CN109292727A - 一种具有温度补偿功能的两片式mems陀螺仪 - Google Patents

一种具有温度补偿功能的两片式mems陀螺仪 Download PDF

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王晓臣
王万
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Abstract

本发明公开了一种具有温度补偿功能的两片式MEMS陀螺仪，包含设置在基板上的MEMS陀螺仪芯片和ASIC芯片，在MEMS陀螺仪芯片和ASIC芯片下方的基板内部嵌入温度反馈系统，使MEMS陀螺仪芯片和ASIC芯片通过温度反馈系统形成导热通路。本发明提供的具有温度补偿功能的两片式MEMS陀螺仪，使专用集成电路芯片不仅可以对自身温度进行检测，而且可以对MEMS器件的温度变化作出有效反馈。

Description

一种具有温度补偿功能的两片式MEMS陀螺仪
技术领域
本发明涉及一种MEMS陀螺仪。
背景技术
常规的两片式MEMS陀螺仪封装通常采用高温陶瓷（HTCC）或低温陶瓷（LTCC）作为壳体，采用导电胶粘接芯片，芯片粘接区仅作为粘接位置标定和电学接地功能区域，MEMS芯片与厚膜基板芯片贴装一般采用导电胶粘接的方法。陀螺仪与专用集成电路芯片ASIC之间不存在温度反馈通道，ASIC即使具有温度检测功能也仅仅是对其自身的温度检测，无法针对MEMS器件的温度变化作出有效反馈。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有温度补偿功能的两片式MEMS陀螺仪，使专用集成电路芯片不仅可以对自身温度进行检测，而且可以对MEMS器件的温度变化作出有效反馈。
实现本发明目的的技术方案：
一种具有温度补偿功能的两片式MEMS陀螺仪，其特征是，包含设置在基板上的MEMS陀螺仪芯片和ASIC芯片，在MEMS陀螺仪芯片和ASIC芯片下方的基板内部嵌入温度反馈系统，使MEMS陀螺仪芯片和ASIC芯片通过温度反馈系统形成导热通路。
所述温度反馈系统包括在MEMS陀螺仪芯片和ASIC芯片下方基板内设置的导热金属柱和在基板的层间设置的层间导热金属带，通过层间导热金属带将所有导热金属柱相互连接形成导热通路。
所述导热金属柱为多个，多个导热金属柱由同一层间导热金属带连接。
MEMS陀螺仪芯片和ASIC芯片采用导热胶分别对应地粘接在基板上的陀螺仪组装区域和ASIC组装区域。
MEMS陀螺仪芯片和ASIC芯片采用可导热的焊料分别焊接在基板上的陀螺仪组装区域和ASIC组装区域。
基板上通过真空共晶焊接的方式焊接一将MEMS陀螺仪芯片和ASIC芯片围在其中的金属围框，金属围框上采用平行缝焊或激光焊焊接一盖板。
本发明的优点为：
本发明公开了一种两片式MEMS陀螺仪封装结构，该封装结构包含MEMS陀螺仪芯片和专用集成电路芯片（ASIC）两个元件，其中MEMS陀螺仪芯片负责感应器件的位置信号，并将位置变化转换为电信号，ASIC将电信号进行处理并输出，形成可以实现特定功能的封装器件，该封装可通过基板温度反馈通道可以实现MEMS芯片与ASIC的热交流，通过ASIC的可编程算法实现温度补偿。
附图说明
图1 两片式MEMS陀螺仪示意图；
图2 图1的俯视图；
图3 温度反馈系统示意图；
图中，1.基板；2.ASIC芯片；3.互连金线；4.MEMS陀螺仪芯片；5.层间导热金属带；6.导热金属柱；7. 金属围框；8.导电胶；10. 陀螺仪组装区域；20.ASIC组装区域。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
1.技术方案
结合图1、图2和图3，本发明的两片式MEMS陀螺仪，该结构主要包含设置在基板上的MEMS陀螺仪芯片4、ASIC芯片2（专用集成电路芯片）和温度反馈系统，其中MEMS陀螺仪芯片4负责感应器件的位置信号，并将位置变化转换为电信号，通过互连金线3与ASIC芯片2互连传输， ASIC芯片2将电信号进行处理并输出（通过互连金线3与基板1互连传输），形成可以实现特定功能的封装器件，通过基板内设置的温度反馈系统可以实现MEMS陀螺仪芯片4和ASIC芯片2的热交流，通过ASIC芯片内置的可编程算法实现温度补偿。
本发明采用LTCC基板制作两片式MEMS陀螺仪，在进行常规的电学互连设计的同时，在MEMS陀螺仪芯片4和ASIC芯片2之间增加温度反馈系统，通过ASIC芯片内置的可编程算法实现温度补偿。本实施例中，ASIC芯片可以采用埃及Si-ware公司的SWS1110型芯片，在其他实施例中，也可以选用其他内置有温度补偿的可编程算法的同类功能的ASIC芯片。
1）LTCC基板一体化封装：采用多层低温陶瓷共烧材料加工封装基板1，生瓷使用激光或机械打孔，印刷填孔，导体材料为金、银、钯银等。采用印刷成膜，通过叠片、层压再经过850℃高温烧结完成基板加工。通过真空共晶焊接的方式将金属围框4焊接在成膜基板1上，从而形成一体化封装壳体。
2）温度反馈系统设计：在进行基板1的结构设计时，在基板1内部嵌入温度反馈系统。温度反馈系统主要包括在陀螺仪组装区域10和ASIC组装区域20下方设置的导热金属柱6和在基板某个层间设置的层间导热金属带5，通过层间导热金属带5将两个组装区域下的导热金属柱6相互联系在一起，形成完整的导热通路。
3）芯片的组装：MEMS陀螺仪芯片4和ASIC芯片2分别采用导热胶7对应地粘接在陀螺仪组装区域10和ASIC组装区域20，或者也可采用具有良好导热能力的焊料焊接的方式焊在陀螺仪组装区域10和ASIC组装区域20，与温度反馈系统相配合形成良好的导热通道。
4）MEMS陀螺仪芯片4在工作时产生温度变化经基板内的温度反馈系统对ASIC芯片产生温度影响，具有温度感应功能的ASIC根据温度变化进行电学反馈从而实现温度补偿，补偿方法为ASIC内部具有温度传感器，通过监测环境温度对相关参数进行调整。
5）完成加工和测试后的封装，在金属围框7上加盖盖板，采用平行缝焊或激光焊进行焊接，实现气密性封装，使得封装具有良好的长期可靠性。
2.技术特点
1）本发明是采用低温陶瓷共烧（LTCC）基板1，金银导体浆料印刷生成芯片组装区域和互连导带，采用真空共晶焊焊接金属围框7形成一体化封装壳体。
2）陀螺仪组装区域与ASIC组装区域之间采用导热金属通孔和导体组合形成温度反馈系统。
3）MEMS陀螺仪芯片4、ASIC芯片2采用导热胶8粘接或焊接方式组装在基板1上，保证具有良好的导热性能。
4）MEMS陀螺仪芯片4在工作时产生温度变化经基板温度交流系统对ASIC芯片2产生温度影响，具有温度感应功能的ASIC芯片根据温度变化进行电学反馈从而实现温度补偿。
5）完成器件的组装和测试后，在金属围框7上加盖板，通过平行缝焊或者激光焊的方式完成气密性封装，具有较高的长期可靠性。
3.技术优点
本发明主要有以下的技术有点：
1) 本发明实现两片式MEMS陀螺仪的一体化封装，具有较高的封装密度，封装体积较小，可以承受较高的过载。
2) LTCC基板内嵌温度反馈系统，可以根据MEMS器件的温度变化进行相应的温度补偿，因此该封装具有良好的温度特性。
3）采用平行缝焊或激光焊，实现气密性封装，具有较高的可靠性。
5 工艺参数设计
本实施例中采用了如下具体的参数，在其他实施例中还可以对参数进行优化选择。
1) 基板类型：低温陶瓷共烧LTCC；
2）基板导带：表层导体材料：金、钯银，内层导体材料：银，印刷成膜，导体膜厚5μm～12μm；
3）通孔直径：电学互连通孔：6mils（0.15mm）,导热金属柱通孔：≥10mils（0.25mm）；
4) 层间导热金属带； 材料：银，膜厚：10μm～15μm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有温度补偿功能的两片式MEMS陀螺仪，其特征是，包含设置在基板上的MEMS陀螺仪芯片和ASIC芯片，在MEMS陀螺仪芯片和ASIC芯片下方的基板内部嵌入温度反馈系统，使MEMS陀螺仪芯片和ASIC芯片通过温度反馈系统形成导热通路。
2.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的两片式MEMS陀螺仪，其特征是，所述温度反馈系统包括在MEMS陀螺仪芯片和ASIC芯片下方基板内设置的导热金属柱和在基板的层间设置的层间导热金属带，通过层间导热金属带将所有导热金属柱相互连接形成导热通路。
3.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的两片式MEMS陀螺仪，其特征是，所述导热金属柱为多个，多个导热金属柱由同一层间导热金属带连接。
4.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的两片式MEMS陀螺仪，其特征是，MEMS陀螺仪芯片和ASIC芯片采用导热胶分别对应地粘接在基板上的陀螺仪组装区域和ASIC组装区域。
5.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的两片式MEMS陀螺仪，其特征是，MEMS陀螺仪芯片和ASIC芯片采用可导热的焊料分别焊接在基板上的陀螺仪组装区域和ASIC组装区域。
6.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的两片式MEMS陀螺仪，其特征是，基板上通过真空共晶焊接的方式焊接一将MEMS陀螺仪芯片和ASIC芯片围在其中的金属围框，金属围框上采用平行缝焊或激光焊焊接一盖板。
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