一种隔离封装结构的谐振温度敏感芯片探头及其封装方法与流程

1.本发明涉及一种谐振温度敏感芯片探头及其封装方法，具体涉及一种隔离封装结构的谐振温度敏感芯片探头及其封装方法，属于mems谐振式温度传感器领域。背景技术：2.传统温度传感器如热电偶、铂电阻、红外测温等，精度普遍为0.15℃，高精度温度测量不适用；如需更高的测温精度则需要光纤温度传感器，但光纤温度传感器易损耗，成本较高，多为多点分布式测量，对于光纤布线具有较高的技术要求。3.硅谐振温度传感器通过测量硅固有频率改变间接测量温度，理论测温精度能够达到0.05℃，可以实现高精度温度测量，具有精度高、重复性好、可靠性高、体积小等特点，同时，具有信号频带宽、可集成、成本低等优点，是高精度稳态测温首选传感器。4.传统硅谐振温度通过直接接触被测温度，实现温度测量，可适用于洁净气体或洁净液体环境下的高精度温度测量；当被测温度环境处于高腐蚀液体或气体环境中(海水，油路等)的温度测量，传统硅谐振温度传感器长期处于腐蚀状态下工作，容易导致硅谐振温度探头结构性损害和温度芯片被腐蚀，导致性能降低或传感器失效。5.同时硅谐振温度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，从而保证硅谐振温度传感器具有高稳定性。漏率是谐振温度传感器芯片稳定性能的重要参数。最常见的温度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。现有的封装方法通常采用绝压腔裸露在大气压力范围内工作，密封腔的漏率引起腔内压力变化，作为参考标准的密封腔直接影响传感器芯片的输出，尤其是长期稳定性指标。6.综上所述，现有的谐振温度敏感芯片容易被腐蚀，导致性能降低或传感器失效。同时，现有的封装方法由于漏率增大，引起腔内压力变大，存在测量精度和长期稳定性下降的问题。技术实现要素：7.本发明的目的是为了解决现有的谐振温度敏感芯片容易被腐蚀，导致性能降低或传感器失效。同时，现有的封装方法由于漏率增大，引起密封腔内压力变大，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的谐振温度敏感芯片探头及其封装方法。8.本发明的技术方案是：一种隔离封装结构的谐振温度敏感芯片探头包括压环、平膜片、硅谐振温度敏感芯片、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，硅谐振温度敏感芯片包括芯片上盖、谐振层、硅基衬底和应力隔离层，芯片上盖、谐振层、硅基衬底和应力隔离层由上至下依次连接并制成一体，硅基衬底的下端面水平面，其中，芯片上盖与硅基衬底之间形成绝压腔室，谐振层位于所述绝压腔室内；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，硅谐振温度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，且硅谐振温度敏感芯片与阶梯槽的侧壁之间留有空隙，硅谐振温度敏感芯片和可伐合金引脚之间通过电极键合引线连接；平膜片安装在平膜片接触面上，压环压装在平膜片上，隔离介质填充在所述间隙、探头介质传递通道、平膜片和密封管座之间形成的密闭空腔内。9.本发明还提供了一种封装方法，它包括以下步骤：10.步骤一：密封管座的制作及清洗；11.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；12.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；将硅谐振温度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温度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；13.步骤二：涂胶和粘接；14.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温度敏感芯片的外形均匀点6个点，然后将硅谐振温度敏感芯片嵌入其中，用陶瓷棒在硅谐振温度敏感芯片的芯片上盖301上部压紧，保证密封管座上的外界压力孔与应力隔离层的感压通孔对应，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；15.步骤三：胶的固化；16.将步骤二中粘接有硅谐振温度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；17.步骤四：电极键合引线的压焊；18.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；19.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；20.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；21.步骤五：对可伐合金引脚和密封管座进行绝缘测试；22.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；23.步骤六：硅谐振温度敏感芯片的基础性能测试；24.采用吸水球吹动引温度孔，温度变化小于几百赫兹，同时压力频率不变化；此时，硅谐振温度敏感芯片满足设计要求；25.步骤七：将压环和平膜片焊接在密封管座上；26.将密封管座固定在夹具上，平膜片放在平膜片接触面的上面，平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；27.步骤八：向密封管座中的密闭空腔内注油进行油封；28.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；29.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的介质注入孔封堵焊接；30.至此，完成了隔离封装结构的谐振温度敏感芯片探头的封装；31.步骤九：对封装后的隔离封装结构的谐振温度敏感芯片探头进行电气测试；32.在恒定的常压条件下进行电气测试，当谐振温度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；33.步骤十：对封装后的隔离封装结构的谐振温度敏感芯片探头进行压力疲劳和老化测试；34.谐振温度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，共同来释放谐振温度敏感芯片探头内部应力，提高隔离封装结构的谐振温度敏感芯片的输出稳定性；35.步骤十一：对封装后的隔离封装结构的谐振温度敏感芯片探头进行气密性检测；36.将谐振温度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，谐振温度敏感芯片探头的气密性合格；37.步骤十二：对封装后的隔离封装结构的谐振温度敏感芯片探头进行激光打标和筛选，转入下一生产阶段。38.本发明与现有技术相比具有以下效果：39.1、本发明采用隔离封装技术，硅谐振温度芯片与外界环境隔离，完全处于隔离介质中工作，使硅谐振温度传感器在恶劣环境中也可实现高精度温度的测量，提高了传感器在复杂环境中工作的可靠性，如深海高精度温度测量；硅谐振温度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。40.2、本发明的硅谐振温度敏感芯片探头，对谐振芯片进行二次封装(其中，第一次封装是指谐振层置于芯片上盖与硅基衬底之间，第二次封装是指对硅谐振温度敏感芯片整体进行油封)，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温度测量，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，所以硅谐振温度芯片具有很低的漏率，从而提高传硅谐振温度传感器的稳定性。41.3、本发明的二次隔离封装，使硅谐振温度敏感芯片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温度探测，提高硅谐振温度敏感芯片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，可提高硅谐振温度敏感芯片3的稳定性。42.4、本发明基于芯片探头二次隔离封装，使硅谐振温度敏感芯片3在恶劣环境中通过隔离介质8的形变实现间接温度测量，有效避免了由于硅谐振温度传感器长期处于腐蚀状态下工作，导致的硅谐振温度探头结构性损害和温度芯片被腐蚀，进而提高了硅谐振温度敏感芯片探头的性能，避免传感器失效；同时由于隔离介质8无法进入谐振层302，可以有效降低硅谐振温度敏感芯片3的漏率。将硅谐振温度敏感芯片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，同时可伐合金引脚4保证整体密封管座7内部的密封性；当膜片上盖2表面受到温度变化，膜片上盖2具有较高的传热系数，温度变化时，将温度传递到隔离介质8上，硅谐振温度敏感芯片3通过测量隔离介质8的温度实现对于待测温度的测量，本发明可以使硅谐振温度敏感芯片3在腐蚀等恶劣环境下实现高精度温度测量，同时有效降低由于漏率变化对传感器稳定性的影响。43.5、采用本发明制备的硅谐振温度敏感探头，硅谐振温度敏感芯片3封装于充满隔离介质8的密封管座7内，由于隔离介质8完全包裹硅谐振温度敏感芯片3，硅谐振温度敏感芯片3外部处于力学平衡状态，降低了应力隔离层303的隔离层下表面和密封管座7的芯片粘接面702的连接压力，有效降低封装应力，增大了密封面的强度，使隔离式硅谐振温度传感器探头可应用在腐蚀环境、大压强下的温度测量，如深海高精度温度测量，后续可拓展多深海环境中高精度温盐深传感器的复合集成。附图说明44.图1是本发明隔离式封装结构的硅谐振温度敏感芯片探头的全剖视图；45.图2是平膜片的俯视图；图3是图2的主剖视图；46.图4是硅谐振温度敏感芯片的主剖视图；47.图5是可伐合金引脚的主剖视图；48.图6是探头介质传递通道的俯视图；49.图7是密封管座7的主剖视图；50.图8是谐振层302的俯视图。具体实施方式51.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。52.具体实施方式一：结合图1～图8说明本实施方式，本实施方式的一种隔离封装结构的谐振温度敏感芯片探头包括压环1、平膜片2、硅谐振温度敏感芯片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8，53.硅谐振温度敏感芯片3包括芯片上盖301、谐振层302、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，硅基衬底3021的下端面水平面，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；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，硅谐振温度敏感芯片3通过胶粘的方式安装在密封管座7的芯片粘接面702上，且硅谐振温度敏感芯片3与阶梯槽的侧壁之间留有空隙，硅谐振温度敏感芯片3和可伐合金引脚4之间通过电极键合引线5连接；平膜片2安装在平膜片接触面701上，压环1压装在平膜片2上，隔离介质8填充在所述间隙、探头介质传递通道6、平膜片2和密封管座7之间形成的密闭空腔内。54.密封管座7的上端面为平膜片接触面701，所述平膜片接触面701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的外圆柱面中上部开设有环形密封槽705。55.本实施方式是采用的硅基衬底3021的下端面水平面所带来的技术效果是避免受到外界压力、加速度、重力等因素，使谐振层302发生形变，影响温度应力的正确测量，从而有效的提高了温度传感器的测量精度。56.本实施方式的平膜片2能够使介质温度均匀的分布在平膜片2上，使介质温度精确的传递至谐振层302上。避免了因温度应力集中使温度传感器的精度降低。57.具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式的应力隔离层303的中部开设有感温通孔3031。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相同。58.具体实施方式三：结合图8说明本实施方式，本实施方式的谐振层302包括四个引出电极3022、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3029，两个驱动电极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3022，两个驱动电极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二中任意一项相同。59.具体实施方式四：结合图8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三中任意一项相同。60.具体实施方式五：结合图8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，61.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901‑5，62.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，63.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四中任意一项相同。64.具体实施方式六：结合图6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602，65.介质槽601为线性深槽结构，介质槽601包括芯片介质槽6011、第一侧壁介质引压槽6012和第二侧壁介质引压槽6013，芯片介质槽6011水平布置，第一侧壁介质引压槽6012和第二侧壁介质引压槽6013竖直布置，且第一侧壁介质引压槽6012和第二侧壁介质引压槽6013分别与芯片介质槽6011的一端连接形成介质槽601，介质注入孔602与第一侧壁介质引压槽6012的另一端连接。66.如此设置，便于隔离介质8的封堵，同时在注入隔离介质8时，隔离介质8可有效环绕硅谐振温度敏感芯片3，使得外界介质压力精确传递至硅谐振温度敏感芯片3，并起到降低硅谐振温度敏感芯片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五中任意一项相同。67.具体实施方式七：结合图1至图8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：68.步骤一：密封管座7的制作及清洗；69.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；70.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；将硅谐振温度敏感芯片3先后放入丙酮和无水乙醇中，对密封管座7和硅谐振温度敏感芯片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；71.步骤二：涂胶和粘接；72.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上依据硅谐振温度敏感芯片3的外形均匀点6个点，然后将硅谐振温度敏感芯片3嵌入其中，用陶瓷棒在硅谐振温度敏感芯片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的感温通孔3031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；73.步骤三：胶的固化；74.将步骤二中粘接有硅谐振温度敏感芯片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；75.步骤四：电极键合引线5的压焊；76.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3022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3022焊接在一起；77.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；78.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；79.步骤五：对可伐合金引脚4和密封管座7进行绝缘测试；80.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；81.步骤六：硅谐振温度敏感芯片3的基础性能测试；82.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，硅谐振温度敏感芯片3满足设计要求；83.步骤七：将压环1和平膜片2焊接在密封管座7上；84.将密封管座7固定在夹具上，平膜片2放在平膜片接触面701的上面，平膜片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；85.步骤八：向密封管座7中的密闭空腔内注油进行油封；86.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；87.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；88.至此，完成了隔离封装结构的谐振温度敏感芯片探头的封装；89.步骤九：对封装后的隔离封装结构的谐振温度敏感芯片探头进行电气测试；90.在恒定的常压条件下进行电气测试，当谐振温度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；91.步骤十：对封装后的隔离封装结构的谐振温度敏感芯片探头进行压力疲劳和老化测试；92.谐振温度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，共同来释放谐振温度敏感芯片探头内部应力，提高隔离封装结构的谐振温度敏感芯片的输出稳定性；93.步骤十一：对封装后的隔离封装结构的谐振温度敏感芯片探头进行气密性检测；94.将谐振温度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，谐振温度敏感芯片探头的气密性合格；95.步骤十二：对封装后的隔离封装结构的谐振温度敏感芯片探头进行激光打标和筛选，转入下一生产阶段。96.本发明的工作原理：97.将硅谐振温度敏感芯片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将引线电极3022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；当平膜片2表面受到温度应力时，通过本发明设计特殊探头介质传递通道6中的隔离介质8，将介质温度传递至硅谐振温度敏感芯片3中实现测量，本发明可以硅谐振温度敏感芯片3在腐蚀等恶劣环境下实现高精度压力测量，同时有效降低由于漏率变化对传感器稳定性的影响。