CN102167277B - 传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种传感器装置，该传感器装置具有一个衬底元件和一个具有主延伸平面的传感元件，其中，该传感元件固定在衬底元件上，其中，该衬底元件具有至少一个接触元件用于传感器装置的电接触，并且，该衬底元件具有至少一个卸荷结构用于应力脱耦，其中此外，至少一个卸荷结构在一与主延伸平面平行的平面中基本上安置在所述至少一个接触元件和所述传感元件之间。

Description

传感器装置
技术领域
本发明涉及一种传感器装置。
背景技术
总体已知这样的装置。例如由文献DE19721281A1已知一种用于芯片卡的芯片模块，其中，芯片模块基本上由一衬底膜、一在衬底膜上侧上安置的集成开关电路和一围绕该集成开关电路的盖组成。在衬底膜的下侧上还施加接触位置。贯穿开口延伸穿过衬底膜，与集成开关电路接触的键合线穿通过这些贯穿开口并且与接触位置连接。在盖外部还有卸荷槽，这些卸荷槽被同心地安置并且阻止弯曲负载与盖接触。该装置的缺点是：这些卸荷槽安置在盖外部，使得例如在将接触位置焊接到电路板上期间在接触位置区域中产生的机械应力会导致衬底膜在集成开关电路区域中的弯曲。此外，在盖和衬底膜之间的交接位置上例如由于盖和衬底膜的不同热膨胀系数而产生的机械应力不被卸荷槽接收，而是同样可以直接导致衬底膜在集成开关电路区域中的弯曲。因此在应用传感元件时不使用这种类型的装置，因为衬底膜在集成开关电路区域中的弯曲会导致传感器参数的漂移和传感器信号的偏移。
发明内容
根据本发明提出一种传感器装置，该传感器装置具有一个衬底元件和一个具有主延伸平面的传感元件，其中，传感元件固定在衬底元件上，其中，所述衬底元件具有至少一个接触元件用于传感器装置的电接触，并且，衬底元件具有至少一个卸荷结构用于应力脱耦，其中，所述至少一个卸荷结构在一与主延伸平面平行的平面中基本上安置在所述至少一个接触元件和所述传感元件之间。
根据本发明的传感器装置与现有技术相比具有优点，即，所述至少一个卸荷结构基本上在所述至少一个接触元件和所述传感元件之间构成，使得在接触元件和衬底元件之间出现的机械应力不会导致衬底元件在传感元件区域中弯曲，而是相反被卸荷结构接收。以优选的方式因此能够以相对简单和成本有利的方式与现有技术相比显著地减少或避免传感参数的漂移和相应的传感信号的偏移，使得获得传感元件相对高的测量精度。特别是在将传感器装置焊接到另一衬底元件、例如电路板上后或者在传感元件的感生应力的另一扩展构造后，不再需要调整传感器装置来补偿由于衬底元件弯曲产生的偏移移动。由此传感器装置的生产和装配成本明显降低。此外，以这样的方式相对于现有技术还可补偿基于衬底元件和接触元件的不同热膨胀系数的机械应力。用语“沿着与主延伸平面平行的平面”在本发明的意义上尤其意味着投影到该与主延伸平面平行的平面上。换句话说：特征“所述至少一个卸荷槽沿着与主延伸平面平行的平面基本上安置在所述至少一个接触元件和所述传感元件之间”特别意味着，所述至少一个卸荷结构在与主延伸平面平行的平面上的投影安置在接触元件和传感元件分别在该与主延伸平面平行的平面上的投影之间。在本发明的意义上用于电接触的接触元件尤其包括一个触点元件，通过该触点元件使传感元件可以直接或间接地从传感器装置的外部、即优选穿过衬底元件和/或盖电接触。这样的接触元件特别是连接引脚(连接脚)、键合面和/或SMD接触面。
根据本发明的优选实施方式或另一方案设置：传感器装置具有一个盖，该盖在连接区域中与衬底元件连接，其中，所述至少一个卸荷结构沿着与主延伸平面平行的平面基本上安置在所述至少一个连接区域和所述传感元件之间。因此，在盖和衬底元件之间产生的机械应力以有利的方式被位于连接区域和传感元件之间的至少一个卸荷结构接收，使得减小或避免衬底元件在传感元件区域中的弯曲。特别是在使用不同热膨胀系数的材料用于衬底元件和盖时在外部温度变化时在连接区域中产生机械应力，这些机械应力在根据本发明传感器装置中被卸荷结构接收并且因此不会不利地作用于传感元件的传感参数。特征“所述至少一个卸荷槽沿着与主延伸平面平行的平面基本上安置在所述至少一个连接区域和所述传感元件之间”在本发明的意义上特别意味着，所述至少一个卸荷结构在该与主延伸平面平行的平面上的投影安置在连接区域和传感元件分别在该与主延伸平面平行的平面上的投影之间。
根据本发明的一优选实施方式或另一方案设置：传感器装置具有至少一个减振元件，该减振元件如此固定在衬底元件上，使得所述至少一个卸荷结构被减振元件跨接。通过该卸荷结构，衬底元件的、装备有传感元件的部分区域相对于余下的衬底元件通过该卸荷结构至少部分地机械脱耦。由此特别是允许在该部分区域和余下的衬底元件之间的相对运动。因此该部分区域形成一振动器，该振动器的振动特性或频率特性以有利的方式通过减振元件确定。通过相应地选择减振元件的材料以及减振元件的几何形状和尺寸因此可以灵活和成本有利地调整所希望的振动特性或频率特性。以有利的方式使传感器装置的面积需求没有或者只不明显地由于实施减振元件而提高。该减振元件优选在卸荷结构的两侧材料锁合地并且尤其可以通过粘接与衬底元件直接或间接连接。该减振元件优选包括(粘)弹性材料，如硅或橡胶。
本发明的有利构型和扩展构造可以从本发明以及与附图有关的说明书中得出。
根据优选的实施方式设置：该卸荷结构包括衬底元件的留空部，特别是衬底元件中的卸荷槽。因此以有利的方式由此补偿或者减低衬底元件中的机械应力：卸荷槽的槽宽度相应地适配。
根据优先的实施方式设置：连接区域包括第一粘接区域和第二粘接区域，其中，盖在第一粘接区域中与衬底元件刚性连接，并且其中，该盖在第二粘接区域中与在第一粘接区域中相比刚性较小地并且特别是可弹性变形地与衬底元件连接。为了加强传感器装置有利的是：盖和衬底元件至少在第一粘接区域中相互刚性连接，而在第二粘接区域中例如仅获得盖与衬底元件之间的用于保护传感元件、例如防止水进入的密封。该传感器装置优选包括两个关于传感元件来看对置的第一粘接区域，使得获得特别稳定的传感器装置，并且同时只沿着两个对置的第一粘接区域的连接线方向在衬底元件中产生这样的机械应力：这些机械应力基于衬底元件和盖之间的不同热膨胀系数。这些机械应力被卸荷结构接收，这些卸荷结构特别是只沿着每个第一粘接区域和传感元件之间的连接线构造。由于第二粘接区域的弹性，从第二粘接区域出发有利地没有值得一提的机械应力作用在衬底元件上。
根据优选的实施方式设置：所述至少一个接触元件在与主延伸平面平行的平面中设置在所述至少一个卸荷结构和所述连接区域、特别是第二粘接区域之间。因此以有利的方式，不仅来自盖的机械应力而且来自接触元件的机械应力都被所述至少一个卸荷结构如此接收，使得衬底元件在传感元件区域中不产生或仅少许产生弯曲。
根据优选的实施方式设置：卸荷槽在与主延伸平面平行的平面中基本上U形地构造，其中，优选该卸荷槽在与主延伸平面平行的平面中至少部分地环绕传感元件延伸。因此以有利的方式该传感元件在与主延伸平面平行的平面中特别是在三侧被卸荷槽包围，使得特别强地抑制衬底元件在传感元件区域中由于外部的机械应力而弯曲。特别是优选该传感元件安置在衬底元件的自由唇部上，使得机械应力仅导致唇部相对于主延伸平面作为整体偏移，而不会导致唇部本身在传感元件区域中的弯曲。
根据优选的实施方式设置：被基本上U形构造的卸荷槽包围的衬底元件部分区域在连接区域中与余下的衬底元件连接，其中，减振元件优选在部分区域的背离连接区域的一侧上跨接U形构造的卸荷槽地安置和/或其中，构造连接区域的宽度小于部分区域的宽度。以有利的方式该部分区域形成一振动器，该振动器的振动特性根据质量-弹簧减振系统特别是取决于连接区域相对于余下的衬底元件的几何形状和尺寸、即卸荷槽的长度和几何形状，以及取决于减振元件的材料、几何形状和尺寸。以有利的方式通过有针对性地适配所述参数中的所有或个别参数，特别是通过适配固有频率，可以以简单并且成本有利的方式实现所希望的振动特性和/或减振特性。
根据优选的实施方式设置：传感器装置具有多个卸荷槽，这些卸荷槽优选在与主延伸平面平行的平面中至少部分地围绕传感元件延伸。因此以有利的方式传感元件在与主延伸平面平行的平面中特别是在三侧各被一卸荷槽包围，使得特别强地抑制衬底元件在传感元件区域中由于外部的机械应力而弯曲。
根据优选的实施方式设置：至少一个卸荷槽具有槽深度，该槽深度垂直于主延伸平面在衬底元件的整个材料厚度上或只在衬底元件的整个材料厚度的部分区域上延伸。以有利的方式随着槽深度的增加可以提高应力脱耦。另外，传感器装置的机械稳定性随着深度增加而减小。特别优选如此选择槽深度，使得分别对于每个传感元件一方面获得最佳的应力脱耦另一方面获得稳定性。
根据优选的实施方式设置：所述至少一个接触元件是连接引脚和/或SMD连接元件的一部分，其中，接触元件垂直于主延伸平面优选在承载元件的整个材料厚度上或者只在衬底元件的整个材料厚度的部分区域上延伸，使得传感元件可以从外部电接触并且该传感器装置自动地特别是借助自动插入元件设备安放在电路板上。
根据优选的实施方式设置：传感器装置具有一个分析处理芯片，该分析处理芯片优选借助键合线与传感元件和/或与所述至少一个接触元件电接触，和/或该传感元件包括一半导体传感芯片，该半导体传感芯片特别是包括压力传感器、温度传感器、加速度传感器、转动速率传感器、气体传感器和/或光传感器。在另一实施方式中该传感元件同样可以集成在分析处理芯片中。当传感元件包括压力传感器时可考虑将卸荷槽同时用作为压力测量的输入口。因此取消根据现有技术在盖中需要的孔。
本发明的实施例在附图中示出并且在下面的说明书中详细解释。
附图说明
附图示出：
图1根据现有技术的传感器装置的示意立体图，
图2根据本发明第一实施方式的传感器装置的示意剖视图，
图3根据本发明第二实施方式的传感器装置的示意剖视图，
图4根据本发明第三实施方式的传感器装置的示意剖视图，
图5根据本发明第四实施方式的传感器装置的示意剖视图，
图6根据本发明第五实施方式的传感器装置的示意剖视图，
图7根据本发明第六实施方式的传感器装置的示意剖视图，
图8根据本发明第七实施方式的传感器装置的示意剖视图，
图9根据本发明第八实施方式的传感器装置的示意剖视图。
具体实施方式
图1中示出根据现有技术的传感器装置1’的示意立体图。在此该传感器装置1’具有衬底元件2、传感元件3和盖6组成。该衬底元件2包括一塑料的预模制壳体，在该预模制壳体中安置传感元件3、特别是微机械的加速度传感器、转动速率传感器或压力传感器。该预模制壳体被呈金属盖板形式的盖6封闭。此外，传感器装置1’具有呈引脚形式的接触元件4，这些接触元件用于从衬底元件2外部电接触传感元件3以及用于焊接传感器装置1’到没有示出的电路板上。衬底元件2、盖6和接触元件4具有不同的热膨胀系数，使得在温度变化时在交接位置上分别产生机械应力，这些机械应力引起衬底元件2在传感元件3区域中的不利弯曲，并且因此引起传感参数的变化。
图2示出根据本发明第一实施方式的传感器装置1的示意剖视图，其中，传感器装置1的第一实施方式基本上与图1中说明的根据现有技术的传感器装置1’类似，其中，根据本发明的传感器装置1还具有一个呈卸荷槽5’形状的卸荷结构5，该卸荷槽构造成U形并部分地围绕传感器元件3延伸。卸荷槽5’沿着传感元件3的主延伸平面100至少部分地安置在接触元件4和传感元件3之间，使得卸荷槽5’接收接触元件4和衬底元件2之间的机械应力，防止衬底元件2在传感元件3的区域中弯曲。接触元件4只安置在传感器装置1的两个对置的侧上，使得机械应力主要在两侧之间沿着连接方向101产生并且在传感元件3的区域中被卸荷槽5’的垂直于连接方向101延伸的部分区域接收。传感器装置1还包括一个分析处理芯片8，该分析处理芯片通过键合线9不仅与传感元件3而且与接触元件4可导电地连接。分析处理芯片8尤其包括一个ASIC(专用集成电路)，而传感元件3尤其包括一个带有半导体基底的微机械压力传感器。盖6在连接区域7中与衬底元件2连接，该连接区域在与主延伸平面100平行的平面中环绕。卸荷槽5’沿着一与主延伸平面100平行的平面至少部分地安置在连接区域7和传感元件3之间，使得卸荷槽5’吸收盖6和衬底元件2之间的机械应力，防止衬底元件2在传感元件3区域中弯曲。在此，至少一个接触元件4安置在连接区域7和卸荷槽5’之间。这样安置卸荷槽5’，使得特别是卸荷槽5’在与主延伸平面100平行的平面上的投影安置在传感元件3在该平面上的投影和连接区域7和/或接触元件4在该平面上的投影之间。该盖6在连接区域7中通过钎焊连接和/或粘接连接与衬底元件2材料锁合地连接。
图3示出根据本发明第二实施方式的传感器装置1的示意剖视图，第二实施方式基本上与图2中说明的第一实施方式相同，其中，卸荷槽5’不再构造成连续的U形卸荷槽5’，而是分成三个部分卸荷槽50，51，52，它们部分地围绕着传感元件3并且特别是U形地安置。
图4是根据本发明第三实施方式的传感器装置的示意剖视图，第三实施方式基本上与图3中说明的第二实施方式相同，其中，传感器装置1有第四部分卸荷槽53，该第四部分卸荷槽安置在传感元件3和分析处理芯片8之间。衬底元件2在传感元件3区域中几乎完全被卸荷槽5’包围，使得有效抑制衬底元件2在传感元件3区域中的弯曲。
图5示出根据本发明第四实施方式的传感器装置1的示意剖视图，第四实施方式基本上与图2中说明的第一实施方式相同，其中，其连接区域7分成了两个第一粘接区域10和两个第二粘接区域11。这些第一粘接区域10各包括盖6和衬底元件2之间的一个刚性连接，该刚性连接整体提高传感器装置1的稳定性。第二粘接区域11包括盖6和衬底元件2之间的弹性连接，这些第二粘接区域与第一粘接区域10一起保护传感元件3和分析处理芯片8免受外部的影响、如水进入等。第二粘接区域11例如包括软的粘接剂，这些第二粘接区域安置在衬底元件2的两个对置的侧上，并且接触元件4也沿着这两侧安置。因此沿着连接方向101在盖6和衬底元件2之间不产生或者只产生相对小的、由温度变化引起的机械应力，由此沿着连接方向101附加地抑制衬底元件2在传感元件3区域中的弯曲。由于刚性的第一粘接区域10而只在衬底元件2剩余的上侧和下侧12，13上在盖6和衬底元件2之间作用机械应力，但由此同时也提高传感器装置1的机械稳定性。
图6说明根据本发明第五实施方式的传感器装置1的示意剖视图，第五实施方式基本上与图5中说明的第四实施方式相同，其中，在衬底元件2的所有四个侧边上构造第二粘接区域11并且仅在衬底元件2的角上构造第一粘接区域10。由此进一步减少连接区域7中的机械应力。
图7示出根据本发明第六实施方式的传感器装置1的示意剖视图，第六实施方式基本上与图2中说明的第一实施方式相同，其中，传感器装置1附加地具有一减振元件14。该减振元件14包括硅材料。卸荷槽5’U形地构造，由此确定衬底元件2的部分区域15，该部分区域被U形构造的卸荷槽5’包围并且传感元件3固定在该部分区域上。这个部分区域15形成一振动器，该振动器可以相对于其余的衬底元件2振动。在连接区域16中该部分区域15与余下的衬底元件2固定地并且一体地连接。在与连接区域16对置的一侧，U形构造的卸荷槽5’被减振元件14这样跨接，使得减振元件14的第一端部与部分区域15连接并且减振元件14的第二端部与余下的衬底元件2相连。减振元件14优选分别粘接在衬底元件2上。这例如在常规的自动插入元件设备中进行，如在装备有电容或电阻时通常使用的那种自动插入元件设备。如此选择减振元件14的材料特性、几何尺寸和形状，使得获得所希望的振动特性和减振特性。
图8示出根据本发明第七实施方式的传感器装置1的示意剖视图，第七实施方式基本上与图7中说明的第六实施方式相同，其中，基本U形地构造的卸荷槽5’的端部区域如此相互弯曲和延长，使得连接区域16的宽度16’相对于部分区域15的宽度15’减小。以这样的方式例如使振动特性如下变化：固有频率向较低频率移动。质量-弹簧减振系统的特性不仅通过减振元件14的材料而且也通过结构即卸荷槽5’的长度和几何形状确定。减振元件14的减振特性可以除了本身的材料特性外还通过其几何形状来调整。此外可考虑通过减振元件14的宽度和高度来适配。
图9示出根据本发明第八实施方式的传感器装置1的示意剖视图，第八实施方式基本上与图8中说明的第七实施方式相同，其中，分析处理芯片8和传感元件3集成在一个共同的传感器模块17中。图9示出一LGA传感器模块。但是替换地也可考虑SOIC传感器模块。根据另一替代方案也可考虑：衬底元件2包括一电路板，传感器模块17安置在该电路板上。在该替换方案中卸荷槽5’直接被开设到电路板中，使得电路板的被卸荷槽5’包围的部分区域16可以相对于其余的电路板摆动，传感器模块17也安置在该部分区域上。

Claims (11)

1.传感器装置(1)，具有一个衬底元件(2)和一个具有主延伸平面(100)的传感元件(3)，其中，传感元件(3)固定在衬底元件(2)上，其中，所述衬底元件(2)具有至少一个接触元件(4)用于传感器装置(1)的电接触，并且，衬底元件(2)具有至少一个卸荷槽(5’)用于应力脱耦，所述至少一个卸荷槽(5’)在一与主延伸平面(100)平行的平面中基本上安置在所述至少一个接触元件(4)和所述传感元件(3)之间，其特征在于，所述卸荷槽(5’)U形地构造并且围住所述衬底元件(2)的一个部分区域(15)，该部分区域能够相对于其余的衬底元件(2)振动，其中，传感元件(3)固定在该部分区域(15)上，并且，设置有至少一个减振元件(14)，该减振元件这样跨接所述卸荷槽(5’)，使得该减振元件(14)的第一端部与所述部分区域(15)连接并且该减振元件(14)的第二端部与余下的衬底元件(2)连接，其中，所述部分区域(15)的振动特性和减振特性取决于所述减振元件(14)的材料特性、几何形状和尺寸。
2.根据权利要求1的传感器装置(1)，其特征在于，所述传感器装置(1)具有一个盖(6)，该盖在连接区域(7)中与衬底元件(2)连接，其中，所述至少一个卸荷槽(5’)在与主延伸平面(100)平行的平面中基本上安置在所述至少一个连接区域(7)和所述传感元件(3)之间。
3.根据权利要求1或2的传感器装置(1)，其特征在于，所述卸荷槽(5’)包括衬底元件(2)的留空部。
4.根据权利要求2的传感器装置(1)，其特征在于，所述连接区域(7)包括第一粘接区域(10)和第二粘接区域(11)，其中，盖(6)在第一粘接区域(10)中与衬底元件(2)刚性连接，并且，该盖(6)在第二粘接区域(11)中与在第一粘接区域(10)中相比刚性较小地与衬底元件(2)连接。
5.根据权利要求2或4的传感器装置(1)，其特征在于，所述至少一个接触元件(4)在一与主延伸平面(100)平行的平面中安置在所述至少一个卸荷槽(5’)和所述连接区域(7)之间。
6.根据权利要求1或2的传感器装置(1)，其特征在于，所述传感器装置(1)具有多个卸荷槽(5’)，这些卸荷槽在该与主延伸平面(100)平行的平面中至少部分地围绕传感元件(3)延伸。
7.根据权利要求1或2的传感器装置(1)，其特征在于，衬底元件(2)的被基本上U形构造的所述卸荷槽(5’)包围的部分区域(15)在另一连接区域(16)中与余下的衬底元件(2)连接，其中，减振元件(14)在部分区域(15)的与所述另一连接区域(16)背离的一侧上跨接该U形构造的卸荷槽(5’)地安置，和/或其中，所述另一连接区域(16)的宽度(16’)构造得小于部分区域(15)的宽度(15’)。
8.根据权利要求1或2的传感器装置(1)，其特征在于，所述至少一个卸荷槽(5’)具有一槽深度，该槽深度垂直于主延伸平面(100)地在衬底元件(2)的整个材料厚度上或者只在衬底元件(2)的整个材料厚度的部分区域上延伸。
9.根据权利要求1或2的传感器装置(1)，其特征在于，所述至少一个接触元件(4)是连接引脚和/或SMD接触元件的一部分，其中，所述接触元件(4)垂直于主延伸平面(100)在衬底元件(2)的整个材料厚度上或者只在衬底元件(2)的整个材料厚度的部分区域上延伸，和/或所述传感器装置(1)具有一分析处理芯片(8)，该分析处理芯片借助键合线(9)与传感元件(3)和/或与所述至少一个接触元件(4)电接触和/或传感元件(3)集成在该分析处理芯片中。
10.根据权利要求4的传感器装置(1)，其特征在于，所述盖(6)在第二粘接区域(11)中可弹性变形地与衬底元件(2)连接。
11.根据权利要求4的传感器装置(1)，其特征在于，所述至少一个接触元件(4)在一与主延伸平面(100)平行的平面中安置在所述至少一个卸荷槽(5’)和所述第二粘接区域(11)之间。
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