CN103633036B - 基于高阻材料的电场传感器封装元件 - Google Patents

基于高阻材料的电场传感器封装元件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于高阻材料的电场传感器封装元件，包括：基板；第一封装框，固定于所述基板；第一封装盖，固定于所述封装框；至少一个电场传感器芯片位于所述基板、第一封装框和第一封装盖形成的内腔内；其中，所述基板、第一封装框第一封装盖中的至少一种是电阻率大于或等于108Ω·cm的高阻值材料。本发明可以保证电场准确测量，并为环境适应性这一关键问题的解决提供了一种重要的途径，提高了电场探测的稳定性和可靠性。

Description

基于高阻材料的电场传感器封装元件
技术领域
本发明涉及电场检测技术领域，尤其涉及一种基于高阻材料的电场传感器封装的元件。
背景技术
电场监测具有十分重要的意义。根据大气电场变化的特征规律，采用电场传感器监测空间区域内或者设备周围的电场强度，在航空航天、国防、智能电网、气象和工业生产等领域具有非常重要的应用。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，也可进行雷电预警、森林防火、地震预报等。
随着微纳米加工技术和集成技术的快速发展，研制体积小、功耗低、易于批量化生产的新型电场传感器成为电场探测技术领域中一个引人关注的方向。基于微纳米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，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，在实际应用中，微型电场传感器敏感芯片易受到灰尘、气流、雨雪、高湿度等的影响而无法正常工作，因此，封装是微型电场传感器实用化面临的重要挑战。对于微型电场传感器来说，由于其尺寸小，信号弱，极易受外界环境因素影响。在微型传感器封装方面，有多种方法，比如采用纯金属封帽、在金属封盖上表面开孔等封装方案，但前者由于金属与基板形成了封闭金属仓，导致电场屏蔽，而后者又未能阻挡湿度、灰尘的进入，难于实现有效的封装。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于高阻材料的电场传感器封装的元件。
为实现上述目的，一种基于高阻材料的电场传感器封装的元件，包括：
基板；
第一封装框，固定于所述基板；以及
第一封装盖，固定于所述封装框；
至少一个电场传感器芯片位于所述基板、第一封装框和第一封装盖形成的内腔内；
其中，所述基板、第一封装框第一封装盖中的至少一种是电阻率大于或等于108Ω·cm的高阻值材料。
本发明可以保证电场准确测量，并为环境适应性这一关键问题的解决提供了一种重要的途径，提高了电场探测的稳定性和可靠性；
附图说明
图1A为根据本发明第一实施例的基于高阻材料的电场传感器封装元件的剖面示意图；
图1B为图1A所示基于高阻材料的电场传感器封装元件第一种变形的剖面示意图；
图1C为图1A所示基于高阻材料的电场传感器封装元件第二种变形的立体图；
图1D为图1A所示基于高阻材料的电场传感器封装元件第三种变形的剖面示意图；
图2A为根据本发明第二实施例的基于高阻材料的电场传感器封装元件的剖面示意图；
图2B为根据本发明第二实施例的基于高阻材料的电场传感器封装元件的立体图；
图3为根据本发明第三实施例的基于高阻材料的电场传感器封装元件的剖面示意图；
图4为根据本发明第四实施例的基于高阻材料的电场传感器封装元件的剖面示意图；
图5为根据本发明第五实施例的基于高阻材料的电场传感器封装元件的剖面示意图；
图6为根据本发明第六实施例的基于高阻材料的电场传感器封装元件的剖面示意图；
图7为根据本发明第七实施例的基于高阻材料的电场传感器封装元件的剖面示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
本发明提供了一种电场传感器封装元件。该电场传感器封装元件中，基板、封装框、封装盖中至少有一种是采用高阻值材料制备，从而实现了稳定、准确可靠地电场检测，满足了实际应用需求。
在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种电场传感器封装元件。请参照图1A，该电场传感器封装元件包括：基板1；电场传感器芯片2，固定于所述基板上；封装框3，固定与所述基板1上，所述电场传感器芯片的四周，其为封闭框状结构，具有预设厚度；封装盖，固定于所述封装框3的上方，所述基板1、封装框3和封装盖4形成内腔以容纳所述电场传感器芯片2。其中，基板1、封装框3或者封装盖4中的至少一种是高阻值材料。本发明中，高阻值材料是指电阻率大于或等于108Ω·cm的材料，其可以是陶瓷、蓝宝石、有机高分子聚合物、二氧化硅或者其他高阻值材料的任一种或多种。
以下分别对本实施例电场传感器封装元件的各个组成元件进行详细说明。
基板1可以为金属基板、陶瓷基板、聚合物基板或其他基板的任一种，在基板1上应包含金属焊盘与信号通路，以便于传感器芯片2进行电气交互连接。根据不同的基板类型，基板上可以含有管脚、焊盘、芯片槽、通孔、接插件等元件。
传感器芯片2固定于基板1中心，并与基板1的金属焊片通过引线键合。固定传感器芯片2的方式有双面胶粘接、焊料键合或其他固定芯片方式中的任一种；引线键合的方式包括金丝球焊、硅铝丝焊或其他引线键合方式中的任一种。
传感器芯片2是静电场传感器芯片或交流电场传感器芯片，包括采用微纳米加工技术制备而成的微机械结构芯片、微电子敏感芯片、光学敏感芯片，或其他类型的敏感芯片。
在图1A所示的实施例中，位于由基板1、封装框3和封装盖所组成的内腔中的传感器芯片只有1枚。但本领域技术人员应当清楚，位于上述内腔的传感器芯片还可以为两枚或者多枚。请参照图1B，在基板1、封装框3和封装盖14所组成的内腔中，两个传感器芯片2a与2b被固定在基板1的同一面上，并分别键合相应的引线。
封装框3固定于基板1上，呈圆环形，且具有一定高度，从而在封装框3的内腔留有足够空间以容纳传感器芯片2。本领域技术人员应当清楚，除了图1所示的圆环形封装框3之外，封装框3还可以为方框形或其他不规则图形，其所起的作用与上述的圆环形封装框3相同，此处不再赘述。
封装盖4与封装框3固定连接，可以是与基板1平行的圆形、方形或其他不规则形状中的一种。基板1、封装框3与封装盖4连接后，内部形成一个密闭的，用于容纳及保护传感器芯片2的空腔。封装盖4的形状可以为平面的圆形、方形或其他不规则形状的任一种，例如为朝向基板1方向开口的半球形，如图1C所示。其中，半球形状的封装盖7，能够减少污染物的堆积，维持电场传感器的灵敏度。
封装框3与基板1、封装盖4的连接方式为胶粘、焊料键合、焊接、螺纹旋接、机械压接、电镀或者其他紧密结合方式的任一种。采用胶粘的方式时，可对胶粘表面作打磨、表面预处理；采用焊料键合的方式时，可以对键合表面做表面抛光、金属化预处理；采用螺纹拧接的方式时，需在连接处制作相匹配的螺纹，必要时在连接处增加突起或凹槽以便延长螺管长度；采用机械压接的方式时，可在压接处通过涂胶、垫胶垫以提高压接的密封性，也可以通过螺丝固定增大压接力。
此外，封装框3和封装盖4也可以为一体加工而成的凹形空腔结构。因此，两者的材料均为同一种高阻值材料或金属材料制备。当该一体化结构13为金属材料时，基板1为高阻值材料。在这种情况下，封装框3和封装该4将不必进行连接，如图1D所示。
本实施例中，封装框3与封装盖4两者对应的材料组合为高阻值材料-金属材料，或高阻值材料-高阻值材料，或金属材料-高阻值材料，从而可以保证电场准确测量，并为环境适应性这一关键问题的解决提供了一种重要的途径，提高了电场探测的稳定性和可靠性。此外，通过装载芯片后的基板、封装框与封装盖之间的叠层组合和嵌套方式实现紧密结合，从而达到保护传感器、提高环境适应性的目的。
至此，本实施例电场传感器封装元件介绍完毕。
在本发明的第二个示例性实施例中，还提供了另外一种电场传感器封装元件。请参照图2A和图2B，本实施例电场传感器封装元件的结构与图1A所示电场传感器封装元件的结构大体类似，不同之处仅在于：封装盖7在平行于基板1的方向上向外侧延长一段距离，然后向基板方向弯折；封装框3与封装盖7的对应的材料组合为高阻值材料-金属材料，或高阻值材料-高阻值材料，或金属材料-高阻值材料。
在本发明的第三个示例性实施例中，还提供了另外一种电场传感器封装元件。请参照图3，本实施例电场传感器封装元件的结构与图1所示电场传感器封装元件的结构大体类似，不同之处仅在于：封装盖也可以由两种材料构成。请参照图1C，封装盖由封装盖上层6和封装盖下层5构成，两层之间紧密结合，封装盖下层5直接与封装框3接触。
封装框3与封装盖下层5、封装盖上层6的对应的材料组合为高阻值材料-高阻值材料-高阻值材料，或高阻值材料-高阻值材料-金属材料，或高阻值材料-金属材料-高阻值材料，或高阻值材料-金属材料-金属材料，或金属材料-高阻值材料-高阻值材料，或金属材料-高阻值材料-金属材料。
在本发明的第四个示例性实施例中，还提供了另外一种电场传感器封装元件。请参照图4，本实施例电场传感器封装元件的结构与图2A和图2B所示电场传感器封装元件的结构大体类似，不同之处仅在于：封装盖由封装盖上层9和封装盖下层8构成，两层之间紧密结合。封装盖下层8呈平面的圆形或者方形形状，直接与封装框3接触。封装盖上层9在平行于基板1的方向上向外侧延长一段距离，然后向基板方向弯折。封装盖下层8在平行于基板1的方向上向外侧延长一段距离，延伸的距离不大于封装盖上层9延伸的距离。封装盖上层9和封装盖下层8可以是平面型，也可以是朝向基板方向开口的半球形状。封装框3与封装盖下层8、封装盖上层9的对应的材料组合为高阻值材料-高阻值材料-高阻值材料，或高阻值材料-高阻值材料-金属材料，或高阻值材料-金属材料-高阻值材料，或高阻值材料-金属材料-金属材料，或金属材料-高阻值材料-高阻值材料，或金属材料-高阻值材料-金属材料。
在本发明的第五个示例性实施例中，还提供了另外一种电场传感器封装元件。请参照图5，本实施例电场传感器封装元件的结构与图1所示电场传感器封装元件的结构大体类似，不同之处仅在于：封装框3在垂直于基板1的方向上向外侧延长一段距离，封装盖10固定于封装框的中段。封装框3与封装盖10的对应的材料组合为高阻值材料-金属材料，或高阻值材料-高阻值材料，或金属材料-高阻值材料。
在本发明的第六个示例性实施例中，还提供了另外一种电场传感器封装元件。请参照图6，本实施例电场传感器封装元件的结构与图5所示电场传感器封装元件的结构大体类似，不同之处仅在于：封装盖由封装盖上层12和封装盖下层11构成，两层之间紧密结合。
封装框3在垂直于基板1的方向上向外侧延长一段距离，封装盖上层12在平行于基板1的方向上向内缩减一段距离。封装框3、封装盖下层11与封装盖上层12的材料聚合为高阻值材料-高阻值材料-高阻值材料，或高阻值材料-高阻值材料-金属材料，或高阻值材料-金属材料-高阻值材料，或高阻值材料-金属材料-金属材料，或金属材料-高阻值材料-高阻值材料，或金属材料-高阻值材料-金属材料。
在本发明的第七个示例性实施例中，还提供了另外一种电场传感器封装元件。请参照图7，传感器芯片2被固定在基板1上并键合引线，本实施例中包含内外两层隔开预设距离的封装结构：为区别图1所示的实施例，将封装框21称为第二封装框，将封装盖22称为第二封装盖。基板1-封装框21-封装盖22，基板1-封装框23-封装盖24，这两层封装的材料及结构方案均可以为图1至图4中的任一种。其中，由基板1-封装框21-封装盖22构成的封装元件位于由基板1-封装框23-封装盖24构成的封装元件内。
以上实施例1-7所述的为基于高阻值材料的单基板、传感器芯片、封装框或封装盖的电场传感器封装元件。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明电场传感器封装元件有了清楚的认识。
至此，已经结合附图对本发明电场传感器封装组件进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明电场传感器封装组件有了清楚的认识。
此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。
综上所述，本发明提供一种电场传感器封装元件及组件，含有至少一个传感器芯片、基板、封装环与封装盖，其中，基板、封装环或者封装盖一种或多种是高阻值材料，基板、封装环与封装盖之间的叠层组合和嵌套方式实现紧密结合。本发明由于封装环或者封装盖至少有一种结构采用了高阻值材料，可以保证电场准确测量，并为环境适应性这一关键问题的解决提供了一种重要的途径，从而提高电场探测的稳定性和可靠性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种基于高阻材料的电场传感器封装元件，包括：
基板；
第一封装框，固定于所述基板；以及
第一封装盖，固定于所述封装框；
至少一个电场传感器芯片位于所述基板、第一封装框和第一封装盖形成的内腔内；
其中，所述基板、第一封装框、第一封装盖中的至少一种是电阻率大于或等于108Ω·cm的高阻值材料；
其中，第一封装框和第一封装盖采用相同材料，并且所述第一封装框和第一封装盖为一体加工的凹形空腔。
2.根据权利要求1所述的基于高阻材料的电场传感器封装元件，其特征在于，所述高阻值材料选自于以下材料中的一种：陶瓷、蓝宝石、有机高分子聚合物或二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的基于高阻材料的电场传感器封装元件，其特征在于，所述第一封装盖为平面结构的圆形、方形，或向基板方向弯折预设距离的圆形、方形，或朝向基板方向开口的半球形。
4.根据权利要求3所述的基于高阻材料的电场传感器封装元件，其特征在于，所述第一封装盖呈朝向基板方向开口的半球形，该半球形封装盖向外侧延长预设距离，从而覆盖住所述的封装框。
5.根据权利要求1所述的基于高阻材料的电场传感器封装元件，其特征在于，所述第一封装盖与第一封装框对应的材料组合为：高阻值材料-高阻值材料。
6.根据权利要求1所述的基于高阻材料的电场传感器封装元件，其特征在于，所述第一封装盖在平行于所述基板的方向上向外侧延长预设距离，并向基板方向弯折。
7.根据权利要求1所述的基于高阻材料的电场传感器封装元件，其特征在于，所述第一封装盖由包括上层和下层的两种材料构成。
8.根据权利要求7所述的基于高阻材料的电场传感器封装元件，其特征在于，所述第一封装框、封装盖下层、封装盖上层对应的材料组合为：高阻值材料-高阻值材料-高阻值材料、高阻值材料-高阻值材料-金属材料、高阻值材料-金属材料-高阻值材料、或金属材料-高阻值材料-金属材料。
9.根据权利要求7所述的基于高阻材料的电场传感器封装元件，其特征在于，所述封装盖上层在平行于所述基板的方向上向外侧延长预设距离，并向基板方向弯折，封装盖下层在平行于所述基板的方向上向外侧延长预设距离，延伸的距离不大于装盖上层延长的距离。
10.根据权利要求1所述的基于高阻材料的电场传感器封装元件，其特征在于，所述第一封装框在垂直于基板的方向上向外侧延长一段距离，所述第一封装盖固定于所述封装框的中段。
11.根据权利要求10所述的基于高阻材料的电场传感器封装元件，其特征在于，所述第一封装盖由封装盖上层和封装盖下层构成，
所述封装盖下层固定于所述封装框的中段，所述封装盖上层在平行于基板的方向上向内缩减一段距离。
12.根据权利要求11所述的基于高阻材料的电场传感器封装元件，其特征在于，所述封装框、封装盖下层与封装盖上层的材料组合为：高阻值材料-高阻值材料-高阻值材料、高阻值材料-高阻值材料-金属材料、高阻值材料-金属材料-高阻值材料、或金属材料-高阻值材料-金属材料。
13.根据权利要求1所述的基于高阻材料的电场传感器封装元件，其特征在于所述第一封装框为圆形或方形。
14.根据权利要求1所述的基于高阻材料的电场传感器封装元件，其特征在于所述传感器芯片为两个或多个。
15.根据权利要求1所述的基于高阻材料的电场传感器封装元件，其特征在于，还包括：
第二封装框，固定于所述基板；以及
第二封装盖，固定于所述第二封装框；
其中：所述基板、第二封装框和第二封装盖构成的封装元件位于所述基板、第一封装框和第一封装盖构成的封装元件内。
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