CN219064410U - 一种高精度应变测量传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了传感器技术领域的一种高精度应变测量传感器，包括MEMS芯片、ASIC芯片和基板，所述ASIC芯片设置在所述基板上，所述MEMS芯片与所述ASIC芯片相连接，所述MEMS芯片与所述ASIC芯片同轴堆叠，所述MEMS芯片与ASIC芯片均固定在基板上，所述MEMS芯片、ASIC芯片及基板的中心点在一个平面上且该平面平行于基板的一个侧面，该种高精度应变测量传感器，通过对MEMS芯片和ASIC芯片进行堆叠护着对称排布的方式进行设置，使得MEMS芯片与ASIC芯片具有高度一致的应力集中特性，从而能够对各个方向上的应力进行校准，能够有效提高MEMS芯片的精度及温度稳定性。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器技术领域，具体为一种高精度应变测量传感器。
背景技术
MEMS器件相比其他常规集成电路产品而言，其封装需要遵循一些额外的约束设计以及满足工作在严苛环境条件下的要求，因而其复杂程度相对较高。不论采用怎样的封装材料及封装工艺，对于绝大多数的MEMS器件来说，热应力和机械应力都对MEMS器件的可靠性、重复性产生着巨大影响。
MEMS器件封装材料的热膨胀系数差异、单一材料本身的各向异性等都会导致温度变化引起的应力集中。MEMS器件本身产生的应变与温度之间的关系不是单调的，换言之，温度-应变曲线无法通过函数来拟合，也即无法通过校准点来实现温度曲线的校准，导致MEMS器件的精度及温度稳定性较差。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种高精度应变测量传感器，以解决上述背景技术中提出的MEMS器件本身产生的应变与温度之间的关系不是单调的，换言之，温度-应变曲线无法通过函数来拟合，也即无法通过校准点来实现温度曲线的校准，导致MEMS器件的精度及温度稳定性较差的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种高精度应变测量传感器，包括MEMS芯片、ASIC芯片和基板，所述ASIC芯片设置在所述基板上，所述MEMS芯片与所述ASIC芯片相连接。
优选的，所述MEMS芯片与所述ASIC芯片同轴堆叠。
优选的，所述MEMS芯片与所述ASIC芯片之间通过胶粘或者键合方式连接，胶的厚度小于或等于0.5μm。
优选的，所述MEMS芯片与所述ASIC芯片之间还可以对称排布。
优选的，所述MEMS芯片与ASIC芯片均固定在基板上，所述MEMS芯片、ASIC芯片及基板的中心点在一个平面上且该平面平行于基板的一个侧面，所述MEMS芯片中心点到基板中轴面的距离与ASIC芯片中心点到基板中轴面的距离相等。
优选的，所述所述MEMS芯片与所述ASIC芯片均通过胶粘或者键合方式固定在基板上，所述MEMS芯片与所述基板之间的胶的厚度和所述ASIC芯片与所述基板之间的胶的厚度相同。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：该种高精度应变测量传感器，通过对MEMS芯片和ASIC芯片进行堆叠护着对称排布的方式进行设置，使得MEMS芯片与ASIC芯片具有高度一致的应力集中特性，从而能够对各个方向上的应力进行校准，能够有效提高MEMS芯片的精度及温度稳定性。
附图说明
图1为本实用新型MEMS芯片与ASIC芯片堆叠示意图；
图2为本实用新型MEMS芯片与ASIC芯片对称排布示意图；
图3为本实用新型应力校准流程实验一图。
图中：1MEMS芯片、2ASIC芯片、3基板。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型提供一种高精度应变测量传感器，通过对MEMS芯片和ASIC芯片进行堆叠护着对称排布的方式进行设置，使得MEMS芯片与ASIC芯片具有高度一致的应力集中特性，从而能够对各个方向上的应力进行校准，能够有效提高MEMS芯片的精度及温度稳定性，请参阅图2，包括MEMS芯片1、ASIC芯片2和基板3；
通过MEMS芯片1、ASIC芯片2和基板3构成两种传感器，两种传感器中MEMS芯片1与ASIC芯片2的相对位置不同，其中一种是将MEMS芯片1与ASIC芯片2堆叠，如图1所示，另一种是将MEMS芯片1与ASIC芯片2对称排布，如图2所示；
堆叠的方案如图1所示，MEMS芯片1与ASIC芯片2在厚度方向上上、下堆叠，ASIC芯片2固定在基板(图未示)上，MEMS芯片1堆叠在ASCI芯片2的顶部，MEMS芯片1与ASIC芯片2之间通过胶粘或者键合方式连接，当通过胶粘方式连接时，胶的厚度小于或等于0.5μm，这样能够使得MEMS芯片1与ASIC芯片2具有高度一致的应力集中特性，还可使MEMS芯片1与ASIC芯片2同轴堆叠，这样能够使得MEMS芯片1与ASIC芯片2具有高度一致的应力集中特性，ASIC芯片2通过胶粘或者键合方式与基板3固定；
对称排布的方案如图2所示，以基板3的左下侧棱的中心作为坐标原点，前侧面的中间长轴作为x轴，左侧面的中间长轴作为y轴，MEMS芯片1与ASIC芯片2均固定在基板3上，MEMS芯片1、ASIC芯片2及基板3的中心点在平行于基板3前侧面的平面上，MEMS芯片1中心点M到基板3中轴面的距离与ASIC芯片2中心点A到基板3中轴面的距离相等，该中轴面平行于基板的左侧面及右侧面，基板3的左侧面与右侧面平行，前侧面与后侧面平行，且左侧面与前侧面垂直，顶面与底面平行，且顶面与前侧面及左侧面均垂直，MEMS芯片1与ASIC芯片2通过相同方式固定在基板3上，例如可均通过胶粘方式或者均通过键合方式固定，当两者均通过胶粘方式固定时，两者胶的厚度保持一致；
本具体实施方式中两种传感器的应力校准流程如图3所示，通过设计ASIC芯片2的结构使其能够测量应力，通过设计MEMS芯片1与ASIC芯片2的排布方式使得MEMS芯片1与ASIC芯片2之间具有高度一致的应力集中特性，假设热应力与机械应力合成后作用于ASIC芯片2的合力的z轴分量为Fa_z，则MEMS芯片1所受合力的z轴方向分量为Fm_z，二者之间有一下关系：
Fm_z＝f(Fa_z)＝kFa_z+b
在堆叠的方案中，k接近于1而b接近于0；在对称排布的方案中，与两芯片的面积之比相关，b为修正系数；
如果需要测量外部电容Cext，只需将待测的外部电容Cext与RC电路内部的参考电阻Rref组成外部放电回路，与RC电路内部参考电容Cref和参考电阻Rref组成的内部放电回路的放电时间进行对比，即可测得外部电容Cext的值，如下：
上式中τext是外部放电回路的放电时间，τref是内部放电回路的放电时间，Cref是RC电路内部参考电容，Cext是待测的外部电容；
同理，也可将电压、电流、电感等电信号转换为电阻或电容进行测量，通过本具体实施方式的方案能够获得高动态与高精度，实测显示，精度有效位最高可达22-bit；
本方案对于严重依赖硅微机械结构尺寸的MEMS器件，如加速度、地磁、陀螺仪等惯性器件而言，可以极大提高产品的精度和温度稳定性，也可以极大幅度降低封装、校准所需的成本，对于相对依赖硅微机械结构尺寸的MEMS器件，如气压等器件而言，可以在同等精度下大幅减少校准点数，进而大幅降低校准成本，实验显示，本方案对于温漂影响能够降低90％以上，或者在同等精度及温度稳定性下降低校准成本50-70％(对于惯性MEMS器件)，30-50％(对于非惯性MEMS器件)；
综上所述，通过对将MEMS芯片与ASIC芯片进行堆叠或者对称排布的方式进行设置，使得MEMS芯片与ASIC芯片具有高度一致的应力集中特性，从而能够对各个方向上的应力进行校准，能够有效提高MEMS芯片的精度及温度稳定性。
虽然在上文中已经参考实施例对本实用新型进行了描述，然而在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本实用新型所披露的实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (6)
1.一种高精度应变测量传感器，其特征在于：包括MEMS芯片(1)、ASIC芯片(2)和基板(3)，所述ASIC芯片(2)设置在所述基板(3)上，所述MEMS芯片(1)与所述ASIC芯片(2)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种高精度应变测量传感器，其特征在于：所述MEMS芯片(1)与所述ASIC芯片(2)同轴堆叠。
3.根据权利要求2所述的一种高精度应变测量传感器，其特征在于：所述MEMS芯片(1)与所述ASIC芯片(2)之间通过胶粘或者键合方式连接，胶的厚度小于或等于0.5μm。
4.根据权利要求3所述的一种高精度应变测量传感器，其特征在于：所述MEMS芯片(1)与所述ASIC芯片(2)之间还可以对称排布。
5.根据权利要求4所述的一种高精度应变测量传感器，其特征在于：所述MEMS芯片(1)与ASIC芯片(2)均固定在基板上，所述MEMS芯片(1)、ASIC芯片(2)及基板(3)的中心点在一个平面上且该平面平行于基板(3)的一个侧面，所述MEMS芯片(1)中心点到基板(3)中轴面的距离与ASIC芯片(2)中心点到基板(3)中轴面的距离相等。
6.根据权利要求5所述的一种高精度应变测量传感器，其特征在于：所述MEMS芯片(1)与所述ASIC芯片(2)均通过胶粘或者键合方式固定在基板(3)上，所述MEMS芯片(1)与所述基板(3)之间的胶的厚度和所述ASIC芯片(2)与所述基板(3)之间的胶的厚度相同。
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2022
- 2022-11-10 CN CN202222995736.XU patent/CN219064410U/zh active Active
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