一种通气增强膜，特别用于保护MEMS封装、其制造方法以及用该通气膜制成的模切部件与流程

本发明涉及一种具有增强膜的通气装置，特别适用于保护mems器件，以及包含此类通气装置的模切部件。

背景技术：

1、众所周知，在许多技术领域，需要提供可渗透气态流体(通常是空气)的通气装置，同时防止其他流体、灰尘或其他小颗粒元素通过。

2、下面将引用的一个特定领域是消费电子产品，但这并不意味着限制了本发明的应用，它可以有利地用于需要设计一种通气装置的领域(医疗设备、密封容器、汽车,...)，以提供良好的外部保护，免受外部因素的影响。同时确保声学(低频)或信号渗透性、高机械性能和耐热性。

3、消费电子领域很特殊，因为它广泛使用小型传感器来装备各种设备，例如智能手机或平板电脑。这种传感器通常基于mems(微机电系统)架构，通常用于测量声学(例如麦克风)、物理(例如加速度计)或环境(例如温度和压力传感器及其梯度)的数量。尽管某些类型的mems不需要与外部直接连接，因此可以适当密封，但许多其他类型的mems需要一条畅通无阻的路径，外部扰动可以通过该路径到达内部。第二类属于，例如，麦克风，其在智能手机上有自己的专用声学端口，以及环境压力传感器(也可以用作高度计/气压计)，其同样需要通过设备主体中的专用开口连接到外部大气。

4、图1是具有防水性能(ip68防水等级)的智能手机示例的示意性立体图。在智能手机外壳的一个边缘上，提供了多个开口，通过这些开口可以接入它们后面的电子设备；例如，一个环境压力传感器mems位于开口101处，而mems麦克风位于开口102处。

5、所述智能手机外壳上的开口必须用屏障适当屏蔽，这些屏障可以渗透空气和压力，但至少可以防止灰尘渗入。

6、在大多数设备中，尤其是智能手机中，传感器端口由直径为1-2毫米的孔组成，这些孔通常由金属网或带有开口网的合成织物保护，以确保对较大的污染物(>100微米)有一定程度的保护，但无法防止微米级颗粒(通常小于5微米)的进入，以及防止加压水的侵入。

7、由于智能手机制造商越来越要求能够根据ipx7-x8标准制造防水设备，即能够承受浸入一定深度的水中(通常为1至10米，持续30秒)，屏蔽问题变得更加复杂：实际上，有必要防止外部液体通过传感器端口渗入并接触mems传感器本身，从而损坏它。

8、在此类应用中，迫切需要保护mems免受外部液体以及固体污染物(灰尘)的侵入，即使以牺牲传感器的灵敏度和响应性为代价来实现。

9、在电子器件内部制造和组装mems传感器本身的过程中，也已经出现了类似的临界情况，在这些阶段存在颗粒或液体侵入的风险。在组装过程的上述步骤中，尚未集成到设备中且通常没有保护的mems传感器会受到回流焊接工艺和其他操作，包括暴露于高温以及固体甚至液体污染物(助焊剂、焊膏)，的影响：因此，这些物质存在渗透到mems端口的真正风险，mems端口通常为0.5-1毫米大小。另一方面，通常不可能在此过程中关闭所述开口，这既是出于可及性的原因，也是因为需要留出一个通风口，以便加热空气在mems腔内膨胀。目前，所有这些都导致生产中因污染而产生一定比例的废品。

10、所述处理阶段对于排气过滤器极为关键，因为它发生在高温下：回流焊接工艺涉及标准化的热循环，峰值为260℃，持续40秒，重复三次。显然，从制造开始，在回流焊循环中生存是mems电路上集成保护器件的严格要求。

11、在现有技术中，已经提出了保护mems麦克风的解决方案，其中包括确保适当保护和声音传输的声学薄膜。特别地，用作麦克风的mems器件可以通过拉伸ptfe或纳米纤维形式的自立式膜进行保护。

12、这种解决方案在耐热性和机械性能方面都不完全令人满意。特别地，所述薄膜不适用于mems压力或环境传感器，因为上述材料是振动的并且具有很强的反应性声学行为，对动态压力应力的高频干扰太敏感。即使薄膜由非织造织物支撑，它们也不是上述需求的完整解决方案，因为它们的非连续配置可能会产生空气泄漏的优先路径(传感器性能损失)，甚至在防水要求的情况下成为液体的入口。

13、因此，对于关键的通气需求，特别是mems环境传感器的保护，尚不存在最佳解决方案。

14、这种类型的应用需要同时满足各种需求，包括制造特定的薄膜和组装组件，而这些需求目前在市场上尚未得到令人满意的解决。

15、关于设备在使用过程中的保护，此类需求包括：

16、-防止水或其他液体的飞溅/喷射侵入(ipx4-x5级)；

17、-浸入时的防水(ipx7-x8级，1-10米深度h2o>30分钟)；

18、-防止固体颗粒侵入；鉴于mems传感器的精细性，此类污染物的临界尺寸阈值低至5微米。

19、-此外，考虑到功能要求，放置在mems传感器和外部环境之间的每个保护元件在任何情况下都应保证足够的空气通道；因此，在要满足的要求中，还有一个透气性特性，其适合于将压力信号传输到安装了mems传感器本身的腔体中，至少保证下面所示的典型值。

20、如前所述，在装配层面，再次要求确保在回流焊接工艺中内部空气的过热膨胀。

21、相反，在预期用途层面，保护元件的透气性直接影响mems压力传感器的性能。事实上，任何压力传感器只有在足够的压力平衡时间后才能测量其腔内的压力，该压力对应于通气装置外部的压力。由于内部和外部压力的平衡涉及少量空气的传递，因此插入的透气材料渗透性会影响所述流动：任何保护材料的高透气性都可以最大限度地减少mems传感器的响应时间，并使其与所需的设计规格保持一致。

22、根据系统的几何形状(涉及的体积和通气装置面积)和所需的反应时间，通气装置本身的透气性值通常在5-50l/m2的范围内，压力为1kpa。

23、应该注意的是，该测量系统所需的性能比压力信号的简单再现和测量更复杂。实际上，外部应力的高频分量的减少，这些应力与环境的突然变化无关，而是与破坏性因素有关，例如设备附近湍流引起的超压，由中频声音产生的压力波，或可能与感兴趣大小无关的非常强烈和短的声音脉冲，是需要的。在所有这些情况下，重要的是，为保护mems而放置的透气材料也要起到低通滤波器的作用，在很大程度上将压力信号的分量切割到高于最大目标频率，而最大目标频率在任何情况下总是相对较低的。

24、在这方面，如果所述频率接近保护性通气装置自身的共振频率，则具有更反应性行为的防护通气装置(例如无支撑的振动膜)最终会传输无阻尼的高频压力信号。

25、目前存在一系列解决方案，它们在使用的技术上彼此不同，但在上述内容中仍然不能令人满意。以下是一些重要示例。

26、合成纤维或金属织物

27、合成纤维(由可抵抗回流循环典型高温的聚合物制成)或金属单丝的精密织物可用于保护mems腔。通过选择合适的细丝直径(优选地从24到100μm)和合适数量的细丝/线，实际上可以将通气装置的渗透率调整到所需的值，例如确保快速压力平衡，从而最大限度地减少传感器响应时间。该技术的示例以同一申请人的名义在ep2566183描述。

28、然而，当前的技术限制不允许定期获得特征尺寸小于5μm的开口，因此无法保证1-5μm范围内99.99％的颗粒的过滤效率。

29、此外，对于那些需要在垂直水域内防水1米持续30分钟(ipx7)或>1米持续30分钟(ipx8，优选地>5米持续30分钟)的应用，所述织物不起作用。事实上，即使考虑到表面处理倾向于最小化材料表面能，>1μm的特征开口也允许水在远低于100mbar的压力下通过。最终，此类防护通气设备目前无法达到ip67/68防水等级。

30、拉伸ptfe或纳米纤维膜

31、通过拉伸(例如名为eptfe的材料)或耐热聚合物静电纺丝获得的薄(<300μm)无支撑膜可以制造出小于或等于1μm的孔。通过这种方式，可以获得防止颗粒侵入(99.99％1-5μm)更好的性能，以及防止加压液体侵入。然而，厚度为<300μm，甚至高达<100μm的无支撑膜的刚度值会降低，从而导致对空气通过的反应性行为。如前所述，如果所述频率接近保护性通气装置自身的谐振频率，则这些薄膜可能会传输高频压力信号而不会抑制它们，从而损害传感器读数。

32、支撑(非嵌入)ptfe或纳米纤维膜

33、支撑膜是通过拉伸(eptfe)或静电纺丝耐热聚合物，然后在支撑层(如织物或合成非织造织物、金属织物、穿孔薄膜或其它)上进行层压而获得的。该技术的一个例子以同一申请人的名义在ep2561131中描述。

34、这些薄膜可以克服与高频振动相关的问题，但涉及与薄膜组装相关的其他问题。实际上，通气组件通过使用放置在保护性通气装置和mems腔之间的圆形胶粘剂(丙烯酸或硅胶基)边缘安装在mems的开口处。这样，膜支撑层就没有密封在其外缘上，并且由于它本身无法防水，因此可能会导致从外部侧泄漏到mems传感器封装中。因此，尽管这种类型的解决方案有助于克服某些类型膜的反应性行为问题，但它的缺点是它无法再满足防水要求(ipx7.8)。

35、聚酰亚胺薄膜

36、最后已知的解决方案是使用合成耐热材料薄膜(特别是pi和peek聚合物，例如杜邦制造的薄膜)。然而在一方面，从防止液体和颗粒侵入的角度来看，该系列的通气装置非常出色，但另一方面，由于它是一种不透气的连续薄膜，因此无法保证任何透气性。此功能对于mems工艺阶段(由于加热引起的膨胀)和环境传感器操作来说都是一个问题。

37、从上文可以了解到，目前还没有最佳解决方案可以满足通气装置的所有工艺和功能要求，以保护mems传感器(如环境传感器和类似应用)。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是提供一种通气装置，该装置特别适用于保护mems传感器，它克服了现有技术的限制。

2、该目的是通过用于通气装置的增强膜和包含所述膜的模切部件来实现的，如所附权利要求中的其基本特征中所述。

3、建议的创新涉及一种混合通气装置，该装置由在支撑层上通过相转化获得的聚合物膜–优选地耐热的聚合物单丝织物–其部分或全部嵌入膜本身，组成。

4、支撑层的功能是以可控的方式加强和加固薄膜，从而产生空气通过介质的纯粹反应性行为，并尽可能避免共振或不受控制的振动现象，同时具有孔隙非常小但渗透率高的多孔结构。

5、支撑层至少部分嵌入薄膜中，并且与其结合为一体，这保证了通气装置的出色可操作性，避免了薄膜和支撑层之间的分层问题，最重要的是，不会影响通过粘合剂环缘组装在mems传感器封装端口上的组件的防水性。

6、该薄膜由经过适当选择的聚合物获得，以抵抗回流焊接周期中涉及的高温。由于薄膜必须具有非常小的孔径，以保证良好的保护水平，防止颗粒和加压液体的侵入，但它也必须充分打开以保证适当的透气性水平，因此薄膜的特点是足够小的孔-特别是<5μm以保证对颗粒的保护，1μm以保证对1米水深压力的防水性，<1μm以保证对更高压力的防水性-但同时具有至少40％薄膜体积的高孔隙率(以孔体积与材料体积的比率表示)。

7、为了进一步确保对水或任何其他液体的侵入的抵抗力，需要所考虑的液体的表面能<<其表面张力。根据一优选实施例，连同约为或小于1μm的孔径，根据本发明的增强膜也经过处理，优选地真空涂层，能够产生低表面能<20mn/m，优选<10mn/m，以排斥具有低表面张力的液体(参见油或酒精，30-35mn/m和22-30mn/m)，与上述液体的返回接触角值>90°，并承受加压水，100mbar或>500mbar，的侵入，返回接触角值>120°，优选地>130°。

8、根据本创新的另一个方面，还提供了一种组装组件，该组件由多层模切部件获得，带有用于组装的内置粘合剂，结合基于合成单丝织物的增强膜，结合疏水表面处理，以确保所需的防水程度。

9、特别地，本发明是指一种尺寸适合安装在mems传感器上的模切部件。假定mems端口的典型尺寸为0.5至1mm，提供了一个有效区域尺寸为0.8-2mm的多层模切部件，所述有效区域暴露于经过疏水处理的增强多孔膜。

10、在所述有效区域之外，提供双压力敏感粘合剂(psa)边缘，覆盖2-3.5毫米的外径。这种粘合剂优选地是无孔的，并且设置为完美地密封疏水性增强膜和mems端口本身之间的体积，从而避免侧面泄漏，并确保与回流焊接应用一致的防水密封和耐热性。

11、通常，组装的设备的总厚度可以从60到300微米不等，理想值在80-150微米之间。朝向mems传感器的表面粘合剂的厚度决定了增强膜和mems端口之间的内部体积，因此决定了压力测量的响应时间。由于透气性，上述建议的厚度值可以最大限度地减少传感器响应时间。

12、根据mems传感器封装的几何形状，可能需要在增强膜的另一侧存在第二层粘合剂，将所述薄膜保持在夹层配置的中间，以便永久密封薄膜本身与封装外部通道的连接。或者，所述通道在任何情况下都应配备可压缩垫圈，以便在最终组装过程中完美密封增强膜。

13、最后，如果增强膜需要更好的弯曲刚度，则可以在模切部件安装另一个由连续塑料材料组成的刚性环(加强筋)，并为其组装再增加一层双psa。

14、模切部件可以具有圆形或正方形、矩形、椭圆形或其他简单的凸形，前提是有效区域与具有上述尺寸的圆形表面等效。

15、在现有技术中，已经为多孔膜和过滤器提供了一些其他贡献。例如，同一申请人的us2012/223014、wo2017/014130、us2017/128876、us2019/052945；kr20090116564、wo2021/083162和us2020/055006。