CN104198107A - 一种压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力传感器及方法，一种压力传感器，包括壳体、大气导入孔、压力导入孔、内部腔体、传感器芯片、引线框架和盖板。所述的壳体、压力导入孔、内部腔体通过注塑工艺一体成型；大气导入孔的一端与壳体的内部腔体连通，另一端与大气连通，压力导入孔垂直设置在壳体上表面的中心位置，内部腔体上表面设置有两个台阶，在台阶之上设置一个水平的贴片表面；传感器芯片通过粘接剂以倒装的方式粘贴在壳体内部腔体的水平上表面，且传感器芯片的中心位置与压力导入孔的中心对齐，压力导入孔的下端与传感器芯片的腔体相通；所述引线框架在壳体注塑固化过程中与壳体紧密粘接，引线框架的焊盘设置在腔体内部的台阶之上，并通过金丝键合的方式将传感器芯片与引线框架之间形成电气互连；所述盖板与壳体底部通过粘接剂粘接。

Description

一种压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明属于压力感知技术领域，涉及一种压力传感器及其制造方法。

背景技术

在压力感知技术领域，多种传感器为人们所知。其中，特别是基于半导体技术的压力传感器为人们所熟知。压力传感器芯片是由硅基板和其上生长的外延层构成，其中，在硅基板上通过MEMS(微机电系统)技术加工出一块具有弹性的薄膜，当薄膜受到压力的作用时，薄膜根据所受压力的大小而产生相应程度的弯曲。薄膜的形变会使采用沉积或离子注入形成的敏感部件发生弯曲。由于所述敏感部件具有压阻效应，因此，该敏感部件产生阻值的变化，由敏感元件组成的惠斯通电桥将阻值的变化转变为电压输出。

在相关的技术领域中，如编号US2012/0144923Al的专利中介绍了一种用于测量目标流体压力的压力传感器。所介绍的压力传感器包括壳体、传感器芯片、数据处理芯片和用于密封的盖板。在壳体上部同一个平面一侧设置了两个分离的入孔，其中的一个入孔被用于将被测流体导入壳体内部腔体，另一个入孔与大气相连。特别地，导入的被测流体的压力作用于传感器芯片正面；然而，被导入的大气压力作用于传感器芯片的背面腔体。另外，设置在传感器芯片一侧的数据处理芯片通过引线键合与传感器形成互连。最后，壳体的内部腔体通过盖板实现密封。

然而，通过上述专利所介绍的压力传感器结构，由于被测流体通过流体导入孔进入到壳体内部的腔体中，并直接与传感器芯片的正面相接触，因此设置在传感器表面的电路将会受到被测流体扰动的严重影响，甚至会减小传感器的可靠性和长期稳定性。更进一步，上述专利中传感器的大气导入孔与压力导入孔被设置成彼此分离的凸出的圆柱孔，这种结构容易导致传感器尺寸的增加和强度的减弱，如上述两个孔相距较远，那就说明在XY方向的平面尺寸较大，如果上述两个孔相距较近，则进气孔需设置较长，使传感器Z方向的尺寸较大，导致壳体上压力入口部分1a的扭转刚度降低。更进一步的是，数据处理电路没有集成在压力传感器芯片之中，这会使传感器的结构更加复杂，成本可能更高。更进一步，被测流体导入壳体之中使得因密封不良引发的泄露可能性更高。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种压力传感器及其制造方法，该压力传感器具有高可靠性、长期稳定性好、集成芯片、尺寸小和高精度传感器。其技术方案如下：

一种压力传感器，包括壳体、大气导入孔、压力导入孔、内部腔体、传感器芯片、引线框架和盖板。所述的壳体、压力导入孔、内部腔体通过注塑工艺一体成型；大气导入孔的一端与壳体的内部腔体连通，另一端与大气连通，压力导入孔垂直设置在壳体上表面的中心位置，内部腔体上表面设置有两个台阶，在台阶之上设置一个水平的贴片表面；传感器芯片通过粘接剂以倒装的方式粘贴在壳体内部腔体的水平上表面，且传感器芯片的中心位置与压力导入孔的中心对齐，压力导入孔的下端与传感器芯片的腔体相通；所述引线框架在壳体注塑固化过程中与壳体紧密粘接，引线框架的焊盘设置在腔体内部的台阶之上，并通过金丝键合的方式将传感器芯片与引线框架之间形成电气互连；所述盖板与壳体底部通过粘接剂粘接。

在上述的压力传感器中，所述大气导入孔用于向壳体的内部腔体导入大气压力；所述的压力导入孔用于导入被测流体，被测流体的压力作用在传感器芯片的背面腔体；所述传感器芯片用于测量流体对于大气压的压力，特别地，数据处理电路被集成在该芯片上；所述盖板用于密封壳体的内部腔体。

优选地，在上述压力传感器中，所述壳体包括腔体部分、由壳体表面向外延伸的管状压力入口部分、以及与压力入口部分同轴设置的大气入口部分。特别地，大气入口部分的顶部与压力入口顶部之间设置一个台阶。特别地，大气导入孔由多个通孔呈圆形阵列分布而形成。

优选地，所述壳体包括腔体部分、由壳体表面向外延伸的管状压力入口部分，传感器的大气导入孔设置在壳体的侧面，与大气导入孔垂直设置。

优选地，所述壳体包括腔体部分、由壳体表面向外延伸的管状压力入口部分，所述大气导入孔集成在壳体的上表面，大气导入孔与壳体的内部腔体相连。

优选地，所述壳体、压力导入孔、内部腔体通过注塑工艺一体成型，所述盖板和大气导入孔通过注塑工艺一体成型。传感器芯片通过粘接剂粘贴在贴片表面后，采用保护胶将其涂覆。

进一步优选地，所述壳体包括压力入口部分、大气入口部分和腔体部分；特别地，大气导入孔由两部分构成，即竖直孔和水平孔；竖直孔下端与内部腔体相通，竖直孔上端止于壳体内部，水平孔的一端与大气相通，另一端与竖直孔相通。

一种压力传感器的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：制作引线框架。引线框架采用锡青铜材质，引线框架中的管脚和焊盘部分均镀镍2微米，镀金0.05微米；

步骤2：传感器的壳体、大气导入孔、压力导入孔、内部腔体通过注塑工艺制成，壳体和盖板的材质为PBT+30％GF，在壳体注塑的同时将引线框架通过此工艺与壳体紧密结合，引线框架中的焊盘部分设置在内部腔体的台阶上；然后，折弯引线框架中的管脚部分；

步骤3：采用倒装的方式将传感器芯片粘贴在壳体内部的贴片表面中心位置，使传感器芯片的腔体与压力导入孔相连通。其中，传感器芯片与贴片表面采用粘接剂紧密结合在一起，在150℃的环境下烘干，烘干时长30分钟，使传感器芯片与贴片表面之间形成致密、牢固的结合；

步骤4：利用金丝键合的方式将传感器芯片与引线引脚之间形成电气连接；

步骤5：采用粘接剂将盖板与壳体的腔体底面粘接为一体，并在150℃的环境下烘干，烘干时长30分钟。

本发明的有益效果：与现有技术中同时使用数据处理芯片与传感器芯片不同的是，在本发明的压力传感器中数据处理电路被集成在传感器芯片之中，减少了因芯片与芯片之间的电气互连，从而大大降低传感器在电气连接方面失效的可能性。另一方面，在本发明的压力传感器中，被测流体通过压力导入孔将流体压力直接作用在传感器芯片的背面腔体上，因此仅需确保传感器芯片与贴片表面有效密封即可，从而减少了密封面积，降低了传感器产生泄漏的风险；同时，这种背面受压的结构可以防止因流体的扰动对传感器电气连接的不利影响。另外，大气导入孔与壳体的内部腔体相连，使大气压力作用在传感器芯片的正面，因此，确保传感器的准确性。

在第一种实施方案中，传感器的大气导入孔由多个呈圆形阵列的通孔构成，且与大气导入孔同轴设置，简化了传感器的结构，有利于缩小传感器尺寸；压力导入孔上表面与大气导入孔上表面之间设置有一台阶，便于与外部管子装配时定位，防止管子堵住大气导入孔。在第二种实施方案中，大气导入孔被设置在壳体的侧面，这种结构可以有效的减少外界的污物进入腔体内部，同时不影响灌封。在第三种实施方案中，大气导入孔被集成在壳体上表面，进一步简化了传感器的结构。在第四种实施方案中，将大气导入孔设置在传感器的盖板中，这种结构有利于使用灌封胶对传感器芯片进行灌封保护，避免大气对其的污染。在第五种实施方案中大气导入孔由两部分构成，这种结构有效防止外部污物进入壳体的内部腔体，同时，防止装配管子时堵住大气导入孔，另外大气导入孔上部的台阶可以给管子装配提供定位。

附图说明

图1表示本发明实施方式1的半导体压力传感器的俯视图。

图2表示图1的B1-B2剖视图。

图3表示图1的A1-A2剖视图。

图4A和图4B表示本发明实施方式1的传感器芯片视图，图4A是俯视图，图4B是截面图。

图5表示本发明实施方式1中传感器芯片安装在基板上的方式。

图6A～D表示本发明实施方式1中，基于半导体技术制作的压力传感器的视图，其中6A是本发明传感器的侧视图，6B是俯视图，6C是主视图，6D是仰视图。

图7表示本发明实施方式1中，压力传感器安装在基板上的示意图。

图8表示本发明实施方式1中，压力传感器的压力导入孔区域与管子连接的剖面图。

图8A表示无台阶的压力传感器受到一定扭矩时传感器壳体的形变图。

图8B表示有台阶的压力传感器受到一定扭矩时传感器壳体的形变图。

图9表示本发明实施方式2中，压力传感器的主视图。

图10A和10B表示本发明实施方式3中，压力传感器的俯视图和剖视图，其中图10A是俯视图，图10B是剖视图。

图11A和图11B表示本发明实施方式4中，压力传感器的主视图和俯视图，其中图11A是主视图，图11B是俯视图。

图12A和图12B表示本发明实施方式5中，压力传感器的主视图和半剖视图，其中图12A是主视图，图12B是半剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

实施方式1

图1是本发明实施方式1中压力传感器的俯视图，图2表示图1的B1-B2剖视图，图3表示图1的A1-A2剖视图。图4A和4B表示本发明中传感器芯片，其中图4A是传感器芯片的俯视图，图4B是传感器的截面图。在图4B中传感器芯片表面7A表示其正面，7C表示其反面。

本发明的实施例1的压力传感器，其特征在于，压力导入孔3与大气导入孔4同轴，并且压力导入孔3顶部与大气导入孔4顶部设有一定距离。另外，如图6B所示，大气导入孔4由若干个通孔呈圆形阵列组成，通孔的个数记为N，且N≥2；同时，壳体1的强度与通孔的数量和尺寸有较大的关系，优选的是大气导入孔3由2个或4个通孔呈圆形阵列组成。

如图1所示，在压力导入3孔顶端与大气导入孔4顶端之间设置一个台阶1c，所述台阶用于压力导入孔区域1a与管子19连接定位。同时，台阶的设置有利于增强壳体1下部1b与压力导入孔区域1a的连接强度。

图8A表示的是在受到扭矩情况下，通过有限元仿真计算所得到的无台阶壳体应受力而变形图，图中计算数据41区域表示壳体所受到的最大应力；图8B表示在受到与上述相同扭矩情况下，对有台阶壳体1进行仿真计算得到的有台阶壳体应受力而变形图，图中数据40区域表示有台阶壳体1所受到的最大应力。通过对比两种模型的应力对比分析，同等条件下有台阶的壳体所受到的应力小于无台阶壳体，在连接区域15中有台阶壳体所受应力也更小，大气入口部分1d的受力形变也越小。因此，带台阶壳体1的结构更可靠。

大气导入孔4与壳体1的内部腔体相连，同时，传感器芯片7的正面7A与大气相通；压力导入孔3与传感器芯片7中背面腔体底面7B相连。因此，本发明传感器测量流体相对于大气压的压力值。

壳体1包括腔体部分1b、由壳体表面10向外延伸的管状压力入口部分1a、和与压力入口部分1a同轴设置的大气入口部分1d。特别地，大气入口部分1d与压力入口1a同向延伸，且延伸长度小于压力入口部分1a。

引线框架2通过注塑成型工艺与壳体1形成紧密可靠的连接；盖板9同样由注塑成型工艺制造。

如图4A和4B所示，数据处理电路12被集成在传感器芯片7的表面7A一侧。数据处理电路12和应变电阻11是通过扩散或离子注入工艺制作。在传感器芯片7A的另一侧，通过刻蚀等工艺设置一个腔体14，从而在传感器芯片7的中央区域形成一块薄膜14。另外，在传感器芯片7的表面7A通过沉积等工艺制作用于电气互连的焊盘6。

在所述的传感器芯片7中，当传感器芯片7受到被测流体相对于大气压的压力时，所述的应变电阻11显示出其所具有的压阻特性。如图5所示，所述传感器芯片7通过粘接剂5紧密粘贴在壳体1的腔体10的贴片表面26处，传感器芯片7的中心与压力导入孔中心对齐。进而，壳体1的底部用盖板9进行密封。

图6A表示的是实施方式1中传感器的主视图，图6B是俯视图，图6C是侧视图，图6D是仰视图。如图7所示，本发明的传感器被安装在印制线路板18上，传感器的引线框架2中的各引脚与印制线路板上的焊盘17连接，形成电气互连。然后，通过灌封树脂16将传感器固定在所安装的基板上。通过将管子19与圆柱形的压力入口部分1a连接，将被测流体引入传感器芯片7的腔体14。特别地，管子19通过台阶1c进行安装深度的定位，避免管子19的底端因与压力入口部分1a配合深度过大而堵住传感器的大气导入孔4。

如前所述本实施例中压力导入孔3与大气导入孔4同轴设置，该结构有利于简化传感器的结构，缩小传感器的尺寸。

特别地，台阶1c的设置，可以避免传感器中的大气导入孔被管子19堵住的风险，同时增强壳体1的强度。

特别地，传感器芯片7的背面腔体14与压力导入孔3相连，因此，该结构可以保护传感器芯片及引线免受流体扰动的影响。

更特别地是，壳体1的内部腔体10是与大气导入口相连，盖板9不需要严格地与壳体1的底部密封，也不需要检测二者之间是否存在泄露的风险。

实施方式2

接下来，说明本发明实施例2的压力传感器。

图9表示本发明实施例2的传感器视图。与本发明实施例1不同之处在于，实施例1中传感器的大气导入孔4与压力导入孔3共轴设置，在本实施例2中，传感器的压力导入孔20设置在传感器壳体1的侧面30上。本实施例中传感器的大气导入孔20与压力导入孔3相互垂直，大气导入孔20依然与壳体1内部的腔体10相通。大气导入孔20与壳体1的底部保持一定距离，避免因灌封时将气孔堵住而影响传感器的精度，因此灌封过程需仔细进行。

将大气导入孔20设置在壳体1侧面30上进一步地减小了传感器的尺寸，将大气导入孔20侧面设计可以减少大气污染物进入壳体内部。

实施方式3

接下来，说明本发明实施例3的压力传感器。

图10A是本实施例3压力传感器的俯视图，与上述实施例1不同的是大气导入孔的设置位置不同。在本实施例中，传感器的大气导入孔21集成在壳体1中，设置在壳体1的上平面10；大气导入孔21采用去除材料的方式，从平面10向下延伸直至壳体1的内部腔体10，形成连接腔体10和大气的大气导入孔21。图10B是本发明实施例3中传感器的截面图，大气导入孔的底部位于平面10中。

因此，在对传感器进行适当的灌封时，不必担心大气导入孔21是否会被灌封胶16堵住；另外，所述传感器的结构有利于传感器的小型化。。

实施方式4

接下来，说明本发明实施例4的压力传感器。

图11A是本发明实施例5的主视图，图11B是仰视图。与实施例1不同的是传感器的大气导入孔25设置在盖板9中。由于大气导入孔25设置在盖板9中，因此在传感器芯片7粘贴在基板50上后，使用溶胶凝胶或环氧树脂对芯片表面进行覆盖，使传感器芯片7免受外界污物的影响。考虑到盖板9中的大气导入孔25被堵住的因素，在传感器安装在印制线路板18上后，灌胶过程中应对大气导入孔25进行保护。

实施方式5

接下来，说明本发明实施例5的压力传感器。

图12A和12B分别是本发明实施例4中压力传感器的主视图和截面图。如上述两图所示，大气导入孔4由两部分组成。其中一部分为竖直孔22b位于壳体1的内部，特别地，竖直孔22b的上端终止于壳体1的内部，另一端与壳体1内部的腔体10相连；另一部分是与竖直孔22b垂直的水平孔22a，特别地，水平孔22a的一端与大气相通，另一端与竖直孔22b相通，周围大气从由22a和22b组成的大气导入孔进入到壳体1的腔体10。如图12B，竖直孔22B的底端设置在远离粘贴传感器芯片7的基板50。

基于本实施例中所述的压力传感器结构，由于大气导入孔4的入口设置在壳体区域1d的侧面，竖直孔22b的顶端被壳体区域1d所堵住，因此，可以有效减小大气中的污染物进入腔体10内部。特别地，由于竖直孔被设置在远离基板50的区域，因此，在装贴完芯片后可以采用保护胶涂覆在传感器表面，这样，既避免了保护胶堵住水平孔22b，又可以使传感器芯片7免受外界的污染；更特别地，由于与大气相连的大气导入孔4的一端位于壳体区域1d的侧面，因此在安装水管19时，消除了大气导入孔4被水管19底端堵住的风险；另外，壳体区域1d的上表面23可作为定位台阶使用；同时，该结构可以使得传感器在灌封阶段避免大气导入孔4被堵住的风险。

基于本实施例中压力传感器的结构，压力传感器受到大气的影响会很大程度的减小；传感器在测量相对于大气压的流体压力时更精确；同时，传感器将具有可靠性高、尺寸小、长期稳定性好的优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种压力传感器，其特征在于，包括壳体、大气导入孔、压力导入孔、内部腔体、传感器芯片、引线框架和盖板；

上述的壳体、压力导入孔、内部腔体通过注塑工艺一体成型；大气导入孔的一端与壳体的内部腔体连通，另一端与大气连通，压力导入孔垂直设置在壳体上表面的中心位置，内部腔体上表面设置有两个台阶，在台阶之上设置一个水平的贴片表面；

上述传感器芯片集成有数据处理电路，且传感器芯片通过粘接剂以倒装的方式粘贴在壳体内部腔体的水平上表面，且传感器芯片的中心位置与压力导入孔的中心对齐，压力导入孔的下端与传感器芯片的腔体相通；

上述引线框架在壳体注塑固化过程中与壳体紧密粘接，引线框架的焊盘设置在腔体内部的台阶之上；

上述盖板与壳体底部通过粘接剂粘接。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述的壳体、大气导入孔、压力导入孔和内部腔体通过注塑工艺一体成型。

3.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述壳体包括腔体部分、由壳体表面向外延伸的管状压力入口部分、以及与压力入口部分同轴设置的大气入口部分。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，在所述大气入口部分顶部与压力入口顶部之间设置一个台阶。

5.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述大气导入孔是由多个通孔构成，所述通孔呈圆形阵列分布，所述通孔的个数记为N，且N≥2。

6.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述壳体包括腔体部分、由壳体表面向外延伸的管状压力入口部分，传感器的大气导入孔设置在壳体的侧面，与大气导入孔垂直设置。

7.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述壳体包括腔体部分、由壳体表面向外延伸的管状压力入口部分，所述大气导入孔集成在壳体的上表面，大气导入孔与壳体的内部腔体相连。

8.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述壳体、压力导入孔、内部腔体通过注塑工艺一体成型，所述盖板和大气导入孔通过注塑工艺一体成型；传感器芯片通过粘接剂粘贴在贴片表面后，采用保护胶将其涂覆。

9.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述壳体包括压力入口部分、大气入口部分和腔体部分；大气导入孔由两部分构成，即竖直孔和水平孔；竖直孔下端与内部腔体相通，竖直孔上端终止于壳体内部，水平孔的一端与大气相通，另一端与竖直孔相通。

10.一种压力传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：制作引线框架；引线框架采用锡青铜材质，引线框架中的管脚和焊盘部分均镀镍2微米，镀金0.05微米；

步骤2：传感器的壳体、大气导入孔、压力导入孔、内部腔体通过注塑工艺制成，壳体和盖板的材质为PBT+30％GF，在壳体注塑的同时将引线框架通过此工艺与壳体紧密结合，引线框架中的焊盘部分设置在内部腔体的台阶上；然后，折弯引线框架中的管脚部分；

步骤3：采用倒装的方式将传感器芯片粘贴在壳体内部的贴片表面中心位置，使传感器芯片的腔体与压力导入孔相连通；其中，传感器芯片与贴片表面采用粘接剂紧密结合在一起，在150℃的环境下烘干，烘干时长10～60分钟，优选烘干时长30分钟，使传感器芯片与贴片表面之间形成致密、牢固的结合；

步骤4：利用金丝键合的方式将传感器芯片与引线引脚之间形成电气连接；

步骤5：采用粘接剂将盖板与壳体的腔体底面粘接为一体，并在150℃的环境下烘干，烘干时长10～60分钟，烘干时长30分钟。