CN101720426B - 用于传感应用的表面声波器件的机械封装 - Google Patents

用于传感应用的表面声波器件的机械封装 Download PDF

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Abstract

一种方法和装置，其中芯片使用刚性接合粘合剂贴装到支承基底结构用于SAW(表面声波)传感器。具有优选地高的玻璃转变温度(Tg)的刚性接合粘合剂可以采用一种图案直接施加在芯片和芯片支承结构之间，以消除对SAW传感器的时间依赖的渐变应力影响。刚性接合粘合剂然后可以固化，其产生高屈服强度和高杨氏模量。支承基底和芯片材料包括相同的热膨胀系数以避免随温度的芯片位移。

Description

用于传感应用的表面声波器件的机械封装
技术领域
实施例大体上涉及声波器件。实施例还涉及SAW(表面声波)和BAW(体声波)传感器件。实施例另外涉及用于表面声波传感器器件的机械封装技术和配置。
背景技术
例如基于SAW和/或BAW的传感器等的声波传感器可以在多种传感应用中使用，例如温度和/或压力传感。这样的表面波传感器还可以用于探测物质的存在，例如化学物的存在等。表面声波器件典型地使用光线光刻技术通过放置在压电材料上的梳状叉指式换能器制造。表面声波器件可具有延迟线或共振器配置。其中已经有效使用SAW传感器的一个应用涉及车胎的压力和/或温度传感。
这样的传感器通常与车辆通信使得当该车辆移动(即，车轮相对于车身转动)时可以向操作者显示传感的压力。这样的器件通常是相对复杂和昂贵的、或备选地不是特别耐用的。在汽车中使用的传感系统的一个类型是TPMS(轮胎压力监测系统)，其包含固定到车身的传感器并且因此转动车轮和底盘之间的转动电接触是不需要的。在TPMS应用中，当轮胎的侧壁变形时传感器杆由于与轮胎侧壁接触而挠曲。这个系统提供低轮胎压力的指示但也不是非常耐用的。例如在车轮上的泥或其他碎片可引起错误的读数。此外，仅当轮胎压力明显降低(对于出现明显的轮胎鼓包所必需的)时这个系统提供指示。显然，这样的系统完全不能提供实际轮胎压力的读数。
大多数现有技术TPMS系统需要电池以从空气压力和温度传感器传送读数。电池具有有限的寿命并且在汽车部件经常经历的温度条件下遭受削弱的性能，从而降低这样的系统的可靠性。另外，电池包含对环境可以具有有害影响的化学制品。此外，电池自身的重量在高速时可以引起轮胎形状的变形，引起空气压力的损失和因而产生的安全问题。因此，较少电池的系统是更加可取的。
轮胎压力传感器已经基于SAW芯片在基底(SAW芯片最终引线接合到其上)上浮装的配置的组装实现。SAW芯片对小的应力和甚至涉及例如纳米、微米等微观尺度的位移(其由于CTE(热膨胀系数)、在不同温度下用于固定芯片到支承结构的粘合剂、封装材料和芯片的错配，或由于与该粘合剂关于芯片和芯片支承结构的位置相互影响的在恒定温度下的时间依赖的粘结性而可能容易发生)是高度灵敏的。这些问题可以导致在不同温度下一段时间期间传感器漂移，导致给定传感应用的不准确的和不可靠的操作。
参照图1，图示使用现有技术的芯片贴装(die-attachment)方法的基于SAW的传感器100的侧视图。基于SAW的传感器100使用四点相对软的粘合剂110用于贴装芯片130到芯片支承基底结构140。然后固化粘合剂110以完成该过程。软的粘合剂110在固化后提供比硬或刚性接合粘合剂相对更低的杨氏模量和更低的屈服强度并且具有时间依赖的性质(例如，粘弹性蠕变)或组合的性质，其在SAW器件100上产生渐变应力，导致输出在一段时间期间变化(漂移)。这些粘结性相关的变化可以在给定的温度下产生对SAW芯片130的渐变应力影响。SAW传感器100对这些应力变化是灵敏的，导致来自传感器100的输出漂移和差的数据。
参照图2，图示使用现有技术芯片贴装方法的基于SAW的传感器100的顶视图。基于SAW的传感器100包括四点软的粘合剂110、芯片130、芯片支承基底结构140和芯片支承突出部150。如在图1中描绘的软的粘合剂点110主要从传感器100的侧边对芯片130施加渐变应力。这样的配置引起传感器100在一段时间期间漂移，导致不准确和不可靠的传感操作和结果。
参照图3，图示使用软粘合剂的传感器漂移对时间的图表200。如在图3的图表200中示出的，当软的粘合剂被用于贴装芯片130到芯片支承基底140时传感器漂移是高的。图表200大体上绘制三个共振器(即，TSAW、RSAW和PSAW)从初始读数的频率漂移数据和它们的差频Fp和Ft(用于计算压力和温度)。
基于前文，相信需要有改进的设计，其可以引入刚性接合粘合剂用于贴装芯片到支承基底结构，以用于传感应用以用于获得增强的传感器性能。相信通过使用本文更加详细地描述的传感器封装方法，可以消除在所得的SAW传感器器件中的应力影响。
发明内容
提供下列摘要以便于理解公开的实施例独特的创新特征中的一些并且不打算成为完全的说明。实施例的各种方面的完全理解可以通过将整个说明书、权利要求、图和摘要作为整体来看而获得。
因此，提供改进的声波传感器装置和制造其的方法是本发明的一个方面。
提供改进的SAW和/或BAW传感器装置和制造其的方法也是本发明的方面。
提供用于监测车辆轮胎压力的改进的轮胎压力传感器装置是本发明的另一个方面。
提供用于实现传感应用的声波传感器装置的改进的机械封装方法是本发明进一步的方面。
现在可以如本文描述的实现前面提到的方面和其他目标和优势。公开一种方法和装置，其中芯片使用刚性接合粘合剂贴装到支承基底结构以便提供和封装SAW传感器。刚性接合粘合剂(其也可以称为“硬粘合剂”)在固化后具有高杨氏模量和高屈服强度，其比软粘合剂提供的性质高很多。具有优选地高的玻璃转变温度(Tg)的刚性接合粘合剂可以采用一种图案直接施加在芯片和芯片支承结构之间，以消除在所得的SAW传感器中的时间依赖的渐变应力影响。刚性接合粘合剂然后可以经固化操作，其产生高屈服强度和高杨氏模量。支承基底和芯片材料优选地具有相同的热膨胀系数以避免随温度的芯片位移。刚性接合粘合剂也可以采用一种图案直接施加在芯片和任何打算限制芯片移动的结构之间以消除在所得的SAW传感器中的时间依赖的渐变应力影响。
因此，表面声波器件最初可以被放置成同时仍然允许它通过位于表面声波芯片下方的粘合剂而随压力弯曲。表面声波芯片可以由一个或多个在压电衬底上面形成的叉指式换能器构成。压力灵敏共振器优选地放置在芯片支承突出部之间的区域中以最大化挠曲，但是例如温度共振器等的其他共振器可以放置在芯片支承突出部外面以最小化压力影响。
附图说明
附图中不同的视图中类似的标号指相同的或功能类似的元件并且其包含在本说明书的一部分中并且形成本说明书的一部分，附图还图示实施例，并且连同详细说明服务于解释本文公开的实施例。
图1图示使用现有技术芯片贴装方法的基于SAW的传感器的侧视图；
图2图示使用现有技术芯片贴装方法的基于SAW的传感器的顶视图；
图3图示使用软粘合剂通过现有技术芯片贴装方法的传感器漂移对时间的图表表示；
图4图示根据优选实施例可以实现的叉指式表面波器件的透视图；
图5图示根据优选实施例可以实现的轮胎压力传感器系统的分解图；
图6图示根据优选实施例可以实现的基于SAW的传感器的侧视图；
图7图示根据优选实施例可以实现的基于SAW的传感器的顶视图；
图8图示根据备选实施例可以实现的基于SAW的传感器的侧视图；
图9图示根据备选实施例可以实现的基于SAW的传感器的顶视图；
图10图示根据优选实施例表示使用刚性接合粘合剂的传感器漂移对时间的图表描绘数据；以及
图11图示根据优选实施例的操作的详细流程图，其图示用于提供用于传感应用的表面声波器件的机械封装方法的逻辑操作步骤。
具体实施方式
在这些非限制性示例中论述的特定值和配置可以变化并且仅那里引用以图示至少一个实施例并且不是用来限制其的范围。
参照图4，图示叉指式表面波器件300的透视图，其根据优选实施例可以实现。在图4中描绘的表面波器件300通常包括在压电衬底340上形成的叉指式换能器(IDT)310。表面波器件300可以在传感器芯片的环境中来实现。叉指式换能器310可以用电极的形式配置。天线320通常连接到IDT 310。
可以使用涂层330使得要测量的特定物种被该涂层330吸收，从而改变叉指式表面波器件300的声学性质。可以使用各种选择性的涂层以实现涂层330。可以探测和使用声学性质的变化以识别或探测吸收的和/或被涂层330吸收的物质或物种。声学性质的变化还可以通过在IDT区域中引起应变而取得。这样的应变可以通过例如压力、温度、转矩等等或这些的组合等的不同参数而引起。
参照图5，图示根据优选实施例可以实现的轮胎传感器系统400的分解图。系统400可以在关联鼓式制动器的轮胎410的环境中来实现。然而，可以认识到系统400可以在例如盘式制动器等的其他制动器系统的环境中来实现。轮胎410包括轮胎轮圈440。系统400包括制动鼓450，其可以与垫板460相互作用，垫板460进而包围车辆轮轴470。
系统400还包括叉指式表面波器件300，其在图6-9中更加详细地示出。系统400通常用以通过把叉指式表面波器件300设置在轮胎410上的特定位置而监测轮胎410的压力和/或温度。无线信号(例如，射频、低频，等等)可以从发射器/接收器430(其优选地位于汽车和/或其他地方内)传送到叉指式表面波器件300。该信号激发叉指式表面波器件300，其产生指示轮胎410的压力和/或温度的频率。
参照图6，图示根据优选实施例可以实现的基于SAW的传感器500的侧视图。基于SAW的传感器500通常包括芯片530，其贴装到包括芯片-支承结构540和基底突出部550的芯片支承结构。如本文使用的术语“突出部”大体上指当芯片530使用粘合剂510贴装到芯片支承结构540时芯片支承结构540的上面搁置芯片530的任何部分。芯片支承结构540和芯片530的材料可以具有类似的(例如但不是理想地相同)温度膨胀系数值以避免随温度的芯片位移。芯片530然后可以通过刚性接合粘合剂510固定到支承结构540。刚性接合粘合剂510可以沿窄的区域放置(大致上沿优选方向延伸)同时最小化刚性接合粘合剂510和支承基底540内的热诱导应力。刚性接合粘合剂510可以提供用于固定表面声波芯片530到芯片支承结构540。粘合剂510可以放置在芯片支承突出部550上面的位置上，使得表面声波芯片530之后可以被压向刚性接合粘合剂510。注意芯片支承突出部550的宽度可以小于、等于或大于压力灵敏共振器(在图6中没有示出)外面芯片530的长度。
芯片支承突出部550可以具有任何形状，例如矩形、正方形、三角形、圆形和多边形等。粘合剂510可以固化使得所得的部件提供高屈服强度和高杨氏模量。压力可以施加到压力施加结构520，其是封装盖(没有示出)的一部分。压力施加结构520在芯片接触点处可以具有任何形状，例如点、圆形/球形、平整/矩形/正方形或任何其他形状等。压力施加结构520也可以在相互接触点处使用刚性接合粘合剂510固定到芯片530。表面声波芯片530通常配置成包括一个或多个在被基底和盖(没有示出)包围的压电衬底上面形成的叉指式换能器。这样的叉指式换能器的示例是本文在图4中描绘的叉指式表面波器件300。注意声波芯片530可以位于例如邻近、靠近轮胎车轮组件(例如在图5中描绘的轮胎410)的位置或依附到轮胎车轮组件(例如在图5中描绘的轮胎410)。
参照图7，图示根据优选实施例可以实现的基于SAW的传感器500的顶视图。注意在图6-9中，相同或类似的部件或元件通常用相同的标号指示。如在图7中指出的，基于SAW的传感器500包括芯片支承结构，其包括芯片支承基底540和基底突出部550用于芯片挠曲，其进而可以提供为基底540的组成部分，以及包括粘合剂510。粘合剂510可以直接施加在突出部上用于芯片贴装，其可以用于获得增强的传感应用和性能。刚性接合粘合剂510消除在不同温度下固有的时间依赖的性质变化。刚性接合粘合剂510在固化后通常具有高杨氏模量、刚屈服强度，并且具有高玻璃转变温度(Tg)。刚性接合粘合剂510如在图7中指出的可仅施加在一侧S1或S2或施加在两侧S1和S2。芯片支承突出部550的长度可以小于、等于或大于芯片530的宽度(在图7中没有示出)。
参照图8，图示根据备选实施例可以实现的基于SAW的传感器600的侧视图。刚性接合粘合剂510直接在SAW芯片530和支承结构540之间的施加消除了在SAW传感器600中的粘合剂相关的应力影响。基于SAW的传感器100使用四点相对刚性的接合粘合剂510用于贴装芯片530到芯片支承基底结构540。在芯片支撑基底540的顶面上面，芯片支承突出部550和粘合剂510可以具有大约相同的高度。芯片支承突出部550的宽度可以小于、等于或大于压力灵敏共振器(在图8中没有示出)外面芯片530的长度。
参照图9，图示根据备选实施例可以实现的基于SAW的传感器600的顶视图。注意在图6-9中，相同或类似的部件或元件通常用相同的标号指示。如在图9中指出的，基于SAW的传感器500包括芯片支承基底540、四点刚性接合粘合剂510、芯片530和芯片支承突出部550。注意尽管关于刚性接合粘合剂510描述四点，可以认识到取决于设计考虑可以提供更少或更多这样的“点”。数字“四”因而不认为是实施例的限制性特征，而在本文论述仅用于通常的说明性目的。粘合剂510可以直接施加在芯片530和芯片支承结构540之间用于芯片贴装，并且在传感应用期间可以用于获得增强的传感器性能。刚性接合粘合剂510如在图9中指出的可以施加在侧S1 & S1’或S2 & S2’或S1 & S2’或S2 & S1’上或所有四侧S1、S1’、S2 & S2’上。粘合剂510可以放置在芯片支承突出部550上面的位置上，使得表面声波芯片530之后可以被压向刚性接合粘合剂510。芯片支承突出部550可以具有任何形状，例如矩形、正方形、三角形、圆形和多边形等。在芯片宽度上的芯片支承突出部550之间的距离可以小于、等于或大于芯片530的宽度(在图9中没有示出)。
参照图10，图示根据一个可能的实施例绘制使用软粘合剂的传感器漂移数据对时间的图表700。如在图表700中指出的，当刚性接合粘合剂510用于贴装芯片530到芯片支承结构540时传感器漂移是不存在的。在样本图表700中，传感器漂移数据以Hz度量并且时间数据以小时度量。
图11图示根据优选实施例的操作的详细流程图，其图示用于提供表面声波传感器件的机械封装方法800的逻辑操作步骤。如在框810指出的，具有优选地高玻璃转变温度(Tg)的刚性接合粘合剂510可以直接施加在芯片530和芯片支承结构540之间。接着，如在框820描绘的，刚性接合粘合剂510可以固化，其产生高屈服强度和高杨氏模量。在那之后，如在框830图示的，支承基底540和芯片材料530可以选择具有相同的热膨胀系数以避免随温度的芯片位移。芯片的压力灵敏共振器然后可以放置在芯片支承突出部550之间的区域中以最大化挠曲，如在框840描述的。最后如在框550指出的，其他的共振器可以放置在芯片支承突出部550外面的区域中以最小化挠曲。
将认识到上文公开的变化和其他特征和功能，或其的备选方案，可以可取地结合到许多其他不同的系统或应用中。同样其中各种目前未预见到的或不曾预料到的备选方案、修改、变化或改进随后可被那些本领域内技术人员做出，它们也规定为被下列权利要求涵盖。

Claims (10)

1.一种用于提供表面声波传感器的方法，包括：
在支承基底/结构上设置至少一个表面声波芯片，所述支承基底/结构其中形成有多个芯片支承突出部，所述至少一个表面声波芯片在所述多个芯片支承突出部上面；
在所述至少一个表面声波芯片和所述至少一个芯片支承突出部之间采用一种图案直接施加刚性接合粘合剂以消除时间依赖的渐变应力影响；以及
之后固化所述刚性接合粘合剂，从而贴装所述至少一个表面声波芯片到所述支承基底以形成所述表面声波传感器。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
配置所述表面声波传感器以包括至少一个在压电衬底上形成的叉指式换能器IDT；以及
将天线与所述表面声波传感器集成，其中所述天线接收至少一个信号，其激发所述至少一个IDT以产生至少一个其温度和/或压力影响分析的频率输出。
3.如权利要求1所述的方法，还包括配置所述至少一个表面声波芯片和所述支承基底/结构以包括相同的热膨胀系数以避免导致传感器输出变化的随温度相对于芯片支承基底/结构和/或压力施加点的芯片位移。
4.如权利要求1所述的方法，还包括使所述表面声波传感器位于与轮胎或轮胎车轮组件关联。
5.如权利要求1所述的方法，还包括从固化后提供高杨氏模量、高屈服强度并且具有高玻璃转变温度的材料中选择所述刚性接合粘合剂。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述刚性接合粘合剂消除主要来自所述至少一个表面声波芯片侧面的时间依赖的渐变应力影响。
7.一种表面声波传感器装置，包括：
设置在支承基底/结构上的至少一个表面声波芯片，所述支承基底/结构其中形成有多个芯片支承突出部，所述至少一个表面声波芯片在所述多个芯片支承突出部上面；以及
刚性接合粘合剂，直接位于所述至少一个表面声波芯片和所述多个芯片支承突出部之间，其采用一种图案以消除时间依赖的渐变应力影响，其中所述刚性接合粘合剂之后固化以贴装所述至少一个表面声波芯片到所述支承基底以形成所述表面声波传感器。
8.一种表面声波传感器装置，包括：
设置在支承基底/结构上的至少一个表面声波芯片，所述支承基底/结构其中形成有多个芯片支承突出部，所述至少一个表面声波芯片在所述多个芯片支承突出部上面；以及
刚性接合粘合剂，直接位于所述至少一个表面声波芯片和所述多个芯片支承突出部之间，其采用一种图案以消除时间依赖的渐变应力影响，其中所述刚性接合粘合剂之后固化以贴装所述至少一个表面声波芯片到所述支承基底以形成所述表面声波传感器，其中所述表面声波传感器包括至少一个在压电衬底上形成的叉指式换能器IDT；以及
与所述表面声波传感器集成的天线，其中所述天线接收至少一个信号，其激发所述至少一个IDT以产生至少一个其温度或压力影响分析的频率输出。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述至少一个表面声波芯片和所述支承基底包括相同的热膨胀系数以避免导致传感器输出变化的随温度相对于芯片支承基底/结构和/或压力施加点的芯片位移。
10.一种表面声波传感器装置，包括：
至少一个表面声波芯片；
直接施加到所述至少一个表面声波芯片和用于限制所述至少一个表面声波芯片移动的至少一个结构的至少一侧的粘合剂，其采用一种图案以消除时间依赖的渐变应力影响以形成所述表面声波传感器装置。
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