CN114216519A - 一种温压一体的传感器封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温压一体的传感器封装结构，包括固连于金属组件，金属组件的底部向外延伸出一封闭式流体通道和一开口式流体通道，于开口式流体通道向上延伸的端口上方固连有一块金属板，MEMS压力芯片通过玻璃粉高温烧结之后固连于金属板上，柔性电路板安装于金属板的上方，ASIC调理芯片固连于柔性电路板上，封闭式流体通道向外延伸出一段距离，其端口底部内设置有温度传感器元件，并使用导线连接温度传感器元件至柔性电路板上，实现电连接；MEMS压力芯片通过金丝键合的方式与柔性电路板实现电性连接。适应于传感器封装技术领域。

Description

一种温压一体的传感器封装结构

技术领域

本发明涉及传感器封装技术领域，尤其涉及一种温压一体的传感器封装结构。

背景技术

温度传感器和压力传感器可以说是传感器行业使用量最大的两种传感器，而在一些特殊情况下，需要同时测量待测环境中液体或气体的温度和压力，如果同时安装温度传感器和压力传感器，在空间有限的地方，这就十分不方便，线路会很复杂，也增加了成本。因此，需要推出一种温度与压力集成于一体的传感器，该种温压一体传感器的传统封装结构示例在美国专利US5974893、美国专利US7762140等中示出。

目前市面上温压一体传感器主要包括温度传感器和压力传感器两个部分。在压力传感器的压力芯片部分常使用陶瓷电容技术和金属溅射薄膜技术。

陶瓷电容技术由陶瓷基座和可变性陶瓷膜片及中间部分密封空腔三部分构成。陶瓷基座是固定的，与可变性陶瓷膜片通过玻璃浆料等方式烧结固定在一起，两者之间在内侧印刷电路，从而形成一个可变电容，当可变性陶瓷膜片感受到压力产生形变时，可变性陶瓷膜片与陶瓷基座两者之间的距离随之产生变化，因此电容量也随之发生变化，再通过调理芯片将该信号进行转换输出给后级使用。通常在使用该技术设计产品时，为了保证气密性，会选择密封圈，常见的密封圈材料有三元乙丙橡胶（EPDM），氢化丁腈橡胶（HNBR），硅橡胶（QM），氯丁橡胶（CR）、氟橡胶（FKM）、氟硅橡胶（MFQ）等，但是在压力作用的环境下，时间长了，密封圈会产生形变，产品的密封性就不好，容易出现测量误差。并且陶瓷电容技术的灵敏度较低，适用量程一般在500KPa~10MPa之间，无法适用于大量程环境。

金属溅射薄膜技术，是将薄膜技术与半导体技术综合起来发展的技术，压力敏感芯体部分利用离子束溅射和刻蚀技术在不锈钢弹性膜片上制作出薄膜电阻，组成电桥，当压力作用在膜片上时，膜片变形，电阻阻值则发生变化,电桥输出与压力成比例的电信号，再通过调理芯片将该信号进行转换输出给后级使用。由于溅射工艺是直接在不锈钢膜片进行，电桥与膜片是一体的，不存在任何粘合剂，稳定性更高，但是溅射速率低、工艺难度较大，对环境要求也严苛，所以该技术的成本比较高，很难大范围运用到生产上去。

并且大多数温压一体传感器中的电路板采用的都是刚性电路板，刚性电路板包括酚醛纸层压板，环氧纸层压板，聚酯玻璃毡层压板和环氧玻璃布层压板。其材质较硬、重量较重、配线密度较小、灵活性较差，使用的场景就受到了限制。

发明内容

本发明提供了一种温压一体的传感器封装结构，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种温压一体的传感器封装结构，关键点在于，至少包括固连于金属组件上端的插接件，所述插接件为传感器插接件，金属组件包括设置于金属外壳内部的柔性电路板、金属板、MEMS压力芯片、ASIC调理芯片、温度传感器元件及导线，所述金属外壳的底部向外延伸出一封闭式流体通道和一开口式流体通道，于所述开口式流体通道向上延伸的端口上方固连有一块金属板，所述MEMS压力芯片通过玻璃粉高温烧结之后固连于金属板上，所述柔性电路板安装于金属板的上方，所述ASIC调理芯片固连于柔性电路板上，所述封闭式流体通道向外延伸出一段距离，其端口底部内设置有温度传感器元件，并使用导线连接温度传感器元件至柔性电路板上，实现电连接；所述MEMS压力芯片通过金丝键合的方式与柔性电路板实现电性连接。

进一步地，所述金属板沿竖向贯穿有一用于方便连接温度传感器元件的导线穿出通孔，所述导线穿过所述通孔并与柔性电路板连接。

进一步地，所述柔性电路板上预留贯穿有便于与金属板组合安装的第一区域与第二区域，所述第一区域与MEMS压力芯片相适配，所述第二区域与导线相适配，并且导线连接于柔性电路板预留的第二区域上。

进一步地，所述第一区域包括活动连接于柔性电路板上的第一框体，所述第一框体与MEMS压力芯片相适配，所述第二区域包括活动连接于柔性电路板上的第二框体，所述导线的端部焊接于第二框体上，所述第一框体与第二框体均可于水平面上活动，以构成对第一框体与第二框体的位置的调整。

进一步地，所述柔性电路板内开设有第一环形凹槽，所述第一框体活动连接于第一环形凹槽内，所述第一框体的周向边缘的前后端面上分别固连有第一阻尼垫，所述柔性电路板内开设有第二环形凹槽，所述第二框体活动连接于第二环形凹槽内，所述第二框体的周向边缘的前后端面上分别固连有第二阻尼垫，所述第一框体与第二框体的周向边缘的前后端面上分别固连有与柔性电路板相抵接的导体。

进一步地，所述金属板上同轴固连有固定环，所述固定环内沿其周向设置有若干个间隔分布的卡块，所述卡块与固定环通过压缩弹簧连接，各所述卡块在压缩弹簧的弹力作用下可沿固定环的径向向内移动，所述卡块的上端形成有斜切面，下压所述柔性电路板抵接各所述卡块的斜切面，使得卡块克服压缩弹簧的弹力沿固定环的径向向外运动，直至柔性电路板完全移动到金属板的底面，卡块与柔性电路板脱离，卡块在压缩弹簧的弹力下自动卡紧所述柔性电路板。

进一步地，所述固定环沿其周向贯穿有若干个滑动槽，所述卡块滑动连接于所述滑动槽内，所述滑动槽的外端螺纹连接有螺纹衬套，所述压缩弹簧的一端与卡块固连，另一端与螺纹衬套相抵接。

进一步地，所述第一区域与第二区域为矩形或圆形或椭圆形。

进一步地，所述插接件与金属组件焊接固定，于流体通道向上延伸的端口上方与金属板焊接，所述柔性电路板上贴片安装有所述ASIC调理芯片。

进一步地，所述温度传感器元件为热敏电阻或铂热电阻。

有益效果是：

本发明由于采用了上述的结构，其与现有技术相比：

1、本发明进行测量工作时，待测介质为流体，当本发明进行测量时，待测介质从开口式流体通道流入，金属板感受到压力，当压力作用于MEMS压力芯片上时，使压力敏感膜片发生形变，压力敏感膜片上的压敏电阻由于压阻效应而产生电阻变化，由压敏电阻组成的惠斯通电桥产生电信号输出，再通过ASIC调理芯片对信号进行调理转换输出给后级使用，因此本发明的灵敏度较高、压力量程较大，可适用于大量程压力环境，且该技术成本低，产量高，很大程度上解决了目前工业生产制造上的需求，同时封闭式流体通道内的温度传感器元件则用来感知并检测待测流体的温度，这就实现了温度压力同时检测；

2、本发明选择采用柔性电路板来代替刚性电路板，柔性电路板是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性印刷电路板，通过在可弯曲的轻薄塑料片上，嵌入电路设计，在窄小和有限空间中可以堆嵌大量精密元件，因此，该种电路板可以随意弯曲折叠，有体积小、重量轻、散热性好、安装方便和配线密度高等优点。刚性电路板的灵活性无法与其相比，在大量弯曲循环的环境中，应用柔性电路板的灵活性可以达到更好的效果；

3、本发明在柔性电路板下方增加一层金属板，将MEMS压力芯片通过玻璃粉烧结安装在金属板上，该结构的优点在于不需要额外加入密封圈也能有良好的密封性，可靠性高，不用担心密封圈的形变导致待测流体的泄露，可以用于压力较大的测试环境。

附图说明

以下结合附图对本申请实施例的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：

在附图中：

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的剖视图；

图3为本发明实施例的金属板与柔性电路板的爆炸图；

图4为本发明实施例的柔性电路板的俯视图；

图5为本发明实施例的柔性电路板的俯视剖视图；

图6为本发明实施例的第一框体、第二框体分别与柔性电路板连接的剖视图；

图7为图6中A处的放大图；

图8为本发明实施例的第一框体的结构示意图；

图9为本发明实施例的第二框体的结构示意图；

图10为本发明实施例的金属板与柔性电路板连接的俯视剖视图；

图11为图10中B处的放大图；

图12为本发明实施例的金属板与柔性电路板连接的正视剖视图。

图中：1、金属组件；101、金属外壳；102、柔性电路板；103、金属板；104、MEMS压力芯片；105、ASIC调理芯片；106、温度传感器元件；107、导线；2、插接件；3、封闭式流体通道；4、开口式流体通道；5、通孔；6、第一区域；601-第一框体；7、第二区域；701、第二框体；8、第一环形凹槽；9、第一阻尼垫；10、第二环形凹槽；11、第二阻尼垫；12、导体；13、固定环；14、卡块；15、压缩弹簧；16、斜切面；17、滑动槽；18、螺纹衬套。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本申请实施例的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请实施例的保护范围有任何的限制作用。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是本申请实施例的产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，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申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

如图1-图12所示，本实施例公开了一种温压一体的传感器封装结构，至少包括固定连接在金属组件1上端的插接件2，插接件2为传感器插接件，金属组件包括设置在金属外壳101内部的柔性电路板102、金属板103、MEMS压力芯片104、ASIC调理芯片105、温度传感器元件106及导线107，金属外壳101的底部向外延伸出一个封闭式流体通道3和一个开口式流体通道4，在开口式流体通道4向上延伸的端口上方固定连接有金属板103，MEMS压力芯片104通过玻璃粉高温烧结之后固定连接在金属板103上，玻璃粉为一种粘接浆料，可以起到粘接的作用，无需密封圈密封，密封效果好，产品的稳定性更好，柔性电路板102安装在金属板103的上方，ASIC调理芯片105固定连接在柔性电路板102上，封闭式流体通道3向外延伸出一段距离，其端口底部内设置有温度传感器元件106，并使用导线107连接温度传感器元件106至柔性电路板102上，实现电连接；MEMS压力芯片104通过金丝键合的方式和柔性电路板102实现电性连接，金丝键合为一种芯片封装的工序，使用金线将MEMS压力芯片104和柔性电路板102实现电连接；金属板103沿竖直方向贯穿有一个方便连接温度传感器元件106的导线穿出的通孔5，导线107穿过通孔5并和柔性电路板102连接；柔性电路板102上预留贯穿有便于和金属板103组合安装的第一区域6与第二区域7，第一区域6和MEMS压力芯片104相适配，第二区域7和导线107相适配，并且导线107连接在柔性电路板102预留的第二区域7上，第一区域6和第二区域7可以为矩形或者圆形或者椭圆形；

当本实施例进行测量工作时，待测介质为流体，进行测量时，待测介质从开口式流体通道4流入，金属板103感受到压力，当压力作用于MEMS压力芯片104上时，使压力敏感膜片发生形变，压力敏感膜片上的压敏电阻由于压阻效应而产生电阻变化，由压敏电阻组成的惠斯通电桥产生电信号输出，再通过ASIC调理芯片105对信号进行调理转换输出给后级使用，因此本实施例的灵敏度较高、压力量程较大，可适用于大量程压力环境，且该技术成本低，产量高，很大程度上解决了目前工业生产制造上的需求，同时封闭式流体通道3内的温度传感器元件106则用来感知并检测待测流体的温度，这就实现了温度压力同时检测；本实施例选择采用柔性电路板102来代替刚性电路板，柔性电路板102是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性印刷电路板，通过在可弯曲的轻薄塑料片上，嵌入电路设计，在窄小和有限空间中可以堆嵌大量精密元件，因此，该种电路板可以随意弯曲折叠，有体积小、重量轻、散热性好、安装方便和配线密度高等优点，刚性电路板的灵活性无法与其相比，在大量弯曲循环的环境中，应用柔性电路板的灵活性可以达到更好的效果；本实施例在柔性电路板102下方增加一层金属板103，将MEMS压力芯片104通过玻璃粉烧结安装在金属板103上，无需采用密封圈，增强了传感器的密封性，也增大了传感器的承压范围，提高传感器的可靠性，该金属板103上会预留一个通孔5以便于连接温度传感器元件106的导线107穿出，同时，在柔性电路板102上预留与MEMS压力芯片104和导线107大小位置相对应的区域便于组合安装，该结构的优点在于不需要额外加入密封圈也能有良好的密封性，可靠性高，不用担心密封圈的形变导致待测流体的泄露，可以用于压力较大的测试环境。

本实施例中，第一区域6包括活动连接在柔性电路板102上的第一框体601，第一框体601和MEMS压力芯片104相适配，第二区域7包括活动连接在柔性电路板102上的第二框体701，导线107的端部焊接在第二框体701上，焊接使用的材料为金、铝、锡等，第一框体601和第二框体701均可在水平面上活动，从而实现对第一框体601和第二框体701的位置的调整；具体的，柔性电路板102内开设有第一环形凹槽8，第一框体601活动连接在第一环形凹槽8内，第一框体601的周向边缘的前后端面上分别固定连接有第一阻尼垫9，柔性电路板102内开设有第二环形凹槽10，第二框体701活动连接在第二环形凹槽10内，第二框体701的周向边缘的前后端面上分别固定连接有第二阻尼垫11，第一框体601和第二框体701周向边缘的前后端面上分别固定连接有导体12，导体12和柔性电路板102相抵接，本实施例通过设置第一环形凹槽8、第二环形凹槽10，可以使得第一框体601与第二框体701进行位置调节，从而使得柔性电路板102与金属板103更加便捷的进行对接；通过设置第一阻尼垫9与第二阻尼垫11，当对第一框体601与第二框体701位置调节后能够使二者稳固的固定在柔性电路板102上，同时保持密封性；本实施例通过设置导体12，可以使得第一框体601与柔性电路板102电性导通，进一步实现MEMS压力芯片104与柔性电路板102电性连接。

本实施例中，金属板103上同轴固定连接有固定环13，固定环13内沿它的周向设置有多个间隔分布的卡块14，卡块14和固定环13通过压缩弹簧15连接，各个卡块14在压缩弹簧15的弹力作用下可沿固定环13的直径方向向内移动，卡块14的上端形成有斜切面16，下压柔性电路板102抵接各个卡块14的斜切面16，使得卡块14克服压缩弹簧15的弹力沿固定环13的直径向向外运动，直至柔性电路板102完全移动到金属板103的底面，卡块14和柔性电路板102脱离，卡块14在压缩弹簧15的弹力下自动卡紧柔性电路板102，从而完成柔性电路板102与金属板103的安装；固定环13沿它的周向贯穿有多个滑动槽17，卡块14滑动连接在滑动槽17内，滑动槽17的外端螺纹连接有螺纹衬套18，压缩弹簧15的一端与卡块14固定连接，另一端和螺纹衬套18相抵接，本实施例通过设置螺纹衬套18，当需要对卡块14进行拆卸时，将螺纹衬套18拧开，从而可以从滑动槽17内取出卡块14，进而实现对柔性电路板102的拆卸。

具体的，本实施例的插接件2和金属组件1焊接固定，接插件2为传统的传感器接插件，将接插件2与金属组件1进行组装，使其为一个整体，组装方法为压力焊接、激光焊接、电子束焊接等，在开口式流体通道4向上延伸的端口上方和金属板103焊接，柔性电路板102上贴片安装有ASIC调理芯片105，温度传感器元件106为热敏电阻或铂热电阻。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本申请实施例精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本申请技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种温压一体的传感器封装结构，其特征在于：至少包括固连于金属组件（1）上端的插接件（2），所述插接件（2）为传感器插接件，金属组件（1）包括设置于金属外壳（101）内部的柔性电路板（102）、金属板（103）、MEMS压力芯片（104）、ASIC调理芯片（105）、温度传感器元件（106）及导线（107），所述金属外壳（101）的底部向外延伸出一封闭式流体通道（3）和一开口式流体通道（4），于所述开口式流体通道（4）向上延伸的端口上方固连有一块金属板（103），所述MEMS压力芯片（104）通过玻璃粉高温烧结之后固连于金属板（103）上，所述柔性电路板（102）安装于金属板（103）的上方，所述ASIC调理芯片（105）固连于柔性电路板（102）上，所述封闭式流体通道（4）向外延伸出一段距离，其端口底部内设置有温度传感器元件（106），并使用导线（107）连接温度传感器元件（106）至柔性电路板（102）上，实现电连接；所述MEMS压力芯片（104）通过金丝键合的方式与柔性电路板（102）实现电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种温压一体的传感器封装结构，其特征在于：所述金属板（103）沿竖向贯穿有一用于方便连接温度传感器元件（106）的导线穿出通孔（5），所述导线（107）穿过所述通孔（5）并与柔性电路板（102）连接。

3.根据权利要求2所述的一种温压一体的传感器封装结构，其特征在于：所述柔性电路板（102）上预留贯穿有便于与金属板（103）组合安装的第一区域（6）与第二区域（7），所述第一区域（6）与MEMS压力芯片（104）相适配，所述第二区域（7）与导线（107）相适配，并且导线（107）连接于柔性电路板（102）预留的第二区域（7）上。

4.根据权利要求3所述的一种温压一体的传感器封装结构，其特征在于：所述第一区域（6）包括活动连接于柔性电路板（102）上的第一框体（601），所述第一框体（601）与MEMS压力芯片（104）相适配，所述第二区域（7）包括活动连接于柔性电路板（102）上的第二框体（701），所述导线（107）的端部焊接于第二框体（701）上，所述第一框体（601）与第二框体（701）均可于水平面上活动，以构成对第一框体（601）与第二框体（701）的位置的调整。

5.根据权利要求4所述的一种温压一体的传感器封装结构，其特征在于：所述柔性电路板（102）内开设有第一环形凹槽（8），所述第一框体（601）活动连接于第一环形凹槽（8）内，所述第一框体（601）的周向边缘的前后端面上分别固连有第一阻尼垫（9），所述柔性电路板（102）内开设有第二环形凹槽（10），所述第二框体（701）活动连接于第二环形凹槽（10）内，所述第二框体（701）的周向边缘的前后端面上分别固连有第二阻尼垫（11），所述第一框体（601）和第二框体（701）的周向边缘的前后端面上分别固连有与柔性电路板（102）相抵接的导体（12）。

6.根据权利要求1所述的一种温压一体的传感器封装结构，其特征在于：所述金属板（103）上同轴固连有固定环（13），所述固定环（13）内沿其周向设置有若干个间隔分布的卡块（14），所述卡块（14）与固定环（13）通过压缩弹簧（15）连接，各所述卡块（14）在压缩弹簧（15）的弹力作用下可沿固定环（13）的径向向内移动，所述卡块（14）的上端形成有斜切面（16），下压所述柔性电路板（102）抵接各所述卡块（14）的斜切面（16），使得卡块（14）克服压缩弹簧（15）的弹力沿固定环（13）的径向向外运动，直至柔性电路板（102）完全移动到金属板（103）的底面，卡块（14）与柔性电路板（102）脱离，卡块（14）在压缩弹簧（15）的弹力下自动卡紧所述柔性电路板（102）。

7.根据权利要求6所述的一种温压一体的传感器封装结构，其特征在于：所述固定环（13）沿其周向贯穿有若干个滑动槽（17），所述卡块（14）滑动连接于所述滑动槽（17）内，所述滑动槽（17）的外端螺纹连接有螺纹衬套（18），所述压缩弹簧（15）的一端与卡块（14）固连，另一端与螺纹衬套（18）相抵接。

8.根据权利要求3所述的一种温压一体的传感器封装结构，其特征在于：所述第一区域（6）与第二区域（7）为矩形或圆形或椭圆形。

9.根据权利要求1所述的一种温压一体的传感器封装结构，其特征在于：所述插接件（2）与金属组件（1）焊接固定，于开口式流体通道（4）向上延伸的端口上方与金属板（103）焊接，所述柔性电路板（102）上贴片安装有所述ASIC调理芯片（105）。

10.根据权利要求1所述的一种温压一体的传感器封装结构，其特征在于：所述温度传感器元件（106）为热敏电阻或铂热电阻。

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