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中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）23-0302-01
0 摘要
压力测量居热工测量四大物理量之首，在工业控制、汽车、航空航天、国防装备等领域用途广泛。利用硅的压阻效应和微电子技术制作的硅压阻式压力传感器是近30年来发展非常迅速的一种压力传感器。它具有灵敏度高、响应快、可靠性好、精度高、低功耗、易于小型化与集成化等一系列突出优点，广泛应用于测控领域。但是由于硅压阻式压力传感器芯片的特性，要求制作中必须进行封装保护。
本课题将着眼于硅压阻式压力传感器小型化封装难点，对于小结构尺寸约束下，产品壳体内部合理布局设计、外部小型化波纹膜片设计、以及波纹膜片与壳体焊接可靠性设计，降低压力传感器尺寸，满足特殊领域对传感器小型化的需求[1]。
1 封装设计
1.1 封装要求
硅压阻式压力传感器芯片的尺寸在2.5×2.5mm，高度1.0mm，硅材料不能抗腐蚀，所以制作好的硅压阻式压力传感器芯片不能裸露直接应用，而是在使用前对裸片进行封装。封装必须提供硅压阻式压力传感器芯片与外部系统的接口。硅压阻式压力传感器芯片封装必须保护在多种环境下使用的微机械部分，另外还要提供电信号连接，某些时候还需要接触外界环境并与之相互作用[2]。
对于压力传感器的封装，概括起来，应该满足以下几方面的要求：
（1）机械可靠，抗振动，抗冲击；
（2）避免热应力对芯片的影响；
（3）电气上要求芯片与环境或大地是绝缘的；
（4）电磁屏敝；
（5）用气密的方式隔离腐蚀气体或流体，或通过非气密隔离方式隔离水气；
（6）成本低，封装形式与标准制造工艺兼容。
目前硅压阻式压力传感器应用最为广泛的三种形式是：金属封装、塑料封装和陶瓷封装。为了提高传感器的抗环境能力，本文采用金属封装。
1.2 封装结构设计
硅压阻式压力传感器的总体装配是根据压力敏感芯片的尺寸和测量工况对传感器的尺寸要求进行小型化设计。总体装配研究包括管座组件与陶瓷填充环设计、波纹膜片和装配可靠性设计。管座组件设计包括管壳设计、转接端子设计等。管壳的材料采用耐蚀性和焊接性能良好316L不锈钢，转接端子的材料采用线膨胀系数与玻璃较接近的铁、钴、镍合金（4J50），通过设计并机械加工实现。陶瓷环材料采用氧化铝95瓷，由模具加工成型，用于支撑保护压力敏感芯片，减少硅油充灌量，降低硅油对压力敏感芯片的影响[3]。波纹膜片设计采用耐腐蚀性、耐热性以及较好的焊接性能的不锈钢材料，设计包含膜片的形状、厚度、深度，其作用是保护敏感芯片，总体结构如图1所示。
1.2.1 管座组件与陶瓷填充环的设计
管座组件的作用是实现压力芯片电信号的转接，并支撑或固定压力芯片，见图2。管座、端子的玻璃粉烧结设计时采用了冗余设计，保证了结构强度的可靠性，特别是玻璃粉与转接端子及管座烧结后密封强度的可靠性。在结构设计上，力求在保证可靠性、安全性前提下，减小充油空间，这样可以减小由于起压力传递作用的硅油的影响而带来的压力敏感芯片的热漂移[4]。为了进一步减少充油量，我们在粘贴压力芯片的外层增加了一个陶瓷填充环。该陶瓷填充环材料为95陶瓷，由模具成型。
1.2.2 波纹膜片的设计
波纹膜片的作用是将压力芯片与被测介质隔离，以提高压力敏感芯片的寿命、可靠性和测量的准确度。压力通过密封的硅油传递给压力芯片，因此，对该膜片的基本要求为减小压力传递过程中的压力损失[5]。
波纹膜片的形状有正弦波、梯形波、锯齿波几种形式。锯齿波制造简单，但当波纹较深时，由于峰谷处应力集中容易产生裂纹，因此当波纹较深时常采用梯形波或正弦波。该压力敏感芯片的波纹膜片的波形采用波形较平滑的正弦波。
1.2.3 总体装配可靠性设计
根据硅压阻式压力传感器的总体结构，压力传感器的结构连接包括波纹膜片、压环、管座三位一体焊接；芯片、陶瓷环与管座的连接；注油孔的封堵，来保证结构连接可靠性。
2 结果与分析
硅压阻式压力传感器的实际校准特性通过传感器的静态校对获得。在传感器的整个测量范围0～30MPa内有7个校准点，进行三次压力循环校准试验，则在任一校准点上分别多個正行程校准数据。计算每个校准点上正、反行程校准数据的平均值和总的平均值，测试得出传感器工作曲线见图3。传感器非线性为0.05%，迟滞为0.05%，重复性为0.03%，准确度为0.08%。
3 结论
本文将着眼于硅压阻式压力传感器小型化封装难点，对于小结构尺寸（直径约10mm）约束下，产品壳体内部合理布局设计、外部小型化波纹膜片设计、以及波纹膜片与壳体焊接可靠性设计，降低压力传感器尺寸，非线性、迟滞、重复性和准确度满足特殊领域对传感器小型化的需求。传感器保持了优良的静态特性，经试验验证，获得了满意的效果。
参考文献
[1] 王永洪，张明义，高强，等.微型硅压阻式压力传感器研制[J].传感器与微系统，2017，36（11）：106-108.
[2] 王俊杰，秦会斌.压力传感器封装中的波纹膜片结构研究[J].电子与封装，2015（05）：1-3.
[3] 张迪雅，梁庭，姚宗，等.MEMS压阻式压力传感器倒装焊封装的研究和发展[J].电子技术应用，2016（03）：24-27.
[4] Kim A， Powell C R， Ziaie B. An Universal packaging technique for low-drift implantable pressure sensors[J]. Biomedical Microdevices， 2016，18（2）.
[5] Krondorfer R， Kim Y K， Kim J， et al. Finite element simulation of package stress in transfer molded MEMS pressure sensors[J]. Microelectronics Reliability， 2004（44）：1995-2002.
0 摘要
压力测量居热工测量四大物理量之首，在工业控制、汽车、航空航天、国防装备等领域用途广泛。利用硅的压阻效应和微电子技术制作的硅压阻式压力传感器是近30年来发展非常迅速的一种压力传感器。它具有灵敏度高、响应快、可靠性好、精度高、低功耗、易于小型化与集成化等一系列突出优点，广泛应用于测控领域。但是由于硅压阻式压力传感器芯片的特性，要求制作中必须进行封装保护。
本课题将着眼于硅压阻式压力传感器小型化封装难点，对于小结构尺寸约束下，产品壳体内部合理布局设计、外部小型化波纹膜片设计、以及波纹膜片与壳体焊接可靠性设计，降低压力传感器尺寸，满足特殊领域对传感器小型化的需求[1]。
1 封装设计
1.1 封装要求
硅压阻式压力传感器芯片的尺寸在2.5×2.5mm，高度1.0mm，硅材料不能抗腐蚀，所以制作好的硅压阻式压力传感器芯片不能裸露直接应用，而是在使用前对裸片进行封装。封装必须提供硅压阻式压力传感器芯片与外部系统的接口。硅压阻式压力传感器芯片封装必须保护在多种环境下使用的微机械部分，另外还要提供电信号连接，某些时候还需要接触外界环境并与之相互作用[2]。
对于压力传感器的封装，概括起来，应该满足以下几方面的要求：
（1）机械可靠，抗振动，抗冲击；
（2）避免热应力对芯片的影响；
（3）电气上要求芯片与环境或大地是绝缘的；
（4）电磁屏敝；
（5）用气密的方式隔离腐蚀气体或流体，或通过非气密隔离方式隔离水气；
（6）成本低，封装形式与标准制造工艺兼容。
目前硅压阻式压力传感器应用最为广泛的三种形式是：金属封装、塑料封装和陶瓷封装。为了提高传感器的抗环境能力，本文采用金属封装。
1.2 封装结构设计
硅压阻式压力传感器的总体装配是根据压力敏感芯片的尺寸和测量工况对传感器的尺寸要求进行小型化设计。总体装配研究包括管座组件与陶瓷填充环设计、波纹膜片和装配可靠性设计。管座组件设计包括管壳设计、转接端子设计等。管壳的材料采用耐蚀性和焊接性能良好316L不锈钢，转接端子的材料采用线膨胀系数与玻璃较接近的铁、钴、镍合金（4J50），通过设计并机械加工实现。陶瓷环材料采用氧化铝95瓷，由模具加工成型，用于支撑保护压力敏感芯片，减少硅油充灌量，降低硅油对压力敏感芯片的影响[3]。波纹膜片设计采用耐腐蚀性、耐热性以及较好的焊接性能的不锈钢材料，设计包含膜片的形状、厚度、深度，其作用是保护敏感芯片，总体结构如图1所示。
1.2.1 管座组件与陶瓷填充环的设计
管座组件的作用是实现压力芯片电信号的转接，并支撑或固定压力芯片，见图2。管座、端子的玻璃粉烧结设计时采用了冗余设计，保证了结构强度的可靠性，特别是玻璃粉与转接端子及管座烧结后密封强度的可靠性。在结构设计上，力求在保证可靠性、安全性前提下，减小充油空间，这样可以减小由于起压力传递作用的硅油的影响而带来的压力敏感芯片的热漂移[4]。为了进一步减少充油量，我们在粘贴压力芯片的外层增加了一个陶瓷填充环。该陶瓷填充环材料为95陶瓷，由模具成型。
1.2.2 波纹膜片的设计
波纹膜片的作用是将压力芯片与被测介质隔离，以提高压力敏感芯片的寿命、可靠性和测量的准确度。压力通过密封的硅油传递给压力芯片，因此，对该膜片的基本要求为减小压力传递过程中的压力损失[5]。
波纹膜片的形状有正弦波、梯形波、锯齿波几种形式。锯齿波制造简单，但当波纹较深时，由于峰谷处应力集中容易产生裂纹，因此当波纹较深时常采用梯形波或正弦波。该压力敏感芯片的波纹膜片的波形采用波形较平滑的正弦波。
1.2.3 总体装配可靠性设计
根据硅压阻式压力传感器的总体结构，压力传感器的结构连接包括波纹膜片、压环、管座三位一体焊接；芯片、陶瓷环与管座的连接；注油孔的封堵，来保证结构连接可靠性。
2 结果与分析
硅压阻式压力传感器的实际校准特性通过传感器的静态校对获得。在传感器的整个测量范围0～30MPa内有7个校准点，进行三次压力循环校准试验，则在任一校准点上分别多個正行程校准数据。计算每个校准点上正、反行程校准数据的平均值和总的平均值，测试得出传感器工作曲线见图3。传感器非线性为0.05%，迟滞为0.05%，重复性为0.03%，准确度为0.08%。
3 结论
本文将着眼于硅压阻式压力传感器小型化封装难点，对于小结构尺寸（直径约10mm）约束下，产品壳体内部合理布局设计、外部小型化波纹膜片设计、以及波纹膜片与壳体焊接可靠性设计，降低压力传感器尺寸，非线性、迟滞、重复性和准确度满足特殊领域对传感器小型化的需求。传感器保持了优良的静态特性，经试验验证，获得了满意的效果。
参考文献
[1] 王永洪，张明义，高强，等.微型硅压阻式压力传感器研制[J].传感器与微系统，2017，36（11）：106-108.
[2] 王俊杰，秦会斌.压力传感器封装中的波纹膜片结构研究[J].电子与封装，2015（05）：1-3.
[3] 张迪雅，梁庭，姚宗，等.MEMS压阻式压力传感器倒装焊封装的研究和发展[J].电子技术应用，2016（03）：24-27.
[4] Kim A， Powell C R， Ziaie B. An Universal packaging technique for low-drift implantable pressure sensors[J]. Biomedical Microdevices， 2016，18（2）.
[5] Krondorfer R， Kim Y K， Kim J， et al. Finite element simulation of package stress in transfer molded MEMS pressure sensors[J]. Microelectronics Reliability， 2004（44）：1995-2002.