多轴MEMS传感器模块制造技术

多轴MEMS传感器模块，本实用新型专利技术的传感器模块的MEMS裸芯片用软胶直接粘接在导热性能良好的安装座上，然后通过金属线将信号连接到PCB硬板上，MEMS裸芯片与PCB硬板之间没有硬接触，只有柔软的金属线连接，所以PCB硬板的应力不会传导到MEMS裸芯片上；安装有MEMS裸芯片的PCB硬板相互垂直地安装在金属外壳上，这样，既保证了各感应轴向间的对准精度，又隔离了来自金属外壳的应力，还提供了均匀的温度环境。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于MEMS芯片的封装领域，特别涉及一种多轴MEMS传感器模块。
技术介绍
电子封装是将一个或多个电子元器件芯片相互电连接，然后封装在一个保护结构中，其目的是为电子芯片提供电连接、机械保护、化学腐蚀保护等。一些与空间维度有关的传感器，特别是MEMS(Microelectromecanical system，微机电系统)陀螺仪、加速度计、磁场传感器等，其高精度的传感器芯片都是单轴向敏感的，而实际应用中大部分需要感应三个轴向的信号，这就需要通过电子封装技术将各个单轴传感器芯片相互垂直安装成传感器模块，达到多轴向感应的目的；另外，传感器模块通常还具有信号校准、处理功能，所以除了MEMS传感器元器件外，还需要在传感器模块加入MCU、晶振、电源、电阻、电容、温度传感器等等；体积小、重量轻、各个轴向间对准精度高、温度特性好、抗振动能力强是多轴传感器模块的主要技术要求。现有技术中，通常是将单轴MEMS传感器裸芯片与相应的ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)芯片封装在陶瓷管壳中，形成单轴MEMS传感器元件，然后将其贴装在垂直框架的各个面上，组成多轴MEMS传感器模块。专利CN10479505A《一种MEMS惯性测量单元》描述的是将封装后的MEMS传感器元件焊接在硬PCB板上，再用胶粘贴到定位支架上，然后胶接到外壳上，PCB硬板间用软PCB板连接；专利CN201110299117《一种基于三维立体封装技术的微姿态航向参考系统》描述的是将封装后的MEMS传感器元件焊接在硬PCB板上，将硬PCB板安装在六面体上，PCB硬板间用软PCB板连接；专利CN200710063635.6《一种隐式结构微型惯性测量单元》描述的是将封装后的MEMS传感器元件通过焊锡焊接到立体陶瓷印刷线路板上。上述专利均是将封装后的MEMS传感器元件相互垂直安装形成多轴传感器模块，没有述及裸芯片直接组成多轴传感器模块。现有技术的缺点在于：1、由于需要安装框架，体积大，重量重；2、封装后的MEMS元件再组装成多轴传感器模块，封装材料(如陶瓷管壳、盖板等)既增加了重量，又增加了体积；3、MEMS裸芯片封装在管壳中，管壳再焊接在PCB板上，PCB板再安装在框架上，各个步骤都会引入轴向间的对准误差；4、由于现有的MEMS模块组装技术中，MEMS裸芯片(通常为Si材料)与金属外壳间隔着陶瓷管壳和PCB板，而他们的热膨胀系数与Si相差很多，例如一般用作模块外壳的铝合金的热膨胀系数为23.8ppm/℃，Si为2.6ppm/℃，陶瓷管壳为6.7ppm/℃，PCB为14～18
ppm/℃，PCB板上铜膜为17.5ppm/℃，因金属外壳、PCB板、陶瓷管壳这些与MEMS芯片热膨胀系数不同而由温度变化产生的应力会严重影响MEMS器件的温度特性；5、相比于金属材料，陶瓷封装管壳、PCB板均是不良热导体，例如铝合金的热传导系数为236w/m/k，Si为168w/m/k，陶瓷管壳约20w/m/k，PCB板基材FR4为6.5w/m/k，PCB板上铜膜为401w/m/k，可见当外部环境温度变化时，模块的金属外壳传导温度变化很快，但PCB板和陶瓷管壳阻碍了温度变化的传导，导致各个MEMS裸芯片的温度变化速率不同，不但影响到校准时需要等待温度稳定的时间，而且在使用过程中，传感器模块各轴向输出值出现偏差。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种多轴MEMS传感器模块，该传感器模块的MEMS裸芯片用软胶直接粘接在导热性能良好、与芯片材料相同的安装座上，并通过金属线将信号连接到PCB硬板上，MEMS裸芯片与PCB硬板之间没有硬接触，只有柔软的金属线连接，所以PCB硬板的应力不会传导到MEMS裸芯片上；安装有MEMS裸芯片的PCB硬板相互垂直地安装在金属外壳上，这样，既保证了各感应轴向间的对准精度，又隔离了来自金属外壳的应力，还提供了均匀的温度环境。为解决上述技术问题，本技术提供了一种多轴MEMS传感器模块，由金属外壳和ASIC组件组成，金属外壳呈立方体状，由底板、左侧板、后侧板、右侧板、前侧板和盖板围成，金属外壳的底板、左侧板、右侧板和前侧板上各有至少四个安装柱，在底板与后侧板的连接处有至少两个定位柱，定位柱上有定位槽，在右侧板上有联接口，每四个安装柱上粘贴一个安装座；所述的ASIC组件由PCB板组件和工装组成，所述的PCB板组件包括四至六块PCB硬板，相邻的PCB硬板间有PCB软板连接，在其中一块PCB硬板上制作有排针孔，在其中至少一块PCB硬板上制作有至少一个窗口和至少两个定位孔，在其中至少一块PCB硬板上贴装有电子元器件；所述的工装具有第一定位柱、第二定位柱和工装槽；PCB板组件安装到工装上，PCB板组件的窗口和定位孔分别对准工装的定位柱，PCB硬板上的电子元器件位于工装槽中，ASIC裸芯片贴装在PCB硬板上；ASIC组件的PCB硬板对准贴装在安装柱和定位槽上，安装座从PCB硬板的窗口中穿过，且与PCB硬板无接触，PCB软板弯曲固定在底板上，信号连接器固定在右侧板上，信号连接器的排针焊接在排针孔中；安装座上贴装MEMS裸芯片，MEMS裸芯片和ASIC裸芯片之间及ASIC裸芯片和PCB硬板之间由金属线电连接。本技术的MEMS裸芯片用软胶直接粘接在导热性能良好的安装座上，并通过金属线将信号连接到PCB硬板上，MEMS裸芯片与PCB硬板之间没有硬接触，只有柔软的金属线连接，所以PCB硬板的应力不会传导到MEMS裸芯片上；安装有MEMS裸芯片的PCB硬板相互垂直地安装在金属外壳上，这样，既保证了各感应轴向间的对准精度，又隔离了来自金属外壳的应力，还提供了均匀的温度环境。进一步地，所述的安装座的材料是硅，与MEMS裸芯片的材料相同，这样就可以减少由于温度变化而引起的应力对MEMS裸芯片性能的影响，同时，硅还是一种良好的导热材料，可以快速将金属外壳的温度变化传导到MEMS裸芯片上，保证各MEMS裸芯片间的温度一致性。作为本技术的一个实施例，所述的安装座的截面呈T形，安装座的下部固定在金属块上，PCB硬板的一部分也固定在金属块上，金属块固定在金属外壳上，所述的金属块的材料是铜。安装座为T形，减少了安装座与金属块的接触面积，减少金属外壳应力对MEMS裸芯片的影响；金属块的材料以较高热传导率和较低热膨胀系数为优选条件，所以金属块的材料选择铜。作为本技术的一个实施例，所述的安装座的截面呈凸字形，安装座上部贴装有两个MEMS裸芯片，PCB硬板的一部分固定在安装座的肩部，PCB硬板上贴装两个ASIC裸芯片，所述的ASIC裸芯片位于两个MEMS裸芯片两侧，两个ASIC裸芯片都通过金属线与PCB硬板电连接，MEMS裸芯片通过金属线与相邻的ASIC裸芯片电连接，所述的安装座固定在金属外壳上。这样，一个安装座就可对应两个MEMS裸芯片，这两个MEMS裸芯片可以是感应不同种类信号(如加速度和角速度信号)的传感器芯片，也可以是感应相同种类信号的传感器芯片，但是要求它们的量程范围不同；通过本技术的多轴MEMS传感器模块的组装方法，还可以组装成同本文档来自技高网...

【技术保护点】
多轴MEMS传感器模块，由金属外壳和ASIC组件组成，其特征在于：所述的金属外壳呈立方体状，由底板、左侧板、后侧板、右侧板、前侧板和盖板围成，金属外壳的底板、左侧板、右侧板和前侧板上各有至少四个安装柱，在底板与后侧板的连接处有至少两个定位柱，定位柱上有定位槽，在右侧板上有联接口，每四个安装柱上粘贴一个安装座；所述的ASIC组件由PCB板组件和工装组成，所述的PCB板组件包括四至六块PCB硬板，相邻的PCB硬板间有PCB软板连接，在其中一块PCB硬板上制作有排针孔，在其中至少一块PCB硬板上制作有至少一个窗口和至少两个定位孔，在其中至少一块PCB硬板上贴装有电子元器件；所述的工装具有第一定位柱、第二定位柱和工装槽；PCB板组件安装到工装上，PCB板组件的窗口和定位孔分别对准工装的定位柱，PCB硬板上的电子元器件位于工装槽中，ASIC裸芯片贴装在PCB硬板上；ASIC组件的PCB硬板对准贴装在安装柱和定位槽上，安装座从PCB硬板的窗口中穿过，且与PCB硬板无接触，PCB软板弯曲固定在底板上，信号连接器固定在右侧板上，信号连接器的排针焊接在排针孔中；安装座上贴装MEMS裸芯片，MEMS裸芯片和ASIC裸芯片之间及ASIC裸芯片和PCB硬板之间由金属线电连接。...

【技术特征摘要】
1.多轴MEMS传感器模块，由金属外壳和ASIC组件组成，其特征在于：所述的金属外壳呈立方体状，由底板、左侧板、后侧板、右侧板、前侧板和盖板围成，金属外壳的底板、左侧板、右侧板和前侧板上各有至少四个安装柱，在底板与后侧板的连接处有至少两个定位柱，定位柱上有定位槽，在右侧板上有联接口，每四个安装柱上粘贴一个安装座；所述的ASIC组件由PCB板组件和工装组成，所述的PCB板组件包括四至六块PCB硬板，相邻的PCB硬板间有PCB软板连接，在其中一块PCB硬板上制作有排针孔，在其中至少一块PCB硬板上制作有至少一个窗口和至少两个定位孔，在其中至少一块PCB硬板上贴装有电子元器件；所述的工装具有第一定位柱、第二定位柱和工装槽；PCB板组件安装到工装上，PCB板组件的窗口和定位孔分别对准工装的定位柱，PCB硬板上的电子元器件位于工装槽中，ASIC裸芯片贴装在PCB硬板上；ASIC组件的PCB硬板对准贴装在安装柱和定位槽上，安装座从PCB硬板的窗口中穿过，且与PCB硬板无接触，PCB软板弯曲固定在底板上，信号连接器固定在右侧板上，信号连接器的排针焊接在排针孔中；安装座上贴装MEMS裸芯片...

【专利技术属性】
技术研发人员：华亚平，
申请(专利权)人：安徽北方芯动联科微系统技术有限公司，
类型：新型
国别省市：安徽;34