CN111348615A - 电容式集成传感器及其加工工艺 - Google Patents

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CN111348615A CN202010184408.4A CN202010184408A CN111348615A CN 111348615 A CN111348615 A CN 111348615A CN 202010184408 A CN202010184408 A CN 202010184408A CN 111348615 A CN111348615 A CN 111348615A
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Abstract

本发明提供了一种电容式集成传感器及其加工工艺，包括MEMS传感器、ASIC芯片以及基板，基板上设有容置腔，MEMS传感器设置在容置腔中，ASIC芯片设置在基板上并与MEMS传感器间隔设置，MEMS传感器通过引线与ASIC芯片电连接。本发明技术方案在基板上开设容置腔，并在基板上异于容置腔的位置设置ASIC芯片，再将MEMS传感器设置在容置腔中，从而实现MEMS传感器以及ASIC芯片安装在同一基板上；并且将用于实现MEMS传感器与ASIC芯片之间数据互通的引线设置在基板内部，从而简化了电容式集成传感器的结构，降低了电容式集成传感器的体积大小。

Description

电容式集成传感器及其加工工艺
技术领域
本发明涉及集成传感器技术领域，特别涉及一种电容式集成传感器以及一种电容式集成传感器的加工工艺。
背景技术
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。随着3D封装技术的发展，使得芯片集成越来越趋于小型化，集成度也越来越高，目前传感器都趋于集成化发展，以降低传感器的体积、重量等。
然而在现有技术中，传感器的集成方式大多是将两个传感器芯片封装在一起，无法真正的将其集成在同一基板上，从而导致体积及成本较高，不具有优势。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种电容式集成传感器及其加工工艺，旨在解决现有技术中传感器无法集成在同一基板上的技术问题。
为实现上述目的，本发明提出的所述电容式集成传感器包括MEMS传感器、ASIC芯片以及基板，所述基板上设有容置腔，所述MEMS传感器设置在所述容置腔中，所述ASIC芯片设置在所述基板上并与所述MEMS传感器间隔设置，所述MEMS传感器通过引线与所述ASIC芯片电连接。
可选地，所述容置腔上具有开口，所述MEMS传感器具有第一极板和第二极板，所述第一极板设置在与所述开口相对的腔壁上，所述第二极板设置在所述开口处。
可选地，所述电容式集成传感器还包括接线端，所述接线端设置在所述基板上，所述接线端通过引线与所述ASIC芯片电连接。
可选地，所述电容式集成传感器还包括外壳，所述外壳罩设于所述基板外。
可选地，所述引线均设置在所述基板内部。
此外，为解决上述问题，本发明还提出一种电容式集成传感器的加工工艺，所述加工工艺用于制作如上述的电容式集成传感器，所述加工工艺包括以下步骤：
在基板上开设容置腔；
将MEMS传感器安装在所述容置腔中；
将ASIC芯片安装在所述基板上，且与所述容置腔间隔设置；
通过引线将所述MEMS传感器与所述ASIC芯片电连接。
可选地，所述将MEMS传感器安装在所述容置腔中的步骤包括：
在所述容置腔上设置开口；
在所述容置腔内与所述开口相对的腔壁上电镀金属以形成第一极板；
在所述基板上设置膜片，所述膜片覆盖所述开口；
在膜片上朝向所述第一极板的一侧电镀金属以形成第二极板。
可选地，所述将MEMS传感器安装在所述容置腔中的步骤包括：
在所述容置腔上设置开口；
在所述容置腔内与所述开口相对的腔壁上沉积导电离子以形成第一极板；
向所述容置腔中设置填充绝缘材料直至将所述容置腔填满；
在所述绝缘材料的表面沉积导电离子以形成第二极板；
将所述绝缘材料去除。
可选地，所述在所述绝缘材料的表面沉积导电离子以形成第二极板的步骤包括：
在所述绝缘材料背离所述第一极板的一侧表面设置保护层；
在所述保护层上沉积导电离子以形成所述第二极板。
可选地，所述通过引线将所述MEMS传感器与所述ASIC芯片电连接的步骤之后，还包括：
在所述基板上设置外壳，以使所述外壳罩设于所述基板外。
本发明技术方案在所述基板上开设所述容置腔，并在所述基板上异于所述容置腔的位置设置所述ASIC芯片，再将所述MEMS传感器设置在所述容置腔中，从而实现所述MEMS传感器以及所述ASIC芯片安装在同一所述基板上；并且将用于实现所述MEMS传感器与所述ASIC芯片之间数据互通的引线设置在所述基板内部，从而简化了所述电容式集成传感器的结构，降低了所述电容式集成传感器的体积大小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明电容式集成传感器的结构示意图；
图2为本发明加工工艺第一实施例的流程示意图；
图3为本发明加工工艺第二实施例的流程示意图；
图4为本发明加工工艺第三实施例的流程示意图；
图5为本发明加工工艺第四实施例的流程示意图；
图6为本发明加工工艺第五实施例的流程示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
10 基板 11 容置腔
111 开口 20 MEMS传感器
21 第一极板 22 第二极板
30 ASIC芯片 40 引线
50 接线端 60 外壳
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出了一种电容式集成传感器，请参照图1，所述电容式集成传感器包括MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)传感器20、ASIC(特殊应用集成电路)芯片30以及基板10，所述基板10上设有容置腔11，所述MEMS传感器20设置在所述容置腔11中，所述ASIC芯片30设置在所述基板10上并与所述MEMS传感器20间隔设置，所述MEMS传感器20通过引线40与所述ASIC芯片30电连接。
在本实施例中，所述基板10可以是硅板或者树脂等材料制成。在制作所述基板10时，可通过埋芯片工艺(SESUB)制作，先刷抹一层底料，将所述ASIC芯片30放置在所述底料上，再刷抹一层顶料，从而将所述ASIC芯片30封埋在所述基板10中；或者还可以通过IC工艺制作，采用晶元材料制作所述基板10(即硅板)，再通过印刷的方式直接在所述基板10上制作所述ASIC芯片30。
在所述基板10上异于所述ASIC芯片30的位置采用蚀刻所述基板10或者切割所述基板10的方式以形成所述容置腔11，将所述MEMS传感器20设置在所述容置腔11中，从而实现将所述MEMS传感器20与所述ASIC芯片30安装在同一所述基板10上，以减小所述电容式集成传感器的体积。
需要说明的是，本实施例中在制作所述基板10时，可在所述容置腔11与所述ASIC芯片30之间预设所述引线40，以使所述ASIC芯片30与所述MEMS传感器20连接，从而实现所述MEMS传感器20与所述ASIC芯片30之间的数据互通、实现使所述ASIC芯片30为所述MEMS传感器20进行供电等。此外，还可以在所述基板10的其他位置处预设引线40以连接其他例如接线端(PAD端)等功能性元器件。
本发明技术方案在所述基板10上开设所述容置腔11，并在所述基板10上异于所述容置腔11的位置设置所述ASIC芯片30，再将所述MEMS传感器20设置在所述容置腔11中，从而实现所述MEMS传感器20以及所述ASIC芯片30安装在同一所述基板10上；并且将用于实现所述MEMS传感器20与所述ASIC芯片30之间数据互通的引线40设置在所述基板10内部，从而简化了所述电容式集成传感器的结构，降低了所述电容式集成传感器的体积大小。
具体的，所述容置腔11上具有开口111，所述MEMS传感器20具有第一极板21和第二极板22，所述第一极板21设置在与所述开口111相对的腔壁上，所述第二极板22设置在所述开口111处。所述MEMS传感器20为电容式传感器，其所述第一极板21与所述第二极板22均采用导电材质制作，例如在所述容置腔11内与所述开口111相对的腔壁上电镀金属(例如铜、金等)以形成所述第一极板21，在膜片(例如聚酰亚胺薄膜、聚醚醚酮薄膜等)上电镀金属以形成所述第二极板22，将所述膜片贴设在所述开口111处，并使膜片上具有电镀金属的一侧朝向所述第一极板21，所述第一极板21与所述第二极板22通过所述引线40与所述ASIC芯片30电连接，所述ASIC芯片30对所述第一极板21与所述第二极板22供电，从而保证所述第一极板21与所述第二极板22相对设置形成电容结构。所述膜片采用绝缘材料制作，并保证所述膜片将所述开口111完全覆盖，以使得所述第一极板21与所述第二极板22完全密封在所述容置腔11中，从而避免外界因素对所述第一极板21与所述第二极板22之间的电容造成影响导致所述电容式集成传感器的测量发生偏差。
在本实施例中，通过在所述容置腔11上开设所述开口111的方式，使所述MEMS传感器20直接与外界连通，从而当所述MEMS传感器20损坏时，便于更换或维修所述MEMS传感器20。
进一步地，所述电容式集成传感器还包括接线端50(PAD端)，所述接线端50设置在所述基板10上，所述接线端50通过引线40与所述ASIC芯片30电连接。在制作所述基板10时，在所述基板10内部预设所述引线40使得所述ASIC芯片30与所述接线端50电连接，从而实现所述ASIC芯片30与所述接线端50之间的数据互通，在本实施例中，所述接线端50可用作输出端或者输入端与外部设备连接，从而将所述电容式集成传感器获取的信息传输至外部设备或者使所述电容式集成传感器接收到外部设备的发送的指令信息等。
进一步地，所述电容式集成传感器还包括外壳60，所述外壳60罩设于所述基板10外。在本实施例中，通过在所述基板10上设置所述外壳60，以避免水渍、灰尘或者蚊虫等附着在所述基板10上导致所述基板10上的电路发生短路的现象，从而提高所述电容式集成传感器的稳定性。所述外壳60还可以与所述基板10一体成型设置，例如所述基板10为硅板时，可通过硅硅键合的方式将所述外壳60与所述基板10的边缘连接，从而将所述基板10包绕在所述外壳60内。
进一步地，所述引线40均设置在所述基板10内部，为了进一步提高所述电容式集成传感器的稳定性，在制作所述基板10时，将所述引线40全部预设在所述基板10的内部，避免所述引线40暴露在外部，也无需对所述电容式集成传感器上的各个元器件布线，提高安装便捷度及生产效率。
此外，为解决上述问题，本发明还提出了一种电容式集成传感器的加工工艺，所述加工工艺用于制作如上述的电容式集成传感器，请参照图2，图为本发明所述加工工艺第一实施例的流程示意图，所述加工工艺包括以下步骤：
步骤S10：在基板10上开设容置腔11；
步骤S20：将MEMS传感器20安装在所述容置腔11中；
步骤S30：将ASIC芯片30安装在所述基板10上，且与所述容置腔11间隔设置；
步骤S40：通过引线40将所述MEMS传感器20与所述ASIC芯片30电连接。
在本实施例中，所述基板10可以是硅板或者树脂等材料制成。在制作所述基板10时，可通过埋芯片工艺(SESUB)制作，先刷抹一层底料，将所述ASIC芯片30放置在所述底料上，再刷抹一层顶料，从而将所述ASIC芯片30封埋在所述基板10中；或者还可以通过IC工艺制作，采用晶元材料制作所述基板10(即硅板)，再通过印刷的方式直接在所述基板10上制作所述ASIC芯片30。
在所述基板10上异于所述ASIC芯片30的位置采用蚀刻所述基板10或者切割所述基板10的方式以形成所述容置腔11，将所述MEMS传感器20设置在所述容置腔11中，从而实现将所述MEMS传感器20与所述ASIC芯片30安装在同一所述基板10上，以减小所述电容式集成传感器的体积。
需要说明的是，本实施例中在制作所述基板10时，可在所述容置腔11与所述ASIC芯片30之间预设所述引线40，以使所述ASIC芯片30与所述MEMS传感器20连接，从而实现所述MEMS传感器20与所述ASIC芯片30之间的数据互通、实现使所述ASIC芯片30为所述MEMS传感器20进行供电等。此外，还可以在所述基板10的其他位置处预设引线40以连接其他例如接线端(PAD端)等功能性元器件。
通过本发明所述电容式集成传感器的加工工艺制作的所述电容式集成传感器，在所述基板10上开设所述容置腔11，并在所述基板10上异于所述容置腔11的位置设置所述ASIC芯片30，再将所述MEMS传感器20设置在所述容置腔11中，从而实现所述MEMS传感器20以及所述ASIC芯片30安装在同一所述基板10上；并且将用于实现所述MEMS传感器20与所述ASIC芯片30之间数据互通的引线40设置在所述基板10内部，从而简化了所述电容式集成传感器的结构，降低了所述电容式集成传感器的体积大小。
进一步地，请参照图3，图3为基于第一实施例提出本发明所述加工工艺第二实施例的流程示意图，所述步骤S20包括：
步骤S21：在所述容置腔11上设置开口111；
步骤S22：在所述容置腔11内与所述开口111相对的腔壁上电镀金属以形成第一极板21；
步骤S23：在所述基板10上设置膜片，所述膜片覆盖所述开口111；
步骤S24：在膜片上朝向所述第一极板21的一侧电镀金属以形成第二极板22。
在本实施例中，所述基板10可采用硅板或者树脂等材料制作，所述ASIC芯片30通过埋芯片工艺(SESUB)设置在所述基板10中，在所述基板10上异于所述ASIC芯片30的位置采用蚀刻所述基板10或者切割所述基板10的方式以形成所述容置腔11，在所述容置腔11上设置所述开口111，所述容置腔11通过所述开口111与外界连通。所述MEMS传感器20为电容式传感器，通过所述第一极板21与所述第二极板22相对设置，同时所述第一极板21与所述第二极板22通过所述引线40与所述ASIC芯片30电连接，所述ASIC芯片30对所述第一极板21与所述第二极板22供电，从而保证所述第一极板21与所述第二极板22相对设置形成电容结构。
所述MEMS传感器20的具体制作过程为：在所述容置腔11内与所述开口111相对的腔壁上电镀金属(例如铜、金等)以形成所述第一极板21，在膜片(例如聚酰亚胺薄膜、聚醚醚酮薄膜等)上电镀金属以形成所述第二极板22，将所述膜片贴设在所述开口111处，并使膜片上具有电镀金属的一侧朝向所述第一极板21，所述第一极板21与所述第二极板22通过所述引线40与所述ASIC芯片30电连接，所述ASIC芯片30对所述第一极板21与所述第二极板22供电，从而保证所述第一极板21与所述第二极板22相对设置形成电容结构。
需要说明的是(同上)，本实施例中所述膜片采用绝缘材料制作，并保证所述膜片将所述开口111完全覆盖，以使得所述第一极板21与所述第二极板22完全密封在所述容置腔11中，从而避免外界因素对所述第一极板21与所述第二极板22之间的电容造成影响导致所述电容式集成传感器的测量发生偏差。
在本实施例中，通过在所述容置腔11上开设所述开口111的方式，使所述MEMS传感器20直接与外界连通，从而当所述MEMS传感器20损坏时，便于更换或维修所述MEMS传感器20。
进一步地，请参照图4，图4为基于第一实施例提出本发明所述加工工艺第三实施例的流程示意图，所述步骤S20包括：
步骤S25：在所述容置腔11上设置开口111；
步骤S26：在所述容置腔11内与所述开口111相对的腔壁上沉积导电离子以形成第一极板21；
步骤S27：向所述容置腔11中设置填充绝缘材料直至将所述容置腔11填满；
步骤S28：在所述绝缘材料的表面沉积导电离子以形成第二极板22；
步骤S29：将所述绝缘材料去除。
在本实施例中，所述基本10采用晶元(即硅板)材料制作，所述ASIC芯片30通过IC工艺直接制作在所述基板10上，在所述基板10上异于所述ASIC芯片30的位置采用蚀刻所述基板10的方式以形成所述容置腔11，在所述容置腔11上设置所述开口111，所述容置腔11通过所述开口111与外界连通。所述MEMS传感器20为电容式传感器，通过所述第一极板21与所述第二极板22相对设置，同时所述第一极板21与所述第二极板22通过所述引线40与所述ASIC芯片30电连接，所述ASIC芯片30对所述第一极板21与所述第二极板22供电，从而保证所述第一极板21与所述第二极板22相对设置形成电容结构。
所述MEMS传感器20的具体制作过程为：首先在所述容置腔11内与所述开口111相对的腔壁上喷涂导电离子(例如硼离子)，使其沉积以形成所述第一极板21；待形成所述第一极板21后，再向所述容置腔11内填充所述绝缘材料(例如二氧化硅)直至所述容置腔11填满，也即所述绝缘材料与所述基板10的表面齐平，在所述绝缘材料与所述基板10的表面齐平的表面上喷涂导电离子，使其沉积以形成所述第二极板22；再对所述第一极板21与所述第二极板22之间的绝缘材料进行蚀刻，从而除去所述绝缘材料，也即使所述第一极板21与所述第二极板22之间的部分掏空，所述第一极板21与所述第二极板22通过所述引线40与所述ASIC芯片30电连接，所述ASIC芯片30对所述第一极板21与所述第二极板22供电，从而保证所述第一极板21与所述第二极板22相对设置形成电容结构。
需要说明的是，本实施例中可适当在所述基板10位于所述开口111的边缘喷涂导电离子，以并保证所述第二极板22将所述开口111完全覆盖，以使得所述第一极板21与所述第二极板22完全密封在所述容置腔11中，从而避免外界因素对所述第一极板21与所述第二极板22之间的电容造成影响导致所述电容式集成传感器的测量发生偏差。
在本实施例中，通过在所述容置腔11上开设所述开口111的方式，使所述MEMS传感器20直接与外界连通，从而当所述MEMS传感器20损坏时，便于更换或维修所述MEMS传感器20。
进一步地，请参照图5，图5为基于第三实施例提出本发明所述加工工艺第四实施例的流程示意图，所述步骤S28包括：
步骤S281：在所述绝缘材料背离所述第一极板21的一侧表面设置保护层；
步骤S282：在所述保护层上沉积导电离子以形成所述第二极板22。
在本实施例中，在向所述容置腔11内填充所述绝缘材料(例如二氧化硅)之后，还可在所述绝缘材料上设置一层所述保护层，在所述保护层的表面上喷涂导电离子，使其沉积以形成所述第二极板22；本实施例中所述保护层为氮化硅，在形成所述第二极板22后，需对所述绝缘材料进行蚀刻以去除所述绝缘材料，从而保证所述MEMS传感器20正常工作，通过在所述第二极板22与所述绝缘材料之间设置所述保护层以避免在蚀刻所述绝缘材料时损坏所述第二极板22，从而导致所述MEMS传感器20失效。需要说明的是，在填充所述保护层时需保证所述保护层与所述基板10的表面齐平，从而保证所述第二极板22能够覆盖在所述开口111上。
进一步地，请参照图6，图6为基于第一实施例提出本发明所述加工工艺第五实施例的流程示意图，所述步骤S40之后，还包括：
步骤S50：在所述基板10上设置外壳60，以使所述外壳60罩设于所述基板10外。
在本实施例中，通过在所述基板10上设置所述外壳60，以避免水渍、灰尘或者蚊虫等附着在所述基板10上导致所述基板10上的电路发生短路的现象，从而提高所述电容式集成传感器的稳定性。所述外壳60还可以与所述基板10一体成型设置，例如所述基板10为硅板时，可通过硅硅键合的方式将所述外壳60与所述基板10的边缘连接，从而将所述基板10包绕在所述外壳60内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种电容式集成传感器，其特征在于，所述电容式集成传感器包括MEMS传感器、ASIC芯片以及基板，所述基板上设有容置腔，所述MEMS传感器设置在所述容置腔中，所述ASIC芯片设置在所述基板上并与所述MEMS传感器间隔设置，所述MEMS传感器通过引线与所述ASIC芯片电连接。
2.根据权利要求1所述的电容式集成传感器，其特征在于，所述容置腔上具有开口，所述MEMS传感器具有第一极板和第二极板，所述第一极板设置在与所述开口相对的腔壁上，所述第二极板设置在所述开口处。
3.根据权利要求1所述的电容式集成传感器，其特征在于，所述电容式集成传感器还包括接线端，所述接线端设置在所述基板上，所述接线端通过引线与所述ASIC芯片电连接。
4.根据权利要求3所述的电容式集成传感器，其特征在于，所述电容式集成传感器还包括外壳，所述外壳罩设于所述基板外。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的电容式集成传感器，其特征在于，所述引线均设置在所述基板内部。
6.一种电容式集成传感器的加工工艺，其特征在于，所述加工工艺用于制作如权利要求1-5中任一项所述的电容式集成传感器，所述加工工艺包括以下步骤：
在基板上开设容置腔；
将MEMS传感器安装在所述容置腔中；
将ASIC芯片安装在所述基板上，且与所述容置腔间隔设置；
通过引线将所述MEMS传感器与所述ASIC芯片电连接。
7.根据权利要求6所述的加工工艺，其特征在于，所述将MEMS传感器安装在所述容置腔中的步骤包括：
在所述容置腔上设置开口；
在所述容置腔内与所述开口相对的腔壁上电镀金属以形成第一极板；
在所述基板上设置膜片，所述膜片覆盖所述开口；
在膜片上朝向所述第一极板的一侧电镀金属以形成第二极板。
8.根据权利要求6所述的加工工艺，其特征在于，所述将MEMS传感器安装在所述容置腔中的步骤包括：
在所述容置腔上设置开口；
在所述容置腔内与所述开口相对的腔壁上沉积导电离子以形成第一极板；
向所述容置腔中设置填充绝缘材料直至将所述容置腔填满；
在所述绝缘材料的表面沉积导电离子以形成第二极板；
将所述绝缘材料去除。
9.根据权利要求8所述的加工工艺，其特征在于，所述在所述绝缘材料的表面沉积导电离子以形成第二极板的步骤包括：
在所述绝缘材料背离所述第一极板的一侧表面设置保护层；
在所述保护层上沉积导电离子以形成所述第二极板。
10.根据权利要求6所述的加工工艺，其特征在于，所述通过引线将所述MEMS传感器与所述ASIC芯片电连接的步骤之后，还包括：
在所述基板上设置外壳，以使所述外壳罩设于所述基板外。
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