CN109516436A - 传感器封装件 - Google Patents

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Abstract

一种传感器组件，包括限定了空腔的壳体和布置在空腔中的压力传感器封装件。压力传感器封装件包括基板、半导体管芯、和至少一个导电元件，该基板具有穿过其限定的孔，该半导体管芯包括附接到基板的传感隔膜，使得隔膜经由孔露出，该至少一个导电元件与布置在基板上的半导体管芯电连通。密封元件，例如弹性体O型环，提供壳体和基板之间的密封。连接件经由卷边连接固定到壳体，用于建立压力传感器封装件和外部系统之间的电连接。

Description

传感器封装件
技术领域
本申请涉及传感器。更具体地，本申请涉及用于例如检测气体和其他流体压力的传感器。
背景技术
压力传感器(或换能器)将流体或气体压力转换为作为所施加压力的函数的电信号。这些传感器通常实施在压力传感器封装件，且包括例如硅管芯(silicon die)这样的压力传感装置。通常用基于微加工或微机电系统(MEMS)的技术制造这种装置。用于制造压力传感器封装件的一种常见技术是经由粘接剂将MEMS装置附接到基板上，例如陶瓷或印刷电路板(PCB)基板。例如专用集成电路(ASIC)以及导电连结垫和/或电迹线这样的使能电路部件(enabling circuit components)可以安装到或形成在基板上，用于电连接到MEMS装置，以执行期望功能(例如模拟-数字转换和/或放大)。
但是，用于形成压力传感装置的硅和/或其他半导体材料具有的热膨胀系数(CTE)与用于形成基板的陶瓷或PCB材料的热膨胀系数显著不同。由于因环境温度变化而施加于传感装置上的应变，这种CTE失配会导致不准确的压力测量。而且，用于将MEMS装置附接到基板的粘接剂会经历故障，尤其是在暴露至恶劣或腐蚀介质时。例如，在将传感器暴露至恶劣或腐蚀介质的应用中(例如在燃料压力传感应用中)，粘接剂会分解并最终失效。同样，在基板通常粘接到压力传感器封装件的壳体时，该连结部在用于恶劣或腐蚀环境时也经历相同的失效风险。
期望用于制造其的替代传感器系统和方法。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供用于测量力的传感器组件。传感器组件包括限定了空腔的壳体和布置在空腔中的压力传感器封装件。压力传感器封装件包括基板和半导体管芯，基板具有穿过其限定的孔，半导体管芯包括附接到基板的传感隔膜，使得隔膜经由孔露出。封装件进一步包括布置在基板上且围绕半导体管芯的管芯壳体。管芯壳体限定穿过其形成的至少一个孔，用于接收与半导体管芯通信的至少一个导电元件。组件还包括密封元件，例如弹性体O型环，提供壳体和基板之间的无粘接剂密封。
在本发明的另一实施例中，提供制造传感器的方法。该方法包括将硅传感装置附接到基板以形成压力传感器封装件的步骤。封装件插入到形成在压力传感器壳体中的空腔表面中且布置在其上。压力传感器壳体随后塑性变形，以便将连接件至少部分地固定在空腔中，以及在压力传感器封装件上产生和施加力，以在压力传感器封装件和压力传感器壳体之间形成无粘接剂密封。
在另一实施例中，传感器组件包括限定了空腔的壳体和布置在空腔中的压力传感器封装件。封装件包括基板和半导体管芯，基板具有穿过其限定的孔，半导体管芯包括附接到基板的传感隔膜，使得隔膜经由孔露出。组件进一步包括密封元件，用于提供壳体和基板之间的密封，且连接件至少部分地布置在空腔中且经由卷边连接与之固定。连接件承装多个导电体，用于建立与压力传感器封装件的电连接。
附图说明
图1是用于描述本发明实施例的压力传感器管芯的截面图。
图2是根据现有技术的压力传感器封装件的截面图。
图3A是根据本发明实施例的包括压力传感器封装件和压力传感器壳体的压力传感器组件的截面图
图3B是用在图3A的压力传感器组件中的压力传感器封装件的截面图。
图4A是根据本发明实施例的完全组装的压力传感器的截面图，其包括图3A的压力传感器组件和安装在其中的相应传感器电连接件。
图4B是图4A的压力传感器组件和电连接件的分解视图。
图4C是图4A的完全组装的压力传感器的透视图。
图5A是根据本发明的另一实施例的压力传感器封装件的截面图。
图5B是图5A的压力传感器封装件的透视图。
图6是根据图5A和5B的实施例的压力传感器封装件阵列的透视图，用于显示示例性制造过程。
图7是用于执行根据本发明实施例的用于制造压力传感器封装件的阳极键合过程的系统的简化视图。
图8是根据本发明实施例的管芯壳体或盖的简化俯视图。
图9是根据本发明实施例的管芯壳体或盖的简化俯视图。
图10A是根据本发明的另一实施例的压力传感器封装件的分解视图。
图10B是图10A的压力传感器封装件的组装视图。
具体实施方式
应理解，本发明的附图和描述已经被简化以显示与清楚理解本发明相关的元件，同时为了清楚消除了典型传感系统(例如基于MEMS的传感器)中常见的许多其他元件。然而，因为这种元件是本领域已知的，且因为它们无助于对本发明的更好理解，所以不在本文提供对这种元件的描述。本文的公开内容涉及本领域技术人员已知的所有这种变化和修改。
在以下的详细描述中，对附图做出参考，附图通过示例显示了可以实施本发明的具体实施例。应理解本发明的各种实施例虽然不同但并不互相排斥。进而，针对一个实施例在本文描述的具体特征、结构或特点可以在其他实施例中实施而不脱离本发明的范围。此外，应理解每一个公开实施例中的各元件的位置或布置方式可以改变，而不脱离本发明的范围。以下的详细描述因此不应被理解为是限制性的，且本发明范围仅通过所附权利要求、适当解读以及权利要求等效例的全部范围限定。在附图中，在几个视图中对相同或相似功能赋予相同附图标记。
图1是用于描述本发明实施例的MEMS类型压力传感管芯或装置100。管芯100例如用半导体材料形成，半导体材料例如是硅晶片，以制造出结构101。半导体结构101随后被选择性地变薄，以限定空腔105和相应压敏隔膜103。半导体结构101可以通过任何合适手段而变薄(例如使用各向异性蚀刻或干蚀刻)，如本领域已知的。一个或多个压阻元件(piezo-resistive element)104仅作为例子被置于或形成在隔膜103的表面上。每一个压阻元件104配置为呈现与变薄的半导体材料(限定了隔膜103)上的应变成比例的电阻。隔膜103响应于空腔105中的压力而挠曲会在压阻元件104上施加应变。
图2是现有技术的MEMS压力传感器封装件200的简化截面图，其利用类似于针对图1如上所述的压力传感管芯。如所示的，压力传感管芯110经由粘接材料204安装到陶瓷或PCB基板202。穿过基板202限定开口或孔205，用于提供要被测量的流体或气体介质206与压力传感管芯110的压敏隔膜203的下侧面之间的连通。如所示的，除了将压力传感管芯110固定到基板202，粘接材料204形成密封，用于将流体或气体介质206与外部环境207隔离，以及与封装件200的电部件和电连接隔离。在其他实施例中，压力传感管芯110可以安装到支撑结构或约束结构(未示出)，其又连结或以其他方式粘接到基板202，用于将管芯110与应变源隔离，应变源例如是基板202的热膨胀。压力传感管芯110和电特征部(例如连结垫、金属化导体或例如一个或多个ASIC这样的电部件)之间的电连接可以经由一个或多个连结线(bond wire)208形成。这些特征部可以安装到基板202，或布置为与之远离。
在工作中，在力或压力施加在压力传感管芯110上时，仅作为例子，通过压阻元件(例如图1的元件(一个或多个)104)供应的电信号与隔膜203的挠曲量成比例地变化。由此，最终输出电信号代表施加到压力传感管芯110的隔膜203的力。输出电信号可提供(例如经由连结线208)到其他系统电路，例如控制或校准电路，用于产生表明从输出电信号感测出来的力或压力的数据。该数据例如可以存储在电子存储器中。输出数据也可以提供到其他处理部件，仅作为例子，例如用于显示、控制、参数传感(例如飞行高度、流量、深度)、校准、诊断目的和/或其他应用。
如上所述，在某些应用中，压力传感器封装件200可以经历恶劣或腐蚀介质，例如燃料或油。用于将压力传感管芯110固定到基板202的粘接材料204会暴露到这些介质，且会随时间腐蚀。这种腐蚀会导致接头或密封部的部分或完全失效，造成流体206泄露到环境207，这会损坏传感器部件和/或以其他方式对其性能造成不利影响。同样，腐蚀性环境会对基板202和例如安装了基板的压力传感器壳体之间形成的粘接接头具有相似的不利影响。通过提供消除这类失效风险的压力传感器封装件，本发明的实施例能解决这些缺陷。
大致参见图3A，提供了根据本发明实施例的简化的压力传感器组件300的截面图。压力传感器组件300包括传感器本体或壳体301，其可以例如用适应传感器组件所使用的环境的金属、聚合物或其他材料构造。壳体301通常限定下壳体部分302和上壳体部分304。在示出的实施例中，下壳体部分302实施端口且为大致圆柱形且可以包括形成在其外表面上的带螺纹部分313，例如用于将压力传感器组件300固定到期望外部特征部(例如穿过流体携带本体(例如管)形成的相应带螺纹孔眼)。下壳体部分302可以经由本体301限定的驱动表面361(例如六边形驱动表面)而螺纹插入到相应开口。
壳体301的上壳体部分304限定凹部或空腔331，其具有让空腔331露出的开口端337。更具体地，空腔331通过壳体301的下表面或空腔底面333以及从其延伸的环形或周向壁334限定。壁334的一部分390可以在空腔331的开口端337的一区域中延伸出或径向向内形成出卷边轮廓。上壳体部分304进一步包括从空腔底面333大致垂直地延伸的台座或突出部308。在示例性实施例中，突出部308包括大致圆柱形轮廓。环形凹部309限定在突出部308和周向壁334限定。突出部308进一步限定形成于其中的通道306，例如环形通道。通道306配置(即大小设置为且定位为)接收密封元件307，例如弹性体(例如橡胶)“O型环”密封。
壳体301进一步限定形成在其底部且大致延伸穿过下壳体部分302的第一孔或开口303。第一开口303大致沿壳体301的中心轴线延伸第一深度。第二孔或开口305形成为大致穿过突出部308且可以取向为与第一开口303轴向对准，使得第一和第二开口303,305彼此流体连通。在示例性实施例中，第一开口303具有的直径大于第二开口305的直径。如所示的，密封元件307围绕第二开口305周向布置。
现在参见图3A和图3B，压力传感器组件300进一步包括压力传感器封装件330。压力传感器封装件330包括压力传感管芯310，例如半导体(例如硅)管芯。如上所述，管芯310可以被选择性地变薄，以形成空腔311和相应隔膜312，该隔膜312具有压阻或压电敏感元件314，仅作为例子，该元件314被布置或形成在管芯310上，用于响应于作用在隔膜上的力检测隔膜应变。压力传感器封装件330进一步包括玻璃基板320，其限定穿过其形成的孔322(例如通过钻孔操作)。玻璃基板320可以包括硼硅酸盐玻璃或可与硅键合(例如可阳极键合)的其他材料。管芯310可以直接布置在玻璃基板320上，使得隔膜312和空腔311与孔322连通。以此方式，隔膜312的下侧面可以经由孔322(和壳体301的开口303,305)暴露到流体或介质，用于检测对其施加的压力。
玻璃基板320可以选择性地在其第一或顶表面321金属化，用于形成导电特征部，以用于建立与管芯310的操作连接。仅作为非限制性例子，该金属化操作可通过筛网印刷、电镀、溅射或蒸发实现。通过进一步的例子，一个或多个导电连结或连接垫332可以形成在玻璃基板320的顶表面321上。连结线也可以设置为用于在管芯310和连结或连接垫332之间形成电连接。在其他实施例中，例如使用“覆晶技术(flip chip)”制造的那些，管芯310和玻璃基板320上的导电特征部之间的电连接可以经由形成在玻璃基板320的顶表面321上和/或管芯310的面向底部的一侧或表面上的焊剂凸块341和/或导电垫实现。其他电部件(有源的和/或无源的)，例如一个或多个ASIC323，也可以布置在玻璃基板320上，用于为封装件提供额外功能。该信号调节电路可以设置为例如用于放大、模拟-数字转换、偏移补偿和/或其他合适信号调节电子器件。可通过表面安装线从基板上存在的电迹线或通孔实现与总体系统的电连接。
根据本发明的实施例，管芯310可以在围绕管芯310的周边延伸的接合部324处阳极键合或静电密封到玻璃基板320。该过程实现管芯310和玻璃基板320之间的强密封部的形成，使得要被测量的流体或介质(包括空腔311在内)与外部环境隔离。应理解，这种无粘接剂的连结不受到流体或介质的任何腐蚀性质的影响且没有粘接剂的限制。而且，由于用于形成管芯310的硅或其他半导体材料的CTE更接近地匹配玻璃基板320的CTE，所以与在传感管芯和其基板材料之间有更显著CTE失配的现有技术传感器相比，压力传感器封装件330提供了改善的性能和可靠性。这些实施例也可以消除了让管芯310与不期望的应变源隔离的进一步规定，例如对玻璃的限制条件。在其他实施例中，管芯310可以经由其他合适技术固定到任何合适材料的基板，例如钎焊、玻璃熔块(glass frit)和共晶操作，而不脱离本发明的范围。
再次参见图3A，压力传感器封装件330进一步包括管芯壳体或盖350。管芯壳体350包括周向壁353，该周向壁353限定空腔空间或孔351。管芯壳体350可以布置在玻璃基板320上且与之附接。例如，管芯壳体350配置(即大小设置为且定位为)使得其大致围绕或至少部分地围绕压力传感管芯310以及ASIC 323。管芯壳体350进一步限定穿过其中形成的孔354。导电体，其在本文实施为弹性线圈弹簧元件352，可以布置在孔354中。管芯壳体350和孔354配置(即大小设置为且定位为)使得孔354的位置例如大致对应于形成在玻璃基板320的顶表面321上的连结或连接垫332(图3B)。以此方式，弹簧元件352可以被用于实现压力传感器封装件330和系统的外部部分之间的电连接。例如，配置为覆盖空腔331的开口端337的电连接件或插头组件(见图4A-4C)可以包括整合的插头组件，用于连接到外部电系统。该插头组件可以包括导电元件，其配置为接合弹簧元件352的自由端，与之形成电连接。插头组件也可以被配置为连接到与外部电系统关联的相应插头。在实施例中，压力传感器封装件330可以例如涂有胶体，用于在被并入到压力传感器组件300中之前增加防湿和防水性。应理解，压力传感器封装件330可以独立于压力传感器组件300(且在其并入其中之前)制造，且由此经受测试。
仍然参见图3A，压力传感器封装件330固定到突出部308的顶表面且与之形成密封。更具体地，在压力传感器组件300组装期间，压力传感器封装件330可以经由其开口端337插入到空腔331。压力传感器封装件可以随后被置于壳体301的突出部308的露出顶表面上，使得孔322布置为与壳体301的第二孔或开口305连通，且由此与第一孔或开口303连通。在一个实施例中，在尺寸和形状上与突出部308的顶表面的压力传感器封装件330对应的区域可以凹入。以此方式，压力传感器封装件330的一部分(例如基板320)可以接收在其中，有助于其在制造期间的准确置放。弹性密封元件307配置为响应于例如置于管芯壳体350或玻璃基板320上的向下力或压力F而在压力传感器封装件330的玻璃基板320和壳体301的突出部308之间形成密封。以此方式，要被测量的流体经由孔303,305,322暴露到管芯310的下侧面，且与空腔311以及构成压力传感器封装件的敏感电部件隔离。这种密封使用机械力实现，而没有使用粘接剂，由此消除与之相关的缺陷，如上所述。而且，因为没有使用粘接剂，所以压力传感器封装件330可更容易地安装到压力传感器组件300并从其拆卸，有助于其组装、修改、更换和/或检查。
图10A和10B显示了根据本发明实施例的用于使得压力传感封装件830与传感器壳体(例如图3A的壳体301)密封的替换布置方式。如所示的，压力传感器封装件830可以包括类似于本发明所述的那些，包括压力传感部件和布置在基板820上的相应电连接835。根据实施例，压力传感器封装件830的基板820可以安装到基部或扩展片840。基部840可以限定从其延伸的管或环形突出部850或可以与之附接。突出部850可以限定大致平坦或大致垂直取向的径向密封表面852以及用于协助安装操作的锥形端部部分854。密封元件860，例如弹性O型环密封件，配置为(即大小设置为)插入到环形突出部850上且与密封表面852密封接合。组装的封装件870，如图10B所示，可以安装到传感器壳体的开口端中，如上相对于图3A所述。具体地，互补的传感器壳体可以设置为具有形成在其中的圆柱形凹部，用于接收组装的封装件870的环形突出部850和密封元件860。凹部大小设置为在密封元件860和其内环形壁之间形成密封接合。
再次参见图3A，用于形成任何上述密封的力F可以通过任何数量的机构产生并施加到压力传感器封装件330。在一个实施例中，电连接件或插头组件(图4A-4C)配置为承载于管芯壳体350上，沿示出方向在其上施加力。在其他实施例中，分离的夹持机构可以用于沿示出方向施加力F。在一个尤其有利实施例中，除了提供与压力传感器封装件330的电连接外，弹簧元件352还可以提供保持玻璃基板320和弹性体密封元件307和/或突出部308之间密封所需的力。在该实施例中，弹簧元件352的所示自由端例如可以抵靠连接件的露出下侧面或电接触部且由此被其挤压，盖子或插头组件安装在空腔331上方且基本将其覆盖，用于产生所述力F。
更具体地，参见图4A、4B和4C，示例性的完全组装的压力传感器500包括压力传感器组件300(类似于针对图3A如上所述的)，其承装填充了胶体的压力传感器封装件440(类似于图3A和3B的压力传感器封装件330)。压力传感器500进一步包括附接到压力传感器组件300的电连接件或插头400，用于建立压力传感器封装件440和外部系统之间的电连接。连接件400包括本体401，例如单体的聚合物本体。本体401限定形成在其第一端403中的第一孔405和形成在与第一端403相反的其第二端402中的第二孔410。如所示的，第二端402配置为插入到壳体301的空腔331的开口端337中。连接件400可以经由卷边或卷边类连接固定到压力传感器组件300。具体地，本体301的一部分390限定径向向内延伸到空腔331的开口端337的一区域中的弧形或弯曲轮廓(即卷边轮廓)。本体301的部分390大小设置为且成形为捕捉连接件400的第二端402的互补弧形弯曲外壁。在一个实施例中，在制造过程期间，在连接件400的第二端402已经插入到空腔331之后，部分390可塑性变形或“卷边”到所示径向向内延伸的轮廓中。在其他实施例中，部分390的弧形或卷边轮廓预形成在本体301中，且连接件400的第一端402经由力的施加而插入到空腔331中，在其插入时该力足够大以让第二端402弹性变形。
一旦安装，则连接件400和压力传感器组件300之间的密封可以经由布置在环形凹部309中的密封元件404(例如弹性O型环类型密封件)实现。具体说，响应于沿示出方向作用的力F，在本体401的锥形端405和壳体301的空腔底面333之间实现无粘接剂密封或机械密封。卷边连接且更具体地部分390的轮廓和尺寸可以操作为产生力F。相同力F还作用在压力传感器封装件440的顶表面上，经由密封元件307形成其基板456和本体301之间的密封，如上针对图3A所述。
在示出的安装状态中，经由导电弹簧元件452(如图4B所示)在多个导电体(例如三个)(在该情况下是嵌入在连接件400中的凸销或接触部408)和传感器封装件440的电部件之间建立电连接。因而，通过将相应凸电连接件或插头插入连接件400的凹部405中以与接触部408的露出端电接触，实现传感器封装件440和外部设备之间的电连接。
图5A和5B更详细地显示了图4A和4B所示的压力传感器封装件440。压力传感器封装件440包括类似于图3A和3B的压力传感器封装件330的特征且包括压力传感管芯450，例如半导体(例如硅)管芯。如上所述，管芯450可以包括压阻或压电敏感元件，仅作为例子，其布置或形成在其上，用于响应于力或压力检测隔膜应变。压力传感器封装件440进一步包括基板456，例如玻璃基板，限定穿过其形成(例如通过钻孔操作)的孔或压力端口458。基板456可以包括硼硅酸盐玻璃或可与硅键合(例如可阳极键合)的其他材料。管芯450可以直接布置在基板456上且与孔458连通。以此方式，管芯450的传感隔膜可以经由孔458暴露到流体或介质，用于检测对其施加的压力。在其他实施例中，管芯450可以经由其他技术(例如钎焊、玻璃熔块和共晶操作)固定到具有任何合适材料的基板。
进一步例如，一个或多个导电连结或连接垫432可以形成在管芯450的表面上。连结线433也可以设置为用于形成管芯450和例如布置在基板456上的ASIC 423之间的电连接，用于为封装件提供额外功能。该信号调节电路可以设置为例如用于放大、模拟-数字转换、偏移补偿和/或其他合适信号调节电子器件。可通过表面安装线从基板上存在的电迹线或通孔实现与总体系统的电连接。根据本发明的实施例，管芯450可以在围绕管芯450的周边延伸的接合部处阳极键合或静电密封到玻璃基板456。该过程实现强密封部的显示，让被测量的流体或介质与外部环境隔离。应理解，这种无粘接剂的连结不受到流体或介质的任何腐蚀性质的影响且没有粘接剂的限制。
压力传感器封装件440进一步包括管芯壳体451。管芯壳体451包括周向壁453，该周向壁限定空腔空间或孔460。管芯壳体451可以布置在玻璃基板456上且与之附接。例如，管芯壳体451配置为(即大小设置为且定位为)使得其大致围绕或至少部分地围绕压力传感管芯450以及ASIC 423。管芯壳体451进一步限定穿过其中形成的孔454。在组装状态下，导电体，其在本文实施为弹性线圈弹簧元件452(见图4B)，可以布置在孔454中。弹簧元件可以例如实施为线圈弹簧、叶簧、板簧或“S”形状弹簧(见图10A和10B)。管芯壳体451和孔454配置为(即大小设置为且定位为)，使得孔454的位置例如大致对应于形成在玻璃基板456的顶表面上的电连结或连接垫。如上所述，弹簧元件452可以用于实现压力传感器封装件440和系统的外部部分之间的电连接，以及在基板456上产生力，用于与传感器壳体(例如壳体301，图4A)形成密封。大致参见图8和9，显示了用于在管芯壳体451中形成的孔454的替换位置。孔454可以相对于中心C(图8和9)以径向对称方式布置以及相对于管芯壳体451(图9)对称布置，用于使得通过插入其中的弹簧元件形成的任何力的分配平衡，且由此改善基板和传感器壳体之间的密封一致性。仅作为例子，中心C例如可以对应于密封元件307的径向中心(图4A)或基板456的中心。在实施例中，压力传感器封装件440和具体地孔460可以经涂层或填充有例如胶体461，用于在并入到组装的压力传感器中之前增加防湿性和防水性。应理解，压力传感器封装件440可以独立于组装的压力传感器(且在其并入其中之前)制造，且由此经受测试。
根据本发明实施例的制造压力传感器封装件440的方法包括使用批量制造技术(bulk manufacturing techniques)且大致针对图6示出。在一个实施例中，多个压力传感器封装件440或其阵列600可以形成在单个玻璃基板60上。玻璃基板60可以被预钻孔，以穿过其中形成孔或端口458(图5A)。相应压力传感装置(例如管芯450)可以布置或放置在每一个孔上方，让每一个管芯的传感表面暴露到相应孔。一旦就位，则可以执行阳极键合操作以将管芯固定到基板60。一旦连结，则可以添加电部件且建立电连接，如上针对图3B、4B和4B所述。多个预形成的管芯壳体451可以大致布置在相应管芯和电部件上方，且经由任何合适手段附接到基板60。胶体461可以用于填充孔460，将封装件440的敏感部件密封在其中。各个最终形成的压力传感器封装件440可以例如通过蚀刻或其他切割过程而从邻近封装件分离。这种切割分离可以发生在其他组装操作完成之前或之后，其他组装操作例如是附接ASIC和/或线连结、封装和/或测试和校准。
图7示出了了用于执行阳极键合过程的简化系统，其可以用于根据本发明实施例这种上述压力传感或传感器封装件。如所示的，用于在玻璃基板和硅元件730(例如MEMS传感管芯)之间形成阳极键合的系统700包括电压源705，其配置为例如生产大约例如300-2000伏特(V)的电压。电压源705包括第一(阴极)电极710和第二(阳极)电极712。第一电极710布置在玻璃基板720的与硅元件730相反的一侧或以其他方式与之接触。第二电极712布置在硅元件730的与玻璃基板720相反的一侧或以其他方式与之接触。跨经玻璃基板720和硅元件720施加电压将开始阳极键合过程，其中钠离子(Na+)朝向第一电极710的背面扩散到键合界面725以外。氧离子(O-)朝向玻璃基板720和硅元件730之间的键合界面离子漂移，与之反应并形成二氧化硅，由此形成强连结，而没有使用常规粘接剂。在一些实施例中，优选可以在高温下执行键合过程，例如在250-450℃的范围，以便增强进入玻璃基板720的离子可动性。系统700可以进一步包括加热元件750，其配置为提高要被连结的封装件的温度到期望水平。在一些实施例中，加热元件750也可以用作第二或阳极电极712。
尽管已经例如利用用于检测压力传感隔膜应变的压阻元件描述了本发明实施例，但是应理解可以实施任何合适类型的传感技术，而不脱离本发明的范围。例如，本文公开的传感器可以执行电容、电磁、压电、光或热传感技术，如本领域技术人员所应理解的。而且，尽管已经针对压力传感器大致描述了实施例，但是应理解可以根据本发明实施例制造其他传感器类型。例如，可以使用本文所述的玻璃基板安装和阳极键合技术制造MEMS或其他基于硅的装置(例如用于测量其他力、流率、密度、速度、位置、位移等的那些)，而不脱离本发明的范围。
尽管已经参考上述实施例描述了前述发明，但是可做出各种修改和改变，而不脱离本发明的精神。因而，所有这种修改和改变被认为落入所附权利要求的范围内。因而，说明书和附图应被认为是示例性的而不是限制性的。附图形成说明书的一部分，通过示例而不是限制，显示了可以实施本发明主题的具体实施例。以足够细节描述了示出的实施例，使得本领域技术人员能实践本文公开的教导。可以利用且由此获得其他实施例，使得可以做出结构上的和逻辑上的替换和改变，而不脱离本发明的范围。该详细说明因此不应被认为是限制性的，且各种实施例的范围仅通过所附权利要求及这种权利要求的等效形式的全部范围限定。
仅仅为了方便，本发明主题的这种实施例可以在本文被单独或共同称为“发明”，且并不是要将本申请的范围限制为任何单个发明或发明原理(如果多于一个被时机公开的话)。由此，虽然已经在本文示出并描述了具体实施例，但是应理解实现相同目的的任何布置方式可以替代所示的具体实施例。本发明的目的是覆盖各种实施例的任何和所有变化。上述实施例和其他实施例的组合未在本文具体描述，但是本领域技术人员可以鉴于上述描述对其做出理解。

Claims (20)

1.一种传感器组件，包括：
壳体，限定了空腔；
压力传感器封装件，布置在空腔中且包括：
基板，具有穿过其中限定的孔；
半导体管芯，包括附接到基板的传感隔膜，使得隔膜经由孔露出；
管芯壳体，布置在基板上且围绕半导体管芯，管芯壳体限定穿过其中形成的孔；和
至少一个导电元件，布置在孔中且与半导体管芯电连通；和
密封元件，用于提供壳体和基板之间的密封。
2.如权利要求1所述的传感器组件，其中密封元件配置为响应于置于基板上的力在壳体和基板之间产生密封。
3.如权利要求1所述的传感器组件，其中壳体包括穿过其中限定的孔，在压力传感器封装件布置在壳体的空腔中时壳体的孔与基板的孔连通。
4.如权利要求3所述的传感器组件，其中密封元件相对于壳体的孔和基板的孔中的至少一个周向地布置，使得所述孔经由密封元件与空腔隔离。
5.如权利要求1所述的传感器组件，进一步包括布置在基板上的专用集成电路(ASIC)。
6.如权利要求1所述的传感器组件，其中基板包括玻璃基板，且其中半导体管芯阳极键合到玻璃基板。
7.如权利要求1所述的传感器组件，其中至少一个导电元件包括穿过管芯壳体的孔布置的弹簧元件。
8.如权利要求7所述的传感器组件，其中管芯壳体包括穿过其中形成的多个孔，且其中压力传感器封装件进一步包括穿过管芯壳体的多个孔中的每一个布置的弹簧元件。
9.如权利要求8所述的传感器组件，其中弹簧元件配置为在压力传感器封装件的导电特征部和外部电系统之间建立电连接。
10.如权利要求9所述的传感器组件，其中导电特征部中的至少一个包括形成在基板的表面上的导电垫。
11.如权利要求9所述的传感器组件，其中密封元件配置为响应于通过弹簧元件产生的置于基板上的力而在壳体和基板之间产生密封。
12.如权利要求9所述的传感器组件，进一步包括连接件，其布置在空腔中，该连接件承装与弹簧元件导电接触的多个导电体。
13.如权利要求12所述的传感器组件，进一步包括第二密封元件，用于在连接件和壳体之间建立无粘接剂密封。
14.一种制造传感器的方法，包括的步骤是：
将硅传感装置附接到基板，以形成压力传感器封装件；
将压力传感器封装件插入压力传感器壳体的空腔中；
将压力传感器封装件布置在空腔中的压力传感器壳体的表面上；
将连接件至少部分地插入到空腔中，用于建立压力传感器封装件和外部系统之间的电连通；和
让压力传感器壳体塑性变形，用于将连接件至少部分地固定在空腔中且用于在压力传感器封装件上产生和施加力，以在压力传感器封装件和压力传感器壳体之间形成密封。
15.如权利要求14所述的方法，其中将压力传感器封装件布置在空腔中的压力传感器壳体的表面上的步骤进一步包括，将穿过压力传感器封装件的基板形成的孔与形成在壳体中的孔对准的步骤。
16.如权利要求14所述的方法，其中用于在压力传感器封装件和压力传感器壳体之间形成密封的力经由弹簧元件产生，其中弹簧元件建立连接件和压力传感器封装件之间的电连通。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括在基板上形成导电垫的步骤，其中经由弹簧元件和导电垫之间的电接触建立与压力传感器封装件的电连接。
18.一种传感器组件，包括：
壳体，限定了空腔；
压力传感器封装件，布置在空腔中且包括：
基板，具有穿过其中限定的孔；且
半导体管芯，包括附接到基板的传感隔膜，使得隔膜经由孔露出；
密封元件，用于提供壳体和基板之间的密封；和
连接件，至少部分地布置在空腔中且经由卷边连接与之固定，连接件承装多个导电体，用于建立与压力传感器封装件的电连接。
19.如权利要求18所述的传感器组件，其中卷边连接通过壳体侧壁的相对于空腔的中心径向向内延伸的部分限定。
20.如权利要求18所述的传感器组件，进一步包括：
管芯壳体，围绕压力传感器封装件；和
多个弹簧元件，穿过形成在管芯壳体中的孔布置，
其中弹簧元件配置为经由连接件的多个导电体在压力传感器封装件的导电特征部和外部电系统之间建立电连接。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112284574A (zh) * 2020-09-30 2021-01-29 深圳信息职业技术学院 一种可一次封装成型的压力传感器封装结构
CN113108831A (zh) * 2021-01-29 2021-07-13 杭州三花研究院有限公司 传感器

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10739221B2 (en) * 2018-06-15 2020-08-11 Apple Inc. Water detecting pressure sensors
CN209326840U (zh) * 2018-12-27 2019-08-30 热敏碟公司 压力传感器及压力变送器
CN112014000B (zh) * 2019-05-28 2023-09-01 武汉杰开科技有限公司 多器件封装结构及其制作方法
CN110132462B (zh) * 2019-06-20 2024-01-26 江西新力传感科技有限公司 压力传感器封装结构及其封装方法
CN110241804B (zh) * 2019-07-18 2024-07-12 中国地震局工程力学研究所 一种压力敏感元件、封装方法及孔隙水压计
EP3796373B1 (de) * 2019-09-20 2023-06-28 BIOTRONIK SE & Co. KG Platinenanordnung eines implantierbaren medizinischen geräts
US11391640B2 (en) * 2019-12-24 2022-07-19 Wen-San Chou Connection assembly for body and casing of a pressure gauge
DE102021102046A1 (de) * 2021-01-29 2022-08-04 Infineon Technologies Ag Medienbeständiger drucksensor für grosse druckbereiche

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090314096A1 (en) * 2008-06-19 2009-12-24 Eltek S.P.A. Pressure sensor device
CN202676331U (zh) * 2012-06-27 2013-01-16 上海文襄汽车传感器有限公司 基于硅玻键合的下锁紧压力传感器
CN103308218A (zh) * 2012-03-09 2013-09-18 三美电机株式会社 半导体传感器装置及使用半导体传感器装置的电子装置
CN105236343A (zh) * 2015-09-07 2016-01-13 苏州敏芯微电子技术有限公司 介质隔离式压力传感器封装结构
US9506830B2 (en) * 2013-03-13 2016-11-29 Fujikoki Corporation Pressure sensor

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11230845A (ja) * 1998-02-17 1999-08-27 Mitsubishi Electric Corp 半導体圧力検出装置
US9593995B2 (en) * 2014-02-28 2017-03-14 Measurement Specialties, Inc. Package for a differential pressure sensing die
US10144636B2 (en) * 2016-09-26 2018-12-04 MEAS Switzerland S.a.r.l. Method of manufacturing a sensor

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090314096A1 (en) * 2008-06-19 2009-12-24 Eltek S.P.A. Pressure sensor device
US7900520B2 (en) * 2008-06-19 2011-03-08 Eltek S.P.A. Pressure sensor device
CN103308218A (zh) * 2012-03-09 2013-09-18 三美电机株式会社 半导体传感器装置及使用半导体传感器装置的电子装置
CN202676331U (zh) * 2012-06-27 2013-01-16 上海文襄汽车传感器有限公司 基于硅玻键合的下锁紧压力传感器
US9506830B2 (en) * 2013-03-13 2016-11-29 Fujikoki Corporation Pressure sensor
CN105236343A (zh) * 2015-09-07 2016-01-13 苏州敏芯微电子技术有限公司 介质隔离式压力传感器封装结构

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112284574A (zh) * 2020-09-30 2021-01-29 深圳信息职业技术学院 一种可一次封装成型的压力传感器封装结构
CN112284574B (zh) * 2020-09-30 2022-01-14 深圳信息职业技术学院 一种可一次封装成型的压力传感器封装结构
CN113108831A (zh) * 2021-01-29 2021-07-13 杭州三花研究院有限公司 传感器

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DE102018215811A1 (de) 2019-03-21

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