CN115060412B - 一种基于二次标定的差压压力传感器制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二次标定的差压压力传感器制备方法，属于敏感元件与传感器领域。所述方法采用双MEMS芯片，使得两个感压面均为不含电路的芯片背面，具备非常好的耐腐蚀性，可以在腐蚀性介质中正常使用，解决了常规差压压力传感器方案在腐蚀性介质中可靠性差的问题；本发明可以采用标准化ASIC芯片对传感器中的两个MEMS芯片和整体电路进行标定，相比于现有的单芯片双感应隔膜方案，本发明可以采用标准化的MEMS芯片，并且无需额外设计非标准化ASIC芯片进行标定，有效地降低了制备成本，提升了差压压力传感器的适用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于二次标定的差压压力传感器制备方法，属于敏感元件与传感器领域。
背景技术
压力传感器，又称压力变送器，是一种可以感知外界压力载荷并将其转化为电信号输出的装置，被广泛应用于工业控制、汽车、航空航天、消费电子、物联网等行业。
其中，微电子机械系统(Microelectro Mechanical Systems，MEMS)压力传感器是基于微机电系统工艺制备而成的，它部分兼容硅集成电路工艺，具有成本低、尺寸小、精度高、可靠性高等优点。
按照压力参照类型，MEMS压力传感器可细分为三种，包括绝压、表压与差压MEMS压力传感器。其中，绝压压力传感器测试的是绝对压力，通常是相对于真空；表压压力传感器的压力参照是外界大气压，即相对于大气压强；而差压压力传感器，则是表征两个外界输入压力载荷之差。
ASIC芯片，通常称之为调理芯片，可以对MEMS传感器芯片的输出信号进行标定，使之满足给定的标准输入-输出曲线，如工业上常用的电压输出0.5-4.5V，或者电流输出4-20mA。
专利CN202122068769.5公开了一种常规差压压力传感器方案，如图1所示，感应隔膜上有惠斯通全桥组成的电路，通过引线键合的方法与ASIC芯片进行连接。此时，两个输入的压力载荷分别位于感应隔膜的两侧，它可以直接检测两个输入压力载荷的差值。不过，在很多应用场景中，如汽车、工业控制领域，输入的压力载荷中存在腐蚀性的介质，这会对压力传感器正面，即包含电路、引线键合的那一面进行腐蚀，或者破坏引线键合结构，导致传感器失效。
另一种差压压力传感器，即单芯片双感应隔膜方案，如图2所示，其在单芯片上具有两个感应隔膜，每个感应隔膜上分别含有一个惠斯通半桥，并与ASIC芯片通过引线键合的方式连接，它可以同时在背面，即不包含电路、引线键合的那一面分别感知两个输入压力载荷，这种结构虽然可以避免压力载荷中存在的腐蚀性介质对传感器电路、引线键合结构的破坏，但是一方面，基于惠斯通半桥的MEMS压力传感器芯片属于非标准品；另一方面，这种结构中两个惠斯通半桥的输出信号随外界压力载荷的变化情况不同，也需要非标准化的ASIC芯片进行校准，而无法使用可泛用于常规绝压、表压MEMS芯片的ASIC芯片。这种技术方案中，MEMS芯片与ASIC芯片均为非标准品，无疑会大幅度的提升潜在制造成本。
发明内容
为了解决目前的差压压力传感器易被腐蚀、无法利用标准化MEMS芯片以及标准化ASIC芯片进行标定导致的制造成本高等问题，本发明提供了一种基于二次标定的差压压力传感器制备方法，所述技术方案如下：
本发明的第一个目的在于提供一种基于二次标定的差压压力传感器制备方法，所述差压压力传感器制备方法包括：
步骤一：将两个MEMS芯片和一个标准化ASIC芯片贴装在基板上；
步骤二：采用引线键合的方式将所述MEMS芯片和标准化ASIC芯片上的金属垫与所述基板上的金属垫连接，实现MEMS芯片、ASIC芯片之间的互联，以及芯片与封装引脚之间的电气连接；
步骤三：粘贴封装外壳；
步骤四：利用标准化ASIC芯片对封装好的差压压力传感器进行标定，得到最终差压压力传感器成品。
可选的，所述步骤四的标定方法包括：
步骤41：技术参数输入：包括最终差压压力传感器成品的输入电压、差压压力范围和输出电压范围；
步骤42：采用所述标准化ASIC芯片对所述第一MEMS芯片进行标定，标定的结果与所述最终差压压力传感器成品的技术参数完全一致；
步骤43：采用标准化的ASIC芯片对第二MEMS芯片标定，标定结果与所述最终差压压力传感器成品不完全一致；
步骤44：构建分压电路：在所述第一MEMS芯片的输出端子处连接一个阻值与所述第一MEMS芯片等效电阻相等的电阻，对所述第一MEMS芯片的输出信号进行1:1的分压；
步骤45：采用标准化ASIC芯片对由所述第一MEMS芯片和第二MEMS芯片形成的整体电路进行二次标定，将经过分压后的所述第一MEMS芯片的输出信号、所述第二MEMS芯片的输出信号作为差分信号输入标准化的ASIC芯片中进行二次标定，形成最终差压压力传感器成品。
可选的，所述步骤43的标定结果中，所述第二MEMS芯片的输入电压与所述最终差压压力传感器成品的输入电压一致，所述第二MEMS芯片的输入压力范围与所述最终差压压力传感器成品的输入压力范围满足：第二MEMS芯片的输入压力范围＝2*第一MEMS芯片的输入压力范围＝2*最终差压压力传感器成品的输入压力范围。
可选的，所述基板为陶瓷基板。
可选的，所述陶瓷基板为多层结构，其中，陶瓷基板最上层有若干金属垫，中间层有埋置在陶瓷片层之内的金属线，底层表面为感压面，无金属结构；陶瓷基板上有若干引压孔，用于引入外界输入的压力载荷。
可选的，所述引线键合的引线材料为金。
可选的，所述粘贴封装外壳的方法为：采用环氧树脂胶粘贴。
本发明的第二个目的在于提供一种差压压力传感器，所述差压压力传感器包括：封装外壳、第一MEMS芯片、第二MEMS芯片、标准化ASIC芯片、封装基板；
所述差压压力传感器采用上述的差压压力传感器制备方法制备。
本发明有益效果是：
本发明提出的一种基于二次标定的差压压力传感器的制备方法，采用双MEMS芯片，使得两个感压面均为不含电路的芯片背面，具备非常好的耐腐蚀性，可以在腐蚀性介质中正常使用，解决了常规差压压力传感器方案在腐蚀性介质中可靠性差的问题。。
本发明提出的差压压力传感器，可以采用标准化ASIC芯片对传感器中的两个MEMS芯片和两个MEMS芯片构成的整体电路进行标定，相比于现有的单芯片双感应隔膜方案，本发明可以采用标准化的MEMS芯片，并且无需额外设计非标准化ASIC芯片进行标定，有效地降低了制备成本，提升了差压压力传感器的适用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种常规差压压力传感器封装结构图。
图2是一种基于单芯片双感应隔膜的差压压力传感器封装结构图。
图3是本发明差压压力传感器的二次标定方法流程图。
图4是本发明差压压力传感器的封装结构图。
其中，101-封装基板；102-标准化ASIC芯片；103-封装外壳；104-引线键合用金线；105-MEMS芯片硅基体；106-第一应力载荷输入口；107-MEMS芯片上方的惠斯通全桥电路108-第二应力载荷输入口；
201-封装基板；202-MEMS芯片硅基体；203-第一应力载荷输入口；204-MEMS芯片上方的两个惠斯通半桥电路；205-第二应力载荷输入口；206-引线键合用金线207-非标准化ASIC芯片；208-封装外壳；
1-封装外壳；2-第一MEMS芯片硅基体；3-第一应力载荷输入口；4-引线键合用金线；5-封装基板；6-标准化ASIC芯片；7-第二MEMS芯片硅基体；8-MEMS芯片上方的惠斯通全桥电路；9-第二应力载荷输入口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一：
本实施例提供一种基于二次标定的差压压力传感器制备方法，所述差压压力传感器制备方法包括：
步骤一：将两个MEMS芯片和一个标准化ASIC芯片贴装在基板上；
步骤二：采用引线键合的方式将所述MEMS芯片和标准化ASIC芯片上的金属垫与所述基板上的金属垫连接，实现MEMS芯片、ASIC芯片之间的互联，以及芯片与封装引脚之间的电气连接；
步骤三：粘贴封装外壳；
步骤四：利用标准化ASIC芯片对封装好的差压压力传感器进行标定，得到最终差压压力传感器成品。
实施例二：
本实施例提供一种基于二次标定的差压压力传感器制备方法，参见图3，差压压力传感器制备方法包括：
步骤一：贴片。
将两个MEMS传感器芯片与一个ASIC芯片贴装在基板上，贴装的方式可以为焊接、粘接，基板的材料通常为陶瓷，陶瓷基板通常为多层结构。
其中，陶瓷基板最上层有若干金属垫，中间层有埋置在陶瓷片层之内的金属线，底层表面为感压面，无金属结构。
陶瓷基板上有若干引压孔，在本实施例中，引压孔的个数为2个，分别用于引入外界输入的两个压力载荷。
步骤二：引线键合。
通过引线键合机器，用引线将MEMS、ASIC芯片上的金属垫与基板上的金属垫连接，实现MEMS芯片、ASIC芯片之间的互联，以及芯片与封装引脚之间的电气连接，引线的材料可以为金线、铝线，在本实施例中，引线材料为金线。
步骤三：粘贴封装外壳。
使用胶水将封装外壳粘贴在陶瓷基板上方，用于保护封装结构内部的芯片、引线结构不受外界环境的影响。
封装外壳的材料为塑料，胶水为环氧树脂胶。
步骤四：利用标准化ASIC芯片对所述差压压力传感器进行标定，标定包括以下步骤：
步骤41：技术参数输入：包括最终差压压力传感器成品的输入电压、差压压力范围和输出电压范围；
本实施例设定差压压力传感器成品的输入电压为5V，输入压力范围为0～10KPa，对应的输出电压与输入压力成正比，输出电压范围为0.5-4.5V。
步骤42：采用所述标准化ASIC芯片对所述第一MEMS芯片进行标定，标定的结果与所述最终差压压力传感器成品的技术参数完全一致，即第一MEMS芯片标定后的输入电压为5V，输入压力范围为0～10KPa，对应的输出电压与输入压力成正比，输出电压范围为0.5-4.5V；
步骤43：采用标准化的ASIC芯片对第二MEMS芯片标定，标定结果与所述最终差压压力传感器成品不完全一致；
其中，输入电压保持一致，为5V；
输出电压范围可以一致，也可以不一致，本实施例中，输出电压范围与最终差压压力传感器成品一致，为0.5-4.5V；
输入压力范围与最终差压压力传感器成品不一致，应当满足输入压力范围：第二MEMS芯片的输入压力范围＝2*第一MEMS芯片的输入压力范围＝2*最终差压压力传感器成品的输入压力范围。
步骤44：构建分压电路：在所述第一MEMS芯片的输出端子处连接一个阻值与所述第一MEMS芯片等效电阻相等的电阻，对所述第一MEMS芯片的输出信号进行1:1的分压；
经过分压后的第一MEMS芯片的输入电压为5V，输入压力范围为0～10KPa，对应的输出电压与输入压力成正比，输出电压范围为0.25-2.25V。
步骤45：采用标准化ASIC芯片对由所述第一MEMS芯片和第二MEMS芯片形成的整体电路进行二次标定，将经过分压后的所述第一MEMS芯片的输出信号、所述第二MEMS芯片的输出信号作为差分信号输入标准化的ASIC芯片中进行二次标定，形成最终差压压力传感器成品；
经过分压后的第一MEMS芯片的输入压力范围为0～10KPa，输出电压为0.25-2.25V；第二MEMS芯片的输入压力范围为0～20KPa，输出电压为0.5-4.5V，两者输出电压对输入压力的变化率一致，可以采用标准化的ASIC芯片进行标定。
最终，经过二次标定后的产品的输入电压为5V，输入压力范围(即第一MEMS芯片与第二MEMS芯片输入压力之差)为0～10KPa，对应的输出电压(即经过分压后的第一MEMS芯片与第二MEMS芯片的输出信号经过二次标定的结果)与输入压力成正比，为0.5-4.5V，与需求输入的技术参数相吻合。
步骤42、43、45中对应的第一MEMS芯片、第二MEMS芯片以及第一MEMS芯片与第二MEMS芯片的双芯片系统标定过程，所采用的均为标准化的ASIC芯片，且校验系统均可以通用。
本实施例基于二次标定的差压压力传感器的制备方法，采用双MEMS芯片，使得两个感压面均为不含电路的芯片背面，具备非常好的耐腐蚀性，可以在腐蚀性介质中正常使用，解决了常规差压压力传感器方案在腐蚀性介质中可靠性差的问题。
本实施例的差压压力传感器，采用标准化ASIC芯片对传感器中的两个MEMS芯片和两个MEMS芯片构成的整体电路进行标定，相比于现有的单芯片双感应隔膜方案，可以采用标准化的MEMS芯片，并且无需额外设计非标准化ASIC芯片进行标定，有效地降低了制备成本，提升了差压压力传感器的适用性。
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于二次标定的差压压力传感器制备方法，其特征在于，所述差压压力传感器制备方法包括：
步骤一：将两个MEMS芯片和一个标准化ASIC芯片贴装在基板上；
步骤二：采用引线键合的方式将所述MEMS芯片和标准化ASIC芯片上的金属垫与所述基板上的金属垫连接，实现MEMS芯片、ASIC芯片之间的互联，以及芯片与封装引脚之间的电气连接；
步骤三：粘贴封装外壳；
步骤四：利用标准化ASIC芯片对封装好的差压压力传感器进行标定，得到最终差压压力传感器成品；
所述步骤四的标定方法包括：
步骤41：技术参数输入：包括最终差压压力传感器成品的输入电压、差压压力范围和输出电压范围；
步骤42：采用所述标准化ASIC芯片对第一MEMS芯片进行标定，标定的结果与所述最终差压压力传感器成品的技术参数完全一致；
步骤43：采用标准化的ASIC芯片对第二MEMS芯片标定，标定结果与所述最终差压压力传感器成品不完全一致；
步骤44：构建分压电路：在所述第一MEMS芯片的输出端子处连接一个阻值与所述第一MEMS芯片等效电阻相等的电阻，对所述第一MEMS芯片的输出信号进行1:1的分压；
步骤45：采用标准化ASIC芯片对由所述第一MEMS芯片和第二MEMS芯片形成的整体电路进行二次标定，将经过分压后的所述第一MEMS芯片的输出信号、所述第二MEMS芯片的输出信号作为差分信号输入标准化的ASIC芯片中进行二次标定，形成最终差压压力传感器成品。
2.根据权利要求1所述的差压压力传感器制备方法，其特征在于，所述步骤43的标定结果中，所述第二MEMS芯片的输入电压与所述最终差压压力传感器成品的输入电压一致，所述第二MEMS芯片的输入压力范围与所述最终差压压力传感器成品的输入压力范围满足：第二MEMS芯片的输入压力范围＝2*第一MEMS芯片的输入压力范围＝2*最终差压压力传感器成品的输入压力范围。
3.根据权利要求1所述的差压压力传感器制备方法，其特征在于，所述基板为陶瓷基板。
4.根据权利要求3所述的差压压力传感器制备方法，其特征在于，所述陶瓷基板为多层结构，其中，陶瓷基板最上层有若干金属垫，中间层有埋置在陶瓷片层之内的金属线，底层表面为感压面，无金属结构；陶瓷基板上有若干引压孔，用于引入外界输入的压力载荷。
5.根据权利要求1所述的差压压力传感器制备方法，其特征在于，所述引线键合的引线材料为金。
6.根据权利要求1所述的差压压力传感器制备方法，其特征在于，所述粘贴封装外壳的方法为：采用环氧树脂胶粘贴。
7.一种基于二次标定的差压压力传感器，其特征在于，所述差压压力传感器包括：封装外壳、第一MEMS芯片、第二MEMS芯片、标准化ASIC芯片、封装基板；
所述差压压力传感器采用如权利要求1-6任一项所述的差压压力传感器制备方法制备。
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