一种基于系统级封装的无线智能传感器芯片架构的制作方法

1.本实用新型涉及传感器芯片架构，特别涉及一种基于系统级封装的无线智能传感器芯片架构。


背景技术：

2.随着物联网技术和微机电系统mems传感器技术的高速发展，mems传感器越来越朝着智能化、无线化以及微型化的方向发展。传统的微机电系统mems传感器芯片架构功能比较单一和集中，只负责信号的采集和处理，如果需要实现基于无线通讯方式实现组网的智能传感器，用户只能基于印刷电路板pcb来集成无线通讯芯片、微控制器mcu芯片、微机电系统mems传感器芯片，导致pcb的面积很难缩小，以至于很难控制pcb的加工成本；其次，整机的可靠性高度依赖设计者的硬件设计开发的经验水平，难以控制开发周期。此外，随着mems传感器的推广应用，传统的能量管理模式(供电模式)已不再适应其多样化的应用需求及应用场景。


技术实现要素：

3.实用新型目的：本实用新型提供一种基于系统级封装的无线智能传感器芯片架构，用于解决传统微机电系统mems传感器芯片架构功能单一，体积大，供电不可靠等问题。
4.技术方案：一种基于系统级封装的无线智能传感器芯片架构，包括mems传感器芯片、mcu芯片、能量管理芯片和无线通讯芯片，所述mems传感器芯片、mcu芯片、能量管理芯片和无线通讯芯片通过封装件安装在sip基板上；所述mems传感器芯片和mcu芯片电连接，所述mcu芯片和无线通讯芯片电连接；所述能量管理芯片分别和mems传感器芯片、mcu芯片以及无线通讯芯片电连接；
5.所述sip基板一侧设有信号发射/接收天线引脚、射频能量接收天线引脚、太阳能输入引脚以及电池充放电引脚；所述信号发射/接收天线引脚连接无线通讯芯片；所述射频能量接收天线引脚连接能量管理芯片，所述太阳能输入引脚连接能量管理芯片，所述电池充放电引脚连接能量管理芯片。
6.进一步的，所述能量管理芯片包括磁电转换模块、太阳能电源梳理模块、供电通道选择模块、稳压模块；所述磁电转换模块和供电通道选择模块电连接，太阳能电源梳理模块和供电通道选择模块电连接，供电通道选择模块和稳压模块电连接；
7.所述能量管理芯片上还设有射频能量接收端口、太阳能电源输入端口、电池充放电端口、电源电压输出端口、电源地端口；所述射频能量接收端口连接磁电转换模块，所述太阳能电源输入端口连接太阳能电源梳理模块，所述电池充放电端口连接供电通道选择模块，所述电源电压输出端口和电源地端口分别连接稳压模块；
8.所述射频能量接收天线引脚和射频能量接收端口电连接；所述太阳能输入引脚和太阳能电源输入端口电连接；所述电池充放电引脚和电池充放电端口电连接；所述mems传感器芯片、mcu芯片以及无线通讯芯片分别和电源电压输出端口电连接。
9.进一步的，所述sip基板上设有uart调试引脚；所述uart调试引脚连接mcu芯片。
10.进一步的，所述sip基板上设有swd调试引脚；所述swd调试引脚分别连接mcu芯片和无线通讯芯片。
11.优选的，所述mcu芯片和mems传感器芯片之间采用串行外设接口spi实现双向通讯连接。
12.优选的，所述mcu芯片和无线通讯芯片之间采用串行外设接口spi实现双向通讯连接。
13.与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：
14.1、基于先进的系统级封装工艺，将无线通讯芯片、微控制器mcu芯片、mems传感器芯片以及能量管理芯片封装在一个sip基板上，只需要在印刷电路板pcb上放置几个接插件，基本不需要外围元器件，大大降低了产品的开发难度，缩短了开发周期。
15.2、所形成的sip芯片结构紧凑，集成度高，能够有效减少pcb面积，降低pcb加工成本；且核心器件全部集成在sip芯片内部，具有高度的可靠性。
16.3、可根据实际情况选择采用射频电源供电或者太阳能供电两种供电方式，在夜间、干扰等特殊情况下，还能够通过锂电池供电，可适用于不同的应用场景。
17.4、用户可以利用uart串口开发或调试sip芯片，还可以通过swd对mcu芯片和无线通讯芯片进行程序下载和仿真调试。本sip芯片提供了无线智能传感器产品的整套解决方案，避免用户花费时间进行器件选型和芯片验证。
附图说明
18.图1为一种基于系统级封装的无线智能传感器芯片架构示意图；
19.图2为一种能量管理芯片的模块原理图；
20.图3为一种针对无线智能传感器芯片的测试流程图；
21.图4为一种基于系统级封装的无线智能传感器芯片的典型应用。
具体实施方式
22.下面将结合说明书附图，对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
23.如图1所示，一种基于系统级封装的无线智能传感器芯片架构，包括mems传感器芯片、mcu芯片、能量管理芯片和无线通讯芯片。
24.其中，mems传感器芯片和mcu芯片电连接，mcu芯片和无线通讯芯片电连接。
25.能量管理芯片分别和mems传感器芯片、mcu芯片以及无线通讯芯片电连接；具体的，能量管理芯片的第一信号输出端连接mems传感器芯片的信号输入端，能量管理芯片的第二信号输出端连接mcu芯片的信号输入端，能量管理芯片的第三信号输出端连接无线通讯芯片的信号输入端，以此实现对mems传感器芯片、mcu芯片以及无线通讯芯片的供电。
26.上述各芯片通过封装件以矩阵方式排列安装在sip基板上，形成系统级封装sip芯片。
27.在sip基板一侧还设有信号发射/接收天线引脚、射频能量接收天线引脚、太阳能
输入引脚以及电池充放电引脚。
28.其中，信号发射/接收天线引脚连接无线通讯芯片，用于发送mems传感器采样的数据或接收远程设备的数据。具体的，信号发射/接收天线引脚通过天线和远程设备建立双向通讯。一方面，mems传感器采样的数据在传输至mcu芯片后，能够经过无线通讯芯片、信号发射/接收天线引脚以及天线向远程设备发出。同时，远程设备发出的数据也能够通过天线、信号发射/接收天线引脚、无线通讯芯片传输至mcu芯片。
29.射频能量接收天线引脚连接能量管理芯片。射频能量接收天线引脚通过天线接收空间中的射频能量，射频能量和能量管理芯片构成射频电源管理模块，能量管理芯片向mems传感器芯片、mcu芯片以及无线通讯芯片输出电能。
30.太阳能输入引脚连接能量管理芯片，两者共同构成太阳能电源管理模块。太阳能输入引脚用于接入太阳能板，太阳能转换为电能，通过能量管理芯片给mems传感器芯片、mcu芯片以及无线通讯芯片供电。
31.电池充放电引脚连接能量管理芯片，该电池充放电引脚用于接入锂电池。射频电源、太阳能电源给mems传感器芯片、mcu芯片以及无线通讯芯片供电的同时，也能够通过能量管理芯片给锂电池充电。
32.以上结构，一方面使得射频电源和太阳能电源互相补充，当芯片应用在没有太阳光照或太阳光照较弱的场合下，靠射频电源给sip芯片供电；当芯片应用在太阳光照足够的场合下，可完全依靠太阳能电源供电，用户可根据实际情况切换两种供电方式。另一方面，无论采用射频电源还是太阳能电源，锂电池内存储的电能能够保障sip芯片系统的正常供电。例如，当射频电源的信号受到干扰时，可利用储存在锂电池里的能量来供电，防止系统断电。
33.优选的，sip基板一侧还设有通用异步收发器uart调试引脚(以下简称uart调试引脚)，uart调试引脚连接mcu芯片。该uart调试引脚用于串口调试，方便用户利用uart串口开发或调试sip芯片。
34.进一步的，sip基板上还设有swd调试引脚。swd调试引脚分别连接mcu芯片和无线通讯芯片。swd引脚用于mcu芯片和无线通讯芯片的程序下载和仿真调试。mcu芯片和无线通讯芯片共用该swd调试引脚，通过发送不同的命令来切换swd调试引脚与无线通讯芯片、mcu芯片的连接。
35.进一步优选的，mcu芯片采用串行外设接口spi和mems传感器芯片、无线通讯芯片实现双向通行连接。
36.如图2所示，能量管理芯片包括磁电转换模块、太阳能电源梳理模块、供电通道选择模块、稳压模块。各模块的功能如下：
37.磁电转换模块：主要负责把天线接收进来的磁能量转化为电能，并给到供电通道选择模块。
38.太阳能电源梳理模块：主要负责把太阳能板转换过来的电能做一个缓冲、平滑，并且监控太阳能板的温度和电压，如果太阳能板的温度过高或者损坏，第一时间断开与太阳能板的连接。
39.供电通道选择模块：用于管理充电、供电。能量管理芯片给后级供电的能量源包括太阳能、射频天线和锂电池三种。本实施例中，如果供电通道选择模块检测到锂电池电量低
于一定比例，例如80％，则通过太阳能板或者射频天线给锂电池充电，从而保证锂电池具备长时间稳定的储能。如果检测到锂电池是满电量，即电量是100％，此时如果有太阳能电压或者射频电压，那么优先选择太阳能电压或者射频电压输送给稳压模块。当然，具体的充电阈值，以及供电优先级，用户可以根据实际应用场景做出调整，此处不作限定。
40.稳压模块：主要负责将通过vcc_out的输出电压稳定在一个固定的值。
41.具体的，磁电转换模块的信号输出端连接供电通道选择模块的第一信号输入端，太阳能电源梳理模块的信号输出端连接供电通道选择模块的第二信号输入端，供电通道选择模块的信号输出端连接稳压模块的信号输入端。
42.能量管理芯片上还设有射频能量接收端口、太阳能电源输入端口、电池充放电端口、电源电压输出端口(vcc_out)、电源地端口(gnd)。各端口的功能如下：
43.射频能量接收端口：用于接收天线耦合过来的无线射频能量。
44.太阳能电源输入端口：用于接收太阳能板传来的电能。
45.电池充放电端口：用于连接锂电池，锂电池对能量管理芯片供电端口，能量管理芯片对锂电池充电端口。
46.vcc_out：用于电源电压输出，对后级芯片电源供电的端口。
47.gnd：整个sip芯片的电源地端口。
48.具体的，射频能量接收端口连接磁电转换模块的信号输入端，太阳能电源输入端口连接太阳能电源梳理模块的信号输入端，电池充放电端口和供电通道选择模块电连接，稳压模块的第一信号输出端连接vcc_out端口，稳压模块的第二信号输出端连接gnd端口。
49.将能量管理芯片与其他芯片一同封装时，射频能量接收天线引脚和射频能量接收端口电连接，太阳能输入引脚和太阳能电源输入端口电连接，电池充放电引脚和电池充放电端口电连接，vcc_out端口分别和mems传感器芯片、mcu芯片以及无线通讯芯片的供电端口电连接。
50.如图3所示为针对上述无线智能传感器芯片的一种测试流程，测试步骤如下：
51.s1：测试射频能量供电功能；
52.s2：测试锂电池供电功能；
53.s3：测试太阳能板给锂电池充电功能；
54.s4：通过swd接口给无线通讯芯片下载程序并进入调试debug模式；
55.s5：测试mems传感器的采样功能；
56.s6：测试无线通讯芯片功能；
57.s7：通过swd接口给mcu芯片下载程序并进入调试debug模式；
58.s8：测试mcu芯片基本功能和mcu芯片控制无线通讯芯片进行数据收发功能。
59.如图4所示为无线智能传感器芯片的一种典型应用。
60.在太阳光不充足的时候，只能用220v的市电，即采用射频供电。此时，通过射频能量发射器向空间辐射高频的电磁波，射频能量发射器的输入电压采用市电220v交流电(l—火线，n—零线)。无线智能传感器芯片的射频能量接收天线引脚连接天线，通过天线捕获空间中的射频能量，此时无需太阳能板和锂电池即可独立给整个芯片系统提供能量来源。
61.在没有220v市电的应用场景下，可以依靠太阳能板和锂电池来给整个系统提供能量来源，白天可以通过太阳能板直接给芯片供电，夜间则通过锂电池供电，维持工作状态。
信号发射或接收天线引脚连接天线，mems传感器负责采集物理量信号，物理量信号经过调理后发送给mcu芯片进行质量控制和本地存储，同时通过无线通讯芯片以无线传输方式把数据发送出去。本实施例中，用户可以通过uart转usb实现无线智能传感器的本地调试。
62.需要说明的是，本实用新型请求保护无线智能传感器芯片的架构组成，以及各芯片之间的连接关系；所涉及的mems传感器芯片、mcu芯片、能量管理芯片的电信号处理过程，仅用于解释本实用新型的工作原理，这些电信号处理过程是独立于本实用新型的计算机软件产品，但能够被本实用新型所执行。