CN108871653A - 介质隔离型压力传感器封装结构及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了介质隔离型压力传感器封装结构，其封装结构包括壳体，壳体包括顶面和底部设置为开口的腔体，腔体的顶部内壁上开设有第一通孔，且第一通孔的顶部高度和顶面的高度相同，顶面的上方设有自带第二通孔的衬板，且衬板的底部四周与顶面之间填充有衬板粘接胶，衬板顶部放置有自带第三通孔的印刷电路板，且印刷电路板的底部与衬板的顶部填充有印刷电路板粘接胶，印刷电路板包括两个焊接在印刷电路板顶部的绑线焊盘，第三通孔的内部放置有压力敏感芯片。本发明还公开了介质隔离型压力传感器封装结构的封装方法，本发明中的压力敏感芯片与被测介质完全分开，使得压力传感器可以对具有导电性或者具有腐蚀性的待测介质进行测量。

Description

介质隔离型压力传感器封装结构及其封装方法

技术领域

本发明涉及一种介质隔离型压力传感器封装结构，属于传感器技术领域。

本发明还涉及一种介质隔离型压力传感器封装结构的封装方法。

背景技术

压力传感器按照工作原理的不同，压力传感器主要可分为压阻式、电容式、谐振式、压电式、光纤式等压力传感器；其中基于微电子机械系统的MEMS压阻式由于其体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、制造工艺简单和便于集成化等众多优点成为压力传感器芯片的主流技术。

通常的MEMS压力传感器的封装形式是将压力敏感芯片通过直接粘接或者玻璃过渡粘接的方式封接在金属管壳或塑料管壳上，再通过金线或铝线实现电连接，其压力敏感单元直接接触测量介质，适用于对没有腐蚀性、干净清洁的气体介质的压力测量。

在某些特殊应用，如待测介质具有导电性或者具有腐蚀性，又或者待测介质可能影响压力敏感元件的粘接胶性能等，则待测介质不能与压力传感器芯片直接接触。那就需要一种特殊的封装技术既能将待测介质与压力传感器芯片隔离开，又能实现压力传递的功能。目前主流的介质隔离封装技术包括充灌硅油的不锈钢封装，在陶瓷片上印刷厚膜电阻的不锈钢封装，在不锈钢膜上淀积薄膜电阻、或者丝网印刷厚膜电阻的不锈钢封装，在不锈钢膜上贴装单晶硅应变片的不锈钢封装等各种介质隔离封装形式。也有部分厂商尝试单独使用硅凝胶等低弹性模量材料对芯片进行保护，进行介质隔离。但是该材料仍然会有一定的粘滞阻力，影响产品的输出精度。

现有主流的压力传感器介质隔离封装技术皆有着封装工艺复杂、对设备投入要求高、体积大、安装复杂等诸多缺点，所以主要在价格承受能力较高的工业控制领域得到应用。博世公司在专利US 7 055 392 B2中使用了MEMS压力芯片背面感压的方法，利用共晶键合技术将芯片焊接在金属基座上，实现压力的测量和对介质等的良好耐受能力。该方法焊料成本高，工艺控制难度大，只能适用于汽车和商用空调等价格承受能力较强的场合。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供介质隔离型压力传感器封装结构，本发明还提供介质隔离型压力传感器封装结构的封装方法。以解决上述背景技术中提出的问题，本发明成本低，工艺简单，便于操作，稳定性好，可靠性高。

本发明是通过如下的技术方案来实现：介质隔离型压力传感器封装结构，包括壳体，所述壳体包括顶面和底部设置为开口的腔体，所述腔体的顶部内壁上开设有第一通孔，且第一通孔的顶部高度和顶面的高度相同，所述顶面的上方设有自带第二通孔的衬板，且衬板的底部四周与顶面之间填充有衬板粘接胶，所述衬板顶部放置有自带第三通孔的印刷电路板，且印刷电路板的底部与衬板的顶部填充有印刷电路板粘接胶，所述印刷电路板包括两个焊接在印刷电路板顶部的绑线焊盘，所述第三通孔的内部放置有压力敏感芯片，且压力敏感芯片包括压力敏感膜、硅基体、电极和底部设置为开口的背腔，所述硅基体位于背腔两侧，所述压力敏感膜是位于硅基体上方，且背腔、第二通孔、第一通孔和腔体处于同一竖直轴线上并依次连通，所述背腔、第二通孔、第一通孔和腔体内均填充有液体填料，且液体填料的底部接触有与腔体侧壁相连接的胶体，所述硅基体的底部四周与衬板之间填充有芯片粘接胶，所述压力敏感膜位于硅基体的顶部，所述压力敏感膜的顶部两侧均焊接有电极，且每个电极上电性连接有与绑线焊盘相焊接的绑定线。

在一实施例中，位于印刷电路板顶部的两个绑线焊盘对称设置，且两个绑线焊盘分别位于第三通孔的两侧。

在一实施例中，位于压力敏感膜顶部的两个电极对称设置，且电极通过绑定线与对应的绑线焊盘电性连接。

在一实施例中，所述衬板与顶面之间设有第一间隙，且第一间隙填充有液体填料。

在一实施例中，所述顶面的上方还可以直接设有自带第三通孔的印刷电路板，且印刷电路板的底部与顶面之间填充有印刷电路板粘接胶,所述印刷电路板的顶部与压力敏感芯片的底部相接触，压力敏感芯片中的背腔与第三通孔、第一通孔和腔体处于同一竖直轴线上，所述压力敏感芯片中的硅基体底部与顶面之间填充有芯片粘接胶。

在一实施例中，所述背腔与第三通孔、第一通孔和腔体均填充有液体填料。

在一实施例中，所述印刷电路板与顶面之间设有第二间隙，且第二间隙填充有液体填料。

本发明还提出了介质隔离型压力传感器封装结构的封装方法，包括以下步骤：

S1：在印刷电路板的底部进行涂覆印刷电路板粘接胶，将衬板贴装在印刷电路板的底部，再让印刷电路板粘接胶进行固化；

S2：在S1中所述的衬板的顶部进行涂覆芯片粘接胶，将压力敏感芯片贴装在衬板的顶部，此时压力敏感芯片位于第三通孔内，再让芯片粘接胶进行固化；

S3：将S2中所述的压力敏感芯片中的电极通过绑定线与印刷电路板上的绑线焊盘进行连接，构成压力测量模块；

S4：在S2中的衬板的底部进行涂覆衬板粘接胶，将衬板贴装在壳体的顶面上，再让衬板粘接胶进行固化；

S5：在S4中所述的壳体的腔体中进行填充液体填料，液体填料可以对背腔、第二通孔、第一通孔和腔体的部分空间进行填充；

S6：在S5中所述的壳体的腔体中进行灌注胶体，再让胶体进行固化。

本发明的有益效果：通过胶体、液体填料和压力敏感芯片的配合下，当压力传感器对被测介质进行检测时，被测介质直接作用在腔体的胶体上，被测介质的压力由胶体传递到液体填料上，液体填料将压力最终作用在压力敏感芯片上，通过压力敏感芯片上的电极、绑定线和印刷电路板上的绑线焊盘共同构成压力测量模块，压力测量模块对液体填料所传输的压力进行测量，使得压力传感器可以对具有导电性或者具有腐蚀性的待测介质进行测量，本发明中的压力敏感芯片与被测介质完全分开，使得压力传感器可以对具有导电性或者具有腐蚀性的待测介质进行测量。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明介质隔离型压力传感器封装结构在实施例一中的结构示意图；

图2为本发明介质隔离型压力传感器封装结构的A-A的示意图；

图3为本发明介质隔离型压力传感器封装结构在实施例二中的结构示意图；

图4为本发明介质隔离型压力传感器封装结构的B-B的示意图；

图中：1-壳体、11-顶面、12-腔体、2-胶体、3-液体填料、4-印刷电路板、41-绑线焊盘、5-衬板、6-衬板粘接胶、7-印刷电路板粘接胶、8-绑定线、9-压力敏感芯片、91-压力敏感膜、92-硅基体、93-背腔、94-电极、10-芯片粘接胶。

具体实施方式

在详细描述实施例之前，应该理解的是，本发明不限于本申请中下文或附图中所描述的详细结构或元件排布。本发明可为其它方式实现的实施例。而且，应当理解，本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途，不应作限定性解释。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”等类似措辞意为包含其后所列出之事项、其等同物及其它附加事项。特别是，当描述“一个某元件”时，本发明并不限定该元件的数量为一个，也可以包括多个。

实施例一

请参阅图1-图2，本发明提供一种技术方案：介质隔离型压力传感器封装结构，包括壳体1，壳体1包括顶面11和底部设置为开口的腔体12，腔体12的顶部内壁上开设有第一通孔，且第一通孔的顶部高度和顶面11的高度相同，顶面11的上方设有自带第二通孔的衬板5，且衬板5的底部四周与顶面11之间填充有衬板粘接胶6，衬板5顶部放置有自带第三通孔的印刷电路板4，且印刷电路板4的底部与衬板5的顶部填充有印刷电路板粘接胶7，印刷电路板4包括两个焊接在印刷电路板4顶部的绑线焊盘41，第三通孔的内部放置有压力敏感芯片9，且压力敏感芯片9包括压力敏感膜91、硅基体92、电极94和底部设置为开口的背腔93，硅基体92是位于背腔93两侧的部分，压力敏感膜91（图中显示具有一定的厚度）是能直接与液体填料3接触而感知压力的，被测介质的压力能够依次通过胶体2和液体填料3正常传递至压力敏感膜91，从而进行准确的压力测量。

且背腔93、第二通孔、第一通孔和腔体12处于同一竖直轴线上并依次连通，背腔93、第二通孔、第一通孔和腔体12内均填充有液体填料3，且液体填料3的底部接触有与腔体12侧壁相连接的胶体2，硅基体92的底部四周与衬板5之间填充有芯片粘接胶10，压力敏感膜91位于硅基体92的上方，压力敏感膜91的顶部两侧均焊接有电极94，且每个电极94上电性连接有与绑线焊盘41相焊接的绑定线8，位于印刷电路板4顶部的两个绑线焊盘41对称设置，且两个绑线焊盘41分别位于第三通孔的两侧，位于压力敏感膜91顶部的两个电极94对称设置，且电极94通过绑定线8与对应的绑线焊盘41电性连接，衬板5与顶面11之间设有第一间隙，且第一间隙填充有液体填料3。

通过胶体2、液体填料3和压力敏感芯片9的配合下，当压力传感器9对被测介质进行检测时，被测介质的压力直接作用在腔体12的胶体2上，被测介质的压力由胶体2传递到液体填料3上，然后胶体2推动液体填料3向压力敏感芯片9运动，液体填料3将压力最终作用在压力敏感芯片9的压力敏感膜片91上，在此过程中，压力敏感芯片9和芯片粘接胶10完全与测介质分隔开，不产生接触。通过压力敏感芯片9上的电极94、绑定线8和印刷电路板4上的绑线焊盘41共同构成压力测量模块，压力测量模块对液体填料3所传输的压力进行测量，使得压力传感器可以对具有导电性或者具有腐蚀性的待测介质进行测量，本发明中的压力敏感芯片9与被测介质完全分开，使得压力传感器可以对具有导电性或者具有腐蚀性的待测介质进行测量。

胶体2灌入壳体1后应可以快速固化，形成对液体填料3的密封。固化后的胶体2应具有较低的弹性模量，保证压力能够顺利的传导，包括但不限于硅凝胶等，如日本信跃公司的KER-6020-F。液体填料3具有较低的粘滞阻力，能够流入到压力敏感芯片9的背腔93中，且不会对压力的传递产生影响，包括但不限于润滑油和硅油等。

与传统的充灌硅油不锈钢封装技术通过不锈钢波纹片以及压缩硅油传递压力不同，本发明的压力传感器介质隔离封装结构是通过胶体2压缩液体填料3进行压力传递，从而避免了传统的充灌硅油不锈钢封装技术中复杂的硅油填充和密封焊接等工艺，大大提高了生产效率，降低了制造成本，更适合消费领域的应用。

本发明还提出了介质隔离型压力传感器封装结构的封装方法，包括以下步骤：

S1：在印刷电路板4的底部进行涂覆印刷电路板粘接胶7，将衬板5贴装在印刷电路板4的底部，再让印刷电路板粘接胶7进行固化；

S2：在S1中所述的衬板5的顶部进行涂覆芯片粘接胶10，将压力敏感芯片9贴装在衬板5的顶部，此时压力敏感芯片9位于第三通孔内，再让芯片粘接胶10进行固化；

S3：将S2中所述的压力敏感芯片9中的电极94通过绑定线8与印刷电路板4上的绑线焊盘41进行连接，构成压力测量模块；

S4：在S2中的衬板5的底部进行涂覆衬板粘接胶6，将衬板5贴装在壳体1的顶面11上，再让衬板粘接胶6进行固化；

S5：在S4中所述的壳体1的腔体12中进行填充液体填料3，液体填料3可以对背腔93、第二通孔、第一通孔和腔体12的部分空间进行填充；

S6：在S5中所述的壳体1的腔体12中进行灌注胶体2，再让胶体2进行固化。

实施例二

请参阅图3-图4，本发明提供一种技术方案：介质隔离型压力传感器封装结构，包括壳体1，壳体1包括顶面11和底部设置为开口的腔体12，腔体12的顶部内壁上开设有第一通孔，且第一通孔的顶部高度和顶面11的高度相同，顶面11的上方设有自带第三通孔的印刷电路板4，且印刷电路板4的底部与顶面11之间填充有印刷电路板粘接胶7，印刷电路板4包括两个焊接在印刷电路板4顶部的绑线焊盘41，印刷电路板4的顶部放置有压力敏感芯片9，且压力敏感芯片9包括压力敏感膜91、硅基体92、电极94和底部设置为开口的背腔93，硅基体92是位于背腔93两侧的部分，

且背腔93、第三通孔、第一通孔和腔体12处于同一竖直轴线上并依次连通，背腔93、第三通孔、第一通孔和腔体12内均填充有液体填料3，且液体填料3的底部接触有与腔体12侧壁相连接的胶体2，硅基体92的底部四周与印刷电路板4之间填充有芯片粘接胶10，压力敏感膜91位于硅基体92的上方，压力敏感膜91的顶部两侧均焊接有电极94，且每个电极94上电性连接有与绑线焊盘41相焊接的绑定线8，印刷电路板4与顶面11之间设有第二间隙，且第二间隙填充有液体填料3。

通过胶体2、液体填料3和压力敏感芯片9的配合下，当压力传感器9对被测介质进行检测时，被测介质直接作用在腔体12的胶体2上，被测介质的压力由胶体2传递到液体填料3上，液体填料3将压力最终作用在压力敏感芯片9上，通过压力敏感芯片9上的电极94、绑定线8和印刷电路板4上的绑线焊盘41共同构成压力测量模块，压力测量模块对液体填料3所传输的压力进行测量，使得压力传感器可以对具有导电性或者具有腐蚀性的待测介质进行测量，本发明中的压力敏感芯片9与被测介质完全分开，使得压力传感器可以对具有导电性或者具有腐蚀性的待测介质进行测量。

本发明还提出了介质隔离型压力传感器封装结构的封装方法，包括以下步骤：

S1：在印刷电路板4的顶部进行涂覆芯片粘接胶10，将压力敏感芯片9贴装在印刷电路板4的顶部，再让芯片粘接胶10进行固化；

S2：将S1中所述的压力敏感芯片9中的电极94通过绑定线8与印刷电路板4上的绑线焊盘41进行连接，构成压力测量模块；

S3：然后在S1中所述的印刷电路板4的底部进行涂覆印刷电路板粘接胶7，将印刷电路板4贴装在壳体1的顶面11上，再让印刷电路板粘接胶7进行固化；

S4：在S3中所述的壳体1的腔体12中进行填充液体填料3，液体填料3可以对背腔93、第三通孔、第一通孔和腔体12的部分空间进行填充；

S5：在S4中所述的壳体1的腔体12中进行灌注胶体2，再让胶体2进行固化。

实施例2中，印刷电路板4直接通过印刷电路板粘接胶7固定于壳体1的顶面11上。压力敏感芯片9通过芯片粘接胶10贴装于印刷电路板4上，并通过绑定线8实现电气连接。由压力敏感芯片9、印刷电路板4和壳体1共同形成了一个密封的结构。其它结构与第一实施方案相同。如此设置，可以省掉第一实施方案中的衬板5和衬板粘接胶6，进一步降低了产品的原材料成本及工艺成本。

本发明的生产工艺简单，设备投资低，避免了激光焊接，共晶焊，电阻焊接，丝网印刷等高成本，高难度工艺，提高产品的良品率；对产品结构无特殊要求，与当前产品结构兼容，不需对产品做大幅改动；适合于自动化批量生产；对压力感应芯片产生的应力小；有效保护压力敏感芯片背部的细小孔洞，避免使用过程中污染物将其堵塞，增加产品的适用场合。

本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情况下可以实施成其它形式。所公开的具体实施例应被视为例示性而不是限制性的。因此，本发明的范围是由所附的权利要求，而不是根据之前的这些描述进行确定。在权利要求的字面意义及等同范围内的任何改变都应属于这些权利要求的范围。

Claims (8)

1.介质隔离型压力传感器封装结构，其特征在于，包括壳体，所述壳体包括顶面和底部设置为开口的腔体，所述腔体的顶部内壁上开设有第一通孔，且第一通孔的顶部高度和顶面的高度相同，所述顶面的上方设有自带第二通孔的衬板，且衬板的底部四周与顶面之间填充有衬板粘接胶，所述衬板顶部放置有自带第三通孔的印刷电路板，且印刷电路板的底部与衬板的顶部填充有印刷电路板粘接胶，所述印刷电路板包括两个焊接在印刷电路板顶部的绑线焊盘，所述第三通孔的内部放置有压力敏感芯片，且压力敏感芯片包括压力敏感膜、硅基体、电极和底部设置为开口的背腔，所述硅基体位于背腔两侧，所述压力敏感膜位于硅基体上方，且背腔、第二通孔、第一通孔和腔体处于同一竖直轴线上并依次连通，所述背腔、第二通孔、第一通孔和腔体内均填充有液体填料，且液体填料的底部接触有与腔体侧壁相连接的胶体，所述硅基体的底部四周与衬板之间填充有芯片粘接胶，所述压力敏感膜位于硅基体的顶部，所述压力敏感膜的顶部两侧均焊接有电极，且每个电极上电性连接有与绑线焊盘相焊接的绑定线。

2.根据权利要求1所述的介质隔离型压力传感器封装结构，其特征在于，位于印刷电路板顶部的两个绑线焊盘对称设置，且两个绑线焊盘分别位于第三通孔的两侧。

3.根据权利要求1所述的介质隔离型压力传感器封装结构，其特征在于，位于压力敏感膜顶部的两个电极对称设置，且电极通过绑定线与对应的绑线焊盘电性连接。

4.根据权利要求1所述的介质隔离型压力传感器封装结构，其特征在于，所述衬板与顶面之间设有第一间隙，且第一间隙填充有液体填料。

5.根据权利要求1所述的介质隔离型压力传感器封装结构，其特征在于，所述顶面的上方还可以直接设有自带第三通孔的印刷电路板，且印刷电路板的底部与顶面之间填充有印刷电路板粘接胶,所述印刷电路板的顶部与压力敏感芯片的底部相接触，压力敏感芯片中的背腔与第三通孔、第一通孔和腔体处于同一竖直轴线上，所述压力敏感芯片中的硅基体底部与顶面之间填充有芯片粘接胶。

6.根据权利要求5所述的介质隔离型压力传感器封装结构，其特征在于，所述背腔与第三通孔、第一通孔和腔体均填充有液体填料。

7.根据权利要求5所述的介质隔离型压力传感器封装结构，其特征在于，所述印刷电路板与顶面之间设有第二间隙，且第二间隙填充有液体填料。

8.介质隔离型压力传感器封装结构的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在印刷电路板的底部进行涂覆印刷电路板粘接胶，将衬板贴装在印刷电路板的底部，再让印刷电路板粘接胶进行固化；

S2：在S1中所述的衬板的顶部进行涂覆芯片粘接胶，将压力敏感芯片贴装在衬板的顶部，此时压力敏感芯片位于第三通孔内，再让芯片粘接胶进行固化；

S3：将S2中所述的压力敏感芯片中的电极通过绑定线与印刷电路板上的绑线焊盘进行连接，构成压力测量模块；

S4：在S2中的衬板的底部进行涂覆衬板粘接胶，将衬板贴装在壳体的顶面上，再让衬板粘接胶进行固化；

S5：在S4中所述的壳体的腔体中进行填充液体填料，液体填料可以对背腔、第二通孔、第一通孔和腔体的部分空间进行填充；

S6：在S5中所述的壳体的腔体中进行灌注胶体，再让胶体进行固化。