CN103245377A - 单体化复合传感器及其封装品 - Google Patents

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Abstract

一种单体化复合传感器及其封装品，所述封装品包含：一单体化复合传感器、一封盖及一底板。单体化复合传感器包含：一主体、一复合体、至少一连结梁及多个传感元件。复合体包括相连接的一质量块及一薄膜，两者共同界定出至少一空腔。连结梁连结主体与复合体，使复合体可相对于主体作运动。其中至少一个传感元件形成于薄膜位于空腔上的区域。封盖连接于单体化复合传感器的上表面，遮盖复合体及所述连结梁并与复合体及连结梁相间隔，且设有多个穿孔。底板连接于单体化复合传感器的下表面，与封盖位于单体化复合传感器的相反两侧，且与复合体相间隔。

Description

单体化复合传感器及其封装品
技术领域
本发明涉及一种微机电系统的传感器，特别是涉及一种高积集度的单体化复合传感器。
背景技术
微机电系统技术(MEMS)结合了半导体制程及其它微机械加工(micromachining)的方法，整合制造结合光、机、电、生化等感测或致动元件于芯片上，而能使传感器或致动器微型化。
然而，单一功能的微传感器或微致动器已经无法满足使用需求，为了能够降低成本并提高附加价值，将多个传感器整合于同一芯片已成为未来发展的趋势。以车用电子系统为例，整合加速度计与微陀螺仪可应用于车辆稳定性控制与防翻覆传感器，而整合压力计与加速度计可应用于胎压侦测系统。具体结构设计，例如美国专利US7223624、US7322236及US7555956等，皆有揭露将压力计与加速度计以并列方式整合于同一芯片，其中US7322236还揭露将压力计与加速度计分别位于芯片正面与背面的上下并排设计。
由于并列方式的设计使芯片面积很难再缩小，而上下并排方式容易造成制程的复杂性并增加引线的困难，所以如何有效提高积集度以减少芯片面积，且避免制程过于复杂，是需要解决的课题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种可以有效提高积集度且结构简单的单体化复合传感器。
本发明的另一目的，提供一种单体化复合传感器的封装品。
本发明单体化复合传感器，包含：一主体、一复合体、至少一连结梁及多个传感元件。复合体包括相连接的一质量块及一薄膜，薄膜位于质量块上并与质量块共同界定出至少一空腔。连结梁连结主体与复合体，使复合体可相对于主体作运动，也就是说，主体为一固定结构，连结梁的一端固定于主体，另一端连接复合体，借由连结梁支撑复合体而将复合体悬空，当复合体受外力摇晃或震动时，即会相对于主体运动。其中至少一个传感元件形成于薄膜位于空腔上的区域。复合体的空腔可以提供薄膜振动的空间，也可以作为隔热的空间，借此可在空腔上的薄膜区域设置传感元件，形成多功能的应用，例如设置压阻元件可应用为压力传感器；设置热敏元件可应用为温度传感器；此外，若设置热敏元件，单体化复合传感器还可包含一发热元件，同样设于空腔上的薄膜区域并靠近热敏元件，即可应用为流体流量计。
本发明所述单体化复合传感器的多个传感元件中的各传感元件可为压阻元件、压电元件或热敏元件。而且，传感元件中至少一个为压阻元件且形成于连结梁，可以感测复合体的运动，以应用为惯性传感器，进一步地，传感元件中有一为压电元件，也可设于连结梁上，以致动复合体，使惯性传感器具有自我检测的功能；或者，单体化复合传感器还可包含一底板，与主体连接且形成有一感测电极，感测电极与质量块相对且两者共同形成一电容结构，借此也可感测复合体的运动，或借由在电容结构间施加偏压而产生静电力使此复合体具有自我检测的功能。
本发明所述单体化复合传感器，其中，薄膜与连结梁一体连接，也就是说薄膜与连结梁是由同一结构层所形成，而且连结梁的厚度与薄膜的厚度可以相同也可以不同，可依据需求而调整，具体例如连结梁的厚度小于薄膜的厚度，可使复合体的振动较为灵敏，或例如连结梁的厚度大于薄膜的厚度，可使连结梁较具有刚性。
本发明所述单体化复合传感器，其中，复合体的至少一空腔还延伸至少一贯穿质量块的通道而与外界相连通，借此流体可经由通道进入空腔内与薄膜接触以侦测相对压差。
本发明单体化复合传感器的封装品，包含：一单体化复合传感器、一封盖及一底板。单体化复合传感器，包含：一主体、一复合体、至少一连结梁及多个传感元件。复合体包括相连接的一质量块及一薄膜，薄膜位于质量块上并与质量块共同界定出至少一空腔。连结梁连结主体与复合体，使复合体可相对于主体作运动。其中至少一个传感元件形成于薄膜位于空腔上的区域。封盖连接于单体化复合传感器的上表面，遮盖复合体及所述连结梁并与复合体及连结梁相间隔，且设有多个穿孔。底板连接于单体化复合传感器的下表面，与封盖位于单体化复合传感器的相反两侧，且与复合体相间隔。
本发明所述单体化复合传感器的封装品，其中，至少一部份穿孔分别对应各传感元件的焊垫设置以露出各传感元件的焊垫。而且，单体化复合传感器的封装品还可包含多个金属导接部，分别对应被覆于各传感元件的焊垫而形成电连接且延伸被覆于对应界定穿孔的封盖的壁面并进一步延伸至封盖的顶面；或者，多个金属导接部分别对应被覆于各传感元件的焊垫而形成电连接。
本发明所述单体化复合传感器的封装品，其中，穿孔中至少一个使该复合体与外界压力连通。
本发明所述单体化复合传感器的封装品，其中，复合体的至少一空腔还延伸至少一贯穿质量块的通道；底板具有至少一个穿孔，使复合体与外界压力连通。
本发明所述单体化复合传感器的封装品，其中，各传感元件为压阻元件、压电元件或热敏元件。
本发明所述单体化复合传感器的封装品，其中，传感元件中至少一个为压阻元件且形成于连结梁。
本发明所述单体化复合传感器的封装品，其中，底板形成有一感测电极，感测电极与质量块相对且两者共同形成一电容结构。
本发明的有益效果在于：本发明单体化复合传感器除了利用复合体可以运动而能形成惯性传感器之外，还借由在复合体形成空腔，而能在空腔上的薄膜区域形成传感元件以作为其它用途的传感器，例如压力传感器、温度传感器、流体流量计等，从而节省形成其它用途传感器所需增加的面积，使单体化复合传感器不但具有多功能且能提高积集度。再者，单体化复合传感器的结构简单，较容易制作，且能进一步形成封装品。
附图说明
图1是一俯视示意图，说明本发明单体化复合传感器的第一较佳实施例；
图2是一沿图1中II-II直线所取的截面示意图；
图3是一截面示意图，说明本发明单体化复合传感器的第二较佳实施例；
图4是一截面示意图，说明本发明单体化复合传感器的第三较佳实施例；
图5是一截面示意图，说明本发明单体化复合传感器的第四较佳实施例；
图6是一截面示意图，说明本发明单体化复合传感器的第五较佳实施例；
图7是一截面示意图，说明本发明单体化复合传感器的第六较佳实施例；
图8是一截面示意图，说明本发明单体化复合传感器的封装品的第一较佳实施例；
图9是一截面示意图，说明本发明单体化复合传感器的封装品的第二较佳实施例；及
图10是一截面示意图，说明本发明单体化复合传感器的封装品的第三较佳实施例。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
在本发明被详细描述之前，要注意的是，在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。
参阅图1与图2，本发明单体化复合传感器的第一较佳实施例包含一主体1、一复合体2、两个连结梁3及多个传感元件4。复合体2包括相连接的一质量块21及一薄膜22，薄膜22位于质量块21上并与质量块21共同界定出一空腔23，借由空腔23使薄膜22有形变的空间，且借由薄膜22上的传感元件4以感应压力变化。连结梁3连结主体1与复合体2，使复合体2可相对于主体1作运动，也就是说，复合体2由连结梁3弹性支撑而为悬空的结构体，若复合体2受震动即会相对于主体1作运动。在本实施例，薄膜22与连结梁3一体连接，也就是说，薄膜22与连结梁3是由同一结构层所形成，而且连结梁3的数量不限于两个，形状也不限于长条形，其数量及形状可以依据复合体2实际的体积及重量而调整，但是至少需要一个连结梁3来支撑复合体2。
在本实施例，传感元件4都是压阻元件41，其中一部分压阻元件41形成于薄膜22位于空腔23上的区域，用以感测薄膜22的形变或振动，借此本实施例可作为压力传感器；其余压阻元件41分别形成于连结梁3，用以感测复合体2的运动，借此本实施例可作为惯性传感器，例如加速度计、陀螺仪等。也就是说，本实施例可以作为整合惯性传感器及压力传感器的单体化复合传感器。
参阅图3，本发明单体化复合传感器的第二较佳实施例与第一较佳实施例大致相同，但是，相较于第一较佳实施例，在第二较佳实施例中，进一步调整连结梁3的厚度，使连结梁3的厚度小于薄膜22的厚度，借此调整复合体2的灵敏度。此外，复合体2的空腔23还延伸一贯穿质量块22的通道24而使空腔23与外界相连通，借此，薄膜22除了可以由上侧(相反于空腔23侧)感应压力变化之外，也可由下侧(相邻于空腔23侧)感应压力变化，增加复合传感器的使用弹性。
参阅图4，本发明单体化复合传感器的第三较佳实施例同样包含主体1、复合体2、连结梁3及多个传感元件4。其中传感元件4包括有一压阻元件41、一压电元件42，及一热敏元件43。压阻元件41形成于连结梁3以感测复合体2的运动，借此本实施例可作为惯性传感器；压电元件42也形成于连结梁3，用以致动复合体2以使惯性传感器具有自我检测(self test)的功能；热敏元件43形成于薄膜22位于空腔23上的区域，可以利用空腔23绝热，以使薄膜22上的热能不会快速传导至质量块21，借此本实施例可作为温度传感器。也就是说，本实施例可作为整合惯性传感器及温度传感器的单体化复合传感器，且惯性传感器还具有自我检测的功能。
参阅图5，本发明单体化复合传感器的第四较佳实施例同样包含主体1、复合体2、连结梁3及多个传感元件4。其中传感元件4包括有一压阻元件41及多个热敏元件43，压阻元件41形成于连结梁3以感测复合体2的运动，借此本实施例可作为惯性传感器；热敏元件43形成于薄膜22位于空腔23上的区域，可以利用空腔23绝热，以使薄膜22上的热能不会快速传导至质量块21，借此本实施例可作为温度传感器；此外单体化复合传感器还包含一发热元件5，形成于薄膜22位于空腔23上的区域且靠近热敏元件43，借此本实施例可作为流体流量计。也就是说，本实施例可作为整合惯性传感器、温度传感器及流体流量计的单体化复合传感器。
参阅图6，本发明单体化复合传感器的第五较佳实施例同样包含主体1、复合体2、连结梁3及多个传感元件4。其中复合体2形成有两个空腔23，而且传感元件4包括有多个压阻元件41及一热敏元件43，一部分的压阻元件41形成于连结梁3以感测复合体2的运动，借此本实施例可作为惯性传感器；其余的压阻元件41形成于薄膜22位于其中的一空腔23上的区域，用以感测薄膜22的形变，借此本实施例可作为压力传感器；热敏元件43形成于薄膜22位于其中另一空腔23上的区域，可以利用空腔23绝热，借此本实施例可作为温度传感器。换句话说，本实施例可作为整合惯性传感器、压力传感器及温度传感器的单体化复合传感器。
参阅图7，本发明单体化复合传感器的第六较佳实施例同样包含主体1、复合体2、连结梁3及多个传感元件4。其中传感元件4都为压阻元件41且都形成于薄膜22位于空腔23上的区域，用以感测薄膜22的形变，借此本实施例可作为压力传感器。此外，本实施例还进一步包含一底板6，与主体1连接而与复合体2相间隔且形成有一感测电极7。感测电极7与质量块21相对且两者共同形成一电容结构，借由感测电极7感测电容变化可以感测复合体2的运动，也可利用施加偏压于感测电极7使电容变化来致动复合体2，借此本实施例也可作为惯性传感器并具有自我检测的功能。换句话说，本实施例可作为整合惯性传感器及压力传感器的单体化复合传感器，且惯性传感器具有自我检测的功能。
本发明单体化复合传感器可进一步制作封装结构形成封装品以保护单体化复合传感器免于外力的破坏，使后段封装制程较具弹性。以下以前述单体化复合传感器的第一、第二及第六较佳实施例进一步形成的封装品为例说明。
参阅图8，本发明单体化复合传感器的封装品的第一较佳实施例包含一单体化复合传感器、一封盖8、一底板6及多个金属导接部9。本实施例的单体化复合传感器如前述单体化复合传感器的第一较佳实施例，不再重述。封盖8连接于单体化复合传感器的上表面，遮盖复合体2及连结梁3并与复合体2及连结梁3相间隔。底板6连接于单体化复合传感器的下表面，与封盖8位于单体化复合传感器的相反两侧，且与复合体2相间隔。由于复合体2由主体1围绕，再加上封盖8与底板6遮盖复合体2的上下两侧，可以保护复合体2及连结梁3不会受到外物碰撞。此外，封盖8设有多个穿孔81、82，其中穿孔81使复合体2与外界压力连通，以使薄膜22能够感应外界压力变化。穿孔81可以为一个或多个并不限制，而多个穿孔82分别对应各传感元件4的焊垫40设置以露出各传感元件4的焊垫40(多个焊垫40分布于主体1顶面，图式仅示出一个)。金属导接部9分别对应被覆于各传感元件4的焊垫40形成电连接且延伸被覆于对应界定穿孔82的封盖8的壁面83并进一步延伸至封盖8的顶面84，金属导接部9位于封盖8顶面84的部分用以与外部电路电连接，可直接焊接于一电路板(未图示)。前述封盖8、底板6及金属导接部9可在制作完成单体化复合传感器的同一晶圆上接续进行，而能达到晶圆级封装，也就是说可在同一晶圆上制作多个单体化复合传感器的封装品，再切割即可形成多个独立的单体化复合传感器的封装品。
参阅图9，本发明单体化复合传感器的封装品的第二较佳实施例包含一单体化复合传感器、一封盖8、一底板6及多个金属导接部9。本实施例的单体化复合传感器如前述单体化复合传感器的第二较佳实施例，不再重述。此外，封盖8、底板6及金属导接部9大致与前述封装品的第一较佳实施例相同，但是，在本实施例，底板6还具有多个穿孔61，使复合体2与外界压力相通，借此外界流体可以通过封盖8的穿孔81及底板6的穿孔61两种管道接触复合体2。当然，穿孔61也可以只有一个。
参阅图10，本发明单体化复合传感器的封装品的第三较佳实施例包含一单体化复合传感器、一封盖8及多个金属导接部9。本实施例的单体化复合传感器如前述单体化复合传感器的第六较佳实施例，不再重述，其中单体化复合传感器的底板6即作为封装品的底板6，不需要再另外设置。本实施例的封盖8结构与前述封装品的第一较佳实施例相同，而金属导接部9分别对应被覆于各传感元件4的焊垫40形成电连接，在本实施例的金属导接部9可供以打线(未图示)方式与外部电路电连接。
前述全部实施例的制造方法都可以利用现有的微机电系统(MEMS)技术来实施，不予详述，而且前述单体化复合传感器的封装品的实施例皆可达到晶圆级封装。
综上所述，本发明单体化复合传感器除了利用复合体2可以运动而能形成惯性传感器之外，还借由在复合体2形成空腔23，而能在空腔23上的薄膜22区域形成传感元件4以作为其它用途的传感器，例如压力传感器、温度传感器、流体流量计等，也就是说，复合体2除了相当于现有惯性传感器的运动体结构之外，还能在相当的体积空间下进一步形成其它用途的传感器，从而节省形成其它用途传感器所需增加的面积，使单体化复合传感器不但具有多功能且能提高积集度。再者，单体化复合传感器的结构简单，较容易制作，且能进一步形成封装品。

Claims (17)

1.一种单体化复合传感器；其特征在于：包含：
一主体；
一复合体，包括相连接的一质量块及一薄膜，该薄膜位于该质量块上并与该质量块共同界定出至少一空腔；
至少一连结梁，连结该主体与该复合体，使该复合体可相对于该主体作运动；及
多个传感元件，其中至少一个传感元件形成于该薄膜位于所述空腔上的区域。
2.根据权利要求1所述的单体化复合传感器，其特征在于：所述各传感元件为压阻元件、压电元件或热敏元件。
3.根据权利要求1所述的单体化复合传感器，其特征在于：还包含一底板，与该主体连接且形成有一感测电极，该感测电极与该质量块相对且两者共同形成一电容结构。
4.根据权利要求2所述的单体化复合传感器，其特征在于：所述传感元件中至少一个为压阻元件且形成于所述连结梁。
5.根据权利要求4所述的单体化复合传感器，其特征在于：所述传感元件中至少一个为热敏元件且形成于该薄膜位于所述空腔上的区域；且该单体化复合传感器还包含一发热元件，形成于该薄膜位于所述空腔上的区域且靠近所述热敏元件。
6.根据权利要求1所述的单体化复合传感器，其特征在于：该薄膜与所述连结梁一体连接。
7.根据权利要求6所述的单体化复合传感器，其特征在于：所述连结梁的厚度异于该薄膜的厚度。
8.根据权利要求1所述的单体化复合传感器，其特征在于：该复合体的至少一空腔还延伸至少一贯穿该质量块的通道而与外界相连通。
9.一种单体化复合传感器的封装品；其特征在于：包含：
一单体化复合传感器，包含
一主体，
一复合体，包括相连接的一质量块及一薄膜，该薄膜位于该质量块上与该质量块共同界定出至少一空腔，
至少一连结梁，连结该主体与该复合体，使该复合体可相对于该主体作运动，及
多个传感元件，其中至少一个传感元件形成于该薄膜位于所述空腔上的区域；
一封盖，连接于该单体化复合传感器的上表面，遮盖该复合体及所述连结梁并与该复合体及所述连结梁相间隔，且设有多个穿孔；及
一底板，连接于该单体化复合传感器的下表面，与该封盖位于该单体化复合传感器的相反两侧，且与该复合体相间隔。
10.根据权利要求9所述的单体化复合传感器的封装品，其特征在于：至少一部份所述穿孔分别对应所述各传感元件的焊垫设置以露出所述各传感元件的焊垫。
11.根据权利要求10所述的单体化复合传感器的封装品，其特征在于：还包含多个金属导接部，分别对应被覆于所述各传感元件的焊垫而形成电连接且延伸被覆于对应界定所述穿孔的该封盖的壁面并进一步延伸至该封盖的顶面。
12.根据权利要求10所述的单体化复合传感器的封装品，其特征在于：还包含多个金属导接部，分别对应被覆于所述各传感元件的焊垫而形成电连接。
13.根据权利要求9所述的单体化复合传感器的封装品，其特征在于：所述穿孔中至少一个使该复合体与外界压力连通。
14.根据权利要求9所述的单体化复合传感器的封装品，其特征在于：该复合体的至少一空腔还延伸至少一贯穿该质量块的通道；该底板具有至少一个穿孔，使该复合体与外界压力连通。
15.根据权利要求9所述的单体化复合传感器的封装品，其特征在于：所述各传感元件为压阻元件、压电元件或热敏元件。
16.根据权利要求9所述的单体化复合传感器的封装品，其特征在于：所述传感元件中至少一个为压阻元件且形成于所述连结梁。
17.根据权利要求9所述的单体化复合传感器的封装品，其特征在于：该底板形成有一感测电极，该感测电极与该质量块相对且两者共同形成一电容结构。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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