[發明專利]對熱機械封裝應力具有低靈敏度的小型負荷傳感器裝置

有效

• 申請號: 201611259939.5
• 申請日: 2016-12-30
• 公開（公告）號: CN107445133B
• 公開（公告）日: 2020-03-24
• 發明（設計）人: D·卡爾塔比亞諾;M·亞巴西加瓦蒂;B·穆拉里;R·布廖斯基;D·朱斯蒂
• 申請（專利權）人: 意法半導體股份有限公司
• 主分類號: G01L1/00
• 分類號: G01L1/00;B81B7/00;B81B7/02
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 王茂華;龐淑敏

一種對熱機械封裝應力具有低靈敏度的小型負荷感測裝置(10)，布置在形成腔室(24)的封裝(12)中。該封裝(12)具有可變形襯底(21)，該可變形襯底被配置成在使用中通過外力而變形。傳感器單元(11)與可變形襯底(21)直接接觸，并且被配置為檢測可變形襯底的變形。彈性元件(15)布置在腔室(24)內部并且作用在封裝(12)和傳感器單元(11)之間，以在傳感器單元上產生保持傳感器單元與可變形襯底接觸的力。例如，可變形襯底是封裝(12)的基部(21)，并且彈性元件是布置在所述封裝(12)的蓋(22)和傳感器單元(11)之間的金屬薄板(15)。傳感器單元(11)可以是集成有壓敏電阻器的半導體管芯。

技術領域

本發明涉及一種對熱機械封裝應力具有低靈敏度的小型負荷傳感器裝置，特別是力和壓力傳感器。

背景技術

眾所周知，微加工半導體裝置的技術能夠在層內制造微機械結構，其通常是半導體材料，是在犧牲層上沉積的(例如，多晶硅層)或生長的(例如，外延層)，然后通過刻蝕去除犧牲層。

例如，MEMS力或壓力傳感器裝置是已知的，其包括集成在半導體材料的管芯中或管芯上的至少一個柔性膜，并且因外力的作用而引起的彎曲被測量。測量可以是壓阻型，為此壓敏電阻器集成在柔性膜中或柔性膜上，或者測量可以是電容類型，為此柔性膜電容耦合到管芯的另一導電區域。在任一種情況下，均測量由柔性膜的偏斜而導致的電信號的變化。

微集成傳感器通常具有用于保護傳感器的內部結構免受外部環境影響的容器或封裝，例如以便減少由于溫度和濕度引起的干擾，由于顆粒的存在而引起的干擾，防止它們的操作或惡化微集成傳感器性能。封裝還具有增加裝置的機械強度的功能。

在MEMS裝置中，封裝的制造及其存在可能造成不利地影響傳感器的性能、穩定性和可靠性的應力。

這對于例如基于硅的壓阻特性的負荷傳感器是特別不利的，其中應力直接參與到換能機制中。因此，目前在這些情況下，裝置的設計目的在于限制由封裝和裝配過程引起的應力的影響，例如通過精確選擇所使用的材料并考慮傳感器和封裝之間的機械耦合期間產生的影響。

由于管芯和封裝的尺寸增加并且限制了3D封裝技術使用，不期望的影響變得越來越重要。例如，在壓力和力傳感器中，并未使用通常在微電子學中采用的通過模制封裝的簡單技術，這是因為它們在樹脂注入和冷卻期間產生高應力。

此外，由于操作溫度和材料老化的結果，也可能出現不期望的變形。

實際上，封裝的材料(通常為塑料或金屬)通常具有與結構的材料(單晶或多晶硅或陶瓷)的熱膨脹系數顯著不同的熱膨脹系數。

焊接過程或溫度變化因此可能在封裝和傳感器元件中引起不同的變形，這可能引起熱機械應力和應變(例如，根據作為“管芯翹曲”而已知的現象)，這導致測量誤差和漂移。這些誤差還根據生產批次而變化，有時甚至在屬于相同生產批次的傳感器之間變化，并且隨時間變化。

為了消除這些測量誤差，在過去已經提出了寬范圍的解決方案。

例如，已經提出并采用了低應力封裝的各種解決方案。在這些解決方案的一些解決方案中，封裝還包括用于將傳感器與周圍環境解耦合的機械結構。然而，這些解決方案并不能完全解決這個問題。

其他解決方案設想經由與結構相關聯的讀取接口(例如ASIC(專用集成電路))中的適當電子部件，對由微機械結構提供的措施的熱漂移進行電子補償。

這種類型的已知解決方案在與微機械結構相關聯的讀取電子設備中使用溫度傳感器。如果溫度是知道的，則通過借助先前經由適當的校準和/或仿真程序獲得的補償曲線來對系統的漂移進行電子補償。

然而，這種解決方案是麻煩的，因為它們需要昂貴且精細的測量程序以獲得準確地映射傳感器的熱漂移的補償曲線以及適當的補償操作。此外，通常，所獲得的精度并不能完全令人滿意并且不是可重復。