優(yōu)選的是使用金屬離子注入作為創(chuàng)造從全石英封裝內(nèi)到外部焊接區(qū)的導(dǎo)電路徑的方法。鈦代表一種優(yōu)選的金屬類型，鈦?zhàn)⑷氲哪芰亢蛣┝坑稍O(shè)計(jì)的導(dǎo)電路徑電阻率決定，如由到傳感器天線的適應(yīng)電路(adaptation circuit)所需要的。
用于封裝和封閉SAW裝置的材料選擇會(huì)在溫度相關(guān)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性上具有極大的影響，因?yàn)槎ㄎ籗AW裝置的石英基底表面上的任何熱應(yīng)力會(huì)改變操作頻率。因此，SAW壓力傳感器的封裝是關(guān)鍵的處理，類似于壓阻壓力傳感器的封裝。為了避免由熱膨脹系數(shù)失配引起的熱應(yīng)力，和通過構(gòu)建過壓止動(dòng)來保護(hù)石英膜片，在如下的直接石英-石英晶片連接處理的環(huán)境中，可以實(shí)現(xiàn)真正的全石英封裝(TAQP)技術(shù)1、原始樣品的(as-received)石英晶片的微觀粗糙度估計(jì)(AFM∶RMS＜1.3nm)；2、處理過的石英罩(晶片級(jí))和石英SAW基底(晶片級(jí))的微觀粗糙度估計(jì)(AFM∶RMS＜1.3nm)；3、在煮沸的濃縮的HNO3中親水性處理石英罩和石英SAW基底30-50分鐘(即，通常RMS在該處理后減少)；4、在DI水中沖洗，然后干燥；5、在兆頻聲波RCA 1溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)中清洗10分鐘，然后由HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶6清洗10分鐘；6、干燥石英罩和石英SAW基底；
7、直接接觸并對(duì)準(zhǔn)罩和SAW基底；8、在溫度T＜450℃的N2中加溫退火1小時(shí)(即，溫度應(yīng)該以大約10℃/min向上和向下傾斜)；并且9、連接控制，其中，借助于50nm的薄刀片利用“裂紋張開(crackopening)”方法。
上面指示的處理可以應(yīng)用到大體上在圖13-15描繪的最終封裝的石英SAW壓力裝置。因此，在圖13-15示出的每個(gè)實(shí)例中，當(dāng)然根據(jù)本發(fā)明變化的實(shí)施例，描繪了貫穿完全封閉的TAQP SAW裝置的截面。在高壓力測(cè)量的情況下，對(duì)于假定的50MPa的石英強(qiáng)度值，通常沒有必要利用蝕刻的石英膜片。在這樣一種狀況下，“開始”石英晶片可以作為整體被利用，以至于基于膜片的檢測(cè)原理在用于適度和低壓力操作的TAQP處理的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。
圖13示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的石英封裝的SAW壓力傳感器裝置1300的截面圖。在圖13中，壓力檢測(cè)石英膜片可以被構(gòu)造成TAQP處理的一部分。在圖13描繪的實(shí)例中，作為主要部件(package)的石英SAW片1306可以在區(qū)域1302和1303中以倒置直接連接(石英-石英)的特征實(shí)現(xiàn)。石英基片1326可以為了確定膜片的界限而被構(gòu)造成包括蝕刻的間隙1324。此外，蝕刻的間隙1324可以起過壓止動(dòng)的作用。凹口區(qū)1322可以允許通過切割處理移除線接頭，因此，留下了石英SAW片1306的橫向條紋，如這里更詳細(xì)討論的。
因?yàn)槠?306和1326的連接可以在真空或在外界壓力下完成，所以間隙1324可以用作參考腔，同時(shí)封裝的傳感器1300可以被分別地用作絕對(duì)或表壓傳感器。石英SAW片1306可以被構(gòu)造成包括凹口區(qū)1338，其借助于導(dǎo)電樹脂1318允許電接觸被定位在沉積到石英SAW片1306和石英基片1326上的兩個(gè)金屬層1336之間。諸如鈦?zhàn)⑷胛?334等的注入金屬連接還可以穿過直接連接1303，從而進(jìn)行石英SAW片1306的金屬連接(例如，SAW電極1332和沉積金屬1336)之間的歐姆接觸。
在二級(jí)封裝中，石英直接連接片1306和1308的組合體可以利用連接樹脂1328(例如，硅酮PSA，RTV橡膠，環(huán)氧樹脂等)被連接到封裝基板1320(即，由金屬或塑料構(gòu)造的)上。絕緣的金屬引線1316可以穿過封裝基板1320，從而與線接頭1310接觸。于是導(dǎo)電樹脂1318可以從一分配器注入，用于建立兩個(gè)沉積金屬層1336之間的電連接。此外，保護(hù)性絕緣軟樹脂1312可以環(huán)繞線接頭1310。由金屬或塑料構(gòu)造的外罩1308通常密封組合體1306/1308和封裝基板1320。
外罩1308可以通過可替換的焊接1330或1314(例如，激光或電焊接，樹脂焊接，塑料-塑料焊接等等)被連接到基板1320。外封裝可以由金屬和/或塑料構(gòu)造。壓力傳送元件1304(例如，空氣過濾器，柔軟凝膠)可以定位在外罩1308的空氣入口，從而阻止污染物達(dá)到石英SAW片的背面。如果在間隙1324的區(qū)域中有一孔穿過基片1326和封裝基板1320，那么封裝的傳感器1300可以作為差動(dòng)測(cè)量壓力傳感器被利用。此外，取決于設(shè)計(jì)需要，金屬引線1316可以被利用來連接天線或者另一個(gè)電或無線構(gòu)件。
相對(duì)于石英SAW片1306的基片1326的較大尺寸可以在模分隔(die separation)期間通過在相同方向執(zhí)行特殊的雙切割處理獲得。組合體1306/1326可以通過石英-石英直接連接被執(zhí)行在晶片級(jí)上。最初，可以執(zhí)行切割步驟，從而僅去除(在后續(xù)的片間切割步驟中)定位在石英基片1326的凹口區(qū)1322上的石英SAW片1306的上側(cè)端(upper side steak)。最后，可以在片間構(gòu)件的垂直方向上執(zhí)行切割步驟，從而釋放全部的石英直接連接的組合體1306/1308。
圖14示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)可替換實(shí)施例的石英封裝SAW壓力傳感器裝置1400的截面圖。裝置1400大體上包括石英SAW片1404，其可以被提供有蝕刻膜片1428和在石英SAW片1404的上側(cè)的區(qū)域1416和1417中直接連接(石英-石英)的石英罩1406。石英罩1406可以被構(gòu)造以包括用作對(duì)于膜片1428過壓止動(dòng)的蝕刻間隙1402。因?yàn)槠?406和1404的連接可以在真空中或者外界壓力下完成，所以間隙1402可以用作參考腔。封裝的傳感器1400可以被分別地用作絕對(duì)或表壓傳感器。
石英SAW片1404區(qū)可以被構(gòu)造以包括凹口區(qū)1434，其允許生成到沉積在凹口區(qū)域1434上的金屬1412的線接頭。在通過切割處理去除后，石英罩1406上的橫向條紋(streak)可以以相對(duì)于圖13中描繪的實(shí)施例所討論的相同方式被定位在凹口區(qū)域1434上。可以將鈦?zhàn)⑷攵ㄎ辉谑AW片1404上，從而進(jìn)行連接SAW電極1414的沉積金屬1412和在凹口區(qū)1434上的沉積金屬1412之間的接觸。組合體1404/1406，通過石英-石英直接連接被執(zhí)行在晶片級(jí)，其也被看作“初級(jí)封裝”，然后可以經(jīng)由連接樹脂1430，1431(例如，硅酮PSA，RTV橡膠，環(huán)氧樹脂等)被連接到基板1424上(在“二級(jí)封裝”中)。
線接頭1410通常在凹口區(qū)域上的沉積金屬1412和穿過由金屬或塑料形成的基板1424的金屬引線1420之間延伸。壓力傳送元件1426(即，定位在空氣入口的空氣過濾器或者與石英檢測(cè)膜片直接接觸的柔性凝膠)可以被采用在基板1424附近，從而阻止污染物達(dá)到石英SAW片的背面。可替換的焊接1418和1432(例如，激光或電焊接，樹脂焊接，塑料-塑料焊接等等)可以被利用來將基板1424連接到外罩1408。注意，外罩1408可以由金屬或塑料形成。
因此，圖14提出了對(duì)于SAW傳感器技術(shù)和封裝的可替換解決方案，其可以應(yīng)用于低壓力測(cè)量，其中蝕刻的石英膜片是必要的。這個(gè)傳感器技術(shù)和封裝技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)來源于這樣一種事實(shí)，即，通過利用SAW電極到線焊接區(qū)之間的鈦?zhàn)⑷脒B接，其中二者都位于相同的石英件上，從SAW電極到外部金屬引線(例如，引線1420)的電接觸可以做地更簡(jiǎn)單。注意的是，如果一孔在間隙11402的區(qū)域內(nèi)穿過外罩1408和石英罩1406，那么封裝的傳感器1400可以被用作差動(dòng)測(cè)量壓力傳感器。
圖15示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例，利用微加工的石英檢測(cè)膜片1510實(shí)現(xiàn)的SAW壓力傳感器封裝1500的框圖。在圖15的可替換實(shí)施例中，穿過晶片的接觸孔1506，1508可以被利用來接觸SAW裝置，包括SAW溫度傳感器1502，1504(即，T1SAW和T2SAW)。在圖15示出的構(gòu)造中，壓力SAW傳感器1512(PSAW或Pres.SAW)可以被定位在膜片1510上。SAW傳感器1502，1504(即，T1SAW和T2SAW)通常定位在遠(yuǎn)離膜片1510處。
“初級(jí)封裝”通常(i)石英SAW片1516，其可以被提供有溫度和壓力SAW傳感器1502，1504和1512，所述最后一個(gè)傳感器定位在膜片1510上，以及通過晶片的接觸孔1506，1508，(ii)石英罩1501，其被提供有作為對(duì)于膜片1510過壓止動(dòng)工作的蝕刻間隙1520，二者工件通過直接石英-石英連接技術(shù)連接。因?yàn)槠?501和1516的連接可以在真空中或在外界壓力下完成，所以間隙1520可以用作參考腔，封裝的傳感器1500可以被利用作為絕對(duì)或表壓傳感器。如果一孔在間隙1520的區(qū)域內(nèi)穿過石英罩1501，那么封裝的傳感器1500可以被用作差動(dòng)測(cè)量壓力傳感器。對(duì)于“二級(jí)封裝”可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)密封變型。例如，一個(gè)非常方便的解決方案，包含簡(jiǎn)單地倒置組合體1501/1516，和將石英罩1501連接到板基底上。
通常，對(duì)于這里描述的用作高壓測(cè)量的SAW裝置(例如，見圖13)，許多處理步驟可以用于SAW石英晶片制造。這種處理步驟的一個(gè)實(shí)例提供如下1、原始樣品(as-received)的雙面化學(xué)拋光石英SAW晶片的微觀粗糙度估計(jì)；2、晶片清洗；3、薄金屬層的沉積，該層用作下一個(gè)步驟中的抗蝕劑掩膜；4、用于通道間隙形成的光刻處理，這是對(duì)于通過從SAW表面到外部連接的金屬路徑所需要的；5、通道間隙的RIE蝕刻；6、金屬去除；7、晶片清洗；8、薄膜層的沉積，該層用作鈦?zhàn)⑷氲目刮g劑掩模；9、用于鈦?zhàn)⑷氲墓饪烫幚恚?0、用于埋入的導(dǎo)電路徑形成的鈦?zhàn)⑷耄?1、用于SAW電極形成和外部接觸的金屬層的沉積；12、用于金屬圖案的光刻處理；13、金屬蝕刻；14、晶片清洗；15、在煮沸的、濃縮的HNO3中親水性處理石英SAW晶片30-50分鐘；16、在DI水中沖洗，然后干燥；17、在兆頻聲波RCA 1溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)中清洗10分鐘，然后由HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶6清洗10分鐘；并且18、干燥。
在完成上面指示的處理步驟基礎(chǔ)上，可以對(duì)于另一個(gè)石英晶片實(shí)施一組相似的處理步驟，從而形成石英基板。當(dāng)兩個(gè)石英晶片準(zhǔn)備好直接連接時(shí)，可以處理晶片切割和片組裝，如下所示
1、接觸并對(duì)準(zhǔn)石英SAW晶片和石英基板；2、在T＜450℃情況下在N2中加熱退火1小時(shí)，其中該溫度應(yīng)該以大約10℃/min向上和向下傾斜；3、連接控制，其中借助于50mm刀片利用“裂紋張開”的方法；4、部分晶片切割(即，與石英SAW晶片厚度相等厚度的切口，并且僅在一個(gè)方向上)；5、在AQP微型結(jié)構(gòu)的片間空間上連接晶片的整個(gè)厚度切割；6、在封裝基板上與特殊樹脂的片連接；7、用于來自于兩個(gè)片的金屬接觸的導(dǎo)電樹脂的分配(dispense)；8、引線連接；9、分配保護(hù)樹脂；以及10、蓋上蓋子并焊接。
以相似的方式，可以描述對(duì)于AQP SAW壓力傳感器的其它制造解決方案的技術(shù)。例如可以通過濕或干蝕刻進(jìn)行蝕刻石英晶片。在“全石英”傳感器封裝中，到天線的電極連接可以經(jīng)由“穿過晶片”的連接被執(zhí)行。在“穿過晶片”的設(shè)計(jì)中，該“通”孔可以由激光，超聲波或濕蝕刻被鉆出。
這里公開的實(shí)施例和實(shí)例大體上描述了改進(jìn)的機(jī)械設(shè)計(jì)和仿真方法，以及用于SAW傳感器組合、面向更集成制造和在測(cè)試階段減少的校準(zhǔn)行為的封裝技術(shù)。這種技術(shù)基于石英制造的壓力檢測(cè)膜片、對(duì)于石英膜片的選擇性石英晶片蝕刻、過壓止動(dòng)制造、對(duì)于金屬連接的金屬離子注入以及對(duì)于低價(jià)無校準(zhǔn)SAW傳感器的直接石英-石英晶片連接的機(jī)械仿真。
這里陳述的實(shí)施例和實(shí)例被提出來最好地解釋本發(fā)明和它的實(shí)際應(yīng)用，并且因此允許本領(lǐng)域技術(shù)人員來制造和利用本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到已經(jīng)提出的前面描述和實(shí)例僅用于說明和示例的目的。本發(fā)明的其它變化和改動(dòng)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是明顯的，并且附加的權(quán)利要求的目的是覆蓋這些變化和改動(dòng)。
所陳述的描述并非是窮舉或限制本發(fā)明的范圍。在不背離下述權(quán)利要求范圍的情況下，按照上面的教導(dǎo)，許多改動(dòng)和變化是可能的。設(shè)想的是本發(fā)明的使用可以包含具有不同特性的組件。至此，所附加的權(quán)利要求限定了本發(fā)明的范圍，給出了在所有方面對(duì)等效形式的完整認(rèn)識(shí)。
權(quán)利要求
1.一種石英傳感器方法，包含以下步驟機(jī)械地仿真多個(gè)SAW檢測(cè)諧振器，以便在石英晶片基底上實(shí)現(xiàn)；蝕刻所述石英晶片基底，從而從所述石英晶片基底中生產(chǎn)多個(gè)石英壓力檢測(cè)膜片；以及在所述石英晶片基底上定位多個(gè)SAW檢測(cè)諧振器，其基于為了在所述基底上實(shí)現(xiàn)而機(jī)械地仿真的所述多個(gè)SAW檢測(cè)諧振器，從而從所述石英晶片基底中生產(chǎn)石英傳感器封裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包含在所述石英晶片基底上制造過壓止動(dòng)構(gòu)件的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包含向所述石英晶片基底注入金屬離子用于形成它的導(dǎo)電路徑連接的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中，所述金屬離子包含鈦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包含在所述石英晶片基底上實(shí)施石英一石英晶片連接操作從而形成所述石英傳感器封裝的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述多個(gè)SAW檢測(cè)諧振器包含至少一個(gè)壓力SAW諧振器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述多個(gè)SAW檢測(cè)諧振器包含至少一個(gè)溫度SAW諧振器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述多個(gè)SAW檢測(cè)諧振器包含至少一個(gè)參考SAW諧振器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述多個(gè)SAW檢測(cè)諧振器包含部分地定位在所述石英晶片基底的壓應(yīng)力區(qū)域上的至少一個(gè)壓力SAW諧振器。
10.一種石英傳感器系統(tǒng)，包含多個(gè)SAW檢測(cè)諧振器，用于在石英晶片基底上實(shí)現(xiàn)；從所述石英晶片基底上蝕刻的石英膜片；以及其中，在所述石英晶片基底上定位多個(gè)SAW檢測(cè)諧振器，其基于為了在所述基底上實(shí)現(xiàn)而機(jī)械地仿真的所述石英膜片，從而從所述石英晶片基底中生產(chǎn)石英傳感器封裝。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的系統(tǒng)，還包含在所述石英晶片基底上制造的過壓止動(dòng)構(gòu)件。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的系統(tǒng)，還包含注入到所述石英晶片基底的金屬離子，用于形成它的導(dǎo)電路徑連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中，所述金屬離子包含鈦。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中，所述石英晶片基底承受石英-石英晶片連接操作，從而形成所述石英傳感器封裝。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述多個(gè)SAW檢測(cè)諧振器包含至少一個(gè)壓力SAW諧振器。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述多個(gè)SAW檢測(cè)諧振器包含至少一個(gè)溫度SAW諧振器。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述多個(gè)SAW檢測(cè)諧振器包含至少一個(gè)參考SAW諧振器。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述多個(gè)SAW檢測(cè)諧振器包含部分地整體定位在所述石英膜片的壓應(yīng)力區(qū)域上的至少一個(gè)壓力SAW諧振器。
19.一種石英傳感器系統(tǒng)，包含提供有石英蝕刻罩的石英SAW片，從而在那里它們之間形成蝕刻過壓止動(dòng)間隙；在所述蝕刻的過壓止動(dòng)間隙內(nèi)的所述石英SAW片上布置的多個(gè)SAW檢測(cè)諧振器；金屬引線穿過的基板，以便所述金屬引線通過線接頭接觸；沉積在所述石英SAW片上的金屬，以及之上沉積在所述石英SAW片上的鈦?zhàn)⑷?；連接到所述基板上的外罩，其中，所述外罩環(huán)繞所述石英SAW片和所述石英罩，從而形成SAW壓力傳感器。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的系統(tǒng)，還包含在所述石英SAW片和所述石英罩之間的石英直接連接；在所述基板和所述石英SAW片之間的連接樹脂；定位在形成在所述基板內(nèi)的間隙內(nèi)的壓力傳送元件，從而阻止污染物與所述石英SAW片接觸；以及其中，所述石英SAW片包含蝕刻的膜片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石英傳感器方法和系統(tǒng)，其中，可以機(jī)械地仿真多個(gè)SAW檢測(cè)諧振器，以便在石英晶片基底上實(shí)現(xiàn)。此后，可以適當(dāng)?shù)匚g刻石英晶片基底，用來從石英晶片基底中生產(chǎn)石英膜片。然后，多個(gè)SAW檢測(cè)諧振器(例如，壓力，參考和/或溫度SAW諧振器)可以定位在石英晶片基底上，其基于為了在基底上實(shí)現(xiàn)而先前機(jī)械仿真，從而從石英晶片基底中生產(chǎn)石英傳感器封裝。
文檔編號(hào)G01L9/00GK1973193SQ200580020404
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2005年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月20日
發(fā)明者J·D·庫克, B·J·馬什, J·Z·劉, B·D·斯佩爾德里奇, I·帕夫萊斯庫, V·布伊庫萊斯庫, C·P·科比亞努 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司