CN106185783A - 封装的传感器组件 - Google Patents

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Abstract

一种封装的传感器组件，其包括：封装结构(2)，其具有至少一个开口(18)；湿度传感器(5)和压力传感器(10)，其容纳在封装结构(2)的内部，并且通过开口(18)与外部流体连通；以及控制电路(7)，其操作性地耦合到湿度传感器(5)和压力传感器(10)；其中湿度传感器(5)和控制电路(7)集成在第一芯片(3)中，并且压力传感器(10)集成在与第一芯片(3)不同的第二芯片(8)中，并且键合到第一芯片(3)。

Description

封装的传感器组件
技术领域
本发明涉及一种封装的传感器组件。
背景技术
众所周知，随着便携式电子装置(诸如，智能手机和平板电脑)或者其他所谓的“可穿戴”电子装置的持续扩展，人们日益关注微机电环境传感器的发展和集成。具体而言，注意到存在的特别关注包括将微机电压力传感器和微机电湿度传感器与控制电路(诸如，专用集成电路(ASIC))一起包封在单个电子装置封装结构内。该控制电路可以用于管理传感器的操作，并且用作接口，将传感器提供的电信号转换成可供进一步处理阶段所用的数据，以便执行各种功能。
微机电压力传感器通常包括柔性薄膜，该薄膜悬浮在半导体衬底中的空腔之上。该薄膜由于两侧之间的压力差而变形。敏感元件，通常是压电式元件，耦合到薄膜的表面，并且使得能够检测变形的程度。
但是，微机电湿度传感器通常是电容式，并且包括多个电极，这些电极耦合在一起以形成电容器，并且被吸湿聚合物分隔，该吸湿聚合物的介电常数随着所吸收的湿度而变。
集成工艺中通常需要解决的一个问题是由压力传感器与湿度传感器的相反的要求所确定的。实际上，这两种类型的传感器必须通过封装结构中的开口暴露于外部环境条件下，以便处于正确的操作条件下。但是，对于湿度传感器而言，重要的是最大限度地提高暴露程度，以有利于吸湿聚合物的湿度吸收，而压力传感器需要避免遭受可见光谱和红外光谱的电磁辐射。实际上，入射辐射会导致寄生电流，并且因此而产生可能改变有用信号的电压降。因此，暴露程度必须恰好充分以保证与外部的流体连通，并且同时，应使薄膜上的入射辐射的强度最小化，尤其是压阻元件上的入射辐射的强度，
除了需要平衡压力传感器和湿度传感器的相反的要求之外，还需要满足减小装置尺寸以及封装结构整体尺寸的一般性趋势，从而使得电子装置的使用更灵活并且方便。
发明内容
本发明的目的是提供一种封装的传感器组件，该传感器组件将使得能够克服或者至少减轻所述的限制。
根据本发明，提供了一种如权利要求1中限定的封装的传感器组件。
附图说明
为更好地理解本发明，现在将仅通过非限定的示例并且参考附图来描述本发明的一些实施例，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的封装的传感器组件的截面图；
图2是图1中的封装的传感器组件的放大细节的俯视图；
图3是图1中的封装的传感器组件的部件的俯视图；
图4是图3中的部件的放大截面图；
图5是根据本发明的一个不同实施例的封装的传感器组件的截面图；
图6是根据本发明的另一个实施例的封装的传感器组件的截面图；
图7是根据本发明的另一个实施例的封装的传感器组件的截面图；以及
图8是根据本发明的一个实施例的电子***的简化框图，该电子***包括封装的传感器组件。
具体实施方式
参见图1，根据本发明的一个实施例的封装的传感器组件作为一个整体用1表示，并且包括：封装结构2；第一芯片3，该第一芯片中集成了湿度传感器5和控制电路或者ASIC 7；以及第二芯片8，该第二芯片中集成了压力传感器10。
封装结构2是模制型的，例如，连接盘栅格阵列(LGA)型，并且包括衬底11、横向结构12和第一盖13。例如，衬底11是由FR-4制成的，并且该衬底的外表面上配置有金属接触焊盘15。横向结构12可以由树脂制成，并且围绕第一芯片3和第二芯片8。在一个实施例中，横向结构12通过模制获得，例如，使用传递模制技术，特别是膜辅助模制技术获得。
第一盖13限定了封装结构2的与衬底11相对的壁，并且与第一芯片3、第二芯片8和第二盖17一起形成裸片。
第一盖13中的开口18使得封装结构2的内部与外部流体连通。开口18被配置成使得封装结构2内能够实现空气交换，以便封装的传感器组件1浸于其中的气体混合物能够在短时间内到达湿度传感器5。在一个实施例中，开口18的尺寸等于湿度传感器的尺寸或者较大。
湿度传感器5基于MEMS(微机电***)技术，并且在一个实施例中，是电容式的。例如(图2)，湿度传感器5包括第一电极5a和第二电极5b，这些第一电极和第二电极呈齿梳状布置，并且耦合在一起，以形成电容器5c。第一电极5a与第二电极5b之间的空间至少部分被吸湿材料的电介质区域5d占据，该电介质区域的介电常数随所吸收的湿度而变。在一个实施例中，电介质区域5d由聚酰亚胺制成。再次参见图1，湿度传感器5与控制电路7一起集成在第一芯片3中，并且与第一盖13中的开口18对准。
例如，在一个实施例中，压力传感器10是微机电薄膜传感器，该微机电薄膜传感器具有压电型或者电容型检测(另参见图3和图4)。如上所述，压力传感器10集成到第二芯片8中。第二芯片8包括框架状支撑部分8a、传感器部分8b以及弹性连接元件8c，该弹性连接元件将传感器部分8b弹性地连接到支撑部分8a。支撑部分8a和传感器部分8b被贯通沟槽20分隔，弹性连接元件8c跨该贯通沟槽地延伸。传感器部分8b，该传感器部分例如呈四角形，具有由薄膜22在一侧上密封的空腔21，该薄膜限定第二芯片8的表面8d的一部分。弹性连接元件8c被配置成使得传感器部分8b能够相对于支撑部分8a进行相对运动，尤其是，在平行于表面8d的两个独立方向上平移、以及绕垂直于表面8d的轴旋转。弹性连接元件8c使得能够适应可能在传感器组件1的封装阶段和有效使用寿命中发生的热膨胀、变形以及机械应力的影响。
再次参见图1，第二芯片8夹设在第一盖13与第二盖17之间。更确切地说，第二芯片8的表面8d通过键合区域24键合到第一盖13，而与表面8d相对的表面8e通过键合区域25键合到第二盖17。键合区域24、25例如是晶片到晶片键合技术中所使用的类型的，并且根据具体使用的技术，可以具有，例如，介于3μm与50μm之间的厚度。压力传感器10的薄膜22因此而面对第一盖13，该薄膜与该第一盖之间间隔一定距离，该距离大致等于键合区域24的厚度。此外，薄膜22被布置成面对关于第一芯片3的相对侧，该相对侧中集成了湿度传感器5和控制电路7。
第二芯片8相对于第一盖13横向地突出，并且容纳有焊盘27，用于通过与第一芯片3上的相应焊盘28键合的接线键合电连接到控制电路7。
例如，使用粘合层30将第二盖17键合到第一芯片3，该第一芯片横向地突出，以容纳焊盘28和其他焊盘31，以便通过接线键合与衬底11上的相应路径32连接。焊盘27与焊盘28之间的接线键合、以及焊盘31与焊盘32之间的接线键合，均集成到横向结构12中。路径32位于衬底11的键合到第一芯片3的表面上，并且又通过贯通连接(未图示)耦合到衬底11的外表面上的相应接触焊盘15。
第一芯片3最终通过粘合层33键合到衬底11。
第二芯片8的支撑部分8a以及第二盖17具有相应的贯通开口，这些贯通开口与第一盖13中的开口18对准(支撑部分8a中的开口在图3和图4中用8f表示)。在一个实施例中，第二芯片8的支撑部分8a的开口、以及第二盖17的开口，具有与第一盖18中的开口18相同并且与湿度传感器5相同的尺寸。此外，粘合层30在与湿度传感器5对应的区域中中断，因此，该键合层通过直接路径暴露于外部环境中。但是，有利的是，这些开口提供在与压力传感器10相距一定距离处，具体而言，对于第二芯片8而言，在支撑部分8a中。因此，压力传感器10仅通过第二芯片8与第二盖13之间的间隙与外部连通，该间隙具有键合区域24的厚度。该间隙使得薄膜22能够在不大量暴露于光辐射的情况下，维持在外部大气压强下。具体而言，直接暴露得以避免，并且只有一小部分从开口18进入的辐射，可沿第二芯片8与第一盖13之间的间隙通过多次反射到达该薄膜。
传感器组件1的另一个优点表现为，第二芯片8的传感器部分8b通过弹性连接元件8c连接到支撑部分8a。实际上，这种类型的连接提供了支撑部分8a与传感器部分8b之间的良好水平的机械去耦。在封装阶段中频繁产生的或者由于热应力和机械应力产生的应力，被弹性连接元件8c吸收，并且不传输到薄膜22。薄膜22因此不受应力影响，该等应力可能影响其原本应有的变形，并且因此而影响压力的机电转导。弹性元件8c的使用特别使得能够将第二芯片8与压力传感器10一起并入模塑封装结构中，而不是空腔型结构中。该益处特别反应在传感器组件整体的尺寸上、以及入射到压力传感器上的光辐射的减少上。
图5示出了本发明的一个不同的实施例。在这种情况下，封装的传感器组件100包括：封装结构102；第一芯片103，该第一芯片中集成了湿度传感器105和控制电路107；以及第二芯片108，该第二芯片中集成了压力传感器110。
湿度传感器105和压力传感器110是上文已经参考图1到图4描述的类型。具体而言，压力传感器110集成在第二芯片108中，该第二芯片包括支撑部分108a、通过弹性连接元件108c连接到支撑部分108a的传感器部分108b、以及薄膜122，该薄膜延伸以封闭空腔121、并且限定第二芯片108的表面108d的部分。
封装结构102是模制型的，例如，LGA型，并且包括衬底111、横向结构112和盖113。例如，衬底111是由FR-4制成的，并且该衬底的外表面上配置有金属接触焊盘115。横向结构112可以通过树脂模制获得，并且围绕第一芯片103和第二芯片108。
盖113限定封装结构102的与衬底111相对的壁，并且与第一芯片103和第二芯片108一起形成裸片。
封装结构102的内部通过盖113中的开口118与外部流体连通。开口118的尺寸与湿度传感器105的尺寸大致相等，该开口使得封装结构102内能够进行空气交换，以便封装的传感器组件100浸于其中的气体混合物能够在短时间内到达湿度传感器105。
第二芯片108的表面108d通过键合区域124键合到盖113，而与表面108d相对的表面108e通过导电键合区域125键合到第一芯片103。在这种情况下，第一芯片103用作压力传感器110的保护盖。键合区域124是例如晶片到晶片键合技术中所使用的类型的。相反，键合区域125可以是球焊技术中所使用的类型，并且使得压力传感器110与控制电路107之间能够电耦合。第二芯片108的表面108d上的结构与键合区域125之间的电连接，使用导电硅通孔(TSV)126来实现。填充件材料层123围绕并且密封第二芯片108，以在通过模制来制造横向结构112期间避免液态树脂渗透到第一芯片103与第二芯片108之间。
第二芯片108的支撑部分108a具有贯通开口，该贯通开口与盖113中的开口118对准。此外，在这种情况下，压力传感器110位于与开口118相距一定距离处，并且可通过第二芯片110与盖113之间的间隙达到，该间隙的厚度等于键合区域124的厚度。该间隙足以将压力传感器110置于与外部流体连通，并且同时消除或者至少大幅减少入射的光辐射。
第一芯片103通过粘合层133键合到衬底111。湿度传感器105与开口118对准，并且与第二芯片108的支撑部分108a中的开口对准，因此良好地暴露于外部环境中。
第一芯片103相对于第二芯片108横向地突出，以便容纳焊盘131，该焊盘用于通过接线键合与衬底111上的相应路径132连接，这些路径并入横向结构112中。路径132位于衬底111的键合到第一芯片103的表面上，并且又通过贯通连接(未图示)耦合到衬底111的外表面上的相应接触焊盘115。
传感器组件100需要为压力传感器110提供仅仅一个保护盖，这是因为在一侧上，第一芯片103具有提供保护的用途。传感器组件100的总厚度因此得以有利地减小。
参见图6，根据本发明的一个实施例的封装的传感器组件200包括封装结构202、第一芯片203，该第一芯片中集成了湿度传感器205和控制电路207、以及第二芯片208，该第二芯片中集成了压力传感器210。
湿度传感器205和压力传感器210是上文已经参考图1到图4描述的类型的。具体而言，压力传感器210集成在第二芯片208中，该第二芯片包括支撑部分208a、通过弹性连接元件208c连接到支撑部分208a的传感器部分208b、以及薄膜222，该薄膜封闭空腔221并且限定第二芯片208的表面208d。
封装结构202是模制型的，例如，LGA型，并且包括衬底211、横向结构212。第一芯片203形成封装结构202的集成的部分，同时该第一芯片限定了该封装结构的保护盖。衬底211例如是由FR-4制成的，并且该衬底的外表面上配置有金属接触焊盘215。横向结构212可以通过树脂模制获得。第一芯片203布置成使横向结构212闭合，并且具有开口218，该开口将封装结构202的内部置于与外部连通。在图6中的实施例中，开口218布置在相对于第一芯片203的中心处。但是，在其他实施例(未图示)中，开口可以是偏心的。开口218可以使用干法化学蚀刻步骤获得，该干法化学蚀刻将在电子部件的生产步骤之后执行，该生产步骤例如包括CMOS工艺，以得到控制电路207。
湿度传感器205布置在第一芯片203的面对封装结构202的内部的表面上，紧邻开口218。
第一芯片203通过导电键合区域224键合到第二芯片208的表面208e，该导电键合区域使得能够进行电连接。表面208e与表面208d相对，薄膜222位于该表面208d上。此外，在一个实施例中，第二芯片208配置有导电通孔226，该导电通孔使得能够将键合区域224键合到衬底211的内表面上的焊盘227。
第二芯片208通过导电键合区域225键合到衬底211。焊盘227和键合区域225耦合到衬底211的外表面上的相应接触焊盘215。此外，第二芯片208被定向成，使得薄膜222面对衬底211、位于与开口218相对之侧。
填充件材料层223在与第二芯片208的接口处围绕第一芯片203并且密封第一芯片203与第二芯片208之间的间隙。类似地，填充件材料层230在与衬底211的接口处围绕第二芯片208并且密封第二芯片208与衬底211之间的间隙。
根据本发明的一个其他实施例，如图7中所示，封装的传感器组件300包括：封装结构302；第一芯片303，该第一芯片中集成了湿度传感器305和控制电路307；以及第二芯片308，该第二芯片中集成了压力传感器310。
湿度传感器305和压力传感器310是上文已经参考图1到图4描述的类型。具体而言，压力传感器310集成在第二芯片308中，该第二芯片包括支撑部分308a、通过弹性连接元件308c连接到支撑部分308a的传感器部分308b、以及薄膜322，该薄膜封闭空腔321并且限定第二芯片308的表面308d。
封装结构302是模制型的，例如，LGA型，并且包括衬底311和盖312。例如，衬底311是由FR-4制成的，并且外表面上配置有金属接触焊盘315。盖312可以通过树脂模制获得，并且包封(englobe)了第一芯片303和第二芯片308。
第一芯片303使用粘合层333键合到衬底311，并且通过接线键合电连接到衬底311上的焊盘327。
通过衬底311和第一芯片303的开口318，使得封装结构302的内部与外部流体连通。在图7中的实施例中，开口318布置在相对于衬底311和相对于第一芯片303的中心处。但是，在其他实施例(未图示)中，开口可以是偏心的。
第二芯片308夹设在盖313与第一芯片303之间，并且通过键合区域324和键合区域325键合至其。此外，第二芯片308通过接线键合电耦合到第一芯片302。
第二芯片308被定向成使得薄膜322面对盖311，因此位于与开口318的相对之侧。
图8示出了根据本发明的一个实施例的电子***400的一部分。***400并入了机电换能器1，并且可用于各种器件中，例如，膝上型计算机或平板电脑(可能具有无线连接功能)、手机、智能手机、通信设备、数字音乐播放器、数字相机、或者其他用于处理、存储、发送或接收信息的器件。具体而言，电声换能器1可用于提供音频控制功能，例如，在计算机的动作激活用户界面或可视游戏的操纵台中、或者在卫星导航设备中。
电子***400可以包括控制单元410、输入/输出(I/O)器件420(例如，键盘或显示器)、电声换能器1、无线接口440、和易失型或非易失型的存储器460，这些部件通过总线450耦合在一起。在一个实施例中，电池480可用于向***400供电。应注意，本发明的范围并不限于必须呈现有所列的器件中的一个或全部的实施例。
控制单元410可以包括例如一个或多个微处理器、微控制器等。
I/O器件420可以用于生成消息。***400可以使用无线接口440以便通过使用射频(RF)信号向无线通信网络发送和从无线通信网络接收消息。无线接口的示例可以包括天线、无线收发器，例如偶极天线，虽然本发明的范围并不限于该观点。此外，I/O器件420可以提供表明所存储的内容的、按数字输出(如果已存储数字信息)形式或者按模拟输出(如果已存储模拟信息)形式的电压。
最后，显而易见，如随附的权利要求书所限定，可以在不脱离本发明的范围的前提下，对所描述的器件和方法进行修改和改变。

Claims (16)

1.一种封装的传感器组件，包括：
封装结构(2；102；202；302)，所述封装结构具有至少一个开口(18；118；218；318)；
湿度传感器(5；105；205；305)和压力传感器(10；110；210；310)，所述湿度传感器和所述压力传感器基于MEMS技术，并且被容纳在所述封装结构(2；102；202；302)内部，并且通过所述开口(18；118；218；318)与外部流体连通；以及
控制电路(7；107；207；307)，所述控制电路操作性地耦合到所述湿度传感器(5；105；205；305)以及耦合到所述压力传感器(10；110；210；310)；
其中所述湿度传感器(5；105；205；305)和所述控制电路(7；107；207；307)集成在第一芯片(3；103；203；303)中，并且所述压力传感器(10；110；210；310)集成在第二芯片(8；108；208；308)中，所述第二芯片与所述第一芯片(3；103；203；303)不同、并且键合到所述第一芯片(3；103；203；303)。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述压力传感器(10；110；210；310)包括薄膜(22；122；222；322)，所述薄膜为在所述第二芯片(8；18；208；308)中空腔(21；121；221；321)定界。
3.根据权利要求2所述的传感器组件，其中所述第二芯片(8；108；208；308)包括支撑部分(8a；108a；208a；308a)和传感器部分(8b；108b；208b；308b)，所述传感器部分集成有所述薄膜(22；122；222；322)、并且通过弹性连接元件(8c；108c；208c；308c)耦合到所述支撑部分(8a；108a；208a；308a)。
4.根据权利要求3所述的传感器组件，其中所述弹性连接元件(8c；108c；208c；308c)被配置成，使得所述传感器部分(8b；108b；208b；308b)能够相对于所述支撑部分(8a；108a；208a；308a)在平行于所述第二芯片(8；108；208；308)的表面(8d；108d；208d；308d)的两个独立方向上进行相对运动、并且绕垂直于所述表面(8d；108d；208d；308d)的轴旋转。
5.根据权利要求3或4所述的传感器组件，其中所述封装结构(2；102；202；302)包括衬底(11；111；211；311)和第一盖(13；113；203；313)。
6.根据权利要求5所述的传感器组件，其中所述第一芯片(3；103；303)布置在所述第二芯片与所述衬底(11；111；311)之间。
7.根据权利要求5或6所述的传感器组件，其中：
所述第一盖(13；113)键合到所述第二芯片(8；108)的表面(8d；108d)，所述开口(18；118)设置在所述第一盖(13；113)中；
所述湿度传感器(5；105)与所述第一盖(13；113)中的所述开口(18；118)对准；并且
所述第二芯片(8；108)的所述支撑部分(8a；108a)具有相应的贯通开口，所述贯通开口与所述第一盖(10；110)中的所述开口(18；118)对准。
8.根据权利要求7所述的传感器组件，包括：第二盖(17)，所述第二盖布置在所述第一芯片(3)与所述第二芯片(8)之间、并且具有相应的开口，所述相应的开口与所述第一盖(13)中的所述开口(18)对准。
9.根据权利要求5或6所述的传感器组件，其中所述开口(318)设置在所述衬底(311)中，并且所述第一芯片(303)包括相应的开口，所述相应的开口与所述衬底(311)中的所述开口(318)对准。
10.根据权利要求5到9中的任一权利要求所述的传感器组件，其中所述薄膜(22；122)面对所述第一盖(13；113)。
11.根据权利要求5或6所述的传感器组件，其中所述第二芯片(208)布置在所述第一芯片(203)与所述衬底(211)之间，并且所述第一盖由所述第一芯片(203)限定。
12.根据权利要求11所述的传感器组件，其中所述开口(218)设置在所述第一芯片(203)中。
13.根据权利要求11所述的传感器组件，其中所述第二芯片(208)包括导电通孔(226)，并且所述第一芯片(203)通过所述导电通孔(226)电耦合到所述衬底(211)上的导电结构(215；227)。
14.根据权利要求2到13中的任一权利要求所述的传感器组件，其中所述薄膜(222；322)位于所述第二芯片(208；308)的与所述开口(218；318)相对的表面(208d；308d)上。
15.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的传感器组件，其中所述封装结构(2；102；202；302)是模制型的。
16.一种电子***，包括：控制单元(410)以及根据前述权利要求中的任一权利要求所述的传感器组件(1)，所述传感器组件耦合到所述控制单元(410)。
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