一种声表面波传感器封装结构的制作方法

1.本发明涉及声表面波传感器封装技术领域，尤其是涉及一种声表面波传感器封装结构。


背景技术：

2.声表面波式传感器的传感原理为利用声波变化表征待测参量变化。对于压力传感器而言，外界压力的变化引起压电基底的形变，导致在其上传播的声表面波波速发生变化，因此谐振频率产生一定的频移，以此表征外界压力变化量。当被测压力处于难以接触或者移动物体的内部时，声表面波传感器由于其无源无线的优点而倍受青睐。
3.经过数十年的研究，声表面波传感器的芯片设计、优化、制作等环节均已较为成熟，其重点和难点在于外部封装的设计和制造。封装技术为声表面波器件研究和应用的关键技术之一，其作用除了固定芯片、接出射频信号、隔绝外部环境干扰之外，最重要的是密封结构受压后可因内外压力差导致形变，同时压力卸载后密封结构可恢复原状，由此向声表面波传感器精准传递外部压力变化。密封结构被破坏时会直接导致传感器的失效，故封装的设计与传感器测量精度、工作稳定性与使用寿命息息相关。
4.现有声表面波传感器的封装大体上可分为两种：点压式结构与面压式结构。公开号为cn1653321a，公开日为2003.03.17的国际申请《结合有表面声波器件的压力监测器》所述为点压式封装结构，芯片被悬架在金属底座上，压力通过上盖中心的金属探针被传递至压电基底上引起形变。这种设计存在以下几种问题：首先，外部压力变化通过点载荷的形式传递至芯片，接触点的压强极易超出量程造成芯片断裂，故该封装可测量的压力量程范围窄，一般限制在0.5mpa量级内。其次，在传感器制作中需要精准控制封装过程中金属上盖的探针与压力芯片的相对位置，很难进行批量生产。
5.面压式结构出现时间较早，在90年代已经有了相关研究报道。面压式封装的优点在于外部压力以面载荷的形式引起压电基底形变，可得到较大量程的测试结果，且加工工艺精密度与复杂度相较点压式结构较低。现有面压式封装大多先使用吸声胶，将芯片粘接至感压膜，通过压焊的方式引出信号线。再使用密封胶粘接感压膜与上盖，形成参考压力腔。此封装方法存在的问题是，密封胶在粘接和固化时其平整性与均匀度无法保证，且粘接的方式在大压力下极易脱落、开裂，器件内部吸声胶和引线也在一定程度上影响器件的准确性和可靠性，因此难以实际运用到器件测试与工程应用之中。
6.文献"stress-sensitivity of wafer-level packaged saw delay lines"描述了一种晶圆级封装的面压式声表面波传感器结构，该结构包括上下压电石英晶圆和聚合物连接层。该设计使用玻璃——树脂聚合物取代传统粘接胶，以此降低受压时晶圆表面剪切强度，增大传感器量程。但聚合物非刚性体，受压和复原时应力传递因聚合物分子之间相互作用而抵消，宏观表现为易发生蠕变与迟滞现象，对传感器精度影响较大。
7.公开号为cn111121843a，公开日为2020.05.08的中国发明专利申请《一种声表面波传感器的一体化封装结构及封装方法》提供了一种面压式封装结构，该结构包括声表面
波传感器、焊盘镀层、金属支撑框架、金属盖板。焊盘镀层、金属支撑框架和金属盖板以金属键合的方式相互连接形成封装，压电基底底部溅射金属与待测物体相接。该方案使用金属键合替换密封胶，但是该技术方案中金属键合的加工工艺复杂、成本高，且粘接强度同样有限，很难在大压力下使用。
8.因此，如何解决现有技术中声表面波传感器量程窄、稳定性低、不易实现且制作成本高等缺陷，是目前亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

9.针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种声表面波传感器封装结构，以解决现有技术中，声表面波传感器受封装方式影响而造成的量程窄、稳定性低、不易实现且制作成本高的技术问题。
10.本发明提供了一种声表面波传感器封装结构，包括：下腔体，下腔体为一个面具有开口的腔体；上盖，上盖设置有第一通孔，上盖在开口处嵌入下腔体，且与下腔体可拆卸连接；感压膜，感压膜为具有弹性可变形的膜；其中，感压膜设置在下腔体内，且感压膜与下腔体活动连接；声表面波传感器，声表面波传感器设置在感压膜上；上盖与感压膜部分接触，且声表面波传感器位于第一通孔内。
11.本方案与现有技术相比，将声表面波传感器设置在上盖的第一通孔内，一方面，上盖对声表面波传感器起保护作用，另一方面，声表面波传感器在第一通孔内可直接感知待测环境压力变化。另外，上盖与感压膜部分接触能够对感压膜起固定作用，使其不会产生位移，提高了感压膜的稳定性，也保证了测量精度。因此，本方案提供的封装结构能够提高声表面波传感器的稳定性与测量精度。
12.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
13.进一步地，下腔体内设置有第一平台，第一平台沿下腔体的内壁底部边缘设置，且凸出下腔体的内壁底部一定高度；感压膜可拆卸设置在第一平台上；感压膜与第一平台、下腔体内壁底部形成一密闭的参考压力腔。
14.采用上述进一步方案的有益效果是，感压膜、第一平台与下腔体内壁底部形成了密闭的参考压力腔，其中，参考压力腔内的气压为标准气压，因此，外部压力的变化通过声表面波传感器传递到感压膜上引起感压膜应力变化而产生形变，此时，形变对参考压力腔产生压力，发生压力变化，因此，根据测量参考压力腔的压力变化能够提高测量的准确性。
15.进一步地，还包括键合层；键合层通过键合方法生长在声表面波传感器的底面，且键合层设置在声表面波传感器与感压膜之间。
16.采用上述进一步方案的有益效果是，本方案可以采用热固性聚合物或光敏性聚合物键合手段完成感压膜与传感器之间的应变传递，避免了粘接时粘结剂产生蠕变、应力松弛导致的形变传递出现迟滞和产生非线性等问题。
17.进一步地，还包括电极保护层；电极保护层设置在声表面波传感器上，其中，声表面波传感器包括压电基底、叉指换能器、反射栅与焊盘，焊盘与叉指换能器连接，且叉指换能器、焊盘与反射栅均设置在压电基底上。
18.采用上述进一步方案的有益效果是，本方案可保护叉指换能器，反射栅及焊盘的稳定性，减少外界环境可能存在的污染对传感器及传感信号产生影响。
19.进一步地，电极保护层以蒸镀或溅射的方式设置在声表面波传感器上。
20.进一步地，还包括焊盘镀层；焊盘镀层以蒸镀或溅射的方式设置在焊盘上。
21.采用上述进一步方案的有益效果是，在焊盘上蒸镀或溅射焊盘镀层，可保护焊盘的稳定性。
22.进一步地，上盖设置有凹槽；凹槽设置在上盖与感压膜相接触的面上。
23.采用上述进一步方案的有益效果是，凹槽设置在上盖与感压膜相接触的面上，凹槽的两个边缘对感压膜施加一定的压力，固定效果更好，稳定性更高。
24.进一步地，还包括密封条；密封条设置在凹槽内，且密封条与感压膜接触。
25.采用上述进一步方案的有益效果是，在凹槽内还可以设置密封条，密封条保证了本发明提供的封装结构能够在大温度范围内稳定使用，适应性更强。
26.进一步地，上盖的外表面与多数下腔体的外表面设置有相对应的螺纹；上盖与下腔体螺纹连接。
27.采用上述进一步方案的有益效果是，上盖与下腔体采用机械连接的方式，结构简单，制作成本低，且安全可靠。
28.进一步地，下腔体具有开口的面上设置有第一螺纹孔；上盖上设置有与第一螺纹孔相对应的第二螺纹孔或第二通孔，上盖与下腔体通过第一螺纹孔与第二螺纹孔或第二通孔通过螺栓可拆卸连接。
29.采用上述进一步方案的有益效果是，上盖与下腔体还可以采用螺栓连接的方式固定，结构简单并可有效降低封装体积。
30.本发明提供的一种声表面波传感器封装结构，以纯机械式手段完成封装，无需密封粘接剂粘接或者浆料烧结工艺，解决了传统压力传感器封装中对使用温度及压力量程的限制问题，制作成本低。另外，本发明采用热固性聚合物或光敏性聚合物键合手段完成感压膜与传感器之间的应变传递，避免了粘接时粘结剂产生蠕变、应力松弛导致的形变传递出现迟滞和产生非线性等问题，克服了金金键合或共晶键合等方法中因高温高压导致的晶圆碎裂、翘边、键合强度低，以及在反复受压时因粘接强度下降导致的器件翘边、脱落等缺陷。因此，本发明提供的一种声表面波传感器封装结构解决了现有技术中，声表面波传感器受封装方式影响而造成的量程窄、稳定性低、不易实现且制作成本高的技术问题。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明实施例所提供的一种声表面波传感器封装结构剖面结构示意图；
33.图2为本发明实施例所提供的感压膜与声表面波传感器键合后俯视图；
34.图3为本发明实施例所提供的感压膜与声表面波传感器键合后仰视图；
35.图4为本发明实施例所提供的另一种声表面波传感器封装结构剖面结构示意图；以及
36.图5为本发明实施例所提供的另一种声表面波传感器封装结构俯视图。
37.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
38.上盖-1，下腔体-2，第一平台-3，参考压力腔-4，感压膜-5，声表面波传感器-6，第一通孔-7，凹槽-8，压电基底-9，叉指换能器-10，反射栅-11，焊盘-12，键合层-14，第一螺纹孔-15，第二螺纹孔-16，第二通孔-17。
具体实施方式
39.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
40.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
41.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
43.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
44.如图1所示，本发明提供了一种声表面波传感器6封装结构，包括：感压膜5、声表面波传感器6、下腔体2以及上盖1。其中，感压膜5为具有弹性可变形的膜；声表面波传感器6设置在感压膜5上；下腔体2为一面开口的腔体，其中，感压膜5设置在下腔体2内，且感压膜5与下腔体2活动连接；上盖1设置有第一通孔7，上盖1在开口处嵌入下腔体2，且与下腔体2可拆卸连接；上盖1与感压膜5部分接触，且声表面波传感器6位于第一通孔7内。本方案将声表面波传感器6设置在上盖的第一通孔7内，一方面，上盖1对声表面波传感器6起保护作用，另一方面，声表面波传感器6在第一通孔7内可直接感知待测环境压力变化。上盖1与感压膜5部
分接触能够对感压膜5起固定作用，使其不会产生位移，提高了感压膜5的稳定性，也保证了测量精度。
45.如图2所示，声表面波传感器6为单端谐振器结构，包括压电基底9、叉指换能器10、反射栅11与焊盘12，焊盘12与叉指换能器10连接，且叉指换能器10、焊盘12与反射栅11均设置在压电基底9上。需要说明的是，压电基底9所选的材料可以根据实际温度需求而选择，优选的，工作环境温度为中低温时，可以选择石英、litao3等压电材料，工作环境温度为高温时，可以选择硅酸镓镧类材料(lgs、lgt等)和aln、ycob等压电材料。而叉指换能器10、焊盘12、反射栅11可以选用al，au或pt金属来满足不同温度环境的使用要求。在一个可选的实施例中，采用半导体平面光刻工艺溅射不同厚度的叉指换能器10、反射栅11、焊盘12在预处理过的压电基底9上，以此完成声表面波传感器6结构的制作。其中，在另一可选的实施例中，声表面波传感器6的压电基底9采用经过划片处理后的压电晶体方片制作，切割大小大于5mm
×
5mm。
46.在一个优选的实施例中，声表面波传感器6与感压膜5之间通过键合工艺将传感器键合至感压膜5上，能够精准传递外界压力变化引起感压膜5应力变化，提高了测量准确性；其中，感压膜5为随着外界压力变化产生形变或恢复的圆形弹性金属，优选的，感压膜5采用弹簧钢或铍青铜等可承受一定载荷、回弹性好的金属材料制备得到，需要说明的是，根据可测压力最大值选择0.8mm-2.5mm厚度范围内的金属材料。上盖1作为传递外界压力的具有高硬度的金属连通器，下腔体2为具有高硬度的金属腔体，下腔体2内设置有第一平台3，第一平台3沿下腔体2的内壁底部边缘设置，且凸出下腔体2的内壁底部一定高度；优选的，第一平台3的边沿设置有圆弧形的倒角。感压膜5可拆卸设置在第一平台3上；其中，感压膜5与第一平台3、下腔体2内壁底部形成一密闭的参考压力腔4。需要说明的是，参考压力腔4内的气压为标准气压或设置好的可参考气压，参考压力腔4无需使用粘接剂或者其他浆料，通过机械式密封与高弹性高分子化合物静密封配合实现自身的气密性。
47.如图3所示，在键合层14与声表面波传感器6与感压膜5之间还设置有键合层14，键合层14为连接感压膜5与声表面波传感器6的弹性薄层，键合层14通过键合方法生长在声表面波传感器6的底面。优选的，键合层14采用热固性聚合物或光敏性聚合物制备得到，并通过旋涂的方式生长在声表面波传感器6的背面，即生长在压电基底9上不设置叉指换能器10、反射栅11与焊盘12的面上。在采用热固性聚合物制备键合层14的实施例中，键合层14采用苯丙环丁烯聚合物旋涂在声表面波传感器6的背面，其中，键合压力为2500mbar，键合温度低于250℃，键合层14的厚度为10微米，需要说明的是，在键合前需进行预键合，键合时需在n2气氛或真空环境中进行，键合后需进行自然退火。在采用光敏性聚合物制备键合层14的实施例中，键合层14采用各类uv胶材料旋涂在声表面波传感器6的背面，其中，键合用紫外光波段为365nm，键合时间约为8分钟，键合层14厚度为10微米，需要说明的是，在键合前需进行与曝光。
48.在本发明的一个实施例中，键合层14的材料可以采用ti或cr材料。其中，键合层14需根据声表面波传感器6所用压电基底9的温度特性选择合适的焊料进行蒸发和溅射。在中低温时选择键合温度较低的cusn焊料，在高温时选择键合温度较高的ausn焊料，形成压电基底9/ti(cr)/焊料多层结构，在一定温度下施加一定的压力，使连接感压膜5与声表面波传感器6紧密贴合。该步骤可保障应变传递的可靠性，解决因高分子材料吸声胶引起的蠕
变、迟缓、疲劳问题。
49.在本发明的另一个实施例中，声表面波传感器6上还设置有电极保护层，其中，电极保护层以蒸镀或溅射的方式设置在声表面波传感器6具有叉指换能器10与反射栅11的面上。优选的，电极保护层采用sio2材料制备，蒸镀或溅射的方式设置在声表面波传感器6具有叉指换能器10与反射栅11的面上，以减少外界环境可能存在的污染对传感器及传感信号的影响。
50.优选的，声表面波传感器6上的焊盘12设置有焊盘镀层；其中，焊盘镀层以蒸镀或溅射的方式设置在焊盘12上。
51.在本发明的一个可选的实施例中，上盖1与下腔体2均采用304不锈钢等高强度金属材料制备得到，其中上盖1的中央设置有第一通孔7，用于使声表面波压力传感器可直接感知待测环境压力变化。在上盖1与感压膜5接触的面上设置有凹槽8，凹槽8与感压膜5接触对感压膜5起固定作用。在另一可选的实施例中，凹槽8内还可以放置密封条，优选的是橡胶密封条，用于保证其在大温度范围下的稳定使用。
52.在更为优选的实施例中，上盖1主体为边长为30mm，厚度为3mm的正方体，中央开有直径为20mm的通孔。上盖1外壁设置有外螺纹，上盖1底部设置有凹槽8，用于放置橡胶垫片。优选地，可根据测量温度环境选择硅橡胶垫片、陶瓷纤维垫片、金属缠绕垫片等密封垫片。相对应的，下腔体2为边长为30mm，厚度为10mm的正方体，下腔体2内部沿下腔体2的边缘设置有圆筒形的第一平台3，第一平台3的内径18mm、深度为2.2mm，在下腔体2的内壁存上设置有与上盖1相对应的螺纹，与上盖1外螺纹配合密封。用于与上述键合件与密封结构配合形成参考压力腔4。在第一平台3的边沿处设置有半径为1mm圆形倒角，该倒角的设置用于避免感压膜5与第一平台3边沿的贴合处应力过于集中，对于压力传感器具有一定保护作用。
53.参考如图4与图5，下腔体2具有开口的面上设置有第一螺纹孔15；上盖1上设置有与第一螺纹孔15相对应的第二螺纹孔16或第二通孔17，上盖1与下腔体2通过第一螺纹孔15与第二螺纹孔16或第二通孔17通过螺栓可拆卸连接。此方案用螺栓固定上盖1与下腔体2，能够减少上盖1的厚度，有效的降低了封装结构的体积。
54.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。