CN112630465B - 一种mems热式流速传感器封装装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MEMS热式流速传感器封装装置，包括封装盖体、封装隔板和封装基体，所述封装盖体设有放置薄膜驱动模块的第一腔体，以及放置MEMS热式流速传感器芯片的第二腔体，所述封装隔板设有与第一腔体对应的薄膜，以及与第二腔体对应的芯片流体通孔，所述封装基体设有流体凹槽、流体进口通道和流体出口通道，所述流体凹槽包括薄膜接触部和芯片接触部，所述薄膜接触部连通流体出口通道，所述芯片接触部连通流体进口通道，所述流体出口通道的截面面积小于薄膜的面积，所述芯片接触部与芯片流体通孔连通，所述封装盖体、封装隔板和封装基体依次固定连接。与现有技术相比，灵敏度高、反应速度快、体积更小、均一性好，且可用于腐蚀性气体的检测。

Description

一种MEMS热式流速传感器封装装置
技术领域
本发明涉及MEMS传感器封装领域，尤其是涉及一种MEMS热式流速传感器封装装置。
背景技术
随着现代科技的发展和生产力的进步，流速测量在航空航天、气象学、生物医疗等方面有了更多、更深入的需求。然而，传统的流速传感器具有体积大、易受环境温度影响等不足，其应用场景较为局限。近年来，随着微机电系统(MEMS)加工工艺发展，传感器不断小型化，基于MEMS工艺制备的MEMS热式流速传感器在性能上有了大幅度的提升，具有体积小、灵敏度高、精度高等优点，在各个方面得到广泛应用。
MEMS加工工艺制备得到的流速传感器通常需要进行封装才能实际应用，对于MEMS热式流速传感器的封装是一直以来的难题，MEMS热式传感器主要基于热学原理，其封装材料在对传感器起保护作用的同时要满足一定的热传导性能，目前常见的MEMS流速传感器封装多为陶瓷或玻璃封装而成，常见的多用粘合剂连接，这样的封装工艺使得其均匀性、稳定性和一致性较差，其材料也无法支撑传感器用于某些腐蚀性、活性气体的流速检测。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种MEMS热式流速传感器封装装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种MEMS热式流速传感器封装装置，包括封装盖体、封装隔板和封装基体，所述封装盖体设有放置薄膜驱动模块的第一腔体，以及放置MEMS热式流速传感器芯片的第二腔体，所述封装隔板设有与第一腔体对应的薄膜，以及与第二腔体对应的芯片流体通孔，所述封装基体设有流体凹槽、流体进口通道和流体出口通道，所述流体凹槽包括薄膜接触部和芯片接触部，所述薄膜接触部连通流体出口通道，所述芯片接触部连通流体进口通道，所述流体出口通道的截面面积小于薄膜的面积，所述芯片接触部与芯片流体通孔连通，所述封装盖体、封装隔板和封装基体依次固定连接，流体依次通过流体进口通道、芯片流体通孔、第二腔体和流体出口通道，薄膜驱动模块带动薄膜运动，薄膜运动使流体出口通道开启或关闭，从而使第二腔体的流体处于平衡状态。
所述封装盖体、封装隔板和封装基体通过螺栓固定连接。
所述的薄膜驱动模块为压电陶瓷阵列。
所述封装盖体的上方设有与第一腔体对应的玻璃块，所述玻璃块与封装盖体固定连接。
所述流体出口通道在流体凹槽的薄膜接触部延伸形成阀座，所述阀座的高度小于流体凹槽的深度。
所述薄膜的尺寸与第一腔体的截面的尺寸相适应，薄膜接触部的尺寸与薄膜的尺寸相适应。
所述的薄膜接触部设有垫圈。
所述的流体进口通道连通流体进口，所述流体出口通道连通流体出口，所述流体进口和流体出口均设有外螺纹。
所述的薄膜为氮化铝薄膜。
所述封装盖体为不锈钢封装盖体，所述封装隔板为不锈钢封装隔板，所述封装基体为不锈钢封装基体。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)流体依次通过流体进口通道、芯片流体通孔进入第二腔体，薄膜驱动模块带动薄膜运动，薄膜运动使流体出口通道开启或关闭，从而使第二腔体的流体处于平衡状态，平衡状态的流体可以使MEMS热式流速传感器的测量结果更加精确，同时具备具有灵敏度高、反应速度快等优点。
(2)该种封装结构相比市面上其他流速传感器的封装而言，体积更小。
(3)整个封装过程简便，封装盖体、封装隔板和封装基体都是基于传统机械加工工艺制备，它们之间的固定只需要螺栓固定，可操作性强，均一性好，可批量化生产。
(4)采用了不锈钢材料进行封装，提高了传感器的稳定性、可靠性和抗腐蚀性，可用于某些腐蚀性气体、活性气体(如氯气)的检测。
附图说明
图1为本发明薄膜驱动模块未加电状态下局部侧视图；
图2为本发明薄膜驱动模块加电状态下局部侧视图；
图3为本发明封装盖体的结构示意图；
图4为本发明封装隔板的结构示意图；
图5为本发明封装基体的结构示意图；
图6为本发明实施例的MEMS流速传感器结构示意图；
附图标记：
1为加热电阻；2为测温电阻；3为补偿电阻；4为传感器芯片空腔；5为引线；6为引脚；7为MEMS热式流速传感器芯片；8为玻璃块；9为薄膜驱动模块；10为螺栓孔；11为第一腔体；12为第二腔体；13为封装盖体；14为薄膜；15为封装隔板；16为芯片流体通孔；17为垫圈；18为阀座；19为流体进口；20为流体出口；21为流体进口通道；22为流体凹槽；23为封装基体；24为流体出口通道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本实施例提供一种MEMS热式流速传感器封装装置，包括封装盖体13、封装隔板15和封装基体23，封装盖体13设有放置薄膜驱动模块9的第一腔体11，以及放置MEMS热式流速传感器芯片7的第二腔体12，封装隔板15设有与第一腔体11对应的薄膜14，以及与第二腔体12对应的芯片流体通孔16，封装基体23设有流体凹槽22、流体进口通道21和流体出口通道24，流体凹槽22包括薄膜接触部和芯片接触部，薄膜接触部连通流体出口通道24，芯片接触部连通流体进口通道21，流体出口通道24的截面面积小于薄膜14的面积，芯片接触部与芯片流体通孔16连通，封装盖体13、封装隔板15和封装基体23依次固定连接，流体依次通过流体进口通道21、芯片流体通孔16、第二腔体12和流体出口通道24，薄膜驱动模块9带动薄膜14运动，薄膜14运动使流体出口通道24开启或关闭，从而使第二腔体12的流体处于平衡状态。
具体而言：
封装盖体13、封装隔板15和封装基体23通过螺栓固定连接。
薄膜驱动模块9为锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷阵列，PZT压电陶瓷阵列具有反应速度快、作用力大等优点，通过对PZT压电陶瓷阵列施加和释放适当的电压，实现对流体流道的平衡控制。
封装盖体13的上方设有与第一腔体11对应的玻璃块8，玻璃块8与封装盖体13固定连接，玻璃块8为耐热玻璃块。
流体出口通道24在流体凹槽22的薄膜接触部延伸形成阀座18，阀座18的高度小于流体凹槽22的深度。
薄膜14的尺寸与第一腔体11的截面的尺寸相适应，薄膜接触部的尺寸与薄膜14的尺寸相适应，第一腔体11为圆柱形，第二腔体12为长方体形，薄膜14为圆形；第二腔体12为长方体形的目的在于，便于MEMS热式流速传感器芯片7的引线5外接作测试。
薄膜接触部设有垫圈17，垫圈17保证了气密性，垫圈17为金属垫圈。
流体进口通道21连通流体进口19，流体出口通道24连通流体出口20，流体进口19和流体出口20均设有外螺纹。
薄膜14为氮化铝薄膜。
流体出口通道24、流体进口通道21、封装盖体13、封装隔板15和封装基体23均为SUS316/SUS316L不锈钢材质，均基于传统机械加工得到。
本实施例的MEMS热式流速传感器芯片7中热敏电阻呈对称分布，加热电阻1位于中间，以加热电阻1为中心两边各设置了4对测温电阻2，通过测量加热电阻1和测温电阻2上的热温差来得到流速信息，具有灵敏度高、量程大、体积小等优点。距加热电阻1稍远处，各设置了一个补偿电阻3，用以测量环境温度，进行环境补偿；其工作基于热损失原理，制备基于MEMS加工工艺。
以下为一具体例子：
图6为本实施例的MEMS热式流速传感器芯片7，制备时选用玻璃基板，旋涂聚酰亚胺(PI)作为保护层；通过磁控溅射Cr/Pt薄膜于PI保护层上得到加热电阻1、测温电阻2和补偿电阻3；通过电镀约15um厚的金属Cu得到引线5，电镀约20um厚的金属Ni得到引脚6；通过旋涂约8um的聚酰亚胺支撑膜、溅射Cr/Cu金属阻挡层，再旋涂约20um厚聚酰亚胺作衬底层，最后用反应离子刻蚀聚酰亚胺薄膜，得到传感器芯片空腔4，从玻璃基板上剥离得到柔性MEMS热式流速传感器芯片7，尺寸为9mmx7mmx30um。
图3中为封装盖体13，尺寸为20mm x20mm x10mm；螺栓孔10直径约3.8mm；薄膜驱动模块9的厚度为6mm，长宽以3mmx10mm为例，此处注意，薄膜驱动模块9的压电效应主要与其厚度有关，本实施例的薄膜驱动模块9在100V电压情况下可以产生6.5um的形变；第一腔体11的大小以其所容纳的薄膜驱动模块9尺寸为依据，同理，第二腔体12以MEMS流速传感器芯片的尺寸为依据；玻璃块8位于薄膜驱动模块9上方，其尺寸大小约为5mm x 5mm x 2mm。
图4为封装隔板15，尺寸为20mm x 20mm x 0.15mm，薄膜14的直径与封装盖体13上第一腔体11的直径相对应，薄膜14所选用的材料为氮化铝，芯片流体通孔16的孔壁用以安放MEMS热式传感器芯片，MEMS热式传感器芯片上的加热电阻1、测温电阻2和补偿电阻3感知流体用以检测。
图5为封装基体23，尺寸为20mm x 20mm x 10mm，垫圈17的直径与薄膜14的尺寸相对应，需要注意的是，垫圈17位于薄膜接触部，流体凹槽22的深度约为0.2mm，流体凹槽22的芯片接触部对应于封装隔板15的MEMS流速传感器芯片，阀座18呈空心环结构，其内环的直径大小与流体出口通道24的外径相同，约为1-3mm左右。待测气体从流体进口19进入，从流体出口20流出，所形成的流体出口通道24和流体进口通道21的直径约为1-3mm，特别地，流体进口19和流体出口20均带有外螺纹。
通过四个M2内六角螺栓和自上而下的螺栓孔10可将封装盖体13、封装隔板15和封装基体23相连接，玻璃块8与封装盖体13之间通过粘合剂胶体相连，MEMS流速传感器芯片安放于封装隔板15上的芯片流体通孔16上方。
图1为薄膜驱动模块9在不加电情况下，薄膜14处于正常状态，流体出口通道24处于开启状态。
图2中，在加电情况下，薄膜14产生形变，处于扩张状态，通过薄膜14与阀座18接触，流体出口通道24处于关闭状态。

Claims (8)

1.一种MEMS热式流速传感器封装装置，其特征在于，包括封装盖体(13)、封装隔板(15)和封装基体(23)，所述封装盖体(13)设有放置薄膜驱动模块(9)的第一腔体(11)，以及放置MEMS热式流速传感器芯片(7)的第二腔体(12)，所述封装隔板(15)设有与第一腔体(11)对应的薄膜(14)，以及与第二腔体(12)对应的芯片流体通孔(16)，所述封装基体(23)设有流体凹槽(22)、流体进口通道(21)和流体出口通道(24)，所述流体凹槽(22)包括薄膜接触部和芯片接触部，所述薄膜接触部连通流体出口通道(24)，所述芯片接触部连通流体进口通道(21)，所述流体出口通道(24)的截面面积小于薄膜(14)的面积，所述芯片接触部与芯片流体通孔(16)连通，所述封装盖体(13)、封装隔板(15)和封装基体(23)依次固定连接，流体依次通过流体进口通道(21)、芯片流体通孔(16)、第二腔体(12)和流体出口通道(24)，薄膜驱动模块(9)带动薄膜(14)运动，薄膜(14)运动使流体出口通道(24)开启或关闭，从而使第二腔体(12)的流体处于平衡状态；
所述封装盖体(13)、封装隔板(15)和封装基体(23)通过螺栓固定连接；
所述封装盖体(13)为不锈钢封装盖体，所述封装隔板(15)为不锈钢封装隔板，所述封装基体(23)为不锈钢封装基体。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS热式流速传感器封装装置，其特征在于，所述的薄膜驱动模块(9)为压电陶瓷阵列。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS热式流速传感器封装装置，其特征在于，所述封装盖体(13)的上方设有与第一腔体(11)对应的玻璃块(8)，所述玻璃块(8)与封装盖体(13)固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS热式流速传感器封装装置，其特征在于，所述流体出口通道(24)在流体凹槽(22)的薄膜接触部延伸形成阀座(18)，所述阀座(18)的高度小于流体凹槽(22)的深度。
5.根据权利要求1所述的一种MEMS热式流速传感器封装装置，其特征在于，所述薄膜(14)的尺寸与第一腔体(11)的截面的尺寸相适应，薄膜接触部的尺寸与薄膜(14)的尺寸相适应。
6.根据权利要求1所述的一种MEMS热式流速传感器封装装置，其特征在于，所述的薄膜接触部设有垫圈(17)。
7.根据权利要求1所述的一种MEMS热式流速传感器封装装置，其特征在于，所述的流体进口通道(21)连通流体进口(19)，所述流体出口通道(24)连通流体出口(20)，所述流体进口(19)和流体出口(20)均设有外螺纹。
8.根据权利要求1所述的一种MEMS热式流速传感器封装装置，其特征在于，所述的薄膜(14)为氮化铝薄膜。
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