MEMS传感器的封装设计

压阻式压力传感器封装设计重点在于解决不同材料结合在一起时，因热膨胀系数不匹配带来的应力的隔离问题，其次是解决腔体密封、轻量化、封装管腔对频率的影响，还要考虑低成本的封装。

1.绝压传感器封装设计

绝压传感器封装设计第一要素是形成一个稳定的、不泄漏的密封真空腔。

(1)方法一：可以采用金硅低共熔合金法，金与硅在360℃左右有一低共熔点。将已完全制成的硅杯与另一个清洁平整的硅基座间夹一金箔，在专用模具夹持下，在真空烧结炉中在略高于低共熔点的温度下恒温烧结10 min，形成绝对压力敏感元件。

(2)方法二：可以采用静电封接技术，在高真空下进行，将硅杯与无孔硼硅玻璃静电封接。这种绝压元件，力敏电桥将暴露在空气中或被测介质中，但封装成本低廉。也可以将硅杯正面溅射约4 μm 厚的硼硅玻璃，然后与另一带凹腔的硅基片封接在一起。这种办法的绝压检测元件处于真空腔中，长期稳定性好。图5-6 所示为两种绝压密封腔设计。

图5-6 两种绝压密封腔设计

(a)金硅烧结法；(b)Si-Si 真空静封法
1—扩散电阻；2—铝压焊块；3—金硅合金；4—硅基片；5—埋层铊硼电极引出条；6—铝压焊区；7—溅射的硼硅玻璃镀层

图5-7 传感器O 形悬浮封装

1—绝缘室；2—螺母；3—导环；4—有导线的硅片；5—外壳；6—绝缘片；7—氟硅橡胶密封垫圈

2.表压与差压传感器封装设计(www.xing528.com)

(1)O 形圈悬浮式封装：机械研磨的硅杯，玻璃粉烧结或静电封接形成的组合式硅杯，它们均有较高的机械强度。用两个橡胶O 形密封圈把它们夹持密封固定在结构壳体中，硅杯两面被隔开就形成表压或差压结构。O 形圈在完成安装和密封时，由于其柔性及弹性，隔离了壳体的加工、装配应力及热不匹配应力，图5-7所示为其装配结构。

(2)锥形悬浮式封装：将硅杯用玻璃粉与U 形陶瓷基座烧结到一起，再将陶瓷基座进压孔与金属壳体进压孔间用锥形玻璃管连接起来。玻管锥度大大削弱壳体应力对硅杯组件影响，形成“悬浮”式封装，如图5-8 所示。

(3)金属-玻璃-硅静电封装：加工成所需形状的特种合金金属柱经抛光后，与玻璃及硅杯三者静封到一起，提高了硅杯抗应力影响能力。金属柱与外壳体焊接在一起，又避免了有机物作用。对于充注硅油并有过载保护的差压变送器，此种结构较为适宜。

图5-8 锥形悬浮式封装的示意图

(4)玻璃粉烧结封装技术：利用热膨胀系数匹配玻璃粉将压阻力敏元件、陶瓷基座或构件及金属管座烧结到一起，是一种刚性结合的传统传感器组装技术，较之粘接方法具有迟滞小、无蠕变、无老化失效、封接强度高等优点。

(5)有机粘接技术与低成本封装：微机械加工技术解决了压阻力敏芯片大批量低成本生产问题，还必须有低成本封装才能得到低成本传感器。传统粘接技术重新被采用：一方面，静封的玻璃衬底加强了敏感元件刚度，减小了组装应力与热膨胀系数不匹配的影响；另一方面，廉价传感器低精度对稳定性要求相对较低。图5-9 所示为TO-5 低成本封装结构。

图5-9 TO-5 低成本封装结构

各向异性腐蚀形成硅杯用静封与加强用的玻璃衬底连接，然后用环氧胶或硅橡胶与基座连接，超声焊或热压焊连接内引线，用封帽机焊接管座与管帽，上表面可充注硅凝胶保护。

用于温度补偿和信号调理的厚膜电阻网络陶瓷基片用胶黏结在管座背面，与管脚连接用锡焊接方式。