本文介紹了目前市場(chǎng)較為常見的幾種壓力傳感器的封裝形式，對(duì)其中不銹鋼隔離波紋膜片封裝結(jié)構(gòu)和模型進(jìn)行行了詳細(xì)的介紹和分析，總結(jié)了不銹鋼隔充油離膜片封裝結(jié)構(gòu)中，波紋膜片、硅膠、敏感芯片選型要求，并對(duì)封裝焊接工藝做了詳細(xì)的研究。

一、封裝的基本要求及典型封裝形式

一般來說，壓力傳感器的封裝應(yīng)依據(jù)傳感器測(cè)量原理、芯片的結(jié)構(gòu)、以及被測(cè)量對(duì)象和應(yīng)用環(huán)境的不同，確定其封裝的要求。在武器裝備等軍事應(yīng)用領(lǐng)域中，對(duì)傳感器封裝的要求很高，在民品應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)封裝的要求可適當(dāng)?shù)姆艑?。與加速度、諧振器和陀螺儀等其他傳感器相比，壓力傳感器用于壓力測(cè)量時(shí)，其壓力芯片通常必須直接暴露在被測(cè)量的流體中，這就要求采用既能保護(hù)芯片，又能傳遞壓力的方法對(duì)壓力傳感器進(jìn)行封裝，因此，其封裝要求和難度相當(dāng)較高?？偟膩碚f，壓力傳感器的封裝應(yīng)該滿足以下幾方面的要求：

1）機(jī)械上應(yīng)該是堅(jiān)固的，可以抗振動(dòng)，抗沖擊；

2）應(yīng)當(dāng)避免熱應(yīng)力對(duì)芯片的影響；

3）電氣上要求芯片與環(huán)境或大地是絕緣的；

4）電磁上要求是屏敝的；

5）用氣密的方式隔離腐蝕氣體或流體，或通過非氣密隔離方式隔離水氣；

6）低價(jià)格，封裝形式與標(biāo)準(zhǔn)制造工藝兼容。圖1是壓力傳感器市場(chǎng)上常用的幾種封裝形式。圖（a）是TO封裝外型，（b）是氣密充油的不銹鋼封裝，（c）是小外形塑料封裝（SOP），這三種封裝形式為壓力敏感頭，（d）是不銹鋼封裝的壓力傳感器產(chǎn)品壓力變送器。

（a）                                                    （b）

（c）                                                   （d）

圖1、壓力傳感器的幾種典型封裝形式

二、TO 封裝結(jié)構(gòu)

壓力傳感器TO封裝是一種低成本的封裝形式，屬非氣密封裝，主要用于監(jiān)測(cè)非腐蝕氣體和與干燥空氣介質(zhì)兼容的氣體。其應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車儀表、醫(yī)藥衛(wèi)生、氣體控制系統(tǒng)、空調(diào)、制冷設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)和儀器儀表等。TO封裝屬于傳感器的一次封裝，在使用時(shí)需根據(jù)其應(yīng)用環(huán)境對(duì)傳感器進(jìn)行二次封裝，以滿足性能和可靠性要求。如圖2所示為TO封裝的壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。圖中所示的壓力傳感器是絕壓芯片。TO封裝的工藝包括芯片與玻璃的靜電鍵合、貼片、引線鍵合、封帽及涂膠保護(hù)。

圖2 TO封裝壓力傳感器結(jié)構(gòu)

三、不銹鋼隔離波紋膜片封裝

如圖3所示為不銹鋼隔膜片封裝的硅壓阻壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖，這種封裝結(jié)構(gòu)為氣密封裝。該壓力傳感器廣泛地應(yīng)用于航天、航空、工業(yè)自動(dòng)化控制、汽車等領(lǐng)域。它的固態(tài)應(yīng)變膜片特性、不銹鋼隔膜結(jié)構(gòu)和極好的動(dòng)態(tài)性能可滿足信號(hào)對(duì)壓力傳感器的高穩(wěn)定、高可靠、低功耗、動(dòng)態(tài)測(cè)試等的要求。它不但可以進(jìn)行普通的氣體及液體的壓力測(cè)量，而且可以用于腐蝕性的氣體及液體如酸、堿及各種液體推進(jìn)劑等的壓力測(cè)量。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)非常有利于發(fā)展成系列化的、通用型的傳感器。

圖3、鋼隔離膜片封裝壓力傳感器結(jié)構(gòu)

這種隔離膜壓力傳感器頭由金屬基座、管殼、硅油、傳感器壓力芯片及不銹鋼膜片組成。其主要的制造工藝為：硅芯片選用靜電鍵合工藝封接而成，封接好的芯片用膠接工藝貼在管殼基座上，芯片上的焊盤與管座上的引腳是用Au絲引線連接起來的。不銹鋼隔膜與殼體采用熔焊工藝進(jìn)行焊接，焊接工藝常用激光焊接、氬弧焊、微束等離子焊接或電子束焊接等。硅油灌充工藝一般采用真空灌充技術(shù)，可基本消除殘余氣體對(duì)隔離測(cè)壓系統(tǒng)的影響，提高傳感器的精度及穩(wěn)定性。硅壓阻壓力傳感器本身有一個(gè)固有的特性，就是溫度系數(shù)較大，因此需要對(duì)其進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償。常用的溫補(bǔ)方式是在應(yīng)變電橋上附加電阻網(wǎng)絡(luò)，通過測(cè)試及計(jì)算其高低溫特性，確定網(wǎng)絡(luò)阻值，以達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康?。這種傳感器的測(cè)量原理是外界壓力通過硅油傳遞到敏感芯片上，再由敏感芯片測(cè)出壓力。然而，在考慮硅油的熱膨脹的情況時(shí)，填充在腔體中的硅油量應(yīng)盡可能的少，否則，硅油在不同溫度下的體積膨脹將會(huì)對(duì)測(cè)量壓力帶來較大的誤差，而且很容易引起傳感器的溫度漂移。

四、影響壓力傳感器性能關(guān)鍵因素分析

1、不銹鋼隔離膜片

不銹鋼隔離膜片的設(shè)計(jì)與硅膜片的設(shè)計(jì)一樣，要求在測(cè)量壓力范圍內(nèi)，其變形處在線彈性范圍內(nèi)。為了提高膜片的變形量，又能夠增加其線性范圍，人們通常將不銹鋼膜片設(shè)計(jì)成波紋狀。波狀的薄膜在同樣的載荷下既能產(chǎn)生較大的變形，又能增加線性范圍。這種薄膜的撓度y與壓力P的關(guān)系表達(dá)式為[2]：

其中

式中q是薄膜波形特征因子，對(duì)正弦波型其q為：

式中，h＝膜片的厚度，R＝膜片的半徑，s＝波形弧長(zhǎng)；H＝波形深度；L＝波形空間周期。對(duì)平的薄膜q＝1，波形的精確程度對(duì)q幾乎沒有影響，因此矩形波形一般可用弦波近似。圖4給出了波紋片樣品。

圖4 波紋片樣品

2、隔離波紋膜片的彈性模型

為了分析壓力通過隔離薄膜的傳遞規(guī)律，我們對(duì)這種封裝形式的傳感器作如下假設(shè)，即假設(shè)硅油是不可壓縮的，不銹鋼膜片可看成周邊固支的圓形薄膜，則壓力通過硅油傳遞到硅薄膜將不引起任何附加損耗。簡(jiǎn)化模型如圖5所示。因此，當(dāng)外界作用在傳感器上的壓力為P時(shí)，壓力通過不銹鋼膜片再由硅油傳遞到硅壓力芯片上，若不銹鋼膜片的彈性反作用力為P_g硅的彈性反作用力為P_Si，則有：

圖5 隔離薄膜壓力傳感器彈性簡(jiǎn)化模型

此模型總剛度系數(shù)為：1/k=1/K1+1/k2+1/k3，其中K為總剛度系數(shù)，K1、K2、K3分別為銹鋼膜片剛度系數(shù)、薄膜的剛度系數(shù)、硅膠的剛度系數(shù)。顯然如要壓力更好的傳遞到芯片上，選用的不銹鋼膜片剛度系數(shù)、硅薄膜的剛度系數(shù)其越小越好，即不銹鋼隔離薄膜的半徑越大、薄膜厚度越薄，壓力越容易通過硅油傳遞到硅芯片上，壓力的傳遞損失也越小(同樣壓力產(chǎn)生的擾度越大)。

3、硅油的溫度特性對(duì)壓力傳感器性能的影響

任何液體的體積隨溫度變化將發(fā)生變化，硅油也不例外。硅油的熱膨脹系數(shù)為（0.7～0.9）×10-²/℃，當(dāng)傳感器在－30～80℃溫區(qū)工作時(shí)，全溫區(qū)內(nèi)封裝殼體內(nèi)硅油的體積變化量為8％～9％。當(dāng)假設(shè)硅油為理想的不可壓縮物質(zhì)時(shí)，這一變化量是有規(guī)律的并可由隔離膜片在彈性范圍內(nèi)，在定標(biāo)時(shí)進(jìn)行修正。但如果硅油和工件凈化不充分，硅油和傳感器內(nèi)混有空氣、水分等可壓縮易揮發(fā)的物質(zhì)，那么硅油在全程溫度工作范圍內(nèi)將無(wú)規(guī)律變化，而這一變化量在全密封的傳感器室內(nèi)形成的力就會(huì)作用在芯片上，使傳感器的輸出特性隨環(huán)境溫度而發(fā)生無(wú)規(guī)律的變化，這樣傳感器的溫度特性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性非常差，因此，在封裝時(shí)要對(duì)硅油進(jìn)行加熱真空凈化處理，并在真空環(huán)境下將硅油沖入壓力傳感器封裝腔體里，凈化加熱溫度為120℃，時(shí)間在半小時(shí)以上。此外，在焊接過程中，會(huì)引起硅油的分解或改變硅油的性能，這－問題在封裝工藝的過程中應(yīng)盡量避免。

五、封焊工藝研究

由于軍事、工業(yè)用壓力傳感器的的使用溫度范圍一般在-40℃-125℃內(nèi)，如果焊接時(shí)，高溫時(shí)間過長(zhǎng)，可能會(huì)造成敏感芯片損壞和硅油在高溫下分解，所以要求焊接過程短，局部加熱，焊縫位置符合氣密檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（注：焊接需要在硅油中進(jìn)行）。針對(duì)以上特點(diǎn)我們采用的是儲(chǔ)能焊接工藝，焊接結(jié)構(gòu)及焊接過程示意圖如圖6與圖7所示：

(6）焊接結(jié)構(gòu)                                                               (7)焊接過程示意圖

我們分別用電容儲(chǔ)能焊和中頻直流逆變式儲(chǔ)能焊對(duì)傳感器樣件進(jìn)行了封焊。電容儲(chǔ)能焊電流較大，焊后表面溫度高于中頻直流逆變式，且其工件表面焊接效果有明顯壓痕；中頻直流逆變式儲(chǔ)能焊（圖8）焊接時(shí)間和能量可以調(diào)節(jié)，能夠二次放電，焊接后表面溫度，其相較于較低電容儲(chǔ)能焊的壓力較小，焊接后的工件表面壓痕不明顯。

圖8 焊接現(xiàn)場(chǎng)(中頻直流逆變式)

從我們封裝好的壓力傳感器的測(cè)試情況來看，兩種焊接過程對(duì)傳感器的敏感芯片基本沒有損傷，都能滿足傳感器的性能要求。通過傳感器的封焊過程研究和對(duì)封裝好的傳感器測(cè)試情況來看，可以得出以下結(jié)論：

1、儲(chǔ)能焊可以在硅油中焊接；   

2、焊接過程電流、溫度并未對(duì)敏感芯片造成影響；

3、焊接的密封能夠達(dá)到氣密檢測(cè)要求，儲(chǔ)能焊接能夠滿足擴(kuò)散硅傳感器不銹鋼隔離膜片封裝要求。 本文源自澤天傳感，版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處！