CN103373696B - 封装的mems器件和对封装的mems器件进行校准的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了封装的MEMS器件和用于对封装的MEMS器件进行校准的方法。在一个实施例中，封装的MEMS器件包括载体、设置在基板上的MEMS器件、设置在载体上的信号处理器件、设置在载体上的确认电路；以及设置在载体上的密封，其中，该密封将MEMS器件、信号处理器件和存储元件密封。

Description

封装的MEMS器件和对封装的MEMS器件进行校准的方法
技术领域
本发明一般地涉及MEMS结构中的可调整通风开口和用于操作MEMS结构的方法。
背景技术
一种MEMS（微机电系统）扩音器包括设置在硅芯片中的压力敏感薄膜或隔膜。MEMS扩音器被与放大器封装在一起。可以将MEMS扩音器和放大器定位于不同芯片上或同一芯片上。MEMS扩音器还可以包括使得其成为数字MEMS扩音器的模数转换器(ADC）。
发明内容
根据本发明的实施例，一种封装的MEMS器件包括载体、设置在载体上的MEMS器件、设置在载体上的信号处理器件、设置在载体上的确认电路；以及设置在载体上的密封（encapsulation），其中，该密封将MEMS器件、信号处理器件和存储元件密封。
根据本发明的实施例，一种对封装的MEMS器件进行校准的方法包括向封装的MEMS器件施加信号，测量封装的MEMS器件的灵敏度、将测量的灵敏度与封装的MEMS器件的目标灵敏度相比较、选择用于偏压和IC增益中的至少一个的值以及将该值存储在封装的MEMS器件的存储器元件中。
根据本发明的实施例，一种用于对封装的MEMS器件进行校准的方法包括测量封装的MEMS器件的谐振频率、将该谐振频率与MEMS器件的目标谐振频率相比较、选择用于偏压和ASIC增益中的至少一个的值以及将该值存储在封装的MEMS器件中的存储器元件中。
根据本发明的实施例，一种用于对封装的MEMS器件进行校准的方法包括测量用于第一偏压的封装的MEMS器件的第一电容、测量用于第二偏压的封装的MEMS器件的第二电容并计算第一偏压与第二偏压以及第一电容与第二电容之间的差的斜率。该方法包括将所计算斜率与目标斜率相比较、设置用于偏压和IC增益中的至少一个的值以及将该值存储在封装的MEMS器件的存储器元件中。
根据本发明的实施例，一种用于对封装的MEMS器件进行校准的方法包括测量在晶片上或单一化管芯上的MEMS器件的灵敏度、谐振频率和电容斜率中的至少一个、存储所测量信息、将MEMS器件组装到封装的MEMS器件并用基于所存储的所测量信息的值对封装的MEMS器件进行编程。
附图说明
为了更透彻地理解本发明及其优点，现在对结合附图进行的以下描述进行参考，在所述附图中：
图1a和1b示出了封装的MEMS器件；
图2示出了封装的MEMS器件的实施例；
图3示出了对封装的MEMS器件进行校准的实施例的流程图；
图4示出了对封装的MEMS器件进行校准的实施例的流程图；
图5示出了对封装的MEMS器件进行校准的实施例的流程图；以及
图6示出了对MEMS器件进行校准和封装的实施例的流程图。
具体实施方式
下面详细地讨论目前优选实施例的获得和使用。然而应认识到的是本发明提供了能够在多种特定情境下体现的本许多可应用的发明概念。所讨论的特定实施例仅仅说明获得和使用本发明的特定方式，并且不限制本发明的范围。
将相对于特定情境下、即封装的扩音器或传感器的优选实施例来描述本发明。然而，本发明还可以应用于其他封装的MEMS器件，诸如RF MEMS、加速度计和致动器。
在蜂窝电话、笔记本及其他设备中使用硅扩音器。存在每个设备使用不止一个扩音器例如以用于噪声消除或方向性的趋势。在那些应用中，每个扩音器应具有基本上相等的灵敏度，即可能要求低灵敏度公差。
对于硅扩音器而言，+/- 3dB的灵敏度公差是典型的。然而，对于如上所述的多个扩音器应用而言，可能要求诸如+/- 1dB的较窄灵敏度公差。
然而，MEMS制造过程常常产生具有超过+/- 3dB或者甚至超过+/- 5dB灵敏度的灵敏度公差的MEMS器件。灵敏度公差甚至可能在MEMS器件与信号处理器件一起被封装到封装的MEMS器件中时变得更坏。
在实施例中，通过直接地在封装的MEMS器件中测量活动电极的灵敏度来对封装的MEMS器件进行校准。在另一实施例中，通过测量封装的MEMS器件的谐振频率来对封装的MEMS器件进行校准。在又一实施例中，通过测量封装的MEMS器件的电容斜率来对封装的MEMS器件进行校准。最后，在实施例中，封装的MEMS器件包括存储器元件。
图1a和1b示出了诸如封装的硅扩音器的封装的MEMS器件100的横截面图。封装的MEMS器件100器件包括载体110、MEMS器件120、集成电路130以及提供前体积150和后体积156的密封140。封装的MEMS器件100可以包括密封中的孔160（图1a）或载体110中的孔170（图1b）。MEMS器件120可以是单个芯片或管芯，并且信号处理器件130可以是单个芯片或管芯。替换地，MEMS器件120和信号处理器件130可以是集成的单个单块芯片或管芯。
载体110可以是陶瓷、印刷电路板（PCB）或类似基板。MEMS器件110可以是扩音器、压力传感器或换能器。MEMS器件110使用例如粘合剂材料被设置在载体110上。MEMS器件110可以是倒装芯片或被接合，使得接点背离载体110。信号处理器件130可以是信号处理电路、放大器电路、ADC或其组合。MEMS器件120和信号处理器件经由载体110中的接合导线或导电线被电连接。
密封或铸件140可以是声学封装。密封140针对诸如机械损坏的环境影响保护MEMS器件120和信号处理器件130。密封140可以包括聚合物材料。
图2示出了封装MEMS器件200的方框图。封装的MEMS器件200包括MEMS器件220、信号处理器件230、存储器件或元件235以及确认电路236。
MEMS器件220包括圆形薄膜或隔膜或矩形隔膜。替换地，MEMS器件220包括具有不同适当几何形式的隔膜。MEMS器件220可以包括电容致动、压电致动或热致动。信号处理器件230可以是前置放大器、放大器、模数转换器（ADC）或其组合。信号处理器件230可以是ASIC。
可以将存储器元件235集成到信号处理器件230（诸如嵌入式闪速存储器）中，或者其可以是独立器件。存储器元件235可以是易失性存储器或非易失性存储器。非易失性存储器元件235可以是闪速存储器（NOR和NAND型）、磁石式电阻性RAM（MRAM）、导电桥接RAM（CBRAM）、铁电RAM（FeRAM）、相变存储器（PCRAM）或SONOS。替换地，存储器元件235可以是熔丝或多个熔丝。易失性存储器元件235可以是DRAM或SRAM。
可以将确认电路236集成在信号处理器件230中。可以将确认电路配置成测量信号。要测量的信号可以是用于灵敏度测量的输出信号的振幅。替换地，要测量的信号可以是封装的MEMS器件220的阻抗。封装的MEMS器件220可以包括附加测试引脚。
可以制造封装的MEMS器件，包括以下步骤：可选地在载体中形成孔以使MEMS器件的一部分暴露；将包括诸如换能器的MEMS器件的第一芯片设置在载体上；将包括信号处理器件的第二芯片设置在载体上；将第一芯片和第二芯片电连接；用密封材料（封装）来密封MEMS器件和信号处理器件；以及可选地在封装材料中形成孔。
替换地，如下制造封装的MEMS器件：可选地在载体中形成孔以使MEMS器件的一部分暴露、将包括MEMS器件（换能器）和信号处理器件的集成芯片设置在载体上、用密封材料（封装）来密封载体以及可选地在密封材料中形成孔。
在实施例中，通过测量封装的MEMS器件、例如直接在封装的MEMS器件中的硅扩音器的灵敏度来对封装的MEMS器件进行校准。由于封装的MEMS器件灵敏度最后是要控制的参数，所以包括来自信号处理器件和封装本身的任何可能影响。图3示出了封装的MEMS器件的校准的流程图。提出的校准过程包括以下步骤：MEMS器件和信号处理器件被组装在单个MEMS器件封装、例如扩音器封装中（步骤302）。向封装的MEMS器件施加定义信号（步骤304）。所施加信号可以在定义频率下具有定义声压。例如，定义声压在约60dB声压级（SPL）至约110dB SPL范围内，并且频率在约100 Hz至约20 kHz范围内。在特定示例中，信号具有约94dB SPL的声压和约1 kHz的频率。替换地，定义声压在约80dB SPL至约100db SPL范围内且频率在约500 Hz至约5 kHz范围内。
接下来，针对所施加信号测量封装的MEMS器件的灵敏度（步骤306）。例如，通过测量作为施加信号的响应的输出信号的振幅来测量灵敏度。可以用外部测试设备或用被集成在封装的MEMS器件和/或信号处理器件中的确认电路来测量封装的MEMS器件的灵敏度。在步骤308处，将封装的MEMS器件的所测量灵敏度与封装的MEMS器件的目标灵敏度相比较。基于该结果，选择用于偏压和信号处理增益的值（步骤310）。可以从查找表中选择这些值。最后，在步骤318处，对用于偏压和信号处理增益、例如ASIC增益的这些值进行编程并存储在存储器元件中，诸如闪速器件、非易失性存储器件和/或熔丝结构中。
在实施例中，通过测量封装的MEMS器件的谐振频率来对封装的MEMS器件进行校准。由于MEMS器件在施加谐振频率时是封装的器件，所以在测量中包括来自封装本身和信号处理器件的任何可能影响。不需要信号处理器件的单独校准。
图4示出了用于对封装的MEMS器件进行校准的流程图。校准过程包括：在步骤402中，将MEMS器件和信号处理器件组装在单个MEMS器件封装中，例如扩音器封装。然后，测量封装的MEMS器件的谐振频率（步骤404）。可以通过向封装的MEMS器件施加DC偏压来测量谐振频率。DC偏压在用于正常操作的范围内，例如约0.1V至约5V或约0.1V至约20V。DC偏压被与AC电压混合或叠加。
AC电压可以小于DC偏压。例如，AC电压可以在0.1 V至约0.2 V范围内，替换地，AC电压可以在约0.1 V至约0.5 V范围内。AC电压可以是正弦的。改变正弦电压的频率，能够确定封装的MEMS器件的谐振频率。例如，可以使用诸如阻抗分析器的测试设备来测量谐振频率。优点是谐振频率与例如毛刺电压相比具有与MEMS灵敏度的好得多的相关性。
可以通过测量MEMS封装的MEMS器件的阻抗来测量谐振频率。例如，通过改变频率并测量阻抗来测量谐振频率。阻抗的最小值指示谐振频率。可以用外部测试设备或用被集成在封装的MEMS器件和/或信号处理器件中的确认电路来测量封装的MEMS器件的阻抗。
接下来，在步骤406处，按如下描述了谐振频率与MEMS灵敏度之间的相关性：
其中，Vbias是用于封装的MEMS器件的偏压，x0是空隙的高度（或活动电极与反电极之间的距离），ρSi是活动电极材料的密度，例如硅，t是活动电极的厚度，fres是活动电极的谐振频率且k是常数。谐振频率fres通常是针对约1 kHz至约200 kHz的频率范围或约5 kHz至约50 kHz的范围测量的。
将测量谐振频率fres与目标谐振频率fres-target相比较（步骤408）。通过调整偏压的值和/或信号处理增益（例如ASIC增益）来对封装的MEMS器件进行校准，使得所测量谐振频率fres大约与目标谐振频率fres-target相同。新值可以选自查找表。偏压和/或信号处理增益的值被编程到封装的MEMS器件的存储器元件并存储在其中（步骤410）。
在一个实施例中，通过测量MEMS器件本身或MEMS器件芯片的谐振频率（而不是封装的MEMS器件的谐振频率）来对MEMS器件、例如扩音器进行校准。
在实施例中，通过测量用于至少两个不同偏压的封装的MEMS器件的电容斜率来对封装的MEMS器件进行校准。由于封装的MEMS器件灵敏度最后是要控制的参数，所以在测量中包括来自信号处理器件和封装本身的任何可能影响。图5示出了封装的MEMS器件的校准的流程图。
校准过程包括：将MEMS器件和信号处理器件组装在封装的MEMS器件中（步骤502）。接下来，测量用于第一偏压的第一电容值（步骤504）并测量用于第二偏压的第二电容值（506）。两个偏压都可以小于吸合电压。例如，两个偏压均在约4V以下或者均在约15伏以下。在508处的下一步骤中，计算用于C1-C2/V1-V2 (ΔC/ΔV)的斜率。可以用外部测试设备或用被集成在封装的MEMS器件和/或信号处理器件中的确认电路来计算封装的MEMS器件的斜率。
然后在步骤510处，将所计算/测量斜率与目标斜率相比较。通过调整偏压和/或信号处理增益来对封装的MEMS器件进行校准，使得所测量斜率大约与目标斜率相同（S512）。可以从查找表中选择这些值。最后在514处，将用于偏压和/或信号处理增益的新值编程到存储器元件并存储在其中。
在一个实施例中，通过测量MEMS器件本身或MEMS器件芯片的斜率（而不是封装的MEMS器件的斜率）来对MEMS器件、例如扩音器进行校准。
在一个实施例中，通过先前测量结果进行组合来对封装的MEMS器件进行校准。例如，通过测量灵敏度和电容斜率来对封装的MEMS器件进行校准。
在实施例中，通过在将MEMS器件封装之前测量器件水平上的灵敏度、谐振频率或电容斜率中的至少一个来对MEMS器件进行校准。图6示出了MEMS器件的校准和封装的流程图。
校准过程包括：在第一步骤602中，测量MEMS器件的灵敏度、谐振频率或电容斜率中的至少一个。在晶片或单一化管芯上测量灵敏度、谐振频率或电容（所测量信息）。例如，所测量信息被存储在晶片图上（步骤604）。接下来，将MEMS器件和信号处理器件组装并封装到封装的MEMS器件（步骤606）。最后在步骤608中，基于所测量信息来对封装的MEMS器件进行编程。例如，将所测量信息与目标信息相比较，并选择用于偏压的值，使得所测量信息大约与目标信息相同。用于偏压的值被存储在存储器元件中。
虽然已经详细地描述了本发明及其优点，但应理解的是在不脱离由所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在本文中进行各种修改、替换以及变更。
此外，本发明的范围并不意图局限于在本说明书中描述的过程、机器、制品、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。本领域的技术人员根据本发明的公开将认识到的是根据本发明可以利用目前存在或稍后将开发的过程、机器、制品、物质组成、装置、方法或步骤，其可以执行与本文所述的相应实施例基本上相同的功能或实现基本上相同的结果。因此，所附权利要求意图在其范围内包括此类过程、机器、制品、物质组成、装置、方法或步骤。

Claims (12)

1.一种封装的MEMS器件，包括：
载体；
MEMS器件，设置在载体上；
信号处理器件，设置在载体上；
确认电路，设置在载体上，其中所述确认电路配置成测量用于第一偏压V1的封装的MEMS器件的第一电容C1；测量用于第二偏压V2的封装的MEMS器件的第二电容C2；计算第一偏压与第二偏压以及第一电容与第二电容之间的差的斜率；将计算斜率与目标斜率相比较；
基于所述比较步骤来设置用于偏压和信号处理增益中的至少一个的值，其中所述偏压被调整为使得(C1-C2)/(V1-V2)的斜率等于所述目标斜率；以及将该值存储在封装的MEMS器件的存储器元件中；
所述存储器元件；以及
密封，设置在载体上，其中，该密封将MEMS器件、信号处理器件和确认电路密封。
2.根据权利要求1所述的封装的MEMS器件，其中，所述载体包括音孔。
3.根据权利要求1所述的封装的MEMS器件，其中，存储器元件是非易失性存储器元件或熔丝结构。
4.根据权利要求3所述的封装的MEMS器件，其中，所述存储器元件被集成在信号处理器件中。
5.根据权利要求1所述的封装的MEMS器件，其中，所述MEMS器件和信号处理器件均被设置在单个芯片中。
6.根据权利要求1所述的封装的MEMS器件，其中，所述MEMS器件是硅扩音器且所述信号处理器件是放大器。
7.根据权利要求1所述的封装的MEMS器件，其中，所述载体是PCB，并且其中，所述密封是声学封装。
8.根据权利要求1所述的封装的MEMS器件，其中，所述确认电路被设置在信号处理器件中。
9.一种用于对封装的MEMS器件进行校准的方法，该方法包括：
测量用于第一偏压V1的封装的MEMS器件的第一电容C1；
测量用于第二偏压V2的封装的MEMS器件的第二电容C2；
计算第一偏压与第二偏压以及第一电容与第二电容之间的差的斜率；
将计算斜率与目标斜率相比较；
基于所述比较步骤来设置用于偏压和信号处理增益中的至少一个的值，其中所述偏压被调整为使得(C1-C2)/(V1-V2)的斜率等于所述目标斜率；以及
将该值存储在封装的MEMS器件的存储器元件中。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述信号处理增益是放大器增益。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一偏压和所述第二偏压均小于4V。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一偏压和所述第二偏压均小于15V。
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