CN104390739A - 压阻式微熔高温压力传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于压阻式压力传感器制造工艺技术领域，具体涉及一种压阻式微熔高温压力传感器及其制造方法。为了提供一种能够在超过200℃高温下有效工作的传感器，本发明在弹性膜平面敏感区域涂覆玻璃浆料，并将SOI芯片粘贴在玻璃浆料上；将粘贴好SOI芯片的壳体组件放入高温烧结炉内，预热后升温微熔，微溶后随炉自然冷却，取出SOI芯片的壳体组件；将陶瓷厚膜电路板通过螺钉固定在SOI芯片外，然后将SOI芯片电极和陶瓷厚膜电路板电极连接，将陶瓷厚膜电路板相对应的电极点焊，引出外接镀金铜箔引线，然后将镀金铜箔引线和耐火高温线用可伐管夹紧方式连接在一起，SOI芯片工艺制作的惠思顿电桥是绝缘层隔离，工作温度可提高到600℃以上。
Description
技术领域
本发明属于压阻式压力传感器制造工艺技术领域，具体涉及一种压阻式微熔高温压力传感器及其制造方法。
背景技术
在压阻式压力传感器制作过程中，SOI硅力敏原件和弹性敏感元件的连接过程是传感器能够承受温度范围的关键过程。现有高温压力传感器的连接是有机耐高温胶粘结工艺制作的，工作温度在200℃以内，综合精度可以控制在0.5％，超过此温度范围后，精度会受到影响，胶颜色变深，胶性能急剧恶化，在250℃时胶炭化，传感器失效。无机胶的使用温度较高，但热膨胀系数和硅、不锈钢的差别太大，所以不能用于此过程。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种压阻式微熔高温压力传感器及其制造方法，使用该方法制造的SOI压阻式微熔高温压力传感器能够在超过200℃高温下有效工作。
为了达到上述目的，压阻式微熔高温压力传感器包括电缆线以及一端设置有弹性膜的基座，基座的另一端开设有凹型管腔，弹性膜通过凹型管腔与所测介质接触，弹性膜上固定有SOI芯片，SOI芯片和弹性膜间涂覆有玻璃微熔浆料，SOI芯片外设置有固定在基座上的陶瓷厚膜电路板，基座上固定有SOI芯片的一端激光焊接在具有空腔的传感器保护帽的一端，SOI芯片置于传感器保护帽的空腔中，传感器保护帽的另一端具有四爪结构，电缆线从传感器保护帽具有四爪结构的一端进入到空腔中，SOI芯片和电缆线均与陶瓷厚膜电路板连接。
所述SOI芯片与陶瓷厚膜电路板通过金丝连接，电缆线与陶瓷厚膜电路板通过镀金铜箔引线连接。
所述电缆线通过传感器保护帽的四爪结构夹紧固定，再用锁线帽拧紧在传感器保护帽的出线端。
所述电缆线采用纯镍矿物云母绕包耐火高温线。
压阻式微熔高温压力传感器的制造方法，包括以下步骤：
步骤一：在基座上弹性膜的受压面加工出能够使弹性膜一侧与所测介质接触的凹型管腔；
步骤二：在弹性膜平面敏感区域涂覆玻璃浆料，并将以钛-镍-金合金作为引线电极的SOI芯片粘贴在玻璃浆料上；
步骤三：将粘贴好SOI芯片的基座组件放入高温烧结炉内预热，并通入保护气体，预热后将温度升高至将温度升高至550～620℃，恒温10～20min后随炉自然冷却，冷却至100℃时，停止通入保护气体，当炉温低于60℃时，打开炉门，取出微熔好的基座组件；
步骤四：将陶瓷厚膜电路板的内圆与SOI芯片应力区对准通过螺钉固定其周围，然后用热压球焊金丝方式将SOI芯片电极和陶瓷厚膜电路板电极通过金丝连接，再用镀金铜箔引线采用点焊方式，将陶瓷厚膜电路板相对应的五个电极点焊，并引出外接镀金铜箔引线，然后将五根镀金铜箔引线和五根耐火高温线用可伐管夹接方式分别连接在一起；
步骤五：将传感器保护帽穿过耐火高温电缆线固定在基座上，传感器保护帽和基座采用激光焊接固定。
所述SOI芯片的尺寸大小为1.5mm×0.5mm。
所述步骤三中预热温度为120～150℃，预热时间为10～30min。
所述步骤五中传感器保护帽和基座焊接固定前，先检查SOI芯片的惠斯顿电桥四个电阻是否平衡，再检测绝缘性，确定无问题时再将传感器保护帽和基座激光焊接。
所述步骤五中传感器保护帽焊接完成后，通过传感器保护帽前端的四爪结构将耐火高温线夹紧固定，然后再将锁线帽拧紧在传感器保护帽上，最后固定在压力台上进行压力测试和补偿。
与现有技术相比，压阻式微熔高温压力传感器采用的SOI芯片是硅材料，压阻系数大，灵敏度高，用此工艺做成的传感器耐温范围高达-60～550℃、并具有高压、高频响、高过载等性能，可用于和不锈钢兼容的所有气体、液体、流体的测量介质。
压阻式微熔高温压力传感器的制造方法具有以下有益效果：
1、SOI芯片工艺制作的惠思顿电桥是绝缘层隔离，工作温度可提高到550～600℃以上；
2、整个工艺过程是在高温环境中完成，所以清洗过程用清洗液清洗即可，避免了用有机溶剂对环境造成的污染；
3、所选的硅、玻璃、弹性体三者热膨胀系数相近，通过微熔工艺处理，对产品的性能影响可忽略不计；
4、本发明的工艺便于操作，工艺流程短，适合于批量生产。
附图说明
图1为本发明压阻式微熔高温压力传感器的结构示意图；
图2为本发明传感器保护帽的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参见图1和图2，压阻式微熔高温压力传感器，包括采用纯镍矿物云母绕包耐火高温线的电缆线8以及一端设置有弹性膜2的基座1，基座1的另一端开设有凹型管腔，弹性膜2通过凹型管腔与所测介质接触，弹性膜2上固定有SOI芯片3，SOI芯片3和弹性膜2间涂覆有玻璃微熔浆料4，SOI芯片3外设置有固定在基座1上的陶瓷厚膜电路板5，基座1上固定有SOI芯片3的一端激光焊接在具有空腔的传感器保护帽9的一端，SOI芯片3置于传感器保护帽9的空腔中，传感器保护帽9的另一端具有四爪结构11，电缆线8从传感器保护帽9具有四爪结构11的一端进入到空腔中，并通过传感器保护帽9的四爪结构11夹紧固定，再用锁线帽10拧紧在传感器保护帽9的出线端，SOI芯片3与陶瓷厚膜电路板5通过金丝6连接，电缆线8与陶瓷厚膜电路板5通过镀金铜箔引线7连接。
实施例1：
步骤一：在基座上弹性膜1的受压面加工出能够使弹性膜2一侧与所测介质接触的凹型管腔；
步骤二：在弹性膜2平面敏感区域涂覆玻璃浆料，并将以钛-镍-金合金作为引线电极的SOI芯片3粘贴在玻璃浆料上，SOI芯片3的尺寸大小为1.5mm×0.5mm；
步骤三：将粘贴好SOI芯片3的基座1组件放入高温烧结炉内预热，并通入保护气体，预热温度为120℃，预热时间为10min，预热后将温度升高至将温度升高至550℃，恒温10min后随炉自然冷却，冷却至100℃时，停止通入保护气体，当炉温低于60℃时，打开炉门，取出微熔好的基座1组件；
步骤四：将陶瓷厚膜电路板5的内圆与SOI芯片3应力区对准通过螺钉固定其周围，然后用热压球焊金丝方式将SOI芯片3电极和陶瓷厚膜电路板5电极通过金丝6连接，再用镀金铜箔引线采用点焊方式，将陶瓷厚膜电路板5相对应的五个电极点焊，并引出外接镀金铜箔引线，然后将五根镀金铜箔引线和五根耐火高温线用可伐管夹接方式分别连接在一起，这样，节点不会因过高的温度使传感器失效；
步骤五：将传感器保护帽9穿过耐火高温电缆线8固定在基座1上，先检查SOI芯片3的惠斯顿电桥四个电阻是否平衡，再检测绝缘性，确定无问题时再将传感器保护帽9和基座1激光焊接，焊接完成后，通过传感器保护帽9前端的四爪结构11将耐火高温线夹紧固定，最后用锁线帽10拧紧在传感器保护帽上，固定在压力台上进行压力测试和补偿。
实施例2：
步骤一：在基座上弹性膜1的受压面加工出能够使弹性膜2一侧与所测介质接触的凹型管腔；
步骤二：在弹性膜2平面敏感区域涂覆玻璃浆料，并将以钛-镍-金合金作为引线电极的SOI芯片3粘贴在玻璃浆料上，SOI芯片3的尺寸大小为1.5mm×0.5mm；
步骤三：将粘贴好SOI芯片3的基座1组件放入高温烧结炉内预热，并通入保护气体，预热温度为135℃，预热时间为20min，预热后将温度升高至将温度升高至590℃，恒温15min后随炉自然冷却，冷却至100℃时，停止通入保护气体，当炉温低于60℃时，打开炉门，取出微熔好的基座1组件；
步骤四：将陶瓷厚膜电路板5的内圆与SOI芯片3应力区对准通过螺钉固定其周围，然后用热压球焊金丝方式将SOI芯片3电极和陶瓷厚膜电路板5电极通过金丝6连接，再用镀金铜箔引线采用点焊方式，将陶瓷厚膜电路板5相对应的五个电极点焊，并引出外接镀金铜箔引线，然后将五根镀金铜箔引线和五根耐火高温线用可伐管夹接方式分别连接在一起；
步骤五：将传感器保护帽9穿过耐火高温电缆线8固定在基座1上，先检查SOI芯片3的惠斯顿电桥四个电阻是否平衡，再检测绝缘性，确定无问题时再将传感器保护帽9和基座1激光焊接，焊接完成后，通过传感器保护帽9前端的四爪结构11将耐火高温线夹紧固定，最后用锁线帽10拧紧在传感器保护帽上，固定在压力台上进行压力测试和补偿。
实施例3：
步骤一：在基座上弹性膜1的受压面加工出能够使弹性膜2一侧与所测介质接触的凹型管腔；
步骤二：在弹性膜2平面敏感区域涂覆玻璃浆料，并将以钛-镍-金合金作为引线电极的SOI芯片3粘贴在玻璃浆料上，SOI芯片3的尺寸大小为1.5mm×0.5mm；
步骤三：将粘贴好SOI芯片3的基座1组件放入高温烧结炉内预热，并通入保护气体，预热温度为150℃，预热时间为30min，预热后将温度升高至将温度升高至620℃，恒温20min后随炉自然冷却，冷却至100℃时，停止通入保护气体，当炉温低于60℃时，打开炉门，取出微熔好的基座1组件；
步骤四：将陶瓷厚膜电路板5的内圆与SOI芯片3应力区对准通过螺钉固定其周围，然后用热压球焊金丝方式将SOI芯片3电极和陶瓷厚膜电路板5电极通过金丝6连接，再用镀金铜箔引线采用点焊方式，将陶瓷厚膜电路板5相对应的五个电极点焊，并引出外接镀金铜箔引线，然后将五根镀金铜箔引线和五根耐火高温线用可伐管夹接方式分别连接在一起；
步骤五：将传感器保护帽9穿过耐火高温电缆线8固定在基座1上，先检查SOI芯片3的惠斯顿电桥四个电阻是否平衡，再检测绝缘性，确定无问题时再将传感器保护帽9和基座1激光焊接，焊接完成后，通过传感器保护帽9前端的四爪结构11将耐火高温线夹紧固定，最后用锁线帽10拧紧在传感器保护帽上，固定在压力台上进行压力测试和补偿。
通过以上工艺步骤的实施，使传感器可以在高温550℃的环境下可靠、稳定的工作。
Claims (9)
1.压阻式微熔高温压力传感器，其特征在于：包括电缆线(8)以及一端设置有弹性膜(2)的基座(1)，基座(1)的另一端开设有凹型管腔，弹性膜(2)通过凹型管腔与所测介质接触，弹性膜(2)上固定有SOI芯片(3)，SOI芯片(3)和弹性膜(2)间涂覆有玻璃微熔浆料(4)，SOI芯片(3)外设置有固定在基座(1)上的陶瓷厚膜电路板(5)，基座(1)上固定有SOI芯片(3)的一端激光焊接在具有空腔的传感器保护帽(9)的一端，SOI芯片(3)置于传感器保护帽(9)的空腔中，传感器保护帽(9)的另一端具有四爪结构(11)，电缆线(8)从传感器保护帽(9)具有四爪结构(11)的一端进入到空腔中，SOI芯片(3)和电缆线(8)均与陶瓷厚膜电路板(5)连接。
2.根据权利要求1所述的压阻式微熔高温压力传感器，其特征在于：所述SOI芯片(3)与陶瓷厚膜电路板(5)通过金丝(6)连接，电缆线(8)与陶瓷厚膜电路板(5)通过镀金铜箔引线(7)连接。
3.根据权利要求1所述的压阻式微熔高温压力传感器，其特征在于：所述电缆线(8)通过传感器保护帽(9)的四爪结构(11)夹紧固定，再用锁线帽(10)拧紧在传感器保护帽(9)的出线端。
4.根据权利要求1或2或3所述的压阻式微熔高温压力传感器，其特征在于：所述电缆线(8)采用纯镍矿物云母绕包耐火高温线。
5.压阻式微熔高温压力传感器的制造方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一：在基座上弹性膜(1)的受压面加工出能够使弹性膜(2)一侧与所测介质接触的凹型管腔；
步骤二：在弹性膜(2)平面敏感区域涂覆玻璃浆料，并将以钛-镍-金合金作为引线电极的SOI芯片(3)粘贴在玻璃浆料上；
步骤三：将粘贴好SOI芯片(3)的基座(1)组件放入高温烧结炉内预热，并通入保护气体，预热后将温度升高至将温度升高至550～620℃，恒温10～20min后随炉自然冷却，冷却至100℃时，停止通入保护气体，当炉温低于60℃时，打开炉门，取出微熔好的基座(1)组件；
步骤四：将陶瓷厚膜电路板(5)的内圆与SOI芯片(3)应力区对准通过螺钉固定其周围，然后用热压球焊金丝方式将SOI芯片(3)电极和陶瓷厚膜电路板(5)电极通过金丝(6)连接，再用镀金铜箔引线采用点焊方式，将陶瓷厚膜电路板(5)相对应的五个电极点焊，并引出外接镀金铜箔引线，然后将五根镀金铜箔引线和五根耐火高温线用可伐管夹接方式分别连接在一起；
步骤五：将传感器保护帽(9)穿过耐火高温电缆线(8)固定在基座(1)上，传感器保护帽(9)和基座(1)采用激光焊接固定。
6.根据权利要求5所述的压阻式微熔高温压力传感器的制造方法，其特征在于：所述SOI芯片(3)的尺寸大小为1.5mm×0.5mm。
7.根据权利要求5所述的压阻式微熔高温压力传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤三中预热温度为120～150℃，预热时间为10～30min。
8.根据权利要求5所述的压阻式微熔高温压力传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤五中传感器保护帽(9)和基座(1)焊接固定前，先检查SOI芯片(3)的惠斯顿电桥四个电阻是否平衡，再检测绝缘性，确定无问题时再将传感器保护帽(9)和基座(1)激光焊接。
9.根据权利要求5所述的压阻式微熔高温压力传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤五中传感器保护帽(9)焊接完成后，通过传感器保护帽(9)前端的四爪结构(11)将耐火高温线夹紧固定，最后用锁线帽(10)拧紧在传感器保护帽上，固定在压力台上进行压力测试和补偿。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150304 |