CN111638002A - 一种mems压力传感器充油芯体及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压力传感器技术领域，且公开了一种MEMS压力传感器充油芯体，包括上盖、底座和敏感组件；所述上盖的下端与底座密封连接，所述底座和上盖构成密封腔体，所述密封腔体内填充有检测介质；所述底座上且位于密封腔体内设有敏感组件。该MEMS压力传感器充油芯体及其封装方法，采用硅弹性膜片和半导体电阻与信号标定模块组成的芯片，外部无需设置信号处理电路，引线互连少、结构简单、成本低、产品可靠性高，便于生产，并且半导体电阻和信号标定模块位于不同的平面，并且信号标定模块位于硅弹性膜片的四周，避免硅弹性膜片的应力变化影响到信号标定模块，导致信号标定模块中的线路受损的风险，有利于保证精度。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，具体为一种MEMS压力传感器充油芯体及其封装方法。
背景技术
压力传感器的主要作用是将外界压力信号转化为电信号，广泛应用于汽车电子、航空航天、石油化工、医疗器械和消费电子等领域。
压力芯片作为压力传感器的核心器件，主要可分为扩散硅压阻式、电容式、压电式、谐振式等压力传感器；其中，扩散硅压力传感器芯片采用先进的MEMS技术，通过刻蚀技术形成感压压力膜片，通过离子注入的方式在感压压力膜片区域制作压敏元件；此外，MEMS压力传感器体积小，重量轻、成本低、灵敏度高，适于批量化生产，应用环境十分广泛，不同的应用环境对MEMS压力传感器封装方式要求各不相同，为满足传感器的介质兼容性，不同封装方式的压力传感器充油芯体被公布；现有的充油芯体封装方式难以摆脱产品成本高、制造工艺复杂、精度低、可靠性差等缺陷，专利CN106768592A公布了“一种带信号处理功能的压力变送器充油芯体”，其公布的一种基座为高压烧结座，基座本体送过机加工制造，加工效率低，成本高，制造过程无法兼容成熟的半导体封装工艺，如自动高速贴片、全自动高速引线键合，另外，此方案将测温模块、信号处理单元、和感压单元设置在同一工作面，由于感压单元属于传感器芯片最薄弱且随压力变化不断发生形变区域，信号处理单元也设置在此面将使芯片内部微电路面临疲劳损坏的风险；专利CN1056343A公布的一种“介质隔离式压力传感器封装结构”，将压力传感器封装模块设置在充油腔体内部，封装模块因材料自身的吸湿性和气孔的存在，无法保证密封腔体内部无气体残余，同时内部硅油填充体积过多，都将增加压力传感器的输出温度漂移，使传感器精度降低，另外，封装模块内部采用压力芯片和AS I C双芯片方式，增加产品制造成本和失效风险；专利CN208721309U公布了“一种简易充油芯体”，粘贴有压力芯片的管壳直接铆接，此过程导致管壳产品巨大的应力，应力传递至压力芯片，从而引发传感器输出漂移，一致性和精度降级，另外，密封腔体内部设置有热膨胀系数远超硅片的密封圈，在高低温条件下引发传感器增大传感器的输出温度漂移。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种MEMS压力传感器充油芯体及其封装方法，具备充油芯体检测精度高等优点，解决了现有技术中将测温模块、信号处理单元和感压单元设置在同一工作面，由于感压单元属于传感器芯片最薄弱且随压力变化不断发生形变区域，信号处理单元也设置在此面将使芯片内部微电路面临疲劳损坏的风险，使传感器精度降低的问题。
(二)技术方案
为实现上述充油芯体检测精度高的目的，本发明提供如下技术方案：一种MEMS压力传感器充油芯体，包括上盖、底座和敏感组件；
所述上盖的下端与底座密封连接，所述底座和上盖构成密封腔体，所述密封腔体内填充有检测介质；
所述底座上且位于密封腔体内设有敏感组件；所述敏感组件包括位于同一平面的硅弹性膜片和信号标定模块；
所述信号标定模块位于硅弹性膜片的四周；
所述硅弹性膜片上设有半导体电阻。
优选的，所述底座的上表面设有贴片胶和定位标识，所述贴片胶用于粘接敏感组件，所述定位标识分布在贴片胶的外围。
优选的，所述贴片胶和敏感组件之间还设有背压片。
优选的，所述贴片胶的中心设有圆孔，所述底座的下表面设有与圆孔连通的通孔。
优选的，所述底座上还设有管脚，所述管脚上设有与敏感组件电气连接的引线，所述管脚和底座的连接处设有烧结玻璃。
优选的，所述底座上还设有填料孔，所述底座的下表面且位于填料孔内连接有钢珠。
优选的，所述底座与上盖的下端密封连接的接触面上设有截面为锥形的第一焊接圈。
优选的，所述上盖包括圆环、压力膜片和外壳，所述外壳上设有第二焊接圈，所述外壳通过第二焊接圈和圆环连接，所述压力膜片位于外壳和圆环之间，所述圆环、压力膜片和外壳均为同一型号的金属。
优选的，所述外壳的上表面设有过压阻挡槽，所述外壳的下表面设有介质槽；所述介质槽和过压阻挡槽相连通。
一种MEMS压力传感器充油芯体的封装方法，该封装方法的步骤如下：
(a)将圆环、压力膜片和外壳依次同轴组合，通过第二焊接圈以密封焊接的方式构成上盖；
(b)将敏感组件粘接在底座的贴片胶上，并通定位标识进行定位，实现快速贴片；
(c)通过引线将敏感组件与管脚进行超声热键合，使其形成电气连接；
(d)将底座与上盖通过截面为锥形的第一焊接圈以电阻焊的方式进行密封焊接；
(e)在真空环境下通过填料孔向外壳内的介质槽内灌注液态介质；
(f)将钢珠与底座上的填料孔密封焊接，形成充油芯体；
(g)将完成后的充油芯体进行标定测试。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种MEMS压力传感器充油芯体及其封装方法，具备以下有益效果：
1、该MEMS压力传感器充油芯体及其封装方法，采用硅弹性膜片和半导体电阻与信号标定模块组成的芯片，外部无需设置信号处理电路，引线互连少、结构简单、成本低、产品可靠性高，便于生产，并且半导体电阻和信号标定模块位于不同的平面，并且信号标定模块位于硅弹性膜片的四周，避免硅弹性膜片的应力变化影响到信号标定模块，导致信号标定模块中的线路受损的风险，有利于保证精度。
2、该MEMS压力传感器充油芯体及其封装方法，圆环、压力膜片和外壳均为同一型号的金属，采用全金属封装，使密封腔体内部无PCB和塑料件等吸湿性较强和热膨胀系数较大的材料，避免密封腔体内部产生气泡、湿气和热变形，从而导致产品可靠性和精度降低。
3、该MEMS压力传感器充油芯体及其封装方法，密封腔体内部的介质填充量被控制在最小体积，介质填充体积越小，产品在高低温变化下，因介质材料的CTE导致的收缩与膨胀量相应越小，更有利于提高MEMS压力传感器充油芯体的高低温精度。
4、该MEMS压力传感器充油芯体及其封装方法，通过底座的上表面设有贴片胶和定位标识，贴片胶用于粘接敏感组件，定位标识分布在贴片胶的外围，进行定位，便于实现高速自动化贴片。
附图说明
图1为本发明提出的一种MEMS压力传感器充油芯体结构第一实施例的剖视图。
图2为本发明提出的一种MEMS压力传感器充油芯体第一实施例中上盖的结构图。
图3为本发明提出的一种MEMS压力传感器充油芯体第一实施例中底座和敏感组件的结构图。
图4为本发明提出的一种MEMS压力传感器充油芯体第一实施例中敏感组件的结构图。
图5为本发明提出的一种MEMS压力传感器充油芯体第一实施例中底座的俯视图。
图6为本发明提出的一种MEMS压力传感器充油芯体第二实施例的剖视图。
图7为本发明提出的一种MEMS压力传感器充油芯体第二实施例中敏感组件的结构图。
图中：10上盖、20底座、201管脚、202底座的上表面、203第一焊接圈、204填料孔、205烧结玻璃、206定位标识、301引线、302贴片胶、40敏感组件、41硅弹性膜片、42信号标定模块、43半导体电阻、44背压片、510通孔、11圆环、12压力膜片、13外壳、131过压阻挡槽、132介质槽、14第二焊接圈、15钢珠、16密封腔体、17检测介质。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1-5，一种MEMS压力传感器充油芯体，包括上盖10、底座20和敏感组件40；底座20上设有敏感组件40；敏感组件40包括硅弹性膜片41和信号标定模块42，硅弹性膜片41和信号标定模块42均设置在裸片上，使两者位于同一水平面；信号标定模块42位于硅弹性膜片41的四周；硅弹性膜片41上设有半导体电阻43，使半导体电阻43和信号标定模块42位于不同的平面，并且信号标定模块42位于硅弹性膜片41的四周，避免硅弹性膜片41的应力变化影响到信号标定模块42，导致信号标定模块42中的线路受损的风险，有利于保证精度；其原理为，硅弹性膜片41受到压力会产生应变，导致其上的半导体电阻43在压阻效应和材料本身各向异性的作用下电阻值发生不同的变化，通过斯通电桥原理输出与压力值相对应的电压信号，电压信号经过集成在压力芯片上的信号标定模块42进行放大、高低温和线性补偿后输出满足终端使用需求的电压信号；
上盖10的下端与底座20密封连接，底座20和上盖10构成密封腔体16，密封腔体16内真空填充有检测介质17，检测介质可为硅油，敏感组件40位于密封腔体16内与检测介质17接触；底座20上还设有填料孔204，用于向密封腔体16填充介质，底座20的下表面且位于填料孔204内连接有钢珠15，用于密封；底座20与上盖10的下端密封连接的接触面上设有截面为锥形的第一焊接圈203，焊接时可形成均匀致密的焊接面，保证其密封性和结构的稳定性；
底座20上设有管脚201，管脚201和底座20的连接处设有烧结玻璃205，通过烧结玻璃205使其与底座20进行绝缘和密封，管脚201和底座20材质为金属，优选地材质为CTE较低的可伐，表层材料镀金；管脚201上设有与敏感组件40电气连接的引线301，通过全自动热超声键合的方式完成连接，引线301可为金丝、铝丝或铜丝，优选引线为金丝；底座20的上表面202设有贴片胶302和定位标识206，贴片胶302用于粘接敏感组件40，定位标识206分布在贴片胶302的外围，进行定位，便于实现高速自动化贴片；贴片胶302和敏感组件40之间还设有背压片44，保证敏感组件40的背压；
上盖10包括圆环11、压力膜片12和外壳13，外壳13上设有第二焊接圈14，外壳13通过第二焊接圈14和圆环11连接，压力膜片12位于外壳13和圆环11之间，压力膜片12为平膜或波纹压力膜片；圆环11、压力膜片12和外壳13均为同一型号的金属，优选的为同一型号的不锈钢，消除材料间的CTE失配引起的热应力，避免导致传感器的输出精度降低；
外壳13的上表面202设有过压阻挡槽131，防止外界压力过载导致压力膜片12形变过大而损坏；外壳13的下表面设有介质槽132，介质槽132和过压阻挡槽131相连通，介质槽132的槽深可影响密封腔体16的体积，进而减少介质17的填充量，使介质保持在最小量，避免降低介质17热胀冷缩导致的产品输出漂移。
一种MEMS压力传感器充油芯体的封装方法，该封装方法的步骤如下：
(a)将圆环11、压力膜片12和外壳13依次同轴组合，通过第二焊接圈14以密封焊接的方式构成上盖10；
(b)将敏感组件40粘接在底座20的贴片胶302上，并通定位标识206进行定位，实现快速贴片；
(c)通过引线301将敏感组件40与管脚201进行超声热键合，使其形成电气连接；
(d)将底座20与上盖10通过截面为锥形的第一焊接圈203以电阻焊的方式进行密封焊接；
(e)在真空环境下通过填料孔204向外壳13内的介质槽132内灌注液态介质；
(f)将钢珠15与底座20上的填料孔204密封焊接，形成充油芯体；
(g)将完成后的充油芯体进行标定测试。
实施例二：
请参阅图6-7，与实施例一的区别点在于，贴片胶302和敏感组件40之间没有背压片，并且贴片胶302的中心设有圆孔，底座20的下表面设有与圆孔连通的通孔510，使本充油芯体其和大气环境导通，可以检测相对于大气压力的测量值。
在使用时：
(1)外界压力作用于压力膜片12，通过压力膜片12将挤压密封腔体16内部填充的介质17，然后由介质17将压力传导至敏感组件40，从而引起敏感组件40上硅弹性膜片41的变化，硅弹性膜片41受到压力会产生应变，导致其上的半导体电阻43在压阻效应和材料本身各向异性的作用下电阻值发生不同的变化，通过斯通电桥原理输出与压力值相对应的电压信号。
(2)圆环11、压力膜片12和外壳13均为同一型号的金属，消除材料间的CTE失配引起的热应力，避免导致的传感器输出精度降低。
本发明的有益效果是：
该MEMS压力传感器充油芯体及其封装方法，相较于现有技术，本发明采用硅弹性膜片41和半导体电阻43与信号标定模块42组成的芯片，外部无需设置信号处理电路，引线301互连少、结构简单、成本低、产品可靠性高，并且半导体电阻43和信号标定模块42位于不同的平面，并且信号标定模块42位于硅弹性膜片41的四周，避免硅弹性膜片41的应力变化影响到信号标定模块42，导致信号标定模块42中的线路受损的风险，有利于保证精度；
圆环11、压力膜片12和外壳13均为同一型号的金属，采用全金属封装，使密封腔体16内部无PCB和塑料件等吸湿性和热膨胀系数较强的材料，避免密封腔体内部产生气泡、湿气和热变形，从而导致产品可靠性和精度降低；
密封腔体16内部的介质17填充量被控制在最小体积，介质17填充体积越小，产品在高低温变化下，因介质材料的CTE导致的收缩与膨胀量相应越小，更有利于提高MEMS压力传感器充油芯体的高低温精度；通过底座20的上表面202设有贴片胶302和定位标识206，贴片胶302用于粘接敏感组件40，定位标识206分布在贴片胶302的外围，进行定位，便于实现高速自动化贴片；解决了现有技术中将测温模块、型号处理单元、和感压单元设置在同一工作面，由于感压单元属于传感器芯片最薄弱且随压力变化不断发生形变区域，信号处理单元也设置在此面将使芯片内部微电路面临疲劳损坏的风险，使传感器精度降低的问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种MEMS压力传感器充油芯体，其特征在于：包括上盖(10)、底座(20)和敏感组件(40)；
所述上盖(10)的下端与底座(20)密封连接，所述底座(20)和上盖(10)构成密封腔体(16)，所述密封腔体(16)内填充有检测介质(17)；
所述底座(20)上且位于密封腔体(16)内设有敏感组件(40)；所述敏感组件(40)包括位于同一平面的硅弹性膜片(41)和信号标定模块(42)；
所述信号标定模块(42)位于硅弹性膜片(41)的四周；
所述硅弹性膜片(41)上设有半导体电阻(43)。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS压力传感器充油芯体，其特征在于：所述底座(20)的上表面(202)设有贴片胶(302)和定位标识(206)，所述贴片胶(302)用于粘接敏感组件(40)，所述定位标识(206)分布在贴片胶(302)的外围。
3.根据权利要求2所述的一种MEMS压力传感器充油芯体，其特征在于：所述贴片胶(302)和敏感组件(40)之间还设有背压片(44)。
4.根据权利要求2所述的一种MEMS压力传感器充油芯体，其特征在于：所述贴片胶(302)的中心设有圆孔，所述底座(20)的下表面设有与圆孔连通的通孔(510)。
5.根据权利要求1所述的一种MEMS压力传感器充油芯体，其特征在于：所述底座(20)上还设有管脚(201)，所述管脚(201)上设有与敏感组件(40)电气连接的引线(301)，所述管脚(201)和底座(20)的连接处设有烧结玻璃(205)。
6.根据权利要求1所述的一种MEMS压力传感器充油芯体，其特征在于：所述底座(20)上还设有填料孔(204)，所述底座(20)的下表面且位于填料孔(204)内连接有钢珠(15)。
7.根据权利要求1所述的一种MEMS压力传感器充油芯体，其特征在于：所述底座(20)与上盖(10)的下端密封连接的接触面上设有截面为锥形的第一焊接圈(203)。
8.根据权利要求1所述的一种MEMS压力传感器充油芯体，其特征在于：所述上盖(10)包括圆环(11)、压力膜片(12)和外壳(13)，所述外壳(13)上设有第二焊接圈(14)，所述外壳(13)通过第二焊接圈(14)和圆环(11)连接，所述压力膜片(12)位于外壳(13)和圆环(11)之间，所述圆环(11)、压力膜片(12)和外壳(13)均为同一型号的金属。
9.根据权利要求8所述的一种MEMS压力传感器充油芯体，其特征在于：所述外壳(13)的上表面(202)设有过压阻挡槽(131)，所述外壳(13)的下表面设有介质槽(132)；所述介质槽(132)和过压阻挡槽(131)相连通。
10.一种MEMS压力传感器充油芯体的封装方法，该封装方法的步骤如下：
(a)将圆环(11)、压力膜片(12)和外壳(13)依次同轴组合，通过第二焊接圈(14)以密封焊接的方式构成上盖(10)；
(b)将敏感组件(40)粘接在底座(20)的贴片胶(302)上，并通定位标识(206)进行定位，实现快速贴片；
(c)通过引线(301)将敏感组件(40)与管脚(201)进行超声热键合，使其形成电气连接；
(d)将底座(20)与上盖(10)通过截面为锥形的第一焊接圈(203)以电阻焊的方式进行密封焊接；
(e)在真空环境下通过填料孔(204)向外壳(13)内的介质槽(132)内灌注液态介质；
(f)将钢珠(15)与底座(20)上的填料孔(204)密封焊接，形成充油芯体；
(g)将完成后的充油芯体进行标定测试。
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