CN103148969B - 基于柔性基板的自封装无源无线压力传感器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于柔性基板的自封装无源无线压力传感器的制备方法，步骤10）制备上柔性基板：在该柔性基板的下表面电镀一层上金属层，并在上金属层上光刻形成电容上极板、平面电感线圈；步骤20）制备中柔性基板：在该柔性基板上钻孔，形成空腔和电气通孔；步骤30）制备下柔性基板：在该柔性基板的上表面电镀一层下金属层，在下金属层上光刻电容下极板、下连接线；步骤40）制成连接线：用导电胶涂覆电气通孔，形成连接线；步骤50）制成压力传感器：对上柔性基板、中柔性基板和下柔性基板层压，形成振荡回路，制成无源无线压力传感器。该制备方法可以实现基板的自对准，可以实现传感器自封装，工艺简单，且一致性、可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器的制备方法，具体来说，涉及一种基于柔性基板的自封装无源无线压力传感器的制备方法。
技术背景
压力传感器广泛应用于多种场合，在有些特殊应用场合，比如：人体内部、食品包装等密封环境，需要压力传感器具备无线遥测能力。目前无线遥测压力传感器包括两大类：有源遥测和无源遥测。有源遥测是指传感系统中带有电源，这种遥测方式可以双向长距离传输传感器信号，但是其系统复杂、尺寸大，而且电池需要更换。无源遥测是指传感系统中没有电源，利用电感耦合或射频（RF）反射调制实现信号的获取，这种遥测方式信号传输距离短，但是体积小、不需要更换电池，理论上可以无限期工作。其中，LC无源无线压力传感器是无源遥测中的最主要的一类。LC无源无线压力传感器通常是由一个压力敏感电容和一个电感线圈构成的LC谐振回路，电感线圈即作为LC回路中的电感元件，同时也承担着压力信号的无线输出功能。当压力发生变化时，电容随着改变，进而影响LC回路的谐振频率，并通过电感耦合的方式把信号传递出去。
目前，LC无源无线压力传感器通常是由微电子机械加工（文中简称：MEMS）压敏电容和电感构成。该电感可以是和电容传感器集成在一起的片上电感，但是这种电感一般很难获得较高的品质因数Q，从而限制了器件的整体特性；另外也可以采用外部绕制的金属丝电感线圈，但是这将使得器件的尺寸增加，而且难以批量加工。另外目前常用多晶硅作为变形极板，力学性能不如柔性基板，且柔性基板的厚度可以灵活改变。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于柔性基板的自封装无源无线压力传感器的制备方法，该制备方法可以实现基板的自对准，可以实现传感器自封装，可批量化、大规模生产电容式压力传感器，工艺简单，且一致性、可靠性高。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于柔性基板的自封装无源无线压力传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤10）制备上柔性基板：选取一块柔性基板，然后在该柔性基板的下表面电镀一层上金属层，并采用刻蚀工艺，在上金属层上光刻形成电容上极板、带有内连接线和外连接线的平面电感线圈，以及第一上金属柱、第二上金属柱、第三上金属柱和第四上金属柱，平面电感线圈的内连接线与电容上极板连接，第一上金属柱、第二上金属柱、第三上金属柱和第四上金属柱位于该柔性基板的四角下方，从而制得上柔性基板；
步骤20）制备中柔性基板：选取第二块柔性基板，然后在该柔性基板上钻孔，形成空腔和电气通孔，并使电气通孔的顶端与平面电感线圈的外连接线末端位于相同位置，接着在该柔性基板上四角钻孔，形成第一中对准通孔、第二中对准通孔、第三中对准通孔和第四中对准通孔，从而制得中柔性基板；
步骤30）制备下柔性基板：选取第三块柔性基板，然后采用电镀工艺，在该柔性基板的上表面电镀一层下金属层，随后采用刻蚀工艺，在下金属层上光刻电容下极板、下连接线、第一下金属柱、第二下金属柱、第三下金属柱和第四下金属柱，并使下连接线末端和电气通孔底端位于相同位置，第一下金属柱、第二下金属柱、第三下金属柱和第四下金属柱位于该柔性基板的四角上方，从而制得下柔性基板；
步骤40）制成连接线：用导电胶涂覆电气通孔，形成连接线；
步骤50）制成压力传感器：将步骤10）制得的上柔性基板、步骤20）制得的中柔性基板和步骤30）制得的下柔性基板按照从上向下的顺序排布，并使得上柔性基板的第一上金属柱、中柔性基板的第一中对准通孔和下柔性基板的第一下金属柱对准，上柔性基板的第二上金属柱、中柔性基板的第二中对准通孔和下柔性基板的第二下金属柱对准，上柔性基板的第三上金属柱、中柔性基板的第三中对准通孔和下柔性基板的第三下金属柱对准，上柔性基板的第四上金属柱、中柔性基板的第四中对准通孔和下柔性基板的第四下金属柱对准，同时，使中柔性基板的空腔位于上柔性基板的电容上极板和下柔性基板的电容下极板之间，且上柔性基板的电容上极板和下柔性基板的电容下极板相对，然后采用层压工艺，对上柔性基板、中柔性基板和下柔性基板层压，使得上柔性基板、中柔性基板和下柔性基板固定连接，连接线连接下连接线和外连接线，形成振荡回路，制成无源无线压力传感器。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）可以实现自对准。本发明的制备方法，采用电镀在上柔性基板上的第一上金属柱、第二上金属柱、第三上金属柱和第四上金属柱，电镀在下柔性基板上的第一下金属柱、第二下金属柱、第三下金属柱和第四下金属柱，以及设置在中柔性基板上的第一中对准通孔、第二中对准通孔、第三中对准通孔和第四中对准通孔作为对准装置，实现自对准，不需要另外增加对准装置，工艺简单，易实现。
（2）可以实现自封装。本发明中的上柔性基板和下柔性基板既作为金属层的载体实现无源无线传感器的电容极板以及电感，同时又作为封装外壳，不需要另外增加封装工艺，降低了成本。
（3）可以批量化、大规模生产。本发明采用柔性基板作为无源无线传感器的上下电容基板，制成电容式压力传感器。通过对基板上电镀金属，并且刻蚀形成电感，构成无源无线压力传感器。该压力传感器不需要复杂的MEMS工艺，通过层压形成空腔，工艺简单，可以实现批量化大规模生产。
（4）性能好。本发明的制备方法制备的传感器，电容的上下极板采用柔性基板，其力学特性和长期稳定性远高于通常所用的多晶硅材料。
（5）一致性、可靠性高。本发明制作只需要将上柔性基板、中柔性基板、和下柔性基板三层基板对准，一致性高。
附图说明
图1 是本发明步骤10）制成器件的结构示意图。
图2 是本发明步骤20）制成器件的结构示意图。
图3 是本发明步骤30）制成器件的结构示意图。
图4 是本发明步骤40）制成器件的结构示意图。
图5 是本发明步骤50）制成器件的结构示意图。
图6为本发明制成的压力传感器的部件爆炸图。
图7为本发明制成的压力传感器的纵向剖视图。
图中有：上柔性基板1、上金属层2、中柔性基板3、下金属层4、下柔性基板5、电气通孔6、电容上极板7、电容下极板8、平面电感线圈9、空腔10、内连接线11、外连接线12、下连接线13、第一上金属柱141、第二上金属柱142、第三上金属柱143、第四上金属柱144、第一下金属柱151、第二下金属柱152、第三下金属柱153、第四下金属柱154、第一中对准通孔161、第二中对准通孔162、第三中对准通孔163、第四中对准通孔164、连接线17。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明的基于柔性基板的自封装无源无线压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤10）制备上柔性基板1：如图1所示，选取一块柔性基板，然后在该柔性基板的下表面电镀一层上金属层2，并采用刻蚀工艺，在上金属层2上光刻形成电容上极板7、带有内连接线11和外连接线12的平面电感线圈9，以及第一上金属柱141、第二上金属柱142、第三上金属柱143和第四上金属柱144。平面电感线圈9的内连接线11与电容上极板7连接。第一上金属柱141、第二上金属柱142、第三上金属柱143和第四上金属柱144位于该柔性基板的四角下方，从而制得上柔性基板2；
步骤20）制备中柔性基板3：如图2所示，选取第二块柔性基板，然后在该柔性基板上钻孔，形成空腔10和电气通孔6，并使电气通孔6的顶端与平面电感线圈9的外连接线12末端位于相同位置。接着在该柔性基板上四角钻孔，形成第一中对准通孔161、第二中对准通孔162、第三中对准通孔163和第四中对准通孔164，从而制得中柔性基板3。空腔10位于中柔性基板3的中部为佳。空腔10位于中柔性基板3中部，可以减小传感器的体积。综合考虑平面电感的电感量以及品质因数Q值，平面电感一般采取中空结构。这样把平面电容置于该区域，就不会增加器件的整体尺寸。
步骤30制备下柔性基板5：如图3所示，选取第三块柔性基板，然后采用电镀工艺，在该柔性基板的上表面电镀一层下金属层4，随后采用刻蚀工艺，在下金属层4上光刻电容下极板8、下连接线13、第一下金属柱151、第二下金属柱152、第三下金属柱153和第四下金属柱154，并使下连接线13末端和电气通孔6底端位于相同位置，第一下金属柱151、第二下金属柱152、第三下金属柱153和第四下金属柱154位于该柔性基板的四角上方，从而制得下柔性基板5。
步骤40）制成连接线17：如图4所示，用导电胶涂覆中柔性基板3上的电气通孔6，形成连接线17。
步骤50）制成压力传感器：如图5所示，将步骤10）制得的上柔性基板1、步骤20）制得的中柔性基板3和步骤30）制得的下柔性基板5按照从上向下的顺序排布，并使得上柔性基板1的第一上金属柱141、中柔性基板3的第一中对准通孔161和下柔性基板5的第一下金属柱151对准，上柔性基板1的第二上金属柱142、中柔性基板3的第二中对准通孔162和下柔性基板5的第二下金属柱152对准，上柔性基板1的第三上金属柱143、中柔性基板3的第三中对准通孔163和下柔性基板5的第三下金属柱153对准，上柔性基板1的第四上金属柱144、中柔性基板3的第四中对准通孔164和下柔性基板5的第四下金属柱154对准，同时，使中柔性基板3的空腔10位于上柔性基板1的电容上极板7和下柔性基板5的电容下极板8之间，且上柔性基板1的电容上极板7和下柔性基板5的电容下极板8相对，然后采用层压工艺，对上柔性基板1、中柔性基板3和下柔性基板5层压，第一上金属柱141和第一下金属柱151分别嵌至在第一中对准通孔161中，第二上金属柱142和第二下金属柱152分别嵌至在第二中对准通孔162中，第三上金属柱143和第三下金属柱153分别嵌至在第三中对准通孔163中，第四上金属柱144和第四下金属柱154分别嵌至在第四中对准通孔164中，使得上柔性基板1、中柔性基板3和下柔性基板5固定连接，连接线17连接下连接线13和外连接线12，形成振荡回路，制成无源无线压力传感器。
进一步，所述的步骤10）制得的上柔性基板1、步骤20）制得的中柔性基板3和步骤30）制得的下柔性基板5具有相同的尺寸。柔性基板具有相同的尺寸，有利于后续对准层压工艺，便于制造。
如图6和图7所示，本发明制备方法制备的无源无线压力传感器，包括从上向下依次布置且固定连接的上柔性基板1、上金属层2、中柔性基板3、下金属层4和下柔性基板5。上柔性基板1、中柔性基板3和下柔性基板5均采用柔性材料制成，例如柔性材料采用聚酰亚胺（PI）、液晶高分子聚合物(LCP)，或者聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。中柔性基板3上设有电气通孔6和空腔10。上金属层2包括平面电感线圈9和电容上极板7。电容上极板7位于平面电感线圈9的中间。也就是说，平面电感线圈9 绕在电容上极板7外侧周边。平面电感线圈9上设有内连接线11和外连接线12。平面电感线圈9的内连接线11和电容上极板7连接。下金属层4包括电容下极板8和下连接线13。电容下极板8与电容上极板7尺寸相同，且电容下极板8与电容下极板8位置相对。下连接线13的一端与电容下极板8连接。上金属层2的平面电感线圈9的外连接线12通过电气通孔6与下金属层4的下连接线13连接。中柔性基板3的空腔10位于电容上极板7和电容下极板8之间。
本发明的制备方法利用柔性基板上电镀的金属以及通孔，实现自对准。柔性基板同时作为结构的外封装材料，保护传感器结构。本发明采用柔性基板制作传感器，有机封装基板量产技术较为成熟，成本最低，同时能制作高品质因子的无源元件与高密度的互连线路，工艺简单，可以实现批量化大规模生产。本发明制备的器件精度高，损耗小。本发明的制备过程中利用通孔及导电胶实现走线互联，避免使用外部引线，引入寄生电感，有效提高传感器的工作效率。本发明将无源元件埋入基板，使基板功能化，实现真正意义上的系统集成。
Claims (3)
1.一种基于柔性基板的自封装无源无线压力传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
步骤10）制备上柔性基板（1）：选取一块柔性基板，然后在该柔性基板的下表面电镀一层上金属层（2），并采用刻蚀工艺，在上金属层（2）上光刻形成电容上极板（7）、带有内连接线（11）和外连接线（12）的平面电感线圈（9），以及第一上金属柱（141）、第二上金属柱（142）、第三上金属柱（143）和第四上金属柱（144），平面电感线圈（9）的内连接线（11）与电容上极板（7）连接，第一上金属柱（141）、第二上金属柱（142）、第三上金属柱（143）和第四上金属柱（144）位于该柔性基板的四角下方，从而制得上柔性基板（2）；
步骤20）制备中柔性基板（3）：选取第二块柔性基板，然后在该柔性基板上钻孔，形成空腔（10）和电气通孔（6），并使电气通孔（6）的顶端与平面电感线圈（9）的外连接线（12）末端位于相同位置，接着在该柔性基板上四角钻孔，形成第一中对准通孔（161）、第二中对准通孔（162）、第三中对准通孔（163）和第四中对准通孔（164），从而制得中柔性基板（3）；
步骤30）制备下柔性基板（5）：选取第三块柔性基板，然后采用电镀工艺，在该柔性基板的上表面电镀一层下金属层（4），随后采用刻蚀工艺，在下金属层（4）上光刻电容下极板（8）、下连接线（13）、第一下金属柱（151）、第二下金属柱（152）、第三下金属柱（153）和第四下金属柱（154），并使下连接线（13）末端和电气通孔（6）底端位于相同位置，第一下金属柱（151）、第二下金属柱（152）、第三下金属柱（153）和第四下金属柱（154）位于该柔性基板的四角上方，从而制得下柔性基板（5）；
步骤40）制成连接线（17）：用导电胶涂覆电气通孔（6），形成连接线（17）；
步骤50）制成压力传感器：将步骤10）制得的上柔性基板（1）、步骤20）制得的中柔性基板（3）和步骤30）制得的下柔性基板（5）按照从上向下的顺序排布，并使得上柔性基板（1）的第一上金属柱（141）、中柔性基板（3）的第一中对准通孔（161）和下柔性基板（5）的第一下金属柱（151）对准，上柔性基板（1）的第二上金属柱（142）、中柔性基板（3）的第二中对准通孔（162）和下柔性基板（5）的第二下金属柱（152）对准，上柔性基板（1）的第三上金属柱（143）、中柔性基板（3）的第三中对准通孔（163）和下柔性基板（5）的第三下金属柱（153）对准，上柔性基板（1）的第四上金属柱（144）、中柔性基板（3）的第四中对准通孔（164）和下柔性基板（5）的第四下金属柱（154）对准，同时，使中柔性基板（3）的空腔（10）位于上柔性基板（1）的电容上极板（7）和下柔性基板（5）的电容下极板（8）之间，且上柔性基板（1）的电容上极板（7）和下柔性基板（5）的电容下极板（8）相对，然后采用层压工艺，对上柔性基板（1）、中柔性基板（3）和下柔性基板（5）层压，使得上柔性基板（1）、中柔性基板（3）和下柔性基板（5）固定连接，连接线（17）连接下连接线（13）和外连接线（12），形成振荡回路，制成无源无线压力传感器。
2.按照权利要求1所述的基于柔性基板的自封装无源无线压力传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤20）中，空腔（10）位于中柔性基板（3）的中部。
3.按照权利要求1所述的基于柔性基板的自封装无源无线压力传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤10）制得的上柔性基板（1）、步骤20）制得的中柔性基板（3）和步骤30）制得的下柔性基板（5）具有相同的尺寸。
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| CN103148969A (zh) | 2013-06-12 |
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