CN114269681B - 包装级热梯度感测 - Google Patents

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Abstract

微机电(MEMS)设备可以在MEMS设备的上平面表面或下平面表面处耦合到介电材料。一个或多个温度传感器可以附接到介电材料层。来自所述一个或多个温度传感器的信号可以被用于确定沿着垂直于上平面表面和下平面表面的轴的热梯度。热梯度可以被用于补偿由MEMS设备测得的值。

Description

包装级热梯度感测
背景技术
诸如智能电话、智能手表、平板电脑、汽车、航空无人机、电器、飞行器、运动辅助设备和游戏控制器之类的众多物品在其操作期间使用传感器(例如，运动传感器、压力传感器、温度传感器等)。在商业应用中，微机电(MEMS)设备或传感器(诸如加速度计和陀螺仪)捕获复杂的移动并确定朝向或方向。例如，智能电话配备有加速度计和陀螺仪，以增强依赖于全球定位系统(GPS)信息的导航系统。在另一个示例中，飞行器基于陀螺仪测量结果(例如，横滚、俯仰和偏航)确定朝向，并且车辆实现辅助驾驶以提高安全性(例如，识别打滑或翻车状况)。
MEMS设备的每个最终使用产品都涉及与其它电子组件(诸如显示器、处理器、存储器、天线和触摸屏)相邻放置。随着MEMS设备在不同制造商的许多不同设备类型中激增，关于从其它组件传递的热量的量、热传递的持续时间和模式以及热量传递到MEMS设备的位置，来自相邻组件的热传递可能是不可预测的。此外，这些众多不同类型的设备被用于从简单的消费电子产品到工业环境和车辆的许多最终使用应用中，进一步恶化了MEMS设备在操作期间可能承受的众多热传递剖面。热传递剖面包括在MEMS设备的不同部分处的不均匀温度。MEMS设备中的这些热梯度会造成MEMS结构(检测质块)的运动，其与由温度的均匀改变造成的运动分开。这种运动可能在传感器性能中表现出来，例如，作为偏移量或灵敏度的改变。
发明内容
在本公开的实施例中，用于识别设备内的热梯度的系统包括微机电(MEMS)设备，该微机电(MEMS)设备包括多个层、多个层内的腔体以及MEMS设备的平面表面，以及耦合到平面表面的介电材料层，其中一个或多个微机电组件响应于外力而在腔体内可移动。该系统还包括多个温度传感器，其中至少一个温度传感器附接到介电材料层。该系统还可以包括处理电路系统，该处理电路系统被配置为接收来自多个温度传感器的信号并输出代表沿着垂直于MEMS设备的平面表面的轴的热梯度的响应信号。
在本公开的实施例中，一种用于识别设备内的热梯度的方法包括在处理电路系统处接收来自多个温度传感器的信号，其中多个温度传感器中的至少一个附接到介电材料层，并且其中介电材料层耦合到微机电(MEMS)设备的顶部平面表面或MEMS设备的底部平面表面。该方法还可以包括由处理电路系统基于来自多个温度传感器中的每一个的相应信号确定沿着垂直于顶部平面表面和底部平面表面的轴的热梯度。
在本公开的实施例中，包装的微机电(MEMS)设备可以包括MEMS设备，该设备包括多个层、多个层内的腔体以及MEMS设备的平面表面，其中一个或多个微机电组件响应于外力而在腔体内可移动。包装的MEMS设备还可以包括耦合到平面表面的介电材料层和多个温度传感器，其中至少一个温度传感器附接到介电材料层。
附图说明
在结合附图考虑以下具体实施方式后，本公开的上述和其它特征、其性质和各种优点将更加清楚，其中：
图1描绘了根据本公开的一些实施例的示例性运动感测系统；
图2描绘了本公开的一些实施例中的包括热梯度的示例性MEMS包装；
图3描绘了根据本公开的一些实施例的包括嵌入式温度传感器的示例性MEMS包装；
图4描绘了根据本公开的一些实施例的包括附接到介电材料层的温度传感器的示例性MEMS包装；
图5描绘了根据本公开的一些实施例的包括附接到包装层的温度传感器的示例性MEMS包装；
图6描绘了根据本公开的一些实施例的包括附接到两个介电材料层的两个温度传感器的示例性MEMS包装；
图7描绘了根据本公开的一些实施例的包括折叠包装层和附接到MEMS设备且附接到多层介电材料的温度传感器的示例性MEMS包装；
图8描绘了根据本公开的一些实施例的包括多个介电材料层、多个包装层和多个温度传感器的示例性MEMS包装；
图9描绘了根据本公开的一些实施例的包括附接到介电材料层的两个温度传感器的示例性MEMS包装；
图10描绘了根据本公开的一些实施例的温度传感器相对于包装层的位置的示例性顶视图；以及
图11描绘了根据本公开的一些实施例的用于处理接收到的温度传感器输出的示例性步骤。
具体实施方式
示例性MEMS设备可以具有被制造、图案化和键合在一起的多个层。MEMS层可以键合在其它层(例如，上层或帽层和下层或基板层)之间，并且可以包括可以响应于施加到MEMS设备的特定刺激而移动的一个或多个微机械组件。MEMS设备的电气电路系统可以与微机械组件交互以输出感兴趣的信号。例如，MEMS惯性传感器可以包括悬挂的弹簧-质块系统，该悬挂的弹簧-质块系统被设计为使得悬挂的弹簧-质块系统的部分(例如，悬挂在悬挂的弹簧-质块系统内的检测质块)响应于特定施加的惯性力(诸如沿着测量轴的线加速度或围绕测量轴的角速度)而以特定方式移动。对于另一个示例，压力传感器可以具有与MEMS层的一个部分相邻地气密密封的腔体和在MEMS层的另一个部分处接收气体的另一个腔体，从而导致MEMS层基于相对压力和MEMS层设计而移动。可以使用MEMS技术制造的其它设备包括磁力计和超声传感器，但是有许多可以使用MEMS技术制造的设备，诸如传感器和致动器。
因为MEMS设备可以非常小，因此它们被用在众多电子设备中，常常靠近作为显著热源的组件，或者用在其中环境包括显著热源的最终使用应用中。因此，MEMS设备可受到各种热传递条件的影响，包括暴露的相对位置、暴露的时间、随时间的变化率等。因此，MEMS设备可不处于均匀的温度，相反，整个设备可经历复杂的热梯度。这些热梯度也可受到MEMS设备本身的设计的影响，包括相应层的材料、层之间的键合材料、可以在各层之间进行热传递的键合位置的配置、层内设计(诸如MEMS层设计)，以及电子组件的位置和密度(例如，在CMOS基板层内)。
热梯度会造成传感器操作的复杂改变，例如，通过使MEMS层内的组件膨胀或收缩、修改可移动组件之间的间隙、改变电气组件的操作参数以及在MEMS设备的腔体内部产生压力差。因为热梯度可能不处于稳定状态，所以在传感器内不同相对位置处的相似的电气组件和机械组件可能不同地经历这些影响。热梯度会在粒子在其间传递能量的边界处产生克努森(Knudsen)力，从而导致力施加在机械组件(诸如检测质块)上。由于热梯度引起的所有这些改变都会以复杂的方式影响MEMS设备和组件，并可能使MEMS设备的精度和准确性劣化。
MEMS设备的层中的一个或多个(例如，CMOS基板层)可以连接到介电材料层。在实施例中，介电材料可以与MEMS设备集成并在晶片工艺中制造。此类介电材料的代表性示例包括二氧化硅、氮化硅和光致抗蚀剂。在另一个实施例中，介电材料可以在包装工艺中形成。此类介电材料的代表性示例包括芯片贴装薄膜(DAF)、环氧树脂、硅树脂(例如，室温硫化硅树脂[RTV])和阻焊层。在包装工艺中形成的介电材料可以是包装基板(诸如平面网格阵列或引线框架)的一部分或耦合到包装基板，该包装基板为MEMS设备提供物理支撑并促进与包括MEMS设备的电子设备内的其它组件的物理连接和/或电连接。如所描述的，MEMS包装可以包括MEMS设备、介电材料层和包装基板，以及其它结构，诸如模塑料(moldingcompound)、形成开放腔体的盖子、焊球或接头、焊线等。因此，MEMS包装可以经由介电材料层物理附接或电附接到电子设备内的其它组件，这可以包括物理耦合到外部热源。
温度传感器可以位于介电材料层上或介电材料层之内，例如，作为位于介电材料层的侧向x-y平面内的特定位置处(例如，以捕获关于特定热梯度的信息和热传递图案)和位于介电材料层的垂直z轴深度处(例如，在附接到MEMS设备的表面处，在介电材料层的一层或多层内，或在未附接到MEMS设备的表面上)的图案化的热敏电阻器。多个温度传感器可以位于介电材料层内的不同侧向和垂直位置处，并且在一些实施例中，包括温度传感器的介电材料层可以附接到MEMS设备的不同表面，诸如在帽层的顶表面和在CMOS层的底表面。这种到多个表面的附接可以通过多个介电材料层(例如，附接到帽层的上表面的第一介电材料和附接到CMOS层的底表面的第二介电材料)、单个介电材料层(例如，在帽层的顶表面和MEMS层的底表面之间刚性或柔性地延伸)或其组合来执行。在一些实施例中，温度传感器也可以包括在MEMS设备内。在一些实施例中，温度传感器也可以附接到或包括在包装基板内。
热能在沿着MEMS设备外围的特定位置处从外部施加到MEMS设备，诸如顶部(例如，沿着帽层的顶部)、侧面(例如，对于四边传感器是帽层、MEMS层或CMOS层的四个侧面中的任何一个，取决于热源的位置)或底部(例如，经由包装基板和/或介电材料层沿着CMOS层的底部)。这些可以是由于暴露于外部环境、电路板或其它电子元件而可能传递热量的位置。通过将温度传感器放置在相对于介电材料层内的这些边缘的不同位置处，并且在一些实施例中放置在不同平面内或MEMS设备的层内，可以识别热源的位置以及热传递的模式。由于MEMS设备本身的电路内的功耗，热能也被施加到MEMS设备内部。
可以基于温度传感器类型以及在一个或多个介电材料层内和MEMS设备内的布置来识别不同类型的热梯度。例如，温度传感器可以位于MEMS包装内的不同垂直(例如，z轴)位置，诸如在介电材料层内、MEMS设备的层内以及位于不同z轴位置处的其它介电材料层中的不同z轴深度处(例如，在帽层和CMOS层处)。温度传感器可以类似地位于MEMS芯片内的不同侧向(例如，x-y平面)位置。关于热梯度的信息可以根据从单个传感器(例如，当前温度、温度改变率、温度模式等)和传感器的组合(例如，热传递方向、热源的强度、热源的类型、热源的空间分布等)收集的温度数据确定。
一旦识别出热成分，就可以利用关于热梯度的信息来改进MEMS设备的操作。在一些实施例中，可以对测得的值进行调整，诸如通过改变补偿代码、缩放值、附加补偿值、偏移量值、传感器输出值、A/D转换阈值、放大器输入等。也可以对MEMS设备的操作进行改变，诸如施加到MEMS层或MEMS设备的电子元件的信号的量值、相位或频率。热梯度的识别也可以被用于影响其它设备的操作，诸如通过发送警报或警告，这些警报或警告可以用于调整与MEMS设备相邻的其它电气组件的操作，或向另一个系统提供警告(诸如测量值可能具有较低的准确性或允许设备冷却)。由于本文描述的温度感测系统识别和精确定位复杂的热梯度的能力，操作中的补偿或改变可以针对热梯度的特定类型和强度进行定制。
图1描绘了根据本公开的一些实施例的示例性运动感测系统10。虽然在图1中描绘了特定组件，但是将理解的是，传感器、处理组件、存储器和其它电路系统的其它合适组合可以根据不同应用和系统的需要来使用。在如本文所述的实施例中，运动感测系统可以至少包括MEMS设备12和支持电路系统，诸如处理电路系统14和存储器16。在一些实施例中，一个或多个其它MEMS设备18(例如，MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MEMS麦克风、MEMS压力传感器和磁力计)可以包括在运动处理系统10内以提供集成的运动处理单元(“MPU”)(例如，包括MEMS陀螺仪感测的3个轴、MEMS加速度计感测的3个轴、麦克风、压力传感器和指南针)。
处理电路系统14可以包括基于运动处理系统10的要求提供必要处理的一个或多个组件。在一些实施例中，处理电路系统14可以包括硬件控制逻辑，该硬件控制逻辑可以集成在传感器的芯片内(例如，在MEMS设备12或其它MEMS设备18的基板或帽上，或者在芯片的与MEMS陀螺仪12或其它MEMS设备18的相邻部分上)以控制MEMS设备12或其它MEMS设备18的操作并执行MEMS设备12或其它MEMS设备18的处理方面。在一些实施例中，处理电路系统14还可以包括处理器(诸如微处理器)，其执行例如存储在存储器16中的软件指令。微处理器可以通过与硬件控制逻辑交互来控制MEMS设备12的操作，并且处理从MEMS设备12接收的信号。微处理器可以以相似的方式与其它MEMS设备交互。
虽然在一些实施例中(图1中未描绘)MEMS设备12或其它MEMS设备18可以直接与外部电路系统通信(例如，经由串行总线或直接连接到传感器输出端和控制输入端)，但是在实施例中，处理电路系统14可以处理从MEMS设备12和其它MEMS设备18接收的数据，并经由通信接口20与外部组件通信。处理电路系统14可以将从MEMS设备12和其它MEMS设备18接收的信号转换到适当的测量单元(例如，基于由通过通信总线20通信的其它计算单元提供的设置)并执行更复杂的处理以确定测量结果(诸如朝向或欧拉(Euler)角)，并且在一些实施例中，根据传感器数据确定是否正在发生特定活动(例如，步行、跑步、制动、打滑、滚动等)。
在一些实施例中，可以基于来自多个MEMS设备的数据在可以被称为传感器融合的过程中确定某些类型的信息。通过组合来自各种传感器的信息，可以准确地确定在各种应用中有用的信息，各种应用诸如图像稳定、导航系统、汽车控制和安全、航位推算、远程控制和游戏设备、活动传感器、3维相机、工业自动化和众多其它应用。
现在参考图2，MEMS包装200包括MEMS设备201，其可以与MEMS设备12或其它MEMS设备18中的任何一个对应。示例性MEMS设备201可以附接到一个或多个包装层208，例如，在MEMS设备的帽层的顶表面和/或基板层的底表面，但是到包装层的附接可以发生在MEMS设备的不同位置，诸如附接到MEMS设备的多个层。如本文描述的包装层可以是执行包装层的必要功能(诸如促进到电子设备的其它组件(包括MEMS芯片)的物理连接和/或电连接)的任何合适基板(诸如印刷布线板)或金属-电解质组合物(例如，引线框架)。在一些实施例中，这些物理连接和/或电连接可以提供用于传入或传出MEMS芯片的热传递的路线，例如，在包装层的焊料、通孔和芯片焊盘连接处。
图2描绘了本公开的一些实施例中的包括热梯度的示例性MEMS包装200。虽然将理解MEMS包装可以包括不同配置的多种组件和层，但是在图2的示例性实施例中，MEMS包装200可以包括MEMS设备201和包装层208。
示例性MEMS设备201可以包括多个层，诸如帽层202、MEMS层204和基板层206，但是将理解的是，MEMS设备可以包括多种不同的层或配置。例如，除了上述层之外，MEMS设备还可以包括包含电子电路的附加层。例如，层202、204和206中的每一个可以是硅管芯或其一部分。这些层可以通过介电层(未描绘)彼此附接。MEMS层可以包括MEMS检测质块210，以促进响应于要感测的力(诸如线加速度、角速度、磁场、压力等)的特定类型的移动。MEMS检测质块210的运动可以由MEMS层204(未示出)和/或其它层(例如，帽层202或基板层204)内的其它(例如，固定的)组件感测。在一些实施例中，处理电路系统可以包括在帽层202和基板层206(例如，CMOS基板层)之一或两者上，以基于MEMS检测质块210的移动来执行信号处理和感兴趣参数的计算。
示例性包装层208可以附接到MEMS设备201的表面中的一个或多个。虽然在图2中被描绘为附接到基板层206的底表面，但是将理解的是，包装层208可以附接到MEMS设备201的任何表面，并且还可以附接到MEMS设备201的多个表面。在一些实施例中，多个包装层208可以附接到MEMS设备的不同部分。包装层208与MEMS设备201的附接促进MEMS设备201与MEMS设备在其中操作的电子系统的其它组件的物理连接和/或电连接。虽然包装层208被示为在基板层206的侧向边界之外延伸，但在一些实施例中，(一个或多个)包装层208中的一个或多个可以具有与基板层206相比相同或较小的剖面。在一些实施例中(未在图2或本文的其它图中描绘)，还可以应用模制层或中空盖以围绕或基本覆盖MEMS包装200(例如，应用在包装层208和MEMS设备201之上)。
如本文所述，基于热源的不同类型和位置，在MEMS设备(例如，MEMS设备201)内可经历热梯度，从而产生可更改MEMS设备201的输出的多种效应。热源可位于MEMS设备201内或与MEMS设备201直接相邻，或者可经由其它组件(例如，经由包装层208)传递。MEMS设备201内的热传递的模式取决于热源的性质(例如，点式或分布式)、施加热量的位置、MEMS设备的各个部分的材料特性、腔体和设备组件的设计，以及如本文描述的其它因素。为简化演示，本讨论将参考具有沿着平面外z轴的分量和x-y平面内的分量的热梯度。但是，将认识到的是，在一些情况下，可以在MEMS设备的不同部分施加多个显著的热源，从而在整个MEMS设备中导致具有不同方向的梯度的复杂的温度分布(例如，至少直到在长时间暴露于多个显著热源之后达到稳态温度)。
返回到图2，进一步描绘了MEMS设备201内的热梯度的示例，其中热源212和214在不同位置被施加到包装层208。来自热源212和214的热梯度基于到MEMS设备201的不同部分的相对位置和热传递路径将热量分布在整个MEMS设备201中。例如，关于帽202的上表面上的位置216，经由来自热源212和214的热梯度的热传递可以产生平面内和平面外热梯度的组合，即，基于热源本身和到位置216的相应热传递路径(例如，经由包装层208、基板层206、包括腔体和MEMS检测质块210的MEMS层204、帽层202，以及这些组件和层之间的键合层)。
图3描绘了根据本公开的一些实施例的包括嵌入式温度传感器的示例性MEMS设备。在本公开的一些实施例中，温度传感器可以位于MEMS设备的一个或多个层上或之内。例如，许多电子组件(诸如电阻器、热敏电阻、BJT、MOSFET和热电偶)可以具有对可以被监测的温度的已知响应。在示例性实施例中，这些传感器中的一些可以位于MEMS设备的允许创建和监测温度传感器的层内，诸如CMOS基板层206。
虽然将理解具有适当材料和工艺以形成电子组件(例如，热敏电阻、热电偶或半导体层内的其它组件的图案化)的任何合适层可以包括温度传感器，但在图3的示例性实施例中，基板层206包括在垂直方向(即，z轴方向)上分开的多个平面(即，x-y平面)，在其上可以形成电子元件。在图3的示例性实施例中，温度传感器302、304和306可以位于基板层206的共用平面内，但是在其它实施例(图3中未描绘)中，附加温度传感器可以位于基板层206的其它平面内或MEMS设备201的其它层(例如，帽层202、MEMS层204或未描绘的其它层)中。
温度传感器可以位于相应位置以捕获特定的感兴趣信息，诸如感兴趣区域附近的温度，诸如可能出现层之间的热传递或来自外部热源的热传递的锚和键合点。在图3的示例性实施例中，温度传感器以使得可以获得各种温度数据的方式定位，但是将理解的是，基于MEMS传感器设计，不同数量的温度传感器可以被放置在不同位置(例如，锚和检测质块位置，以及有可能的基于最终使用和/或靠近MEMS设备一侧或多侧的导热包装的位置)和其它因素(例如，可用的温度传感器的类型和适于放置温度传感器的位置)。在图3的示例性实施例中，温度传感器可以相对于传感器的沿着x和y轴的边缘位于不同位置处。这允许温度传感器基于距热源不同距离处的不同感测到的温度值来识别由于靠近边缘施加的热源引起的热梯度。平面内传感器也可以被用于识别关于沿着垂直于温度传感器的平面的轴的热梯度的信息，例如，基于温度传感器相对于诸如促进z轴热梯度的传递的锚之类的位置的相对位置。
图4描绘了根据本公开的一些实施例的示例性MEMS包装200，其包括附接到介电材料层的温度传感器。在图4的示例性实施例中，温度传感器402位于MEMS设备201的基板层206内，而附加的温度传感器404附接到将基板层206耦合到包装层208的介电材料层406。虽然在图4的示例性实施例中，温度传感器404被描绘为附接到介电材料层406的下表面(例如，可以键合或以其它方式附接到包装层208)，但温度传感器可以附接到介电材料层406上或介电材料层406之内的其它位置，诸如在介电材料层406的相对(上)表面上(例如，其可以键合或以其它方式附接到基板层208)或在介电材料层406内的一个或多个平面上。
用于介电材料层406的示例性材料可以包括二氧化硅、氮化硅、有机聚合物或硅基聚合物。可以在介电材料层406上或介电材料层406之内图案化各种温度感测材料和/或组件，诸如电阻式温度检测器(RTD)、热敏电阻或热电偶。示例性RTD材料包括铂、镍和其它导体。示例性热电偶材料和配置在2019年8月5日提交的标题为“Sensing Thermal GradientsWithin a Microelectromechanical Device”的美国专利申请No.16/531,990中进行了描述，该专利申请通过引用整体并入本文。温度感测电路(诸如CMOS温度传感器)可以附接到或嵌入在包装层208或MEMS包装200的其它部分中。
温度传感器402和404中的每一个可以输出与相应温度传感器位置处的温度对应的信号。这些输出信号可以被一起处理(例如，通过如本文描述的处理电路系统)以便确定关于MEMS设备内的热梯度的信息。在图4的示例性实施例中，温度传感器的相应位置允许基于温度传感器402和404的相应位置直接测量基板层206内的z轴热梯度。虽然本文仅描绘了温度传感器402和404，但多个附加传感器可以位于温度传感器402和404的x-y平面内，例如，以识别x轴和y轴热梯度和/或提供z轴热梯度的局部测量。在实施例中，温度传感器的网格可以为MEMS设备内的热梯度提供综合数据。此外，来自温度传感器402和404的输出信息也可以与关于MEMS设备的其它信息(例如，操作条件等)和/或来自外部设备的信息(诸如关于热源的附加温度信息或数据)相结合。
图5描绘了根据本公开的一些实施例的示例性MEMS包装200，其包括附接到包装层的温度传感器。在图4的示例性实施例中，温度传感器402位于MEMS设备201的基板层206内，而附加的温度传感器502在包装层208的一部分内被图案化。虽然在图5的示例性实施例中温度传感器502被描绘为在包装层208的下部内被图案化，但温度传感器可以附接到包装层208上或包装层208之内的其它位置，诸如包装层208的上表面或下表面上或包装层208内的一个或多个平面上。
可以在包装层208上或包装层208之内图案化各种温度感测材料和/或组件，诸如电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻或热电偶。温度感测电路(诸如CMOS温度传感器)可以附接到或嵌入在包装层208或MEMS包装200的其它部分中。
温度传感器402和502中的每一个可以输出与相应温度传感器位置处的温度对应的信号。这些输出信号可以被一起处理(例如，通过如本文描述的处理电路系统)以便确定关于MEMS设备内的热梯度的信息。在图5的示例性实施例中，温度传感器的相应位置允许基于温度传感器402和502的相应位置直接测量包装层208的底部和基板层206的顶表面之间的z轴热梯度。虽然本文仅描绘了温度传感器402和502，但多个附加传感器可以位于温度传感器402和502的x-y平面内，例如，以识别x轴和y轴热梯度和/或提供z轴热梯度的局部测量。如本文所述，温度传感器还可以位于MEMS设备的其它层内或MEMS设备的层内的平面内。在实施例中，温度传感器的网格可以提供MEMS包装(即，包括包装层208)内的热梯度的综合数据。此外，来自温度传感器402和502的输出信息也可以与关于MEMS设备的其它信息(例如，操作条件等)和/或来自外部设备的信息(诸如关于热源的附加温度信息或数据)相结合。
图6描绘了根据本公开的一些实施例的示例性MEMS包装，其包括附接到两个介电材料层的两个温度传感器。在图6的示例性实施例中，除了附接在基板层206和包装层208之间的介电材料层406之外，第二介电材料层608还附接到帽层202。介电材料层406和608中的每一个具有附接到其的相应温度传感器606和602。温度传感器604也位于基板206内。温度传感器602、604和606的位置可以促进感兴趣的温度信息的测量，诸如MEMS设备201的不同层之间的z轴温度梯度。可以添加附加的传感器并且可以如本文所述改变位置以测量附加的热梯度信息。在图6的示例性实施例中，介电材料层608和包装层208附接到相应的静电屏蔽层610和612。静电屏蔽层610和612可以以限制来自其它电子组件或系统的对MEMS设备201以及温度传感器602、604和606的电磁干扰的方式被定位和图案化。在一些实施例中，静电屏蔽层610和612可以是使热量跨MEMS设备201分布的导热材料(例如，铜)。
图7描绘了根据本公开的一些实施例的示例性MEMS包装，其包括折叠的包装层。在图7的示例性实施例中，包装层208可以被“折叠”，使得它经由多个位置处的介电材料层(诸如基板层206的底面经由介电材料层406，以及帽层202的顶表面经由介电材料层710)附接(例如，通过键合或其它合适技术)到MEMS设备201。包装层208的第一部分208A可以附接到介电材料层406，包装层208的第二部分208B可以在MEMS设备201周围和上方延伸，并且包装层208的第三部分208C可以附接到介电材料层710。温度传感器702和706位于介电材料层上或介电材料层之内，但位于不同位置以促进特定的热梯度测量。如图7中所描绘的，温度传感器702和706可以被定位成使得MEMS设备201的整个z轴高度位于温度传感器702和706之间。附加的温度传感器704可以位于MEMS设备201的层(诸如基板层206)内。
温度传感器702、704和706中的每一个可以输出与相应温度传感器位置处的温度对应的信号。这些输出信号可以被一起处理(例如，通过如本文描述的处理电路系统)以便确定关于MEMS设备内的热梯度的信息。在图7的示例性实施例中，温度传感器的相应位置允许基于温度传感器702和706的相应位置直接测量基板层206的底部到帽层202的顶部之间的z轴热梯度，以及基于温度传感器704测量这些层与基板层206的平面之间的z轴热梯度。虽然本文仅描述了温度传感器702、704和706，但多个附加传感器可以位于温度传感器702、704和706的x-y平面内，例如，以识别x轴和y轴热梯度和/或提供z轴热梯度的局部测量。如本文所描述的，温度传感器还可以位于MEMS设备的其它层内或MEMS设备的层内的平面内。在实施例中，温度传感器的网格可以为MEMS设备内的热梯度提供综合数据。此外，来自温度传感器702、704和706的输出信息也可以与关于MEMS设备的其它信息(例如，操作条件等)和/或来自外部设备的信息(诸如关于热源的附加温度信息或数据)相结合。
在本公开的一些实施例中，介电材料层406和710和/或包装层208还可以促进其它组件的添加，诸如静电屏蔽层708。静电屏蔽层708可以以限制来自其它电子组件或系统的对MEMS设备201和温度传感器702的电磁干扰的方式被定位和图案化。在一些实施例中，静电屏蔽层708可以是促进包装层部分208A和208C内与包装层部分208A和208C之间的导热并降低跨MEMS设备201的温度梯度的导热材料(例如，铜)。虽然在实施例中静电屏蔽层708被描述为导热的，但是导热可以在介电材料层上的多个位置处并且利用多种材料执行，而不考虑是否发生静电屏蔽(例如，基于相应的热传递系数)。
图8描绘了根据本公开的一些实施例的示例性MEMS包装，其包括多个介电材料层和多个包装层。在图8的示例性实施例中，介电材料层406位于基板层206和包装层208之间，并且介电材料层808位于帽层202和包装层810之间。温度传感器802和806位于介电材料层上或介电材料层之内，但位于不同位置以促进特定的热梯度测量。如图8中所示，温度传感器802和806可以被定位成使得MEMS设备201的整个z轴高度位于温度传感器802和806之间。附加的温度传感器804可以位于MEMS设备201的层(诸如基板层206)内。
温度传感器802、804和806中的每一个可以输出与相应温度传感器位置处的温度对应的信号。这些输出信号可以被一起处理(例如，通过如本文描述的处理电路系统)以便确定关于MEMS设备内的热梯度的信息。在图8的示例性实施例中，温度传感器的相应位置允许基于温度传感器802和806的相应位置直接测量基板层206的底部和帽层202的顶部之间的z轴热梯度，以及基于温度传感器804测量这些层与基板层206的平面之间的z轴热梯度。虽然本文仅描述了温度传感器802、804和806，但例如多个附加传感器可以位于温度传感器802、804和806的x-y平面内，以识别x轴热梯度和y轴热梯度和/或提供z轴热梯度的局部测量。如本文所描述的，温度传感器还可以位于MEMS设备的其它层内或MEMS设备的层内的平面内。在实施例中，温度传感器的网格可以为MEMS包装(即，包括包装层208)内的热梯度提供综合数据。此外，来自温度传感器802、804和806的输出信息也可以与关于MEMS设备的其它信息(例如，操作条件等)和/或来自外部设备的信息(诸如关于热源的附加温度信息或数据)相结合。
在本公开的一些实施例中，包装层208和810还可以促进其它组件(诸如静电屏蔽层812)的添加。静电屏蔽层812可以以限制来自其它电子组件或系统的对MEMS设备201和温度传感器802的电磁干扰的方式被定位和图案化。在一些实施例中，静电屏蔽层812可以是使热量跨MEMS设备201分布的导热材料(例如，铜)。虽然在实施例中静电屏蔽层812被描述为导热的，但是导热可以在介电材料层上的多个位置处并且利用多种材料执行，而不考虑是否发生静电屏蔽(例如，基于相应的热传递系数)。
图9描绘了根据本公开的一些实施例的示例性MEMS包装，其包括附接到介电材料层的两个温度传感器。在图9的实施例中，两个温度传感器904和906被描绘为附接到单个介电材料层406。温度传感器902也位于基板206内。温度传感器902、904和906的位置可以促进感兴趣的温度信息的测量，诸如MEMS设备201的基板层206内的z轴温度梯度(例如，基于温度传感器904/906和温度传感器902之间的z轴距离)以及x轴温度梯度和y轴温度梯度(例如，基于温度传感器的相对x-y平面位置)。可以添加附加的传感器并且可以如本文所述改变位置以测量附加的热梯度信息，并且在一些实施例中，可以将导热材料层添加到包装层208或MEMS设备201的层(图9中未描绘)。
图10描绘了根据本公开的一些实施例的温度传感器相对于包装层的位置的示例性顶视图。在图10的示例性实施例中，温度传感器1004和1006在包装层208上方的介电材料层406(未描绘)的下表面上被图案化，与键合焊盘1002相对，键合焊盘1002将包装层208附接到在其中运行MEMS包装200的最终使用系统或设备的其它组件。如本文所述，将理解的是，键合焊盘1002在包装层和其它部件之间传递热量，温度传感器到介电材料层406的附接可以在介电材料层406上或介电材料层406之内的其它位置处，和/或者温度传感器可以在包装层208上或包装层208之内形成。另外，温度传感器1004和1006的特定x-y平面位置、尺寸、布局、数量和配置仅仅是示例性的，并且将理解的是，可以根据本公开修改这些参数。
在图10的示例性实施例中，温度传感器1004和1006中的每一个都包括RTD温度传感器，选择RTD材料的材料、形状、位置和厚度以提供与MEMS设备201的操作条件对应的合适功耗、温度测量的范围、信号量值、准确性和线性度。例如，如图10中所描绘的，RTD迹线可以在感兴趣的区域中紧邻地折叠以用于温度测量，但是在其它实施例中可以使用其它配置和图案，诸如螺旋形。其它传感器类型(例如，基于半导体的、热电偶、热敏电阻)可以在其它实施例中使用，或者在一些实施例中，可以在单个MEMS包装上使用多种不同的传感器类型，例如，以实现不同的响应特点(例如，响应时间、准确性等)。
返回到图1，温度传感器的输出可以提供给处理电路系统14用于附加处理。温度传感器输出可以通过任何合适的传输形式提供给处理电路系统，诸如经由引线键合、通孔或其它合适的电传输路径。在一些实施例中，用于初始处理温度传感器输出的处理电路系统中的一些或全部可以包括在MEMS设备12/201内，而在一些实施例中，处理中的一些或全部可以由经由有线或无线数据路径接收数据的外部电路系统(诸如微处理器)执行。在图2-9的示例性实施例中，处理电路系统可以包括在CMOS基板层206中，具有经由内部电连接(未描绘)被处理的、来自CMOS基板层206内的传感器的温度传感器输出和经由电连接(诸如到CMOS基板层206(未描绘)的引线键合)提供给处理电路系统的其它温度传感器输出。
处理电路系统可以分析温度传感器输出以识别感兴趣的热梯度。如本文所描述的，温度传感器输出的绝对值、温度传感器输出之间的差和温度传感器输出的改变率可以提供关于热源的位置的详细信息(例如，施加于MEMS设备的哪一层，施加于MEMS设备的哪一侧，以及热源和MEMS设备之间的重叠程度)、热源的强度(例如，基于相对温度传感器输出、靠近热源的输出的改变率等)和施加的模式(例如，以周期性方式、作为脉冲或以其它模式施加的热源，相对于具有最小变化的热源)。在一些实施例中，相应的温度传感器输出(例如，沿着x-y平面内的轴以识别侧向热梯度、在不同深度/平面处以识别垂直和/或侧向热梯度，或在相对于特定组件的相对位置处以拒绝某些热梯度而测量其它热梯度)可以耦合为桥，桥包括任何合适数量的元件和配置，诸如：惠斯通(Wheatstone)桥、半桥(分配器(divider))(例如，温度传感器作为其中一个或多个电阻)、串联电压，或者电流和配置或电流差配置，使得温度传感器输出的相对差可以通过单个输出值快速确定。在一些实施例中，相应的温度传感器输出可以以多路复用的方式连接到单个感测电路。在一些实施例中，温度传感器的不同子集可以具有不同类型，例如，具有不同的准确性或响应时间。
在一些实施例中，处理电路系统还可以接收与热源相关的附加外部数据。例如，处理电路系统可以与其它电路系统(诸如外部处理器、电池、显示器、应答器、电源管理电路或其中结合了MEMS设备的最终使用设备的其它温度测量电路系统)通信。关于这些组件的操作的信息可以提供给处理电路系统。在一些实施例中，这种信息可以与MEMS设备的温度传感器测量相关联，以识别来自最终使用设备的其它组件和系统的热传递的模式。这种信息可以被用于主动执行补偿，诸如通过在来自热源的热能实际影响MEMS设备的输出之前修改MEMS设备的操作。来自MEMS设备的信息也可以提供给MEMS设备的其它组件和系统，例如，以更好地识别最终使用设备内的热传递的模式并适当修改最终使用设备的操作(例如，修改操作电压、处理负载、进入低功耗或睡眠模式等)。
一旦已经接收到温度传感器输出和其它相关值(例如，基于桥电路的组合输出等)，处理电路系统就可以对测得的温度信息做出响应。一种示例性响应可以是通过将补偿项添加到MEMS设备输出来补偿热梯度，例如偏移量补偿。可以在制造期间执行或在现场执行的校准测试可以基于不同的热梯度(例如，位置、度数、图案)确定MEMS设备输出的改变。这个信息可以被存储(例如，在存储于MEMS设备处的查找表中)，使得可以修改值以在热梯度存在的情况下维持正确的输出值(例如，线加速度、角速度、压力、磁场等)。另一个示例性响应可以是修改MEMS设备的操作。所施加的信号(诸如造成MEMS组件的移动的信号(例如，MEMS陀螺仪的驱动信号))可以基于例如基于校准例程确定的已知的温度效应而被修改(例如，增加或抑制悬挂的弹簧-质块系统的组件的移动)。输出信号(例如，MEMS加速度计或压力传感器的感测信号)同样可以基于已知的温度效应而被修改。另一个示例性响应可以是修改整个MEMS设备的操作，例如，通过将传感器置于临时睡眠模式、修改用于MEMS设备的电源的参数或以其它方式改变MEMS设备的整体使用情况。另一个示例性响应可以是激活MEMS设备中的热源，以通过向MEMS检测质块施加力来抵消外部施加的温度梯度的影响。
图11描绘了根据本公开的一些实施例的用于处理接收到的温度传感器输出的方法1100的示例性步骤。虽然在本公开的上下文中描述了图11，但是将理解的是，图11中描述的方法和步骤可以应用于各种MEMS设备设计、温度传感器类型、处理电路系统和补偿技术。虽然在图11中描绘了特定的步骤次序和流程，但是将理解的是，在一些实施例中，可以修改、移动、移除或添加一个或多个步骤，并且可以修改图11中描绘的流程。
在步骤1102处，可以从位于MEMS包装的一层或多层上和/或之内的温度传感器接收温度传感器输出(例如，通过MEMS设备的处理电路系统)。可以随时间接收温度传感器输出，使得可以识别温度的模式和改变。在一些实施例中，可以以组合形式接收温度传感器输出，例如，由连接为分配器或以其它合适配置连接的传感器计算的和或差。在一些实施例中，可以在传感器操作的特定阶段获得温度传感器输出，诸如在加电时获得、发起测量时获得、在MEMS设备操作期间周期性地获得以及在停机之前获得。在一些实施例中(图11中未描绘)，还可以获取来自其它设备、组件和传感器的信息(例如，与相邻组件的操作、外部温度测量、功耗等有关)。一旦接收到温度传感器输出，处理就可以继续到步骤1104。
在步骤1104处，可以处理温度传感器输出。温度传感器输出可以被单独处理，例如，利用用于去除温度传感器输出中的噪声的滤波器、放大器、A/D转换器和其它合适的组件，以便为进一步分析提供适当的缩放。一旦温度传感器输出被处理以供进一步分析，处理就可以继续到步骤1106。
在步骤1106处，可以基于接收到的值计算热梯度。如本文所述，通过在相对于热源的特定位置处以及在一些实施例中在MEMS包装的层内的不同层或不同深度处具有多个温度传感器，可以识别特定位置处的绝对温度或不同位置之间的温度差。还可以基于随时间的热梯度信息来确定热梯度的改变率。一旦已经计算出热梯度，处理就可以继续到步骤1108。
在步骤1108处，可以分析热梯度以确定是否应当采取某种形式的动作。在一些实施例中，容限可以与特定位置处的绝对温度、识别到高于阈值的绝对温度的温度传感器的数量、特定温度传感器位置之间的温度差、超过阈值的温度差的数量以及绝对温度值和/或温差值(例如0.1开尔文)的改变率相关联。在一些实施例中，可以基于热梯度信息来识别热源，例如，通过识别热源的位置和施加的模式。这种热源识别可以与已知的热源位置和模式以及从其它源接收的数据(例如，外部温度传感器数据或关于其它组件或设备的操作的信息)进行比较。一旦分析了热梯度，处理就可以继续到步骤1110。
在步骤1110处，可以(例如，由处理电路系统)确定是否已经识别出要求附加动作的错误。如果不要求附加动作，那么处理可以返回到步骤1102以接收附加的温度传感器输出。如果要求附加动作，那么可以基于识别出的错误的类型和严重性来识别附加动作。然后处理可以继续到步骤1112。
在步骤1112处，可以确定MEMS设备是否可以继续操作而不管错误。在一些实施例中，指示错误但具有低于某些阈值的特点(例如，绝对温度、温度差、改变率)的热梯度可能只要求通知或修改MEMS设备的操作，而更严重的错误可能要求MEMS设备部分或完全停机。如果MEMS设备可以继续操作，那么处理可以继续到步骤1114。如果MEMS设备不能继续操作，那么处理可以结束。
在步骤1114处，可以采取动作来修改MEMS设备的输出。这种修改可以包括添加附加补偿项或修改缩放因子，或激活MEMS设备中的热源。
而且在步骤1114处，可以提供通知。通知可以在MEMS设备内部和/或可以提供给外部组件和设备，并且可以提供有关错误的性质和严重性的信息，以及由MEMS设备采取的或要由其它组件和设备采取的任何校正性动作(例如，修改MEMS设备的输出的准确性)。对MEMS设备的操作的修改可以包括如本文描述的各种修改，诸如缩放因子的修改、补偿值的添加、测得的参数的计算的改变以及MEMS设备的操作参数(例如，驱动电压，检测电压等)的修改。一旦已提供通知和/或已修改传感器的操作，处理就可以返回到步骤1102以接收附加的温度传感器输出。
前述描述包括根据本公开的示例性实施例。提供这些示例仅用于说明目的，而不是用于限制目的。将理解的是，本公开可以以不同于本文明确描述和描绘的形式来实现，并且本领域的普通技术人员可以实现与以下权利要求一致的各种修改、优化和变化。

Claims (25)

1.一种用于识别设备内的热梯度的系统，包括：
微机电MEMS设备，包括：
多个层；
所述多个层内的腔体，其中一个或多个微机电组件能够响应于外力而在腔体内移动；
MEMS设备的平面表面；
介电材料层，耦合到平面表面；
多个温度传感器，其中至少一个温度传感器附接到介电材料层；
处理电路系统，被配置为接收来自所述多个温度传感器的信号并输出代表沿着垂直于MEMS设备的平面表面的轴的热梯度的响应信号，其中响应信号与来自所述多个温度传感器的信号之间的差成比例。
2.如权利要求1所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中介电材料层包括多个层，包括介电层和图案化的导电层。
3.如权利要求1所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中处理电路系统还被配置为确定基于所述一个或多个微机电组件响应于外力的移动的值并且基于热梯度来修改所述值。
4.如权利要求2所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中外力包括线加速度、角速度、磁场、声压或气压。
5.如权利要求3所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中，为了修改所述值，处理电路系统被配置为计算添加补偿项并将其加到所述值。
6.如权利要求3所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中，为了修改所述值，处理电路系统被配置为修改用于将所述值转换成外力的测量结果的缩放因子。
7.如权利要求3所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中，为了修改所述值，处理电路被配置为访问来自转换表的转换因子并且基于该转换因子修改所述值，其中转换表将多个热梯度中的每个热梯度与相应的转换因子相关联，并且其中每个相应的转换因子与由于热梯度引起的外力的改变对应。
8.如权利要求1所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中，为了计算热梯度，处理电路系统被配置为拒绝平面表面内的侧向热梯度。
9.如权利要求1所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中所述多个温度传感器以分配器或半桥配置耦合。
10.如权利要求1所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中所述多个温度传感器包括四个温度传感器并且以惠斯通桥配置耦合。
11.如权利要求1所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中该系统还包括：
MEMS设备的第二平面表面，与第一平面表面相对；
第二介电材料层，耦合到第二平面表面；以及
一个或多个温度传感器，附接到第二介电材料层或包含在第二介电材料层内。
12.如权利要求1所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中该系统还包括MEMS设备的与第一平面表面相对的第二平面表面，还包括：
第二介电材料层，耦合到第二平面表面；以及
包装层，其中包装层弯曲以耦合到第一介电材料层和第二介电材料层两者。
13.如权利要求12所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中第二介电材料层包括介电材料层的一部分。
14.如权利要求1所述的用于识别设备内的热梯度的系统，还包括：
包装层，耦合到介电材料层；以及
导热材料，附接到包装层，其中：
导热材料的第一热传递系数大于包装层的第二热传递系数；
所述多个温度传感器中的第一温度传感器沿着轴位于导热材料和平面表面之间；以及
所述多个温度传感器中的第二温度传感器不沿着轴位于导热材料和平面表面之间。
15.如权利要求1所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中所述多个温度传感器中的附接到介电材料层的所述至少一个温度传感器包括电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻或热电偶。
16.如权利要求1所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中所述多个温度传感器中的附接到介电材料层的所述至少一个温度传感器在介电材料层的平面上被图案化。
17.如权利要求1所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中所述多个温度传感器中的附接到介电材料层的所述至少一个温度传感器在介电材料层的上平面和介电材料层的下平面之间在介电材料层内被图案化。
18.如权利要求1所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中所述多个温度传感器中的至少一个温度传感器在多个半导体管芯内被图案化，其中所述多个半导体管芯位于MEMS设备的底部平面表面和介电材料层的上平面之间。
19.如权利要求1所述的用于识别设备内的热梯度的系统，还包括位于MEMS设备的所述多个层之一内的附加温度传感器，其中处理电路系统被配置为基于来自所述多个温度传感器的相应信号和来自附加温度传感器的附加信号确定热梯度。
20.如权利要求1所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中介电材料层是二氧化硅、氮化硅、有机聚合物或硅基聚合物。
21.如权利要求1所述的用于识别设备内的热梯度的系统，还包括加热器，该加热器能够配置为基于响应信号而供应热量。
22.如权利要求1所述的用于识别设备内的热梯度的系统，还包括包装层，其中所述多个温度传感器中的至少一个温度传感器附接到包装层。
23.如权利要求22所述的用于识别设备内的热梯度的系统，其中包装层的第一平面表面附接到介电材料层，并且其中所述多个温度传感器中的附接到包装层的所述至少一个温度传感器附接到定位为与包装层的第一平面表面相对的包装层的第二平面表面。
24.一种用于识别系统内的热梯度的方法，包括：
在处理电路系统处接收来自多个温度传感器的信号，其中所述多个温度传感器中的至少一个温度传感器附接到介电材料层，其中介电材料层耦合到微机电MEMS设备的顶部平面表面或MEMS设备的底部平面表面；
由处理电路系统基于来自所述多个温度传感器中的每个温度传感器的相应信号确定沿着垂直于顶部平面表面和底部平面表面的轴的热梯度；
由处理电路系统确定基于MEMS设备的一个或多个微机电组件响应于造成微机电组件的移动的外力的移动的值；以及
由处理电路系统基于热梯度修改所述值。
25.一种包装的微机电MEMS设备，包括：
MEMS设备，包括：
多个层；
所述多个层内的腔体，其中一个或多个微机电组件能够响应于外力而在腔体内移动；
MEMS设备的平面表面；
介电材料层，耦合到平面表面；
多个温度传感器，其中至少一个温度传感器附接到介电材料层，其中所述多个温度传感器包括四个温度传感器并且以惠斯通桥配置耦合。
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