一种灵敏度增强型电场传感器的封装盖板及封装方法与流程

本发明涉及电场监测技术领域，尤其涉及一种灵敏度增强型电场传感器的封装盖板及封装方法。

背景技术：

电场监测具有十分重要的意义。在气象领域，监测地表及高空大气电场变化，可获知雷电的孕育、发展及发生信息，为雷电预警提供重要指标，从而为导弹和卫星等飞行器的发射升空提供重要的安全保障，也能够为森林、景区、输电线路、石化炼厂提供预警信息；在电网领域，监测输电线路及变电站等附近的电场，可准确获知交直流电压及相位信息，为智能电网输电状态提供重要参考，也可获知输电线路附近民宅等设施附近电场强度，为评估电网电磁环境影响提供依据；在石化领域，人体、设备、油气等静电荷积累到一定程度后容易引发放电，造成火灾、爆炸等严重的安全事故，通过监测电场，评估静电高危区域带电情况，为石化领域安全生产提供有力支撑。然而，电场检测离不开对电场传感器的基础研究工作。

随着电场检测技术的发展，电场传感器朝体积小、集成化、批量化的方向发展，尤其是基于微纳米技术的电场传感器具有成本低、体积小、功耗低、可实现批量生产、易于集成化、工作频带宽，以及电场探测的空间分辨率高等突出优点，是电场探测传感器的重要发展方向，受到国际上越来越多的关注。然而，传统电场传感器封装盖板为单一平板结构，随着传感器体积减小，有效感应结构面积减小，电场感应效率也越来越低，传感器的灵敏度及分辨力也随之降低。此外，传统的封装管壳结构虽然实现了对电场传感器的有效保护，但是，也造成了传感器灵敏度等指标的进一步衰减，导致传感器在微弱电压/电场检测领域的空白。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

传统电场传感器封装结构的封装盖板为单一平板结构，随着传感器体积减小，盖板与敏感芯片之间的电场被均匀化。与无封装盖相比，电场线向电场传感器方向的集聚效果减弱，从而使到达电场传感器表面的电场减小，降低了传感器敏感芯片的灵敏度。

(二)技术方案

鉴于上述技术问题，本发明提出了一种灵敏度增强型电场传感器封装盖板，包括：内芯、盖板边缘和隔离环，所述的盖板边缘位于封装盖板两端，用于连接隔离环和封装管壳。所述的隔离环位于盖板边缘和内芯之间。内芯位于隔离环的正中即盖板的中心位置，内芯具备内凸或外凸结构，用于增强电场传感器灵敏度。

内芯为提升封装后电场传感器灵敏度的关键，使内芯沿垂直于盖板、朝芯片方向凸出，有助于减小封装盖板与电场传感器之间的距离，从而增大二者之间的电场强度；使内芯沿垂直于盖板、远离芯片方向凸出，有助于内芯连接到更大的感应电极以提升灵敏度，也有助于内芯与其他便于探测、便于装配的结构连接。

封装盖板与封装管壳共同构成电场传感器封装结构。其中，所述的封装管壳用于为放置电场传感器提供空间。

优选地，内芯垂直于封装盖板向电场传感器方向内凸出，与电场传感器之间存在预设距离。

优选地，内芯垂直于封装盖板向远离电场传感器方向外凸出。

优选地，封装盖板与电场传感器之间存在固定电势差时，隔离环是绝缘体材料，用于对内芯同时起到电学隔离作用。

优选地，封装盖板与电场传感器之间存在悬浮非固定电势差时，盖板边缘、隔离环、内芯是不同材料或是相同材料的一体加工结构。

优选地，封装管壳底部内表面中心位置固定电场传感器，电场传感器周围设置金属焊盘。封装管壳内还包括引线，引线用于连接电场传感器和金属焊盘。

优选地，电场传感器能够固定在封装盖板下表面中心位置上，内芯和所述电场传感器之间保持可控距离。

此外，本发明还提出一种灵敏度增强型电场传感器的封装方法，包括：

S1、制备封装盖板；

S2、将电场传感器固定于封装管壳底部或封装盖板上；

S3、将封装盖板和封装管壳固定在一起。

其中，在所述的步骤S1中，分别制备内芯、隔离环和盖板边缘，使得内芯垂直于封装盖板向内或向外凸出。

优选地，步骤S2中，将电场传感器直接固定于封装管壳的底部内表面中心位置，或采用倒装焊或粘接方式将电场传感器固定于封装盖板下表面中心位置，并与内芯保持可控距离。

优选地，步骤S3中通过胶粘、键合、平行封焊或储能焊工艺将封装盖板和封装管壳固定在一起。

(三)有益效果

本发明为了提升电场传感器的灵敏度，提出一种新型封装盖板，引入了内芯等关键部件。通过内芯结构向内凸起，封装盖板上的感应电荷集聚到内凸部件顶端。与传统盖板结构相比，盖板感应电荷与敏感芯片之间距离减小，到达敏感芯片表面的电场增强，传感器灵敏度增强。通过内芯结构外凸，封装盖板由平板结构变为尖端结构，增强了电场在封装盖表面的集聚效应，从而增强了封装盖表面电场，到达敏感芯片表面的电场也随之增大，传感器灵敏度增强。

从上述技术方案可以看出，本发明灵敏度增强型电场传感器封装盖板具有以下有益效果：

(1)有效增强封装管壳内电场传感器表面电场强度，提升封装后的灵敏度；

(2)内芯在封装内部凸起，不改变封装管壳体积，不对外部电场造成扰动；

(3)通过内芯在管壳外部适当凸起，增强封装的使用便利性；

(4)通过提升灵敏度，有效降低了相对温度漂移、湿度漂移等，提升了传感器的环境适应性。

附图说明

图1是根据本发明提出的灵敏度增强型电场传感器封装盖板具体实施例1封装盖板上内芯外凸的剖面示意图；

图2是根据本发明提出的灵敏度增强型电场传感器封装盖板具体实施例2封装盖板上内芯内凸的剖面示意图；

图3是根据本发明提出的灵敏度增强型电场传感器封装盖板具体实施例3封装盖板上内芯同时内凸和外凸的剖面示意图；

图4是根据本发明提出的灵敏度增强型电场传感器封装盖板具体实施例4封装盖板上内芯同时内凸和外凸、盖板边缘为弧形的剖面示意图；

图5是根据本发明提出的灵敏度增强型电场传感器封装盖板具体实施例5封装盖板上内芯同时内凸和外凸、在外凸顶端固定安装孔的剖面示意图；

图6是根据本发明提出的灵敏度增强型电场传感器封装盖板具体实施例6封装盖板上内芯同时内凸和外凸、隔离环和盖板边缘为一体结构的剖面示意图；

图7是根据本发明提出的灵敏度增强型电场传感器封装盖板具体实施例7封装盖板上内芯同时内凸和外凸、隔离环和内芯为一体结构的剖面示意图；

图8是根据本发明提出的灵敏度增强型电场传感器封装盖板具体实施例8封装盖板上内芯同时内凸和外凸、盖板边缘、隔离环和内芯为一体结构的剖面示意图；

图9是根据本发明提出的灵敏度增强型电场传感器封装盖板具体实施例9封装盖板上内芯同时内凸和外凸、电场传感器固定于封装盖板下表面中心位置的剖面示意图。

图10是根据本发明提出的灵敏度增强型电场传感器的封装方法流程示意图。

其中，1是封装管壳，2是电场传感器，3是引线，4(a)、4(b)是盖板边缘，5是隔离环，6(a)、6(b)、6(c)是内芯，7是盖板边缘与隔离环一体式结构，8是隔离环与内芯一体式结构，9是盖板边缘、隔离环与内芯一体式结构，10是焊料。

具体实施方式

电场传感器是静电场传感器或交流电场传感器，包括采用微纳米加工技术制备而成的微机械结构芯片、微电子敏感芯片、光学敏感芯片，或其他类型的敏感芯片。通常电场传感器的使用需要封装管壳进行安置。为了增强电场传感器在封装管壳中的灵敏性，本发明通过内芯结构向内凸起，从而使得封装盖板上的感应电荷集聚到内凸部件顶端，与传统盖板结构相比，盖板感应电荷与敏感芯片之间距离减小，到达敏感芯片表面的电场增强，传感器灵敏度增强；另一方面，通过内芯结构外凸，封装盖板由平板结构变为尖端结构，增强了电场在封装盖表面的集聚效应，从而增强了封装盖表面电场，到达敏感芯片表面的电场也随之增大，传感器灵敏度增强。

但是，在材料制备上，如果两个带电体之间通过导线连接到一起，则该两个带电体之间将存在固定电势差，即一个带电体上的电势改变，会引起另一个带电体同样的电势改变。如果两个带电体之间通过非良好导体连接，则该两个带电体之间将存在悬浮非固定电势差，即二者之间的电势几乎不会互相影响。所以，当封装盖板与电场传感器之间存在固定电势差时，隔离环的制备材料最好是绝缘体材料，以对内芯起到支撑作用的同时可以实现电学隔离作用；而封装盖板上其他部件如盖板边缘、内芯可以是便于连接隔离环的任意材料。同样的，封装盖板与电场传感器之间存在悬浮非固定电势差时，二者之间的电势几乎不会互相影响，所以，封装盖板的部件盖板边缘、隔离环、内芯可以为任意材料，也可以为相同材料的一体加工结构。

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。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明提供了一种灵敏度增强型电场传感器封装盖板。该灵敏度增强型电场传感器封装盖板中，通过盖板中内芯部件的体积、形状变化，扩展了传感器探测能力、提高了传感器灵敏度，提升了传感器的探测能力。

在本发明提出的具体实施例1中，提供了一种外凸灵敏度增强型电场传感器封装盖板。请参照图1，封装盖板与一封装管壳1共同构成电场传感器封装结构，所述的封装管壳1用于为放置电场传感器2提供空间，所述的封装盖板包括内芯6(a)、盖板边缘4(a)和隔离环5，所述的盖板边缘4(a)位于封装盖板两端，用于连接隔离环5和封装管壳1；

所述的隔离环5位于盖板边缘4(a)和内芯6(a)之间；所述内芯6(a)位于隔离环5的正中即封装盖板的中心位置，具备内凸或外凸结构，用于增强电场传感器灵敏度。

电场传感器2，固定于所述封装管壳1内；引线3，用于将传感器信号从管壳中引出；盖板边缘4(a)，固定在封装管壳1焊盘处；隔离环5，位于盖板边缘4(a)和内芯6(a)之间，起到支撑与隔离作用；内芯6(a)位于盖板中部、被封装电场传感器2敏感面上方，用于增强灵敏度。

以下分别对本实施例电场传感器封装盖板及相关元件进行详细说明。

封装管壳1可以为金属管壳、陶瓷管壳、塑料管壳或其他类型管壳的任一种，在封装管壳1上应包含金属焊盘与信号通路，以便于电场传感器2进行电气交互连接。根据不同的管壳类型，管壳上可以含有管脚、焊盘、芯片槽、通孔、接插件等元件。

电场传感器2固定于封装管壳1中，并与封装管壳1的金属焊盘之间通过引线3进行连接并传输信号。固定电场传感器2的方式有双面胶粘接、焊料键合或其他固定芯片方式中的任一种；引线3键合的方式包括金丝球焊、硅铝丝焊、倒装焊或其他键合方式中的任一种。

电场传感器2是静电场传感器或交流电场传感器，包括采用微纳米加工技术制备而成的微机械结构芯片、微电子敏感芯片、光学敏感芯片，或其他类型的敏感芯片。

盖板边缘4(a)固定于所述封装管壳1的开口处，二者之间形成空腔，以容纳电场传感器2。根据固定的接触面材料类型，可选取回流焊、平行缝焊、储能焊、胶粘等方式进行封焊。

盖板边缘4(a)、隔离环5、内芯6(a)和封装管壳1之间紧密连接，形成密闭空腔，以提高电场传感器2的环境适应性。

盖板边边缘4(a)、隔离环5、内芯6(a)之间可分别加工，然后根据相互连接的接触面类型，选取回流焊、平行缝焊、储能焊、胶粘等方式进行连接。或者采用一体加工工艺制备，例如浇铸、冲压等。也可以采用半导体工艺制备，通过沉积、电镀、溅射、刻蚀等工艺进行批量化加工制造。

内芯6(a)沿着垂直于盖板方向向上凸出，形成电场感应尖端，起到减小与被测物之间的距离、增强电场集聚效应的作用。同时，该突出可以用于连接被测物或测试极板，方便测试。内芯6(a)向上凸出越多，封装盖板上表面越尖，电场集聚效果越强，传感器灵敏度增加越明显。

当封装管壳1的侧壁为金属或半导体等材料时，封装管壳1接电路系统的零电位或其他电位。此时，盖板边缘4(a)为金属或半导体等材料，以便于封装管壳1紧密连接。隔离环5为绝缘材料，以避免内芯6(a)接地或者其他电位，屏蔽封装管壳1内部电场。

当封装管壳1的侧壁为绝缘体材料时，盖板边缘4(a)为悬浮电势，自身电位随外电场变化。此时，对盖板边缘4(a)、隔离环5、内芯6(a)无特殊材料要求，不影响电场传感器2的测试。

在本发明提出的具体实施例2中，提供了一种内凸灵敏度增强型电场传感器封装盖板元件。请参照图2，与具体实施例1相比，内芯6(b)在上部与盖板齐平，在下部向芯片方向凸起。与平板形状的盖板相比，通过向下凸起，减小了封装盖板与电场传感器2之间的距离，从而增大了电场传感器2表面的电场。内芯6(b)向下凸起越多，内芯6(b)下表面距离电场传感器2上表面距离越近。感应电荷集聚在内芯6(b)下表面，电荷距离传感器越近，到达电场传感器2的电场越强，即电场传感器2灵敏度增强越明显。但是需要注意的是，内芯6(b)不能无限向下凸起，以不能影响电场传感器2正常工作为准。

在本发明提出的具体实施例3中，对具体实施例1和具体实施例2进行整合。请参照图3，内芯6(c)分别在垂直于盖板方向上，向上和向下凸起预设距离，从而起到具体实施例1和具体实施例2的综合加强效果。

在本发明提出的具体实施例4中，提供了一种弯曲盖板灵敏度增强型电场传感器封装盖板元件。请参照图4，与具体实施例3相比，盖板边缘4(b)由平板形状变为弧形，增大了封装内腔体积，用于容纳更大的电场传感器2，或者在封装管壳1内部装配电场传感器的放大电路、信号解调电路。

在本发明提出的具体实施例5中，提供了带外部接口灵敏度增强型电场传感器封装盖板元件。请参照图5，与具体实施例3相比，在内芯6(d)的外凸末端增加了连接环，从而更好地与测试极板相连接。

在本发明提出的具体实施例6中，提供了一种盖板边缘及隔离环一体式灵敏度增强型电场传感器封装盖板元件。请参照图6，与具体实施例3相比，7为盖板边缘及隔离环为相同材料制备成的一体加工结构。

在本发明提出的具体实施例7中，提供了一种隔离环及内芯一体式灵敏度增强型电场传感器封装盖板元件。请参照图7，与第具体实施例3相比，8是隔离环及内芯为相同材料制备成的一体加工结构。

在本发明提出的具体实施例8中，提供了一种盖板边缘、隔离环及内芯一体式灵敏度增强型电场传感器封装盖板。请参照图8，与具体实施例3相比，9为盖板边缘、隔离环及内芯为相同材料，采用一体加工工艺制备而成。

在本发明提出的具体实施例9中，提供了一种倒装焊式灵敏度增强型电场传感器封装盖板。请参照图9，与具体实施例3相比，电场传感器2通过倒装焊的方式直接固定到封装盖板上，电场传感器2与盖板边缘4(a)之间采用焊料10相连接。

至此，已经结合附图对本发明灵敏度增强型电场传感器封装盖板进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明电场传感器封装组件有了清楚的认识。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

除此之外，本发明根据所提出的电场传感器的封装盖板，相应地提出了电场传感器的封装方法，如图10所述，包括：

S1、制备封装盖板；

S2、将电场传感器固定于一封装管壳底部或封装盖板上；

S3、将封装盖板和封装管壳固定在一起。

其中，在步骤S1中，通过机加工、浇筑、冲压等方法分别制备内芯、隔离环和盖板边缘，或通过浇铸、冲压、半导体工艺等工艺制备相同材料的内芯、隔离环和盖板边缘一体化封装盖板，使得内芯垂直于封装盖板向内或向外凸出。

根据上述的封装方法以及具体实施例3所述的封装盖板上内芯同时内凸和外凸的封装结构，本发明相应地提出了其封装方法具体实施例10，其步骤具体包括：

步骤1：制备封装盖板；

首先，盖板边缘4(a)的加工：通过模具冲压的方法，加工薄片形状的盖板边缘4(a)，适合冲压的金属材料包括低碳钢、不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金等，优选铁钴镍合金。冲压后进行电镀处理，起到防锈、防氧化的作用，镀层一般为锌、镍、金等金属或其合金，优选金镀层。盖板边缘4(a)内部留有圆形、方形等预设形状的孔，以便与隔离环5对接。

其次，隔离环5的加工：隔离环5选取绝缘材料，优选Al₂O₃陶瓷材料，采取烧结法加工出方形、圆形或其他预设形状的环形结构，优选圆形。在隔离环5与其他结构相连的部分同时烧结出金属层，用于和其他金属材料进行连接。

然后，内芯6(c)的加工：选取合适形状的方形、圆形或其他预设形状的棒材，优选圆形棒材，采用线切割等方法得到预设长度的内芯6(c)。

最后，组装封装盖板：将盖板边缘4(a)、隔离环5及内芯6(c)一次相连，相连的部位放置焊料。其中，内芯6(c)通过调整，在盖板外部和内部凸出预设距离。根据选取不同的焊料类型，进行回流焊，将盖板边缘4(a)、隔离环5及内芯6(c)三者固定在一起。

步骤2：将电场传感器2固定于封装管壳1底部或封装盖板上；选取大小合适的封装管壳1，将电场传感器2放置在其中，利用金丝球焊等技术制作电场传感器2与封装管壳1之间的引线3。

步骤3：将封装盖板和封装管壳1固定在一起；在封装管壳1上方安装盖板，封装管壳1上预留连接盖板的焊盘，可选取焊料回流焊、平行封焊、储能焊等方法将盖板与封装管壳1进行连接。

综上所述，本发明提供一种灵敏度增强型电场传感器封装盖板及其封装方法，其封装结构包括盖板边缘、内芯及隔离环。根据被测电场大小及对传感器灵敏度要求等情况，对封装盖板各个分部件进行结构尺寸优化，从而达到最佳探测效果。本发明对电场传感器封装外部尺寸改动小，对电场探测灵敏度增强效果显著。

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，所应理解的是，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。