CN112887883A - 振动传感器封装结构 - Google Patents

Abstract

公开了一种振动传感器封装结构，包括：基板，所述基板中形成有贯穿所述基板的第一气孔；封装壳体，所述封装壳体固定于所述基板表面，与所述基板之间形成第一腔体；MEMS芯片，所述MEMS芯片固定于所述基板表面，并位于所述第一腔体内，所述MEMS芯片具有第二腔体，所述第二腔体与所述第一气孔连通；其中，所述第一气孔和/或所述第二腔体的侧壁，还形成有第二气孔，所述第二气孔连通所述第一腔体与所述第一气孔和/或所述第二腔体。本申请的振动传感器封装结构，通过在第一气孔和/或第二腔体的侧壁中形成连通第一气孔与第一腔体的第二气孔，从而降低了空气中的声音信号给振动传感器带来的噪声干扰，提高了器件的良率和可靠性。

Description

振动传感器封装结构

技术领域

本发明涉及MEMS器件技术领域，特别涉及一种振动传感器封装结构。

背景技术

振动广泛存在于自然界、工业界和人类生活中，不同振动传递着各种各样的信号。获取振动中携带的信息需要借助各类振动传感器，振动传感器广泛应用于能源，化工、医学、汽车、冶金、机器制造、军工、科研教学等诸多领域。如通过麦克风读取空气振动传递的声音信号；加速度计用于测量振动物体的加速度；超声波探测器检测分析机械设备的振动信号，用以判断机械自身的劣化程度及预测其寿命；地质灾害预警器探测由地震波带来的地质振动来预警地震等灾害等。

目前市场常见的传感器有麦克风传感器，压力传感器，加速度传感器，针对麦克风传感器又延伸出通过振动来转换声音信号的骨传导麦克风，传统的骨传导麦克风是通过质量块的振动压缩空气传输到MEMS振膜。但已有技术的振动麦克风容易收到空气中传递的声音信号的影响，导致接收的信号中噪声大，从而降低了振动传感器的良率和可靠性。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种振动传感器封装结构，通过改变振动传感器中空气流动的路径，降低传感器接收的信号中声音信号对振动信号的影响，从而提高振动传感器的良率和可靠性。

根据本发明的一方面，提供一种振动传感器封装结构，包括：基板，所述基板中形成有贯穿所述基板的第一气孔；封装壳体，所述封装壳体固定于所述基板表面，与所述基板之间形成第一腔体；MEMS芯片，所述MEMS芯片固定于所述基板表面，并位于所述第一腔体内，所述MEMS具有第二腔体，所述第二腔体与所述第一气孔连通；其中，所述第一气孔和/或所述第二腔体的侧壁，还形成有第二气孔，所述第二气孔连通所述第一腔体与所述第一气孔和/或所述第二腔体。

可选地，所述MEMS芯片包括支撑结构，所述支撑结构的其中一个底部通过胶体固定在所述基板表面上。

可选地，所述基板表面形成有至少一个凹槽，所述凹槽与所述支撑结构的部分底部之间形成至少一个第二气孔，所述第二气孔位于所述支撑结构的一个和/或多个侧面的下方。

可选地，所述支撑结构中形成有贯穿所述支撑结构底部的至少一个缺口，所述缺口与所述基板的部分表面之间形成第二气孔。

可选地，所述缺口位于所述支撑结构的一个和/或多个侧面的下方。

可选地，所述MEMS芯片上还设置有至少一个通孔，所述通孔的周侧被所述支撑结构包围形成第二气孔。

可选地，所述MEMS芯片上还设置有至少一个通孔，所述通孔的周侧被所述支撑结构包围形成第二气孔。

可选地，所述MEMS芯片还包括振膜与背极板，所述振膜与所述背极板的位置可以互换。

可选地，所述第二气孔沿所述第一气孔和/或所述第二腔体的侧壁表面的截面形状包括方形，圆形，多边形。

可选地，所述凹槽沿垂直于所述基板第一表面的截面形状为方形，圆形或多边形中的任意一种。

可选地，还包括：ASIC芯片，所述MEMS芯片与所述ASIC芯片电连接。

可选地，所述基板的第二表面包括第一焊盘和第二焊盘。

本发明提供的振动传感器封装结构，通过在第一气孔和/或第二腔体的侧壁中形成第二气孔，第二气孔连通第一气孔和第一腔体，使得第一气孔不仅与传感器的第二腔体连通，同时也经由第二气孔与第一腔体连通，从而使得MEMS芯片中振膜朝向第一腔体的表面也能够接收空气及压力，降低了仅MEMS芯片的第二腔体接收空气及压力时，声音信号给振动传感器带来的噪声干扰，从而提高了振动传感器的良率和可靠性。

本发明提供的振动传感器封装结构，通过在第一气孔和/或第二腔体的侧壁中形成第二气孔，第二气孔连通第一气孔和第一腔体，使得声音信号沿第一气孔和第二气孔到达MEMS芯片中振膜朝向第一腔体的表面时，与声音信号沿第一气孔到达MEMS芯片中振膜朝向第二腔体表面所用的时间差较小，声音信号相同，因此能够最大程度的降低声音信号对振动传感器的噪声干扰。

本申请的振动传感器封装结构，在第一气孔和/或第二腔体的侧壁中形成多种第二气孔连通第一腔体与第二腔体，包括位于基板表面中的凹槽，位于MEMS芯片中贯穿支撑结构底部的缺口以及贯穿支撑结构的通孔，在凹槽或缺口因为其他原因使得第一腔体与第二腔体的连通不顺畅时，通孔保证了声音信号能够传递到振膜上下两侧，从而降低干扰，提高器件的可靠性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了本发明第一实施例的振动传感器封装结构的结构图；

图2a和图2b示出了本发明第一实施例的振动传感器封装结构中基板的第一表面示意图；

图3示出了本发明第一实施例的振动传感器封装结构中基板的第二表面示意图；

图4示出了本发明第二实施例的振动传感器封装结构的结构图；

图5示出了本发明第三实施例的振动传感器封装结构的结构图；

图6a示出了本发明第二实施例和第三实施例的振动传感器封装结构中MEMS芯片的立体示意图

图6b示出了本发明第四实施例的振动传感器封装结构中MEMS芯片的立体示意图；

图6c示出了本发明第五实施例的振动传感器封装结构中MEMS芯片的立体示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。

应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一区域“下面”或“下方”。

如果为了描述直接位于另一层、另一区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1示出了本发明第一实施例的振动传感器封装结构的结构图；图2a和图2b示出了本发明第一实施例的振动传感器封装结构中基板的第一表面示意图；图3示出了本发明第一实施例的振动传感器封装结构中基板的第二表面示意图。

参考图1，本发明第一实施例的振动传感器封装结构100包括：基板3，基板3中形成有贯穿基板3的第一气孔5，基板3的第一表面形成有凹槽4，凹槽4与第一气孔5连通；封装壳体1，封装壳体1固定于基板3的第一表面，与基板3之间形成第一腔体2，凹槽4和第一气孔5位于第一腔体2内；MEMS芯片10，设置在第一腔体2内，MEMS芯片10包括振膜11，背极板12以及支撑结构，支撑结构顶部支撑振膜11和背极板12，底部固定于基板3的第一表面，凹槽4与部分底部形成第二气孔，振膜11与基板3之间形成第二腔体6，第二腔体6位于第一气孔5的上方，使得第二腔体6经由第一气孔5与外部连通，同时第二腔体6经由第一气孔5和第二气孔与第一腔体2也连通。

振动传感器封装结构100还包括ASIC芯片13，设置于第一腔体2内的基板3第一表面上，ASIC芯片13为专用集成电路芯片，通过导线14连接至MEMS芯片10。该具体实施方式中，专用集成电路芯片13固定于基板3的第一表面。在其他具体实施方式中，专用集成电路芯片13还可以是嵌入或者集成于基板3内部。专用集成电路芯片13用于获取MEMS芯片10输出的感应信号，并进行处理。

基板3的材质可以采用RF-4、BT或陶瓷基材等常用的基板材料。基板3的第一表面上，还形成有沿基板3的第一表面的边缘环绕的密封环15，参考图2a和图2b，封装壳体1通过密封环15与基板3的第一表面固定连接，形成第一腔体2。基板3的第二表面上形成有第一焊盘7和/或第二焊盘9，用于提供电连接点，如图3所示。基板3可以为单层或多层电路板，基板3的第一表面还可以形成有电路结构，或电接触部，例如焊垫等。基板3内部还可以形成有电连接结构，用于连接基板3第一表面和第二表面的电接触部。

封装壳体1作为振动传感器封装结构的封装外壳，用于保护内部的电子元件，同时与基板3之间形成第一腔体2。封装壳体1可以为金属材质，耐高温且生产工艺简单，可以大规模量产，并且金属材质的外壳封装壳体1还具有抗腐蚀、电磁屏蔽作用以及高机械性能等特性，对产品起到较高的保护作用。在其他的实施例中，封装壳体1也可以采用塑料等其他硬质材料，在此不作限定。封装壳体1边缘通过焊接或粘胶等方式，固定于基板3第一表面的密封环15，使得封装壳体1与基板3之间形成第一腔体2。

MEMS芯片10作为声音信号的感应元件，其振膜11和背极板12的位置可以互换。MEMS芯片10底部通过胶体8与基板3的第一表面固定连接。

参考图1，基板3中具有贯穿基板3的第一气孔5，基板3第一表面的第一气孔5附近，还形成有凹槽4，凹槽4与第一气孔5连通，且凹槽4在基板3的第一表面中延伸时跨过MEMS芯片10，凹槽4与MEMS芯片10的部分底部形成第二气孔，使得第一气孔5通过凹槽4(即第二气孔)与第一空腔2连通，参考图2a和图2b所示的基板3第一表面的俯视示意图，其中，图2a中还包括MEMS芯片10和专用集成电路芯片13。该具体实施方式中，凹槽4沿平行于基板3的边长方向上延伸，且沿基板3的第一表面的横截面为方形。在一些具体实施方式中，凹槽4沿平行于基板100第一表面方向上的横截面还可以为方形，圆形，多边形等。在一些具体实施方式中，凹槽4沿垂直于基板3第一表面方向上的剖面形状为梯形、矩形、圆弧形或多边形等各种形状。凹槽4只需要底部低于基板3的第一表面，能够连通第一气孔5与第一腔体2即可，本领域技术人员可以合理设定凹槽4的形状。凹槽4的尺寸根据MEMS芯片10的第二腔体6和/或第一气孔5的尺寸调整。

在该实施例中，凹槽4与MEMS芯片10的支撑结构底部共同形成第二气孔。在其他实施例中，在凹槽4上方对应的MEMS芯片10的支撑结构中，也形成有向上凹陷的穿孔，凹槽4与穿孔共同形成第二气孔，从而提高经由第二气孔到达第一腔体的气流量。

在其他实施例中，凹槽4可以包括多个，分布在MEMS芯片10的支撑结构的一侧下方，或者分布在支撑结构的多个侧面下方，这里的侧面例如是指支撑结构形成的形状，如图2a所示，支撑结构形成四边形，则多个凹槽4可以分布在四边形的四条边侧的下方。

MEMS芯片10包括第二腔体6，作为背腔。MEMS芯片10的压力感应层包括背极板12和振膜层11，背极板12和振膜层11相对设置，构成感应电容。当第二腔体6内的压强发生变化，使得压力感应层发生形变，从而电容值发生变化，输出感应信号。

MEMS芯片10的支撑结构通过胶体8固定于基板3的第一表面。在固定MEMS芯片10时，通过设备在MEMS芯片10上施加一定的作用力，使得支撑结构底部与胶体8有较大的接触面积，提高固定效果。胶体受到挤压，会向支撑结构底部的两侧溢出，溢出至支撑结构的两侧，并沿着MEMS芯片10的外壁向上爬升一定高度，后续胶体在一定温度和一定时间下固化，实现麦克风芯片10与基板3的紧密连接。但在凹槽4的上方，MEMS芯片10底部没有胶体8，即MEMS芯片10底部在凹槽上方未与基板3的第一表面密封连接，因此不会出现胶体8溢出至凹槽4使得凹槽4被堵塞的情况。

图4示出了本发明第二实施例的振动传感器封装结构的结构图；图6a示出了本发明第二实施例的振动传感器封装结构中MEMS芯片的立体示意图。与第一实施例的振动传感器封装结构相比，第二实施例中振动传感器封装结构的第二气孔4贯穿MEMS芯片10的支撑结构。此处不再赘述相同之处，仅描述不同之处。

参考图4和图6a，第二实施例的振动传感器封装结构200中，MEMS芯片10的支撑结构16中具有缺口17(参考图6a)，缺口17贯穿MEMS芯片10的支撑结构16及其底部。MEMS芯片10中的缺口17与基板3的表面形成第二气孔4，第二气孔4连通第一腔体2和第二腔体6，使得从第一气孔5进入第二腔体6的声音信号也可以经由第二气孔4和第一腔体2到达振膜的上侧表面。

在该实施例中，贯穿MEMS芯片10的支撑结构16及其底部的缺口17包括一个或多个，位于MEMS芯片10的至少一侧支撑结构16中。

图5示出了本发明第三实施例的振动传感器封装结构的结构图；图6a示出了本发明第三实施例的振动传感器封装结构中MEMS芯片的立体示意图。与第一实施例或第二实施例的振动传感器封装结构相比，第三实施例中振动传感器封装结构的第二气孔4贯穿MEMS芯片10的支撑结构和基板3的表面部分。此处不再赘述相同之处，仅描述不同之处。

参考图5和图6a，第三实施例的振动传感器封装结构300中，MEMS芯片10的支撑结构16中具有缺口17(参考图6a)，缺口17贯穿MEMS芯片10的支撑结构16及其底部；MEMS芯片10的支撑结构16下方的基板3中，还包括凹槽，如图5所示。在该实施例中，缺口17例如位于凹槽上方，即缺口17与凹槽共同形成了第二气孔4，第二气孔4连通第一腔体2和第二腔体6，使得从第一气孔5进入第二腔体6的声音信号也可以经由第二气孔4和第一腔体2到达振膜的上侧表面。

在其他实施例中，缺口17也可以不与凹槽相对应，即缺口17与基板3的表面形成一个第二气孔4，凹槽与MEMS芯片10的支撑结构16的底部形成一个第二气孔4，两个第二气孔4均连通第一腔体2和第二腔体6，使得从第一气孔5进入第二腔体6的声音信号也可以经由第二气孔4和第一腔体2到达振膜的上侧表面。

在其他实施例中，贯穿MEMS芯片10的支撑结构及其底部的缺口17包括一个或多个，位于MEMS芯片10的至少一侧支撑结构中，位于基板3的表面中的凹槽也包括一个或多个，缺口17可以与凹槽一一对应一起形成第二气孔4，也可以不一一对应分别形成第二气孔。

图6b示出了本发明第四实施例的振动传感器封装结构中MEMS芯片的立体示意图。与图6a所示的MEMS芯片的立体示意图相比，图6b中的第二气孔仅贯穿MEMS芯片10的支撑结构16。此处不再赘述相同之处，仅描述不同之处。

参考图6b所示的MEMS芯片10的立体示意图，在MEMS芯片10的支撑结构16中，具有贯穿支撑结构16的通孔18，该通孔18的周侧被支撑结构16包围，通孔18连通第一腔体2和第二腔体6。通孔18沿支撑结构16侧壁表面的形状例如为方形，圆形或多边形中的任意一种。

在其他实施例中，贯穿MEMS芯片10的支撑结构16的通孔18具有一个或多个，分别位于MEMS芯片10的至少一侧的支撑结构中。

在其他实施例中，MEMS芯片10的支撑结构16中具有一个或多个通孔18，在MEMS芯片10下方的基板3中，也形成有一个或多个凹槽，通孔18与凹槽共同作为振动传感器封装结构中的第二气孔。

图6c示出了本发明第五实施例的振动传感器封装结构中MEMS芯片的立体示意图。与图6a或图6b所示的MEMS芯片的立体示意图相比，图6c中的MEMS芯片10的支撑结构中即有缺口17，又有通孔18。此处不再赘述相同之处，仅描述不同之处。

在该实施例中，参考图6c，在MEMS芯片10的支撑结构16中，既包括贯穿支撑结构16的底部的缺口17，也包括仅贯穿支撑结构16的通孔18，缺口17和通孔18位于MEMS芯片10的至少一个侧面的支撑结构16中，连通第一腔体2和第二腔体6。

在其他实施例中，缺口17和通孔18均包括一个或多个，分别位于MEMS芯片10的至少一个侧面的支撑结构16中。进一步地，在MEMS芯片10下方的基板3中，还包括一个或多个凹槽，凹槽连通第一气孔5和第一腔体2。

在另一个实施例中，至少一个通孔18，至少一个缺口17以及至少一个凹槽共同作为振动传感器封装结构中的第二气孔。

本申请的振动传感器在应用时，通话者发出声音，声音通过空气和振动两个渠道到达振动传感器。其中，空气中的声音信号通过第一气孔5到达MEMS芯片10的第二腔体6，使得振膜11和背极板12之间的电容值发生变化，从而获得声音信号。振动传递的声音信号沿振动传感器的结构到达MEMS芯片10的振膜11和背极板12，使得振膜11和背极板12之间的电容值发生变化，从而获得声音信号。但是在振动传感器中，空气中的声音信号引起的振膜11和背极板12之间的电容变化导致通过振动获得的声音信号出现噪声干扰。在该实施例中，空气中的声音信号一部分沿第一气孔5到达MEMS芯片10的第二腔体6，压迫振膜11振动，一部分沿第一气孔5，第二气孔4和第一腔体2到达MEMS芯片10，从反方向压迫振膜11振动，由于两个反方向的相同气压作用的同一个振膜11，从而使得空气中的声音信号被抵消。而通话者发出的声音通过口腔骨骼传递到耳机贴近骨骼方向的振动传感器时，振动通过耳机外壳传递到振动传感器的基板3上继而传递到MEMS芯片10，促使MEMS芯片10表面的振膜11产生振动，与MEMS芯片10的背极板12形成平行板电容器，集成电路芯片13接收到电容变化的信号进行处理。

在嘈杂的环境中通话时，本申请的振动传感器可以自动屏蔽声音信号，仅传输通话者本人讲话时骨骼振动传递的声音信号，达到最高质量的降噪。

此外，该振动传感器不仅仅用于通话耳机，可以应用于同原理工作的其他电子产品。

本发明提供的振动传感器封装结构，通过在第一气孔和/或第二腔体的侧壁中形成第二气孔，第二气孔连通第一气孔和第一腔体，使得第一气孔不仅与传感器的第二腔体连通，同时也经由第二气孔与第一腔体连通，从而使得MEMS芯片中振膜朝向第一腔体的表面也能够接收空气及压力，降低了仅MEMS芯片的第二腔体接收空气及压力时，声音信号给振动传感器带来的噪声干扰，从而提高了振动传感器的良率和可靠性。

本发明提供的振动传感器封装结构，通过在第一气孔和/或第二腔体的侧壁中形成第二气孔，第二气孔连通第一气孔和第一腔体，使得声音信号沿第一气孔和第二气孔到达MEMS芯片中振膜朝向第一腔体的表面时，与声音信号沿第一气孔到达MEMS芯片中振膜朝向第二腔体表面所用的时间差较小，声音信号相同，因此能够最大程度的降低声音信号对振动传感器的噪声干扰。

本申请的振动传感器封装结构，在第一气孔和/或第二腔体的侧壁中形成多种第二气孔连通第一腔体与第二腔体，包括位于基板表面中的凹槽，位于MEMS芯片中贯穿支撑结构底部的缺口以及贯穿支撑结构的通孔，在凹槽或缺口因为其他原因使得第一腔体与第二腔体的连通不顺畅时，通孔保证了声音信号能够传递到振膜上下两侧，从而降低干扰，提高器件的可靠性。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (12)

1.一种振动传感器封装结构，其特征在于，包括：

基板，所述基板中形成有贯穿所述基板的第一气孔；

封装壳体，所述封装壳体固定于所述基板第一表面，与所述基板之间形成第一腔体；

MEMS芯片，所述MEMS芯片固定于所述基板第一表面，并位于所述第一腔体内，所述MEMS芯片具有第二腔体，所述第二腔体与所述第一气孔连通；

其中，所述第一气孔和/或所述第二腔体的侧壁，还形成有第二气孔，所述第二气孔连通所述第一腔体与所述第一气孔和/或所述第二腔体。

2.根据权利要求1所述的振动传感器封装结构，其特征在于，所述MEMS芯片包括支撑结构，所述支撑结构的部分底部通过胶体固定在所述基板表面上。

3.根据权利要求2所述的振动传感器封装结构，其特征在于，所述基板表面形成有至少一个凹槽，所述凹槽与所述支撑结构的部分底部之间形成至少一个第二气孔，所述第二气孔位于所述支撑结构的一个和/或多个侧面的下方。

4.根据权利要求2或3所述的振动传感器封装结构，其特征在于，所述支撑结构中形成有贯穿所述支撑结构底部的至少一个缺口，所述缺口与所述基板的部分表面或所述基板表面的凹槽之间形成第二气孔。

5.根据权利要求4所述的振动传感器封装结构，其特征在于，所述缺口位于所述支撑结构的一个和/或多个侧面的下方。

6.根据权利要求2或3所述的振动传感器封装结构，其特征在于，所述MEMS芯片上还设置有至少一个通孔，所述通孔的周侧被所述支撑结构包围形成第二气孔。

7.根据权利要求4所述的振动传感器封装结构，其特征在于，所述MEMS芯片上还设置有至少一个通孔，所述通孔的周侧被所述支撑结构包围形成第二气孔。

8.根据权利要求2所述的振动传感器封装结构，其特征在于，所述MEMS芯片还包括振膜与背极板，所述振膜与所述背极板的位置可以互换。

9.根据权利要求1所述的振动传感器封装结构，其特征在于，所述第二气孔沿所述第一气孔和/或所述第二腔体的侧壁的截面形状包括方形，圆形或多边形中的任意一种或多种。

10.根据权利要求3所述的振动传感器封装结构，其特征在于，所述凹槽沿垂直于所述基板第一表面的截面形状包括梯形，矩形，圆弧形，多边形。

11.根据权利要求1所述的振动传感器封装结构，其特征在于，还包括：ASIC芯片，所述MEMS芯片与所述ASIC芯片电连接。

12.根据权利要求1所述的振动传感器封装结构，其特征在于，所述基板的第二表面包括第一焊盘和第二焊盘。

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