CN115235681A - Mems压力传感器的封装结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种MEMS压力传感器的封装结构及方法，所述MEMS压力传感器的封装结构包括：膜片，与底座形成密封腔体，所述密封腔体内部设有传感介质及压力传感芯片，当外界压力增大时，所述膜片向所述密封腔体的内侧弯曲，以使所述密封腔体收缩并通过传感介质向压力传感芯片传递压力；封盖，设于所述底座上并悬置于所述膜片的远离所述密封腔体的一侧；连接于所述膜片的第一电极和连接于所述封盖的第二电极，当所述封盖和所述膜片通过对应电极接入电压时，所述封盖与所述膜片之间产生用于平衡过载压力的静电引力。本申请的封装结构可以避免密封腔体因压力过载而过渡收缩导致传感芯片损坏，从而实现过载保护。

Description

MEMS压力传感器的封装结构及方法
技术领域
本申请属于芯片封装技术领域，具体涉及一种MEMS压力传感器的封装结构及方法。
背景技术
MEMS压力传感器的封装结构不仅能够保护传感器芯片使其免受外界环境的干扰和破坏，还能够将待测的外界压力传递给传感器芯片以实现压力的检测。因此，MEMS压力传感器的封装会对传感器芯片的性能产生重要影响，其结构的优劣也会直接影响到MEMS压力传感器的应用。目前，MEMS压力传感器的封装结构，结构简单，但功能单一，对传感器的不具备额外的增益效果。
发明内容
本申请的目的是提供一种MEMS压力传感器的封装结构及方法，可以避免密封腔体因压力过载而过渡收缩导致传感芯片损坏，从而实现过载保护。
本申请的第一方面，提供一种MEMS压力传感器的封装结构，包括：
膜片，与底座形成密封腔体，所述密封腔体内部设有传感介质及压力传感芯片，当外界压力增大时，所述膜片向所述密封腔体的内侧弯曲，以使所述密封腔体收缩并通过传感介质向压力传感芯片传递压力；
封盖，设于所述底座上并悬置于所述膜片的远离所述密封腔体的一侧；
连接于所述膜片的第一电极和连接于所述封盖的第二电极，当所述封盖和所述膜片通过对应电极接入电压时，所述封盖与所述膜片之间产生用于平衡过载压力的静电引力。
可选地，所述底座上设有凹腔，所述膜片设于在所述凹腔的腔口处以形成所述密封腔体。
可选地，所述凹腔由底板和位于底板表面的侧板形成。
可选地，所述第一电极和所述第二电极均穿设于所述底板上，所述侧板包括同心设置的导电内壳和绝缘外壳，所述膜片设于所述导电内壳上，并通过所述导电内壳连接所述第一电极，所述封盖设于所述绝缘外壳上。
可选地，所述绝缘外壳包括内壳体和外壳体，所述封盖设于所述内壳体的远离所述底板的一端，且其面向所述底板的一端连接所述第二电极，所述外壳体套装在所述内壳体、所述封盖及所述第二电极外，所述外壳体与所述内壳体、所述封盖及所述第二电极之间的间隙内填充有灌封胶。
可选地，所述封盖包括金属层和覆盖于金属层外表面的绝缘层，所述第二电极具体连接于所述金属层，当所述金属层和所述膜片通过对应电极接入电压时，所述金属层与所述膜片之间产生平衡过载压力的静电引力。
可选地，所述封盖与所述侧板及所述膜片构成过渡腔体，所述封盖上设有连通外界的介质通孔。
可选地，所述膜片采用波纹膜片。
可选地，所述传感介质为空气、水和硅油中的一种。
本申请的第二方面，提供一种MEMS压力传感器的封装方法，包括：
提供底板，所述底板上穿设有第一引脚、第二引脚、第一电极和第二电极；
在所述底板的表面粘贴压力传感芯片，并将所述压力传感芯片的输入端和输出端分别连接所述第一引脚和第二引脚；
在所述底板的表面安装侧板，以形成凹腔；
在所述侧板的远离所述底板的一端安装膜片，并将所述膜片与所述第一电极连接，以形成密封腔体，所述压力传感芯片位于所述密封腔体内；
向所述密封腔体内填充传感介质；
制备封盖，所述封盖上设有第二电极；
将所述封盖悬置在所述膜片外并固定于所述侧板上以及将所述第二电极穿设在所述底板上。
本申请的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本申请的MEMS压力传感器的封装结构，其在膜片外设置与其相对的封盖，当压力过载时，膜片和封盖可以通过各自连接的电极接入电压，以在两者之间产生静电引力，利用该静电引力可以用来平衡或者抵消过载压力，从而实现过载保护。
附图说明
图1是本申请一示例性实施例中一种MEMS压力传感器的封装结构的结构示意图。
图2-图7是本申请一示例性实施例中一种MEMS压力传感器的封装结构的制备过程。
图中，110、膜片；121、底板；121a、第一结构层；121b、第二结构层；121c、N型半导体；121d、P型半导体；122、侧板；122a、导电内壳；122b、绝缘外壳；122c、内壳体；122d、外壳体；123、第一引脚；124、第二引脚；125、第三引脚；126、第四引脚；127、第五引脚；128、第六引脚；130、密封腔体；140、压力传感器；150、封盖；151、金属层；152、绝缘层；153、介质通孔；160、第一电极；170、第二电极；180、温度传感芯片；190、过渡腔体。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本申请进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1所示，本申请实施例提供一种MEMS压力传感器140的封装结构，包括：膜片110，与底座（图中未标出）形成密封腔体130，密封腔体130内部设有传感介质及压力传感芯片，当外界压力增大时，膜片110向密封腔体130的内侧弯曲，以使密封腔体130收缩并通过传感介质向压力传感芯片传递压力；封盖150，设于底座上并悬置于膜片110的远离密封腔体130的一侧；连接于膜片110的第一电极160和连接于封盖150的第二电极170，当封盖150和膜片110通过对应电极接入电压时，封盖150与膜片110之间产生用于平衡过载压力的静电引力。
具体地，膜片110和封盖150均具有导电特性，两者在通过第一电极160和第二电极170接入电压后，成为电性相反的带电体，并在两者之间形成静电引力，该静电引力可以使膜片110具有向外膨胀的趋势，从而能够抵消或者平衡过载压力，实现过载保护。可选地，第一电极160和第二电极170仅在压力过载时通电，而且，可以通过通入不同的电压来适应不同的过载压力，例如，通入的电压的大小可以通过负反馈电路的方式来确定。同时，封盖150还具有对膜片110的保护作用，可以避免膜片110可能在运输、使用过程中发生损坏，从而降低器件损坏的风险。
本申请实施例的MEMS压力传感器140的封装结构，其在膜片110外设置与其相对的封盖150，当压力过载时，膜片110和封盖150可以通过各自连接的电极接入电压，以在两者之间产生静电引力，利用该静电引力可以用来平衡或者抵消过载压力，从而实现过载保护。
在一些可选实施例中，底座上设有凹腔，膜片110设于在凹腔的腔口处以形成密封腔体130。
在一些可选实施例中，凹腔由底板121和位于底板121表面的侧板122形成。其中，侧板122可以是管状结构，例如，圆管、方管等，通过将侧板122的一端固定于底板121的一侧可以形成凹腔，膜片110封装在侧板122的另一端。在具体实施时，侧板122的形状可以由本领域技术人员根据实际情况灵活设计，在本实施例中，侧板122优选为圆管状结构。
在一些可选实施例中，第一电极160和第二电极170均穿设于底板121上，侧板122包括同心设置的导电内壳122a和绝缘外壳122b，膜片110设于导电内壳122a上，并通过导电内壳122a连接第一电极160，封盖150设于绝缘外壳122b上。在具体实施时，通过导电内壳122a和绝缘外壳122b分别安装膜片110和封盖150，可以避免两者导电连接，使过载保护功能失效。而且，相对于将第一电极160与膜片110直接连接，通过导电内壳122a将第一电极160和膜片110连接，难度降低，便于传感器的封装。进一步地，为了使封盖150能够悬置在膜片110外，可以使绝缘外壳122b相较于导电内壳122a具有更高的高度，例如，膜片110设于导电内壳122a的远离底板121的一端，封盖150设于绝缘外壳122b的远离底板121的一端。
在一些可选实施例中，为了避免第二电极170暴露在外，绝缘外壳122b包括内壳体122c和外壳体122d，封盖150设于内壳体122c的远离底板121的一端，且其面向底板121的一端连接第二电极170，外壳体122d套装在内壳体122c、封盖150及第二电极170外，外壳体122d与内壳体122c、封盖150及第二电极170之间的间隙内填充有灌封胶。在具体实施时，第二电极170连接于封盖150的面向底板121的一端，并位于内壳体122c的外侧，通过在内壳体122c及第二电极170外再设置一层外壳体122d，可以避免第二电极170暴露在外。
在一些可选实施例中，封盖150包括金属层151和覆盖于金属层151外表面的绝缘层152，在具体实施例时，第二电极170具体连接于金属层151，当金属层151和膜片110通过对应电极接入电压时，金属层151与膜片110之间产生平衡过载压力的静电引力，同时，绝缘层152可以起到对金属层151的保护作用，避免压力传感器140在运输、制备和使用过程中发生损坏。
在一些可选实施例中，封盖150与侧板122及膜片110构成过渡腔体190，封盖150上设有连通外界的介质通孔153。
在一些可选实施例中，膜片110采用波纹膜片。波纹膜片具有良好的弹性，利用其弹性可以用来传递压力和释放热应力。其中，波纹膜片的厚度与所需耐压强度有关，波纹膜片的厚度越大，硬度越高，则波纹膜片的刚度越大，这使波纹膜片更容易疲劳损伤，但厚度过小，硬度过低，又会使波纹膜片的耐压强度降低，在具体实施时，波纹膜片的厚度与耐压强度可以由本领域技术人员根据实际情况灵活设计。
在一些可选实施例中，传感介质为空气、水和硅油中的一种。在本实施例中，传感介质优选为硅油。硅油具有良好的惰性和传压能力，其可以用来保护压力传感器140芯片以及高效传递待测的外界压力。在具体实施时，可以在底板121上开设注油孔，利用注油孔将硅油注入密封腔体130内，待硅油注入完成后，通过灌封胶密封填充孔。
在一些可选实施例中，压力传感芯片通过玻璃衬底粘贴在底座上。
在一些可选实施例中，第一电极160、第二电极170以及连接压力传感芯片的引脚均穿设在底板121上。示例性的，引脚包括第一引脚123和第二引脚124，第一引脚123和第二引脚124分别连接压力传感芯片的输入端和输出端，用于压力信号输出。在其他实施例中，密封腔体130内还可以设置其他传感芯片，例如温度传感芯片180，温度传感芯片180通过玻璃衬底粘贴在底板121上，压力传感器140在检测压力的过程中，可以通过温度传感芯片180检测密封腔体130内的温度，相应的，底板121上还可以穿设其他引脚，用于连接温度传感芯片180以进行温度信号输出。
在一些可选实施例中，膜片110和封盖150可以与相应电极一体设计或者单独设计。例如，膜片110与第一电极160单独设计，两者可以先后安装于导电内壳122a和底板121并通过导电内壳122a进行连接。又例如，封盖150与第二电极170一体设计，在安装封盖150的同时，可以将第二电极170穿设到底板121上的通孔内。
在一些可选实施例中，底板121包括第一结构层121a、第二结构层121b以及位于第一结构层121a和第二结构层121b之间的N型半导体121c和P型半导体121d，N型半导体121c与P型半导体121d相串联后与直流电源连接。具体地，N型半导体121c和P型半导体121d通过金属线串联，并通过引脚连接外设的直流电源。在具体实施时，N型半导体121c与P型半导体121d之间通过灌封胶绝缘隔离，同样的，N型半导体121c和P型半导体121d与除金属线以外的其他金属元件之间也通过灌封胶绝缘隔离，例如，第一结构层121a为金属材料层，第二结构层121b为绝缘材料层，N型半导体121c和P型半导体121d与第一结构层121a之间通过灌封胶绝缘隔离。在具体实施时， N型半导体121c和P型半导体121d的串联结构在通电后可以产生珀尔帖效应，使第一结构层121a和第二结构层121b之间出现热量转移，例如，由N型半导体121c输入电流时，第一结构层121a的热量转移至第二结构层121b，由P型半导体121d输入电流时，第二结构层121b的热量转移至第一结构层121a。从而可以实现对密封腔体130内部温度的控制，能够避免环境温度变化导致传感器芯片性能产生漂移的问题。
在一些可选实施例中，密封腔体130内还设有温度传感芯片180，用于检测密封腔体130内部的温度，检测到的温度可以作为温度控制时的参数依据。
如图2-图7所示，本申请实施例还提供一种MEMS压力传感器140的封装方法，包括：
步骤1、提供底板121，底板121上穿设有第一引脚123、第二引脚124、第一电极160和第二电极170。
具体地，第一引脚123和第二引脚124分别用于连接压力传感芯片的输入端和输出端，用于信号输出；第一电极160和第二电极170分别用于连接膜片110和封盖150，用于使膜片110和封盖150接入电压并成为电性相反的带电体，从而使膜片110和封盖150之间形成静电引力。
在具体实施时，底板121可以由第一结构层121a、第二结构层121b以及位于第一结构层121a和第二结构层121b之间的N型半导体121c和P型半导体121d的串联结构构成，其中，N型半导体121c与P型半导体121d通过金属线相串联，在N型半导体121c和P型半导体121d的串联结构通过电流时，可以产生珀尔帖效应，使第一结构层121a和第二结构层121b之间出现热量转移。相应的，底板121上还穿设有第三引脚125和第四引脚126，第三引脚125和第四引脚126分别连接N型半导体121c和P型半导体121d的串联结构的两端。
在具体实施时，N型半导体121c和P型半导体121d均为多个，多个N型半导体121c与多个P型半导体121d两两通过金属线相串联，随着串联的N型半导体121c和P型半导体121d的数量增加，其吸热放热效率也相应增加。
在具体实施时，底板121的制备步骤包括：提供具有通孔的第一结构层121a，通孔包括第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔；沿平行于第一结构层121a的表面的方向，在第一结构层121a的表面间隔排列并粘贴金属线；在第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔内对应穿设第一引脚123、第二引脚124、第三引脚125和第四引脚126，其中，第一引脚123和第二引脚124均套装有绝缘子；在每个金属线的两端分别粘贴一个N型半导体121c和一个P型半导体121d，并沿排列方向，将位于一端的N型半导体121c连接第三引脚125，位于另一端的P型半导体121d连接第四引脚126；沿排列方向，在相邻且未连接的N型半导体121c和P型半导体121d上粘贴金属线，以将多个N型半导体121c和多个P型半导体121d串联；提供具有通孔的第二结构层121b，将第二结构层121b悬设于第一结构层121a及N型半导体121c和P型半导体121d上方，并使第一引脚123和第二引脚124从第二结构层121b上的通孔中穿出；在第一结构层121a和第二结构层121b、N型半导体121c和P型半导体121d之间填充灌封胶，以形成板体。
步骤2、在底板121的表面粘贴压力传感芯片，并将压力传感芯片的输入端和输出端分别连接第一引脚123和第二引脚124。
在具体实施时，第一结构层121a采用陶瓷板，第二结构层121b采用可伐合金板，压力传感芯片可以通过玻璃衬底粘贴于第二结构层121b上。
在具体实施时，还可以在底板121的表面粘贴温度传感芯片180，相应的，底板121上还可以设置与温度传感芯片180相连并用于信号输出的引脚，例如，底板121上穿设有第五引脚127和第六引脚128，待温度传感芯片180粘贴完成后，温度传感芯片180的输入端和输出端分别连接第五引脚127和第六引脚128。
步骤3、在底板121的表面安装侧板122，以形成凹腔。
在具体实施时，侧板122可以是管状结构，例如，圆管、方管等，通过将侧板122的一端固定于底板121的一侧可以形成凹腔，膜片110封装在侧板122的另一端。侧板122的形状可以由本领域技术人员根据实际情况灵活设计，在本实施例中，侧板122优选为圆管状结构。
在具体实施时，侧板122包括同心设置的导电内壳122a和绝缘外壳122b，导电内壳122a和绝缘外壳122b先后安装于底板121的表面，其中，侧板122具体通过导电内壳122a与底板121形成凹腔，另外，导电内壳122a还与第一电极160连接。
步骤4、在侧板122的远离底板121的一端安装膜片110，并将膜片110与第一电极160连接，以形成密封腔体130，压力传感芯片位于密封腔体130内。
在具体实施时，膜片110采用波纹膜片，波纹膜片具有良好的弹性，利用其弹性可以用来传递压力和释放热应力。
在具体实施时，膜片110设于侧板122的导电内壳122a的远离底板121的一端，并通过导电内壳122a与第一电极160连接，相对于将第一电极160与膜片110直接连接，通过导电内壳122a将第一电极160和膜片110连接，难度降低，便于传感器的封装。
步骤5、向密封腔体130内填充传感介质。
在具体实施时，传感介质为空气、水和硅油中的一种，在本实施例中，传感介质优选为硅油。硅油具有良好的惰性和传压能力，其可以用来保护压力传感器140芯片以及高效传递待测的外界压力。另外，为了向密封腔体130内填充传感介质，可以在底板121上开设注油孔，利用注油孔将硅油注入密封腔体130内，待硅油注入完成后，通过灌封胶密封填充孔。
步骤6、制备封盖150，封盖150上设有第二电极170，如图所示，第二电极170连接于封盖150的轴向一端。
在具体实施时，封盖150包括金属层151和覆盖于金属层151外表面的绝缘层152，其中，金属层151用于与第二电极170连接，并用于通过第二电极170接入电压，以在其与膜片110之间产生平衡过载压力的静电引力，绝缘层152覆盖在金属层151外表面，可以起到保护作用，避免压力传感器140在运输、制备和使用过程中发生损坏。具体地，封盖150由硬质材料制成，例如，封盖150可以是金属材质、塑料材质等。
在具体实施时，封盖150套装在侧板122的远离底板121的一端，并与膜片110及侧板122构成过渡腔体190，为了保证外界压力能够作用在膜片110上，在封盖150上开设连通外界的介质通孔153。
步骤7、将封盖150悬置在膜片110外并固定于侧板122上以及将第二电极170穿设在底板121上。
在具体实施时，封盖150套装在绝缘外壳122b的远离底板121的一端，通过导电内壳122a和绝缘外壳122b分别安装膜片110和封盖150，可以避免两者导电连接，使过载保护功能失效。进一步地，为了避免第二电极170暴露在外，绝缘外壳122b可以设计为内壳体122c和外壳体122d，制作过程中，可以先将内壳体122c套装在导电内壳122a外，再将封盖150套装在内壳体122c上，并使第二电极170穿设在底板121上的通孔内，随后将外壳体122d套装在导电内壳122a体及封盖150外，另外，还可以在外壳体122d与内壳体122c、封盖150及第二电极170之间的间隙内填充有灌封胶。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种MEMS压力传感器的封装结构，其特征在于，包括：
膜片，与底座形成密封腔体，所述密封腔体内部设有传感介质及压力传感芯片，当外界压力增大时，所述膜片向所述密封腔体的内侧弯曲，以使所述密封腔体收缩并通过传感介质向压力传感芯片传递压力；
封盖，设于所述底座上并悬置于所述膜片的远离所述密封腔体的一侧；
连接于所述膜片的第一电极和连接于所述封盖的第二电极，当所述封盖和所述膜片通过对应电极接入电压时，所述封盖与所述膜片之间产生用于平衡过载压力的静电引力。
2.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器的封装结构，其特征在于，所述底座上设有凹腔，所述膜片设于在所述凹腔的腔口处以形成所述密封腔体。
3.根据权利要求2所述的MEMS压力传感器的封装结构，其特征在于，所述凹腔由底板和位于底板表面的侧板形成。
4.根据权利要求3所述的MEMS压力传感器的封装结构，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极均穿设于所述底板上，所述侧板包括同心设置的导电内壳和绝缘外壳，所述膜片设于所述导电内壳上，并通过所述导电内壳连接所述第一电极，所述封盖设于所述绝缘外壳上。
5.根据权利要求4所述的MEMS压力传感器的封装结构，其特征在于，所述绝缘外壳包括内壳体和外壳体，所述封盖设于所述内壳体的远离所述底板的一端，且其面向所述底板的一端连接所述第二电极，所述外壳体套装在所述内壳体、所述封盖及所述第二电极外，所述外壳体与所述内壳体、所述封盖及所述第二电极之间的间隙内填充有灌封胶。
6.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器的封装结构，其特征在于，所述封盖包括金属层和覆盖于金属层外表面的绝缘层，所述第二电极具体连接于所述金属层，当所述金属层和所述膜片通过对应电极接入电压时，所述金属层与所述膜片之间产生平衡过载压力的静电引力。
7.根据权利要求3所述的MEMS压力传感器的封装结构，其特征在于，所述封盖与所述侧板及所述膜片构成过渡腔体，所述封盖上设有连通外界的介质通孔。
8.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器的封装结构，其特征在于，所述膜片采用波纹膜片。
9.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器的封装结构，其特征在于，所述传感介质为空气、水和硅油中的一种。
10.一种MEMS压力传感器的封装方法，其特征在于，包括：
提供底板，所述底板上穿设有第一引脚、第二引脚、第一电极和第二电极；
在所述底板的表面粘贴压力传感芯片，并将所述压力传感芯片的输入端和输出端分别连接所述第一引脚和第二引脚；
在所述底板的表面安装侧板，以形成凹腔；
在所述侧板的远离所述底板的一端安装膜片，并将所述膜片与所述第一电极连接，以形成密封腔体，所述压力传感芯片位于所述密封腔体内；
向所述密封腔体内填充传感介质；
制备封盖，所述封盖上设有第二电极；
将所述封盖悬置在所述膜片外并固定于所述侧板上以及将所述第二电极穿设在所述底板上。
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