一种隔离封装结构差压谐振压力敏感芯片探头及封装方法与流程

1.本发明涉及一种谐振压力敏感芯片探头及封装方法，具体涉及一种隔离封装结构差压谐振压力敏感芯片探头及封装方法，属于mems谐振式压力传感器领域。背景技术：2.硅谐振压力传感器通过测量硅固有频率改变间接测量压力，精度比一般压力传感器高出1‑2个数量级，工作可靠，具有较好的稳定性、重复性。传统硅谐振压力传通过直接接触被测压力实现压力测量，可适用于洁净气体的高精度压力测量；当被测压力环境处于高腐蚀液体或气体环境中(海水，油路等)的压力测量，传统硅谐振压力传感器长期处于腐蚀状态下工作，容易导致硅谐振压力探头结构性损害和压力芯片被腐蚀，导致性能降低或传感器失效。3.同时硅谐振压力传感器的核心部分为谐振器，q值是评价谐振器的核心指标，q值越大谐振器性能越好。稳定的封装环境可以保证谐振器以固定q值工作，从而保证硅谐振压力传感器具有高稳定性。漏率是谐振压力传感器芯片稳定性能的重要参数。最常见的压力绝压测量芯片密封腔是通过硅‑硅键合、硅‑玻璃键合和其他晶体材料键合制备的。4.而现有谐振压力敏感芯片的支撑梁强度和刚度低，其谐振频率偏低，进而导致其核心指标q值也偏低，影响其测量精度和应用范围。同时，现有的封装方法通常采用绝压腔裸露在大气压力范围内，进而使高精度绝对压力传感器密封腔的漏率增大，真空腔内的压力变大，直接影响传感器芯片的信号输出值，导致传感器芯片存在测量精度和长期稳定性下降的问题。5.综上所述，现有的谐振压力敏感芯片存在q值偏低，影响其测量精度和应用范围的问题，以及现有封装方法存在测量精度和长期稳定性下降的问题。技术实现要素：6.本发明的目的是为了解决现有的谐振压力敏感芯片存在q值偏低，影响其测量精度和应用范围的问题，以及现有封装方法存在测量精度和长期稳定性下降的问题。进而提供一种隔离封装结构差压谐振压力敏感芯片探头及封装方法。7.本发明的技术方案是：一种隔离封装结构差压谐振压力敏感芯片探头包括两个压环、两个波纹膜片、硅谐振压力敏感芯片、可伐合金引脚、电极键合引线、探头介质传递通道、密封管座和隔离介质，8.密封管座的上端面为上波纹膜片接触面，密封管座的下端面为下波纹膜片接触面，所述上波纹膜片接触面上开设阶梯槽，所述阶梯槽的上阶梯面为引线孔面，下阶梯面为芯片粘接面，探头介质传递通道开设在所述芯片粘接面上，在所述引线孔面上竖直开设有多个引线孔，密封管座的外圆柱面的上部、中部和下部分别开设有上环形密封槽、外界引线槽和下环形密封槽，密封管座的下端面上开设有内凹的下端介质腔；9.可伐合金引脚通过玻璃烧结的方式竖直安装在密封管座的引线孔上，硅谐振压力敏感芯片通过胶粘的方式安装在密封管座的芯片粘接面上，且硅谐振压力敏感芯片与阶梯槽的侧壁之间留有空隙，硅谐振压力敏感芯片和可伐合金引脚之间通过电极键合引线连接；两个波纹膜片分别安装在上波纹膜片接触面上和下波纹膜片接触面上，两个压环分别压装在两个波纹膜片上，隔离介质填充在所述间隙、探头介质传递通道、两个波纹膜片和密封管座之间形成的密闭空腔内；硅谐振压力敏感芯片通过谐振层中的两个压力谐振器实现差压测量。10.本发明还提供了一种封装方法，它包括以下步骤：11.步骤一：密封管座的制作及清洗；12.玻璃浆料将密封管座中的引线孔和上下引脚烧结至一起形成密封引脚结构，密封管座为不锈钢材质；13.用头部涂覆有聚四氟乙烯的不锈钢镊子分别夹取粘有丙酮和无水乙醇的绸布清洗密封管座，然后用无水乙醇清洗20s以上，放入干燥箱内干燥；将硅谐振压力敏感芯片先后放入丙酮和无水乙醇中，对密封管座和硅谐振压力敏感芯片分别进行超声清洗15min，将专用夹具陶瓷环先后放入丙酮和无水乙醇中超声清洗15±3min；14.步骤二：涂胶和粘接；15.将密封管座固定在夹具上，用牙签挑取730胶或使用自动点胶机在密封管座上依据硅谐振压力敏感芯片的外形均匀点6个点，然后将硅谐振压力敏感芯片嵌入其中，用陶瓷棒在硅谐振压力敏感芯片的芯片上盖上部压紧，保证密封管座上的外界压力孔与应力隔离层的第一感压通孔和第二感压通孔对应，接着继续用牙签挑取730胶或使用自动点胶机进行点胶，可伐合金引脚与专用夹具陶瓷环的通孔相对应，对可伐合金引脚进行保护，待涂完胶后，将陶瓷环取出；16.步骤三：胶的固化；17.将步骤二中粘接有硅谐振压力敏感芯片的密封管座放在一个恒温恒湿的环境中固化20‑30个小时；18.步骤四：电极键合引线的压焊；19.步骤四一：将密封管座固定在夹具上，在劈刀尖部距引出电极表面电极键合引线直径为2.5倍的距离处，将电极键合引线与引出电极焊接在一起；20.步骤四二：通过热焊笔将电极键合引线的另一端焊接在可伐合金引脚上，电极键合引线的长度在压焊两点时自动形成；21.步骤四三：对电极键合引线进行拉断力测试，直至该拉断力满足设计要求为止；22.步骤五：对可伐合金引脚和密封管座进行绝缘测试；23.采用绝缘电阻测试仪测试可伐合金引脚的各引脚与密封管座之间的绝缘电阻，电阻应大于设计极限值；24.步骤六：硅谐振压力敏感芯片的基础性能测试；25.采用吸水球吹动引压力孔，压力变化小于几百赫兹，同时温度频率不变化；此时，硅谐振压力敏感芯片满足设计要求；26.步骤七：将压环和波纹膜片焊接在密封管座上；27.将密封管座固定在夹具上，波纹膜片放在波纹膜片接触面的上面，波纹膜片的上面放上压环，然后利用氩弧焊接或电子束焊接，然后进行熔深测试；接着重复步骤五；28.步骤八：向密封管座中的密闭空腔内注油进行油封；29.步骤八一：采用bys‑ⅱ型双室液封装置将隔离介质注入密封管座中的密闭空腔内，真空度小于10‑9pa，隔离介质为惰性有机液体；30.步骤八二：先用φ2钢珠封住1.3mm的介质注入孔，再采用储能焊将注满隔离介质的介质注入孔封堵焊接；31.至此，完成了隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头的封装；32.步骤九：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行电气测试；33.在恒定的常压条件下进行电气测试，当谐振压力敏感芯片探头不发生跳频现象，且频率朝一个方向变化时，且小于3秒的时间内达到稳定为合格；34.步骤十：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行压力疲劳和老化测试；35.谐振压力敏感芯片探头装在夹具上，并与气压疲劳机或液压疲劳机连接，疲劳次数5000/10000次，在放在高低温试验箱内进行温度老化实验，共同来释放谐振压力敏感芯片探头内部应力，提高隔离封装结构的谐振压力敏感芯片的输出稳定性；36.步骤十一：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行气密性检测；37.将谐振压力敏感芯片探头与压力控制器连接，进行气密性检测，压力变化值不超过±2pa，此时，谐振压力敏感芯片探头的气密性合格；38.步骤十二：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行激光打标和筛选，转入下一生产阶段。39.本发明与现有技术相比具有以下效果：40.1、本发明的一种基于隔离式封装结构的差压式硅谐振压力敏感芯片探头，芯片采用一体化双谐振器设计，实现多路压力差压测量，双谐振器通过实时信号采集差分处理，可以降低温度、加速度等环境干扰，提高传感器精度，提高传感器差压测量精度；同时对谐振芯片进行二次封装，使谐振芯片处于隔离介质中工作，实现在腐蚀环境下的高精度压力多路测量，增加了探头在恶劣环境中可靠性；同时由于隔离介质不进入绝压腔室，所以差压式硅谐振压力芯片具有很低的漏率，从而提高差压式硅谐振压力传感器的稳定性；由于探头采用单芯片双谐振、单密封管座7和双波纹膜片2构成探头的主要体结构，可用于测量管路中的差压，并通过计算实现高精度流量测量，可广泛应用于腐蚀环境中差压、流量测量，如油路，具有体积小、加工简单、易安装等优点。41.2、本发明的一种基于隔离式封装结构的差压式硅谐振压力敏感芯片探头，通过二次隔离封装，使差压式硅谐振压力敏感芯片(3)处于隔离介质中工作，实现腐蚀环境等恶劣环境下的高精度压力多路测量，提高差压式硅谐振压力敏感芯片3的可靠性；同时探头内部与外界隔离，实现芯片整体的漏率降低，可提高差压式硅谐振压力敏感芯片3的稳定性，同时双谐振通过实时压力差分采集处理可以极大提升传感器差压测量精度。42.3、本发明采用隔离封装技术，硅谐振压力芯片与外界环境隔离，完全处于隔离介质中工作，使硅谐振压力传感器在恶劣环境中也可实现高精度压力的测量，提高了传感器在复杂环境中工作的可靠性；硅谐振压力芯片封装在稳定的隔离介质中，具有固定的q值，同时由于隔离介质物不进入绝压腔室，芯片具有很低的漏率，提高传感器的长期稳定性，同时硅谐振压力芯片采用双谐振器设计，双谐振器具有相同工作环境，可有效降低温度，加速度等影响，实现双路独立的实时压力测量，在双谐振器的信号处理上可单独进行处理，得出压差信号，亦可通过差分方式进行信号处理，得到差分信号，得到更高的压力测量精度。附图说明43.图1是本发明隔离封装结构差压谐振压力敏感芯片探头的全剖视图；44.图2是波纹膜片的俯视图；图3是图2的主剖视图；45.图4是硅谐振压力敏感芯片的主剖视图；46.图5是可伐合金引脚的主剖视图；47.图6是密封管座的主剖视图；48.图7是密封管座的俯视图；49.图8是密封管座的侧剖视图；50.图9是密封管座的后视图；51.图10是压力谐振器的俯视图。具体实施方式52.本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。53.具体实施方式一：结合图1～图10说明本实施方式，本实施方式的一种隔离封装结构差压谐振压力敏感芯片探头包括两个压环1、两个波纹膜片2、硅谐振压力敏感芯片3、可伐合金引脚4、电极键合引线5、探头介质传递通道6、密封管座7和隔离介质8，54.密封管座7的上端面为上波纹膜片接触面701‑1，密封管座7的下端面为下波纹膜片接触面701‑2，所述上波纹膜片接触面701‑1上开设阶梯槽，所述阶梯槽的上阶梯面为引线孔面704，下阶梯面为芯片粘接面702，探头介质传递通道6开设在所述芯片粘接面702上，在所述引线孔面704上竖直开设有多个引线孔703，密封管座7的外圆柱面的上部、中部和下部分别开设有上环形密封槽705‑1、外界引线槽706和下环形密封槽705‑2，密封管座7的下端面上开设有内凹的下端介质腔707；55.可伐合金引脚4通过玻璃烧结的方式竖直安装在密封管座7的引线孔703上，硅谐振压力敏感芯片3通过胶粘的方式安装在密封管座7的芯片粘接面702上，且硅谐振压力敏感芯片3与阶梯槽的侧壁之间留有空隙，硅谐振压力敏感芯片3和可伐合金引脚4之间通过电极键合引线5连接；两个波纹膜片2分别安装在上波纹膜片接触面701‑1上和下波纹膜片接触面701‑2上，两个压环1分别压装在两个波纹膜片2上，隔离介质8填充在所述间隙、探头介质传递通道6、两个波纹膜片2和密封管座7之间形成的密闭空腔内；硅谐振压力敏感芯片3通过谐振层302中的两个压力谐振器实现差压测量。56.具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式的硅谐振压力敏感芯片3包括芯片上盖301、谐振层302、两个硅基衬底3021和应力隔离层303，芯片上盖301、谐振层302、硅基衬底3021和应力隔离层303由上至下依次连接并制成一体，两个硅基衬底3021的下端面上均开设有倒梯形的感压槽，其中，芯片上盖301与硅基衬底3021之间形成绝压腔室，谐振层302位于所述绝压腔室内。如此设置，硅基衬底3021下端面的倒梯形感压槽便于精确感受介质压力，并传递至谐振层302，同时硅基衬底3021与硅基衬底3021之间形成的绝压腔室用以保护谐振层302，避免谐振层302处于工作状态时受到的其它介质的阻力，进而影响探头测量精度。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。57.具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式的应力隔离层303上位于两个压力谐振器正下方的位置处分别开设有第一感压通孔3031和第二感压通孔3032。如此设置，便于压力传递至硅基衬底3021上，进而传递至谐振层302上，达到感压的目的。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。58.具体实施方式四：结合图10说明本实施方式，本实施方式的谐振层302中的每个压力谐振器均包括四个引出电极3050、两个驱动电极3023、备用电极3024、两个敏感梳齿电极3025、两个稳固梁3026、两个横拉梁3027、锚块3028和电极通路3029，59.两个驱动电极3023上下平行设置，且每个驱动电极3023的左右两侧分别安装有一个引出电极3050，两个驱动电极3023的相对侧安装有一个敏感梳齿电极3025，两个敏感梳齿电极3025的内侧分别安装有一个稳固梁3026，两个稳固梁3026的内侧分别安装有一个横拉梁3027，两个横拉梁3027之间安装有一个锚块3028，锚块3028与备用电极3024之间通过电极通路3029连接。如此设置，电极通路3029构成三角形稳定结构，在保证信号传输前提下，提升电极固支的强度，可有效提升谐振层的稳定性，以适用于更高频率的振动及压力变化引起的形变幅度。同时，设置一个锚块3028，加大了力臂边长，可有效提升锚块3028受力产生的扭矩，提升后端连接相关受力梁的形变。进而提升谐振频率，增大传感器分辨率。其它组成及连接关系与具体实施方式一至三中任意一项相同。60.具体实施方式五：结合图10说明本实施方式，本实施方式的每个横拉梁3027的端部均为“y”型梁结构。如此设置，双固支点的“y”型梁结构，形成三角形稳定结构，可提升刚性强度，提高传感器的可靠性。其它组成及连接关系与具体实施方式一至四中任意一项相同。61.具体实施方式六：结合图10说明本实施方式，本实施方式的每个稳固梁3026均包括左右对称的两个稳固单元，62.每个稳固单元均包括第一连接支撑梁901、第一斜拉梁平行支撑梁901‑1、第一斜拉梁垂直支撑梁901‑2、第一平行支撑梁垂直梁901‑3、第一斜拉梁稳固梁901‑4和第二斜拉梁稳固梁901‑5，63.第一斜拉梁平行支撑梁901‑1、第一斜拉梁稳固梁901‑4、第二斜拉梁稳固梁901‑5和敏感梳齿电极3025之间形成梯形结构，第一斜拉梁垂直支撑梁901‑2和第一平行支撑梁垂直梁901‑3垂直于第一斜拉梁平行支撑梁901‑1，且第一斜拉梁垂直支撑梁901‑2和第一平行支撑梁垂直梁901‑3均与第一斜拉梁稳固梁901‑4和第二斜拉梁稳固梁901‑5以及第一斜拉梁平行支撑梁901‑1之间形成直角三角形，64.第一连接支撑梁901的一端与第一斜拉梁垂直支撑梁901‑2和第一斜拉梁平行支撑梁901‑1的交叉点重合，第一连接支撑梁901的另一端与第一平行支撑梁垂直梁901‑3和第二斜拉梁稳固梁901‑5的交叉点重合。如此设置，可形成三角支撑结构，增大谐振层各支撑梁的强度以及敏感梳齿电极3025的斜拉力，从而增加力学振动传递强度，提高芯片振动频率，进而可有效增大测量量程，并降低了外界扰动，从而提升稳定性。其它组成及连接关系与具体实施方式一至五中任意一项相同。65.具体实施方式七：结合图6至图9说明本实施方式，本实施方式的探头介质传递通道6包括介质槽601和介质注入孔602，66.介质槽601包括第一介质槽6011和第二介质槽6022，第一介质槽6011水平开设在芯片粘接面702上，第二介质槽6022沿密封管座7轴线竖直开设，且第二介质槽6022的下端端部与下端介质腔707连通；67.介质注入孔602包括第一介质注入孔602‑1和第二介质注入孔602‑2，第一介质注入孔602‑1为“l”形孔，“l”形孔的一端与第一介质槽6011的端部连接，“l”形孔的另一端贯穿密封管座7，第二介质注入孔602‑2水平穿设在密封管座7上并与第二介质槽6022连通。68.如此设置，隔离介质8通过第一介质槽6011和第二介质槽6022分别有效环绕硅谐振压力敏感芯片3的，使得外界介质压力精确传递至硅谐振压力敏感芯片3的两个压力谐振器，实现双路独立的实时压力测量，并起到降低硅谐振压力敏感芯片3的漏率，以及对其进行有效保护作用。其它组成及连接关系与具体实施方式一至六中任意一项相同。69.具体实施方式八：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式的封装方法，其特征在于：它包括以下步骤：70.步骤一：密封管座7的制作及清洗；71.玻璃浆料将密封管座7中的引线孔703和上下引脚烧结至一起形成密封引脚结构，密封管座7为不锈钢材质；72.用头部涂覆有聚四氟乙烯的不锈钢镊子分别夹取粘有丙酮和无水乙醇的绸布清洗密封管座7，然后用无水乙醇清洗20s以上，放入干燥箱内干燥；将硅谐振压力敏感芯片3先后放入丙酮和无水乙醇中，对密封管座7和硅谐振压力敏感芯片3分别进行超声清洗15min，将专用夹具陶瓷环先后放入丙酮和无水乙醇中超声清洗15±3min；73.步骤二：涂胶和粘接；74.将密封管座7固定在夹具上，用牙签挑取730胶或使用自动点胶机在密封管座7上依据硅谐振压力敏感芯片3的外形均匀点6个点，然后将硅谐振压力敏感芯片3嵌入其中，用陶瓷棒在硅谐振压力敏感芯片3的芯片上盖301上部压紧，保证密封管座7上的外界压力孔与应力隔离层303的第一感压通孔3031和第二感压通孔3032对应，接着继续用牙签挑取730胶或使用自动点胶机进行点胶，可伐合金引脚4与专用夹具陶瓷环的通孔相对应，对可伐合金引脚4进行保护，待涂完胶后，将陶瓷环取出；75.步骤三：胶的固化；76.将步骤二中粘接有硅谐振压力敏感芯片3的密封管座7放在一个恒温恒湿的环境中固化20‑30个小时；77.步骤四：电极键合引线5的压焊；78.步骤四一：将密封管座7固定在夹具上，在劈刀尖部距引出电极3050表面电极键合引线5直径为2.5倍的距离处，将电极键合引线5与引出电极3050焊接在一起；79.步骤四二：通过热焊笔将电极键合引线5的另一端焊接在可伐合金引脚4上，电极键合引线5的长度在压焊两点时自动形成；80.步骤四三：对电极键合引线5进行拉断力测试，直至该拉断力满足设计要求为止；81.步骤五：对可伐合金引脚4和密封管座7进行绝缘测试；82.采用绝缘电阻测试仪测试可伐合金引脚4的各引脚与密封管座7之间的绝缘电阻，电阻应大于设计极限值；83.步骤六：硅谐振压力敏感芯片3的基础性能测试；84.采用吸水球吹动引压力孔，压力变化小于几百赫兹，同时温度频率不变化；此时，硅谐振压力敏感芯片3满足设计要求；85.步骤七：将压环1和波纹膜片2焊接在密封管座7上；86.将密封管座7固定在夹具上，波纹膜片2放在波纹膜片接触面701的上面，波纹膜片2的上面放上压环1，然后利用氩弧焊接或电子束焊接，然后进行熔深测试；接着重复步骤五；87.步骤八：向密封管座7中的密闭空腔内注油进行油封；88.步骤八一：采用bys‑ⅱ型双室液封装置将隔离介质8注入密封管座7中的密闭空腔内，真空度小于10‑9pa，隔离介质8为惰性有机液体；89.步骤八二：先用φ2钢珠封住1.3mm的介质注入孔602，再采用储能焊将注满隔离介质8的介质注入孔602封堵焊接；90.至此，完成了隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头的封装；91.步骤九：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行电气测试；92.在恒定的常压条件下进行电气测试，当谐振压力敏感芯片探头不发生跳频现象，且频率朝一个方向变化时，且小于3秒的时间内达到稳定为合格；93.步骤十：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行压力疲劳和老化测试；94.谐振压力敏感芯片探头装在夹具上，并与气压疲劳机或液压疲劳机连接，疲劳次数5000/10000次，在放在高低温试验箱内进行温度老化实验，共同来释放谐振压力敏感芯片探头内部应力，提高隔离封装结构的谐振压力敏感芯片的输出稳定性；95.步骤十一：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行气密性检测；96.将谐振压力敏感芯片探头与压力控制器连接，进行气密性检测，压力变化值不超过±2pa，此时，谐振压力敏感芯片探头的气密性合格；97.步骤十二：对封装后的隔离封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行激光打标和筛选，转入下一生产阶段。98.本发明的工作原理：99.本发明基于芯片探头二次隔离封装，使差压式硅谐振压力敏感芯片3在恶劣环境中通过隔离介质8(其中，隔离介质8包括上端隔离介质801和下端隔离介质802)的形变实现间接多路压力测量；同时由于隔离介质8无法进入谐振层302，可以有效降低差压式硅谐振压力敏感芯片3的漏率，同时双压力谐振器通过输出信号实现差压测量。将差压式硅谐振压力敏感芯片3密封至充满隔离介质8的密封管座7内部，通过电极键合引线5将芯片电极和可伐合金引脚4进行焊接，将传感器信号进行传输，同时伐合金引脚4保证整体密封管座7内部的密封性；当波纹膜片2表面受到压力产生可恢复的形变，使隔离介质8体积发生改变，通过本发明设计特殊探头介质传递结构6将由体积变化引起的压力变化传递至差压式硅谐振压力敏感芯片3的压力谐振器的感压面上，可实现双压力谐振器信号输出；同时处于二次隔离封装的环境下的双谐振器，处于相同通工作环境(如加速度影响、温度影响等)，通过实时采集双谐振器输出的压力信号，通过压力信号差分处理，可以剔除由于温漂、加速度等其他物理量对于差压式硅谐振压力敏感芯片3的影响，可以实现高精度的差压压力测量。本发明可以使差压式硅谐振压力敏感芯片3在腐蚀等恶劣环境下实现高精度差压压力测量，同时有效降低由于漏率变化对传感器稳定性的影响。