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MEMS压力传感器的封装技术

时间:2012-02-12 21:40:28来源:MEMSweekly 作者:IOTer 点击:
MEMS压力传感器大体上有两种类型:电容型和压电电阻型。前者的工作原理是,当压力作用在电容板上,两板间距会变化,从而电容也会不同,因此可以通过测量电容来测量压力。后者利用压力作用在压电体上引起电阻变化。MEMS压力传感器中最为复杂的是轮胎气压传感器(TPMS),因为它必须通过RF射频跟主控系统联系,还有因为它通过独立电池供电所以必须省电,以及封装必须考虑到高速转动问题等。
图一是压力传感器在汽车上的应用。不同的传感器其压力范围、输出方式等有所不同。但是,MEMS压力传感器大体上有两种类型:电容型和压电电阻型。前者的工作原理是,当压力作用在电容板上,两板间距会变化,从而电容也会不同,因此可以通过测量电容来测量压力。后者利用压力作用在压电体上引起电阻变化。MEMS压力传感器中最为复杂的是轮胎气压传感器(TPMS),因为它必须通过RF射频跟主控系统联系,还有因为它通过独立电池供电所以必须省电,以及封装必须考虑到高速转动问题等。下面就以轮胎气压传感器为例对封装详加讨论。   


图一、压力传感器在汽车上的应用


一、汽车轮胎压力传感器结构 
汽车轮胎压力传感器一般有四块芯片组成:MEMS压力传感单元、加速度传感单元、MCU微控制器芯片以及RF芯片。(图二)

压力传感单元P-Chip:它是跟CMOS电路集成在一起的芯片。(图三)压力所引起的电容变化被转化成电压的变化(C-V),然后经过零点(offset)和增益(gain)的调整(trim)后输出给MCU。它跟MCU是双向通信的,因为它的时钟、各种测试模式、零点和增益调整用的codes等都是由ASIC传递的。

加速度传感单元G-Cell:通过测量上下翻转的频率来测量轮胎的转速。如果压力传感单元的输出跟转速有关(比如离心力可能造成P-Chip内封装材料变形从而对电容板施加额外压力等),这个转速就被用来修正结果。更重要的是,这个G-Cell被用来判断汽车是否处于驾驶状态,是否把整个压力传感器从睡眠状态转到正常工作状态,这大大延长了电磁的使用寿命。

RF芯片的主要功能就是向系统中心发送数据和从中心接收指令。MCU处理数据和控制整个压力传感器系统。



图二、汽车轮胎压力传感器的多芯片结构示意图




图三、跟CMOS工艺集成在一起的、用表面微机械技术加工的电容型MEMS压力传感单元


二、压力传感器封装 
MEMS传感器封装应具有如下作用:
  • 保护MEMS结构,保证其从微机械加工后期、模块、终端产品制造及最后使用中不受损。
  • 自动化生产线
  • 提供输入输出界面(管脚、接触点等)
  • 提供机械界面(支撑、柱子等)
  • 在环境中保护半导体器件
  • 在工厂能校正和测试
  • 不影响器件的电学性能

MEMS传感器封装又必须满足:
  • 必须考虑芯片的尺寸和技术
  • 工作温度范围。对汽车传感器,– 40 °C to 125 °C。
  • 可考性
  • 取向。对加速度计、陀螺仪要考虑加速或旋转方向;对压力计要考虑传感部件必须接受外压。
  • 瞬时保护
  • 外壳共振
  • 客户安装或焊接传感器到PCB上的过程
  • 安装可靠性
  • 成本

MEMS压力传感器封装又必须考虑的问题:
  • 保护MEMS和ASIC等不受环境侵蚀
  • MEMS必须能感受到外界压力


图四是一个典型的压力传感器的封装示意图(只显示MEMS那部分)。MEMS被有机硅凝胶覆盖。凝胶因为它的稳定性和柔软性既保护了MEMS,又能传体外界压力。填充完硅胶后用带孔的不锈钢片盖住,既能阻挡外界硬物对硅胶的破坏或强烈作用,又能让空气进入保持内外气压平衡。 在设计压力传感器封装时必须了解封装材料、诱导应力以及器件性能三者的相互作用,必须建立先进的校正技术(见《MEMS传感器在测试中修正(Trim)》一文),必须准确计算模拟材料的性能、生产中的变化对器件性能的影响、客户使用环境下的可靠性等。 

对汽车轮胎压力传感器,它在封装上有跟一般压力传感器很关键的不同。如果MEMS被厚厚的有机硅凝胶覆盖,由于硅胶的柔软性和流动性,当轮胎高速转动时,硅胶可能因为离心力而飞出来,或者向MEMS施加一个额外的压力。最好的轮胎压力传感器已经考虑到这一点。解决的方案是,用另外的材料取代硅胶,只需涂上薄薄一层就能保护MEMS,又不怕在高速转动时脱离。还有,用压力计G-Cell测量转动速度,在型号处理的过程中自动把由于离心力造成的额外压力扣掉。(曹志良)    (责任编辑:ioter)
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