一種采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件的制作方法
【專利摘要】一種采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件，它涉及一種壓力敏感器件。本實用新型要解決現(xiàn)有的壓力敏感器件軸向尺寸大和徑向尺寸大的問題。本實用新型器件包括引線、管座、陶瓷絕緣材料、多層復(fù)合材料、硼硅玻璃基座、玻璃-金屬復(fù)合材料、金屬電極、芯片和密封環(huán)；硼硅玻璃基座的上表面與芯片的下表面靜電連接成密封結(jié)構(gòu)；硼硅玻璃基座下表面與陶瓷絕緣材料上表面通過多層復(fù)合材料軸向低溫?zé)Y(jié)成密封結(jié)構(gòu)，所述的多層復(fù)合材料為圓片結(jié)構(gòu)，硼硅玻璃基座的下表面為正方形，多層復(fù)合材料的直徑大于等于硼硅玻璃基座下表面的正方形的對角線。本實用新型用在壓力敏感器件領(lǐng)域。
【專利說明】一種采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種壓力敏感器件。

【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的壓力敏感器件主要有兩種封裝方式，一種是采用壓力敏感芯片正面作為感壓面，對其內(nèi)外腔形成的高、低壓力信號敏感，輸出與壓力差成比例的應(yīng)變，形成正、負兩個應(yīng)變區(qū)；同時材料由于壓阻效應(yīng)，其電阻率就要發(fā)生相應(yīng)的變化，敏感芯片就會輸出一個與被測壓力成正比的電壓信號，通過測量該電壓信號的大小，即可實現(xiàn)壓力的測量；這種封裝方式需要引線(金絲、硅鋁絲)將壓力敏感芯片正面的電極與支撐結(jié)構(gòu)(管殼)電極通過超聲波壓焊等方法形成電氣連接，同時需要(硅油)與被測介質(zhì)隔離，以保證絕緣性能及避免電極腐蝕、氧化。這種方式的內(nèi)部參考腔通過壓力敏感芯片背面的單晶硅與7740玻璃靜電封裝形成；通過粘接、燒結(jié)等方式與管座實現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)。這種玻封外殼充油型壓力敏感器件在高壓、高溫下硅油易泄露、金屬引線強振動條件下易斷裂和高溫使用存在Au-AI電極系統(tǒng)脫鍵失效等問題。
[0003]一種是采用壓力敏感芯片背面作為感壓面，工作原理與前述相同；芯片背面感壓形式，一方面芯片背面可以直接接觸被測介質(zhì)，不需要其他的隔離封裝，提高了傳感器的動態(tài)指標(biāo)；另一方面避兔芯片圖形接觸被測介質(zhì)，造成污染，同時滿足耐高溫的要求；采用芯片正面與玻璃基座靜電封接，并在玻璃基座上利用微加工的方法制作外引線封裝孔和參考壓力腔結(jié)構(gòu)；敏感芯片的玻璃基座與玻璃封裝的管殼燒接在一起，同時玻璃封裝管殼上的外引線與芯片的電極也用金屬玻璃漿料燒結(jié)在一起，形成敏感元件。這種壓力敏感器件在工作溫度范圍、抗過載能力、抗振動沖擊能力等技術(shù)上具有優(yōu)勢，解決了前一種封裝方式的缺點，但是壓力敏感芯片對作用在薄膜上的外力非常敏感。器件主要受熱機械應(yīng)力的影響，由芯片粘合結(jié)構(gòu)中的材料(S12)、襯底材料與粘合材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配而引起，熱應(yīng)力可能會導(dǎo)致器件在熱環(huán)境下做出異常的反應(yīng)，在極端情況下，還會對芯片粘合結(jié)構(gòu)造成永久的機械損傷。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有的壓力敏感器件軸向尺寸大和徑向尺寸大的問題，而提供了一種采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件。
[0005]本實用新型的一種采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件包括引線、管座、陶瓷絕緣材料、多層復(fù)合材料、硼硅玻璃基座、玻璃-金屬復(fù)合材料、金屬電極、芯片和密封環(huán)；
[0006]其中，陶瓷絕緣材料分別與引線、管座在保護氣氛下高溫?zé)Y(jié)成一體；引線向下穿出管座方向的陶瓷絕緣材料外表面處設(shè)置有密封環(huán)，密封環(huán)與陶瓷絕緣材料通過焊料燒結(jié)成一體，引線與密封環(huán)的內(nèi)孔表面通過焊料燒結(jié)成一體；
[0007]引線貫穿陶瓷絕緣材料、多層復(fù)合材料和硼硅玻璃基座，引線通過玻璃-金屬復(fù)合材料與金屬電極在保護氣氛下低溫?zé)Y(jié)連接；金屬電極的上表面與芯片的下表面貼合；
[0008]硼硅玻璃基座的上表面與芯片的下表面通過靜電連接成密封結(jié)構(gòu)；硼硅玻璃基座的下表面與陶瓷絕緣材料的上表面通過多層復(fù)合材料軸向低溫?zé)Y(jié)形成固態(tài)密封結(jié)構(gòu)。
[0009]本實用新型中有芯片的方向為上。
[0010]本實用新型提供采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件，采用硅壓阻效應(yīng)原理，在壓力敏感芯片上制作力敏電阻并形成惠斯通電橋，芯片背面腐蝕并形成應(yīng)力敏感薄膜；芯片正面與硼硅玻璃基座通過靜電封接形成參考壓力腔及應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)，并將硅片上的復(fù)合耐高溫電極層通過玻璃基座上的預(yù)制通孔顯現(xiàn)；再將具有抗腐蝕、無傳遞介質(zhì)、無引線、封裝應(yīng)力隔離性能的硅一玻璃復(fù)合敏感芯片與可伐、不銹鋼、鉭、Inconel625管殼燒結(jié)制成的陶瓷絕緣材料，通過多層復(fù)合材料軸向燒結(jié)形成密封支撐結(jié)構(gòu)，同時將管座上的引腳與芯片電極通過玻璃-金屬復(fù)合材料燒結(jié)，實現(xiàn)芯片信號與外界的電氣連接、芯片結(jié)構(gòu)與耐高壓、高溫氣密封裝管殼的剛性連接，從而形成采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件。采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件通過電子束、氬弧焊等焊接方法與金屬安裝結(jié)構(gòu)和電纜連接，封裝成無內(nèi)引線的采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件。
[0011]本實用新型的有益效果:
[0012]1、本實用新型硼硅玻璃基座、多層復(fù)合材料與陶瓷絕緣材料之間采用軸向疊層燒結(jié)結(jié)構(gòu)，燒結(jié)過程簡單，易于實現(xiàn)，且燒結(jié)面積大，使陶瓷絕緣材料和硼硅玻璃基座的連接更加牢固。
[0013]2、本實用新型硼硅玻璃基座、多層復(fù)合材料與陶瓷絕緣材料之間采用軸向疊層燒結(jié)結(jié)構(gòu)，進一步縮小了敏感器件的軸向尺寸，敏感器件的軸向尺寸的減小了 0.7~~
0.9_，徑向尺寸減少了 1.5~2_。
[0014]3、芯片中心的硅敏感膜作為應(yīng)力敏感部件，在受到外部壓力時會產(chǎn)生位移，并通過在內(nèi)部形成的惠斯通電橋，利用壓阻效應(yīng)將壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過芯片內(nèi)部電極、納米銀基低溫玻璃燒結(jié)材料、陶瓷金屬封裝管座電極輸出到后端系統(tǒng)。本實用新型的蒼片的硅敏感膜與硼硅玻璃基座通過靜電封接形成密封結(jié)構(gòu)，硼硅玻璃基座中心部位加工出凹槽，在真空環(huán)境下與SOI芯片的硅敏感膜形成參考壓力腔；硼硅玻璃(Pyrex7740)的熱膨脹系數(shù)(2.85X ΙΟΙ—1)與硅(2.62X KT6IT1)相近，溫度變化引起的熱應(yīng)力小，硼硅玻璃與硅的封接是最理想的；硼硅玻璃基座與管座上燒結(jié)的陶瓷絕緣材料的熱膨脹系數(shù)(7.0 X KT6IT1)相差較大，為了避免溫度變化引起的熱應(yīng)力，在硼硅玻璃與管座燒結(jié)的陶瓷絕緣材料之間采取了多層復(fù)合材料，使得各個過渡界面間的熱膨脹系數(shù)差小于(5 X 1^r1)，使應(yīng)力分布更加合理，提高了產(chǎn)品的抗高溫能力。
[0015]4、與采用壓力敏感芯片背面作為感壓面、玻璃管座封裝的敏感器件相比，本實用新型硼硅玻璃基座、多層復(fù)合材料與陶瓷絕緣材料之間采用軸向疊層燒結(jié)結(jié)構(gòu)，燒結(jié)面增大，提高了產(chǎn)品的抗震動性能，極大地改善了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，，使產(chǎn)品得以在較惡劣的環(huán)境條件下工作。
[0016]5、與采用壓力敏感芯片背面作為感壓面、玻璃管座封裝的敏感器件相比，本實用新型管座上燒結(jié)的陶瓷絕緣材料(陶瓷)的介電常數(shù)較小(一般ε < 10)，有非常優(yōu)良的高頻特性而且具有優(yōu)良的熟傳導(dǎo)性，適合高頻設(shè)計，在航空、航天、雷達、無線通訊、光電子、MEMS等應(yīng)用領(lǐng)域，具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢。
[0017]6、與采用壓力敏感芯片背面作為感壓面、玻璃管座封裝的敏感器件相比，本實用新型為了實現(xiàn)與金屬管殼的密封連接，需要在高溫條件下，將陶瓷絕緣材料的表面上燒結(jié)鎢作為過渡層，并通過鎳、Ag-Cu焊料作為過渡材料，將陶瓷絕緣材料與不同特性的金屬管殼燒結(jié)成密封結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對敏感芯片的支撐、保護、電氣互聯(lián)功能。
[0018]7、與采用壓力敏感芯片正面作為感壓面的敏感器件相比，本實用新型的陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件避免了①鍵合工藝差錯造成失效；②器件使用過程中內(nèi)引線斷裂和脫鍵；⑧壓焊界面間形成化合物使Au-Al系統(tǒng)失效熱循環(huán)使引線疲勞而失效。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為【具體實施方式】一中所述的采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件的示意圖；其中，I為引線，2為管座，3為陶瓷絕緣材料，4為多層復(fù)合材料，5為硼硅玻璃基座，6為玻璃一金屬復(fù)合材料,7為金屬電極,8為芯片,9為密封環(huán)；圖2為實施例1中米用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件的制作流程。

【具體實施方式】
[0020]【具體實施方式】一:結(jié)合圖1，本實施方式中一種采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件包括引線1、管座2、陶瓷絕緣材料3、多層復(fù)合材料4、硼硅坡璃基座5、玻璃一金屬復(fù)合材料6、金屬電極7、芯片8和密封環(huán)9 ；
[0021]其中，陶瓷絕緣材料3分別與引線1、管座2在保護氣氛下高溫?zé)Y(jié)成一體；引線I向下穿出管座2方向的陶瓷絕緣材料3外表面處設(shè)置有密封環(huán)9，密封環(huán)9與陶瓷絕緣材料3通過焊料燒結(jié)成一體，引線I與密封環(huán)9的內(nèi)孔表面通過焊料燒結(jié)成一體；
[0022]引線I貫穿陶瓷絕緣材料3、多層復(fù)合材料4和硼硅玻璃基座5，引線I通過玻璃一金屬復(fù)合材料6與金屬電極7在保護氣氛下低溫?zé)Y(jié)連接；金屬電極7的上表面與芯片8的下表面貼合；
[0023]硼硅玻璃基座5的上表面與芯片8的下表面通過靜電連接成密封結(jié)構(gòu)；硼硅玻璃基座5的下表面與陶瓷絕緣材料3的上表面通過多層復(fù)合材料4軸向低溫?zé)Y(jié)形成固態(tài)密封結(jié)構(gòu)。
[0024]本實施方式中有芯片8的方向為上。
[0025]本實施方式中所述的硼硅玻璃基座5、多層復(fù)合材料4與陶瓷絕緣材料3之間采用軸向疊層燒結(jié)成一體。
[0026]本實施方式中所述的管座2的材質(zhì)為可伐、不銹鋼、鉭或Inconel625合金。
[0027]本實施方式中所述的與陶瓷絕緣材料3燒結(jié)成一體的引線I的連接處電鍍鎳層；所述的與陶瓷絕緣材料3燒結(jié)成一體的管座2的連接處電鍍鎳層。
[0028]本實施方式中所述的玻璃一金屬復(fù)合材料6為圓錐形結(jié)構(gòu)的納米貴金屬基低溫玻璃燒結(jié)材料，燒結(jié)溫度為420°C?650°C;所述的玻螭為硅酸鹽、硼硅酸鹽、磷酸鹽、硼硅酸鋅、鈉鈣玻璃、硅酸鉛或硼酸鉛鋅；所述的金屬為金、銀、鈀或鉬。
[0029]本實施方式中所述的陶瓷絕緣材料3與引線1、管座2燒結(jié)成一體的連接處高溫?zé)Y(jié)鶴層。
[0030]本實施方式中所述的陶瓷絕緣材料3與引線1、管座2燒結(jié)成一體，燒結(jié)所用的焊料為Ag-Cu焊料。
[0031]本實施方式中所述的多層復(fù)合材料4的特征為多層復(fù)合材料的各層材料的燒結(jié)溫度為4 2 (TC?6 5 O °C，多層復(fù)合材料的各層材料的線膨脹系數(shù)從4 O X I O—V °C至65X10_7/°C階梯遞增，且與陶瓷、硼硅玻璃之間具有可燒結(jié)性。
[0032]本實施方式的采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件，將硅一玻璃復(fù)合敏感芯片與陶瓷絕緣材料通過多層復(fù)合材料進行軸向燒結(jié)形成密封支撐結(jié)構(gòu)，同時將管座上的引腳與芯片電極通過玻璃一金屬復(fù)合材料燒結(jié)，封裝成無內(nèi)引線的壓力傳感器。它進一步縮小了軸向尺寸、提高了抗振動能力、抗惡劣環(huán)境能力強。
[0033]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一的不同之處是，所述的陶瓷絕緣材料3為Al203、SiC、Be0、Ti02、Zr02、Mg0、AIN、Si3N4、BN及上述物質(zhì)的混合物。其他與【具體實施方式】一相同。
[0034]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二的不同之處是，所述的多層復(fù)合材料4為圓片結(jié)構(gòu)，所述的多層復(fù)合材料4的上表面的邊緣設(shè)置倒角。其他與【具體實施方式】一或二相同。
[0035]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一的不同之處是，所述的硼娃玻璃基座5的下表面為正方形。其他與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0036]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一的不同之處是，所述的多層復(fù)合材料4的直徑大于等于硼硅玻璃基座5下表面的正方形的對角線；所述的多層復(fù)合材料4下表面的直徑與陶瓷絕緣材料3上表面的直徑相等。其他與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0037]通過以下實施例驗證本實用新型的有益效果:
[0038]實施例1:結(jié)合圖1，本實施例中一種采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件包括引線1、管座2、陶瓷絕緣材料3、多層復(fù)合材料4、硼硅玻璃基座5、玻璃一金屬復(fù)合材料
6、金屬電極7、芯片8和密封環(huán)9 ；
[0039]其中，陶瓷絕緣材料3分別與引線1、管座2在保護氣氛下高溫?zé)Y(jié)成一體；引線I向下穿出管座2方向昀陶瓷絕緣材料3外表面處設(shè)置有密封環(huán)9，密封環(huán)9與陶瓷絕緣材料3通過焊料燒結(jié)成一體，引線I與密封環(huán)9的內(nèi)孔表面通過焊料燒結(jié)成一體；
[0040]引線I貫穿陶瓷絕緣材料3、多層復(fù)合材料4和硼硅玻璃基座5，引線I通過玻璃一金屬復(fù)合材料6與金屬電極7在保護氣氛下低溫?zé)Y(jié)連接；金屬電極7的上表面與芯片8的下表面貼合；
[0041]硼娃玻璃基座5的上表面與芯片8的下表面通過靜電連接成密封結(jié)構(gòu)；硼娃玻璃基座5的下表面與陶瓷絕緣材料3的上表面通過多層復(fù)合材料4軸向低溫?zé)Y(jié)形成固態(tài)密封結(jié)構(gòu)。
[0042]本實施例中所述的多層復(fù)合材料4的特征為多層復(fù)合材料的各層材料的燒結(jié)溫度為420°C?650°C，多層復(fù)合材料的各層材料的線膨脹系數(shù)從40xl0-7/°C至65xlO_7/°C階梯遞增，且與陶瓷、硼硅玻璃之間具有可燒結(jié)性。
[0043]本實施例中所述的管座2的材質(zhì)為可伐合金。
[0044]本實施例中所述的陶瓷絕緣材料3為Al203。
[0045]本實施例中所述的與陶瓷絕緣材料3燒結(jié)成一體的引線I的連接處電鍍鎳層。
[0046]本實施例中所述的與陶瓷絕緣材料3燒結(jié)成一體的管座2的連接處電鍍鎳層。
[0047]本實施例中所述的玻璃一金屬復(fù)合材料6為圓錐形結(jié)構(gòu)的納米貴金屬基低溫玻璃燒結(jié)材料，燒結(jié)溫度為420°C?650°C ;所述的玻璃為硅酸鹽；所述的金屬為銀。
[0048]本實施例中所述的陶瓷絕緣材料3與引線1、管座2燒結(jié)成一體的表面高溫?zé)Y(jié)鎢層。
[0049]本實施例中所述的陶瓷絕緣材料3與引線1、管座2燒結(jié)成一體，燒結(jié)所用的焊料為Ag-Cu焊料。
[0050]本實施例中所述的多層復(fù)合材料4為圓片結(jié)構(gòu)，所述的多層復(fù)合材料4的上表面的邊緣設(shè)置倒角。
[0051]本實施例中所述的硼硅玻璃基座5的下表面為正方形。
[0052]本實施例中所述的多層復(fù)合材料4的直徑大于等于硼硅玻璃基座5下表面的正方形的對角線；所述的多層復(fù)合材料4下表面的直徑與陶瓷絕緣材料3上表面的直徑相等。
[0053]本實施例中有芯片8的方向為上。
[0054]本實施例的采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件的性能指標(biāo)軸向尺寸為15+2mm,徑向尺寸為 7.5+0.2mm。
[0055]本實施例的采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件的制作流程如圖2。
【權(quán)利要求】
1.一種采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件，它包括引線(I)、管座(2)、陶瓷絕緣材料(3)、多層復(fù)合材料(4)、硼硅玻璃基座(5)、玻璃-金屬復(fù)合材料(6)、金屬電極(7)、芯片⑶和密封環(huán)(9)； 其中，陶瓷絕緣材料(3)分別與引線(I)、管座(2)在保護氣氛下高溫?zé)Y(jié)成一體；弓丨線(I)向下穿出管座(2)方向的陶瓷絕緣材料(3)外表面處設(shè)置有密封環(huán)(9)，密封環(huán)(9)與陶瓷絕緣材料(3)通過焊料燒結(jié)成一體，引線(I)與密封環(huán)(9)的內(nèi)孔表面通過焊料燒結(jié)成一體； 引線(I)貫穿陶瓷絕緣材料(3)、多層復(fù)合材料(4)和硼硅玻璃基座(5)，引線(I)通過玻璃-金屬復(fù)合材料(6)與金屬電極(7)在保護氣氛下低溫?zé)Y(jié)連接；金屬電極(7)的上表面與芯片(8)的下表面貼合； 其特征在于硼硅玻璃基座(5)的上表面與芯片(8)的下表面通過靜電連接成密封結(jié)構(gòu)；硼硅玻璃基座(5)的下表面與陶瓷絕緣材料(3)的上表面通過多層復(fù)合材料(4)軸向低溫?zé)Y(jié)形成固態(tài)密封結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件，其特征在于所述的陶瓷絕緣材料(3)為 Al203、SiC、Be0、Ti02、Zr02、Mg0、AIN、Si3N4*BN。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件，其特征在于所述的多層復(fù)合材料(4)為圓片結(jié)構(gòu)，所述的多層復(fù)合材料(4)的上表面的邊緣設(shè)置倒角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件，其特征在于所述的硼硅玻璃基座(5)的下表面為正方形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用陶瓷金屬管殼軸向燒結(jié)的壓力敏感器件，其特征在于所述的多層復(fù)合材料(4)的直徑大于等于硼硅玻璃基座(5)下表面的正方形的對角線；所述的多層復(fù)合材料(4)下表面的直徑與陶瓷絕緣材料(3)上表面的直徑相等。
【文檔編號】G01L1/18GK203858052SQ201420208970
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】苗欣, 吳亞林, 張偉亮, 王長虹 申請人:中國電子科技集團公司第四十九研究所