CN110082027A - 差压传感器封装结构及电子设备 - Google Patents

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唐行明
梅嘉欣
邵成龙
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Abstract

一种差压传感器封装结构及电子设备，所述差压传感器封装结构包括：基板与外壳，所述外壳边缘固定于所述基板的正面，与所述基板之间形成第一腔体；压力传感元件，固定于所述基板正面且位于所述第一腔体内，所述压力传感元件具有第二腔体以及压力感应层，所述压力感应层位于所述第一腔体与所述第二腔体之间；所述第一腔体通过第一通孔与外部连通，所述第二腔体通过第二通孔与外部连通。所述差压传感器尺寸较小且功耗较低，可靠性高。

Description

差压传感器封装结构及电子设备
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种差压传感器封装结构及一种电子设备。
背景技术
目前的在需要检测气压差的电子设备中，现有技术通常在电子设备的PCB电路板上放置两个气压传感器，通过对两个气压传感器的压力差值处理后判断压力差是否达到阈值，以实现对气压差的检测。
采用两个气压传感器会导致电子设备的成本提高；且两个气压传感器占用了较大空间影响产品的短小化设计；再者两个气压传感器相互依赖性强，损坏其中任意一颗都会导致整个产品失效，使得电子设备的失效风险较大。
因此，需要一种检测准确且可靠性高的差压传感器来实现气压差的检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种差压传感器封装结构及电子设备，提高差压传感器的检测准确性以及电子设备的可靠性。
为了解决上述问题，本发明提供了一种差压传感器封装结构，包括：基板与外壳，所述外壳边缘固定于所述基板的正面，与所述基板之间形成第一腔体；压力传感元件，固定于所述基板正面且位于所述第一腔体内，所述压力传感元件具有第二腔体以及压力感应层，所述压力感应层位于所述第一腔体与所述第二腔体之间；所述第一腔体通过第一通孔与外部连通，所述第二腔体通过第二通孔与外部连通。
可选的，所述第一通孔贯穿所述外壳；所述第二通孔贯穿所述基板。
可选的，所述第一通孔和第二通孔均贯穿所述基板。
可选的，所述第一通孔与所述第二通孔位于所述差压传感器封装结构相对的两侧或同一侧。
可选的，还包括专用集成电路芯片，固定于所述位于所述第一腔体内的基板的正面；所述专用集成电路芯片连接至所述压力传感元件的检测信号输出端，用于根据所述压力传感元件输出的检测信号计算压差值。
可选的，所述专用集成电路芯片表面覆盖有保护层。
可选的，所述专用集成电路芯片被配置为在计算得到的压差值达到阈值时输出反馈信号。
可选的，所述基板背面形成有密封区域，且所述密封区域为封闭图形，所述第二通孔在所述密封区域所在平面的投影位于所述封闭图形内。
可选的，所述密封区域凸出于所述基板背面或者与所述基板背面齐平。
可选的，所述密封区域包括导电环或绝缘环。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案还提供一种具有差压传感器封装结构的电子设备，包括：上述任一项所述的差压传感器封装结构；第一电路板，所述第一电路板具有第三通孔，且所述第三通孔与所述第二通孔之间密封连通。
可选的，当所述差压传感器封装结构的基板背面形成有密封区域时，所述密封区域位于所述基板与所述第一电路板之间，与所述第一电路板之间通过焊接或粘接方式固定，使得所述第三通孔与所述第二通孔之间密封连通。
可选的，还包括防水透气膜，覆盖所述第一通孔和/或第三通孔。
可选的，还包括：第二电路板，所述基板与所述第一电路板垂直固定于所述第二电路板上，且所述第一电路板与所述第二电路板之间电连接。
可选的，当所述差压传感器封装结构具有所述专用集成电路芯片时，所述专用集成电路芯片通过位于所述基板内的电连接结构，连接至所述第一电路板。
可选的，还包括：处理器，连接至所述专用集成电路芯片的信号输出端，用于获取所述专用集成电路芯片输出的反馈信号。
可选的，所述专用集成电路芯片被配置为当所述压力传感元件检测到的压差值到达阈值时，向所述处理器发送反馈信号。
可选的，当所述压差值未到达阈值时，所述处理器待机。
本发明的差压传感器封装结构，仅具有一个压力传感元件，所述压力传感元件的压力传感层位于第一腔体和第二腔体之间，所述第一腔体和第二腔体分别具有进通孔，因此，能够通过单个压力传感元件检测第一腔体和第二腔体之间的压力差。由于仅有一个压力传感元件，封装结构简单，尺寸较小，成本较低。
进一步的，所述差压传感器封装结构还包括一专用集成电路芯片，用于根据所述压力传感元件的检测信号计算压差值。由于所述专用集成电路芯片的功耗较低，与采用设备处理器计算压差值相比，能够降低功耗。
本发明的电子设备的第一电路板与差压传感器的基板固定，第一电路板上的通孔与基板通孔密封连通，避免进入的气体在第一电路板与基板之间泄漏，从而可以提高检测的准确性。
进一步，所述电子设备还包括处理器，与差压传感器的专用集成电路芯片连接，所述专用集成电路芯片在压差值达到阈值时，向处理器发送反馈信息。因此，处理器不用实时启动，可以降低电子设备的功耗，延长待机时间。
附图说明
图1为本发明的第一实施例的电子设备的结构示意图；
图2为本发明的第一实施例的电子设备的压力传感元件；
图3为本发明的第一实施例的差压传感器封装结构的基板的背面示意图；
图4为本发明的第二实施例的电子设备的结构示意图；
图5为本发明的第三实施例的电子设备的结构示意图；
图6为本发明的第四实施例的电子设备的结构示意图；
图7为本发明的第五实施例的电子设备的结构示意图；
图8为本发明的第六实施例的电子设备的结构示意图。
实施例
下面结合附图对本发明提供的差压传感器封装结构及电子设备的实施例做详细说明。
第一实施例
请参考图1，为本发明一具体实施例的电子设备的剖面结构示意图。
所述电子设备包括一差压传感器封装结构，所述差压传感器封装结构，包括：基板11与外壳1，所述外壳1边缘固定于所述基板11的正面，与所述基板11之间形成第一腔体6。
所述基板11的材质可以采用RF-4、BT或陶瓷基材等常用的基板材料。所述基板11上可以形成有焊点或电连接结构，用于提供电连接点。所述基板11可以为单层或多层电路板，所述基板11表面可以形成有电路结构，或电接触部，例如焊垫等；所述基板11内部还可以形成有电连接结构，用于连接所述基板11正面和背面的电接触部。
所述外壳1作为差压传感器的封装外壳，用于保护内部的电子元件，同时与所述基板11之间形成第一腔体6。所述外壳1可以为金属材质，耐高温且生产工艺简单，可以大规模量产，并且金属材质的外壳1还具有抗腐蚀、电磁屏蔽作用以及高机械性能等特性，对产品起到较高的保护作用。在其他的实施例中，所述外壳1也可以采用塑料等其他硬质材料，在此不作限定。
所述外壳1边缘通过焊接或粘胶等方式，固定于所述基板11正面，使得所述外壳1与基板11之间形成第一腔体6。该具体实施方式中，所述外壳1具有贯穿所述外壳1的壳体的第一通孔4，使得所述第一腔体6与外壳1外部连通。所述外壳1的壳体上具有至少一个第一通孔4。该实施例中，所述外壳1仅具有1个第一通孔4，在其他实施例中，所述外壳1还可以具有两个以上的第一通孔。所述外壳1边缘与所述基板11之间密封连接，使得所述第一腔体6与外部仅能够通过所述第一通孔4连通，第一腔体6内的气体不会在其他位置处产生泄漏。
所述差压传感器封装结构还包括压力传感元件2，固定于所述基板11表面且位于所述第一腔体6内。所述压力传感元件2为MEMS器件，具有第二腔体10以及压力感应层，所述压力感应层位于所述第一腔体6与所述第二腔体10之间。
请参考图2，为该实施例中，所述电子设备的压力传感元件2的结构示意图。
所述压力传感元件2包括所述压力感应层201以及用于支撑所述压力感应层201边缘的支撑结构202，所述第二腔体10位于所述压力感应层201和所述支撑结构202之间。所述压力传感元件2的压力感应层201可以包括压敏薄膜，所述压敏薄膜可以为形成有若干压敏电阻203的半导体膜层，所述若干压敏电阻203构成惠斯通电桥结构。所述压力感应层201受到压力作用下发生形变，所述压敏电阻203的电阻发生变化，使得惠斯通电桥的输出信号发生变化。
图1和图2中，压力传感元件2仅作为示意，并不代表压力传感元件2的实际结构。在其他实施例中，所述压力传感元件2还可以为其他类型的具有空腔的压力传感元件，例如通过电容变化检测压力。
所述基板11具有第二通孔9，所述第二通孔9连通至所述第二腔体10，所述第二腔体通过所述第二通孔9外部连通。该实施例中，所述基板11上仅有一个第二通孔9与所述第二腔体10连通；在其他实施例中，所述基板11还可以具有两个以上第二通孔与所述的第二腔体10连通。
该实施例中，所述第一通孔4与所述第二通孔9位于所述差压传感器封装结构相对的两侧。在其他实施例中，也可以根据实际检测需求，合理设置所述第一通孔4、第二通孔9以及压力传感元件2的位置。
该实施例中，所述第一通孔4表面覆盖有防水透气膜3，可以阻止腐蚀性物质进入所述第一腔体6内。在其他实施例中，也可以不设置所述防水透气膜。所述防水透气膜3可以采用疏水性材质，具体可以为PP纺粘无纺布、PE高分子透气膜以及PP纺粘无纺布中的至少一种。该实施例中，所述防水透气膜3覆盖于所述外壳1的外表面，在其他实施例中，所述防水透气膜3’也可以覆盖于所述外壳1的内表面。
该实施例中，所述差压传感器封装结构还包括位于所述第一腔体6内的专用集成电路芯片5，固定于所述位于所述第一腔体6内的基板11的表面；所述专用集成电路芯片5连接至所述压力传感元件2的检测信号输出端，用于根据所述压力传感元件2输出的检测信号计算压差值。
由于所述压力传感元件2的压力感应层位于所述第一腔体6和第二腔体10之间，因此，所述第一腔体6和第二腔体10内的气体压强同时作用于所述压力传感元件2的压力感应层上，使得所述压力感应层最终受到的压强为所述第一腔体6和第二腔体10内的压强差，从而使得所述压力传感元件2输出的检测信号对应于所述第一腔体6和第二腔体10内的压强差，再通过所述专用集成电路芯片5对所述压力传感元件2输出的检测信号进行计算，获得对应的压差值。通过一个所述压力传感元件2即可以检测获得两个通孔位置处的压差值，无需在不同通孔位置处设置多个压力传感器，可以减小压差且使得所述压产传感器的尺寸变小，节约成本。所述集成电路芯片5的可靠性较高，计算过程功耗较低，可以节约大量功耗，延长产品的待机时间。
所述专用集成电路芯片5通过金线键合或其他键合工艺，与所述压力传感元件5的信号输出端连接，从而根据所述压力传感元件2输出的检测信号计算压差值。
为了保护所述专用集成电路芯片5及其与所述压力传感元件5之间的连接线，本实施例中，所述专用集成电路芯片5上还覆盖有保护层15。
所述专用集成电路芯片5被配置为在压差值达到阈值时输出反馈信号，从而避免无效信号的输出，节约功耗。
请参考图3，为上述差压传感器封装结构的基板11的背面示意图。
所述差压传感器封装结构还包括位于所述基板11背面的密封区域7以及焊垫14。所述密封区域7的形状为封闭图形，具体的，可以为封闭的环状。所述第二通孔9在所述密封区域7所在平面的投影位于所述封闭图形内。该实施例中，所述密封区域7为圆形。在其他实施例中，所述密封区域7还可以为矩形、多边形或者各种不规则图形等封闭图形。
所述密封区域7用于在所述基板11连接至其他电路板时，与所述电路板固定连接。
该实施例中，所述密封区域7包括一导电环，在使得第二通孔9与第三通孔8之间连接同时，所述导电环能够形成所述基板11与第一电路板12之间的电连接，还可以在产品性能中作为地(GND)端。
所述密封区域7还可以包括绝缘环，例如环氧树脂、橡胶等，能够起到较好的密封效果。
为了提高所述密封区域7连接到其他电路板时的密封效果，所述密封区域7凸出于所述基板11的背面。为了确保所述密封区域7凸出于所述基板11的背面，可以对密封区域7边缘的基板11，至少包括位于密封区域7内侧的基板11的阻焊区域13进行抛光、刻蚀或研磨等处理去除所述阻焊区域13表面的阻焊材料，使得所述阻焊区域13表面明显低于所述密封区域7。所述阻焊材料可以为所述基板11表面的玻璃丝或塑料等。
请继续参考图1，所示的电子设备还包括第一电路板12，所述差压传感器封装结构固定于所述第一电路板12上。具体的，所述差压传感器封装结构通过所述基板11固定于第一电路板12上。所述第一电路板12上形成有电路，与所述基板11之间形成电连接。所述专用集成电路芯片5通过位于所述基板11内的电连接结构，以及焊垫14电连接至所述第一电路板12。所述第一电路板12上形成有功能电路，所述专用集成电路芯片5输出的信号作为所述第一电路板12上功能电路的输入信号。所述第一电路板12上的功能电路能够对所述专用集成电路芯片5输出的信号进行处理。在其他实施例中，所述第一电路板12上还可以贴装有其他电子元件。
所述第一电路板12具有第三通孔8，且所述第三通孔8与所述第二通孔9之间密封连通，所述第二腔体10通过所述第二通孔9以及第三通孔8与外部连通。所述第三通孔8与所述第二通孔9之间密封连通，使得外部气体通过第三通孔8、第二通孔9进入所述第二腔体10时，不会从第一电路板12与基板11之间泄露，从而可以提高压差检测的准确性。
该实施例中，所述基板11背面通过密封区域7、焊垫14固定于所述第一电路板12上。所述第二通孔9和第三通孔8在所述密封区域7所在平面的投影均位于所述封闭图形内，所述密封区域7位于所述基板11和第一电路板12之间，以使所述第三通孔8与所述第二通孔9之间连通。
所述焊垫14的数量以及形状不受图3限制，可以根据具体电路结构合理设置。
该实施例中，所述密封区域7为圆形焊环，通过焊接工艺将所述密封区域7以及焊垫14与所述第一电路板12上的电路形成电连接，以传输信号。
为了避免液体或气体从第三通孔8进入第二通孔9时，在第一电路板12和基板11之间发生泄漏，所述第三通孔8与所述第二通孔9密封连通。阻焊区域13明显低于所述密封区域7，从而所述密封区域7容易通过密封材料将基板11和第一电路板12紧密的连接在一起，保证产品的气密性。在其他具体实施方式中，所述密封区域7也可以通过胶体粘结的方式与所述第一电路板12连接，此时，所述密封区域7与所述第一电路板12之间具有粘胶层等密封材料(图中未示出)，使得所述密封区域7与所述第一电路12之间密封连接。
除了所述密封区域7与所述第一电路板12之间通过焊料、粘胶等材料与所述第一电路板12之间形成密封连接以外，在其他实施例中，还可以在所述密封区域7与第一电路板12的连接位置边缘进一步填充焊料、粘胶等密封材料，以提高所述密封区域7与所述第一电路板12之间的密封性。
在其他实施例中，所述密封区域7也可以位于所述基板11表面内，至少局部低于所述基板11的背面或与所述基板11的背面齐平，通过在密封区域7与第一电路板12之间和/或边缘填充密封材料来实现密封区域7与电路板之间的密封连接。
第二实施例
请参考图4，为本发明另一实施例的电子设备的结构示意图。
该具体实施方式中，所述第一电路板12的第三通孔8上覆盖有防水透气膜3’。所述防水透气膜3’覆盖于所述第一电路板12的背向所述差压传感器的外侧表面，在其他实施例中，还可以覆盖于所述第一电路板12的内侧表面。
通常，可以在施加气流一侧的通孔表面覆盖防水透气膜。在其他实施中，可以在所述差压传感器相对两侧的第一通孔4和第三通孔8表面均覆盖防水透气膜。
上述实施例中，所述差压传感器封装结构可以水平放置，检测所述差压传感器上方和下方之间的气压差变化。
第三实施例
请参考图5，为本发明另一实施例的电子设备的结构示意图。
该实施例中，所述电子设备检测位于所述差压传感器封装结构水平方向上两侧使得气压差变化。
具体的，该实施例中，还包括第二电路板16，所述基板11、第一电路板12垂直固定于所述第二电路板16，使得所述第一通孔4和第三通孔8分别朝向水平面内的相对两侧。
所述第一电路板12与所述第二电路板16之间可以通过导线实现电连接。
将覆盖有防水透气膜3的第一通孔4朝向气流方向，气流从第一通孔4进入，其中一部分穿过所述防水透气膜3进入所述第一腔体6内，另一部分气流沿所述差压传感器改变方向，绕过所述差压传感器流向所述差压传感器的背面，此时，第一通孔4和第三通孔8进入的气体压强发生变化，所述压力传感元件将压力变化信号输出至所述专用集成电路芯片计算压差值。
第四实施例
请参考图6，为另一实施利中，差压传感器封装结构垂直使用时的示意图。
该实施例中，所述防水透气膜3’覆盖于第三通孔8，因此将所述第三通孔8朝向气流方向。
第五实施例
请参考图7，该实施例中，所述差压传感器封装结构的第一腔体6通过所述第一通孔4a与外部连通。所述第一通孔4a贯穿所述基板11与所述第一腔体6连通。该实施例中，所述第一通孔4a的进气或进液方向平行于所述基板11表面，出气或出液方向垂直于所述基板11表面。
所述电子设备在使用过程中，所述第一通孔4a和第三通孔8分别连通至不同的外部环境，即可以测试所述不同的外部环境内的压差。
第六实施例
请参考图8，该实施例中，所述差压传感器封装结构外壳1与基板11之间的第一腔体6通过所述第一通孔4b与外部连通。所述第一通孔4b贯穿所述基板11与所述第一腔体6连通。该实施例中，所述第一通孔4b垂直贯穿所述基板11，位于所述密封区域7外侧。所述外部气体或液体经由所述基板11与电路板12之间的间隙经由所述第一通孔4b进入所述第一腔体6内。
所述电子设备在使用过程中，所述第一通孔4b和第三通孔8分别连通至不同的外部环境，即可以测试所述不同的外部环境内的压差。
在其他实施例中，可以根据待测压差的不同外部环境位置等因素，合理设置所述第一通孔的位置。
第七实施例
本实施例中，所述电子设备还包括处理器(CPU)。
所述处理器连接至上述差压传感器的专用集成电路芯片的信号输出端，用于获取所述专用集成电路芯片的输出信号，并且，根据所述输出信号而启动对应的指令。
所述处理器(CPU)可以贴装于所述第一电路板12(请参考图1)或第二电路板16上，通过所述第一电路板12和/或第二电路板16上的功能电路，连接至所述专用集成电路芯片的信号输出端。在其他具体实施方式中，所述处理器也可以贴装于其他电路板上，例如主板，通过板间连线连接至所述第一电路板12或第二电路板16，以实现与所述专用集成电路芯片的信号输出端之间的信号连接，实现所述处理器与所述专用集成电路芯片之间的信号传输。
所述专用集成电路芯片被配置为当所述压力传感元件检测到的压差值到达阈值时，向所述处理器发送反馈信号。当所述压差值未到达阈值时，所述处理器处于待机阶段，无需处理与压差值相关的指令。
当所述电子设备在待机状态时，所述差压传感器每隔一定时间自动检测压力值的变化。差压传感器的压力传感元件将压力变化的检测信号传输到专用集成电路芯片，由所述专用集成电路芯片计算压差值，当两侧的气压差异达到设定的阈值时，反馈给处理器，由处理器启动相关指令。在压差值到达阈值之前，所述处理器可以处于待机状态，降低功耗。由于专用集成电路芯片的功耗远小于处理器的功耗，因此，通过专用集成电路芯片计算气压差，再将有效气压差值反馈给处理器，可以节约电子设备的功耗，提高设备的待机时长。且上述电子设备的结构简单，可以大规模量产。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种差压传感器封装结构，其特征在于，包括：
基板与外壳，所述外壳边缘固定于所述基板的正面，与所述基板之间形成第一腔体；
压力传感元件，固定于所述基板正面且位于所述第一腔体内，所述压力传感元件具有第二腔体以及压力感应层，所述压力感应层位于所述第一腔体与所述第二腔体之间；
所述第一腔体通过第一通孔与外部连通，所述第二腔体通过第二通孔与外部连通。
2.根据权利要求1所述的差压传感器封装结构，其特征在于，所述第一通孔贯穿所述外壳；所述第二通孔贯穿所述基板。
3.根据权利要求1所述的差压传感器封装结构，其特征在于，所述第一通孔和第二通孔均贯穿所述基板。
4.根据权利要求1所述的差压传感器封装结构，其特征在于，所述第一通孔与所述第二通孔位于所述差压传感器封装结构相对的两侧或同一侧。
5.根据权利要求1所述的差压传感器封装结构，其特征在于，还包括专用集成电路芯片，固定于所述位于所述第一腔体内的基板的正面；所述专用集成电路芯片连接至所述压力传感元件的检测信号输出端，用于根据所述压力传感元件输出的检测信号计算压差值。
6.根据权利要求5所述的差压传感器封装结构，其特征在于，所述专用集成电路芯片表面覆盖有保护层。
7.根据权利要求5所述的差压传感器封装结构，其特征在于，所述专用集成电路芯片被配置为在计算得到的压差值达到阈值时输出反馈信号。
8.根据权利要求1所述的差压传感器封装结构，其特征在于，所述基板背面形成有密封区域，且所述密封区域为封闭图形，所述第二通孔在所述密封区域所在平面的投影位于所述封闭图形内。
9.根据权利要求8所述的差压传感器封装结构，其特征在于，所述密封区域凸出于所述基板背面或者与所述基板背面齐平。
10.根据权利要求8所述的差压传感器封装结构，其特征在于，所述密封区域包括导电环或绝缘环。
11.一种电子设备，其特征在于，包括：
如权利要求1至10任一项所述的差压传感器封装结构；
第一电路板，所述第一电路板具有第三通孔，且所述第三通孔与所述第二通孔之间连通。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其特征在于，当所述差压传感器封装结构的基板背面形成有密封区域时，所述密封区域位于所述基板与所述第一电路板之间，与所述第一电路板之间通过焊接或粘接方式固定，使得所述第三通孔与所述第二通孔之间密封连通。
13.根据权利要求11所述的电子设备，其特征在于，还包括防水透气膜，覆盖所述第一通孔和/或第三通孔。
14.根据权利要求11所述的电子设备，其特征在于，还包括：第二电路板，所述基板与所述第一电路板垂直固定于所述第二电路板上，且所述第一电路板与所述第二电路板之间电连接。
15.根据权利要求11所述的电子设备，其特征在于，当所述差压传感器封装结构具有所述专用集成电路芯片时，所述专用集成电路芯片通过位于所述基板内的电连接结构，连接至所述第一电路板。
16.根据权利要求15所述的电子设备，其特征在于，还包括：处理器，连接至所述专用集成电路芯片的信号输出端，用于获取所述专用集成电路芯片输出的反馈信号。
17.根据权利要求16所述的电子设备，其特征在于，所述专用集成电路芯片被配置为当所述压力传感元件检测到的压差值到达阈值时，向所述处理器发送反馈信号。
18.根据权利要求17所述的电子设备，其特征在于，当所述压差值未到达阈值时，所述处理器待机。
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