CN115101660A - 一种压电石英传感器的封装方法及压电石英传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种压电石英传感器的封装方法及压电石英传感器，该方法包括：形成压电传感器晶片，包括位于压电传感器晶片正面的第一引脚区域和背面的第二引脚区域，第一、第二引脚区域呈对角方向设置；提供第一石英晶片，在第一石英晶片上对应第一引脚区域的位置形成第一缺口，在对应第二引脚区域的位置形成第二缺口，形成第一封装侧面部件；提供第二石英晶片，在第二石英晶片上对应第二引脚区域的位置形成第三缺口，在对应第一引脚区域的位置形成第四缺口，形成第二封装侧面部件；将第一封装侧面部件与压电传感器晶片正面以及将第二封装侧面部件与压电传感器晶片背面分别键合，采用键合的方式，提高了器件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种压电石英传感器的封装方法及压电石英传感器。
背景技术
压电传感器有压阻式、压电式和谐振式，压阻式压力传感器的敏感单元是压敏电阻，其特点为当外界压力作用下压敏电阻上引起阻值发生改变，通过测定输出电压值的变化换算出外部压力的大小，这类传感器的缺点是温漂严重，且长时间使用易产生蠕变效应，故应用精度要求低静态力的测试。
压电式传感器采用压电石英或陶瓷材料，该类传感器的最大特点压电系数高，Q值高故测试精度高；但是是能测试动态力。最近几年谐振式压力传感器越来越受到关注，采用压电谐振元器件制作而成，同谐振元器件的频率变化感知外界力的大小，其特点直接数字频率信号输出，且精度较上述两种高，另外该类传感器既能测试静态的力同时还可以测试动态的力；在较高精度力测试情况下备受关注。
但是在制作上述这类传感器时面临的最大问题是，敏感元件与结构之间的安装问题，现有是通过粘贴的方式将两者连接在一起，但是，存在如下问题：
由于粘贴采用的胶会随着外界的温度的影响而老化，导致敏感元件与结构间的粘合力出现问题。
胶点的连接无法控制敏感元件与结构之间的粘合力，导致每个器件中的敏感器件的预应力大小不一致，必将导致最终产品的一致性非常差而无法批量生产。
点胶过程中很难保证敏感器件与结构之间的定位关系。
而且，由于采用点胶，敏感器件与结构这三者之间的材料不同，其热膨胀系数也不同，当外界温度发生变化时，其传感器的温度漂移无法控制。
使用金属焊接、塑料封装的方式与石英传感器本体之间存在封接面温度膨胀系数不一致，长期高低温环境下工作会产生封装裂隙。水汽通过裂隙进入石英传感器内部，导致力频系数发生变化，对力的测量出现大的偏差，使得传感器测量出现偏差或失效。
因此，如何提高传感器的性能是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的压电石英传感器的封装方法及压电石英传感器。
第一方面，本发明提供了一种压电石英传感器的封装方法，包括：
形成压电传感器晶片，所述压电传感器晶片呈方形，包括位于压电传感器晶片正面的第一引脚区域和压电传感器晶片背面的第二引脚区域，所述第一引脚区域和所述第二引脚区域呈对角方向设置；
提供第一石英晶片，在所述第一石英晶片上且对应所述压电传感器晶片正面的所述第一引脚区域的位置形成第一缺口，在所述第一石英晶片上且对应所述压电传感器晶片背面的第二引脚区域的位置形成第二缺口，形成第一封装侧面部件；
提供第二石英晶片，在所述第二石英晶片上且对应所述压电传感器晶片背面以及所述第二引脚区域的位置形成第三缺口，在所述第二石英晶片上且对应所述压电传感器正面的所述第一引脚区域的位置形成第四缺口，形成第二封装侧面部件；
将所述第一封装侧面部件与所述压电传感器晶片正面键合，将所述第二封装侧面部件与所述压电传感器晶片背面键合。
优选的，所述形成压电传感器晶片，包括：
提供第三石英晶片；
在所述第三石英晶片的正面和背面相对的位置形成第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽和所述第二凹槽均为圆形凹槽；
形成从所述第一凹槽开设至所述第二凹槽的第一通孔和第二通孔，所述第一通孔为沿着所述第一凹槽底端一侧边缘的第一半弧柱状孔洞，所述第二通孔为沿着所述第一凹槽底端另一侧边缘的第二半弧柱孔洞，使得所述第一通孔和所述第二通孔之间形成振荡区域；
在所述振荡区域正面且沿着所述第一凹槽侧壁延伸至所述第一凹槽外侧形成第一电极，所述第一电极端部位于所述第一引脚区域，在所述振荡区域背面且沿着所述第二凹槽侧壁延伸至所述第二凹槽外侧形成第二电极，所述第二电极端部位于所述第二引脚区域，以形成压电传感器晶片。
优选的，所述形成从所述第一凹槽开设至所述第二凹槽的第一通孔和第二通孔，包括：
采用光刻工艺，从所述第一凹槽开设至所述第二凹槽，形成第一通孔和第二通孔；或者
采用激光切割工艺，从所述第一凹槽开设至所述第二凹槽，形成第一通孔和第二通孔。
优选的，所述在第一石英晶片上对应所述压电传感器晶片正面且正对所述第一引脚区域的位置形成第一缺口之前，还包括：
对所述第一石英晶片进行研磨和抛光，以使得所述第一石英晶片表面粗糙度小于10nm；
所述在第二石英晶片上对应所述压电传感器晶片背面且正对所述第二引脚区域的位置形成第二缺口之间，还包括：
对所述第二石英晶片进行研磨和抛光，以使得所述第二石英晶片表面粗糙度小于10nm。
优选的，在将所述第一石英晶片与所述压电传感器晶片正面键合，将所述第二石英晶片与所述压电传感器晶片背面键合之前，还包括：
在所述第一石英晶片表面和所述第二石英晶片表面均形成键合层。
优选的，所述在所述第一石英晶片表面和所述第二石英晶片表面均形成键合层，具体采用如下任意一种方式：
涂覆、PVD、CVD、PECVD以及烧结。
优选的，所述将所述第一石英晶片与所述压电传感器晶片正面键合，将所述第二石英晶片与所述压电传感器晶片背面键合，包括：
在真空环境中，将所述第一石英晶片与所述压电传感器晶片正面键合，将所述第二石英晶片与所述压电传感器晶片背面键合。
优选的，在将所述第一石英晶片与所述压电传感器晶片正面键合，将所述第二石英晶片与所述压电传感器晶片背面键合之后，还包括：
在所述第一引脚区域的第一电极上形成第一镀膜层；
在所述第二引脚区域的第二电极上形成第二镀膜层。
第二方面，本发明还提供了一种压电石英传感器，包括：
压电传感器晶片、第一封装侧面部件和第二封装侧面部件；
所述压电传感器晶片包括正面边缘的第一引脚区域和背面边缘的第二引脚区域，所述第一引脚区域和所述第二引脚区域呈对角方向设置；
所述第一石英晶片包括第一缺口、第二缺口；
所述第二石英晶片包括第三缺口、第四缺口；
所述第一封装侧面部件和所述第二封装侧面部件分别键合于所述压电传感器晶片的正面和背面，使得所述第一缺口和第四缺口与所述第一引脚区域正对，所述第二缺口和第三缺口与所述第二引脚区域正对。
优选的，所述第一缺口的截面、第二缺口的截面、第三缺口的截面和第四缺口的截面均为半圆形或者矩形。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供了一种压电石英传感器的封装方法，包括：形成压电传感器晶片，该压电传感器晶片呈方形，包括位于压电传感器晶片正面的第一引脚区域和背面的第二引脚区域，第一引脚区域和第二引脚区域呈对角方向设置；提供第一石英晶片，在第一石英晶片上对应压电传感器晶片正面的第一引脚区域的位置形成第一缺口，在对应压电传感器晶片背面的第二引脚区域的位置形成第二缺口，形成第一封装侧面部件；提供第二石英晶片，在第二石英晶片上对应压电传感器晶片背面的第二引脚区域的位置形成第三缺口，在对应压电传感器晶片正面的第一引脚区域的位置形成第四缺口，形成第二封装侧面部件；将第一封装侧面部件与压电传感器晶片正面键合，将第二封装侧面部件与压电传感器晶片背面键合，采用键合的方式，能够避免粘贴方式所造成的器件性能不佳的问题，进而提高了器件的性能。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明实施例中压电石英传感器的封装方法的步骤流程示意图；
图2～图5示出了本发明实施例中形成压电传感器晶片的示意图；
图6～图8示出了本发明实施例中形成第一封装侧面部件和第二封装侧面部件的示意图；
图9示出了本发明实施例中将第一封装侧面部件、第二封装侧面部件与压电传感器晶片键合的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例一
本发明的实施例提供了一种压电石英传感器的封装方法，如图1所示，包括：
S101，形成压电传感器晶片，该压电传感器晶片呈方形，包括位于压电传感器晶片正面的第一引脚区域和背面对的第二引脚区域，第一引脚区域和第二引脚区域呈对角方向设置；
S102，提供第一石英晶片，在第一石英晶片上且对应压电传感器晶片正面的第一引脚区域的位置形成第一缺口，在第一石英晶片上且对应压电传感器晶片背面的第二引脚区域的位置形成第二缺口，形成第一封装侧面部件；
S103，提供第二石英晶片，在第二石英晶片上且对应压电传感器晶片背面的第二引脚区域的位置形成第三缺口，在第二石英晶片上且对应压电传感器正面的第一引脚区域的位置形成第四缺口；
S104，将第一封装侧面部件与压电传感器晶片正面键合，将第二封装侧面部件与压电传感器晶片背面键合。
下面对S101中形成压电传感器晶片的步骤进行详细描述：
如图2～图5所示，提供第三石英晶片201；在第三石英晶片201的正面和背面相对的位置形成第一凹槽202和第二凹槽203，该第一凹槽202和第二凹槽203均为圆形凹槽。
从第一凹槽202开设至第二凹槽203的第一通孔204和第二通孔205，第一通孔204为沿着第一凹槽202底端一侧边缘的第一半弧柱状孔洞，第二通孔205为沿着第一凹槽202底端另一侧边缘的第二半弧柱状孔洞，使得第一通孔204和第二通孔205之间形成振荡区域206。
在振荡区域206正面且沿着第一凹槽202侧壁延伸至第一202外侧形成第一电极207，第一电极207端部位于第一引脚区域211，在振荡区域206背面且沿着第二凹槽203侧壁延伸至第二凹槽203外侧形成第二电极208，第二电极208端部位于第二引脚区域212。
该第一引脚区域211位于第三石英晶片201的正面，第二引脚区域212位于第三石英晶片201的背面，且第一引脚区域211与第二引脚区域212呈对角方向设置。
在形成第一凹槽202和第二凹槽203时，具体是通过在第三石英晶片201正面和背面采用磁控溅射方式镀膜，形成两层膜层，底层为铬膜，顶层为金膜，其中，铬膜的厚度为5～50nm，金膜的厚度大于100nm。
在两层膜层上形成光刻胶层，通过曝光、显影之后，对预设区域刻蚀，从而形成第一凹槽202和第二凹槽203。
其中，刻蚀的过程具体是采用刻蚀液，该刻蚀液包括：金刻蚀液、铬刻蚀液以及BOE腐蚀液进行刻蚀，金刻蚀液用于刻蚀预设区域的金膜，铬刻蚀液用于刻蚀预设区域的铬膜，然后，BOE腐蚀液刻蚀预设区域的石英晶片。光刻胶层采用等离子去胶、化学去胶法进行去除。
金刻蚀液包括碘、碘化钾按照一定比例配置的水溶液，铬刻蚀液包括硝酸、硝酸沛铵按照一定比例配置的水溶液，BOE腐蚀液包括氢氟酸、氟化氢铵、缓蚀剂的水溶液，从而实现不影响粗糙度的腐蚀。
采用该刻蚀液中的金刻蚀液和铬刻蚀液对剩余的两层膜层进行去除。
在形成第一通孔204和第二通孔205时，同样也是按照上述的刻蚀方式，由此在第一通孔204和第二通孔205之间形成振荡区域206，在此就不再详细赘述了。
在形成从第一凹槽202开设至第二凹槽203的第一通孔204和第二通孔205时，可以采用刻蚀工艺，或者采用激光切割工艺，在此并不作限定。
其中，激光切割工艺的激光采用短脉冲激光，从而减少热效应避免压电石英材料发生双晶情况。
接下来，是形成第一电极208和第二电极209的步骤，具体是在形成第一通孔204和第二通孔205的第三石英晶片201正面和背面先形成金属层，然后，通过刻蚀的方式，将多余区域的金属层去除，得到第一电极208和第二电极209。
该第一电极208形成于振荡区域206正面且沿着第一凹槽202侧壁延伸至第一凹槽202外侧，且该第一电极208端部位于第一引脚区域211；第二电极208形成于振荡区域206背面且沿着第二凹槽203侧壁延伸至第二凹槽203外侧，且该第二电极209端部位于第二引脚区域212，以形成压电传感器晶片210，具体如图5所示。
接下来，对形成封装侧面的工艺进行描述。
执行S202和S203，提供第一石英晶片，在第一石英晶片上且对应压电传感器晶片正面的第一引脚区域的位置形成第一缺口，在第一石英晶片上且对应压电传感器晶片背面的第二引脚区域的位置形成第二缺口，形成第一封装侧面部件；提供第二石英晶片，在第二石英晶片上且对应压电传感器晶片背面的第二引脚区域的位置形成第三缺口，在第二石英晶片上且对应压电传感器正面的第二引脚区域的位置形成第四缺口，形成第二封装侧面部件。
如图6、图7、图8所示，以第一石英晶片为例，提供第一石英晶片601，接着，对第一石英晶片601进行研磨和抛光，以使得第一石英晶片601表面粗糙度小于10nm，然后，在第一石英晶片601上对应压电传感器晶片正面的第一引脚区域211的位置形成第一缺口602，在第一石英晶片601上对应压电传感器晶片背面的第二引脚区域212的位置形成第二缺口603，以形成第一封装侧面部件604。
该第一缺口602和第二缺口603的截面为半圆形或者矩形。
如图8所示，在第一石英晶片601表面形成第一键合层605。
同理，在提供第二石英晶片607之后，对第二石英晶片607进行研磨和抛光，以使得第二石英晶片607表面粗糙度小于10nm，然后，在第二石英晶片607上对应压电传感器晶片背面的第二引脚区域212的位置形成第三缺口608，在第二石英晶片上对应压电传感器晶片正面的第一引脚区域211的位置形成第四缺口609，以形成第二封装侧面部件606。
同样，在第二封装侧面部件606表面形成第二键合层610。
在具体的实施方式中，该第一键合层605和第二键合层610具体采用如下任意一种方式形成：
涂覆、PVC(物理气相沉积)、CVD(化学气相沉积)、PECVD(等离子体增强化学的气相沉积法)以及烧结。
最后，执行S104，将第一封装侧面部件604与压电传感器晶片210正面键合，将第二封装侧面部件606与压电传感器晶片210背面键合，如图9所示。采用键合的方式，能够提高器件的性能。
上述的键合操作具体是在真空环境中进行的，以实现气密性封装。
在S104之后，还可以在第一引脚区域211的第一电极208上形成第一镀膜层；在第二引脚区域212的第二电极209上形成第二镀膜层。以便于引线焊接，通过增加第一镀膜层和第二镀膜层的厚度，从而增加焊接强度。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供了一种压电石英传感器的封装方法，包括：形成压电传感器晶片，该压电传感器晶片呈方形，包括位于压电传感器晶片正面的第一引脚区域和背面的第二引脚区域，第一引脚区域和第二引脚区域呈对角方向设置；提供第一石英晶片，在第一石英晶片上对应压电传感器晶片正面的第一引脚区域的位置形成第一缺口，在对应压电传感器晶片背面的第二引脚区域的位置形成第二缺口，形成第一封装侧面部件；提供第二石英晶片，在第二石英晶片上对应压电传感器晶片背面的第二引脚区域的位置形成第三缺口，在对应压电传感器晶片正面的第一引脚区域的位置形成第四缺口，形成第二封装侧面部件；将第一封装侧面部件与压电传感器晶片正面键合，将第二封装侧面部件与压电传感器晶片背面键合，采用键合的方式，能够避免粘贴方式所造成的器件性能不佳的问题，进而提高了器件的性能。
实施例二
基于相同的发明创造，本发明实施例还提供了一种压电石英传感器，如图9所示，包括：
压电传感器晶片210、第一封装侧面部件604和第二封装侧面部件605；
该压电传感器晶片201包括正面边缘的第一引脚区域和背面边缘的第二引脚区域，该第一引脚区域和第二引脚区域呈对角方向设置；
第一封装侧面部件604包括第一缺口602、第二缺口603；
第二封装侧面部件606包括第三缺口608，第四缺口609；
第一封装侧面部件604和第二封装侧面部件606分别键合于压电传感器晶片210的正面和背面，使得第一缺口602和第四缺口609与第一引脚区域正对，第二缺口603和第三缺口608与第二引脚区域正对。
在一种可选的实施方式中，该第一缺口602、第二缺口603、第三缺口608、第四缺口609的截面均为半圆形或者矩形。
在一种可选的实时方式中，还包括第一镀膜层和第二镀膜层，第一镀膜层位于第一引脚区域的第一电极208上，第二镀膜层位于第二引脚区域的第二电极209上。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种压电石英传感器的封装方法，其特征在于，包括：
形成压电传感器晶片，所述压电传感器晶片呈方形，包括位于压电传感器晶片正面的第一引脚区域和压电传感器晶片背面的第二引脚区域，所述第一引脚区域和所述第二引脚区域呈对角方向设置；
提供第一石英晶片，在所述第一石英晶片上且对应所述压电传感器晶片正面的所述第一引脚区域的位置形成第一缺口，在所述第一石英晶片上且对应所述压电传感器晶片背面的第二引脚区域的位置形成第二缺口，形成第一封装侧面部件；
提供第二石英晶片，在所述第二石英晶片上且对应所述压电传感器晶片背面以及所述第二引脚区域的位置形成第三缺口，在所述第二石英晶片上且对应所述压电传感器正面的所述第一引脚区域的位置形成第四缺口，形成第二封装侧面部件；
将所述第一封装侧面部件与所述压电传感器晶片正面键合，将所述第二封装侧面部件与所述压电传感器晶片背面键合。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成压电传感器晶片，包括：
提供第三石英晶片；
在所述第三石英晶片的正面和背面相对的位置形成第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽和所述第二凹槽均为圆形凹槽；
形成从所述第一凹槽开设至所述第二凹槽的第一通孔和第二通孔，所述第一通孔为沿着所述第一凹槽底端一侧边缘的第一半弧柱状孔洞，所述第二通孔为沿着所述第一凹槽底端另一侧边缘的第二半弧柱孔洞，使得所述第一通孔和所述第二通孔之间形成振荡区域；
在所述振荡区域正面且沿着所述第一凹槽侧壁延伸至所述第一凹槽外侧形成第一电极，所述第一电极端部位于所述第一引脚区域，在所述振荡区域背面且沿着所述第二凹槽侧壁延伸至所述第二凹槽外侧形成第二电极，所述第二电极端部位于所述第二引脚区域，以形成压电传感器晶片。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述形成从所述第一凹槽开设至所述第二凹槽的第一通孔和第二通孔，包括：
采用光刻工艺，从所述第一凹槽开设至所述第二凹槽，形成第一通孔和第二通孔；或者
采用激光切割工艺，从所述第一凹槽开设至所述第二凹槽，形成第一通孔和第二通孔。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在第一石英晶片上对应所述压电传感器晶片正面且正对所述第一引脚区域的位置形成第一缺口之前，还包括：
对所述第一石英晶片进行研磨和抛光，以使得所述第一石英晶片表面粗糙度小于10nm；
所述在第二石英晶片上对应所述压电传感器晶片背面且正对所述第二引脚区域的位置形成第二缺口之间，还包括：
对所述第二石英晶片进行研磨和抛光，以使得所述第二石英晶片表面粗糙度小于10nm。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述第一石英晶片与所述压电传感器晶片正面键合，将所述第二石英晶片与所述压电传感器晶片背面键合之前，还包括：
在所述第一石英晶片表面和所述第二石英晶片表面均形成键合层。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在所述第一石英晶片表面和所述第二石英晶片表面均形成键合层，具体采用如下任意一种方式：
涂覆、PVD、CVD、PECVD以及烧结。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述第一石英晶片与所述压电传感器晶片正面键合，将所述第二石英晶片与所述压电传感器晶片背面键合，包括：
在真空环境中，将所述第一石英晶片与所述压电传感器晶片正面键合，将所述第二石英晶片与所述压电传感器晶片背面键合。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在将所述第一石英晶片与所述压电传感器晶片正面键合，将所述第二石英晶片与所述压电传感器晶片背面键合之后，还包括：
在所述第一引脚区域的第一电极上形成第一镀膜层；
在所述第二引脚区域的第二电极上形成第二镀膜层。
9.一种压电石英传感器，其特征在于，包括：
压电传感器晶片、第一封装侧面部件和第二封装侧面部件；
所述压电传感器晶片包括正面边缘的第一引脚区域和背面边缘的第二引脚区域，所述第一引脚区域和所述第二引脚区域呈对角方向设置；
所述第一石英晶片包括第一缺口、第二缺口；
所述第二石英晶片包括第三缺口、第四缺口；
所述第一封装侧面部件和所述第二封装侧面部件分别键合于所述压电传感器晶片的正面和背面，使得所述第一缺口和第四缺口与所述第一引脚区域正对，所述第二缺口和第三缺口与所述第二引脚区域正对。
10.如权利要求8所述的压电石英传感器，其特征在于，所述第一缺口的截面、第二缺口的截面、第三缺口的截面和第四缺口的截面均为半圆形或者矩形。
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