TWI770026B - 壓電封裝整合式壓力感測裝置 - Google Patents

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湯瑪斯 L. 索納特
菲拉斯 伊德
莎夏 N. 歐斯特
吉爾吉斯 C. 道吉亞米斯
阿黛爾 A. 艾爾夏比尼
蕭娜 M. 里夫
喬安娜 Ｍ 史旺
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美商英特爾公司
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Abstract

本發明的實施例係包括一壓力感測裝置，該壓力感測裝置係具有一膜，其被設置近鄰於一有機基材的一腔穴，一壓電材料，其被設置近鄰於膜，及一電極，其與壓電材料作接觸。膜係回應於環境壓力的一變化而撓曲，且此撓曲係造成在壓電材料中產生一電壓，其中此電壓與環境壓力的變化成比例。

Description

壓電封裝整合式壓力感測裝置
本發明的實施例係概括有關封裝整合式壓力感測裝置。特別地，本發明的實施例係有關壓電封裝整合式壓力感測裝置(壓力感測器)。
消費性行動裝置若要監測氣壓計壓力而言，壓力感測器係為重要。壓力感測器亦例如在工業設備及設施監測、汽車系統、物聯網(IOT)及行動健康監測中具有廣泛的應用範圍。可商業取得的微型化壓力感測器係在矽晶圓基材上被製造且分離地封裝。然而，由於壓力感測器具有相對大的z高度(>>5mm)，這些系統典型地係佔體積。使用於生成壓力感測器的MEMS技術係產生遠比上述系統更低的z高度。然而，以矽為基礎的MEMS技術之製造程序係由於昂貴材料及晶圓尺度製造而為昂貴，並會很具挑戰性或可能甚至在大面積上不可行。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種壓力感測裝置，其包含：一膜，其被設置近鄰於一有機基材的一腔穴；一壓電材料，其被設置近鄰於該膜；及一電 極，其與該壓電材料作接觸，其中該膜係回應於環境壓力的一變化而撓曲，且此撓曲造成在該壓電材料中產生一電壓，其中此電壓與環境壓力的該變化成比例。
100:微電子裝置
110:印刷電路板(PCB)
111-115,191-192,195-196:銲球
120,200,250,300,400,500,600,700,800:封裝基材
122-123,125-127,132,136,225,272,285-288,325,425,432:傳導層
126,127:封裝導孔
128,202,268,302,402,502,602,702,802:有機介電層
130,230,830:壓電壓力感測裝置
132,432:傳導結構
134:結構
136,436:傳導可移式基底結構/撓曲膜
137,237:壓電堆積體
142,242,282,842:腔穴
160,260,262,860:密封地封閉材料
190,194:裝置
210-212,810-812:內表面
226,227:傳導層/封裝連接件
232,332,532,632,636,832:傳導層/傳導結構
234,274,634,734,834:壓電材料
236:傳導層/傳導可移式基底結構/膜
272:傳導振動結構
275:傳導層/傳導材料/底電極/傳導振動結構
276:傳導層/傳導膜
277:堆積體
294:絕緣層
330:封裝整合式壓電裝置
425:封裝連接件
525-528:傳導層/封裝連接件
536:傳導層/傳導可移式基底結構/撓曲膜
625-626,725-726,825-827:傳導層/封裝連接件
732,736:電極/傳導層/傳導結構
836:傳導層/撓曲膜
1500:運算裝置
1502:整合式電路處理器封裝體或主機板
1504:處理器
1506:通信晶片
1510,1511:DRAM
1512:ROM
1514:晶片組
1515:功率放大器
1516:圖形處理器
1520:天線
1522:觸控螢幕控制器
1524:羅盤
1526:全球定位系統(GPS)裝置
1530:觸控螢幕顯示器
1532:電池
1540:壓力感測裝置
1550:攝影機
AA,BB:剖視圖
圖1繪示根據一實施例之一具有一封裝整合式壓電壓力感測裝置之微電子裝置100的視圖；圖2A繪示根據一實施例之一具有一封裝整合式壓電壓力感測裝置之封裝基材200的側剖視圖；圖2B繪示根據另一實施例之一具有一封裝整合式壓電壓力感測裝置之封裝基材250的側剖視圖；圖3繪示根據另一實施例之一具有一封裝整合式壓電裝置(例如壓力感測裝置)之封裝基材的俯視圖；圖4繪示根據另一實施例之一具有一封裝整合式壓電裝置(例如具有正方形膜的壓力感測裝置)之封裝基材的俯視圖；圖5繪示根據另一實施例之一具有一封裝整合式壓電裝置(例如具有圓形膜的壓力感測裝置)之封裝基材的俯視圖；圖6繪示根據另一實施例之一具有一封裝整合式壓電裝置(例如具有交錯指型電極的壓力感測裝置)之封裝基材的俯視圖；圖7繪示根據另一實施例之一具有一封裝整合式壓電裝置(例如具有置設於一壓電材料的一相同側上之第一及第二電極的壓力感測裝置)之封裝基材的俯視 圖；圖8繪示根據另一實施例之一具有一封裝整合式壓電裝置(例如具有置設於一壓電材料的一相同側上之第一及第二電極的壓力感測裝置)之封裝基材之圖6的剖視圖AA及圖7的剖視圖BB；圖9繪示根據本發明的一實施例之一運算裝置1500。
本文係描述壓電封裝整合式壓力感測裝置。在下列描述中，將利用熟悉該技術者常用的用語來描述繪示性實行方式的不同形態，以將其工作實旨傳達予其他熟悉該技藝者。然而，熟悉該技藝者將瞭解可僅以所描述形態的部分來實行本發明。為了說明用，依次序提出特定數字、材料及組態以供徹底瞭解繪示性實行方式。然而，熟悉該技藝者將瞭解可以在缺乏特定細節下實行本發明。在其他案例中，係省略或簡化熟知的特徵，以免模糊繪示性實行方式。
依次，以一種最有助於瞭解本發明的方式，將不同操作描述成為多重的分立之操作。然而，描述的次序不應被詮釋成意指這些操作必具有次序依附性。特別地，不這些操作需以所提報次序進行。
本設計係提供製成傳統上用來繞佈CPU或其他晶粒及板之間的信號之一有機封裝基材的部份之薄型、低成本壓力感測裝置。壓力感測裝置(例如壓力感測 器)係製成一電子封裝基材的部份，其降低z高度及製造成本。這些壓力感測器可製成很密實且放置在多重的基材區位中，以提供基材的一空間性壓力地圖，例如若對於封裝熱管理使用對流冷卻、諸如藉由一整合式微泵用以冷卻電子組件，則其將為有用。壓力感測器亦可使用於以一行動裝置作室內導航。例如，由壓力感測器所決定的一壓力位準係可與一建築物的一特定樓層具有相關性。
本設計係導致封裝整合式壓電壓力感測裝置，藉此相較於具有分立的壓力感測器之系統而言能夠具有較薄的系統、較緊密的整合以及較密實的形狀因子(form factor)。現今可取得的最小壓力感測器係為製造在矽晶圓基材上且分離地封裝以供附接至一電子板或其他區位之MEMS裝置。根據直接地在封裝基材中製造一壓力感測器之本設計，由於免除了來自於組裝一分立的壓力感測器組件之添加高度，z高度係顯著地降低。這係能夠具有較薄的平台(platforms)。並且，藉由使用較低成本封裝基材材料及較大尺度面板級(panel-level)處理，相較於矽MEMS裝置而言，製造成本係降低。
相較於以矽為基礎的MEMS程序而言，採用有機面板級(例如~0.5m x 0.5m尺寸的面板)高量製造(HVM)程序的封裝基材技術係由於容許採用較便宜材料之更多裝置的批次製造而具有顯著的成本優勢。然而，由於其承受使這些膜結晶化所需的高溫度之能力，高品質壓電薄膜的沉積在傳統上已限於無機基材諸如矽及其他陶 瓷。藉由一新程序來容許高品質壓電薄膜作沉積及結晶化而不劣化有機基材，而能夠具有本設計。
在一範例中，本設計係包括封裝整合式結構以作為壓力感測裝置。這些結構係被製成封裝層的部份並藉由移除其周圍的介電材料而可自由作振動或移動。結構係包括逐層被沉積及圖案化至封裝體中的壓電堆積體。本設計係包括以懸設及振動結構的原理來生成封裝體中的壓力感測裝置。係發生封裝體中之介電材料的蝕刻以生成腔穴。壓電材料沉積(例如0.5至1um沉積厚度)及結晶化亦在封裝製造程序期間於封裝基材中發生。處於比壓電材料退火所典型使用者更低的一基材溫度範圍(例如最高達260℃)之一退火操作係容許壓電材料(例如鋯鈦酸鉛(PZT)、鈮酸鈉鉀(KNN)、氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)等)的結晶化在封裝製造程序期間發生而不對於基材層賦予熱退化或損害。在一範例中，雷射脈衝式退火係對於壓電材料局部地發生，而不損害包括有機層之封裝基材(例如有機基材)的其他層。
現在參照圖1，顯示根據一實施例之一具有封裝整合式壓電裝置之微電子裝置100的視圖。在一範例中，微電子裝置100包括以銲球191-192、195-196耦接或附接至一封裝基材120之多重的裝置190及194(例如晶粒、CPU、矽晶粒或晶片、無線電收發器等)。封裝基材120例如利用銲球111至115而被耦接或附接至印刷電路板(PCB)110。
封裝基材120(例如有機基材)係包括有機介電層128及傳導層122-123、125-127、132、及136。有機材料可包括任何類型的有機材料，諸如阻燄劑4(FR4)，樹脂充填聚合物，預浸物(例如浸有一樹脂結合劑的預浸纖維織造物)，聚合物，矽土充填聚合物，等。封裝基材120可在封裝基材處理(例如面板級)期間形成。所形成的面板係可為較低成本的大型(例如具有近似0.5公尺x0.5公尺、或大於0.5公尺等的平面中(x,y)維度)。一腔穴142係藉由從封裝基材120移除一或多層(例如有機層、介電層等)而形成於封裝基材120內。腔穴142可以一密封地封閉材料160作密封。在一範例中，一壓電壓力感測裝置130(例如壓力感測器)係以傳導結構132及136(例如樑、跡線)及壓電材料134形成。三個結構132、134及136係形成一堆積體137。傳導結構132可作為一第一電極，且傳導可移式基底結構136可作為壓電振動裝置的一第二電極。腔穴142可為空氣充填式或真空充填式。
基底結構136(例如撓曲膜136)係可自由在一垂直方向(例如沿著一z軸)作振動。其經組配以覆蓋腔穴142且藉由封裝導孔126及127而在腔穴之側邊的邊緣上被錨固，封裝導孔126及127係作為機械錨件且亦作為對於封裝體其餘部分的電連接件。腔穴142藉由確保其內表面皆被圖案化或塗覆一密封地封閉材料160(例如金屬、SiN、SiO2等)而被製成氣密性。這係確保腔穴內側的壓力保持與外側壓力呈隔離。外側(環境)壓力相較於一參考 壓力數值的變化係產生一壓力差，其造成膜136在垂直方向(例如z軸)作撓曲。
為了測量撓曲(及因此壓力的變化)，一壓電堆積體137係沉積於膜上。當具有壓電膜的膜136由於壓力變化而撓曲時，在壓電材料中係產生與膜撓曲成比例的一電壓。在堆積體137的電極之間電性測量此電壓，以決定對應的壓力變化。
圖2A繪示根據一實施例之一具有一封裝整合式壓電壓力感測裝置之封裝基材的側剖視圖。在一範例中，封裝基材200可耦接或附接至多重的裝置(例如晶粒、晶片、CPU、矽晶粒或晶片、RF收發器等)並亦可耦接或附接至一印刷電路板(例如PCB 110)。封裝基材200(例如有機基材)係包括有機介電層202及傳導層225-227、232、及236。封裝基材200可在封裝基材處理(例如面板級)期間形成。一腔穴242係藉由從封裝基材200移除一或多層(例如有機層、介電層等)而形成於封裝基材200內。在一範例中，一壓電壓力感測裝置係以傳導結構232及236及嵌夾其間的壓電材料形成。傳導結構232可作為一頂電極，且傳導可移式基底結構236(例如膜236)可作為壓電裝置的一底電極。腔穴242可為空氣充填式或真空充填式。傳導結構236藉由封裝連接件226及227(例如錨件、導孔)而在邊緣上被錨固，封裝連接件226及227可作為機械錨件且亦作為對於封裝體其餘部分的電連接件。
基底結構236(例如膜236)係可被圖案化作為基材傳導層的一者之部份(例如銅跡線)。一腔穴242藉由從封裝基材200移除一或多層(例如有機層、介電層等)而形成於封裝基材200內，以容許膜移動及生成一參考壓力室。腔穴242藉由確保其內表面210-212皆被圖案化或塗覆一密封地封閉材料260(例如金屬、SiN、SiO2等)而被製成氣密性。這係確保腔穴內側的壓力保持與外側壓力呈隔離。外側(環境)壓力的變化係產生一壓力差，其造成膜在垂直方向作撓曲。
為了測量撓曲及因此壓力的變化，一壓電堆積體237係沉積於膜上。堆積體237包括一嵌夾於傳導電極之間的壓電材料234(例如PZT、KNN、ZnO、或其他材料)。膜本身可用來作為如圖2A所示的電極之一者，或替代地，一分離的傳導材料275可被使用於此底電極，如圖2B所繪示，圖2B繪示根據一實施例之一具有一封裝整合式壓電壓力感測裝置之封裝基材250的側剖視圖。若膜276作傳導，則一絕緣層294可首先沉積於膜276上以使底電極275自傳導膜276電性解耦。封裝基材250包括有機介電層268及傳導層285-288、272、275、及276。一腔穴282藉由從封裝基材250移除一或多層(例如有機層、介電層等)而形成於封裝基材250內。在一範例中，一壓電壓力感測裝置係由一包括傳導振動結構272及275及嵌夾其間的壓電材料274之堆積體277形成。
當一具有最小厚度的膜(例如236、276)與 壓電材料(例如234、274)作物理性或機械性耦接時，此膜係由於壓力變化而撓曲，並在壓電材料中產生與膜撓曲成比例的一電壓。在電極之間電性測量此電壓，以決定對應的壓力變化。在一範例中，一大於腔穴壓力的環境壓力係造成膜的一往下撓曲。
腔穴(例如242、282)需為氣密性以使其內側壓力與外側壓力保持隔離。由於有機介電層的多孔本質，腔穴的內壁係需以一諸如金屬或陶瓷或其他密封材料等密封地封閉材料(例如260、262)被塗覆或圖案化。可例如藉由利用對於頂及底壁之銅(Cu)層及對於側壁之導孔的一Cu環、或藉由沉積一具有特定厚度(例如50-100奈米等)的密封層(例如SiN、SiO2等)以在腔穴生成之後塗覆內壁，來達成此作用。
圖3繪示根據另一實施例之一具有一封裝整合式壓電裝置330(例如壓力感測裝置)之封裝基材的俯視圖。包括有機介電層302及傳導層332及325之封裝基材300(例如有機基材)係可在封裝基材處理(例如面板級)期間形成。封裝基材300係可為圖2A的壓力感測裝置230之俯視圖。
一腔穴係藉由從基材300移除一或多個有機介電層302而形成於封裝基材300內。在一範例中，一壓電壓力感測裝置係以傳導振動結構及嵌夾其間的壓電材料形成。傳導結構332可作為一頂電極，且傳導可移式基底結構(例如圖2A的膜236)的一區抑低一分離的結構係可作 為壓電裝置的一底電極。
雖然圖3顯示一特定的膜形狀(例如圓形)，其他實施例可具有其他的膜形狀(例如圖4-8，正方形、矩形、其他多角形等)，藉以達成不同的電壓響應特徵。一具有較大面積的膜將在電極之間產生一較大電壓。並且，係可想見不同的電極形狀，其中在腔穴的一或多側上具有接觸件。類似地，一壓電堆積體不需要覆蓋一完整的膜，如圖4-8所示。
圖4繪示根據另一實施例之一具有一封裝整合式壓電裝置(例如具有正方形膜的壓力感測裝置)之封裝基材的俯視圖。包括有機介電層402及傳導層425、432及436之封裝基材400(例如有機基材)係可在封裝基材處理(例如面板級)期間形成。
在一範例中，封裝基材400可耦接或附接至多重的裝置(例如晶粒、晶片、CPU、矽晶粒或晶片、RF收發器等)並亦可耦接或附接至一印刷電路板(例如PCB 110)。一腔穴係藉由從基材400移除一或多個有機介電層402而形成於封裝基材400內。在一範例中，一壓電壓力感測裝置係以傳導結構432及436及嵌夾其間的壓電材料形成。傳導結構432可作為一頂電極，且傳導可移式基底結構436(例如撓曲膜436)的一區抑或一分離的結構係可作為壓電裝置的一底電極。在一範例中，壓電材料係置設於底電極上，且頂電極置設於壓電材料上。腔穴可為空氣充填式或真空充填式。傳導結構432藉由封裝連接件 425(例如錨件、導孔)而在一邊緣上被錨固，封裝連接件425可作為一機械錨件且亦作為對於封裝體其餘部分的一電連接件。
圖5繪示根據另一實施例之一具有一封裝整合式壓電裝置(例如具有圓形膜的壓力感測裝置)之封裝基材的俯視圖。包括有機介電層502及傳導層525-528、532、及536之封裝基材500(例如有機基材)係可在封裝基材處理(例如面板級)期間形成。
在一範例中，封裝基材500可耦接或附接至多重的裝置(例如晶粒、晶片、CPU、矽晶粒或晶片、RF收發器等)並亦可耦接或附接至一印刷電路板(例如PCB 110)。一腔穴係藉由從基材500移除一或多個有機介電層502而形成於封裝基材500內。在一範例中，一壓電壓力感測裝置係以傳導結構532及536及嵌夾其間的壓電材料形成。傳導結構532可作為一頂電極，且傳導可移式基底結構536(例如撓曲膜536)的一區抑或一分離的結構係可作為壓電裝置的一底電極。在一範例中，壓電材料係置設於底電極上，且頂電極置設於壓電材料上。腔穴可為空氣充填式或真空充填式。傳導結構532藉由封裝連接件525-528(例如錨件、導孔)而被錨固，封裝連接件525-528可作為機械錨件且亦作為對於封裝體其餘部分的一電連接件。
圖6繪示根據另一實施例之一具有一封裝整合式壓電裝置(例如具有交錯指型電極的壓力感測裝置)之 封裝基材的俯視圖。包括有機介電層602及傳導層625-626、632、及636之封裝基材600(例如有機基材)係可在封裝基材處理(例如面板級)期間形成。
在一範例中，封裝基材600可耦接或附接至多重的裝置(例如晶粒、晶片、CPU、矽晶粒或晶片、RF收發器等)並亦可耦接或附接至一印刷電路板(例如PCB 110)。一腔穴係藉由從基材600移除一或多個有機介電層602而形成於封裝基材600內。在一範例中，一壓電壓力感測裝置係以傳導結構632及636及壓電材料634形成。傳導結構632及636係運作作為壓電材料634的一相同側上之第一及第二交錯指型電極。一撓曲膜(例如圖8中的836，其代表圖6的剖視圖AA)係回應於環境壓力的一變化而撓曲。一腔穴(例如圖8中的842)可為空氣充填式或真空充填式。電極632及636藉由封裝連接件625-626(例如錨件、導孔)被錨固，封裝連接件625-626可作為機械錨件且亦作為對於封裝體其餘部分的電連接件。
圖7繪示根據另一實施例之一具有一封裝整合式壓電裝置(例如具有置設在壓電材料上的第一及第二電極之壓力感測裝置)之封裝基材的俯視圖。包括有機介電層702及傳導層725-726、732、及736之封裝基材700(例如有機基材)係可在封裝基材處理(例如面板級)期間形成。
在一範例中，封裝基材700可耦接或附接至多重的裝置(例如晶粒、晶片、CPU、矽晶粒或晶片、RF 收發器等)並亦可耦接或附接至一印刷電路板(例如PCB 110)。一腔穴係藉由從基材700移除一或多個有機介電層702而形成於封裝基材700內。在一範例中，一壓電壓力感測裝置係以傳導結構732及736及壓電材料734形成。傳導結構732及736係運作作為壓電材料734的一相同側上之第一及第二電極，同時一撓曲膜(例如圖8中的836，其代表圖7的剖視圖BB)係回應於環境壓力的一變化而撓曲。一腔穴(例如圖8中的842)可為空氣充填式或真空充填式。電極732及736藉由封裝連接件725-726(例如錨件、導孔)被錨固，封裝連接件725-726可作為機械錨件且亦作為對於封裝體其餘部分的電連接件。
圖8繪示根據另一實施例之一具有一封裝整合式壓電裝置(例如具有置設在一壓電材料的一相同側上之第一及第二電極的壓力感測裝置)之封裝基材之圖6的剖視圖AA及圖7的剖視圖BB。包括有機介電層802及傳導層825-827、832、及836之封裝基材800(例如有機基材)係可在封裝基材處理(例如面板級)期間形成。
在一範例中，封裝基材800可耦接或附接至多重的裝置(例如晶粒、晶片、CPU、矽晶粒或晶片、RF收發器等)並亦可耦接或附接至一印刷電路板(例如PCB 110)。一腔穴842係藉由從基材800移除一或多個有機介電層802而形成於封裝基材800內。在一範例中，一壓電壓力感測裝置830係以傳導結構832及636或736、撓曲膜836、及壓電材料834形成。傳導結構832及636或736係 運作或作為壓電材料834的一相同側上之第一及第二電極，同時一撓曲膜836係回應於環境壓力的一變化而撓曲。一腔穴842可為空氣充填式或真空充填式。腔穴842藉由確保其內表面810-812皆被圖案化或塗覆一密封地封閉材料860(例如金屬、SiN、SiO2等)而被製成氣密性。電極及膜係藉由封裝連接件825-827(例如錨件、導孔)被錨固，封裝連接件825-827可作為機械錨件且亦作為對於封裝體其餘部分的電連接件。
將瞭解在一系統單晶片(system on a chip)實施例中，晶粒可包括一處理器、記憶體、通信電路及類似物。雖繪示一單晶粒，係可具有被包括在微電子裝置的相同區中之零個、一個、或數個晶粒。
在一實施例中，微電子裝置係可為一利用一體塊矽或一矽晶絕緣體次結構所形成之晶性基材。在其他實行方式中，微電子裝置可利用可與或可不與矽作組合的替代材料形成，其包括但不限於鍺，銻化銦，碲化鉛，砷化銦，磷化銦，砷化鎵，砷化銦鎵，碲化鎵，或III-V族或IV族材料的其他組合。這裡雖描述可自其形成基材之材料的數個範例，任何可作為建造半導體裝置的基礎之材料係皆落在本發明的範圍內。
微電子裝置可為形成於一較大基材、例如諸如晶圓等上之複數個微電子裝置的一者。在一實施例中，微電子裝置可為一晶圓級晶片尺度封裝(WLCSP)。在特定實施例中，微電子裝置可在封裝操作、諸如例如一 或多個壓電振動裝置形成之後從晶圓被單化。
一或多個接觸件可形成於微電子裝置的一表面上。接觸件可包括一或多個傳導層。藉由範例，接觸件可包括障壁層，有機表面保護(OSP)層，金屬層，或其任何組合。接觸件可提供電性連接至晶粒內的主動裝置電路(未顯示)。本發明的實施例係包括各被電性耦接至一接觸件之一或多個銲料凸塊或銲料接頭。銲料凸塊或銲料接頭可藉由一或多個再分配層及傳導導孔而被電性耦接至接觸件。
圖9繪示根據本發明的一實施例之一運算裝置1500。運算裝置1500係容置一板1502。板1502可包括一數目的組件，包括但不限於一處理器1504及至少一通信晶片1506。處理器1504物理性及電性耦接至板1502。在部分實行方式中，至少一通信晶片1506亦物理性及電性耦接至板1502。在進一步的實行方式中，通信晶片1506係為處理器1504的部份。
依據其應用而定，運算裝置1500可包括可被或可不被物理性及電性耦接至板1502之其他組件。這些其他組件係包括但不限於：依電性記憶體(例如DRAM 1510、1511)，非依電性記憶體(例如ROM 1512)，快閃記憶體，一圖形處理器1516，一數位信號處理器，一加密處理器，一晶片組1514，一天線1520，一顯示器，一觸控螢幕顯示器1530，一觸控螢幕控制器1522，一電池1532，一音訊編解碼器，一視訊編解碼器，一功率放大 器1515，一全球定位系統(GPS)裝置1526，一羅盤1524，一壓力感測裝置1540(例如一壓電壓力感測裝置)，一陀螺儀，一揚聲器，一攝影機1550，及一大量儲存裝置(諸如硬碟機、光碟片(CD)、數位多媒體碟片(DVD)，等等)。
通信晶片1506能夠無線通信用以將資料轉移出入運算裝置1500。“無線”用語及其衍生物可用來描述可利用經過一非固體媒體的經調變電磁輻射來聯通資料之電路、裝置、系統、方法、技術、通信通道等。該用語並未意指相關聯裝置不含任何導線，但在部分實施例中其有可能不含。通信晶片1506可實行數種無線標準或協定中的任一者，包括但不限於：Wi-Fi(IEEE 802.11家族)，WiMAX(IEEE 802.16家族)，IEEE 802.20，長期演進(LTE)，Ev-DO，HSPA+，HSDPA+，HSUPA+，EDGE，GSM，GPRS，CDMA，TDMA，DECT，藍牙(Bluetooth)，其衍生物，暨標示成3G、4G、5G及以上的任何其他無線協定。運算裝置1500可包括複數個通信晶片1506。例如，一第一通信晶片1506可專用於較短程無線通信諸如Wi-Fi，WiGig及藍牙，且一第二通信晶片1506可專用於較長程無線通信諸如GPS，EDGE，GPRS，CDMA，WiMAX，LTE，Ev-DO，5G，及其他。
運算裝置1500的處理器1504包括被封裝在處理器1504內的一整合式電路晶粒。在本發明的部分實 行方式中，整合式電路處理器封裝體或主機板1502係包括一或多個裝置，諸如根據本發明實施例的實行方式之壓力感測裝置。“處理器”用語係可指用以處理來自暫存器及/或記憶體的電子資料之任何裝置或一裝置的部分，以將該電子資料轉變成為可儲存在暫存器及/或記憶體中的其他電子資料。通信晶片1506亦包括被封裝在通信晶片1506內的一整合式電路晶粒。下列範例係有關進一步的實施例。
範例1係為一壓力感測裝置，壓力感測裝置包含一膜，其被設置近鄰於一有機基材的一腔穴，一壓電材料，其被設置近鄰於膜，及一電極，其與壓電材料作接觸。膜係回應於環境壓力的一變化而撓曲，且此撓曲造成壓電材料中產生一電壓，其中此電壓與環境壓力的變化成比例。在範例2中，範例1的標的物係可選用地包括壓力感測裝置，壓力感測裝置與利用面板級處理所製造的有機基材作整合。膜係設置於有機基材的腔穴上方，以容許膜的撓曲。
在範例3中，範例1-2中的任一者之標的物係可選用地包括膜包含任何類型的幾何形狀，包括正方形、矩形、圓形、或其他多角形。
在範例4中，範例1-3中的任一者之標的物係可選用地包括此電壓在電極與作為另一電極的膜之間被測量。
在範例5中，範例1-4中的任一者之標的物 係可選用地包括一置設於腔穴的內表面上之密封地封閉材料，以生成腔穴內的一密封的參考壓力。
在範例6中，範例1-5中的任一者之標的物係可選用地包括一置設於膜上之絕緣層及一置設於絕緣層上之額外電極，絕緣層使膜及額外電極電性解耦。
在範例7中，範例1-6中的任一者之標的物係可選用地包括電壓回應於膜的撓曲而在電極與額外電極之間被測量。
在範例8中，範例1-7中的任一者之標的物係可選用地包括電極近鄰於有機基材的腔穴之一端被耦接至有機基材的一第一電連接件，且膜近鄰於腔穴的相同端被耦接至有機基材的一第二電連接件。
範例9係為一封裝基材，封裝基材係包含複數個有機介電層及複數個傳導層以形成封裝基材，一腔穴，其形成於封裝基材中，及一壓電壓力感測裝置，其被整合於封裝基材內，其包括一被設置近鄰於腔穴之膜，一被設置近鄰於膜之壓電材料，及與壓電材料作接觸之第一及第二電極。膜係回應於環境壓力的一變化而撓曲，且此撓曲造成在壓電材料中產生一電壓，其中此電壓與環境壓力的變化成比例。
在範例10中，範例9的標的物係可選用地包括封裝基材利用面板級處理被製造。膜係設置於封裝基材的腔穴上方，以容許膜的撓曲。
在範例11中，範例9-10中的任一者之標的 物係可選用地包括膜包含任何類型的幾何形狀，包括正方形、矩形、圓形、或其他多角形。
在範例12中，範例9-11中的任一者之標的物係可選用地包括電壓在第一與第二電極之間被測量。
在範例13中，範例9-12中的任一者之標的物係可選用地包括一密封地封閉材料被置設於腔穴的內表面上，以生成腔穴內之一密封的參考壓力。
範例14係為一運算裝置，其包含至少一處理器以處理資料及一被耦接到至少一處理器之封裝基材。封裝基材係包括複數個有機介電層及複數個傳導層以形成封裝基材，其包括一壓電壓力感測裝置，壓電壓力感測裝置係具有一被設置近鄰於封裝基材的一腔穴之膜，一被設置近鄰於膜之壓電材料，及一與壓電材料作接觸之電極。膜回應於環境壓力的一變化而撓曲，且此撓曲造成在壓電材料中產生一電壓，其中此電壓與環境壓力的變化成比例。
在範例15中，範例14的標的物係可選用地包括壓力感測裝置與利用面板級處理所製造的封裝基材作整合。
在範例16中，範例14-15中的任一者之標的物係可選用地包括膜設置於封裝基材的腔穴上方，以容許膜的撓曲。
在範例17中，範例14-16中的任一者之標的物係可選用地包括電壓在電極與作為另一電極的膜之間被 測量。
在範例18中，範例14-17中的任一者之標的物係可選用地包括一密封地封閉材料被置設於腔穴的內表面上，以生成腔穴內之一固定的參考壓力。
在範例19中，範例14-18中的任一者之標的物係可選用地包括一絕緣層被置設於膜上，且一額外的電極被置設於絕緣層上，絕緣層使膜與額外電極電性解耦。
在範例20中，範例14-19中的任一者之標的物係可選用地包括電壓回應於膜的撓曲而在電極與額外電極之間被測量。
在範例21中，範例14-20中的任一者之標的物係可選用地包括一被耦接至封裝基材之印刷電路板。
200:封裝基材
202:有機介電層
210-212:內表面
225:傳導層
226,227:傳導層/封裝連接件
230:壓電壓力感測裝置
232:傳導層/傳導結構
234:壓電材料
236:傳導層/傳導可移式基底結構/膜
237:壓電堆積體
242:腔穴
260:密封地封閉材料

Claims (17)

  1. 一種壓力感測裝置，其包含：一膜，其經組配以覆蓋形成於一有機基材內的一腔穴，且要被錨固於該腔穴之側邊的邊緣上；一壓電材料，其被設置於該膜上方；及一電極，其與該壓電材料作接觸，其中該膜係組配以回應於環境壓力的一變化而撓曲，其中該撓曲造成會在該壓電材料中產生一電壓，其中該電壓與環境壓力的該變化成比例。
  2. 如請求項1之壓力感測裝置，其中該膜具有由正方形、矩形、圓形所組成之群組中所選擇出的一幾何形狀。
  3. 如請求項1之壓力感測裝置，其中該電壓係在該電極與該膜之間。
  4. 如請求項1之壓力感測裝置，其進一步包含：置設於該腔穴的內表面上之一密封地封閉材料。
  5. 如請求項1之壓力感測裝置，其進一步包含：置設於該膜上之一絕緣層；及置設於該絕緣層上之一額外電極，該絕緣層使該膜及該額外電極電氣地解耦。
  6. 如請求項5之壓力感測裝置，其中該電壓係在該電極與該額外電極之間。
  7. 如請求項1之壓力感測裝置，其中該電極係耦接至近鄰於該有機基材的該腔穴之一端之該有機基材的一第一電氣連接件，且該膜係耦接至近鄰於該腔穴的相同端之該有機基材的一第二電連接件。
  8. 一種封裝基材，其包含：複數個有機介電層及複數個傳導層；一腔穴，其形成於該封裝基材內；及一壓電壓力感測裝置，該壓電壓力感測裝置包括經組配以覆蓋該腔穴且要被錨固於該腔穴之側邊的邊緣上之一膜，被設置於該膜上方之一壓電材料，及與該壓電材料作接觸之第一及第二電極，其中該膜經組配用以回應於環境壓力的一變化而撓曲，其中該撓曲造成會在該壓電材料中產生一電壓，其中該電壓與環境壓力的該變化成比例。
  9. 如請求項8之封裝基材，其中該膜具有由正方形、矩形、圓形所組成之群組中所選擇出的一幾何形狀。
  10. 如請求項8之封裝基材，其中該電壓在該等第一與第二電極之間。
  11. 如請求項8之封裝基材，其進一步包含：被置設於該腔穴的內表面上之一密封地封閉材料。
  12. 一種運算裝置，其包含：至少一處理器；及被耦接到該至少一處理器之一封裝基材，其中該封裝基材包括複數個有機介電層及複數個傳導層，以及 一壓電壓力感測裝置，該壓電壓力感測裝置具有經組配以覆蓋形成於該封裝基材內的一腔穴且要被錨固於該腔穴之側邊的邊緣上之一膜，被設置於該膜上方之一壓電材料，及與該壓電材料作接觸之一電極，其中該膜經組配以回應於環境壓力的一變化而撓曲，其中該撓曲造成會在該壓電材料中產生一電壓，其中該電壓與環境壓力的該變化成比例。
  13. 如請求項12之運算裝置，其中該電壓在該電極與該膜之間。
  14. 如請求項12之運算裝置，其進一步包含：被置設於該腔穴的內表面上之一密封地封閉材料。
  15. 如請求項12之運算裝置，其進一步包含：被置設於該膜上之一絕緣層；及被置設於該絕緣層上之一額外的電極，該絕緣層使該膜與該額外電極電氣地解耦。
  16. 如請求項15之運算裝置，其中該電壓在該電極與該額外電極之間。
  17. 如請求項12之運算裝置，其進一步包含：被耦接至該封裝基材之一印刷電路板。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017171855A1 (en) * 2016-04-01 2017-10-05 Intel Corporation Strain sensitive piezoelectric system with optical indicator
DE102017205244A1 (de) * 2017-03-28 2018-10-04 Robert Bosch Gmbh Mikromechanischer Drucksensor sowie Verfahren zur Herstellung des mikromechanischen Drucksensors
US11422104B2 (en) * 2019-09-06 2022-08-23 Apple Inc. Exposed wire-bonding for sensing liquid and water in electronic devices
CN111174950B (zh) * 2020-01-04 2022-04-19 湖北大学 铌酸钾钠纳米棒阵列生长操作方法及其传感器件制作方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5209119A (en) * 1990-12-12 1993-05-11 Regents Of The University Of Minnesota Microdevice for sensing a force
US6072122A (en) * 1995-05-31 2000-06-06 Nec Corporation Multi-chip packaging structure having chips sealably mounted on opposing surfaces of substrates
US20040157367A1 (en) * 2002-08-14 2004-08-12 Wong Daniel M. Hermetically packaging a microelectromechanical switch and a film bulk acoustic resonator
US20120162928A1 (en) * 2010-10-22 2012-06-28 Endicott Interconnect Technologies, Inc. Electronic package and method of making same

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6714625B1 (en) * 1992-04-08 2004-03-30 Elm Technology Corporation Lithography device for semiconductor circuit pattern generation
US7100451B2 (en) * 2003-08-29 2006-09-05 Sawtek, Inc. Surface acoustic wave sensing system and method for measuring pressure and temperature
US7040154B2 (en) * 2004-04-19 2006-05-09 Freescale Semiconductor, Inc. Motion sensing for tire pressure monitoring

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5209119A (en) * 1990-12-12 1993-05-11 Regents Of The University Of Minnesota Microdevice for sensing a force
US6072122A (en) * 1995-05-31 2000-06-06 Nec Corporation Multi-chip packaging structure having chips sealably mounted on opposing surfaces of substrates
US20040157367A1 (en) * 2002-08-14 2004-08-12 Wong Daniel M. Hermetically packaging a microelectromechanical switch and a film bulk acoustic resonator
US20120162928A1 (en) * 2010-10-22 2012-06-28 Endicott Interconnect Technologies, Inc. Electronic package and method of making same

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