CN113483944A - 介质隔离式压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种介质隔离式压力传感器及其制造方法，介质隔离式压力传感器包括：基板；壳体，包括侧壁及顶盖，所述侧壁与所述顶盖密封连接，所述侧壁由硬质材料制成，所述顶盖由柔性材料制成，所述壳体扣合在所述基板上，形成容纳腔；至少一压力传感器芯片，固定在所述基板上，且置于所述容纳腔内；介质液体，充满所述容纳腔，外界压力能够通过所述壳体、所述介质液体传导至所述压力传感器芯片。本发明的优点在于，壳体包括由硬质材料构成的侧壁及柔性材料构成的顶盖，能够平衡测量精度及支撑力，兼顾了可靠性，也保证了介质隔离式压力传感器的输出，能够避免单一壳体材质带来的缺点，大大提高了介质隔离式压力传感器的性能。

Description

介质隔离式压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及传感器封装领域，尤其涉及一种介质隔离式压力传感器及其制造方法。

背景技术

按照工作原理的不同，压力传感器主要可分为压阻式、电容式、谐振式、压电式、光纤式等压力传感器；其中基于微电子机械系统的MEMS压阻式压力传感器由于其体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、制造工艺简单和便于集成化等众多优点成为压力传感器芯片的主流技术。

通常的MEMS压阻式压力传感器的封装形式是将压力敏感芯片通过直接粘接或者玻璃过渡粘接的方式封接在金属管壳或塑料管壳上，再通过金线或铝线实现电连接，其压力敏感单元直接接触测量介质，适用于对没有腐蚀性、干净清洁的气体介质的压力测量。

但对于汽车机油、空调冷媒、刹车等应用环境较为恶劣、污染物较多的环境下，待测介质不能与压力传感器芯片直接接触。需要一种特殊的封装技术既能将待测介质与压力传感器芯片隔离开，又能实现压力传递的功能。

然而，目前的介质隔离式压力传感器难以自动化大批量封装和校准测试，，价格较贵，无法小型化，无法满足用户需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种介质隔离式压力传感器及其制造方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种介质隔离式压力传感器，其包括：基板；壳体，包括侧壁及顶盖，所述侧壁与所述顶盖密封连接，所述侧壁由硬质材料制成，所述顶盖由柔性材料制成，所述壳体扣合在所述基板上，形成容纳腔；至少一压力传感器芯片，固定在所述基板上，且置于所述容纳腔内；介质液体，充满所述容纳腔，外界压力能够通过所述壳体、所述介质液体传导至所述压力传感器芯片。

可选地，所述顶盖的端部与所述侧壁的侧面通过粘结层粘结。

可选地，所述顶盖包括连接部及盖板，所述连接部设置在所述顶盖的端部，且沿与所述侧壁平行的方向延伸，所述盖板位于所述连接部之间。

可选地，所述连接部与所述盖板形成凹型构型或者倒C型构型，且所述连接部与所述盖板一体成型。

可选地，所述顶盖采用橡胶硫化工艺制成，其厚度小于2毫米。

可选地，所述基板上设置有注油孔，所述注油孔与所述容纳腔连通，所述注油孔内填充有密封材料。

可选地，所述侧壁外表面具有凹槽，所述凹槽用于放置密封环。

本发明还提供一种介质隔离式压力传感器的制造方法，其包括：提供一基板及一壳体，所述壳体包括侧壁及顶盖，所述侧壁与所述顶盖密封连接，所述侧壁为由硬质材料制成，所述顶盖由柔性材料制成；将至少一压力传感器芯片置于所述基板表面；将所述壳体扣合在所述基板上，所述壳体与所述基板形成容纳腔，所述压力传感器芯片置于所述容纳腔内。

可选地，形成所述壳体的方法进一步包括：提供硬质材料形成的所述侧壁在所述侧壁的内侧面形成粘结层；将所述侧壁置于模具上，所述模具与所述侧壁的预设位置之间具有第一缝隙，且所述模具具有横向第二缝隙，所述第一缝隙与所述第二缝隙连通；沿所述缝隙滴入柔性材料，并固化，形成所述顶盖，其中，所述侧壁与所述顶盖通过所述粘结层连接。

可选地，所述模具包括相对设置的上模具及下模具，所述上模具与所述侧壁之间形成所述第一缝隙，所述上模具与所述下模具之间形成所述第二缝隙，或者所述下模具与所述侧壁之间形成所述第一缝隙，所述上模具与所述下模具之间形成所述第二缝隙。

可选地，所述柔性材料为橡胶，其中，沿所述缝隙滴入柔性材料，并固化，形成所述顶盖的步骤中，采用橡胶硫化工艺形成所述顶盖。

可选地，所述基板上设置有注油孔，所述注油孔与所述容纳腔连通，将所述壳体扣合在所述基板上的步骤之后还包括如下步骤：沿所述注油孔向所述容纳腔内注入填充介质液体；密封所述注油孔。

本发明的优点在于，本发明介质隔离式压力传感器的壳体包括由硬质材料构成的侧壁及柔性材料构成的顶盖，能够平衡测量精度及支撑力，兼顾了可靠性，也保证了介质隔离式压力传感器的输出，能够避免单一壳体材质带来的缺点，大大提高了介质隔离式压力传感器的性能。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的介质隔离式压力传感器的结构示意图；

图2是本发明第二实施例提供的介质隔离式压力传感器的结构示意图

图3是本发明第三实施例提供的介质隔离式压力传感器的制作方法的步骤示意图；

图4A～图4D是本发明第三实施例提供的介质隔离式压力传感器的制作方法中形成壳体的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的介质隔离式压力传感器及其制造方法的具体实施方式做详细说明。

图1是本发明第一实施例提供的介质隔离式压力传感器的结构示意图，请参阅图1，本发明介质隔离式压力传感器包括基板10、壳体20、至少一压力传感器芯片30及介质液体。

所述基板10包括但不限于陶瓷电路板或印刷电路板。在所述基板10内设置有电连接线路，以将所述压力传感器芯片30与外部电连接。例如，在本实施例中，所述基板10为陶瓷电路板，其内设置有电连接线路(附图中未绘示)，以将所述压力传感器芯片30与外部结构电连接。

所述壳体20扣合在所述基板10上，并与所述基板10形成容纳腔11。所述壳体20包括侧壁21及顶盖22。

所述侧壁21为四周闭合框，其顶部及底部为镂空结构。所述侧壁21的顶部用于与所述顶盖22密封连接，所述侧壁21的底部用于与所述基板10密封连接。在本实施例中，所述侧壁21为环形闭合构型，而在本发明其他实施例中，所述侧壁21可为方型闭合构型或者多边形闭合构型，本发明对此不进行限定。

所述侧壁21由硬质材料制成，所述硬质材料可为金属或者硬质塑料，以起到支撑作用。例如，在本实施例中，所述侧壁21由金属材料制成，其作为所述壳体的支撑结构，使所述壳体20能够与所述基板10形成容纳腔11。

所述顶盖22与所述侧壁21的顶部连接。所述顶盖22由柔性材料制成，起到力传导的作用。当外界压力施加到所述介质隔离式压力传感器上时，所述顶盖22受到外界压力能够变形，从而将外界压力传递给所述压力传感器芯片，实现压力的感应。其中，所述柔性材料可为橡胶、硅胶等，例如，在本实施例中，所述柔性材料为橡胶。

进一步，所述顶盖22的端部与所述侧壁21的侧面通过粘结层23粘结。所述粘结层23可为胶水等密封效果较好，不易老化的粘合剂形成的结构。

进一步，在本实施例中，所述顶盖22包括连接部221及盖板222。

所述连接部221设置在所述顶盖22的端部，并通过粘结层23与所述侧壁21的内表面密封连接。进一步，所述连接不221沿与所述侧壁21平行的方向延伸，以增大所述顶盖22与所述侧壁21的接触面积，进而增大两者结合的牢固度，提高介质隔离式压力传感器的性能。

所述盖板222位于所述连接部221之间。在本具体实施方式中，所述盖板222为圆形构型，其圆周能够与所述连接部221连接，形成一体式的顶盖22。也就是说，所述盖板222与所述连接部221一体成型。

进一步，在本实施例中，所述连接部221与所述盖板222形成凹型构型，且一体成型。所述连接部221环绕所述侧壁21一周设置，且与所述侧壁21通过所述粘结层23密封连接。所述盖板222设置在所述连接部221内部，作为压力传递构件。

在本发明其他实施例中，所述连接部221与所述盖板222也可为其他构型。具体地说，请参阅图2，其为本发明第二实施例提供的介质隔离式压力传感器的结构示意图。在第二实施例中，所述连接部221与所述盖板222形成倒C型构型，且所述连接部与所述盖板一体成型。

进一步，请继续参阅图1，所述壳体20扣合在所述基板10上后，所述壳体20的底部(即所述侧壁21的底部)与所述基板10的表面通过粘结剂或者锡膏等材料密封连接，以使得形成的所述容纳腔11为密闭腔体。

所述压力传感器芯片30固定在所述基板10上，且置于所述容纳腔11内。在本实施例中，所述基板10表面设置有一个压力传感器芯片30，在本发明其他实施例中，所述基板10表面设置有两个及以上的压力传感器芯片30。所述压力传感器芯片30与所述基板10的电连接线路电连接，从而实现所述压力传感器芯片11与外部结构的电连接。进一步，在所述基板10的底部设置有导电垫(附图中未绘示)，所述导电垫与所述基板10的电连接线路电连接，外部结构可与所述导电垫电连接，进而实现所述压力传感器芯片30与外部结构的电连接。

进一步，在本实施例中，所述介质隔离式压力传感器还包括功能芯片，例如ASIC芯片31，所述ASIC芯片31堆叠设置在所述压力传感器芯片30上，以实现小型化封装。其中，所述压力传感器芯片30及ASIC芯片31通过金属导线与所述基板10电连接。在本发明其他实施例中，所述功能芯片还可以包括其他用于介质隔离式压力传感器的芯片。

所述介质液体充满所述容纳腔11，外界压力能够通过所述壳体20、所述介质液体传导至所述压力传感器芯片30。所述介质液体可为硅油。

进一步，所述基板10上设置有注油孔12，所述注油孔12与所述容纳腔11连通。所述介质液体通过所述注油孔12注入所述容纳腔11内。在所述介质液体注入完毕，在所述注油孔12内填充密封材料13，以密闭所述容纳腔11，形成密封的充油空间。所述密封材料可为锡膏或者胶水。

进一步，所述顶盖222采用橡胶硫化工艺制成，其厚度小于2毫米，且所述介质隔离式压力传感器越小，所述顶盖222的厚度越小。所述顶盖222的厚度及橡胶量相较于传统的柔性顶盖小，从而降低了工艺实现难度，且降低成本。

进一步，所述侧壁21外表面具有凹槽210，所述凹槽210用于放置密封环(附图中未绘示)，以对所述介质隔离式压力传感器起到径向密封作用。

对于所述壳体20而言，若所述壳体20仅采用金属材料制成，则通常需要焊接，产生的焊接应力造成介质隔离式压力传感器输出精度下降，且金属薄膜壳体厚度极小，容易损伤，直接造成介质隔离式压力传感器的精度损失；若所述壳体20仅采用柔性材料制成，壳体20的支撑性不如金属材质，且密封困难，采用胶水粘接粘合，可靠性差。而本发明介质隔离式压力传感器的壳体包括由硬质材料构成的侧壁及柔性材料构成的顶盖，能够平衡测量精度及支撑力，兼顾了可靠性，也保证了介质隔离式压力传感器的输出，能够避免单一壳体材质带来的缺点，大大提高了介质隔离式压力传感器的性能。

另外，本发明介质隔离式压力传感器能够实现小型化，可应用于消费类电子，以及可穿戴产品上，大大提高了介质隔离式压力传感器的应用范围，且在介质隔离式压力传感器的标定上能批量的制作、标定、以及复测，大大提高生产效率，降低了生产成本。

本发明还提供一种介质隔离式压力传感器的制造方法。

图3是本发明第三实施提供的介质隔离式压力传感器的制造方法的步骤示意图，请参阅图3，所述介质隔离式压力传感器的制造方法包括如下步骤：

请参阅步骤S30及图1，提供一基板10及一壳体20，所述壳体20包括侧壁21及顶盖22，所述侧壁21与所述顶盖22密封连接，所述侧壁21为由硬质材料制成，所述顶盖22由柔性材料制成。

本发明还提供一种形成所述壳体20的方法。具体说明如下：

请参阅图4A，提供硬质材料形成的所述侧壁21。在该步骤中，可通过预成型技术形成所述侧壁21。进一步，在该步骤之后，还包括对所述侧壁进行清洁的步骤，以去除所述侧壁21表面的杂质，提高后续侧壁21与粘结层23的结合力。例如，在本实施例中，所述侧壁为金属材料制成，则在形成所述侧壁21后，对所述侧壁21进行喷砂、或有机清洗剂清洁金属表面，以去除金属表面的脂类等杂质。

请参阅图4B，在所述侧壁21的内侧面形成粘结层23。在该步骤中，可对所述侧壁21的内表面进行涂胶处理，所述处理方法可为浸泡或者喷涂，随后烘干，在所述侧壁21的表面形成胶水镀层，即所述粘结层23。其中，在该步骤中，在进行涂胶处理时，在所述侧壁21的全部内侧面均会形成粘结层，则在该步骤之后，去除多余的粘结层，仅保留需要形成顶盖22的区域对应的粘结层23。

请参阅图4C，将所述侧壁21置于模具上，所述模具与所述侧壁21的预设位置之间具有第一缝隙，且所述模具具有横向第二缝隙，所述第一缝隙与所述第二缝隙连通。其中，所述预设位置为所述侧壁21需要与顶盖连接的位置。

在该实施例中，所述模具包括上下相对设置的上模具41及下模具42，所述上模具41与所述侧壁21之间形成所述第一缝隙401，所述上模具41与所述下模具42之间形成所述第二缝隙402。在本发明其他实施例中，所述下模具42与所述侧壁21之间形成所述第一缝隙401，所述上模具41与所述下模具42之间形成所述第二缝隙402。

请参阅图4D，沿所述缝隙滴入柔性材料，并固化，形成所述顶盖，其中，所述侧壁与所述顶盖通过所述粘结层连接。在本实施例中，在所述第一缝隙401及所述第二缝隙402处滴入流动状态的橡胶，并高温处理，使橡胶成型，从而形成一体化的壳体20。所述壳体20具有良好的气密性，能够防止容纳腔内的介质液体泄漏。

本实施例采用橡胶硫化工艺形成所述顶盖22，方案容易实现且工艺实现难度小，粘接效果好，能做到良好的密闭。另外，采用滴胶的方式，能严格的控制橡胶量，保证产品的一致性。

上述为形成所述壳体20的一个实施例，在本发明其他实施例中，也可预先形成侧壁21及顶盖22，再采用粘合层23将所述侧壁21与所述顶盖22粘合。

请参阅步骤S31及图1，将至少一压力传感器芯片30置于所述基板10表面。

在该步骤中，可采用胶水将所述压力传感器芯片30固定在所述基板10上。在本实施例中，所述介质隔离式压力传感器还包括功能芯片，例如ASIC芯片31，所述ASIC芯片31堆叠设置在所述压力传感器芯片30上，以实现小型化封装。所述ASIC芯片31通过胶水粘结在所述压力传感器芯片30表面。所述压力传感器芯片30及ASIC芯片31通过金属导线与所述基板10电连接。所述压力传感器芯片30及ASIC芯片31上的信号通过金属导线进行传递，传递给基板10上。基板10上设有电连接线路，基板10底面设置有导电垫，金属导线与所述电连接线路连接，并通过所述导电垫将信号由内部传递给外部，形成一个完整的电路传递。

进一步，在本发明其他实施例中，所述压力传感器芯片30与所述ASIC芯片31也可平放，而不堆叠设置。

进一步，在本发明其他实施例中，所述压力传感器芯片30与所述ASIC芯片31的底部设置有锡球，以替代所述金属导线，实现电连接。

请参阅步骤S32及图1，将所述壳体20扣合在所述基板10上，所述壳体10与所述基板10形成容纳腔11，所述压力传感器芯片30置于所述容纳腔11内。在该步骤中，若所述侧壁21为金属材质，则在所述基板10上预留一圈焊环，通过SMT回流将基板10与侧壁21进行焊接；若所述侧壁21为其他材质，则在所述基板10可不设置所述焊环，而是直接利用胶水将所述侧壁21与所述基板10密封粘接。

可选地，所述基板10上设置有注油孔13，所述注油孔13与所述容纳腔11连通，在本实施例中，将所述壳体20扣合在所述基板11上的步骤之后还包括如下步骤：

请参阅步骤S33及图1，沿所述注油孔13向所述容纳腔11内注入填充介质液体，并密封所述注油孔13。所述介质液体充满所述容纳腔11，外界压力能够通过所述壳体20、所述介质液体传导至所述压力传感器芯片30。所述介质液体可为硅油。

可选地，可采用锡膏堵孔的方式或者胶水填充的方法密封所述注油孔13。可选地，在本发明一实施例中，采用钢珠密封所述注油孔13。以简化制作工艺。

本发明介质隔离式压力传感器的制造方法能够形成具有复合壳体的介质隔离式压力传感器，大大简化了介质隔离式压力传感器的制作工艺，降低制作难度，且能够平衡测量精度及支撑力，兼顾了可靠性，也保证了介质隔离式压力传感器的输出，能够避免单一壳体材质带来的缺点，大大提高了介质隔离式压力传感器的性能。

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 (12)

1.一种介质隔离式压力传感器，其特征在于，包括：

基板；

壳体，包括侧壁及顶盖，所述侧壁与所述顶盖密封连接，所述侧壁由硬质材料制成，所述顶盖由柔性材料制成，所述壳体扣合在所述基板上，形成容纳腔；

至少一压力传感器芯片，固定在所述基板上，且置于所述容纳腔内；

介质液体，充满所述容纳腔，外界压力能够通过所述壳体、所述介质液体传导至所述压力传感器芯片。

2.根据权利要求1所述的介质隔离式压力传感器，其特征在于，所述顶盖的端部与所述侧壁的侧面通过粘结层粘结。

3.根据权利要求2所述的介质隔离式压力传感器，其特征在于，所述顶盖包括连接部及盖板，所述连接部设置在所述顶盖的端部，且沿与所述侧壁平行的方向延伸，所述盖板位于所述连接部之间。

4.根据权利要求1所述的介质隔离式压力传感器，其特征在于，所述连接部与所述盖板形成凹型构型或者倒C型构型，且所述连接部与所述盖板一体成型。

5.根据权利要求1所述的介质隔离式压力传感器，其特征在于，所述顶盖采用橡胶硫化工艺制成，其厚度小于2毫米。

6.根据权利要求1所述的介质隔离式压力传感器，其特征在于，所述基板上设置有注油孔，所述注油孔与所述容纳腔连通，所述注油孔内填充有密封材料。

7.根据权利要求1所述的介质隔离式压力传感器，其特征在于，所述侧壁外表面具有凹槽，所述凹槽用于放置密封环。

8.一种介质隔离式压力传感器的制造方法，其特征在于，包括：

提供一基板及一壳体，所述壳体包括侧壁及顶盖，所述侧壁与所述顶盖密封连接，所述侧壁为由硬质材料制成，所述顶盖由柔性材料制成；

将至少一压力传感器芯片置于所述基板表面；

将所述壳体扣合在所述基板上，所述壳体与所述基板形成容纳腔，所述压力传感器芯片置于所述容纳腔内。

9.根据权利要求8所述的介质隔离式压力传感器的制造方法，其特征在于，形成所述壳体的方法进一步包括：

提供硬质材料形成的所述侧壁；

在所述侧壁的内侧面形成粘结层；

将所述侧壁置于模具上，所述模具与所述侧壁的预设位置之间具有第一缝隙，且所述模具具有横向第二缝隙，所述第一缝隙与所述第二缝隙连通；沿所述缝隙滴入柔性材料，并固化，形成所述顶盖，其中，所述侧壁与所述顶盖通过所述粘结层连接。

10.根据权利要求9所述的介质隔离式压力传感器的制造方法，其特征在于，所述模具包括相对设置的上模具及下模具，所述上模具与所述侧壁之间形成所述第一缝隙，所述上模具与所述下模具之间形成所述第二缝隙，或者所述下模具与所述侧壁之间形成所述第一缝隙，所述上模具与所述下模具之间形成所述第二缝隙。

11.根据权利要求9所述的介质隔离式压力传感器的制造方法，其特征在于，所述柔性材料为橡胶，其中，沿所述缝隙滴入柔性材料，并固化，形成所述顶盖的步骤中，采用橡胶硫化工艺形成所述顶盖。

12.根据权利要求8所述的介质隔离式压力传感器的制造方法，其特征在于，所述基板上设置有注油孔，所述注油孔与所述容纳腔连通，将所述壳体扣合在所述基板上的步骤之后还包括如下步骤：

沿所述注油孔向所述容纳腔内注入填充介质液体；

密封所述注油孔。

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