CN102374915B - 一种电磁驱动谐振式微结构压力传感器封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁驱动谐振式微结构压力传感器封装方法，涉及MEMS封装技术，为单芯片级封装方法，包括步骤，a)将陶瓷环焊接在管座上；b)将一对大小相同、充磁方向相反的磁铁平行固定在管座上表面，位于陶瓷环的内部，并以陶瓷环中心对称，磁铁充磁方向垂直于管座上表面，两磁铁之间正上方形成水平磁场；c)粘片，将加工好的传感器芯片气密性键合在陶瓷环的正上方，谐振梁长度方向与磁铁平行放置方向相同；d)焊引线，利用引线键合技术将芯片上的电极与管座管针连接；e)真空封装，将管帽和管座真空焊接在一起。本发明方法，具有封装结构简单，封装复杂度小，封装尺寸小，成本低，稳定性好，便于批量生产等优点。

Description

一种电磁驱动谐振式微结构压力传感器封装方法

技术领域

本发明涉及电磁驱动方式微型谐振式压力传感器的单芯片封装方法。具体的说，是将陶瓷或者玻璃环和金属管座气密性焊接在一块儿，然后将大小相同、充磁方向相反、平行放置的一对磁铁固定在陶瓷环内的管座上，将制作好的具有谐振梁结构的压力传感器芯片边框和陶瓷环气密性封接，利用引线键合技术将芯片表面电极和管座上电极互连，最后将管帽和管座真空封接。属于微机械器件和微细加工技术领域。

背景技术

利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems微电子机械系统)技术制作微型谐振式压力传感器具有体积小、成本低、稳定性好、易于集成和批量化生产等优点。由于谐振式压力传感器采用频率输出方式，因而易于进行数字化处理，成为微型压力传感器发展的一个重要方向。目前，采用MEMS技术的微型谐振式压力传感器主要采用单晶硅和多晶硅材料制造，也有少量采用氮化硅结构的报道(参考专利“以SiNx为梁的新型微结构谐振梁压力传感器制造方法”专利申请号：01124285.X)。采用单晶硅材料为谐振器制造的压力传感器具有很好的振动性能，谐振梁内应力小，频率输出稳定，与微机械加工技术完全兼容，主要用于高精度压力的测量。但是由于气体阻尼对谐振器的振动性能影响很大，尤其是对其品质因数(Q值)影响最大，直接影响传感器的输出分辨率和稳定性，因此谐振器通常需要工作在真空环境中。真空封装是提高谐振式传感器性能的一个重要手段。

硅谐振式微结构压力传感器通常由三个部分组成：具有谐振子结构的压力传感器芯片，支撑芯片的管座和对芯片进行真空封装的管帽。通过固定在管座上真空密封的引线将驱动信号加载在驱动电极上，同时将输出信号与外部检测电路相连。管座底部通常有一个压力孔，保证传感器芯片敏感膜与外部连通；芯片与管座进行气密性封接以后，将管帽和固定了传感器芯片的管座在真空条件下进行真空封接。

编号为US20050279175A1的专利中提到了一种电磁驱动谐振式压力传感器的封装方法，该专利采用电磁驱动和检测，磁铁对称放置在芯片正上方，并采取了两种放置磁铁的方式。这两种放置方式主要有以下不足之处。

1、都需要一块或者两块导磁性材料作为辅助固定磁铁和增强检测区域的磁场强度，增大了封装的复杂度和器件尺寸。

2、磁铁和导磁性材料放置在芯片的上方，严重影响了芯片表面电极向外部引线。要改善这个问题，要么增大芯片尺寸，要么增加磁铁和芯片之间的距离，减小键合好的引线在放置磁铁的过程中被损坏的概率。后者则严重减弱了检测区磁场强度，从而减弱了检测和驱动信号的强度。

3、上述专利两种封装方式最大的缺陷是磁铁的磁力线可以通过管座引起磁短路，引起检测区域磁场强度大幅衰减。而驱动和检测信号的强度与磁场强度成线性关系，磁场衰减不利于微弱信号的检测。

发明内容

本发明的目的是公开一种电磁驱动谐振式微结构压力传感器封装方法，具有封装结构简单，封装复杂度小，封装尺寸小，成本低，稳定性好的优点。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种电磁驱动谐振式微结构压力传感器封装方法，其包括步骤：

(1)将陶瓷环或玻璃环气密性焊接在管座上表面；

(2)将一对大小相同、充磁方向相反的磁铁按一定间距平行固定在管座上表面，位于陶瓷环或玻璃环的内部，并以陶瓷环中心对称，磁铁充磁方向垂直于管座上表面，两磁铁之间正上方形成水平磁场；

(3)粘片，将传感器芯片气密性键合在陶瓷环或玻璃环的正上方，谐振梁长度方向与磁铁平行放置方向相同，陶瓷环的内径小于芯片尺寸的最大边长；

(4)焊引线，利用引线键合技术将传感器芯片上的电极与管座上管针连接起来；

(5)真空封装，在真空状态下，将管帽和管座焊接在一起，使管帽、管座和传感器芯片围成的空间形成真空，谐振梁位于真空腔内。

所述的封装方法，其所述传感器芯片至少有一组用于驱动的谐振梁，施加驱动信号的方式为电磁驱动；谐振梁的振动方向垂直管座衬底平面。

所述的封装方法，其所述谐振梁由扩散硅，单晶硅，或者低应力SiNx中的任一种制作而成。

所述的封装方法，其所述谐振梁工作在真空状态。

所述的封装方法，其所述步骤a)中，陶瓷环或玻璃环和管座是气密性封接。

所述的封装方法，其所述管座由导磁性好的可伐合金材料制成。

所述的封装方法，其所述磁铁，为一对方形或半圆形磁铁，固定在管座上表面，充磁方向垂直于管座上表面，方向相反。

所述的封装方法，其所述两磁铁之间的一定间距不小于0.5毫米，磁铁整体尺寸小于陶瓷环内径，磁铁的厚度不高于陶瓷环厚度。

所述的封装方法，其所述传感器芯片固定在陶瓷环上方，传感器芯片中心和陶瓷环中心连线垂直于管座上表面。

所述的封装方法，其所述步骤b)中，在两磁铁底部与管座上表面之间，固接一导磁铁环。

本发明将磁铁置于传感器芯片底部的封装结构，利用导磁性管座不但屏蔽了外界磁场对芯片的影响，管座内部放置的磁铁也可以利用管座的导磁性形成回路，减少了漏磁，提高了芯片检测区域磁感应强度。磁铁固定在管座上，不需要其它导磁材料作为辅助，降低了封装复杂度，简化了封装结构，减小了器件轴向和横向的封装尺寸。磁铁和芯片位置约束更容易，降低了封装的难度和封装成本，有利于产品的批量化生产。

附图说明

图1是本发明一种电磁驱动谐振式微结构压力传感器封装方法的第一种实施例结构等轴侧视图；

图2是图1电磁驱动谐振式微结构压力传感器沿垂直于谐振梁方向的截面图；

图3是本发明方法封装的电磁驱动谐振式压力传感器工作原理结构图；

图4是封装管座内传感器芯片组装结构俯视图；

图5是图4的B-B横截面图；

图6是磁铁底部添加导磁铁环后B-B横截面图；

图7是本发明一种电磁驱动谐振式微结构压力传感器封装方法的第二种实施例结构等轴侧视图；

图8是图7的B-B方向横截面图。

具体实施方式

以图1所示电磁驱动谐振式微结构压力传感器封装结构为例，由图1-图2所示，在管座10背面中心焊接空心尾管13，管座10衬底中心圆孔通过衬底背面的尾管13和外部连通，用来感受外部压力。管冒8中心的圆孔通过顶部尾管与外部连通。

由图3所示，电磁驱动谐振式微结构压力传感器的工作模式是让谐振梁14垂直磁力线方向放置在磁场中，本发明中的谐振梁14振动方向垂直于水平面，传感器芯片1放置在磁铁2，3的中心位置上方，保证芯片1上谐振梁14所在区域磁场方向为水平方向，并且垂直于谐振梁14的长度和振动方向。磁铁2和磁铁3的大小相同，极性相反，并与管座10衬底所在的水平方向垂直。两块磁铁相互之间形成磁闭合回路，辅助以管座10衬底的导磁性。亦可如图6所示，在磁铁2，3底部增加一块导磁铁环5，抑制磁力线发散，增强传感器芯片1表面谐振梁14所在区域的磁场强度。

在驱动电极6上施加交流电流信号，在磁场力的作用下，谐振梁14开始在水平磁场的作用下上下振动，同时带动检测电极7上下振动。检测电极7在水平磁场中的上下振动产生交流感生电动势，通过检测感生电动势的频率，即可以获得谐振梁14的振动频率。当驱动电极6上施加的交流信号频率和谐振梁14的固有频率相等时，谐振梁14开始发生谐振，振动幅值达到最大，检测电极7检测到的信号最强。将检测电极7上得到的信号通过滤波，放大，移相等电路调理后，反馈到驱动电极6上，形成闭合回路，使谐振梁14始终工作在谐振状态。当压力膜11感受到外部压力作用时，压力膜11发生形变，引起谐振梁14相应发生形变，形变导致谐振梁14产生应力，应力引起谐振梁14的固有频率相应的发生改变，在谐振状态，通过监测检测电极7上的交流信号频率，即可以获致谐振梁14固有频率变化的情况，从而获知压力膜11表面感受的压力大小。

封装过程中，首先将陶瓷环4表面金属化，采用银铜焊料将陶瓷环4和管座10封接在一起，可以保证高真空状态下仍具有很高的稳定性，同时起到隔离传感器芯片1感受管座10封装应力的作用；陶瓷环4位于管座10中央，陶瓷环4内径小于传感器芯片1背面压力膜11的大小。

将磁铁2，3平行放置粘在管座10上表面中心位置，位于陶瓷环内，并关于陶瓷环中心对称。磁铁2，3同时位于陶瓷环4圆环内部，磁铁2，3整体尺寸小于陶瓷环4内径，磁铁2，3的高度小于陶瓷环4高度，保证传感器芯片1背表面与陶瓷环4上表面紧密接触。为了增强管座10的导磁性，亦可在粘磁铁前，先将铁环垫片5粘在管座衬底10上表面，然后再粘上磁铁。

传感器芯片1如图4-6所示与陶瓷环4上表面采用玻璃焊料等气密性封接在一起。芯片1沿陶瓷环4中心对称放置，而且谐振梁14位于磁铁2，3之间间隙的正上方，谐振梁14长度方向与磁铁2，3平行放置方向一致。

采用引线键合技术，将管座10上的管针9与传感器芯片1表面的电极用引线12电气连接起来，把芯片1表面驱动电极6和检测电极7上的信号引到管座10外部，便于驱动和检测。

最后将管帽8与管座10真空焊接在一起，使传感器芯片1处于真空状态，减少谐振梁14的振动阻尼，提高检测信号的强度。

封装完成后，压力膜11上方有谐振梁14的一侧为真空，下方通过管座10的中心通孔与大气连通，通过压力膜11形变引起谐振梁14谐振频率变化，以检测压力。

图7是本发明一种电磁驱动谐振式微结构压力传感器封装方法的第二种实施例结构等轴侧视图；图8是图7的B-B方向横截面图。两种方法大致相同，不再赘述。

Claims (9)

1.一种电磁驱动谐振式微结构压力传感器封装方法，其特征为：包括步骤：

a)将陶瓷环或玻璃环气密性焊接在管座上表面；

b)将一对大小相同、充磁方向相反的磁铁按一定间距平行固定在管座上表面，位于陶瓷环或玻璃环的内部，并以陶瓷环中心对称，磁铁充磁方向垂直于管座上表面，两磁铁之间正上方形成水平磁场；

c)粘片，将传感器芯片气密性键合在陶瓷环或玻璃环的正上方，谐振梁长度方向与磁铁平行放置方向相同，陶瓷环的内径小于芯片尺寸的最大边长；

d)焊引线，利用引线键合技术将传感器芯片上的电极与管座上管针连接起来；

e)真空封装，在真空状态下，将管帽和管座焊接在一起，使管帽、管座和传感器芯片围成的空间形成真空，谐振梁位于真空腔内，工作在真空状态。

2.根据权利要求1所述的封装方法，其特征为：所述传感器芯片至少有一组用于驱动的谐振梁，施加驱动信号的方式为电磁驱动；谐振梁的振动方向垂直管座衬底平面。

3.根据权利要求2所述的封装方法，其特征为：所述谐振梁由扩散硅，单晶硅，或者低应力SiNx中的任一种制作而成。

4.根据权利要求1所述的封装方法，其特征为：所述步骤a)中，陶瓷环或玻璃环和管座是气密性封接。

5.根据权利要求1所述的封装方法，其特征为：所述管座由导磁性好的可伐合金材料制成。

6.根据权利要求1所述的封装方法，其特征为：所述磁铁，为一对方形或半圆形磁铁，固定在管座上表面，充磁方向垂直于管座上表面，方向相反。

7.根据权利要求1或6所述的封装方法，其特征为：所述两磁铁之间的一定间距不小于0.5毫米，磁铁整体尺寸小于陶瓷环内径，磁铁的厚度不高于陶瓷环厚度。

8.根据权利要求1所述的封装方法，其特征为：所述传感器芯片固定在陶瓷环上方，传感器芯片中心和陶瓷环中心连线垂直于管座上表面。

9.根据权利要求1所述的封装方法，其特征为：所述步骤b)中，在两磁铁底部与管座上表面之间，固接一导磁铁环。

Images