CN113697760B - 一种隔离封装自补偿谐振压力敏感芯片探头及其封装方法 - Google Patents

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Abstract

一种隔离封装自补偿谐振压力敏感芯片探头及其封装方法，它涉及一种探头及其封装方法。本发明为了解决现有的谐振压力敏感芯片存在Q值偏低和温度漂移，测量精度和长期稳定性下降的问题。本发明的可伐合金引脚安装在引线孔上，硅谐振压力敏感芯片为双芯片并安装在芯片粘接面上并留有空隙，硅谐振压力敏感芯片和可伐合金引脚通过电极键合引线连接；波纹膜片安装在波纹膜片接触面上，压环压装在波纹膜片上，隔离介质填充在间隙、探头介质传递通道、波纹膜片和密封管座之间形成的密闭空腔内。封装方法：对谐振层进行二次封装，使硅谐振压力敏感芯片处于隔离介质中工作。本发明用于压力的测量以及压力芯片探头的封装。

Description

一种隔离封装自补偿谐振压力敏感芯片探头及其封装方法
技术领域
本发明涉及一种自补偿谐振压力敏感芯片探头及其封装方法，具体涉及一种隔离封装自补偿谐振压力敏感芯片探头，属于MEMS谐振式压力传感器领域。
背景技术
硅谐振压力传感器通过测量谐振芯片的固有频率变化量间接测量压力，精度比一般压力传感器高出1-2个数量级，工作可靠，具有较好的稳定性、重复性。
传统硅谐振压力传通过直接接触被测压力实现压力测量，可适用于洁净气体的高精度压力测量；当被测压力环境处于高腐蚀液体或气体环境中海水，油路等的压力测量，传统硅谐振压力传感器长期处于腐蚀状态下工作，容易导致硅谐振压力探头结构性损害和压力芯片被腐蚀，导致性能降低或传感器失效。
同时硅谐振压力传感器的核心部分为谐振器，Q值是评价谐振器的核心指标，Q值越大谐振器性能越好。稳定的封装环境可以保证谐振器以固定Q值工作，从而保证硅谐振压力传感器具有高稳定性。漏率是谐振压力传感器芯片稳定性能的重要参数。最常见的压力绝压测量芯片密封腔是通过硅-硅键合、硅-玻璃键合和其他晶体材料键合制备的。
而现有谐振压力敏感芯片的支撑梁强度和刚度低，其谐振频率偏低，进而导致其核心指标Q值也偏低，影响其测量精度和应用范围。同时，现有的封装方法通常采用绝压腔裸露在大气压力范围内，进而使高精度绝对压力传感器密封腔的漏率增大，真空腔内的压力变大，直接影响传感器芯片的信号输出值，导致传感器芯片存在测量精度和长期稳定性下降的问题。
由于现有压力传感器在实际使用过程中，压力芯片本身对温度比较敏感，会随着温度的变化产生一定的漂移量；另外在封装过程中，传感器需要充灌硅油，以便把力从压力膜片，传导到压力芯片上，硅油在温度变化中，产生热胀冷缩，从而产生一定的应力，这个应力作用到压力芯片上，造成传感器的温度漂移；该温度漂移会导致传感器测量外界压力不准确，给压力的测量带来了不便。
综上所述，现有的谐振压力敏感芯片存在Q值偏低和温度漂移，影响其测量精度和应用范围的问题，以及现有封装方法存在测量精度和长期稳定性下降的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的谐振压力敏感芯片存在Q值偏低和温度漂移，影响其测量精度和应用范围的问题，以及现有封装方法存在测量精度和长期稳定性下降的问题。进而提供一种隔离封装结构的自补偿式硅谐振压力敏感芯片探头。
本发明的技术方案是：一种隔离封装自补偿谐振压力敏感芯片探头，它包括压环、波纹膜片、硅谐振压力敏感芯片、可伐合金引脚、电极键合引线、两个探头介质传递通道、密封管座和隔离介质，
密封管座的上端面为波纹膜片接触面，所述波纹膜片接触面上开设阶梯槽，所述阶梯槽的上阶梯面为引线孔面，下阶梯面为芯片粘接面，两个探头介质传递通道开设在所述芯片粘接面上，在所述引线孔面上竖直开设有多个引线孔，密封管座的外圆柱面中上部开设有环形密封槽；
可伐合金引脚通过玻璃烧结的方式竖直安装在密封管座的引线孔上，硅谐振压力敏感芯片通过胶粘的方式安装在密封管座的芯片粘接面上，且硅谐振压力敏感芯片与阶梯槽的侧壁之间留有空隙，硅谐振压力敏感芯片和可伐合金引脚之间通过电极键合引线连接；波纹膜片安装在波纹膜片接触面上，压环压装在波纹膜片上，隔离介质填充在所述空隙、探头介质传递通道、波纹膜片和密封管座之间形成的密闭空腔内；
硅谐振压力敏感芯片包括芯片上盖、谐振层、压力硅基衬底、温度硅基衬底和应力隔离层，芯片上盖、谐振层、压力硅基衬底及温度硅基衬底和应力隔离层由上至下依次连接并制成一体，
谐振层包括压力谐振器和温度谐振器，温度谐振器和压力谐振器由左至右分别安装在温度硅基衬底和压力硅基衬底上，所述压力硅基衬底的下端面为开设有倒梯形的感压槽，温度硅基衬底的下端面为水平端面，芯片上盖与压力温度硅基衬底和硅基衬底之间均形成绝压腔室，谐振层位于所述绝压腔室内。
本发明还提供了一种封装方法，它包括以下步骤：
步骤一：密封管座的制作及清洗；
玻璃浆料将密封管座中的引线孔和上下引脚烧结至一起形成密封引脚结构，密封管座为不锈钢材质；
用头部涂覆有聚四氟乙烯的不锈钢镊子分别夹取粘有丙酮和无水乙醇的绸布清洗密封管座，然后用无水乙醇清洗20s以上，放入干燥箱内干燥；将硅谐振压力敏感芯片先后放入丙酮和无水乙醇中，对密封管座和硅谐振压力敏感芯片分别进行超声清洗15min，将专用夹具陶瓷环先后放入丙酮和无水乙醇中超声清洗15±3min；
步骤二：涂胶和粘接；
将密封管座固定在夹具上，用牙签挑取730胶或使用自动点胶机在密封管座上依据硅谐振压力敏感芯片的外形均匀点6个点，然后将硅谐振压力敏感芯片嵌入其中，用陶瓷棒在硅谐振压力敏感芯片的芯片上盖上部压紧，保证密封管座上的外界压力孔与应力隔离层的感压通孔对应，接着继续用牙签挑取730胶或使用自动点胶机进行点胶，可伐合金引脚与专用夹具陶瓷环的通孔相对应，对可伐合金引脚进行保护，待涂完胶后，将陶瓷环取出；
步骤三：胶的固化；
将步骤二中粘接有硅谐振压力敏感芯片的密封管座放在一个恒温恒湿的环境中固化20-30个小时；
步骤四：电极键合引线的压焊；
步骤四一：将密封管座固定在夹具上，在劈刀尖部距引出电极表面电极键合引线直径为2.5倍的距离处，将电极键合引线与引出电极焊接在一起；
步骤四二：通过热焊笔将电极键合引线的另一端焊接在可伐合金引脚上，电极键合引线的长度在压焊两点时自动形成；
步骤四三：对电极键合引线进行拉断力测试，直至该拉断力满足设计要求为止；
步骤五：对可伐合金引脚和密封管座进行绝缘测试；
采用绝缘电阻测试仪测试可伐合金引脚的各引脚与密封管座之间的绝缘电阻，电阻应大于设计极限值；
步骤六：硅谐振压力敏感芯片的基础性能测试；
采用吸水球吹动引压力孔，压力变化小于几百赫兹，同时温度频率不变化；此时，硅谐振压力敏感芯片满足设计要求；
步骤七：将压环和波纹膜片焊接在密封管座上；
将密封管座固定在夹具上，波纹膜片放在波纹膜片接触面的上面，波纹膜片的上面放上压环，然后利用氩弧焊接或电子束焊接，然后进行熔深测试；接着重复步骤五；
步骤八：向密封管座中的密闭空腔内注油进行油封；
步骤八一：采用BYS-Ⅱ型双室液封装置将隔离介质注入密封管座中的密闭空腔内，真空度小于10-9Pa，隔离介质为惰性有机液体；
步骤八二：先用Φ2钢珠封住1.3mm的介质注入孔，再采用储能焊将注满隔离介质的介质注入孔封堵焊接；
至此，完成了隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头的封装；
步骤九：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行电气测试；
在恒定的常压条件下进行电气测试，当谐振压力敏感芯片探头不发生跳频现象，且频率朝一个方向变化时，且小于3秒的时间内达到稳定为合格；
步骤十：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行压力疲劳和老化测试；
谐振压力敏感芯片探头装在夹具上，并与气压疲劳机或液压疲劳机连接，疲劳次数5000/10000次，在放在高低温试验箱内进行温度老化实验，共同来释放谐振压力敏感芯片探头内部应力，提高隔离封装结构的谐振压力敏感芯片的输出稳定性；
步骤十一：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行气密性检测；
将谐振压力敏感芯片探头与压力控制器连接，进行气密性检测，压力变化值不超过±2Pa，此时，谐振压力敏感芯片探头的气密性合格；
步骤十二：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行激光打标和筛选，转入下一生产阶段。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、本发明提出了一种基于隔离式封装结构的自补偿式谐振压力敏感芯片探头，芯片采用双谐振器芯片通过补偿处理，可以降低温度、加速度等环境干扰，提高传感器精度，同时对谐振芯片进行二次封装，使谐振芯片处于隔离介质中工作，实现在腐蚀环境下的高精度压力测量，增加了探头在恶劣环境中可靠性；同时由于隔离介质不进入绝压腔室，所以自补偿式硅谐振压力芯片具有很低的漏率，从而提高传自补偿式硅谐振压力传感器的稳定性。
2、本发明基于芯片探头二次隔离封装，使自补偿式硅谐振压力敏感芯片3在恶劣环境中通过隔离介质8的形变实现间接压力测量；同时由于隔离介质8无法进入谐振层302，可以有效降低自补偿式硅谐振压力敏感芯片3的漏率，同时双谐振器中压力谐振器3021和温度谐振器3022通过输出信号实现自补偿。将自补偿式硅谐振压力敏感芯片3密封至充满隔离介质8的密封管座7内部，通过电极键合引线5将芯片电极和可伐合金引脚4进行焊接，将传感器信号进行传输，同时伐合金引脚4保证整体密封管座7内部的密封性；当波纹膜片2表面受到压力产生可恢复的形变，使隔离介质8体积发生改变，通过本发明的探头介质传递通道6将由体积变化引起的压力和其他物理量变化传递至自补偿式谐振压力敏感芯片3的压力谐振器3021和温度谐振器3022上，实现双谐振器信号输出，实现自补偿，提高传感器精度。
3、采用本发明制备的自补偿式硅谐振压力敏感探头，自补偿式硅谐振压力敏感芯片3封装于充满隔离介质8的密封管座7内，由于隔离介质8完全包裹自补偿式硅谐振压力敏感芯片3，自补偿式硅谐振压力敏感芯片3外部处于力学平衡状态，降低了应力隔离层303的隔离层下表面和密封管座7的芯片粘接面702的连接压力，有效降低封装应力，增大了密封面的强度，拓展了自补偿式硅谐振压力敏感探头测量量程；本发明同时改变了自补偿式硅谐振压力敏感探头的感压方向，由背向感压，实现了正面感压，降低了后续传感器安装难度，同时处于二次隔离封装的环境下的双芯片，处于相同通工作环境如加速度影响、温度影响等，温度谐振器3022对被测压力变化不敏感，用于测量除压力外其他物理量，压力谐振器3021测量压力及其他物理量，通过将双路谐振器输出信号做差，可以剔除由于温漂、加速度等其他物理量对于自补偿式硅谐振压力敏感芯片3的影响，可以实现高精度的压力输出值。
4、本发明的隔离介质8充满整个探头，隔离介质8使自补偿式硅谐振压力敏感芯片3外部处于平衡力状态下工作，增大了自补偿式硅谐振压力敏感芯片3与密封管座7的芯片粘接面702密封连接的强度，增加了高精度压力的测量范围；自补偿式硅谐振压力敏感芯片3处于隔离介质8中，与外界环境进行隔离，提升了自补偿式硅谐振压力敏感芯片3在恶劣环境中工作的可靠性；由于探头内部无空气，芯片被隔离介质8包裹，可以维持自补偿式硅谐振压力敏感芯片3谐振层302内的真空度，提高传感器的稳定性；隔离介质8可为硅油等稳定的有机液体，对探头内部各组件无损害。
5、所述的隔离式封装结构通过隔离介质8填充探头内部，将自补偿式硅谐振压力敏感芯片3与外部环境密封隔离，通过隔离介质将待测量传递至自补偿式硅谐振压力敏感芯片3，自补偿式硅谐振压力敏感芯片3处于隔离介质中工作，实现腐蚀环境等恶劣环境下的高精度压力探测，提高自补偿式硅谐振压力敏感芯片3的可靠性，同时探头内部与外界隔离，可提自补偿式高硅谐振压力敏感芯片3的稳定性，同时处于二次隔离封装环境下的双芯片，处于相同通工作环境如加速度影响、温度影响等，温度谐振器3022对被测压力变化不敏感，用于测量除压力外其他物理量，压力谐振器3021测量压力及其他物理量，通过将双路谐振器输出信号做差，可以剔除由于温漂、加速度等其他物理量对于自补偿式硅谐振压力敏感芯片2的影响，可以实现高精度的压力输出值。
附图说明
图1是本发明的全剖视图；
图2是波纹膜片的俯视图；图3是图2的主剖视图；
图4是自补偿式硅谐振压力敏感芯片的主剖视图；
图5是可伐合金引脚的主剖视图；
图6是两个探头介质传递通道的俯视图；
图7是密封管座的主剖视图；
图8是压力谐振器或者温度谐振器的俯视图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：结合图1～图8说明本实施方式，本实施方式的一种隔离封装自补偿谐振压力敏感芯片探头，它包括压环1、波纹膜片2、硅谐振压力敏感芯片3、可伐合金引脚4、电极键合引线5、两个探头介质传递通道6、密封管座7和隔离介质8，
密封管座7的上端面为波纹膜片接触面701，所述波纹膜片接触面701上开设阶梯槽，所述阶梯槽的上阶梯面为引线孔面704，下阶梯面为芯片粘接面702，两个探头介质传递通道6开设在所述芯片粘接面702上，在所述引线孔面704上竖直开设有多个引线孔703，密封管座7的外圆柱面中上部开设有环形密封槽705；
可伐合金引脚4通过玻璃烧结的方式竖直安装在密封管座7的引线孔703上，硅谐振压力敏感芯片3通过胶粘的方式安装在密封管座7的芯片粘接面702上，且硅谐振压力敏感芯片3与阶梯槽的侧壁之间留有空隙，硅谐振压力敏感芯片3和可伐合金引脚4之间通过电极键合引线5连接；波纹膜片2安装在波纹膜片接触面701上，压环1压装在波纹膜片2上，隔离介质8填充在所述空隙、探头介质传递通道6、波纹膜片2和密封管座7之间形成的密闭空腔内；
硅谐振压力敏感芯片3包括芯片上盖301、谐振层302、压力硅基衬底3021-1、温度硅基衬底3021-2和应力隔离层303，芯片上盖301、谐振层302、压力硅基衬底3021-1、温度硅基衬底3021-2和应力隔离层303由上至下依次连接并制成一体，
谐振层302包括压力谐振器3021和温度谐振器3022，温度谐振器3022和压力谐振器3021由左至右分别安装在压力温度硅基衬底3021-2和硅基衬底3021-1上，所述压力硅基衬底3021-1的下端面为开设有倒梯形的感压槽，温度硅基衬底3021-2的下端面为水平端面，芯片上盖301与压力温度硅基衬底3021-2和硅基衬底3021-1之间均形成绝压腔室，谐振层302位于所述绝压腔室内。
本实施方式的压力硅基衬底3021-1的下端面为开设有倒梯形的感压槽便于精确感受介质压力，并传递至谐振层302，同时硅基衬底3021与芯片上盖301之间形成的绝压腔室用以保护谐振层302，避免谐振层302处于工作状态时受到的其它介质的阻力，进而影响探头测量精度。
本实施方式的温度硅基衬底3021-2的下端面为水平端面，主要用于均匀的感受介质温度，同时，防止压力对芯片的影响。
具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式的相邻两个应力隔离层303之间且位于压力硅基衬底3021-1的正下方设有感压通孔3031。如此设置，使介质压力精确的传递至谐振层302。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式的相邻两个应力隔离层303之间且位于温度硅基衬底3021-2的正下方设有感温通孔3032。如此设置，便于压力传递至硅基衬底3021上，进而传递至谐振层302上，达到感压的目的。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图8说明本实施方式，本实施方式的压力谐振器3021和温度谐振器3022的结构相同，均包括四个引出电极3050、两个驱动电极3023、备用电极3024、两个敏感梳齿电极3025、两个稳固梁3026、两个横拉梁3027、锚块3028和电极通路3029，
两个驱动电极3023上下平行设置，且每个驱动电极3023的左右两侧分别安装有一个引出电极3050，两个驱动电极3023的相对侧安装有一个敏感梳齿电极3025，两个敏感梳齿电极3025的内侧分别安装有一个稳固梁3026，两个稳固梁3026的内侧分别安装有一个横拉梁3027，两个横拉梁3027之间安装有一个锚块3028，锚块3028与备用电极3024之间通过电极通路3029连接。如此设置，电极通路3029构成三角形稳定结构，在保证信号传输前提下，提升电极固支的强度，可有效提升谐振层的稳定性，以适用于更高频率的振动及压力变化引起的形变幅度。同时，设置一个锚块3028，加大了力臂边长，可有效提升锚块3028受力产生的扭矩，提升后端连接相关受力梁的形变。进而提升谐振频率，增大传感器分辨率。其它组成及连接关系与具体实施方式一至三中任意一项相同。
具体实施方式五：结合图8说明本实施方式，本实施方式的每个横拉梁3027的端部均为“Y”型梁结构。如此设置，双固支点的“Y”型梁结构，形成三角形稳定结构，可提升刚性强度，提高传感器的可靠性。其它组成及连接关系与具体实施方式一至四中任意一项相同。
具体实施方式六：结合图8说明本实施方式，本实施方式的每个稳固梁3026均包括左右对称的两个稳固单元，
每个稳固单元均包括第一连接支撑梁901、第一斜拉梁平行支撑梁901-1、第一斜拉梁垂直支撑梁901-2、第一平行支撑梁垂直梁901-3、第一斜拉梁稳固梁901-4和第二斜拉梁稳固梁901-5，
第一斜拉梁平行支撑梁901-1、第一斜拉梁稳固梁901-4、第二斜拉梁稳固梁901-5和敏感梳齿电极3025之间形成梯形结构，第一斜拉梁垂直支撑梁901-2和第一平行支撑梁垂直梁901-3垂直于第一斜拉梁平行支撑梁901-1，且第一斜拉梁垂直支撑梁901-2和第一平行支撑梁垂直梁901-3均与第一斜拉梁稳固梁901-4和第二斜拉梁稳固梁901-5以及第一斜拉梁平行支撑梁901-1之间形成直角三角形，
第一连接支撑梁901的一端与第一斜拉梁垂直支撑梁901-2和第一斜拉梁平行支撑梁901-1的交叉点重合，第一连接支撑梁901的另一端与第一平行支撑梁垂直梁901-3和第二斜拉梁稳固梁901-5的交叉点重合。
如此设置，可形成三角支撑结构，增大谐振层各支撑梁的强度以及敏感梳齿电极3025的斜拉力，从而增加力学振动传递强度，提高芯片振动频率，进而可有效增大测量量程，并降低了外界扰动，从而提升稳定性。其它组成及连接关系与具体实施方式一至五中任意一项相同。
具体实施方式七：结合图6说明本实施方式，本实施方式的探头介质传递通道6包括介质槽601和介质注入孔602，
介质槽601为线性深槽结构，介质槽601包括芯片介质槽6011、第一侧壁介质引压槽6012、第二侧壁介质引压槽6013和第三侧壁介质引压槽6014，芯片介质槽6011水平布置，第一侧壁介质引压槽6012、第二侧壁介质引压槽6013和第三侧壁介质引压槽6014竖直布置，且第二侧壁介质引压槽6013和第三侧壁介质引压槽6014关于第一侧壁介质引压槽6012对称设置，形成“Y”字形介质槽；介质注入孔602与第一侧壁介质引压槽6012的端部连接。
如此设置，便于隔离介质8的封堵，同时在注入隔离介质8时，隔离介质8可有效环绕硅谐振压力敏感芯片3，使得外界介质压力精确传递至压力谐振器，以及介质温度精确传递至温度谐振器，并起到降低硅谐振压力敏感芯片3的漏率，以及对其进行有效保护作用。其它组成及连接关系与具体实施方式一至六中任意一项相同。
具体实施方式八：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式的封装方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：密封管座7的制作及清洗；
玻璃浆料将密封管座7中的引线孔703和上下引脚烧结至一起形成密封引脚结构，密封管座7为不锈钢材质；
用头部涂覆有聚四氟乙烯的不锈钢镊子分别夹取粘有丙酮和无水乙醇的绸布清洗密封管座7，然后用无水乙醇清洗20s以上，放入干燥箱内干燥；将硅谐振压力敏感芯片3先后放入丙酮和无水乙醇中，对密封管座7和硅谐振压力敏感芯片3分别进行超声清洗15min，将专用夹具陶瓷环先后放入丙酮和无水乙醇中超声清洗15±3min；
步骤二：涂胶和粘接；
将密封管座7固定在夹具上，用牙签挑取730胶或使用自动点胶机在密封管座7上依据硅谐振压力敏感芯片3的外形均匀点6个点，然后将硅谐振压力敏感芯片3嵌入其中，用陶瓷棒在硅谐振压力敏感芯片3的芯片上盖301上部压紧，保证密封管座7上的外界压力孔与应力隔离层303的感压通孔3031对应，接着继续用牙签挑取730胶或使用自动点胶机进行点胶，可伐合金引脚4与专用夹具陶瓷环的通孔相对应，对可伐合金引脚4进行保护，待涂完胶后，将陶瓷环取出；
步骤三：胶的固化；
将步骤二中粘接有硅谐振压力敏感芯片3的密封管座7放在一个恒温恒湿的环境中固化20-30个小时；
步骤四：电极键合引线5的压焊；
步骤四一：将密封管座7固定在夹具上，在劈刀尖部距引出电极3050表面电极键合引线5直径为2.5倍的距离处，将电极键合引线5与引出电极3050焊接在一起；
步骤四二：通过热焊笔将电极键合引线5的另一端焊接在可伐合金引脚4上，电极键合引线5的长度在压焊两点时自动形成；
步骤四三：对电极键合引线5进行拉断力测试，直至该拉断力满足设计要求为止；
步骤五：对可伐合金引脚4和密封管座7进行绝缘测试；
采用绝缘电阻测试仪测试可伐合金引脚4的各引脚与密封管座7之间的绝缘电阻，电阻应大于设计极限值；
步骤六：硅谐振压力敏感芯片3的基础性能测试；
采用吸水球吹动引压力孔，压力变化小于几百赫兹，同时温度频率不变化；此时，硅谐振压力敏感芯片3满足设计要求；
步骤七：将压环1和波纹膜片2焊接在密封管座7上；
将密封管座7固定在夹具上，波纹膜片2放在波纹膜片接触面701的上面，波纹膜片2的上面放上压环1，然后利用氩弧焊接或电子束焊接，然后进行熔深测试；接着重复步骤五；
步骤八：向密封管座7中的密闭空腔内注油进行油封；
步骤八一：采用BYS-Ⅱ型双室液封装置将隔离介质8注入密封管座7中的密闭空腔内，真空度小于10-9Pa，隔离介质8为惰性有机液体；
步骤八二：先用Φ2钢珠封住1.3mm的介质注入孔602，再采用储能焊将注满隔离介质8的介质注入孔602封堵焊接；
至此，完成了隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头的封装；
步骤九：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行电气测试；
在恒定的常压条件下进行电气测试，当谐振压力敏感芯片探头不发生跳频现象，且频率朝一个方向变化时，且小于3秒的时间内达到稳定为合格；
步骤十：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行压力疲劳和老化测试；
谐振压力敏感芯片探头装在夹具上，并与气压疲劳机或液压疲劳机连接，疲劳次数5000/10000次，在放在高低温试验箱内进行温度老化实验，共同来释放谐振压力敏感芯片探头内部应力，提高隔离封装结构的谐振压力敏感芯片的输出稳定性；
步骤十一：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行气密性检测；
将谐振压力敏感芯片探头与压力控制器连接，进行气密性检测，压力变化值不超过±2Pa，此时，谐振压力敏感芯片探头的气密性合格；
步骤十二：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行激光打标和筛选，转入下一生产阶段。
本发明的工作原理：
如图1至图8所示，本发明采用可焊接方式或其他物理连接方式，将压环1、波纹膜片2重叠放置，然后焊接到隔离封装探头结构的最顶部，压环1的外形尺寸与密封管座7的接触面701以及波纹膜片2的外形尺寸需进行配做，压环1为对称圆环结构，与波纹膜片2和密封管座7的波纹膜片接触面701形成多层重叠结构，重叠结构外壁为焊接焊口，通过焊接形成一体结构，使探头内部形成密封腔体；同时压环1、波纹膜片2和密封管座7为可相互焊接材料，如三者材料同为不锈钢。
本发明所涉及的真空焊接多为真空电子束焊接或者氩弧焊等。波纹膜片2将隔离介质8密封在密封管座7中，与外界环境进行隔离；波纹膜片2上下表面均匀分布若干波纹，当波纹膜片2表面受到压力时，产生可恢复的形变，使隔离介质8体积发生改变，通过探头介质传递通道6将由体积变化引起的压力及其他物理量变化传递至自补偿式硅谐振压力敏感芯片3中实现测量，波纹膜片2起到密封、隔离和压力传递的作用；波纹膜片2为金属薄片，采用模具冲压一体形成，上下表面具有相同的冲压后的波纹结构，波纹可以增加受外力时波纹膜片2的形变量，同时波纹可以加快波纹膜片2的形变恢复。
谐振层302置于自补偿式硅谐振压力敏感芯片3中间层，谐振层302为双谐振器，由压力谐振器3021和温度谐振器3022组成，双谐振器通过差分处理实现自补偿输出，双谐振器为一体结构，压力谐振器3021和温度谐振器3022仅敏感膜厚度不同，其他结构相同，双谐振器均采用的多平衡梁结构，仅当被测量变化时，谐振层302固有频率改变，通过静电激励及压阻检测原理实现物理量测量，其中温度谐振器3022对被测压力变化不敏感，用于测量除压力外其他物理量，压力谐振器3021测量压力及其他物理量，双谐振器通过差分处理，实现压力自补偿输出。

Claims (8)

1.一种隔离封装自补偿谐振压力敏感芯片探头，其特征在于：它包括压环(1)、波纹膜片(2)、硅谐振压力敏感芯片(3)、可伐合金引脚(4)、电极键合引线(5)、两个探头介质传递通道(6)、密封管座(7)和隔离介质(8)，
密封管座(7)的上端面为波纹膜片接触面(701)，所述波纹膜片接触面(701)上开设阶梯槽，所述阶梯槽的上阶梯面为引线孔面(704)，下阶梯面为芯片粘接面(702)，两个探头介质传递通道(6)开设在所述芯片粘接面(702)上，在所述引线孔面(704)上竖直开设有多个引线孔(703)，密封管座(7)的外圆柱面中上部开设有环形密封槽(705)；
可伐合金引脚(4)通过玻璃烧结的方式竖直安装在密封管座(7)的引线孔(703)上，硅谐振压力敏感芯片(3)通过胶粘的方式安装在密封管座(7)的芯片粘接面(702)上，且硅谐振压力敏感芯片(3)与阶梯槽的侧壁之间留有空隙，硅谐振压力敏感芯片(3)和可伐合金引脚(4)之间通过电极键合引线(5)连接；波纹膜片(2)安装在波纹膜片接触面(701)上，压环(1)压装在波纹膜片(2)上，隔离介质(8)填充在所述空隙、两个探头介质传递通道(6)、波纹膜片(2)和密封管座(7)之间形成的密闭空腔内；
硅谐振压力敏感芯片(3)包括芯片上盖(301)、谐振层(302)、压力硅基衬底(3021-1)、温度硅基衬底(3021-2)和应力隔离层(303)，芯片上盖(301)、谐振层(302)、压力硅基衬底(3021-1)及温度硅基衬底(3021-2)和应力隔离层(303)由上至下依次连接并制成一体，
谐振层(302)包括压力谐振器(3021)和温度谐振器(3022)，温度谐振器(3022)和压力谐振器(3021)由左至右分别安装在压力温度硅基衬底(3021-2)和压力硅基衬底(3021-1)上，所述压力硅基衬底(3021-1)的下端面为开设有倒梯形的感压槽，温度硅基衬底(3021-2)的下端面为水平端面，芯片上盖(301)与压力温度硅基衬底(3021-2)和压力硅基衬底(3021-1)之间均形成绝压腔室，谐振层(302)位于所述绝压腔室内。
2.根据权利要求1所述的一种隔离封装自补偿谐振压力敏感芯片探头，其特征在于：相邻两个应力隔离层(303)之间且位于压力硅基衬底(3021-1)的正下方设有感压通孔(3031)。
3.根据权利要求2所述的一种隔离封装自补偿谐振压力敏感芯片探头，其特征在于：相邻两个应力隔离层(303)之间且位于温度硅基衬底(3021-2)的正下方设有感温通孔(3032)。
4.根据权利要求3所述的一种隔离封装自补偿谐振压力敏感芯片探头，其特征在于：压力谐振器(3021)和温度谐振器(3022)的结构相同，均包括四个引出电极(3050)、两个驱动电极(3023)、备用电极(3024)、两个敏感梳齿电极(3025)、两个稳固梁(3026)、两个横拉梁(3027)、锚块(3028)和电极通路(3029)，
两个驱动电极(3023)上下平行设置，且每个驱动电极(3023)的左右两侧分别安装有一个引出电极(3050)，两个驱动电极(3023)的相对侧安装有一个敏感梳齿电极(3025)，两个敏感梳齿电极(3025)的内侧分别安装有一个稳固梁(3026)，两个稳固梁(3026)的内侧分别安装有一个横拉梁(3027)，两个横拉梁(3027)之间安装有一个锚块(3028)，锚块(3028)与备用电极(3024)之间通过电极通路(3029)连接。
5.根据权利要求4所述的一种隔离封装自补偿谐振压力敏感芯片探头，其特征在于：每个横拉梁(3027)的端部均为“Y”型梁结构。
6.根据权利要求5所述的一种隔离封装自补偿谐振压力敏感芯片探头，其特征在于：每个稳固梁(3026)均包括左右对称的两个稳固单元，
每个稳固单元均包括第一连接支撑梁(901)、第一斜拉梁平行支撑梁(901-1)、第一斜拉梁垂直支撑梁(901-2)、第一平行支撑梁垂直梁(901-3)、第一斜拉梁稳固梁(901-4)和第二斜拉梁稳固梁(901-5)，
第一斜拉梁平行支撑梁(901-1)、第一斜拉梁稳固梁(901-4)、第二斜拉梁稳固梁(901-5)和敏感梳齿电极(3025)之间形成梯形结构，第一斜拉梁垂直支撑梁(901-2)和第一平行支撑梁垂直梁(901-3)垂直于第一斜拉梁平行支撑梁(901-1)，且第一斜拉梁垂直支撑梁(901-2)和第一平行支撑梁垂直梁(901-3)均与第一斜拉梁稳固梁(901-4)和第二斜拉梁稳固梁(901-5)以及第一斜拉梁平行支撑梁(901-1)之间形成直角三角形，
第一连接支撑梁(901)的一端与第一斜拉梁垂直支撑梁(901-2)和第一斜拉梁平行支撑梁(901-1)的交叉点重合，第一连接支撑梁(901)的另一端与第一平行支撑梁垂直梁(901-3)和第二斜拉梁稳固梁(901-5)的交叉点重合。
7.根据权利要求6所述的一种隔离封装自补偿谐振压力敏感芯片探头，其特征在于：探头介质传递通道(6)包括介质槽(601)和介质注入孔(602)，
介质槽(601)为线性深槽结构，介质槽(601)包括芯片介质槽(6011)、第一侧壁介质引压槽(6012)、第二侧壁介质引压槽(6013)和第三侧壁介质引压槽(6014)，芯片介质槽(6011)水平布置，第一侧壁介质引压槽(6012)、第二侧壁介质引压槽(6013)和第三侧壁介质引压槽(6014)竖直布置，且第二侧壁介质引压槽(6013)和第三侧壁介质引压槽(6014)关于第一侧壁介质引压槽(6012)对称设置，形成“Y”字形介质槽；介质注入孔(602)与第一侧壁介质引压槽(6012)的端部连接。
8.一种针对权利要求7中所述的一种隔离封装自补偿谐振压力敏感芯片探头的封装方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：密封管座(7)的制作及清洗；
玻璃浆料将密封管座(7)中的引线孔(703)和上下引脚烧结至一起形成密封引脚结构，密封管座(7)为不锈钢材质；
用头部涂覆有聚四氟乙烯的不锈钢镊子分别夹取粘有丙酮和无水乙醇的绸布清洗密封管座(7)，然后用无水乙醇清洗20s以上，放入干燥箱内干燥；将硅谐振压力敏感芯片(3)先后放入丙酮和无水乙醇中，对密封管座(7)和硅谐振压力敏感芯片(3)分别进行超声清洗15min，将专用夹具陶瓷环先后放入丙酮和无水乙醇中超声清洗15±3min；
步骤二：涂胶和粘接；
将密封管座(7)固定在夹具上，用牙签挑取730胶或使用自动点胶机在密封管座(7)上依据硅谐振压力敏感芯片(3)的外形均匀点6个点，然后将硅谐振压力敏感芯片(3)嵌入其中，用陶瓷棒在硅谐振压力敏感芯片(3)的芯片上盖(301)上部压紧，保证密封管座(7)上的外界压力孔与应力隔离层(303)的感压通孔(3031)对应，接着继续用牙签挑取730胶或使用自动点胶机进行点胶，可伐合金引脚(4)与专用夹具陶瓷环的通孔相对应，对可伐合金引脚(4)进行保护，待涂完胶后，将陶瓷环取出；
步骤三：胶的固化；
将步骤二中粘接有硅谐振压力敏感芯片(3)的密封管座(7)放在一个恒温恒湿的环境中固化20-30个小时；
步骤四：电极键合引线(5)的压焊；
步骤四一：将密封管座(7)固定在夹具上，在劈刀尖部距引出电极(3050)表面电极键合引线(5)直径为2.5倍的距离处，将电极键合引线(5)与引出电极(3050)焊接在一起；
步骤四二：通过热焊笔将电极键合引线(5)的另一端焊接在可伐合金引脚(4)上，电极键合引线(5)的长度在压焊两点时自动形成；
步骤四三：对电极键合引线(5)进行拉断力测试，直至该拉断力满足设计要求为止；
步骤五：对可伐合金引脚(4)和密封管座(7)进行绝缘测试；
采用绝缘电阻测试仪测试可伐合金引脚(4)的各引脚与密封管座(7)之间的绝缘电阻，电阻应大于设计极限值；
步骤六：硅谐振压力敏感芯片(3)的基础性能测试；
采用吸水球吹动引压力孔，压力变化小于几百赫兹，同时温度频率不变化；此时，硅谐振压力敏感芯片(3)满足设计要求；
步骤七：将压环(1)和波纹膜片(2)焊接在密封管座(7)上；
将密封管座(7)固定在夹具上，波纹膜片(2)放在波纹膜片接触面(701)的上面，波纹膜片(2)的上面放上压环压环(1)，然后利用氩弧焊接或电子束焊接，然后进行熔深测试；接着重复步骤五；
步骤八：向密封管座(7)中的密闭空腔内注油进行油封；
步骤八一：采用BYS-Ⅱ型双室液封装置将隔离介质(8)注入密封管座(7)中的密闭空腔内，真空度小于10-9Pa，隔离介质(8)为惰性有机液体；
步骤八二：先用Φ2钢珠封住1.3mm的介质注入孔(602)，再采用储能焊将注满隔离介质(8)的介质注入孔(602)封堵焊接；
至此，完成了隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头的封装；
步骤九：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行电气测试；
在恒定的常压条件下进行电气测试，当谐振压力敏感芯片探头不发生跳频现象，且频率朝一个方向变化时，且小于3秒的时间内达到稳定为合格；
步骤十：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行压力疲劳和老化测试；
谐振压力敏感芯片探头装在夹具上，并与气压疲劳机或液压疲劳机连接，疲劳次数5000/10000次，在放在高低温试验箱内进行温度老化实验，共同来释放谐振压力敏感芯片探头内部应力，提高隔离封装结构的谐振压力敏感芯片的输出稳定性；
步骤十一：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行气密性检测；
将谐振压力敏感芯片探头与压力控制器连接，进行气密性检测，压力变化值不超过±2Pa，此时，谐振压力敏感芯片探头的气密性合格；
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