CN105910723A - 多传感器组件 - Google Patents

Abstract

一个示例公开了多传感器组件，包括：第一温度传感器，具有第一热力属性；第二温度传感器，具有与第一热力属性不同的第二热力属性；其中第一和第二温度传感器安装在引线框组上；其中第一和第二温度传感器包括与周围环境耦接的第一热路径输入和与至少一个引线框耦接的第二热路径输入；以及其中第一、第二传感器和引线框组被包括在单个多传感器组件中。另一个示例公开了多传感器组件的制造方法。

Description

多传感器组件

技术领域

现在讨论用于制造多传感器组件的系统、方法、装置、设备和物品的各种示例性实施例。

背景技术

温度传感器在诸如智能电话的很多设备中使用，用于测量设备外部的环境温度。然而，原始温度传感器读数通常不能给出正确的环境温度。代替地，温度传感器可能放置于靠近一些热源(例如发热的处理器)的印刷电路板(PCB)上。因此，原始温度读数是环境温度和各种热源产生的热量的组合。

电话内部存在很多动态改变的热源(例如，有源组件，如微处理器)，相比于真实环境温度，这显著提高了传感器处的温度。在很多应用中，所感兴趣的是测量环境温度并移除这些其他热源的影响。

这些传感器基于IC封装内嵌入到硅管芯中的集成晶体管/二极管。在设备壳体内部，IC和数以千计的其他组件稳固地安装在PCB上。这种系统可以具有约半小时或以上的较大的热学时间常数。

使用与热源的热性质有关的信息和电话内部不同位置上的多个温度传感器的读数的组合的算法，被用于尝试移除系统较大的热力质量和这些热源散发的热量的影响并估计环境温度。

多个温度传感器可以是专用组件或者可以包含在另一个更复杂的组件中(例如，处理器、电池、显示器等)。来自各种温度传感器的数据被收集至处理点(通常是处理器)，处理点中部署有算法以估计环境温度。这种方法依赖于这些其他传感器的精度和校准。

但是，如果设备内存在足够数量的温度传感器并且传感器间隔良好且精确，则这种算法更为精确。因此，当很好地了解设备内的温度传感器的设计和布局时，这种算法效果更好。

发明内容

根据一个示例实施例，一种装置包括多传感器组件，包括：第一温度传感器，具有第一热力属性；第二温度传感器，具有与第一热力属性不同的第二热力属性；其中第一和第二温度传感器安装在引线框组上；其中第一和第二温度传感器包括与周围环境耦接的第一热路径输入和与至少一个引线框耦接的第二热路径输入；以及其中第一和第二传感器以及引线框组被包括在单个多传感器组件中。

在另一个示例实施例中，第一热力属性包括第一热阻；第二热力属性包括第二热阻；并且第一热阻和第二热阻不同。

在另一个示例实施例中，第一热力属性包括第一热容；第二热力属性包括第二热容；并且第一热容和第二热容不同。

在另一个示例实施例中，还包括具有热阻的隔离层；其中第二温度传感器通过隔离层耦接至第二热路径输入；其中第一温度传感器不通过隔离层耦接至第二热路径输入；以及其中第一和第二温度传感器不通过隔离层耦接至第一热路径输入。

在另一个示例实施例中，隔离层的第一侧耦接至第一温度传感器的顶部，并且第二温度传感器耦接至隔离层的第二侧，从而形成堆叠的第一和第二温度传感器结构。

在另一个示例实施例中，隔离层的一侧耦接至第二引线框，并且第二温度传感器耦接至隔离层的另一侧；以及粘合层的一侧耦接至第一引线框，并且第一温度传感器耦接至粘合层的另一侧，从而形成并排的第一和第二温度传感器结构。

在另一个示例实施例中，隔离层的厚度大于粘合层的厚度。

在另一个示例实施例中，隔离层的厚度至少为50μm。

在另一个示例实施例中，隔离层的热阻大于粘合层的热阻。

在另一个示例实施例中，第一温度传感器包括带隙温度传感器，并且第二温度传感器包括电阻线温度传感器。

在另一个示例实施例中，多传感器组件被密封材料基本上包围。

在另一个示例实施例中，密封材料包括暴露第二温度传感器的开口。

在另一个示例实施例中，还包括处理器，所述处理器与第一和第二温度传感器耦接并且配置为从第一热路径输入中滤除第二热路径输入。

在另一个示例实施例中，还包括第二隔离层和第三温度传感器；以及其中第二隔离层的第一侧耦接至第二温度传感器的顶部，并且第三温度传感器耦接至第二隔离层的第二侧，从而形成三层堆叠的第一、第二和第三温度传感器结构。

在另一个示例实施例中，一种多传感器组件的制造方法，包括：制作具有第一热力属性的第一温度传感器；制作具有与第一热力属性不同的第二热力属性的第二温度传感器；形成位于周围环境和第一、第二温度传感器之间的第一热路径；形成位于引线框组和第一、第二温度传感器之间的第二热路径；以及将第一和第二传感器以及引线框组包括在单个多传感器组件中。

在另一个示例实施例中，还包括：在位于至少一个引线框和第二温度传感器之间的第二热路径中添加隔离层。

在另一个示例性实施例中，还包括：将隔离层的第一侧耦接至第一温度传感器的顶部；以及将第二温度传感器耦接至隔离层的第二侧，从而形成堆叠的第一和第二温度传感器结构。

在另一个示例实施例中，还包括：将隔离层的一侧耦接至第二引线框；将第二温度传感器耦接至隔离层的另一侧；将粘合层的一侧耦接至第一引线框；以及将第一温度传感器耦接至粘合层的另一侧，从而形成并排的第一和第二温度传感器结构。

上述讨论并非意欲表现当前或未来权利要求集合范围内的每个示例实施例或每个实现。下文的附图和具体实施方式部分也是对各种示例实施例的举例说明。

附图说明

考虑以下结合附图的具体实施方式，可以更加完整地理解各种示例实施例，附图中：

图1是第一示例多传感器组件。

图2是第二示例多传感器组件。

图3是第三示例多传感器组件。

图4是第四示例多传感器组件。

图5是示例多传感器组件的示例热学模型。

图6是制造示例多传感器组件的示例方法。

尽管本公开可修改成各种变型和替代形式，但以示例方式在附图中示出并在下文中详细描述其细节。然而应当理解，除所描述的具体实施例外，还可以有其他实施例。还覆盖了落入所附权利要求的精神和范围内的所有改进、等价和替代实施例。

具体实施方式

本文描述了设计原理，其中在单个多传感器组件中布置一组温度传感器，并且将它们的读数进行组合和使用以移除热源组的影响。传感器是隔离的，并且可以具有对温度和热源具有不同反应的热学容量/热容。

在一个示例性实施例中，传感器沿着从热源组至周围环境的至少一个热力路径布置。放置在温度传感器之间的热隔离以及温度传感器的热容差异能够实现响应于静态和动态改变的热源驱动的温度变化来测量环境温度。

在另一个示例实施例中，温度传感器放置在置于名为“多芯片组件”中的分离芯片中。例如，芯片可以布置在彼此的顶部，并通过夹在中间的隔离层而隔离。芯片大小可以明显不同，以增加热容差异。

温度传感器组还可以使用不同的温度感测原理。例如，带隙(band-gap)传感器可深置于硅内部并靠近热路径和内部外部热源。基于电阻线的传感器可设计在芯片顶部并与空气紧密接触。线传感器可以通过使用隔离层或形成自由悬空线与硅的其他部分热力隔离。

由于热阻和热容差异，多个传感器对热源和环境温度及其改变反应不同。根据测量差异，可以提取环境温度并移除其他源的影响。该方案的精度将主要取决于传感器间差异的相对精度。

可以在与专用处理器相同的芯片上或者在为控制器上实现用于提取环境温度的算法。

本文描述的多传感器组件独立于单个组件外部的其他传感器。可以在单个多传感器组件内提供精度、校准和算法，从而可以提供与应用无关的可重复温度输出值。由于附加的热力梯度信息是在单个组件内局部获取的，所以可以改善环境温度估计。由于信息局部可用，通过增加仅当需要时才提取环境温度的处理可以降低功耗。由于用于估计温度的信息被包含在单个设备中，多传感器组件使其布置更为简单，并且整个系统更为简化。

图1是第一示例多传感器组件100。多传感器组件100包括安装在第一电路104(例如硅管芯、半导体芯片等)中的具有第一热力属性的第一温度传感器106。粘合层102将第一电路104接合于可选的衬底(例如，热沉)，该衬底再接合于引线框114。

具有与第一热力属性不同的第二热力属性的第二温度传感器110安装在第二电路108(例如硅管芯、半导体芯片等)中。隔离层112(例如粘合胶)将第二电路108接合于第一电路104。在一个示例中，第一和第二温度传感器106、110安装在引线框114上。

接合线116将第一和第二电路104、108连接至引线框114，然后再将它们都包围在密封材料118(模塑料)中。然后，多传感器组件100可安装至电路板120(例如PCB)。

在一个示例实施例中，如图1所示，温度传感器106、110可以在堆叠彼此的顶部，但在备选实施例中，温度传感器106、110可以并排布置，如其他图所示。

第一和第二温度传感器106、110包括与周围环境(即，第一热源122)耦接的第一热源122热路径124输入和通过引线框与第二热源126耦接的第二热源126热路径128输入。在一个示例中，第二热路径128从第二热源126通过电路板120和电路板120上的电连接迹线(trace)向组件100传送热能。用于讨论的目的，第一热源122的温度可以比第二热源126更高或更低。

本文中，传感器、设备或材料的热力属性定义为包括传感器、设备或材料的吸收、释放和传导热的能力。第一和第二温度传感器106、110的热力属性设计为使得两个热源122、126之间的温度差得到两个传感器106、110之间的可测量温度差。

例如，如果每个温度传感器106、110具有0.2K(开尔文)的温度测量分辨率(现代CMOS传感器的常见检测精度)，则由传感器106、110各自的热力属性必须得到传感器106、110之间的某个大于0.2K的温度差。例如，借助算法，传感器106、110能够将这种大于0.2K的温度差转译为热源122、126之间10K的温度差。

即使传感器106、110分辨率依然相同，第一和第二温度传感器106、110的热力属性之间的差异越大，则环境温度计算的精度越高。例如，在一个示例中，第一温度传感器106的热力属性和第二温度传感器110的热力属性的差异至少是2比1(即，2:1的比例)。还可以有很多其他的热力属性差异比。

第一和第二温度传感器106、110的热力属性可以以各种方式差异化，例如，将以下差异化：热阻、热容、热学时间常数、热特征、随时间的温度差或者在电路104、108或组件100上的温度差。

第一和第二温度传感器106、110之间的热阻差(例如面向环境和局部/PCB热源)可通过各种方式来获取，现在将讨论。

一种方式在第一温度传感器110和第二温度传感器126之间添加具有热力属性的隔离层112，但不在第二温度传感器110和第一热源122之间添加。在该示例中，第一温度传感器106未被隔离。在附加的示例中，将温度传感器的热力属性保持为尽可能与热源或普通环境不同，例如，在110和126之间添加隔离，但不在106和126之间添加。

隔离层112还用作在第一和第二电路104、108之间固定第一和第二温度传感器106、110的胶合层。隔离层112的厚度应当足够大，以具有传感器106、110之间的热阻，而且实质大于第一温度传感器106和引线框114之间的粘合层102的厚度。在备选示例中，隔离层112可以由增加热阻的不同材料制成，使得不必增加隔离层112的厚度。

例如，如果粘合层102具有10至30μm的厚度，则用于隔离层112的厚度在35μm以上的不导电胶(例如，在IC封装技术中使用)就可用。厚度是粘合层102至少两倍的隔离层112同样可用。

另一种方式是通过堆叠第一和第二电路104、108来增加温度传感器106、110之间的热阻差异。隔离层的第一侧耦接至第一温度传感器的顶部，并且第二温度传感器耦接至隔离层的第二侧，从而形成堆叠的第一和第二温度传感器结构。

通过将第一和第二电路104、108(其中容纳温度传感器106、110)设计为具有实质不同的大小/质量，可以实现温度传感器106、110之间的热容差异。针对作为硅晶片的电路104、108，面积或厚度之一比第二硅管芯大至少两倍的第一硅管芯就可用。

逻辑电路和/或计算机处理器(未示出)可以包含在多传感器组件100中，或者与多传感器组件100电交互。逻辑电路和/或计算机处理器将从温度传感器106、110接收输出信号，并且通过从第一热源122热路径124输入中滤除第二热源126热路径128输入，算法地估计环境温度(即，第一热源122的温度)。下面将更详细地讨论。

在另一个实施例中，多传感器组件100还包括第二隔离层(未示出)和具有第三热力属性的第三温度传感器(未示出)。第二隔离层的第一侧将耦接至第二温度传感器110的顶部，并且第三温度传感器将耦接至第二隔离层的第二侧，从而形成三层堆叠(triple-stacked)的第一、第二和第三温度传感器结构。这种附加的热差异化温度传感器将进一步增加环境温度测量的精度。

图2是第二示例多传感器组件200。除了图1中引入的大部分元件，第二多传感器组件200还包括密封材料202，所述密封材料202具有将第二温度传感器110暴露于第一热源122(例如周围环境)的开口204。

开口204允许第二温度传感器110与第一热源122(例如，周围环境，如空气)直接接触。因此，组件200的密封材料202中的开口204增加了第二温度传感器110和来自第一热源122(例如周围环境)的第一热路径124之间的热接触。通过增加第一温度传感器106和第二温度传感器110之间的热力属性差异，这种直接接触提高了估计的环境温度测量的精度。

图3是第三示例多传感器组件300。除了图1中引入的一些元件，第三多传感器组件300还包括作为电阻线传感器302的第二温度传感器和具有开口306的密封材料304。第三示例组件300展示了第一和第二温度传感器(例如，上文的106、110)使用不同感测原理的实施例。

在该第三示例组件300中，第一温度传感器106包括带隙温度传感器，并且第二温度传感器包括电阻线温度传感器302。第一温度传感器106可以是第一电路104(例如硅管芯)内部的标准带隙温度传感器。该传感器106将更多地受到PCB 120上的第二热源126的影响。

第二温度传感器(即，电阻线传感器302)可以制作在第一电路104的顶部。在一个示例中，使用传感器302和管芯之间的热隔离层(未示出)将该传感器302与管芯隔离。然而，图3示出了将传感器302制作为自由悬空并通过少量气体(例如空气)或真空在传感器302和第一电路104之间进行隔离的示例。电阻线传感器302可通过组件300的密封材料/模塑料304中的开口306暴露于周围环境。电阻线传感器302将更少地受到PCB 120上的其他热源(例如第二热源126)的影响，而且更多地受到周围环境(即，第一热源122)的影响。通过这种方式，第一和第二传感器(例如上文的106、110)可进一步被差异化，从而提高估计的环境温度测量的精度。

图4是第四示例多传感器组件400。除了图1中引入的一些元件，第四组件400进一步包括第二电路404、第二温度传感器406、隔离层408、密封材料410、第一热路径412、第二热路径414、第一引线框416以及第二引线框418。第四示例性组件400展示了在两个分离的引线框416、418上但在单个多芯片组件400内的并排温度传感器结构。

在该示例中，隔离层408的一侧耦接至第二引线框418，而第二电路404中的第二温度传感器406耦接至隔离层408的另一侧。粘合层102的一侧耦接至第一引线框416，并且第一电路104中的第一温度传感器106耦接至粘合层102的另一侧，从而形成并排的第一和第二温度传感器106、406结构。在一个示例中，隔离层408的厚度是粘合层102的厚度的至少两倍。虽然第一和第二引线框416、418可被组合为单个引线框114，但这将使传感器106、406之间的差异变小。

传感器106、406热力属性的差异越大，则估计的环境(即，第一热源122)温度越精确。以下是实现这种示例的一些示例实施例。在一个示例中，如果第一和第二电路104、204具有显著不同的热容(例如，不同的大小/面积和/或厚度)(其影响它们的热质量和动态温度响应)，则可以进一步增加温度传感器106、406之间的热差异。

在另一个示例中，通过将PCB 120内的组件400调整方向(orient)，使得具有最小热隔离的第一温度传感器106离第二热源126最近，可以进一步增加传感器106、406之间的热差异。此外，如果将密封材料410改变为在第二温度传感器406上方形成开口(未示出)，则传感器406可以直接暴露于第一热源122(例如环境空气)。这将进一步增加第二温度传感器406与第一热源122的热接触，从而进一步差异化传感器106、406之间的热性质。

图5是示例多传感器组件502的示例热力模型500。现在将讨论从产生第一温度输出值(T1)508的第一温度传感器506和产生第二温度输出值(T2)512的第二温度传感器510来提取环境温度(Ta)504的等式。

可以将两个传感器506、510的读数组合，以移除附加热源514的影响并估计环境温度504。接下来描述该提取的原理和基本算法。

当多传感器组件502平衡时，可通过以下等式来近似热力模型500。

0＝(T₂-T₁)K_{1_2}+(T_a-T₁)K_{1_a}

0＝(T₁-T₂)K_{1_2}+(T_a-T₂)K_{2_a}+P

其中K_{1_2}、K_{2_a}、K_{1_a}是系统的集总(lumped)热导值，并且P是热源514的热功率。温度传感器506、510的温度读数508、512是：T₁和T₂。要估计的未知环境温度504用T_a来表示。

估计环境温度504的一个可能方案是：

$T_a=T_1-\frac{(T_2-T_1)K_{1\_2}}{K_{1\_a}}$

以上等式可以看出，测量的较小局部温度差(T₂-T₁)可用于移除其他热源的较大影响。修正后的环境温度的总误差是以下两个误差的组合：第一温度传感器506的绝对误差以及第一和第二温度传感器506、510之间的相对误差，所述相对误差与取决于热导性的因子相乘。第一和第二温度传感器506、510之间差异的精确出厂校准减小了环境温度504估计的误差。

在动态温度改变的情形中，考虑温度梯度和组件的热学容量，并且可以导出类似的方案。

图6是制造示例多传感器组件的示例性方法600。讨论方法的顺序并不限制其它示例实施例实现该方法的顺序。附加地，在一些实施例中，并发地实现指令。

第一示例方法开始于步骤602，制造具有第一热力属性的第一温度传感器。接下来，在604中，制作具有与第一热力属性不同的第二热力属性的第二温度传感器。然后在606中，形成位于周围环境和第一、第二温度传感器之间的第一热源122热路径124。在608中，形成位于引线框114和第一、第二温度传感器之间的第二热源126热路径128。然后在610中，将第一、第二传感器和引线框组包括在单个多传感器组件中。

刚才讨论的方法中的元素可被增强，或被以下并非以特定顺序提出的一个或多个附加方法元素替换。

在612中，在位于引线框114和第二温度传感器之间的第二热源126热路径128中添加隔离层。在614中，将隔离层的第一侧耦接至第一温度传感器的顶部，并将第二温度传感器耦接至隔离层的第二侧，从而形成堆叠的第一和第二温度传感器结构。在616中，将隔离层的第一侧耦接至引线框114上的第一位置；将第二温度传感器耦接至隔离层的第二侧；将粘合层的第一侧耦接至引线框114上的第二位置；以及将第一温度传感器耦接至粘合层的第二侧，从而形成并排的第一和第二温度传感器结构。然后在618中，其中第一温度传感器安装于第一引线框，并且第二温度传感器安装于与第一引线框分离的第二引线框。

除非明确声明具体顺序，上述附图中的方法步骤可以以任意顺序执行。同样，本领域技术人员将会认识到，虽然已经讨论了一个示例性方法，说明书中的素材能以各种方式组合以产生其它示例，并且要将其理解为在该具体实施方式提供的上下文中。

在说明书中，示例性实施例已经按照选定的一套细节进行了描述。然而，本领域普通技术人员将理解，可以实施包括选定的一套这些细节的很多其他示例性实施例。其目的是以下权利要求覆盖所有可能的实施例。

Claims (18)

1.一种多传感器组件，包括：

第一温度传感器，具有第一热力属性；

第二温度传感器，具有与第一热力属性不同的第二热力属性；

其中第一温度传感器和第二温度传感器安装在引线框组上；

其中第一温度传感器和第二温度传感器包括与周围环境耦接的第一热路径输入和与至少一个引线框耦接的第二热路径输入；以及

其中第一温度传感器和第二传感器以及引线框组被包括在单个多传感器组件中。

2.如权利要求1所述的组件：

其中第一热力属性包括第一热阻；

其中第二热力属性包括第二热阻；以及

其中第一热阻和第二热阻不同。

3.如权利要求1所述的组件：

其中第一热力属性包括第一热容；

其中第二热力属性包括第二热容；以及

其中第一热容和第二热容不同。

4.如权利要求1所述的组件：

还包括具有热阻的隔离层；

其中第二温度传感器通过隔离层耦接至第二热路径输入；

其中第一温度传感器没有通过隔离层耦接至第二热路径输入；以及

其中第一温度传感器和第二温度传感器没有通过隔离层耦接至第一热路径输入。

5.如权利要求4所述的组件：

其中隔离层的第一侧耦接至第一温度传感器的顶部，并且第二温度传感器耦接至隔离层的第二侧，从而形成堆叠的第一和第二温度传感器结构。

6.如权利要求4所述的组件：

其中隔离层的一侧耦接至第二引线框，并且第二温度传感器耦接至隔离层的另一侧；以及

其中粘合层的一侧耦接至第一引线框，并且第一温度传感器耦接至粘合层的另一侧，从而形成并排的第一和第二温度传感器结构。

7.如权利要求6所述的组件：

其中隔离层的厚度大于粘合层的厚度。

8.如权利要求1所述的组件：

其中隔离层的厚度至少为50μm。

9.如权利要求6所述的组件：

其中隔离层的热阻大于粘合层的热阻。

10.如权利要求1所述的组件：

其中第一温度传感器包括带隙温度传感器，并且第二温度传感器包括电阻线温度传感器。

11.如权利要求1所述的组件：

其中多传感器组件被密封材料基本上包围。

12.如权利要求11所述的组件：

其中密封材料包括暴露第二温度传感器的开口。

13.如权利要求1所述的组件：

还包括处理器，所述处理器与第一和第二温度传感器耦接，并且

配置为从第一热路径输入中滤出第二热路径输入。

14.如权利要求1所述的组件：

还包括第二隔离层和第三温度传感器；以及

其中第二隔离层的第一侧耦接至第二温度传感器的顶部，并且第三温度传感器耦接至第二隔离层的第二侧，从而形成三层堆叠的第一、第二和第三温度传感器结构。

15.一种多传感器组件的制造方法，包括：

制作具有第一热力属性的第一温度传感器；

制作具有与第一热力属性不同的第二热力属性的第二温度传感器；

形成位于周围环境与第一和第二温度传感器之间的第一热路径；

形成位于引线框组与第一和第二温度传感器之间的第二热路径；以及

将第一和第二传感器以及引线框组包括在单个多传感器组件中。

16.如权利要求17所述的方法，还包括：

在位于至少一个引线框和第二温度传感器之间的第二热路径中添加隔离层。

17.如权利要求19所述的方法，还包括：

将隔离层的第一侧耦接至第一温度传感器的顶部；以及

将第二温度传感器耦接至隔离层的第二侧，从而形成堆叠的第一和第二温度传感器结构。

18.如权利要求17所述的方法，还包括：

将隔离层的一侧耦接至第二引线框；

将第二温度传感器耦接至隔离层的另一侧；

将粘合层的一侧耦接至第一引线框；以及

将第一温度传感器耦接至粘合层的另一侧，从而形成并排的第一和第二温度传感器结构。