一种真空封装结构差压谐振压力敏感芯片探头及封装方法
阅读说明：本技术 一种真空封装结构差压谐振压力敏感芯片探头及封装方法 (Differential pressure resonance pressure sensitive chip probe of vacuum packaging structure and packaging method ) 是由 尹延昭 张鹏 孙权 于洋 周志炜 李修钰 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：一种真空封装结构差压谐振压力敏感芯片探头及封装方法,它涉及一种探头及其封装方法。本发明为了解决现有的谐振压力敏感芯片存在Q值偏低,测量精度和长期稳定性下降的问题。本发明的可伐合金引脚安在引线孔上,硅谐振压力敏感芯片安在芯片粘接面上,硅谐振压力敏感芯片和可伐合金引脚通过电极键合引线连接；波纹膜片安在波纹膜片接触面上,压环压装在波纹膜片上,隔离介质填充在间隙、探头介质传递通道、波纹膜片和密封管座之间形成的密闭空腔内,硅谐振压力敏感芯片通过谐振层中的两个压力谐振器实现差压测量。封装方法：对谐振层进行二次封装,使硅谐振压力敏感芯片处于隔离介质中工作。本发明用于压力的测量以及压力芯片探头的封装。(A differential pressure resonance pressure sensitive chip probe with a vacuum packaging structure and a packaging method relate to a probe and a packaging method thereof. The invention aims to solve the problems of low Q value, low measurement precision and low long-term stability of the conventional resonant pressure sensitive chip. The Kovar alloy pin is arranged on the lead hole, the silicon resonance pressure sensitive chip is arranged on the chip bonding surface, and the silicon resonance pressure sensitive chip and the Kovar alloy pin are connected through an electrode bonding lead; the corrugated diaphragm is arranged on the contact surface of the corrugated diaphragm, the press ring is pressed on the corrugated diaphragm, the isolation medium is filled in a closed cavity formed among the gap, the probe medium transmission channel, the corrugated diaphragm and the sealing tube seat, and the silicon resonance pressure sensitive chip realizes differential pressure measurement through two pressure resonators in the resonance layer. The packaging method comprises the following steps: and carrying out secondary packaging on the resonance layer to enable the silicon resonance pressure sensitive chip to work in an isolation medium. The invention is used for measuring pressure and packaging the pressure chip probe.)
技术领域
本发明涉及一种差压谐振压力敏感芯片探头及封装方法，具体涉及一种真空封装结构差压谐振压力敏感芯片探头及封装方法，属于MEMS谐振式压力传感器领域。
背景技术
硅谐振压力传感器通过测量硅固有频率改变间接测量压力，精度比一般压力传感器高出1-2个数量级，工作可靠，具有较好的稳定性、重复性。传统硅谐振压力传通过直接接触被测压力实现压力测量，可适用于洁净气体的高精度压力测量；当被测压力环境处于高腐蚀液体或气体环境中(海水，油路等)的压力测量，传统硅谐振压力传感器长期处于腐蚀状态下工作，容易导致硅谐振压力探头结构性损害和压力芯片被腐蚀，导致性能降低或传感器失效。
同时硅谐振压力传感器的核心部分为谐振器，Q值是评价谐振器的核心指标，Q值越大谐振器性能越好。稳定的封装环境可以保证谐振器以固定Q值工作，从而保证硅谐振压力传感器具有高稳定性。漏率是谐振压力传感器芯片稳定性能的重要参数。最常见的压力绝压测量芯片密封腔是通过硅-硅键合、硅-玻璃键合和其他晶体材料键合制备的。
而现有谐振压力敏感芯片的支撑梁强度和刚度低，其谐振频率偏低，进而导致其核心指标Q值也偏低，影响其测量精度和应用范围。同时，现有的封装方法通常采用绝压腔裸露在大气压力范围内，进而使高精度绝对压力传感器密封腔的漏率增大，真空腔内的压力变大，直接影响传感器芯片的信号输出值，导致传感器芯片存在测量精度和长期稳定性下降的问题。
综上所述，现有的谐振压力敏感芯片存在Q值偏低，影响其测量精度和应用范围的问题，以及现有封装方法存在测量精度和长期稳定性下降的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的谐振压力敏感芯片存在Q值偏低，影响其测量精度和应用范围的问题，以及现有封装方法存在测量精度和长期稳定性下降的问题。进而提供一种真空封装结构差压谐振压力敏感芯片探头及封装方法。
本发明的技术方案是：一种真空封装结构差压谐振压力敏感芯片探头，它包括密封盖板、硅谐振压力敏感芯片、可伐合金引脚、电极键合引线、探头介质传递通道和密封管座；密封管座的上端面为密封盖板接触面，所述密封盖板接触面上开设三级阶梯槽，所述阶梯槽的中阶梯面为引线孔面，下阶梯面为芯片粘接面，探头介质传递通道开设在所述芯片粘接面上，在所述引线孔面上竖直开设有多个引线孔，密封管座的外圆柱面中部开设有环形密封槽，密封管座的外圆柱面下部开设压力缓冲槽；
可伐合金引脚通过玻璃烧结的方式竖直安装在密封管座的引线孔上，硅谐振压力敏感芯片通过胶粘的方式安装在密封管座的芯片粘接面上，且硅谐振压力敏感芯片与阶梯槽的侧壁之间留有空隙，硅谐振压力敏感芯片和可伐合金引脚之间通过电极键合引线连接；密封盖板安装在密封盖板接触面上，探头介质传递通道和密封管座的三级阶梯槽之间形成保护谐振压力敏感芯片的密闭空腔；
硅谐振压力敏感芯片通过谐振层中的两个压力谐振器实现差压测量。
本发明还提供了一种封装方法，它包括以下步骤：
步骤一：密封管座的制作及清洗；
玻璃浆料将密封管座中的引线孔和上下引脚烧结至一起形成密封引脚结构，密封管座为不锈钢材质；
用头部涂覆有聚四氟乙烯的不锈钢镊子分别夹取粘有丙酮和无水乙醇的绸布清洗密封管座，然后用无水乙醇清洗20s以上，放入干燥箱内干燥；将硅谐振压力敏感芯片先后放入丙酮和无水乙醇中，对密封管座和硅谐振压力敏感芯片分别进行超声清洗15min，将专用夹具陶瓷环先后放入丙酮和无水乙醇中超声清洗15±3min；
步骤二：涂胶和粘接；
将密封管座固定在夹具上，用牙签挑取730胶或使用自动点胶机在密封管座上依据硅谐振压力敏感芯片的外形均匀点6个点，然后将硅谐振压力敏感芯片嵌入其中，用陶瓷棒在硅谐振压力敏感芯片的芯片上盖上部压紧，保证密封管座上的外界压力孔与应力隔离层的第一感压通孔和第二感压通孔对应，接着继续用牙签挑取730胶或使用自动点胶机进行点胶，可伐合金引脚与专用夹具陶瓷环的通孔相对应，对可伐合金引脚进行保护，待涂完胶后，将陶瓷环取出；
步骤三：胶的固化；
将步骤二中粘接有硅谐振压力敏感芯片的密封管座放在一个恒温恒湿的环境中固化20-30个小时；
步骤四：电极键合引线的压焊；
步骤四一：将密封管座固定在夹具上，在劈刀尖部距引出电极表面电极键合引线直径为2.5倍的距离处，将电极键合引线与引出电极焊接在一起；
步骤四二：通过热焊笔将电极键合引线的另一端焊接在可伐合金引脚上，电极键合引线的长度在压焊两点时自动形成；
步骤四三：对电极键合引线进行拉断力测试，直至该拉断力满足设计要求为止；
步骤五：对可伐合金引脚和密封管座进行绝缘测试；
采用绝缘电阻测试仪测试可伐合金引脚的各引脚与密封管座之间的绝缘电阻，电阻应大于设计极限值；
步骤六：硅谐振压力敏感芯片的基础性能测试；
采用吸水球吹动引压力孔，压力变化小于几百赫兹，同时温度频率不变化；此时，硅谐振压力敏感芯片满足设计要求；
步骤七：将密封盖板焊接在密封管座上；
将密封盖板放置在密封管座上，利用氩弧焊接或电子束焊接，然后进行熔深测试；接着重复步骤五；
步骤八：对密封管座进行封堵；
先用Φ2钢珠封住1.3mm的抽真空孔，再采用电子束焊将抽真空的密闭空腔封堵焊接；
至此，完成了真空封装结构的谐振压力敏感芯片探头的封装；
步骤九：对封装后的真空封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行电气测试；
在恒定的常压条件下进行电气测试，当谐振压力敏感芯片探头不发生跳频现象，且频率朝一个方向变化时，且小于3秒的时间内达到稳定为合格；
步骤十：对封装后的真空封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行压力疲劳和老化测试；
谐振压力敏感芯片探头装在夹具上，并与气压疲劳机或液压疲劳机连接，疲劳次数5000/10000次，在放在高低温试验箱内进行温度老化实验，共同来释放谐振压力敏感芯片探头内部应力，提高真空封装结构的谐振压力敏感芯片的输出稳定性；
步骤十一：对封装后的真空封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行气密性检测；
将谐振压力敏感芯片探头与压力控制器连接，进行气密性检测，压力变化值不超过±2Pa，此时，谐振压力敏感芯片探头的气密性合格；
步骤十二：对封装后的真空封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行激光打标和筛选，转入下一生产阶段。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、本发明采用真空封装技术，硅谐振压力芯片与外界环境隔离，使硅谐振压力传感器在恶劣环境中也可实现高精度压力的测量，提高了传感器在复杂环境中工作的可靠性；硅谐振压力芯片封装在稳定的真空环境中，具有固定的较高Q值，芯片具有很低的漏率，提高传感器的长期稳定性，同时硅谐振压力芯片采用双谐振器设计，双谐振器具有相同工作环境，可有效降低温度，加速度等影响，实现双路独立的实时压力测量，在双谐振器的信号处理上可单独进行处理，得出压差信号，亦可通过差分方式进行信号处理，得到差分信号，得到更高的压力测量精度。
2、本发明的芯片采用一体化双谐振器设计，实现多压力差压测量，谐振器二次封装的方法，可以降低密封腔工作环境压力，从而降低密封腔与外部环境的压力差值，从而降低密封腔因为漏率引起的腔内压力变化，提高传感器的稳定性。真空封装结构可以将差压式硅谐振压力敏感芯片2与外部大气环境采用密封方式隔离，使差压式硅谐振压力敏感芯片2处于低压力环境下工作，从而提高稳定性；同时双谐振器置于相同的工作环境中进行压力检测，可以降低温度、加速度等环境干扰引入的测量误差，提高传感器精度。
3、采用本发明制备的差压式硅谐振压力敏感探头，芯片密封腔外部压力值在100Pa-1000Pa，传统封装方式芯片密封腔直接暴露在大气压环境下，通常在100000Pa左右。因为密封腔漏率与密封腔和外界压力差成正比关系，而密封腔通常键合后压力在100Pa以下。这样采用二次真空封装的方法，可以实现相同芯片键合工艺情况下芯片漏率降低两个量级，可提高传感器稳定性。
附图说明
图1是本发明真空封装结构差压谐振压力敏感芯片探头的全剖视图；
图2是硅谐振压力敏感芯片的主剖视图；
图3是密封盖板的主剖视图；
图4是密封盖板的俯视图；
图5是可伐合金引脚的主剖视图；
图6是密封管座的主剖视图；
图7是密封管座的左剖视图；
图8是压力谐振器的俯视图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：结合图1～图8说明本实施方式，本实施方式的一种真空封装结构差压谐振压力敏感芯片探头，它包括密封盖板1、硅谐振压力敏感芯片2、可伐合金引脚3、电极键合引线4、探头介质传递通道5和密封管座6；
密封管座6的上端面为密封盖板接触面601，所述密封盖板接触面601上开设三级阶梯槽，所述阶梯槽的中阶梯面为引线孔面604，下阶梯面为芯片粘接面602，探头介质传递通道5开设在所述芯片粘接面602上，在所述引线孔面604上竖直开设有多个引线孔603，密封管座6的外圆柱面中部开设有环形密封槽605，密封管座6的外圆柱面下部开设压力缓冲槽606；可伐合金引脚3通过玻璃烧结的方式竖直安装在密封管座6的引线孔603上，硅谐振压力敏感芯片2通过胶粘的方式安装在密封管座6的芯片粘接面602上，且硅谐振压力敏感芯片2与阶梯槽的侧壁之间留有空隙，硅谐振压力敏感芯片2和可伐合金引脚3之间通过电极键合引线4连接；密封盖板1安装在密封盖板接触面601上，探头介质传递通道5和密封管座6的三级阶梯槽之间形成保护谐振压力敏感芯片2的密闭空腔；
硅谐振压力敏感芯片2通过谐振层202中的两个压力谐振器实现差压测量。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的硅谐振压力敏感芯片2包括芯片上盖201、谐振层202、第一压力硅基衬底2021-1、第二硅基衬底2022-1和应力隔离层203，芯片上盖201、谐振层202、第一压力硅基衬底2021-1、第二硅基衬底2022-1和应力隔离层203由上至下依次连接并制成一体，谐振层202包括第一压力谐振器2021和第二压力谐振器2022，第一压力谐振器2021和第二压力谐振器2022由右至左水平安装在第一压力硅基衬底2021-1和第二硅基衬底2022-1上，第一压力硅基衬底2021-1和第二硅基衬底2022-1的下端面上均开设有倒梯形的感压槽，其中，芯片上盖201与第一压力硅基衬底2021-1和第二硅基衬底2022-1之间形成绝压腔室，谐振层202位于所述绝压腔室内。如此设置，第一压力硅基衬底2021-1和第二硅基衬底2022-1的下端面上均开设有倒梯形的感压槽便于精确感受介质压力，并传递至谐振层202，同时芯片上盖201与第一压力硅基衬底2021-1和第二硅基衬底2022-1之间形成的绝压腔室用以保护谐振层202，避免谐振层202处于工作状态时受到的其它介质的阻力，进而影响探头测量精度。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式的位于第一压力硅基衬底2021-1的正下方开设有第一感压通孔2031，第二硅基衬底2022-1的正下方开设有第二感压通孔2032。如此设置，便于压力传递至第一压力硅基衬底2021-1和第二硅基衬底2022-1上，进而传递至谐振层202上，达到感压的目的。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图8说明本实施方式，本实施方式的第一压力谐振器2021和第二压力谐振器2022的结构相同，其中，第一压力谐振器2021包括四个引出电极3050、两个驱动电极3023、备用电极3024、两个敏感梳齿电极3025、两个稳固梁3026、两个横拉梁3027、锚块3028和电极通路3029，两个驱动电极3023上下平行设置，且每个驱动电极3023的左右两侧分别安装有一个引出电极3050，两个驱动电极3023的相对侧安装有一个敏感梳齿电极3025，两个敏感梳齿电极3025的内侧分别安装有一个稳固梁3026，两个稳固梁3026的内侧分别安装有一个横拉梁3027，两个横拉梁3027之间安装有一个锚块3028，锚块3028与备用电极3024之间通过电极通路3029连接。
如此设置，电极通路3029构成三角形稳定结构，在保证信号传输前提下，提升电极固支的强度，可有效提升谐振层的稳定性，以适用于更高频率的振动及压力变化引起的形变幅度。同时，设置一个锚块3028，加大了力臂边长，可有效提升锚块3028受力产生的扭矩，提升后端连接相关受力梁的形变。进而提升谐振频率，增大传感器分辨率。其它组成及连接关系与具体实施方式一至三中任意一项相同。
具体实施方式五：结合图8说明本实施方式，本实施方式的每个横拉梁3027的端部均为“Y”型梁结构。如此设置，双固支点的“Y”型梁结构，形成三角形稳定结构，可提升刚性强度，提高传感器的可靠性。其它组成及连接关系与具体实施方式一至四中任意一项相同。
具体实施方式六：结合图8说明本实施方式，本实施方式的每个稳固梁3026均包括左右对称的两个稳固单元，
每个稳固单元均包括第一连接支撑梁901、第一斜拉梁平行支撑梁901-1、第一斜拉梁垂直支撑梁901-2、第一平行支撑梁垂直梁901-3、第一斜拉梁稳固梁901-4和第二斜拉梁稳固梁901-5，
第一斜拉梁平行支撑梁901-1、第一斜拉梁稳固梁901-4、第二斜拉梁稳固梁901-5和敏感梳齿电极3025之间形成梯形结构，第一斜拉梁垂直支撑梁901-2和第一平行支撑梁垂直梁901-3垂直于第一斜拉梁平行支撑梁901-1，且第一斜拉梁垂直支撑梁901-2和第一平行支撑梁垂直梁901-3均与第一斜拉梁稳固梁901-4和第二斜拉梁稳固梁901-5以及第一斜拉梁平行支撑梁901-1之间形成直角三角形，
第一连接支撑梁901的一端与第一斜拉梁垂直支撑梁901-2和第一斜拉梁平行支撑梁901-1的交叉点重合，第一连接支撑梁901的另一端与第一平行支撑梁垂直梁901-3和第二斜拉梁稳固梁901-5的交叉点重合。如此设置，可形成三角支撑结构，增大谐振层各支撑梁的强度以及敏感梳齿电极3025的斜拉力，从而增加力学振动传递强度，提高芯片振动频率，进而可有效增大测量量程，并降低了外界扰动，从而提升稳定性。其它组成及连接关系与具体实施方式一至五中任意一项相同。
具体实施方式七：结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式的探头介质传递通道5包括两个对称开设的通道单元，每个通道单元均包括引压孔501、外界压力孔502和内部压力管路503，引压孔501开设在芯片粘接面602上并与硅基衬底2021连通，外界压力孔502开设在环形密封槽605上，引压孔501和外界压力孔502之间通过内部压力管路503连接，且两个通道单元的内部压力管路503的水平段不连通。
如此设置，便于密封管座6的封堵，硅谐振压力敏感芯片3处于真空环境中，使得外界介质压力精确传递至硅谐振压力敏感芯片3，起到降低硅谐振压力敏感芯片3的漏率，并对其进行有效保护。其它组成及连接关系与具体实施方式一至六中任意一项相同。
具体实施方式八：结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式的密封盖板1包括T形台101、抽真空孔102、圆形凸台103和豁口104，圆形凸台103内嵌在T形台101的上端面凹槽内，T形台101在竖直方向上开设有抽真空孔102，圆形凸台103上均匀开设有四个豁口104。
如此设置，密封盖板1置于真空封装结构的最顶部，一般采用可焊接金属材料制作，密封盖板1的外形尺寸与密封管座6的接触面上端尺寸需进行配做，同时密封盖板1和密封管座6为可相互焊接材料。密封盖板1正面具有抽真空孔102，通过抽真空孔102进行抽真空，达到真空度要求后对抽真空孔102进行焊接，保证真空封装结构内部真空度。其它组成及连接关系与具体实施方式一至七中任意一项相同。
具体实施方式九：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式的封装方法，它包括以下步骤：
步骤一：密封管座6的制作及清洗；
玻璃浆料将密封管座6中的引线孔603和上下引脚烧结至一起形成密封引脚结构，密封管座6为不锈钢材质；
用头部涂覆有聚四氟乙烯的不锈钢镊子分别夹取粘有丙酮和无水乙醇的绸布清洗密封管座6，然后用无水乙醇清洗20s以上，放入干燥箱内干燥；将硅谐振压力敏感芯片2先后放入丙酮和无水乙醇中，对密封管座6和硅谐振压力敏感芯片2分别进行超声清洗15min，将专用夹具陶瓷环先后放入丙酮和无水乙醇中超声清洗15±3min；
步骤二：涂胶和粘接；
将密封管座6固定在夹具上，用牙签挑取730胶或使用自动点胶机在密封管座6上依据硅谐振压力敏感芯片2的外形均匀点6个点，然后将硅谐振压力敏感芯片2嵌入其中，用陶瓷棒在硅谐振压力敏感芯片2的芯片上盖201上部压紧，保证密封管座6上的外界压力孔与应力隔离层203的第一感压通孔2031和第二感压通孔2032对应，接着继续用牙签挑取730胶或使用自动点胶机进行点胶，可伐合金引脚3与专用夹具陶瓷环的通孔相对应，对可伐合金引脚3进行保护，待涂完胶后，将陶瓷环取出；
步骤三：胶的固化；
将步骤二中粘接有硅谐振压力敏感芯片2的密封管座6放在一个恒温恒湿的环境中固化20-30个小时；
步骤四：电极键合引线4的压焊；
步骤四一：将密封管座6固定在夹具上，在劈刀尖部距引出电极3050表面电极键合引线4直径为2.5倍的距离处，将电极键合引线4与引出电极3050焊接在一起；
步骤四二：通过热焊笔将电极键合引线4的另一端焊接在可伐合金引脚3上，电极键合引线4的长度在压焊两点时自动形成；
步骤四三：对电极键合引线4进行拉断力测试，直至该拉断力满足设计要求为止；
步骤五：对可伐合金引脚3和密封管座6进行绝缘测试；
采用绝缘电阻测试仪测试可伐合金引脚3的各引脚与密封管座6之间的绝缘电阻，电阻应大于设计极限值；
步骤六：硅谐振压力敏感芯片2的基础性能测试；
采用吸水球吹动引压力孔，压力变化小于几百赫兹，同时温度频率不变化；此时，硅谐振压力敏感芯片2满足设计要求；
步骤七：将密封盖板1焊接在密封管座6上；
将密封盖板1放置在密封管座6上，利用氩弧焊接或电子束焊接，然后进行熔深测试；接着重复步骤五；
步骤八：对密封管座6进行封堵；
先用Φ2钢珠封住1.3mm的抽真空孔102，再采用电子束焊将抽真空的密闭空腔封堵焊接；
至此，完成了真空封装结构的谐振压力敏感芯片探头的封装；
步骤九：对封装后的真空封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行电气测试；
在恒定的常压条件下进行电气测试，当谐振压力敏感芯片探头不发生跳频现象，且频率朝一个方向变化时，且小于3秒的时间内达到稳定为合格；
步骤十：对封装后的真空封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行压力疲劳和老化测试；
谐振压力敏感芯片探头装在夹具上，并与气压疲劳机或液压疲劳机连接，疲劳次数5000/10000次，在放在高低温试验箱内进行温度老化实验，共同来释放谐振压力敏感芯片探头内部应力，提高真空封装结构的谐振压力敏感芯片的输出稳定性；
步骤十一：对封装后的真空封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行气密性检测；
将谐振压力敏感芯片探头与压力控制器连接，进行气密性检测，压力变化值不超过±2Pa，此时，谐振压力敏感芯片探头的气密性合格；
步骤十二：对封装后的真空封装结构的谐振压力敏感芯片探头进行激光打标和筛选，转入下一生产阶段。
本发明的工作原理：
本发明基于双谐振器芯片探头二次真空封装能够降低芯片密封腔与外部工作环境的压力差值，同时双压力谐振器通过探头管路实现多路压力测量。将差压式硅谐振压力敏感芯片密封至密封管座内部，通过电极键合引线将芯片电极和可伐合金引脚进行焊接，将压力谐振器的信号进行传输，同时伐合金引脚保证整体密封管座内部的气密性，本发明设计特殊的探头压力传递结构，将两路待测压力分别传递到双压力谐振器的感压面上，分别实现双路压力测量，本发明可以有效降低由于漏率变化对传感器稳定性的影响，同时可实现双压力谐振器信号输出，实现差分输出，提供传感器精度。
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