專利名稱：無線表面聲波差動應(yīng)變儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及傳感器并且特別涉及表面聲波傳感器。而且，本公開涉及表面聲波傳感器的封裝。

發(fā)明內(nèi)容
本公開揭示了一種用于檢測待監(jiān)測的資產(chǎn)的應(yīng)力或應(yīng)變的表面聲波(SAW)傳感器組件。兩個芯片可具有一個或多個表面聲波傳感器。該芯片可結(jié)合(bond)在一起作為一個封裝。一個芯片可安裝在其應(yīng)變或應(yīng)力待測量或待監(jiān)測的資產(chǎn)(asset)上。另一個芯片可通過采用彈性類型的結(jié)合材料(bonding material)結(jié)合到承受應(yīng)力或應(yīng)變的芯片而保持不承受應(yīng)力。該芯片可起源于晶片上。第一晶片可切割(dice)單獨的芯片。芯片的 第二晶片可具有施加到其芯片周邊的結(jié)合材料。來自第一晶片的芯片可單獨地放置在第二晶片的每個芯片上使得基于周邊的材料結(jié)合每對芯片。每對芯片可從第二晶片切割。也可采用其他配置和封裝方案。


圖I是表面聲波(SAW)諧振器傳感器和形成在第一芯片上的天線的圖；圖2是兩個SAW諧振器傳感器和形成在第二芯片上的天線的圖；圖3a和3b是像圖I的芯片的芯片晶片和像圖2的芯片的芯片晶片，以及可廣生覆蓋芯片封裝的用于晶片的對應(yīng)蓋的圖；圖4是具有結(jié)合到具有兩個SAW諧振器傳感器的第二芯片的SAW諧振器傳感器的第一芯片的封裝的圖；圖5是圖4的封裝裝在保護材料涂層中的圖；圖6是蓋結(jié)合到圖I的芯片以形成覆蓋的芯片封裝的圖；圖7是蓋結(jié)合到圖2的芯片以形成覆蓋的芯片封裝的圖；圖8是兩個覆蓋的芯片封裝結(jié)合在其蓋上以產(chǎn)生封裝到封裝的封裝圖；圖9是圖8的合成封裝裝在保護材料涂層中的圖；以及圖IOa和IOb揭示了制造SAW應(yīng)變儀的方法。
具體實施例方式土木工程事物(像建筑、橋梁、雨水排水道、鋼筋混凝土管等等)中資產(chǎn)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)似乎呈現(xiàn)為重要的控制技術(shù)和商業(yè)機會，其目的是保持資產(chǎn)的安全操作并且消除人類喪生的任何風(fēng)險或由于不同的污染介質(zhì)影響環(huán)境的質(zhì)量。例如，橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可防止橋梁垮掉的事故，或可防止由于雨水排水鋼筋混凝土管中機械完整性的損失導(dǎo)致的水污染，其然后可允許不同的潛在工業(yè)污染進入廢水系統(tǒng)。此外，在工業(yè)過程控制中，資產(chǎn)例如泵、熱交換器、爐、管道等等的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測似乎變得更加必要，用于通過基于狀態(tài)維護(CBM)來取代基于計劃的維護從而節(jié)省金錢和時間。類似地，在航空宇宙應(yīng)用的領(lǐng)域中，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法看起來是有必要的，以使飛機所有關(guān)鍵元件真實健康條件受到控制。在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的領(lǐng)域中，監(jiān)測人類的健康或在健康運動期間人類身體的反應(yīng)可強加利用傳感器的小型化系統(tǒng)。為了保持環(huán)境的質(zhì)量，需要分布在廣大區(qū)域上的傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)督上述這樣的資產(chǎn)。SHM系統(tǒng)運行的關(guān)鍵需求是感測系統(tǒng)自身的穩(wěn)鍵操作。對于這樣的SHM應(yīng)用，可考慮無線的和無源的傳感器系統(tǒng)，其中，想法是避免電池的任何使用，這是由于在其替換中與延遲有關(guān)的風(fēng)險。對于這樣的系統(tǒng)，無線傳感器可組織在網(wǎng)絡(luò)中，且它們可在自身之間通信以及與實際上收集所有信息的中央站通信，并且做決定，或與操作人員通信來最終決定關(guān)于待監(jiān)測的系統(tǒng)的狀態(tài)。這可能是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法的未來方案?，F(xiàn)在，在許多結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用中，可采用一種簡單和容易的方式來實現(xiàn)監(jiān)測方案，其中，操作員擁有手持傳感器讀取器，其能夠通過電感耦合從短距離(20cm以下)詢問無線無源傳感器，通過采用所謂的近場通信(NFC)原理，其看來好像是起始實現(xiàn)在許多新的蜂窩手機中，其因此可用作傳感器讀取器。對于這樣的新的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用，可采用實現(xiàn)具有超低功耗的小型化傳感器的新的感測原理和方法。本公開可公開了差動無線無源表面聲波(SAW)傳感器，用于上述不同資產(chǎn)中的應(yīng)變和溫度監(jiān)測。可以是壓阻應(yīng)變儀，其附著到(例如粘貼)待監(jiān)測應(yīng)變的基板。在基板中 產(chǎn)生的傳送到應(yīng)變儀的任何應(yīng)力可確定電阻值的變化，這是由于電阻幾何尺寸和其電阻率二者的變化。由于上述原因，這樣的應(yīng)變儀可能是渴望電功率并且因此應(yīng)該在無線應(yīng)用中避免。在此可互換地使用術(shù)語“應(yīng)力”和“應(yīng)變”。一種替代方法可結(jié)合具有低功耗且具有非常的應(yīng)力靈敏度設(shè)備的SAW應(yīng)變儀。例如，在扭矩應(yīng)力施加到軸的特定情況中，其可分解為拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力，它們均相對于軸的垂直軸線傾斜45度；該SAW諧振器型裝置看起來是良好的無線無源扭矩傳感器，具有建立良好的溫度補償和差動操作。本公開可揭示具有溫度測量能力的溫度補償?shù)?、無線的、無源的、差動SAW應(yīng)變儀，以及建立其的方法。應(yīng)變傳感器的頻率響應(yīng)將不必要通過差動操作來減少，如同其通常的情況。為了獲取有益的差動行為，可制造SAW應(yīng)變儀為將兩個SAW諧振器11 (圖I)和諧振器18(圖2)分別串聯(lián)在芯片12和21上。諧振器11可暴露給應(yīng)力，而諧振器18沒有必要暴露給應(yīng)力。芯片12和21可結(jié)合相同類型的壓電基板并且相對彼此在相同的結(jié)晶學(xué)方向中定向，并且其中諧振器11和18可獲得對于應(yīng)力和溫度相同的靈敏度。通過減去諧振器11和諧振器18的頻率響應(yīng)，因此可獲取應(yīng)力差動響應(yīng)。諧振器11和諧振器18可具有不同的諧振頻率使得其響應(yīng)能夠容易地在頻率域內(nèi)被辨別。兩個芯片12和21的封裝可以這樣的方式提供，即僅僅芯片12和其SAW諧振器11 “感覺”芯片12的對應(yīng)基板中的應(yīng)力且因此正移動其諧振頻率，而第二諧振器18，位于芯片21上，其可看作應(yīng)變參考SAW諧振器且通過與第一芯片12 (接收外部應(yīng)力)分離而沒有必要暴露給任何應(yīng)力。芯片12和21可附著在一起但是通過彈性粘合材料和密封材料例如室溫硫化(RTV)硅、彈性密封物或彈性類型的結(jié)合材料而具有應(yīng)力隔離，其可形成芯片12和21之間的附著。位于或形成在芯片21上，接近參考SAW諧振器18，可以是另一個SAW諧振器19。諧振器19可具有其自己的諧振頻率，其可與諧振器11和18的諧振頻率不同。諧振器19可具有相對于應(yīng)變參考SAW諧振器18的X軸傾斜適當(dāng)角度(例如，相對于X軸大約18度，在石英ST的情況中)的X軸。諧振器19的X軸的結(jié)晶方向可具有頻率的最小溫度系數(shù)。在芯片12和21的SAW串聯(lián)設(shè)置中，如圖4所示，諧振器18和諧振器19可具有測量的其頻率并且其頻率差可表示芯片周圍溫度。用于指示芯片12和21之間的相對應(yīng)力的諧振器11和18的頻率差可鑒于確定的芯片周圍溫度來補償。本公開的本質(zhì)包括了以下各項。差動SAW應(yīng)變和溫度儀可包括暴露給外部應(yīng)力并且包含第一 SAW諧振器11和片上天線13的第一芯片12，第二芯片21，未暴露給應(yīng)力，具有第二 SAW諧振器18和第三SAW諧振器19，以及相關(guān)的天線20，和分離封裝的兩個芯片的彈性密封物27。為了再觀察，差動應(yīng)變可通過采用諧振器11的頻率響應(yīng)和諧振器18的頻率響應(yīng)差來測量，其是不受應(yīng)力的。周圍溫度可通過將諧振器18和諧振器19的頻率響應(yīng)相減來測量，它們均是不受應(yīng)力的。用于諧振器11的片上天線13和用于諧振器18和諧振器19的片上天線20可位于蓋下，蓋的外側(cè)沒有金屬線。用于芯片12和對應(yīng)天線13的該蓋可以是芯片21。用于芯片21和對應(yīng)天線20的蓋可以是芯片12。圖4和圖5示出了芯片12和 21的例子，其中一個是用于另一個芯片的蓋?？商鎿Q地，蓋芯片43可蓋住芯片12，并且蓋芯片44可蓋住芯片21，如分別在圖6和7中所示。在芯片12和21之間或每個芯片12或21和其對應(yīng)的蓋43或44之間存在間隔34。SAW諧振器11、18和19可具有不同的操作頻率且其詢問可由來自天線13的諧振器11的信號51和分別來自具有傳感器讀取器55的天線20的諧振器18和19的信號52和53的電感耦合(NFC)來進行。信號51可表示諧振器11的頻率。信號52和53可分別表示諧振器18和19的頻率。傳感器讀取器55可具有天線59來接收信號51-53且具有處理器56。處理器56可將信號51和52處理成芯片12上的應(yīng)力讀取。處理器56可將信號52和53處理成芯片12和21的周圍溫度。處理器56還可提供芯片12上的應(yīng)力讀取需要的校正因子。在此處記錄的某些結(jié)構(gòu)中，芯片12實際上可以具有與芯片21相同的寬度和長度尺寸。為了制造SAW應(yīng)力檢測機構(gòu)，可采用下面技術(shù)流程。階段I。圖3a的晶片23的處理，可涉及晶片23，其包含大量“第一芯片” 12，其設(shè)計為暴露給外部應(yīng)力，以及每個芯片12，其包含一個SAW諧振器布置11和相關(guān)的天線13，如圖I所示。階段I上的處理可包含兩個主要步驟。第一步可關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)類似IC的批處理，其中一批壓電晶片(石英、LiNb03、硅酸鎵鑭等等)用于晶片23的每個芯片12上的一些SAW諧振器11的制造。SAW諧振器11可包括類似梳子的金屬交叉指型換能器(IDT)以及兩組金屬反射器，實際上所有通過IC標(biāo)準(zhǔn)制造，初始化金屬14的薄膜沉積，然后通過金屬選擇性蝕刻來獲取圖I所示的圖案，諧振器11定向在良好應(yīng)變敏感度的結(jié)晶方向上。第二步可關(guān)于選擇性直接印刷處理的順序，其是為了獲取用于芯片12的片上天線13來產(chǎn)生的。該過程可包括直接印刷類似Si02的介電層15，其可接著之后為直接印刷金屬曲折16來制造芯片12(圖I)的類似線圈的天線13。實際上所有的金屬天線13的曲折可圍繞SAW諧振器11，以依靠沉積在交叉區(qū)域中的隔離介電層15避免金屬軌跡之間的任何短路。圖I的上部分可記錄為芯片12的透視圖，并且圖I的下部分示出了芯片12的A-A'截面圖。
階段II。該階段可涉及晶片24(圖3b)的處理，該晶片包括許多“第二芯片”21，其中每個芯片21可包含平行電連接的以及到芯片21的相同天線20的SAW諧振器18和19。在階段II上的處理可包含上述兩個主要步驟，其沒必要在此詳細重復(fù)。圖2示出了電連接到其接合天線20的兩個SAW諧振器18和19的示意透視圖。雖然圖2的上部分可記錄為芯片21的透視圖，但是圖2的下部分示出了芯片21的B-B'截面圖。階段III。該階段可涉及芯片到晶片的結(jié)合，其中，每個芯片12由晶片23切割并且結(jié)合到晶片24的芯片21 (圖3a和圖3b)。階段III的過程流程可參照如下進行。I.通過標(biāo)準(zhǔn)切割技術(shù)由晶片23切割芯片12。2.采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)用于將來自圖3a、3b、4和5(像RTV硅)的彈性密封物27用作長方形膠合壁，在實際上整個晶片24上的每個芯片21的內(nèi)部上 。因此，在密封物外側(cè)沒有必要保留金屬路徑。3.拾取并且將每個芯片12放置在晶片24的每個芯片21上。4.在40攝氏度，潮濕的空氣中3個小時退火結(jié)合的芯片12和21，以獲得良好密封的SAW芯片12和21串聯(lián)對。5.切割晶片24以便將12-21芯片對與晶片24隔離。12-21芯片對26在圖4中示出。零級的封裝串聯(lián)芯片12和21作為一對26可進一步模制在彈性密封物29的層中，以便獲取厚膜封裝，從而進一步用作為圖5中示出的第一級封裝31。在另一個方法中，每個芯片12和21可通過零級晶片級封裝技術(shù)分離地封裝，其中使用了如下的晶片到晶片結(jié)合技術(shù)。因此，蓋晶片41可結(jié)合到包含芯片12的晶片23，如圖3a所示，通過采用特定的絲網(wǎng)印刷和切割技術(shù)，以便獲取具有蓋43的芯片12，產(chǎn)生封裝57。類以地，蓋晶片42可結(jié)合到包含芯片21的晶片24，如圖3b所示，通過采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)和切割，從而獲取大量具有蓋44的芯片21，產(chǎn)生封裝58。芯片12和蓋43結(jié)合到一起作為封裝57，如圖6所示，且芯片21和蓋44結(jié)合到一起作為封裝58，如圖7所示，可定位為一個在另一個之上，芯片21的蓋44位于芯片12的蓋43上，且再次具有彈性密封粘合劑厚層37用來將蓋43和44結(jié)合在一起從而產(chǎn)生封裝到封裝的封裝46，如圖8所示。彈性的基于密封的最終厚膜48可施加到封裝46，如圖9所示。應(yīng)力傳輸層36可附著到待監(jiān)測的資產(chǎn)35，且附著到封裝46的SAW應(yīng)變儀，在圖8和9中示出。圖IOa和IOb揭示了用于制造SAW應(yīng)變儀的方法。用來制造差動應(yīng)變儀的方法可包括提供61第一晶片，在第一晶片上提供62用于多個芯片的圖案，在第一晶片上提供63用于多個芯片的每個芯片的圖案，在每個芯片的圖案上實施64第一金屬薄膜沉積，在每個芯片的圖案上選擇性蝕刻65第一金屬薄膜以形成至少一個表面聲波(SAW)諧振器，通過無掩模直接印刷沉積66介電層在每個芯片的圖案上,并且在介電層上實施67無掩模直接沉積第二金屬薄膜。該方法還包括提供68第二晶片，在第二晶片上提供69用于多個第二芯片的圖案，在第二晶片上提供70用于多個芯片的每個第二芯片的圖案，在每個第二芯片圖案上實施71第一金屬薄膜沉積，在每個第二芯片的圖案上選擇性蝕刻72第一金屬薄膜以形成至少一個SAW諧振器，通過無掩模直接印刷沉積73介電層在每個第二芯片的圖案上，并且在介電層上通過無掩模直接印刷實施74第二金屬薄膜的沉積，其連接到每個第二芯片上的諧振器。每個第二芯片實際上可以具有與第一晶片的每個芯片相同的寬度和長度尺寸。該方法還包括結(jié)合75第二晶片到第一晶片。第一晶片的每個芯片可對準(zhǔn)且結(jié)合到第二晶片的第二芯片。第一和第二晶片可被切割以產(chǎn)生成對的相互結(jié)合的第一晶片的芯片和第二晶片的第二芯片。第一晶片的芯片和第二晶片的第二芯片可以通過彈性密封物相互結(jié)合。該方法還可以包括從第一晶片切割76 —個或多個芯片,施加77結(jié)合材料在第二晶片上的一個或多個第二芯片周圍，且從第一晶片拾取78 一個或多個芯片的每一個并將芯片放置在第二晶片的一個或多個第二芯片的每一個上。來自第一晶片的一個或多個芯片的每一個可結(jié)合到第二晶片的一個或多個第二芯片的每一個。該方法還可以包括對來自第一晶片的一個或多個芯片的每一個到第二晶片的一個或多個第二芯片的每一個的結(jié)合進行退火79，并且切割80第二晶片成一對或多對。一一對或多對的每一個可具有來自第一晶片的芯片，該芯片結(jié)合到第二晶片的第二芯片。 US申請?zhí)?2/949113，提交日為2010年11月18日且名稱為“A System forMonitoring Structural Assets (用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)資產(chǎn)的系統(tǒng))”在此通過參考并入。在本說明書中，某些情況可以是假想的或預(yù)想特性，盡管以另一種方式或時態(tài)來陳述。盡管已經(jīng)關(guān)于至少一個示例性實例描述了本系統(tǒng)和/或方法，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本說明書時，許多變形和修改將變得明顯。因此，意圖在于附加的權(quán)利要求鑒于現(xiàn)有技術(shù)被盡可能寬的解釋以包括所有這些變形和修改。
權(quán)利要求
1.一種差動應(yīng)變傳感器，包括笛一 -H- Mr 弟心/T ；在第一芯片上的第一表面聲波(SAW)諧振器；第二芯片；以及在第二芯片上的第二 SAW諧振器；并且其中第一芯片承受待檢測的應(yīng)力；第二芯片實際上不承受待檢測的應(yīng)力；第一諧振器具有相對于在第一芯片上的應(yīng)力變化改變的頻率；第二諧振器具有相對于在第二芯片上的應(yīng)力變化改變的頻率；第一和第二諧振器的頻率差表示待檢測的應(yīng)力；第一芯片包括連接到第一諧振器的頻率輸出的第一天線；并且第二芯片包括連接到第二諧振器的頻率輸出地第二天線。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的傳感器，進一步包括第二芯片上的第三SAW諧振器；并且其中第二諧振器具有頻率的第一溫度系數(shù)；第三諧振器具有頻率的第二溫度系數(shù)；并且頻率的第一溫度系數(shù)不等于頻率的第二溫度系數(shù)；并且其中第二諧振器的頻率和第三諧振器的頻率之間的差表示第一和第二芯片的周圍溫度；第一諧振器具有第三溫度系數(shù)；并且表示被檢測的應(yīng)力的第一和第二諧振器的頻率差根據(jù)第一和第二芯片的周圍溫度進行校正。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的傳感器,其中第一芯片采用第一材料結(jié)合到第二芯片以產(chǎn)生芯片串聯(lián)組件；第一材料實際上隔離了作用第一芯片的應(yīng)力和作用第二芯片的應(yīng)力；并且該芯片串聯(lián)組件采用彈性類型密封物涂層來封裝。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的傳感器，進一步包括采用在第一芯片周邊和第一蓋周邊的第一材料結(jié)合到第一芯片的第一蓋層，在第一芯片和第一蓋之間的周邊內(nèi)具有間隔，產(chǎn)生第一芯片封裝；采用在第二芯片周邊和第二蓋周邊的第一材料結(jié)合到第二芯片的第二蓋層，在第二芯片和第二蓋之間的周邊內(nèi)具有間隔，產(chǎn)生第二芯片封裝；材料層，在第一蓋的一側(cè)和第二蓋的一側(cè)之間，所述第一蓋的一側(cè)與第一蓋的面對第一芯片的一側(cè)相對，所述第二蓋的一側(cè)與第二蓋的面對第二芯片的一側(cè)相對，所述材料層將第一芯片封裝和第二芯片封裝相互結(jié)合，產(chǎn)生封裝到封裝的封裝；以及形成在封裝到封裝的封裝上的第一材料涂層；并且其中第一材料包括彈性類型的密封物。
5.一種無線SAW差動應(yīng)變儀，包括笛一 -H- Mr 弟心/τ位于在第一芯片上的第一表面聲波(SAW)諧振器；第二芯片；以及位于在第二芯片上的第二 SAW諧振器；并且其中第一諧振器暴露給應(yīng)力；第二諧振器未暴露給應(yīng)力；并且由第一諧振器的諧振頻率和第二諧振器的諧振頻率的差來確定該應(yīng)力。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的應(yīng)變儀，進一步包括位于在第二芯片上的第三諧振器；并且其中第二諧振器具有定向軸；第三諧振器具有定向軸；第二諧振器的定向軸在相對于第三諧振器的定向軸的角度上；以及第二諧振器的諧振頻率和第三諧振器諧振頻率的差提供了差動溫度測量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的應(yīng)變儀，其中差動溫度測量是用于第一諧振器的諧振頻率和第二諧振器的諧振頻率的差的溫度補償?shù)幕A(chǔ)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的應(yīng)變儀，進一步包括形成在第一芯片上且連接到第一諧振器的第一天線；以及形成在第二芯片上且連接到第二諧振器和第三諧振器的第二天線。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的應(yīng)變儀，其中在第一天線上的信號表示第一諧振器的諧振頻率；在第二天線上的信號表示第二諧振器和第三諧振器的諧振頻率；進一步包括傳感器讀取器，用來無線檢測第一天線上的信號以及第二天線上的信號；并且其中該無線檢測通過傳感器讀取器與第一和第二天線之間的電感耦合來進行。
10.根據(jù)權(quán)利要求5的應(yīng)變儀，其中第一諧振器通過附著到第一芯片和待監(jiān)測的資產(chǎn)的應(yīng)力傳輸層暴露給應(yīng)力。
全文摘要
公開了無線表面聲波差動應(yīng)變儀。一種用于檢測待監(jiān)測的資產(chǎn)的應(yīng)變的SAW傳感器組件。兩個芯片可具有一個或多個SAW傳感器。該芯片可結(jié)合(bond)在一起作為一個封裝。一個芯片可在其應(yīng)變待監(jiān)測的資產(chǎn)(asset)上。另一個芯片可通過采用彈性類型的結(jié)合材料(bonding material)結(jié)合到承受應(yīng)變的芯片而保持不承受應(yīng)力。該芯片可起源于晶片上。第一晶片可切割單獨的芯片。芯片的第二晶片可具有施加到其芯片周邊的結(jié)合材料。來自第一晶片的芯片可單獨地放置在第二晶片的每個芯片上使得基于周邊的材料結(jié)合每對芯片。每對芯片可從第二晶片切割。也可采用其他配置和封裝方案。
文檔編號G01B17/04GK102927936SQ20121033410
公開日2013年2月13日 申請日期2012年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月1日
發(fā)明者C·科比亞努, C·博斯坦, I·喬治斯庫 申請人:霍尼韋爾國際公司