CN103257007B - 压力传感器介质隔离封装结构及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种压力传感器介质隔离封装结构及其封装方法。所述压力传感器介质隔离封装结构包括：衬底、由柔软的低弹性模量的材料所制成的盖体、及压力传感器芯片。所述盖体与衬底共同形成一个密闭腔体以容纳所述压力传感器芯片。当待测介质的压力作用于所述盖体上时，所述盖体发生变形从而压缩密闭腔体内的气体以达到内外压力平衡。在此过程中，所述待测介质的压力被传递到压力传感器芯片的压力敏感膜上，从而达到将压力传感器芯片以及待测介质的压力进行隔离的目的。本发明是通过压缩气体来进行压力的传递，从而避免了传统的充灌硅油不锈钢封装技术中复杂的充灌硅油的工序，大大的降低了制造成本。

Description

压力传感器介质隔离封装结构及其封装方法

技术领域

本发明涉及一种压力传感器介质隔离封装结构及其封装方法，尤其涉及一种低成本的、用以与测量介质进行隔离的压力传感器介质隔离封装结构及其封装方法，属于传感器领域。

背景技术

压力传感器是将测量压力信号转化为电信号的换能器，目前广泛的应用于水利、气象、医疗、工业控制、汽车、航空航天以及消费电子等各个领域。经过多年的技术进步，目前压力传感器已成为各类传感器中技术最成熟，性能最稳定，应用最广泛，性价比最高的传感器之一。

按照工作原理的不同，压力传感器主要可分为压阻式、电容式、谐振式、压电式、光纤式等压力传感器，其中，基于微电子机械系统的MEMS压阻式由于其体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、制造工艺简单、便于集成化等众多优点成为压力传感器芯片的主流技术。此外，由于压力传感器广泛的应用于不同领域，而不同应用又对压力传感器的封装提出了不同的要求，所以目前压力传感器又有着众多的封装形式，例如塑料封装、陶瓷封装、PCB封装、金属管壳封装等等。

在某些特殊应用，如待测介质具有导电性或者具有腐蚀性，则待测介质不能与压力传感器芯片直接接触，那就需要设计一种特殊的封装技术既能将待测介质与压力传感器芯片隔离开，又能实现压力传递的功能。目前主流的介质隔离封装技术包括充灌硅油的不锈钢封装，在陶瓷片上印刷厚膜电阻的不锈钢封装，在不锈钢膜上淀积薄膜电阻、或者丝网印刷厚膜电阻的不锈钢封装，在不锈钢膜上贴装单晶硅应变片的不锈钢封装等各种介质隔离封装形式。

现有主流的压力传感器介质隔离封装技术皆有着封装工艺复杂、成本高、体积大、安装复杂等诸多缺点，所以主要在价格承受能力较高的工业控制领域得到应用。而在消费类领域，也有着对压力传感器介质隔离封装技术的强烈需求。所以，开发一种低成本、小体积、易于安装的压力传感器的介质隔离封装技术有着很大的现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种成本较低的压力传感器介质隔离封装结构及其封装方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案: 一种压力传感器介质隔离封装结构，其包括：

衬底；

盖体，所述盖体固定在衬底上以与衬底共同形成一个密闭腔体；及

压力传感器芯片，位于该密闭腔体内，所述压力传感器芯片设有压力敏感膜；

其中，所述盖体是由柔软的低弹性模量的材料所制成的，作用于所述盖体上的待测介质的压力能够使所述盖体发生变形，从而压缩密闭腔体内的气体以达到内外压力平衡，进而所述待测介质的压力能够被传递到压力传感器芯片的压力敏感膜上。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述柔软的低弹性模量的材料包括但不局限于硅胶材料、金属或塑料。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述密闭腔体的顶部为平面或者波纹形状。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述盖体设有顶壁，所述顶壁具有暴露于密闭腔体内的且呈波纹形状的内表面从而使所述密闭腔体的顶部呈现为波纹形状。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述盖体通过粘接材料固定在衬底上，所述粘接材料包括但不局限于硅胶材料或环氧树脂。

作为本发明进一步改进的技术方案，位于该密闭腔体内的所述压力传感器芯片为单纯的压力传感器芯片或者为封装好的压力传感器，所述封装好的压力传感器包括所述压力传感器芯片。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述封装好的压力传感器包括但不局限于塑料封装式压力传感器、PCB堆叠封装式压力传感器、金属管壳封装压力传感器或陶瓷封装压力传感器。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述压力传感器芯片设有电极，所述衬底包括正面、与正面相对的背面及贯穿正面与背面的金属化孔，所述衬底的正面设有内管脚，所述衬底的背面设有外管脚，所述金属化孔连接内管脚与外管脚；所述压力传感器介质隔离封装结构还设有连接电极与内管脚的键合引线。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述压力传感器介质隔离封装结构还包括覆盖在压力传感器芯片及键合引线上的灌封胶，密闭腔体内的气体压力能够穿过所述灌封胶而传递至所述压力敏感膜上。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述压力传感器介质隔离封装结构还包括位于密闭腔体内且位于压力传感器芯片外围的围堰部件，所述围堰部件用以限定灌封胶的覆盖范围及用以支撑所述盖体。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述盖体的顶壁整体上是上凸的或者下凹的。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述压力传感器芯片为差压芯片，所述压力传感器芯片包括与压力敏感膜连通的背腔，所述衬底设有与背腔相连通的开孔。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述压力传感器芯片的背面键合有玻璃片，并且所述玻璃片设有连通开孔及背腔的贯穿孔。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述压力传感器介质隔离封装结构还包括其他元器件，所述压力传感器芯片通过电学互联线或者键合引线电性连接于所述其他元器件。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述其他元器件为处理电路芯片。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述衬底上分布有横向的导线以将密闭腔体内的电学信号在衬底的同面横向引出到密闭腔体外，或者所述衬底上分布有纵向的导线以将密闭腔体内的电学信号在衬底的反面纵向引出到密闭腔体外，所述导线在衬底的背面可以重新排布并与外部连接。

为解决上述技术问题，本发明还可以采用如下技术方案: 一种压力传感器介质隔离封装结构的封装方法，其包括如下步骤：

a) 在衬底上涂覆粘接材料，然后贴装压力传感器芯片，再使粘接材料固化，所述衬底包括内管脚及与内管脚连接的外管脚，所述压力传感器芯片包括电极、背腔及与该背腔连通的压力敏感膜；

b) 将压力传感器芯片上的电极引出到衬底的内管脚上，并通过衬底的外管脚将电极引出到外部；

c) 在衬底上涂抹粘接材料，将由柔软的低弹性模量的材料制成的盖体与衬底对准粘接，再使粘接材料固化，所述盖体与衬底共同形成一个密闭腔体，所述压力传感器芯片位于该密闭腔体内；及

d) 分离对应的多个压力传感器介质隔离封装结构以得到单独的压力传感器介质隔离封装结构。

作为本发明进一步改进的技术方案，在步骤b)中，所述电极与内管脚通过键合引线连接起来。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述盖体设有侧壁，步骤b)还包括在该侧壁的内表面贴置围堰部件的步骤以及在围堰部件所限定的范围内填充灌封胶的步骤。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述封装方法还包括在衬底上开设与压力传感器芯片的背腔相连通的开孔的步骤。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述封装方法还包括在所述压力传感器芯片的背面键合玻璃片的步骤，以及在所述玻璃片上开设贯穿孔的步骤，所述贯穿孔连通开孔及背腔。

作为本发明进一步改进的技术方案，步骤b)还包括将其他元器件固定于衬底上的步骤，以及将所述压力传感器芯片和所述其他元器件通过电学互联线或者键合引线相连接的步骤。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述封装方法在步骤c)之前还包括将所述压力传感器芯片进行封装以形成封装好的压力传感器的步骤，所述封装好的压力传感器包括但不局限于塑料封装式压力传感器、PCB堆叠封装式压力传感器、金属管壳封装压力传感器或陶瓷封装压力传感器。

与传统的充灌硅油不锈钢封装技术通过不锈钢波纹片以及压缩硅油传递压力不同，本发明的压力传感器介质隔离封装结构及其封装方法是通过压缩气体进行压力的传递，从而避免了传统的充灌硅油不锈钢封装技术中复杂的充灌硅油的工序，大大的降低了制造成本。

附图说明

图1为本发明压力传感器介质隔离封装结构于第一实施方式中的原理图。

图2为本发明压力传感器介质隔离封装结构于第二实施方式中的原理图。

图3为本发明压力传感器介质隔离封装结构于第三实施方式中的原理图。

图4为本发明压力传感器介质隔离封装结构于第四实施方式中的原理图。

图5为本发明压力传感器介质隔离封装结构于第五实施方式中的原理图。

图6为本发明压力传感器介质隔离封装结构于第六实施方式中的原理图。

图7为本发明压力传感器介质隔离封装结构于第七实施方式中的原理图。

图8为本发明压力传感器介质隔离封装结构于第八实施方式中的原理图。

图9为本发明压力传感器介质隔离封装结构于第九实施方式中的原理图。

图10为本发明压力传感器介质隔离封装结构于第十实施方式中的原理图。

具体实施方式

第一实施方式：

请参照图1所示，本发明的压力传感器介质隔离封装结构100包括压力传感器芯片1、用以承载压力传感器芯片1的衬底2、键合引线5、及固定于衬底2上且围绕在压力传感器芯片1外围的盖体3。所述压力传感器芯片1包括压力敏感膜11、硅基体12、形成于硅基体12上的背腔13、及位于硅基体12上的电极14。所述衬底2包括正面21、与正面21相对的背面22及贯穿正面21与背面22的金属化孔23。另外，所述衬底2还包括位于正面21上的内管脚211及位于背面22上的外管脚221。所述键合引线5连接压力传感器芯片1的电极14及内管脚211，同时所述金属化孔23又连接内管脚211与外管脚221，从而将压力传感器芯片1的电极14引出到外部以便于封装。所述外管脚221用作最终应用时的引脚定义。当然，在其他实施方式中，所述压力传感器芯片1的电极14也可以通过电学互联线被引出到外部。

所述压力传感器芯片1通过粘胶材料固定在衬底2之上。所述盖体3是由柔软的低弹性模量的材料制成的，其同样通过粘胶材料固定在衬底2上。最终，所述盖体3与衬底2共同形成一个密闭腔体4，所述压力传感器芯片1被包容在该密闭腔体4中。所述柔软的低弹性模量的材料包括但不局限于硅胶材料、金属或塑料等。所述粘接材料包括但不局限于硅胶材料或环氧树脂等。所述盖体3包括顶壁31及侧壁32。在本实施方式中，所述顶壁31为波纹形状从而进一步降低其弹性。具体地，所述顶壁31具有暴露于密闭腔体4内的且呈波纹形状的内表面311，进而使所述密闭腔体4的顶部为波纹形状。当然，在其他实施方式中，所述内表面311也可以是平面，从而使所述密闭腔体4的顶部也为平面。请参图1所示，所述顶壁31整体上并未上凸或下凹，只是在其外表面具有若干凹陷312，从而使内表面311向下凸出。

在其他实施方式中，所述衬底2上分布有横向的导线以将密闭腔体4内的电学信号在衬底2的同面横向引出到密闭腔体4外，或者所述衬底2上分布有纵向的导线以将密闭腔体4内的电学信号在衬底2的反面纵向引出到密闭腔体4外，所述导线在衬底2的背面22可以重新排布并与外部连接。

使用时，待测介质的压力首先作用于柔软的低弹性模量的盖体3上，并使之变形且压缩密闭腔体4内的气体，从而达到内外压力平衡。在此过程中，待测介质的压力会被传递到压力传感器芯片1的压力敏感膜11上，从而达到将压力传感器芯片1以及待测介质的压力进行隔离的目的。

与传统的充灌硅油不锈钢封装技术通过不锈钢波纹片以及压缩硅油传递压力不同，本发明的压力传感器介质隔离封装结构100是通过压缩气体进行压力的传递，从而避免了传统的充灌硅油不锈钢封装技术中复杂的充灌硅油的工序，大大的降低了制造成本，更适合消费电子市场的应用。

第二实施方式：

请参照图2所示，本发明于第二实施方式中的压力传感器介质隔离封装结构100与第一实施方式的区别在于：所述压力传感器介质隔离封装结构100还设有位于密闭腔体4内且贴置于侧壁32的内表面的围堰部件7及位于围堰部件7范围内的灌封胶8。所述围堰部件7位于压力传感器芯片1的外围，用以限定灌封胶8的覆盖范围。所述灌封胶8覆盖在压力传感器芯片1及键合引线5上。所述灌封胶8具有收缩率低、应力小等特性，如硅橡胶等，其用于保护压力传感器芯片1和键合引线5。同时，密闭腔体4内的气体压力能够穿过灌封胶8而传递至所述压力敏感膜11上。

所述围堰部件7不仅具有拦截灌封胶8，避免灌封胶8外溢的功能，同时还起到对盖体3加强支撑的作用。

第三实施方式：

请参照图3所示，本发明于第三实施方式中的压力传感器介质隔离封装结构100与第一实施方式的区别在于：所述盖体3的顶壁31整体上是上凸的。

第四实施方式：

请参照图4所示，本发明于第四实施方式中的压力传感器介质隔离封装结构100与第一实施方式的区别在于：所述盖体3的顶壁31整体上是下凹的。

第五实施方式：

请参照图5所示，本发明于第五实施方式中的压力传感器介质隔离封装结构100与第一实施方式的区别在于：所述压力传感器芯片1为差压芯片，衬底2设有与压力传感器芯片1的背腔13相连通的开孔9，这样压力传感器芯片1可以测量密闭腔体4和衬底2背面22的压力差。

第六实施方式：

请参照图6所示，本发明于第六实施方式中的压力传感器介质隔离封装结构100与第五实施方式的区别在于：所述压力传感器芯片1的背面键合有玻璃片15，并且所述玻璃片15设有连通开孔9及背腔13的贯穿孔151，从而减小应力对压力传感器芯片1的压力性能的影响。

第七实施方式：

请参照图7所示，本发明于第七实施方式中的压力传感器介质隔离封装结构100与第一实施方式的区别在于：在密闭腔体4中还包括除压力传感器芯片1之外的其他元器件16(例如：处理电路芯片)，所述其他元器件16通过粘接材料固定在衬底2上。所述压力传感器芯片1、所述其他元器件16及所述衬底2的内管脚211通过所述键合引线5进行连接，并通过外管脚221引出到外部以便于封装。当然，在其他实施方式中，所述压力传感器芯片1也可以通过电学互联线连接于所述其他元器件16。

第八实施方式：

请参照图8所示，本发明于第八实施方式中的压力传感器介质隔离封装结构100与第一实施方式的区别在于：所述密闭腔体4中容纳着一个封装好的压力传感器17，所述压力传感器17包括所述压力传感器芯片1，即所述压力传感器芯片1为所述压力传感器17的一个元件。但是，在第一实施方式至第七实施方式中，所述压力传感器芯片1为单纯的压力传感器芯片。请参照图8所示，在本实施方式中，所述压力传感器17为PCB堆叠封装式压力传感器，该压力传感器17与衬底2的内管脚211之间的电连接通过导电胶、焊锡膏等方式实现，并且可以通过底部填充胶加强两者之间粘接强度，所述底部填充胶包括但不限于环氧树脂胶。

第九实施方式：

请参照图9所示，本发明于第九实施方式中的压力传感器介质隔离封装结构100与第八实施方式的区别在于：所述封装好的压力传感器17为塑料封装式压力传感器。该压力传感器17与衬底2的内管脚211之间的电连接通过导电胶、焊锡膏等方式实现，并且可以通过底部填充胶加强两者之间粘接强度，所述底部填充胶包括但不限于环氧树脂胶。

第十实施方式：

请参照图10所示，本发明于第十实施方式中的压力传感器介质隔离封装结构100与第九实施方式的区别在于：所述封装好的压力传感器17也可以为金属管壳封装压力传感器或陶瓷封装压力传感器等。

另外，本发明还涉及一种上述压力传感器介质隔离封装结构100的封装方法，该封装方法包括如下步骤：

a) 在衬底2上涂覆粘接材料(例如：粘接胶)，然后贴装压力传感器芯片1，再使粘接材料固化，所述衬底2包括内管脚211及与内管脚211连接的外管脚221，所述压力传感器芯片1包括电极14、背腔13及与该背腔13连通的压力敏感膜11；

b) 将压力传感器芯片1上的电极14引出到衬底2的内管脚211上，并通过衬底2的外管脚221将电极14引出到外部以便于封装；

c) 在衬底2上涂抹粘接材料，将由柔软的低弹性模量的材料制成的盖体3与衬底2对准粘接，再使粘接材料固化，所述盖体2与衬底2共同形成一个密闭腔体4，所述压力传感器芯片1位于该密闭腔体4内；

d) 分离对应的多个压力传感器介质隔离封装结构100以得到单独的压力传感器介质隔离封装结构100。

作为上述封装方法进一步改进的技术方案，其中：

请参图1所示，在步骤b)中，所述电极14与内管脚211通过键合引线5连接起来；

请参图2所示，步骤b)还包括在盖体3侧壁32的内表面贴置围堰部件7的步骤，以及在围堰部件7所限定的范围内填充灌封胶8的步骤；

请参图5所示，上述封装方法还包括在衬底2上开设与压力传感器芯片1的背腔13相连通的开孔9的步骤；

请参图6所示，上述封装方法还包括在所述压力传感器芯片1的背面键合玻璃片15的步骤，以及在所述玻璃片15上开设贯穿孔151的步骤，所述贯穿孔151连通开孔9及背腔13；

请参图7所示，在步骤b)中还包括将其他元器件16(例如：处理电路芯片)固定于衬底2上的步骤，以及将所述压力传感器芯片1和其他元器件16通过电学互联线或者键合引线相连接的步骤；

请参图8至图10所示，上述封装方法在步骤c)之前还包括将所述压力传感器芯片1进行封装，以形成封装好的压力传感器17的步骤，所述封装好的压力传感器17包括但不局限于塑料封装式压力传感器、PCB堆叠封装式压力传感器、金属管壳封装压力传感器或陶瓷封装压力传感器。

与现有的介质隔离技术相比，本发明的制造压力传感器介质隔离封装结构100及其封装方法具有如下优点：

1. 体积小、结构紧凑；与现有的介质隔离技术相比，在体积上有明显优势；

2. 适合于自动化批量生产；

3. 低制造成本；

4. 后续的使用安装更为方便。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，不应以此限制本发明的范围，即凡是依本发明权利要求书及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (7)

1.一种压力传感器介质隔离封装结构的封装方法，其特征在于，该封装方法包括如下步骤：

a) 在衬底上涂覆粘接材料，然后贴装压力传感器芯片，再使粘接材料固化，所述衬底包括内管脚及与内管脚连接的外管脚，所述压力传感器芯片包括电极、背腔及与该背腔连通的压力敏感膜；

b) 将压力传感器芯片上的电极引出到衬底的内管脚上，并通过衬底的外管脚将电极引出到外部；

c) 在衬底上涂抹粘接材料，将由柔软的硅胶材料制成的盖体与衬底对准粘接，再使粘接材料固化，所述盖体与衬底共同形成一个密闭腔体，所述压力传感器芯片位于该密闭腔体内；及

d) 分离对应的多个压力传感器介质隔离封装结构以得到单独的压力传感器介质隔离封装结构。

2.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于：在步骤b)中，所述电极与内管脚通过键合引线连接起来。

3.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于：所述盖体设有侧壁，步骤b)还包括在该侧壁的内表面贴置围堰部件的步骤以及在围堰部件所限定的范围内填充灌封胶的步骤。

4.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于：所述封装方法还包括在衬底上开设与压力传感器芯片的背腔相连通的开孔的步骤。

5.如权利要求4所述的封装方法，其特征在于：所述封装方法还包括在所述压力传感器芯片的背面键合玻璃片的步骤，以及在所述玻璃片上开设贯穿孔的步骤，所述贯穿孔连通开孔及背腔。

6.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于：步骤b)还包括将其他元器件固定于衬底上的步骤，以及将所述压力传感器芯片和所述其他元器件通过电学互联线或者键合引线相连接的步骤。

7.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于：所述封装方法在步骤c)之前还包括将所述压力传感器芯片进行封装以形成封装好的压力传感器的步骤，所述封装好的压力传感器包括但不局限于塑料封装式压力传感器、PCB堆叠封装式压力传感器、金属管壳封装压力传感器或陶瓷封装压力传感器。