一种差压式气压传感器及其封装结构的制作方法

1.本实用新型涉及电子烟技术领域，特别是涉及一种差压式气压传感器及其封装结构。


背景技术：

2.电子烟不含焦油及悬浮颗粒等有害成分，随着人们健康意识的提升，抽电子烟正成为一种趋势。目前市场上电子烟产品，主要使用电容式咪头作为压力开关。其工作原理是通过吸气气流引起导电薄膜的形变引发等效电容变化来实现，当变化量达到一定值(触发阈值)时，检测模块才对内部输出吸烟信号，工作原理与电容式麦克风相似。
3.咪头成本低廉，但也存在一些使用中的痛点需要解决。例如，咪头多零件组装，存在装配公差，不能保证触发压力的一致性；烟油或水汽进入电容膜片间隙，造成性能降低，严重情况甚至失效；手工焊接，与表面组装技术(smt)兼容性不高，制约影响产能提升等。
4.微机电系统(mems)，是在微米级尺寸上进行精密微加工，制作形成各种类型的微传感器及微执行器。相对传统咪头，基于mems技术的压力传感器具有低成本、防油性、一致性等优势，解决了当前电容式咪头存在的痛点问题。
5.传统电子烟早期曾采用单气压传感芯片的方式来控制烟腔内部的气压值，从而来计算判断吸气通道的压力变化量，来实时调整加热器功率控制烟量。此方案比较简单，但受外界气压和地理位置的影响，易产生误触发的状况，大大降低了此类型电子烟的适用性，通常需要双单气压传感芯片配合使用。
6.专利cn214257972u、cn213754953u及其相关专利，公开了一种mems电子烟开关。虽然该mems电子烟开关，采用差压工作原理，检测电子烟吸气管道内的气压与环境大气压间的气压差值，消除了外界气压和地理位置的影响。但是，该mems 电子烟开关的芯片采用多层金属/介质膜设计，结构复杂，加工难度高。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种差压式气压传感器，为平行板电容器结构，包括：
8.衬底，所述衬底底部设有至少两个用于与电路板焊接的焊盘、中部设有杯孔；
9.设置于所述衬底顶面、将所述杯孔上端封闭的第一介质膜，所述第一介质膜与杯孔形成悬膜结构；
10.设置于所述第一介质膜顶面上的第二介质膜，所述第二介质膜中部设有尺寸与悬膜尺寸一致的支撑腔；
11.位于所述支撑腔底部且固定设置于悬膜上的下电极；
12.设置于所述第二介质膜顶面上的动膜；
13.设置于所述动膜顶面中部、位于所述下电极正上方的上电极，所述下电极与上电极形成平行板电容器，所述动膜与上电极中部分别均匀设有若干与支撑腔相通的通孔。
14.进一步地，所述衬底材质为硅片。
15.进一步地，所述焊盘数量为两个且对称设置，所述焊盘的金层厚度为300nm，其采用电子束蒸发或磁控溅射工艺于焊盘底部开窗位置制备而成。
16.进一步地，所述杯孔为下大上小结构，其采用刻蚀工艺于衬底上制备而成。
17.进一步地，所述第一介质膜为厚度300nm的低应力氮化硅，其采用lpcvd低压化学气相沉积法于所述衬底上制备而成。
18.进一步地，所述第二介质膜为厚度600nm的氮化硅，其采用pecvd等离子体增强化学气象沉积工艺制备而成。
19.进一步地，所述第二介质膜与动膜之间通过胶粘剂粘合。
20.进一步地，所述胶粘剂采用聚酰亚胺胶或者硅橡胶。
21.进一步地，所述下电极和上电极分别采用电子束蒸发或磁控溅射工艺于各自对应的第一介质膜和动膜上制备而成，所述下电极和上电极的金层厚度均为 300nm。
22.本实用新型还提供一种封装结构，包括：
23.壳体，所述壳体底部设有第一通气孔、顶部设有第二通气孔；
24.设置于所述壳体底部的电子烟电路板，所述电子烟电路板上设有与第一通气孔对应的通道；
25.焊接于所述电子烟电路板上的如上述的差压式气压传感器，所述差压式气压传感器的杯孔正对第一通气孔；
26.焊接于所述电子烟电路板上的asic芯片，所述asic芯片与压式气压传感器的上电极通过金线电性连接；
27.粘接于所述第二通气孔处、具有疏水疏油防尘功能的双疏防尘透气膜。
28.与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
29.(1)本实用新型的差压式气压传感器采用对称冗余设计，具有高可靠性和环境适应性；
30.(2)本实用新型的封装结构采用疏水疏油防尘透气膜，除了具备常规传感器具备的防尘透气功能外，其表面特性赋予其具有极强的耐水、耐油特性，可有效的阻止电子烟烟油液滴进入外壳内部；
31.(3)本实用新型的封装结构与现有mems工艺兼容，可批量生产；
32.(4)本实用新型的差压式气压传感器采用单介质膜结构，显著降低了加工难度，结合mems批量加工技术，可有效降低加工成本。
附图说明
33.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，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。
34.图1为本实用新型的结构示意图；
35.图2为图1的俯视图；
36.图3为本实用新型封装结构的结构示意图。
37.附图标记如下：
38.衬底1，焊盘11，杯孔12，第一介质膜2，第二介质膜3，支撑腔31，下电极4，动膜5，通孔51，上电极6，壳体100，第一通气孔101，第二通气孔102，电子烟电路板200，asic芯片300，双疏防尘透气膜400。
具体实施方式
39.为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本实用新型的保护范围有任何的限制作用。
40.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
41.需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
43.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
44.参考图1至图2，本实用新型提供一种差压式气压传感器，为平行板电容器结构，包括衬底1、第一介质膜2、第二介质膜3、下电极4、动膜5以及上电极 6，其中：
45.衬底1材质优选采用硅片，其底部设有至少两个用于与电路板焊接的焊盘11、中部设有杯孔12，衬底1的形状可以选用立方体或者圆柱体，具体不做限定；
46.焊盘11数量优选两个，两个焊盘11对称设置在衬底1外侧，焊盘11的金层厚度为300nm，其采用电子束蒸发或磁控溅射工艺于焊盘11底部开窗位置制备而成，以长方体衬底1为例，如图2，在长方体衬底1的对角开窗，底部保留作为焊盘11 本体，当然为了进一步增加衬底1与电路板焊接的稳定性，焊盘11数量还可以更多；
47.杯孔12优选采用下大上小结构，于衬底1采用刻蚀工艺上制备而成；
48.第一介质膜2设置在衬底1顶部，其将杯孔12上端封闭住，第一介质膜2与杯孔12形成悬膜结构，需要说明的是，将杯孔12上端封闭住形成悬空的膜结构为悬膜，第一介质膜2优选厚度300nm的低应力氮化硅，其采用lpcvd低压化学气相沉积法于衬底1上制备而成；
49.第二介质膜3设置在第一介质膜2上，其中部设有尺寸与悬膜尺寸一致的支撑腔31，第二介质膜3优选厚度600nm的氮化硅，其采用pecvd等离子体增强化学气象沉积工艺制
备而成；
50.下电极4位于支撑腔31的底部且固定设置在悬膜上，优选的是，下电极4采用电子束蒸发或磁控溅射工艺于第一介质膜2中部(悬膜位置)制备而成，下电极4 的金层厚度优选300nm；
51.动膜5设置在第二介质膜3的顶部，第二介质膜3与动膜5之间通过胶粘剂粘合，胶粘剂采用聚酰亚胺胶或者硅橡胶，或者其他的耐高温胶，动膜5的材质为聚酰亚胺；
52.上电极6设置在动膜5中部且位于下电极4正上方，下电极4与上电极6相对设置形成平行板电容器，上电极6同样采用电子束蒸发或磁控溅射工艺于动膜5上制备而成，其金层厚度优选300nm；
53.动膜5与上电极6中部分别均匀设有若干与支撑腔31相通的通孔51，本实用新型采用激光加工工艺，在动膜5与上电极6上进行激光打孔。
54.本实用新型的差压式气压传感器采用对称冗余设计，具有高可靠性和环境适应性。
55.本实用新型的差压式气压传感器的制备方法如下：
56.(1)采用lpcvd方法，在衬底1表面制备厚度为300nm的低应力氮化硅作为第一介质膜2；
57.(2)采用电子束蒸发或磁控溅射工艺，在衬底1底部制备焊盘11、在第一介质膜2上制备下电极4，焊盘11和下电极4的金层厚度均为300nm；
58.(3)采用pecvd方法，在第一介质膜2上制备氮化硅掩膜作为第二介质膜3，第二介质膜3的厚度为600nm；
59.(4)采用旋涂匀胶工艺，将动膜5粘合在第二介质膜3的顶面上；
60.(5)采用电子束蒸发或磁控溅射工艺，在动膜5上制备上电极6，上电极6的金层厚度为300nm；
61.(6)采用激光加工工艺，在上电极6和动膜5表面激光打孔与开窗；
62.(7)采用湿法或干法腐蚀工艺，在衬底1上制备杯孔12；
63.(8)最后，激光划片，制备成本实用新型的差压式气压传感器。
64.本实用新型的差压式气压传感器主要应用于电子烟领域。
65.如图3，本实用新型还提供一种上述差压式气压传感器的封装结构，包括壳体100、电子烟电路板200、差压式气压传感器、asic芯片300以及双疏防尘透气膜400，其中：
66.壳体100底部设有第一通气孔101、顶部设有第二通气孔102，壳体100为不锈钢材质，两个通气孔孔径为0.1～0.5
㎜
；
67.电子烟电路板200设置在壳体100的底部，其上设有与第一通气孔101对应的通道；
68.差压式气压传感器焊接在电子烟电路板200上，差压式气压传感器的杯孔12 正对着第一通气孔101；
69.asic芯片300焊接在电子烟电路板200上，其与压式气压传感器的上电极6通过金线绑定，实现电性连接，asic芯片300具有高集成、低功耗、高精度的特点，可提供完整的压力校准和温度补偿，获得放大的模拟或数字输出。在电子烟的应用过程中，可在电子烟具进气通道内检测进气通道气压值的变化(负压程度)，同步来判断用户的深吸，浅吸，轻吸等状况，进而控制电子烟的使用状态；
70.双疏防尘透气膜400粘接在第二通气孔102处，其具有疏水疏油防尘的功能，具体的，采用eptfe—膨体聚四氟乙烯材质，除了具备常规传感器具备的防尘透气功能外，eptfe膜表面特性赋予其具有极强的耐水、耐油特性，可有效的阻止电子烟烟油液滴进入外壳内部。
71.工作原理：当传感器上有气流通过导致压力变化时，动膜5会相对第一介质膜2运动，从而使得下电极4和上电极6之间的距离产生变化，下电极4和上电极6 之间的电容值发生变化，通过asic芯片300检测下电极4和上电极6间的电容值，即可计算出气压变化值，综合考虑压力校准后的初始压力值和温度补偿，即得到当前的气压值。
72.以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。