扭矩传感器.pdf

适当地蚀刻石英晶片基底，以从该石英晶片基底产生石英横膈膜。然后可以连同石英盖一起将多个扭矩SAW感测谐振器设置在该石英晶片基底上，从而从该石英晶片基底产生一个石英扭矩传感器封装。

1、  一种扭矩传感器设备，包括：
至少一个构造于石英基底上的声感测装置，其与由所述石英晶片基底蚀刻的石英横膈膜相关联，其中所述至少一个声感测装置检测与经受扭矩的物体相关联的所述扭矩；以及
临近所述石英基底设置的盖，其中所述盖包括石英，并且通过使用惰性气体密封所述至少一个声感测装置和所述石英基底来维护和保护所述至少一个声感测装置。

2、  根据权利要求1的设备，其中所述石英晶片基底包括临近所述盖设置的基部基底。

3、  根据权利要求2的设备，其中所述基部基底和所述石英盖使用相同定向的石英。

4、  根据权利要求2的设备，其中所述基部通过玻璃粉结合与所述盖连接。

5、  根据权利要求2的设备，其中所述基部通过直接结合与所述盖连接。

6、  一种扭矩传感器系统，包括：
至少一个构造于石英基底上的声感测装置，其与由所述石英晶片基底蚀刻的石英横膈膜相关联，其中所述至少一个声感测装置检测与经受扭矩的物体相关联的所述扭矩；
临近所述石英基底设置的盖，其中所述盖包括石英；以及
由所述石英晶片基底构造的基部基底，其中所述基部基底与经受所述扭矩的所述物体连接，并且临近所述盖设置，从而使得所述盖通过使用惰性气体密封所述至少一个声感测装置和所述石英基底来维护和保护所述至少一个声感测装置，并且其中所述基部基底和所述石英盖使用相同定向的石英。

7、  根据权利要求6的系统，其中所述基部通过玻璃粉结合或直接结合与所述盖连接。

8、  一种用于形成扭矩传感器的方法，包括：
在石英基底上构造至少一个声感测装置，其与由所述石英晶片基底蚀刻的石英横膈膜相关联，其中所述至少一个声感测装置检测与经受扭矩的物体相关联的所述扭矩；
临近所述石英基底设置盖，其中所述盖包括石英；
由所述石英晶片基底构造基部基底；以及
连接所述基部基底和经受所述扭矩的所述物体，从而使得所述盖通过使用惰性气体密封所述至少一个声感测装置和所述石英基底来维护和保护所述至少一个声感测装置，并且其中所述基部基底和所述石英盖使用相同定向的石英。

9、  根据权利要求8的方法，其中所述基部通过玻璃粉结合或直接结合与所述盖连接。

10、  根据权利要求8的方法，其中所述声波感测装置包括下列类型装置中的至少一种：
扰性板模式(FMP)装置；
声板模式装置；
水平剪切声板模式(SH-APM)装置；
幅度板模式(APM)装置；
厚度剪切模式(TSM)装置；
表面声波模式(SAW)装置；
体声波模式(BAW)装置；
扭力模式装置；
勒夫波装置；
漏表面声波模式(LSAW)装置；
伪表面声波模式(PSAW)装置；
横模数据、掠面模式装置；
表面横模装置；
谐波模式装置；或
泛音模式装置。

扭矩传感器
技术领域
本发明的实施例通常涉及无线感测方法和系统。这些实施例还涉及扭矩传感器(torque sensor)。这些实施例另外涉及声波装置和传感器。这些实施例还涉及全石英封装(All Quartz Packaging，AQP)扭矩传感器技术。
背景技术
声波传感器在各种感测应用中得到使用，诸如温度和/或压力感测装置和系统。声波装置实现商业使用已经超过了60年。虽然通信工业是声波装置的最大用户，但是它们也在感测应用的其它领域中使用，例如化学蒸汽检测。之所以称作声波传感器是因为它们使用机械波或声波作为感测机制。由于声波传播是通过材料的表面或在其表面上传播，所以对传播路径的任何改变都会影响波的特性。
声波特性的改变可以通过测量传感器的频率、幅度或相位特性来监测，并然后可以将其与所测量的对应物理量或化学量关联。实际上，所有的声波装置和传感器都使用压电基底来产生声波。三个机制可以对声波传感器响应有作用，即：质量负荷、粘弹性(visco elastic)和声电效应。化学物的质量负荷改变这种传感器的频率、幅度、以及相位和Q值。大多数声波化学检测传感器(例如)依赖于该传感器的质量灵敏度以及化学选择涂层，该化学选择涂层吸收导致该声波传感器的质量负荷增加的所关心的蒸汽。
声波传感器的范例包括声波检测装置，其用来检测诸如化学物的物质的存在、或者诸如温度和压力的环境条件。由于对表面负荷具有高的灵敏度以及由于它们固有的高Q因子而具有的较低的噪声，用作传感器的声学波(acoustical wave)或声波(acoustic wave)(例如SAW/BAW)装置可以提供高灵敏检测机制。表面声波装置典型地使用光刻技术进行制造，并且在压电材料上放有梳状(comb-like)交叉(interdigital)换能器(transducer)。表面声波装置可以具有延迟线、滤波器、或谐振器结构。体声波装置典型地使用真空镀板(vacuum plater)制造。通过灯丝温度和总加热时间来控制电极材料的选择和电极的厚度。电极的大小和形状通过适当地使用掩模来定义。然而，一种类型的体装置(例如声板模式装置)可以使用与用于构造表面波装置的技术类似的技术来构造。
声波传感器看起来具有优势的一个领域是在扭矩感测领域。例如在包括旋转驱动轴的系统中，通常需要知道这种轴的扭矩和速度，以对它进行控制或对与该可旋转的轴相关的其它装置进行控制。相应地，最好能以精确、可靠并且廉价的方式来感测和测量扭矩。
用来测量作用于旋转轴上的扭矩的传感器在许多应用中得以使用，诸如机动车辆中的轴，但并不限于此。例如，其最好可以用来测量车辆传送中旋转轴上的扭矩，或者车辆引擎中轴(例如曲轴)上的扭矩，或者车辆的自动刹车系统(ABS)中轴上的扭矩，用于本领域中所熟知的各种目的。
这种类型的扭矩测量的一个应用是在电动助力转向(steer)系统中，其中响应于车辆转向轮的操作和/或操纵而驱动电机。该系统然后解释(interpret)应用于该转向轮及其附着(attached)轴的扭矩或旋转的量，以将该信息转换为用于该车辆的可转向轮的操作装置的适当命令。
扭矩传感器、特别是基于SAW的扭矩传感器通常提供不可预测的输出频率温度灵敏度，导致每一传感器的过多校准点。另外，这种装置具有较差的短期和长期稳定性，因为它们缺少封盖和气密(hermeticsealing)特性。另外，基底安装和封装技术并不适合于高要求的扭矩应用。因此认为，为了克服这些缺陷，必须设计和实施一种改进的扭矩传感器装置。这里将详细描述这种装置。
发明内容
提供本发明的下面概述，以便于理解本发明所独具的某些创造性特征，并且其并不是一个全面的描述。通过将整个说明书、权利要求书、附图、以及摘要作为一个整体可以得到对本发明的各个方面的完整理解。
因此，本发明的一方面是提供一种基于传感器的改进方法和系统。
本发明的另一方面是提供一种基于SAW传感器的改进方法和系统。
本发明还进一步的方面是提供一种基于石英SAW传感器的方法和系统。
本发明的前述方面和其它目的以及优点现在可以按照这里所描述的实现。公开了基于石英传感器的方法和系统，其中可以机械地模拟多个感测膜，以在石英晶片基底上实施。然后可以适当地蚀刻该石英晶片基底，以从该石英晶片基底产生石英横膈膜。然后可以将该多个感测元件和装置(例如扭矩SAW谐振器)设置在该石英晶片基底上，这是基于用于在该基底上实施的前面模拟的感测膜，从而从该石英晶片基底产生用于扭矩感测操作的石英传感器封装。
附图说明
附图进一步描述了本发明，并且结合本发明的详细描述一起用于解释本发明的原理，其中在贯穿不同的附图中，相同的附图标记指代相同或功能类似的元件，并且附图包括在说明书中并形成其一部分。
图1描述了全石英封装(AQP)扭矩传感器设备的侧视图，其可以根据一个实施例来实施；
图2描述了根据一个实施例的图1中所述的该AQP扭矩传感器设备的顶视图；
图3描述了根据另一个实施例的图1中所述的该AQP扭矩传感器设备的顶视图；
图4描述了AQP扭矩传感器设备的侧视图，其可以根据另一个实施例来实施；和
图5描述了扭矩传感器系统，其可以根据优选实施例来实施。
具体实施方式
这些非限定性范例中所讨论的该特定值和结构可以变化，并且引用其仅仅是用来描述本发明的至少一个实施例，而无意于对本发明的范围进行限制。
图1描述了全石英封装(AQP)扭矩传感器设备100的侧视图，其可以根据一个实施例来实施。通常，图1中所述的该扭矩传感器设备100包括盖102，其优选地用石英构造。该盖102连接着基底(substrate)或基部(base)104，其也可以用石英构造。可以由该SAW基底或基部104形成横膈膜(diaphragm)106。根据设计考虑，该横膈膜106也可以用石英材料形成。
然后可以由该横膈膜106或在其上面构造一个或多个声感测元件108、110、112。注意，该横膈膜106遭受诸如扭矩等应力时可以轻微弯曲。该声感测元件108、110、112优选地提供为形成在横膈膜106上的交叉换能器(interdigital transducer)。注意，横膈膜106可以提供为结合(bond)到基底或基部104的单独的(separate)石英组件，或者可以直接由基部104构造。也就是，可以由基部104蚀刻得到该横膈膜106。
线连接116可以结合到该横膈膜106，并且可以结合到穿过盖102凸出的天线114。天线114发射由设备100所收集的扭矩检测数据。该基部104可以设置在固定端118，例如固定端118可以是到经受扭矩的装置的连接，诸如机动车引擎中的轴。通常在该盖102和该基部104之间形成有间隙103。
在该盖102与基部104之间优选地密封有惰性气体，并且该惰性气体包围该声感测元件108、110、112和该横膈膜106。该石英盖102和SAW基部104优选地通过AQP设计来实施。因为石英的热膨胀导致的大的各向异性，该盖102与基部104优选地由相同定向的石英形成。根据设计考虑，该盖102与基部104优选地通过玻璃粉(glass frit)或者通过直接结合(例如焊接)彼此结合。
注意，感测元件108、110、112例如可以实施为声波感测元件，例如表面声波(SAW)或者体声波(BAW)感测组件。如果扭矩感测元件108、110、112包括声波感测元件，那么基底104就可以构造为压电石英基底。根据设计考虑，感测元件108、110、112也可以提供为，例如下列组件中的一个或多个：表面声波滤波器、表面声波谐振器、表面声波延迟线、体声波谐振器或者其组合。
图2描述了根据一个实施例的图1中所述的该AQP扭矩传感器设备100的顶视图。图3描述了根据另一个实施例的图1中所述的该AQP扭矩传感器设备100的顶视图。注意，在图1-3中，相同或相似的部件或元件通常通过相同的附图标记表示。在图2中所述的该构造中，该声感测元件108、110、112以斜阶(incline step)结构描述，而在图3中，声感测元件108、110、112以降阶(decline step)结构描述。
注意，该声感测元件108、110、112可以实施为声波谐振器、声波滤波器、或者声波延迟线结构。根据设计考虑，声感测元件108、110、112也可以在扰性板(flexural plate)模式(FMP)装置、声板模式装置、水平剪切(shear horizontal)声板模式(SH-APM)装置、幅度板(amplitude plate)模式(APM)装置、厚度剪切(thicknesss hear)模式(TSM)装置、表面声波模式(SAW)装置、体声波模式(BAW)装置、扭力(torsional)模式装置、勒夫波(love wave)装置、漏表面声波模式(LSAW)装置、伪表面声波模式(PSAW)装置、横模数据、掠面(surfaceskimming)模式装置、表面横模装置、谐波模式装置、或者泛音模式(overtone mode)装置的范围中实施。
要理解的是，虽然图1-3中只描述了三个感测元件108、110、112，但是可以使用更少或更多的感测元件。例如，在图4所述的结构中，使用了单个的并且较大的声感测元件408，其将在下面进行更详细地解释。另外，重要地是要理解，虽然设备100描述为通常的正方形或矩形结构，但是设备100也可以有其它形状，诸如椭圆形或圆形结构。
图4描述了AQP扭矩传感器设备400的侧视图，其可以根据另一个实施例来实施。该AQP扭矩传感器设备400类似于图1-3中所述的设备100，但是有些重要的不同。通常，设备400包括配置在石英基底404上的单个的声感测谐振器或感测元件408，其与由该石英晶片基底蚀刻的石英横膈膜406相关联。
该声感测谐振器408检测与经受扭矩的物体相关联的扭矩。这种物体优选地附着(attach)到固定端418上。可以在横膈膜406与该扭矩感测谐振器或感测元件408(例如单个交叉换能器)之间提供可选的石英层407，以提供对该感测元件408的附加支持。线连接416可以从该感测元件408延伸到天线414，其无线地发射来自设备400的扭矩检测数据。
在替换实施例中，替换地，该线连接416可以附着到该石英层407或该横膈膜406。注意，该石英层407的使用是可选的，并且根据设计考虑可以不是必须的。为了提供充足的短期和长期稳定性，横膈膜406、石英层408和/或SAW感测元件408应该使用惰性气体密封，诸如N2、氩等。于是，类似于图1-3中所述的结构，在该石英盖402与该石英基底或基部404之间形成间隙402。根据设计考虑，该石英盖402可以通过例如玻璃粉或者通过直接结合(例如焊接)结合到该石英基底或基部404。该石英盖402于是临近该石英基底或基部404设置，从而使得该盖402通过使用惰性气体来密封该声感测谐振器408和石英基底404而维护和保护一个或多个声感测谐振器408。
这里所述的实施例通常描述了用于扭矩感测的蚀刻的石英图形(diagram)(例如横膈膜106、406)的机械设计的一种系统和方法，以及用于深石英蚀刻、直接石英对石英封装、和金属连接(如天线114、414)的技术，该金属连接突出到该石英壳体(quartz cage)或封装的外部。于是，这里描述关于各个实施例的用于SAW扭矩传感器询问(interrogation)的新方法和系统。这种概念可以应用到基于实施一个或多个用于扭矩检测目的的SAW谐振器的感测结构。
根据所要测量的扭矩范围，这里所述的将要经受扭矩的该石英横膈膜106和/或406可以由通过用来封装和过压阻止的另一石英晶片在边缘支撑的薄石英晶片(即没有任何蚀刻的区域)来构造，或者通过选择性地蚀刻选择的石英以得到蚀刻的石英扭矩感测横膈膜。该石英横膈膜可以湿和/或干石英蚀刻形成用于较小的扭矩测量。
通常，增加SAW传感器操作的频率可以肯定显著地减少SAW装置的尺寸，而无许可(license free)的频率带中用于保持操作的该频率带宽限制可以容易地实现。该SAW滤波器的标准技术也可以应用来定义交叉换能器(IDT)域。因为直接石英结合(direct quartz bonding)技术需要非常平的表面，所以优选地使用金属离子注入作为用于创建从全石英封装内部到外部结合垫的导电路径的方法。钛是一种类型的优选金属，按照该传感器天线的适配电路的需要，钛注入的能量和剂量通过所设计的该导电路径的电阻来确定。
用于封装和密封SAW扭矩传感器设备100、400的材料的选择对温度依赖特性和长期稳定性可以具有巨大影响，因为该SAW扭矩传感器设备100、400所位于的该石英基底的表面的任何热应力都可以改变工作频率。该SAW扭矩传感器设备100、400的封装因此是关键过程，类似于压阻(piezoresistive)扭矩传感器。为了避免由于热膨胀系数不匹配而产生的热应力，并且为了能够通过构造过压阻止来保护该石英横膈膜，在直接石英对石英晶片结合过程中例如可以实施真实的全石英封装(TAQP)技术，如下：
1评估所接收的石英晶片(AFM；RMS＜1.3nm)的微观粗糙度；
2评估处理后的石英盖(晶片级)和石英SAW基底(晶片级)(AFM；RMS＜1.3nm)的微观粗糙度；
3在煮沸的浓HNO₃中对石英盖和石英SAW基底进行亲水化处理30-50分钟(即通常，在此处理之后的RMS降低)；
4在D1水中冲洗之后干燥；
5在兆声(Megasonic)RCA 1溶液(NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶5)中清洗10分钟，然后用HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶6清洗10分钟；
6对石英盖和石英SAW基底进行干燥；
7立即将盖和SAW基底接触和对齐；
8在T＜450℃(即温度应该以大约10℃/分钟上下跳动)的温度下在N₂中热退火1小时；以及
9结合控制，其中通过50纳米的薄刀片使用“裂纹张开”(crackopening)方法。
对于用于高扭矩测量的SAW装置(例如设备100、400)，可以实施用于SAW石英晶片制造的多个其它处理步骤。这种处理步骤的范例提供如下：
1评估所接收的双侧化学抛光的石英SAW晶片的微观粗糙度；
2晶片清洗；
3沉积在下面的步骤中用作抗蚀剂掩模的薄金属层；
4用于通道-间隙形成的光刻过程，需要金属路径从SAW表面通到外部连接；
5通道-间隙的RIE蚀刻；
6金属去除；
7晶片清洗；
8沉积用作钛注入的抗蚀剂掩模的薄金属层；
9用于钛注入的光刻过程；
10用于形成掩埋的导电路径的钛注入；
11沉积用于形成外部连接和SAW电极的金属层；
12用于金属图案化的光刻过程；
13金属蚀刻；
14晶片清洗；
15在煮沸的浓HNO₃中对石英SAW晶片进行亲水化处理30-50分钟；
16在D1水中冲洗，然后进行干燥；
17在兆声RCA 1溶液(NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶5)中清洗10分钟，然后用HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶6清洗10分钟；以及
18干燥。
在完成上述处理步骤之后，可以对另一石英晶片实施类似的一组处理步骤，以形成石英基板，诸如基部104、404。当这两个石英晶片已经准备好用于直接结合时，可以进行晶片切割和芯片组装，如下所述：
1接触和对齐该石英SAW晶片和石英基板；
2在T＜450℃下在N₂中热退火1小时，其中该温度应该以大约10℃/分钟上下跳动；
3结合控制，其中通过50毫米的刀片使用该“裂纹张开”方法；
4部分晶片切割(即切割厚度等于该石英SAW晶片的厚度，并且只在一个方向上)；
5AQP微结构的芯片间(inter-chip)空间上所结合晶片的整体厚度切割；
6使用特殊树脂将芯片结合到该封装基板上；
7为来自两个芯片的金属接触分配该导电树脂；
8线的结合；
9分配该保护树脂；以及
10封盖和焊接。
通过类似的方式，可以实施用于AQP SAW扭矩传感器的其它制造方案。该石英晶片例如可以通过湿或干蚀刻来进行蚀刻。在“全石英”传感器封装中，到天线(例如天线114、414)的电极连接(例如线连接116、416)可以由“穿过晶片”的连接来执行。在该“穿过晶片”设计中，该“穿过”孔可以由激光、超声、或者湿蚀刻来钻孔。
图5描述了扭矩传感器系统500，其可以根据优选实施例来实施。图5通常描述了扭矩传感器500的高级图。注意，在图1-5中，相同或相似的部件或元件通常由相同的附图标记标识。系统100通常包括能够旋转的部件510，例如轴，该扭矩感测设备100或400位于其上，以用于检测与旋转部件510相关联的扭矩。扭矩传感器设备100或400分别包括天线114、414，其可以向包括天线508的电子控制单元502发射数据，或接收来自它的数据。注意，该扭矩传感器100或400以及其相关的或各自的天线114、414共同可以形成无线扭矩传感器。该天线114、414例如可以提供为耦合器或者电容耦合天线组件。根据设计考虑，该天线也可以例如构造为电感耦合或简单的线性的天线。
为了面向更加集成的制造和减少测试阶段期间的校准活动，这里所公开的实施例和范例通常描述了改进的机械设计和模拟方法，以及用于SAW传感器组装和封装的技术。这种技术基于石英制造的压力感测膜(membrane)的机械模拟、用于石英横膈膜的选择性石英晶片蚀刻、用于金属连接的金属离子注入和/或用于低价不用校准的SAW扭矩传感器的直接石英对石英晶片结合。
要理解的是，上面所公开的变化形式以及其它特征和功能、或者其替换形式可以按照需要组合到许多其它不同的系统和应用中。还要注意的是，各种当前未预见的或未预测到的替换形式、修改、变化、或这里的改进都可以由本领域的熟练技术人员随后做出，其也都包括在下面的权利要求中。