專利名稱：顯微機加工的傳感器用的堅固粘合的制作方法
技術領域：
本發明涉及由粘合在一起的多層材料組成的器件。這種器件經受著內部的增壓流體的爆破力。更具體地說，本發明用于壓力傳感器的制作1特別是用于以顯微機加工的易損材料制造的傳感器。
這里所用的“顯微機加工的”一詞以及從它派生出來的詞都指經過至少是部分地采用固態加工的技術，例如光刻、化學及等離子體腐蝕、化學氣相沉積，等離子體沉積以及其他為本專業技術人員熟悉的類似處理。


圖1中，待測的壓力P作用于現有技術壓力傳感器10之上；該傳感器包括上硅部12以及一個基片14。上硅部12的形狀設計成具有一個薄膜16以及一個內腔18。在薄膜16之中或附近，配有壓電式儀表電阻22、24；至少其中一個電阻會隨薄膜16中應變量而變化；此應變量正是壓力P的函數。一個測量電路(圖中未畫出)與電阻22、24相連，并提供作為壓力P函數的輸出。
像圖1這樣的現有技術裝置的困難發生在當它們遭受裝置內增壓流體的較高拉伸應力作用的場合。例如，傳感器10如果用在差壓應用時，腔18可以由經過小孔20進來的高增壓流體所充滿。如內壓P′超過外壓P很多，那末沿上硅部12及基片14的界面28的應力值26，在朝著界面28末端的方向激增(見圖2)；這是由于界面28附近，層12及層14的形狀引起的。如果，在末端30處已經有一個顯微裂紋或其他裂痕，那么，與這種顯微裂紋或其他裂痕29相關連的應力強度系數會變得相對很高。
在機械工程技術中，一個結構中任何指定點上的“應力”就是這一點的作用于任意小面積上的凈力除以面積。應力是一個向量值，以帕(Pa)為單位(1帕＝1牛頓/米2)。相反地，“應力強度系數”是一個無綱量，用在機構結構中分析已有的裂紋前沿。其單位是 (巴 )(或等于牛頓/米3/2)。如應力強度系數超過一個臨界值(或叫做“斷裂韌度”)，那末裂紋前沿就會生長，導致材料的斷裂。硅的斷裂韌度較保守的估計數為7×105 可查看1986年出版的David Broek著的“ElementaryEngineering Fracture Mechanics”(工程斷裂力學入門)，以進一步了解應力強度系數及斷裂韌度的背景討論。
本發明對至少貼近界面的一個層的形狀作出設計以減少粘合末端附近的應力值，從而減少界面末端任何裂紋的應力強度系數、減少斷裂機會并允許器件能經受顯著地較高的內壓。
按照本發明的一個方面，提供了一種顯微機加工裝置適合于接受增壓流體并包含有沿一個粘合界面粘合一起的第一與第二層。為了增加此器件能接受而不發生斷裂的流體壓力，第2層在粘合界面附近的寬度朝粘合界面方向有所增加。
在一個優選實施例中，顯微機加工裝置具有許多層，沿至少一個粘合界面粘合在一起。所述的裝置還有一個腔。對每一個具有連接腔的末端的粘合界面，粘合界面鄰近的二個層，在粘合界面附近，分別具有第一壁面及第二壁面。第一及第二壁面采用一種形狀，它使腔在一個垂直于粘合界面，經過粘合界面末端的參考線與至少第一壁面與第二壁面中之一的之間突出。
下面通過附圖及實施例詳細說明本發明，附圖中圖1是現有技術壓力傳感器的一個剖視圖；圖2是圖1壓力傳感器放大的細節，其中壓力P′大于壓力P；圖3是按照本發明的壓力傳感器的截面圖；圖4是示出圖3壓力傳感器的細節的圖；圖5是用現有技術與本發明粘合時，沿粘合界面上，應力值與位置的函數曲線；圖6是測試本發明粘合用的裝置截面圖；圖7是測試傳統粘合用的裝置截面圖；圖8是按本發明的壓力傳感器另一實施例的截面圖；圖9是按本發明的壓力傳感器另一實施例的截面圖；圖10是按本發明的壓力傳感器又一實施例的截面為了方便起見，圖中用同一標號的項目都是相同的；或者其功能相同或相似。
在圖3中，壓力傳感器32包含一個第一層34，它沿粘合界面35與第二層36粘接在一起。傳感器32可測量外壓P1與內壓P2之差；這些壓力最好是靠硅油或其他基本不可壓縮的液體來傳送的，或者用氮或空氣這樣的流體傳送。換一種方式，P1也可以是真空。在層34的薄膜38上，在它的中間或附近設有傳統的傳感裝置(未示出)來提供能指示壓差的傳感器輸出。這種傳感裝置包括如圖1所示的一個或幾個擴散型壓電式儀表電阻，以及與之配套的橋電路；一個放大器；一個溫度校正器。另一個方式是傳感器裝置包含一個導電層，它配置在薄膜38上；它與另外一個鄰近的導體一起，組成一個壓敏可變電容。如果薄膜38本身是導電的，那末配置在它上面的導電層可以取消。另一種方式是傳感裝置由薄膜38上的反射表面組成，配以用光學方法測量位移的眾所周知的系統，例如采用法布里珀羅技術的系統。
本發明用來在P2大大高于P1的應用中得到好處，在這種場合，傳感器32經受試圖在脆弱的地方使傳感器32斷裂的爆破力。正如圖1及2所示，具有增壓內腔的傳感器之脆弱點，正是腔邊粘合的末端。已經觀察到陽極粘合、熔接粘合，以及在易碎材料的固態處理中采用的其他粘合，在未暴露到較大的壓差之前，就在邊緣處產生像圖2中所示的顯微裂紋或裂痕。當它們暴露到從內部的增壓流體中引起的高應力之后，這些顯微裂紋或裂痕就會促進器件的破裂。按照本發明，層34在粘合界面35的附近，其選用形狀能減少粘合末端50附近的應力。
這種減少應力的層34的形狀有不同的特點。層34的壁40，它在增壓腔42周圍，它在粘合界面35附近的寬度，朝界面35的方向呈加寬的形狀，就是寬度44大于寬度46(見圖4)。壁40面向腔42并毗鄰粘合末端50的一個面48，與粘合界面35之間呈小于90°的角度。對于與粘合界面35垂直并經過粘合末端50的線段52，腔42在這個線段52與壁面48之間延伸。
層34、36是由易碎材料做成的，例如硅、砷化鎵、蘭寶石、陶瓷、玻璃等；而壓力P2大于P1；圖3、4中所示的成型的層34、36就具有一種比舊技術結構要小一些的界面末端50周圍的應力值(見曲線54)。在界面末端產生任何裂紋的應力強度系數也得到了降低。這樣，傳感器32就能在其他脆弱點也能經受得住較高的內壓的條件下比傳感器10更能經得住較高的內壓。
傳感器32中一個潛在的脆弱點就是內腔42的一個角55；這里，應力可以很高。已觀察到，當層34是一個整體的時候，例如薄膜38只是用化學方法除去部分的層34形成的時候，比起薄膜38與壁40粘合的場合來，角55可以經受住更高的壓力P2。在粘合的場合，在角55處，形成了粘合界面53。因此，如果層34是一個整體(見圖3)，則圖4的粘合方法可以允許傳感器32經得住較高的內壓而不致斷裂，但是，如果層34是由薄膜與壁40粘合的話，則圖4的粘合可能也可能不允許傳感器34經受住更高的內壓，這要看末端在角55處的粘合強度大小來定。
其次，如果薄膜38是沿著界面與53與壁40粘合的話，圖3中的壁40的形狀，會使鄰近角55附近的應力比圖2中的要有所降低。在一個優選實施例中，層34由具有[100]取向的硅做成。制作腔42的方法如下用一個反應式離子腐蝕方法直接腐蝕成形出腔的42a部分，然后采用一個各向異性腐蝕(例如KOH)來形成腔42的其余部分。這樣，壁面48就相當于硅中的111平面，并與粘合界面35成55°左右的角度。認為5°到70°之間的角度可以取得滿意的功能。層36是由[100]取向的硅做成的，通道56是用腐蝕或者鉆孔的方法來制成。在一個垂直于圖3平面并平行于粘合界面35的平面中，通道56可以采用任意的形狀，腔42可以用長方形。層34、36的厚度最好采用0.1-2毫米。為了減少末端50處顯微裂紋的應力強度，從而加強在層34、36之間粘合的牢度，壁40在界面35附近的寬度，應朝界面35的方向盡量迅速增加為好。或者壁面48與界面35間的角度應愈小愈好。
粘合界面55可以用本專業技術人員已知的熔接粘合或者陽極粘合。可用于本發明的熔接粘合，可參見J.ElectrochemicalSoc.(January 1991)的第341-347頁，W.P.Maszara著的“Silicon-Ou-Insulator by Wafer BondingA Review”(用晶片粘合法的絕緣體上粘合硅的綜述)。可用于本發明的陽極粘合可參見1985年出版的Clifford D.Fung等著的Micromachining andMicropackaging of Transducers(傳感器的顯微機加工及顯微包裝)一書中的“Bonding Techniques for Micro Sensors”(微傳感器的粘合技術)。另外，氧化物、金屬或其他材料可用于層34、36之間。如果用金、鉑、或類似的可延伸材料來做的話，在有些場合，這種薄層在加工過程中會發生變形甚至與一些層形成合金從而填充了上述在粘合界面末端早先存在的微痕，這樣，它阻止了斷裂的開始，并進一步增強了粘合的牢度。最好，薄層的綜合厚度要比層34或36的厚度的10％更小些。
在圖5中重疊顯示的是圖2及圖4分別示出的粘合之代表性應力值曲線26a及54a。其中，各個傳感器都暴露到一個給定的流體內壓中。在本說明書中，或在其他合適的地方，眾所周知流體內壓是指較大的流體內壓與一較小的流體外壓之差。曲線26a，54a是對相同長度(X2-X1)并且二者的負荷也相同的粘合而言的，即曲線26a從X1到X2位置的積分等于曲線54a在相同位置極限間的積分。位置X1相當于與增壓腔相接的粘合末端，而X2則相當于與其相對的粘合末端。二條曲線在向位置X1的方向急劇上升到一個超過圖表標尺的應力值。但是，在位置X1的附近，曲線54a的應力值明顯地低于曲線26a的值。這種粘合末端附近應力的降低，是以離X1稍遠一些，在X1與X2之間的一些地方的應力較高為代價來達到的。按本發明的粘合，在X1處發生的顯微裂紋，其應力強度系數要比圖2的現有技術粘合的要低。
圖6及圖7的結構，曾在高壓環境下，做過測試以證明粘合處60相對于粘合處70的牢度。結構62由一個1.27毫米厚的硅層64與一個0.89毫米厚的硅層66以熔接方法粘合在一起而組成，硅層66在粘合之前已用腐蝕方法做出一個腔68。結構72由一個1.27毫米厚的硅層74與一個0.89毫米厚的硅層76以熔接方式粘合在一起，硅層76在粘合前已用腐蝕法產生出一個腔78。在水平方向上，二個結構62、72都有一個總寬度6.35毫米，腔68及78二者都有一個最小寬度2.3毫米左右；二種腔68、78都有一個最大寬度2.96毫米左右。結構60、72以及腔68、78對與粘合界面平行并與圖6、7的平面垂直的參考平面而言，大體上呈正方形。腔78的制作方法是先用掩膜步驟，然后用KOH溶液同時進行二邊的腐蝕。腔68的制作方法與上述相同，只是層66在KOH溶液中放置較長時間直至圖6所示之壁的輪廓達到為止。
制作了每種結構的試樣，腔67、78用硅油增壓，直至發生斷裂。我們記錄下發生斷裂時的油壓，下表是其結果的小結表結構62 結構72測試取樣數 16 13最低失效壓力6000psi2000psi平均失效壓力6700psi2230psi這些測試表明以產生斷裂所需的內壓來測量的粘合處60的牢度，大約比粘合處70好三倍。該觀察揭示結構72中的斷裂，與圖7中的斷裂80相似，它是從粘合界面73的末端71起始的。
圖8的傳感器82與結構62相似，只是上層64已被層34所代替(見圖3)，它有一個壓敏薄膜38，并形成一個擴張的內腔68a。可以相信，粘合處84的牢度比粘合處60的要有增強，因為壁40和壁66a的壁寬，都在粘合界面86附近向粘合界面86的方向增寬。傳感器82還包含了一個層34及36間的薄層85，其用于粘接，電氣絕緣，或其他目的。
圖9的傳感器88具有一個整體的頂層90，與圖1的層12相似。層94是沿粘合界面92與層90用熔接方法相粘合。最好，層94由硅制成，并在粘合前做成以下形狀擴散硼雜質進入頂邊及底邊96、98進入0-5微米的深度。用標準的光刻法形成底邊96、98圖形，采用一個各向同性的腐蝕劑來腐蝕擴散硅，從而把邊96、98腐蝕到擴散部分的厚度，再用電化學腐蝕法來腐蝕層94的其余部分，或者可以用各向同性的與各向異性的腐蝕劑的結合來僅僅腐蝕層94的非擴散部分從而產生腔100。最終形成的層94具有一個壁寬，它向界面92以步進方式作極陡的增漲。可以相信這種寬度上的極陡的變化，以及粘合界面98處接頭102的相對厚度，都會使層90及94之間的粘合牢度有所升高。接頭102最好具有一個等于或大于其厚度的長度(長度是指壁沿接頭102的那部分寬度)，以增加接頭的柔性并增加傳感器的牢度。如圖所示，層94也有一個接頭104來增加底層(未示出)與層94的邊98之間的粘合的牢度。最好，接頭104的厚度及“長度厚度比”與接頭102的相似。接頭102及104圍繞著腔100。
在圖10，從一種固體(包括粉末和顆粒)、一種液體或一種氣體來的作用壓力P3，作用于傳感器108的絕緣薄膜106上一種不可壓縮的液體，例如硅油充滿了腔110、腔112和毛細管114，后者經焊接口120、122分別密封地接到一個底層116和一個絕緣體118。壓力P3使不可壓縮的流體增壓。如果需要，可以取消毛細管114，絕緣體118可以連到層116上去。或者，將固體、液體或氣體所產生的壓力P3直接向腔112提供。傳感器108包含一個作為整體層126一部分的傳感薄膜124。薄膜124(示出略有彎曲)，它可作為腔112及腔128的壓差函數而動作，敏感裝置130與薄膜124結合在一起，并提供作為壓力P3函數的輸出132。敏感裝置130可以采用測量薄膜應力或偏折的任何裝置，包括本說明書前邊討論過的。如圖所示，敏感裝置130與導體129a、129b結合在一起并測量其間的電容量。
傳感器108包含易碎層134、126、66、及116，這些層最好由硅做成，并以熔接方式粘合起來。層66大體上如結合圖6、8作的說明。層134、126可以采用已知的顯微機加工技術來制作。底層116與圖3的層36相似。腔128可以基本上抽空，此時，輸出132就指示壓力P3的絕對壓力測量值。或者，腔128可以與環境大氣相通，此時，輸出132則是壓力P3的一個儀表壓力測量值。在這二種情況之任一種場合，層134及126間的粘合，并不需要是按本發明的牢固的粘合，因為腔128不會經受較大的增壓，而粘合界面135不會經受較大的拉伸應力。可是，粘合處138及140必須如圖所示符合本發明的要求。因為它們與增壓腔112鄰接。據此，壁66a的寬度，在粘合界面142、144附近，分別朝著粘合界面142、144的方向有所增加。壁66a的壁面與腔112相連，而在粘合界面142、144附近，分別與粘合界面142、144開成一個小于90°的角度。腔112在這些壁面以及與粘合界面142、144垂直畫出的線段之間延伸，并經過這些界面的末端。在傳感器108中，每個具有與增壓腔112相連的粘合末端的可能斷裂的層之間的粘合，都應按本發明來制作，以增加傳感器112的無斷裂操作的爆破壓力。
最好，傳感器32、82、108也要用傳統方法保護測量薄膜本身，以防止其過壓。許多不同的傳感器結構都是屬于本發明的寬范圍之內的。例如，層94可以用來替代圖8、10中的層66。層94可以插在圖3層34及36之間、插在圖8的層34、66之間；圖10的層126及66之間，圖10的層66及116之間。層34、90、126可以在底面包括一個像接頭104那樣的接頭。當一個層配有像接頭102或104那樣的接頭，并用來形成一個牢固的粘合，則粘合界面的末端應該配置在接頭自由端的地方或其鄰近，受益于接頭的相對柔性，以減少粘合末端附近的應力值，因此，可減少粘合末端任何裂紋的應力強度系數。圖1、3及6-10中壁的形狀之截面圖都代表著內腔周圍的壁形。
雖然，本發明是參照優選實施例來描述的，但本專業技術人員會明白，在形狀和細節上可以做很多變動而仍然不偏離本發明的精神與范圍。壓力傳感器以外的傳感器、像溫度傳感器、分析傳感器、流速傳感器、或其中之部件的顯微機加工器件，都可得益于本發明的牢固粘合。粘合層可以由任何易斷裂的材料做成。
權利要求
1.一種顯微機加工的裝置，適宜于接受增壓的流體，所述的裝置包括第一層；第二層，沿粘合界面與第一層粘合一起其粘合界面有一個末端；其中，在粘合界面附近，第二層采用一種形狀，它能減少與末端鄰近的應力大小，以使所述的裝置能在不發生斷裂的條件下在更高的流體壓力下操作。
2.按照權利要求1的裝置，其特征在于所述的第2層在粘合界面附近的寬度朝粘合界面有所增加。
3.按照權利要求2的裝置，基特征在于所述的寬度的增加大體上是均勻的。
4.按照權利要求2的裝置，其特征在于所述的寬度的增加大體上是步進式的。
5.按照權利要求4的裝置，其特征在于所述的大體上以步進式增加的寬度，限定了一個接頭，其長度等于或大于其厚度。
6.按照權利要求2的裝置，其特征在于所述的第2層還有一個腔，以及與腔連接的壁，所述第2層的寬度就是壁的寬度。
7.按照權利要求1的裝置，其特征在于所述的裝置具有一個接受增壓流體的腔，所述的第2層的壁面貼近與腔相連的粘合界面，并且所述的壁面及粘合界面之間的幾何角度小于90°。
8.按照權利要求7的裝置，其特征在于上述的角度為5°至70°。
9.按照權利要求1的裝置，其特征在于所述的裝置的腔可接受增壓流體，所述的第2層的壁面貼近粘合界面并與腔相連接，并且所述的腔在壁面和與粘合界面垂直并經過末端的參數線之間突出。
10.按照權利要求9的裝置，其特征在于所述的腔在參數每與第一層貼近粘合界面、而向腔所壁面之間突出。
11.按照權利要求1的裝置，其特征在于還包括第3層，它沿第2粘合界面與第2層粘合一起，從而使第2層夾在第1層與第3層之間。
12.按照權利要求11的裝置，其特征在于所述的第2粘合界面具有第2末端，并且在第2粘合界面附近，第2層及第3層中至少有一層采用了那種減少與第2末端鄰近處應力的形狀。
13.按照權利要求12的裝置，其特征在于至少有一個層的寬度，在其鄰近第2粘合界面處，在朝著第2粘合界面的方向，有所增加。
14.按照權利要求12的裝置，其特征在于所述的裝置的腔可接受增壓流體，至少有一層的壁面是與第2粘合界面貼近并與腔相連接，并且所述的腔在壁面及與第2粘合界面垂直并經過第2末端的參考線之間突出。
15.按照權利要求1的裝置，其特征在于所述的第2層的材料可從以下材料中選用硅、砷化鎵、蘭寶石、瓷、玻璃及石英。
16.按照權利要求1的裝置，其特征在于還包括一個夾在第1層與第2層之間的薄層材料。
17.按照權利要求1的裝置，其特征在于還包括一個以機械方式至少是部分地與第2層結合起來的壓敏裝置。
18.按照權利要求17的裝置，其特征在于還包括與壓敏器件結合在一起的測量線路，以提供壓力的指示。
19.一種制作適宜于接受增壓流體的顯微機加工的裝置的方法，它包括以下步驟提供分別具有第1及第2粘合界面的第1及第2層；在第1及第2層中至少有一層中形成一個可接受增壓流體的腔，以便連接腔的壁在第1或第2粘合面附近的寬度，分別朝第1或第2粘合面有所增加；沿第1及第2粘合面把第一及第二層之間粘合起來。
全文摘要
一個接受增壓流體的顯微機加工的裝置(32)具有幾個層(34、36)，它們沿至少一個粘合界面(35)粘合一起，粘合界面有一個末端，與增壓流體相連。在至少一個粘合界面(35)的附近，至少有一層(34、36)選用一種能降低粘合末端附近應力值的形狀。在一個優選實施例中，至少有一個層(34)的寬度，朝著粘合界面方向有所增寬，以增加無斷裂操作下裝置的壓力。在另外一個實施例中，與粘合界面(35)相連的二個層(34、36)之寬度，在粘合界面(35)附近都朝粘合界面有所增寬。或者，層(34、36)的壁的形狀會使腔在與粘合界面(35)垂直并經過粘合界面(35)終點的參考線與至少有一個壁之間突出。
文檔編號G01L9/04GK1143412SQ95191918
公開日1997年2月19日 申請日期1995年2月22日 優先權日1994年3月29日
發明者馬克·G·羅莫 申請人:羅斯蒙德公司