TWI518804B - Monolithic compound sensor and its package - Google Patents

Description

單體化複合傳感器及其封裝品

本發明是有關於一種微機電系統的傳感器，特別是指一種高積集度的單體化複合傳感器。

微機電系統技術(MEMS)結合了半導體製程及其它微機械加工(micromachining)的方法，整合製造結合光、機、電、生化等感測或致動元件於晶片上，而能使感測器或致動器微型化。

然而，單一功能的微感測器或微致動器已經無法滿足使用需求，為了能夠降低成本並提高附加價值，將多個感測器整合於同一晶片已成為未來發展的趨勢。以車用電子系統為例，整合加速度計與微陀螺儀可應用於車輛穩定性控制與防翻覆感測器，而整合壓力計與加速度計可應用於胎壓偵測系統。具體結構設計，例如美國專利US 7223624、US 7322236及US 7555956等，皆有揭露將壓力計與加速度計以並列方式整合於同一晶片，其中US 7322236還揭露將壓力計與加速度計分別位於晶片正面與背面的上下並排設計。

由於並列方式的設計使晶片面積很難再縮小，而上下並排方式容易造成製程的複雜性並增加引線的困難，所以如何有效提高積集度以減少晶片面積，且避免製程過於複雜，是需要解決的課題。

因此，本發明之一目的，即在提供一種可以有效提高積集度且結構簡單的單體化複合傳感器。

本發明之另一目的，提供一種單體化複合傳感器的封裝品。

於是，本發明單體化複合傳感器，包含：一主體、一複合體、至少一連結樑及多個傳感元件。複合體包括相連接的一質量塊及一薄膜，薄膜位於質量塊上並與質量塊共同界定出至少一空腔。連結樑連結主體與複合體，使複合體可相對於主體作運動，亦即，主體為一固定結構，連結樑的一端固定於主體，另一端連接複合體，藉由連結樑支撐複合體而將複合體懸空，當複合體受外力搖晃或震動時，即會相對於主體運動。其中至少一個傳感元件形成於薄膜位於空腔上之區域。複合體的空腔可以提供薄膜振動的空間，也可以作為隔熱的空間，藉此可在空腔上的薄膜區域設置傳感元件，形成多功能的應用，例如設置壓阻元件可應用為壓力感測器；設置熱敏元件可應用為溫度感測器；此外，若設置熱敏元件，單體化複合傳感器還可包含一發熱元件，同樣設於空腔上的薄膜區域並靠近熱敏元件，即可應用為流體流量計。

依據本發明單體化複合傳感器之實施例，多個傳感元件可分別為壓阻元件、壓電元件及熱敏元件其中之一者。而且，傳感元件中至少一個為壓阻元件且形成於連結樑，可以感測複合體的運動，以應用為慣性感測器，進一步地，傳感元件中有一為壓電元件，亦可設於連結樑上，以致動複合體，使慣性感測器具有自我檢測的功能；或者，單體化複合傳感器還可包含一底板，與主體連接且形成有一感測電極，感測電極與質量塊相對且兩者共同形成一電容結構，藉此亦可感測複合體的運動，或藉由在電容結構間施加偏壓而產生靜電力使此複合體具有自我檢測的功能。

依據本發明單體化複合傳感器之實施例，薄膜與連結樑一體連接，亦即薄膜與連結樑是由同一結構層所形成，而且連結樑的厚度與薄膜的厚度可以相同也可以不同，可依據需求而調整，具體例如連結樑的厚度小於薄膜的厚度，可使複合體的振動較為靈敏，或例如連結樑的厚度大於薄膜的厚度，可使連結樑較具有剛性。

依據本發明單體化複合傳感器之實施例，複合體的至少一空腔還延伸至少一貫穿質量塊的通道而與外界相連通，藉此流體可經由通道進入空腔內與薄膜接觸以偵測相對壓差。

本發明單體化複合傳感器的封裝品，包含：一單體化複合傳感器、一封蓋及一底板。單體化複合傳感器，包含：一主體、一複合體、至少一連結樑及多個傳感元件。複合體包括相連接的一質量塊及一薄膜，薄膜位於質量塊上並與質量塊共同界定出至少一空腔。連結樑連結主體與複合體，使複合體可相對於主體作運動。其中至少一個傳感元件形成於薄膜位於空腔上之區域。封蓋連接於單體化複合傳感器的上表面，遮蓋複合體及所述連結樑並與複合體及連結樑相間隔，且設有多個穿孔。底板連接於單體化複合傳感器的下表面，與封蓋位於單體化複合傳感器的相反兩側，且與複合體相間隔。

依據本發明單體化複合傳感器的封裝品之實施例，至少一部份穿孔分別對應各傳感元件之焊墊設置以露出各傳感元件之焊墊。而且，單體化複合傳感器的封裝品還可包含多個金屬導接部，分別對應被覆於各傳感元件的焊墊而形成電連接且延伸被覆於對應界定穿孔的封蓋的壁面並進一步延伸至封蓋的頂面；或者，多個金屬導接部分別對應被覆於各傳感元件的焊墊而形成電連接。

依據本發明單體化複合傳感器的封裝品之實施例，穿孔中至少一個使該複合體與外界壓力連通。

依據本發明單體化複合傳感器的封裝品之實施例，複合體的至少一空腔還延伸至少一貫穿質量塊的通道；底板具有至少一個穿孔，使複合體與外界壓力連通。

依據本發明單體化複合傳感器的封裝品之實施例，傳感元件分別為壓阻元件、壓電元件及熱敏元件其中之一者。

依據本發明單體化複合傳感器的封裝品之實施例，傳感元件中至少一個為壓阻元件且形成於連結樑。

依據本發明單體化複合傳感器的封裝品之實施例，底板形成有一感測電極，感測電極與質量塊相對且兩者共同形成一電容結構。

本發明之功效，本發明單體化複合傳感器除了利用複合體可以運動而能形成慣性感測器之外，還藉由在複合體形成空腔，而能在空腔上的薄膜區域形成傳感元件以作為其他用途的感測器，例如壓力感測器、溫度感測器、流體流量計等，從而節省形成其他用途感測器所需增加的面積，使單體化複合傳感器不但具有多功能且能提高積集度。再者，單體化複合傳感器的結構簡單，較容易製作，且能進一步形成封裝品。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之九個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1與圖2，本發明單體化複合傳感器之第一較佳實施例包含一主體1、一複合體2、兩個連結樑3及多個傳感元件4。複合體2包括相連接的一質量塊21及一薄膜22，薄膜22位於質量塊21上並與質量塊21共同界定出一空腔23，藉由空腔23使薄膜22有形變的空間，藉由薄膜22上的傳感元件4以感應壓力變化。連結樑3連結主體1與複合體2，使複合體2可相對於主體1作運動，亦即，複合體2由連結樑3彈性支撐而為懸空的結構體，若複合體2受震動即會相對於主體1作運動。在本實施例，薄膜22與連結樑3一體連接，亦即，薄膜22與連結樑3是由同一結構層所形成，而且連結樑3的數量不限於兩個，形狀也不 限於長條形，其數量及形狀可以依據複合體2實際的體積及重量而調整，但是至少需要一個連結樑3來支撐複合體2。

在本實施例，傳感元件4都是壓阻元件41，其中一部分壓阻元件41形成於薄膜22位於空腔23上的區域，用以感測薄膜22的形變或振動，藉此本實施例可作為壓力感測器；其餘壓阻元件41分別形成於連結樑3，用以感測複合體2的運動，藉此本實施例可作為慣性感測器，例如加速度計、陀螺儀等。也就是說，本實施例可以作為整合慣性感測器及壓力感測器的單體化複合傳感器。

參閱圖3，本發明單體化複合傳感器之第二較佳實施例與第一較佳實施例大致相同，惟，相較於第一較佳實施例，在第二較佳實施例中，進一步調整連結樑3的厚度，使連結樑3的厚度小於薄膜22的厚度，藉此調整複合體2的靈敏度。此外，複合體2的空腔23還延伸一貫穿質量塊21的通道24而使空腔23與外界相連通，藉此，薄膜22除了可以由上側(相反於空腔23側)感應壓力變化之外，亦可由下側(相鄰於空腔23側)感應壓力變化，增加複合傳感器的使用彈性。

參閱圖4，本發明單體化複合傳感器之第三較佳實施例同樣包含主體1、複合體2、連結樑3及多個傳感元件4。其中傳感元件4包括有一壓阻元件41、一壓電元件42，及一熱敏元件43。壓阻元件41形成於連結樑3以感測複合體2的運動，藉此本實施例可作為慣性感測器；壓電元件42亦形成於連結樑3，用以致動複合體2以使慣性感測器具有自我檢測(self test)的功能；熱敏元件43形成於薄膜22位於空腔23上的區域，可以利用空腔23絕熱，以使薄膜22上的熱能不會快速傳導至質量塊21，藉此本實施例可作為溫度感測器。亦即，本實施例可作為整合慣性感測器及溫度感測器的單體化複合傳感器，且慣性感測器還具有自我檢測的功能。

參閱圖5，本發明單體化複合傳感器之第四較佳實施例同樣包含主體1、複合體2、連結樑3及多個傳感元件4。其中傳感元件4包括有一壓阻元件41及多個熱敏元件43，壓阻元件41形成於連結樑3以感測複合體2的運動，藉此本實施例可作為慣性感測器；熱敏元件43形成於薄膜22位於空腔23上的區域，可以利用空腔23絕熱，以使薄膜22上的熱能不會快速傳導至質量塊21，藉此本實施例可作為溫度感測器；此外單體化複合傳感器還包含一發熱元件5，形成於薄膜22位於空腔23上的區域且靠近熱敏元件43，藉此本實施例可作為流體流量計。亦即，本實施例可作為整合慣性感測器、溫度感測器及流體流量計的單體化複合傳感器。

參閱圖6，本發明單體化複合傳感器之第五較佳實施例同樣包含主體1、複合體2、連結樑3及多個傳感元件4。其中複合體2形成有兩個空腔23，而且傳感元件4包括有多個壓阻元件41及一熱敏元件43，一部分的壓阻元件41形成於連結樑3以感測複合體2的運動，藉此本實施例可作為慣性感測器；其餘的壓阻元件41形成於薄膜22位於其中之一空腔23上的區域，用以感測薄膜22的形變，藉此本實施例可作為壓力感測器；熱敏元件43形成於薄膜22位於其中另一空腔23上的區域，可以利用空腔23絕熱，藉此本實施例可作為溫度感測器。換言之，本實施例可作為整合慣性感測器、壓力感測器及溫度感測器的單體化複合傳感器。

參閱圖7，本發明單體化複合傳感器之第六較佳實施例同樣包含主體1、複合體2、連結樑3及多個傳感元件4。其中傳感元件4都為壓阻元件41且都形成於薄膜22位於空腔23上的區域，用以感測薄膜22的形變，藉此本實施例可作為壓力感測器。此外，本實施例還進一步包含一底板6，與主體1連接而與複合體2相間隔且形成有一感測電極7，感測電極7與質量塊21相對且兩者共同形成一電容結構，藉由感測電極7感測電容變化可以感測複合體2的運動，亦可利用施加偏壓於感測電極7使電容變化來致動複合體2，藉此本實施例亦可作為慣性感測器並具有自我檢測的功能。換言之，本實施例可作為整合慣性感測器及壓力感測器的單體化複合傳感器，且慣性感測器具有自我檢測的功能。

本發明單體化複合傳感器可進一步製作封裝結構形成封裝品以保護單體化複合傳感器免於外力的破壞，使後段封裝製程較具彈性。以下以前述單體化複合傳感器的第一、第二及第六較佳實施例進一步形成的封裝品為例說明。

參閱圖8，本發明單體化複合傳感器的封裝品之第一較佳實施例包含一單體化複合傳感器、一封蓋8、一底板6及多個金屬導接部9。本實施例之單體化複合傳感器如前述單體化複合傳感器之第一較佳實施例，不再重述。封蓋8連接於單體化複合傳感器的上表面，遮蓋複合體2及連結樑3並與複合體2及連結樑3相間隔。底板6連接於單體化複合傳感器的下表面，與封蓋8位於單體化複合傳感器的相反兩側，且與複合體2相間隔。由於複合體2由主體1圍繞，再加上封蓋8與底板6遮蓋複合體2的上下兩側，可以保護複合體2及連結樑3不會受到外物碰撞。此外，封蓋8設有多個穿孔81、82，其中穿孔81使複合體2與外界壓力連通，以使薄膜22能夠感應外界壓力變化，穿孔81可以為一個或多個並不限制，而多個穿孔82分別對應各傳感元件4之焊墊40設置以露出各傳感元件4之焊墊40(多個焊墊40分佈於主體1頂面，圖式僅示出一個)。金屬導接部9分別對應被覆於各傳感元件4的焊墊40形成電連接且延伸被覆於對應界定穿孔82的封蓋8的壁面83並進一步延伸至封蓋8的頂面84，金屬導接部9位於封蓋8頂面84的部分用以與外部電路電連接，可直接焊接於一電路板(未圖示)。前述封蓋8、底板6及金屬導接部9可在製作完成單體化複合傳感器的同一晶圓上接續進行，而能達到晶圓級封裝，亦即可在同一晶圓上製作多個單體化複合傳感器的封裝品，再切割即可形成多個獨立的單體化複合傳感器的封裝品。

參閱圖9，本發明單體化複合傳感器的封裝品之第二較佳實施例包含一單體化複合傳感器、一封蓋8、一底板6及多個金屬導接部9。本實施例之單體化複合傳感器如前述單體化複合傳感器之第二較佳實施例，不再重述。此外，封蓋8、底板6及金屬導接部9大致與前述封裝品之第一較佳實施例相同，惟，在本實施例，底板6還具有多個穿孔61，使複合體2與外界壓力相通，藉此外界流體可以通過封蓋8的穿孔81及底板6的穿孔61兩種管道接觸複合體2。當然，穿孔61也可以只有一個。

參閱圖10，本發明單體化複合傳感器的封裝品之第三較佳實施例包含一單體化複合傳感器、一封蓋8及多個金屬導接部9。本實施例之單體化複合傳感器如前述單體化複合傳感器之第六較佳實施例，不再重述，其中單體化複合傳感器之底板6即作為封裝品的底板6，不需要再另外設置。本實施例的封蓋8結構與前述封裝品之第一較佳實施例相同，而金屬導接部9分別對應被覆於各傳感元件4的焊墊40形成電連接，在本實施例的金屬導接部9可供以打線(未圖示)方式與外部電路電連接。

前述全部實施例的製造方法都可以利用現有的微機電系統(MEMS)技術來實施，不予詳述，而且前述單體化複合傳感器的封裝品之實施例皆可達到晶圓級封裝。

綜上所述，本發明單體化複合傳感器除了利用複合體2可以運動而能形成慣性感測器之外，還藉由在複合體2形成空腔23，而能在空腔23上的薄膜22區域形成傳感元件4以作為其他用途的感測器，例如壓力感測器、溫度感測器、流體流量計等，亦即，複合體2除了相當於現有慣性感測器的運動體結構之外，還能在相當的體積空間下進一步形成其他用途的感測器，從而節省形成其他用途感測器所需增加的面積，使單體化複合傳感器不但具有多功能且能提高積集度。再者，單體化複合傳感器的結構簡單，較容易製作，且能進一步形成封裝品。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．主體

2．．．複合體

21．．．質量塊

22．．．薄膜

23．．．空腔

24．．．通道

3．．．連結樑

4．．．傳感元件

40．．．焊墊

41．．．壓阻元件

42．．．壓電元件

43．．．熱敏元件

5．．．發熱元件

6．．．底板

61．．．穿孔

7．．．感測電極

8．．．封蓋

81．．．穿孔

82．．．穿孔

83．．．壁面

84．．．頂面

9．．．金屬導接部

圖1是一俯視示意圖，說明本發明單體化複合傳感器之第一較佳實施例；

圖2是一沿圖1中II-II直線所取的截面示意圖；

圖3是一截面示意圖，說明本發明單體化複合傳感器之第二較佳實施例；

圖4是一截面示意圖，說明本發明單體化複合傳感器之第三較佳實施例；

圖5是一截面示意圖，說明本發明單體化複合傳感器之第四較佳實施例；

圖6是一截面示意圖，說明本發明單體化複合傳感器之第五較佳實施例；

圖7是一截面示意圖，說明本發明單體化複合傳感器之第六較佳實施例；

圖8是一截面示意圖，說明本發明單體化複合傳感器的封裝品之第一較佳實施例；

圖9是一截面示意圖，說明本發明單體化複合傳感器的封裝品之第二較佳實施例；及

圖10是一截面示意圖，說明本發明單體化複合傳感器的封裝品之第三較佳實施例。

1．．．主體

2．．．複合體

21．．．質量塊

22．．．薄膜

23．．．空腔

3．．．連結樑

4．．．傳感元件

40．．．焊墊

41．．．壓阻元件

6．．．底板

8．．．封蓋

81．．．穿孔

82．．．穿孔

83．．．壁面

84．．．頂面

9．．．金屬導接部

Claims (17)

1. 一種單體化複合傳感器，包含：一主體；一複合體，包括相連接的一質量塊及一薄膜，該薄膜位於該質量塊上並與該質量塊共同界定出至少一空腔；至少一連結樑，連結該主體與該複合體，使該複合體可相對於該主體作運動；及多個傳感元件，其中至少一個傳感元件形成於該薄膜位於所述空腔上之區域。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之單體化複合傳感器，其中，所述傳感元件分別為壓阻元件、壓電元件及熱敏元件其中之一者。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之單體化複合傳感器，還包含一底板，與該主體連接且形成有一感測電極，該感測電極與該質量塊相對且兩者共同形成一電容結構。
4. 依據申請專利範圍第2項所述之單體化複合傳感器，其中，所述傳感元件中至少一個為壓阻元件且形成於所述連結樑。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之單體化複合傳感器，其中，所述傳感元件中至少一個為熱敏元件且形成於該薄膜位於所述空腔上的區域；且該單體化複合傳感器還包含一發熱元件，形成於該薄膜位於所述空腔上的區域且靠近所述熱敏元件。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之單體化複合傳感器，其中，該薄膜與所述連結樑一體連接。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之單體化複合傳感器，其中，所述連結樑的厚度異於該薄膜的厚度。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之單體化複合傳感器，其中，該複合體的至少一空腔還延伸至少一貫穿該質量塊的通道而與外界相連通。
9. 一種單體化複合傳感器的封裝品，包含：一單體化複合傳感器，包含：一主體；一複合體，包括相連接的一質量塊及一薄膜，該薄膜位於該質量塊上與該質量塊共同界定出至少一空腔；至少一連結樑，連結該主體與該複合體，使該複合體可相對於該主體作運動；及多個傳感元件，其中至少一個傳感元件形成於該薄膜位於所述空腔上之區域；一封蓋，連接於該單體化複合傳感器的上表面，遮蓋該複合體及所述連結樑並與該複合體及所述連結樑相間隔，且設有多個穿孔；及一底板，連接於該單體化複合傳感器的下表面，與該封蓋位於該單體化複合傳感器的相反兩側，且與該複合體相間隔。
10. 依據申請專利範圍第9項所述之單體化複合傳感器的封裝品，其中，至少一部份所述穿孔分別對應所述各傳感元件之焊墊設置以露出所述各傳感元件之焊墊。
11. 依據申請專利範圍第10項所述之單體化複合傳感器的封裝品，還包含多個金屬導接部，分別對應被覆於所述各傳感元件的焊墊而形成電連接且延伸被覆於對應界定所述穿孔的該封蓋的壁面並進一步延伸至該封蓋的頂面。
12. 依據申請專利範圍第10項所述之單體化複合傳感器的封裝品，還包含多個金屬導接部，分別對應被覆於所述各傳感元件的焊墊而形成電連接。
13. 依據申請專利範圍第9項所述之單體化複合傳感器的封裝品，其中，所述穿孔中至少一個使該複合體與外界壓力連通。
14. 依據申請專利範圍第9項所述之單體化複合傳感器的封裝品，其中，該複合體的至少一空腔還延伸至少一貫穿該質量塊的通道；該底板具有至少一個穿孔，使該複合體與外界壓力連通。
15. 依據申請專利範圍第9項所述之單體化複合傳感器的封裝品，其中，所述傳感元件分別為壓阻元件、壓電元件及熱敏元件其中之一者。
16. 依據申請專利範圍第9項所述之單體化複合傳感器的封裝品，其中，所述傳感元件中至少一個為壓阻元件且形成於所述連結樑。
17. 依據申請專利範圍第9項所述之單體化複合傳感器的封裝品，其中，該底板形成有一感測電極，該感測電極與該質量塊相對且兩者共同形成一電容結構。