CN1816731A - 保护微机电系统装置的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明介绍了一种装配包括微电机(208)的微机电系统(MEMS)装置(200)的方法。这种方法包括步骤：在具有顶面(224)和底面(222)的电路小片上形成微电机；在外壳(202)的表面(228)上设置若干个小片焊接凸点(226)；和将所述电路小片顶面和所述微电机部件其中至少一个安装到小片焊接凸点，使得所述电路小片的底表面至少能够部分保护微电机的部件免受释放的吸气材料的影响。

Description

保护微机电系统装置的方法和设备
技术领域
本发明大体上涉及微机电系统(MEMS)装置的制造，具体地，涉及MEMS装置内的吸气装置和由吸气材料引起的问题。
背景技术
微机电系统(MEMS)包括集成在一块基片如硅基片上的电和机械部件。MEMS装置的基片有时称作电路小片。电部件采用集成电路工艺制造，而机械部件采用兼容于集成电路工艺的显微机械加工工艺制造。这种组合使得能够用标准制造工艺生产出可装配到芯片载体内的整个系统。
MEMS装置的一个常见应用是惯性传感器。MEMS装置的机械部分使惯性传感器具有传感能力，而MEMS装置的电部分处理来自机械部分的信息。使用MEMS装置的惯性传感器的一个实例是陀螺仪。
MEMS的生产工艺包括将MEMS装置的工作部分，有时称作微电机，设置到芯片载体或外壳内，然后将其气密密封。吸气器往往安装在外壳上，以促进清除如水蒸气和氢气。
然而吸气器可释放影响MEMS装置工作的微粒。在一实例中，MEMS陀螺仪和其它基于MEMS的惯性装置处于高地球引力下，使得大量微粒从吸气器释放出来，与MEMS装置的运动部件接触。
发明内容
一方面，本发明提供了一种装配包括微电机的微机电系统(MEMS)装置的方法。这种方法包括步骤：在具有顶面和底面的电路小片形成微电机；在外壳的表面设置若干个小片焊接凸点；和将所述电路小片顶面和微电机部件其中至少一个安装到小片焊接凸点，使得电路小片的底表面至少能够部分保护微电机的部件免受释放的吸气材料的影响。
另一方面，本发明提供了一种包括微电机的微机电系统(MEMS)装置，包括电路小片和标准质量、马达驱动梳、马达拾取梳、感知板其中至少一个。这种MEMS装置还包括能容纳微电机的外壳、固定在外壳形成基本密封的空腔的盖子、和安装在该基本密封的空腔内的吸气器。微电机连接在外壳上，使得电路小片能够保护标准质量、马达驱动梳、马达拾取梳和感知板，免受吸气器释放的微粒的影响。
还有一方面，本发明提供了一种包括外壳和微电机的微机电系统(MEMS)陀螺仪，包括电路小片、至少一个感知板、至少一个相距所述至少一个感知板悬挂的标准质量、至少一个马达驱动梳和至少一个马达拾取梳。这种陀螺仪还包括装有吸气材料的吸气器，和固定在外壳形成用于微电机和吸气器的基本密封空腔的盖子。电路小片安装在空腔内，能够至少部分防止吸气器释放的吸气材料接触感知板、标准质量、马达驱动梳和马达拾取梳。
还有另一方面，本发明提供了一种方法，可将微机电系统(MEMS)的微电机部分安装在包括吸气器的微机电系统的外壳部分内。这种方法包括在电路小片上形成微电机，然后微电机在外壳内的定位使得电路小片位于吸气器和微电机的部件之间。
还有另一个方面，本发明提供了一种微机电系统(MEMS)加速度计，包括外壳、微电机、吸气器、和固定在外壳的盖子。所述微电机包括电路小片、至少一个感知板、至少一个相距至少一个感知板悬挂的标准质量、至少一个马达驱动梳和至少一个马达拾取梳。吸气器内装有吸气材料，且盖子和外壳能形成用于微电机和吸气器的基本密封的空腔。电路小片安装在空腔内，能够基本上阻止吸气器释放的吸气材料接触感知板、标准质量、马达驱动梳和马达拾取梳。
附图说明
图1是使用吸气器的已知MEMS装置的侧视图；
图2是MEMS装置的侧视图，其中的微电机以倒转结构方式安装；和
图3是MEMS陀螺仪的示意图，可利用图2介绍的微电机。
具体实施方式
图1是微机电系统(MEMS)100的已知实施例的示意图。微机电系统100包括外壳102(有时称作芯片载体)，盖子104最终固定其上以形成密封空腔。电导线106形成与微电机108的电连接，微电机108包括固定于外壳102的电路小片110。如图1所示，电接头109可通过外壳102连接外部装置(未示出)。比如，对于MEMS音叉陀螺仪，微电机108包括标准质量114、马达驱动梳116和马达拾取梳118。微电机108还包括与标准质量114形成平行板电容器的感知板120。在一实施例中，感知板120是沉积在电路小片110上并形成图案的金属薄膜。电路小片110利用接触件124固定在外壳102的底面122。接触件124有时称作小片焊接凸点。在一实施例中，电路小片110、接触件124及外壳102的连接是通过热压接合法或别的已知粘结法来实现的。
微电机108固定到外壳102后，将盖子104安装到外壳102上形成基本气密的密封。在一实施例中，当盖子104安装到外壳102时形成空腔126。空腔126首先抽真空，除去其中的任何气体(如氧气、氢气、水蒸气)。然后空腔反填充干燥气体至受控压力。一般干燥气体是惰性气体如氮气或氩气。在另一实施例中，盖子104在真空状态下安装到外壳102，空腔126内形成真空。空腔126形成能够使微电机108的部件自由运动的环境。举例来说，标准质量114可活动地连接到电路小片110，因而可以在空腔126的真空中振荡。
然而，外壳102和盖子104之间一般并不是绝对密封的。在一实施例中，包括吸气材料(未示出)的吸气器130固定到吸气器基片132上。然后将吸气器基片132连接到盖子104上。如本技术领域已知的，吸气器130除去空腔126内的水蒸气或其它气体(如氢气)。已知道随着时间的推移，这些气体会透过外壳102和盖子104之间的密封，而且还知道随着时间的推移，构成外壳102和盖子104的材料会放出这些气体(到空腔126中)。除去水蒸气和其它气体有助于保持空腔126内的环境。如上所述，吸气器130的吸气材料一般是微粒状的，有些吸气材料可能会从吸气器130脱离。
图2示出了MEMS装置200的侧视图，其外壳202安装盖子204，以形成基本密封的空腔206。MEMS装置200包括以倒转结构方式固定在外壳202上的微电机208。在此使用的术语“倒转”指的是外壳内微电机的安装方向与已知的安装方向相比是颠倒的。微电机208包括电路小片210、标准质量214、马达驱动梳216和马达拾取梳218。微电机208还包括与标准质量214形成平行板电容器的感知板220。在一实施例中，感知板220是沉积在电路小片210并形成图案的金属薄膜。标准质量214、马达驱动梳216、马达拾取梳218和感知板220利用已知方法安装在电路小片210上。然而，与已知的MEMS装置将电路小片210的底面222直接安装到小片焊接凸点的方式不同，微电机208在固定到小片焊接凸点之前被翻转，因而微电机208的其它部分固定到小片焊接凸点上，如下面所要进一步介绍的。
如图2所示，马达驱动梳216和电路小片210的顶面224一般通过热压接合法方法固定到小片焊接凸点226上，小片焊接凸点226设置在外壳202的底面228上。在一实施例中，小片焊接凸点226是金的触点。通过翻转微电机208，电路小片210也被翻转，于是电路小片210的底面222对微电机208的工作部分和活动部分(如标准质量214和感知板220，以及马达驱动梳216和马达拾取梳218的一部分)起到保护作用。因此，由于微电机208相对于吸气器230的这种位向，可以阻止由于振动从吸气器230释放的吸气材料微粒接触微电机208的部件。
电路小片210的位向和小片焊接凸点226的布置使得这种焊接凸点能够用作微电机208的部件的电触点。再参考图2，焊接凸点240与电路小片210上的电节点242接触，而焊接凸点244与马达驱动梳216电接触。焊接凸点240和244还可以通过若干电导体250的其中一个与外壳202外面的回路形成电接触。图中所示的电导体250形成了从外壳202底面228至外壳202的外表面254的导电路径。下面将参考图3进一步介绍利用与导线250类似的电导体形成的许多这样的电连接。利用更多的焊接凸点226和这样的导线可以形成至微电机208部件的更多连接。
MEMS装置200可包括比前面所介绍的更多或更少的部件。举例来说，虽然图中示出了四个电接头(比如四个焊接凸点226)，但是所属领域的技术人员应当认识到，MEMS装置中也可以包括二个以上的触点和/或引脚。而且，除了上面所介绍的那些部件之外，MEMS装置200还可设有其它部件(标准质量、驱动梳、拾取梳等)。此外，MEMS装置200的部件可具有多种功能。微电机208可以是任何的符合微机电系统和基于微机电系统装置的电子机械设备。而且，还可以使用其它封装方法形成MEMS装置200的外壳。附图所示实施例只是用来说明如何安装微电机以阻止释放的吸气材料，而不是用来描述具体的MEMS装置。
图3是MEMS陀螺仪400的示意图，其中安装有位置与图2所示微电机208类似的微电机。这个位置在此称作倒转或翻转取向。MEMS陀螺仪400包括外壳402(与图2示出的外壳202类似)，里面装有作为音叉陀螺仪(TFG)404的微电机。外壳402用盖子(未示出)密封。外壳402可以是塑料封装、小外形集成电路(SOIC)封装、陶瓷无引线芯片载体、塑封有引线芯片载体(PLCC)封装、四线扁平封装(QFP)或本技术领域中已知的其它外壳。外壳402提供了这样的结构，能够将音叉陀螺仪404的部件布置在同一位置和/或使其它部件相互靠紧布置在外壳402内。在一实施例中，音叉陀螺仪404安置在基本密封的空腔406内，空腔通过将盖子粘合到外壳402而形成。
在一实施例中，音叉陀螺仪404包括标准质量414、马达驱动梳416、马达拾取梳418和晶片上的感知板420。外壳402内可包括前置放大器422，通过小片焊接凸点226(在图2中示出)电连接到或耦合到标准质量414和感知板420的组合体。在一实施例中，前置放大器422和音叉陀螺仪404可设置在共用基片上并相互电连接。在其它实施例中，前置放大器422电连接到标准质量414。前置放大器422的输出信号发送给传感电子装置424，或者，前置放大器422可以结合在传感电子装置424内。
此外，马达拾取梳418的输出信号426传递给反馈监视器428。反馈监视器428提供输出信号430到向马达驱动梳416提供动力的驱动电子装置432。或者，反馈监视器428可以结合在驱动电子装置432内。MEMS陀螺仪400还包括系统电源和其它电子装置，但为了便于说明未在图3中示出。
其它实施例中(未示出)，可以将一个或多个前置放大器422、感觉电子装置424、反馈监视器428和驱动电子装置432安装在电路小片210(如图2所示)的底面222(如图2所示)。为了使这些部件与外壳202(在图2中示出)外面的部件电连接，外壳202设置成带有电导线106和电接头109，与图1所示的类似。
通过将电压施加到标准质量414的电极，马达驱动梳416利用静电激励标准质量414。马达拾取梳418通过监测标准质量414电极上的电压信号，监视标准质量414的激励或振荡。马达拾取梳418输出反馈信号至反馈监视器428。反馈监视器428提供输出信号430，输入到驱动电子装置432。如果标准质量414开始振荡得太快或太慢，驱动电子装置432可以调节振荡频率使标准质量414以谐振频率振动。这种频率下的激励可以产生较高振幅的输出信号。当微电机以倒转结构方式安装时，利用小片焊接凸点，上述的许多或全部电互联都可以实现。
介绍了陀螺仪400的工作，如果吸气材料的微粒如上面所述释放到空腔406内会影响陀螺仪的工作。通过使微电机以颠倒或倒转的结构定位，可获得第二空腔，从而可大大降低吸气材料微粒与微电机部件及其它部件接触的可能性，这些部件必须正常工作时能够自由运动。
这种倒转的微电机构造还可用于其它基于传感器的装置中。应当认识到，在此介绍的倒转微电机取向和方法可以用于许多种MEMS装置，包括但不限于，MEMS惯性测量单元、陀螺仪、压力传感器、温度传感器、共振器、气流传感器和加速度计。
虽然已经根据具体实施例对本发明作了介绍，但是所属领域的技术人员应当认识到在所附权利要求的精神和范围内可以对本发明进行修改。

Claims (15)

1.一种装配微机电系统(MEMS)装置(200)的方法，所述装置包括微电机(208)，所述方法包括步骤：
在具有顶面(224)和底面(222)的电路小片(210)上形成所述微电机；
在外壳(202)的表面(228)上设置若干个小片焊接凸点(226)；
通过所述小片焊接凸点与所述微电机的部件形成电连接；和
将所述电路小片顶面和所述微电机部件其中至少一个安装到所述小片焊接凸点上，使得所述电路小片的底表面至少能够部分保护所述微电机的部件免受释放的吸气材料的影响。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述安装包括安装所述电路小片(210)，使其底面(222)位于吸气器(230)和标准质量(214)、马达驱动梳(216)、马达拾取梳(218)、感知板(220)之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括提供从所述小片焊接凸点(226)至所述外壳(202)外部(254)的电导体(250)。
4.一种微机电系统(MEMS)装置(200)，包括：
微电机(208)，包括电路小片(210)和标准质量(214)、马达驱动梳(216)、马达拾取梳(218)、感知板(220)其中至少一个；
所述微电机的外壳(202)；
安装在所述外壳上的盖子(204)，所述盖子和所述外壳形成基本密封的空腔(206)；和
安装在所述基本密封的空腔内的吸气器(230)，所述微电机固定在外壳上，使得所述电路小片能够保护所述标准质量、所述马达驱动梳、所述马达拾取梳和所述感知板免受所述吸气器释放的微粒的影响。
5.根据权利要求4所述的MEMS装置(200)，其特征在于，还包括若干个小片焊接凸点(226)，所述微电机(208)固定在所述小片焊接凸点。
6.根据权利要求4所述的MEMS装置(200)，其特征在于，包括若干个穿过所述外壳(202)的电导体(250)，所述小片焊接凸点(226)与所述电导体接触。
7.根据权利要求4所述的MEMS装置(200)，其特征在于，所述MEMS装置是陀螺仪(400)、加速度计、惯性测量单元、压力传感器、共振器、气流传感器和温度传感器的其中一种。
8.一种微机电系统(MEMS)陀螺仪，包括：
外壳(202)；
微电机(208)，包括电路小片(210)、至少一个感知板(220)、相距至少一个感知板悬挂的至少一个标准质量(214)、至少一个马达驱动梳(216)和至少一个马达拾取梳(218)；
若干个固定在所述外壳的小片焊接凸点(226)，所述微电机(208)固定在所述小片焊接凸点；
装有吸气材料的吸气器(230)；和
固定在所述外壳的盖子(204)，所述盖子和所述外壳能形成用于所述微电机和吸气器的基本密封的空腔(206)，所述电路小片安装在空腔内，够基本上阻止吸气器释放的吸气材料接触所述感知板、标准质量、马达驱动梳和马达拾取梳。
9.根据权利要求8所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，与所述电路小片(210)、所述感知板(220)、所述标准质量(214)、所述马达驱动梳(216)和所述马达拾取梳(218)的至少一部分电连接(250)通过所述若干个小片焊接凸点(226)形成。
10.根据权利要求8所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述外壳包括穿过所述外壳(202)的至少一个电导体(250)，所述电导体与一个小片焊接凸点(226)接触。
11.根据权利要求8所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述电路小片(210)的底面(222)位于所述吸气器(230)和所述标准质量(214)、所述马达驱动梳(216)、所述马达拾取梳(218)及所述感知板(220)之间。
12.一种方法，将微机电系统(MEMS)(200)的微电机部分(208)安装在包括吸气器(230)的微机电系统的外壳部分(202)内，所述方法包括步骤：
在电路小片(208)形成微电机；和
所述微电机在外壳内的定位使得电路小片位于吸气器和微电机的部件之间。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述微电机(208)安装在所述外壳(202)内包括将所述微电机安装在所述外壳内的小片焊接凸点(226)。
14.一种微机电系统(MEMS)加速度计，包括：
外壳(202)，包括至少一个穿过所述外壳的电导体(250)，所述电导体与一个小片焊接凸点(226)接触；
微电机(208)，包括电路小片(210)、至少一个感知板(220)、至少一个相距所述至少一个感知板悬挂的标准质量(214)、至少一个马达驱动梳(216)和至少一个马达拾取梳(218)；
装有吸气材料的吸气器(230)；和
连接在外壳的盖子(204)，所述盖子和外壳能形成用于所述微电机和吸气器的基本密封的空腔(206)，所述电路小片安装在空腔内，能够基本上阻止吸气器释放的吸气材料接触所述感知板、标准质量、马达驱动梳和马达拾取梳。
15.根据权利要求14所述的MEMS加速度计，其特征在于，与所述电路小片(210)、所述感知板(220)、所述标准质量(214)、所述马达驱动梳(216)和所述马达拾取梳(218)的至少一部分电连接是通过若干个小片焊接凸点(226)形成的。
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