TW202307407A - 積體裝置封裝體 - Google Patents

Abstract

本案揭示了一種感測器封裝體。感測器封裝體可包括用以藉由螺栓與振動源耦接之支撐結構。感測器封裝體可包括至少部分設置在此支撐結構上的蓋。蓋至少部分地定義一空腔。感測器封裝體可包括一耦接至支撐結構之一部分並設置在此空腔中的振動感測器模組。感測器封裝體之機械諧振頻率在0.1 Hz至11 kHz之範圍內。感測器封裝體可包括耦接至此支撐結構之連接器。連接器可連接至連接線以將振動感測器模組電連接至外部基板或系統。支撐結構可包括一材料，其楊氏模量係至少60 GPa且密度小於3000 kg/m ³。感測器封裝體可包括設置在空腔中的填補材料。

Description

積體裝置封裝體

本揭示案係關於一種積體裝置封裝體，並特定而言係關於感測器封裝體。

一種感測器，諸如積體電子壓電（integrated electronics piezoelectric, IEPE）感測器，用於感測運動源之運動。此感測器可經封裝以定義感測器裝置。當感測器裝置之諧振頻率與運動源之工作頻率一致時，感測器裝置之準確度可能降低。因此，對感測器裝置之改進封裝仍然具有持續的需求。

根據一些實施例，本揭示提供一種感測器封裝體，包含：一支撐結構，用以藉由一螺栓與一振動源耦接；一蓋，至少部分地設置在該支撐結構上，該蓋至少部分地定義一空腔；以及一振動感測器模組，耦接至該支撐結構之一部分並設置在該空腔中，其中該感測器封裝體之機械諧振頻率範圍為0.1 Hz至11 kHz。

根據一些實施例，本揭示提供一種感測器封裝體，包含：一支撐結構，用以藉由一螺栓與一振動源耦接；一蓋，至少部分地設置在該支撐結構上，該蓋至少部分地定義一空腔；一微型機電系統（MEMs）振動感測器模組，耦接至該支撐結構並設置在該空腔中；以及一連接器，耦接至該支撐結構，該連接器用以連接至一連接線，以將該振動感測器模組電連接至一外部基板或系統。

根據一些實施例，本揭示提供一種感測器封裝體，包含：一支撐結構，包括一基座及一載體，該基座具有一上側及一下側，該載體設置在該基座之該上側，該基座用以藉由一螺栓與一振動源耦接；一蓋，至少部分地設置在該基座之該上側，該載體設置在一由該基座及該蓋至少部分地形成之空腔中；以及一微型機電系統（MEMs）振動感測器模組，耦接至該載體並設置在該空腔中；其中該支撐結構包含一材料，其楊氏模量係至少60 GPa且密度小於3000 kg/m ³。

根據一些實施例，本揭示提供一種感測器封裝體，包含：一支撐結構；一螺栓，耦接至該支撐結構或與該支撐結構一起形成，該螺栓用以將該支撐結構與一振動源耦接在一起；一蓋，耦接至該支撐結構，該蓋及該支撐結構之一第一部分定義一空腔；一振動感測器模組，耦接至該支撐結構之一第二部分並設置在該空腔中；以及一填補材料，設置在該空腔中。

一種感測器，可包含一振動感測器，此振動感測器可用於監測振動源的振動，振動源諸如發電廠之蒸汽管或鍋爐壁，汽車之尾管或引擎等。感測器亦可檢測如馬達或引擎之傾斜、衝擊及/或振動。壓電感測器已用於量測振動資料，諸如相對高頻（10 kHz及更高）振動及/或超低雜訊（25 μg/√Hz或更低）振動資料。積體電子壓電（IEPE）介面係為壓電感測器建立的感測器介面。感測器模組（包括壓電感測器以外的感測器）之IEPE介面可輕鬆替換習知壓電感測器係有益的。例如，IEPE介面利用連接器，諸如超小型A型（subminiature version A, SMA）連接器，將感測器裝置連接至外部基板或系統。本文揭示的各種實施例係關於IEPE介面感測器，其包括壓電感測器以外的感測器，諸如微型機電系統（microelectromechanical systems, MEMs）感測器。

感測器裝置的機械諧振頻率會影響振動檢測之準確度。例如，若感測器裝置之諧振頻率與感測器之工作頻率（例如，振動源（如馬達等）之振動頻率）一致，則振動源可在感測器裝置本身中誘發高振幅振動，其可降低感測器裝置之準確度。因此，可以至少部分地基於振動源的目標頻率或目標頻率範圍來設計感測器裝置。在一些應用中，設計感測器裝置以使感測器裝置的機械諧振頻率不同於（例如）上述振動源之振動頻率，從而減少誤差及/或保持測量準確度可能係有益的。

本文揭示之各種實施例係關於感測器裝置。在一些實施例中，感測器裝置可包含振動感測器裝置。感測器裝置可包含包括支撐結構及蓋的外殼（housing）。支撐結構可包括基座或平臺及載體。此基座及蓋可至少部分地定義設置載體之空腔。感測器裝置可包含一感測器模組，此感測器模組包括安裝在基板上的感測器晶片。在一些實施例中，感測器模組可包含由亞德諾半導體技術有限公司（Analog Devices, Inc）製造之EVAL-CN0532-EBZ。在一些實施例中，感測器晶片可包含由Analog Devices, Inc製造的ADXL1002。感測器模組可耦接至支撐結構之載體，並設置在空腔中。振動感測器裝置之外殼的彈性及重量可有助於感測器裝置之機械諧振頻率。外殼之至少一部分可包含一種材料，其具有相對高之楊氏模量及相對輕之重量或低密度。此類高楊氏模量及輕重量或低密度材料可提供相對高機械諧振頻率。在一些實施例中，外殼之材料可包含鋁。在其他實施例中，外殼之材料可包含不鏽鋼或其他適合材料（例如，其他適合金屬）。在一些實施例中，可選擇外殼之材料以使感測器裝置具有高於感測器晶片之諧振頻率的機械諧振頻率。例如，機械諧振頻率可高於5 kHz、高於7 kHz或高於10 kHz。例如，機械諧振頻率可以在5 kHz至50 kHz之範圍內，在7 kHz至50 kHz之範圍內，在5 kHz至20 kHz之範圍內，在7 kHz至20 kHz之範圍內，在10 kHz至20 kHz之範圍內，在5 kHz至15 kHz之範圍內，或在7 kHz至15 kHz之範圍內。在一些實施例中，可在空腔中填補環氧樹脂。在一些實施例中，環氧樹脂可有助於提高諧振頻率。

圖1A為根據一個實施例之感測器裝置1的示意透視圖。圖1B為圖1A之感測器裝置1的示意側視圖。圖1C為圖1A及圖1B之感測器裝置1的示意分解圖。

感測器裝置1可包含支撐結構10及蓋12。感測器裝置1可包含可監測振動源（未示出）之振動的振動感測器裝置。振動源可包括發電廠之蒸汽管或鍋爐壁，汽車之尾管或引擎等。支撐結構10可包含基座14及載體16。蓋12可包含頂蓋18及側壁20。感測器裝置1可包含感測器模組22。螺栓（stud）24可耦接至支撐結構10之基座14。螺栓24可耦接至振動源，從而將支撐結構10與振動源耦接在一起。例如，在一些實施例中，螺栓24可包含螺紋（threads）以螺紋方式連接至振動源之部分。連接器26可耦接至蓋12。連接器26可接收並電連接至連接線，以將感測器裝置1與用於處理來自感測器模組22之資料的外部基板或系統（未示出）電連接。外部基板或系統可以包含資料獲取板，諸如Analog Devices, Inc製造之EVAL-CN0540-ARDZ。支撐結構10及蓋12可以藉由緊固件28（例如螺釘）耦接。連接器26及蓋12可以藉由緊固件（fasterners）29（例如螺釘（screws））耦接。

感測器模組22可包含安裝在基板30上的感測器晶片（未示出）。在一些實施例中，感測器晶片可包含微型機電系統（MEMs）感測器晶片。在一些實施例中，基板30可包含印刷電路板（PCB）。基板30可以藉由緊固件32（例如螺釘）與載體16耦接。在一些實施例中，諸如濾波器之電子元件可以安裝至基板30上，用於處理來自感測器模組22之感測器晶片的資料。感測器裝置1可以具有積體電子壓電（IEPE）介面。在一些實施例中，連接器26可包含超小型A型（SMA）連接器。感測器模組22可用以與SMA連接器相容。儘管所示之連接器26包含SMA連接器，但在所揭示之實施例中可以使用其他類型之連接器，其提供與外部裝置之電氣及/或資料通信。

圖1D為根據一實施例之感測器裝置1'的示意性俯視圖。圖1E為感測器裝置1'之示意側視圖。圖1F為感測器裝置1'之另一示意側視圖。除非另有說明，圖1D至圖1F中所示之感測器裝置1'的部件可以與圖1A至圖1C中所示之感測器裝置1的類似部件相同或相似。感測器裝置1'通常與感測器裝置1相似，不同之處在於感測器裝置1'包括螺釘31，其可將蓋12耦接至支撐結構10。螺釘31可以延伸穿過側壁20之部分並進入支撐結構10之部分。

圖2A至圖2F示出了根據一實施例之感測器裝置2的示意圖，此感測器裝置包括支撐結構40及蓋42。圖3A至圖3C示出了感測器裝置2之支撐結構40的示意圖。圖4A至圖4B示出了感測器裝置2之蓋42的示意圖。除非另有說明，圖2A至圖4B中所示之感測器裝置2的部件可以與圖1A至圖1F中所示之感測器裝置1的類似部件相同或相似。

圖2A為感測器裝置2之示意透視圖。圖2B為感測器裝置2之示意俯視圖。圖2C為感測器裝置2之示意側視圖。圖2D為感測器裝置2之示意仰視圖。圖2E為感測器裝置2之示意剖面側視圖。圖2F為感測器裝置2之分解圖。圖3A為支撐結構40之示意俯視圖。圖3B為支撐結構40之示意側視圖。圖3C為支撐結構40之示意剖面側視圖。圖4A為蓋42之示意側視圖。圖4B為蓋42之示意剖面側視圖。

感測器裝置2可包含可監測振動源（未示出）振動之振動感測器裝置。振動源可包括發電廠之蒸汽管或鍋爐壁，汽車之尾管或引擎等。感測器裝置2可以機械連接至振動源。在一些實施例中，感測器裝置2可藉由螺栓44與振動源連接。感測器裝置2可包括與支撐結構40耦接之連接器46。在一些實施例中，感測器裝置2可以具有積體電子壓電（IEPE）介面。在一些實施例中，連接器46可以包括微型連接器，諸如超小型A型（SMA）連接器。連接器46可以接收連接線，以將感測器裝置2與用於處理來自感測器裝置2之資料的外部基板或系統（未示出）電連接。外部基板或系統可以包含資料獲取板，諸如Analog Devices, Inc製造之EVAL-CN0540-ARDZ。在一些實施例中，感測器裝置2之機械諧振頻率可高於5 kHz、高於7 kHz或至少10 kHz，例如，在一些實施例中約10 kHz。例如，感測器裝置2之機械諧振頻率可以在5 kHz至20 kHz之範圍內，在7 kHz至20 kHz之範圍內，在10 kHz至20 kHz之範圍內，在5 kHz至15 kHz之範圍內，或在7 kHz至15 kHz之範圍內。

支撐結構40可以包括平臺或基座54，以及耦接至基座54或與此基座一體形成之載體56。基座54具有上側54a及下側54b。載體56可以從基座54之上側54a非平行（例如垂直）延伸。感測器裝置2可包括安裝至載體56之感測器模組58。感測器模組58可以包含基板62及安裝至基板62上的感測器晶片64。在一些實施例中，感測器模組58可以包含安裝在基板62上的電子元件（未示出），用於預處理來自感測器晶片64之訊號。例如，感測器模組58可以包含由Analog Devices, Inc製造之EVAL-CN0532-EBZ。在一些實施例中，感測器模組可與載體56直接接觸。在一些實施例中，感測器模組58可以藉由緊固件60（諸如螺釘）機械連接至載體56。例如，緊固件60可以延伸穿過基板62之厚度並進入孔61（例如，螺紋孔61），以將感測器模組58耦接至載體56。在一些實施例中，緊固件可包含金屬，諸如鋁或不銹鋼。在一些實施例中，感測器晶片64可包含振動感測器晶片。在一些實施例中，感測器晶片64可包含微型機電系統（MEMs）感測器晶片。例如，感測器晶片64可包含由Analog Devices, Inc製造之ADXL1002。在一些實施例中，感測器晶片64可用以檢測約11 kHz之振動。例如，感測器晶片64可用以以約3 dB檢測約11 kHz之振動。例如，感測器晶片64可用以以約3 dB檢測0.1 Hz至11 kHz範圍內的振動。感測器模組58可以相對於基座54之上側54a的水平面垂直定位。例如，如圖所示，感測器模組58之較長尺寸可以相對於基座54（例如，近似垂直於此基座）定向為非平行。感測器模組58可用以感測穿過螺栓44從感測器源傳播之垂直振動。

感測器模組58及連接器46可以藉由導線66進行電氣連接。導線66可以包含訊號線。在一些實施例中，支撐結構40可以包含導電材料，並為感測器模組58提供接地連接。在一些實施例中，感測器模組58可以至少透過螺釘60及支撐結構40接收接地連接。在一些實施例中，感測器模組58及連接器46可以藉由單根導線進行訊號連接。

支撐結構40可以包含任何合適之導電或非導電材料。在一些實施例中，支撐結構40可包含金屬。在一些實施例中，支撐結構40可包含具有相對較高楊氏模量之材料，諸如至少60 GPa。例如，支撐結構40可包含一材料，其楊氏模量範圍為60 GPa至200 GPa、60 GPa至100 GPa或65 GPa至100 GPa。在一些實施例中，支撐結構40可包含密度相對較低之材料，諸如小於4000 kg/m ³之材料。例如，支撐結構40可包含一材料，其密度範圍為2000 kg/m ³至4000 kg/m ³、2000 kg/m ³至3000 kg/m ³、2500 kg/m ³至4000 kg/m ³或2500 kg/m ³至3000 kg/m ³。在一些實施例中，支撐結構40可包含密度小於8500 kg/m ³之材料。例如，支撐結構40可包含一材料，其密度範圍為4000 kg/m ³至8500 kg/m ³、5000 kg/m ³至8500 kg/m ³、5000 kg/m ³至8000 kg/m ³或6000 kg/m ³至8000 kg/m ³。在一些實施例中，支撐結構40可包含鋁（例如，6061-T6鋁）。在其他實施例中，支撐結構40可包含不銹鋼。

基座54之上側54a可包括螺紋部分70。蓋42可以包含包括螺紋部分72之螺旋塞（screw top）設計。基座54之螺紋部分70可與蓋42之相應螺紋部分72配合，以相互機械耦合。支撐結構40之基座54與蓋42可一起定義空腔74。載體56及感測器模組58可以定位在空腔74中。在一些實施例中，填補材料76可設置在空腔74中。填補材料76可包含非導電材料，諸如非導電環氧樹脂。在一些實施例中，填補材料76可以液態注入空腔74，並在室溫下隨時間固化。在一些實施例中，填補材料76可透過支撐結構40之基座54中的開口78注入空腔74中。在一些實施例中，填補材料76可包含低粘度材料。例如，填補材料76可包含3M公司（3M Company）製造之CA40。在一些實施例中，填補材料76可增加感測器裝置2之諧振頻率。然而，在一些實施例中，填補材料76可以將非目標振動傳播至感測器模組。因此，根據最終產品之期望規格，可以省略填補材料76。

基座54中的開口78可用於如上所述注入填補材料76及/或用於接收螺栓44。在一些實施例中，螺栓44之至少一部分可以從下側54b延伸至開口78中，並且螺栓44之另一部分可以耦接至振動源，從而透過至少支撐結構40及螺栓44將感測器模組58與振動源機械連接在一起。在一些實施例中，螺栓44可以包含外螺紋（male thread），而開口78可以包含用於接收螺栓44之製造螺紋的內螺紋（female thread）。在一些實施例中，螺栓44可包含與支撐結構40相同、類似或不同之材料。在一些實施例中，螺栓44可包含不銹鋼。在一些實施例中，基座54可以包含六邊形。在此類實施例中，可以使用諸如六角扳手之工具相對容易地將感測器裝置2連接至振動源。

感測器裝置2可以包含用於接收連接器46之連接埠80。在一些實施例中，支撐結構40之基座54可以包含連接埠80。在一些實施例中，連接器46可包含諸如銅之金屬或諸如黃銅之合金。

蓋42可以包含任何合適之導電或非導電材料。在一些實施例中，蓋42可包含金屬。在一些實施例中，蓋42可包含具有相對較高楊氏模量之材料，諸如至少60 GPa。例如，蓋42可包含一材料，其楊氏模量範圍為60 GPa至200 GPa、60 GPa至100 GPa或65 GPa至100 GPa。在一些實施例中，蓋42可包含密度相對較低之材料，諸如小於4000 kg/m ³。例如，蓋42可包含一材料，其密度範圍為2000 kg/m ³至4000 kg/m ³、2000 kg/m ³至3000 kg/m ³、2500 kg/m ³至4000 kg/m ³或2500 kg/m ³至3000 kg/m ³。在一些實施例中，蓋42可包含密度小於8500 kg/m ³之材料。例如，蓋 42可包含一材料，其密度範圍為4000 kg/m ³至8500 kg/m ³、5000 kg/m ³至8500 kg/m ³、5000 kg/m ³至8000 kg/m ³或6000 kg/m ³至8000 kg/m ³。在一些實施例中，蓋42可包含鋁（例如，6061-T6鋁）。在其他實施例中，蓋42可包含另一種金屬，諸如不銹鋼。

感測器裝置2具有帶螺栓44之高度h1及不帶螺栓44之高度h2。在一些實施例中，帶有螺栓44之感測器裝置2的高度h1可以係約43.5 mm。例如，高度h1可以在30 mm至60 mm之範圍內，在35 mm至60 mm之範圍內，在40 mm至60 mm之範圍內，在30 mm至50 mm之範圍內，在30 mm至45 mm之範圍內，在35 mm至50 mm之範圍內，在40 mm至45 mm之範圍內。在一些實施例中，不帶螺栓44之感測器裝置2的高度h2可以係約32.5 mm。例如，高度h2可以在30 mm至40 mm之範圍內，在32 mm至40 mm之範圍內，在30 mm至37 mm之範圍內，或者在32 mm至37 mm之範圍內。在一些實施例中，螺栓44（h1-h2）之生產高度可以在8 mm至12 mm之範圍內、在10 mm至12 mm之範圍內或在10 mm至11 mm之範圍內。

六邊形基座54之長度l1對角地橫跨對角，長度l2對角地橫跨對側。連接器46可以從基座54伸出長度l3。在一些實施例中，長度l1可以係約27.7 mm。例如，長度l1可以在20 mm至40 mm之範圍內，在25 mm至40 mm之範圍內，在20 mm至35 mm之範圍內，在20 mm至30 mm之範圍內，在25 mm至35 mm之範圍內，或者在25 mm至30 mm之範圍內。在一些實施例中，長度l2可以係約24 mm。例如，長度l2可以在15 mm至35 mm之範圍內，在20 mm至35 mm之範圍內，在15 mm至30 mm之範圍內，或者在20 mm至30 mm之範圍內。在一些實施例中，長度l3可以係約9 mm。例如，長度l3可以在5 mm至15 mm之範圍內，在7 mm至15 mm之範圍內，在5 mm至10 mm之範圍內，或者在7 mm至10 mm之範圍內。

載體56可以從上側54a上基座54之中心橫向或水平偏移。在一些實施例中，載體56可以位於距離基座54之上側54a之中心的距離d1與距離d2之間。在一些實施例中，距離d1可以係約2 mm，並且距離d2可以係約7 mm。例如，距離d1可以在0.5 mm至5 mm之範圍內，在1 mm至5 mm之範圍內，在0.5 mm至3 mm之範圍內，或者在1 mm至3 mm之範圍內。例如，距離d1可以在4 mm至10 mm之範圍內，在5 mm至10 mm之範圍內，在4 mm至8 mm之範圍內，或者在5 mm至8 mm之範圍內。

下側54b處的開口78可位於基座54之中心或其附近。上側54a處的開口78可以從基座54之中心橫向或水平偏移距離d3。在一些實施例中，距離d3可以係約4 mm，使得開口78之中心從基座54之中心橫向偏移約4 mm。例如，距離d3可以在0.5 mm至10 mm之範圍內，在2 mm至10 mm之範圍內，在0.5 mm至7 mm之範圍內，或者在2 mm至7 mm之範圍內。

開口78在基座54之上側54a處具有直徑d4。在一些實施例中，開口之直徑d4可以係約4 mm。例如，直徑d4可以在1 mm至10 mm之範圍內，在2 mm至10 mm之範圍內，在1 mm至7 mm之範圍內，或者在2 mm至7 mm之範圍內。

在一些實施例中，接收緊固件60之孔61可以位於載體56之四個角處或其附近（見圖3B）。位於載體56上角或其附近的孔61可與位於載體56下角或其附近的孔61垂直間隔距離d5。位於載體56上角或其附近的孔61可以彼此水平間隔距離d6。在一些實施例中，距離d5可以係約13.21 mm。例如，距離d5可以在5 mm至20 mm之範圍內，在10 mm至20 mm之範圍內，在5 mm至15 mm之範圍內，或者在10 mm至15 mm之範圍內。在一些實施例中，距離d6可以約為12.7 mm。例如，距離d6可以在5 mm至20 mm之範圍內，在10 mm至20 mm之範圍內，在5 mm至15 mm之範圍內，或者在10 mm至15 mm之範圍內。

基座54具有厚度t1（不含螺紋部分70）及厚度t2（含螺紋部分70）。在一些實施例中，厚度t1可以係約12 mm，並且厚度t2可以係約7 mm。例如，厚度t1可以在5 mm至25 mm之範圍內，在10 mm至25 mm之範圍內，在5 mm至15 mm之範圍內，或者在10 mm至15 mm之範圍內。例如，厚度t2可以在5 mm至20 mm之範圍內，在5 mm至15 mm之範圍內，或者在10 mm至15 mm之範圍內。

蓋42具有高度h4及直徑d7。在一些實施例中，蓋42之高度h4可以係約25.5 mm，並且直徑d7可以係約20 mm。例如，高度h4可以在15 mm至50 mm之範圍內，在20 mm至50 mm之範圍內，在15 mm至40 mm之範圍內，在15 mm至30 mm之範圍內，在20 mm至40 mm之範圍內，或者在20 mm至30 mm之範圍內。例如，直徑d7可以在10 mm至45 mm之範圍內，在15 mm至30 mm之範圍內，在10 mm至25 mm之範圍內，在15 mm至30 mm之範圍內，或者在15 mm至25 mm之範圍內。

在一些實施例中，本文揭示之感測器裝置的總重量可以係約91.5 g。在一些實施例中，本文揭示之感測器裝置的總重量可以係約33.69 g。例如，本文揭示之感測器裝置的總重量可以在25 g至100 g之範圍內，在25 g至40 g之範圍內，在30 g至40 g之範圍內，在25 g至35 g之範圍內，在30 g至35 g之範圍內，在85 g至100 g之範圍內，在90 g至100 g之範圍內，在85 g至95 g之範圍內，或者在90 g至95 g之範圍內。

在一些實施例中，可以選擇支撐結構40、蓋42及填補材料76之材料及/或感測器裝置2之各個部分的尺寸，以使感測器裝置2之機械諧振頻率高於5 kHz、高於7 kHz或至少10 kHz，例如約10 kHz。例如，感測器裝置2之機械諧振頻率可以在5 kHz至20 kHz之範圍內，在7 kHz至20 kHz之範圍內，在10 kHz至20 kHz之範圍內，在5 kHz至15 kHz之範圍內，或在7 kHz至15 kHz之範圍內。

圖5示出了感測器裝置3之示意圖。機械諧振頻率 f可以使用下面所示之方程式（方程式1及方程式2）進行計算。 f

E表示楊氏模量（彈性模量）； F表示施加在受拉物體上的力； A表示實際橫截面積，等於垂直於作用力之橫截面積； L表示振動源與感測器裝置之感測器模組之間的長度； ΔL表示振動源振動引起之長度 L的差異；以及 M代表質量。本文揭示之各種實施例可使感測器裝置之諧振頻率在5 kHz至20 kHz範圍內、在7 kHz至20 kHz範圍內、在10 kHz至20 kHz範圍內、在5 kHz至15 kHz範圍內或在7 kHz至15 kHz範圍內。

圖6為感測器裝置4之示意剖面側視圖。除非另有說明，圖1D至圖1F中所示之感測器裝置4的部件可以與本文揭示之感測器裝置的類似部件相同或相似。感測器裝置4通常與感測器裝置2類似。然而，與感測器裝置2不同，在感測器裝置4中，感測器晶片64可以位於基板62與載體56之間。感測器裝置4可以包括基板62與載體56之間的間隔件84。間隔件84可以為感測器晶片64提供足夠之間距。諸如螺栓之類的緊固件60可將感測器模組58與載體56耦接在一起。

與圖6中所示之感測器裝置4相比，圖2E中所示之感測器裝置2的某些實施例（其中基板62附接至載體56而不使用間隔件84）可以使感測器裝置2更剛性，並將更少振動傳遞至感測器模組58。在一些實施例中，與感測器裝置4相比，感測器裝置2可以降低感測器模組58處的感測器雜訊。例如，在一些實施例中，感測器雜訊可能小於25 ug/√Hz。

圖7為示出兩種不同感測器裝置之諧振頻率響應曲線86、88之圖表。曲線86示出了壓電感測器裝置之頻率響應，而曲線88示出了利用本文揭示之外殼之MEMs感測器裝置的頻率響應。如圖7所示，MEMs感測器在20 kHz下與壓電感測器一樣執行良好。換言之，低於20 kHz，曲線88可以在相對於曲線86之頻率響應變化範圍內。例如，低於20 kHz，曲線88可以在曲線86的+/-3 dB範圍內。

圖8為根據一實施例之支撐結構40'的示意性透視圖。支撐結構40'可以在本文揭示之任何感測器裝置中實現。支撐結構40'通常可以類似於本文揭示之支撐結構40，不同之處在於支撐結構40'包括位於載體56'一側的後支撐90。後支撐90可以改變支撐結構40'之質量及/或感測器裝置之質心，從而有助於優化感測器裝置之機械諧振頻率。後支撐90可為支撐結構40'提供剛性，從而有助於優化感測器裝置之機械諧振頻率。在一些實施例中，後支撐90可以為載體56'之一部分。支撐結構40'可用於替代感測器裝置中的支撐結構40。

圖9至圖10C示出了根據一實施例之感測器裝置5的示意圖，此感測器裝置包括支撐結構40''及蓋42'。圖11A至圖11D示出了感測器裝置5之支撐結構40''的示意圖。圖12A至圖12D示出了感測器裝置5之蓋42'的示意圖。除非另有說明，圖9至圖12D中所示之部件可以與圖1A至圖6及圖8中所示部件之類似部件相同或相似。

圖9為感測器裝置5之分解圖。圖10A為感測器裝置5之示意性俯視圖。圖10B為感測器裝置5之示意側視圖。圖10C為感測器裝置2之示意剖面側視圖。圖11A為支撐結構40''之示意透視圖。圖11B為支撐結構40''之示意俯視圖。圖11C為支撐結構40''之示意側視圖。圖11D為支撐結構40''之示意剖面側視圖。圖12A為蓋42'之示意透視圖。圖12B為蓋42'之示意側視圖。圖12C為蓋42'之示意剖面側視圖。圖12D為蓋42'之示意俯視圖。

感測器裝置5通常可以類似於感測器裝置2，不同之處在於感測器裝置5之蓋42'被壓配合連接至支撐結構40''，並且感測器裝置5之支撐結構40''包含包括後支撐90及開口92之載體56'。

蓋42'可包含插塞接點（male contact）部分94，並且支撐結構40''可包含塞孔接點（female contact）部分71。在一些實施例中，插塞接點部分94可以為蓋42'端部的減薄部分，而塞孔接點部分可以包含形成在支撐結構40"之基座54'之上表面上的環形溝槽、空腔或凹槽。在一些實施例中，插塞接點部分94可設置在塞孔接點部分71中，並且可施加力使蓋42'之插塞接點部分94變形，從而將蓋42'耦接至基座54'。在某些應用中，壓配合連接至支撐結構40"之蓋42'可以減少在感測器裝置2中的螺紋部分70與螺紋部分72之間的間隙處引起之振動。塞孔接點部分可有助於最小化感測器裝置5之總高度及總重量。

在一些實施例中，在支撐結構40"之載體56'中形成的開口92可包含穿過載體56'厚度形成之通孔。在所示之實施例中，開口92僅包含一個橢圓形孔。然而，在一些其他實施例中，開口92可以包含複數個孔。開口92可以減少載體56'之重量，從而能夠減小感測器裝置5之總重量。

在一些實施例中，可以選擇支撐結構40'及蓋42'之材料及/或感測器裝置5之各個部分的尺寸，以使感測器裝置5之機械諧振頻率高於5 kHz、高於7 kHz或至少10 kHz，例如約10 kHz。例如，感測器裝置5之機械諧振頻率可以在5 kHz至20 kHz之範圍內，在7 kHz至20 kHz之範圍內，在10 kHz至20 kHz之範圍內，在5 kHz至15 kHz之範圍內，或者在7 kHz至15 kHz之範圍內。

可以進行本文揭示之原理及優點的任何適當組合。本文中的教示適用於各種系統。儘管本揭示案包括一些示例性實施例，但本文描述之教示可應用於各種結構。

在整個描述及申請專利範圍或示例性實施例中，詞語「包含（comprise）」、「包含（comprising）」、「包括（include）」、「包括（including）」等通常應以包容之意義來解釋，而非以排他性或詳盡之意義來解釋；即，在「包括但不限於」之意義上。本文通常使用之「耦接」一詞係指兩個或更多個元件，它們可以彼此直接耦合，或者藉由一或多個中間元件耦合。同樣，本文中通常使用之「連接」一詞係指兩個或更多個元件，它們可以直接連接，也可以藉由一或多個中間元件連接。此外，當在本申請案中使用「本文」、「以上」、「以下」及類似含義之詞語時，應指本申請案作為一個整體，而不是指本申請案之任何特定部分。在上下文允許之情況下，上述具體實施方式中使用單數或複數之詞語也可以分別包括複數或單數。「或」一詞指的是兩個或更多個項目之清單，通常意欲包括對詞之以下所有解釋：列表中的任何項目、列表中的所有項目，以及清單中項目之任何組合。本文中使用之x軸、y軸及z軸可以在每個元素或圖形之局部座標中定義，並且不一定對應於固定之笛卡爾座標。

此外，本文中使用之條件語言，諸如，除其他外，「可以（can）」、「可以（could）」、「可能（might）」、「可以（may）」、「例如（e.g.）」、「例如（for example）」、「諸如（such as）」等，除非在所使用之上下文中另有明確說明或以其他方式理解，一般意欲傳達某些實施例包括（儘管其他實施例不包括）特定特徵、元件和/或狀態。因此，此種條件語言通常並不意欲暗示一或多個實施例以任何方式需要特徵、元素及/或狀態，或者一或多個實施例必然包括用於確定這些特徵、元素及/或狀態是否在任何特定實施例中被包括或將被執行之邏輯。

儘管已經描述了本發明之某些實施例，但這些實施例僅以示例之方式呈現，並不意欲限制本揭示案之範圍。實際上，本文描述之新穎方法、設備及系統可以以各種其他形式體現；此外，在不背離本發明之精神的情況下，可以以本文所述之方法、設備及系統的形式進行各種省略、替換及更改。例如，本文描述之電路塊及/或電路元件可以被刪除、移動、添加、細分、組合及/或修改。這些電路塊及/或電路元件中的每一個可以以各種不同方式實現。所附申請專利範圍及其等價物意欲涵蓋會落入本揭示案範圍及精神範圍內的任何此類形式或修改。

1,1',2,3,4,5:感測器裝置 10:支撐結構 12:蓋 14:基座 16:載體 18:頂蓋 20:側壁 22:感測器模組 24:螺栓 26:連接器 28,29:緊固件 30:基板 31:螺釘 32:緊固件 40,40',40'':支撐結構 42,42':蓋 44:螺栓 46:連接器 54,54':基座 54a:上側 54b:下側 56,56',56'':載體 58:感測器模組 60:螺釘 61:螺紋孔 62:基板 64:感測器晶片 66:導線 70:螺紋部分 71:塞孔接點部分 72:螺紋部分 74:空腔 76:填補材料 78:開口 80:連接埠 84:間隔件 86,88:諧振頻率響應曲線 90:後支撐 92:開口 94:插塞接點部分 h1,h2,h3,h4:高度 l1,l2,l3:長度 t1,t2:厚度 d1,d2,d3,d4,d5,d6,d7:距離 M:質量 L:長度 A:實際橫截面積 12C,11D,10C,4B,3C,2E:剖面線

[圖1A]為根據一個實施例之感測器裝置的示意透視圖。 [圖1B]為圖1A之感測器裝置的示意側視圖。 [圖1C]為圖1A及圖1B之感測器裝置的示意分解圖(exploded view)。 [圖1D]為根據一實施例之感測器裝置的示意俯視圖。 [圖1E]為圖1D之感測器裝置的示意側視圖。 [圖1F]為圖1D及圖1E之感測器裝置的另一示意側視圖。 [圖2A]為根據一個實施例之感測器裝置的示意透視圖。 [圖2B]為圖2A之感測器裝置的示意俯視圖。 [圖2C]為圖2A及圖2B之感測器裝置的示意側視圖。 [圖2D]為圖2A至圖2C之感測器裝置的示意仰視圖。 [圖2E]為圖2A至圖2D之感測器裝置的示意剖面側視圖。 [圖2F]為圖2A至圖2E之感測器裝置的分解圖。 [圖3A]為圖2A至圖2F之感測器裝置的支撐結構的示意俯視圖。 [圖3B]為支撐結構之示意正視圖。 [圖3C]為支撐結構之示意剖面側視圖。 [圖4A]為圖2A至圖2F之感測器裝置之蓋的示意側視圖。 [圖4B]為蓋之示意剖面側視圖。 [圖5]示出感測器裝置之示意圖。 [圖6]為根據一實施例之感測器裝置的示意剖面側視圖。 [圖7]為示出兩種不同感測器裝置之諧振頻率響應(resonant frequency response)曲線的圖表。 [圖8]為根據一實施例之支撐結構的示意透視圖。 [圖9]為根據另一實施例之感測器裝置的分解圖。 [圖10A]為圖9之感測器裝置的示意俯視圖。 [圖10B]為圖9之感測器裝置的示意側視圖。 [圖10C]為圖9之感測器裝置的示意剖面側視圖。 [圖11A]為圖9之感測器裝置的支撐結構的示意透視圖。 [圖11B]為圖11A之支撐結構的示意俯視圖。 [圖11C]為圖11A之支撐結構的示意側視圖。 [圖11D]為圖11A之支撐結構的示意剖面側視圖。 [圖12A]為圖9之感測器裝置之蓋的示意透視圖。 [圖12B]為圖12A之蓋的示意側視圖。 [圖12C]為圖12A之蓋的示意剖面側視圖。 [圖12D]為圖12A之蓋的示意俯視圖。

1:感測器裝置

10:支撐結構

12:蓋

14:基座

16:載體

18:頂蓋

20:側壁

22:感測器模組

24:螺栓

26:連接器

28:緊固件

30:基板

Claims (64)

1. 一種感測器封裝體，包含： 一支撐結構，用以藉由一螺栓與一振動源耦接； 一蓋，至少部分地設置在該支撐結構上，該蓋至少部分地定義一空腔；以及 一振動感測器模組，耦接至該支撐結構之一部分並設置在該空腔中， 其中該感測器封裝體之機械諧振頻率範圍為0.1 Hz至11 kHz。
2. 如請求項1所述之感測器封裝體，其中該支撐結構包括一基座及一載體，該基座具有一上側及一下側，該載體設置在該基座之該上側，該基座用以藉由該螺栓與該振動源耦接，該蓋至少部分地設置在該基座之該上側，該載體設置在該空腔中，並且該振動感測器模組耦接至該載體。
3. 如請求項2所述之感測器封裝體，其中該蓋包含一螺旋塞，該基座之該上側包含一螺紋部分，並且該螺旋塞與該螺紋部分配合以將該蓋與該基座機械連接。
4. 如請求項2所述之感測器封裝體，其中該振動感測器模組包含一安裝至一基板之感測器晶片，並且該基板定位在該載體與該感測器晶片之間。
5. 如請求項4所述之感測器封裝體，其中該感測器晶片包含一微型機電系統（MEMs）感測器晶片。
6. 如請求項2所述之感測器封裝體，其中該螺栓用以耦接至該基座之該下側並相對於該基座之該下側垂直地延伸。
7. 如請求項2所述之感測器封裝體，其中該載體從該基座之該上側垂直地延伸，並且該振動感測器模組用以感測一垂直方向上的振動。
8. 如請求項2所述之感測器封裝體，其具有一種積體電子壓電（IEPE）介面，該介面包括一耦接至該基座並用以將該振動感測器模組電連接至一外部基板或系統之連接器。
9. 如請求項8所述之感測器封裝體，其中該連接器包含一超小型A型（SMA）連接器，並且該振動感測器模組包含藉由一訊號線與該SMA連接器連接之一訊號輸出端。
10. 如請求項9所述之感測器封裝體，其中該支撐結構用以向該振動感測器模組提供一電接地連接。
11. 如請求項2所述之感測器封裝體，其中該蓋包含一插塞接點部分，該基座之該上側包含一塞孔接點部分，並且該蓋及該支撐結構透過該插塞接點部分及該塞孔接點部分進行壓合耦接。
12. 如請求項2所述之感測器封裝體，其中該載體包含一至少部分穿過該載體厚度之開口。
13. 如請求項1所述之感測器封裝體，其中該支撐結構包含一楊氏模量範圍在60 GPa至200 GPa之材料。
14. 如請求項13所述之感測器封裝體，其中該材料密度範圍為2000 kg/m ³至3000 kg/m ³。
15. 如請求項14所述之感測器封裝體，其中該材料包含鋁。
16. 如請求項1所述之感測器封裝體，進一步包含一設置在該空腔中之填補材料。
17. 如請求項16所述之感測器封裝體，其中該填補材料包含一非導電環氧樹脂。
18. 如請求項16所述之感測器封裝體，其中該支撐結構包括一用於注入該填補材料之注入孔。
19. 如請求項1所述之感測器封裝體，其中該感測器封裝體之機械諧振頻率範圍為5 Hz至11 kHz。
20. 一種感測器封裝體，包含： 一支撐結構，用以藉由一螺栓與一振動源耦接； 一蓋，至少部分地設置在該支撐結構上，該蓋至少部分地定義一空腔； 一微型機電系統（MEMs）振動感測器模組，耦接至該支撐結構並設置在該空腔中；以及 一連接器，耦接至該支撐結構，該連接器用以連接至一連接線，以將該振動感測器模組電連接至一外部基板或系統。
21. 如請求項20所述之感測器封裝體，其中該連接器具有一積體電子壓電（IEPE）介面。
22. 如請求項20所述之感測器封裝體，其中該支撐結構包括一基座及一載體，該基座具有一上側及一下側，該載體設置在該基座之該上側，該基座用以藉由該螺栓與該振動源耦接，該載體設置在該空腔中，該MEMs振動感測器模組耦接至該載體，並且該連接器耦接至該基座。
23. 如請求項20所述之感測器封裝體，其中該蓋包含一螺旋塞，該基座之該上側包含一螺紋部分，並且該螺旋塞與該螺紋部分配合以將該蓋與該基座機械連接。
24. 如請求項23所述之感測器封裝體，其中該蓋包含一插塞接點部分，該基座之該上側包含一塞孔接點部分，並且該蓋及該支撐結構透過該插塞接點部分及該塞孔接點部分進行壓合耦接。
25. 如請求項20所述之感測器封裝體，其中該螺栓用以耦接至該基座之該下側並相對於該基座之該下側垂直地延伸。
26. 如請求項20所述之感測器封裝體，其中該載體從該基座之該上側垂直地延伸，並且該振動感測器模組用以感測一垂直方向上的振動。
27. 如請求項20所述之感測器封裝體，其中該連接器包含一超小型A型（SMA）連接器，並且該振動感測器模組包含藉由一訊號線與該SMA連接器連接之一訊號輸出端。
28. 如請求項27所述之感測器封裝體，其中該支撐結構用以向該振動感測器模組提供接地連接。
29. 如請求項20所述之感測器封裝體，其中該支撐結構包含一楊氏模量係至少60 GPa之材料。
30. 如請求項29所述之感測器封裝體，其中該材料密度小於3000 kg/m ³。
31. 如請求項30所述之感測器封裝體，其中該材料為鋁。
32. 如請求項20所述之感測器封裝體，進一步包含一設置在該空腔中的填補材料。
33. 如請求項32所述之感測器封裝體，其中該填補材料為一非導電環氧樹脂。
34. 如請求項32所述之感測器封裝體，其中該支撐結構包含一用於注入該填補材料之注入孔。
35. 如請求項20所述之感測器封裝體，其中該振動感測器模組包含一安裝至一基板之感測器晶片，該基板定位在該支撐結構之一載體與該感測器晶片之間。
36. 如請求項35所述之感測器封裝體，其中該感測器晶片包含一微型機電系統（MEMs）感測器晶片。
37. 一種感測器封裝體，包含： 一支撐結構，包括一基座及一載體，該基座具有一上側及一下側，該載體設置在該基座之該上側，該基座用以藉由一螺栓與一振動源耦接； 一蓋，至少部分地設置在該基座之該上側，該載體設置在一由該基座及該蓋至少部分地形成之空腔中；以及 一微型機電系統（MEMs）振動感測器模組，耦接至該載體並設置在該空腔中； 其中該支撐結構包含一材料，其楊氏模量係至少60 GPa且密度小於3000 kg/m ³。
38. 如請求項37所述之感測器封裝體，其具有一種積體電子壓電（IEPE）介面，該介面包括一耦接至該基座並用以將該MEMs振動感測器模組電連接至一外部基板或系統之超小型A型（SMA）連接器。
39. 如請求項38所述之感測器封裝體，其中該振動MEMs感測器模組包含藉由一訊號線與該SMA連接器連接之一訊號輸出端。
40. 如請求項39所述之感測器封裝體，其中該支撐結構用以向該MEMs振動感測器模組提供接地連接。
41. 如請求項37所述之感測器封裝體，其中該材料為鋁。
42. 如請求項37所述之感測器封裝體，進一步包含一設置在該空腔中的填補材料。
43. 如請求項42所述之感測器封裝體，其中該填補材料為一非導電環氧樹脂。
44. 如請求項42所述之感測器封裝體，其中該支撐結構包括一用於注入該填補材料之注入孔。
45. 如請求項37所述之感測器封裝體，其中該蓋包含一螺旋塞，該基座之該上側包含一螺紋部分，並且該螺旋塞與該螺紋部分配合以將該蓋與該基座機械連接。
46. 如請求項37所述之感測器封裝體，其中該蓋包含一插塞接點部分，該基座之該上側包含一塞孔接點部分，並且該蓋及該支撐結構透過該插塞接點部分及該塞孔接點部分進行壓合耦接。
47. 如請求項37所述之感測器封裝體，其中該MEMs振動感測器模組包含一安裝至一基板之MEMs感測器晶片，該基板定位在該載體與該MEMs感測器晶片之間。
48. 如請求項37所述之感測器封裝體，其中該螺栓用以耦接至該基座之該下側並相對於該基座之該下側垂直地延伸。
49. 一種感測器封裝體，包含： 一支撐結構； 一螺栓，耦接至該支撐結構或與該支撐結構一起形成，該螺栓用以將該支撐結構與一振動源耦接在一起； 一蓋，耦接至該支撐結構，該蓋及該支撐結構之一第一部分定義一空腔； 一振動感測器模組，耦接至該支撐結構之一第二部分並設置在該空腔中；以及 一填補材料，設置在該空腔中。
50. 如請求項49所述之感測器封裝體，其機械諧振頻率係至少5 kHz。
51. 如請求項49所述之感測器封裝體，其中該支撐結構包含一材料，其楊氏模量係至少60 GPa且密度小於3000 kg/m ³。
52. 如請求項51所述之感測器封裝體，其中該材料包含鋁。
53. 如請求項49所述之感測器封裝體，其中該支撐結構包括一基座及一載體，該基座具有一上側及一下側，該載體設置在該基座之該上側，該基座用以藉由該螺栓與該振動源耦接，該蓋至少部分地設置在該基座之該上側，該載體設置在該空腔中，並且該振動感測器模組耦接至該載體。
54. 如請求項53所述之感測器封裝體，其中該蓋包含一螺旋塞，該基座之該上側包含一螺紋部分，並且該螺旋塞與該螺紋部分配合以將該蓋與該基座機械連接。
55. 如請求項52所述之感測器封裝體，其中該蓋包含一插塞接點部分，該基座之該上側包含一塞孔接點部分，並且該蓋及該支撐結構透過該插塞接點部分及該塞孔接點部分進行壓合耦接。
56. 如請求項53所述之感測器封裝體，其中該振動感測器模組包含一安裝至一基板之感測器晶片，該基板定位在該載體與該感測器晶片之間。
57. 如請求項56所述之感測器封裝體，其中該感測器晶片包含一微型機電系統（MEMs）感測器晶片。
58. 如請求項53所述之感測器封裝體，其中該螺栓用以耦接至該基座之該下側並相對於該基座之該下側垂直地延伸。
59. 如請求項53所述之感測器封裝體，其中該載體從該基座之該上側垂直地延伸，並且該振動感測器模組用以感測一垂直方向上的振動。
60. 如請求項53所述之感測器封裝體，其具有一種積體電子壓電（IEPE）介面，該介面包括一耦接至該基座並用以將該振動感測器模組電連接至一外部基板或系統之連接器。
61. 如請求項60所述之感測器封裝體，其中該連接器包含一超小型A型（SMA）連接器，並且該振動感測器模組包含藉由一訊號線與該SMA連接器連接之一訊號輸出端。
62. 如請求項49所述之感測器封裝體，其中該支撐結構用以向該振動感測器模組提供一電接地連接。
63. 如請求項49所述之感測器封裝體，其中該填補材料包含一非導電環氧樹脂。
64. 如請求項49所述之感測器封裝體，其中該支撐結構包括一用於注入該填補材料之注入孔。

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