一种MEMS压力传感器封装结构及其制备方法与流程

一种mems压力传感器封装结构及其制备方法
技术领域
1.本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及一种mems压力传感器封装结构及其制备方法。


背景技术：

2.mems(micro-electro-mechanical system，微机电系统)压力传感器的封装主要用于为传感器芯片提供机械支撑和保护，以避免热和机械冲击、振动、灰尘和其它因素对传感器造成的损害。传统mems压力传感器封装主要是通过将mems压力传感器芯片安置在由波纹膜片、外壳以及底座构成的密闭腔体中，并且该密闭腔体中填充有硅油，以实现对传感器芯片的封装的功能。在一些高冲击、高振动的应用场景，需要对传感器提供过载保护，以提高传感器的可靠性。然而，现有的mems压力传感器封装结构无法实现对mems压力传感器芯片的过载保护功能。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种mems压力传感器封装结构及其制备方法的新技术方案。
4.根据本技术实施例的第一方面，提供一种mems压力传感器封装结构，包括：
5.壳体和波纹膜片，所述壳体具有相对的第一表面和第二表面，所述壳体的中部设置有贯穿第一表面和第二表面的通孔，所述波纹膜片设置于所述第一表面并封闭所述通孔；
6.形变单元、底座和介质油，所述壳体的第二表面上设置有第一凹槽，所述第一凹槽套设于所述通孔的外侧，所述底座上设置有与所述第一凹槽相对应的第二凹槽；所述形变单元的一端嵌设于所述第一凹槽内，另一端嵌设于所述第二凹槽内；所述波纹膜片、所述壳体、所述形变单元、所述底座围合构成密闭腔室；所述密闭腔室内填充所述介质油；
7.控制电路，所述形变单元与所述控制电路电连接；
8.当波纹膜片受到预设压力时，至少部分所述形变单元在所述控制电路的作用下发生形变并沿所述形变单元的长度方向延伸，使得所述波纹膜片与所述介质油之间形成间隙以阻断预设压力经过所述介质油传递至所述传感器芯片。
9.可选地，所述形变单元包括压电层、极板和第一引脚；
10.所述压电层的一端嵌设于所述第一凹槽内，另一端嵌设于所述第二凹槽内，所述极板设置于所述压电层的内部，所述极板通过所述第一引脚与所述控制电路电连接；
11.当波纹膜片受到预设压力时，所述压电层产生压电效应并在极板上产生大于某一设定值的瞬时电压，所述控制电路根据所述瞬时电压向所述压电层施加大于所述瞬时电压的反向电压，使得所述压电层发生逆压电效应，所述压电层沿长度方向伸长。
12.可选地，mems压力传感器封装结构还包括灌封胶层，在所述压电层与所述第一凹槽之间设置所述灌封胶层，并在所述压电层与所述第二凹槽之间设置所述灌封胶层。
13.可选地，mems压力传感器封装结构还包括传感器芯片和第二引脚，所述传感器芯片位于所述密闭腔室内并固定于所述底座，所述传感器芯片通过所述第二引脚与所述控制电路电连接。
14.可选地，所述控制电路位于所述底座以及壳体的外侧，所述底座上设置有第一安装孔和第二安装孔；
15.所述第一安装孔与所述第二凹槽连通，所述第一引脚的一端与所述极板电连接，另一端穿过所述第一安装孔与所述控制电路电连接；
16.所述第二安装孔贯穿所述底座，所述第二引脚穿设于所述第二安装孔中，所述第二引脚的一端延伸至密闭腔室内与传感器芯片电连接，另一端延伸至所述底座的外侧与所述控制电路电连接。
17.可选地，mems压力传感器封装结构还包括绝缘子；
18.所述第一安装孔的内壁上覆盖所述绝缘子，并在所述绝缘子和所述第一引脚之间填充所述灌封胶层；
19.在所述第二安装孔和所述第二引脚之间填充所述绝缘子。
20.可选地，所述极板、所述第一引脚以及所述第二引脚的材质均为al、ti、cu中的至少一种。
21.可选地，所述壳体与所述波纹膜片的材质均为不锈钢，所述底座的材质为可伐合金。
22.根据本技术实施例的第二方面，提供一种mems压力传感器封装结构的制备方法，用于制备上述的mems压力传感器封装结构，包括如下步骤：
23.步骤100，在壳体的中部形成通孔，并在壳体的底部形成第一凹槽，其中，第一凹槽套设于通孔的外侧；在底座的顶部形成与第一凹槽相对应的第二凹槽；
24.步骤200，将波纹膜片安装于所述壳体的第一表面并覆盖所述通孔；将形变单元的一端嵌设于所述第一凹槽内，另一端嵌设于所述第二凹槽内；在所述波纹膜片、所述壳体、所述形变单元、所述底座之间形成密闭腔室；
25.步骤300，向所述密闭腔室内填充介质油，并将所述形变单元与控制电路电连接；其中，形变单元在所述控制电路的作用下发生形变并沿所述形变单元的长度方向延伸，所述波纹膜片朝远离介质油的方向延伸并与所述介质油之间形成间隙。
26.可选地，在压电层的内部设置极板以制备所述形变单元，其中，极板通过第一引脚与控制电路电连接。
27.本发明的一个技术效果在于：
28.在本技术实施例中，当波纹膜片受到预设压力时，至少部分形变单元在控制电路的作用下发生形变并沿形变单元的长度方向延伸，使得第二表面与介质油之间形成间隙以阻断预设压力经过介质油传递至传感器芯片。也即，当mems压力传感器受到过载压力(过载压力大于等于预设压力)时，控制单元能够控制形变单元发生形变，使得形变单元的长度增加，从而增加了波纹膜片与底座之间的距离以在波纹膜片与底座之间形成间隙，能够有效地阻断预设压力经过介质油传递至传感器芯片，较好地保护了传感器芯片，提高了mems压力传感器的可靠性。
附图说明
29.图1为本发明一实施例的一种mems压力传感器封装结构的波纹膜片的结构示意图；
30.图2为本发明一实施例的一种mems压力传感器封装结构的波纹膜片的俯视图；
31.图3为本发明一实施例的一种mems压力传感器封装结构的壳体的结构示意图；
32.图4为本发明一实施例的一种mems压力传感器封装结构的壳体的俯视图；
33.图5为本发明一实施例的一种mems压力传感器封装结构的壳体与波纹膜片的连接示意图；
34.图6为本发明一实施例的一种mems压力传感器封装结构的形变单元的结构示意图；
35.图7为本发明一实施例的一种mems压力传感器封装结构的形变单元的俯视图；
36.图8为本发明一实施例的一种mems压力传感器封装结构的波纹膜片、壳体、形变单元的连接关系示意图；
37.图9为本发明一实施例的一种mems压力传感器封装结构的底座、传感器芯片的连接关系示意图的俯视；
38.图10为本发明一实施例的一种mems压力传感器封装结构的结构示意图。
39.图中：1、波纹膜片；2、壳体；201、通孔；202、第一凹槽；3、压电层；4、极板；51、第一引脚；52、第二引脚；6、灌封胶层；7、绝缘子；8、底座；801、第二凹槽；802、第一安装孔；803、第二安装孔；9、传感器芯片；10、介质油。
具体实施方式
40.现在将参照附图来详细描述本技术的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。
41.下面将详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
42.本技术的说明书和权利要求书中的术语“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。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
43.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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技术和简化描述，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技术的限制。
44.在本技术的描述中，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技术中的具体含义。
45.参见图1至图10所示，根据本技术实施例的第一方面，提供一种mems压力传感器封装结构，其能够有效地防止mems压力传感器因受到过载压力而损坏，使用的安全性较高。
46.具体地，该mems压力传感器封装结构包括壳体2、波纹膜片1、形变单元、底座8、介质油10和控制电路。其中，介质油10可以为硅油，也可以为其他的能够通过填充实现传感器芯片9的封装功能的介质。
47.进一步具体地，如图3和图4所示，所述壳体2具有相对的第一表面和第二表面，所述壳体2的中部设置有贯穿第一表面和第二表面的通孔201，所述波纹膜片1设置于所述第一表面并封闭所述通孔201，参见图5。
48.例如，波纹膜片1可以为圆形，参加图1和图2，对应地，通孔201为圆柱形，从而使得设置于第一表面的波纹膜片1能够对通孔201进行较好的封闭。
49.参见图3、图9和图10，所述壳体2的第二表面上设置有第一凹槽202，所述第一凹槽202套设于所述通孔201的外侧，所述底座8上设置有与所述第一凹槽202相对应的第二凹槽801；所述形变单元的一端嵌设于所述第一凹槽202内，另一端嵌设于所述第二凹槽801内；所述波纹膜片1、所述壳体2、所述形变单元、所述底座8围合构成密闭腔室；所述密闭腔室内填充所述介质油10。由于密闭腔室中填充介质油10，从而能够实现对传感器芯片9的封装，密闭效果较好，有助于保证传感器芯片9的灵敏度。进一步地，所述形变单元与所述控制电路电连接，形变单元能够在控制电路的控制下发生形变。
50.在一个具体的实施方式中，第一凹槽202和第二凹槽801均为环状，对应地，当形变单元的一端嵌设于第一凹槽202内，另一端嵌设于所述第二凹槽801内时，形变单元也为环形，从而有助于波纹膜片1、壳体2、形变单元、底座8围合构成一个密封性良好的密闭腔室，从而实现对传感器芯片9的良好封装。其中，密封腔室用于容纳传感器芯片9，并通过填充在密封腔室内的介质油10实现对传感器芯片9的封装，封装效果较好。
51.需要说明的是，波纹膜片1将感受到的外界压力传递到密闭腔室的介质油10中，介质油10再将压力均匀施加在传感器芯片9的表面，以实现波纹膜片1会将感受到的外界压力传递到密闭空腔的硅油中，硅油再将压力均匀施加在传感器芯片9的表面，以实现压力的检测对压力的检测，检测精度较高。
52.优选地，壳体2、第一凹槽202、第二凹槽801均为圆环形。
53.当波纹膜片1受到预设压力时，至少部分所述形变单元在所述控制电路的作用下发生形变并沿所述形变单元的长度方向延伸，使得所述波纹膜片1与所述介质油10之间形成间隙以阻断预设压力经过所述介质油10传递至所述传感器芯片9，从而较好地保护传感器芯片9，有效地防止传感器芯片9受到过载压力而破坏。
54.在本技术实施例中，当波纹膜片1受到预设压力时，预设压力大于mems压力传感器的压力检测范围，有可能对mems压力传感器造成过载损坏。因此，当mems压力传感器受到过载压力(过载压力大于等于预设压力)时，控制单元能够控制形变单元发生形变，使得形变单元的长度增加，从而增加了波纹膜片1与底座8之间的距离以在波纹膜片1与底座8之间形
成间隙，能够有效地阻断预设压力经过介质油10传递至传感器芯片9，较好地保护了传感器芯片9，提高了mems压力传感器的可靠性。
55.可选地，参见图6、图7和图8，所述形变单元包括压电层3、极板4和第一引脚51；
56.所述压电层3的一端嵌设于所述第一凹槽202内，另一端嵌设于所述第二凹槽801内，所述极板4设置于所述压电层3的内部，所述极板4通过所述第一引脚51与所述控制电路电连接；
57.当波纹膜片1受到预设压力时，所述压电层3产生压电效应并在极板4上产生大于某一设定值的瞬时电压，所述控制电路根据所述瞬时电压向所述压电层3施加大于所述瞬时电压的反向电压，使得所述压电层3发生逆压电效应，所述压电层3沿长度方向伸长。
58.在上述实施方式中，形变单元的压电层3同时具有压电效应和逆压电效应。当mems压力传感器受到过载压力时，压电层3因为自身的压电效应会在极板4上产生大于某一设定值的瞬时电压，该瞬时电压再通过第一引脚51输出到控制电路中。当控制电路检测到该瞬时电压时会通过第一引脚51向压电层3通入更大的反向电压，从而使得压电层3发生明显的逆压电效应。同时，压电层3在逆压电效应的作用下沿长度方向伸长，波纹膜片1朝向远离介质油10的方向移动，进而在波纹膜片1与硅油之间产生缝隙以阻断过载压力向传感器芯片9上传递，从而实现了对传感器芯片9的过载保护，有助于提高mems压力传感器的稳定性。
59.可选地，mems压力传感器封装结构还包括灌封胶层6，在所述压电层3与所述第一凹槽202之间设置所述灌封胶层6，并在所述压电层3与所述第二凹槽801之间设置所述灌封胶层6。灌封胶层6有助于实现压电层3与第一凹槽202之间以及压电层3与第二凹槽801之间的密封效果和固定效果，不仅有助于保证压电层3具有较好的压电效应和逆压电效应，而且能够有效地避免压电层3从壳体2以及底座8上脱落，从而能够实现mems压力传感器的过载保护。
60.可选地，参见图9和图10，mems压力传感器封装结构还包括传感器芯片9和第二引脚52，所述传感器芯片9位于所述密闭腔室内并固定于所述底座8，所述传感器芯片9通过所述第二引脚52与所述控制电路电连接。传感器芯片9通过第二引脚52与控制电路电连接，连接方式比较简单，同时也便于实现对mems压力传感器的封装，大大地提高了封装效率。
61.可选地，所述控制电路位于所述底座8以及壳体2的外侧，所述底座8上设置有第一安装孔802和第二安装孔803。控制电路位于壳体2以及底座8的外侧，有助于简化mems压力传感器封装结构的电路连接关系，同时也有助于减小mems压力传感器封装结构的体积。
62.所述第一安装孔802与所述第二凹槽801连通，所述第一引脚51的一端与所述极板4电连接，另一端穿过所述第一安装孔802与所述控制电路电连接。当压电层3的一端嵌设于第二凹槽801内时，第一引脚51从第一安装孔802内引出，实现压电层3内的极板4与控制电路电连接，连接关系简单。
63.所述第二安装孔803贯穿所述底座8，所述第二引脚52穿设于所述第二安装孔803中，所述第二引脚52的一端延伸至密闭腔室内与传感器芯片9电连接，另一端延伸至所述底座8的外侧与所述控制电路电连接。这使得传感器芯片9通过第二引脚52与控制电路连接的方式非常简单，稳定性较好，且有助于提高mems压力传感器封装结构的封装效率。
64.在上述实施方式中，底座8的结构设计合理，极板4、传感器芯片9、控制电路的电连接关系比较简单，有利于实现mems压力传感器的快速封装。
65.可选地，mems压力传感器封装结构还包括绝缘子7；所述第一安装孔802的内壁上覆盖所述绝缘子7，并在所述绝缘子7和所述第一引脚51之间填充所述灌封胶层6；其中，灌封胶层6能够将第一引脚51牢固地固定在底座8上。
66.在所述第二安装孔803和所述第二引脚52之间填充所述绝缘子7。
67.例如，绝缘子7的材质可以为玻璃或陶瓷，其具有较好的绝缘效果。
68.在上述实施方式中，绝缘子7能够实现第一引脚51与底座8之间的绝缘性，同时也有助于实现第二引脚52与底座8之间的绝缘性，从而保证第一引脚51和第二引脚52的功能，进而有助于保证传感器芯片9的检测性能以及变形单元的形变性能。
69.可选地，所述极板4、所述第一引脚51以及所述第二引脚52的材质均为al、ti、cu中的至少一种。这使得第一引脚51和第二引脚52的电连接性能比较稳定，有助于保证mems压力传感器的检测性能的稳定性。
70.可选地，所述壳体2与所述波纹膜片1的材质均为不锈钢，所述底座8的材质为可伐合金。这使得壳体2、波纹膜片1、底座8的性能比较稳定，有助于保证mems压力传感器整体结构的稳定性。
71.示例性的，波纹膜片1位于壳体2的上表面中部，底座8位于壳体2的下方，传感器芯片9位于底座8的上表面的中心位置处，硅油填充在密闭腔室中。
72.根据本技术实施例的第二方面，提供一种mems压力传感器封装结构的制备方法，用于制备上述的mems压力传感器封装结构，包括如下步骤：
73.步骤100，在壳体2的中部形成通孔201，并在壳体2的底部形成第一凹槽202，其中，第一凹槽202套设于通孔201的外侧；在底座8的顶部形成与第一凹槽202相对应的第二凹槽801。
74.例如，采用不锈钢加工制备圆形波纹膜片1，采用不锈钢加工制备中部设置通孔201的壳体2，并在壳体2的第二表面形成第一凹槽202。
75.步骤200，将波纹膜片1安装于所述壳体2的第一表面并覆盖所述通孔201；将形变单元的一端嵌设于所述第一凹槽202内，另一端嵌设于所述第二凹槽801内；在所述波纹膜片1、所述壳体2、所述形变单元、所述底座8之间形成密闭腔室。例如，波纹膜片1焊接在壳体2的第一表面。
76.在一个具体的实施方式中，采用灌封胶将形变单元的一端固定在第一凹槽202内，另一端固定在第二凹槽801内。
77.需要说明的是，在将形变单元嵌设于第二凹槽801之前，需要先将传感器芯片9固定在底座8上，第二引脚52穿设并固定在底座8，传感器芯片9通过第二引脚52实现与传感器芯片9的电连接。
78.步骤300，向所述密闭腔室内填充介质油10，并将所述形变单元与控制电路电连接；其中，形变单元在所述控制电路的作用下发生形变并沿所述形变单元的长度方向延伸，所述波纹膜片1朝远离介质油10的方向延伸并与所述介质油10之间形成间隙。
79.需要说明的是，可以在壳体2上设置注油孔，通过注油孔向密闭腔室内填充介质油10，当介质油10填充完毕以后，封闭所述注油孔，例如，可以对注油孔进行焊接密封。
80.在上述实施方式中，该mems压力传感器封装结构的制备方法设计合理，能够简单快速地制得mems压力传感器封装结构，而且，制得的mems压力传感器封装结构有助于对
mems压力传感器提供过载保护，可靠性较高。
81.可选地，在压电层3的内部设置极板4以制备所述形变单元，其中，极板4通过第一引脚51与控制电路电连接。这使得形变单元的结构简单，有助于实现在控制电路的控制在，通过形变单元的压电效应和逆压电效应实现形变单元的长度方向增加，进而使得波纹膜片1与介质油10之间形成间隙以阻断预设压力经过介质油10传递至传感器芯片9。
82.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。