CN112781716A - 一种微机电系统mems环境压力和声学传感器 - Google Patents

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胡耀华
姜鸣
任斌
王福杰
郭芳
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Abstract

本发明涉及一种微机电系统MEMS环境压力和声学传感器，包括：壳体,所述壳体包括封装盖和封装衬底，在封装衬底上开有用于接收声波的开口；压力传感器，其设置在所述壳体内部，内部包括压力感应部分和压力输入部分；MEMS微机电系统，其设置在所述壳体内封装衬底上并与声学传感装置连接，用以处理声学传感装置中传递的声学信号，和处理一些压力传感器接收和反馈的信号；声学传感装置，设置在壳体内部，与所述MEMS微机电系统连接；集成电路，其设置在壳体内部，所述集成电路用以给压力传感器、MEMS微机电系统和声学传感装置供电和确定声学输出和环境压力输出。

Description

一种微机电系统MEMS环境压力和声学传感器
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，尤其涉及一种微机电系统MEMS环境压力和声学传感器。
背景技术
近年来，压力传感器(换能器)是为干燥的空气和气体设计的，专注于低压力(<150psi)的应用，有利于高精度和可重复性。
以下是目前正在使用压力传感器的应用案例：
在节约能源测量方面：节能对于降低任何企业的能源消耗及其相关成本、以及包括企业的环境足迹在内的环保影响越来越重要。为了改进节能，需要在便携式和固定式气象站、柴油卡车排放测试设备、风能系统、与新建筑设计空气动力学相关的风力工程、海洋研究、高空气象研究观测气球、水污染设备、烟囱汞含量采样和大气研究中使用精确的压力传感器进行测量。
在科技行业测量方面：越来越多科技行业要求在其开发产品终端中需要安装精确的压力传感器，并对世界各地都有大量数据中心的应用环境进行调节。压力传感器的应用包括高度计、气压计、感应打印机油墨水量、设备中的空气流量、IT中心/计算机冷却系统、半导体工艺设备和激光测量，以及无尘室监控设备科技行业应用。
在制造行业测量方面：制造行业里智能制造应用不断增加MEMS压力传感器，这是由于需要更严格的控制过程及其相关的质量控制要求。增加对压力和/或真空的监测，可以在设备出现非正常故障之前发现设备维护的必要性避免造成过度停机和不必要增加制造成本。除了需要静态测量的一般仪器外，压力传感器在下列应用中也发挥着越来越大的作用:瓶子和设备泄漏检测,变风量(VAV)系统、空气叶片,压缩空气压力监测、工业流程监控、过滤压力监测、空气管流,气体检测、气动控制、煤矿安全仪器仪表、工业脱气器,以及在印刷电路板(PCB)和半导体工艺设备中使用吸力检查与挑选和放置应用。
在现代的智能消费产品中，如手机，笔记本电脑，平板电脑，不具有足够的空间来容纳相对大的换能器，现有的用于此类设备的换能器和传感器的尺寸会特别微小，导致装置配置必须单独的进行组装和设置，为此本发明提供一种集成的微机电系统MEMS环境压力和声学传感器。
发明内容
为此，本发明提供一种微机电系统MEMS环境压力和声学传感器，用以解决上述背景中提到的问题。
本发明提供一种微机电系统MEMS环境压力和声学传感器，包括：壳体,所述壳体包括封装盖和封装衬底，在封装衬底上开有用于接收声波的开口；
压力传感器，其设置在所述壳体内部，内部包括压力感应部分和压力输入部分；
MEMS微机电系统，其设置在所述壳体内封装衬底上并与声学传感装置连接，用以处理声学传感装置中传递的声学信号，和处理一些压力传感器接收和反馈的信号；
声学传感装置，设置在壳体内部，与所述MEMS微机电系统连接；
集成电路，其设置在壳体内部，所述集成电路用以给压力传感器、MEMS微机电系统和声学传感装置供电和确定声学输出和环境压力输出。
进一步地，所述声学传感装置还包括：
应力隔离层，其设置在压力传感器和集成电路之间。
进一步地，所述应力隔离层为环氧树脂或管芯附着膜。
进一步地，所述集成电路为可操作电路，可以根据电容变化来确定所述环境压力输出。
进一步地，所述压力传感器包括：
所述压力感应部分响应于所述环境压力输入的移动而引起的所述压力感应部分的电阻变化来确定所述环境压力输出；
所述压力输入部分与所述集成电路集成，用以接收电容的变化来确定压力的输出。
进一步地，述壳体还包括：
移动结构，所述移动结构定位在壳体内部腔室内并且以声学方式耦接到所述声波开口，用以高低频输入对应的压力变化而移动；
所述移动结构具有隔膜部分和从所述隔膜部分径向向外延伸的压电部分，隔膜部分，其设置在所述移动结构上，用以响应于声压输入而移动；
压电部分，其同样设置在所述移动结构上包括：
若干电阻，其与所述压力传感器中压力感应部分相连，用以响应于环境压力输入而移动。
与现有技术相比，本发明通过使用壳体，将装置的其他部件统一封装在壳体内部，通过壳体中封装衬底连接所述集成电路将压力传感器、声学传感装置、MEMS微机电系统集成在了一起，有效的提升了本发明的实用性和装置的转换效率。
附图说明
图1为本发明所述的微机电系统MEMS环境压力和声学传感器流程结构示意图；
图2为本发明所述的微机电系统MEMS环境压力和声学传感器的示意性框图；
图3为本发明所述的微机电系统MEMS环境压力和声学传感器安装结构示意图；
图4为本发明所述的微机电系统MEMS环境压力和声学传感器壳体内部结构示意图；
图5为本发明所述的微机电系统MEMS环境压力和声学传感器实施例部件连接流程图。
附图中各部件的标记如下：1壳体,封装盖11,内腔12，MEMS微机系统2,连接线21,声学传感装置3,应力隔离层31,声波开口32，压力传感器4,压力隔离层41,集成电路5。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例包括：
请参阅图1-4提供了一种微机电系统MEMS环境压力和声学传感器，壳体包括封装盖和封装衬底，在封装衬底上开有用于接收声波的开口；
壳体1可包括顶壁或顶侧，底壁或底侧，以及将顶侧连接到底侧的侧壁。顶侧，底侧和侧壁的组合可限定内部腔室或空间，在本实施例中，壳体1中的封装盖和封装衬底包括壳体本身可以采用由金属、聚合物或陶瓷等制成。
压力传感器4、声学传感装置3和MEMS微机系统2集成设置在集成电路5上，集成电路5给压力传感器4、MEMS微机电系统2和声学传感装置3供电和确定声学输出和环境压力输出，在压力传感器4和声学传感装置3之间，设置有应力隔离层41，本实施例中的应力隔离层41选用环氧树脂或管芯附着膜。
在所描述的实施例中，集成电路衬底可以指具有电路的硅衬底，通常是互补金属氧化物半导体电路。
而且，衬底可以包括集成电路。
腔可以指衬底或盖(盖体)中的凹槽。外壳可以指通常围绕微机电系统(MEMS)结构的完全封闭的体积，并且通常由衬底、结构层、MEMS衬底和支座密封环形成。
端口可以是穿过衬底的开口，以将MEMS结构暴露于周围环境。应当了解，在本实施例中，外壳将包括声波开口32。
在本实施例中，MEMS微机系统为一种芯片，芯片包括通常由半导体材料形成的至少一个衬底。单个芯片可以由多个衬底形成，其中衬底被机械结合以保持功能。多个芯片包括至少两个衬底，其中两个衬底可以电连接，并且可以包括但不需要机械结合。封装提供芯片上的接合焊盘与金属焊盘之间的电连接，金属焊盘可焊接到印刷电路板(PCB)。封装通常包括衬底和盖体。应当理解，封装气密地密封其组件，除了封装的端口开口允许空气流入和流出封装。而且，应当理解，封装提供声学密封，除了封装的端口开口允许声波或压力进入和离开封装。
本实施例具体实施流程如下：
经由一个或多个倒装芯片附接结构将集成电路或压力传感器中的一个电耦接到封装衬底，将声学传感装置元件固定到与集成电路或压力传感器其中一个相邻的封装衬底并且沿着封装衬底将集成电路固定到压力传感器或将压力传感器固定到集成电路，经由一个或多个引线接合将声学传感装置元件中的一个或多个或集成电路或压力传感器中未耦合的一个电耦接到封装衬底，将盖子或盖体固定到封装衬底，以将声学传感装置元件、集成电路和压力传感器容纳在与声学传感装置元件相关联的后腔中以形成集成声学传感装置装置。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微机电系统MEMS环境压力和声学传感器，其特征在于，包括：
壳体,所述壳体包括封装盖和封装衬底，在封装衬底上开有用于接收声波的开口；
压力传感器，其设置在所述壳体内部，内部包括压力感应部分和压力输入部分；
MEMS微机电系统，其设置在所述壳体内封装衬底上并与声学传感装置连接，用以处理声学传感装置中传递的声学信号，和处理一些压力传感器接收和反馈的信号；
声学传感装置，设置在壳体内部，与所述MEMS微机电系统连接；
集成电路，其设置在壳体内部，所述集成电路用以给压力传感器、MEMS微机电系统和声学传感装置供电和确定声学输出和环境压力输出。
2.根据权利要求1所述的微机电系统MEMS环境压力和声学传感器，所述声学传感装置还包括：
应力隔离层，其设置在压力传感器和集成电路之间。
3.根据权利要求1-2所述的微机电系统MEMS环境压力和声学传感器，所述应力隔离层为环氧树脂或管芯附着膜。
4.根据权利要求1所述的微机电系统MEMS环境压力和声学传感器，所述集成电路为可操作电路，可以根据电容变化来确定所述环境压力输出。
5.根据权利要求1所述的微机电系统MEMS环境压力和声学传感器，所述压力传感器包括：
所述压力感应部分响应于所述环境压力输入的移动而引起的所述压力感应部分的电阻变化来确定所述环境压力输出；
所述压力输入部分与所述集成电路集成，用以接收电容的变化来确定压力的输出。
6.根据权利要求1所述的微机电系统MEMS环境压力和声学传感器，所述壳体还包括：
移动结构，所述移动结构定位在壳体内部腔室内并且以声学方式耦接到所述声波开口，用以高低频输入对应的压力变化而移动；
所述移动结构具有隔膜部分和从所述隔膜部分径向向外延伸的压电部分，
隔膜部分，其设置在所述移动结构上，用以响应于声压输入而移动；
压电部分，其同样设置在所述移动结构上包括：
若干电阻，其与所述压力传感器中压力感应部分相连，用以响应于环境压力输入而移动。
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