CN115574987A - 一种电容压力传感器芯体及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明的电容压力传感器芯体，包括：上基板、下基板；固定连接上基板和下基板的内熔接环、外熔接环，内熔接环与上下两侧的上基板、下基板合围形成气密的第一腔体；内熔接环、外熔接环与上下两侧的上基板、下基板合围形成气密的第二腔体；布设于上基板下表面且位于第一腔体内的上极板电极；布设于下基板上表面且位于第一腔体内的下极板电极；及设置于下基板下表面的第一焊盘、第二焊盘，上极板电极穿过内熔接环后地通过第一导电通路连接至第一焊盘，上极板电极穿过内熔接环后地通过第二导电通路电连接至第二焊盘；第一导电通路和第二导电通路均位于第二腔体内且朝下贯穿下基板。其密封性好，制作工艺简单、成本低、寄生电容小。

Description

一种电容压力传感器芯体及其制作方法

技术领域

本发明涉及压力传感器领域，具体涉及一种电容压力传感器芯体及其制作方法。

背景技术

电容式压力传感器与电阻式、电感式等传感器的相比具有温度稳定性好、结构简单、适应性强、动态响应好、容易实现非接触测量并且具有一定平均效应，一般以无机材料作为绝缘支撑，因此能工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力、高冲击、大过载等。

电容式压力传感器的芯体结构是利用两个硅基的电容极板，分别是可动板和固定板，可动板既作为电容极板又作为感压膜，这种结构设计比较简单、易加工的特点，但也有很明显的缺陷。首先，可动板既作为电容极板又作为感压膜，可动极板与固定极板之间形成的电容易受外界环境干扰，尤其是被测介质如果是带电介质或者导电介质，耦合电容干扰难以消除；其次，在恶劣环境下，传感器的可动极板直接与被测介质接触，易导致可动极板结构被破坏；最后，这种结构设计决定了其压力芯体的封装形式多为引线键合的方式，这种封装方式使得传感器的介质兼容性大大受限，传感器很难在具有腐蚀性、导电性的液体或气体介质中工作。所以现有技术很难克服其环境适应性较差的问题，需要从设计和制作的角度来解决这个问题。但在本申请发现上述技术至少存在如下技术问题。

本部分中的陈述仅提供与本发明相关的背景信息并且可以不构成现有技术。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明致力于提供一种电容压力传感器芯体及其制作方法，以提升其介质密封性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电容压力传感器芯体，其包括：

上下平行且间隔设置的上基板、下基板；

固定连接上基板和下基板的内熔接环、外熔接环，内熔接环与上下两侧的上基板、下基板合围形成气密的第一腔体；内熔接环、外熔接环与上下两侧的上基板、下基板合围形成气密的第二腔体；

布设于上基板下表面且位于第一腔体内的上极板电极；

布设于下基板上表面且位于第一腔体内的下极板电极；

及设置于下基板下表面的第一焊盘、第二焊盘，上极板电极穿过内熔接环后地通过第一导电通路连接至第一焊盘，下极板电极穿过内熔接环后地通过第二导电通路电连接至第二焊盘；第一导电通路和第二导电通路均位于第二腔体内且朝下贯穿下基板。

优选地，所述第一导电通路包括自上而上依次设置的第一上导体、第一下导体和导电材料，所述导电材料填充于下基板上开设的第一通孔内；所述上极板电极包括盘状的上极板电极主体和由上极板电极主体上延伸出的上极板电极引出部，上极板电极引出部朝外穿过内熔接环后与第一上导体连接。

优选地，所述第二导电通路包括填充于下基板上开设的第一通孔内的导电材料；所述导电材料填充于下基板上开设的第二通孔内；所述下极板电极包括盘状的下极板电极主体和由下极板电极主体上延伸出的下极板电极引出部，下极板电极引出部经所述导电材料电连接至第二焊盘。

优选地，还包括第三焊盘和布设于上基板下表面且位于第一腔体内的上极板参考电极，上极板参考电极围绕于上极板电极外侧；第三焊盘设置于下基板下表面，上极板参考电极朝外穿过内熔接环后经位于第二腔体内且朝下贯穿下基板的第三导电通路电连接至第三焊盘。

优选地，所述第三导电通路包括自上而上依次设置的第二上导体、第二下导体和导电材料，所述导电材料填充于下基板上开设的第三通孔内；所述上极板参考电极包括上极板参考电极主体和由上极板参考电极主体上延伸出的上极板参考电极引出部，上极板参考电极引出部与第二上导体连接；上极板参考电极主体大致为环状，其上开设有可供上极板电极朝外穿过的缺口。

优选地，所述内熔接环、外熔接环均由低温玻璃浆料烧结而成。

优选地，所述第一上导体和第二上导体的熔点低于所述低温玻璃浆料的封接温度10℃～30℃。

优选地，所述上基板为硅、玻璃或石英，所述下基板为玻璃、石英或蓝宝石。

本发明还提供了一种上述电容压力传感器芯体的制作方法，其包括步骤：

制作上组件：在上极板电极的上表面制作上极板电极；在上极板电极的上表面制作第一上导体和第二上导体后得到上组件；

制作下组件：在下基板上打孔形成第一通孔、第二通孔；在通孔内填充导电材料；在下基板上表面制作下极板电极、第一下导体及第二下导体；在下极板电极上表面制作内熔接环和外熔接环后得到下组件；

熔接键合：将上组件倒扣于下组件上后，在合适的温度下通过内熔接环和外熔接环将上基板和下基板进行封接，同时使第一上导体和第二上导体对应地电连接于第一下导体和第二下导体上。

优选地，在下基板上打孔时一并制作第三通孔；在制作上极板电极时一并制作上极板参考电极。

本发明通过玻璃浆料制作的内、外内熔接环对上、下基板进行键合封接，并使导电通路均设置于第二腔体中，其密封性好，尤其是内部的极板受到双层密封，因此介质兼容性好，可以直接暴露于机油、空气等介质中；制作工艺简单、成本低，避免了引线键合及涂胶保护工艺，同时减小了寄生电容。

附图说明

图1为本发明一优选实施例的电容压力传感器芯体的沿图2中所示A-A的剖视图结构示意图；

图2为本发明一优选实施例的电容压力传感器芯体的俯视图(隐去内熔接环25、外熔接环26)；

图3为本发明一优选实施例的电容压力传感器芯体的底视图；

图4(a)～4(g)为本发明一优选实施例的电容压力传感器芯体于各工艺步骤处理后的结构示意图；

图中：1、上组件；11、上基板；12、上极板电极；121、上极板电极主体；122、上极板电极引出部；13、上极板参考电极；131、上极板参考电极主体；132、上极板参考电极引出部；13a、缺口；14、上导体；141、第一上导体；142、第二上导体；2、下组件；21、下基板；210、导电材料；21a、第一通孔；21b、第二通孔；21c、第三通孔；22、下极板电极；221、下极板电极主体；222、下极板电极引出部；23、第一下导体；24、第二下导体；241、第二下导体主体；242、第二下导体引出部；25、内熔接环；26、外熔接环；27a、第一焊盘；27b、第二焊盘；27c、第三焊盘；3a、第一腔体；3b、第二腔体；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。下列的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。在以下描述中，相同的标记用于表示相同或等效的元件，并且省略重复的描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。

另外，术语“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，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还应当进一步理解，在本发明说明书和对应的权利要求书中使用的术语“和/或”是指所列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合。

如图1～3、图4(f)、图4(g)所示，本发明的一优选实施例中，电容压力传感器芯体包括上基板11和上极板电极12，两者通过内熔接环25和外熔接环26固定连接。上基板11可为硅、玻璃或石英，上极板电极12可为玻璃、石英或蓝宝石。内熔接环25和外熔接环26为玻璃材质，其可由低温玻璃浆料烧结而成。较佳地，上基板11和上极板电极12的内侧表面均为平面，内熔接环25和外熔接环26厚度相同。

内熔接环25与上下两侧的上基板11、下基板21合围形成气密的第一腔体3a。内熔接环25、外熔接环26与上下两侧的上基板11、下基板21合围形成气密的第二腔体3b。

电容压力传感器芯体还包括上极板电极12，下极板电极22，其两者均位于第一腔体3a内，或者大部分位于第一腔体3a内。上极板电极12布设于上基板11下表面，下极板电极22布设于下基板21上表面。

下基板21下表面设置有第一焊盘27a和第二焊盘27b。上极板电极12穿过内熔接环25后地通过第一导电通路连接至第一焊盘27a。下极板电极22穿过内熔接环25后地通过第二导电通路电连接至第二焊盘27b。第一导电通路和第二导电通路均位于第二腔体3b内且朝下贯穿下基板21。

在其他的一些实施例中，优选地，第一导电通路可包括自上而上依次设置的第一上导体141、第一下导体23和导电材料210。导电材料210填充于下基板21上开设的第一通孔21a内。上极板电极12包括盘状的上极板电极主体121和由上极板电极主体121上延伸出的上极板电极引出部122。上极板电极引出部122朝外穿过内熔接环25后与第一上导体141连接。

在其他的一些实施例中，优选地，第二导电通路包括填充于下基板21上开设的第一通孔21a内的导电材料210。导电材料210填充于下基板21上开设的第二通孔21b内。下极板电极22包括盘状的下极板电极主体221和由下极板电极主体221上延伸出的下极板电极引出部222。下极板电极引出部222经导电材料210电连接至第二焊盘27b。

在以上的各实施例的基础上，电容压力传感器芯体还可包括位于第一腔体3a内上极板参考电极13和对应布设于上基板11下表面的第三焊盘27c。上极板参考电极13围绕于上极板电极12外侧。第三焊盘27c设置于下基板21下表面。上极板参考电极13朝外穿过内熔接环25后经位于第二腔体3b内且朝下贯穿下基板21的第三导电通路电连接至第三焊盘27c。

具体地，第三导电通路可包括自上而上依次设置的第二上导体142、第二下导体24和导电材料210。导电材料210填充于下基板21上开设的第三通孔21c内。上极板参考电极13包括上极板参考电极主体131和由上极板参考电极主体131上延伸出的上极板参考电极引出部132。上极板参考电极引出部132与第二上导体142连接。上极板参考电极主体131大致为环状，其上开设有可供上极板电极12朝外穿过的缺口13a。第一上导体141和第二上导体142均为膜状，其组成上导体。第一下导体23和第二下导体24均为膜状。

在以上的各实施例中，上极板电极主体121最好为圆形。上极板电极引出部122可为带状，其由上极板电极主体121的周部一处沿径向朝外延伸形成，并朝沿穿过上述的缺口13a。对应地，下极板电极主体221也为圆形。下极板电极主体221的周部一处沿径向朝外延伸形成上述的下极板电极引出部222，下极板电极引出部222朝外穿过内熔接环25后朝下正对于第一通孔21a，并通过第一通孔21a内填充的导电材料210与下基板21底部的第二焊盘27b连接。

在以上的各实施例中，下极板电极主体221与上极板电极主体121之间组成测量电容，下极板电极主体221与上极板参考电极主体131之间形成参考电容。较佳地，下极板电极主体在上下方向上刚好覆盖上极板电极主体121和上极板参考电极主体131。

请参合参阅图4(a)～4(g)，其中图4(e)、图4(f)显示的为上组件1或其组件未倒扣前的示意图。上述的电容压力传感器芯体可按以下步骤进行制作：

制作上组件：在上极板电极12的上表面通过溅射、蒸镀、物理气相沉积等方式制作上极板电极12。在上极板电极12的上表面制作上导体14后得到上组件1。

制作下组件：在下基板21上打孔形成第一通孔21a、第二通孔21b。在通孔内填充导电材料210。在下基板21上表面制作下极板电极22、第一下导体23及第二下导体24。在下极板电极22上表面制作内熔接环25和外熔接环26后得到下组件2。其中，第二下导体24可包括第二下导体主体241和由第二下导体主体241朝内延伸的第二下导体引出部242，第二下导体主体241朝上正对于第二上导体142，第二下导体引出部242与第三通孔21c内的导电材料210之间正对连接。

熔接键合：将上组件1倒扣于下组件2上，对内熔接环25和外熔接环26的封接温度下进行烧结；并对通过回流焊等焊接方式将第一上导体141、第一下导体23上下对焊，将第二上导体142与第二下导体24上下对焊。

其中，制作上组件与制作下组件无固定的先后顺序，当然也可分别进行制作。

为保持良好的电连接，第二上导体142最好覆盖于上极板电极引出部122的一部分以形成面接触，第一上导体141最好覆盖于上极板参考电极引出部132的一部分以形成面接触。

在其他的一些实施例中，优选地，上极板参考电极主体131最好为环形。上极板参考电极引出部132为带状，由上极板参考电极主体131的周部至少一处沿径向朝外延伸形成。对应地，第二下导体主体241也为环形，其位于第二腔体3b内。第二下导体主体241的周部一处沿径向朝内延伸形成第二下导体引出部242。其中，图4(e)和图4(e)中通过由虚线示例性地示出了环形的内熔接环25和外熔接环26在上基板11上所对应的位置。

其中，在焊接前，第一上导体141与第一下导体23的厚度之和，第二上导体142与第二下导体24的厚度之和，均略大于内熔接环25和外熔接环26的厚度，例如可使其超过内熔接环25或外熔接环26的厚度0.5％～3％。

其中，上极板电极12、上极板参考电极13的材料可为钛金合金，其可通过溅射、蒸镀、物理气相沉积等方式制作。上导体14(第一上导体141和第二上导体142)的材质为合金焊料，其可通过蒸镀、网印等方式制作。内熔接环25和外熔接环26可由丝网印印刷或涂覆盖等工艺进行制作。导电材料210可以为金属材料，例如可以为可伐(Kovar)合金，其可以在填充后烧结于下基板21上。

本实施例中，电容压力传感器芯体在制作时，可在下基板21上打孔时一并制作第三通孔21c。在制作上极板电极12时同时一并制作上极板参考电极13。

以上的各实施例中，第一上导体141和第二上导体142的熔点最好低于低温玻璃浆料的封接温度10℃～30℃，例如。这样可以省去回流焊，即可一并使第一上导体141和第二上导体142在该封接温度下对应地焊接于第一下导体23、第二下导体24上。例如，可以选用封接温度为250℃左右的低温玻璃浆料，此时，第一上导体141和第二上导体142可使用SAC305或Sn-58Bi。其中，低温玻璃浆料最好选用无铅玻璃浆料。

在以上的各实施例中，第一上导体141和第二上导体142可为焊料，其与第一下导体23和第二下导体24之间对应地焊接以实现电连接；在另外的一些实施例中，他们也可以是由各种方式(例如浆料涂覆、蒸镀、溅射等)形成的铜膜、金膜或银膜，其在上、下组件熔接时分别上下压合形成电连接。

本公开内容的范围不是由详细描述限定，而是由权利要求及其等同方案限定，并且在权利要求及其等同方案范围内的所有变型都解释为包含在本公开内容中。

Claims (10)

1.一种电容压力传感器芯体，其特征在于，包括：

上下平行且间隔设置的上基板(11)、下基板(21)；

固定连接上基板(11)和下基板(21)的内熔接环(25)、外熔接环(26)，内熔接环(25)与上下两侧的上基板(11)、下基板(21)合围形成气密的第一腔体(3a)；内熔接环(25)、外熔接环(26)与上下两侧的上基板(11)、下基板(21)合围形成气密的第二腔体(3b)；

布设于上基板(11)下表面且位于第一腔体(3a)内的上极板电极(12)；

布设于下基板(21)上表面且位于第一腔体(3a)内的下极板电极(22)；

及设置于下基板(21)下表面的第一焊盘(27a)、第二焊盘(27b)，上极板电极(12)穿过内熔接环(25)后地通过第一导电通路连接至第一焊盘(27a)，下极板电极(22)穿过内熔接环(25)后地通过第二导电通路电连接至第二焊盘(27b)；第一导电通路和第二导电通路均位于第二腔体(3b)内且朝下贯穿下基板(21)。

2.根据权利要求1所述的电容压力传感器芯体，其特征在于，所述第一导电通路包括自上而上依次设置的第一上导体(141)、第一下导体(23)和导电材料(210)，所述导电材料(210)填充于下基板(21)上开设的第一通孔(21a)内；所述上极板电极(12)包括盘状的上极板电极主体(121)和由上极板电极主体(121)上延伸出的上极板电极引出部(122)，上极板电极引出部(122)朝外穿过内熔接环(25)后与第一上导体(141)连接。

3.根据权利要求1所述的电容压力传感器芯体，其特征在于，所述第二导电通路包括填充于下基板(21)上开设的第一通孔(21a)内的导电材料(210)；所述导电材料(210)填充于下基板(21)上开设的第二通孔(21b)内；所述下极板电极(22)包括盘状的下极板电极主体(221)和由下极板电极主体(221)上延伸出的下极板电极引出部(222)，下极板电极引出部(222)经所述导电材料(210)电连接至第二焊盘(27b)。

4.根据权利要求1所述的电容压力传感器芯体，其特征在于，还包括第三焊盘(27c)和布设于上基板(11)下表面且位于第一腔体(3a)内的上极板参考电极(13)，上极板参考电极(13)围绕于上极板电极(12)外侧；第三焊盘(27c)设置于下基板(21)下表面，上极板参考电极(13)朝外穿过内熔接环(25)后经位于第二腔体(3b)内且朝下贯穿下基板(21)的第三导电通路电连接至第三焊盘(27c)。

5.根据权利要求4所述的电容压力传感器芯体，其特征在于，所述第三导电通路包括自上而上依次设置的第二上导体(142)、第二下导体(24)和导电材料(210)，所述导电材料(210)填充于下基板(21)上开设的第三通孔(21c)内；所述上极板参考电极(13)包括上极板参考电极主体(131)和由上极板参考电极主体(131)上延伸出的上极板参考电极引出部(132)，上极板参考电极引出部(132)与第二上导体(142)连接；上极板参考电极主体(131)大致为环状，其上开设有可供上极板电极(12)朝外穿过的缺口(13a)。

6.根据权利要求1～5中的任一项所述的电容压力传感器芯体，其特征在于，所述内熔接环(25)、外熔接环(26)均由低温玻璃浆料烧结而成。

7.根据权利要求6所述的电容压力传感器芯体，其特征在于，所述第一上导体(141)和第二上导体(142)的熔点低于所述低温玻璃浆料的封接温度10℃～30℃。

8.根据权利要求1～5中的任一项所述的电容压力传感器芯体，其特征在于，所述上基板为硅、玻璃或石英，所述下基板为玻璃、石英或蓝宝石。

9.如权利要求1～8中的任一项所述的电容压力传感器芯体的制作方法，其特征在于，包括步骤：

制作上组件：在上极板电极(12)的上表面制作上极板电极(12)；在上极板电极(12)的上表面制作第一上导体(141)和第二上导体(142)后得到上组件(1)；

制作下组件：在下基板(21)上打孔形成第一通孔(21a)、第二通孔(21b)；在通孔内填充导电材料(210)；在下基板(21)上表面制作下极板电极(22)、第一下导体(23)及第二下导体(24)；在下极板电极(22)上表面制作内熔接环(25)和外熔接环(26)后得到下组件(2)；

熔接键合：将上组件(1)倒扣于下组件(2)上后，在合适的温度下通过内熔接环(25)和外熔接环(26)将上基板(11)和下基板(21)进行封接，同时使第一上导体(141)和第二上导体(142)对应地电连接于第一下导体(23)和第二下导体(24)上。

10.根据权利要求9所述的电容压力传感器芯体的制作方法，其特征在于，在下基板(21)上打孔时一并制作第三通孔(21c)；在制作上极板电极(12)时一并制作上极板参考电极(13)。

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