CN1387741A - 基于硅的传感器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固态基于硅的电容式话筒系统,该系统适于批量生产。与现有技术中公开的任何其它系统相比,形成该话筒系统的不同元件的组合更灵活。话筒系统不同元件之间的电连接采用倒装片式技术经硅载体经济且可靠地建立。本发明使用一种集成的电子电路芯片,优选一种专用集成电路(ASIC),它可分开地并与该话筒的换能器元件的设计和制造无关地设计和制造。完整的传感器系统可借助表面安装技术以朝向与上述对环境的接口不矛盾的系统一侧的接触与外部衬底电连接。这允许用户将简单且有效的表面安装技术应用于整个系统的装配。
Description
发明领域
本发明涉及一种传感器系统，该传感器系统包括一载体部件，一换能器元件和一电子设备。本发明具体涉及使用倒装片技术装配的电容式话筒系统。本发明进一步涉及适于表面安装在例如印刷电路板(PCB)上的电容式话筒系统。
发明背景
在听觉仪器和移动通信系统工业中，基本目标之一是使元件小型化，同时还要保持良好的电声性能以及给予良好的用户友好性和满意性的可操作性。技术性能数据包括灵敏度、噪音、稳定性、紧密度、强度和对电磁干扰(EMI)和其它外部和环境条件的不灵敏性。过去，已对在保持或改善它们的技术性能数据的同时制造较小的话筒系统进行过多次尝试。
这些元件工业中的另一种观点涉及集成在整体系统中的简易性。
EP 561 566公开了一种固态电容式话筒，它具有位于同一芯片上的一场效应晶体管(FET)电路系统和一空腔或声音入口。用于制造FET电路系统的技术和工艺与用于制造换能器元件的技术和工艺有很大不同。因此，在EP 561 566中公开的换能器元件和FET系统要求两个(或可能更多)分开的制造阶段，就其本质而言这使得制造更为复杂并由此成本也更高。
在过去的几年中，混合微电子机械系统(MEMS)取得了显著的进展。这基本上与用于制造这种系统的适当技术的发展有关。这种混合系统的优点之一涉及规模，藉此规模包括机械微换能器和特别设计的电子设备的相对复杂的系统可得以制造。
US 5,889,872公开了一种混合系统，该系统包括一个硅话筒和使用用于电连接的引线接合安装其上的集成电路芯片。该解决方案的缺点在于需要对接合引线的附加的保护和空间。
US5,856,914公开了一种倒装片式安装的微型机械器件，诸如一电容式话筒，该微型器件安装其上的一部分载体形成最终系统的一部分。该系统的缺点在于这样的事实，该微型机械器件在安装在载体上之前不能被测试。该公开的系统的另一缺点涉及所选择的材料。该微型机械器件由Si组成，而载体由PCB或陶瓷材料制成。热膨胀系数的不同可易于使这些不同材料的集成复杂化。
在丹麦期刊Elektronik og Data1998年，第3期，第4-8页的文章“第一种基于硅的微型话筒”公开了可如何设计并制造基于硅的话筒系统。该文章公开了一种三层话筒系统，在此一换能器元件倒装片式安装在将该换能器元件连接到一电子设备的中间层上，诸如一专用集成电路(ASIC)。该换能器元件包括一可动的膜片和一基本上刚性的背面板。在换能器元件的对面安装形成背面室的基于硅的结构。值得注意的是，为了使话筒系统与环绕物电连接，需要引线接合或直接焊接。
本发明的目的在于提供一种传感器系统，形成传感器系统的不同元件应用标准的适于批量生产的技术倒装片式安装。
本发明的另一目的在于提供一种全功能且密封的传感器系统，该系统可与它在例如一PCB上的最终位置无关地工作。
本发明的又一目的在于提供一种全功能且密封的传感器系统，该系统可在最终安装前被测试。
本发明的又一目的在于提供一种传感器系统，该系统适于使用倒装片式或表面安装技术安装在例如PCB上，并由此避免引线接合或复杂的裸芯片处理。
本发明的又一目的在于提供一种传感器系统，该系统中换能器元件和电子电路间的距离被减小，以减小寄生效应和占用空间。
发明概述
通过在第一种情况中提供一传感器系统，上述目的得以实现，该传感器系统包括：
一个具有第一表面的载体部件，所述第一表面容纳第一和第二组接触元件，
一个包括一有源部件的换能器元件，所述有源部件与换能器元件的至少一个接触元件连接，所述至少一个接触元件与第一组载体部件的接触元件之一对准以便获得该有源部件和该载体部件之间的电接触，以及
一种包括具有至少一个接触元件的集成电路的电子设备，所述至少一个接触元件与第二组载体部件的接触元件之一对准，以便获得该集成电路和该载体部件之间的电接触，
其中第一组的至少一个接触元件与第二组的至少一个接触元件电连接，以便获得换能器元件的该有源部件和电子设备的该集成电路之间的电接触。
原则上换能器元件可为任何类型的换能器，诸如压力换能器，加速度计或温度计。
为了使传感器系统与环绕物进行互通，载体部件可进一步包括一第二表面，所述第二表面容纳多个接触元件。第一或第二组的至少一个接触元件与第二表面容纳的接触元件之一电连接。该第一和第二表面可基本上是彼此平行和相对的。
载体部件和换能器元件可以是基于半导体材料诸如硅的。为了消除热应力的影响，载体部件，换能器元件和电子设备可以是基于相同半导体材料的。再次，该材料可以是硅。
为了形成话筒应用的背面室，载体部件可进一步包括与换能器元件的有源部件对准的凹槽。同样为话筒的应用，换能器元件的有源部件可包括一个电容器，该电容器由弹性膜片和基本上刚性的背面板组合形成。此外，换能器元件进一步包括一空腔或声音入口。该空腔的底部可由换能器元件的有源部件限定或形成。该弹性膜片和基本上刚性的背面板可分别与换能器元件的第一和第二接触元件电连接，以便将由换能器元件接收的信号传递给载体部件。
集成电路可适于信号处理。该集成电路可为一ASIC。
为了获得方向敏感性，传感器可进一步包括一位于载体部件的第二表面和凹槽之间的开口或声音入口。
为了保护换能器元件免于例如微粒或湿气，传感器的外表面至少部分地由一盖保护。换能器元件的盖和有源部件可分别限定空腔的上下边界。此外，传感器系统的至少一个外表面可容纳一导电层。该导电层可包括一金属层或一导电聚合物层。
接触元件可包括焊料材料，诸如锡、银锡、金锡或铅锡。此外，传感器系统可包括用于气密封接换能器元件的封接手段。
在第二种情况中，本发明涉及一种传感器系统，该传感器系统包括：
一具有第一表面的载体部件，所述第一表面容纳第一，第二和第三组接触元件，
包括一有源部件的第一换能器元件，所述有源部件与第一换能器元件的至少一个接触元件电连接，所述至少一个接触元件与该第一组载体部件的接触元件之一对准，以便获得第一换能器元件的有源部件和载体部件之间的电接触，
包括一有源部件的第二换能器元件，所述有源部件与第二换能器元件的至少一个接触元件电连接，所述至少一个接触元件与第二组载体部件的接触元件之一对准，以便获得第二换能器元件的有源部件和载体部件之间的电接触，以及
一包括具有至少一个接触元件的集成电路的电子设备，所述至少一个接触元件与第三组载体部件的接触元件之一对准，以便获得集成电路和载体部件之间的电接触。
其中第一组的至少一个接触元件与第三组的至少一个接触元件电连接，并且其中第二组的至少一个接触元件与第三组的至少一个接触元件电连接，以便获得第一换能器元件的有源部件和集成电路之间的电接触，以及第二换能器元件的有源部件和集成电路之间的电接触。
按照第二种情况的传感器可适于定向传感，诸如用于对方向敏感的压力换能器。
载体部件，诸如基于硅的载体部件，可进一步包括容纳多个接触元件的第二表面。为了获得与第二表面的电连接，第一、第二或第三组的至少一个接触元件可与在第二表面容纳的接触元件之一电连接。该第一和第二表面可基本上彼此平行和相对。优选，换能器元件和电子设备是基于硅的。
载体部件可进一步包括第一和第二凹槽，该第一凹槽与第一换能器元件的有源部件对准，该第二凹槽与第二换能器元件的有源部件对准。该第一和第二凹槽用作背面室。
第一和第二换能器元件中的每一个可另外外包括一空腔，所述空腔的底部由第一和第二换能器元件的有源部件限定。
为了测量例如压力的变化，第一和第二换能器元件的每个有源部件可包括一电容器，所述电容器由一弹性膜片和基本上刚性的背面板组合形成。该弹性膜片和基本上刚性的背面板可与相应的换能器元件的接触元件电连接。
第一和第二换能器元件中的每一个可另外包括一用于保护换能器元件的盖。第一和第二换能器元件的盖和有源部件可以这种方式定位，即它们限定了相应空腔的上下边界。
传感器系统的至少部分外表面可容纳一导电层。该导电层可为一金属材料层或一导电聚合物层。该接触元件可包括焊料材料，诸如锡、银锡、金锡或铅锡。
按照本发明的固态基于硅的电容式话筒系统适于批量生产。与在现有技术中公开的任何其它系统相比，形成该话筒系统的不同元件的组合更为灵活。本发明例如通过位于系统一侧的开口使提供一与环境非常良好限定的接口成为可能。该开口可由一薄膜或过滤器覆盖，以防尘、湿气和其它杂质污染或干扰话筒的性能。话筒系统的不同元件之间的电连接采用倒装片式技术经硅载体经济且可靠地建立。
本发明使用一种集成的电子电路芯片，优选一种ASIC，它可分开地并与话筒的换能器元件的设计和制造无关地设计和制造。这是有利的，因为用于制造集成电子电路芯片的技术和工艺与制造换能器元件的技术和工艺不同，并且每个制造阶段可由此被独立地最佳化。此外，换能器元件和ASIC的测试可在晶片级进行。
完整的传感器系统可借助表面安装技术以朝向与上述对环境的接口不矛盾的系统一侧的接触与外部衬底电连接。这允许用户将简单且有效的表面安装技术应用于整个系统的装配。
附图简述
现在将参照附图进一步详细解释本发明，其中
图1为基于硅的传感器系统的总体应用的说明，
图2为带盖的基于硅的传感器系统的总体应用的说明，
图3为基于硅的传感器系统的话筒应用的说明，
图4为密封的话筒应用的说明，
图5为一横向馈通和封接环的闭合，
图6为基于硅的传感器系统的定向话筒应用的说明，以及
图7为基于硅的传感器系统的第二种定向话筒应用的说明。
发明详述
用于制造传感器系统的不同元件的工艺主要包括微技术领域内的已知技术。
图1示出包含一个或多个垂直刻蚀的馈通孔20的硅载体衬底2。为本体晶体硅的该硅载体衬底2具有分别位于第一表面和第二表面上的焊料块8、22。电信号从第一表面经馈通线23输送到第二表面。在第一表面上，一个或多个换能器元件1倒装片式安装在硅载体衬底2上，由第一组焊料块8连接和固定。同样在第一表面上，一个或多个电子设备，诸如集成电路芯片3，倒装片式安装在硅载体衬底2上，由第二组焊料块8连接和固定。焊料块8的材料通常为锡、银锡、金锡或铅锡，但也可以使用其它金属。
焊料封接环9提供换能器元件1的封接。在这种情况下，馈通线23用于将电信号在封接环9中从换能器元件1输送到电子设备3。这在图5中非常详细地示出。该信号同样可由其它导电路径输送到电子电路。
导电路径23也可例如借助刻蚀孔20和随后的金属化贯通载体形成。该刻蚀可借助湿化学刻蚀或干等离子刻蚀技术实现。该路径23被称为垂直馈通并可用于将电信号从或者换能器1或电子电路3输送到载体的第二表面。
第二表面被提供以焊料块22用于在例如PCB或另一载体上的表面安装。
图2示出类似图1所示组件的组件，但在此实施例中，电子设备3已由一组焊料块8以及其它诸如未充满或粘合剂21的手段连接和固定。此外，该组件由盖5保护，该盖被固定于倒装片式安装的换能器元件1或电子设备3或二者。盖5具有提供良好确定对环境接入的开口4，例如传输声音的格栅或过滤器，保护话筒免于微粒或湿气。该盖可例如分别借助打孔或注射成型由金属或聚合物分别制成。
在图3和4中示出用于话筒应用的系统。在这些实施例中换能器元件1是一话筒，并且背面室11已刻蚀在硅衬底2中。借助用KOH、TMAH或EDP为反应物的湿法刻蚀工艺或借助诸如反应离子刻蚀的干法刻蚀工艺将该背面室刻蚀在硅载体中。该空腔11可在与馈通孔20相同的步骤中被刻蚀。
图3和4之间的不同之处在于，图4中的系统已用过滤器5密封以提供EMI屏蔽。该EMI屏蔽16是一诸如银环氧化物的导电聚合物层或诸如电镀的或蒸发的Cu或Au的金属层。此外，图4中的集成电路芯片3和过滤器5已借助诸如未充满或粘合剂21的附加手段连接和固定。
下述是话筒的功能。开4用作声音入口，周围声压经覆盖开口4的过滤器5进入用作话筒前室的空腔10。声压弯曲膜片12，这使膜片12和背面板13之间的空气经孔眼19排出。
该膜片可以不同的方式设计和制造。作为实例膜片可被设计为三层的结构，该三层结构可具有包括氮化硅的两个外层，而中间层包括包括多晶硅。包括在中间层中的多晶硅或者用硼(B)或者用磷(P)掺杂。背面板同样包括B或P掺杂的多晶硅和氮化硅。空腔11用作话筒的背面室。
当膜片12响应入射声压被弯曲时，由膜片12和背面板13形成的电容器的电容量将随入射声压而变化。集成电路芯片3上的电路经焊料块8与膜片12和背面板13电连接。该电路被设计为检测由膜片12和背面板13形成的电容器的电容量的变化。该电路经焊料块8和垂直馈通线23与焊料块22电连接，用于将其与电源和例如听觉仪器中的其它电子电路系统电连接。
当由膜片12和背面板13形成的电容器工作时，背面板13与DC电源连接以便给背面板13充电。当由于响应变化的声压，膜片12和背面板13之间的距离变化使电容变化时，一AC电压被叠加所施加的DC电平的顶端。该AC电压的幅度是对电容变化的一种度量并由此也是对膜片受到的声压的一种度量。
图5中示出横向馈通线24和封接环9的闭合。馈通24由绝缘层25与封接环9和衬底2电绝缘。绝缘层25类似地将换能器1的焊料块8与衬底2绝缘。换能器1的焊料块8和电路芯片3的焊料块8经馈通线24电连接。
图6中示出与图3的话筒类似的话筒。但是，在背面室11中引入开口24。开口24使膜产生弯曲，该弯曲反射膜上的压力梯度导致话筒的方向敏感性。
图7中示出与图3中话筒类似的话筒。但是，添加一附加的换能器元件，使得话筒现在使用两个换能器元件1，两个换能器元件都包含膜12和背面板13。两个换能器元件均由每个换能器元件的焊料块8和带有凹槽11的封接环9与载体部件3连接。两个换能器元件能够测量导致话筒的方向敏感性的撞击声波的相差。
将传感元件的数量从两个(如图7所示)增加至例如以行列阵列排列的任意数量的传感元件，对于普通技术人员将是显然的。
Claims (30)
1.一种传感器系统，包括
-一个具有第一表面的载体部件，所述第一表面容纳第一和第二组接触元件，
-一个包括一有源部件的换能器元件，所述有源部件与换能器元件的至少一个接触元件连接，所述至少一个接触元件与第一组载体部件的接触元件之一对准，以便获得该有源部件和该载体部件之间的电接触，以及
-一种包括具有至少一个接触元件的集成电路的电子设备，所述至少一个接触元件与第二组载体部件的接触元件之一对准，以便获得该集成电路和该载体部件之间的电接触。
其中第一组的至少一个接触元件与第二组的至少一个接触元件电连接，以便获得换能器元件的有源部件和电子设备的集成电路之间的电接触。
2.根据权利要求1的传感器系统，其中该载体部件进一步包括第二表面，所述第二表面容纳多个接触元件，其中第一或第二组的至少一个接触元件与由第二表面容纳的接触元件之一电连接。
3.根据权利要求2传感器系统，其中该第一和第二表面基本上彼此平行和相对。
4.根据权利要求1-3任何之一的传感器系统，其中该载体部件是基于硅的载体部件。
5.根据权利要求1-4任何之一的传感器系统，其中该载体部件进一步包括一凹槽，所述凹槽与该换能器元件的有源部件对准。
6.根据权利要求1-5任何之一的传感器系统，其中该换能器元件进一步包括一空腔，该有源部件限定所述空腔的底部。
7.根据权利要求5的传感器系统，进一步包括载体部件的第二表面和凹槽之间的开口。
8.按照前述权利要求任何之一的传感器系统，其中该换能器元件是基于硅的。
9.按照前述权利要求任何之一的传感器系统，其中该载体部件、换能器元件和电子设备是基于硅的。
10.根据权利要求1的传感器系统，其中该换能器元件的有源部件包括一电容器，所述电容器由一弹性膜片和一基本上刚性的背面板组合形成。
11.根据权利要求6的传感器系统，其中该换能器元件进一步包括一盖，换能器元件的盖和有源部件限定该空腔的上下边界。
12.按照前述权利要求任何之一的传感器系统，其中该传感器系统的至少部分外表面容纳一导电层。
13.根据权利要求12的传感器系统，其中该导电层包括一金属层。
14.根据权利要求12的传感器系统，其中该导电层包括一导电聚合物层。
15.按照前述权利要求任何之一的传感器系统，其中该接触元件包括一焊料材料，诸如锡、银锡、金锡或铅锡。
16.根据权利要求6的传感器系统，进一步包括用于气密封接换能器元件的封接手段。
17.一种传感器系统，包括
-一具有第一表面的载体部件，所述第一表面容纳第一，第二和第三组接触元件，
-包括一有源部件的第一换能器元件，所述有源部件与第一换能器元件的至少一个接触元件电连接，所述至少一个接触元件与该第一组载体部件的接触元件之一对准，以便获得第一换能器元件的有源部件和载体部件之间的电接触，
-包括一有源部件的第二换能器元件，所述有源部件与第二换能器元件的至少一个接触元件电连接，所述至少一个接触元件与第二组载体部件的接触元件之一对准，以便获得第二换能器元件的有源部件和载体部件之间的电接触，以及
-包括具有至少一个接触元件的集成电路的电子设备，所述至少一个接触元件与第三组载体部件的接触元件之一对准，以便获得该集成电路和该载体部件之间的电接触。
其中第一组的至少一个接触元件与第三组的至少一个接触元件电连接，并且其中第二组的至少一个接触元件与第三组的至少一个接触元件电连接，以便获得第一换能器元件的有源部件和该集成电路之间的电接触，以及第二换能器元件的有源部件和该集成电路之间的电接触。
18.根据权利要求17的传感器系统，其中该载体部件进一步包括第二表面，所述第二表面容纳多个接触元件，其中第一、第二或第三组的至少一个接触元件与由第二表面容纳的接触元件之一电连接。
19.根据权利要求18传感器系统，其中该第一和第二表面基本上彼此平行和相对。
20.根据权利要求17-19任何之一的传感器系统，其中该载体部件是基于硅的载体部件。
21.根据权利要求17-20任何之一的传感器系统，其中该载体部件进一步包括第一和第二凹槽，该第一凹槽与第一换能器元件的有源部件对准，该第二凹槽与第二换能器元件的有源部件对准。
22.根据权利要求17-21任何之一的传感器系统，其中第一和第二换能器元件中的每个进一步包括一空腔，所述空腔的底部由第一和第二换能器元件的有源部件限定。
23.根据权利要求17-22任何之一的传感器系统，其中该第一和第二换能器元件是基于硅的。
24.根据权利要求17-23任何之一的传感器系统，其中该载体部件、第一和第二换能器元件以及电子设备是基于硅的。
25.根据权利要求17-24任何之一的传感器系统，其中第一和第二换能器元件的有源部件中的每个包括一电容器，所述电容器由一弹性膜片和一基本上刚性的背面板组合形成。
26.根据权利要求17-25任何之一的传感器系统，其中第一和第二换能器元件中的每个进一步包括一盖，其中第一和第二换能器元件的盖和有源部件限定相应空腔的上下边界。
27.根据权利要求17-26任何之一的传感器系统，其中该传感器系统的至少部分外表面容纳一导电层。
28.根据权利要求27的传感器系统，其中该导电层包括一金属层。
29.根据权利要求27的传感器系统，其中该导电层包括一导电聚合物层。
30.根据权利要求任何17-29任何之一的传感器系统，其中该接触元件包括一焊料材料，诸如锡、银锡、金锡或铅锡。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHENGYANG MENSI CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: MICROTRONICS A/S Effective date: 20030424 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20030424 Address after: Danish kongens Lyngby Applicant after: Sonion Clemens Limited by Share Ltd. Address before: Roskilde Applicant before: MICROTRONIC A/S |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: EPCOS PRIVATE LIMITED Free format text: FORMER OWNER: PARS MEMS CO., LTD. Effective date: 20121113 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: PARS MEMS CO., LTD. Free format text: FORMER NAME: SONION LYNGBY A/S |
|
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: Roskilde Patentee after: MEMS Co.,Ltd. Address before: Denmark Frilandsmuseet Patentee before: Shengyang Lingbi Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20121113 Address after: Singapore Singapore Patentee after: Epp Kos Private Ltd. Address before: Roskilde Patentee before: MEMS Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20170523 Address after: Tokyo, Japan Patentee after: TDK Corp. Address before: Singapore Singapore Patentee before: Epp Kos Private Ltd. |
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| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20050525 |
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| CX01 | Expiry of patent term |