CN1281140A - 压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种压力传感器包括圆筒形的传感器封装壳、玻璃座、传感器芯片和一些电极针。玻璃座与传感器封装壳的内表面紧密接合,封闭了传感器封装壳内的一个空间。传感器芯片安装在玻璃座上,在它的与玻璃座相对的表面上有一些电极和一个金属的接合部。接合部与玻璃座的一个表面小片接合。电极针配置成与电极相对,埋入并穿过玻璃座。每个引线件的从玻璃座的这个表面冒出的端部被电连接到相应的电极上。

Description

压力传感器及其制造方法

本发明与静电电容性或压电型压力传感器及其制造方法有关，具体地说，与在传感器芯片的电极从传感器下方引出时传感器芯片与传感器封装壳的接合结构和接合方法有关。

作为传统的压力传感器，现有一种静电电容性压力传感器。这种静电电容性压力传感器有一个带一个凹口的基片，一个由基片周缘支持的盖住凹口的膜片，一个在凹口的底表面上形成的静止电极，以及一个在膜片上形成的、与静止电极相对的可动电极。在具有这种结构的压力传感器中，在受到外部压力膜片形变时，可动电极与静止电极之间的距离就有变化，从而改变了它们之间的静电电容。根据静电电容的改变情况，就可测出加在膜片上的压力。

现有的压力型压力传感器是另一种压力传感器。这种压电型传感器没有电极，而有一个应变片，对一个半导体膜片有压阻效应。应变片由于加到膜片的压力而发生形变。通过检测压阻效应而引起的应变片的电阻的变化就可测出压力。

为了用上述的压力传感器来测量压力，如图6所示，传感器芯片23安装在由抗蚀膜片24密封的圆筒形金属封装壳21内的圆柱形玻璃座22上，在金属封装壳21内封入了封装液25，如硅油。压力通过这种结构传递到传感器芯片23上。传感器芯片23与外界的电连接通过用导线27将以玻璃密封的电极引出针26与在传感器芯片23的上表面上形成的电极相连接来实现。

采用如图6所示结构，由于封装液25的体积随温度改变，因此在压力的传递中有误差，从而使高精度的压力测量很难达到。如果膜片24撕裂，漏出封装液25，被测液体(或气体)就会受到封装液25的污染。因此，这种结构不适合要求卫生的环境中使用。

为了解决这些问题，可以不要封装液。在这种情况下，由于传感器芯片要直接与被测液体接触，对传感器的腐蚀和物理影响又是问题。因此，不能在芯片的上表面上形成电极和引线，电极要从传感器芯片的下方引出。

然而，在常用的压力传感器中，如果将传感器芯片固定，电极就不能从传感器芯片的下方引出。具体地说，在传感器芯片伸到金属封装壳下表面而电极从传感器芯片下方引出时，在传感器芯片与封装壳的密封表面之间的接合部很可能出现应力。因此，传感器芯片的膜片需要离开密封表面设置，从而增大了传感器的尺寸。

在压力传感器中，来自金属封装壳的热应力应尽可能不传给传感器芯片。图6所示的测量方法是通过将传感器芯片23安装在玻璃座22上再将玻璃座22接合到金属封装壳21内。采用这种方法，增加了生产步骤。此外，接合表面数也增多，从而导致生产率不高。

在图6所示的压力传感器中，由于电极引出针26通过玻璃封装27固定在金属封装壳21上，所以电极引出针26之间的距离d1和d2不能减小，因为必需形成一些孔。而且，绝缘距离(玻璃密封27的尺寸)d3也不能减小。

本发明的目的是提供一种压力传感器及其制造方法，这种压力传感器的电极从传感器芯片下方引出，而传感器芯片的固定和电极的引出可以同时进行，从而提高了生产率。

为了达到上述目的，按照本发明所设计的压力传感器包括：一个圆筒形传感器封装壳；一个与传感器封装壳内表面密封接合的玻璃座，封闭传感器封装壳内的空间；一个安装在玻璃座上的传感器芯片，在它的与玻璃座相对的表面上有一些电极和一个金属的接合部，这个接合部与玻璃座的一个表面小片接合；以及一些与电极相对配置的引线件，它们埋在玻璃座内穿过玻璃座，这些引线件的从玻璃座的这个表面冒出的端部分别与相应的电极电连接。

在本说明的附图中：

图1A和1B分另为按照本发明的一个实施例设计的压力传感器的剖视图和顶视图；

图2A至2C为示出图1A和1B中所示的玻璃座的制造步骤的剖视图；

图3A至3F为示出图1A和1B中所示的传感器芯片的制造步骤的剖视图；

图4为示出图1A和1B中所示的压力传感器的制造方法的剖视图；

图5为在用中间有凸缘的针作为电极引出针时所用的玻璃座的剖视图；

图6为一个传统的压力传感器的剖视图；以及

图7A和7B为图6中所示的压力传感器的电极部分的平面图。

下面将结合附图详细说明本发明的情况。

图1A示出了按照本发明的实施例设计的压力传感器，图1B示出了图1A所示压力传感器的顶视图。参见图1A，圆筒形的传感器封装壳1用诸如不锈钢那样的抗蚀金属材料制成。一个厚盘状的玻璃座2嵌入传感器封装壳1内，与它的内壁接合。由图1B可见，玻璃座2有一个处在中央部分的正方形凹口2a，一个在凹口2a底表面上的支持部2b，支持一个传感器芯片(将在稍后说明)。

传感器芯片3安装在玻璃座2的支持部2b上。一些电极引出针(以下称为电极针)4埋在玻璃座2内穿过支持部2b，用作引线件。金属板5稍埋入玻璃座2的支持部2b内，与传感器芯片3的周边相应。一个大气压引入管6埋在玻璃座2内，穿过支持部2b的中央。各电极针4分别有头4a，冒出玻璃座2的支持部2b。金属板5用Fe-Cr合金、Fe-Ni-Cr合金、Fe-Ni合金、Fe-Ni-Co合金、Ni类合金或其他合金材料制造，形成一个正方形的框。

下面将结合图2A至2C、图3A至3F和图4说明上述压力传感器的制造方法。首先将说明要安装传感器芯片3的封装壳。

如图2A所示，首先模铸有一个凹口2a的厚盘状(带底的圆筒形)玻璃座2。在模铸玻璃座2时，将电极针4、正方形金属板5和大气压引入管6通过整体模铸都埋在玻璃座2的支持部2b内。在这种情况下，电极针4埋成使它们的头4a冒出玻璃座2的支持部2b，而使它们的末端从玻璃座2的下方伸出。

在不用大气压导入管6的无孔的绝对压力结构中，就设有埋入大气压导入管6的步骤。在这种绝对压力型结构中，也能获得与本发明的完全相同的效果。

如图2B所示，玻璃座2嵌入传感器封装壳1后加热。玻璃座2因此熔化而与传感器封装壳1紧密接合。如图2C所示，执行焊料涂覆后，在电极针4的头部4a和金属板5上都形成焊料部7。这样就完成了传感器封装壳1的制造。

下面说明传感器芯片3的制造情况。如图3A所示，在一个蓝宝石第一衬底10膜片方的下表面上形成一层导电薄膜，加以整形后就形成一个具有预定形状的可动电极11。

如图3B所示，在一个蓝宝石第二衬底12的上表面中央通过湿或干蚀刻形成一个凹口13，再在凹口13内形成一些用于电极引线的通孔14，使得凹口13与外部通过这些通孔14连通。在凹口13底表面的中央形成一层导电薄膜，加以整形后就形成一个具有预定形状的静止电极15。衬底10和12上的导电薄膜可以通过CVD(化学蒸涂)、真空涂、喷涂之类形成。

如图3C所示，将第一和第二衬底10和12叠合在一起，相互紧密接触，放入真空炉真空加热，使它们相互紧密接合。如图3D所示，将第一衬底研磨到预定厚度，形成一个膜片。这个膜片的表面可以通过湿蚀、干蚀之类蚀刻第一衬底10的背面来形成。

如图3E所示，接合部16包括一层沿第二衬底12的下表面的周边用真空涂形成的具有正方形框形状的金属薄膜。如图3F所示，执行焊料镀覆后在接合部16上形成一个焊料部17。在焊料镀覆期间，烛料也充入通孔14，使得在接合部16内部形成接至可动电极11的电极18和接至静止电极15的电极19。

接合部16不需要形成一个方形框，但可以在一些预定区段形成多个接合部16。为了通过焊接在传感器芯片3上形成电极18和19，将预置黄铜件放入焊料炉。这样，就完成了传感器芯片3的制造。

最后，如图4所示，将传感器芯片3与玻璃座2对准，使得传感器芯片3的接合部16和传感器芯片3的电极18和19分别充分与玻璃座2的金属板5和玻璃座2的电极针4的头部4a相对。然后，将对准的传感器芯片3放在玻璃座2上。再将传感器芯片3和玻璃座2加热到使焊料熔化，从而将它们焊接在一起。这样，就完成了压力传感器的制造。

按照以上实施例，由于玻璃座2密封地与传感器封装壳1接合，封闭了传感器封装壳1内的空间，因此来自传感器封装壳1的热应力可以被整个玻璃座2消除掉了。由于电极针4在制造玻璃座2期间埋入，因此传感器芯片3的电极18和19只要通过将传感器芯片3固定到玻璃座2上就可以接到电极针4的头部4a。

如果通过金属化之类在玻璃座上形成一个金属层，那么制造步骤就要增加一个步骤。按照以上实施例，由于电极针4和金属板5都是在制造玻璃座2期间通过整体模铸埋入玻璃座2，因此并不增加制造步骤。

在图6所示的传统压力传感器中，电极引出针之间的距离d1和d2以及隔离距离都不能减小。按照本发明，由于电极针4都埋在玻璃座2内，因此这个一直有的问题基本上就不再存在，从而可以减小压力传感器的尺寸。

按照以上实施例，如图5所示，由于可以用中间有凸缘的针作为电极针4，因此可以保证这些针在纵向具有较高的抗压性，从而非常有利于增大整个封装件的抗压性。在如图6所示的传统压力传感器中，如果要用中间有凸缘的针，那么就不能得到大的隔离距离。相反，如果必需保证大的隔离距离，那么整个压力传感器就要很大，从而导致大的接合距离。这样的压力传感器作为产品是不现实的。

虽然电极针4的头部4a与电极18和19在以上实施例中通过软焊相互电连接，但这种电连接也可通过铜焊或导电玻璃焊来实现。虽然对于接合部16与玻璃座2表面的小片焊接用的软焊，但也可以用铜焊或玻璃封装实现。为了在固定传感器芯片3的同时引出电极，必需按照同样的接合方法执行上述的电连接和小片焊接。在需要将金属板5埋在玻璃座2的对着接合部16的表面时，可以只用上述接合方法中的软焊或铜焊实现。

玻璃座2的材料包括蓝宝石玻璃。

如上所述，按照本发明，电极引出针与电极用软焊接合，而接合部与玻璃座表面也用软焊接合，使得在固定传感器芯片的同时可以引出电极。由于传感器芯片是直接固定到玻璃座上的，因此简化了制造步骤，从而提高了生产率。

由于电极引出针埋在玻璃座内，所得到的压力传感器可以比电极引出针通过密封的玻璃隔离层固定在金属的传感器封装壳上的传统压力传感器做得更小。由于可以用中间有凸缘的针作为电极引出针，因此这些针在纵向的抗压性更好，非常有利于增大封装壳的抗压性。

由于电极引出针和金属板可以在模铸玻璃座期间同时埋入，因此不需要在玻璃座上形成用于焊接的金属化部分，从而不用增加制造步骤。此外，还可预料这样的固定力要比采用金属化的更大。

Claims (8)

1．一种压力传感器，其特征是所述传感器包括：

一个圆筒形的传感器封装壳(1)；

一个与所述传感器封装壳的内表面紧密接合的玻璃座(2)，封闭所述传感器封装壳内的一个空间；

一个安装在所述玻璃座上的传感器芯片(3)，在其与所述玻璃座相对的表面上有一些电极(18，19)和一个金属的接合部(16)，所述接合部小片接合到所述玻璃座的一个表面上；以及

一些与所述电极相对配置的、埋入所述玻璃座和穿过所述玻璃座的引线件(4)，所述引线件的从所述玻璃座的所述表面冒出的端部分别与相应的所述电极电连接。

2．一种符合权利要求1的传感器，其中：

所述传感器还包括一个固定在所述玻璃座的所述表面上、与所述接合部相对的金属板(5)；以及

所述接合部小片接合到所述金属板上。

3．一种符合权利要求2的传感器，其中：

所述接合部包括一个沿所述传感器芯片周边形成的金属膜；以及

所述金属板具有与所述金属膜相应的矩形框那样的形状。

4．一种符合权利要求1的传感器，其中：

所述玻璃座呈厚板状的玻璃盘，在中央部分有一个凹口(2a)；以及

所述传感器芯片安装在所述凹口的一个底表面的一个支持部(2b)上。

5．一种制造一个压力传感器的方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

整体模铸一个玻璃座(2)和一些埋入所述玻璃座、穿过所述玻璃座的引线件(4)；

将所述有所述引线件的玻璃座与一个传感器封装壳的内表面紧密接合；

将一个具有一些电极(18，19)和一个金属接合部(16)的传感器芯片(3)安装在所述传感器封装壳内的所述玻璃座上；

将从所述玻璃座的一个表面冒出的所述引线件分别与相应所述电极电连接；以及

将所述接合部与所述玻璃衬底的所述表面相互小片接合。

6．一种符合权利要求5的方法，其中：

所述整体模铸的步骤包括同时将一个金属板(5)埋入所述玻璃座的所述表面，与所述接合部相对的步骤；以及

所述小片接合的步骤包括将所述接合部与所述金属板小片接合在一起的步骤。

7．一种符合权利要求5的方法，其中：

所述电连接的步骤包括采用从软焊、铜焊和导电玻璃焊中选出的一种方法进行接合的步骤。

8．一种符合权利要求5的方法，其中：

所述小片接合的步骤包括采用从软焊、铜焊和玻璃封装中选出的一种方法进行接合的步骤。

Images