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CN101610972B - 用于包括引线继电器的微机电系统的保护套 - Google Patents

用于包括引线继电器的微机电系统的保护套 Download PDF

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CN101610972B CN200780050788.5A CN200780050788A CN101610972B CN 101610972 B CN101610972 B CN 101610972B CN 200780050788 A CN200780050788 A CN 200780050788A CN 101610972 B CN101610972 B CN 101610972B
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Abstract

本发明涉及一种用于封闭在保护套内的微机电系统的引线继电器。套由形成封闭腔的电绝缘材料的壁形成，一个壁具有面对腔内的内表面和与腔的外侧接触的外表面。内部电触头设置在所述内表面上，外部电触头设置在所述外表面上，所述内部触头和外部触头成对地电连接。所述微机电系统包括微系统电触头。此外，导电的引线接合的第一端固定到所述微系统电触头上。继电器固定到至少一个内壁上，且所述继电器由电绝缘材料制成。本发明还包括导电轨道，一个轨道与至少一个内部电触头以及引线接合的第二端电连接。

Description

用于包括引线继电器的微机电系统的保护套
本发明涉及微机电系统、也称为MEMS(该缩写词表示MicroElectro Mechanical Systems)的引线(wiring)，特别涉及执行诸如微陀螺测试仪、微加速计或压力微传感器的物理量测量的微系统。
MEMS是对热和机械应力非常敏感的系统，这也是为了操作它们而必须将其限定在其中充满受控气氛的密封性保护套内的原因。
图1显示了剖面图中的这种保护套10。套10包括通过焊点15固定在一起的基座12和顶盖11；套10形成密封壳体，其中可以建立受控气氛。
MEMS微机电系统1通常具有基本上为平面的形式，其包括两个表面；实际上，MEMS微机电系统1可以由通过加工绝缘体上硅(SOI)或石英或其他材料的基板制成的简单平面结构组成，但是其他方法也是可能的，一些微加速计就属于这种情况，或者其可以由通过硅加工的多层堆叠组成，一些微陀螺测试仪就属于这种情况。
MEMS微机电系统1被包围在套10中。MEMS微系统1的第一表面位于几个衬垫2上。衬垫2本身位于套10的基座12的内壁上。衬垫2是使MEMS微系统1与套10绝缘的焊点固定。衬垫2通常具有相同的高度，以使MEMS微系统1上的机械和热应力最小。
MEMS微系统的第二表面包括微系统电触头5，其构成电输入和输出，从而可以分别将电控制信号传送到MEMS微系统以对其进行操作或者将微系统1产生的电信号传输到微系统外。
通常，通过连接微系统电触头5和位于套的内壁上的内部电触头16的引线接合(wire bond)20(一般被称作“接合”)来执行电信号到MEMS微系统1的传输以及从MEMS微机电系统1产生的电信号的传输。通过内接合18，内部电触头16电连接到被套10的基座12的外壁支撑的外部电触头17上。
微系统电触头5在MEMS微系统的第二表面上占据在MEMS微机电系统1的设计阶段确定的位置。但是，并非总是可以设法将所有的微系统电触头5设置在MEMS微系统的第二表面的外围区域上。因此，为了可以电连接微系统电触头5与内部电触头16，引线接合20必须达到可能超过几毫米的长度。
这引起两个缺陷：
第一个缺陷与连接微系统电触头5与内部电触头16所必需的引线接合20的长度有关，例如当微系统电触头5位于微系统1的第二表面的中心区域内时。
引线接合20通常是具有恒定直径的金属引线。当引线接合20具有与其直径相比很大的长度时，典型地，当引线接合20的长度直径比的值超过50时，引线接合20非常脆：引线接合20易于被轻易地弯曲，尤其是在套10受到很大的加速度时。引线接合20的弯曲显著地改变在微系统电触头的末端呈现的电容值。这构成了严重的缺陷，因为通常微系统1的测量以检测其一些触头之间的电容变化为基础。现在，一些微系统就用于受到大加速度的运载设备(例如飞机或导弹)上，与待测物理量引起的电容变化相比，引线接合20的弯曲引起的电容的改变的幅度很大。
第二个缺陷与微系统电触头5在MEMS微系统1的第二表面上以及内部电触头16在套10的内壁上所分别占据的相对位置有关。在某些情况下，这些相对位置要求引线接合20重叠或交叉。当套受到很高的加速度时，例如20000g数量级(其中g是地球重力加速度)，交叉的引线接合20可能彼此接触：这可能导致短路。
本发明的目的是消除这些缺陷。更确切地说，本发明的主题是微机电系统的保护套，该微机电系统结合在该套内，所述保护套包括电绝缘材料的壁，所述套形成密封壳体，具有指向壳体的内部的内表面和与壳体的外部相接触的外表面的壁，设置在内表面上的内部电触头，设置在外表面上的外部电触头，内部电触头和外部电触头成对地电连接，所述微系统基本上是平面的，微系统的第一表面固定到套的内壁上，微系统的第二表面包括微系统电触头，导电材料的引线接合的第一端固定到微系统电触头上，其特征在于，其包括固定到至少一个内壁上的引线继电器(wire relay)，所述继电器包括电绝缘材料且包括导电材料的轨道(track)，一个轨道与至少一个内部电触头以及引线接合的第二端电连接，所述继电器进一步包括至少一个被引线接合穿过的孔。
本发明的第一个优点是其可以通过使用具有相对短的长度且实际上即使在受到可能超过20000g的加速度时也很少弯曲的引线接合20来连接微系统电触头5和内部电触头16。
本发明的第二个优点涉及微系统的设计规则的简化。实际上，在现有技术中，微系统电触头5在微系统的第二表面上的位置被内部电触头16在套10的内壁上的位置所限制，因此，在设计MEMS微机电系统1时，一方面要设法将微系统电触头5设置在微系统的第二表面的外周区域上，另一方面在与微系统的制造相关的设计规则允许时要限制引线接合20之间的重叠或交叉。通过使用根据本发明的引线继电器，不再需要将微系统电触头5限制在微系统的第二表面的外周上；也更容易避免引线接合20的重叠：因此显著地简化了微机电系统的设计限制。
本发明的第三个优点是根据本发明的引线继电器可以进一步包括可以用于实现微系统1或可以用于处理由微系统1产生的电信号的电子组件。
通过阅读以下以非限制实例并参考附图给出的具体描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：
图1，如前所述，用剖面图表示包围微机电系统的保护套；
图2表示根据本发明的保护微机电系统且包括根据本发明的引线继电器的保护套；
图3用透视图表示沿着第一表面和第二表面的根据本发明的引线继电器的第一实施例；
图4用透视图表示沿着第一表面和第二表面的根据本发明的引线继电器的第二实施例。
在所有附图中，相同的元件由相同的附图标记表示。
图2表示保护微机电系统1的套。该套与图1中所示的套的区别在于其进一步包括根据本发明的引线继电器100。
有利地，根据本发明的引线继电器基本上是平面的。
引线继电器通常由电绝缘材料形成的板100组成。板100通常固定到套10的至少一个内壁上。板包括第一表面和第二表面。图中由虚线表示的轨道101沿着板的第一和第二表面延伸。
轨道101由导电材料组成：例如，板100由环氧树脂制成，轨道101由铜制成。板100可以包括在几个水平面上延伸的轨道101：在这种情况下，称作“多层”轨道101。
轨道101通常包括两端：
第一端105，其电连接到位于套10的基座12的内壁上的内部电触头16，
第二端，其结合到引线接合20的第二端之一。
引线接合20包括固定到微系统电触头5的第一端和电连接到轨道101的第二端的第二端。
有利地，引线接合是具有恒定直径的金属引线，且引线的长度在引线的直径的五十倍以下。
有利地，引线接合的直径等于25微米。
由于在根据本发明的引线继电器上存在轨道101，用在包括这种继电器的微机电系统的保护套中的引线接合5的长度小于用在不包括引线继电器的保护套中的引线接合5的长度。
引线接合的较短长度是即使在其受到高达20000g的加速度时引线接合的抗弯曲程度依旧较高的原因。
有利地，根据本发明的引线继电器以基本上平行于微系统组件的第二表面且继电器的第一表面面对组件的第二表面的方式设置。
有利地，根据本发明的引线继电器包括引线接合穿过的孔。
为了在套中安装微机电系统1，首先，微系统被固定到套10的基座12的壁上。然后，根据本发明的引线继电器通过以下方式被固定到套10的基座12上：轨道101的第一端电连接到内部电触头16。
随后，引线接合20的第一端被固定到微系统电触头5。该固定通过借助于所谓的“凹陷式”压焊工具(“well-base”bonding tools)将引线接合20的第一端设置在微系统电触头5上来完成。通过将工具和引线接合20引入到位于微系统电触头5上方、与触头5在垂直方向上成一直线且与触头5直接邻近的孔102中实现该设置。
然后，引线接合的第二端被固定到至少部分位于继电器的第二表面上的轨道101的第二端。
最后，顶盖11通常通过焊点被固定到套10的基座上。
可以在由顶盖11和基座12形成的壳体内建立受控气氛。
有利地，壳体被密闭性地密封，且壳体内充满10-4毫巴(millibar)以下的真空。
有利地，轨道连接到所述继电器的第二表面上的引线接合的第二端。
有利地，孔的面积与穿过孔的引线接合的横截面面积之比在1600以上。
孔102具有足够的面积，从而穿过这些孔102的“凹陷式”压焊工具可以到达微系统电触头5。
另外，孔102必须具有足够的面积，从而穿过孔102的引线接合20不与引线继电器接触。例如，孔102具有圆形形式且具有等于1000微米的直径，引线接合20是正截面具有等于25微米的直径的金属引线。
有利地，根据本发明的引线继电器进一步包括连接到轨道的电子组件。
通常考虑两类微系统1：
第一类微系统可以被称作渗透性的微系统。这种微系统具有不能维持微系统内的气氛为真空的壁；
第二类微系统可以被称作密闭性的微系统。这种微系统具有可以保持气氛为真空的壁。
属于第一类别的微系统1必须由本身是密闭性的套保护，即套内可以维持气氛为真空。这样的微系统1的操作受到设置在引线继电器的一个或多个表面上的用于提供用在微系统的操作中的电信号或者用于处理微系统产生的电信号的电子组件的不利影响。实际上，这些组件产生破坏壳体中抽取的真空的排气(degassings)。
属于第二类别的微系统可以包围在不必完全密封的保护套10中，即套内充满中性气氛。微系统的操作不受设置在继电器的一个表面上的电子组件的可能排气的不利影响。
有利地，电子组件产生用于操作微系统的电信号。
有利地，电子组件收集微系统产生的电信号。
图3a和3b在透视图中显示根据本发明的引线继电器的第一实施例。图3a表示第一实施例的第二表面。图3b表示第一实施例的第一表面。
该实施例优选地适用于包括数量不大的微系统电触头5的微系统1，例如当连接到外部触头17的微系统电触头5的数量小于或等于6时。
对于对应于图2中显示的剖面图的该实施例，由黑色圆盘表示的轨道101的第二端位于继电器的第二表面上，靠近继电器板中的孔102。
由虚线表示的引线接合20具有固定到微系统电触头5的第一端105和连接到轨道101的第二端的第二端，该第一端在图3a中未显示。
轨道101连接其第二端到第一端105，在图3a中，第一端105由白色矩形表示。第一端105邻近板的外周区域且是露出的，即其也出现在继电器的板100的继电器的第一表面上。
在图3b中，可以看到轨道101的第一端105，其在板100上占据与套10的内部电触头16相接触的位置。
将根据本发明的继电器的第一实施例装配到套10的基座12上的第一步骤包括：焊接内部电触头16(其在图3a和3b中不可见)与轨道101的第二端105，从而一方面将继电器固定到套上，另一方面电连接外部电触头17与轨道101的第二端。
将继电器装配到套10的基座上的第二步骤包括：将如上所述的引线接合20的两端分别固定到微系统电触头和轨道101的第二端。
对板100的形式进行造型，从而允许根据本发明的继电器被引入套中。
图4a和4b在透视图中显示了根据本发明的引线继电器的第二实施例。图4a表示第二实施例的第二表面。图4b表示第二实施例的第一表面。
该实施例优选地适用于包括数量较大的微系统电触头5的微系统1，例如当连接到外部触头的微系统触头的数量大于或等于6时。
继电器的第二实施例的第二表面与第一实施例的第二表面的区别在于，轨道101被辅助引线接合20’延长，且轨道101的第一端105不露出。
辅助引线接合20’的一端结合到在图4a中由白色矩形表示的轨道101的第一端105。第一端105邻近板100的边缘。
继电器的第二实施例的第一表面与继电器的第一实施例的第一表面的区别在于，其包括覆盖板100的边缘的焊接区110。
将根据本发明的继电器的第二实施例装配到套的基座上的第一步骤包括：通过在焊接区110上喷涂焊接材料固定板和套10的基座12。
装配继电器的第二步骤包括：将如上所述的引线接合20的两端分别固定到微系统电触头5和轨道101的第二端。
装配的第三步骤包括：将辅助引线接合20’的两端分别固定到内部触头16和轨道101的第一端105。
当微系统包括大量的微系统电触头5，且轨道101的第二端105众多且整体非常靠近时，将该继电器的第二实施例装配到套10的基座12上比第一实施例容易。这是因为由于在整体上非常靠近的第二端105(例如当第二端105分离几十微米时)上喷涂焊接材料很困难，执行将根据本发明的继电器的第一实施例装配到套10的基座12上需要技巧。

Claims (10)

1.一种微机电系统(1)的保护套，该微机电系统(1)结合在所述套内，所述保护套包括电绝缘材料的壁，所述套(10)形成密封壳体，具有指向所述壳体的内部的内表面和与所述壳体的外部相接触的外表面的壁，设置在所述内表面上的内部电触头(16)，设置在所述外表面上的外部电触头(17)，所述内部电触头(16)和外部电触头(17)成对地电连接，所述微系统基本上是平面的，所述微系统(1)的第一表面固定到所述套(10)的内壁上，所述微系统(1)的第二表面包括微系统电触头(5)，导电材料的引线接合(20)的第一端固定到所述微系统电触头(5)上，其特征在于，其包括固定到至少一个内壁上的引线继电器，所述继电器包括电绝缘材料且包括导电材料的轨道(101)，一个轨道(101)与至少一个内部电触头(16)以及引线接合(20)的第二端电连接，所述继电器进一步包括至少一个被所述引线接合(20)穿过的孔(102)。
2.根据权利要求1所述的微机电系统的保护套，其特征在于，所述引线继电器以基本上平行于所述微系统(1)的第二表面的方式设置，且所述继电器的第一表面面对所述微系统(1)的第二表面。
3.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统的保护套，其特征在于，所述轨道(101)连接到所述继电器的第二表面上的所述引线接合(20)的第二端。
4.根据权利要求1所述的微机电系统的保护套，其特征在于，孔面积(102)与穿过该孔的引线接合(20)的截面积之间的比值在1600以上。
5.根据权利要求1所述的微机电系统的保护套，其特征在于，所述引线继电器进一步包括电连接到轨道(101)的电子组件。
6.根据权利要求5所述的微机电系统的保护套，其特征在于，所述电子组件产生用于操作所述微系统(1)的电信号。
7.根据权利要求6所述的微机电系统的保护套，其特征在于，所述电子组件收集由所述微系统(1)产生的电信号。
8.根据权利要求1所述的保护套，其特征在于，引线接合(20)是具有恒定直径的金属引线，且所述引线的长度在该引线的直径的五十倍以下。
9.根据权利要求1所述的保护套，其特征在于，所述壳体被密闭性的密封，且所述壳体内充满10-4毫巴以下的真空。
10.根据权利要求1所述的保护套，其特征在于，所述引线接合(20)具有等于25微米的直径。
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