CN105800544A - 多轴mems传感器模块及其垂直组装方法 - Google Patents

Abstract

多轴MEMS传感器模块及其垂直组装方法，本发明将MEMS裸芯片用软胶直接粘接在导热性能良好的安装座上，然后通过键合金属线将信号连接到PCB硬板上，MEMS裸芯片与PCB硬板之间没有硬接触，只有柔软的金属线连接，所以PCB硬板的应力不会传导到MEMS裸芯片上；最后安装有MEMS裸芯片的PCB硬板相互垂直地安装在金属外壳上，这样，既保证了各感应轴向间的对准精度，又隔离了来自金属外壳的应力，还提供了均匀的温度环境。本发明的垂直组装方法是将金属外壳的前侧开出一个口，将PCB硬板先安装到金属外壳和前侧板上，再键合金属线，最后将前侧板安装在金属外壳上，避免了组装过程中金属线的损伤，降低了组装难度，提高了成品率。

Description

多轴MEMS传感器模块及其垂直组装方法

技术领域

本发明属于MEMS芯片的封装领域，特别涉及一种多轴MEMS传感器模块及其垂直组装方法。

背景技术

电子封装是将一个或多个电子元器件芯片相互电连接，然后封装在一个保护结构中，其目的是为电子芯片提供电连接、机械保护、化学腐蚀保护等。一些与空间维度有关的传感器，特别是MEMS(Microelectromecanicalsystem，微机电系统)陀螺仪、加速度计、磁场传感器等，其高精度的传感器芯片都是单轴向敏感的，而实际应用中大部分需要感应三个轴向的信号，这就需要通过电子封装技术将各个单轴传感器芯片相互垂直安装成传感器模块，达到多轴向感应的目的；另外，传感器模块通常还具有信号校准、处理功能，所以除了MEMS传感器元器件外，还需要在传感器模块加入MCU、晶振、电源、电阻、电容、温度传感器等等；体积小、重量轻、各个轴向间对准精度高、温度特性好、抗振动能力强是多轴传感器模块的主要技术要求。现有技术中，通常是将单轴MEMS传感器裸芯片与相应的ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，专用集成电路)芯片封装在陶瓷管壳中，形成单轴MEMS传感器元件，然后将其贴装在垂直框架的各个面上，组成多轴MEMS传感器模块。专利CN10479505A《一种MEMS惯性测量单元》描述的是将封装后的MEMS传感器元件焊接在硬PCB板上，再用胶粘贴到定位支架上，然后胶接到外壳上，PCB硬板间用软PCB板连接；专利CN201110299117《一种基于三维立体封装技术的微姿态航向参考系统》描述的是将封装后的MEMS传感器元件焊接在硬PCB板上，将硬PCB板安装在六面体上，PCB硬板间用软PCB板连接；专利CN200710063635.6《一种隐式结构微型惯性测量单元》描述的是将封装后的MEMS传感器元件通过焊锡焊接到立体陶瓷印刷线路板上。上述专利均是将封装后的MEMS传感器元件相互垂直安装形成多轴传感器模块，没有述及裸芯片直接组成多轴传感器模块。现有技术的缺点在于：1、由于需要安装框架，体积大，重量重；2、封装后的MEMS元件再组装成多轴传感器模块，封装材料(如陶瓷管壳、盖板等)既增加了重量，又增加了体积；3、MEMS裸芯片封装在管壳中，管壳再焊接在PCB板上，PCB板再安装在框架上，各个步骤都会引入轴向间的对准误差；4、由于现有的MEMS模块组装技术中，MEMS裸芯片(通常为Si材料)与金属外壳间隔着陶瓷管壳和PCB板，而他们的热膨胀系数与Si相差很多，例如一般用作模块外壳的铝合金的热膨胀系数为23.8ppm/℃，Si为2.6ppm/℃，陶瓷管壳为6.7ppm/℃，PCB为14～18ppm/℃，PCB板上铜膜为17.5ppm/℃，因金属外壳、PCB板、陶瓷管壳这些与MEMS芯片热膨胀系数不同而由温度变化产生的应力会严重影响MEMS器件的温度特性；5、相比于金属材料，陶瓷封装管壳、PCB板均是不良热导体，例如铝合金的热传导系数为236w/m/k，Si为168w/m/k，陶瓷管壳约20w/m/k，PCB板基材FR4为6.5w/m/k，PCB板上铜膜为401w/m/k，可见当外部环境温度变化时，模块的金属外壳传导温度变化很快，但PCB板和陶瓷管壳阻碍了温度变化的传导，导致各个MEMS裸芯片的温度变化速率不同，不但影响到校准时需要等待温度稳定的时间，而且在使用过程中，传感器模块各轴向输出值出现偏差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种多轴MEMS传感器模块的垂直组装方法，该方法将MEMS裸芯片用软胶直接粘接在导热性能良好、与芯片材料相同的安装座上，然后通过键合金属线将信号连接到PCB硬板上，MEMS裸芯片与PCB硬板之间没有硬接触，只有柔软的金属线连接，所以PCB硬板的应力不会传导到MEMS裸芯片上；最后安装有MEMS裸芯片的PCB硬板相互垂直安装在金属外壳上，这样，既保证了各感应轴向间的对准精度，又隔离了来自金属外壳的应力，还提供了均匀的温度环境。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多轴MEMS传感器模块的垂直组装方法，包括以下步骤：

(1)形成PCB板组件：将四至六块PCB硬板间用PCB软板相互连接，在其中一块PCB硬板上制作排针孔，在其中至少一块PCB硬板上制作至少一个窗口和至少两个定位孔，在其中至少一块PCB硬板上贴装电子元器件，形成PCB板组件；

(2)形成ASIC组件：将PCB板组件的定位孔对准工装的第一定位柱，窗口对准工装的第二定位柱，将PCB板组件安装到工装上，使PCB硬板上的电子元器件位于工装槽中，把ASIC裸芯片贴装在PCB硬板上，形成ASIC组件；

(3)形成半组装MEMS传感器模块：在金属外壳的底板、左侧板、右侧板和前侧板上各制作至少四个安装柱，在底板与后侧板的连接处制作至少两个定位柱，定位柱上制作定位槽，在右侧板上制作联接口，每四个安装柱上粘贴一个安装座，所述的金属外壳由底板、左侧板、后侧板和右侧板围成，所述的前侧板独立于金属外壳；将金属外壳和前侧板置于工装中，把ASIC组件的PCB硬板对准贴装在安装柱和定位槽上，安装座从PCB硬板的窗口中穿过，且与PCB硬板无接触，PCB软板弯曲固定在底板上，将信号连接器固定在右侧板上，信号连接器的排针焊接在排针孔中；在安装座上贴装MEMS裸芯片，通过键合金属线的方法建立MEMS裸芯片和ASIC裸芯片之间及ASIC裸芯片和PCB硬板之间的电连接，就形成了半组装MEMS传感器模块；

(4)形成MEMS传感器模块：将半组装MEMS传感器模块的前侧板竖起安装到金属外壳前侧的外壳凹槽中，最后将盖板固定到金属外壳顶部，使底板、左侧板、后侧板、右侧板、前侧板和盖板共同围成密封腔，至此，就完成了MEMS传感器模块的组装。

本发明将MEMS裸芯片用软胶直接粘接在导热性能良好的安装座上，然后通过键合金属线将信号连接到PCB硬板上，MEMS裸芯片与PCB硬板之间没有硬接触，只有柔软的金属线连接，所以PCB硬板的应力不会传导到MEMS裸芯片上；最后安装有MEMS裸芯片的PCB硬板相互垂直地安装在金属外壳上，这样，既保证了各感应轴向间的对准精度，又隔离了来自金属外壳的应力，还提供了均匀的温度环境。

在实现MEMS裸芯片直接封装在传感器模块的过程中，如果ASIC或MEMS裸芯片与PCB硬板间先键合金属线，再安装进金属外壳，金属线在无保护的情况下很容易被触碰断裂，导致组装成品率下降，本发明的金属线键合工序是在将PCB硬板固定到金属外壳及前侧板上之后进行的，是在金属外壳的前侧预留一个开口(即不安装前侧板)，将PCB硬板先安装到金属外壳和前侧板上，然后键合金属线，最后再将前侧板连同固定在前侧板上的PCB硬板、MEMS裸芯片和ASIC裸芯片垂直安装到金属外壳前侧的外壳凹槽中，既达成垂直组装的目的，又避免了组装过程中金属线的损伤，降低了组装难度，提高了成品率。

进一步地，所述的安装座的材料是硅，与MEMS裸芯片的材料相同，这样就可以减少由于温度变化而引起的应力对MEMS裸芯片性能的影响，同时，硅还是一种良好的导热材料，可以快速将金属外壳的温度变化传导到MEMS裸芯片上，保证各MEMS裸芯片间的温度一致性。

作为本发明的一个实施例，所述的安装座的截面呈T形，安装座的下部固定在金属块上，PCB硬板的一部分也固定在金属块上，金属块固定在金属外壳上，所述的金属块的材料是铜。安装座为T形，减少了安装座与金属块的接触面积，减少金属外壳应力对MEMS裸芯片的影响；金属块的材料以较高热传导率和较低热膨胀系数为优选条件，所以金属块的材料选择铜。

作为本发明的一个实施例，所述的安装座的截面呈凸字形，安装座上部贴装有两个MEMS裸芯片，PCB硬板的一部分固定在安装座的肩部，PCB硬板上贴装两个ASIC裸芯片，所述的ASIC裸芯片位于两个MEMS裸芯片两侧，两个ASIC裸芯片都通过金属线与PCB硬板电连接，MEMS裸芯片通过金属线与相邻的ASIC裸芯片电连接，所述的安装座固定在金属外壳上。这样，一个安装座就可对应两个MEMS裸芯片，感应两种信号(如加速度和角速度信号)；通过本发明的MEMS传感器模块的组装方法，还可以组装成同时感应X、Y、Z三个轴向的各两种信号，既所谓的六轴MEMS传感器模块。相似地，也可以一个安装座对应三个MEMS裸芯片(如加速度、角速度、磁场传感器芯片)，从而组装成九轴MEMS传感器模块。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种多轴MEMS传感器模块，由金属外壳和ASIC组件组成，所述的金属外壳呈立方体状，由底板、左侧板、后侧板、右侧板、前侧板和盖板围成，金属外壳的底板、左侧板、右侧板和前侧板上各有至少四个安装柱，在底板与后侧板的连接处有至少两个定位柱，定位柱上有定位槽，在右侧板上有联接口，每四个安装柱上粘贴一个安装座；

所述的ASIC组件由PCB板组件和工装组成，所述的PCB板组件包括四至六块PCB硬板，相邻的PCB硬板间有PCB软板连接，在其中一块PCB硬板上制作有排针孔，在其中至少一块PCB硬板上制作有至少一个窗口和至少两个定位孔，在其中至少一块PCB硬板上贴装有电子元器件；所述的工装具有第一定位柱、第二定位柱和工装槽；PCB板组件安装到工装上，PCB板组件的窗口和定位孔分别对准工装的定位柱，PCB硬板上的电子元器件位于工装槽中，ASIC裸芯片贴装在PCB硬板上；

ASIC组件的PCB硬板对准贴装在安装柱和定位槽上，安装座从PCB硬板的窗口中穿过，且与PCB硬板无接触，PCB软板弯曲固定在底板上，信号连接器固定在右侧板上，信号连接器的排针焊接在排针孔中；

安装座上贴装MEMS裸芯片，MEMS裸芯片和ASIC裸芯片之间及ASIC裸芯片和PCB硬板之间由金属线电连接。

本发明将MEMS裸芯片用软胶直接粘接在导热性能良好的安装座上，然后通过键合金属线将信号连接到PCB硬板上，MEMS裸芯片与PCB硬板之间没有硬接触，只有柔软的金属线连接，所以PCB硬板的应力不会传导到MEMS裸芯片上；最后安装有MEMS裸芯片的PCB硬板相互垂直地安装在金属外壳上，这样，既保证了各感应轴向间的对准精度，又隔离了来自金属外壳的应力，还提供了均匀的温度环境

附图说明

图1是PCB板的俯视图。

图2是PCB板组件的俯视图。

图3是PCB板组件安装到工装上的剖视图。

图4是ASIC组件的剖视图。

图5是ASIC组件的俯视图。

图6是金属外壳的俯视图。

图7是在金属外壳的底板上安装第一安装座后的俯视图。

图8是在前侧板上安装第二安装座后的俯视图。

图9是将ASIC组件安装到金属外壳上后的俯视图。

图10是半组装MEMS传感器模块的俯视图。

图11是组装完成的MEMS传感器模块的俯视图。

图12是图11的A-A剖视图。

图13是实施例一的Z轴MEMS组件的剖视图。

图14是实施例二的Z轴MEMS组件的剖视图。

图15是实施例三的Z轴MEMS组件的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

多轴MEMS传感器模块的垂直组装方法，具体为：

在如图1所示的PCB板的四块PCB硬板之间通过三块PCB软板连接，PCB软板起到连接各个PCB硬板间电信号和电源的作用，其中PCB软板11a连接PCB硬板10a和10b，PCB软板11b连接PCB硬板10b和10c，PCB软板11c连接PCB硬板10b和10d；PCB硬板用于贴装MCU、存储器、晶振、A/D、D/A、电阻或电容等传感器模块所需的处理MEMS传感器信号的电子元器件15；PCB硬板10c上制作有排针孔12，用于焊接电信号连接器70的金属排针71，另外，PCB硬板10c上还可以贴装电源、通信接口、电阻或电容等电子元器件15；PCB硬板10b上制作有两个窗口13b和连个定位孔14b，窗口13b用于安装MEMS裸芯片，定位孔14b用于在工装上定位，另外，PCB硬板10b上还可以贴装模块所需的电子元器件15，如MCU、存储器、晶振、A/D、D/A、电阻、电容或温度传感器等；PCB硬板10d上制作有一个窗口13d和两个定位孔14d，窗口13d用于安装MEMS裸芯片，定位孔14d用于在工装上定位，另外，根据需要，PCB硬板10d上也可以贴装模块所需的电子元器件，如MCU、存储器、晶振、A/D、D/A、电阻、电容或温度传感器等。本实例中为比较方便的说明本发明的核心内容，PCB硬板数以四块为例，实际上PCB硬板最多可以有六块，分别对应模块外壳的六个面，相应地，PCB软板数有五块，用于连接六块PCB硬板。

在各个PCB硬板上通过表面贴装技术(SMT)贴装传感器模块所需要的电子元器件15，如MCU、存储器、晶振、A/D、D/A、电阻、电容、电源、通信接口或温度传感器等，形成PCB板组件100，如图2所示，PCB硬板10a上贴装有电子元器件15，PCB硬板10b上贴装有电子元器件15，PCB硬板10c上贴装有电子元器件15，这些电子元器件15自身都带有封装，不容易在随后的组装过程中被损伤。

MEMS传感器一般都由两部分组成：MEMS芯片和处理MEMS信号的ASIC芯片，特别是高性能的MEMS陀螺仪、加速度计和磁传感器，一般是一个MEMS芯片和一个对应的ASIC芯片组成一个轴向的传感器；MEMS裸芯片可以与MEMS裸芯片贴装在同一个安装座上，也可以单独贴装在PCB硬板上，在本实施例中，MEMS裸芯片单独贴装在PCB硬板上；以PCB硬板10d为例，PCB板组件100对准安装在工装20上，PCB硬板10d背面朝下水平搁置在工装肩部21上，第一定位柱22对准定位孔14d，第二定位柱23对准PCB硬板10d的窗口13d，贴装在PCB硬板10d背面的电子元件15位于工装槽24中；这样，PCB硬板10d的位置相对于工装20就被固定，如图3所示，可以送上自动装片机贴装MEMS裸芯片30，也可以手动点胶、贴片。

接下来在PCB硬板10d正面的固定位置涂上粘接胶41，在其上贴装MEMS裸芯片30，将PCB板组件100连同工装20以适当的温度加热一定时间，固定MEMS裸芯片30，如图4所示，第一粘接胶41一般是导电胶，固化温度需低于170℃。图5是贴装MEMS裸芯片30后的PCB板组件100的俯视图，PCB硬板10b上贴装有两个ASIC裸芯片30，PCB硬板10d上贴装有一个ASIC裸芯片30，它们各对应一个窗口，这样就完成的ASIC组件200的组装。

图6是MEMS传感器模块的金属外壳50的俯视图，前侧板51e和盖板51f还没有安装，在金属外壳50的底板51a、左侧板51b、右侧板51d上制作有安装柱，底板51a上有八个安装柱52a，八个安装柱52a四个为一组，共有两组，每组的四个安装柱52a呈矩形排列，用于容纳随后安装的第一安装座61a、61b，左侧板51b上有四个安装柱52b，右侧板51d上有四个安装柱52d，右侧板51d上还制作有联接口53，用于安装信号连接器70；底板51a和后侧板51c的连接处制作有两个定位块54，定位块54上制作有定位槽54′，用于定位安装PCB硬板10b；外壳凹槽55制作在底板51a和左右侧板51b、51d的连接处，用于随后安装前侧板51e；所有的定位块54和安装柱都可以与金属外壳50的后侧板51c、左侧板51b、右侧板51d、底板51a、外壳凹槽55一起通过机械加工方式铣出来。

位于底板51a上的两组安装柱52a图形中通过粘接胶分别固定第一安装座61a、61b，第一安装座61a、61b的定位非常重要，除了以安装柱52a作为参照外，一般还会在底板51a上制作定位标记，第一安装座61a、61b是一个长方体，第一安装座61a、61b的表面均与底板51a平行，如图7所示，第一安装座61a、61b的X边61ax、61bx与后侧板51c平行，第一安装座61a、61b的Y边61ay、61by与左侧板51b、右侧板51d平行；在本实施例中，第一安装座61a、61b的材料为Si，与MEMS裸芯片的材料相同，这样可以降低由于温度变化而引起的应力对MEMS裸芯片性能的影响，同时，Si材料是一种良好的导热材料，可以快速将金属外壳50的温度变化传导到MEMS裸芯片上，保证各MEMS裸芯片间的温度一致性。

相似地，在前侧板51e的安装柱52e上通过粘接胶固定第二安装座62，第二安装座62也是长方体，第二安装座62的表面与前侧板51e平行，第二安装座62的X边62x与前侧板51e的X边51ex平行，第二安装座62的Y边62y与前侧板51e的Y边51ey平行，如图8所示；本实施例中，第二安装座62与第一安装座61a、61b完全相同；在具体使用时，第一安装座61a、61b与第二安装座62也可以不同。

将金属外壳50和前侧板51e固定在工装20中，在所有安装柱上和定位槽54′中涂上粘接胶，将ASIC组件200的所有PCB硬板对准贴装在相应的安装柱和定位块54上，如图9所示，PCB硬板10a通过安装柱52b固定在金属外壳50左侧板51b上，PCB硬板10c通过安装柱52b固定在金属外壳50右侧板51d，同时，将信号连接器70的排针71对准PCB硬板10c上的排针孔12，焊接排针71，然后将信号连接器70固定在金属外壳50右侧板51d上，为MEMS传感器模块提供电源和输入、输出电信号；PCB硬板10b对准定位槽54′，通过安装柱52a和定位块54固定在金属外壳50的底板51a上，且与底板51a平行，PCB硬板10d通过安装柱52e固定在前侧板51e上，而且平行于前侧板51e；连接PCB硬板10a与10b、10b与10c的PCB软板11a和11b被弯曲固定在金属外壳50的底板51a上；第一安装座61a、61b处于PCB硬板10b的窗口13b中，而且与PCB硬板10b无接触，第二安装座62处于PCB硬板10d的窗口13d中，而且与PCB硬板10d无接触；在第一安装座61a、61b和第二安装座62的表面上涂上粘接胶，然后将X轴MEMS裸芯片80a对准贴装在第一安装座61a上，其敏感轴平行于第一安装座61a的X边61ax，将Y轴MEMS裸芯片80b对准贴装在第一安装座61b上，其敏感轴平行于第一安装座61b的Y边61by，将Z轴MEMS裸芯片80c对准贴装在第二安装座62上，其敏感轴平行于第二安装座62的Y边62y；这里粘接胶为软胶，用于隔离安装柱与MEMS裸芯片间的应力，其Shore硬度在30～80间，太硬的话隔离应力效果差，太软的话键合金属线困难。

图9中的PCB硬板10b和10d处于同一水平面中，可以很方便地在同一块PCB硬板上的MEMS裸芯片与MEMS裸芯片30间键合金属线90，实现两者间的电连接，同时，在MEMS裸芯片30与PCB硬板10b、10d间也键合金属线90实现电连接；这样，就形成了半组装传感器模块300，如图10所示，X轴MEMS裸芯片80a和Y轴MEMS裸芯片80b通过各自的MEMS裸芯片30将电信号传输到PCB硬板10b上，Z轴MEMS裸芯片80c通过MEMS裸芯片30将电信号传输到PCB硬板10d上，X、Y、Z三个敏感轴的信号经过处理后，通过PCB软板11b传输到PCB硬板10c上，再经过排针71传输到信号连接器70，从而将MEMS传感器信号引出。

在半组装传感器模块300中的外壳凹槽55中涂上粘接胶，然后将前侧板51e竖起固定在外壳凹槽55中，这个过程非常方便，可以用镊子或专用夹具夹住前侧板51e来完成，而不需要接触PCB硬板10d，大大降低了触碰金属线90的几率，如图11所示，前侧板51e垂直于底板51a，由于在半组装传感器模块300中Z轴MEMS裸芯片80c的敏感轴平行于第二安装座62的Y边62y，在前侧板51e固定安装后，Z轴MEMS裸芯片80c的敏感轴就与Z轴平行，这样就达成了X、Y、Z三个轴向感应的目的；最后盖上盖板51f，就完成了MEMS传感器模块400的组装。

图12是MEMS传感器模块400沿A-A方向的剖视图，Z轴MEMS裸芯片80c通过第二安装座62固定在前侧板51e上，X轴MEMS裸芯片80a通过第一安装座61a固定在底板51a上，二者相互垂直，PCB硬板10b与10d通过PCB软板11c互相电连接，PCB软板11c用粘接胶弯曲固定在底板51a上，盖板51f通过粘接胶固定在前侧板51e和后侧板51c上，围成一个密封腔51。

本实施例的MEMS传感器模块400的Z轴MEMS组件，如图13所示，Z轴MEMS裸芯片80c通过粘接胶固定在第二安装座62上，第二安装座62的剖面是一个长方形，位于PCB硬板10d的窗口13d中，两者无直接机械连接；Z轴MEMS裸芯片80c的电信号通过金属线90连接到通过固定在PCB硬板10d上的MEMS裸芯片30上；第二安装座62通过粘接胶直接固定在金属外壳50上。

MEMS传感器模块400的X轴MEMS传感器部分和Y轴MEMS传感器部分与Z轴MEMS传感器部分设置方式相同。

本实施例的垂直组装方法组装的多轴MEMS传感器模块，如图11所示，由金属外壳50和ASIC组件200组成，金属外壳50呈立方体状，由底板51a、左侧板51b、后侧板51c、右侧板51d、前侧板51e和盖板51f围成，中间为密封腔51，底板51a上有八个安装柱52a，八个安装柱52a四个为一组，且每组的四个安装柱52a呈矩形排列，左侧板51b上有四个安装柱52b，右侧板51c上有四个安装柱52c，前侧板51d上有四个安装柱52d，底板51a与后侧板51c的连接处有两个定位块54，定位块54上有定位槽54′，右侧板51d上有联接口53，安装柱52a上粘贴有第一安装座61a、61b，第一安装座61a、61b是一个长方体，第一安装座61a、61b的表面与底板51a平行，第一安装座61a、61b的X边61ax、61bx与后侧板51c平行，第一安装座61a、61b的Y边61ay、61by与左侧板51b、右侧板51d平行，第一安装座61a、61b的材料为Si；安装柱52e上粘贴有安装座62，第二安装座62也是长方体，第二安装座62的表面与前侧板51e平行，第二安装座62的X边62x与前侧板51e的X边51ex平行，第二安装座62的Y边62y与前侧板51e的Y边51ey平行，第二安装座62与第一安装座61a、61b完全相同。

ASIC组件200由PCB板组件100和工装20组成，PCB板组件100包括四块PCB硬板10a、10b、10c和10d，相邻的PCB硬板间有PCB软板连接，其中PCB软板11a连接PCB硬板10a和10b，PCB软板11b连接PCB硬板10b和10c，PCB软板11c连接PCB硬板10b和10d；PCB硬板10c上有排针孔12，PCB硬板10b上有两个窗口13b和两个定位孔14b，PCB硬板10d上有一个窗口13d和两个定位孔14d，PCB硬板10a、10b和10c上都贴装有电子元器件15。

工装20具有第一定位柱22、第二定位柱23和工装槽24，PCB板组件100对准安装在工装20上，PCB硬板背面朝下水平搁置在工装肩部21上，第一定位柱22对准定位孔14b、14d，第二定位柱23对准窗口13b、13d，贴装在PCB硬板背面的电子元件15位于工装槽24中。PCB硬板的正面贴装有MEMS裸芯片30，其中PCB硬板10b上贴装有两个ASIC裸芯片30，它们各对应一个窗口13b，PCB硬板10d上贴装有一个ASIC裸芯片30，它对应窗口13d。

ASIC组件200的PCB硬板10a贴装在安装柱52b上；PCB硬板10b对准贴装在安装柱52a和定位槽54′上，第一安装座61a、61b从窗口13b中穿过，且与PCB硬板10b无接触；PCB硬板10c贴装在安装柱52d上，PCB硬板10d贴装在安装柱52e上，第二安装座62从窗口13d中穿过，且与PCB硬板10d无接触；PCB软板11a、11b和11c弯曲固定在底板51a上，信号连接器70固定在右侧板51d上，信号连接器70的排针71焊接在排针孔12中；第一安装座61a上贴装有X轴MEMS裸芯片80a，X轴MEMS裸芯片80a敏感轴平行于第一安装座61a的X边61ax；第一安装座61b上贴装有Y轴MEMS裸芯片80b，Y轴MEMS裸芯片80b敏感轴平行于第一安装座61b的Y边61by；第二安装座62上贴装有Z轴MEMS裸芯片80c，Z轴MEMS裸芯片80c敏感轴平行于第二安装座62的Y边62y；X轴MEMS裸芯片80a和ASIC裸芯片30之间及ASIC裸芯片30和PCB硬板10b之间有金属线90电连接，Y轴MEMS裸芯片80b和ASIC裸芯片30之间及ASIC裸芯片30和PCB硬板10b之间有金属线90电连接，Z轴MEMS裸芯片80c和ASIC裸芯片30之间及ASIC裸芯片30和PCB硬板10d之间有金属线90电连接。

实施例二

本实施例与实施例一不同之处仅在于第一安装座61a、61b和第二安装座62的形状及设置方式不同，本实施例以Z轴MEMS组件为例加以说明，如图14所示，Z轴MEMS裸芯片80c通过粘接胶固定在第二安装座62的上部，第二安装座62的截面呈T形，目的是减少与金属块72的接触面积，减少金属外壳50向向MEMS裸芯片传导的应力量，第二安装座62的下部通过粘接胶固定在金属块72上，PCB硬板10d的一部分通过粘接胶固定在金属块72上；第二安装座62位于PCB硬板10d的窗口13d中，二者无直接机械连接；Z轴MEMS裸芯片80c的电信号通过金属线90连接到通过粘接胶固定在PCB硬板10d上的MEMS裸芯片30上，金属块72再通过粘接胶固定在金属外壳50上，金属块72的材料为铜，具有较高的热传导率和较低的热膨胀系数。本实施例的优点在于减少了第二安装座62与金属外壳50的接触面积，降低了金属外壳50的应力对Z轴MEMS裸芯片80c的影响，同时，本实施例的第二安装座62的厚度小于实施例一的第二安装座62的厚度，从第二安装座上部到下部的总热阻较小，而金属块72的热传导系数大于Si，所以虽然Si材料制作的第二安装座62的底部面积较小(小于实施例一种第二安装座62的底部面积)，增加了第二安装座62与金属块72间的热阻，但从Z轴MEMS裸芯片80c到外壳的总热阻可以与实施例一相等，保证了Z轴MEMS裸芯片80c的温度与环境温度的一致性。

MEMS传感器模块400的X轴MEMS传感器部分和Y轴MEMS传感器部分与Z轴MEMS传感器部分设置方式相同。

实施例三

本实施例与实施例一不同之处仅在于第一安装座61a、61b和第二安装座62的形状及设置方式不同，本实施例以Z轴MEMS组件为例加以说明，如图15所示，两个分离的Z轴MEMS裸芯片80c通过粘接胶固定在第二安装座62的顶部，第二安装座62的截面呈凸字形，PCB硬板10d的一部分通过粘接胶固定在第二安装座62的肩部，第二安装座62通过粘接胶固定在金属外壳50上，第二安装座62的顶部位于PCB硬板10d的窗口13d中，Z轴MEMS裸芯片80c与PCB硬板10d间无直接机械连接；两个MEMS裸芯片30分别通过粘片胶固定在PCB硬板10d上，它们通过金属线90与PCB硬板10d实现电连接，Z轴MEMS裸芯片80c通过金属线90与相邻的MEMS裸芯片30电连接；这样，一个MEMS组件就可以实现两个Z轴MEMS裸芯片80c的安装、感应两种信号(如加速度和角速度信号)；MEMS传感器模块400的X轴MEMS传感器部分和Y轴MEMS传感器部分与Z轴MEMS传感器部分设置方式相同。

通过与实施例一的相同的垂直组装方法进行组装后，本实施例的MEMS组件可以同时感应X、Y、Z三个轴向的各两种信号，既所谓的六轴MEMS传感器模块。进一步地，若在其中一个MEMS组件中安装三种MEMS传感器芯片(如加速度、角速度、磁场传感器芯片)，就可以组装成九轴MEMS传感器模块。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效步骤变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.多轴MEMS传感器模块的垂直组装方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)形成PCB板组件：将四至六块PCB硬板间用PCB软板相互连接，在其中一块PCB硬板上制作排针孔，在其中至少一块PCB硬板上制作至少一个窗口和至少两个定位孔，在其中至少一块PCB硬板上贴装电子元器件，形成PCB板组件；

(2)形成ASIC组件：将PCB板组件的定位孔对准工装的第一定位柱，PCB板组件的窗口对准工装的第二定位柱，将PCB板组件安装到工装上，使PCB硬板上的电子元器件位于工装槽中，把ASIC裸芯片贴装在PCB硬板上，形成ASIC组件；

(3)形成半组装MEMS传感器模块：在金属外壳的底板、左侧板、右侧板和前侧板上各制作至少四个安装柱，在底板与后侧板的连接处制作至少两个定位柱，定位柱上制作定位槽，在右侧板上制作联接口，每四个安装柱上粘贴一个安装座，所述的金属外壳由底板、左侧板、后侧板和右侧板围成，所述的前侧板独立于金属外壳；将金属外壳和前侧板置于工装中，把ASIC组件的PCB硬板对准贴装在安装柱和定位槽上，安装座从PCB硬板的窗口中穿过，且与PCB硬板无接触，PCB软板弯曲固定在底板上，将信号连接器固定在右侧板上，信号连接器的排针焊接在排针孔中；在安装座上贴装MEMS裸芯片，通过键合金属线的方法建立MEMS裸芯片和ASIC裸芯片之间及ASIC裸芯片和PCB硬板之间的电连接，就形成了半组装MEMS传感器模块；

(4)形成MEMS传感器模块：将半组装MEMS传感器模块的前侧板竖起安装到金属外壳前侧的外壳凹槽中，最后将盖板固定到金属外壳顶部，使底板、左侧板、后侧板、右侧板、前侧板和盖板共同围成密封腔，至此，就完成了MEMS传感器模块的组装。

2.根据权利要求1所述的多轴MEMS传感器模块的垂直组装方法，其特征在于：步骤(3)所述的键合金属线是在将PCB硬板固定到金属外壳及前侧板上之后进行的。

3.根据权利要求1或2所述的多轴MEMS传感器模块的垂直组装方法，其特征在于：步骤(4)所述的前侧板连同固定在前侧板上的PCB硬板、MEMS裸芯片和ASIC裸芯片垂直安装到外壳凹槽中，达成垂直组装的目的。

4.根据权利要求1或2所述的多轴MEMS传感器模块的垂直组装方法，其特征在于：步骤(3)所述的安装座的材料是硅。

5.根据权利要求4所述的多轴MEMS传感器模块的垂直组装方法，其特征在于：步骤(3)所述的安装座的截面呈T形，安装座的下部固定在金属块上，PCB硬板的一部分固定在金属块上，金属块固定在金属外壳上。

6.根据权利要求5所述的多轴MEMS传感器模块的垂直组装方法，其特征在于：所述的金属块的材料是铜。

7.根据权利要求4所述的多轴MEMS传感器模块的垂直组装方法，其特征在于：步骤(3)所述的安装座的截面呈凸字形，安装座上部贴装有两个MEMS裸芯片，PCB硬板的一部分固定在安装座的肩部，PCB硬板上贴装两个ASIC裸芯片，所述的ASIC裸芯片位于两个MEMS裸芯片两侧，两个ASIC裸芯片都通过金属线与PCB硬板电连接，MEMS裸芯片通过金属线与相邻的ASIC裸芯片电连接，所述的安装座固定在金属外壳上。

8.多轴MEMS传感器模块，由金属外壳和ASIC组件组成，其特征在于：所述的金属外壳呈立方体状，由底板、左侧板、后侧板、右侧板、前侧板和盖板围成，金属外壳的底板、左侧板、右侧板和前侧板上各有至少四个安装柱，在底板与后侧板的连接处有至少两个定位柱，定位柱上有定位槽，在右侧板上有联接口，每四个安装柱上粘贴一个安装座；

所述的ASIC组件由PCB板组件和工装组成，所述的PCB板组件包括四至六块PCB硬板，相邻的PCB硬板间有PCB软板连接，在其中一块PCB硬板上制作有排针孔，在其中至少一块PCB硬板上制作有至少一个窗口和至少两个定位孔，在其中至少一块PCB硬板上贴装有电子元器件；所述的工装具有第一定位柱、第二定位柱和工装槽；PCB板组件安装到工装上，PCB板组件的窗口和定位孔分别对准工装的定位柱，PCB硬板上的电子元器件位于工装槽中，ASIC裸芯片贴装在PCB硬板上；

ASIC组件的PCB硬板对准贴装在安装柱和定位槽上，安装座从PCB硬板的窗口中穿过，且与PCB硬板无接触，PCB软板弯曲固定在底板上，信号连接器固定在右侧板上，信号连接器的排针焊接在排针孔中；

安装座上贴装MEMS裸芯片，MEMS裸芯片和ASIC裸芯片之间及ASIC裸芯片和PCB硬板之间由金属线电连接。

9.根据权利要求8所述的多轴MEMS传感器模块，其特征在于：至少有两个安装在同一安装座上的MEMS裸芯片是感应不同种类信号的传感器芯片。

10.根据权利要求8所述的多轴MEMS传感器模块，其特征在于：至少有两个安装在同一安装座上的MEMS裸芯片是感应同一种类信号的传感器芯片，但它们的量程范围不同。