多设备模块和包括该模块的装置的制作方法

本实用新型涉及一种多设备换能器模块，特别是用于转换环境量，并且涉及一种包括该多设备换能器模块的装置。

背景技术：

众所周知，MEMS(微机电系统)类型的声换能器(特别是麦克风)包括膜敏感结构和读取电子器件，膜敏感结构被设计成将声压波转换成电量(例如，电容变化)，读取电子器件被设计成对所述电量执行适当的处理操作(其中包括放大和滤波操作)以用于提供表示所接收的声压波的电输出信号(例如，电压)。

在使用电容感测原理的情况下，MEMS敏感结构通常包括提供为膜片或膜的面向固定电极布置的移动电极，以提供具有可变电容的感测电容器的极板。移动电极通过其通常在周边的第一部分锚定到结构层，而其大致居中的第二部分响应于由入射声压波施加的压力而自由移动或弯曲。因此，移动电极和固定电极提供电容器，并且构成移动电极的膜的弯曲导致电容根据待检测的声信号而变化。

多个MEMS麦克风通常被安装在多媒体电子设备中，比如智能手机。这是由于麦克风不仅用于转换语音信号，而且还用于诸如噪声擦除和声音记录的附加功能，并且每个麦克风均可专用于特定功能。在电子设备中集成相当多数量的麦克风(例如，从两个到七个麦克风)需要使用专用的集成电路板，并且因此对空间的占用具有相当大的影响。

此外，根据现有技术，每个MEMS麦克风被容纳在包含换能器(例如，MEMS换能器)和用于采集和预处理由换能器产生的电信号的电子器件的封装体中，通常是ASIC(专用集成电路)。显然，从成本的角度来看，这种方法不是最佳的。

上述内容的缺点可以扩展到除麦克风之外的MEMS器件，例如扩展到压力传感器或通常存在于消费电子产品中的其它换能器。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供对前述问题的解决方案。

根据本公开实施例的方案，可以提供多设备换能器模块和包括该多设备换能器模块的装置。

根据本公开实施例的一个方面，提供一种多设备模块，其特征在于，包括：第一基板，所述第一基板容纳第一MEMS换能器和集成电路，所述第一MEMS换能器被配置成检测第一环境量并且根据检测到的所述第一环境量生成第一转换信号，所述集成电路被操作地耦合到所述第一MEMS换能器以用于接收所述第一转换信号；和第二基板，所述第二基板容纳第二MEMS换能器，所述第二MEMS换能器被配置成检测第二环境量并且根据检测到的所述第二环境量生成第二转换信号，其中所述多设备模块还包括柔性印刷电路，所述柔性印刷电路被机械连接到所述第一基板和所述第二基板并且被电耦合到所述集成电路和所述第二MEMS换能器，使得所述第二转换信号在使用中从所述第二MEMS换能器流向所述集成电路。

在一个实施例中，第一基板、柔性印刷电路和第二基板形成刚性-柔性-刚性类型的印刷电路。

在一个实施例中，第一基板和第二基板包括相应的交替的金属和电介质层以及相应的导电通孔，所述导电通孔在一个或多个相应的电介质层之间延伸以用于将两个或多个金属层电连接在一起，并且柔性印刷电路在所述第一基板和所述第二基板内延伸，并且经由一个或多个所述金属层和导电通孔被电耦合到所述集成电路和所述第二MEMS换能器，以用于在所述第二MEMS换能器和所述集成电路之间提供电连接。

在一个实施例中，电介质层由包括在环氧树脂基质中交织的玻璃纤维的材料或FR4制成。

在一个实施例中，集成电路是ASIC。

在一个实施例中，第一MEMS换能器和第二MEMS换能器选自包括以下的群组：压力传感器、光流传感器、UV传感器、IR传感器、加速度计和陀螺仪。

在一个实施例中，多设备模块还包括：第一覆盖元件，所述第一覆盖元件在所述第一基板上方延伸并且与所述第一基板一起限定容纳所述第一MEMS换能器和所述集成电路的第一封装体；和第二覆盖元件，所述第二覆盖元件在所述第二基板上方延伸并与所述第二基板一起限定容纳所述第二MEMS换能器的第二封装体，其中，所述第一MEMS换能器和所述第二MEMS换能器是声换能器，所述第一基板具有与所述第一封装体外部的环境声连通的第一声访问开口，并且所述第二基板具有与所述第二封装体外部的环境声连通的相应的第二声访问开口，所述第一封装体和所述第二封装体在相应的覆盖元件处被机械地耦合在一起。

在一个实施例中，多设备模块还包括：第一覆盖元件，所述第一覆盖元件在所述第一基板上方延伸并且与所述第一基板一起限定容纳所述第一MEMS换能器和所述集成电路的第一封装体；和第二覆盖元件，所述第二覆盖元件在所述第二基板上方延伸并与所述第二基板一起限定容纳所述第二MEMS换能器的第二封装体，其中，所述第一MEMS换能器和所述第二MEMS换能器是声换能器，所述第一覆盖元件具有与所述第一封装体外部的环境声连通的第一声访问开口，并且所述第二覆盖元件具有与所述第二封装体外部的环境声连通的相应的第二声访问开口，所述第一封装体和所述第二封装体经由相应的所述第一基板和所述第二基板被机械耦合且电耦合到集成电路板的相应面以形成堆叠结构。

根据本公开实施例的另一方面，提供一种电子装置，其特征在于，电子装置包括上述的多设备模块，所述电子装置选自包括以下的群组：蜂窝电话、PDA、笔记本电脑、语音记录器、具有语音记录器功能的音频阅读器、视频游戏的控制台、水听器。

本公开实施例提供了一种多设备模块，其可以根据需要被适配于不同的配置，同时降低成本和空间需求。

附图说明

为了更好地理解本实用新型，现在仅通过非限制性示例并参考附图描述本实用新型的优选实施例，其中：

-图1是包括MEMS声换能器和处理电路的设备的横向剖视图；

-图2是包括MEMS声换能器的另一设备的横向剖视图；

-图3示出根据本公开的一个实施例的多设备模块，其包括通过柔性印刷电路被功能性地耦合在一起的图1和图2的设备；

-图4示出了根据本公开的一个实施例的多设备模块，其包括通过柔性印刷电路被功能性地耦合在一起并且被布置用于形成堆叠结构的图1和图2的设备；

-图5示出了根据本实用新型的另一实施例的多设备模块，其包括通过柔性印刷电路功能地耦合在一起并且布置在PCB(印刷电路板)的相对侧上以形成堆叠结构的、根据图1和图2的变型的换能器设备；和

-图6是包括根据本公开的任一实施例的多设备模块的电子装置的示意图。

具体实施方式

参考图1，示出了在空间坐标x、y和z的系统中的MEMS麦克风10。MEMS麦克风10包括第一裸片(传感器裸片)21，其集成提供第一声换能器1的MEMS结构。第一声换能器1可以根据任何可用的技术来制造，并且可根据任何已知的操作原理进行操作。通过举例的方式，第一声换能器1配备有面向刚性板3的可移动且由导电材料制成的膜2(该术语在此指的是对于膜2来说相对刚性的元件，膜2则是柔性的)。刚性板3包括面向膜2的至少一个导电层，使得膜2和刚性板3形成电容器的面对的极板。

在使用中根据入射声压波经受变形的膜2至少部分地悬置在结构层5上方并且直接面向空腔6，空腔6通过在对应于结构层5的后表面5b的区域中挖掘而获得(后部5b与结构层5本身的前部5a相对，布置在膜2附近)。

第一声换能器1与集成处理电路或ASIC 22’的第二裸片(控制芯片)22一起容纳在封装体20的内部空腔8中。特别是关于声信号的转换，本身已知的ASIC 22’包括信号处理电路(例如，用于电容性电声传感器的电荷放大器电路)和/或使麦克风能够正确操作所需的组件。ASIC 22’通过电导体25’(用引线键合技术)电耦合到第一声换能器1，电导体25’将第一裸片21和第二裸片22的相应焊盘26a和26b连接在一起。

第一裸片21和第二裸片22被并排地耦合在封装体20的基板23上。例如通过粘合层或胶层7，第一裸片21在结构层5的后表面5b上被耦合到基板23。同样地，第二裸片22在其后表面22b上也通过焊料掩模9被耦合到基板23，焊料掩模9被图案化以限定用于安装第二裸片22的基座。根据实施例(未示出)，焊料掩模9还可以构成用于安装第一裸片21的支撑基座。

集成的ASIC 22’被提供在第二裸片22的与后表面22b相对的前部22a处。

在基板23中提供适当的金属化层和/或导电通孔(在图1中通过示例的方式示出了电路径30)，用于将电信号路由向封装体20的外部。例如用引线键合技术获得的另一电连接25”被提供用于将第二裸片22的一个或多个焊盘26c耦合到基板23的相应焊盘26d。

在基板23的下侧23b(面向外的一侧)上提供例如导电连接盘(land)形式的电连接元件29，用于与PCB的接合和电连接。在一个实施例中，基板23是LGA(平面栅格阵列)型的基板。在这种情况下，电连接元件29特别地以连接盘的形式被提供。替换地，连接盘29可以由球或凸块的阵列代替，从而提供所谓的BGA(球栅阵列)封装体。电连接元件29通过穿过基板23的相应电路径30被电耦合到焊盘26d。

根据一个实施例，基底基板23包括由一个或多个导电材料(例如，金属)层构成的多层结构，一个或多个导电材料层通过例如FR4(包括在环氧树脂基质中交织的玻璃纤维)的刚性介电材料层彼此分离。导电通孔以本身已知的方式延伸穿过介电材料层，以用于将一个或多个金属层连接在一起。电路径30延伸贯穿基底基板23的厚度，以用于将基底基板23的面向内部空间8的内表面23a连接到面向外部环境的外部空间23b，例如用于使得能够为了测试或传输使用中的信号而直接访问ASIC 22’。

进一步耦合到基板23的是封装体20的覆盖元件或盖27，其包围第一裸片21和第二裸片22。所述盖27可以由预模塑的塑料或金属材料制成。

此外，覆盖元件27可以由多层构成，例如包括一个或多个塑料和/或金属层，并且可以有利地在其面向内部空间8的内表面27a上具有金属涂层(未示出)以便提供电磁屏蔽。备选地，覆盖元件27完全由金属制成。

覆盖元件27通过用于气密性地密封内部空间8的耦合区域24(焊料区域或胶区域等)被进一步耦合到基底基板23。

根据本公开的一个方面，在基底基板23的整个厚度上，形成贯通开口或孔28，其被设计用于将第一裸片21的空腔6布置成与封装体外部的环境声连通。在下文中，贯通开口28也将被称为“声音端口”，并且第一裸片21的空腔6也将被称为“声学室”。此外，在一般的声波或声压波用作唯一的传播介质空气(或可能的气体或气体混合物，这从声音传播的角度是等同的)进行传播的意义上，术语“声连通”在这里与“直接声连通”的含义一致。

声学室6的延伸(在水平面xy中)大于声音端口28的相应延伸(还是在水平面xy中)，使得声音端口28与声学腔室6完全连通，而声音端口28无需具有朝向封装体20的内部空间8的直接出口。

根据本公开的一个方面，基板23形成刚性-柔性-刚性类型35的印刷电路的一部分，并且形成其第一刚性部分。刚性-柔性-刚性类型的印刷电路本身在本领域中是已知的并且包括柔性部分36，柔性部分36具有导电线并通常是聚酰胺薄膜。柔性部分36在其相应的端部处被机械耦合且电耦合到相应的多层刚性基板(在这种情况下，其中一个是图1的基板23)。耦合可以通过在其制造期间将柔性部分36的一端焊接到基板23或者将其集成在基板23中来实现。柔性部分36的导电线被电连接到基板23的相应导电路径，例如被电连接到集成在基板23中的金属层，或者被连接到提供在基板23的面23a或23b上的焊盘。

关于柔性部分36，应当注意，在本上下文中，术语“柔性”是指可以自身弯曲而不经受损坏或故障、并且不危及其自身的电气或电子功能的结构。柔性的特性进一步是所使用的材料和/或厚度的函数，后者的范围例如在50μm和150μm之间。显然，可以使用厚度小于所示厚度的柔性部分36。相反，诸如基板23之类的刚性结构不可以自身弯曲而不经受将危及结构稳定性和/或其电气或电子功能的损坏或故障。刚性的特性进一步是所使用的材料和/或厚度的函数，后者的范围例如为100μm至500μm。

如图2所示，根据本公开的刚性-柔性-刚性印刷电路35的第二刚性部分由另一MEMS麦克风40的多层基板49形成。基板49具有与针对基板23所描述结构类似的结构，即包括与介电层(例如，FR4)交替相间并通过导电通孔连接在一起的金属层。以类似于先前所述的方式，可以通过在其制造期间将柔性部分36的一端焊接到基板49或者通过将其集成到基板49中来获得柔性部分36和基板49之间的耦合。柔性部分36的导电线被电连接到基板49的相应导电路径，例如被电连接到集成在基板49中的金属层或者被电连接到提供在基板49的相对面上的焊盘。

因此，如图3所示，MEMS麦克风10和MEMS麦克风40通过柔性部分36被机械耦合且电耦合在一起，柔性部分36具有从基板23延伸到基板49的导电路径，将它们布置成机械连接且电连接并且从而形成多设备模块61。

如图2和图3所示，MEMS麦克风40类似于MEMS麦克风10，但是不具有集成了处理电路(ASIC)的第二裸片(控制芯片)22。

因此，MEMS麦克风40包括裸片41，裸片41集成了配备有膜43的MEMS结构42，膜43是移动的并且由导电材料制成，膜43面向刚性板44(该术语在此处是指对于膜43来说相对刚性的元件，膜43相反是柔性的)。刚性板44包括面向膜43的至少一个导电层，使得膜43和刚性板44形成电容器的面对的极板。

在使用中根据入射声压波经受变形的膜43至少部分地悬置在结构层45上方并且直接面对空腔46，空腔46通过在对应于结构层45的后表面45b的区域中挖掘而获得(后部45b与结构层45本身的前部45a相对，并且布置在膜43附近)。

MEMS结构42被容纳在封装体50的内部空腔48中。例如，裸片41通过粘合层(未示出)在结构层45的后表面45b上被耦合到封装体50的基板49。

在基板49中提供适当的金属化层和/或通孔(在图2中通过示例的方式示出了电路径51)，以用于将电信号路由向封装体50的外部。用引线键合技术获得的一个或多个电连接55被提供用于将裸片41的一个或多个焊盘56a耦合到基板49的相应焊盘56b。

电连接元件57被提供在基板49的下侧49b(面向外的一侧)上，以用于与印刷电路的结合和电连接。在一个实施例中，基板49是LGA类型，并且电连接元件57是连接盘的形式。备选地，连接盘57可以被球或凸块的阵列替代以提供BGA封装体。电连接元件57通过穿过基板49的相应电路径51被电耦合到焊盘56b。

进一步被耦合到基板49的是封装体50的覆盖元件或盖58，其包围裸片41。所述盖58可以由预模塑的塑料或金属材料制成。

此外，覆盖元件58可以由多层构成，例如包括一个或多个塑料和/或金属层，并且可以有利地在其面向内部空间48的内表面58a上具有金属涂层(未示出)，以便提供电磁屏蔽。备选地，覆盖元件58完全由金属制成。

覆盖元件58还通过用于气密性地密封内部空间48的耦合区域54(焊料区域或胶区域等)被耦合到基底基板49。

在基底基板49的整个厚度中，形成贯通开口或孔59，其被设计用于将裸片41的腔46布置成与封装体50外部的环境声连通。在下文中，贯通开口59将被称为“声音端口”，并且裸片21的空腔46将被称为“声学室”。此外，在一般的声波或声压波用作唯一的传播介质空气(或可能的气体或气体混合物，这从声音传播的角度是等同的)进行传播的意义上，术语“声连通”在这里与“直接声连通”的含义一致。

声学室46的延伸(在水平面xy中)大于声音端口59的相应延伸(还是在水平面xy中)，使得声音端口59与声学室46完全连通，而声音端口59无需具有朝向封装体50的内部空间48的直接出口。

基于上面已经描述的，应当注意，MEMS麦克风40不包括用于处理由MEMS器件42转换的信号的ASIC。在这种情况下，事实上，由MEMS器件42转换的信号通过部分地在基板49中(或在基板49上)、部分地在柔性部分36中(或在柔性部分36上)并且部分地在基板23中(或在基板23上)延伸的导电路径33、34和36’(在图3中用虚线示意性地表示)被发送到MEMS麦克风10的第二裸片22。换句话说，MEMS麦克风40的裸片41经由刚性-柔性-刚性印刷电路35被电耦合到MEMS麦克风10的裸片22，以用于电信号的相互传输。以这种方式，没有必要在MEMS麦克风40的封装体50中提供专用ASIC，只要ASIC 22’由两个MEMS器件1、42共享，在所需的成本和物理空间方面可以有相当大的节省。

图4示出根据本公开的一个实施例的在相应覆盖元件27、58处被耦合在一起的MEMS麦克风10和MEMS麦克风40。

特别地，例如由导电胶或非导电胶或双粘合层制成的耦合层62在覆盖元件27和覆盖元件58之间延伸，覆盖元件27和覆盖元件58之间通过耦合层62耦合在一起。因此形成堆叠64，如前所述，堆叠64由通过刚性-柔性-刚性印刷电路35连接在一起的MEMS麦克风10和40构成。完全可以自身弯曲的柔性部分36的存在使得图4的空间中的布置成为可能。

该实施例使得能够形成具有被布置成彼此相对的相应声音端口28、59的换能器结构。以这种方式，一个声音端口(例如，声音端口28)可以用于获取声信号(例如，语音信号)，而另一个声音端口(在此为声音端口59)可以用于获取环境噪声。由相应MEMS设备1、42转换的两个信号被发送到ASIC 22’，ASIC 22’对它们进行处理，并且在该示例中执行对经由声音端口28获取的信号中存在的背景噪声的擦除。

图5示出根据本公开的一个实施例的多设备模块84，其包括利用PCB 79的中介物在相应的基板27、49处耦合在一起的MEMS麦克风70和MEMS麦克风71。

MEMS麦克风70类似于图1-图4的MEMS麦克风10(共同的元件由相同的附图标记表示，并且不再进一步描述)，但不同之处在于，不存在穿过基板23获得的声音端口28。相反，MEMS麦克风70具有穿过覆盖元件27形成的通孔74，以形成MEMS麦克风70的声音端口。

MEMS麦克风71类似于图2-图4的MEMS麦克风40(共同的元件由相同的附图标记表示，并且不再进一步描述)，但不同之处在于，不存在穿过基板49制成的声音端口59。相反，MEMS麦克风71具有穿过覆盖元件58形成的通孔78，以形成MEMS麦克风71的声音端口。

通过覆盖元件27、58提供声音端口74、78使得能够通过相应的基板23、49将MEMS麦克风70、71安装在PCB 79上。以这种方式形成堆叠80，其由MEMS麦克风70、PCB 79和MEMS麦克风71组成，其通过刚性-柔性-刚性印刷电路35的柔性部分36的存在使其成为可能，刚性-柔性-刚性印刷电路35可以完全自身弯曲，这使得图4的空间中的布置成为可能。PCB 79被设计成安装在例如便携式语音通信设备(例如智能电话)中。

与图5所示不同，根据需要，也可以将MEMS麦克风70、71耦合到彼此不同的PCB。

进一步明显的是，以类似于先前已经描述的方式，通过刚性-柔性-刚性印刷电路35的柔性部分36，即通过在刚性-柔性-刚性印刷电路35的相应的刚性部分中提供MEMS麦克风10、71，MEMS麦克风10(具有穿过基板获得的声音端口28并且包括控制芯片22)和MEMS麦克风71(具有穿过覆盖元件58获得的声音端口78)可以被耦合在一起。

同样地，以类似于先前已经描述的方式，通过刚性-柔性-刚性印刷电路35的柔性部分36，即通过在刚性-柔性-刚性印刷电路35的相应的刚性部分中提供MEMS麦克风40、70，MEMS麦克风40(具有穿过基板获得的声音端口28且没有控制芯片22)和MEMS麦克风70(具有穿过覆盖元件58获得的声音端口78并且包括控制芯片22)可以被耦合一起。

根据本公开的另一变型，图3和图4的MEMS麦克风10和40中的一个可以由不同类型的换能器代替，例如从包括以下的群组中选择：压力传感器(换能器)、UV传感器、IR传感器、通用光信号传感器(例如光电二极管)、加速度计或陀螺仪。

在这种情况下，在MEMS麦克风10(或40)和不同类型的换能器之间只有一个包括控制芯片22，只要经由刚性-柔性-刚性印刷电路35发生由MEMS麦克风10(或40)和不同类型的换能器中的另一个转换的信号向ASIC 22’的传输。

同样，根据本公开的其它变型，图5的MEMS麦克风70和71中的一个也可以由不同类型的换能器代替，例如从包括以下的群组中选择：压力传感器(换能器)、UV传感器、IR传感器、通用光信号传感器(例如，光电二极管)、加速度计或陀螺仪。

在这种情况下，在MEMS麦克风70(或71)和不同类型的换能器之间只有一个包括控制芯片22，只要经由刚性-柔性-刚性印刷电路35发生由MEMS麦克风70(或71)和不同类型的换能器中的另一个转换的信号向ASIC 22’的传输。

图6示出了电子设备100，该电子设备100使用图3的多设备模块61，和/或使用图4和图5所示的堆叠配置中的一者或两者。

除了多设备模块61之外，电子设备100还包括微处理器(CPU)101、连接到微处理器101的存储器块102、以及也连接到微处理器101的输入/输出接口103，例如键盘和/或显示器。

多设备模块61与微处理器101通信，特别是发送由与裸片21和裸片41的MEMS检测结构相关联的裸片22的ASIC 22’处理的电信号。

电子设备100例如是移动通信设备，诸如蜂窝电话、PDA、笔记本电脑，但是也可以是语音记录器、具有语音记录能力的音频文件的阅读器、用于视频游戏的控制台、水听器等。

根据各种实施例，先前描述的本实用新型的优点从前面的描述中清楚地显现出来。

具体地，本公开提供了一种多设备模块，其可以根据需要被适配于不同的配置，同时降低成本和空间需求，只要某些组件(例如，ASIC 22’)被共享。

最后，在不脱离如所附权利要求中定义的本实用新型的范围的前提下，显然可以对在此描述和示出的内容进行修改和改变。

特别地，可以设想MEMS声换能器的不同配置，特别是关于组成元件的几何形状。在封装体内部的空间允许的情况下，甚至可以将大量MEMS传感器或换能器容纳在同一封装体内，其中每个MEMS传感器或换能器被配置成检测相应的环境量。另外的集成电路(例如，ASIC)可以进一步被提供和容纳在同一封装体中，其功能在通过柔性印刷电路连接在一起的不同封装体之间共享。

此外，可以形成包括通过相应的柔性PCB连接在一起的任何数量的封装体的多设备模块，从而形成设备“链”。在该设备链中，只有其中一个设备配备有信号处理集成电路(例如，ASIC 22’)，而设备链中的其余设备经由柔性印刷电路板的导电线和设置在基板内的专用路径与信号处理集成电路通信。