CN114125674A - Mems传感器的封装结构 - Google Patents

Abstract

公开了一种MEMS传感器的封装结构，包括：第一基板和封装壳体，所述封装壳体与所述第一基板的第二表面固定连接，且形成空腔，传感器组件，在所述空腔中与所述第一基板固定连接，传感器组件包括传感器芯片，所述传感器芯片感测沿传感器芯片表面上第一方向或第二方向的振动，其中，所述传感器芯片沿第三方向放置以实现第三方向上的灵敏度检测，所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向两两垂直。本申请的MEMS传感器的封装结构，通过将封装结构中封装壳体上的电极，设置在传感器组件感测振动方向垂直的平面上，从而达到使用X轴的MEMS传感器实现Z轴骨振动感测的功能。

Description

MEMS传感器的封装结构

技术领域

本发明涉及MEMS传感器技术领域，特别涉及一种MEMS传感器的封装结构。

背景技术

基于微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)制造的传感器被称为MEMS传感器，MEMS传感器由于极小的体积、良好的性能而被受重视。MEMS传感器通常包括微机电结构芯片以及与微机电结构电连接的信号处理芯片，为了防止芯片的破碎、减少环境对芯片的干扰，需要通过设置封装结构保护MEMS传感器中的微机电结构芯片电和信号处理芯片，同时还需要通过封装结构使得信号处理芯片与外界形成电学连接。

现有的基于MEMS加速度芯片的单轴骨传导麦克风传感器，多数由X轴或者Y轴MEMS加速度芯片组成，可感测X轴或Y轴的骨振动信号，然而实际应用中却以Z轴骨振动的需求更多。一方面，以X轴骨传导为例，其在X轴方向的灵敏度远大于在Z轴方向的灵敏度，因此在实际应用过程中灵敏度输出效果不佳，未实现X轴性能最大化。另一方面，现有的大部分Z轴骨传导传感器芯片，均由麦克风加质量块结构组成，该结构可靠性低，且不能有效隔绝空气传播的声音信号，并未达到真正的骨骼传导效果，实际应用中局限性大。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种MEMS传感器的封装结构，通过将封装结构中封装壳体上的电极，设置在传感器组件感测的振动方向垂直的平面上，从而达到使用X轴的MEMS传感器实现Z轴骨振动感测的功能。

根据本发明的一方面，提供一种MEMS传感器的封装结构，包括：第一基板和封装壳体，所述封装壳体与所述第一基板的第一表面固定连接，且形成空腔，传感器组件，在所述空腔中与所述第一基板固定连接，传感器组件包括传感器芯片，所述传感器芯片感测沿传感器芯片表面上第一方向或第二方向的振动，其中，所述传感器芯片沿第三方向放置以实现第三方向上的灵敏度检测，所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向两两垂直。

可选地，所述第一基板和/或所述封装壳体上包括：多个第一焊盘，所述第一焊盘所在平面与所述传感器组件感测的振动方向垂直。

可选地，所述传感器芯片感测的振动方向与所述第一基板的第一表面垂直时，所述第一焊盘位于所述第一基板的第二表面。

可选地，所述传感器芯片感测的振动方向与所述第一基板的第一表面平行时，所述第一焊盘位于所述第一基板和/或所述封装壳体与所述感测的振动方向垂直的侧面上。

可选地，所述第一焊盘沿所述第一基板的第二表面到第一表面的方向上从所述第一基板延伸到所述封装壳体。

可选地，还包括：第二焊盘，位于所述第一基板和/或所述封装壳体与所述传感器芯片感测的振动方向平行的表面上。

可选地，所述封装壳体包括：第二基板和第三基板，所述第二基板中具有贯穿通孔，位于所述第一基板和所述第三基板之间，所述贯穿通孔用于容纳所述传感器组件。

可选地，位于所述第一基板和所述封装壳体上的所述第一焊盘或所述第二焊盘焊盘从所述第一基板和所述封装壳体的侧壁表面向内凹陷。

可选地，相邻所述焊盘之间由平面的绝缘区分隔开。

可选地，所述第一焊盘或所述第二焊盘还包括：沿侧壁表面向所述第一基板的第一表面和所述封装壳体的第二表面延伸的部分，以实现所述第一基板和所述封装外壳的电气连接。

可选地，所述封装壳体上包括至少一个泄气孔。

可选地，所述传感器芯片包括X轴MEMS骨传导传感器。

本发明提供的MEMS传感器的封装结构，通过将封装结构中封装壳体上的第一焊盘，设置在传感器组件感测的振动方向垂直的平面上，从而达到使用X轴的MEMS骨传导传感器实现Z轴骨振动感测的功能，实现X轴MEMS骨传导传感器在Z轴方向上输出最大灵敏度。其中，封装壳体上的第一焊盘设置在传感器组件感测的振动方向垂直的平面上包括两种方式，一种为传感器组件正常与基板连接，第一焊盘设置在封装壳体上传感器组件的侧面；一种为第一焊盘正常设置在第一基板上，传感器组件从X轴方向向Z轴方向旋转90°后与第一基板连接。

进一步地，采用X轴的MEMS骨传导传感器实现Z轴传感器的功能，对整体结构改动小，基本只有打线方式的更改和/或第一焊盘位置和数量的增加，基板及外壳均可以做兼容；同时利用了X轴传感器可靠性好、对空气中声音的隔离度大、灵敏度高、灵敏度的稳定性和一致性更高、芯片工艺更加成熟更加稳定等优点。

在一个优选的实施例中，在MEMS传感器的封装结构上，第一基板的第二表面以及第一基板和封装壳体的侧面分别设置有第二焊盘和第一焊盘，将MEMS传感器的封装结构与外部PCB板连接时，第一焊盘和第二焊盘均可以作为连接焊盘，而不同的连接方式将会使MEMS传感器分别作为X轴传感器和Z轴传感器。

进一步地，位于MEMS传感器封装结构上的侧壁方向上的第一焊盘，其形状为弧形，由封装结构的侧壁表面向内凹陷，从而在有限的空间中增大了焊盘的面积，从而降低了第一焊盘与外部电路的接触电阻。

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示出了根据本发明第一实施例的MEMS传感器的封装结构的整体外观示意图；

图2a和图2b分别示出了本发明第一实施例的MEMS传感器的封装结构中第一基板的第一表面和第二表面的示意图；

图3示出了本发明第一实施例的MEMS传感器的封装结构中位于第一基板上的第二基板的第一表面的示意图；

图4示出了本发明第一实施例的MEMS传感器的封装结构中第三基板的第二表面的示意图；

图5示出了根据本发明第二实施例的MEMS传感器的封装结构中传感器组件和第一基板的结构示意图；

图6a和图6b分别示出了根据本发明第三实施例的MEMS传感器的封装结构的整体和部分示意图。

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示出了根据本发明第一实施例的MEMS传感器的封装结构的整体外观示意图；图2a和图2b分别示出了本发明第一实施例的MEMS传感器的封装结构中第一基板的第一表面和第二表面的示意图；图3示出了本发明第一实施例的MEMS传感器的封装结构中位于第一基板上的第二基板的第一表面的示意图；图4示出了本发明第一实施例的MEMS传感器的封装结构中第三基板的第二表面的示意图。

参考图1，本申请第一实施例的MEMS传感器的封装结构100包括第一基板110，第二基板120和第三基板130，第二基板120和第三基板130可以组成封装壳体，与第一基板110共同形成一个方形的盒体，且三个基板内部形成一个空腔，传感器组件140位于该空腔中，例如参考图3。其中，在封装结构的侧壁，包括多个由第一基板110、第二基板120和第三基板130组成的、在基板第一表面和第二表面方向延伸的侧壁电极，相邻侧壁电极之间由绝缘区隔开。

参考图2a和图2b，第一基板210的第一表面位于X轴和Y轴形成的平面上。在第一基板110的第一表面上，具有密封环114，第一电极116、第一焊接区115、第一导电通道113以及第一焊盘111b和第一绝缘区112b，在第一基板110的第二表面上，具有第二焊盘117，同时在第一基板110的一个侧壁上，具有第一焊盘111a和第一绝缘区112a。

其中，第一密封环114用于密封连接第一基板110和第二基板120，同时第一密封环114也是导电体。在第一基板110第一表面的四个边长中，第一密封环114沿其中三个边长延伸，并与第四个边长之间保留一定距离。第一密封环114围绕第一基板110的第一表面围成的区域中，固定粘贴有传感器组件140。

传感器组件140包括MEMS骨传导芯片和ASIC芯片，MEMS骨传导芯片用于感测X方向的骨振动，ASIC芯片可以固定粘贴在MEMS骨传导芯片上方，并通过引线将ASIC芯片与MEMS骨传导芯片电连接。此外，MEMS骨传导芯片还通过引线与第一电极116电连接，第一电极116通过第一基板110第一表面上的走线与第一焊接区115连接，第一焊接区115为实现第一基板110至第三基板130之间电气互连的通孔焊接区。

第一基板110的第一表面上位于第一密封环114外的区域中，形成有多个第一焊盘111b和第一绝缘区112b，且第一焊盘111b和第一绝缘区112b间隔排列在第一基板110的第一表面上，如图2a所示。此外，第一焊盘111b通过在第一基板110的第一表面上走线或在第一基板110中走线与第一电极116或第一焊接区115电连接，进而实现第一焊盘111与传感器组件140的电连接。

在第一基板110的一侧面，即第一焊盘111b对应的侧面上，还形成有第一焊盘111a，侧面的第一焊盘111a与第一表面的第一焊盘111b对应且连接，同时相邻的第一焊盘111a之间由第一绝缘区112a分隔开。第一焊盘111(包括111a和111b)为弧形结构，从第一基板110的侧表面向第一基板110的内部凹陷，从而增加了第一焊盘111在第一基板110侧面的面积。

进一步地，在第一基板110的第二表面，形成有多个第二焊盘117，在该实施例中，第二焊盘117也是引出焊盘，可以用于与外部PCB板连接。第二焊盘117通过第一导电通道113与第一基板110第一表面的第一焊接区115电连接，从而实现将第二焊盘117与传感器组件140电连接。在第一基板110第二表面的其他区域，都形成有覆铜(图中未示出)，以增强电磁屏蔽，覆铜与第二焊盘117之间相隔离。

参考图3，第二基板120中具有一个贯穿通孔121，在第二基板120与第一基板110密封连接后用于容纳第一基板110的第一表面上安装的传感器组件140。其中，贯穿通孔121的侧壁均形成有覆铜(图中未示出)，以增强电磁屏蔽。

在第二基板120的第一表面上，形成有第二密封环122，第二密封环122围绕贯穿通孔121以及连接区125，在连接区125中，具有第二焊接区124，第二焊接区124中还具有贯穿第二基板120的连接区的第二导电通道123，实现第二基板120第二表面的第三焊接区与第一表面的第二焊接区124的电气连接。

在第二基板120第一表面上第二密封环122外的区域中，多个第三焊盘126b与第二绝缘区127b间隔排列。而在第二基板120中与第三焊盘126b相对应的侧面，多个第三焊盘126a和第二绝缘区127a间隔排列，且第三焊盘126a与第三焊盘126b对应且连接，第二绝缘区127a与第二绝缘区127b对应且连接。

可以理解的是，在第二基板120的第二表面，具有与第二基板120的第一表面相同的结构和布局，因此，在将第二基板120的第二表面与第一基板110的第一表面进行密封连接时，第一基板110第一表面上的第一密封环114和第二基板120第二表面上的第三密封环对应连接；第二基板120第二表面的连接区与第一基板110第一表面中第一焊接区115所在的区域对应且连接；第二基板120第二表面上的第三焊接区与第一基板110第一表面上的第一焊接区115对应且连接；第二基板120第二表面上的第三焊盘与第一基板110第一表面上的第一焊盘111b对应且连接；第二基板120第二表面上的第二绝缘区与第一基板110第一表面上的第一绝缘区112b对应且连接，从而，第二基板120的第三焊盘126通过第一基板110的第一焊盘111与第一电极116或第一焊接区115连接，进而与传感器组件140连接。

其中，第二基板120第一表面的第二密封环122和第二表面的第三密封环也为导电体，它们与第一基板110第一表面的第一密封环114、第三基板130第二表面的第四密封环131以及第二基板120贯穿通孔121侧壁的覆铜共同形成电磁屏蔽腔体。

进一步地，参考图4，第三基板130的第二表面上，包括第四密封环131，位于第四密封环131区域内的连接区132，第四焊接区133以及泄气孔134；位于第四密封环131区域外的第四焊盘135c和第三绝缘区136c，以及位于第三基板130与第四焊盘135c和第三绝缘区136c相对应的侧面的第四焊盘135a和第三绝缘区136a。

第三基板130的第一表面上，形成有覆铜(图中未示出)，用于增强电磁屏蔽。

在将第三基板130的第二表面与第二基板120的第一表面密封连接时，第三基板130第二表面的第四密封环131与第二基板120第一表面的第二密封环122对应且连接；第三基板130第二表面的连接区132与第二基板120第一表面的连接区125对应且连接；第三基板130第二表面的第四焊接区133与第二基板120第一表面的第二焊接区124对应且连接；第三基板130第二表面的第四焊盘135c与第二基板120第一表面的第三焊盘126b对应且连接；第三基板130第二表面的第三绝缘区136c与第二基板120第一表面的第二绝缘区127b对应且连接。

第一基板110，第二基板120以及第三基板130连接后的封装结构如图1所示，在封装结构的侧面，由第一焊盘111a、第三焊盘126a以及第四焊盘135a组成多个沿第一基板110向第三基板130方向的弧形的侧壁焊盘，由第一绝缘区112a、第二绝缘区127a以及第三绝缘区136a组成多个分隔侧壁焊盘的绝缘区平面。

在第一实施例中，认为外部PCB板的表面位于X轴和Y轴所在的平面内，则当第一基板110第二表面的第二焊盘117与外部PCB板电连接时，第一基板110的第一表面也位于X轴和Y轴所在的平面内，传感器组件140感测振动的方向与第一基板110的第一表面平行，即传感器组件140用于感测X轴振动；若当第一基板110的侧面焊盘与外部PCB板电连接时，第一基板110的第一表面位于Y轴和Z轴所在的平面内，此时传感器组件140用于感测Z轴的振动。

因此，本申请的第一实施例提供的MEMS传感器的封装结构，根据封装结构中与外部PCB板连接的焊盘不同，可以用来测试Z轴振动或X轴振动。

图5示出了根据本发明第二实施例的MEMS传感器的封装结构中传感器组件和第一基板的结构示意图。与第一实施例的MEMS传感器的封装结构100相比，第二实施例中的MEMS传感器的封装结构200中传感器组件感测振动的方向与第一基板210的第一表面垂直。

参考图5，在第一基板210的第一表面，形成有第一密封环214，位于第一密封环214中的第一电极216和第一焊接区215，位于第一密封环214外的第二焊盘211b和第一绝缘区212b。其中，在第一基板210的第一表面上，还固定有传感器组件240。传感器组件240通过引线与第一电极216连接，第一电极216和第一焊接区215通过第一基板210第一表面的走线电连接(图中未示出)，第一电极216或第一焊接区215通过表面走线与第二焊盘211b连接。第一焊接区215中还包括第二导电通道(图中未示出)，第二导电通道贯穿第一基板210，并电信号引出至第一基板210的第二表面。

传感器组件240为感测X轴振动的骨传导传感器，与第一基板210固定后的传感器组件240，其感测方向与第一基板210的第一表面垂直。在第一基板210的第二表面，还形成有多个第一焊盘(参考图2b)，第一焊盘通过第二导电通道与第一焊接区215实现电连接。

当MEMS传感器的封装结构200上位于第一基板210第二表面上的第一焊盘与外部PCB板连接时，MEMS传感器的封装结构200用于感测Z轴的振动；当MEMS传感器的封装结构200上位于第一基板210至第三基板侧表面上的第二焊盘与外部PCB板连接时，MEMS传感器的封装结构200用于感测X轴方向的振动。

在第二实施例中，认为外部PCB板的表面位于X轴和Y轴所在的平面内，则当第一基板210第二表面的第一焊盘与外部PCB板电连接时，第一基板210的第一表面也位于X轴和Y轴所在的平面内，而传感器组件240感测振动的方向与第一基板210的第一表面垂直，此时传感器组件240用于感测Z轴振动；若当第一基板210侧面的第二焊盘211与外部PCB板电连接时，第一基板210的第一表面位于Y轴和Z轴所在的平面内，此时传感器组件240用于感测X轴的振动。

图6a和图6b分别示出了根据本发明第三实施例的MEMS传感器的封装结构的整体和部分示意图。与第二实施例相比，第三实施例的MEMS传感器的封装结构300的封装结构由第一基板和封装壳体构成，且在第一基板和封装壳体的侧面没有形成焊盘。

具体地，参考图6a和图6b，MEMS传感器的封装结构300包括：第一基板310和封装壳体320，封装壳体320上形成有泄气孔321，且封装壳体320和第一基板310形成空腔(图中未示出)，封装壳体例如采用金属材料。

传感器组件340包括用于感测X轴振动的传感器，其固定在空腔中第一基板310的第一表面上，在第一基板310的第一表面上，还形成有第一密封环312，封装壳体320通过第一密封环312与封装壳体320固定连接。在第一基板310第一表面上的第一密封环312内，形成有电极313，传感器组件340通过引线与电极313电连接。

在第一基板310的第二表面，还形成有第一焊盘(图中未示出)，电极313与第一焊盘电连接，从而实现将传感器组件340的电信号传递到第一焊盘，通过第一焊盘将MEMS传感器的封装结构300与外部PCB板电连接。

在第三实施例中，认为外部PCB板的表面位于X轴和Y轴所在的平面内，在将MEMS传感器的封装结构300与外部PCB板电连接后，传感器组件340的感测方向与第一基板310的第一表面垂直，因而，传感器组件340可以感测Z轴方向的振动。

本发明提供的MEMS传感器的封装结构，通过将封装结构中封装壳体上的第一焊盘，设置在传感器组件感测的振动方向垂直的平面上，从而达到使用X轴的MEMS骨传导传感器实现Z轴骨振动感测的功能，实现X轴MEMS骨传导传感器在Z轴方向上输出最大灵敏度。其中，封装壳体上的第一焊盘设置在传感器组件感测的振动方向垂直的平面上包括两种方式，一种为传感器组件正常与基板连接，第一焊盘设置在封装壳体上传感器组件的侧面；一种为第一焊盘正常设置在第一基板的第二表面上，传感器组件从X轴方向向Z轴方向旋转90°后与第一基板连接。

进一步地，采用X轴的MEMS骨传导传感器实现Z轴传感器的功能，对整体结构改动小，基本只有打线方式的更改和/或第一焊盘位置和数量的增加，基板及外壳均可以做兼容；同时利用了X轴传感器可靠性好、对空气中声音的隔离度大、灵敏度高、灵敏度的稳定性和一致性更高、芯片工艺更加成熟更加稳定等优点。

在一个优选的实施例中，在MEMS传感器的封装结构上，第一基板的第二表面以及第一基板和封装壳体的侧面分别设置有第一焊盘和第二焊盘，将MEMS传感器的封装结构与外部PCB板连接时，第一焊盘和第二焊盘均可以作为连接，而不同的连接方式将会使MEMS传感器分别作为X轴传感器和Z轴传感器。

进一步地，位于MEMS传感器封装结构上的侧壁方向上的第一焊盘，其形状为弧形，由封装结构的侧壁表面向内凹陷，从而在有限的空间中增大了第一焊盘的面积，从而降低了第一焊盘与外部电路的接触电阻。

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MEMS传感器的封装结构，其特征在于，包括：

第一基板和封装壳体，所述封装壳体与所述第一基板的第一表面固定连接，且形成空腔，

传感器组件，在所述空腔中与所述第一基板固定连接，

传感器组件包括传感器芯片，所述传感器芯片感测沿传感器芯片表面上第一方向或第二方向的振动，其中，所述传感器芯片沿第三方向放置以实现第三方向上的灵敏度检测，所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向两两垂直。

2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述第一基板和/或所述封装壳体上包括：多个第一焊盘，所述第一焊盘所在平面与所述传感器组件感测的振动方向垂直。

3.根据权利要求2所述的封装结构，其特征在于，所述传感器芯片感测的振动方向与所述第一基板的第一表面垂直时，所述第一焊盘位于所述第一基板的第二表面。

4.根据权利要求2所述的封装结构，其特征在于，所述传感器芯片感测的振动方向与所述第一基板的第一表面平行时，所述第一焊盘位于所述第一基板和/或所述封装壳体与所述感测的振动方向垂直的侧面上。

5.根据权利要求4所述的封装结构，其特征在于，所述第一焊盘沿所述第一基板的第二表面到第一表面的方向上从所述第一基板延伸到所述封装壳体。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的封装结构，其特征在于，还包括：第二焊盘，位于所述第一基板和/或所述封装壳体与所述传感器芯片感测的振动方向平行的表面上。

7.根据权利要求6所述的封装结构，其特征在于，所述封装壳体包括：第二基板和第三基板，所述第二基板中具有贯穿通孔，位于所述第一基板和所述第三基板之间，所述贯穿通孔用于容纳所述传感器组件。

8.根据权利要求7所述的封装结构，其特征在于，位于所述第一基板和所述封装壳体上的所述第一焊盘或所述第二焊盘从所述第一基板和所述封装壳体的侧壁表面向内凹陷。

9.根据权利要求8所述的封装结构，其特征在于，相邻所述焊盘之间由平面的绝缘区分隔开。

10.根据权利要求8所述的封装结构，其特征在于，所述第一焊盘或所述第二焊盘还包括：沿侧壁表面向所述第一基板的第一表面和所述封装壳体的第二表面延伸的部分，以实现所述第一基板和所述封装外壳的电气连接。

11.根据权利要求7所述的封装结构，其特征在于，所述封装壳体上包括至少一个泄气孔。

12.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述传感器芯片包括X轴MEMS骨传导传感器。

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