CN117387830B - 适用于mems压力传感器的封装结构及其封装方法 - Google Patents

适用于mems压力传感器的封装结构及其封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了适用于MEMS压力传感器的封装结构及其封装方法，属于封装技术领域，本发明是在载有压敏芯片的玻璃基座底端增设传感结构，一方面在进行封装定位时，便于利用传感结构将压敏芯片悬放于外壳体内部，待封装完成后，传感结构用于受压介质的传感，压敏芯片与封装壳体相隔离，且将上传感柱与下传感柱设置成紧密滑动式结构，在初始状态下，下传感柱嵌设于限位环内部，不影响传感结构外部封装，当封装完毕后，向下拉动下传感柱直至其上端部脱离限位环，下传感柱与上传感柱由接触状态转变成非接触状态，进一步避免外壳体上的形变压力通过传感结构向上传递给压敏芯片，有效保障了压敏芯片对高频动态信号的测量精度及频率响应范围。

Description

适用于MEMS压力传感器的封装结构及其封装方法
技术领域
本发明涉及封装技术领域，更具体地说，涉及适用于MEMS压力传感器的封装结构及其封装方法。
背景技术
MEMS压力传感器是一种薄膜元件，受到压力时变形，可以利用应变仪（压阻型感测）来测量这种形变，也可以通过电容感测两个面之间距离的变化来加以测量。
MEMS压力传感器的封装是保护传感器芯片、电路和其他关键部件免受外部环境影响的重要步骤，目前MEMS压力传感器通常采用SMT封装，这是一种表面贴装技术，其中传感器芯片直接连接到印刷电路板（PCB），印刷电路板（PCB）安装于壳体上，再通过对壳体整体封装实现密封，封装方法虽然简易，但由于温度、压力等参数变化时，压力传感器的封装外壳受热、受力产生变形，会产生内部应力，进而影响到与其直接接触的压力传感器的测试精度。
为此，我们针对上述问题提出适用于MEMS压力传感器的封装结构及其封装方法。
发明内容
本发明目的在于解决上述问题，相比现有技术提供适用于MEMS压力传感器的封装结构及其封装方法，是在载有压敏芯片的玻璃基座底端增设传感结构，一方面在进行封装定位时，便于利用传感结构将压敏芯片悬放于外壳体内部，待封装完成后，压敏芯片与封装壳体相隔离，且封装完毕后，向下拉动下传感柱直至其上端部脱离限位环，下传感柱与上传感柱由接触状态转变成非接触状态，进一步避免外壳体上的形变压力通过传感结构向上传递给压敏芯片，有效保障了压敏芯片对高频动态信号的测量精度及频率响应范围。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：适用于MEMS压力传感器的封装结构，包括由外壳体、盖板组成的封装壳体，外壳体底端开设有受压介质入口，盖板顶端设有封装口，外壳体内底部放置有基材，且基材上开设有与受压介质入口相匹配的贯穿口，基材上方设有带有压敏芯片与金属层的玻璃基座，且压敏芯片与金属层之间通过引线连接；
玻璃基座底端壁通过所开设的对接槽固定安装有传感结构，传感结构包括有上下嵌设安装的上传感柱和下传感柱，上传感柱顶端嵌设于对接槽内，玻璃基座上端壁开设有位于压敏芯片下端且与对接槽相连通的受压口，上传感柱底端固定安装有波纹膜片，受压介质入口内底壁嵌设安装有与下传感柱下端面相抵设置的环形缓冲套，玻璃基座左右两端的端壁上紧密嵌设安装有多个辅助管，辅助管的下端依次贯穿基材、外壳体并延伸向外。
进一步的，上传感柱呈工字型弯管结构，上传感柱顶端固定嵌设安装于对接槽内，上传感柱底端开设有用于波纹膜片嵌设安装的嵌合腔，上传感柱内设有与受压口、安装腔相连通的中空腔。
进一步的，波纹膜片外端壁固定套设有与嵌合腔相匹配的固定环，嵌合腔底端部通过螺钉固定安装有相抵于固定环底端的限位环，中空腔与受压口构成传感介质填充腔，上传感柱上还嵌设安装有两端分别延伸至中空腔以及波纹膜片下方的注入管，利用限位环将带有波纹膜片的固定环嵌设安装上传感柱底端的嵌合腔处，波纹膜片位于传感介质填充腔底部，利用注入管向传感介质填充腔内部注入传感介质，传感介质优先选用硅油，受压介质通过受压介质入口向波纹膜片施力，波纹膜片向传感介质内弯曲形变，通过传感介质向压敏芯片传递压力。
进一步的，下传感柱呈凸字型结构，下传感柱内部开设有与波纹膜片底部相连通设置的传感空间，下传感柱下端部外壁与受压介质入口内壁滑动衔接，下传感柱上端部外壁与限位环内壁紧密嵌设衔接且其顶端面与固定环下端面相抵设置，在初始状态下，下传感柱上端部紧密嵌设于限位环外壁，下传感柱顶端壁相抵于固定环下端面，下传感柱与波纹膜片以及限位环相接触设置。
可选的，下传感柱内直径小于环形缓冲套内直径大小，下传感柱位于环形缓冲套内侧的底端壁固定分布有多个贯穿至受压介质入口底端外部的锁紧杆，受压介质入口内底壁开设有与锁紧杆相匹配的穿孔，锁紧杆位于受压介质入口底端外部螺纹连接有锁紧套。
可选的，锁紧杆位于受压介质入口内端部的端壁上固定套设有压片，压片在初始状态下其下端面与受压介质入口内底壁之间的距离与限位环高度保持一致，当封装完毕后，利用锁紧杆向下拉动下传感柱直至压片下端面相抵于受压介质入口内底端面，此时，环形缓冲套处于弹性压缩状态，利用锁紧套对锁紧杆的位置进行定位，下传感柱上端部脱离固定环、限位环并移动至限位环下方位置，下传感柱与上传感柱由接触状态转变成非接触状态，进一步有效避免外壳体上的形变压力通过下传感柱向上传递至压敏芯片处。
可选的，下传感柱外壁以及辅助管外壁均涂覆有防粘脱膜，待封装体形成后，便于向下拉动下传感柱以及辅助管。
适用于MEMS压力传感器的封装方法，包括以下步骤：
步骤一：首先将基材放置于外壳体内底部，再将底端带有传感结构的玻璃基座放置于外壳体内，下传感柱底端相抵嵌设于环形缓冲套上，多个辅助管贯穿至外壳体外部，在外壳体顶端盖上盖板，完成封装前定位工作；
步骤二：通过封装口向外壳体内部注入适量封装浆料，在封装口处利用封装板进行密封，待封装浆料凝固后形成封装体，压敏芯片、基材密封于封装体内，完成初步封装；
步骤三：利用锁紧杆向下拉动下传感柱直至压片相抵于受压介质入口内底端壁，下传感柱上端面与限位环下端部相脱离，利用锁紧套对锁紧杆进行固定；
步骤四：向外拆离多个辅助管，裸露出辅助管在封装体内所形成的导电腔，导电腔与基材、外壳体内底部相连通设置，倒置外壳体，通过导电腔端部向其内部注入导电浆料，并在导电腔内部插设端部靠近基材处的管脚，管脚另一端部留在外壳体外部，导电腔内部导电浆料凝固后形成导电体；
步骤五：利用注入管向传感介质填充腔注入传感介质，传感介质充溢于压敏芯片底部，利用密封塞对注入管底端进行密封。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
（1）本方案是通过在载有压敏芯片的玻璃基座底端增设传感结构，传感结构由上下嵌套设置的上传感柱和下传感柱组成，上传感柱底端部安装有波纹膜片，一方面在进行封装定位时，便于利用传感结构将压敏芯片悬放于外壳体内部，待封装完成后，传感结构用于受压介质的传感，压敏芯片与封装壳体相隔离，而与外壳体相接触的下传感柱的底端处还增设有环形缓冲套，有利于在外壳体受到压力变化时，对压力起到一定的缓冲抵消作用，以免通过传感结构将外壳体处所受到的形变压力传递给压敏芯片，有效保障了压敏芯片对高频动态信号的测量精度及频率响应范围。
（2）本方案是将上传感柱与下传感柱设置成紧密滑动式结构，在初始状态下，下传感柱上端部紧密嵌设于限位环外壁，下传感柱顶端壁相抵于固定环下端面，当封装完毕后，利用锁紧杆向下拉动下传感柱直至压片下端面相抵于受压介质入口内底端面，此时，环形缓冲套处于弹性压缩状态，利用锁紧套对锁紧杆的位置进行定位，下传感柱上端部脱离固定环、限位环并移动至限位环下方位置，下传感柱与上传感柱由接触状态转变成非接触状态，进一步有效避免外壳体上的形变压力通过下传感柱向上传递至压敏芯片处。
附图说明
图1为本发明在封装完成后的内部剖视图；
图2为本发明在封装前的拆离图；
图3为本发明的玻璃基座与传感结构相拆离时的结构示意图一；
图4为本发明的玻璃基座与传感结构相拆离时的结构示意图二；
图5为本发明在封装定位时的内部示意图；
图6为本发明在封装定位时的内部剖视图；
图7为本发明在封装后的内部结构示意图；
图8为图7中的A处结构示意图。
图中标号说明：
1、外壳体；101、受压介质入口；2、盖板；201、封装口；202、封装板；3、基材；4、玻璃基座；401、对接槽；402、受压口；5、辅助管；6、压敏芯片；7、金属层；8、上传感柱；81、注入管；9、下传感柱；91、锁紧杆；92、锁紧套；93、压片；10、固定环；11、波纹膜片、12、限位环；13、环形缓冲套；14、封装体；15、管脚；16、导电体；17、传感介质。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本发明公开了适用于MEMS压力传感器的封装结构，请参阅图1-图2，包括由外壳体1、盖板2组成的封装壳体，外壳体1底端开设有受压介质入口101，盖板2顶端开设有与外壳体1内部相连通的封装口201，外壳体1内底部放置有基材3，且基材3上开设有与受压介质入口101相匹配的贯穿口，基材3上方设有带有压敏芯片6与金属层7的玻璃基座4，压敏芯片6与金属层7之间通过引线连接。
请参阅图3-图6，玻璃基座4底端壁通过所开设的对接槽401固定安装有传感结构，传感结构包括有上下嵌设安装的上传感柱8和下传感柱9，上传感柱8顶端嵌设于对接槽401内，玻璃基座4上端壁开设有位于压敏芯片6下端且与对接槽401相连通的受压口402，上传感柱8底端固定安装有位于下传感柱9上端的波纹膜片11，上传感柱8呈工字型弯管结构，上传感柱8顶端固定嵌设安装于对接槽401内，上传感柱8底端开设有用于波纹膜片11嵌设安装的嵌合腔，上传感柱8内设有与受压口402、安装腔相连通的中空腔。
请参阅图5-图8，波纹膜片11外端壁固定套设有与嵌合腔相匹配的固定环10，嵌合腔底端部通过螺钉固定安装有相抵于固定环10底端的限位环12，中空腔与受压口402构成传感介质填充腔，上传感柱8上还嵌设安装有两端分别延伸至中空腔以及波纹膜片11下方的注入管81，利用限位环12将带有波纹膜片11的固定环10嵌设安装上传感柱8底端的嵌合腔处，波纹膜片11位于传感介质填充腔底部，利用注入管81向传感介质填充腔内部注入传感介质17，传感介质17优先选用硅油，受压介质通过受压介质入口101向波纹膜片11施力，波纹膜片11向传感介质17内弯曲形变，通过传感介质17向压敏芯片6传递压力。
受压介质入口101内底壁嵌设安装有与下传感柱9下端面相抵设置的环形缓冲套13，下传感柱9呈凸字型结构，下传感柱9内部开设有与波纹膜片11底部相连通设置的传感空间，下传感柱9下端部外壁与受压介质入口101内壁滑动衔接，下传感柱9上端部外壁与限位环12内壁紧密嵌设衔接且其顶端面与固定环10下端面相抵设置；
在初始状态下，下传感柱9上端部紧密嵌设于限位环12外壁，下传感柱9顶端壁相抵于固定环10下端面，下传感柱9与波纹膜片11以及限位环12相接触设置，当将带有传感结构的玻璃基座4嵌设安装于外壳体1内后，下传感柱9底端部相抵于环形缓冲套13上，多个辅助管5一一贯穿外壳体1底端外部，使得玻璃基座4与传感结构稳定处于外壳体1内，利用封装口201向外壳体1内部注入封装浆料，待封装浆料凝固后形成封装体14，压敏芯片6被悬空密封于封装体14内，且其与外壳体1、盖板2不直接接触，且在受压介质入口101处增设与下传感柱9底端部相接触的环形缓冲套13，有利于在外壳体1受到压力变化时，对压力起到一定缓冲抵消作用，以免通过传感结构将外壳体1处所受到的形变压力传递给压敏芯片6。
玻璃基座4左右两端的端壁上紧密嵌设安装有多个辅助管5，辅助管5的下端依次贯穿基材3、外壳体1并延伸向外，在将玻璃基座4以及传感结构定位后外壳体1内后，下传感柱9相抵于环形缓冲套13上，多个辅助管5贯穿基材3、外壳体1延伸至外壳体1底端外部，通过封装口201向外壳体1内注入封装浆料，并在封装口201处盖上封装板202进行密封，待封装浆料凝固形成封装体14后，向外拆离辅助管5，辅助管5与封装体14相接触的位置形成的导电腔，且导电腔上、下端部分别与金属层7、外壳体1底端部处相连通，向导电腔处插入管脚15，并由导电腔端部向其内部注入导电浆料，待其凝固后形成导电体16，实现管脚15、基材3以及金属层7之间的电性连接。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上，对传感结构进行进一步优化处理，具体如下：
请参阅图6-图8，下传感柱9内直径小于环形缓冲套13内直径大小，下传感柱9位于环形缓冲套13内侧的底端壁固定分布有多个贯穿至受压介质入口101底端外部的锁紧杆91，受压介质入口101内底壁开设有与锁紧杆91相匹配的穿孔，锁紧杆91位于受压介质入口101底端外部螺纹连接有锁紧套92；
锁紧杆91位于受压介质入口101内端部的端壁上固定套设有压片93，压片93在初始状态下其下端面与受压介质入口101内底壁之间的距离与限位环12高度保持一致，当封装完毕后，利用锁紧杆91向下拉动下传感柱9直至压片93下端面相抵于受压介质入口101内底端面，此时，环形缓冲套13处于弹性压缩状态，利用锁紧套92对锁紧杆91的位置进行定位，下传感柱9上端部脱离固定环10、限位环12并移动至限位环12下方位置，下传感柱9上端部与限位环12相脱离且无限接近，以免因下传感柱9向下移动过大距离而裸露出其的传感空间，在不影响受压介质传感的前提下，下传感柱9与上传感柱8由接触状态转变成非接触状态，进一步有效避免外壳体1上的形变压力通过下传感柱9向上传递至压敏芯片6处。
下传感柱9外壁以及辅助管5外壁均涂覆有防粘脱膜，待封装体14形成后，便于向下拉动下传感柱9以及辅助管5。
实施例3：
本实施例基于实施例1、2，提出适用于MEMS压力传感器的封装方法，包括以下步骤：
步骤一：首先将基材3放置于外壳体1内底部，基材3上的贯穿口与受压介质入口101位置相对应，再将底端带有传感结构的玻璃基座4放置于外壳体1内，下传感柱9底端相抵嵌设于受压介质入口101处的环形缓冲套13上，多个辅助管5贯穿至外壳体1外部，在外壳体1顶端盖上盖板2，完成封装前定位工作；
步骤二：通过封装口201向外壳体1内部注入适量封装浆料，在封装口201处利用封装板202进行密封，待封装浆料凝固后形成封装体14，压敏芯片6、基材3密封于封装体14内；完成初步封装；
步骤三：利用锁紧杆91向下拉动下传感柱9直至压片93相抵于受压介质入口101内底端壁，下传感柱9上端面与限位环12下端部相脱离，利用锁紧套92对锁紧杆91进行固定；
步骤四：向外拆离多个辅助管5，裸露出辅助管5在封装体14内所形成的导电腔，导电腔与基材3、外壳体1内底部相连通设置，倒置外壳体1，通过导电腔端部向其内部注入导电浆料，并在导电腔内部插设端部靠近基材3处的管脚15，管脚15另一端部留在外壳体1外部，导电腔内部导电浆料凝固后形成导电体16；
步骤五：利用注入管81向传感介质填充腔注入传感介质17，传感介质17充溢于压敏芯片6底部，利用密封塞对注入管81底端进行密封。
综上，本方案通过在载有压敏芯片6的玻璃基座4底端增设传感结构，传感结构由上下嵌套设置的上传感柱8和下传感柱9组成，上传感柱8底端部安装有波纹膜片11，一方面在进行封装定位时，便于利用传感结构将压敏芯片6悬放于外壳体1内部，待封装完成后，传感结构用于受压介质的传感，压敏芯片6与封装壳体相脱离；
此外，将上传感柱8与下传感柱9设置成紧密滑动式结构，在初始状态下，下传感柱9上端部紧密嵌设于限位环12外壁，下传感柱9顶端壁相抵于固定环10下端面，不影响上传感柱8、下传感柱9结合处的外部封装，当封装完毕后，利用锁紧杆91向下拉动下传感柱9直至压片93下端面相抵于受压介质入口101内底端面，此时，环形缓冲套13处于弹性压缩状态，利用锁紧套92对锁紧杆91的位置进行定位，下传感柱9上端部脱离固定环10、限位环12并移动至限位环12下方位置，下传感柱9与上传感柱8由接触状态转变成非接触状态，进一步有效避免外壳体1上的形变压力通过下传感柱9向上传递至压敏芯片6处。
以上所述；仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此；任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.适用于MEMS压力传感器的封装结构，包括由外壳体（1）、盖板（2）组成的封装壳体，其特征在于：所述外壳体（1）底端开设有受压介质入口（101），所述盖板（2）顶端设有封装口（201），所述外壳体（1）内底部放置有基材（3），且基材（3）上开设有与受压介质入口（101）相匹配的贯穿口，所述基材（3）上方设有带有压敏芯片（6）与金属层（7）的玻璃基座（4），且压敏芯片（6）与金属层（7）之间通过引线连接；
所述玻璃基座（4）底端壁通过所开设的对接槽（401）固定安装有传感结构，所述传感结构包括有上下嵌设安装的上传感柱（8）和下传感柱（9），所述上传感柱（8）顶端嵌设于对接槽（401）内，所述玻璃基座（4）上端壁开设有位于压敏芯片（6）下端且与对接槽（401）相连通的受压口（402），所述上传感柱（8）底端固定安装有波纹膜片（11），所述受压介质入口（101）内底壁嵌设安装有与下传感柱（9）下端面相抵设置的环形缓冲套（13），所述玻璃基座（4）左右两端的端壁上紧密嵌设安装有多个辅助管（5），所述辅助管（5）的下端依次贯穿基材（3）、外壳体（1）并延伸向外；
所述上传感柱（8）呈工字型弯管结构，所述上传感柱（8）顶端固定嵌设安装于对接槽（401）内，所述上传感柱（8）底端开设有用于波纹膜片（11）嵌设安装的嵌合腔，所述上传感柱（8）内设有与受压口（402）、安装腔相连通的中空腔，所述波纹膜片（11）外端壁固定套设有与嵌合腔相匹配的固定环（10），所述嵌合腔底端部通过螺钉固定安装有相抵于固定环（10）底端的限位环（12），所述中空腔与受压口（402）构成传感介质填充腔，所述上传感柱（8）上还嵌设安装有两端分别延伸至中空腔以及波纹膜片（11）下方的注入管（81），所述下传感柱（9）呈凸字型结构，所述下传感柱（9）内部开设有与波纹膜片（11）底部相连通设置的传感空间，所述下传感柱（9）下端部外壁与受压介质入口（101）内壁滑动衔接，所述下传感柱（9）上端部外壁与限位环（12）内壁紧密嵌设衔接且其顶端面与固定环（10）下端面相抵设置，所述下传感柱（9）内直径小于环形缓冲套（13）内直径大小，所述下传感柱（9）位于环形缓冲套（13）内侧的底端壁固定分布有多个贯穿至受压介质入口（101）底端外部的锁紧杆（91），所述受压介质入口（101）内底壁开设有与锁紧杆（91）相匹配的穿孔，所述锁紧杆（91）位于受压介质入口（101）底端外部螺纹连接有锁紧套（92），所述锁紧杆（91）位于受压介质入口（101）内端部的端壁上固定套设有压片（93），所述压片（93）在初始状态下其下端面与受压介质入口（101）内底壁之间的距离与限位环（12）高度保持一致。
2.根据权利要求1所述的适用于MEMS压力传感器的封装结构，其特征在于：所述下传感柱（9）外壁以及辅助管（5）外壁均涂覆有防粘脱膜。
3.适用于MEMS压力传感器的封装方法，采用如权利要求1-2任一项所述的适用于MEMS压力传感器的封装结构，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：首先将基材（3）放置于外壳体（1）内底部，再将底端带有传感结构的玻璃基座（4）放置于外壳体（1）内，下传感柱（9）底端相抵嵌设于环形缓冲套（13）上，多个辅助管（5）贯穿至外壳体（1）外部，在外壳体（1）顶端盖上盖板（2），完成封装前定位工作；
步骤二：通过封装口（201）向外壳体（1）内部注入适量封装浆料，在封装口（201）处利用封装板（202）进行密封，待封装浆料凝固后形成封装体（14），压敏芯片（6）、基材（3）密封于封装体（14）内，完成初步封装；
步骤三：利用锁紧杆（91）向下拉动下传感柱（9）直至压片（93）相抵于受压介质入口（101）内底端壁，下传感柱（9）上端面与限位环（12）下端部相脱离，利用锁紧套（92）对锁紧杆（91）进行固定；
步骤四：向外拆离多个辅助管（5），裸露出辅助管（5）在封装体（14）内所形成的导电腔，导电腔与基材（3）、外壳体（1）内底部相连通设置，倒置外壳体（1），通过导电腔端部向其内部注入导电浆料，并在导电腔内部插设端部靠近基材（3）处的管脚（15），管脚（15）另一端部留在外壳体（1）外部，导电腔内部导电浆料凝固后形成导电体（16）；
步骤五：利用注入管（81）向传感介质填充腔注入传感介质（17），传感介质（17）充溢于压敏芯片（6）底部，利用密封塞对注入管（81）底端进行密封。
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