MSG玻璃微熔压力传感器深腔结构：芯片烧结在内底面还是外底面？

深腔是腔体结构中的一种特殊情形。腔体做到足够深，腔底薄壁才能作为相对独立的感压膜片，同时让芯片和被测介质在空间上分开。深腔结构通常有两种MSG芯片烧结位置，芯片烧结在腔底的哪一面，决定了介质接触方式、布片空间、邦线可行性、加工难度、PCB板轴向贴近芯片、以及热应力传递路径。

01.深腔结构的两个MSG芯片烧结位置

烧结在内底面：芯片在腔内，腔体外壁接触介质。

芯片通过玻璃微熔烧结在腔体内部的底面上。被测介质在腔体外部，腔底薄壁受压弯曲，芯片在腔内感受应变。芯片被腔体结构包住，不直接接触介质。腔底厚度可以根据量程需求进行调节。

烧结在外底面：芯片在腔外，介质从腔体内部通过。

芯片烧结在腔体外部底面上。介质从腔体内部通过，腔底薄壁受力弯曲，芯片在外部感受应变。螺纹安装压力传感器经常采用这种结构：介质从螺纹孔进入腔体，芯片贴在外部底面。

两种结构的敏感原理相同，都是腔底薄壁的弯曲应变。

02.布片方案：先看测量效果，再看空间约束

无论MSG芯片烧结在内底面还是外底面，布片方案的第一步是仿真。

在目标量程下，对腔底薄壁的应变情况进行仿真模拟：拉应变区和压应变区分别在哪里，满量程应变幅值是否合格（最好能到几百微应变以上），量程区间内的线性度是否优异。

常见的半桥MSG芯片（内部两只电阻）在布片组桥时，有两种做法来实现差分信号：1）两颗芯片分别整体置于拉应变区和压应变区，芯片之间形成差分；2）单颗芯片跨在拉/压应变过渡区，利用芯片内部两只电阻一拉一压形成差分。具体采用哪种，取决于仿真应变分布和空间约束。量产中以前者更常见，后者对过渡区的应变梯度和线性度要求更高。

最佳应变区域确定之后，还要关注空间约束的情况。

第一，径向空间是否容得下最佳应变区里的芯片。 两颗MSG芯片要落在仿真确定的拉、压应变区域内，要根据芯片的长度、芯片间距、玻璃层余量、玻璃层与腔壁的安全距离，判断腔体内径是否放得下两颗芯片（参见MSG玻璃微熔弹性体设计边界说明）。

玻璃浆料在430℃~550℃的烧结温度区间内具有流动性，内径过小时，两颗芯片的玻璃层可能在边缘连成一体，一旦连通，两片芯片力学耦合，直接造成桥路温漂、一致性等方面的问题；也可能玻璃层碰到腔壁，破坏应变传递的独立性和绝缘。如果放不下，优先调整腔体直径或腔底厚度，让最佳应变区域适配布片需求。

第二，轴向邦线空间是否够用。 MSG芯片在腔底，金线键合需要劈刀进入腔内。超声波劈刀有外径和锥角，不是一根垂直的针。腔深增加到一定程度，劈刀侧面可能撞击腔壁，无法以合适的角度到达焊盘，或者到达后无法形成合格的金线弧线。腔深和腔径共同决定绑线可行性，具体边界取决于劈刀几何参数、键合程序的金线弧线设置和焊盘位置（需要与绑线服务商确认）。

第三，PCB开孔板与芯片焊盘的轴向距离是否满足短金线要求。 MSG芯片焊盘需要金线键合到紧邻芯片的PCB板上，PCB通常采用开窗结构，板底距芯片约1~2mm，金线有效长度控制在3-5毫米左右。如果MSG芯片在腔底，PCB只能架在腔口，板底到腔底芯片的距离会随腔深增加，金线被迫拉长，寄生电阻、寄生电感和振动断线风险上升。

第四，烧结基准面的加工。 玻璃微熔工艺要求MSG芯片烧结在水平朝上的基准平面上，高温下玻璃浆料具有流动性，非水平基面会造成芯片滑移、偏移和受力不均。内底面在腔体内部，研磨和抛光工具需要伸入腔内，加工难度随腔深和内径缩小而上升。内底面的粗糙度、平面度控制不好，玻璃层厚度不均，应变传递的一致性就会出问题。

第五，热膨胀系数（CTE）失配带来的热应力。 MSG芯片、玻璃粘接层和17-4PH不锈钢弹性体之间存在显著的CTE差异，温度变化会在玻璃层中引入剪切应力。深腔结构由于底部和腔壁的厚度不同，局部刚度存在差异，会改变热应力的传递路径。因此，除了常温下的力学应变仿真，热-力耦合仿真同样不可忽视。

03.内/外底面结构的适用与约束

MSG芯片在内底面烧结，最直接的工程优势是介质隔离由结构本身完成。

MSG芯片在腔内，腔体外壁接触介质，芯片和玻璃层不暴露在被测介质中。这种结构适合介质腐蚀性较强、需要芯片与介质在结构上隔离、整体尺寸要求紧凑的场景。它的边界不在“能不能测”，而在“最佳应变区域能不能在腔内布下芯片，并且邦线、烧结基准面、PCB板距离等条件都成立”。

而MSG芯片在外底面烧结时，工艺空间是开放的。涂胶、贴片、邦线等都在腔外完成，不受腔体直径和深度的限制，腔底外表面的研磨抛光也比内表面容易得多。

这种结构下，MSG芯片和玻璃层暴露在外部环境中，需要外壳封装来防护湿度、油污和机械损伤。同等量程下，传感器的整体尺寸通常比内底面结构大。

04.MSG芯片的两种烧结位置的工程对比

05. 总结

深腔属于腔体类弹性体的一种结构变体，不是独立的弹性体系列。设置深腔，往往是为了介质通道、结构隔离、传感器尺寸等方面的工程考虑。芯片烧结在内底面还是外底面，本质是工程约束的取舍。

最稳妥的开发方式，是在腔体尺寸、芯片位置定型之前，就把应变仿真、布片空间、邦线可达性、烧结基面要求、PCB贴近距离等同步和MSG烧结服务商对齐。

来源： 宏迈微-感知物理世界