扩散硅压力传感器的不锈钢隔离膜片充油封装研究

发布时间：2018-8-14 发布人：泽天传感点击：

本文介绍了目前市场较为常见的几种压力传感器的封装形式，对其中不锈钢隔离波纹膜片封装结构和模型进行行了详细的介绍和分析，总结了不锈钢隔充油离膜片封装结构中，波纹膜片、硅胶、敏感芯片选型要求，并对封装焊接工艺做了详细的研究。

一、封装的基本要求及典型封装形式

一般来说，压力传感器的封装应依据传感器测量原理、芯片的结构、以及被测量对象和应用环境的不同，确定其封装的要求。在武器装备等军事应用领域中，对传感器封装的要求很高，在民品应用领域，对封装的要求可适当的放宽。与加速度、谐振器和陀螺仪等其他传感器相比，压力传感器用于压力测量时，其压力芯片通常必须直接暴露在被测量的流体中，这就要求采用既能保护芯片，又能传递压力的方法对压力传感器进行封装，因此，其封装要求和难度相当较高。总的来说，压力传感器的封装应该满足以下几方面的要求：

1）机械上应该是坚固的，可以抗振动，抗冲击；

2）应当避免热应力对芯片的影响；

3）电气上要求芯片与环境或大地是绝缘的；

4）电磁上要求是屏敝的；

5）用气密的方式隔离腐蚀气体或流体，或通过非气密隔离方式隔离水气；

6）低价格，封装形式与标准制造工艺兼容。图1是压力传感器市场上常用的几种封装形式。图（a）是TO封装外型，（b）是气密充油的不锈钢封装，（c）是小外形塑料封装（SOP），这三种封装形式为压力敏感头，（d）是不锈钢封装的压力传感器产品压力变送器。

（a）（b）

（c）（d）

图1、压力传感器的几种典型封装形式

二、TO 封装结构

压力传感器TO封装是一种低成本的封装形式，属非气密封装，主要用于监测非腐蚀气体和与干燥空气介质兼容的气体。其应用领域包括汽车仪表、医药卫生、气体控制系统、空调、制冷设备、环境监测和仪器仪表等。TO封装属于传感器的一次封装，在使用时需根据其应用环境对传感器进行二次封装，以满足性能和可靠性要求。如图2所示为TO封装的压力传感器结构图。图中所示的压力传感器是绝压芯片。TO封装的工艺包括芯片与玻璃的静电键合、贴片、引线键合、封帽及涂胶保护。

图2 TO封装压力传感器结构

三、不锈钢隔离波纹膜片封装

如图3所示为不锈钢隔膜片封装的硅压阻压力传感器结构图，这种封装结构为气密封装。该压力传感器广泛地应用于航天、航空、工业自动化控制、汽车等领域。它的固态应变膜片特性、不锈钢隔膜结构和极好的动态性能可满足信号对压力传感器的高稳定、高可靠、低功耗、动态测试等的要求。它不但可以进行普通的气体及液体的压力测量，而且可以用于腐蚀性的气体及液体如酸、碱及各种液体推进剂等的压力测量。它的结构特点非常有利于发展成系列化的、通用型的传感器。

图3、钢隔离膜片封装压力传感器结构

这种隔离膜压力传感器头由金属基座、管壳、硅油、传感器压力芯片及不锈钢膜片组成。其主要的制造工艺为：硅芯片选用静电键合工艺封接而成，封接好的芯片用胶接工艺贴在管壳基座上，芯片上的焊盘与管座上的引脚是用Au丝引线连接起来的。不锈钢隔膜与壳体采用熔焊工艺进行焊接，焊接工艺常用激光焊接、氩弧焊、微束等离子焊接或电子束焊接等。硅油灌充工艺一般采用真空灌充技术，可基本消除残余气体对隔离测压系统的影响，提高传感器的精度及稳定性。硅压阻压力传感器本身有一个固有的特性，就是温度系数较大，因此需要对其进行温度误差补偿。常用的温补方式是在应变电桥上附加电阻网络，通过测试及计算其高低温特性，确定网络阻值，以达到温度补偿的目的。这种传感器的测量原理是外界压力通过硅油传递到敏感芯片上，再由敏感芯片测出压力。然而，在考虑硅油的热膨胀的情况时，填充在腔体中的硅油量应尽可能的少，否则，硅油在不同温度下的体积膨胀将会对测量压力带来较大的误差，而且很容易引起传感器的温度漂移。

四、影响压力传感器性能关键因素分析

1、不锈钢隔离膜片

不锈钢隔离膜片的设计与硅膜片的设计一样，要求在测量压力范围内，其变形处在线弹性范围内。为了提高膜片的变形量，又能够增加其线性范围，人们通常将不锈钢膜片设计成波纹状。波状的薄膜在同样的载荷下既能产生较大的变形，又能增加线性范围。这种薄膜的挠度y与压力P的关系表达式为[2]：

其中

式中q是薄膜波形特征因子，对正弦波型其q为：

式中，h＝膜片的厚度，R＝膜片的半径，s＝波形弧长；H＝波形深度；L＝波形空间周期。对平的薄膜q＝1，波形的精确程度对q几乎没有影响，因此矩形波形一般可用弦波近似。图4给出了波纹片样品。

图4 波纹片样品

2、隔离波纹膜片的弹性模型

为了分析压力通过隔离薄膜的传递规律，我们对这种封装形式的传感器作如下假设，即假设硅油是不可压缩的，不锈钢膜片可看成周边固支的圆形薄膜，则压力通过硅油传递到硅薄膜将不引起任何附加损耗。简化模型如图5所示。因此，当外界作用在传感器上的压力为P时，压力通过不锈钢膜片再由硅油传递到硅压力芯片上，若不锈钢膜片的弹性反作用力为P_g硅的弹性反作用力为P_Si，则有：

图5 隔离薄膜压力传感器弹性简化模型

此模型总刚度系数为：1/k=1/K1+1/k2+1/k3，其中K为总刚度系数，K1、K2、K3分别为锈钢膜片刚度系数、薄膜的刚度系数、硅胶的刚度系数。显然如要压力更好的传递到芯片上，选用的不锈钢膜片刚度系数、硅薄膜的刚度系数其越小越好，即不锈钢隔离薄膜的半径越大、薄膜厚度越薄，压力越容易通过硅油传递到硅芯片上，压力的传递损失也越小(同样压力产生的扰度越大)。

3、硅油的温度特性对压力传感器性能的影响

任何液体的体积随温度变化将发生变化，硅油也不例外。硅油的热膨胀系数为（0.7～0.9）×10-²/℃，当传感器在－30～80℃温区工作时，全温区内封装壳体内硅油的体积变化量为8％～9％。当假设硅油为理想的不可压缩物质时，这一变化量是有规律的并可由隔离膜片在弹性范围内，在定标时进行修正。但如果硅油和工件净化不充分，硅油和传感器内混有空气、水分等可压缩易挥发的物质，那么硅油在全程温度工作范围内将无规律变化，而这一变化量在全密封的传感器室内形成的力就会作用在芯片上，使传感器的输出特性随环境温度而发生无规律的变化，这样传感器的温度特性和长期稳定性非常差，因此，在封装时要对硅油进行加热真空净化处理，并在真空环境下将硅油冲入压力传感器封装腔体里，净化加热温度为120℃，时间在半小时以上。此外，在焊接过程中，会引起硅油的分解或改变硅油的性能，这－问题在封装工艺的过程中应尽量避免。

五、封焊工艺研究

由于军事、工业用压力传感器的的使用温度范围一般在-40℃-125℃内，如果焊接时，高温时间过长，可能会造成敏感芯片损坏和硅油在高温下分解，所以要求焊接过程短，局部加热，焊缝位置符合气密检测标准（注：焊接需要在硅油中进行）。针对以上特点我们采用的是储能焊接工艺，焊接结构及焊接过程示意图如图6与图7所示：

(6）焊接结构 (7)焊接过程示意图

我们分别用电容储能焊和中频直流逆变式储能焊对传感器样件进行了封焊。电容储能焊电流较大，焊后表面温度高于中频直流逆变式，且其工件表面焊接效果有明显压痕；中频直流逆变式储能焊（图8）焊接时间和能量可以调节，能够二次放电，焊接后表面温度，其相较于较低电容储能焊的压力较小，焊接后的工件表面压痕不明显。

图8 焊接现场(中频直流逆变式)

从我们封装好的压力传感器的测试情况来看，两种焊接过程对传感器的敏感芯片基本没有损伤，都能满足传感器的性能要求。通过传感器的封焊过程研究和对封装好的传感器测试情况来看，可以得出以下结论：

1、储能焊可以在硅油中焊接；

2、焊接过程电流、温度并未对敏感芯片造成影响；