[发明专利]对热机械封装应力具有低灵敏度的小型负荷传感器装置

说明书

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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。