CN1205841C - 压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到适合批量生产的小型固体硅基电容器传声器系统。不同元件的组合构成的这种传声器系统比现有技术所公开的任何其他系统更容易制造并且更经济。本发明还能与诸如表面安装器件拾取和放置技术等电子设备制造工艺兼容。本发明采用所述的传感器芯片包括一个腔室，位于传感器芯片的第一下表面上并且覆盖该传感器芯片的第二开口的一个振动膜。所述传感器芯片是安装到一个后期处理的芯片上的也包括一个腔室的一个弹抛片。采用导线焊接等常规技术将这种传声器系统用电路连接到一个外部衬底上。

Description

压力传感器

技术领域

本发明涉及到一种传感器，例如是电容传感器、压力传感器、声音传感器等等，具体涉及一种能够与半导体制造技术和实践相适应的压力传感器。

背景技术

在听觉仪器和移动通信系统工业中，一个主要目的是在仍然维持良好的电声性能并为用户提供舒适和满意的可操作性的条件下制成小型化的部件。技术性能数据包括灵敏度，噪声，稳定性，紧凑性，坚固性，以及对电磁干扰(EMI)和其他外部和环境条件的不敏感性。以往已经为制造更小的传声器系统并维持或改进其技术性能数据做出了许多尝试。

EP561566公开了一种固体电容器传声器，它在同一个芯片上设有一个场效应晶体管(FET)电路和一个空腔或声音入口。用来制造FET电路的技术和工艺与制造传感器元件所采用的技术和工艺截然不同。因此，EP561566中所描述的传感器元件和FET电路当然就需要两个(或者是多个)独立的制造步骤，使得制造过于复杂而且花费更高。

混合微型机电系统(MEMS)的发展近年来已经有了长足的进步。这主要是与用于制造这种系统的适用技术的发展有关。这种混合系统的优点之一涉及到尺寸，采用这样的尺寸可以制造包含机械微型传感器和特殊设计的电子设备在内的较复杂的系统。

在SMD块(表面安装器件)封装中的微型机械传感器是公知的，其中的芯片接合在一个有机或无机载体上(芯片面朝上)，而电线与通过焊接连接到印刷电路板(PCB)敷金属的层上的引线接合。这种封装往往大而成本高。

US5,889,872公开了一种由硅片传声器和安装在其上的集成电路芯片构成的混合系统，在硅片传声器和集成电路芯片之间的电连接采用电线接合。这种方案的缺点是需要额外的保护和用于接合电线的空间。

US5,856,914公开了一种安装了弹抛片的微型机械器件，例如是电容器传声器，由其上装有微型器件的载体的一部分构成最终系统的一部分。这种系统的缺点在于微型机械器件在安装到载体上之前可能没有经过测试。这种系统的另一个缺点是关于材料的选择。微型机械器件是包括硅，而载体是用PCB或陶瓷材料制成的。热膨胀系数的不同会使这些不同材料的集成复杂化。

发明内容

本发明的目的是提供一种传感器，其优点是

1.便于制造，

2.制造成本低，

3.包括集成电路器件，

4.具有小尺寸电路片，并且

5.与诸如SMD拾取和放置技术等电子设备制造工艺兼容。

本发明的另一个目的是提供一种全功能并封装的传感器，其工作性能与其在PCB上的最终位置无关。

本发明的再一个目的是提供一种功能全并可以在安装之前测试的封装的传感器。

本发明的又一个目的是提供一种传感器，传感器元件和电子电路之间的距离最小化，以便最大程度地减少寄生。

从一方面来看，本发明的上述和其他目的是这样得到满足的，提供一种传感器，例如是电容传感器、压力传感器、声音传感器、扬声器等等。

根据本发明，提供了一种传感器，包括：第一硅基芯片，它具有第一上表面和与第一上表面相对的第一下表面，并且包围一个第一腔室，第一腔室从第一腔室在第一上表面上的第一开口通过第一硅基芯片延伸到第一下表面上的第二开口，所述第一硅基芯片还包括位于第一下表面上并且覆盖第二开口的第一振动膜，具有第二上表面和第二下表面的第二硅基芯片，第二硅基芯片包围从第二上表面上的第三开口延伸进入第二硅基芯片的第二腔室，第一硅基芯片设于第二硅基芯片上，让第二开口对准第三开口，其特征在于，第二硅基芯片还包括一个硅基集成电路，所述硅基集成电路通过一或多个接触元件电连接到第一振动膜上，所述硅基集成电路与第二硅基芯片集成在一起，并且设在第二硅基芯片的第二上表面上。

传感器还包括布置在第一振动膜附近并与其大致平行的第一背板。第一振动膜和第一背板可以是导电的，并且组合成一个电容器，从而构成一个小型电容器传声器。

在本发明的最佳实施例中，第一衬底是安装在第二衬底上的弹抛片。第一振动膜和第一背板被连接到第一衬底上例如是焊接凸缘等接触元件上。第二衬底上设有对应着第一衬底的触点元件的触点元件。第一衬底的第一下表面被放置在第二衬底的第二上表面上，使触点处在对应的位置。放置到位后采用回流焊接来连接触点。

进而，第一衬底和第二衬底可分别具有围绕第二和第三开口的密封面。当第一衬底被固定在第二衬底上时，密封面相互连接形成密封或者是一个包围屏障。密封可以是气密密封，不漏气密封等等。可以用焊料环或环氧树脂环等等形成密封。

通过设在第二腔室和第二下表面之间的第四开口还能获得方向灵敏度。

集成电路最好是包括在操作中被连接到第一振动膜上的一个ASIC(专用集成电路)。例如，在本发明的电容器传声器中，可以通过在芯片中蚀刻第二腔室来进一步处理一个商用的ASIC芯片。然后通过上述触点元件将A硅C连接到第一振动膜和第一背板上。最好还能用封装包围集成电路。

最好是将传感器封装在喷涂，蒸发或电镀到传感器上面的一种聚合物或是金属层内。封装不应该覆盖第一衬底中的第一开口，允许外界环境与振动膜连通。最好用一个能够传递压力或压力变化的过滤片覆盖住第一开口。这种封装方法不需要金属或陶瓷制成的容器，这样就能缩小传感器的重量和尺寸，使传感器与衬底实现热匹配。

获得方向灵敏度的第二种方法是采用两个以上传感元件，例如是一个传感器阵列，在第二衬底中设有分开的后腔室，以便检测声波的相位差。

按照第二方面，本发明涉及到采用一个以上压力传感器的诸如方向性压力传感器等的方向性传感器。为了获得方向灵敏度，方向性传感器在按照第一方面所述的传感器之外进一步包括：

封闭在第一硅衬底中的第三腔室，它从第三腔室在第一上表面上的第五开口延伸通过第一硅衬底到达第一下表面上的第六开口，

位于第一下表面上并且覆盖第三腔室的第六开口的第二振动膜，以及

从第二上表面上的第七开口延伸进入第二硅衬底的第四腔室，第四腔室的第六开口对准第七开口。

传感器还可以包括布置在第二振动膜附近并与其大致平行的第二背板。第二振动膜和第二背板可以是导电的，并且组合成一个电容器。另外，第二振动膜和第二背板还可以通过焊接凸缘操作连接到集成电路。

最好用一个过滤片覆盖住第五开口。传感器还可以包括一种封闭第一和第二硅衬底的封装，并且具有对准第一和第五开口的一个开口。

附图说明

以下要参照附图解释本发明，在附图中：

图1是本发明的一种传声器的截面图，

图2是具有一个压力分级传感元件的一种方向性传声器的截面图，以及

图3是由用来检测相位差的一种绝对压力传声器阵列所构成的一种方向性传声器的截面图。

具体实施方式

在图1，2和3中没有必要按实际比例来绘制材料厚度和相互距离等尺寸以及可能的其他比例。传声器的尺寸大约是1-4mm。

图1所示的传声器具有下述结构。在硅片传感器芯片1内蚀刻有第一腔室10，它从上表面上的第一开口4延伸通过传感器到达第二开口6，支撑覆盖传感器芯片中的第二开口6的一个振动膜12和一个背板13。带有振动膜12和背板13的传感器芯片1可以采用用于缩微加工/制造的传统技术来制造。振动膜12和背板13都是导电的，并且彼此靠近地平行布置，用它们形成一个电容器。

背板13具有多个可以传声的穿孔19并且振动膜12具有一个微小气孔15用于平衡振动膜12两侧的静态压力。

传感器芯片1是通过焊接凸缘8安装到一个后期处理的硅芯片3上的一个弹抛片，在芯片的表面上包括诸如集成电路等电路17。后期处理的硅芯片3内还蚀刻有带第三开口7的第二腔室11。利用导电焊料密封环9或者是其他气密密封技术将传感器芯片1固定到硅芯片3上。

本发明的优点在于传感器芯片1和硅芯片3都是以硅片衬底为基础，从而避免热感应应力。

振动膜12和背板13电连接到多个独立焊接凸缘8上，焊接凸缘将振动膜12和背板13连接到硅芯片3。

第一开口4上覆盖有过滤片5或是一个软片或者是声传递材料的振动膜。整体结构被封闭在一个聚合物或金属封装16内，只留下过滤片5和焊点18。

上述结构具有以下功能。第一开口4可作为声音入口，外界声压通过覆盖第一开口4的过滤片5进入作为传声器的前腔室的第一腔室10。声压使振动膜12偏斜，导致振动膜12和背板13之间的空气通过穿孔19溢出。腔室11作为传声器的后腔室。振动膜12响应声压与背板13做相对运动。当振动膜12响应入射声压而运动时，由振动膜12和背板13构成的电容器的电容就会响应入射的声音而改变。硅芯片3上的集成电路17通过独立的焊接凸缘8电连接到振动膜12和背板13。集成电路17可用来检测由振动膜12和背板13构成的电容器的电容变化。集成电路17电连接到焊点18，以便将其电连接到听觉仪器中的电源和其他电子电路。

毋庸置疑，本领域的技术人员自己就能在诸如压力传感器和电容传感器等此类传感器的范围内对上述的系统做出各种修改和变更。因此，以上说明应该被理解为示例而并不意味着限制。

图2所示的传声器是一种检测压力梯度的方向性传声器。这种传声器和图1的传声器具有相同的基本结构，但是为了获得方向灵敏度在与后腔室11之间设置了一个开口24，使声波能够进入后腔室11。利用膜片12的偏斜来测量膜片12上的压力梯度，获得方向灵敏度。

图3所示的传声器也是一种方向性传声器。这种传声器可以检测冲击声波的相位差。这种传声器和图1的传声器具有相同的基本结构，然而，图3的传声器在第一衬底1中采用了两个传感元件，二者都有一个膜片12和一个背板13，并且都通过焊接凸缘8和带有各传感元件的腔室11并且均被一个过滤片5覆盖的密封环9连接到第二衬底3上。

将传感元件的数量从(图3所示的)两个增加到任意数量的传感元件，例如是布置成行和列的阵列，这对于本领域的技术人员是显而易见的。

Claims (15)

1.一种传感器，包括：

第一硅基芯片(1)，它具有第一上表面和与第一上表面相对的第一下表面，并且包围一个第一腔室(10)，第一腔室从第一腔室在第一上表面上的第一开口(4)通过第一硅基芯片(1)延伸到第一下表面上的第二开口，所述第一硅基芯片(1)还包括位于第一下表面上并且覆盖第二开口的第一振动膜(12)，

具有第二上表面和第二下表面的第二硅基芯片(3)，第二硅基芯片(3)包围从第二上表面上的第三开口延伸进入第二硅基芯片(3)的第二腔室(11)，第一硅基芯片(1)设于第二硅基芯片(3)上，让第二开口对准第三开口，

其特征在于，第二硅基芯片(3)还包括一个硅基集成电路(17)，所述硅基集成电路(17)通过一或多个接触元件(8)电连接到第一振动膜上，所述硅基集成电路(17)与第二硅基芯片(3)集成在一起，并且设在第二硅基芯片(3)的第二上表面上。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括布置在第一振动膜(12)附近并与其平行的第一背板(13)。

3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，第一振动膜(12)和第一背板(13)是导电的，并且组成一个电容器。

4.如权利要求2或3所述的传感器，其特征在于，还包括用于将第一背板(13)连接到硅基集成电路(17)的接触元件。

5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，在第一和第二硅基芯片之间由焊接凸缘(9)形成气密密封。

6.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，在第一和第二硅基芯片之间由环氧树脂环形成气密密封。

7.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，在第二硅基芯片(3)中的第二腔室和第二下表面之间还包括一个第四开口。

8.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括覆盖第一开口(4)的一个过滤片(5)。

9.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括一个封装(16)，所述封装(16)包围第一和第二硅基芯片，并且具有对准第一开口(4)的一个开口。

10.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括

包围在第一硅基芯片(1)中的第三腔室，它从该第三腔室在第一上表面上的第五开口延伸通过第一硅基芯片(1)到达第一下表面上的第六开口，

位于第一下表面上并且覆盖第三腔室的第六开口的第二振动膜，以及

从第二上表面上的第七开口延伸进入第二硅基芯片(3)的第四腔室，第三腔室的第六开口与第七开口对准。

11.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，还包括布置在第二振动膜附近并与其平行的第二背板。

12.如权利要求11所述的传感器，其特征在于，第二振动膜和第二背板是导电的，并且组成一个电容器。

13.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，还包括用来将第二振动膜和第二背板连接到硅基集成电路上的焊接凸缘。

14.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，还包括覆盖第五开口的过滤片。

15.如权利要求14所述的传感器，其特征在于，还包括一个封装，所述封装包围第一和第二硅基芯片，并且具有与第一和第五开口对准的开口。

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