一种耐高压MEMS压力传感器封装结构和封装方法

一种耐高压mems压力传感器封装结构和封装方法技术领域1.本发明属于微纳传感器技术领域，具体涉及一种耐高压mems压力传感器封装技术。背景技术：2.为了满足压力传感器介质兼容性需要，目前压力传感器普遍采用充油封装，而采用充油封装的压力传感器通常需要不锈钢烧结基座、波纹膜片、硅油等，造成传感器体积较大，难以实现微型化，且价格较为昂贵。传统的背进气压力传感器通常采用有机或者无机胶粘方式将键合有mems压力敏感芯片的玻璃基座或单晶硅基座固定在金属基座上，压力介质通过引压管腔直接作用在mems压力敏感芯片薄膜的背面，此时，有机或者无机胶粘连接处将承受拉应力。由于有机或者无机胶粘接强度有限，从而限制了芯片与金属基座的连接强度，因此，采用该种封装技术的压力传感器难以实现高压测量。技术实现要素：3.本发明提出了一种耐高压mems压力传感器封装结构和封装方法，解决传统封装方式难以实现高压测量的难题，同时有利降低传感器封装的技术难度与成本。4.为达到上述目的，本发明所述的一种耐高压mems压力传感器封装结构，包括金属基座、可伐合金基座和台阶式压力敏感单元，所述可伐合金基座固定在金属基座上，所述台阶式压力敏感单元封装在可伐合金基座内，所述台阶式压力敏感单元包括压力敏感芯片和玻璃基座，所述玻璃基座的尺寸比压力敏感芯片的尺寸大，使得压力敏感芯片与玻璃基座之间形成一个台阶。5.进一步的，台阶式压力敏感单元与可伐合金基座通过玻璃浆料烧结实现密封连接。6.进一步的，可伐合金基座与金属基底焊接在一起。7.进一步的，压力敏感芯片的横截面积小于玻璃基座的横截面积，使得压力敏感芯片与玻璃基座之间形成一个台阶，制造出台阶式压力敏感单元。8.进一步的，金属基座内部具有通孔，被测压力经过通孔施加在压力敏感芯片上。9.一种耐高压mems压力传感器封装方法，包括以下具体封装步骤：10.s1、以单晶硅为原料，采用mems工艺制备压力敏感芯片；11.s2、玻璃基座的材料为硼硅玻璃，其厚度大于1mm，采用机械划片或激光划片的方法制备玻璃基座；12.s3、采用阳极键合工艺将压力敏感芯片与玻璃基座封装，得到台阶式压力敏感单元；13.s4、制备具有台阶孔的可伐合金基座；14.s5、将台阶式压力敏感单元与可伐合金基座采用玻璃浆料烧结进行密封连接；15.s6、将可伐合金基座与金属基座通过激光焊接进行密封连接，在金属基座上封装适配的垫块，将pcb转接板粘接在垫块上，使得pcb转接板与可伐合金基座表面平齐，最后采用金丝球焊等技术实现压力敏感芯片与pcb转接板的电气连接，完成压力传感器的初步封装。16.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：17.本发明提出了一种耐高压mems压力传感器封装结构和封装方法，采用玻璃浆料烧结将台阶式压力敏感单元与可伐合金基座进行封装，当压力敏感芯片薄膜背面受到压力载荷时，玻璃浆料烧结密封处将受到压应力，而不是拉应力。由于玻璃浆料的耐压强度远远高于耐拉强度，从而玻璃浆料烧结密封处可以承受较大的压力载荷，提高传感器的耐压特性，解决了传统背进气压力传感器的耐压能力不足问题。同时，正面较为脆弱的金属引线不与外界压力介质直接接触，使得该封装结构可应用于多种的压力介质甚至导电性介质。18.进一步的，采用激光焊接或氩弧焊等技术将可伐合金基座与金属基座密封连接，外部压力通过金属基座的通孔直接作用在压力敏感芯片背面，避免了压力敏感芯片正面的焊盘、金属引线与外部环境、被测介质直接接触，提高了压力敏感芯片的环境适应性。19.进一步的，采用bf33玻璃晶圆制备的玻璃基座厚度大于1mm，与硅材料热膨胀系数相近，耐热性较好，经阳极键合后有效隔离外部热应力，同时可以承受更大的压力载荷。附图说明20.图1为耐高压mems压力传感器封装结构示意图；21.图2为玻璃烧结处的局部放大图；22.图3为台阶式压力敏感单元的结构图；23.图4为贴片式压力传感器封装结构示意图；24.图5a为本发明和传统封装结构在压力作用下应力分布的示意图；25.图5b为本发明在压力作用下变形量的示意图。26.附图中：1、金属基座，2、可伐合金基座，3、台阶式压力敏感单元，4、pcb转接板，5、垫块，6、导线，11、通孔，31、压力敏感芯片，32、玻璃基座、33、玻璃浆料。具体实施方式27.为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，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；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。29.实施例130.参照图1至图3，一种耐高压mems压力传感器封装结构，包括金属基座1、可伐合金基座2和台阶式压力敏感单元3，其中，金属基座1为不锈钢材质，台阶式压力敏感单元3包括压力敏感芯片31和玻璃基座32。压力敏感芯片31的横截面积小于玻璃基座32的横截面积，压力敏感芯片31与玻璃基座32构成台阶结构，台阶越小，压力敏感芯片31与玻璃基座32键合面积越大，键合面应力更小，可以承受的压力就越大。可伐合金基座2内部开设有台阶孔，与台阶式压力敏感单元3进行匹配封装。31.压力敏感芯片31通过阳极键合等工艺与玻璃基座32连接形成台阶式压力敏感单元3，玻璃基座32的横截面尺寸比压力敏感芯片31的横截面尺寸大0.7～6倍，均可使得压力敏感芯片31与玻璃基座32之间形成一个台阶，压力敏感芯片31与玻璃基座32键合面积越大时，键合面应力更小，耐压性更高。如图2所示，台阶式压力敏感单元3与可伐合金基座2通过玻璃浆料33烧结实现密封连接，其中玻璃基座32的外围上表面和可伐合金基座2中台阶孔的台阶面通过玻璃浆料33烧结，玻璃基座32的侧面和可伐合金基座2之间具有间隙，可伐合金基座2再通过激光焊或氩弧焊等焊接技术与金属基底1密封连接。32.金属基座1内部制作通孔11，使得外界压力可以直接作用于台阶式压力敏感单元3，金属基座1和可伐合金基座2同轴安装，便于进行激光或氩弧焊接。金属基座1上外周有六角头等结构，便于紧固操作。金属基座1下端设置有外螺纹，用于与被测对象进行密封连接。33.参照图4，贴片式压力传感器包括金属基座1、压力敏感芯片31和玻璃基座32，其中，金属基座1为不锈钢材质。压力敏感芯片31与玻璃基座32横截面面积相同，压力敏感芯片31与玻璃基座32键合成一个整体，粘接在金属基座1上。最后通过金丝球焊技术实现压力敏感芯片的电气连接。34.对本发明的封装结构和图4所示的贴片式压力传感器正面施压封装结构进行应力仿真对比，如图5a所示，在相同的应力载荷作用下，本发明的封装结构在压阻条位置仿真得到的应力结果是传统封装结构的1.2倍。在35mpa压力作用下，本发明封装结构的应力更高，有效提升了传感器的灵敏度。本发明和传统封装结构在35mpa压力作用下的变形量如图5b所示，在距离压力敏感芯片中心相同的位置下，本发明封装结构的芯片变形量小于传统封装结构的芯片变形量，说明本封装结构的传感器可以测量的压力范围更大。35.实施例236.一种耐高压mems压力传感器封装方法，包括以下步骤：37.s1、压力敏感芯片31：以单晶硅为原料，采用mems工艺制备压力敏感芯片31；38.s2、玻璃基座32制备：玻璃基座32的材料为与硅材料热膨胀系数接近的硼硅玻璃，其厚度大于1mm，采用机械划片或激光划片等方法制备玻璃基座32；39.s3、压力敏感芯片31与玻璃基座32的封装：采用阳极键合工艺将压力敏感芯片31与玻璃基座32封装，得到台阶式压力敏感单元3；40.s4、制备具有台阶孔的可伐基座2；41.s5、将台阶式压力敏感单元3与可伐合金基座2采用玻璃浆料33烧结进行密封连接；42.s6、将可伐合金基座2与金属基座1通过激光焊接进行密封连接，在金属基座上封装适配的垫块5，将pcb转接板4粘接在垫块5上，使得pcb转接板4与可伐合金基座2表面平齐，最后采用金丝球焊等技术实现压力敏感芯片31与pcb转接板4的电气连接，完成压力传感器的初步封装。43.传感器技术指标如下：44.压力量程：0-60mpa45.温度使用范围：-50℃～150℃46.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。