CN103940536B - 一种采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件 - Google Patents

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一种采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件，它涉及一种压力敏感器件。本发明要解决现有的压力敏感器件轴向尺寸大和径向尺寸大的问题。本发明器件包括引线、管座、陶瓷绝缘材料、多层复合材料、硼硅玻璃基座、玻璃-金属复合材料、金属电极、芯片和密封环；硼硅玻璃基座的上表面与芯片的下表面通过静电连接成密封结构；使用轴向低温烧结的方法，将硼硅玻璃基座的下表面与陶瓷绝缘材料的上表面通过多层复合材料烧结成一体，多层复合材料为圆片结构，硼硅玻璃基座的下表面为正方形，多层复合材料的直径大于等于硼硅玻璃基座下表面的正方形的对角线。本发明用在压力敏感器件领域。

Description

一种采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件
技术领域
本发明涉及一种压力敏感器件。
背景技术
现有的压力敏感器件主要有两种封装方式，一种是采用压力敏感芯片正面作为感压面，对其内外腔形成的高、低压力信号敏感，输出与压力差成比例的应变，形成正、负两个应变区；同时材料由于压阻效应，其电阻率就要发生相应的变化，敏感芯片就会输出一个与被测压力成正比的电压信号，通过测量该电压信号的大小，即可实现压力的测量；这种封装方式需要引线(金丝、硅铝丝)将压力敏感芯片正面的电极与支撑结构(管壳)电极通过超声波压焊等方法形成电气连接，同时需要(硅油)与被测介质隔离，以保证绝缘性能及避免电极腐蚀、氧化。这种方式的内部参考腔通过压力敏感芯片背面的单晶硅与7740玻璃静电封装形成；通过粘接、烧结等方式与管座实现支撑结构。这种玻封外壳充油型压力敏感器件在高压、高温下硅油易泄露、金属引线强振动条件下易断裂和高温使用存在Au-Al电极系统脱键失效等问题。
一种是采用压力敏感芯片背面作为感压面，工作原理与前述相同；芯片背面感压形式，一方面芯片背面可以直接接触被测介质，不需要其他的隔离封装，提高了传感器的动态指标；另一方面避免芯片图形接触被测介质，造成污染，同时满足耐高温的要求；采用芯片正面与玻璃基座静电封接，并在玻璃基座上利用微加工的方法制作外引线封装孔和参考压力腔结构；敏感芯片的玻璃基座与玻璃封装的管壳烧接在一起，同时玻璃封装管壳上的外引线与芯片的电极也用金属玻璃浆料烧结在一起，形成敏感元件。这种压力敏感器件在工作温度范围、抗过载能力、抗振动冲击能力等技术上具有优势，解决了前一种封装方式的缺点，但是压力敏感芯片对作用在薄膜上的外力非常敏感。器件主要受热机械应力的影响，由芯片粘合结构中的材料(SiO2)、衬底材料与粘合材料的热膨胀系数(CTE)不匹配而引起，热应力可能会导致器件在热环境下做出异常的反应，在极端情况下，还会对芯片粘合结构造成永久的机械损伤。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的压力敏感器件轴向尺寸大和径向尺寸大的问题，而提供了一种采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件。
本发明的一种采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件包括引线、管座、陶瓷绝缘材料、多层复合材料、硼硅玻璃基座、玻璃-金属复合材料、金属电极、芯片和密封环；
其中，陶瓷绝缘材料分别与引线、管座在保护气氛下高温烧结成一体；引线向下穿出管座方向的陶瓷绝缘材料外表面处设置有密封环，密封环与陶瓷绝缘材料通过焊料烧结成一体，引线与密封环的内孔表面通过焊料烧结成一体；
引线贯穿陶瓷绝缘材料、多层复合材料和硼硅玻璃基座，引线通过玻璃-金属复合材料与金属电极在保护气氛下低温烧结连接；金属电极的上表面与芯片的下表面贴合；
硼硅玻璃基座的上表面与芯片的下表面通过静电连接成密封结构；使用轴向低温烧结的方法，将硼硅玻璃基座的下表面与陶瓷绝缘材料的上表面通过多层复合材料烧结成一体。
本发明中有芯片的方向为上。
本发明提供采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件，采用硅压阻效应原理，在压力敏感芯片上制作力敏电阻并形成惠斯通电桥，芯片背面腐蚀并形成应力敏感薄膜；芯片正面与硼硅玻璃基座通过静电封接形成参考压力腔及应力隔离结构，并将硅片上的复合耐高温电极层通过玻璃基座上的预制通孔显现；再将具有抗腐蚀、无传递介质、无引线、封装应力隔离性能的硅-玻璃复合敏感芯片与可伐、不锈钢、钽、Inconel625管壳烧结制成的陶瓷绝缘材料，通过多层复合材料轴向烧结形成密封支撑结构，同时将管座上的引脚与芯片电极通过玻璃-金属复合材料烧结，实现芯片信号与外界的电气连接、芯片结构与耐高压、高温气密封装管壳的刚性连接，从而形成采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件。采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件通过电子束、氩弧焊等焊接方法与金属安装结构和电缆连接，封装成无内引线的采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件。
本发明的有益效果：
1、本发明硼硅玻璃基座、多层复合材料与陶瓷绝缘材料之间采用轴向叠层烧结结构，烧结过程简单，易于实现，且烧结面积大，使陶瓷绝缘材料和硼硅玻璃基座的连接更加牢固。
2、本发明硼硅玻璃基座、多层复合材料与陶瓷绝缘材料之间采用轴向叠层烧结结构，进一步缩小了敏感器件的轴向尺寸，敏感器件的轴向尺寸的减小了0.7～～0.9mm，径向尺寸减少了1.5～2mm。
3、芯片中心的硅敏感膜作为应力敏感部件，在受到外部压力时会产生位移，并通过在内部形成的惠斯通电桥，利用压阻效应将压力信号转化为电信号，通过芯片内部电极、纳米银基低温玻璃烧结材料、陶瓷金属封装管座电极输出到后端系统。本发明的芯片的硅敏感膜与硼硅玻璃基座通过静电封接形成密封结构，硼硅玻璃基座中心部位加工出凹槽，在真空环境下与SOI芯片的硅敏感膜形成参考压力腔；硼硅玻璃(Pyrex7740)的热膨胀系数(2.85×l0-6K-1)与硅(2.62×l0-6K-1)相近，温度变化引起的热应力小，硼硅玻璃与硅的封接是最理想的；硼硅玻璃基座与管座上烧结的陶瓷绝缘材料的热膨胀系数(7.0×l0-6K-1)相差较大，为了避免温度变化引起的热应力，在硼硅玻璃与管座烧结的陶瓷绝缘材料之间采取了多层复合材料，使得各个过渡界面间的热膨胀系数差小于(5×l0-7K-1)，使应力分布更加合理，提高了产品的抗高温能力。
4、与采用压力敏感芯片背面作为感压面、玻璃管座封装的敏感器件相比，本发明硼硅玻璃基座、多层复合材料与陶瓷绝缘材料之间采用轴向叠层烧结结构，烧结面增大，提高了产品的抗震动性能，极大地改善了整体结构的稳定性，，使产品得以在较恶劣的环境条件下工作。
5、与采用压力敏感芯片背面作为感压面、玻璃管座封装的敏感器件相比，本发明管座上烧结的陶瓷绝缘材料(陶瓷)的介电常数较小(一般ε≤10)，有非常优良的高频特性而且具有优良的热传导性，适合高频设计，在航空、航天、雷达、无线通讯、光电子、MEMS等应用领域，具有独特的技术优势。
6、与采用压力敏感芯片背面作为感压面、玻璃管座封装的敏感器件相比，本发明为了实现与金属管壳的密封连接，需要在高温条件下，将陶瓷绝缘材料的表面上烧结钨作为过渡层，并通过镍、Ag-Cu焊料作为过渡材料，将陶瓷绝缘材料与不同特性的金属管壳烧结成密封结构，实现对敏感芯片的支撑、保护、电气互联功能。
7、与采用压力敏感芯片正面作为感压面的敏感器件相比，本发明的陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件避免了①键合工艺差错造成失效；②器件使用过程中内引线断裂和脱键；③压焊界面间形成化合物使Au-Al系统失效；④热循环使引线疲劳而失效。
附图说明
图1为具体实施方式一中所述的采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件的示意图；其中，1为引线，2为管座，3为陶瓷绝缘材料，4为多层复合材料，5为硼硅玻璃基座，6为玻璃-金属复合材料，7为金属电极，8为芯片，9为密封环；
图2为实施例1的采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件的制作流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1，本实施方式中一种采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件包括引线1、管座2、陶瓷绝缘材料3、多层复合材料4、硼硅玻璃基座5、玻璃-金属复合材料6、金属电极7、芯片8和密封环9；
其中，陶瓷绝缘材料3分别与引线1、管座2在保护气氛下高温烧结成一体；引线1向下穿出管座2方向的陶瓷绝缘材料3外表面处设置有密封环9，密封环9与陶瓷绝缘材料3通过焊料烧结成一体，引线1与密封环9的内孔表面通过焊料烧结成一体；
引线1贯穿陶瓷绝缘材料3、多层复合材料4和硼硅玻璃基座5，引线1通过玻璃-金属复合材料6与金属电极7在保护气氛下低温烧结连接；金属电极7的上表面与芯片8的下表面贴合；
硼硅玻璃基座5的上表面与芯片8的下表面通过静电连接成密封结构；使用轴向低温烧结的方法，将硼硅玻璃基座5的下表面与陶瓷绝缘材料3的上表面通过多层复合材料4烧结成一体。
本实施方式中有芯片8的方向为上。
本实施方式中所述的硼硅玻璃基座5、多层复合材料4与陶瓷绝缘材料3之间采用轴向叠层烧结成一体。
本实施方式中所述的多层复合材料4的特征为多层复合材料的各层材料的烧结温度为420℃～650℃，多层复合材料的各层材料的线膨胀系数从40×10-7/℃至65×10-7/℃阶梯递增，且与陶瓷、硼硅玻璃之间具有可烧结性。
本实施方式中所述的玻璃-金属复合材料6为圆锥形结构的纳米贵金属基低温玻璃烧结材料，烧结温度为420℃～650℃；所述的玻璃为硅酸盐、硼硅酸盐、磷酸盐、硼硅酸锌、钠钙玻璃、硅酸铅或硼酸铅锌；所述的金属为金、银、钯或铂。
本实施方式中所述的陶瓷绝缘材料3与引线1、管座2烧结成一体的连接处高温烧结钨层。
本实施方式中所述的陶瓷绝缘材料3与引线1、管座2烧结成一体，烧结所用的焊料为Ag-Cu焊料。
本实施方式的采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件，将硅-玻璃复合敏感芯片与陶瓷绝缘材料通过多层复合材料进行轴向烧结形成密封支撑结构，同时将管座上的引脚与芯片电极通过玻璃-金属复合材料烧结，封装成无内引线的压力传感器。它进一步缩小了轴向尺寸、提高了抗振动能力、抗恶劣环境能力强。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同之处是，所述的陶瓷绝缘材料3为Al2O3、SiC、BeO、TiO2、ZrO2、MgO、AlN、Si3N4、BN及上述物质的混合物。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同之处是，所述的多层复合材料4为圆片结构，所述的多层复合材料4的上表面的边缘设置倒角。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一的不同之处是，所述的硼硅玻璃基座5的下表面为正方形。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一的不同之处是，所述的多层复合材料4的直径大于等于硼硅玻璃基座5下表面的正方形的对角线；所述的多层复合材料4下表面的直径与陶瓷绝缘材料3上表面的直径相等。其他与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一的不同之处是，所述的将硼硅玻璃基座5的下表面与陶瓷绝缘材料3的上表面通过多层复合材料4烧结成一体，所述的烧结温度为420℃～650℃。其他与具体实施方式一至五之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：结合图1，本实施例中一种采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件包括引线1、管座2、陶瓷绝缘材料3、多层复合材料4、硼硅玻璃基座5、玻璃-金属复合材料6、金属电极7、芯片8和密封环9；
其中，陶瓷绝缘材料3分别与引线1、管座2在保护气氛下高温烧结成一体；引线1向下穿出管座2方向的陶瓷绝缘材料3外表面处设置有密封环9，密封环9与陶瓷绝缘材料3通过焊料烧结成一体，引线1与密封环9的内孔表面通过焊料烧结成一体；
引线1贯穿陶瓷绝缘材料3、多层复合材料4和硼硅玻璃基座5，引线1通过玻璃-金属复合材料6与金属电极7在保护气氛下低温烧结连接；金属电极7的上表面与芯片8的下表面贴合；
硼硅玻璃基座5的上表面与芯片8的下表面通过静电连接成密封结构；硼硅玻璃基座5的下表面与陶瓷绝缘材料3的上表面通过多层复合材料4轴向低温烧结形成固态密封结构。
本实施例中所述的多层复合材料4的特征为多层复合材料的各层材料的烧结温度为420℃～650℃，多层复合材料的各层材料的线膨胀系数从40×10-7/℃至65×10-7/℃阶梯递增，且与陶瓷、硼硅玻璃之间具有可烧结性。
本实施例中所述的管座2的材质为可伐合金。
本实施例中所述的陶瓷绝缘材料3为Al2O3。
本实施例中所述的与陶瓷绝缘材料3烧结成一体的引线1的连接处电镀镍层。
本实施例中所述的与陶瓷绝缘材料3烧结成一体的管座2的连接处电镀镍层。
本实施例中所述的玻璃-金属复合材料6为圆锥形结构的纳米贵金属基低温玻璃烧结材料，烧结温度为420℃～650℃；所述的玻璃为硅酸盐；所述的金属为银。
本实施例中所述的陶瓷绝缘材料3与引线1、管座2烧结成一体的表面高温烧结钨层。
本实施例中所述的陶瓷绝缘材料3与引线1、管座2烧结成一体，烧结所用的焊料为Ag-Cu焊料。
本实施例中所述的多层复合材料4为圆片结构，所述的多层复合材料4的上表面的边缘设置倒角。
本实施例中所述的硼硅玻璃基座5的下表面为正方形。
本实施例中所述的多层复合材料4的直径大于等于硼硅玻璃基座5下表面的正方形的对角线；所述的多层复合材料4下表面的直径与陶瓷绝缘材料3上表面的直径相等。
本实施例中有芯片8的方向为上。
本实施例的采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件的性能指标轴向尺寸为15±2mm，径向尺寸为7.5±0.2mm。

Claims (6)

1.一种采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件，它包括引线(1)、管座(2)、陶瓷绝缘材料(3)、多层复合材料(4)、硼硅玻璃基座(5)、玻璃-金属复合材料(6)、金属电极(7)、芯片(8)和密封环(9)；
陶瓷绝缘材料(3)分别与引线(1)、管座(2)在保护气氛下高温烧结成一体；引线(1)向下穿出管座(2)方向的陶瓷绝缘材料(3)外表面处设置有密封环(9)，密封环(9)与陶瓷绝缘材料(3)通过焊料烧结成一体，引线(1)与密封环(9)的内孔表面通过焊料烧结成一体；
引线(1)贯穿陶瓷绝缘材料(3)、多层复合材料(4)和硼硅玻璃基座(5)，引线(1)通过玻璃-金属复合材料(6)与金属电极(7)在保护气氛下低温烧结连接；金属电极(7)的上表面与芯片(8)的下表面贴合；
其特征在于硼硅玻璃基座(5)的上表面与芯片(8)的下表面通过静电连接成密封结构；使用轴向低温烧结的方法，将硼硅玻璃基座(5)的下表面与陶瓷绝缘材料(3)的上表面通过多层复合材料(4)烧结成一体。
2.根据权利要求1所述的一种采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件，其特征在于所述的陶瓷绝缘材料(3)为Al2O3、SiC、BeO、TiO2、ZrO2、MgO、AlN、Si3N4、BN及上述物质的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件，其特征在于所述的多层复合材料(4)为圆片结构，所述的多层复合材料(4)的上表面的边缘设置倒角。
4.根据权利要求1所述的一种采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件，其特征在于所述的硼硅玻璃基座(5)的下表面为正方形。
5.根据权利要求1所述的一种采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件，其特征在于所述的多层复合材料(4)上表面的直径大于等于硼硅玻璃基座(5)下表面的正方形的对角线；所述的多层复合材料(4)下表面的直径与陶瓷绝缘材料(3)上表面的直径相等。
6.根据权利要求1所述的一种采用陶瓷金属管壳轴向烧结的压力敏感器件，其特征在于所述的将硼硅玻璃基座(5)的下表面与陶瓷绝缘材料(3)的上表面通过多层复合材料(4)烧结成一体，所述的烧结温度为420℃～650℃。
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