CN219369005U - 电容式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种电容式压力传感器，旨在通过在设置有信号处理电路的衬底上制作电容式压力传感器，并且在每个感应电容背离衬底的第一表面设置有第一凹槽，沿垂直于所述衬底的厚度方向上，所述第一凹槽从所述第一表面伸入至所述衬底中，以解决现有的电容式压力传感器的封装尺寸过大以及由于多层材料之间的热膨胀系数的差异所产生的应力，从而导致电容式压力传感器的性能退化的问题。

Description

电容式压力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种传感器技术领域，更为具体的说涉及电容式压力传感器。

背景技术

MEMS(Micro-electro-Mechanical Systems，微机电系统)压力传感器是发展最早、市场占有率极大的微机电传感器，被广泛应用于消费电子、医疗、汽车、工控等领域。压阻式压力传感器和电容式压力传感器是MEMS压力传感器的两种类型。其中，压阻式压力传感器具有高灵敏度、低功耗、高线性度等优点，但是其最大的缺点是温漂，对温度敏感，因为其电阻是采用半导体掺杂工艺形成，极容易受温度影响；而电容式压力传感器等与压阻式传感器相比，其最大的优点是低温漂，因为其通过检测两个极板之间的电容变化输出信号，其温度漂移远低于压阻式压力传感器。因此，在一些对温度稳定性要求苛刻的应用下(如高度计、无人机等)，通常会采用电容式压力传感器。

电容式压力传感器的原理可以等效为平板电容，其中下极板固定不动，上极板多层介质层构成可动敏感膜，上下极板之间有空气间隙。当有气压作用于上极板敏感膜，其发生形变，电容间隙发生变化，引起电容变化，随后通过C-V转换等电路转换成特定的信号，以此来检测当前的压力。电容式压力除了对外界气压敏感外，对封装以及外界环境变化所引入的应力是敏感的。当芯片在封装、组装过程以及不同材料之间的热膨胀系数不同，产生的应力将通过衬底传递到感压薄膜，将使得器件性能发生漂移。尤其在一些特定应用中，如高度计、无人机等，其对压力传感器的精度及温度敏感性要求很高，其必须要求在不同的高度、天气条件下精确测量高度和控制无人机的姿态。

有鉴于此，亟需提供一种应力解耦的压力传感器结构，以解决现有的分立电容式压力传感器由于多层材料之间的热膨胀系数的差异所产生的应力，从而导致电容式压力传感器的性能退化的问题。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种电容式压力传感器。

本实用新型的目的采用以下技术方案实现：

根据本实用新型的一方面，提供一种电容式压力传感器，包括：

衬底，所述衬底设置有信号处理电路；

感应电容，所述感应电容位于所述衬底上并且分别与所述信号处理电路电连接，并且每个所述感应电容包括下极板、上极板以及所述下极板和所述上极板之间的腔体，

每个所述感应电容的所述腔体是无填充物的空腔；

其中，在每个所述感应电容的背离所述衬底的第一表面设置有第一凹槽，沿所述衬底的厚度方向上，所述第一凹槽从所述第一表面伸入至所述衬底中。

进一步地，还包括：参考电容，所述参考电容位于所述衬底上并且与所述信号处理电路电连接，并且每个所述感应电容包括下极板、上极板以及所述下极板和所述上极板之间的腔体，每个所述参考电容的所述腔体是无填充物的空腔。

进一步地，所述第一凹槽环绕在每个所述感应电容的力敏感膜的四周。

进一步地，所述第一凹槽环绕在每个所述参考电容的力敏感膜的四周。

进一步地，所述第一凹槽伸入至所述衬底内的厚度为10～40μm。

进一步地，所述电容式压力传感器通过设置在所述衬底上的导电焊球与封装基底电连接，在所述封装基底上设置有第二凹槽，所述第二凹槽在厚度方向上贯穿所述封装基底，并且每个所述第二凹槽对应环绕每个所述导电焊球设置。

进一步地，所述封装基底包括印刷电路板、柔性电路板以及陶瓷基板中的任意一种。

进一步地，所述第二凹槽为环状槽或者环状折叠梁状槽。

进一步地，所述封装基底上还设置有绑定区，所述绑定区包括多个焊盘，所述电容式压力传感器经由第一导电结构与所述多个焊盘绑定连接。

进一步地，所述电容式压力传感器被密封在壳体内，所述壳体与所述封装基底固定形成腔体；其中，所述壳体为金属盖板，所述壳体上设置有进气孔。

采用本实用新型实施例提供的电容式压力传感器，旨在通过在设置有信号处理电路的衬底上制作电容式压力传感器，并且在每个所述感应电容背离衬底的第一表面设置有第一凹槽，沿垂直于所述衬底的厚度方向上，所述第一凹槽从所述第一表面伸入至所述衬底中，以解决现有的电容式压力传感器的封装尺寸过大以及由于多层材料之间的热膨胀系数的差异所产生的应力，从而导致电容式压力传感器的性能退化的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施方式。

图1A是根据本实用新型一实施例的电容式压力传感器的结构示意图。

图1B是根据本实用新型又一实施例的电容式压力传感器的结构示意图。

图2A是图1A的一种俯视结构示意图。

图2B是图1B的一种俯视结构示意图。

图3是本实用新型实施例提供的电容式压力传感器与封装基底连接的结构示意图。

图4图3的一种俯视结构示意图。

具体实施方式

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。在涉及方法步骤时，本文图示的先后顺序代表了一种示例性的方案，但不表示对先后顺序的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为使本实用新型的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1A是根据本实用新型一实施例的电容式压力传感器的结构示意图。所述电容式压力传感器包括：衬底100，所述衬底100上设置有信号处理电路(图未示出)；感应电容160，所述感应电容160位于所述衬底100的一侧表面上并且分别与所述信号处理电路电连接，并且每个所述感应电容160包括下极板、上极板以及所述下极板和所述上极板之间的腔体，每个所述感应电容160的所述腔体是无填充物的空腔；其中，在每个所述感应电容160背离衬底100的第一表面设置有第一凹槽3，沿垂直于所述衬底100的厚度方向上，所述第一凹槽3从所述第一表面伸入至所述衬底100中。

应理解，在本实用新型实施例中，所述感应电容是指电容大小随外界的气压作用变化会发生变化的电容。为了便于理解和描述，图示中将对应每个所述感应电容160的下极板称之为第一下极板112，将对应每个所述感应电容160的上极板称之为第一上极板141。

其中，所述衬底材料100可以是硅，也可以是其他材料，例如，砷化镓、碳化硅等。所述衬底100上设置有信号处理电路，即专用集成电路ASIC，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。例如，电容式压力传感器中的ASIC用于将由外部施加压力的变化所产生的电信号进一步处理和传输到下一级电路。示例性地，在本实用新型实施例中，所述信号处理电路可内嵌于所述衬底100中，在其他实施例中，所述信号处理电路也可以位于所述衬底100的一侧表面之上。

示例性地，该信号处理电路结构内嵌在所述衬底100中，在所述衬底100的一侧表面上制作第一导电层，该第一导电层为金属导电材料，例如，铝、钨或钨化硅等。对所述第一导电层进行蚀刻，以分别形成每个所述感应电容160的第一下极板112、用于与每个所述感应电容胚体161对应的第一上极板141互连的第一连接体以及多个导电焊盘，其中，所述多个导电焊盘与所述信号处理电路(图未示出)的对应端口电连接，以用于将电信号传输至与外部电子设备。可选地，在第一上极板141上还覆盖有密封层150。

由上可知，在每个所述感应电容160的四周，刻蚀具有一定深度的第一凹槽3，这里的第一凹槽3起应力结构的作用，当所述电容式压力传感器在封装、组装过程中以及不同材料之间的热膨胀系数不同时，产生的应力将通过衬底传递到其上的力敏感膜，将使得个所述感应电容160的器件性能发生漂移，但是由于第一凹槽3的存在，则会将应力进行释放，从而减小器件性能的漂移。

如图1B所示，示例性地，还包括：参考电容170，所述参考电容170位于所述衬底100的一侧表面上并且与所述信号处理电路电连接，并且每个所述感应电容170包括下极板、上极板以及所述下极板和所述上极板之间的腔体，每个所述参考电容的所述腔体是无填充物的空腔。

应理解，在本实用新型实施例中，所述参考电容是指电容大小随外界的气压作用变化不会发生变化的电容。为了便于理解和描述，图示中将对应每个所述参考电容170的下极板称之为第二下极板113，将对应每个所述参考电容170的上极板称之为第二上极板142。

在一些实施方式中，也可以在衬底100上仅设置一个感应电容160，然后在专用集成电路上设计参考电容(单独的模块)，而且这个参考电容不一定要求准确，只要参考电容值到达预设值即可。

在一些实施方式中，一个参考电容170和一个感应电容160电连接形成一个半桥，例如，标记为Cs和Cr。当外界气压发生变化，感应电容(可变电容)160敏感膜(上极板)发生形变，可变电容Cs发生变化，而参考电容170的电容不发生变化，输出的电容信号，经过ASIC读出电路，从而输出当前环境下的压力值。

在一些实施方式中，两个参考电容170和两个感应电容160电连接形成一个惠斯通电桥，例如，标记为Cs和Cr。当外界气压发生变化，感应电容(可变电容)160敏感膜(上极板)发生形变，可变电容Cs发生变化，而参考电容170的电容不发生变化，输出的电容信号，经过ASIC读出电路，从而输出当前环境下的压力值。示例性地，如图2A所示，所述第一凹槽3环绕在每个所述感应电容160的力敏感膜的四周。当然也不局限于图2A中的情形，也可以是多个第一凹槽3形成的折叠梁，其中，对应图2A中示出的位置4处，此处没有布置第一凹槽3，其目的是为了上、下极板的走线在此通过，最终连接至焊盘输出端。每个所述感应电容160的力敏感膜对应于第一上极板141，在受压后会产生相应的形变。

示例性地，如图2B所示，所述第一凹槽3环绕在每个所述参考电容170的力敏感膜的四周。当然也不局限于图2B中的情形，也可以是多个第一凹槽3形成的折叠梁。

进一步地，所述第一凹槽3伸入至所述衬底100内的厚度为10～40μm。正常的硅衬底的厚度在690μm左右，如果对其进行减薄的话，其厚度在250μm左右，也即，在本实施例中，所述第一凹槽3虽然为深度相对较深的沟槽，但是并未影响电容式压力传感器整体结构的稳定性，不会存在断裂的风险。

图3是本实用新型实施例提供的电容式压力传感器与封装基底连接的结构示意图，图4图3的一种俯视结构示意图。

在本实施例中，如图3和图4所示，所述电容式压力传感器通过设置在所述衬底100上的导电焊球10与封装基底11电连接，在所述封装基底11上设置有第二凹槽12，所述第二凹槽12在厚度方向上贯穿所述封装基底11，并且每个所述第二凹槽12对应环绕每个所述导电焊球10设置。也即，在所述衬底100的厚度方向上，所述第二凹槽12与所述封装基底11的投影不交叠，导电焊球10例如是锡球等。

示例性地，所述封装基底11包括印刷电路板、柔性电路板以及陶瓷基板中的任意一种。

所述第二凹槽12为环状槽或者环状折叠梁状槽。

所述封装基底11上还设置有绑定区，所述绑定区包括多个焊盘(13A、13B、13C、13D)，所述电容式压力传感器经由第一导电结构7与所述多个焊盘绑定连接，所述第一导电结构7例如是金属线。示例性地，所述衬底100上设置有信号处理电路，信号处理电路输出信号通过导电焊球10与封装基底11进行电气互连。

进一步地，所述电容式压力传感器被密封在壳体8内，所述壳体8与所述封装基底11固定形成腔体。进一步地，所述壳体8为金属盖板，所述壳体8上设置有进气孔9，作为电容式压力传感器与外界压力的进出通道。此时，封装基底11上的第二凹槽12设定在导电焊球10与封装基底11上连接处的周围。当芯片在封装过程中，由于封装基底11、导电焊球10以及电容式压力传感器的热膨胀系数不同导致应力从封装基底-导电焊球-专用集成电路-感应电容，最终传递至感应电容160的上极板的敏感膜上，导致输出偏移。由于封装基底11上第二凹槽12的存在，可以有效进行应力解耦，减小应力带来的电容式压力传感器输出的偏移。

因此，采用本实用新型实施例提供的电容式压力传感器，旨在通过在设置有信号处理电路的衬底上制作电容式压力传感器，并且在每个所述感应电容背离衬底的第一表面设置有第一凹槽，沿垂直于所述衬底的厚度方向上，所述第一凹槽从所述第一表面伸入至所述衬底中，以解决现有的电容式压力传感器的封装尺寸过大以及由于多层材料之间的热膨胀系数的差异所产生的应力，从而导致电容式压力传感器的性能退化的问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电容式压力传感器，其特征在于，包括：

衬底，所述衬底设置有信号处理电路；

感应电容，所述感应电容位于所述衬底上并且与所述信号处理电路电连接，并且每个所述感应电容包括下极板、上极板以及所述下极板和所述上极板之间的腔体，

每个所述感应电容的所述腔体是无填充物的空腔；

其中，在每个所述感应电容的背离所述衬底的第一表面设置有第一凹槽，沿所述衬底的厚度方向上，所述第一凹槽从所述第一表面伸入至所述衬底中。

2.如权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，还包括：

参考电容，所述参考电容位于所述衬底上并且与所述信号处理电路电连接，并且每个所述感应电容包括下极板、上极板以及所述下极板和所述上极板之间的腔体，每个所述参考电容的所述腔体是无填充物的空腔。

3.如权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，

所述第一凹槽环绕在每个所述感应电容的力敏感膜的四周。

4.如权利要求2所述的电容式压力传感器，其特征在于，

所述第一凹槽环绕在每个所述参考电容的力敏感膜的四周。

5.如权利要求3或4所述的电容式压力传感器，其特征在于，

所述第一凹槽伸入至所述衬底内的厚度为10～40μm。

6.如权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，

所述电容式压力传感器通过设置在所述衬底上的导电焊球与封装基底电连接，

在所述封装基底上设置有第二凹槽，所述第二凹槽在厚度方向上贯穿所述封装基底，并且每个所述第二凹槽对应环绕每个所述导电焊球设置。

7.如权利要求6所述的电容式压力传感器，其特征在于，

所述封装基底包括印刷电路板、柔性电路板以及陶瓷基板中的任意一种。

8.如权利要求6所述的电容式压力传感器，其特征在于，

所述第二凹槽为环状槽或者环状折叠梁状槽。

9.如权利要求6所述的电容式压力传感器，其特征在于，

所述封装基底上还设置有绑定区，所述绑定区包括多个焊盘，所述电容式压力传感器经由第一导电结构与所述多个焊盘绑定连接。

10.如权利要求6所述的电容式压力传感器，其特征在于，

所述电容式压力传感器被密封在壳体内，所述壳体与所述封装基底固定形成腔体：

其中，所述壳体为金属盖板，所述壳体上设置有进气孔。