CN216593945U - 具有微细多引线的压力测量探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种具有微细多引线的压力测量探头，包括有相互焊接固定的至少一根引线和压力传感器芯片；引线的一端与压力传感器芯片的焊盘固定，并形成焊点，另一端与外界电路连接；焊点的表面包封有低温玻璃烧结层，在低温玻璃烧结层的表面覆盖形成有氮化硅结构层；压力传感器芯片外还包裹有软质硅胶套，软质硅胶套设置有开放窗口，压力传感器芯片的部分通过开放窗口与外界相通；在低温玻璃烧结层表面形成氮化硅封装结构层；各层级材料的热膨胀系数在较广的温度范围内呈现良好的热匹配性，可以达到‑25‑125℃范围使用，并且考虑其特殊应用场景，使用了氮化硅和玻璃烧结层封装，保证了良好的生物相容性和使用稳定性。

Description

具有微细多引线的压力测量探头

技术领域

本实用新型涉及超微型压力测量探头的技术领域，特别是涉及一种具有微细多引线的压力测量探头。

背景技术

微机电系统（MEMS）是一个多学科交叉的高科技领域。其研究成果在国民经济中有广泛的应用前景。目前MEMS产品中研制最多的、应用最广的就是硅微压力传感器，其产品级应用有例如颅内压传感器和用于飞机表面蒙皮测试的压力传感器等。但是在现有技术中，由于微传感器结构设计和制备方法的限制，硅微传感器只能局限应用在其特定的使用环境中，且在本领域一般技术人员的认知中，在一个较宽温度范围的变化环境内，材料的热匹配问题会随着温度的变化而变化，导致很难设计和制备出一种能够在-25-125℃温度范围内应用的微型压力传感器；也很难设计和制备具备生物相容性特征的微型压力传感器，例如颅内压传感器。

随着硅微传感器的更加小型化和对传感器性能品质要求的不断提高，对于芯片尺寸规格在0.5mm以内、引线要求采用直径在0.03mm以下细漆包铜丝、且相邻引线间隔在0.02mm左右的微型压力传感器而言，由于传感器芯片体积小，微细引线十分柔软、且相距间隔小，现有技术中还未有一种能够封装效果好、生物相容性优良且应用范围广的微细多引线压力测量探头。

实用新型内容

在现有技术中，存在的技术问题有：还未有一种焊接稳定性高、封装效果好；生物相容性优良的多引线的硅微传感器。

为了解决现有问题本实用新型提供一种具有微细多引线的压力测量探头，包括有相互焊接固定的至少一根引线和压力传感器芯片；所述引线的一端与所述压力传感器芯片的焊盘固定，并形成焊点，另一端与外界电路连接；所述焊点的表面包封有低温玻璃烧结层，在所述低温玻璃烧结层的表面覆盖形成有氮化硅结构层；所述压力传感器芯片外还包裹有软质硅胶套，所述软质硅胶套设置有开放窗口，所述压力传感器芯片的部分通过所述开放窗口与外界相通。

作为优选，所述引线至少两根时，所述引线上涂覆形成有绝缘涂层；所述引线一同包裹在所述外表皮中，其部分露出所述外表皮并与所述焊盘固定；所述外表皮为聚酰亚胺结构层。

作为优选，所述外表皮设置有互不连通的引线通道，每根所述引线分别置入所述引线通道中。

作为优选，所述外表皮外部还包裹有医疗导管；所述医疗导管的一端与所述软质硅胶套相接。

作为优选，所述低温玻璃烧结层渗入相邻所述焊点之间形成隔离部。

作为优选，所述低温玻璃烧结层覆盖所述传感器芯片朝向开放窗口的表面。

作为优选，所述氮化硅结构层覆盖所述低温玻璃烧结层设置；且所述低温玻璃烧结层和所述氮化硅结构层的表面均为平整表面。

本实用新型的有益效果是：本实用新型公开一种具有微细多引线的压力测量探头，包括有相互焊接固定的至少一根引线和压力传感器芯片；引线的一端与压力传感器芯片的焊盘固定，并形成焊点，另一端与外界电路连接；焊点的表面包封有低温玻璃烧结层，在低温玻璃烧结层的表面覆盖形成有氮化硅结构层；压力传感器芯片外还包裹有软质硅胶套，软质硅胶套设置有开放窗口，压力传感器芯片的部分通过开放窗口与外界相通；在低温玻璃烧结层表面形成氮化硅封装结构层；各层级材料的热膨胀系数在较广的温度范围内呈现良好的热匹配性，可以达到-25-125℃范围使用，并且考虑其特殊应用场景，使用了氮化硅和玻璃烧结层封装，保证了良好的生物相容性和使用稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的引线和芯片结构图；

图2为本实用新型的传感器芯片立体结构图；

图3为本实用新型的芯片层级结构剖视图；

图4为本实用新型的立体结构图。

元器件符号说明

1、引线；11、引线端子；

2、压力传感器芯片；21、焊盘；22、焊点；

3、低温玻璃烧结层；31、隔离部；

4、氮化硅结构层；

5、软质硅胶层；51、开放窗口。

具体实施方式

为了更清楚地表述本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步地描述。

在下文描述中，给出了普选实例细节以便提供对本实用新型更为深入的理解。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部实施例。应当理解所述具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件或它们的组合。

如背景技术所述，现有技术中的硅微传感器均只能在特定的环境或者温度下使用，因为硅微传感器的体积非常微小，例如颅内压传感器结构，包括有三根引线和压力传感器芯片；其芯片体积在0.4mm×1.0mm×0.2mm左右，其引线直径为0.03mm以下，引线之间间隔在0.02mm以下；并且需要考虑传感器芯片和人体的生物相容性。所以该焊盘结构采用了包银焊盘后，再通过多层封装结构进行包覆，防止包银在电化学作用下发生离子迁移，从而导致人体电解质失衡；那么现有技术中的硅微压力传感器就会由于焊点和硅微芯片、焊点和包封材料之间的热膨胀系数不匹配，出现开裂和分离的结构不良；因此需要设计一种应用范围较广、热匹配性良好的超微尺寸的压力测量探头。

本实用新型公开一种具有微细多引线的压力测量探头，请参阅图1-图4；包括有相互焊接固定的至少一根引线1和压力传感器芯片2；引线1的一端与压力传感器芯片的焊盘22固定，并形成焊点，其引线在焊接前还需要进行剥线的预处理，以暴露出引线端子11，其内芯材质可以是铜丝，另一端与外界电路连接；焊点22的表面包封有低温玻璃烧结层3，在低温玻璃烧结层3的表面覆盖形成有氮化硅结构层4；压力传感器芯片2外还包裹有软质硅胶套5，软质硅胶套5设置有开放窗口51，压力传感器芯片2的部分通过开放窗口51与外界相通。在焊接了连接线和焊盘以后，为了保证结构稳定性，且焊点不发生离子迁移；采用了低温玻璃粉在其表面形成一层烧结层；使得焊点连接处不易发生断裂和分离，且低温玻璃烧结可以采用多种复合体系的玻璃料，例如低熔点无定型玻璃料，堇青石玻璃体系中选用烧结温度在180摄氏度左右进行，保证能够耐受环境温度，又能够防止烧结过程破坏其它层级结构；然后采用氮化硅进行最后的封装；是一种重要的结构陶瓷材料，硬度大，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体；高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到150℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂；因此能够很好的保证内部材质的结构稳定性，并且万一在封装内发生电化学反应导致离子迁移时能够进行阻隔。更优选的，低温玻璃烧结层和氮化硅层均包裹芯片表面，能够更好的保证结构稳定性和生物相容性；并且该膜层本身厚度小，影响非常有限；只需要在出厂时进行传感器测量标定即可消除其影响。

在本实施例中，引线至少两根时，引线上涂覆形成有绝缘涂层；引线一同包裹在外表皮中，其部分露出外表皮并与焊盘固定；外表皮为聚酰亚胺结构层。包裹在同一个聚酰亚胺结构层中，可以减小其整体体积；亦或者，外表皮设置有互不连通的引线通道，每根引线分别置入引线通道中。采用聚酰亚胺本身进行隔绝，这样优势是更加稳定。

在本实施例中，外表皮外部还包裹有医疗导管；医疗导管的一端与软质硅胶套相接。

在本实施例中，低温玻璃烧结层3渗入相邻焊点之间形成隔离部31；在进行焊接时，采用固定卡具进行分隔后进行焊接，便能够防止焊点粘连，但是为了进一步固化焊点，提高结构稳定性。

在本实施例中，低温玻璃烧结层覆盖传感器芯片朝向开放窗口的表面；保证测量的准确性和稳定性。在本实施例中，氮化硅结构层覆盖低温玻璃烧结层设置；且低温玻璃烧结层和氮化硅结构层的表面均为平整表面。

还提供一种具有微细多引线的压力传感器的制备方法，用于制备上述的压力传感器；

提供漆包线及压力传感器芯片，漆包线中有多根引线，压力传感器芯片上设置有焊盘，在漆包线的一端形成开裂结构；将开裂结构去除外表皮以使引线端子露出；对于超微小结构尺寸的零件和线头来说，首先呈现为柔软形态，但是其拉伸强度和材料疲劳性能随着尺寸减小而减小，那么也就是说，传统的剥线法不能适用在这种微小尺寸的漆包线上，现有技术中采用方法，要么是要求线材生产厂家在端头流出预留位置，要么是用细砂纸或者细纱布擦除，或用打火机烤焦线头绝缘漆层，再将漆层轻轻刮去；但是这两种方法均有一定的弊端，第一种方法是在运输过程中容易发生碰撞摩擦导致线损，而微细结构的线损无法用肉眼直接看出，因此存在一定的弊端；而第二种针对0.6mm的常规技术方法，对于本方案中的微细引线并不适用，因为该方式自动化难度大，且容易有残留，并且在拉伸强度呈现与线材相差不多的情况下，适用剥线钳或者切削的方式容易导致短线；因此本方案选择了在漆包线的端头形成开裂结构；在微细尺寸下，施加大压力容易使得外表皮开裂，但是内部的线材具有高强度，只会发生微变形，因此能够剥离开裂的外表皮；并且，内部引线端子原本为圆柱形结构，在开裂后能够微变形被压扁；能够在与焊盘焊接时更好的结合；对露出卡具的部分漆包线施加压力用以裂开漆包线并暴露引线端子；在小尺寸结构下，聚酰亚胺会优先铜丝发生开裂，而铜丝则发生微变形，那么在开裂后，采用聚酰亚胺溶解剂对裂开漆包线进行溶解，以使得引线端子裸露；在现有技术中，对应选用聚酰亚胺可以对应有溶解剂，例如使用二甲基乙酰胺（DMAC）、N-甲基吡咯烷酮作为溶解剂；由于采用卡具夹持，因此在浸入溶剂的距离也可以进行控制，而开裂处增大了聚酰亚胺和溶解剂的接触面积，因此可以迅速溶解并且无残留，且可以控制清洗次数以保证清洗完全，使得引线端子完全露出；然后进行焊接。

采用焊接或压合方法，使引线端子固定于焊盘上；焊接可以做到微细尺寸的焊接，难点在于如何上焊锡料与焊接方式，因为焊接过程存在挤压力，那么超微小尺寸的硅微压力传感器芯片可能会在焊接过程中发生变形甚至压裂，因此也需要特殊设计，以减小挤压应力产生的不良；采用卡具分隔相邻两条引线。所谓第二卡具可以是钽金属制成的金属构件，对相邻引线端子进行分隔，防止在焊接时发生粘连，那么更进一步地，为了焊接过程挂锡简单和焊接不粘连，卡具上设置有与引线端子每根同时对应的弧形槽进行固定。作为优选，在固定引线端子于焊盘上的步骤中，包括：形成第一焊料层在引线端子表面；所谓第一焊料层为纳米锡，其中，第一焊料层的熔点在180℃左右。同时采用喷涂的方式喷涂在引线端子上，因此可以大面积的覆盖在引线端子上；那么在焊接时，加热第一卡具或者第二卡具，并且加热温度≤180℃，既没有超过各材料熔点，也可以验证在该温度下材料的强度和稳定性，那么在加热后，纳米锡溶解逐渐汇聚在引线端子的尖端；形成液态焊锡球体挂载于引线端子上，然后进行焊接固定引线端子在压力传感器芯片上。当然，也可以用沾锡的方式进行上锡，因为第一卡具实时固定，因此可以调控其伸入的位置和距离；

采用低温玻璃粉在引线端子和焊盘的连接点上形成低温玻璃烧结层；无定型低温玻璃粉完全包裹住焊点，能够保证焊点的结构稳定性，同时还能够防止焊点在使用过程中意外发生电化学反应从而发生离子迁移，因此低温玻璃结构层可以起到封堵作用；采用模具包裹引线端子和焊盘形成的焊点；所谓模具就是由钽或者其它高刚性、不与玻璃粉粘连的金属制作而成的模具；采用低温玻璃料填充第一模具；形成低温玻璃烧结层包覆焊点。因为钽金属件在380℃下刚度任性极强不易破碎价格合适且容易获得，且不与焊锡相粘结；并且也不会和烧结的低温玻璃料进行粘连；且在用第一模具包裹好之后，填充无定型低温玻璃料，然后用钽金属制成的刮刀进行刮平，保证成型的表面平整，同时不会超出传感器整体构造的尺寸设计极限；同时，低温玻璃粉选用烧结温度在150-200℃左右即可烧结的种类；例如D40类低温熔融玻璃粉。当然，钽也可以替换成其它不与低温玻璃料粘连的金属材质，例如钛和铜等；

与此同时，在低温玻璃烧结层表面形成氮化硅封装结构层步骤中，还包括：通过等离子气相沉积法形成氮化硅结构层于低温剥离烧结层表面；由于氮化硅采用等离子气相沉积的方式进行沉积在表面，那么传感器芯片的整个表面都会附着有氮化硅层，但是由于氮化硅与低温玻璃烧结层能够良好结合，而在铜丝上分布不均匀导致脆性大，易于清除。而选择氮化硅是因为氮化硅的电学特性比二氧化硅还更加稳定，二氧化硅的绝缘电阻低于氮化硅，这是由于气相沉积形成的氮化硅不含有其他杂质，并且不会与低温玻璃中的钾、钠离子发生电离过程，因此其生物相容性优良；那么在封装完成以后，如果制备为颅内压传感器，那么需要用硅胶套或者聚酰亚胺作为探头包裹住整个传感器芯片；然后将漆包线穿入医疗导管中；实现成型产品。

本实用新型的技术效果有：

各层级材料的热膨胀系数在较广的温度范围内呈现良好的热匹配性，可以达到-25-125℃范围使用，并且考虑其特殊应用场景，使用了氮化硅和玻璃烧结层封装，保证了良好的生物相容性和使用稳定性。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有微细多引线的压力测量探头，其特征在于，包括有相互焊接固定的至少一根引线和压力传感器芯片；所述引线的一端与所述压力传感器芯片的焊盘固定，并形成焊点，另一端与外界电路连接；所述焊点的表面包封有低温玻璃烧结层，在所述低温玻璃烧结层的表面覆盖形成有氮化硅结构层；所述压力传感器芯片外还包裹有软质硅胶套，所述软质硅胶套设置有开放窗口，所述压力传感器芯片的部分通过所述开放窗口与外界相通。

2.根据权利要求1所述的具有微细多引线的压力测量探头，其特征在于，所述引线至少两根时，所述引线上涂覆形成有绝缘涂层；所述引线一同包裹在外表皮中，其部分露出所述外表皮并与所述焊盘固定；所述外表皮为聚酰亚胺结构层。

3.根据权利要求1所述的具有微细多引线的压力测量探头，其特征在于，外表皮设置有互不连通的引线通道，每根所述引线分别置入所述引线通道中。

4.根据权利要求2-3任一项所述的具有微细多引线的压力测量探头，其特征在于，所述外表皮外部还包裹有医疗导管；所述医疗导管的一端与所述软质硅胶套相接。

5.根据权利要求1所述的具有微细多引线的压力测量探头，其特征在于，所述低温玻璃烧结层渗入相邻所述焊点之间形成隔离部。

6.根据权利要求5所述的具有微细多引线的压力测量探头，其特征在于，所述低温玻璃烧结层覆盖所述传感器芯片朝向开放窗口的表面。

7.根据权利要求6所述的具有微细多引线的压力测量探头，其特征在于，所述氮化硅结构层覆盖所述低温玻璃烧结层设置；且所述低温玻璃烧结层和所述氮化硅结构层的表面均为平整表面。

Images