專利名稱：諧振式微機(jī)械壓力傳感器及傳感器芯片的低應(yīng)力組裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)械壓力傳感器領(lǐng)域和傳感器封裝/組裝技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種諧振式微機(jī)械壓力傳感器及傳感器芯片的低應(yīng)力組裝方法。
背景技術(shù)：
微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystems,簡稱 MEMS)技術(shù)是建立在微電子技術(shù)和微機(jī)械技術(shù)基礎(chǔ)上的一種前沿技術(shù)。采用MEMS技術(shù)加工而成的傳感器具有體積小、重量輕、可批量生產(chǎn)等技術(shù)優(yōu)勢，受到越來越多的研究關(guān)注。基于MEMS技術(shù)的壓力傳感器主要分為壓阻式、電容式和諧振式三大類。相比其他兩類壓力傳感器，諧振式壓力傳感器具有精度高、穩(wěn)定性好等突出優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為新一代壓力傳感器。諧振式微機(jī)械壓力傳感器是一種高精度壓力傳感器，它基于機(jī)械諧振技術(shù)，以諧振元件(如諧振梁)作為敏感元件來實(shí)現(xiàn)壓力檢測的傳感器。諧振式壓力傳感器工作原理就是利用壓力的變化改變諧振子的諧振頻率，通過測量頻率的變化來間接測量壓力。由于諧振式壓力傳感器具有極高的靈敏度，它對引起諧振梁應(yīng)力變化的因素(如環(huán)境溫度、封裝應(yīng)力、組裝應(yīng)力等)非常敏感，因此諧振式壓力傳感器芯片在管座上的封裝、組裝等方法和工藝成為制約傳感器綜合性能的主要因素。日本橫河公司通過在傳感器芯片和管座之間引入厚度為芯片數(shù)倍的硅片實(shí)現(xiàn)芯片組裝，英國Druck公司采用長度為傳感器芯片厚度數(shù)倍的長玻璃管與管座焊接實(shí)現(xiàn)芯片組裝，發(fā)明專利申請(CN201010218423.2)通過懸臂梁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)芯片組裝。這些方法仍需要粘接或者焊接等工藝實(shí)現(xiàn)傳感器芯片與管座之間的組裝，使得組裝后傳感器芯片仍然存在組裝殘余應(yīng)力，而殘余應(yīng)力的釋放以及環(huán)境溫度的變化都將導(dǎo)致傳感器長期輸出穩(wěn)定性和溫度特性?，F(xiàn)有技術(shù)中存在的最主要的技術(shù)缺陷:已有的傳感器芯片組裝方法或采用長玻璃管與管座焊接、或采用厚硅片粘接、或采用懸臂梁結(jié)構(gòu)粘結(jié)，這些方法仍然無法避免傳感器芯片和管座組裝后的殘余應(yīng)力問題?，F(xiàn)有技術(shù)中存在的次要的技術(shù)缺陷:已有的傳感器芯片組裝方法工藝均較為復(fù)雜，且受組裝工藝的影響，芯片組裝后傳感器殘余應(yīng)力可能不一致，造成傳感器性能的一致
性變差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于MEMS技術(shù)的硅諧振式壓力傳感器及其芯片的低應(yīng)力組裝方法，進(jìn)一步改進(jìn)諧振式壓力傳感器的綜合性能。本發(fā)明公開了一種諧振式壓力傳感器，其包括:管座，其中間具有用于放置傳感器芯片的空腔，其邊沿分布有多條用于與所述傳感器芯片電連接的管針；傳感器芯片，其包括沿該傳感器芯片對角線放置的差分檢測諧振梁，用于壓力檢測；固定壓條，其橫置于所述傳感器芯片的差分檢測諧振梁上，以用于將所述傳感器芯片固定在所述管座上；管帽，其蓋于所述管座之上，且其邊緣與所述管座的邊緣固定連接。本發(fā)明還公開了一種諧振式壓力傳感器芯片的低應(yīng)力組裝方法，其包括:步驟1、在管座上加工出與所述傳感器芯片尺寸相匹配的空腔，并將所述傳感器芯片嵌入所述空腔內(nèi)；步驟2、將固定壓條接觸在所述傳感器芯片的一角，并通過螺釘將所述固定壓條固定在所述管座上，以將所述傳感器芯片固定在所述管座的空腔內(nèi)；步驟3、通過引線將所述管座邊沿上分布的管針與所述傳感器芯片邊緣上的電極焊盤電連接；步驟4、將與所述管座相匹配的管帽蓋在所述管座上，并通過粘接或焊接方法連接
在一起。本發(fā)明的有益效果是:(I)諧振式壓力傳感器芯片通過機(jī)械固定的方式實(shí)現(xiàn)了與管殼的無硬連接組裝，組裝后無殘余應(yīng)力，有效的降低了傳感器組裝造成的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力影響；(2)與已有組裝方式相比，組裝工藝僅采用機(jī)械緊固的方法，組裝過程簡單、易行、聞效。


圖1是本發(fā)明中諧振式微機(jī)械壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中諧振式微機(jī)械壓力傳感器的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖3是本發(fā)明中諧振式壓力傳感器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明中諧振式微機(jī)械壓力傳感器芯片的組裝方法流程圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明提出的組裝方法和現(xiàn)有技術(shù)組裝后的諧振式壓力傳感器溫度特性曲線對比圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明公開了一種諧振式微機(jī)械壓力傳感器及傳感器芯片的低應(yīng)力組裝方法。圖1示出了所述諧振式微機(jī)械壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2示出了所述諧振式微機(jī)械壓力傳感器的結(jié)構(gòu)剖面圖。如圖1和2所示，所述諧振式壓力傳感器包括管座1、完成真空封裝或氣密封裝的傳感器芯片2、固定壓條3和管帽4。優(yōu)選地，所述管座I為T0-18型圓形管座，沿管座邊沿均勻分布有18條管針I(yè)c以用于傳感器芯片的電連接。管座I的中間具有與所述傳感器芯片2相匹配的方形空腔la，空腔的長度和寬度尺寸略大于傳感器芯片0.2mm以上，以便于傳感器芯片放置，但不能過大，以免傳感器芯片的任意移動；在方形空腔的一角外側(cè)具有螺絲孔lb，用于固定壓條3的緊固，所述空腔深度大于傳感器芯片厚度0.1mm以上。所述管座亦可為其它形狀的管座，其上的管針數(shù)量也可根據(jù)需要設(shè)置，且所述用于放置傳感器芯片的空腔形狀亦可根據(jù)傳感器芯片的形狀和大小的不同而變化。圖3示出了所述諧振式壓力傳感器芯片的結(jié)構(gòu)圖。如圖3所示，所述諧振式壓力傳感器芯片2為與所述管座I上的方形空腔Ia相匹配的方形傳感器芯片，其主要由兩組沿傳感器芯片2的一條對角線放置的差分檢測諧振梁組成。其中，一組差分諧振梁2a用于壓力檢測，置于所述傳感器芯片2的一條對角線的一端，另外一組差分諧振梁2b用于備用，置于所述傳感器芯片2的所述對角線的另一端；各組諧振梁通過錨點(diǎn)2d固定和連接在傳感器芯片2上。所述傳感器芯片2的邊緣上還分布有焊盤2c，用于傳感器芯片2與管座I上管針I(yè)c的電連接。所述傳感器芯片2固定放置在所述管座I上的空腔Ia處，所述固定壓條3為兩端分別穿有小螺釘6的柔軟橡膠條，其橫置在所述傳感器芯片2的備用諧振梁2b上，且通過所述小螺釘6與螺絲孔Ib的配合作用而將傳感器芯片2固定在管座I上。所述傳感器芯片上的焊盤2c通過引線7與管座I上的管針相連。所述管帽4為與管座I尺寸相匹配的圓形金屬管帽，其蓋在所述管座I之上，且其邊緣與所述管座I的邊緣通過膠接或者焊接技術(shù)固定連結(jié)。所述管帽4外表面上還粘接有磁鐵5，用于傳感器芯片的電磁激勵。其中，所述管座I由可伐合金材料或與硅材料膨脹系數(shù)相近的材料制成；所述固定壓條3為聚四氟、有機(jī)玻璃或者其他絕緣材料制成；所述傳感器芯片2至少有一組差分諧振梁用于檢測；所述傳感器芯片如不需要電磁激勵，可在封裝時(shí)不用磁鐵。本發(fā)明還公開了一種諧振式微機(jī)械壓力傳感器芯片的組裝方法。圖4示出了本發(fā)明中所述諧振式微機(jī)械壓力傳感器芯片的組裝方法，其包括以下步驟:步驟I)、在金屬管座I上加工出與傳感器芯片2尺寸相匹配的方形空腔la，且所述方形空腔Ia —角外側(cè)加工出螺釘孔Ib ;優(yōu)選地，該空腔Ia深度大于傳感器芯片厚度0.1謹(jǐn)以上；步驟2)、將傳感器芯片2嵌入到所述金屬管座I中的方形空腔Ia中，所述放置后的傳感器芯片2的高度低于所述金屬管座I的上表面，且傳感器芯片2的備用諧振梁2b位于所述金屬管座I有螺釘孔Ib的一側(cè)；步驟3)、將兩端穿有小螺釘?shù)墓潭▔簵l3輕輕接觸在傳感器芯片一邊角，使得所述固定壓條橫置于傳感器芯片2的備用諧振梁2b上，并通過小螺釘與所述金屬管座I上的螺釘孔Ib的相互作用而將所述固定壓條3旋緊固定在金屬管座I上，以將所述傳感器芯片2固定在所述金屬管座I的空腔Ia內(nèi)；步驟4)、通過引線鍵合技術(shù)將傳感器芯片2邊緣上分布的電極焊盤2c與金屬管座I邊沿上均勻分布的管針I(yè)a用引線7緊密連接；步驟5)、將磁鐵5粘結(jié)在金屬管帽4上，然后將所述金屬管帽4緊緊蓋在金屬管座I上，并通過粘接或者焊接的方法連接在一起。本發(fā)明公開的上述諧振式壓力傳感器芯片低應(yīng)力組裝方法，其基本原理是，通過機(jī)械的方法將傳感器芯片固定在特制的管座內(nèi)，實(shí)現(xiàn)傳感器芯片和管座無硬連接的組裝。由于未采用膠或者焊接等硬連接方法，傳感器芯片雖固定在管座特定位置，但它與管座并未通過硬連接成為一體，因此不存在芯片硬連接組裝造成的殘余應(yīng)力，也就避免了傳感器芯片的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力。通過本發(fā)明提出的上述組裝方法，可以有效降低傳感器芯片的溫度漂移，具有組裝結(jié)構(gòu)簡單、成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，適合傳感器的低應(yīng)力組裝。圖5示出了針對同一個(gè)諧振式壓力傳感器芯片，分別采用現(xiàn)有技術(shù)中懸臂梁組裝方法和本發(fā)明提出的上述組裝方法測得的傳感器溫度性能曲線對比圖。由圖中可以非常清晰地看出，采用本發(fā)明方法進(jìn)行諧振式壓力傳感器芯片組裝，可有效地降低了傳感器的溫度系數(shù)，提聞器件綜合性能。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種諧振式壓力傳感器,其包括: 管座，其中間具有用于放置傳感器芯片的空腔，其邊沿分布有多條用于與所述傳感器芯片電連接的管針； 傳感器芯片，其包括沿該傳感器芯片對角線放置的差分檢測諧振梁，用于壓力檢測； 固定壓條，其橫置于所述傳感器芯片的差分檢測諧振梁上，以用于將所述傳感器芯片固定在所述管座上； 管帽，其蓋于所述管座之上，且其邊緣與所述管座的邊緣固定連接。
2.如權(quán)利要求1所述的諧振式壓力傳感器，其特征在于，所述固定壓條為柔軟橡膠條，且其兩端分別穿有螺釘；所述空腔外側(cè)具有螺釘孔，所述固定壓條通過所述螺釘和螺釘孔的配合作用將所述傳感器芯片固定在所述管座上。
3.如權(quán)利要求2所述的諧振式壓力傳感器，其特征在于，所述固定壓條由聚四氟、有機(jī)玻璃或者其他絕緣材料制成。
4.如權(quán)利要求1所述的諧振式壓力傳感器，其特征在于，所述管座由可伐合金材料或與硅材料膨脹系數(shù)相近的材料制成。
5.如權(quán)利要求1所述的諧振式壓力傳感器，其特征在于，所述傳感器芯片包括至少一組用于壓力檢測的差分諧振梁。
6.如權(quán)利要求5所述的諧振式壓力傳感器，其特征在于，所述差分諧振梁包括兩組差分諧振梁，其中一組用于壓力檢測，另一組為備用諧振梁。
7.如權(quán)利要求1所述的諧振式壓力傳感器，其特征在于，所述傳感器芯片邊緣上分布有焊盤，其通過弓I線與所述管針電連接。
8.如權(quán)利要求1所述的諧振式壓力傳感器，其特征在于，所述諧振式壓力傳感器還包括置于管帽上的磁鐵，其用于電磁激勵所述傳感器芯片。
9.如權(quán)利要求1所述的諧振式壓力傳感器，其特征在于，所述傳感器芯片的形狀與所述空腔相匹配，且所述空腔尺寸大于所述傳感器芯片的尺寸，其深度大于所述傳感器芯片的厚度。
10.一種諧振式壓力傳感器芯片的低應(yīng)力組裝方法，其包括: 步驟1、在管座上加工出與所述傳感器芯片尺寸相匹配的空腔，并將所述傳感器芯片嵌入所述空腔內(nèi)； 步驟2、將固定壓條接觸在所述傳感器芯片的一角，并通過螺釘將所述固定壓條固定在所述管座上，以將所述傳感器芯片固定在所述管座的空腔內(nèi)； 步驟3、通過引線將所述管座邊沿上分布的管針與所述傳感器芯片邊緣上的電極焊盤電連接； 步驟4、將與所述管座相匹配的管帽蓋在所述管座上，并通過粘接或焊接方法連接在一起。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種諧振式壓力傳感器及其芯片的低應(yīng)力組裝方法，其包括管座，其中間具有用于放置傳感器芯片的空腔，其邊沿分布有多條用于與所述傳感器芯片電連接的管針；傳感器芯片，其包括沿該傳感器芯片對角線放置的差分檢測諧振梁，用于壓力檢測；固定壓條，其橫置于所述傳感器芯片的差分檢測諧振梁上，以用于將所述傳感器芯片固定在所述管座上；管帽，其蓋于所述管座之上，且其邊緣與所述管座的邊緣固定連接。諧振式壓力傳感器芯片通過機(jī)械固定的方式實(shí)現(xiàn)了與管殼的無硬連接組裝，組裝后無殘余應(yīng)力，有效的降低了傳感器組裝造成的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力影響。
文檔編號G01L1/10GK103196593SQ20131009295
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者王軍波, 張健, 陳德勇 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所