技术领域
[0001] 本发明涉及压力传感器技术领域，特别涉及一种适用于高温高压环境下的浮动式无引线封装压力传感器。
相关背景技术
[0002] 在航空航天、石油开采等工作温度超过300℃、压力达到几百MPa的高温高压场景下，高温高压传感器可以提供准确的温度和压力测量数据，帮助及时发现潜在的安全隐患，并采取相应的措施，保障设备和人员的安全。
[0003] 专利CN116399484A公开的一种高过载压力传感器及其制备方法，采用阳极键合将玻璃与硅杯、硅凸台连接，但在宽温度范围下玻璃与硅的热膨胀系数不完全一致，故在高温降至低温的热循环下，玻璃与硅的键合界面会因热膨胀系数不同而产生热应力，在键合界面产生裂纹，破坏传感器封装结构，导致其失效。
[0004] 专利CN114136509A公开的种温度压力一体式MEMS传感器封装工艺，其温度补偿MEMS压力芯片贴在调理电路芯片上，并通过金丝键合技术进行连线，完成传感器芯片与电路芯片之间的连接；但在高温下，金丝与焊盘上的金属会发生反应生成金属间化合物，金属间化合物不仅会使接触欧姆电阻增大，还会降低金丝在焊盘上的附着性，导致芯片之间电气连接的失效。
[0005] 专利CN115575022A公开的一种小体积充油型高温压力传感器芯体及其制作方法，其传感器芯片采用隔离式封装的充油结构，在超过200℃时，硅油体积会发生膨胀，故会引发液体泄露、芯片结构被破坏等问题，且硅油的填充技术工艺要求严格，封装过程较复杂，同时由于硅油的毒性使其无法应用在食品工业领域中。
[0006] 因此，传统压力传感器采用的阳极键合、金丝引线与充油封装结构在高温高压下会出现热应力不匹配、引线脱落、液体泄露等问题，导致传感器失效，严重影响压力测量。因此我们提出一种适用于高温高压环境下的浮动式无引线封装压力传感器。
具体实施方式
[0027] 下面将结合实施例和附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028] 参照图1‑2，一种适用于高温高压环境下的浮动式无引线封装压力传感器，包括合金盖帽1、合金壳体2、环形卡环3、传感器芯片4、陶瓷基底5、导电引脚6、压簧7；合金盖帽1和合金壳体2底部通过激光焊接，合金壳体2内底部的合金盖帽1上安装有环形卡环3，环形卡环3上安装有传感器芯片4，传感器芯片4上设置有陶瓷基底5，陶瓷基底5底部与传感器芯片4接触，防止传感器芯片4和焊棒暴露在外部环境中，陶瓷基底5顶部与压簧7接触，压簧7与合金壳体2接触，实现一体式封装结构的预紧；传感器芯片4和陶瓷基底5上安装的导电引脚
6连接。
[0029] 参照图3，所述的合金盖帽1，其底部为合金敏感膜1C，合金敏感膜1C厚度可调整，以适应不同量程的压力测量；合金敏感膜1C上设有环形台阶1D，环形台阶1D和环形卡环3连接；合金敏感膜1C的中心连接有压杆1B，压杆1B作为机械压力传递介质；压杆1B和传感器芯片4接触，合金盖帽1的内部为盖帽内壁1A。
[0030] 参照图4，所述的合金壳体2包括内壳体外壁2A，合金壳体2与合金盖帽1通过内壳体外壁2A连接；合金壳体2的顶部内侧设有限位端面2B，限位端面2B与压簧7接触。
[0031] 参照图5，所述的环形卡环3上部设有四个卡槽3A，传感器芯片4侧面与四个卡槽3A接触，实现水平方向的固定。
[0032] 参照图6、图7、图8，所述的传感器芯片4外部为Si支撑层4A，Si支撑层4A底部与环形卡环3顶部连接；传感器芯片4背部中心设有凸台4B，凸台4B与合金盖帽1内的压杆1B通过高温硅胶粘接，实现垂直方向上的固定，达到浮动式封装效果，实现压力的传递；传感器芯片4正面的Si器件层包括高掺杂硅引线4F、四个压敏电阻条4D和金焊盘4E，四个压敏电阻条4D组成惠斯通电桥，实现电阻变化引起电压变化的输出信号，压敏电阻条4D与蝴蝶状的高掺杂硅引线4F连接，高掺杂硅引线4F简化传感器芯片4制备工艺，适合大批量生产；高掺杂硅引线4F与金焊盘4E连接，实现芯片内部的电气连接，金焊盘4E上设有金凸点4G，金凸点4G与导电引脚6倒装焊接，实现与外界稳定的电气连接；压敏电阻条4D与Si支撑层4A之间设有SiO2绝缘层4C，防止高温环境下Si器件层的电流泄露。
[0033] 所述的陶瓷基底5设有安装导电引脚6的通孔。
[0034] 所述的压簧7通过合金外壳限位端面2B限制在合金外壳2内，配合合金盖帽1与合金外壳2的焊接固连实现导电引脚6与传感器芯片4上的金凸点4G之间的紧密贴合。
[0035] 本发明的工作原理：首先确定测试环境的压力级别，根据压力大小选定合金敏感膜1C厚度；而后，在传感器芯片4背部的凸台4B上涂抹高温硅胶，再借助外部夹紧工具，将压簧7、盖帽内壁1A与内壳体外壁2A三者夹紧使凸台4B与压杆1B贴合粘接，而后将盖帽内壁1A与内壳体外壁2A接触处通过激光焊接固连在一起，实现传感器紧凑的整体式封装；封装好后当压力作用时，合金敏感膜1C中心处发生形变带动压杆1B挤压传感器芯片4背部的凸台4B，导致传感器芯片4中心处产生应变，由于硅的压阻效应，四个压敏电阻条4D分别成对产生相反的电阻变化，打破惠斯通电桥原有的平衡，电流从压敏电阻条4D传递到高掺杂硅引线4F中，而后再通过金焊盘4E和导电引脚6将电信号传导到外界设备。
[0036] 本实施例的有益效果如下：通过调整合金敏感膜1C的厚度，使合金敏感膜1C与压杆1B在高压下仍能保持较小变形量，适用于超高压的压力测量；压杆1B与传感器芯片4背部的凸台4B用胶粘接固连起到传递压力和垂直方向固定的作用，避免充油封装在高温下的液体泄露和阳极键合时材料间热应力不匹配产生残余应力的问题；导电引脚6直接与金焊盘4E通过金凸点4G连接的方式取代金丝引线的无引线封装能够保护电气连接高温高压下的有效性，避免高温下引线从焊盘上脱落。
