CN113340514A - 板载压力传感器的制备方法及其板载压力传感器 - Google Patents

板载压力传感器的制备方法及其板载压力传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及载式压力传感器的技术领域，特别涉及板载压力传感器的制备方法，包括如下步骤：制备陶瓷感应膜片；制备陶瓷基座；通过玻璃浆料将陶瓷感应膜片及陶瓷基座烧结于一体；激光调修将板载压力传感器输出零点进行调整、满足测试基本要求；封装板载压力传感器。通过玻璃烧结的方式将陶瓷感应膜片及将陶瓷基座烧结于一体，省去了邦定工艺，同时，陶瓷感应膜片不仅起到了感应作用还起到了隔离作用，彻底解决介质中水分，腐蚀性材料对传感器本身的影响，解决板载式传感器存在的可靠性问题。该制备方法制备的产品的一致性、稳定性均得到大幅度提升，与MEMS器件比较，有效提高了传感器的品质及适用范围。本发明还提供了板载压力传感器。

Description

板载压力传感器的制备方法及其板载压力传感器
技术领域
本发明涉及载式压力传感器的技术领域，特别涉及板载压力传感器的制备方法及其板载压力传感器。
背景技术
常规板载式压力传感器采用MEMS芯片，通过用导电胶将MEMS芯片及调理(ASIC)芯片粘接在PCB或陶瓷基座上，通过金属引线邦定，灌胶，测试等工序，将压力敏感部件与基板作为一个整体封装在一起，并在电路基板上粘接塑料或金属安装管，再通过焊接IC引线，做成DIP(双列直插)或SMT(表面贴装)封装，最后在标准压力源下进行标定，输出模拟或数字信号，制成板载式压力传感器模组，用于小体积的压力测量用传感器。
传统的载式压力传感器的结构示意图请参考图1，常规板载式压力传感器感应部件采用的MEMS芯片方案，其感应膜片中敏感部件为MEMS芯片中的惠斯通电桥(半桥或全桥)，在受到压力时，桥臂发生形变，其中一端电阻变大，另一端变小，电阻的变化，最终引起电桥两端输出的变化，其输出电压差(△V)与所受的压力成正比，只要测出输出电压的高低，即可换算压力的大小。
另外，MEMS传感器中感应材质为硅Si或其他半导体材料进行参杂、形成P型或N型电阻体，其特点是产品灵敏度高，体积小，可大批量生产，但是由于采用MEMS工艺基于半导体微纳技术而来，所制作出来的MEMS芯片对于封装的要求非常高，必须进行充油或填充其他液体(例如硅胶等)，从而将MEMS芯片与测量介质进行隔离，以防止介质中的水分或灰尘对MEMS的干扰或污染、导致MEMS芯片失效，但在加上充油或保护硅胶后，其灵敏度以及体积会变得很大，响应时间变长，在高污染及高动态响应介质方面，无法达到测量的要求。
进一步地，常规板载式传感器只能对洁净空气等介质进行直接压力测量，在对液体例如水及油类测量中，必须进行二次封装，以达到实际使用的效果，使用起来比较麻烦。
为此，亟需提供板载压力传感器的制备方法及其板载压力传感器来克服上述缺陷。
发明内容
本发明的主要目的在于提供了板载压力传感器的制备方法，通过玻璃烧结的方式将陶瓷感应膜片及将所述陶瓷基座烧结于一体，省去了邦定工艺，同时，所述陶瓷感应膜片不仅起到了感应作用还起到了隔离作用，彻底解决介质中水分，腐蚀性材料对传感器本身的影响，解决板载式传感器存在的可靠性问题。该制备方法制备的产品的一致性、稳定性均得到大幅度提升，与MEMS器件比较，有效提高了传感器的品质及适用范围。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
板载压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)将惠斯通电桥电路图形印刷烧结在陶瓷膜片上、制备陶瓷感应膜片；
(2)根据所述陶瓷感应膜片的尺寸制备陶瓷基座；
(3)通过玻璃浆料将所述陶瓷感应膜片及所述陶瓷基座烧结于一体；
(4)激光调修将所述板载压力传感器输出零点进行调整、满足测试基本要求；
(5)封装所述激光调修后的所述板载压力传感器。
优选地，所述步骤“(3)”的烧结温度为：520℃-540℃。
优选地，所述步骤“(2)”具体步骤为：
根据所述陶瓷感应膜片的尺寸进行基座丝网制作；
电极丝印烧结；
粗调电阻及细调电阻丝印烧结；
保护玻璃丝印烧结；
粘结玻璃丝印。
优选地，所述粗调电阻及细调电阻串联为调节电路后与所述惠斯通电桥的每一电阻并联。
优选地，所述步骤“(5)”具体包括以下步骤：
邦定及封胶调理芯片；
粘连导气嘴于所述陶瓷基座上；
在所述陶瓷基座焊接输出引线。
本发明的有益效果为：通过使用玻璃浆料烧结的方式将所述陶瓷感应膜片和所述陶瓷基座烧结于一体，省去了现有技术中传感器芯片需邦定的工艺，另外，使用陶瓷材料的陶瓷感应膜片为感应膜片，使得所述陶瓷感应膜片同时还起到隔离层的作用，彻底解决了介质中水分，腐蚀性材料对传感器本身的影响，解决了板载式传感器存在的可靠性问题，大幅度提升了产品的稳定性，与MEMS器件比较，有效提高了传感器的品质及适用范围。
相对应地，本发明还提供了板载压力传感器，采用陶瓷感应膜片代替MEMS感应部件，优化了生产工艺、彻底解决了介质中水分，腐蚀性材料对传感器本身的影响，解决板载式传感器存在的可靠性问题，满足汽车，工业级产品的要求，提高了产品的一致性、稳定性及测量精度，解决了温飘问题，有效提高了品质及适用范围。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
板载压力传感器，包括：陶瓷基座，玻璃浆料烧结成型于所述陶瓷基座内的陶瓷敏感膜片，成型于所述陶瓷基座上端面及所述敏感膜片上的导气嘴，成型于所述陶瓷基座上的ASIC调理芯片，及成型于所述陶瓷基座上延伸出所述陶瓷基座外的输出引脚。
优选地，所述陶瓷敏感元件电路包括：惠斯通电桥，连接于电压输入端、且与惠斯痛电桥每一力敏电阻并联的粗调电阻，及与所述力敏电阻并联、且与所述粗调电阻串联的细调电阻。
优选地，所述陶瓷敏感元件电路包括：惠斯通电桥，连接于电压输入端、且与惠斯痛电桥每一力敏电阻并联的粗调电阻，及与所述力敏电阻并联、且与所述粗调电阻串联的细调电阻。
优选地，所述粗调电阻与所述细调电阻组成的调节电路的调节阻值为所述力敏电阻阻值的4-5倍。
优选地，所述激光调节电路引起的电阻飘移△R1为所述惠斯通电桥的桥臂电阻阻值的1/4-1/5。
本发明的板载压力传感器，通过使用玻璃浆料烧结的方式将所述陶瓷感应膜片和所述陶瓷基座烧结于一体，省去了现有技术中传感器芯片需邦定的工艺，另外，使用陶瓷材料的陶瓷感应膜片为感应膜片，使得所述陶瓷感应膜片同时还起到隔离层的作用，彻底解决了介质中水分，腐蚀性材料对传感器本身的影响，解决了板载式传感器存在的可靠性问题，大幅度提升了产品的稳定性，与MEMS器件比较，有效提高了传感器的品质及适用范围。
附图说明
图1为本发明背景技术中传统的载式压力传感器的结构示意图。
图2为本发明板载压力传感器的制备方法一实施例的步骤流程图。
图3为本发明板载压力传感器一实施例的剖视图。
图4为本实施例的陶瓷敏感元件电路的原理图。
图5为图3一实施例的ASIC调理芯片的调理电路的模块框图。
说明书附图标号说明:
1-陶瓷基座，2-陶瓷敏感膜片，3-导气嘴，4-ASIC调理芯片，5-输出引脚。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
需要说明的是，当元件被称为“连接于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，本申请的名词介绍如下：
1、陶瓷压力传感器：采用陶瓷材料作为感应压力形变的传感器。
2、惠斯通电桥：由四个电阻两两头尾组成的电阻网络。
3、零点输出：在压力为零时，电桥输出电压，理论值为0。
4、激励电压：加载在惠斯通电桥上，用于提供传感器变化的电压源的值。
5、激光调阻：通过激光高温烧灼，气化，及在线检测，将厚膜电阻的阻值调到目标值的技术。
6、温飘：指在不同温度下，传感器的输出跟温度之间的变化关系，即△V/△T,其值越小越好。
实施例1:
请参考图2，本实施例的板载压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S 1，将惠斯通电桥电路图形印刷烧结在陶瓷膜片上、制备陶瓷感应膜片。具体为：根据对应的量程选择对应厚度的陶瓷膜片，设计不同图形的丝网，将电极丝印烧结，将敏感电阻丝印烧结，再将保护玻璃丝印烧结，陶瓷感应膜片制备完成。
S2，根据所述陶瓷感应膜片的尺寸进行基座丝网制作。具体为：根据所述陶瓷感应膜片的尺寸预留安装台阶，通过STM焊接或过孔方式连接所述陶瓷感应膜片上的PAD，形成完整的电路，并预留激光调修电阻、ASIC安装焊盘或邦定用PAD，以及在所述陶瓷基座边沿设置PAD以利于金属引线的焊接及信号的输出。
S3，电极丝印烧结。具体为，将电极丝印烧结于所述陶瓷基座上。
S4，粗调电阻及细调电阻丝印烧结。具体为，将所述粗调电阻及所述细调电阻丝印烧结，烧结为所述粗调电阻与所述细调电阻串联后再与所述惠斯桥电路的力敏电阻并联。
S5,保护玻璃丝印烧结。具体为，将保护玻璃丝印烧结于所述陶瓷基座上。
S6，粘结玻璃丝印。具体为：将粘结玻璃丝印于步骤S5后的陶瓷基座上。
S7，通过玻璃浆料将所述陶瓷感应膜片及所述陶瓷基座烧结于一体。具体为，使用玻璃浆料将所述陶瓷感应膜片及所述陶瓷基座在520℃-540℃烧结于一体，优选温度为530℃。需要说明的是，本步骤还可以通过SMT将所述陶瓷敏感膜片上PAD通过SMT丝印焊锡膏的方式，将所述陶瓷敏感膜片与所述陶瓷基座电气连接在一起，形成电路网络。
S8，激光调修将所述板载压力传感器输出零点进行调整、满足测试基本要求。具体为，通过激光修调工艺，将传感器输出零点进行调整，直至其满足基本的测试要求。
S9，邦定及封胶调理芯片。具体为，将调理芯片邦定与S8步骤后的陶瓷基座上，再对所述调理芯片封装。需要说明的是，还可将邦定方式改为焊接方式。
S 10，粘连导气嘴于所述陶瓷基座上。具体为，将所述导气嘴黏连于所述陶瓷基座上。
S 11，在所述陶瓷基座焊接输出引线。具体为，通过预留于所述陶瓷基座边沿的PAD焊接输出引线，并将传感器通过在线标定系统，将信号输出进行标定，封装完成。
从以上描述可以看出，本发明的板载压力传感器的制备方法，通过使用玻璃浆料烧结的方式将所述陶瓷感应膜片和所述陶瓷基座烧结于一体，省去了现有技术中传感器芯片需邦定的工艺，另外，使用陶瓷材料的陶瓷感应膜片为感应膜片，使得所述陶瓷感应膜片同时还起到隔离层的作用，彻底解决了介质中水分，腐蚀性材料对传感器本身的影响，解决了板载式传感器存在的可靠性问题，大幅度提升了产品的稳定性，与MEMS器件比较，有效提高了传感器的品质及适用范围。
实施例2：
本实施例提供了板载压力传感器，请结合图3，本实施例的板载压力传感器包括：陶瓷基座1、陶瓷敏感膜片2、导气嘴3、ASIC调理芯片4及输出引脚5，其中，所述陶瓷敏感膜片2通过玻璃浆料烧结于所述陶瓷基座1上，所述导气嘴3成型于所述陶瓷基座1上、且成型于所述陶瓷敏感膜片2上方，所述ASIC调理芯片4设置于所述陶瓷基座1下方，所述输出引脚5焊接于所述陶瓷基座1侧边沿的PAD上且引出至所述陶瓷基座1外。
优选实施例中，所述陶瓷基座1上成型有所述陶瓷感应片2安装台阶，所述陶瓷基座1上丝印烧结有由细调电阻和细调电阻串联的调节电路，且所述陶瓷基座1边沿上设置PAD用于焊接引出所述输出引脚5。
优选实施例中，所述陶瓷敏感膜片2上丝印烧结有惠斯通电桥，所述惠斯通电桥与所述调节电路连接成陶瓷敏感元件电路，所述惠斯通电桥的每一力敏电阻均并联一所述调节电路，每一所述调节电路均包括所述细调电阻和所述细调电阻，所述粗调电阻与所述细调电阻组成的调节电路的调节阻值为所述力敏电阻阻值的4-5倍，所述激光调节电路引起的电阻飘移△R1为所述惠斯通电桥的桥臂电阻阻值的1/4-1/5。更具体地，所述陶瓷敏感元件电路的原理图请结合图4，所述惠斯通电桥的力敏电阻R1与粗调电阻VR1、细调电阻VR3并联，所述细调电阻VR3与所述细调电阻VR1串联。所述力敏电阻R3与粗调电阻VR5及细调电阻VR7并联，所述粗调电阻VR5及细调电阻VR7串联。力敏电阻R2与粗调电阻VR2、细调电阻VR4并联，所述粗调电阻VR2串联所述细调电阻VR4。力敏电阻R4与粗调电阻VR6和细调电阻VR8并联，所述粗调电阻VR6串联的细调电阻VR8。更具体地，在受到压力形变影响下，所述惠斯通电桥一端输出电压(输出-)下降，另一端输出电压(输出-)上升，在一定压力范围内，其电压差的输出值与压力量程成正比，约2mV/V-4mV/V的满量程输出值，在5V电压下，其输出约为10mV-20mV，与传统压力传感器输出相同。将所述调节电路设置为包括细调电阻和细调电阻的初调与细调相结合的方式，在相同的激光步距下，输出电压的值，变化量较少，调阻精度大幅度提升，在温飘及时飘方面，较传统设计大幅度减少，稳定性得到提升。进一步地，由于所述调节电路的电阻均为并联可调电阻，且所述调节电路的调节电阻的阻值为所述力敏电阻的阻值的4-5倍，若桥臂电阻(力敏电阻)为R0，即图4中R1＝R2＝R3＝R4＝R0，可调电阻之和的值等于R1，由并联电阻公式，桥臂等效电阻阻值R＝R1*R0/(R1+R0)，其中R1为可调电阻为40-50K左右，R0为10K左右，需要说明的是力敏电阻的大小由丝印精度及烧结参数决定。由激光调阻所引起的力敏电阻R1飘移△R1，所导致桥臂等效电阻的变化约为：△R＝(R1+△R1)*R0/(R1+△R1+R0)，由于R1约等于4*R0或5*R0，△R1可调电阻大约为桥臂电阻的1/4-1/5，而传统的串联调阻方式，其桥臂电阻由R＝R1+R0组成，其电阻变化率所引起的变化量直接影响到桥臂电阻，在相同激光步距下，由本产品所引起的调阻相对变化量与传统串联方式要小很多。
优选实施例中，所述ASIC调理芯片4上设置有调理电路，所述调理电路的模块框图请参见图5，图5中Sensor表示传感器输出部分，VDDB与VSSB分别陶瓷敏感元件电路的VCC及VSS，为激励源，VBP接陶瓷敏感元件电路的输出+，VBN接陶瓷敏感元件电路输出-，输出数字信号(IIC)或模拟信号(VPP)。具体地，所述调理ASIC芯片电路内置温度检测电路及可编程前置放大器，传感器输出信号经过前置放大器后，将mV级信号放大到V级信号，再通过24位ADC模数装换器，将传感器信号变为数字信号，再通过内部温补等内置算法，将压力标定信号与传感器信号进行对应，并将每颗传感器的参数写入OTP中，从而输出模拟或数字信号(SCL,SDA)，便于压力信号的高精度的测量。需要说明的是，所述调理电路为现有技术的运用，故此处不追具体电路阐述。
本实施例的板载压力传感器，通过使用玻璃浆料烧结的方式将所述陶瓷感应膜片2和所述陶瓷基座1烧结于一体，省去了现有技术中传感器芯片需邦定的工艺，另外，使用陶瓷材料的陶瓷感应膜片2为感应膜片，使得所述陶瓷感应膜片2同时还起到隔离层的作用，彻底解决了介质中水分，腐蚀性材料对传感器本身的影响，解决了板载式传感器存在的可靠性问题，大幅度提升了产品的稳定性，与MEMS器件比较，有效提高了传感器的品质及适用范围。

Claims (10)

1.板载压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将惠斯通电桥电路图形印刷烧结在陶瓷膜片上、制备陶瓷感应膜片；
(2)根据所述陶瓷感应膜片的尺寸制备陶瓷基座；
(3)通过玻璃浆料将所述陶瓷感应膜片及所述陶瓷基座烧结于一体；
(4)激光调修将所述板载压力传感器输出零点进行调整、满足测试基本要求；
(5)封装所述激光调修后的所述板载压力传感器。
2.如权利要求1所述的板载压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤“(3)”的烧结温度为：520℃-540℃。
3.如权利要求1所述的板载压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤“(2)”具体步骤为：
根据所述陶瓷感应膜片的尺寸进行基座丝网制作；
电极丝印烧结；
粗调电阻及细调电阻丝印烧结；
保护玻璃丝印烧结；
粘结玻璃丝印。
4.如权利要求3所述的板载压力传感器的制备方法，其特征在于，所述粗调电阻及细调电阻烧结为串联为调节电路后与所述惠斯通电桥的力敏电阻并联。
5.如权利要求1所述的板载压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤“(5)”具体包括以下步骤：
邦定及封胶调理芯片；
粘连导气嘴于所述陶瓷基座上；
在所述陶瓷基座焊接输出引线。
6.板载压力传感器，包括：陶瓷基座，其特征在于：还包括：玻璃浆料烧结成型于所述陶瓷基座内的陶瓷敏感膜片，成型于所述陶瓷基座上端面及所述敏感膜片上的导气嘴，成型于所述陶瓷基座上的ASIC调理芯片，及成型于所述陶瓷基座上延伸出所述陶瓷基座外的输出引脚。
7.如权利要求6所述的板载压力传感器，其特征在于，陶瓷基座与所述陶瓷敏感膜片成型后成型有陶瓷敏感元件电路。
8.如权利要求7所述的板载压力传感器，其特征在于，所述陶瓷敏感元件电路包括：惠斯通电桥，连接于电压输入端、且与惠斯痛电桥每一力敏电阻并联的粗调电阻，及与所述力敏电阻并联、且与所述粗调电阻串联的细调电阻。
9.如权利要求8所述的板载压力传感器，其特征在于，所述粗调电阻与所述细调电阻组成的调节电路的调节阻值为所述力敏电阻阻值的4-5倍。
10.如权利要求8所述的板载压力传感器，其特征在于，所述激光调节电路引起的电阻飘移△R1为所述惠斯通电桥的桥臂电阻阻值的1/4-1/5。
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