CN101360623A - 无线表面声波传感器的芯片级封装 - Google Patents

Abstract

一种传感器封装系统和方法包括塑料衬底，其被构造包括开口，用于接收和保持声波传感器。天线可被直接印制在所述塑料衬底上并电连接至所述声波传感器用于向所述声波传感器传输数据和从所述声波传感器接收数据。所述天线可为倒装晶片，安装到所述声波传感器，其可在例如表面声波(SAW)传感器芯片上进行实施。这种SAW传感器芯片可包括多个金属电极，它们与所述SAW传感器芯片位于塑料衬底的同一表面。

Description

无线表面声波传感器的芯片级封装

技术领域

本发明通常涉及传感装置及其方法。本发明还涉及无线传感器。此外，本发明还涉及压力传感应用中的表面声波传感器。

背景技术

无线传感器在传感应用中使用广泛，包括例如汽车轮胎中的压力和温度传感。通常，无线传感器被安装成与天线和接收单元相关联。近年来，各种无线通信技术已经被大量开发，例如象移动通信单元(如蜂窝式电话)或基于所谓IEEE(电子和电气工程师)802.11标准的无线LAN(局域网)，且与此相应，与作为执行无线通信所必不可少的组件的天线元件相关的各种技术也已被开发。

作为天线元件，例如公知的是辐射电极、表面电极或其类似物形成在柱状电介质上。这种类型的天线元件通常安装在装置主体的外部而被使用。然而，在所述被设置在外部并被使用的这种类型的天线元件中，存在装置难以小型化、需要高的机械强度以及部件数量增加的问题。

传统无线传感器技术存在的问题是，难以将天线集成在运行频率低于2.4GHz的无线传感器芯片上。需要用于进行芯片级封装的非常好的技术以及在柔性衬底上构建的阻抗匹配电路和天线。例如在无线轮胎压力传感领域中，需要一种改进的无线传感器封装系统及方法。本文详细地公开一种能够满足这种持续需要的系统和方法。

发明内容

提供以下发明内容是为了便于理解公开的实施例所独有的一些创新性特征但并不是完整的说明。通过将全部说明书、权利要求书、附图和摘要作为一个整体，可以对本发明的多个方面获取全面的理解。

因此，本发明的一个方面是提供一种改进的无线传感装置，其包括两个部件，一个部件被结合到另一个上，以及相关联的天线。

本发明的另一方面是提供一种改进的无线声波传感器。

本发明的又一方面是提供一种用于封装无线声波传感器和与之相关联的天线的系统。这种声波传感器可由两个元件构造而成，可通过各种技术，如玻璃粉、塑料或直接结合将两元件结合在一起。

上述方面、其它目的和优点可如这里描述的那样进行实现。这里描述了一种传感器封装系统及方法，其通常包括塑料衬底，其被构造成包括开口，用于接收和保持声波传感器。天线可被直接印制在所述塑料衬底上，并电连接至所述声波传感器，用于向声波传感器传输数据并从声波传感器接收数据。所述天线可被倒装芯片安装到所述声波传感器上，其可按照表面声波(SAW)传感器芯片实现。这种SAW传感器可包括位于石英晶片表面的多个金属电极。此外，这种SAW传感器还设置有石英盖，且所述SAW石英芯片例如可使用玻璃粉技术彼此结合，从而可获得完整的石英封装(AQP)构造，也被称作“零级封装”。这种玻璃粉技术可被应用于任一类型的石英SAW传感器封装中，其中低应力坚固(robust)封装技术是理想的。根据应用的需要，例如可使用任一类型的低应力石英-石英结合，如直接石英-石英结合、塑料结合等。

可使用绝缘聚酰亚胺选择性地密封所述SAW传感器芯片的一个或多个表面。传感膜片通常由SAW传感器芯片保持。所述传感膜片可被构造成包括凹陷区域。作为压力传输元件的凝胶体可位于该凹陷区域内。所述塑料衬底可被构造成介电衬底，其为柔性的。所述声波传感器通常包括石英盖，且形成在塑料衬底上的开口容纳该石英盖。天线通过无掩模喷墨沉积被直接印制在所述塑料衬底上。此外，声波传感器可被通过与声波传感器相关联的多个结合垫安装在天线上该多个结合垫定位在与天线相关联的多个对应的结合垫上。

因此，此处公开的所述传感器封装系统包括介电衬底和包括至少一个石英元件的无线声波传感器。使用无掩模喷墨印刷，天线通常被附着到位于介电衬底上的无线声波传感器上，由此提供传感器用于传感器数据的无线传输和接收。印制在介电衬底上的所述天线优选地工作在大约100KHz至2.4GHz的频率范围内。所述介电衬底包括孔，用于保持所述无线声波传感器，其中所述孔被构造使得与无线声波传感器相关联的石英盖可被容纳其中，以降低声波传感器的整体厚度。

因此，此处公开的所述系统和方法涉及一种用于无线SAW传感器芯片级封装的技术。用于构建在塑料衬底上的阻抗匹配电路和天线的直写技术可与倒装芯片技术结合，用于将天线芯片附着到无线SAW石英传感器芯片上。用于印制天线和匹配电路的金属层、通孔填充以及封装无线传感器的最终塑料壳体都可使用无掩模喷墨印刷方法实现。该技术可适合于应用在任一类型的天线位于传感器芯片外部的无线传感器。

附图说明

在附图的所有独立视图中，相同的附图标记表示相同或功能相似的元件，附图被结合进来并形成说明书的一部分，进一步说明实施例，与详细描述一起用于解释此处公开的实施例。

图1为可根据一优选实施例进行实施的玻璃烧结的整个石英封装表面声波传感器的侧视图；

图2为根据一优选实施例，印制在其中构造有开口的塑料衬底上的天线的侧视图；

图3为可根据一优选实施例进行实施的无线声波传感器系统的侧视图；

图4为一无掩模喷墨沉积印刷系统的透视图，其适合于根据一优选实施例使用。

具体实施方式

这些非限制性实施例中所讨论的特定值和构造可以被改变，且引用这些特定值和构造只是为了说明至少一个实施例，并非要限制其范围。

图1为可根据一优选实施例实施的表面声波传感器100的侧视图。图1中描述的表面声波传感器100可被实施为基于石英的表面声波(SAW)传感器芯片，且通常包括一个或多个SAW传感器104、106、108，它们被连接到SAW石英芯片110，并被SAW石英芯片110保持。传感器100还包括膜片102，其由SAW石英芯片110保持。基准室114可位于SAW石英芯片110和石英盖112之间。

根据一优选实施例，使用玻璃粉技术可实现SAW石英芯片110和石英盖112的气密密封，其中玻璃墙封闭了传感器的基准压力室。图1中描述的玻璃粉隔离物122和124示意性地代表了玻璃粉的工艺，其使得金属电极126和128定位在基准压力室114的外部，同时仍能保持压力室的密封结构。金属电极126和128也被SAW石英芯片110支撑，且分别通过玻璃粉隔离物122和124与石英盖112隔离开。金属-金属倒装芯片元件114、116和118、120分别连接到金属电极126和128。

图2为根据一优选实施例，印制在其中构造有空隙或孔202的塑料衬底206上的天线204、205的侧视图。请注意在图1-4中，相同的附图标记通常表示相同或相似的部件或元件。孔202形成在塑料衬底206上，以便容纳石英盖112。图2还描述了金属-金属表面安装元件114和120，其经常被本领域技术人员称做所谓的“凸起”。现有的倒装芯片技术可被用来在塑料衬底上实现将传感器垫连接到天线所必需的导电凸起。凸起114和120可具有例如大约100微米的直径，且可由金属或导电聚合物构造而成。天线204、205也可由金属、导电塑料或它们的组合构造而成，这取决于设计的考虑。

图3为可根据一优选实施例实施的无线声波传感器系统300的侧视图。系统300通常包括图3中描述的塑料衬底206，且被聚酰亚胺层304和聚酰亚胺306所包围。在塑料衬底206的部分之间还设置有一个或多个聚酰亚胺通孔填充物308和309。图3中描述的天线元件310、312和314构成了图2中描述的天线205，而天线元件316、318和320构成了图2中描述的天线204。

结果传感器或系统300可被实施为任一类型的无线传感器，其中天线，如天线204、205和相关的天线元件310、312、314和315、318、320被附着到传感器300的输出端。图1中描述的构造，例如说明了用于压力测量的无线SAW石英传感器100的芯片级封装，其中具有薄石英的区域被用来实现压力传感膜片102。询问信号到达传感器天线204、205，且传感器响应(回波)被传送回传感器天线204、205，其进一步将电磁信号发送给传感器询问器。天线204、205可采用喷墨技术(即见图4)构建在塑料衬底206上，接着采用倒装芯片技术将天线芯片表面安装到传感器芯片，最后用塑料层为传感器100做最终的外壳。

用于无线传感器的天线制造的新的方面是应用通过喷墨沉积图2示出的金属层进行金属沉积的技术。因此，可除去具有潜在可靠性问题的电线天线。此外，阻抗匹配电路也可借助该喷墨技术实施，其中无源电路可被印制在介电衬底上。传感器天线204、205的布局可通过电磁仿真获得，其中，运行频率、增益和输入阻抗通常符合天线204、205的尺寸。

用于形成天线204、205的金属层的选择性沉积可使用图4示出的无掩模喷墨方法实现，其中天线204、205的形状可在金属膏沉积过程中直接通过计算机控制。任何形状的印制天线204、205都可经由该无掩模喷墨印刷方法获得。在不限制天线类型的通用性的前提下，图2-3示出了蜿蜒状天线204、205布局的实例，蜿蜒状天线204、205沉积在塑料衬底206上。应当注意，取决于设计的考虑，天线204、205可被实施为折叠偶极子天线、贴片天线、螺旋型天线或环状天线。注意系统400可以这种方式被使用，使得阻抗匹配电路及其布局被喷墨在天线衬底206上。

图1-4示出的概念涉及天线塑料芯片的制造，该天线塑料芯片可设置有孔或开口202，其形成在石英传感器100将来的盖112将被容纳的区域。这使得各个传感器部件间具有良好的接触，该各个传感器部件通过倒装芯片技术被放置的处于接触状态，且由此可降低封装装置或系统300的高度。该衬底206可以是例如Kapton或玻璃转变温度高于170度的任何塑料材料。注意Kapton

是由DuPont公司开发的聚酰亚胺薄膜，其可在很宽的温度范围，从-269℃-400℃内保持稳定。Kapton

尤其被应用在柔性印刷电路和太空服中。作为用于制造天线204、205的金属膏的喷墨沉积的替代技术，丝网印刷技术也可被用于获得天线204、205的所需布局。

图4示出了无掩模喷墨沉积印刷系统400的透视图，其适用于根据一实施例使用。注意图4中描述的系统400通常包括单元402，其连接到管404、406和408。气流经由管404流入元件402中，而沉积材料通过管406供应。雾化材料412经由管408离开单元402，随后进入具有喷嘴411的喷墨印刷头410中。气体416可经由管414从喷嘴411中驱除。在衬底206上进行天线204、205的喷墨印刷，如前所述。

图1-4示出的方案的新颖性在于通过将石英盖112配合在构造在塑料衬底206上的孔202中，从而获得了封装的无线传感器或系统300的有限高度。在传感器芯片上测量的结合垫之间的距离等于在天线芯片上测量的天线204、205的结合垫之间的距离，这使得传感器100和天线204、205之间具有良好的对准和可靠的电连接。该原理可应用于印制在塑料衬底206上的任何类型的天线。对于使用玻璃粉技术来结合SAW传感器的两部件的情况，塑料衬底206的厚度和定位在塑料衬底上的凸起114和120的高度的和应当等于石英盖122的厚度和玻璃粉隔离物高度122和128的和。这种构造可在所得到的封装或系统300的背部产生平坦表面。蜿蜒状天线204、205的两凸起114、120表示应用倒装芯片技术以在传感器100的电极126、128与天线204、205的端部114、120之间分别建立电连接的区域。

因此，图1-4描述的构造通常描述用于无线SAW石英传感器的最终封装的新概念。该概念可被用于任何无线传感器的芯片封装，其中天线自身可不被集成在芯片上。作为一实例，此处描述的实施例旨在解决如下问题，例如橡胶中固化的无线压力传感器所需要的制造在柔性衬底上的阻抗匹配电路和天线以及芯片级封装的稳健技术。因此，此处描述了具有潜在低成本的橡胶中固化的压力传感器所专用的芯片封装的创新性方案。

应当理解，以上公开和其它特征和功能的改变，或它们的替代手段，理想地可结合进许多其它的系统或应用中。还应当理解本领域技术人员随后可做出当前无法预料和预测的各种替代手段、修改、改变和改进，这些也将被下列权利要求所包括。

Claims (10)

1.一种传感器封装系统，包括：

塑料衬底，其被构造为包括开口，用于接收和保持声波传感器；以及

天线，其被印制在所述塑料衬底上并电连接到所述声波传感器，用于向所述声波传感器传输数据和从所述声波传感器接收数据。

2.根据权利要求1的系统，其中所述天线被倒装芯片表面安装到所述声波传感器。

3.根据权利要求1的系统，其中所述声波传感器包括表面声波(SAW)传感器芯片，其包括彼此结合的至少两个石英部件。

4.根据权利要求3的系统，其中所述SAW传感器芯片包括多个金属电极，它们与所述SAW传感器芯片位于石英衬底的同一表面。

5.根据权利要求1的系统，其中所述天线通过无掩模喷墨沉积被直接印制在所述塑料衬底上。

6.根据权利要求1的系统，其中所述声波传感器通过与所述声波传感器相关联的多个结合垫安装到所述天线上，该多个结合垫定位在与所述天线相关联的多个相应的结合垫上。

7.一种传感器封装系统，包括：

介电衬底；

无线声波传感器，其包括至少一个石英元件；以及

天线，其使用喷墨无掩模印刷，附着到位于所述介电衬底上的所述无线声波传感器，由此提供用于无线传输和接收传感器数据的传感器。

8.如权利要求7的系统，其中印制在所述介电衬底上的所述天线在大约100KHz-2.4GHz的频率范围内工作。

9.一种传感器封装方法，包括：

提供介电衬底；

构造无线声波传感器，使其包括至少一个石英元件，其中所述无线声波传感器连接到所述介电衬底；

采用喷墨无掩模印刷将天线附着至位于所述介电衬底上的所述无线声波传感器，由此提供用于无线传输和接收传感器数据的传感器。

10.如权利要求9所述方法，进一步包括：

构造所述介电衬底，使其包括孔，用于保持所述无线声波传感器；

使所述孔成形，使得与所述无线声波传感器相关联的盖能容纳在其中，以减小所述声波传感器的总厚度；

提供传感膜片，其被所述无线声波传感器所保持；

构造所述传感膜片，使其包括凹陷区域；以及

将凝胶体相对所述凹陷区域定位，其中所述凝胶体为传感元件。

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