CN104236628A - 一种四自由度组合传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型四自由度组合传感器，以PCB基板作为基底，将具有压力传感器、磁传感器及其各自信号调理功能的芯片组用堆叠的方式集成封装在一起，贴片时，根据芯片的尺寸大小和功能进行堆叠，然后使用引线键合工艺完成电连接，最后进行点胶或塑封对芯片和引线进行保护。本发明的4DOF组合传感器具有尺寸小、安装位置可选择性大的优点，智能手机或可穿戴设备制造商只需将本发明的4DOF组合传感器和GPS、6DOF运动传感器配合即可实现精确定位和导航。

Description

一种四自由度组合传感器

技术领域

本发明涉及芯片封装技术领域，具体涉及一种集成了压力传感器、三轴磁传感器及其ASIC芯片的四自由度组合传感器。

背景技术

导航仪能够准确地提供一条通往目的地的路线，使人们即使不熟悉路况也会顺利到达目的地。近几年导航成了智能手机一个必备的功能，受到人们的青睐。目前的手机使用了GPS***来进行导航和定位，然而GPS信号很容易受到树木、建筑物等障碍物的遮蔽而使导航仪失去作用，使得人们经常无法获知自己的位置信息。此外，大多数的手机或者车用导航仪都不能分辨高度的变化，导航仪会因为分不清用户是在高架道路还是在地面道路而错过路口的转弯。为了解决这些问题，人们采用了以MEMS传感器为核心的位置推算***与GPS的组合方案。

现在手机中含有多种MEMS传感器，如加速度计、陀螺仪、磁传感器等。为了节省电路板的面积或者减小功耗，人们将这些传感器进行组合封装来取代单独封装的传感器。常见的组合封装有加速度计和陀螺仪的封装、加速度计和磁传感器的6轴组合封装，也有传感器厂家做出了9轴组合传感器(加速度计+陀螺仪+磁传感器)，如BOSCH、Invensense、ST，但因为技术或者成本的原因，仍不是主流产品。高度的识别是靠高精度的压力传感器来实现的，目前只有包括三星Galaxy S4和小米手机等少量的手机配有压力传感器。目前还没有出现压力和三轴磁传感器的集成封装的4DOF组合传感器。

运动传感器(加速度计、陀螺仪)为了保证测量的准确性，需要靠近手机或者可穿戴设备的中心，而磁传感器则需要远离电磁干扰源，它们需要安装在手机中的不同位置，导致9轴或更多轴的组合传感器并没有明显的优势。目前的压力传感器基本上都是单独封装的，9轴组合传感器虽然减小了尺寸，但是和单独封装的压力传感器配合安装时，他们占用电路板的总面积并没有减小。

如何对多个传感器进行有效地组合封装以尽可能的节省空间，使得既能保证手机或可穿戴设备的运动监测和控制功能，又能发挥其在定位和导航上的优势，将会是影响未来智能手机和可穿戴设备市场的一个重要因素。

因此，本领域的技术人员致力于研发一种新型的集成了压力传感器、三轴磁传感器及其ASIC芯片的四自由度组合传感器。

发明内容

本发明的目的是针对已有产品中存在的上述各种缺陷，提供一种新型的低成本、高精度、小尺寸和高可靠性的集成封装了压力传感器和三轴磁传感器的4DOF(四自由度)组合传感器。

为达到上述目的，本发明提供一种四自由度组合传感器，包括PCB基板、传感器及相应的具有所述传感器信号调节功能的调节芯片，所述PCB基板作为基底，所述传感器为一个或多个，所述传感器和所述调节芯片采用堆叠的方式集成设置于所述PCB基板上，所述传感器、相应的调节芯片及PCB基板之间电连接。

进一步地，所述四自由度组合传感器采用栅格阵列(LGA)或球栅阵列(BGA)封装方式将所述PCB基板、所述传感器和所述调节芯片集成封装。

进一步地，所述传感器为压力传感器和/或磁传感器。

进一步地，所述压力传感器不能被其他传感器和调节芯片所覆盖。

进一步地，所述调节芯片为压力传感器ASIC芯片(专用集成电路)和/或磁传感器ASIC芯片。

进一步地，所述磁传感器为单片集成的三轴磁传感器。

进一步地，所述传感器和所述调节芯片包括但不限于以下组合：压力传感器、磁传感器、压力传感器ASIC芯片、磁传感器ASIC芯片共四颗芯片；压力传感器、压力传感器ASIC芯片、磁传感器及其磁传感器ASIC芯片的单片集成芯片共3颗芯片；压力传感器及其压力传感器ASIC芯片的单片集成芯片、磁传感器、磁传感器ASIC芯片共3颗芯片；压力传感器、磁传感器、压力传感器ASIC芯片及磁传感器ASIC芯片的单片集成芯片共3颗芯片；压力传感器及其压力传感器ASIC芯片的单片集成芯片、磁传感器及其磁传感器ASIC芯片的单片集成芯片共2颗芯片。

进一步地，所述堆叠的方式包括但不限于完全垂直堆叠、部分垂直堆叠部分并排平行放置。

所述的堆叠方式是指按照芯片的面积大小顺序进行自下而上的堆叠，如堆叠顺序自下而上可以是：压力ASIC、磁ASIC、磁传感器芯片和压力传感器芯片。特别的，对于面积相对较小的芯片，可以同时并排贴在大尺寸芯片之上。例如，可采用压力ASIC在最下方，磁ASIC和压力芯片并排贴于其上，磁传感器芯片贴于磁ASIC之上。具体堆叠顺序需要视芯片尺寸、芯片的数量和焊盘位置而定，堆叠方式包括但不限于上述两种。芯片堆叠时应保证所有的芯片组合能有最小的封装尺寸，同时还要保证堆叠位置不影响引线键合、点胶或塑封的工艺。

进一步地，所述电连接采用引线键合工艺。

进一步地，所述调节芯片和所述引线采用点胶或塑封进行保护。

所述的点胶工艺是指在完成芯片堆叠和引线键合之后，在PCB上面粘贴一个方形或其他形状的边框作为围栏，然后进行点凝胶用来保护芯片和金线。如有需要，点胶完成后，可以进一步在边框上粘贴带通孔的盖板，通孔应正对压力传感器芯片的敏感膜，这样可以进一步对器件进行保护。同时还要注意，框架基板和盖板材料应该相同，且该材料不能影响磁传感器周围的磁场。

所述的塑封工艺采用的是本发明人的另一项发明专利“一种塑料封装的压力传感器的制作方法”(申请号201310390339.2)。在此简单引述：该塑封工艺是指首先使用传统的传递成型注塑、压缩成型注塑、低压注塑和灌封工艺完成对芯片的包封，然后去除压力传感器敏感膜上方的环氧塑封料或硬胶，使敏感膜与外交界联通，可以感知外界压力。在此过程中，应保证不能破坏压力传感器芯片，去除材料时应合理设计开窗尺寸和位置，以保证温度变化时压力芯片的输出不会塑封料或者硬胶的影响。

本发明的4DOF组合传感器具有尺寸小、安装位置可选择性大的优点，智能手机或可穿戴设备制造商只需将本发明的4DOF组合传感器和GPS、6DOF运动传感器配合即可实现精确定位和导航。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为本发明实施例的四自由度组合传感器的四芯片封装结构示意图；

图2为本发明实施例的四自由度组合传感器的三芯片混合堆叠封装结构示意图；

图3为本发明实施例的四自由度组合传感器的三芯片垂直堆叠封装结构示意图；

图4为本发明实施例的点胶封装工艺流程图；

图5为本发明实施例的塑料封装工艺流程图。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1为四芯片堆叠封装结构示意图。本实施例中的四个芯片为独立的芯片，他们的尺寸顺序由大到小为：压力传感器ASIC104、磁传感器ASIC103、磁传感器芯片102、压力传感器芯片105。堆叠时，将压力传感器ASIC芯片104贴于PCB基板101上，然后把磁传感器ASIC芯片103和压力传感器芯片105并排贴于压力传感器ASIC芯片104上，最后将磁传感器芯片102贴在磁传感器ASIC芯片103之上。两个ASIC芯片103和104上面的焊盘位置根据各自芯片上对应的焊盘位置而设计。最后使用引线106完成芯片到ASIC和ASIC到PCB的电连接。

实施例二：

图2为三芯片堆叠封装结构示意图。本实施例将压力传感器ASIC和磁传感器ASIC进行单片集成，即如图2中的ASIC芯片201。三个芯片的尺寸顺序由大到小为：ASIC芯片201、磁传感器芯片102、压力传感器芯片105。堆叠时，将ASIC芯片201贴于PCB基板101上，然后把磁传感器芯片102贴于ASIC芯片201之上，最后将压力感器芯片105贴在ASIC芯片201之上，使之与磁传感器芯片102并排放置。ASIC芯片201上面的焊盘位置根据压力和磁传感器芯片上对应的焊盘位置而设计。最后使用引线106完成芯片到ASIC和ASIC到PCB的电连接。

实施例三：

图3为三芯片堆叠封装结构示意图。本实施例将压力传感器ASIC和磁传感器ASIC进行单片集成，即如图2中的ASIC芯片201。三个芯片的尺寸顺序由大到小为：ASIC芯片201、磁传感器芯片102、压力传感器芯片105。堆叠时，将ASIC芯片201贴于PCB基板101上，然后把磁传感器芯片102贴于ASIC芯片201之上，最后将压力感器芯片105贴在磁传感器102之上。ASIC芯片201上面的焊盘位置根据压力和磁传感器芯片上对应的焊盘位置而设计。最后使用引线106完成芯片到ASIC和ASIC到PCB的电连接。

实施例四：

图4(a)、(b)和(c)为点胶工艺流程示意图。芯片组合400使用堆叠方式贴片和引线键和完成后，将方形框架401粘贴于PCB基板101上进行固化，如图4(a)所示；将硅凝胶402灌封于框架内，并作去除气泡和固化处理，如图4(b)所示；如果有必要，可以进一步粘贴盖板来保护内部器件和引线。取和边框相同材料的盖板，在正对压力传感器芯片105的敏感膜片的位置制作一个通孔，然后将盖板粘贴在边框401上，并进行固化处理，如图4(c)所示。

实施例五：

图5为塑封工艺流程图。将完成打线的PCB基板101连同芯片组合500放入金型进行注塑，同时要保证敏感膜不因注塑时保压压力过大而收到损伤，塑封料501就完全包封了芯片组和引线，如图5(a)所示，除了使用进行塑封之外，还可以采用使用点涂硬胶、围堰填充等塑封工艺；使用激光或其他刻蚀方法，把覆盖在压力传感器膜片上方的塑封料去除掉，留下空腔体502。刻蚀的时候，要保证压力传感器105的敏感膜片不受损伤，同时要保证引线不会露在塑封料外面，如图5(c)所示；最后，在空腔体502内，点入软胶503以实现对压力传感器105的敏感膜片的保护。如果使用环境并不恶劣，也可以不使用软胶。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种四自由度组合传感器，其特征在于，包括PCB基板、传感器及相应的具有所述传感器信号调节功能的调节芯片，所述PCB基板作为基底，所述传感器为一个或多个，所述传感器和所述调节芯片采用堆叠的方式集成设置于所述PCB基板上，所述传感器、相应的调节芯片及PCB基板之间电连接。

2.根据权利要求1所述的四自由度组合传感器，其特征在于，所述四自由度组合传感器采用栅格阵列或球栅阵列封装方式将所述PCB基板、所述传感器和所述调节芯片集成封装。

3.根据权利要求1所述的四自由度组合传感器，其特征在于，所述传感器为压力传感器和/或磁传感器。

4.根据权利要求3所述的四自由度组合传感器，其特征在于，所述压力传感器不能被其他传感器和调节芯片所覆盖。

5.根据权利要求3所述的四自由度组合传感器，其特征在于，所述调节芯片为压力传感器ASIC芯片和/或磁传感器ASIC芯片。

6.根据权利要求3所述的四自由度组合传感器，其特征在于，所述磁传感器为单片集成的三轴磁传感器。

7.根据权利要求5所述的四自由度组合传感器，其特征在于，所述传感器和所述调节芯片包括以下组合：压力传感器、磁传感器、压力传感器ASIC芯片、磁传感器ASIC芯片共四颗芯片；压力传感器、压力传感器ASIC芯片、磁传感器及其磁传感器ASIC芯片的单片集成芯片共3颗芯片；压力传感器及其压力传感器ASIC芯片的单片集成芯片、磁传感器、磁传感器ASIC芯片共3颗芯片；压力传感器、磁传感器、压力传感器ASIC芯片及磁传感器ASIC芯片的单片集成芯片共3颗芯片；压力传感器及其压力传感器ASIC芯片的单片集成芯片、磁传感器及其磁传感器ASIC芯片的单片集成芯片共2颗芯片。

8.根据权利要求1所述的四自由度组合传感器，其特征在于，所述堆叠的方式包括完全垂直堆叠、部分垂直堆叠部分并排平行放置。

9.根据权利要求1所述的四自由度组合传感器，其特征在于，所述电连接采用引线键合工艺。

10.根据权利要求1所述的四自由度组合传感器，其特征在于，所述调节芯片和所述引线采用点胶或塑封进行保护。