对热机械封装应力具有低灵敏度的小型负荷传感器装置制造方法及图纸

一种对热机械封装应力具有低灵敏度的小型负荷感测装置(10)，布置在形成腔室(24)的封装(12)中。该封装(12)具有可变形衬底(21)，该可变形衬底被配置成在使用中通过外力而变形。传感器单元(11)与可变形衬底(21)直接接触，并且被配置为检测可变形衬底的变形。弹性元件(15)布置在腔室(24)内部并且作用在封装(12)和传感器单元(11)之间，以在传感器单元上产生保持传感器单元与可变形衬底接触的力。例如，可变形衬底是封装(12)的基部(21)，并且弹性元件是布置在所述封装(12)的盖(22)和传感器单元(11)之间的金属薄板(15)。传感器单元(11)可以是集成有压敏电阻器的半导体管芯。

【技术实现步骤摘要】
对热机械封装应力具有低灵敏度的小型负荷传感器装置
本专利技术涉及一种对热机械封装应力具有低灵敏度的小型负荷传感器装置，特别是力和压力传感器。
技术介绍
众所周知，微加工半导体装置的技术能够在层内制造微机械结构，其通常是半导体材料，是在牺牲层上沉积的(例如，多晶硅层)或生长的(例如，外延层)，然后通过刻蚀去除牺牲层。例如，MEMS力或压力传感器装置是已知的，其包括集成在半导体材料的管芯中或管芯上的至少一个柔性膜，并且因外力的作用而引起的弯曲被测量。测量可以是压阻型，为此压敏电阻器集成在柔性膜中或柔性膜上，或者测量可以是电容类型，为此柔性膜电容耦合到管芯的另一导电区域。在任一种情况下，均测量由柔性膜的偏斜而导致的电信号的变化。微集成传感器通常具有用于保护传感器的内部结构免受外部环境影响的容器或封装，例如以便减少由于温度和湿度引起的干扰，由于颗粒的存在而引起的干扰，防止它们的操作或恶化微集成传感器性能。封装还具有增加装置的机械强度的功能。在MEMS装置中，封装的制造及其存在可能造成不利地影响传感器的性能、稳定性和可靠性的应力。这对于例如基于硅的压阻特性的负荷传感器是特别不利的，其中应力直接参与到换能机制中。因此，目前在这些情况下，装置的设计目的在于限制由封装和装配过程引起的应力的影响，例如通过精确选择所使用的材料并考虑传感器和封装之间的机械耦合期间产生的影响。由于管芯和封装的尺寸增加并且限制了3D封装技术使用，不期望的影响变得越来越重要。例如，在压力和力传感器中，并未使用通常在微电子学中采用的通过模制封装的简单技术，这是因为它们在树脂注入和冷却期间产生高应力。此外，由于操作温度和材料老化的结果，也可能出现不期望的变形。实际上，封装的材料(通常为塑料或金属)通常具有与结构的材料(单晶或多晶硅或陶瓷)的热膨胀系数显著不同的热膨胀系数。焊接过程或温度变化因此可能在封装和传感器元件中引起不同的变形，这可能引起热机械应力和应变(例如，根据作为“管芯翘曲”而已知的现象)，这导致测量误差和漂移。这些误差还根据生产批次而变化，有时甚至在属于相同生产批次的传感器之间变化，并且随时间变化。为了消除这些测量误差，在过去已经提出了宽范围的解决方案。例如，已经提出并采用了低应力封装的各种解决方案。在这些解决方案的一些解决方案中，封装还包括用于将传感器与周围环境解耦合的机械结构。然而，这些解决方案并不能完全解决这个问题。其他解决方案设想经由与结构相关联的读取接口(例如ASIC(专用集成电路))中的适当电子部件，对由微机械结构提供的措施的热漂移进行电子补偿。这种类型的已知解决方案在与微机械结构相关联的读取电子设备中使用温度传感器。如果温度是知道的，则通过借助先前经由适当的校准和/或仿真程序获得的补偿曲线来对系统的漂移进行电子补偿。然而，这种解决方案是麻烦的，因为它们需要昂贵且精细的测量程序以获得准确地映射传感器的热漂移的补偿曲线以及适当的补偿操作。此外，通常，所获得的精度并不能完全令人满意并且不是可重复。其他提出的解决方案因此通过在微机械结构中引入结构补偿元件来提供热机械变形的集成补偿。同样这些解决方案也不能令人满意地解决问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种克服现有技术缺点的负荷传感器。根据本专利技术，提供如所附权利要求中限定的负荷感测装置。实际上，本装置通过检测负荷作用于其上的可变形衬底的变形来间接地检测负荷(其中该术语“负荷”意味着力、压力或扭矩)。传感器单元通过弹性或粘弹性元件保持与可变形衬底接触。可变形衬底可以是保护传感器单元或布置在传感器单元中的封装的一部分。传感器单元可以是半导体材料管芯，或者是陶瓷或其他类似材料的膜，其能够与可变形衬底一起弯曲和经受变形，并且具有传感器元件，例如以惠斯通电桥配置连接的压敏电阻器。传感器单元通过布置在传感器单元和封装的内壁之间的弹性元件，而保持与可变形衬底弹性接触。该装置还可以作为用于利用部件的变形和与该变形相关的力来检测其它物理量(例如运动)的间接传感器。附图说明为了更好地理解本专利技术，参考附图，现在仅通过非限制性的实例描述其优选实施例，其中：-图1是本装置的一个实施例的横截面；-图2是图1的装置的具有幻影部分的透视图；-图3和图4是本装置的不同实施例的横截面；-图5是本装置的另一实施例的一部分的透视截面图；-图6是本装置的不同实施例的横截面视图；-图7是本装置的不同实施例的透视横截面视图；-图8-10是本装置的其它实施例的横截面；-图11是本装置的又一实施例的分解透视图；-图12和13示出了分别沿着图11的剖面线XII-XII和XIII-XIII截取的横截面；；以及-图14和15是本装置的不同实施例的横截面视图。具体实施方式在附图中，在各图中从用于图1和图2的实施例的编号开始命名类似的元件，并且类似的元件每次增加20。因此，图1的装置整体用10表示，图3的装置用30表示；图4的装置用50表示，等等。这同样适用于装置的各种部件。图1和图2示出了形成负荷传感器的装置10，并且精确地示出了压力传感器、力传感器和扭矩传感器。装置10包括包围传感器管芯3的封装12。帽14结合在传感器管芯13上，以在其间形成间隙16，并且布置在帽14和封装12之间的弹性元件15保持传感器管芯13就位，如下文详细解释的。传感器管芯13通过电连接17电连接到外部。封装12包括基部21、侧壁22和盖23，整体形成基本上中空的平行六面体形状，其界定了腔室24。腔室24具有表面23A，此处表面23A由盖23的内侧形成，其用作弹性元件15的对比元件。封装12可以是任何合适的材料，以本身已知的方式，例如金属或陶瓷。各种部件甚至可以是彼此不同的材料。封装12的基部21支撑传感器管芯13并与其直接接触。因此，基部21限定可变形衬底，其变形由传感器管芯13测量。基部21可以承载导电线25，例如印刷在柔性衬底或基部21上的路径、导线、包括导体的柔性条等，它们在基部21上并且通过侧壁22中的一个或多个开口26而朝向装置1的外部延伸。侧壁22和盖23可以制成为单件，例如通过模制或锻造，或者可以由通过胶合或焊接而结合在一起的单独部件形成。侧壁22通常结合到基部21，但是如果盖23是与侧壁22分离的元件，则可以与上述类似地制成单件。可以例如使用玻璃料或能够承受弹性元件15的负荷的一些其它类型的胶，优选弹性类型的，经由结合区域(未示出)来获得侧壁22与基部21和盖23之间至少一个区域的结合。此外，侧壁22也可以通过接头连接到基部21和盖23之间的至少一处，以便确保随时间的结合。在腔室24内的传感器管芯13是半导体材料管芯，例如硅，其具有平行六面体形状，该平行六面体形状具有与基部21直接接触的第一面13A和结合到帽14的第二面13B。传感器管芯13被配置为间接地检测作用在封装12上的力。例如，传感器管芯13可以如US8,575,710中所描述的来制造。为此，传感器管芯13具有小厚度，例如100μm，以便容易变形和弯曲，如下文更详细地解释的。此外，传感器管芯13集成了检测传感器管芯13的变形的传感器元件。例如，以已知方式，在仅示意性示出的传感器管芯13的第二面13B附近，传感器管芯13容纳压敏电阻器27，该压敏电阻器27仅示意性地表示并且以本身本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种负荷传感器装置，包括：封装(12；32；52；72；92；112；132；152；172；192；212；232)，其形成腔室(24；44；64；84；104；124；184，194；214)并且具有被配置为在使用中通过力而变形的可变形衬底(21；41；61；81；101；121；141；161；181；201；320；420)；传感器单元(11；31；51；71；91；111；131；151；171；191；211；231)，其与所述可变形衬底直接接触，并且被配置为检测所述可变形衬底的变形；以及弹性元件(15；35；55；75；95；115；135；155；175；195；215；235)，其布置在所述腔室内并作用在所述封装和所述传感器单元之间，所述弹性元件被配置为在所述传感器单元上，产生保持所述传感器单元与所述可变形衬底接触的力。

【技术特征摘要】
2016.05.31 IT 1020160000563181.一种负荷传感器装置，包括：封装(12；32；52；72；92；112；132；152；172；192；212；232)，其形成腔室(24；44；64；84；104；124；184，194；214)并且具有被配置为在使用中通过力而变形的可变形衬底(21；41；61；81；101；121；141；161；181；201；320；420)；传感器单元(11；31；51；71；91；111；131；151；171；191；211；231)，其与所述可变形衬底直接接触，并且被配置为检测所述可变形衬底的变形；以及弹性元件(15；35；55；75；95；115；135；155；175；195；215；235)，其布置在所述腔室内并作用在所述封装和所述传感器单元之间，所述弹性元件被配置为在所述传感器单元上，产生保持所述传感器单元与所述可变形衬底接触的力。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感器单元(11；71；111；131；151；171；191；211)包括半导体材料或者陶瓷的传感器管芯(13；73；113；133；153；173；193；213)，所述传感器管芯具有与所述可变形衬底(21；81；121；141；161；181；201；315)接触的第一面(13A)并且承载变形感测元件(27；107)。3.根据权利要求2所述的装置，其中所述变形感测元件是压敏电阻器(27；107)。4.根据权利要求2或3所述的装置，其中所述传感器管芯(13；73；113；133；153；173；193；213)具有第二面(13B)，并且主体(14；89；94；114；134；154；174)被布置在所述传感器管芯和所述弹性元件(15；75；95；115；135；155；175)之间，所述主体具有比所述管芯更大的刚度，其中所述传感器管芯和所述主体限定在它们之间的间隙(16；76)。5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述弹性元件(15；35；55；75；95；115；135；155；175；195；215；235)选自弹簧元件、弹性环和粘弹性凝胶。6.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中所述弹簧元件(15；95；115；135；155)是条形或杯形金属薄板。7.根据权利要求6所述的装置，其中所述弹性元件还包括包围所述传感器单元(91；111；131)并且布置在所述传感器单元(91；111；131)和所述封装(92；112；132)之间的粘性物质(99；119；139)。8.根据权利要求7所述的装置，其中所述粘性物质(139)包围所述弹性元件(135)的至少一部分。9.根据权利要求7所述的装置，其中所述粘性物质(139)布置在所述弹性元件(115)和所述传感器单元(111)之间。10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述封装(12；32；52；72；92；112；132；152；172；212；232)包括结合到基部(21；41；61；81；101；121；141；161；181)的盖(22；42；62；82；102；122；142；162；182)，所述基部形成所述可变形衬底，并且所述盖形成用于所述弹性元件(15；35；55；75；95；115；135；155；175)的对比表面。11.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感器单元(31；51)包括承载变形感测元件(33；63)的柔性膜(47；67)，所述弹性元件(35；55)作用在所述封装(32；52)和所述柔性膜之间。12...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·卡尔塔比亚诺，M·亚巴西加瓦蒂，B·穆拉里，R·布廖斯基，D·朱斯蒂，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利,IT