CN113270240B - 一种陶瓷平膜压阻芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷平膜压阻芯片及其制备方法，支持厚片包括第一支持层、第二支持层、第三支持层、导线基层、导通电路、PAD过孔层、PAD层和调零电阻，第一支持层、第二支持层、第三支持层、导线基层和PAD过孔层设置有导通过孔，第一支持层、第二支持层、第三支持层中心处设置有避空孔；制备方法包括以下步骤：1)配制浆料，2)流延，3)裁片，4)冲孔，5)填孔，6)印刷，7)叠片，8)静压，9)切割，10)排胶和烧结。采用低温共烧工艺，制作全密封一体结构平膜压阻芯片；由较厚的支持多层厚片、较薄可形变的陶瓷弹性膜片、印刷在陶瓷膜片上具有压阻效应的惠斯通电阻桥、调零电阻、连通导体线路组成，电阻桥及导体线路全部密封在产品内部。

Description

一种陶瓷平膜压阻芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，更具体的说是涉及一种陶瓷平膜压阻芯片及其制备方法。

背景技术

目前，MEMS(微机械电子)压力传感器是微电子机械系统中最早的产品之一，按照工作原理分为压阻式、电容式和压电式等等。压阻式压力传感器因其具有灵敏度高、响应速度快、可靠性好、易于集成等优点在航天、医疗器械和汽车电子等领域得到了广泛应用。常见的压力芯体型式有应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式等，应用面最广的属于压阻式，和压容式；压阻式压力传感器是微传感器的一种，其原理是基于C.S Smith与1954年发现的压阻效应，即当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化导致半导体的电阻率发生变化的现象。目前大多数压阻式压力传感器都采用MEMS体微机械加工工艺制备，即在硅片表面通过氧化、光刻、离子注入等平面IC工艺制备出应力敏感电阻与金属互连引线后，从硅片背面进行各向异性湿法腐蚀，通过调整腐蚀速率及时间来控制压力敏感膜的厚度，腐蚀完成后需用玻璃或硅材料衬底进行键合，作为芯片的支撑结构。

但是，采用上述工艺制备的压力传感器不仅压力敏感膜的厚度均匀性差，芯片体积大，而且需要键合工艺，使得制备的压力传感器成品率低、性能不稳定、成本高，集成度低，功能单一，不适合大规模自动化生产。

因此，解决现有两片式陶瓷压阻式压力芯体厚片和薄片间密封性和粘接强度较低，可靠性不够，成本高，集成度低，功能单一是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种陶瓷平膜压阻芯片及其制备方法，采用低温共烧工艺，制作全密封一体结构平膜压阻芯片；由较厚的支持多层厚片、较薄可形变的陶瓷弹性膜片、印刷在陶瓷膜片上具有压阻效应的惠斯通电阻桥、调零电阻、连通导体线路组成，电阻桥及导体线路全部密封在产品内部。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种陶瓷平膜压阻芯片，包括：支持厚片、变形弹性膜片和惠斯通电桥；

所述支持厚片依次包括第一支持层、第二支持层、第三支持层、导线基层、导通电路、PAD过孔层、PAD层和调零电阻，所述第一支持层、所述第二支持层、所述第三支持层、所述导线基层和所述PAD过孔层设置有导通过孔，所述第一支持层、所述第二支持层、所述第三支持层中心处设置有避空孔；

所述惠斯通电桥设置在所述变形弹性膜片上，所述变形弹性膜片与所述支持厚片连接。

优选的，所述惠斯通电桥包括印刷组桥电阻和印刷组桥电路。

优选的，所述导通电路通过所述导通过孔与所述惠斯通电桥连接。

优选的，所述变形弹性膜片的厚度为0.15-0.8mm，所述惠斯通电桥厚度为0.03-0.3mm，所述支持厚片的厚度为3-8mm，所述导通电路、所述PAD层和所述调零电阻的厚度为0.03-0.3mm，所述第一支持层、所述第二支持层和所述第三支持层的厚度为0.02-0.9mm。

优选的，所述第一支持层、所述第二支持层和所述第三支持层为单层或多层。

一种陶瓷平膜压阻芯片的制备方法，包括以下步骤：

1)配置浆料：将3000-5000份氧化铝粉或氧化锆粉、100-300聚丙烯酸铵、100～300份玻璃微珠、100-300份磷酸三丁酯、200-400份邻苯二甲酸二丁酯和100-300份硅油、100-300份液体石蜡、10000～20000份

锆球在球磨罐内混合后磨10～15h，再加入3000-5000份苯乙烯-丙烯酸酯乳胶磨16～24h；

2)流延：配置好的浆料泵入流延机进行流延，出料后生料卷料厚度20～600μm；

3)裁片：将流延后的带载膜生料卷料裁切成8*8英寸方片；

4)冲孔：利用机械或激光冲孔设备对第一支持层、第二支持层、第三支持层3、导线基层、PAD过孔层进行层间导通孔加工；

5)填孔：在第一支持层、第二支持层、第三支持层3、导线基层、PAD过孔层上通过丝网印刷将过孔进行孔壁金属化丝印；

6)丝印：在变形弹性膜片、导线基层、PAD过孔层上通过丝网印刷制作惠斯通电桥、导通电路、PAD层、调零电阻，同时在第一支持层、第二支持层、第三支持层的避空孔处采取丝网印刷的方式填充挥发性物质；

7)叠片：将印刷后的陶瓷片依次对位后叠压，形成压阻芯片一体厚生胚；

8)温等静压：将压阻芯片一体厚生胚在25～60MPa的压力、60～100℃的温度和20～60min的保压时间内，使用温等静压机将变形弹性膜片、支持厚片及挥发性填充物压合在一起，形成一体式压力芯片；

9)切割：将一体式压力芯片利用热切刀进行切割，获得压阻芯体生胚；

10)排胶：将压阻芯体生胚在温度为300～450℃的环境下，进行36～98hr的排胶处理；

11)烧结：将步骤10)中排胶后的压阻芯片生胚在烧结炉中进行烧结，烧结温度为650～1500℃，保温时间2～6hr；

12)激光调阻：对调零电阻进行精细切割调节。

优选的，所述挥发性填充物为碳浆或树脂类。

优选的，所述分散剂为聚丙烯酸铵，所述消泡剂为硅油。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种陶瓷平膜压阻芯片及其制备方法，采用低温共烧工艺，制作全密封一体结构平膜压阻芯片；由较厚的支持多层厚片、较薄可形变的陶瓷弹性膜片、印刷在陶瓷膜片上具有压阻效应的惠斯通电阻桥、调零电阻、连通导体线路组成，电阻桥及导体线路全部密封在产品内部。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的制备流程示意图。

图2附图为本发明提供的芯片的分解结构示意图。

图3附图为本发明提供的芯片的整体结构示意图。

其中，1为变形弹性膜片，2为惠斯通电桥，3为支持厚片，4为避空孔，21为印刷组桥电阻，22为印刷组桥电路，31为第一支持层，32为第二支持层，33为第三支持层，34为导线基层，35为导通电路，36为PAD过孔层，37为PAD层，38为调零电阻，39为导通过孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种陶瓷平膜压阻芯片，包括：支持厚片3、变形弹性膜片1和惠斯通电桥2；

支持厚片3依次包括第一支持层31、第二支持层32、第三支持层33、导线基层34、导通电路35、PAD过孔层36、PAD层37和调零电阻38，第一支持层31、第二支持层32、第三支持层33、导线基层34和PAD过孔层36设置有导通过孔39，第一支持层31、第二支持层32、第三支持层33中心处设置有避空孔4；

惠斯通电桥2设置在变形弹性膜片1上，变形弹性膜片1与支持厚片3连接。

为进一步优化上述技术方案，惠斯通电桥2包括印刷组桥电阻21和印刷组桥电路22。

为进一步优化上述技术方案，导通电路35通过导通过孔39与惠斯通电桥2连接。

为进一步优化上述技术方案，变形弹性膜片1的厚度为0.15-0.8mm，惠斯通电桥2厚度为0.03-0.3mm，支持厚片3的厚度为3-8mm，导通电路35、PAD层37和调零电阻38的厚度为0.03-0.3mm，第一支持层31、第二支持层32和第三支持层33的厚度为0.02-0.9mm。

为进一步优化上述技术方案，第一支持层31、第二支持层32和第三支持层33为单层或多层。

一种陶瓷平膜压阻芯片的制备方法，包括以下步骤：

1配置浆料：将3000-5000份氧化铝粉或氧化锆粉、100-300聚丙烯酸铵、100～300份玻璃微珠、100-300份磷酸三丁酯、200-400份邻苯二甲酸二丁酯和100-300份硅油、100-300份液体石蜡、10000～20000份

锆球在球磨罐内混合后磨10～15h，再加入3000-5000份苯乙烯-丙烯酸酯乳胶磨16～24h；

2流延：配置好的浆料泵入流延机进行流延，出料后生料卷料厚度20～600μm；

3裁片：将流延后的带载膜生料卷料裁切成8*8英寸方片；

4冲孔：利用机械或激光冲孔设备对第一支持层、第二支持层、第三支持层3、导线基层、PAD过孔层进行层间导通孔加工；

5填孔：在第一支持层、第二支持层、第三支持层3、导线基层、PAD过孔层上通过丝网印刷将过孔进行孔壁金属化丝印；

6丝印：在变形弹性膜片、导线基层、PAD过孔层上通过丝网印刷制作惠斯通电桥、导通电路、PAD层、调零电阻，同时在第一支持层、第二支持层、第三支持层的避空孔处采取丝网印刷的方式填充挥发性物质；

7叠片：将印刷后的陶瓷片依次对位后叠压，形成压阻芯片一体厚生胚；

8温等静压：将压阻芯片一体厚生胚在25～60MPa的压力、60～100℃的温度和20～60min的保压时间内，使用温等静压机将变形弹性膜片、支持厚片及挥发性填充物压合在一起，形成一体式压力芯片；

9切割：将一体式压力芯片利用热切刀进行切割，获得压阻芯体生胚；

10排胶：将压阻芯体生胚在温度为300～450℃的环境下，进行36～98hr的排胶处理；

11烧结：将步骤10中排胶后的压阻芯片生胚在烧结炉中进行烧结，烧结温度为650～1500℃，保温时间2～6hr；

12激光调阻：对调零电阻进行精细切割调节。

为进一步优化上述技术方案，挥发性填充物为碳浆或树脂类。

为进一步优化上述技术方案，分散剂为聚丙烯酸铵，消泡剂为硅油。

配浆：总共需要配制4～5种浆料，主要是基材纳米级氧化铝+玻璃类的流延浆料(氧化铝+玻璃微珠+有机溶剂构成)，惠斯通电桥电阻浆料(主材料为氧化钌钯，导电相、玻璃相与有机载体按一定的比例经过三辊轧制混合均匀的满足印刷特性的膏状物)，内部过孔和导线导电浆料(金浆或银浆等高温导电浆料)，外部调理电路用的PAD浆料(金浆或银浆等导电浆料)等，每款浆料的配浆具体过程大致是：1原材料组分配比，2球磨，3搅拌，4真空拓普；

流延：通过专用流延机制作出8英寸宽的陶瓷卷料基材(类似于卷状的卫生纸状态，如上图所示)，具体过程大致是：1将配好的料浆泵入到流延机流延盒，2流延机再将流延盒内的流延浆料通过刮刀(高度可调以达到我们期望的流延材料厚度，3.机器内通过5～8个温区干燥炉将薄的流延薄片进行精确缓慢烘干，4.流延机再将干的流延薄片收纳成卷备用)；

裁片：将卷状的坯料切割成8*8英寸的陶瓷小bar片，每1片将成为多层陶瓷基板中的一层。过程中，对流延不良的薄片进行AOI在线检验并对异常品进行区分；

冲孔：在薄陶瓷片上利用机械或激光技术制作出用以进行电气互联的过孔、导通孔；

填孔：通过丝印技术将银浆填入过孔中，作为层与层之间电路连接的垂直通路，以制备多层陶瓷基板内部的电路过孔，将电路导入或导出；

印刷：使用厚膜丝网印刷技术，将导电、电阻、填充材料印刷在陶瓷基片上；

叠片：将已印刷电路图形的陶瓷Bar片按照次序，依次精准对位后叠压在一起，使得图形符合电路结构要求，并揭除印刷时的PET膜，合成压阻芯片一体厚生胚；

静压：将叠片后的陶瓷Bar片利用高压(如50MPA)和温度(如80℃)使之粘接牢固，初具一体强度；

切割：将陶瓷生胚通过热刀(直刀)精密切割成方片(产品尺寸的小Bar片，如方形14.5*15mm，圆形18mm，热切刀温度大概80℃左右)；

排胶和烧结：将陶瓷生胚经过高温，排胶(温度350～450℃，50～60个小时)，烧结(例如650～1500℃，2～6个小时)成具有结构强度的压阻芯片成品；

激光调阻：对通过印刷制成的惠斯通电桥的调零电阻进行精细切割调节，以修正印刷误差、适配器件参数差异，以达到最佳系统性能----使惠斯通电桥达到精确平衡。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种陶瓷平膜压阻芯片，其特征在于，包括：支持厚片（3）、变形弹性膜片（1）和惠斯通电桥（2）；

所述支持厚片（3）依次包括第一支持层（31）、第二支持层（32）、第三支持层（33）、导线基层（34）、导通电路（35）、PAD过孔层（36）、PAD层（37）和调零电阻（38），所述第一支持层（31）、所述第二支持层（32）、所述第三支持层（33）、所述导线基层（34）和所述PAD过孔层（36）设置有导通过孔（39），所述第一支持层（31）、所述第二支持层（32）、所述第三支持层（33）中心处设置有避空孔（4）；

所述惠斯通电桥（2）设置在所述变形弹性膜片（1）上，所述变形弹性膜片（1）与所述支持厚片（3）连接；

所述惠斯通电桥（2）包括印刷组桥电阻（21）和印刷组桥电路（22）；

所述导通电路（35）通过所述导通过孔（39）与所述惠斯通电桥（2）连接；

所述变形弹性膜片（1）的厚度为0.15-0.8mm，所述惠斯通电桥（2）厚度为0.03-0.3mm，所述支持厚片（3）的厚度为3-8mm，所述导通电路（35）、所述PAD层（37）和所述调零电阻（38）的厚度为0.03-0.3mm，所述第一支持层（31）、所述第二支持层（32）和所述第三支持层（33）的厚度为0.02-0.9mm；

所述第一支持层（31）、所述第二支持层（32）和所述第三支持层（33）为单层或多层。

2.一种权利要求1所述的陶瓷平膜压阻芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）配置浆料：将3000-5000份氧化铝粉或氧化锆粉、100-300聚丙烯酸铵、100~300份玻璃微珠、100-300份磷酸三丁酯、200-400份邻苯二甲酸二丁酯和100-300份硅油、100-300份液体石蜡、10000~20000份φ3-10mm锆球在球磨罐内混合后磨10～15h，再加入3000-5000份苯乙烯-丙烯酸酯乳胶磨16～24h；

2）流延：配置好的浆料泵入流延机进行流延，出料后生料卷料厚度20～600μm；

3）裁片：将流延后的带载膜生料卷料裁切成8*8英寸方片；

4）冲孔：利用机械或激光冲孔设备对第一支持层、第二支持层、第三支持层、导线基层、PAD过孔层进行层间导通孔加工；

5）填孔：在第一支持层、第二支持层、第三支持层、导线基层、PAD过孔层上通过丝网印刷将过孔进行孔壁金属化丝印；

6）丝印：在变形弹性膜片、导线基层、PAD过孔层上通过丝网印刷制作惠斯通电桥、导通电路、PAD层、调零电阻，同时在第一支持层、第二支持层、第三支持层的避空孔处采取丝网印刷的方式填充挥发性物质；

7）叠片：将印刷后的陶瓷片依次对位后叠压，形成压阻芯片一体厚生胚；

8）温等静压：将压阻芯片一体厚生胚在25~60MPa的压力、60~100℃的温度和20~60min的保压时间内，使用温等静压机将变形弹性膜片、支持厚片及挥发性填充物压合在一起，形成一体式压力芯片；

9）切割：将一体式压力芯片利用热切刀进行切割，获得压阻芯体生胚；

10）排胶：将压阻芯体生胚在温度为300~450℃的环境下，进行36~98hr的排胶处理；

11）烧结：将步骤10）中排胶后的压阻芯片生胚在烧结炉中进行烧结，烧结温度为650~1500℃，保温时间2~6hr；

12）激光调阻：对调零电阻进行精细切割调节。

3.根据权利要求2所述的一种陶瓷平膜压阻芯片的制备方法，其特征在于，所述挥发性填充物为碳浆或树脂类。

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