CN109752604B - 一种电场传感器的封装组件、封装方法及电场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电场传感器的封装组件、封装方法及电场传感器。所述组件包括：基底；封帽组件，其与所述基底连接形成内腔，所述封帽组件包括绝缘层与金属层，其中，所述绝缘层用于将所述内腔与外界隔离，所述金属层覆盖于所述绝缘层外表面，所述金属层包括对称分布的两块金属电极，所述两块金属电极之间具有缝隙；电场传感器，固定于所述内腔中的基底上。通过封帽组件的绝缘层实现对电场传感器的保护，避免了外界环境对芯片工作状态的干扰。通过在封帽组件的金属层设置对称分布的两块金属电极，以及设计两块金属电极之间存在缝隙，该缝隙的存在保证了外界电场在电场传感器上的分布在后续检测中不被消除。

Description

一种电场传感器的封装组件、封装方法及电场传感器

技术领域

本发明涉及一种电场传感器的封装组件、封装方法及电场传感器。

背景技术

电场传感器广泛应用于航空航天、气象、电力、工业生产等诸多方面，对安全保障和科学研究都具有重要的作用。随着微机电系统技术(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)的快速发展，基于MEMS的微型电场传感器具备体积小、成本低、功耗低、可批量制造等优点。MEMS电场传感器可用于静电场和交流电场测量。目前，现有技术中存在可以测量垂直于其芯片上表面的1维电场分量的1维电场传感器，以及可以分别测量直角坐标系中X，Y和Z这3个方向电场分量的敏感单元3维电场传感器。

例如申请号为201711202281.9的专利文献，其公开了一种低轴间耦合的三维电场传感器，包括三组电场敏感单元，所述三组电场敏感单元的测量轴相互垂直，分别用于测量X、Y和Z三个相互垂直方向的电场；其中，电场敏感单元包括：轴对称结构的基底板；以及轴对称差分结构的电场敏感部，该电场敏感部位于所述基底板表面，且其对称轴与所述基底板的对称轴重合。其采用轴对称设计，在差分电路的配合下能够测量垂直于对称轴方向的面内电场分量，并能够消除正交于测量轴方向的电场分量的耦合干扰。

但是，封装技术是影响MEMS电场传感器实用化的关键技术。外界环境的温度、湿度和气压等环境因素均会剧烈地影响到MEMS电场传感器的工作状态，因此，需要封装结构将电场敏感芯片与外界环境隔绝，保证芯片工作环境的稳定，并且保护芯片结构。通常情况下，电场传感器的封装结构一般由基底和封帽组成。基底用于粘贴固定电场传感器芯片，封帽表面需要进行整体金属化用于消除封帽表面会附着水分子或是污垢从而降低其体积电阻率带来的影响，但对于电场传感器中电场敏感单元为对称分布的情况而言，封帽表面整体金属化后，封帽对外界电场的感应使得电场传感器上的电场是对称分布，从而会使得电场芯片的输出为零，导致其无法用于静电场和交流电场等的测量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

对于电场传感器中电场敏感单元为对称分布的情况而言，封帽表面整体金属化后，封帽对外界电场的感应使得电场传感器上的电场是对称分布，从而会使得电场芯片的输出为零，导致其无法用于静电场和交流电场等的测量。

(二)技术方案

本发明一方面提供了一种电场传感器的封装组件，所述组件包括；基底；封帽组件，其与所述基底连接形成内腔，所述封帽组件包括绝缘层与金属层，其中，所述绝缘层用于将所述内腔与外界隔离，所述金属层覆盖于所述绝缘层外表面，所述金属层包括对称分布的两块金属电极，所述两块金属电极之间具有缝隙；电场传感器，固定于所述内腔中的基底上。

可选地，所述两块金属电极不与所述基底接触，所述金属层包括铝合金、不锈钢，所述绝缘层包括聚四氟乙烯。

可选地，所述缝隙的宽度为2～3mm，所述两块金属电极的对称面与所述电场传感器的对称面重合，且垂直于基底；所述缝隙的对称轴位于所述对称面中。

可选地，所述封装组件还包括：位于所述电场传感器与所述基底之间的凸台，所述凸台与所述电场传感器的长和宽相同。

可选地，所述电场传感器的第一表面301与所述基底之间的距离为3mm。

可选地，所述电场传感器通过焊接的方式固定于所述基底上。

可选地，所述绝缘层厚度为1～2mm，所述金属层的厚度为小于1mm。

本发明另一方面提供了一种电场传感器的封装方法，其特征在于，所述方法包括：将凸台固定于基底上，将电场传感器粘贴于凸台上，并对从电场传感器引出的金丝焊接于基底上；将封帽组件中的绝缘层固定于基底上，并使所述电场传感器位于所述内腔中，将封帽组件中的金属层覆盖于绝缘层的外表面，在所述两块金属电极之间设置缝隙。

本发明再一方面还提供了一种一维电场传感器，包括如上文所述的封装组件。

本发明又一方面还提供了一种三维电场传感器，包括如上文所述的封装组件。

(三)有益效果

本发明通过封帽组件的绝缘层实现对电场传感器的保护，避免了外界环境对芯片工作状态的干扰。通过封帽组件的金属层对称分布的两块金属电极，以及两块金属电极之间具有的缝隙，该缝隙的存在保证了外界电场在电场传感器上的分布在后续检测中不被消除，同时实现对电场传感器的封装保护。

附图说明

为了更完整地理解本申请及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了本申请实施例提供的电场传感器的封装组件。

其中，附图标记为：

1、基底；2、封帽组件；3、电场传感器；4、凸台；

101、焊盘；102、外接引脚；201、绝缘层；202、金属层；301、电场传感器的第一表面，302、金丝；

d1、缝隙的宽度；d2、绝缘层厚度；h、电场传感器的第一表面与基底之间的距离；g、电场传感器的第一表面与绝缘层内表面的距离。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

参见图1，图1示例性地示出了本申请实施例提供的一种电场传感器的封装组件，所述组件包括；基底1；封帽组件2，其与所述基底1连接形成内腔，所述封帽组件2包括绝缘层201与金属层202，其中，所述绝缘层201用于将所述内腔与外界隔离，所述金属层202覆盖于所述绝缘层201外表面，所述金属层202包括对称分布的两块金属电极，所述两块金属电极之间具有缝隙；电场传感器3，固定于所述内腔中的基底1上。

本发明通过封帽组件的绝缘层实现对电场传感器的保护，避免了外界环境对芯片工作状态的干扰。由于在实际工作中电场传感器会受到淋雨或是污垢的影响，绝缘层201表面会附着水分子或是污垢从而降低其体积电阻率，导致绝缘层201表面的自由电荷在外电场的作用下会重新分布，产生的镜像电场对电场敏感芯片的测量结果产生影响。因此为了消除这一影响，往往需要对绝缘层201表面进行金属化。因此在绝缘层201的外表面覆盖金属层，并通过封帽组件的金属层对称分布的两块金属电极，以及两块金属电极之间具有的缝隙，该缝隙的存在保证了外界电场在电场传感器上的分布在后续检测中不被消除。其中，由于绝缘层201和基底1连接固定构成了一个密闭的内腔，绝缘层201位于内腔中的一面为内表面，绝缘层201的外表面是指不位于该内腔中的另一面。

具体地，所述两块金属电极不与所述基底1接触，所述金属层202包括铝合金、不锈钢，所述绝缘层201包括聚四氟乙烯。基底1为绝缘材料，例如基底1可为2层印刷电路板。

绝缘层201和基底1连接固定构成了一个密闭的内腔，基底1和绝缘层201须电气隔离，因为若两者均选用导电金属材料且电气连接，则两者会屏蔽外界电场使密闭的腔室内的电场为零。因此绝缘层201应该选用绝缘材料，并且两块金属电极不与所述基底1接触。但本发明对该绝缘材料不作具体限定，其可以为现有技术中的任何一种绝缘材料，例如其可以为聚四氟乙烯，也可以为聚氯乙烯等。

所述缝隙的宽度d1为2～3mm，并且所述缝隙、所述两块金属电极的对称轴与所述电场传感器3的对称轴平行，且均处于垂直于所述基底1的同一平面内。

对于电场传感器中电场敏感单元为对称分布的情况而言，例如申请号为201711202281.9的专利文献，其电场敏感单元包括：轴对称结构的基底板；以及轴对称差分结构的电场敏感部，该电场敏感部位于所述基底板表面，且其对称轴与所述基底板的对称轴重合。这种轴对称结构的电场传感器由于对称轴均与基底板的对称轴重合，因此其封装组件中的两块金属电极的对称面与所述电场传感器3的对称面重合，且垂直于基底；所述缝隙的对称轴位于所述对称面中。换言之，该缝隙的对称轴即位于两块金属电极的对称面或电场传感器3的对称面中。使封装后的电场传感器依旧仅对沿着其测量轴方向的电场分量敏感，封装后敏感芯片(即电场传感器)的灵敏度相对于封装前基本保持不变。

另外，需要说明的是，所述封装组件还包括：位于所述电场传感器3与所述基底1之间的凸台4，所述凸台4与所述电场传感器3的长和宽相同。该凸台4用于放大沿着测量方向的水平电场。将电场传感器3以导电胶带粘贴固定在凸台4上，电场传感器3的第一表面301与所述基底1之间的距离为h，h越大，放大效果越好，但是也会相应地增加芯片压焊的难度，所述电场传感器3的第一表面301与所述基底1之间的距离优选为3mm。电场传感器3的第一表面301与绝缘层201内表面的距离为g，其最小值应该大于压焊后引线隆起的高度。

所述电场传感器3通过焊接的方式固定于所述基底1上。在基底1上设置焊盘101，将从电场传感器3中引出的金丝302进行压焊连接于该焊盘101上。

并且所述绝缘层201厚度d2为1～2mm，所述金属层202的厚度为小于1mm。可以使封装之后电场传感器3的重量更为轻便。

基底1还包括外接引脚102，用于将封装后的电场传感器和后级处理电路的连接，通常为金属插针。

本发明另一个实施例提供了一种电场传感器的封装方法，所述方法包括：将凸台4固定于基底1上，将电场传感器3导电胶带粘贴于凸台4上，并对从电场传感器3引出的金丝302焊接于基底1的焊盘101上；将封帽组件2中的绝缘层201固定于基底1上，并使所述电场传感器3位于所述内腔中，将封帽组件2中的金属层202覆盖于绝缘层201的外表面，在所述两块金属电极之间设置缝隙。

本发明通过封帽组件的绝缘层实现对电场传感器的保护，避免了外界环境对芯片工作状态的干扰。通过封帽组件的金属层对称分布的两块金属电极，以及两块金属电极之间具有的缝隙，该缝隙的存在保证了外界电场在电场传感器上的分布在后续检测中不被消除，同时实现对电场传感器的封装保护

本发明又一个实施例提供了一种一维电场传感器，包括如实施例中所述的封装组件。

本发明再一个实施例提供了一种三维电场传感器，包括如上文实施例中所述的封装组件。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种电场传感器的封装组件，其特征在于，所述组件包括；

基底(1)；

封帽组件(2)，其与所述基底(1)连接形成内腔，所述封帽组件(2)包括绝缘层(201)与金属层(202)，其中，所述绝缘层(201)用于将所述内腔与外界隔离，所述金属层(202)覆盖于所述绝缘层(201)外表面，所述金属层(202)包括对称分布的两块金属电极，所述两块金属电极之间具有缝隙，所述金属层(202)用于消除因所述绝缘层(201)表面附着水分子或污垢导致的体积电阻率降低而带来的影响；

电场传感器(3)，固定于所述内腔中的基底(1)上；

所述缝隙用于保证外界电场在所述电场传感器(3)上的分布在检测中不被消除。

2.根据权利要求1所述的封装组件，其特征在于，所述两块金属电极不与所述基底(1)接触，所述金属层(202)包括铝合金、不锈钢，所述绝缘层(201)包括聚四氟乙烯。

3.根据权利要求1所述的封装组件，其特征在于，所述缝隙的宽度为2～3mm，并且所述两块金属电极的对称面与所述电场传感器(3)的对称面重合，且垂直于所述基底(1)；所述缝隙的对称轴位于所述对称面中。

4.根据权利要求1所述的封装组件，其特征在于，所述封装组件还包括：位于所述电场传感器(3)与所述基底(1)之间的凸台(4)，所述凸台(4)与所述电场传感器(3)的长和宽相同。

5.根据权利要求1所述的封装组件，其特征在于，所述电场传感器(3)的第一表面(301)与所述基底(1)之间的距离为3mm。

6.根据权利要求1所述的封装组件，其特征在于，所述电场传感器(3)通过焊接的方式固定于所述基底(1)上。

7.根据权利要求1所述的封装组件，其特征在于，所述绝缘层(201)厚度为1～2mm，所述金属层(202)的厚度为小于1mm。

8.一种电场传感器的封装方法，其特征在于，所述方法包括：将凸台(4)固定于基底(1)上，将电场传感器(3)粘贴于凸台(4)上，并对从电场传感器(3)引出的金丝(302)焊接于基底(1)上；

将封帽组件(2)中的绝缘层(201)固定于基底(1)上，并使所述电场传感器(3)位于内腔中；

将封帽组件(2)中的金属层(202)覆盖于绝缘层(201)的外表面，在两块金属电极之间设置缝隙；

所述凸台(4)用于放大沿测量方向的水平电场。

9.一种一维电场传感器，包括如权利要求1～7中任一项所述的封装组件。

10.一种三维电场传感器，包括如权利要求1～7中任一项所述的封装组件。

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