1.金屬膜片 2.金屬殼體 3.TO管座 4.電路板 5.引腳 6.轉(zhuǎn)接板 7.填充陶瓷片 8.擴(kuò)散硅壓力敏感芯片

(b) 基于系統(tǒng)級(jí)封裝的壓力傳感器的封裝

1.金屬膜片 2.金屬殼體 3.引腳 4.電路板 5.填充陶瓷片 6.擴(kuò)散硅壓力敏感芯片

圖2 傳統(tǒng)封裝與系統(tǒng)級(jí)封裝

由于有兩層殼體，造成壓力傳感器體積大，成本也不易降低，同時(shí)由于將敏感頭和電路板放入外殼的過(guò)程中需要加壓、卷邊，將導(dǎo)致敏感頭產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，出現(xiàn)零點(diǎn)飄移。

當(dāng)應(yīng)用SIP技術(shù)將敏感芯片和電路一起植入外殼中時(shí)，體積明顯比傳統(tǒng)封裝工藝小，省掉一道外殼也降低了成本。只需要將膜片上的壓環(huán)設(shè)計(jì)成需要的螺紋接口，同時(shí)將殼體另一端壓接合適的輸出和電源接頭就能滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的需要。

3.2 陶瓷基板實(shí)現(xiàn)敏感元件和電路的一體化

封裝首先在位置上要固定敏感器件，其次要能夠進(jìn)行必須的電路連接，常用的封裝形式有TO封裝、氣密充油的不銹鋼封裝、小外形塑料封裝等。

擴(kuò)散硅壓力芯片和玻璃載體之間的靜電封接工藝是MEMS芯片封裝中常用的工藝。為了避免芯片在封接時(shí)是產(chǎn)生大的熱應(yīng)力，通常選用熱膨脹系數(shù)與硅相近的材料作芯片的載體。為減小壓力傳感器的體積，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)封裝，必須將擴(kuò)散硅壓力芯片和相關(guān)電路集成在一塊電路基板上，也就是電路板本身作為擴(kuò)散硅壓力芯片的載體，達(dá)到此目的的首要條件是電路基板材料的熱膨脹系數(shù)與硅片的熱膨脹系數(shù)相近，在普通電路板所使用的基板材料中只有陶瓷基板滿(mǎn)足要求，因此在電路板設(shè)計(jì)中選用陶瓷基板，并根據(jù)體積和結(jié)構(gòu)的要求，選用0402封裝的電阻、電容和電感，極大地縮小了電路系統(tǒng)的體積和外形尺寸，實(shí)現(xiàn)敏感元件和電路的一體化，綁定好壓力芯片、焊接了驅(qū)動(dòng)放大電路的電路板如圖3所示。

圖3 印刷電路板和陶瓷填充片

3.3 陶瓷填充片有效減少硅油填充量

不銹鋼隔膜片封裝的硅壓阻壓力傳感器的結(jié)構(gòu)為氣密封裝，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。基于SIP技術(shù)的系統(tǒng)級(jí)封裝壓力傳感器也采用這類(lèi)基本封裝形式。

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：硅芯片直接幫定在陶瓷電路基板上，與恒流原激勵(lì)電路、放大電路、溫度補(bǔ)償電路和其他電路一起構(gòu)成完整的電路基板，電路基板用膠接工藝固定在不銹鋼管殼內(nèi)的基座上;不銹鋼隔膜與殼體采用熔焊工藝進(jìn)行焊接, 焊接工藝可用激光焊接、氬弧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。

在保證壓力傳感器內(nèi)部電路基板安裝間隙、幫定引線(xiàn)安全，并且保證壓力可靠有效傳遞的前提下，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了陶瓷填充片，圖4中白色物體即陶瓷填充片，它能有效減少壓力傳感器內(nèi)部充油空間，降低傳感器的飄移。

3.4 硅油的凈化和真空灌注

硅油灌充工藝采用真空灌充技術(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。

在傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用電路板將殼體內(nèi)部的空間分隔為兩個(gè)部分(參見(jiàn)圖2)，不銹鋼膜片1和電路板4之間的空間是硅油灌注空間，為減少硅油灌充量，在此空間安放了陶瓷環(huán)片5，同時(shí)采用先焊接不銹鋼膜片后灌充硅油的工藝，將電路板和陶瓷環(huán)片放入殼體中，然后利用氬弧滾焊將壓環(huán)和不銹鋼膜片焊接完成，再采用真空灌充技術(shù)完成硅油的灌充。

3.5 多點(diǎn)溫度補(bǔ)償技術(shù)

壓力芯片、恒流激勵(lì)源、放大電路及其封裝材料等不可避免的溫度特性最終導(dǎo)致壓力傳感器的輸出隨溫度的變化而有飄移，這種溫度飄移如果不加補(bǔ)償，將使傳感器的輸出隨溫度而變化，導(dǎo)致傳感器輸出的不確定性，從而無(wú)法使用。

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(guò)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)哪康摹?p>車(chē)用壓力傳感器要求在-40℃～+125℃的超寬工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，常用的溫度補(bǔ)償方法難以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，為此，在附加電阻網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)多個(gè)熱敏電阻分別對(duì)應(yīng)變電橋、恒流激勵(lì)源、放大電路增益進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而保證在-40℃～+125℃的超寬工作溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定工作。

由于系統(tǒng)采用多點(diǎn)溫度補(bǔ)償技術(shù)，相應(yīng)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，尤其是電路的調(diào)試，針對(duì)該問(wèn)題通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)、調(diào)試以及數(shù)據(jù)分析，相應(yīng)設(shè)計(jì)并建立了一套完善的調(diào)試方法，批量生產(chǎn)中可以根據(jù)該方法設(shè)計(jì)壓力傳感器溫度補(bǔ)償測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)該工作的自動(dòng)化。