谐振式微机械压力传感器及传感器芯片的低应力组装方法

摘要

本发明公开了一种谐振式压力传感器及其芯片的低应力组装方法，其包括：管座，其中间具有用于放置传感器芯片的空腔，其边沿分布有多条用于与所述传感器芯片电连接的管针；传感器芯片，其包括沿该传感器芯片对角线放置的差分检测谐振梁，用于压力检测；固定压条，其横置于所述传感器芯片的差分检测谐振梁上，以用于将所述传感器芯片固定在所述管座上；管帽，其盖于所述管座之上，且其边缘与所述管座的边缘固定连接。谐振式压力传感器芯片通过机械固定的方式实现了与管壳的无硬连接组装，组装后无残余应力，有效的降低了传感器组装造成的机械应力和热应力影响。

说明书

技术领域

本发明涉及微机械压力传感器领域和传感器封装/组装技术领域，尤其 涉及一种谐振式微机械压力传感器及传感器芯片的低应力组装方法。

背景技术

微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS) 技术是建立在微电子技术和微机械技术基础上的一种前沿技术。采用 MEMS技术加工而成的传感器具有体积小、重量轻、可批量生产等技术优 势，受到越来越多的研究关注。

基于MEMS技术的压力传感器主要分为压阻式、电容式和谐振式三 大类。相比其他两类压力传感器，谐振式压力传感器具有精度高、稳定性 好等突出优点，被誉为新一代压力传感器。

谐振式微机械压力传感器是一种高精度压力传感器，它基于机械谐振 技术，以谐振元件(如谐振梁)作为敏感元件来实现压力检测的传感器。 谐振式压力传感器工作原理就是利用压力的变化改变谐振子的谐振频率， 通过测量频率的变化来间接测量压力。

由于谐振式压力传感器具有极高的灵敏度，它对引起谐振梁应力变化 的因素(如环境温度、封装应力、组装应力等)非常敏感，因此谐振式压 力传感器芯片在管座上的封装、组装等方法和工艺成为制约传感器综合性 能的主要因素。日本横河公司通过在传感器芯片和管座之间引入厚度为芯 片数倍的硅片实现芯片组装，英国Druck公司采用长度为传感器芯片厚度 数倍的长玻璃管与管座焊接实现芯片组装，发明专利申请 (CN201010218423.2)通过悬臂梁结构实现芯片组装。这些方法仍需要粘 接或者焊接等工艺实现传感器芯片与管座之间的组装，使得组装后传感器 芯片仍然存在组装残余应力，而残余应力的释放以及环境温度的变化都将 导致传感器长期输出稳定性和温度特性。

现有技术中存在的最主要的技术缺陷：已有的传感器芯片组装方法或 采用长玻璃管与管座焊接、或采用厚硅片粘接、或采用悬臂梁结构粘结， 这些方法仍然无法避免传感器芯片和管座组装后的残余应力问题。

现有技术中存在的次要的技术缺陷：已有的传感器芯片组装方法工艺 均较为复杂，且受组装工艺的影响，芯片组装后传感器残余应力可能不一 致，造成传感器性能的一致性变差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于MEMS技术的硅谐振式压力传感器及 其芯片的低应力组装方法，进一步改进谐振式压力传感器的综合性能。

本发明公开了一种谐振式压力传感器，其包括：

管座，其中间具有用于放置传感器芯片的空腔，其边沿分布有多条用 于与所述传感器芯片电连接的管针；

传感器芯片，其包括沿该传感器芯片对角线放置的差分检测谐振梁， 用于压力检测；

固定压条，其横置于所述传感器芯片的差分检测谐振梁上，以用于将 所述传感器芯片固定在所述管座上；

管帽，其盖于所述管座之上，且其边缘与所述管座的边缘固定连接。

本发明还公开了一种谐振式压力传感器芯片的低应力组装方法，其包 括：

步骤1、在管座上加工出与所述传感器芯片尺寸相匹配的空腔，并将 所述传感器芯片嵌入所述空腔内；

步骤2、将固定压条接触在所述传感器芯片的一角，并通过螺钉将所 述固定压条固定在所述管座上，以将所述传感器芯片固定在所述管座的空 腔内；

步骤3、通过引线将所述管座边沿上分布的管针与所述传感器芯片边 缘上的电极焊盘电连接；

步骤4、将与所述管座相匹配的管帽盖在所述管座上，并通过粘接或 焊接方法连接在一起。

本发明的有益效果是：(1)谐振式压力传感器芯片通过机械固定的方 式实现了与管壳的无硬连接组装，组装后无残余应力，有效的降低了传感 器组装造成的机械应力和热应力影响；(2)与已有组装方式相比，组装工 艺仅采用机械紧固的方法，组装过程简单、易行、高效。

附图说明

图1是本发明中谐振式微机械压力传感器的结构示意图；

图2是本发明中谐振式微机械压力传感器的结构剖面图；

图3是本发明中谐振式压力传感器芯片的结构示意图；

图4是本发明中谐振式微机械压力传感器芯片的组装方法流程图；

图5是根据本发明提出的组装方法和现有技术组装后的谐振式压力传 感器温度特性曲线对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明公开了一种谐振式微机械压力传感器及传感器芯片的低应力 组装方法。

图1示出了所述谐振式微机械压力传感器的结构示意图，图2示出了 所述谐振式微机械压力传感器的结构剖面图。如图1和2所示，所述谐振 式压力传感器包括管座1、完成真空封装或气密封装的传感器芯片2、固 定压条3和管帽4。

优选地，所述管座1为TO-18型圆形管座，沿管座边沿均匀分布有 18条管针1c以用于传感器芯片的电连接。管座1的中间具有与所述传感 器芯片2相匹配的方形空腔1a，空腔的长度和宽度尺寸略大于传感器芯片 0.2mm以上，以便于传感器芯片放置，但不能过大，以免传感器芯片的任 意移动；在方形空腔的一角外侧具有螺丝孔1b，用于固定压条3的紧固， 所述空腔深度大于传感器芯片厚度0.1mm以上。所述管座亦可为其它形状 的管座，其上的管针数量也可根据需要设置，且所述用于放置传感器芯片 的空腔形状亦可根据传感器芯片的形状和大小的不同而变化。

图3示出了所述谐振式压力传感器芯片的结构图。如图3所示，所述 谐振式压力传感器芯片2为与所述管座1上的方形空腔1a相匹配的方形 传感器芯片，其主要由两组沿传感器芯片2的一条对角线放置的差分检测 谐振梁组成。其中，一组差分谐振梁2a用于压力检测，置于所述传感器 芯片2的一条对角线的一端，另外一组差分谐振梁2b用于备用，置于所 述传感器芯片2的所述对角线的另一端；各组谐振梁通过锚点2d固定和 连接在传感器芯片2上。所述传感器芯片2的边缘上还分布有焊盘2c，用 于传感器芯片2与管座1上管针1c的电连接。

所述传感器芯片2固定放置在所述管座1上的空腔1a处，所述固定 压条3为两端分别穿有小螺钉6的柔软橡胶条，其横置在所述传感器芯片 2的备用谐振梁2b上，且通过所述小螺钉6与螺丝孔1b的配合作用而将 传感器芯片2固定在管座1上。

所述传感器芯片上的焊盘2c通过引线7与管座1上的管针相连。

所述管帽4为与管座1尺寸相匹配的圆形金属管帽，其盖在所述管座 1之上，且其边缘与所述管座1的边缘通过胶接或者焊接技术固定连结。

所述管帽4外表面上还粘接有磁铁5，用于传感器芯片的电磁激励。

其中，所述管座1由可伐合金材料或与硅材料膨胀系数相近的材料制 成；所述固定压条3为聚四氟、有机玻璃或者其他绝缘材料制成；所述传 感器芯片2至少有一组差分谐振梁用于检测；所述传感器芯片如不需要电 磁激励，可在封装时不用磁铁。

本发明还公开了一种谐振式微机械压力传感器芯片的组装方法。

图4示出了本发明中所述谐振式微机械压力传感器芯片的组装方法， 其包括以下步骤：

步骤1)、在金属管座1上加工出与传感器芯片2尺寸相匹配的方形空 腔1a，且所述方形空腔1a一角外侧加工出螺钉孔1b；优选地，该空腔1a 深度大于传感器芯片厚度0.1mm以上；

步骤2)、将传感器芯片2嵌入到所述金属管座1中的方形空腔1a中， 所述放置后的传感器芯片2的高度低于所述金属管座1的上表面，且传感 器芯片2的备用谐振梁2b位于所述金属管座1有螺钉孔1b的一侧；

步骤3)、将两端穿有小螺钉的固定压条3轻轻接触在传感器芯片一边 角，使得所述固定压条横置于传感器芯片2的备用谐振梁2b上，并通过 小螺钉与所述金属管座1上的螺钉孔1b的相互作用而将所述固定压条3 旋紧固定在金属管座1上，以将所述传感器芯片2固定在所述金属管座1 的空腔1a内；

步骤4)、通过引线键合技术将传感器芯片2边缘上分布的电极焊盘 2c与金属管座1边沿上均匀分布的管针1a用引线7紧密连接；

步骤5)、将磁铁5粘结在金属管帽4上，然后将所述金属管帽4紧紧 盖在金属管座1上，并通过粘接或者焊接的方法连接在一起。

本发明公开的上述谐振式压力传感器芯片低应力组装方法，其基本原 理是，通过机械的方法将传感器芯片固定在特制的管座内，实现传感器芯 片和管座无硬连接的组装。由于未采用胶或者焊接等硬连接方法，传感器 芯片虽固定在管座特定位置，但它与管座并未通过硬连接成为一体，因此 不存在芯片硬连接组装造成的残余应力，也就避免了传感器芯片的机械应 力和热应力。

通过本发明提出的上述组装方法，可以有效降低传感器芯片的温度漂 移，具有组装结构简单、成本低、稳定性好等优点，适合传感器的低应力 组装。

图5示出了针对同一个谐振式压力传感器芯片，分别采用现有技术中 悬臂梁组装方法和本发明提出的上述组装方法测得的传感器温度性能曲 线对比图。由图中可以非常清晰地看出，采用本发明方法进行谐振式压力 传感器芯片组装，可有效地降低了传感器的温度系数，提高器件综合性能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。