一种mems热式流速传感器封装装置
阅读说明：本技术 一种mems热式流速传感器封装装置 (MEMS (micro-electromechanical systems) thermal type flow velocity sensor packaging device ) 是由 李以贵 金敏慧 张成功 王保志 于 2020-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种MEMS热式流速传感器封装装置,包括封装盖体、封装隔板和封装基体,所述封装盖体设有放置薄膜驱动模块的第一腔体,以及放置MEMS热式流速传感器芯片的第二腔体,所述封装隔板设有与第一腔体对应的薄膜,以及与第二腔体对应的芯片流体通孔,所述封装基体设有流体凹槽、流体进口通道和流体出口通道,所述流体凹槽包括薄膜接触部和芯片接触部,所述薄膜接触部连通流体出口通道,所述芯片接触部连通流体进口通道,所述流体出口通道的截面面积小于薄膜的面积,所述芯片接触部与芯片流体通孔连通,所述封装盖体、封装隔板和封装基体依次固定连接。与现有技术相比,灵敏度高、反应速度快、体积更小、均一性好,且可用于腐蚀性气体的检测。(The invention relates to an MEMS (micro electro mechanical system) thermal type flow velocity sensor packaging device which comprises a packaging cover body, a packaging partition plate and a packaging base body, wherein the packaging cover body is provided with a first cavity for placing a film driving module and a second cavity for placing an MEMS thermal type flow velocity sensor chip, the packaging partition plate is provided with a film corresponding to the first cavity and a chip fluid through hole corresponding to the second cavity, the packaging base body is provided with a fluid groove, a fluid inlet channel and a fluid outlet channel, the fluid groove comprises a film contact part and a chip contact part, the film contact part is communicated with the fluid outlet channel, the chip contact part is communicated with the fluid inlet channel, the cross-sectional area of the fluid outlet channel is smaller than the area of the film, the chip contact part is communicated with the chip fluid through hole, and the packaging cover body, the packaging partition plate and the packaging base body are. Compared with the prior art, the method has the advantages of high sensitivity, high reaction speed, smaller volume and good uniformity, and can be used for detecting corrosive gas.)
技术领域
本发明涉及MEMS传感器封装领域，尤其是涉及一种MEMS热式流速传感器封装装置。
背景技术
随着现代科技的发展和生产力的进步，流速测量在航空航天、气象学、生物医疗等方面有了更多、更深入的需求。然而，传统的流速传感器具有体积大、易受环境温度影响等不足，其应用场景较为局限。近年来，随着微机电系统(MEMS)加工工艺发展，传感器不断小型化，基于MEMS工艺制备的MEMS热式流速传感器在性能上有了大幅度的提升，具有体积小、灵敏度高、精度高等优点，在各个方面得到广泛应用。
MEMS加工工艺制备得到的流速传感器通常需要进行封装才能实际应用，对于MEMS热式流速传感器的封装是一直以来的难题，MEMS热式传感器主要基于热学原理，其封装材料在对传感器起保护作用的同时要满足一定的热传导性能，目前常见的MEMS流速传感器封装多为陶瓷或玻璃封装而成，常见的多用粘合剂连接，这样的封装工艺使得其均匀性、稳定性和一致性较差，其材料也无法支撑传感器用于某些腐蚀性、活性气体的流速检测。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种MEMS热式流速传感器封装装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种MEMS热式流速传感器封装装置，包括封装盖体、封装隔板和封装基体，所述封装盖体设有放置薄膜驱动模块的第一腔体，以及放置MEMS热式流速传感器芯片的第二腔体，所述封装隔板设有与第一腔体对应的薄膜，以及与第二腔体对应的芯片流体通孔，所述封装基体设有流体凹槽、流体进口通道和流体出口通道，所述流体凹槽包括薄膜接触部和芯片接触部，所述薄膜接触部连通流体出口通道，所述芯片接触部连通流体进口通道，所述流体出口通道的截面面积小于薄膜的面积，所述芯片接触部与芯片流体通孔连通，所述封装盖体、封装隔板和封装基体依次固定连接，流体依次通过流体进口通道、芯片流体通孔、第二腔体和流体出口通道，薄膜驱动模块带动薄膜运动，薄膜运动使流体出口通道开启或关闭，从而使第二腔体的流体处于平衡状态。
所述封装盖体、封装隔板和封装基体通过螺栓固定连接。
所述的薄膜驱动模块为压电陶瓷阵列。
所述封装盖体的上方设有与第一腔体对应的玻璃块，所述玻璃块与封装盖体固定连接。
所述流体出口通道在流体凹槽的薄膜接触部延伸形成阀座，所述阀座的高度小于流体凹槽的深度。
所述薄膜的尺寸与第一腔体的截面的尺寸相适应，薄膜接触部的尺寸与薄膜的尺寸相适应。
所述的薄膜接触部设有垫圈。
所述的流体进口通道连通流体进口，所述流体出口通道连通流体出口，所述流体进口和流体出口均设有外螺纹。
所述的薄膜为氮化铝薄膜。
所述封装盖体为不锈钢封装盖体，所述封装隔板为不锈钢封装隔板，所述封装基体为不锈钢封装基体。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)流体依次通过流体进口通道、芯片流体通孔进入第二腔体，薄膜驱动模块带动薄膜运动，薄膜运动使流体出口通道开启或关闭，从而使第二腔体的流体处于平衡状态，平衡状态的流体可以使MEMS热式流速传感器的测量结果更加精确，同时具备具有灵敏度高、反应速度快等优点。
(2)该种封装结构相比市面上其他流速传感器的封装而言，体积更小。
(3)整个封装过程简便，封装盖体、封装隔板和封装基体都是基于传统机械加工工艺制备，它们之间的固定只需要螺栓固定，可操作性强，均一性好，可批量化生产。
(4)采用了不锈钢材料进行封装，提高了传感器的稳定性、可靠性和抗腐蚀性，可用于某些腐蚀性气体、活性气体(如氯气)的检测。
附图说明
图1为本发明薄膜驱动模块未加电状态下局部侧视图；
图2为本发明薄膜驱动模块加电状态下局部侧视图；
图3为本发明封装盖体的结构示意图；
图4为本发明封装隔板的结构示意图；
图5为本发明封装基体的结构示意图；
图6为本发明实施例的MEMS流速传感器结构示意图；
附图标记：
1为加热电阻；2为测温电阻；3为补偿电阻；4为传感器芯片空腔；5为引线；6为引脚；7为MEMS热式流速传感器芯片；8为玻璃块；9为薄膜驱动模块；10为螺栓孔；11为第一腔体；12为第二腔体；13为封装盖体；14为薄膜；15为封装隔板；16为芯片流体通孔；17为垫圈；18为阀座；19为流体进口；20为流体出口；21为流体进口通道；22为流体凹槽；23为封装基体；24为流体出口通道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本实施例提供一种MEMS热式流速传感器封装装置，包括封装盖体13、封装隔板15和封装基体23，封装盖体13设有放置薄膜驱动模块9的第一腔体11，以及放置MEMS热式流速传感器芯片7的第二腔体12，封装隔板15设有与第一腔体11对应的薄膜14，以及与第二腔体12对应的芯片流体通孔16，封装基体23设有流体凹槽22、流体进口通道21和流体出口通道24，流体凹槽22包括薄膜接触部和芯片接触部，薄膜接触部连通流体出口通道24，芯片接触部连通流体进口通道21，流体出口通道24的截面面积小于薄膜14的面积，芯片接触部与芯片流体通孔16连通，封装盖体13、封装隔板15和封装基体23依次固定连接，流体依次通过流体进口通道21、芯片流体通孔16、第二腔体12和流体出口通道24，薄膜驱动模块9带动薄膜14运动，薄膜14运动使流体出口通道24开启或关闭，从而使第二腔体12的流体处于平衡状态。
具体而言：
封装盖体13、封装隔板15和封装基体23通过螺栓固定连接。
薄膜驱动模块9为锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷阵列，PZT压电陶瓷阵列具有反应速度快、作用力大等优点，通过对PZT压电陶瓷阵列施加和释放适当的电压，实现对流体流道的平衡控制。
封装盖体13的上方设有与第一腔体11对应的玻璃块8，玻璃块8与封装盖体13固定连接，玻璃块8为耐热玻璃块。
流体出口通道24在流体凹槽22的薄膜接触部延伸形成阀座18，阀座18的高度小于流体凹槽22的深度。
薄膜14的尺寸与第一腔体11的截面的尺寸相适应，薄膜接触部的尺寸与薄膜14的尺寸相适应，第一腔体11为圆柱形，第二腔体12为长方体形，薄膜14为圆形；第二腔体12为长方体形的目的在于，便于MEMS热式流速传感器芯片7的引线5外接作测试。
薄膜接触部设有垫圈17，垫圈17保证了气密性，垫圈17为金属垫圈。
流体进口通道21连通流体进口19，流体出口通道24连通流体出口20，流体进口19和流体出口20均设有外螺纹。
薄膜14为氮化铝薄膜。
流体出口通道24、流体进口通道21、封装盖体13、封装隔板15和封装基体23均为SUS316/SUS316L不锈钢材质，均基于传统机械加工得到。
本实施例的MEMS热式流速传感器芯片7中热敏电阻呈对称分布，加热电阻1位于中间，以加热电阻1为中心两边各设置了4对测温电阻2，通过测量加热电阻1和测温电阻2上的热温差来得到流速信息，具有灵敏度高、量程大、体积小等优点。距加热电阻1稍远处，各设置了一个补偿电阻3，用以测量环境温度，进行环境补偿；其工作基于热损失原理，制备基于MEMS加工工艺。
以下为一具体例子：
图6为本实施例的MEMS热式流速传感器芯片7，制备时选用玻璃基板，旋涂聚酰亚胺(PI)作为保护层；通过磁控溅射Cr/Pt薄膜于PI保护层上得到加热电阻1、测温电阻2和补偿电阻3；通过电镀约15um厚的金属Cu得到引线5，电镀约20um厚的金属Ni得到引脚6；通过旋涂约8um的聚酰亚胺支撑膜、溅射Cr/Cu金属阻挡层，再旋涂约20um厚聚酰亚胺作衬底层，最后用反应离子刻蚀聚酰亚胺薄膜，得到传感器芯片空腔4，从玻璃基板上剥离得到柔性MEMS热式流速传感器芯片7，尺寸为9mmx7mmx30um。
图3中为封装盖体13，尺寸为20mm x20mm x10mm；螺栓孔10直径约3.8mm；薄膜驱动模块9的厚度为6mm，长宽以3mmx10mm为例，此处注意，薄膜驱动模块9的压电效应主要与其厚度有关，本实施例的薄膜驱动模块9在100V电压情况下可以产生6.5um的形变；第一腔体11的大小以其所容纳的薄膜驱动模块9尺寸为依据，同理，第二腔体12以MEMS流速传感器芯片的尺寸为依据；玻璃块8位于薄膜驱动模块9上方，其尺寸大小约为5mm x 5mm x 2mm。
图4为封装隔板15，尺寸为20mm x 20mm x 0.15mm，薄膜14的直径与封装盖体13上第一腔体11的直径相对应，薄膜14所选用的材料为氮化铝，芯片流体通孔16的孔壁用以安放MEMS热式传感器芯片，MEMS热式传感器芯片上的加热电阻1、测温电阻2和补偿电阻3感知流体用以检测。
图5为封装基体23，尺寸为20mm x 20mm x 10mm，垫圈17的直径与薄膜14的尺寸相对应，需要注意的是，垫圈17位于薄膜接触部，流体凹槽22的深度约为0.2mm，流体凹槽22的芯片接触部对应于封装隔板15的MEMS流速传感器芯片，阀座18呈空心环结构，其内环的直径大小与流体出口通道24的外径相同，约为1-3mm左右。待测气体从流体进口19进入，从流体出口20流出，所形成的流体出口通道24和流体进口通道21的直径约为1-3mm，特别地，流体进口19和流体出口20均带有外螺纹。
通过四个M2内六角螺栓和自上而下的螺栓孔10可将封装盖体13、封装隔板15和封装基体23相连接，玻璃块8与封装盖体13之间通过粘合剂胶体相连，MEMS流速传感器芯片安放于封装隔板15上的芯片流体通孔16上方。
图1为薄膜驱动模块9在不加电情况下，薄膜14处于正常状态，流体出口通道24处于开启状态。
图2中，在加电情况下，薄膜14产生形变，处于扩张状态，通过薄膜14与阀座18接触，流体出口通道24处于关闭状态。
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