CN101683966A - 微型电场传感器的抗静电积累封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型电场传感器的封装结构，可实现抗静电积累，消除自身带电等影响，提高实际探测的可靠性和稳定。所述微型电场传感器封装结构主要包括由两个同样的探测单元和封装支撑结构三部分组成，其中每个探测单元主要包括一基板、一导体封盖、一传感器芯片等。其中所述传感器分别装载在基板上，并淀积金属和布线，可制备传感器的检测电路，通过简单、高效的密封技术实现基板和导电封盖的紧密结合。所述探测单元通过倒装焊技术实现结构的对称布置，并利用所述传感器封装的支撑结构进行整个封装结构的固定和安装。本发明可实现微型电场传感器的系统级封装。

Description

微型电场传感器的抗静电积累封装结构

技术领域

本发明涉及一种基于微机械加工技术的微型电场传感器的封装结构。

背景技术

地面和空中大气电场在雷电预警、气象监测等领域逐渐成为不可或缺的重要参量，具有重要的军事意义和巨大的经济效益。借助电场传感器对近地面和空中大气静电场变化的监测，可以获取准确的气象信息，从而为导弹、火箭和卫星等飞行器的发射升空提供重要的安全保障，也可进行地震等重大灾害预报。除此之外，电场传感器在工业生产、电力和科学研究等领域也具有重要的应用需求。

基于微机械加工技术(MEMS技术)的微型电场传感器具有成本低、体积小、功耗低、可实现批量生产、易于集成化、工作频带宽(从DC到几百Hz)，以及电场探测的空间分辨率高等突出优点，逐渐成为电场探测中具有重要发展潜力的器件之一，得到国际上越来越多研究者的关注。

然而，由于大气环境的复杂性，大气离子流、封装结构自身带电以及电泄漏等问题成为影响大气电场探测微传感器灵敏度、精度和长期探测可靠性的重要因素。这些问题迄今为止仍是阻碍该传感器封装技术解决的关键所在和最重要的难点问题之一，国际上也没有相关的试验数据或成果报道。

目前封装问题是MEMS器件发展的技术瓶颈，近年来倍受关注。在封装技术研究方面，国内外已有大量的研究报道，近年发展的重要相关技术有基于硅片键合的圆片级封装技术，以及倒装芯片(FCP)封装技术、球栅阵列(BGA)封装技术和三维(3D)封装技术等先进的MEMS芯片级、系统级封装技术。但是，上述技术都不能直接用于微型电场传感器的封装中。由于微型电场传感器测量大气静电场，利用封装盖板引入被测电场，易受大气环境静电积累影响，上述封装技术并不能解决传感器电场探测的关键问题，比如封装结构自身带电等。

造成微型电场传感器封装技术至今仍不能解决，不能进行准确、长期可靠的近地面和空中大气电场探测的主要问题包括：(1)传感器封装结构自身带电，影响传感器的输出存在不确定的偏置和噪声；(2)大气环境存在的离子流和温度变化产生的噪声，使测量困难；(3)引入被测电场的封装盖板与其他封装结构存在的电泄漏问题，可能导致被测电场屏蔽，无法进行测量。

发明内容

本发明的旨在提供一种可用于微型电场传感器芯片封装的结构装置，主要目的在于解决电场探测，尤其是静电场探测时，存在的传感器结构自身带电等情况对探测的影响，增强器件探测的可靠性，满足应用需求。

为达成上述目的，本发明的一方面，是提供一种用于微型电场传感器的封装结构，含有一封装支撑结构，具有两个探测单元对称布置并固定连接，其中：

每个探测单元包括一基板、一导体封盖、一传感器芯片、O型圈、连接电路及其凸焊点和接地屏蔽环，传感器芯片置于基板上的中央位置的接地屏蔽环内部，O型圈安装到基板的边缘处，基板和导体封盖对准O型圈并紧密结合，并基板和导体封盖装载到真空室中，具有施加压力的基板和导体封盖将O型圈压在基板和导体封盖之间，在O型圈周围填充真空密封胶，实现真空密封。

为达成上述目的，本发明的另一方面，是一种微型电场传感器的封装方法，包括步骤如下：

步骤1：首先，选择基板，基板嵌入固定结构中，并对基板进行金属淀积、布线和微细加工；然后，粘接接地屏蔽环于基板上，传感器芯片嵌入接地屏蔽环的内部，在基板上固定装载含有传感器芯片的接地屏蔽环，放置弹性O型密封圈；

步骤2：将导体封盖与O型圈进行对准紧密连接；

步骤3：导体封盖和基板通过真空室中的O型圈而被相互间隔开一预定的距离，并且通过加两个压板将导体封盖和基板预压紧；

步骤4：对真空室进行排气，使得导体封盖和基板因真空和大气压力之间的压差而结合起来；

步骤5：上述步骤完成一个探测单元封装，实现一探测单元的真空密封；重复上述步骤1-4对另一探测单元进行封装，实现另一探测单元的真空密封；

步骤6：利用倒装焊接的MEMS封装技术，将两探测单元与两基板1b进行电气连接、固定，并且将两探测单元封装支撑结构进行固定连接。

本发明的有益效果：利用双电场传感器对称布置的方案设计，并通过差分原理，尽可能降低静电积累引起的传感器输出的共模量，从而提取被测电场信号，此外，采用半球形结构作为封装盖板可减小电荷放电对传感器电场探测的影响。本发明方案可有效解决电场探测(尤其是静电场探测)时存在的传感器结构自身带电等情况对探测的影响，增强器件探测的可靠性，满足应用需求。

附图说明

图1为本发明微型电场传感器的整体封装结构示意图，

图2为本发明微型电场传感器两个探测单元的结构示意图，

图3A-图3E为本发明微型电场传感器一种真空封装方法。

具体实施方式

下面结合附图来具体说明本发明的实施例。

请参见图1，本发明所述的微型电场传感器的封装结构总体示意图，图1为所述传感器封装结构三维视图。本发明图1所述的微电场传感器封装结构主要包括：第一探测单元1、第二探测单元2和两封装支撑结构3，且第一探测单元1和第二探测单元2对称放置于两封装支撑结构3的内部，并与封装支撑结构3固定连接。

请参见图2，示出了第一探测单元1和第二探测单元2的结构示意图和图3A，其中：

第一探测单元1主要包括传第一感器芯片4a、第一O型圈8a、第一基板11b、第一固定结构11a、第一导体封盖12、第一连接电路18及其第一凸焊点16、第一接地屏蔽环17；第二探测单元2与所述第一探测单元1可采用相同的结构，包括传第二感器芯片4b、第二O型圈8b、第二基板21b、固定结构第二21a、以及导第二体封盖22、连接电路第二18及其第二凸焊点26、第二接地屏蔽环27等组成。

续请参见图2和图3A，下面对第一探测单元1和第二探测单元2的结构进行详细描述，第一、第二传感器芯片4a、4b分别置于第一、第二基板11b、21b中央位置的第一、第二接地屏蔽环17、27内部，第一、第二O型圈8a、8b分别安装到第一、第二基板11b、21b的边缘处，使第一、第二基板11b、21b和第一、第二导体封盖12、22分别对准第一、第二O型圈8a、8b并紧密结合，并将第一、第二基板11b、21b和第一、第二导体封盖12、22放入真空室中，通过对第一、第二基板11b、21b和第一、第二导体封盖12、22施加压力，而使第一、第二O型圈8a、8b被压在基板11b、21b和第一、第二导体封盖12、22之间，并在第一、第二O型圈8a、8b周围填充真空密封胶，对真空室排气，移除被施加的压力，实现真空密封。所述第一导体封盖12与第一、第二基板11b、21b之间需要有良好的绝缘性能的第一、第二O型圈8a、8b，第一、第二O型圈8a、8b为弹性O型圈。

第一、第二传感器芯片4a、4b为基于微机械加工技术制备的微型电场传感器芯片，第一、第二传感器芯片4a、4b可以是一传感器敏感结构，或由一传感器敏感结构及其相应感应集成电路组成，所述第一、第二传感器芯片4a、4b可以分别是一片或者多片，包含的集成电路可以与传感器芯片单片集成，或者作为独立芯片而装载在所述封装结构中。

第一、第二接地屏蔽环17、27分别位于的第一、第二基板11b、21b上面，第一、第二传感器芯片4a、4b分别位于第一、第二接地屏蔽环17、27的上面，且接地屏蔽环7与电路的接地端连接，由导体金属制备而成。该第一、第二基板11b、21b可采用印制电路基板(PCB)、玻璃基板、陶瓷基板或者硅基板等多种基板类型，可以是单层或者多层基板，形状可以是圆形、方形或不规则形状中任一种。该第一、第二导体封盖12、22在被测电场作用下产生感应电荷，从而在第一、第二传感器芯片4a、4b和第一、第二导体封盖12、22之间产生与被测电场呈一定线性关系的电势差，该电势差以电场的形式作用在传感器芯片上，因此，可以探测出被测电场强度。该第一、第二导体封盖12、22可采用金属或镀金材料，比如铜、镀金板等，形状优先采用球形，以避免测试中出现静电放电现象，也可以采取方形、圆形或不规则形状的其中一种。探测单元可以独立用于电场探测，利用特殊的真空密封技术和非真空密封方法，实现第一、第二导体封盖12、22与第一、第二基板11b、21b之间的紧密结合，并且两者有良好的绝缘性能，同时第一、第二导体封盖12、22的空腔保持装载第一、第二传感器芯片4a、4b有一定的真空度，从而有利于提高器件的灵敏度和稳定性等性能。利用倒装焊(FCP)技术，实现两个探测单元的电气连接和对称布置，这样由于静电荷积累产生共模输出，因此，利用差分原理可以抵消静电荷积累对电场输出的影响。该封装支撑结构3置于两个相对独立探测单元的中间位置，用于探测时传感器结构的安装和固定，且该封装支撑结构3采用导体并接地。

另外，除了实现微型电场传感器的封装和实际电场探测，本发明还提供一种可实现微型电场传感器芯片的封装结构的方法。

所述探测单元1是用弹性O型密封圈8a将具有空腔的第一导体封盖12和装载第一传感器芯片4a的第一基板11b、21b紧密结合在一起，防止气体泄漏。第一、第二导体封盖12、22为半球形导体封装盖板。

具体而言，本发明示例的一种的装备方法如图3所示，实施具体步骤主要包括：

(1)请参见图3A所示，首先，选择第一基板11b，第一基板11b嵌入第一固定结构11a中，并对第一基板11b进行金属淀积、布线和微细加工，进行O型腔的加工、第一、第二接地屏蔽环17及27、连接电路18和第一基板11b本体上的焊盘的加工；然后，粘接第一传感器芯片4a于第一基板11b上，第一传感器芯片4a应置于第一、第二接地屏蔽环17和27的里面区域，放置弹性的第一O型密封圈8a；

(2)请参见图3B所示，将第一导体封盖12与弹性的第一O型密封圈8a进行对准紧密连接；

(3)请参见图3C所示，所述第一导体封盖12和第一基板11b通过真空室中的弹性第一O型密封圈8a而被相互间隔开一预定的距离，并且通过加第一压板9a1和第二压板9b1被预压紧，第二探测单元2采用第三压板9a2和第四压板9b2进行预压紧；

(4)对真空室进行排气，使得第一导体封盖12和第一基板11b因真空和大气压力之间的压差而结合起来；

(5)请参见图3D所示，上述步骤完成第一探测单元1封装，实现第一探测单元1的真空密封；所述第二探测单元2也采取与上述步骤(1)-(4)相同的步骤进行封装，实现第二探测单元2的真空密封；

(6)最后，请参见图3E利用倒装焊接(FCP)等先进MEMS封装技术，将第一探测单元1、第二探测单元2和第一、第二基板11b、21b进行电气连接固定，并且将第一探测单元1、第一探测单元2与图1示出的两个封装支撑结构3进行固定连接，便于满足探测和应用安装需求。由于在该工艺中，不需要阳极键合，因此，不会发生释放气体的情况，并且工艺也简单和经济，不会产生泄漏从而可保持高真空。真空封装好后，真空密封胶可填充在第一O型圈8a和第二O型圈8b外侧。

此外，本发明也包括不采用真空密封的封装方法，直接采用焊接、粘接等技术实现封装结构的气密封，在此不加详细赘述。

其中，而所述的封装支撑结构3是用于第一探测单元1和第二探测单元2的固定和支撑结构，可以是平板形、矩形等各种形状之一，采用导体、金属或表面镀金材料，并且测试时，导体材料接地。包括用于固定第一探测单元1的第一固定结构11a和固定第二探测单元2的第二固定结构21a等。

其中，所述微型电场传感器封装结构的第一基板11b和第二基板21b可以采用印制电路基板(PCB)、玻璃基板、陶瓷基板或者硅基板等多种基板类型，可以是单层或者多层基板。在所述第一、第二基板11b、21b上的一面用于安装第一、第二传感器芯片4a、4b，表面须进行覆铜等金属淀积处理，且保持接地，并留出与传感器芯片连接的焊盘，其余部分可优先考虑全部覆铜接地，通过超声丝焊等技术实现两个传感器芯片之间或与电路的电气连接。所述基板的另一面须制备出凸焊点、布线和淀积接地金属等，可用于两个探测单元的电气连接及信号检测电路搭建。其中凸焊点用于第一探测单元1和第二探测单元2之间的电气连接，布线和接地金属可以制备传感器预处理和检测电路，提高了信噪比，有利于减小传感器系统的体积和重量，实现了系统级封装(SOP)，满足了微传感器小型化、集成化的发展趋势。当然，本发明也包括基板不加工线路的情况。此外，安装第一、第二传感器芯片4a、4b的一面需要加工出O型腔，用于第一、第二导体封盖12、22和第一、第二基板11b、21b之间的紧密连接，保持密封腔的气密性。

所述传感器封装结构的第一导体封盖12和第二导体封盖22可采用导体、金属或者镀金材料等，并且优选采用半球形形状，避免在实际探测时可能出现的静电放电情况，此外，所述导体封盖的形状也可以采用方形、圆形或不规则形状等其中任何一种。

在所述传感器封装结构的两个探测单元密封时，第一O型圈8a和第二O型圈8b分别安装在第一基板11b和第二基板21b上。第一O型圈8a和第二O型圈8b可以采用橡胶或者树脂材料等弹性材料之一制备而成，并可在安装之前进行一定的预处理。

此外，在所述第一探测单元1的基板11b和第二所述探测单元2的第二基板21b之间还可以增加环形圈10如图3D所示，主要目的用于该传感器的系统封装级封装，即在第一基板11b和第二基板21b上加工电气线路，为装载传感器芯片和热设计而预留一定的空间，其中所述环形圈10可以是圆形、方形等形状，材料优先考虑金属，且接地电势。

尽管已经参考其示例性实施例来特别显示和介绍了本发明，然而本领域的普通技术人员可以理解，在不偏离权利要求所定义的本发明的精神和范围的前提下，可以进行各种形式上和细节上修改。

Claims (12)

1.一种微型电场传感器的封装结构，含有两个封装支撑结构，其特征在于：

具有两个探测单元与两个封装支撑结构对称布置并固定连接，每个封装支撑结构内有一个探测单元，其中：

每个探测单元包括一基板、一导体封盖、一传感器芯片、O型圈、连接电路及其凸焊点和接地屏蔽环，传感器芯片置于基板上的中央位置的接地屏蔽环内部，O型圈安装到基板的边缘处，基板和导体封盖对准O型圈并紧密结合，并基板和导体封盖装载到真空室中，具有施加压力的基板和导体封盖将O型圈压在基板和导体封盖之间，在O型圈周围填充真空密封胶，实现真空密封。

2.如权利要求1所述的微型电场传感器的封装结构，其特征在于，基板与导体封盖由粘结剂紧密连接；或是通过真空密封方法或非真空密封方法实现基板和导体封盖之间的紧密结合。

3.如权利要求1所述的微型电场传感器的封装结构，其特征在于，两个探测单元由倒转焊技术实现连接。

4.如权利要求1所述的微型电场传感器的封装结构，其特征在于，两个封装支撑结构置于两个对称布置的探测单元的中间位置处，便于实际探测时传感器封装结构的安装和固定。

5.根据权利要求1所述的微型电场传感器的封装结构，其特征在于，所述传感器芯片为基于微机械加工技术制备的微型电场传感器芯片，或者包含传感器感应集成电路的传感器芯片。

6.根据权利要求1和5所述的微型电场传感器的封装结构，其特征在于，所述传感器芯片是一片或者多片，包含集成电路与传感器芯片单片集成，或者为一独立芯片装载在所述封装结构中。

7.根据权利要求1所述的微型电场传感器的封装结构，其特征在于，所述基板是印制电路基板、玻璃基板、陶瓷基板或者硅基板，或是双层基板、或者多层基板，基板的形状是圆形、方形或不规则形状中任一种。

8.根据权利要求1所述的微型电场传感器的封装结构，其特征在于，所述导体封盖为导体、金属或镀金材料，或在正反两面淀积导电材料的复合材料，导体封盖采用半球形状、圆形、方形或者不规则形状中的任一种。

9.根据权利要求1所述的微型电场传感器的封装结构，其特征在于，所述的探测单元为一个探测单元对电场进行探测。

10.根据权利要求1所述的微型电场传感器的封装结构，其特征在于，所述基板、导体封盖和O型圈置于真空室中，是利用真空和大气压存在的压差而实现基板和导体封盖之间的紧密结合，实现真空密封。

11.根据权利要求1所述的微型电场传感器的封装结构，其特征在于，所述基板一面含有焊盘、导体封盖和铜，其中：

基板一面的本体上具有的焊盘用于引线压焊，实现传感器芯片和电路的电气连接，基板一面的部分区域用于与导体封盖连接和装载传感器芯片，基板一面的其余部分覆铜且接地；

在基板另一面上有传感器检测电路的布线和凸焊点，用于实现传感器互连和系统级封装。

12.一种微型电场传感器的封装方法，包括步骤如下：

步骤1：首先，选择基板，基板嵌入固定结构中，并对基板进行金属淀积、布线和微细加工；然后，粘接接地屏蔽环于基板上，传感器芯片嵌入接地屏蔽环的内部，在基板上固定装载含有传感器芯片的接地屏蔽环，放置弹性O型密封圈；

步骤2：将导体封盖与O型圈进行对准紧密连接；

步骤3：导体封盖和基板通过真空室中的O型圈而被相互间隔开一预定的距离，并且通过加两个压板将导体封盖和基板预压紧；

步骤4：对真空室进行排气，使得导体封盖和基板因真空和大气压力之间的压差而结合起来；

步骤5：上述步骤完成一个探测单元封装，实现一探测单元的真空密封；重复上述步骤1-4对另一探测单元进行封装，实现另一探测单元的真空密封；

步骤6：利用倒装焊接的MEMS封装技术，将两探测单元与两基板1b进行电气连接、固定，并且将两探测单元封装支撑结构进行固定连接。

Images