專利名稱：用于包括引線繼電器的微機電系統的保護套的制作方法
用于包括引線繼電器的微機電系統的保護套
本發明涉及微機電系統、也稱為MEMS (該縮寫詞表示Micro Electro Mechanical Systems)的引線(wiring),特別涉及執行諸如微陀 螺測試儀、微加速計或壓力微傳感器的物理量測量的微系統。
MEMS是對熱和機械應力非常敏感的系統，這也是為了操作它們 而必須將其限定在其中充滿受控氣氛的密封性保護套內的原因。
圖1顯示了剖面圖中的這種保護套10。套IO包括通過焊點15固 定在一起的基座12和頂蓋11;套10形成密封殼體，其中可以建立受 控氣氛。
MEMS微機電系統1通常具有基本上為平面的形式，其包括兩個 表面；實際上，MEMS微機電系統1可以由通過加工絕緣體上硅(SOI) 或石英或其他材料的基板制成的簡單平面結構組成，但是其他方法也 是可能的， 一些微加速計就屬于這種情況，或者其可以由通過硅加工 的多層堆疊組成， 一些微陀螺測試儀就屬于這種情況。
MEMS微機電系統1被包圍在套10中。MEMS微系統1的第一 表面位于幾個襯墊2上。襯墊2本身位于套10的基座12的內壁上。 襯墊2是使MEMS微系統1與套10絕緣的焊點固定。襯墊2通常具 有相同的高度，以使MEMS微系統1上的機械和熱應力最小。
MEMS微系統的第二表面包括微系統電觸頭5，其構成電輸入和 輸出，從而可以分別將電控制信號傳送到MEMS微系統以對其進行操 作或者將微系統1產生的電信號傳輸到微系統外。
通常，通過連接微系統電觸頭5和位于套的內壁上的內部電觸頭 16的引線接合(wire bond) 20 (—般被稱作"接合")來執行電信號到 MEMS微系統1的傳輸以及從MEMS微機電系統1產生的電信號的傳 輸。通過內接合18，內部電觸頭16電連接到被套10的基座12的外壁支撐的外部電觸頭17上。微系統電觸頭5在MEMS微系統的第二表面上占據在MEMS微 機電系統1的設計階段確定的位置。但是，并非總是可以設法將所有 的微系統電觸頭5設置在MEMS微系統的第二表面的外圍區域上。因 此，為了可以電連接微系統電觸頭5與內部電觸頭16，引線接合20 必須達到可能超過幾毫米的長度。這引起兩個缺陷第一個缺陷與連接微系統電觸頭5與內部電觸頭16所必需的引線 接合20的長度有關，例如當微系統電觸頭5位于微系統1的第二表面 的中心區域內時。引線接合20通常是具有恒定直徑的金屬引線。當引線接合20具 有與其直徑相比很大的長度時，典型地，當引線接合20的長度直徑比 的值超過50時，引線接合20非常脆引線接合20易于被輕易地彎曲， 尤其是在套10受到很大的加速度時。引線接合20的彎曲顯著地改變 在微系統電觸頭的末端呈現的電容值。這構成了嚴重的缺陷，因為通 常微系統1的測量以檢測其一些觸頭之間的電容變化為基礎。現在， 一些微系統就用于受到大加速度的運載設備(例如飛機或導彈)上， 與待測物理量引起的電容變化相比，引線接合20的彎曲引起的電容的 改變的幅度很大。第二個缺陷與微系統電觸頭5在MEMS微系統1的第二表面上以 及內部電觸頭16在套10的內壁上所分別占據的相對位置有關。在某 些情況下，這些相對位置要求引線接合20重疊或交叉。當套受到很高 的加速度時，例如20 000g數量級(其中g是地球重力加速度)，交叉 的引線接合20可能彼此接觸這可能導致短路。本發明的目的是消除這些缺陷。更確切地說，本發明的主題是微 機電系統的保護套，該微機電系統結合在該套內，所述保護套包括電 絕緣材料的壁，所述套形成密封殼體，具有指向殼體的內部的內表面 和與殼體的外部相接觸的外表面的壁，設置在內表面上的內部電觸頭， 設置在外表面上的外部電觸頭，內部電觸頭和外部電觸頭成對地電連接，所述微系統基本上是平面的，微系統的第一表面固定到套的內壁 上，微系統的第二表面包括微系統電觸頭，導電材料的引線接合的第 一端固定到微系統電觸頭上，其特征在于，其包括固定到至少一個內壁上的引線繼電器(wirerelay),所述繼電器包括電絕緣材料且包括導 電材料的軌道(track), —個軌道與至少一個內部電觸頭以及引線接合 的第二端電連接，所述繼電器進一步包括至少一個被引線接合穿過的 孔。本發明的第一個優點是其可以通過使用具有相對短的長度且實際 上即使在受到可能超過20 OOOg的加速度時也很少彎曲的引線接合20 來連接微系統電觸頭5和內部電觸頭16。本發明的第二個優點涉及微系統的設計規則的簡化。實際上，在 現有技術中，微系統電觸頭5在微系統的第二表面上的位置被內部電 觸頭16在套10的內壁上的位置所限制，因此，在設計MEMS微機電 系統1時， 一方面要設法將微系統電觸頭5設置在微系統的第二表面 的外周區域上，另一方面在與微系統的制造相關的設計規則允許時要 限制引線接合20之間的重疊或交叉。通過使用根據本發明的引線繼電 器，不再需要將微系統電觸頭5限制在微系統的第二表面的外周上； 也更容易避免引線接合20的重疊因此顯著地簡化了微機電系統的設 計限制。本發明的第三個優點是根據本發明的引線繼電器可以進一步包括 可以用于實現微系統1或可以用于處理由微系統1產生的電信號的電 子組件。通過閱讀以下以非限制實例并參考附圖給出的具體描述，本發明的其他特征和優點將變得顯而易見，其中圖l，如前所述，用剖面圖表示包圍微機電系統的保護套；圖2表示根據本發明的保護微機電系統且包括根據本發明的引線繼電器的保護套；圖3用透視圖表示沿著第一表面和第二表面的根據本發明的引線繼電器的第一實施例；圖4用透視圖表示沿著第一表面和第二表面的根據本發明的引線 繼電器的第二實施例。在所有附圖中，相同的元件由相同的附圖標記表示。圖2表示保護微機電系統1的套。該套與圖1中所示的套的區別 在于其進一步包括根據本發明的引線繼電器100。有利地，根據本發明的引線繼電器基本上是平面的。引線繼電器通常由電絕緣材料形成的板100組成。板100通常固 定到套10的至少一個內壁上。板包括第一表面和第二表面。圖中由虛 線表示的軌道101沿著板的第一和第二表面延伸。軌道101由導電材料組成例如，板100由環氧樹脂制成，軌道 101由銅制成。板100可以包括在幾個水平面上延伸的軌道101:在這 種情況下，稱作"多層"軌道IOI。軌道101通常包括兩端第一端105，其電連接到位于套10的基座12的內壁上的內部電觸 頭16，第二端，其結合到引線接合20的第二端之一。引線接合20包括固定到微系統電觸頭5的第一端和電連接到軌道 101的第二端的第二端。有利地，引線接合是具有恒定直徑的金屬引線，且引線的長度在 引線的直徑的五十倍以下。有利地，引線接合的直徑等于25微米。由于在根據本發明的引線繼電器上存在軌道101，用在包括這種繼 電器的微機電系統的保護套中的引線接合5的長度小于用在不包括引 線繼電器的保護套中的引線接合5的長度。引線接合的較短長度是即使在其受到高達20 OOOg的加速度時引 線接合的抗彎曲程度依舊較高的原因。有利地，根據本發明的引線繼電器以基本上平行于微系統組件的 第二表面且繼電器的第一表面面對組件的第二表面的方式設置。有利地，根據本發明的引線繼電器包括引線接合穿過的孔。為了在套中安裝微機電系統1，首先，微系統被固定到套10的基 座12的壁上。然后，根據本發明的引線繼電器通過以下方式被固定到套10的基座12上軌道101的第一端電連接到內部電觸頭16。隨后，引線接合20的第一端被固定到微系統電觸頭5。該固定通 過借助于所謂的"凹陷式"壓焊工具("well-base" bonding tools)將 引線接合20的第一端設置在微系統電觸頭5上來完成。通過將工具和 引線接合20引入到位于微系統電觸頭5上方、與觸頭5在垂直方向上 成一直線且與觸頭5直接鄰近的孔102中實現該設置。然后，引線接合的第二端被固定到至少部分位于繼電器的第二表 面上的軌道101的第二端。最后，頂蓋11通常通過焊點被固定到套10的基座上。 可以在由頂蓋11和基座12形成的殼體內建立受控氣氛。 有利地，殼體被密閉性地密封，且殼體內充滿10—4毫巴(millibar) 以下的真空。有利地，軌道連接到所述繼電器的第二表面上的引線接合的第二 山順。有利地，孔的面積與穿過孔的引線接合的橫截面面積之比在1600 以上。孑L 102具有足夠的面積，從而穿過這些孔102的"凹陷式"壓焊 工具可以到達微系統電觸頭5。另外，孔102必須具有足夠的面積，從而穿過孔102的引線接合 20不與引線繼電器接觸。例如，孔102具有圓形形式且具有等于1000 微米的直徑，引線接合20是正截面具有等于25微米的直徑的金屬引有利地，根據本發明的引線繼電器進一步包括連接到軌道的電子 組件。通常考慮兩類微系統l:第一類微系統可以被稱作滲透性的微系統。這種微系統具有不能 維持微系統內的氣氛為真空的壁；第二類微系統可以被稱作密閉性的微系統。這種微系統具有可以 保持氣氛為真空的壁。屬于第一類別的微系統1必須由本身是密閉性的套保護，即套內 可以維持氣氛為真空。這樣的微系統1的操作受到設置在引線繼電器 的一個或多個表面上的用于提供用在微系統的操作中的電信號或者用 于處理微系統產生的電信號的電子組件的不利影響。實際上，這些組件產生破壞殼體中抽取的真空的排氣(degassings )。屬于第二類別的微系統可以包圍在不必完全密封的保護套10中， 即套內充滿中性氣氛。微系統的操作不受設置在繼電器的一個表面上 的電子組件的可能排氣的不利影響。有利地，電子組件產生用于操作微系統的電信號。有利地，電子組件收集微系統產生的電信號。圖3a和3b在透視圖中顯示根據本發明的引線繼電器的第一實施 例。圖3a表示第一實施例的第二表面。圖3b表示第一實施例的第一 表面。該實施例優選地適用于包括數量不大的微系統電觸頭5的微系統 1，例如當連接到外部觸頭17的微系統電觸頭5的數量小于或等于6 時。對于對應于圖2中顯示的剖面圖的該實施例，由黑色圓盤表示的 軌道101的第二端位于繼電器的第二表面上，靠近繼電器板中的孔 102。由虛線表示的引線接合20具有固定到微系統電觸頭5的第一端 105和連接到軌道101的第二端的第二端，該第一端在圖3a中未顯示。軌道101連接其第二端到第一端105，在圖3a中，第一端105由 白色矩形表示。第一端105鄰近板的外周區域且是露出的，即其也出 現在繼電器的板100的繼電器的第一表面上。在圖3b中，可以看到軌道101的第一端105，其在板100上占據 與套10的內部電觸頭16相接觸的位置。將根據本發明的繼電器的第一實施例裝配到套10的基座12上的 第一步驟包括焊接內部電觸頭16 (其在圖3a和3b中不可見)與軌 道101的第二端105，從而一方面將繼電器固定到套上，另一方面電連 接外部電觸頭17與軌道101的第二端。將繼電器裝配到套10的基座上的第二步驟包括將如上所述的引9線接合20的兩端分別固定到微系統電觸頭和軌道101的第二端。對板100的形式進行造型，從而允許根據本發明的繼電器被引入套中。圖4a和4b在透視圖中顯示了根據本發明的引線繼電器的第二實 施例。圖4a表示第二實施例的第二表面。圖4b表示第二實施例的第一表面。該實施例優選地適用于包括數量較大的微系統電觸頭5的微系統 1，例如當連接到外部觸頭的微系統觸頭的數量大于或等于6時。繼電器的第二實施例的第二表面與第一實施例的第二表面的區別 在于，軌道101被輔助引線接合20'延長，且軌道101的第一端105不 露出。輔助引線接合20，的一端結合到在圖4a中由白色矩形表示的軌道 101的第一端105。第一端105鄰近板100的邊緣。繼電器的第二實施例的第一表面與繼電器的第一實施例的第一表 面的區別在于，其包括覆蓋板100的邊緣的焊接區110。將根據本發明的繼電器的第二實施例裝配到套的基座上的第一步 驟包括通過在焊接區110上噴涂焊接材料固定板和套10的基座12。裝配繼電器的第二步驟包括將如上所述的引線接合20的兩端分 別固定到微系統電觸頭5和軌道101的第二端。裝配的第三歩驟包括將輔助引線接合20，的兩端分別固定到內部 觸頭16和軌道101的第一端105。當微系統包括大量的微系統電觸頭5，且軌道101的第二端105 眾多且整體非常靠近時，將該繼電器的第二實施例裝配到套10的基座 12上比第一實施例容易。這是因為由于在整體上非常靠近的第二端105 (例如當第二端105分離幾十微米時)上噴涂焊接材料很困難，執行 將根據本發明的繼電器的第一實施例裝配到套10的基座12上需要技 巧。
權利要求
1、一種微機電系統(1)的保護套，該微機電系統(1)結合在所述套內，所述保護套包括電絕緣材料的壁，所述套(10)形成密封殼體，具有指向所述殼體的內部的內表面和與所述殼體的外部相接觸的外表面的壁，設置在所述內表面上的內部電觸頭(16)，設置在所述外表面上的外部電觸頭(17)，所述內部電觸頭(16)和外部電觸頭(17)成對地電連接，所述微系統基本上是平面的，所述微系統(1)的第一表面固定到所述套(10)的內壁上，所述微系統(1)的第二表面包括微系統電觸頭(5)，導電材料的引線接合(20)的第一端固定到所述微系統電觸頭(5)上，其特征在于，其包括固定到至少一個內壁上的引線繼電器，所述繼電器包括電絕緣材料且包括導電材料的軌道(101)，一個軌道(101)與至少一個內部電觸頭(16)以及引線接合(20)的第二端電連接，所述繼電器進一步包括至少一個被所述引線接合(20)穿過的孔(102)。
2、 根據權利要求1所述的微機電系統的保護套，其特征在于，所 述引線繼電器以基本上平行于所述微系統(1)的第二表面的方式設置， 且所述繼電器的第一表面面對所述微系統(1)的第二表面。
3、 根據前述權利要求中任一項所述的微機電系統的保護套，其特 征在于，所述軌道(101)連接到所述繼電器的第二表面上的所述引線 接合(20)的第二端。
4、 根據前述權利要求中任一項所述的微機電系統的保護套，其特 征在于，孔面積(102)與穿過該孔的引線接合(20)的截面積之間的 比值在1600以上。
5、 根據前述權利要求中任一項所述的微機電系統的保護套，其特 征在于，所述引線繼電器進一步包括電連接到軌道(101)的電子組件。
6、 根據權利要求5所述的微機電系統的保護套，其特征在于，所 述電子組件產生用于操作所述微系統(1)的電信號。
7、 根據權利要求6所述的微機電系統的保護套，其特征在于，所述電子組件收集由所述微系統(1)產生的電信號。
8、 根據前述權利要求中任一項所述的保護套，其特征在于，引線 接合(5)是具有恒定直徑的金屬引線，且所述引線的長度在該引線的 直徑的五十倍以下。
9、 根據權利要求1至8中任一項所述的保護套，其特征在于，所 述殼體被密閉性的密封，且所述殼體內充滿10—4毫巴以下的真空。
10、 根據前述權利要求中任一項所述的保護套，其特征在于，所 述引線接合(5)具有等于25微米的直徑。
全文摘要
本發明涉及一種用于封閉在保護套內的微機電系統的引線繼電器。套由形成封閉腔的電絕緣材料的壁形成，一個壁具有面對腔內的內表面和與腔的外側接觸的外表面。內部電觸頭設置在所述內表面上，外部電觸頭設置在所述外表面上，所述內部觸頭和外部觸頭成對地電連接。所述微機電系統包括微系統電觸頭。此外，導電的引線接合的第一端固定到所述微系統電觸頭上。繼電器固定到至少一個內壁上，且所述繼電器由電絕緣材料制成。本發明還包括導電軌道，一個軌道與至少一個內部電觸頭以及引線接合的第二端電連接。
文檔編號B81C1/00GK101610972SQ200780050788
公開日2009年12月23日 申請日期2007年11月28日 優先權日2006年12月12日
發明者A·富里耶, R·克爾, S·帕爾博德 申請人:泰勒斯公司