一种声表面波温度传感器、耐高温封装结构及封装方法
阅读说明：本技术 一种声表面波温度传感器、耐高温封装结构及封装方法 (Surface acoustic wave temperature sensor, high-temperature-resistant packaging structure and packaging method ) 是由 吉小军 马晓鑫 高孜航 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种声表面波温度传感器、耐高温封装结构及封装方法,包括耐高温的陶瓷封装结构盖、过渡材料层、绝缘隔离层、陶瓷封装结构底座。耐高温的陶瓷封装结构盖具有一定高度,并通过高温胶粘接在陶瓷封装结构底座上。绝缘隔离层与过渡材料层生长在陶瓷封装结构底座的上表面。嵌入式电极层采用双层结构,上层电极与下层电极通过工艺方法内嵌于传感器基底的上表面。金属化平面天线采用一体化设计并生长在绝缘隔离层上表面。本发明提出的封装结构设计可实现在700℃高温环境下声表面波温度传感器的正常工作。(The invention provides a surface acoustic wave temperature sensor, a high-temperature-resistant packaging structure and a packaging method. The high-temperature-resistant ceramic packaging structure cover has a certain height and is bonded on the ceramic packaging structure base through high-temperature glue. The insulating isolation layer and the transition material layer are grown on the upper surface of the ceramic packaging structure base. The embedded electrode layer adopts a double-layer structure, and the upper electrode and the lower electrode are embedded on the upper surface of the sensor substrate through a process method. The metallized planar antenna adopts an integrated design and grows on the upper surface of the insulating isolation layer. The packaging structure design provided by the invention can realize the normal work of the surface acoustic wave temperature sensor in a high-temperature environment of 700 ℃.)
技术领域
本发明涉及传感器封装技术领域，具体地，涉及一种声表面波温度传感器、耐高温封装结构及封装方法。
背景技术
高温传感器在航天、航空、国防建设、能源开发等领域有着广阔的应用需求。例如，航空航天领域中的火箭发动机、航空发动机，大型船舶领域中的重型燃气轮机、燃煤燃气锅炉等动力设备的主要部件处在高温恶劣环境中，燃烧室温度甚至超过了1500℃，利用高温传感器可以对喷嘴燃烧室、压气机、叶片等关键部位的压力、温度等参量进行实时监测，提高燃烧性能和推进效率，并对部件健康状态进行评估。因此，高温环境下的传感测量已经成为航空航天、船舶舰艇等军工领域必须突破和掌握的关键技术之一。
声表面波传感器是一种用声表面波器件作为敏感元件，能够将被测的物理量通过声表面波的速度或频率的变化反映出来，并以射频电信号输出的一种无线无源传感器。声表面波的本质是沿基片表面传播的声波，其能量集中，使得声表面波对压电结构表面扰动的物理、化学等参量相当敏感，可以制作各种具有高灵敏度的传感器。与此同时，声表面波传感器还具有体积小、精度高、工作温度高、耦合距离远等优点，是一种极具发展前景的新型压电式传感器。
高温声表面波传感器是高温传感领域重要的研究方向，众多科研院所及高校在从事高温领域声表面波传感器的相关研究工作。在高温声表面波传感器的制造与测试中，封装技术起到了至关重要的作用。高温条件下，声表面波传感器封装的最大问题就是需要满足声表面波传感器在较大温度范围内进行高可靠工作的各项要求，目前的封装方法未能有效地解决封装结构的耐温特性，结构热应力有待提高。
公开号为CN107631827A，公开日期为2017年9月11日的中国发明专利申请《基于硅晶元和压电薄膜的声表面波高温压力传感芯片》，提供了一种硅基声表面波高温压力传感器的传感芯片的结构，该结构包括硅衬底、高真空密封腔室、压力敏感膜、压电薄膜、叉指换能器、反射栅。该方案侧重于声表面波高温传感器的传感器结构设计，没有深入探究高温封装结构在声表面波高温传感器方面的应用。
公开号为CN110081918A，公开日期为2019年4月26日的中国发明专利申请《多参数声表面波传感装置及其制备方法》，提供了一种三参数声表面波传感装置的结构及相应的制备工艺方法，涉及高温环境下的应用。该结构包括耐高温压电晶体基片、第一、第二、第三谐振器、应答天线等。该方案侧重于多参数检测的概念，并未考虑被测量的感知问题，包括温度、压力、振动如何可靠的传递到传感装置上的问题。与此同时，并未对所提到的高温环境下的结构封装设计做具体工作。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种声表面波温度传感器、耐高温封装结构及封装方法，可有效地在高温环境中提供对声表面波传感器的固定、密封和保护，同时保证被测量有效传递、激励信号和测量信号的无损输入输出。为高温声表面波传感器的设计和应用提供支撑。
本发明的第一方面，提供一种声表面波温度传感器的耐高温封装结构，包括：耐高温的陶瓷封装结构盖、过渡材料层、绝缘隔离层以及陶瓷封装结构底座；其中：
所述耐高温的陶瓷封装结构盖具有一定高度，并通过高温胶粘接在所述陶瓷封装结构底座上，所述耐高温的陶瓷封装结构盖和所述陶瓷封装结构底座之间形成一个用于容纳声表面波温度传感器结构的密封腔体；
所述绝缘隔离层与所述过渡材料层生长在所述陶瓷封装结构底座的上表面，且位于所述密封腔体内。
可选地，所述绝缘隔离层的上表面生长金属化平面天线，提升所述金属化平面天线的传输效率。
可选地，所述过渡材料层上设置传感器基底以及位于所述传感器基底上的敏感单元，使所述传感器基底与所述陶瓷封装结构底座连接在一起，且能获得更高的声速。
可选地，所述绝缘隔离层有两个，分别对称设置在封闭空腔的两端附近，所述过渡材料层设置于两个所述绝缘隔离层的中间。
本发明的第二方面，提供一种声表面波温度传感器，包括上述的耐高温封装结构。
进一步的，所述声表面波温度传感器还包括：敏感单元，所述敏感单位为嵌入式电极层，所述嵌入式电极层采用上层电极与下层电极构成的双层结构，所述上层电极与所述下层电极内嵌于传感器基底的上表面。
进一步的，所述声表面波温度传感器还包括：氮化铝保护层，所述氮化铝保护层位于所述嵌入式电极层上，与所述传感器基底一起保护所述嵌入式电极层。
可选地，所述嵌入式电极层与金属化平面天线层通过连接线连接，所述金属化平面天线采用一体化设计并生长在绝缘隔离层上表面。
本发明的第三方面，提供一种声表面波温度传感器的封装方法，包括：
S1，将过渡材料层生长在陶瓷封装结构底座的上表面；
S2，将声表面波温度传感器敏感单元生长在过渡材料层之上；
S3，将绝缘隔离层生长在陶瓷封装结构底座的上表面；
S4，在绝缘隔离层上粘接金属化平面天线；
S5，将声表面波温度传感器敏感单元与金属化平面天线用耐高温连接线连接；
S6，将耐高温的陶瓷封装结构盖通过高温胶粘接到陶瓷封装结构底座上形成密封腔体，完成封装。
可选地，在所述S2、S3之间，还包括：在声表面波温度传感器敏感单元上沉积一层氮化铝保护层。
与现有技术相比，本发明实施例具有如下至少一种有益效果：
本发明提供的声表面波温度传感器及其耐高温封装结构、封装方法，节约了封装成本，提高了制备效率，同时兼具低成本、高可靠度和多用途等特点。且封装材料不对传感器芯片产生电磁干扰，并对金属化平面天线和声表面波温度传感器起到固定和保护作用的目标。
本发明提供的声表面波温度传感器及其耐高温封装结构、封装方法，在保证了封装的可靠度的同时，该封装结构整体结构紧凑，使传感器的尺寸尽可能的减小，改善传感器的迟滞、蠕变和非线性特性，从而提高检测的精密度。本发明提出的封装结构设计可实现在700℃高温环境下声表面波温度传感器的正常工作。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例所提供的高温声表面波温度传感器及封装结构主视图；
图2为本发明实施例所提供的封装方法中保护层加工示意图；
图3～图8为本发明实施例所提供的封装方法的步骤示意图；
其中，1为耐高温的陶瓷封装结构盖；2为传感器基底；3为绝缘隔离层；4为金属化平面天线层；5为嵌入式电极层的上层电极；6为陶瓷封装结构底座；7为连接线；8为嵌入式电极层的下层电极；9为氮化铝保护层；10为焊盘；11为过渡材料层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1所示，本发明一实施例中，提供换一种声表面波温度传感器的耐高温封装结构，图中，1为耐高温的陶瓷封装结构盖；2为传感器基底；3为绝缘隔离层；4为金属化平面天线层；11为过渡材料层；5为嵌入式电极层的上层电极；8为嵌入式电极层的下层电极；7为连接线；9为氮化铝保护层；6为陶瓷封装结构底座。
具体的，本实施例的声表面波温度传感器的耐高温封装结构包括：耐高温的陶瓷封装结构盖1、绝缘隔离层3、过渡材料层11和陶瓷封装结构底座6，其中：耐高温的陶瓷封装结构盖1具有一定高度，并通过高温胶粘接在陶瓷封装结构底座6上，耐高温的陶瓷封装结构盖1、陶瓷封装结构底座6之间形成一个用于容纳声表面波温度传感器的密封腔体；绝缘隔离层3与过渡材料层11生长在陶瓷封装结构底座6的上表面，且位于密封腔体内。
绝缘隔离层3的上表面生长金属化平面天线4，可以提升金属化平面天线4的传输效率。具体的，金属化平面天线层4采用一体化设计并生长在绝缘隔离层3上表面。
过渡材料层11上设置传感器基底2以及位于传感器基底2上的敏感单元，使传感器基底2与陶瓷封装结构底座6连接在一起，且能获得更高的声速。进一步的，敏感单元为嵌入式电极层，比如嵌入式Pt电极层，嵌入式电极层采用双层结构，上层电极5与下层电极8内嵌于传感器基底2的上表面。
本实施例中，绝缘隔离层3有两个，分别对称设置在封闭空腔的两端附近，过渡材料层11设置于两个绝缘隔离层3的中间。
参照图1所示，本发明另一实施例中还提供一种声表面波温度传感器，该传感器包括上述的耐高温封装结构。
具体的，声表面波温度传感器还包括：敏感单元，敏感单位为嵌入式电极层，嵌入式电极层采用上层电极与下层电极构成的双层结构，上层电极5与下层电极8内嵌于传感器基底2的上表面。
作为优选方式，声表面波温度传感器还包括：氮化铝保护层9，氮化铝保护层9位于嵌入式电极层(上层电极5与下层电极8)上，与传感器基底2一起保护嵌入式电极层。嵌入式电极层(上层电极5与下层电极8)与金属化平面天线层4通过连接线7连接，金属化平面天线4采用一体化设计并生长在绝缘隔离层3上表面。
本发明上述实施例可有效地在高温环境中提供对声表面波传感器的固定、密封和保护，同时保证被测量有效传递、激励信号和测量信号的无损输入输出，为高温声表面波传感器的设计和应用提供支撑。上述的封装结构设计可实现在700℃高温环境下声表面波温度传感器的正常工作。
为了更清楚地说明本发明优选实施例中的技术方案，下面结合附图对本发明实施例作进一步详细的说明。
如图1所示，在一优选实施例中，耐高温的陶瓷封装结构盖1通过高温胶与陶瓷封装结构底座6粘接，使内部形成密闭的环境即密封腔体，可对声表面波温度传感器与天线起到一定程度的保护作用。绝缘隔离层3与过渡材料层11生长在陶瓷封装结构底座6的上表面，且位于密封腔体内。
本实施例中，过渡材料层11可以但不限于采用氧化铝材料。过渡材料层11可在高温环境下使用化学气相沉积的方法生长获得。引入过渡材料层11可以使传感器基底2与陶瓷封装结构底座6有效地连接在一起，在一定程度上可以缓解因高温而造成的开裂导致传感器件的脱落失效，提高附着性。与此同时，引入过渡材料层11还可以获得更高的声速，提升声表面波温度传感器的品质因数。
本实施例中，绝缘隔离层3可以但不限于采用LGS材料。绝缘隔离层3生长在陶瓷封装结构底座6上，其上表面为金属化平面天线层4。在金属化平面天线层4与陶瓷封装结构底座6之间设置绝缘隔离层3可以有效地提升金属化平面天线的传输效率，与此同时，由于高温会将金属化平面天线造成氧化，设置绝缘隔离层3在一定程度上可以对金属化平面天线起到保护作用，防止其因为高温收缩造成传输性能的明显降低。
本实施例中，陶瓷封装结构由耐高温的陶瓷封装结构盖1和陶瓷封装结构底座6构成。陶瓷封装结构采用氧化铝工业陶瓷材料。氧化铝工业陶瓷是一种良好的耐高温材料，同时具有很好的绝缘性。氧化铝工业陶瓷在1500℃以内能够维持自身强度不变形，满足一定的机械强度要求，与此同时，陶瓷封装结构气密性良好，化学性能稳定，是一种理想的高温声表面波传感器的封装材料。
本实施例中，嵌入式电极层包括嵌入式上层电极5和嵌入式下层电极6两部分。嵌入式上、下层电极6采用但不限于Pt和Mo材料。由于在高温环境中，电极的退化现象会降低声表面波温度传感器电场和声场之间的转换效率，并削弱声表面波的有效反射，使声表面波温度传感器的品质因数严重降低。因此采用嵌入式电极可以对电极结构起到一定的保护作用，降低高温对声表面波传感器的影响。但由于金属在高温环境下会发生氧化反应，同时伴随着体积的收缩，采用嵌入式电极也会造成一定性能降低。因此本发明提出的嵌入式电极层采用上下双层结构，可以有效改善高温环境下金属电极因退化现象造成的声表面波温度传感器品质因数严重降低的状况。
本实施例中，金属化平面天线采用但不限于Pt材料。金属铂(Pt)在经过1500℃的高温煅烧后仍可以保持良好的导电性，未发生金属质变。因此，采用金属铂(Pt)作为高温声表面波温度传感器的天线材料是一种理想的选择。具体的，使用磁控溅射和电子束蒸镀结合的方法实现所需厚度的金属化平面天线结构的生长。金属化平面天线结构的设计通过三维电磁分析软件进行仿真分析，对天线的匹配进行评估分析，得到金属化平面天线的谐振参数。在高温环境下，温度对声表面波温度传感器天线性能的影响主要改变介电常数。保证声表面波温度传感器的频率变化范围在天线带宽范围内，是满足高温条件下声表面波温度传感器天线设计的技术路线。
如图2～图8所示，为本发明较优实施例提出的声表面波温度传感器的封装方法步骤图，其中：
如图2所示，将过渡材料层11生长在陶瓷封装结构底座6的上表面；
如图3所示，将声表面波温度传感器敏感单元生长在过渡材料层11之上；
如图4所示，在声表面波温度传感器敏感单元上沉积一层氮化铝保护层9；
如图5所示，将绝缘隔离层3生长在陶瓷封装结构底座6的上表面；
如图6所示，在绝缘隔离层3上粘接金属化平面天线；
如图7所示，将声表面波温度传感器敏感单元与金属化平面天线用耐高温连接线连接；
如图8所示，将耐高温的陶瓷封装结构盖1通过高温胶粘接到陶瓷封装结构底座6上，完成封装。
本发明上述实施例提供的声表面波温度传感器及其耐高温封装结构、封装方法，在保证了封装的可靠度的同时，该封装结构整体结构紧凑，使传感器的尺寸尽可能的减小，改善传感器的迟滞、蠕变和非线性特性，从而提高检测的精密度。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。
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