CN102998036B - 力传感器 - Google Patents

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Abstract

力传感器，具有：载体，其具有前侧和背侧；半导体本体，其具有表面和背面和构造在半导体本体的表面上的压阻元件，其中半导体本体与载体力锁合地连接；第一翼部，其构造在半导体本体的表面上并且具有上侧和下侧，其中翼部可基本上沿着半导体本体的表面的法向量弹性运动，翼部与半导体本体力锁合地连接以及半导体本体在翼部运动时被构造为支座，在翼部上构造有第一力导入区域；其中与第一翼部相对置地设置的第二翼部构造有第二力导入区域，压阻元件设置在第一翼部与第二翼部之间，设置有与第一力导入区域和第二力导入区域力锁合地连接的、桥状构造的力分布装置，其中力分布装置具有与半导体本体的表面背离的第一面，该第一面具有第三力导入区域。

Description

力传感器
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的力传感器。
背景技术
在DE4137624中公开了一种具有压阻元件的力传感器。在此，尤其是公开了一种翼形布置，其中力导入设置在翼部的支座附近。此外，集成电路设置在翼部的外端部上。借助于支座附近的力导入试图使集成电路尽可能没有机械应力。
发明内容
在所述背景下，本发明的任务在于提出一种装置，所述装置改进了现有技术。
所述任务通过具有权利要求1的特征的力传感器来解决。本发明的有利的扩展方案是从属权利要求的主题。
根据本发明的主题公开了一种力传感器，其具有载体和半导体本体和第一翼部，所述载体具有前侧和背侧，所述半导体本体具有表面和背面和构造在半导体本体的表面上的压阻元件，其中半导体本体与载体力锁合地连接，所述第一翼部构造在半导体本体的表面上并且具有上侧和下侧，其中翼部可基本上沿着半导体表面的法向量弹性运动，并且翼部与半导体本体力锁合地连接以及半导体本体在翼部运动时构造为支座，并且在翼部上构造有第一力导入区域，其中与第一翼部相对置地设置的第二翼部构造有第二力导入区域，并且压阻元件设置在第一翼部与第二翼部之间，并且设置有与第一力导入区域和第二力导入区域力锁合地连接的、桥状构造的力分布装置，其中所述力分布装置具有与半导体本体的表面背离的第一面，所述第一面具有第三力导入区域。应注意的是，力导入区域设置在第一翼部和第二翼部的外端部上是有利的。外端部在此理解为翼部的与相应翼部的支座相对置地设置的那个端部。应注意的是，在翼部偏转时由压阻元件产生电压。
根据本发明的装置的优点是，可以使用由CMOS制造构成的已知工艺步骤用于制造力传感器。由此可以容易地将力传感器集成到集成电路的制造过程中。通过借助于桥状的力分布装置同时压到两个翼部上并且使两个翼部弹性偏转以及压阻元件设置在这两个翼部之间，所述力传感器具有比迄今的单翼力传感器更高的灵敏度。此外，可测量的力范围扩宽。试验已经表明：所述力传感器对力分布装置的调节误差不敏感，尤其是力分布装置在翼部的纵轴线的方向上的横向移动仅仅较小地作用于力传感器的灵敏度。此外，第三力导入区域可以沿着力分布装置的纵轴线移动，其中力传感器的灵敏度仅仅受到较小的影响。
在一个实施方式中，至少部分在载体的前侧与半导体本体的背面之间存在材料锁合的连接。优选的是，载体实施为玻璃体或玻璃板。此外优选的是，半导体本体由硅实施。
在一个扩展方案中，第三力导入区域居中地构造在第一力导入区域与第二力导入区域之间。由此可以实现力在两个翼部上非常对称的分布。在一个有利的实施方式中，力导入区域具有一个用于容纳力导入装置的成形部（Ausformung）。借助优选构造为空腔、最优选地构造为截锥状的孔的成形部可以预给定第三力导入区域的位置。在一个优选的扩展方案中，力导入装置球形地构造并且优选由钢制造。
此外优选的是，力分布装置的抗弯强度大于第一翼部的抗弯强度和第二翼部的抗弯强度。由此确保了至翼部的最佳力传递并且提高了力传感器的灵敏度。优选地，力分布装置具有梁状构造的区域。借助梁状的成形部通过简单的方式提高了刚性。优选地，力分布装置包括硅。
根据另一实施方式，在力分布装置与第一力导入区和第二力导入区域之间分别构造有一个中间件。中间件也可以称作间隔件。由此，可以调节或提高力分布装置的中部区域与压阻元件的距离。在翼部由于力导入而弯曲时，尤其是可以借助于间隔件来防止力分布装置的中部区域在翼部弯曲较大时也触碰到压阻元件的表面或半导体表面上。
根据一个优选的实施方式，半导体本体的位于第一翼部与第二翼部之间的部分被构造为无支承的板状结构并且容纳压阻传感器。优选的是，板状结构在两个彼此对置的侧上与设置在无支承的结构外部的半导体本体连接，并且第一翼部和第二翼部以及无支承的结构构成十字形布置。为了构造无支承的结构可以在载体的前侧上在翼部下方构造空腔。
在另一实施方式中，在载体与半导体本体之间插入有间距件，使得用于形成至少一个空腔的结构化既不在载体的前侧上进行也不在半导体本体的背面上进行。
根据一个替代的实施方式，第一翼部和第二翼部位于载体上。优点在于，在翼部放置于载体上时优选可以测量非常大的力。此外优选的是，在此第一翼部和第二翼部材料锁合地与载体连接。此外，根据一个特别优选的扩展方案，半导体本体的容纳压阻元件的部分位于载体上。如果现在借助翼部将力传递到载体上，则通过翼部使载体凸地变形并且在压阻元件中感应电压。
在另一扩展方案中，第一翼部和第二翼部以及半导体本体是一体地构造的。优点在于，这种结构可以非常简单且成本低廉地借助半导体制造的标准工艺来产生。尤其是，干蚀刻工艺——例如深沟道蚀刻工艺适于在翼部边缘与半导体本体之间构造沟槽。
根据一个优选的实施方式，第一翼部的下侧和第二翼部的下侧与载体的距离用作相应的翼部的偏转限制。可以根据翼部的弹性特性和/或待测量的力范围来调节所述距离。由此可以显著改善力传感器的可靠性。在一个替代的构型中，在力分布装置上设置有成形部。借助于成形部或换言之借助于止挡可以限制第一翼部和第二翼部的偏转。从预给定的力起，成形部碰到半导体本体的表面并且阻止第一翼部和第二翼部的进一步偏转。
在一个扩展方案中，在半导体本体的表面上在离开第一翼部的地方和在离开第二翼部的地方构造有集成电路。在此，集成电路具有与压阻元件的电有效连接。优点在于，在集成电路上没有由外部力引起的机械应力并且集成电路分析处理由压阻元件产生的电压。
附图说明
以下参照附图更详细地阐述本发明。在此，同类的部件标有相同的附图标记。所示的实施方式是极其示意性的，即距离和横向伸展和垂直伸展不是合乎比例的并且只要没有其他说明则彼此不具有可推导的几何关系。
其中示出：
图1：力传感器的第一实施方式，
图2：图1的力传感器的分解示图，
图3：力传感器的第二实施方式，
图4：图3的力传感器的分解示图，
图5：用于测量大的力的力传感器，
图6：图5的力传感器的分解示图，
图7：在力作用的影响下力传感器在纵向上的横截面图，
图8：在力作用的影响下力传感器在纵向上的横截面图，具有集成的过载保护的第一实施方式，
图9：在力作用的影响下力传感器在纵向上的横截面图，具有集成的过载保护的第二实施方式。
具体实施方式
图1的示图示出根据本发明的力传感器10的一个实施方式，所述力传感器具有载体20和半导体本体30和构造在半导体本体30的表面35上的压阻元件40，所述载体具有前侧25和背侧28，所述半导体本体30具有表面35和背面38，其中半导体本体30与载体20力锁合地连接。此外，力传感器10具有第一翼部50，其中第一翼部50构造在半导体本体30的表面35上并且具有上侧和下侧。第一翼部50可基本上沿着半导体本体30的表面35的法向量弹性运动，其中第一翼部50与半导体本体30力锁合地连接，并且半导体本体30在翼部运动时被构造为支座。在第一翼部50上构造有第一力导入区域59。
此外，力传感器10具有与第一翼部50相对置地设置的第二翼部60。在第二翼部60的上侧上构造有第二力导入区域69。第二翼部60如同第一翼部50那样可基本上沿着半导体本体30的表面35的法向量弹性运动，并且第二翼部60与半导体本体30力锁合地连接，使得半导体本体30在第二翼部60运动时被构造为支座。第一翼部50和第二翼部60以及半导体本体30一体地构造并且优选由硅构造。此外，第一翼部50和第二翼部60具有基本上相同的外部构型，其中第一力导入区域59设置在第一翼部50的外端部上而第二力导入区域69设置在第二翼部60的外端部上。
压阻元件40设置在第一翼部50与第二翼部60之间。此外，设有与第一力导入区域59和第二力导入区域69力锁合地连接的、桥状构造的力分布装置70，其中力分布装置70具有与半导体本体30的表面35背离的第一面，所述第一面具有第三力导入区域79。第三力导入区域79优选居中地构造在第一力导入区域59与第二力导入区域69之间。
在第三力导入区域79上设置有力导入装置80。力导入装置80优选球形地构造并且优选由钢制成。在力测量时向力传感器施加的力的方向用箭头90表示。在优选梁状构造的力量分布装置70（优选由硅构成）与第一力导入区域59和第二力导入区域69之间分别构造有一个中间件100。优选地，中间件100由金构成。
应理解的是，力分布装置70的抗弯强度大于第一翼部50的抗弯强度和第二翼部60的抗弯强度。力分布装置70的刚性与第一翼部50或者第二翼部60的刚性相比越大，则力越好地传递到两个翼部上并且在压阻元件40内越好地建立机械应力。
在图2的示图中示出图1的力传感器10的分解示图。以下仅仅阐述与图1中的示图的区别。在力分布装置70的第一面上，第三力导入区域79被构造为用于容纳力导入装置80的第一空腔110。此外，在载体20的前侧25上构造有第二空腔120。第二空腔120的横向尺寸如此选择，使得第一翼部50和第二翼部60以及半导体本体30在第一翼部50与第二翼部60之间的容纳压阻元件40的区域构成无支承的板状结构。板状结构在两个彼此对置的侧上与设置在无支承的结构外部的半导体本体30连接，使得第一翼部50和第二翼部60以及无支承的结构构成十字形布置。半导体本体30具有板状的构造，即两个翼部的厚度相应于半导体本体30的厚度。
在图3的示图中示出力传感器10的第二实施方式。此外，在图4中示出图3的力传感器的分解示图。以下仅仅阐述图3和图4与前面的附图中的示图的区别。在载体20的前侧25上构造有第三空腔130。第三空腔130的横向尺寸如此选择，使得第一翼部50和第二翼部60以及半导体本体30在第一翼部50与第二翼部60之间的整个开槽区域是无支承。具有特别分明的十字形特征的板状结构在两个彼此对置的侧上在无支承结构外部与半导体本体30连接。
在图5的示图中示出用于测量大的力的力传感器10的实施方式。此外在图6中示出图5的力传感器的分解示图。以下仅仅阐述图5和图6与前面的附图中的示图的区别。在载体20的前侧25上现在没有构造空腔。由此，第一翼部50和第二翼部60以及半导体本体30的整个背面38置于载体20的前侧25上。在通过第一翼部50和第二翼部60进行力导入时，载体20和半导体本体30被直接凸地弯曲。可以特别成本有利地制造这种力传感器。应理解的是，载体20具有足够的弹性。
在图7的示图中示出在力作用的影响下图1的实施方式的力传感器10在纵向上的横截面。可以看到，借助于翼部的对称布置使两个翼部偏转并且在压阻元件建立大的机械应力。
图8的示图示出横向于力传感器10的纵向的截面的俯视图。以下仅仅阐述与前面的附图中的示图的区别。在此，力分布装置70的宽度选择得大于两个翼部的宽度，使得翼部在力作用的影响下被压入载体20的成形部中仅仅直至预给定的深度，即力分布装置70碰到半导体本体30的表面35。由此，力传感器10具有集成的过载保护。
图9的示图示出横向于力传感器10的纵向的截面的另一俯视图。以下仅仅阐述与前面的附图中的示图的区别。在此，力分布装置70的宽度选择得比两个翼部的宽度小。然而，载体20中的成形部的深度——即第二空腔120的深度或第三空腔130的深度选择得如此小，使得翼部在力作用的影响下被压入载体20的成形部中仅仅直至预给定的深度。接着，翼部端部碰到载体20。由此在力传感器10中可以构造第二类型的集成的过载保护。

Claims (15)

1.力传感器(10)，具有：
载体(20)，其具有前侧(25)和背侧(28)，
半导体本体(30)，其具有表面(35)和背面(38)和构造在所述半导体本体(30)的所述表面(35)上的压阻元件(40)，其中，所述半导体本体(30)与所述载体(20)力锁合地连接，
第一翼部(50)，其构造在所述半导体本体(30)的表面上并且具有上侧(35)和下侧(38)，其中，所述第一翼部(50)能够基本上沿着所述半导体本体(30)的所述表面(35)的法向量弹性运动，并且所述第一翼部(50)与所述半导体本体(30)力锁合地连接以及所述半导体本体(30)在所述第一翼部(50)运动时被构造为支座，并且在所述第一翼部(50)上构造有第一力导入区域(59)，
其特征在于，
与所述第一翼部(50)相对置地设置的第二翼部(60)构造有第二力导入区域(69)，并且
所述压阻元件(40)设置在所述第一翼部(50)与所述第二翼部(60)之间，并且
设置有与所述第一力导入区域(59)和所述第二力导入区域(69)力锁合地连接的、桥状构造的力分布装置(70)，其中，所述力分布装置(70)具有与所述半导体本体(30)的所述表面(35)背离的第一面，所述第一面具有第三力导入区域(79)。
2.根据权利要求1所述的力传感器(10)，其特征在于，所述第一翼部(50)和所述第二翼部(60)具有基本上相同的外部构型，并且所述第一力导入区域(59)设置在所述第一翼部(50)的外端部上并且所述第二力导入区域(69)设置在所述第二翼部(60)的外端部上。
3.根据权利要求1或2所述的力传感器(10)，其特征在于，所述第三力导入区域(79)居中地构造在所述第一力导入区域(59)与所述第二力导入区域(69)之间，并且所述第三力导入区域(79)具有用于容纳力导入装置(80)的成形部。
4.根据权利要求3所述的力传感器(10)，其特征在于，所述力导入装置(80)球形地构造并且由钢制成。
5.根据权利要求1或2所述的力传感器(10)，其特征在于，所述力分布装置(70)的抗弯强度大于所述第一翼部(50)的抗弯强度和所述第二翼部(60)的抗弯强度。
6.根据权利要求1或2所述的力传感器(10)，其特征在于，所述力分布装置(70)具有梁状构造的区域。
7.根据权利要求1或2所述的力传感器(10)，其特征在于，在所述力分布装置(70)与所述第一力导入区域(59)和所述第二力导入区域(69)之间分别构造有一个中间件(100)。
8.根据权利要求1或2所述的力传感器(10)，其特征在于，所述半导体本体(30)的位于所述第一翼部(50)与所述第二翼部(60)之间的部分被构造为无支承的板状结构并且容纳所述压阻元件(40)。
9.根据权利要求8所述的力传感器(10)，其特征在于，所述板状结构在两个彼此对置的侧上与设置在所述无支承的结构外部的半导体本体(30)连接，并且所述第一翼部(50)和所述第二翼部(60)以及所述无支承的结构形成十字形布置。
10.根据权利要求8所述的力传感器(10)，其特征在于，所述第一翼部(50)和所述第二翼部(60)位于所述载体(20)上。
11.根据权利要求1或2所述的力传感器(10)，其特征在于，所述第一翼部(50)和所述第二翼部(60)以及所述半导体本体(30)一体地构造。
12.根据权利要求1或2所述的力传感器(10)，其特征在于，所述第一翼部(50)的下侧和所述第二翼部(60)的下侧与所述载体(20)的距离用作相应的翼部(50，60)的偏转的限制。
13.根据权利要求1或2所述的力传感器(10)，其特征在于，在所述力分布装置(70)上设置有成形部，并且借助于所述成形部限制所述第一翼部(50)的偏转。
14.根据权利要求1或2所述的力传感器(10)，其特征在于，所述力分布装置(70)包括硅。
15.根据权利要求1或2所述的力传感器(10)，其特征在于，在所述半导体本体(30)的所述表面(35)上在离开所述第一翼部(50)的地方和在离开所述第二翼部(60)的地方构造有集成电路并且所述集成电路具有与所述压阻元件(40)的电有效连接。
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