微机械压力传感器的制作方法

本发明涉及一种微机械压力传感器。本发明还涉及一种用于制造微机械压力传感器的方法。

背景技术：

现代封装技术要求，压力传感器的呈压力传感器膜片的形式的压力敏感部分借助于特定的弹簧设计与传感器的其余部分机械解耦并且与avt(构造和连接技术)影响变得无关，如在stmicroelectronics的传感器lps22hb中实现的那样。使压力传感器承受机械应力(如翘曲)的外部影响例如是由于模制过程所产生的机械张力、具有不同热膨胀系数的多种材料的构造、通过在外部电路板上构造的传感器的钎焊连接所产生的应力等。

根据传感器膜片的变形来测量压力差的微机械压力传感器例如由de102004006197a1中已知。

技术实现要素：

本发明的任务是，提供改进的、尤其针对应力稳固的微机械压力传感器。

根据第一方面，所述任务通过微机械压力传感器解决，所述微机械压力传感器具有：

-压力传感器芯，该压力传感器芯具有传感器膜片和构造在传感器膜片上方的腔；和

-压力传感器框架；其中，

-用于使压力传感器芯机械附接到压力传感器框架上的弹簧元件这样构造，使得机械稳固性最大化并且从压力传感器框架到压力传感器芯上的应力耦入最小化。

以该方式，提供压力传感器芯在压力传感器框架上的优化附接，其中，实现在存在(例如由于压力传感器的错误的下落所产生的)外部加速度时的足够的稳定性和压力传感器相对于来自环境的机械应力(例如呈压力传感器框架的翘曲的形式)的稳固性。在此，所提到的来自环境的机械应力可以有利地避开压力传感器膜片，由此促进微机械压力传感器的优化运行性能。以该方式，提供具有全面露出的压力传感器膜片的微机械压力传感器，该压力传感器膜片具有压力传感器芯的优化附接，由此实现有效的应力解耦结构。

根据第二方面，所述任务通过用于制造微机械压力传感器的方法解决，所述方法具有以下步骤：

-提供具有传感器膜片和构造在传感器膜片上方的腔的压力传感器芯；并且

-提供压力传感器框架；其中，

-这样构造用于将压力传感器芯机械附接到压力传感器框架上的弹簧元件，使得机械稳固性最大化并且从压力传感器框架到压力传感器芯上的应力耦入最小化。

微机械压力传感器的优选实施方式是从属权利要求的主题。

微机械压力传感器的有利扩展方案设置为，压力传感器芯借助于悬臂梁式弹簧元件附接到压力传感器框架上。以该方式，可以提供压力传感器芯与压力传感器框架的好的机械解耦。这例如对于通常不会掉到地面上的微机械压力传感器、例如在汽车领域中固定安装的压力传感器是有用的。有利地，在这种传感器中不会耦入静力矩。

所述方法的另一有利扩展方案设置为，弹簧元件借助于附接元件附接到压力传感器芯上，其中，弹簧元件环形地围绕压力传感器芯构造，其中，弹簧元件借助于另外的附接元件附接到压力传感器框架上。以该方式，可以在压力传感器碰撞到地面上的情况下耦入较少的机械负载。在这种变型方案中也能够以有利的方式不将静力矩耦入到压力传感器芯中。

微机械压力传感器的另一有利扩展方案的特征能在于，压力传感器芯借助于两个对称布置的附接元件附接到弹簧元件上，其中，弹簧元件通过另外的附接元件附接到压力传感器框架上。在该实施方式中，有力地促进好的机械解耦和节省位置的结构类型。

微机械压力传感器的另一有利扩展方案设置为，弹簧元件借助于附接元件附接到压力传感器芯上，其中，弹簧元件借助于两个对称布置的附接元件附接到压力传感器框架上。在这种情况下，提供进一步改善的机械解耦。

微机械压力传感器的另一有利扩展方案的特征能在于，压力传感器芯借助于两个附接元件附接到弹簧元件上，其中，弹簧元件环形地围绕压力传感器芯构造，其中，弹簧元件借助于两个附接元件附接到压力传感器框架上。由此提供微机械压力传感器的机械稳固的变型方案，该变型方案具有对称的构造，由此以有利的方式均匀地分配应力解耦。

微机械压力传感器的另一有利扩展方案的特征能在于，弹簧元件通过四个对称布置的附接元件附接到压力传感器芯上，其中，弹簧元件通过两个对称布置的附接元件附接到压力传感器框架上。在该变型方案中，应力解耦有利地转移到压力传感器芯的边缘上。由此有利地促进，使压电式电阻器更好地应力解耦。

微机械压力传感器的另一有利扩展方案的特征能在于，弹簧元件借助于两个在压力传感器芯的对角线上布置的附接元件附接到压力传感器芯上。该实施方式类似于之前所提到的那些实施方式，其中，在这种情况下，提供在xy平面中的更大的弹性。

微机械压力传感器的另一有利扩展方案设置为，用于压阻元件的电导线在弹簧元件上受引导，其中，实现了惠斯通桥电路。以该方式，促进用于压力传感器芯的位置优化的电导线导向。

微机械压力传感器的另一有利扩展方案的特征能在于，弹簧元件借助于四个布置在压力传感器芯的角点上的附接元件附接到压力传感器芯上。以该方式，可以实现压力传感器芯远离压电电阻器的悬挂，由此更好地保护所述压电电阻器。

微机械压力传感器的另一有利扩展方案设置为，附接元件这样构造，使得所述附接元件提供关于稳固性和压力传感器芯和压力传感器框架之间的机械应力解耦的最佳状态。以该方式，提供在机械稳固性和机械应力解耦之间的最佳状态。

附图说明

下面参照多个附图以多个特征和优点详细描述本发明。相同的或功能相同的元件具有相同的附图标记。附图尤其考虑用于阐明本发明重要的原理并且不一定按正确比例实施。出于更好的概要性可以设置为，没有在所有附图中画出所有的附图标记。

所公开的方法特征类似地由相应公开的设备特征得出，并且反之亦然。这尤其意味着，关于用于制造微机械压力传感器的方法的特征、技术优点和实施方案以类似的方式由所述微机械压力传感器的相应实施方案、特征和技术优点得出，并且反之亦然。

在附图中示出：

图1微机械压力传感器的横截面视图；

图2至10具有微机械压力传感器的实施方式的横截面视图；和

图11用于制造微机械压力传感器的方法的实施方式的原理性流程。

具体实施方式

本发明的核心思想尤其在于提供改进的、尤其稳固的和良好应力解耦的微机械压力传感器。

所提出的微机械压力传感器100的原理性结构在图1的横截面视图中示出。压力传感器100的下面称为“压力传感器岛”或“压力传感器芯”10的压力敏感部分包含在约500μmx约500μm的尺寸量级中的传感器膜片14、腔11(真空参考腔)和环绕的机械稳定部(未示出)。所有提到的元件位于另外的腔13中，其中，该腔13在(压力传感器芯10下方的)一侧上通过asic30限界并且在(压力传感器芯10上方的)另一侧上通过背面格栅限界。

通过外部的机械激励(例如在压力传感器100掉落并且撞击在地面上时)，压力传感器芯10可以非常强烈地加速并且由此使起稳定作用的弹簧(未示出)远距离地偏移并且在此可能被损坏。基于该原因必要的是，使用相对较厚的弹簧元件和相对于背面格栅的大的间距。在剧烈偏移的情况下，作用到弹簧上的最大机械负载相对较大。附加地，也要防止压力传感器芯撞击到asic上，因为该撞击或触碰可能导致钝化部的裂缝并且由此构件会停止运行。

此外，使压力传感器暴露在机械应力(如翘曲)下的外部影响例如是基于模制过程的机械张力、和/或通过具有不同热膨胀系数的材料混合物的构造和/或通过在外部用户电路板上构造的传感器的钎焊连接所产生的应力。

如果这些引起翘曲的影响达到压力传感器芯上，那么这些压力传感器芯产生错误的压力信号。

因此提出，这样设计所提到的弹簧，使得所述弹簧使压力传感器芯10与压力传感器100的其余部分机械解耦，并且所述弹簧可以接收在加速时的大的机械张力。

图1示出这种微机械压力传感器100的横截面视图，该微机械压力传感器构造为压阻式压力传感器。可以看出压力传感器框架20和压力传感器芯10，其中，压力传感器芯10与压力传感器框架20以上面提到的方式电地和机械地耦合。压力传感器芯10具有传感器膜片14，在该传感器膜片中构造有用于感测传感器膜片14的变形的压阻元件12。在压力传感器芯10的传感器膜片14上方构造有腔11(真空参考腔)。压力传感器芯10以上面阐释的方式布置在腔内部。压力传感器框架20耦合在asic30上，该asic通过键合元件40向外电触点接通。

图2示出具有压力传感器芯10的传感器膜片的压力传感器芯10的俯视图。可看出，压力传感器芯10借助于单个悬臂梁式弹簧元件15附接到压力传感器框架20上。由于这种单独附接有利地促进，仅最小的机械应力由压力传感器框架20耦入到压力传感器芯10中。弹簧元件15的几何尺寸是这样的，使得所述弹簧元件提供在机械稳定性和应力解耦方面的相关优化。弹簧元件15的宽度为约10μm至约50μm。

以该方式，提供在压力传感器芯10和压力传感器框架20上的单个附接元件或单个悬挂点。附接元件在几何上这样构造，使得所述附接元件提供在机械稳定性和应力解耦方面的相关优化。在此，所述附接元件构造有尽可能小的机械接触横截面，该接触横截面使稳固性最大化并且另一方面使机械应力耦入最小化或使应力解耦最大化。

已证明，这最好能够通过附接元件的约50μmx约100μm的几何尺寸实现。所提到的几何参数优选通过计算模拟方法求取。通过压力传感器芯10在单个点上的悬挂可以不将机械力矩耦入到压力传感器芯10中，类似于悬臂梁的运行。弹簧固定在机械压力传感器框架20上的仅一个点上，由此所述弹簧也不会承受静力矩。

在沿垂直的z方向加速的情况下，悬挂点沿x方向没有获得力矩，因为压力传感器芯10沿x方向对称地悬挂。换言之，弹簧元件15不围绕经过膜片中心的、平行于y轴的虚线旋转。

因此，图2的布置最终实现，压力传感器芯10非常刚性地附接到压力传感器框架20的机械主体上。

为了稍微减小这种高刚性，弹簧元件15可以环形地围绕压力传感器芯10构造，如在图3的布置中示出的那样。然而，由此两个附接元件16、17沿y方向获得力矩，因为压力传感器芯10沿y方向非对称地悬挂。换言之，弹簧元件15围绕经过膜片中心的、平行于x轴线的虚线旋转。

在一级近似中，对于沿y方向的悬挂的机械稳定性而言，悬挂部的厚度(即从平面出发的延展尺寸)是重要的。压力传感器芯10关于悬挂部的宽度(沿x方向的延展尺寸)相对较厚地构造。

图4示出具有弹簧元件15的特定构型的微机械压力传感器100的另外的实施方式。这种类型的弹簧元件15通过在压力传感器框架20的单个附接元件17上的悬挂有利地实现应力解耦。以该方式，压力传感器芯10基本上不承受由于压力传感器框架20的机械主体(festland)的翘曲所产生的静力矩。

附加地，这种类型的悬挂部具有以下优点：所述悬挂部对称地作用到压力传感器芯10上。由此，在加速情况下减小作用到压力传感器芯10的力矩，由此有利地减小机械负载。此外，这种类型的弹簧导向有利地节省位置，因为不需要围绕整个压力传感器芯10的回转部(umlauf)。

图5的弹簧元件15在微机械压力传感器100中的布置在基本结构方面与图4的那个布置类似。区别在于，压力传感器芯10在仅一个单个附接元件16上与弹簧元件15连接。由此，相对于图4的实施方式，在压力传感器框架20上的附接元件17可以有利地通过特定的、面积密集的设计来增强。在此，可以有利地利用，在压力传感器框架20上的设计面积比压力传感器芯10上的设计面积承受更小的限制。

由于压力传感器芯10的这样实现的非对称的悬挂，在沿垂直的z方向剧烈加速的情况下可以将大的力矩施加到压力传感器芯10上，使得该变型方案优选对于固定安装的微机械压力传感器100(例如在汽车领域中)是推荐的。

图6的微机械压力传感器100的对称构型的实施方式尤其具有以下优点：压力传感器芯10的翘曲在一级近似中与压力传感器芯10的宽度和附接元件17的宽度之间的关系成比例地减小。为了该目的，弹簧元件15这样软地构造，使得所述弹簧元件将尽可能小的力矩耦入到压力传感器芯10上。这能够基于以下事实：不同于仅一侧的耦合，该配置不能那么容易地将压力传感器框架20的外部静态机械张力耦入到压力传感器芯10上。有利地，该布置是完全对称的并且出现的机械应力因此在动态情况下是更平衡的和更小的。

图7的实施方式的配置是图6的实施方式的扩展方案。压力传感器芯10的压阻元件12(例如呈压阻电阻的形式)为了使传感器信号最大化而电连接成惠斯通桥。压阻元件12探测每种类型的机械应力。为了使寄生电导线的机械应力值最小，设置为，惠斯通桥的电触点接通在压力传感器芯10的四个角上实现。为了使弹簧设计与电布线一起尽可能节省位置地实施，通向压力传感器芯10的中心的回路导向(rückführung)可以在单独的弹簧上实施。

图8的微机械压力传感器100的实施方式原则上基于图7的实施方式。如果在图7的实施方式中压力传感器芯的框架20沿x方向延展，那么这种类型的弹簧悬挂导致，内部弹簧框架沿y方向受压缩，在内部弹簧框架随后又导致应力引入到压力传感器芯10中。该应力引入是减小的，但没有完全排除。为了进一步减少这种应力传递的路径，在图8的实施方式中，弹簧沿对角线从压力传感器框架20上的附接部耦入到内部弹簧框架中。由此，压力传感器框架20的所有扭曲作为结果仅导致压力传感器芯10的旋转并且不导致应力引入。

图9的实施方式优化了针对电布线的要求的位置需求和图4的实施方式的机械解耦的优点。可看出，在这种情况下用于惠斯通桥电路的布线18在弹簧元件15上受引导，使得以该方式实现弹簧面积的优化利用。

图10示出微机械压力传感器100的另外的实施方式，其中，弹簧元件15尽可能远离压阻元件12地作用在压力传感器芯10上。由此能够减小在压力测量中的错误的机械应力引入。

图11示出用于制造微机械压力传感器100的方法的原则性流程。

在步骤200中，提供具有传感器膜片14和构造在传感器膜片14上方的腔11的压力传感器芯10。

在步骤210中，提供压力传感器框架20，其中，用于将压力传感器芯10机械附接到压力传感器框架20上的弹簧元件15这样构造，使得使机械稳固性最大化并且从压力传感器框架20到压力传感器芯10上的应力耦入最小化。

虽然之前已经参照压阻式微机械压力传感器描述了本发明，但也可以考虑，微机械压力传感器电容式地构造。

本领域技术人员也可以实现本发明的未公开的或仅部分公开的实施方式，而不偏离本发明的核心。