CN100335879C - 一种改良耐高温微型低成本压力传感器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种改良耐高温微型低成本压力传感器的方法，将硅芯片通过静电键合与玻璃环连接在一体，选用退火后的金丝，热压焊完成内引线键合；采用耐高温胶粘剂，将硅芯片/玻璃环复合弹性体粘接于不锈钢内扣，以及内扣胶粘于不锈钢基座，将粘接后的联合体，在室温下固化，再放入烘箱内进行固化，使其具有初期强度；采用耐高温焊锡丝将耐高温导线焊接于耐高温线路板上，将传感器放高温烘箱内固化，使其获得最终粘接强度，在红黄线AC之间并联电阻R_P1，在红绿线AB之间并联电阻R_P2，在红黑线AE之间串联电阻R_S，获得了量程从0～40MPa、耐温-40～220℃，具有一定抗瞬时高温冲击能力和抗过载能力，高精度稳定性佳的压阻式低成本耐高温压力传感器。

Description

一种改良耐高温微型低成本压力传感器的方法

技术领域

本发明属于电子信息领域，特指一种改良耐高温微型低成本压力传感器的方法。

背景技术

传感器技术的竞争不仅包括芯片制作工艺的竞争，而且包括封装技术的竞争，封装占总成本的很大部分，由封装引起的失败占废品率的3/4。在传感器技术中，连接和封装一方面需要保护精密的微结构不被损坏和刻蚀，另一方面需要将微结构尽可能多地暴露在环境中以获取不失真的物理和化学等特征值，因此封装技术起着重要作用。传统的压阻式压力传感器封装工艺采用普通胶粘结工艺，在100℃以上时，传感器将无法工作，不能满足高温环境下测量的需要。

另一方面，压阻式压力传感器明显缺点是对周围环境温度的敏感性很高，其温度漂移之大是限制该类器件精度的提高和应用范围的主要因素之一，温度漂移是决定半导体压力传感器的关键指标，必须对封装后的传感器进行温度漂移系数的补偿。

传统的温度漂移系数补偿方法有：二极管补偿法、三极管补偿法、热敏电阻补偿法和厚膜电路补偿等等，这些补偿方法成本较高，操作复杂，均不太适合大批量生产及低成本的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种改良耐高温微型低成本压力传感器的方法，适合于耐高温微型低成本压力传感器大批量生产。

其目的是这样实现的：

(1)采用耐高温压阻式压力传感器芯片与玻璃环静电键合为复合弹性体；

(2)采用热压焊技术，将金丝退火处理后，加热使金丝末端形成球形，然后将金丝与硅芯片压于一起，完成内引线焊接键合；

(3)采用耐高温胶粘剂，将硅芯片/玻璃环复合弹性体粘接于不锈钢内扣，以及内扣胶粘于不锈钢基座，将粘接后的联合体，在室温下固化1～2个小时，再放入温度在60℃～80℃范围之间的烘箱内固化4～7小时，使其具有初期强度；然后采用耐高温焊锡丝将耐高温导线焊接于覆铜板制作的高温线路板，将传感器放到温度在160～180℃范围之间的高温烘箱内固化16小时以上，使其获得最终粘接强度，完成了耐高温封装的关键部分；

(4)然后在红黄线AC之间并联一个电阻值 $R_{P1}=-\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}+{\mathrm{TCR}}_B}{R}_B$ 的电阻，实现热灵敏度漂移补偿；在红绿线AB之间并联电阻一个电阻值 $R_{P2}=\frac{(1+K)(\sqrt{1+K}+1)}{K}{R}_B\≈\frac{{2R}_B}{K}$ 的电阻，实现热零点漂移补偿，在红黑线AE之间串联一个电阻值为R_S＝KR_B的电阻，调整零点输出。

采用了聚四氟乙烯薄膜绕包镀银铜芯绝缘电线作为耐高温导线，采用覆铜板制作了耐高温线路板，采用了含10％银的焊锡丝作为耐高温焊锡丝，采用耐高温焊锡丝将耐高温导线焊接于覆铜板制作的耐高温线路板时焊接点异于金丝焊接点。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明传感器温度漂移补偿示意图

1.进气(或液体)口；2.平头接口；3.连接螺纹；4.锁紧螺母；5.不锈钢基座；6.散热片；7.硅芯片；8.玻璃环；9.不锈钢内扣；10.耐高温线路板；11.金丝；12.锁紧孔；13.耐高温导线14.热灵敏度漂移补偿电阻R_P1；15.热零点漂移补偿电阻R_P2；16.零点输出调整电阻R_S；17.恒流源2毫安；18.芯片力敏电阻R

具体实施方式

结合图1详细说明其制作方法。

将清洗后的耐高温芯片(7)与玻璃环(8)静电键合在一体，选用金丝(11)，退火处理后，通过热压焊技术，与硅芯片(7)上的金触点连接，完成内引线键合。

用耐高温胶粘剂将硅芯片/玻璃环复合弹性体粘接于不锈钢内扣(9)、不锈钢内扣(9)胶粘及螺纹连接于不锈钢基座(5)，然后金丝(11)转接于高温线路板(10)。

所选耐高温胶粘剂，宜在高温(160～180℃)下固化为佳，但由于所用金丝(11)已在氮气或真空中退火，长时间在此温度下容易变脆，即脆性强度变大，延展率变小，在将其焊接到高温线路板(10)时容易脱落，而造成失败，本发明的办法是：将胶搅拌好后，在玻璃环(8)粘接面、不锈钢内扣(9)两面以及自制的高温线路板(10)背面(粘接面)涂均匀胶，将粘接后的联合体，在室温下固化1小时左右，放入烘箱70℃，固化6小时，使其具有初期强度，然后将金丝(11)焊接在高温线路板(10)上，然后将耐高温导线(13)焊接到高温线路板(10)异于金丝(11)的焊接点，将传感器放到温度为170℃的高温烘箱固化18个小时，使其获得最终粘接强度，，完成了耐高温封装的关键部分。

高温线路板(10)采用了耐高温覆铜板，采用了含银的高温焊锡丝，提高了耐热能力且增加了导电性，选用了镀银铜芯聚四氟乙烯薄膜绕包绝缘电线作为高温导线(13)

结合图2详细说明适合于大批量生产的耐高温压阻式压力传感器温度漂移补偿方法。

如图2所示，在红黄线AC之间并联电阻R_P1，实现热灵敏度漂移补偿。其计算公式：

$R_{P1}=-\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}+{\mathrm{TCR}}_B}{R}_B---\left(1\right)$

在式(1)中，经过初次温度循环，α可以由下式求出：

$\mathrm{\α}=\frac{[V_M\left(T\right)-V_{\mathrm{OS}}\left(T\right)]-[V_M\left(T_0\right)-V_{\mathrm{OS}}\left(T_0\right)]}{(T-T_0)[V_M\left(T_0\right)-V_{\mathrm{OS}}\left(T_0\right)]}\×100\%---\left(2\right)$

式中V_OS(T)、V_OS(T₀)分别是温度T和参考温度T₀时的零位输出；V_M(T)、V_M(T₀)是在温度T和参考温度T₀时满量程输出。用数显表记录温度T和参考温度T₀时，桥压值的变化；由欧姆定律得到桥阻的变化求出TCR_B；而桥阻R_B直接用万用表测出。

选用在红绿线AB之间并联电阻R_P2实现热零点漂移补偿补偿，在红黑线AE之间串联电阻R_S调整零点输出。其计算公式：

                R_S＝KR_B                        (3)

$R_{P2}=\frac{(1+K)(\sqrt{1+K}+1)}{K}{R}_B\≈\frac{{2R}_B}{K}---\left(4\right)$

K由零位输出确定，K＝4V_OS/V_B，(5)

在-20℃～200℃补偿温区内，通过温度循环标定，经补偿后热灵敏度漂移补偿和热零点漂移的值均小于1.0×10^-4/℃·FS；非线性误差小于0.1％FS，不重复性和迟滞误差均小于0.05％FS，总精度小于0.2％FS，高、低温时漂均小于0.1mV/8h，具有较高的性能价格比。

Claims (2)

1.一种改良耐高温微型低成本压力传感器的方法，其特征在于：采用耐高温压阻式压力传感器硅芯片(7)与玻璃环(8)静电键合为复合弹性体，将金丝(11)退火处理后，加热使金丝(11)末端形成球形，然后将金丝(11)与硅芯片(7)压于一起，完成内引线焊接键合；采用耐高温胶粘剂，将硅芯片/玻璃环复合弹性体粘接于不锈钢内扣(9)，以及内扣(9)胶粘于不锈钢基座(5)，将粘接后的联合体，在室温下固化1～2个小时，再放入温度在60℃～80℃范围之间的烘箱内固化4～7小时，使其具有初期强度；采用高温焊锡丝将耐高温导线(13)作为外引导线焊接于耐高温线路板(10)上，将传感器放到温度在160～180℃范围之间的高温烘箱内固化16小时以上，在红黄线AC之间并联一个电阻值 $R_{P1}=-\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}+{\mathrm{TCR}}_B}{R}_B$ 的电阻R_P1(14)，实现热灵敏度漂移补偿，传感器经过初次温度循环后，R_P1的计算式中的α可以由下式求出： $\mathrm{\α}=\frac{[V_M\left(T\right)-V_{\mathrm{OS}}\left(T\right)]-[V_M\left(T_0\right)-V_{\mathrm{OS}}\left(T_0\right)]}{(T-T_0)[V_M\left(T_0\right)-V_{\mathrm{OS}}\left(T_0\right)]}\×100\%;$ V_OS(T)、V_OS(T₀)分别是温度T和参考温度T₀时的零位输出，V_M(T)、V_M(T₀)是在温度T和参考温度T₀时满量程输出，用数显表记录温度T和参考温度T₀时，桥压值的变化；由欧姆定律得到桥阻的变化求出TCR_B；而桥阻R_B直接用万用表测出；在红绿线AB之间并联电阻一个电阻值 $R_{P2}=\frac{(1+K)(\sqrt{1+K}+1)}{K}{R}_B\≈\frac{{2R}_B}{K}$ 的电阻R_P2(15)，实现热零点漂移补偿，在红黑线AE之间串联一个电阻值为R_S＝KR_B的电阻R_S(16)，调整零点输出，K由零位输出确定，K＝4V_OS/V_B。

2.根据权利要求1所述的一种改良耐高温微型低成本压力传感器的方法，其特征在于：用耐高温覆铜板制作了耐高温线路板(10)，采用了至少含银10％的焊锡丝作为高温焊锡丝，采用了聚四氟乙烯薄膜绕包镀银铜芯绝缘电线作为耐高温导线(13)，将耐高温导线(13)焊接于耐高温线路板(10)时焊接点异于金丝焊接点。

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