CN103196623A - 基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种介质隔离压力传感器，尤其是基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器，本发明提供的基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器，其通过背面金属化工艺使传感器芯片具有可焊性，再通过预成型焊料将传感器芯片与芯片安装基座焊接，芯片安装基座与压力接口粘接，最后电气接口与金属外壳通过旋铆技术，压力接口与金属外壳通过激光焊接技术将整个电路进行隔离封装，使测试介质与电路完全隔离，从而实现隔离测量介质压力的功能。本发明简化封装工艺，提高产品可靠性，有装配关系的零件都基于防呆和防反识别来设计，其中PCB通过新设计的PCB连接器进行安装，只需插拔，无需焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种介质隔离压力传感器，尤其是基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器。
背景技术
介质隔离传感器是将传感器芯片封装在能隔离测量介质的空腔内，因而在各种恶劣的应用环境中，仍能保证卓越的灵敏度、线性度。
目前应用较多的充油式介质隔离压力传感器，不锈钢膜片与金属外壳采用熔焊工艺进行气密性焊接，其中传感器内的硅油一般经过高温高真空下的处理，在真空下灌充，以消除残余气体对隔离测压系统的影响。充油式介质隔离压力传感器是基于硅油在低压力下的不可压缩性，来作为传递压力的载体，将压力传递至传感器芯片。由于真空灌封工艺时间较长，使得整个制造工艺较为复杂，其产量一直维持在一个较低的水平。
国外公司新研发的介质隔离传感器，其通过贴片胶将传感器芯片粘贴到压力接口，测试介质经过压力接口直接作用于传感器芯片，由于受传感器芯片尺寸的限制，其胶接的面积小，只能承受较低的压力，另外贴片胶在高温下的稳定性较差，在较恶劣的应用环境下其可靠性很难得到保障，这些很大程度上制约了这种产品的发展。
发明内容
针对上述的问题，本发明提供一种基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器，其导入了背面金属化工艺使传感器芯片具有可焊性，用焊接技术代替了传统的胶接，使得传感器的承压能力和介质兼容性更强，为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器，包括传感器芯片、芯片安装基座、PCB下板、信号调理芯片、PCB连接器、PCB顶板、PCB上板、电气接口、金属外壳、压力接口；芯片安装基座为中空结构，中间有通孔，传感器芯片焊接在芯片安装基座通孔顶端上，芯片安装基座通过胶水粘接与PCB下板粘结；信号调理芯片贴装在PCB下板上，信号调理芯片通过金丝与传感器芯片金丝键合；PCB上板与PCB下板通过PCB连接器连接，PCB上板通过柔性电路板与PCB顶板连接，PCB顶板与电气接口连接；芯片安装基座另一端粘结在压力接口上，芯片安装基座通孔的末端与压力接口连通，压力接口与电气接口通过金属外壳连接为整体。
传感器芯片包括硅层、玻璃层和金属层，金属层通过预成型焊料回流焊接在芯片安装基座通孔的顶端上。
所述的传感器芯片的金属层为在玻璃层面上植入厚度约400-1000nm的金或银。
所述芯片安装基座上焊接面电镀锡镍合金层。
芯片安装基座焊接面电镀锡镍合金，传感器芯片通过溅射或蒸镀工艺在玻璃层面植入金属层，使传感器芯片具有可焊性。
压力接口与金属外壳通过激光焊接为一体，电气接口内的密封槽内装入密封圈后与金属外壳通过旋铆工艺压紧。
芯片安装基座与PCB下板粘结处有定位凸台，PCB下板中间的孔形状相对应，保证PCB下板安装方向的唯一性。
芯片安装基座与PCB下板粘结处还有沉槽，芯片安装基座与压力接口粘结处有三角密封槽，三角密封槽，即横截面为三角形的槽，可以是多个槽组合，增加了有效粘接面积，增强了胶接强度。
PCB连接器包括连接器壳体和两端面的线路板插针，PCB上板和PCB下板对应的位置有插孔，连接器壳体内有空腔用于容纳传感器芯片。PCB通过PCB连接器进行安装，只需插拔，无需焊接。
电气接口与PCB顶板连接处有定位柱和插针，PCB顶板对应的位置有定位口和插孔。定位柱在电气接口的安装过程中起到了定位和防偏转的作用，有效地保证了旋铆工艺的质量，插针用于进行电连接。
芯片安装基座采用膨胀合金加工而成，不锈钢的热膨胀系数为18ppm/℃，膨胀合金的热膨胀系数为3ppm/℃，而芯片的热膨胀系数为2.6ppm/℃，可见膨胀合金与芯片的热匹配性更好，用膨胀合金替代不锈钢，在高温情况下对传感器的精度影响更小，在保证传感器精度的情况下，拓宽了传感器的使用温度范围。
本发明提供的基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器，其通过背面金属化工艺使传感器芯片具有可焊性，再通过预成型焊料将传感器芯片与芯片安装基座焊接，芯片安装基座与压力接口粘接，最后电气接口与金属外壳通过旋铆技术，压力接口与金属外壳通过激光焊接技术将整个电路进行隔离封装，使测试介质与电路完全隔离，从而实现隔离测量介质压力的功能。为了简化封装工艺，提高产品可靠性，装配关系的零件都基于防呆和防反识别来设计，其中PCB通过新设计的PCB连接器进行安装，只需插拔，无需焊接。这种传感器是基于应用中的恶劣环境而设计的，可适应各种测试介质，且适宜于批量生产。
附图说明
图1为本发明剖面结构示意图；
图2为芯片安装基座的立体结构示意图；
图3为芯片安装基座的剖面结构示意图；
图4为传感器芯片结构示意图；
图5为传感器芯片贴装键合的示意图；
图6为PCB连接器的结构示意图；
图7为PCB连接器的安装示意图；
图8为电气接口的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器，包括传感器芯片1、芯片安装基座2、PCB下板3、信号调理芯片4、PCB连接器5、PCB顶板6、PCB上板7、电气接口8、金属外壳9、压力接口10；芯片安装基座2为中空结构，中间有通孔，传感器芯片1焊接在芯片安装基座2通孔顶端焊接面21上，芯片安装基座2通过胶水与PCB下板3粘接；信号调理芯片4贴装在PCB下板3上，信号调理芯片4通过金丝41与传感器芯片1金丝键合；PCB上板7与PCB下板3通过PCB连接器5连接，PCB上板7通过柔性电路板61与PCB顶板6连接，PCB顶板6与电气接口8连接；芯片安装基座2另一端粘结在压力接口10上，芯片安装基座2通孔的末端与压力接口10连通，压力接口10与电气接口8通过金属外壳9连接为整体。
其中，如图2所示，传感器芯片1包括硅层11、玻璃层12和金属层13，金属层13通过预成型焊料回流焊接在芯片安装基座2通孔顶端焊接面21上。
传感器芯片1的金属层13为在玻璃层12面上植入厚度约400-1000nm的金或银。
如图3和图4所示，芯片安装基座2上焊接面21电镀锡镍合金层。
如图3、图4和图5所示，芯片安装基座2与PCB下板3粘结处有定位凸台22，PCB下板3中间的孔形状与之相对应，保证PCB下板3安装方向的唯一性；
芯片安装基座2与PCB下板3粘结处还有沉槽23，芯片安装基座2与压力接口10粘结处有三角密封槽24，增加了有效粘接面积，增强了胶接强度。
如图6和图7所示，PCB连接器5包括连接器壳体51和两端面的线路板插针52，PCB上板7和PCB下板3对应的位置有插孔，连接器壳体51内有空腔用于容纳传感器芯片1。PCB通过PCB连接器进行安装，只需插拔，无需焊接。
如图8所示，电气接口8与PCB顶板6连接处有定位柱84和插针83，PCB顶板6对应的位置有定位口和插孔。定位柱在电气接口的安装过程中起到了定位和防偏转的作用，有效地保证了旋铆工艺的质量，插针用于进行电连接。
压力接口10与金属外壳9通过激光焊接为一体，电气接口8内的密封槽82内装入密封圈81后与金属外壳9通过旋铆工艺压紧。
Claims (10)
1.基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器，其特征在于：包括传感器芯片（1）、芯片安装基座（2）、PCB下板（3）、信号调理芯片（4）、PCB连接器（5）、PCB顶板（6）、PCB上板（7）、电气接口（8）、金属外壳（9）、压力接口（10）；芯片安装基座（2）为中空结构，中间有通孔，传感器芯片（1）焊接在芯片安装基座（2）通孔顶端焊接面（21）上，芯片安装基座（2）通过胶水粘接PCB下板（3）中间的孔内；信号调理芯片（4）贴装在PCB下板（3）上，信号调理芯片（4）通过金丝（41）与传感器芯片（1）金丝键合；PCB上板（7）与PCB下板（3）通过PCB连接器（5）连接，PCB上板（7）通过柔性电路板（61）与PCB顶板（6）连接，PCB顶板（6）与电气接口（8）连接；芯片安装基座（2）另一端粘结在压力接口（10）上，芯片安装基座（2）通孔的末端与压力接口（10）连通，压力接口（10）与电气接口（8）通过金属外壳（9）连接为整体。
2.根据权利要求1所述的基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器，其特征在于：所述的传感器芯片（1）包括硅层（11）、玻璃层（12）和金属层（13），金属层（13）通过预成型焊料回流焊接在芯片安装基座（2）通孔顶端焊接面（21）上。
3.根据权利要求2所述的基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器，其特征在于：所述的传感器芯片（1）的金属层（13）为在玻璃层（12）面上植入厚度约400-1000nm的金或银。
4.根据权利要求1所述的基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器，其特征在于：所述芯片安装基座（2）的焊接面（21）电镀锡镍合金层。
5.根据权利要求1所述的基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器，其特征在于：所述压力接口（10）与金属外壳（9）通过激光焊接为一体，电气接口（8）内的密封槽（82）内装入密封圈（81）后与金属外壳（9）通过旋铆工艺压紧。
6.根据权利要求1所述的基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器，其特征在于：所述芯片安装基座（2）与PCB下板（3）粘结处有定位凸台（22），PCB下板（3）中间的孔形状与之相对应，保证PCB下板（3）安装方向的唯一性。
7.根据权利要求1、4或6任一项所述的基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器，其特征在于：所述芯片安装基座（2）与PCB下板（3）粘结处还有沉槽（23），芯片安装基座（2）与压力接口（10）粘结处有三角密封槽（24），增加了有效粘接面积，增强了胶接强度。
8.根据权利要求1所述的基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器，其特征在于：所述的PCB连接器（5）包括连接器壳体（51）和两端面的线路板插针（52），PCB上板（7）和PCB下板（3）对应的位置有插孔，连接器壳体（51）内有空腔用于容纳传感器芯片（1）。
9.根据权利要求1或5所述的基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器，其特征在于：电气接口（8）与PCB顶板（6）连接处有定位柱（84）和插针（83），PCB顶板（6）对应的位置有定位口和插孔。
10.根据权利要求1、4或6所述的基于背面金属化工艺的介质隔离压力传感器，其特征在于：芯片安装基座（2）采用膨胀合金加工而成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130710 |