CN110255491A - Mems压力传感器封装结构及封装方法 - Google Patents
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Abstract
一种MEMS压力传感器封装结构及封装方法。该封装结构包括柔性电路板；MEMS压力传感器，固定于柔性电路板的一表面，并与柔性电路板电气连接，其包含压力敏感结构；刚性外壳，形成一开放式容腔，开放式容腔内容置有MEMS压力传感器；以及封装填充剂，填充于开放式容腔，并覆盖于MEMS压力传感器的压力敏感结构及裸露的金线上，且在开放式容腔外形成一凸起部；其中，封装填充剂能将脉搏压力传导至MEMS压力传感器的压力敏感结构，使MEMS压力传感器能够采集脉搏压力信号。本发明通过在MEMS传感器周围固定刚性外壳，保护其与基板的电气连接，用封装填充剂作为压力传导的介质，提高了传感器的稳定性和灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及脉搏传感器技术领域，尤其涉及一种MEMS压力传感器封装结构及封装方法。
背景技术
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人体健康监护越来越受到人们的关注。随着近年来传感器科学与技术的进步以及健康监护设备对压力传感器的特殊需求，市场上出现了越来越多种的脉搏传感器的结构设计。这些传感器体积小，结构稳定，可以持续监测人体健康状态，为人民提供最及时的健康预警服务。
微机电***(Micro-Electro-Mechnical-System，MEMS)压力传感器一般包括支撑梁或支撑薄膜结构，其传感器原理大多采用应力应变原理，以MEMS气压传感器为例，其在不同的气压大小下支撑梁或支撑薄膜的应变程度不同，引起MEMS气压传感器上的电阻结构的阻值发生变化，破坏惠斯通电桥的平衡，从而产生变化的电压信号。
但是，由于MEMS传感器与基底例如PCB基板或塑料空腔金属引线框架等的电气连接一般采用邦定金线的方法，而金线是直接裸露的，在测量人体脉搏压力时，很容易破坏脆弱的金线，从而破坏传感器的正常使用。另外，目前有一种用于测量人体脉搏的MEMS压力传感装置是通过液压仿生探头采集脉搏波动，液压仿生探头采用双层束带固定，通过液压仿生探头内的传压介质可以将液压仿生探头检测到的压力信号的变化传递至压力传感器。其中，传压介质是水，并且采用微传感器阵列技术，24位传感器测量脉搏波位数形势参数属性。但是该种脉搏波传感器采用水传导脉搏信号，液压传导管很容易引起较大的干扰，不能准确地获取脉搏波信息，诊断意义不大。另外，液体导管的长度为30cm，导致该装置便携性较差。
还有一种用于测量人体脉搏的指感施压与微阵列传感装置，运用MEMS技术，设计微阵列压力传感器，将传感器置于类似食指指腹大小的弧形刚性材料中，再进行MEMS封装，模拟人指下触感信息，获取脉诊信息。但是该装置中，MEMS微阵列传感器微压触点嵌合在仿生手指指肚设计柔性指压式探头的外表面，未对传感器的敏感面和邦定的金线进行保护，传感器容易损坏。
综上所述，现有技术中尚没有一种用于检测脉搏的MEMS压力传感装置，既能保护MEMS传感器与基底的电气连接，又能传导来自人体脉搏的压力信号。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种MEMS压力传感器封装结构及封装方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
作为本发明的一个方面，提供了一种MEMS压力传感器封装结构，包括：
柔性电路板；
MEMS压力传感器，固定于所述柔性电路板的一表面，并与所述柔性电路板通过金线电气连接，所述MEMS压力传感器包含压力敏感结构；
刚性外壳，形成一开放式容腔，所述开放式容腔内容置有所述MEMS压力传感器；以及
封装填充剂，填充于所述开放式容腔，并覆盖于所述MEMS压力传感器的压力敏感结构及裸露的金线上，且在开放式容腔外形成一凸起部；
其中，所述封装填充剂能将脉搏压力传导至所述MEMS压力传感器的压力敏感结构，使MEMS压力传感器能够采集脉搏压力信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种采用如上所述的MEMS压力传感器封装结构的脉搏检测装置，所述脉搏检测装置中所述MEMS压力传感器的数量为多个，用于分别采集不同位置处的脉搏压力信号。
根据本发明的再一个方面，提供了一种MEMS压力传感器封装方法，包括以下步骤：
将MEMS压力传感器固定于一柔性电路板的一表面上，并通过金线电气连接至所述柔性电路板；
将所述MEMS压力传感器置于一具有开放式容腔的刚性外壳内；
将封装填充剂灌入所述开放式容腔内，覆盖所述MEMS压力传感器的压力敏感结构以及裸露的金线上，且在开放式容腔外形成一凸起部；其中，所述封装填充剂能将脉搏压力传导至MEMS压力传感器的压力敏感结构上，使MEMS压力传感器能够采集脉搏压力信号。
与现有技术比，本发明具有以下显著优点：
1、本发明将MEMS传感器固定到柔性电路板上，提供一具有开放式容腔的刚性外壳，使该MEMS传感器置于开放式容腔内，并在开放式容腔内填充封装填充剂，通过封装填充剂可以传导人体的脉搏压力信号，而金线放置在刚性外壳内也不易被损坏。
2、该柔性电路板使得MEMS压力传感器可以被弯曲，进而与脉搏测量位置能够紧密贴合；
3、另外，封装填充剂除了可以传导脉搏压力信号外，还能使金线各方向受到压强相同，更不易断裂，而通过这种软接触实现电气保护目前在本领域中还未见报道。
4、进一步采用电路板封装硅胶作为封装填充剂来传导压力到MEMS压力传感器，克服了以水作为传导介质时需要密封或者容易泄露的缺陷，封装时，硅胶会自行凝固，制备工艺更简单，稳定性更好，灵敏度高，结构不易损坏。
附图说明
图1是本发明的MEMS压力传感器封装结构示意图；
图2(a)是本发明实施例1的MEMS硅压阻式压力传感器的压力敏感结构俯视图；
图2(b)是本发明实施例1的MEMS硅压阻式压力传感器的压力敏感结构侧视图；
图2(c)是本发明实施例1的MEMS硅压阻式压力传感器的电路原理图。
上述附图中附图标记含义如下：
1-硅胶；2-刚性外壳；3-金线；4-MEMS硅压阻式压力传感器；5-FPC板；6-补强板；7-通孔；8-凸起部。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
根据本发明的一些实施例，提供了一种MEMS压力传感器封装结构，包括：
柔性电路板(Flexible Printed Circuit，以下简称FPC板)；
MEMS压力传感器，固定于FPC板的一表面，并与柔性电路板通过金线电气连接，MEMS压力传感器包含压力敏感结构；
刚性外壳，形成一开放式容腔，该开放式容腔内容置有MEMS压力传感器；以及
封装填充剂，填充至该开放式容腔内，覆盖于MEMS压力传感器的压力敏感结构及裸露的金线上，且在开放式容腔外形成一凸起部，以便于脉搏检测；
其中，所述封装填充剂能将脉搏压力传导至MEMS压力传感器的压力敏感结构，而由MEMS压力传感器采集脉搏压力信号。
其中，刚性外壳为不锈钢、铜、铝或能够形成刚性结构的树脂材料如ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)树脂等；该刚性外壳上形成的开放式容腔可以是上下开口的，从而刚性外壳只是保护侧面；也可以是一个方向开口的，即MEMS压力传感器安装在刚性外壳覆盖的柔性电路板上，其压力敏感结构从柔性线路板的通孔处曝露出来，朝向刚性外壳的开口侧，其上覆盖封装填充剂形成凸起。
其中，封装填充剂为电路板封装硅胶，优选为聚二甲基硅氧烷(PDMS)等；更优选为能够自行凝固的电路板封装硅胶，使得封装工艺更简单、结构稳定性更好，如AB胶、线路板元件固定胶等。
其中，刚性外壳固定于柔性电路板上，优选为通过焊接或粘接固定于柔性电路板上。容易理解，若刚性外壳为金属材料，例如可以通过焊接固定于柔性电路板的多个焊盘上，例如四个角上的四个焊盘上；若刚性外壳为树脂材质，则通过胶粘剂粘接固定于柔性电路板的柔性层上。
其中，该MEMS压力传感器封装结构还包括补强板，设置于FPC板的未固定MEMS压力传感器的另一表面上，与开放式容腔相对的位置处，且补强板的尺寸大于或等于所述刚性外壳的开放式容腔的开口。该补强板为刚性板，在一些实施例中，该补强板为玻璃纤维板，如FR4等，可以通过热压或胶粘于FPC板上，防止局部的FPC板弯折，以免影响封装结构。
其中，FPC板和补强板上分别在与MEMS压力传感器对应的位置设置有一通孔以裸露出MEMS压力传感器，使MEMS压力传感器位于大气压环境。
其中，MEMS压力传感器包含若干引脚，FPC板上具有与这些引脚对应的若干第一焊盘，该若干引脚分别通过金线焊接至该若干第一焊盘。此外，MEMS压力传感器也是通过焊接方式固定于FPC板上。
其中，MEMS压力传感器为硅压阻式压力传感器，相应的压力敏感结构为由周边固定的硅敏感膜形成的应力杯结构。
根据本发明的一些实施例，还提供了一种采用如上所述的MEMS压力传感器封装结构的脉搏检测装置，其中，MEMS压力传感器的数量可为多个，以形成阵列结构，用于分别采集不同位置处的脉搏信号；在一些实施例中，该多个MEMS压力传感器固定于同一柔性电路板上，从而在一柔性电路板上形成多个与之对应的刚性外壳的保护结构。
根据本发明的一些实施例，还提供了一种MEMS压力传感器的封装方法，包括以下步骤：
步骤S1：将MEMS压力传感器固定于一柔性电路板的一表面上，并通过金线电气连接至柔性电路板；
步骤S2：将MEMS压力传感器置于一具有开放式容腔的刚性外壳内；
步骤S3：将封装填充剂灌入开放式容腔内，覆盖MEMS压力传感器的压力敏感结构以及裸露的金线上，且在开放式容腔外形成一凸起部；
其中，封装填充剂能将脉搏压力传导至MEMS压力传感器的压力敏感结构上，使MEMS压力传感器能够采集脉搏压力信号。
步骤S1中，在柔性电路板上形成若干第一焊盘以及若干第二焊盘，该若干第一焊盘分别与MEMS压力传感器上的若干引脚进行连接；该若干第二焊盘用于焊接固定刚性外壳。焊盘可通过常规方式制作形成，在此不作赘述。
步骤S1中，在FPC板的未设置MEMS压力传感器的另一表面上与开放式容腔相对的位置形成补强板；且补强板的尺寸大于或等于所述刚性外壳的开放式容腔的开口；补强板通过热压或胶粘贴附在PFC板上。
进一步地，在FPC板和补强上与MEMS压力传感器对应的位置分别预设置通孔，以裸露出MEMS压力传感器。
步骤S1中，MEMS压力传感器的若干引脚是通过邦定金线工艺与FPC板上的若干第一焊盘实现电气连接。
其中，步骤S2包括以下操作：将刚性外壳扣合在固定有MEMS压力传感器的柔性电路板上，使MEMS压力传感器芯片以及裸露的金线容置于该刚性外壳的开放式容腔内。刚性外壳优选是焊接固定于柔性电路板的若干第二焊盘上，当然树脂材质的刚性外壳则可直接通过胶粘剂粘接在柔性电路板上。
以下通过具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案作进一步说明：
实施例1
如图1所示，本实施例以常规MEMS硅压阻式压力传感器为例，设计一个FPC板5，其正面的相应位置处有为MEMS硅压阻式压力传感器4制作的多个焊盘，其中四个焊盘与MEMS硅压阻式压力传感器4的四个引脚一一对应，其中另一个焊盘用于固定MEMS硅压阻式压力传感器4，其中再一个焊盘用于固定刚性外壳2；在相应位置的背面有一块覆盖了四个焊盘的补强板6。补强板6和FPC板5的中间分别预设有一个通孔7，与MEMS硅压阻式压力传感器的固定位置相对应。
将MEMS硅压阻式压力传感器4用银浆涂抹于FPC板5的传感器固定位的焊盘上，然后以设定温度烘烤若干时间，这可以将MEMS硅压阻式压力传感器4固定在FPC板5上。如图2(a)～2(b)所示为MEMS硅压阻式压力传感器4的压力敏感结构的示意图，为由周边固定的硅敏感膜形成的应力杯结构，并在硅敏感膜表面应力最大处制作四个压敏电阻R1～R4，组成如图2(c)所示的惠斯通电桥。
使用仪器将MEMS硅压阻式压力传感器4的四个引脚邦定金线3，使其与FPC板5上的四个焊盘一一对应焊接，实现了MEMS硅压阻式压力传感器4与FPC板5的电气连接。在FPC板5上的刚性外壳固定位的焊盘处，用银浆或焊锡将设计、制作好的刚性外壳2的一端焊接到FPC板5上。
在焊接好的刚性外壳2所围成的开放式容腔内，用电路板封装硅胶1灌封，利用电路板封装硅胶1自身的表面张力在开放式容腔外形成一凸起部8，以便于脉搏检测，然后在通风处晾干，此时电路板封装硅胶1与MEMS硅压阻式压力传感器4的敏感结构相接触，可传导外界压力。刚性外壳2例如是黄铜制作的金属外壳，安装使用方便，壳壁薄，刚性好。
利用本实施例提供的封装方法以及封装结构在应用至脉搏测量时，由于使用的是FPC板，使得整体结构能弯曲，与脉搏测量位置如人体腕部等能紧密贴合，而通过电路板封装硅胶将测量位置处的动脉运动情况传到至传感器的敏感结构上，产生电压信号输出。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种MEMS压力传感器封装结构，其特征在于，包括：
柔性电路板；
MEMS压力传感器，固定于所述柔性电路板的一表面，并与所述柔性电路板通过金线电气连接，所述MEMS压力传感器包含压力敏感结构；
刚性外壳，形成一开放式容腔，且所述开放式容腔内容置有所述MEMS压力传感器；以及
封装填充剂，填充于所述开放式容腔，并覆盖于所述MEMS压力传感器的压力敏感结构及裸露的金线上，且在开放式容腔外形成一凸起部；
其中，所述封装填充剂能将脉搏压力传导至所述MEMS压力传感器的压力敏感结构，使MEMS压力传感器能够采集脉搏压力信号。
2.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器封装结构，其特征在于，所述刚性外壳通过焊接或胶粘固定于所述柔性电路板上；
作为优选，刚性外壳通过焊接固定于所述柔性电路板的若干焊盘上。
3.根据权利要求2所述的MEMS压力传感器封装结构，其特征在于，所述MEMS压力传感器封装结构还包括补强板，设置于所述柔性电路板的未固定所述MEMS压力传感器的另一表面上，且补强板的尺寸大于或等于所述刚性外壳的开放式容腔的开口。
4.根据权利要求3所述的MEMS压力传感器封装结构，其特征在于，所述补强板为刚性板，通过热压或胶粘贴附在柔性电路板上；
作为优选，所述柔性电路板和补强板分别在与MEMS压力传感器对应的位置处设置有一通孔，以裸露出所述MEMS压力传感器。
5.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器封装结构，其特征在于：
所述MEMS压力传感器为硅压阻式压力传感器，所述压力敏感结构为由周边固定的硅敏感膜形成的应力杯结构；
作为优选，所述刚性外壳的材质选自不锈钢、铜、铝或能够形成刚性结构的树脂材料；
作为优选，所述封装填充剂为电路板封装硅胶，进一步优选为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
6.一种采用如权利要求1～5任一项所述的MEMS压力传感器封装结构的脉搏检测装置，其特征在于，所述脉搏检测装置中所述MEMS压力传感器的数量为多个，用于分别采集不同位置处的脉搏压力信号；
作为优选，所述多个MEMS压力传感器固定于同一柔性电路板上。
7.一种MEMS压力传感器的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将MEMS压力传感器固定于一柔性电路板的一表面上，并通过金线电气连接至所述柔性电路板；
步骤S2：将所述MEMS压力传感器置于一具有开放式容腔的刚性外壳内；
步骤S3：将封装填充剂灌入所述开放式容腔内，覆盖所述MEMS压力传感器的压力敏感结构以及裸露的金线上，且在开放式容腔外形成一凸起部；其中，所述封装填充剂能将脉搏压力传导至MEMS压力传感器的压力敏感结构上，使MEMS压力传感器能够采集脉搏压力信号。
8.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
将一刚性外壳扣合在同定有MEMS压力传感器的柔性电路板上，使所述MEMS压力传感器以及裸露的金线容置于所述刚性外壳的开放式容腔内；
作为优选，通过焊接或胶粘将所述刚性外壳固定于所述柔性电路板上；作为进一步优选，通过焊接将所述刚性外壳固定于所述柔性电路板的若干焊盘上。
9.根据权利要求8所述的封装方法，其特征在于，步骤S1中，所述柔性电路板上形成有若干第一焊盘和若干第二焊盘，所述若干第一焊盘用于分别与所述MEMS压力传感器上的若干引脚进行连接，所述若干第二焊盘用于固定所述刚性外壳；
作为优选，步骤S1中，所述MEMS压力传感器的若干引脚是通过邦定金线工艺与所述柔性电路板的若干第一焊盘实现电气连接。
10.根据权利要求8所述的封装方法，其特征在于，步骤S1或S2中，还包括在所述柔性电路板的未固定MEMS压力传感器的另一表面的对应于开放式容腔的位置处固定补强板的步骤，其中所述补强板的尺寸大于或等于所述刚性外壳的开放式容腔的开口；
作为优选，所述补强板通过热压或胶粘贴附在所述柔性电路板上；
作为优选，在所述柔性电路板和补强板上与MEMS压力传感器对应的位置处分别预设置通孔，以能够裸露出所述MEMS压力传感器。
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