用于微机械传感器元件的、具有减振元件的壳体的制作方法
【专利摘要】用于微机械传感器元件(10)的壳体(100)，具有：?空腔(30)，所述传感器元件(10)能布置在该空腔中；?和减振元件(20)，其中，所述微机械传感器元件(10)在所述空腔(30)中能借助所述减振元件(20)这样固定，使得所述减振元件(20)和所述传感器元件(10)共同具有一个基本上共同的质心。
【专利说明】
用于微机械传感器元件的、具有减振元件的壳体
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于微机械传感器元件的壳体。本发明还涉及一种用于制造传感 器装置的方法。
【背景技术】
[0002] 需要通向介质（例如，空气、水、流体等）的通道的传感器模块，例如压力传感器，典 型地被封装在所谓的预模制(Premold)壳体中或构造在电路板基板上并用例如由钢或塑料 制成的盖封闭。这类壳体的制造会在技术上很费事，因此件数小时会很贵。
【发明内容】
[0003] 因此，本发明的任务是提供一种改进的用于传感器元件的壳体。
[0004] 根据第一方面，该任务借助一种用于微机械传感器元件的壳体来解决，所述壳体 具有：
[0005] _空腔，所述传感器元件能布置在该空腔中，和
[0006] -减振元件，其中，所述微机械传感器元件在所述空腔中能借助所述减振元件这样 固定，使得所述减振元件和所述传感器元件共同具有一个基本上共同的质心。
[0007] 根据第二方面，该任务借助一种用于制造具有微机械传感器元件的传感器装置的 方法来解决，所述方法具有以下步骤：
[0008] -构造具有导线框架的壳体，其中，在壳体中构造空腔；
[0009] -将传感器元件在空腔中布置在导线框架上；
[0010] -将凝胶状的减振材料接合到所述传感器元件和所述壳体之间的空间中；
[0011]-硬化所述减振材料；以及
[0012] -移除所述传感器元件下方的导线框架。
[0013] 通过这种方式提供一种传感器壳体，该传感器壳体"可振动地释放（ schwingfUhig f rei ste 111)"被壳体包着的微机械传感器元件。这意味着，根据本发明布置 在壳体中的微机械传感器元件在横向激励的情况下借助所述减振元件刚好在激励平面中 被减振。另外，通过所述传感器元件在壳体中的该特殊布置而可能的是，所述微机械传感器 元件可沿任意空间方向运动，而在此一个方向不会过临界点耦合(ilberkoppelt)到另一方 向上。所述传感器元件通过这种方式在沿一个方向的激励的情况下有利地不会倾斜偏出激 励方向的轴线。
[0014] 提到的该效果基于减振元件和传感器元件的共同的质心来实现。对应力敏感的微 机械传感器元件可有利地通过该方式提供准确的传感器信号。
[0015] 所述壳体和所述方法的优选实施方式是从属权利要求的主题。
[0016] 所述壳体的一种实施方式的特征在于，所述减振元件在所述壳体的制造过程中可 作为凝胶状材料在空间上被限定地接合到壳体的空腔中。所述减振材料可通过这种方式简 单准确地接合到所述壳体中。有利地，对减振元件的制造不需要任何费事的注塑模具。
[0017] 所述壳体的另一实施方式设置，所述减振材料具有限定的特性，其中，所述特性包 括下组中的至少一个:弹性模量和复弹性模量(komplexer E-Modul)。通过这种方式可这样 构造所述减振元件，使得其具有对所述微机械传感器元件最佳的减振特性。在此，弹性模量 (E-Modul)限定谐振位态，复弹性模量限定减振材料的减振特性。
[0018] 所述壳体的另一实施方式的特征在于，所述减振元件的固有频率是这样的，使得 在减振元件的固有频率分布与传感器元件的固有频率分布之间的频域中不存在重叠。通过 这种方式能够最佳地阻尼作用于具有传感器元件的壳体上的外部频率。
[0019]所述壳体的另一实施方式的特征在于，所述壳体是QFN壳体或S0IC壳体。通过该方 式，可针对不同的、普遍的电子部件壳体构造方式实现根据本发明的壳体。
[0020] 所述壳体的另一实施方式设置，所述壳体是预模制壳体。通过该方式可将普遍的、 用于制造具有介质通道的传感器的制造方法用于本发明。
【附图说明】
[0021] 在后面根据附图以其他特征和优点在细节上描述本发明。在此，所描述的或所示 出的所有特征对其自身或以任意组合形成本发明的主题，与它们在权利要求中的概括或权 利要求的引用关系无关，以及也与它们在说明书或在附图中的表述或图示无关。在附图中， 相同或功能相同的元件具有相同的附图标记。
[0022] 附图示出：
[0023] 图1:传统的用于微机械传感器元件的传感器壳体；
[0024] 图2:另一种传统的用于微机械传感器元件的传感器壳体；
[0025]图3:根据本发明的方法的一种实施方式的原理流程；
[0026]图4:根据本发明的壳体的实施方式；
[0027]图5:根据本发明的方法的一种实施方式的原理流程；
[0028] 图6:具有根据本发明的壳体的传感器装置的原理图。
【具体实施方式】
[0029] 图1示例性地以两个立体图示出构造为预模制壳体的壳体100,其用于压力传感 器，其中，微机械传感器元件10布置在壳体100内。
[0030]图2示例性地示出构造在电路板基板上的压力传感器，其具有微机械传感器元件 10和专用集成电路40(ASIC英文application specific integrated circuit)。在壳体 100 的上侧可以看到用于介质补偿的开口。
[0031]图1和图2中的壳体100例如使用在加速度传感器和转速传感器中。后者视驱动方 案而定具有振动器结构，该振动器结构在驱动频率fA的情况下振荡。同样在该频率fA的情况 下进行相移探测。如果所述传感器的壳体1〇〇具有在驱动频率f A范围内的本征模，则不利地 在没有外部激励的情况下发生信号存储。该问题尤其就以下方面而言是紧要的：虽然fA很 大程度上与温度不相关，但本征模可能具有显著的温度依赖性。传感器元件10本身以及外 部影响，例如控制设备(未示出）中的振动，可能激励壳体模式(GehSusemoden)。在此，有 害的外部振动一般在机动车框架中生成(例如，通过碎石的激励）。
[0032]为了将所述传感器构造得在很大程度上对于外部震动稳健，使用具有减振器的预 模制壳体。在此，所有测量元件典型地安置在相同的减振器上。具有减振器的预模制壳体在 此是塑料壳体，其中底板(一般由钢制成)替代塑料底部。在此，所述底板例如通过硅酮附接 到塑料框架上。底板和硅酮的组合产生减振功能。具有减振器的预模制壳体的另一变型方 案为了降低成本而使用基于电路板的减振器壳体。在此，在该电路板中实现可用减振凝胶 注塑包封的弹簧结构。
[0033]然而，所提到的特殊壳体需要多个特殊过程，这些特殊过程一般也会很大地提高 成本。在一个注塑过程中始终需要一个专用的模具，其中，不同的壳体尺寸在此每次都需要 一个新的模具。当由于有多个不同的传感器尺寸而需要多个不同的注塑模具时，这尤其带 来很大影响。
[0034]控制装置(未示出）中的外部震动可能导致电测量信号受干扰，其中，一般来自机 动车框架的外部震动一般处于约10kHz到约15kHz之间的频率范围内。在具有减振材料的预 模制壳体中，仅在确定的频率的情况下所述减振才起作用。在此，所述减振通过减振材料 (例如硅酮)的材料参数确定。
[0035] 对减振材料的所述要求极大地限制可用的材料。其他制造框架条件基于成本而将 具有减振器的预模制壳体的使用局限于少数应用中。
[0036] 未在图中示出的是一种传统的传感器壳体，其在电路板中具有环绕传感器元件布 置的铣削小臂（Armchen)。这些小臂用作弹簧，其中，整个结构还被硅化处理。该布置由于 结构而是有缺点的，因为它不均衡。
[0037] 附加地，为制造用于脱耦不同频率的预模制件而分别需要制造高复杂度的特殊模 具。
[0038] 图3以八个图示a)至h)中示出根据本发明的壳体100的制造过程。
[0039]图3a示出弯曲的导线框架（英语leadframe)或者说"冲压格栅"50的示意性侧视 图，所述导线框架一般由铜制成并用于预模制壳体。
[0040] 图3b示出，在另一步骤中，给所述导线框架50装备电分析处理电路40,即以键合过 程通过键合线来电接触。在此，一个键合组确保朝外的电接触。其他键合在导线框架50上进 行，以便保证与之后装备的微机械传感器10和/或另一回路(未示出）的电连接。
[0041] 图3c示出，以标准方法模制所述壳体100，即借助注塑模具用塑料材料注塑包封导 线框架50。电分析处理电路40及其键合由此完全被用阴影线标记的模制物料包围。附加地， 借助模具中的凸模在模制物料中产生空腔30,其中，该空腔30的底部通过导线框架50实现。 在所述空腔30的侧面借助模具产生起凝胶阻挡棱边功能的棱边。
[0042]图3d在原理上示出微机械传感器元件10在空腔30中的布置，其中，所述传感器元 件10坐置在导线框架50上。
[0043]图3e示出，借助线键合使所述微机械传感器元件10接触到导线框架50上。
[0044]图3f示出，在另一制造步骤中，用凝胶状减振材料20填充所述空腔30。在此，将凝 胶状减振材料20施加或注射或压或喷或位置限定地布置到所述传感器元件10与模制物料 的凝胶阻挡棱边20之间的缝隙中，由此所述微机械传感器10全面地被凝胶环绕。所述空腔 30向下通过导线框架50被封闭，由此减振材料20不能够流出。
[0045]所述凝胶的特性确定硬化的减振材料20对所述壳体100中的传感器元件10的、与 频率相关的后续减振效果。因此，借助特定参数可以使所述传感器元件10的减振特性适配 于外部的驱动或激励频率。这些参数例如包括确定谐振频率的弹性模量和特征化减振特性 的复弹性模量。
[0046]然后，将所述减振材料20加热限定的时间，由此所述减振材料硬化。为此使用的温 度在硅酮的情况下典型地在约150°C的范围内。其结果是，所述传感器元件10在一定程度上 "悬"在"空气中"，并在上面限定的意义上被可振动地释放。
[0047]图3g在原理上示出，在可选的蚀刻步骤中移除空腔30区域中的以及分析处理电路 40区域中的导线框架50。由此，所述微机械传感器10被释放并自由地"悬"在硬化的弹性减 振元件20中。相应的蚀刻方法广泛应用于QFN壳体(英语Quad Flat No Leads Package)，因 此成本有利。使用所提到的蚀刻方法来在QFN壳体中实现最小重新布线。
[0048]图3h示出，在上一步骤中所述壳体100被隔开，并且所述导线框架50的指部被弯向 腿部。这些腿部引起所述壳体100的附加减振和关于未示出的电路板的应力脱耦。
[0049] 图4以平面图和仰视图示出所述壳体100的一种实施方式。可以看到，空腔30中的 微机械传感器10被减振元件20对称环绕，并且通过这种方式最佳地针对外部振动激励受阻 尼。其结果是借助传感器元件10在壳体100的空腔30内的这种特殊均衡固定有助于：当传感 器元件10在某一限定方向上受线性激励时，对传感器元件10不产生任何旋转运动或倾斜运 动。为此的前提条件是，所述传感器元件10和减振元件20的质心重合。
[0050] 尽管用仅仅横向于传感器元件10布置的减振元件20实现所述效果，但是当所述减 振元件20附加地布置在传感器元件10的上面和下面时当然也能够实现所提到的效果，从而 由此在一定程度上实现"全封装的"传感器元件10。
[00511这有利地适用于所有空间方向。其结果是，对于理论物理学意义上的每个运动方 向，对于不耦合在其他空间方向上的任意空间方向都可以获得数学特解（Eigenldsung)。 其理由是，传感器元件10的质心对称地安置在减振元件20中或者说减振元件20和传感器元 件10的质心基本上重合。
[0052]有利地设置:在振动模式的分布之间的频域中或者说在减振材料20的固有频率分 布与传感器元件10的固有频率分布之间的频域中不存在重叠。换句话说这意味着，减振元 件20和传感器元件10的振动模式在频域方面不相交。通过这种方式可实现减振元件20的极 好的减振效果。
[0053]图5在原理上示出用于制造具有微机械传感器的传感器装置的方法的一种实施方 式的流程。
[0054]在第一步骤S1中构造具有导线框架50的壳体100,其中，在壳体100中构造空腔30。 [0055]在第二步骤S2中将传感器元件10在空腔30中布置在导线框架50上。
[0056]在第三步骤S3中将凝胶状的减振材料接合到传感器元件10与壳体100之间的空间 中。
[0057]在第四步骤S4中硬化所述减振材料。
[0058]最后在第五步骤中将传感器元件10下面的导线框架50移除。
[0059] 在一种未在附图中示出的壳体100实施方式中也可以设置，将另一电回路附加地 装备在分析处理电路40的上方或侧面，然后模制包住(ummoldet)或注塑包封该布置。对于 组合传感器集群，该附加的传感器例如可以是加速度传感器。
[0060] 除了在此所述的、基于S0IC(英语small outline integrated circuit)壳体的实 施方式之外，也可以使用相同的方法实现任意QFN类型的壳体。在此，优势在于，与SOIC壳体 实施方案相比，对导线框架50的面积利用更好。
[0061] 图6简化示出传感器装置200,其具有壳体100,该壳体具有布置在该壳体中的微机 械传感器元件10。
[0062] 通过本发明有利地消除在壳体制造和进一步扩展方面的局限性。因此，本发明有 利地使得能实现通用的低成本方案，该低成本方案可在没有任何特殊过程的情况下在壳体 封装机上实现。
[0063]因此，本发明使得能简单地适配传感器壳体的减振器特性，使得可显著缩短开发 时间。
[0064] 概括地说，本发明提供一种改进的、用于应力或震动敏感的微机械传感器或其他 结构元件的壳体。由于相对于已知方法仅需稍微改变模具，因此可成本有利并从而性价比 高地实现根据本发明的制造方法。由于简单的模具构型可由此实现简单且成本有利的制造 方法，借助该制造方法可实现高效地以大件数制造根据本发明的具有均衡的传感器元件的 传感器壳体。
[0065] 对于根据本发明的传感器壳体制造有利的是仅需标准过程。这样有助于简单地找 到第二供应商（英语second sources)并从而有助于供应可靠性。基于导线框架的过程还属 于市场上可用的最经济的制造过程。
[0066] 尽管本发明已根据【具体实施方式】描述，但其不以任何形式局限于此。因此，专业人 士可改变上述特征或将其相互组合，而不会偏离本发明的核心。
【主权项】
1. 一种用于微机械传感器元件（10)的壳体(100)，具有： -空腔(30)，所述传感器元件（10)能布置在所述空腔中， -和减振元件(20)，其中，所述微机械传感器元件（10)在所述空腔(30)中能借助所述减 振元件(20)这样固定，使得所述减振元件(20)和所述传感器元件（10)共同具有一个基本上 共同的质心。2. 根据权利要求1所述的壳体(100)，其特征在于，所述减振元件(20)在所述壳体（100) 的制造过程中能作为凝胶状材料在空间上被限定地接合到所述壳体(100)的所述空腔(30) 中。3. 根据权利要求2的壳体，其特征在于，所述材料具有限定的特性，其中，所述特性包括 下组中的至少一个:弹性模量，复弹性模量。4. 根据权利要求1至3之一所述的壳体（100)，其特征在于，所述减振元件(20)的固有频 率是这样的，使得在所述减振元件(20)的固有频率分布与所述传感器(10)的固有频率分布 之间的频域中不存在重叠。5. 根据上述权利要求之一所述的壳体（100)，其特征在于，所述壳体（100)是QFN壳体或 SO 1C壳体。6. 根据上述权利要求之一所述的壳体（100)，其特征在于，所述壳体（100)是预模制壳 体。7. 传感器装置(200)，其具有根据权利要求1至6之一所述的壳体（100)，其中，在所述壳 体(100)中布置有微机械传感器元件(10)。8. 用于制造具有微机械传感器元件（10)的传感器装置(200)的方法，该方法具有以下 步骤： -构造具有导线框架(50)的壳体(100 )，其中，在所述壳体(100)中构造空腔(30); -将所述传感器元件（1 〇)在所述空腔(30)中布置在所述导线框架(50)上； -将凝胶状的减振材料接合到所述传感器元件（10)与所述壳体(100)之间的空间中； -硬化所述减振材料;和 -移除所述传感器元件（10)下面的导线框架(50)。9. 根据权利要求8的方法，其中，所述凝胶状的减振材料构造成其在硬化状态下具有这 样的固有频率，使得在所述减振元件(20)的固有频率分布和所述传感器(10)的固有频率分 布之间的频域中不存在重叠。10. 传感器装置（200)的应用，该传感器装置具有根据权利要求1至6之一所述的壳体 (100)，所述壳体带有微机械传感器元件(10)。
【文档编号】B81B7/00GK106029553SQ201480075720
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2014年12月22日
【发明人】U·汉森
【申请人】罗伯特·博世有限公司