CN107445133B - 对热机械封装应力具有低灵敏度的小型负荷传感器装置 - Google Patents

Abstract

一种对热机械封装应力具有低灵敏度的小型负荷感测装置(10)，布置在形成腔室(24)的封装(12)中。该封装(12)具有可变形衬底(21)，该可变形衬底被配置成在使用中通过外力而变形。传感器单元(11)与可变形衬底(21)直接接触，并且被配置为检测可变形衬底的变形。弹性元件(15)布置在腔室(24)内部并且作用在封装(12)和传感器单元(11)之间，以在传感器单元上产生保持传感器单元与可变形衬底接触的力。例如，可变形衬底是封装(12)的基部(21)，并且弹性元件是布置在所述封装(12)的盖(22)和传感器单元(11)之间的金属薄板(15)。传感器单元(11)可以是集成有压敏电阻器的半导体管芯。

Description

对热机械封装应力具有低灵敏度的小型负荷传感器装置

技术领域

本发明涉及一种对热机械封装应力具有低灵敏度的小型负荷传感器装置，特别是力和压力传感器。

背景技术

众所周知，微加工半导体装置的技术能够在层内制造微机械结构，其通常是半导体材料，是在牺牲层上沉积的(例如，多晶硅层)或生长的(例如，外延层)，然后通过刻蚀去除牺牲层。

例如，MEMS力或压力传感器装置是已知的，其包括集成在半导体材料的管芯中或管芯上的至少一个柔性膜，并且因外力的作用而引起的弯曲被测量。测量可以是压阻型，为此压敏电阻器集成在柔性膜中或柔性膜上，或者测量可以是电容类型，为此柔性膜电容耦合到管芯的另一导电区域。在任一种情况下，均测量由柔性膜的偏斜而导致的电信号的变化。

微集成传感器通常具有用于保护传感器的内部结构免受外部环境影响的容器或封装，例如以便减少由于温度和湿度引起的干扰，由于颗粒的存在而引起的干扰，防止它们的操作或恶化微集成传感器性能。封装还具有增加装置的机械强度的功能。

在MEMS装置中，封装的制造及其存在可能造成不利地影响传感器的性能、稳定性和可靠性的应力。

这对于例如基于硅的压阻特性的负荷传感器是特别不利的，其中应力直接参与到换能机制中。因此，目前在这些情况下，装置的设计目的在于限制由封装和装配过程引起的应力的影响，例如通过精确选择所使用的材料并考虑传感器和封装之间的机械耦合期间产生的影响。

由于管芯和封装的尺寸增加并且限制了3D封装技术使用，不期望的影响变得越来越重要。例如，在压力和力传感器中，并未使用通常在微电子学中采用的通过模制封装的简单技术，这是因为它们在树脂注入和冷却期间产生高应力。

此外，由于操作温度和材料老化的结果，也可能出现不期望的变形。

实际上，封装的材料(通常为塑料或金属)通常具有与结构的材料(单晶或多晶硅或陶瓷)的热膨胀系数显著不同的热膨胀系数。

焊接过程或温度变化因此可能在封装和传感器元件中引起不同的变形，这可能引起热机械应力和应变(例如，根据作为“管芯翘曲”而已知的现象)，这导致测量误差和漂移。这些误差还根据生产批次而变化，有时甚至在属于相同生产批次的传感器之间变化，并且随时间变化。

为了消除这些测量误差，在过去已经提出了宽范围的解决方案。

例如，已经提出并采用了低应力封装的各种解决方案。在这些解决方案的一些解决方案中，封装还包括用于将传感器与周围环境解耦合的机械结构。然而，这些解决方案并不能完全解决这个问题。

其他解决方案设想经由与结构相关联的读取接口(例如ASIC(专用集成电路))中的适当电子部件，对由微机械结构提供的措施的热漂移进行电子补偿。

这种类型的已知解决方案在与微机械结构相关联的读取电子设备中使用温度传感器。如果温度是知道的，则通过借助先前经由适当的校准和/或仿真程序获得的补偿曲线来对系统的漂移进行电子补偿。

然而，这种解决方案是麻烦的，因为它们需要昂贵且精细的测量程序以获得准确地映射传感器的热漂移的补偿曲线以及适当的补偿操作。此外，通常，所获得的精度并不能完全令人满意并且不是可重复。

其他提出的解决方案因此通过在微机械结构中引入结构补偿元件来提供热机械变形的集成补偿。同样这些解决方案也不能令人满意地解决问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服现有技术缺点的负荷传感器。

根据本发明，提供如所附权利要求中限定的负荷感测装置。

实际上，本装置通过检测负荷作用于其上的可变形衬底的变形来间接地检测负荷(其中该术语“负荷”意味着力、压力或扭矩)。传感器单元通过弹性或粘弹性元件保持与可变形衬底接触。

可变形衬底可以是保护传感器单元或布置在传感器单元中的封装的一部分。传感器单元可以是半导体材料管芯，或者是陶瓷或其他类似材料的膜，其能够与可变形衬底一起弯曲和经受变形，并且具有传感器元件，例如以惠斯通电桥配置连接的压敏电阻器。传感器单元通过布置在传感器单元和封装的内壁之间的弹性元件，而保持与可变形衬底弹性接触。

该装置还可以作为用于利用部件的变形和与该变形相关的力来检测其它物理量(例如运动)的间接传感器。

附图说明

为了更好地理解本发明，参考附图，现在仅通过非限制性的实例描述其优选实施例，其中：

-图1是本装置的一个实施例的横截面；

-图2是图1的装置的具有幻影部分的透视图；

-图3和图4是本装置的不同实施例的横截面；

-图5是本装置的另一实施例的一部分的透视截面图；

-图6是本装置的不同实施例的横截面视图；

-图7是本装置的不同实施例的透视横截面视图；

-图8-10是本装置的其它实施例的横截面；

-图11是本装置的又一实施例的分解透视图；

-图12和13示出了分别沿着图11的剖面线XII-XII和XIII-XIII 截取的横截面；以及

-图14和15是本装置的不同实施例的横截面视图。

具体实施方式

在附图中，在各图中从用于图1和图2的实施例的编号开始命名类似的元件，并且类似的元件每次增加20。因此，图1的装置整体用 10表示，图3的装置用30表示；图4的装置用50表示，等等。这同样适用于装置的各种部件。

图1和图2示出了形成负荷传感器的装置10，并且精确地示出了压力传感器、力传感器和扭矩传感器。装置10包括包围传感器管芯3 的封装12。帽14结合在传感器管芯13上，以在其间形成间隙16，并且布置在帽14和封装12之间的弹性元件15保持传感器管芯13就位，如下文详细解释的。传感器管芯13通过电连接17电连接到外部。

封装12包括基部21、侧壁22和盖23，整体形成基本上中空的平行六面体形状，其界定了腔室24。腔室24具有表面23A，此处表面23A由盖23的内侧形成，其用作弹性元件15的对比元件。封装 12可以是任何合适的材料，以本身已知的方式，例如金属或陶瓷。各种部件甚至可以是彼此不同的材料。

封装12的基部21支撑传感器管芯13并与其直接接触。因此，基部21限定可变形衬底，其变形由传感器管芯13测量。基部21可以承载导电线25，例如印刷在柔性衬底或基部21上的路径、导线、包括导体的柔性条等，它们在基部21上并且通过侧壁22中的一个或多个开口26而朝向装置1的外部延伸。

侧壁22和盖23可以制成为单件，例如通过模制或锻造，或者可以由通过胶合或焊接而结合在一起的单独部件形成。侧壁22通常结合到基部21，但是如果盖23是与侧壁22分离的元件，则可以与上述类似地制成单件。可以例如使用玻璃料或能够承受弹性元件15的负荷的一些其它类型的胶，优选弹性类型的，经由结合区域(未示出) 来获得侧壁22与基部21和盖23之间至少一个区域的结合。此外，侧壁22也可以通过接头连接到基部21和盖23之间的至少一处，以便确保随时间的结合。

在腔室24内的传感器管芯13是半导体材料管芯，例如硅，其具有平行六面体形状，该平行六面体形状具有与基部21直接接触的第一面13A和结合到帽14的第二面13B。

传感器管芯13被配置为间接地检测作用在封装12上的力。例如，传感器管芯13可以如US 8,575,710中所描述的来制造。为此，传感器管芯13具有小厚度，例如100μm，以便容易变形和弯曲，如下文更详细地解释的。此外，传感器管芯13集成了检测传感器管芯13的变形的传感器元件。例如，以已知方式，在仅示意性示出的传感器管芯13的第二面13B附近，传感器管芯13容纳压敏电阻器27，该压敏电阻器27仅示意性地表示并且以本身已知的方式以惠斯通电桥配置连接在一起。传感器管芯13还可以容纳另外的集成处理部件(未示出)。

压敏电阻器27和可能的另外部件通过接触焊盘(不可见)耦合到外部，并且布置在传感器管芯13的第二面13B上以及经由导线28 连接到导电线25。接触焊盘(不可见)、导线28和导电线25形成电连接17。

帽14由基本上刚性的主体形成，例如是平行六面体形状。帽14 还可以由半导体材料的管芯形成，通常是未加工的管芯，其具有比管芯3更大的厚度，以便优选地在没有变形情况下能够承受弹性元件15 的负荷。例如，帽14可以具有大约300有大的深度。此外，在所示的实施例中，帽14具有比传感器管芯13更小的面积。例如，传感器管芯13可以具有大约660有大的长度(在图2的X轴方向上)，帽 14可以在X方向上具有大约510具有的长度，使得导线28可到达接触焊盘(不可见)以进行电连接。传感器管芯13和帽14可以具有相同的宽度(沿图2的Y轴方向)，例如600，例。备选地，传感器管芯13和帽14可以具有相同的宽度和长度，并且帽14的一部分可以被移除，以释放接触焊盘(不可见)并且实现电连接。

帽14经由例如玻璃料的焊接或粘合层29结合到传感器管芯13，该焊接或粘合层29具有环形、四边形形状，并且形成横向限定帽14 和传感器管芯13之间间隙16的垫片。粘合层29的厚度(对应于间隙16的深度)实际上决定了传感器管芯13的最大偏斜，因此确定了其满量程。例如，粘合层29可以具有10具有的厚度。

传感器管芯13和帽14因此形成传感器单元1。

弹性元件15此处由弯曲弹簧(更确切地是拱形条形式的板簧) 形成，其具有两个端部15A和中心区域15B。板簧15例如由钢制成，例如由弹簧钢制成，并且板簧15尺寸被设计成使其端部15A抵靠盖 23的表面23A，并且其中心区域15B抵靠在盖14的顶侧。备选地，作为弹性元件，也可以使用具有面向帽14的凸面和类似于图1中可见的横截面的圆盘形状的盘形弹簧。

以这种方式，板簧15通过帽14将传感器管芯13保持就位，直接接触基部21。因此，作用在基部21上并导致基部21变形的外力和待测负荷被传递到相应地翘曲的传感器管芯13上。传感器管芯13的变形以已知的方式由压敏电阻器27检测，压敏电阻器27产生经由电连接17供应到外部的相应电信号。

另一方面，在传感器管芯13和基部21之间，并不存在可能产生随时间和温度变化的杂散(spurious)应力并且因此篡改测量结果的异物。

特别地，申请人的研究已经表明，传感器管芯13的弹性结合使得能够在外部信号中获得高稳定性，如下文提供的表I所示。详细地，表I示出了通过在基部21上施加不同的负荷(外力F，以bar表示) 而进行的仿真结果，其中S0(20)、S0(120)是在如下传感器管芯 S0中检测的输出电压，该传感器管芯S0是在已知的封装中分别在20 ℃和120℃下通过胶层而被结合；S1(20)、S1(120)是在与管芯 S0相同的传感器管芯S1中检测到的输出电压，但是该传感器管芯S1 分别在20℃和120℃下封装，如图1和图2所示(以mV/V表示)。

可以注意到，传感器管芯S1的输出在温度上明显比传感器管芯 S0更稳定。

申请人的其他仿真已经示出传感器管芯13精确地跟随基部21在垂直方向Z(垂直于在未变形状态下的传感器管芯13的第一面13A 的平面)上的偏斜，但是在横向方向上，在X或Y方向(平行于在未变形状态下的传感器管芯13的第一面13A的平面)上与基部21 解耦合。因此，传感器管芯13可以独立于基部21，而作为施加负荷或温度的结果横向膨胀。因此，在传感器管芯13和基部21之间横向方向上的任何可能的不同热膨胀系数或任何可能的不同变形，并未产生可能危及对在垂直于基部21的方向施加力的读取的可测量应力。

图3示出了包括传感器单元31的装置30，传感器单元31通过粘弹性材料(例如橡胶)的O型环类型的弹性环35而保持与封装32 的基部41接触。

封装32例如是金属的，并且包括通过粘合材料45结合到基部41 的杯形盖42。还可以提供用于相互约束基部41和盖42(未示出)的装置。盖42限定容纳传感器单元31的腔室44。盖42可以具有柱形形状，外径为3mm，腔室44的直径为2mm，并且还具有用于电连接 37的通道的狭缝38。

此处传感器单元31包括容纳传感器管芯33的陶瓷壳体46。详细地，陶瓷壳体46包括膜47、垫片48和盖板49，所有这些都是陶瓷的并且结合在一起。膜47通常具有小厚度，例如100μm，以便能够与基部41一起翘曲。此处传感器管芯33例如通过通常用于焊接电子部件的类型的适当金属合金(软焊料)，例如SnAg，而焊接到膜47。以这种方式，由于陶瓷和硅具有类似的热膨胀系数，并且使用适当的材料焊接，所以为了检测负荷的目的，传感器管芯33和膜47表现为单体。

弹性环35此处弹性地按压传感器单元31使之与封装32的基部 41直接接触。这样，基部41和膜47经历相同的偏斜，使得能够最佳地向传感器单元40传递作用在基部41上的垂直方向上的力和负荷。在陶瓷的膜47和硅的传感器管芯33(如所述硅和陶瓷是具有类似热膨胀系数的材料)之间的匹配，确保了优良和恒定的应力传输以及装置30的高灵敏度，直到30kN范围内的力的值。

图4示出了装置50，其中传感器单元51再次经由弹性环55而保持为与封装62的基部61接触。在装置50中，传感器单元51包括例如陶瓷的膜67，在膜67上形成连接到电子处理电路(例如附接到膜 67的ASIC)的压敏电阻器63(例如丝网印刷电阻器)。对比元件59 也附接在膜67上，并且弹性环55放置在对比元件59上。对比元件 59可以是陶瓷或其他刚性且不容易压缩的材料。在该实施例中，传感器单元51没有内壳。

此处，封装52也可以具有柱形形状，具有用于通过电连接57的狭缝58。在图4中，进一步地，基部61是杯形的，并且页形成侧壁，该侧壁与盖62一起限定容纳传感器单元51的腔室64。

同样在图4的实施例中，膜67通过弹性环55与基部61保持接触。直接形成在膜67上的压敏电阻器63因此可以检测因基部61的类似弯曲和由于从外部作用的力而引起的膜67的弯曲。同样在这种情况下，装置50能够检测高达30kN的外力。

图5示出了具有传感器单元71、封装72的装置70，封装72包括基部81和盖82，盖82是杯形的以便与基部81一起限定腔室84。

传感器单元71在此包括传感器管芯73、结合区域88和对比板 89，传感器单元71与弹性环75一起容纳在腔室84中。

详细来说，传感器管芯73直接放置在基部81上，并且此处形成为陶瓷管芯，包括例如由Microtel制造类型或者如US 8,878,313中所述的压敏电阻器(未示出)。

例如玻璃料的结合区域88此处具有环形形状，并且用作垫片，该垫片与覆层对比板89形成间隙76。

对比板89也是陶瓷的，并且可以具有完整的盘形状(如在所示的实施例中)或仅仅是环形形状。

电子信号处理电路(例如，ASIC 74)可以结合到对比板89并且通过电连接(未示出)而连接到传感器管芯73和外部。

传感器管芯73具有穿过结合区域88和对比板89直到ASIC 4的接触(未示出)。

类似于先前的解决方案，弹性环75通过对比板89和结合区域88 而抵靠着基部81来按压传感器管芯73，使得传感器管芯73能够检测基部81的任何可能偏斜。因此，装置70也能够检测高达30kN的外力。

图6示出了类似于图1和图2的装置90的实施例，其中此处用 94表示的帽经由结合区域109结合到此处用93表示的传感器管芯，以形成传感器单元91。板簧95经由盖94朝向封装92的基部101按压传感器管芯93。凝胶体99包围传感器管芯93、盖94的一部分和电连接97的一部分。此处，压敏电阻器由107表示。

凝胶体99可以是在半导体工业中通常称为“球形顶部”的材料或者诸如硅凝胶的较软材料，以便不引起应力。

此处的电连接97包括结合导线108和由容纳例如铜的电导体的柔性区域(例如卡普顿(kapton))形成的导电结构105。连接结构 105从封装92的腔室104延伸通过盖102中的开口106，此处是金属的以及是杯形的。

在该实施例中，凝胶体99有助于将传感器管芯93保持在正确的位置，与封装92的基部101接触。凝胶体99进一步将电连接97结合到基部101。

图7示出了类似于图6实施例的实施例，其中例如凝胶的粘性物质119完全包围传感器管芯113和盖114，以及布置在器件110的腔室124中的电连接117的部分。粘性物质119因此覆盖形成在传感器管芯113的顶表面上的接触焊盘118、导线128、以及电互连117的导线125的一部分。

此处，弹性元件由板簧115形成，例如弓形钢带，其布置在粘性物质119上并且通过粘性物质119和帽114抵靠着封装112的基部121 按压传感器管芯113。实际上在制造期间，在将传感器单元111布置在封装112的基部121上并形成电连接117之后，将粘性物质119以液体或半液体形式注入，然后布置板簧115，最后焊接盖122。

粘性物质119可以由硅树脂形成，并且除了将传感器管芯113保持在与基部121接触的位置之外，粘性物质119保护传感器单元111 不与板簧115接触。

以这种方式，通过减少板簧115和传感器单元111之间的触点中裂纹成核的风险，传感器单元111的寿命得以延长。此外，利用该实施例，不存在传感器单元111或板簧115的侵蚀的风险。

图8示出了类似于图7的装置110的装置130，其中粘性物质139 (此处也是凝胶)同样封包板簧115的一部分。在这种情况下，在制造期间，在将传感器单元131布置在封装132的基部141上并且形成电连接137(例如，经由使用金属例如金的导线140和板145)之后，将板簧115放置在传感器单元131上，然后浇注粘性物质139，最后焊接帽142。

图9示出了类似于图1的装置10的装置150，其中弹性元件，此处也是条形板簧155，具有与传感器单元151接触的多个触点。特别地，在所示的示例中，板簧155形成一系列凹陷，此处是两个凹陷155B，与传感器单元151接触，该一系列凹陷通过向上突出部分连接，此处是一个突出部分155C，该向上突出部分可以与封装152的盖162接触或不接触。

盖154可以从具有四边形区域的单个主体获得，如图1中，或者通过对比环(如图9所示，其在横截面中表示两个部分)形成，或者由与触点一样多的多个单独对比部分形成。

同样在该解决方案中，可以提供粘性物质(未示出)。

当传感器单元151或传感器管芯153非常大，尺寸与封装152(后者例如为10mm如为与封装的数量级)相当的尺寸时，该解决方案可证明是有用的。在这种情况下，不同触点的存在提高了基部161和传感器管芯153之间接触表面的质量，这是因为板簧155的作用被施加到各种触点。以这种方式，还可以增加系统的灵敏度，这是因为可以使用更薄和更长的传感器管芯153。

图10示出了装置170，其中弹性元件由粘性物质175形成，粘性物质175填充整个腔室184并且保持传感器单元171与封装172的基部181接触。

粘性物质175可以是例如硅橡胶，在密封封装172之后通过例如在盖182中的适当第一开口116，以液相注入腔室184中。可以提供例如也制作在盖182中的第二开口119，以便在注入粘性物质175期间从腔室184吸入空气。

在图10中，传感器单元171是图1和图2中所示的类型，但也可以是图3-5中任一个的类型。

在该实施例中，粘性物质175在有利于传感器单元171粘附到封装172的基部181时是特别有效的，并且因此当在其上施加负荷时，使得传感器单元171能够跟随基部181的偏斜。此外，该组件特别简单并且便宜。

图11-13示出了装置190，其中弹性元件由成形的金属薄板195 形成。例如，成形金属薄板可以由厚度为0.2mm的激光切割的弹簧钢薄板形成。

详细地，成形金属薄板195包括外框架195A、中心部分195B和在外框架195A和中心部分195B之间延伸的多个臂195C。在所示的实施例中，外框架195A具有开口的环形矩形形状，其外周长大致等于盖202的外周长，在此为杯形，并且结合在盖202和基部201之间。外框架195A还具有与盖202的开口206对应的开口195D。

成形金属薄板195的中心部分195B在此具有基本上矩形的形状。臂195C，此处是四个臂195C，是L形的，并且每个臂195C从外框架195A的不同侧延伸直到中心部分195B的相应侧或边缘。

成形金属薄板195的中心部分195A放置在传感器单元191上，此处例如仅包括传感器管芯193，并且具有这样的尺寸，该尺寸使得除了形成接触焊盘198的部分以使得能够访问接触焊盘198并且结合到结合导线208(图12)之外，实际上覆盖了传感器管芯193的整个区域。

此处的电连接197包括柔性导体205，柔性导体205包括柔性材料条，例如kapton，容纳与图2所示类似的电导体(例如铜)，柔性导体205连接到结合导线208。柔性导体205在基部201上延伸并且通过成形弹性薄板195的外框架195中的盖202和195D中的开口206。

在组装期间，成形弹性薄板195被布置在传感器管芯193上，中心部分195B与其接触。由于传感器单元191的厚度，盖202的结合因此导致臂195C的变形(由于臂195C的小宽度，例如100μ0而容易变形)，这例如可以特别地从图12和图13注意到。成形弹性薄板 195可以通过焊接点结合到基部201和盖202，并且保持传感器单元 191与基部201接触，使得作用在基部201上的力能够相互耦合和测量。

图14示出了布置在第一部分300和第二部分310之间的装置210，其可以相对于彼此平移。例如，两个部分300和310可以具有柱形形状，相对于中心轴线A1对称，仅在图14中示出截面的一半。

特别地，第一部分300此处由圆形的第一基部222和柱形壁223 形成。第二部分310可以包括圆形的第二基部221，其直径基本上等于柱形壁223的内径，以能够在其中平行于中心轴线A1移动，如箭头M所示。第一基部222和第二基部221具有各自相互面对且平行的面222A，221A，它们与柱形壁223一起限定腔室214。此处，面 222A，221A垂直于中心轴线A1延伸。

例如由钢制成的杯形垫片320布置在腔室214内。杯形垫片320 包括盘形平面部分321；朝向部分300、310中的一个延伸的中心突出部分322，此处是朝向第二基部221的面221A延伸；以及外围突出部分323，其朝向部分300、310中的另一个延伸，此处是朝向第一基部222的表面222A延伸。

例如陶瓷的并且具有圆形形状的膜315与杯形垫片320的一侧接触，此处该杯形垫片320的一侧朝向第一基部222的面222A，相对于装置210的中心轴线A1偏心。传感器管芯213例如经由玻璃料附着而结合到膜315。膜315可以具有100μ0的厚度，使得其可以容易翘曲。具有例如100具有厚度的传感器管芯213集成压电电阻器(未示出)，并且通过导线228和电连接(未示出)连接到处理电路(未示出，例如ASIC)。

备选地，膜315可以具有丝网印刷电阻器并且可以直接连接到 ASIC处理芯片。

例如陶瓷的环形垫片316外围地放置在膜315上，并且弹性环或 O形环215布置在环形垫片316和第一基部222的表面222A之间。在一个变型中，环形垫片316可以不存在。

此处，膜315、传感器管芯213和可能的环形垫片320形成传感器单元211。类似的传感器单元可以以未示出的方式镜面地布置在中心轴线A1的右侧。此外，部分300、310和杯形垫片320形成封装 212，封装212限定容纳传感器单元211和弹性元件(弹性环215)的腔室214。

在使用中，两个部分300和310之间相互接近的运动M在杯形垫片320的外围突出部分323上产生力F1，该力如虚线所示变形。弹性环215保持膜315与杯形垫片320接触，引起膜315和传感器管芯 213的类似变形，通过其压敏电阻器检测变形程度并因此检测施加的力。

图15示出了与图14类似地操作的装置230，其中两个部分 400,410关于中心轴线A2对称，该中心轴线A2形成封装232的对称轴线并延伸通过传感器单元231。此处，U形垫片320由不对称的S 形板420代替，并且在膜415上设置压敏电阻器247，例如丝网印刷电阻器。

如图14所示，装置230具有例如陶瓷的环形垫片416，环形垫片 416外围地放置在膜415上。此外，弹性环235布置在环形垫片416 和第一部分400之间。

本文所述的装置具有许多优点。

特别地，在传感器单元和可变形衬底(基部、垫片或管芯)之间不产生残余应力，这是因为两个部件没有焊接在一起。此外，由于传感器单元和可变形衬底没有焊接在一起，没有部件经受应力集中。这使得能够显着增加装置的操作范围。此外，在温度梯度的情况下，本装置不会因被刚性地约束在一起的具有不同膨胀特性的材料而承受应力。

最后，显然可以对在此描述和示出的装置进行修改和变化，而不脱离如所附权利要求中限定的本发明的范围。例如，所描述的各种实施例可以被组合以提供进一步的解决方案。

此外，在其中帽被结合到传感器管芯的解决方案中，总的效果可以由单个半导体管芯替代，容纳限定形成柔性膜的管芯部分的掩埋空腔，如对于MEMS空腔是已知的。可以经由集成在膜中的压敏电阻器或者经由根据不同物理原理操作的其它感测部件，例如以电容方式，来检测膜的偏斜。在这种情况下，管芯可以颠倒布置，使得膜与基部、膜或其它可变形衬底接触，并且可以提供导电通孔(例如，所谓的直通硅通孔)，以及与管芯的背面形成电连接。

Claims (21)

1.一种负荷传感器装置，包括：

封装(12；32；52；72；92；112；132；152；172；192；212；232)，其形成腔室(24；44；64；84；104；124；184，194；214)并且具有被配置为在使用中通过力而变形的可变形衬底(21；41；61；81；101；121；141；161；181；201；320；420)；

传感器单元(11；31；51；71；91；111；131；151；171；191；211；231)，其与所述可变形衬底直接接触，并且被配置为检测所述可变形衬底的变形；以及

弹性元件(15；35；55；75；95；115；135；155；175；195；215；235)，其布置在所述腔室内并作用在所述封装和所述传感器单元之间，所述弹性元件被配置为在所述传感器单元上，产生保持所述传感器单元与所述可变形衬底接触的力。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感器单元(11；71；111；131；151；171；191；211)包括半导体材料或者陶瓷的传感器管芯(13；73；113；133；153；173；193；213)，所述传感器管芯具有与所述可变形衬底(21；81；121；141；161；181；201；315)接触的第一面(13A)并且承载变形感测元件(27；107)。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述变形感测元件是压敏电阻器(27；107)。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其中所述传感器管芯(13；73；113；133；153；173；193；213)具有第二面(13B)，并且主体(14；89；94；114；134；154；174)被布置在所述传感器管芯和所述弹性元件(15；75；95；115；135；155；175)之间，所述主体具有比所述管芯更大的刚度，其中所述传感器管芯和所述主体限定在所述传感器管芯和所述弹性元件之间的间隙(16；76)。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述弹性元件(15；35；55；75；95；115；135；155；175；195；215；235)选自弹簧元件、弹性环和粘弹性凝胶。

6.根据权利要求5项所述的装置，其中所述弹簧元件(15；95；115；135；155)是条形或杯形金属薄板。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述弹性元件还包括包围所述传感器单元(91；111；131)并且布置在所述传感器单元(91；111；131)和所述封装(92；112；132)之间的粘性物质(99；119；139)。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述粘性物质(139)包围所述弹性元件(135)的至少一部分。

9.根据权利要求7所述的装置，其中所述粘性物质(139)布置在所述弹性元件(115)和所述传感器单元(111)之间。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述封装(12；32；52；72；92；112；132；152；172；212；232)包括结合到基部(21；41；61；81；101；121；141；161；181)的盖(22；42；62；82；102；122；142；162；182)，所述基部形成所述可变形衬底，并且所述盖形成用于所述弹性元件(15；35；55；75；95；115；135；155；175)的对比表面。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感器单元(31；51)包括承载变形感测元件(33；63)的柔性膜(47；67)，所述弹性元件(35；55)作用在所述封装(32；52)和所述柔性膜之间。

12.根据权利要求11所述的装置，包括包围所述变形感测元件(33；63)的对比元件(48，49；59)，并且所述弹性元件(35；55)布置在所述对比元件和所述封装(32；52)的内表面之间。

13.根据权利要求11或12所述的装置，其中所述弹性元件是弹性环(35；55)。

14.根据权利要求1-3和11-12中任一项所述的装置，其中所述弹性元件(175)是完全填充所述腔室(184)的粘弹性物质。

15.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述弹性元件是成形板(195)，所述成形板包括外围部分(195A)、中心部分(195B)以及将所述外围部分耦合到所述中心部分的多个臂(195C)，其中所述中心部分放置在所述传感器单元(191)上，并且所述外围部分在与所述可变形衬底(201)相距一定距离处被所述封装(192)阻挡，所述一定距离小于所述传感器单元的高度。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述封装(192)包括结合到所述可变形衬底(201)的盖(202)，并且所述外围部分(195A)结合在所述盖和所述可变形衬底之间。

17.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述封装(212；232)包括第一部分(300；400)和第二部分(310；410)，所述第一部分和第二部分相对于彼此可移动并且限定所述腔室(214)，所述第一部分的内侧形成对比表面；所述可变形衬底(320；420)是非平面元件，具有与所述传感器单元(211；231)接触的支撑部分(321)，朝向所述第一部分延伸的第一突出部分(323)，以及朝向所述第二部分延伸的第二突出部分(322)；所述传感器单元包括承载变形感测元件(213；247)的柔性膜(315；415)，并且所述弹性元件(215；235)布置在所述对比表面和所述传感器单元之间。

18.根据权利要求17所述的装置，其中所述可变形衬底是具有形成所述第一突出部分的外围部分(323)和形成所述第二突出部分的中心部分(322)的杯形垫片(320)，并且所述弹性元件(215)是布置在所述对比表面和所述柔性膜(315)之间的弹性环。

19.根据权利要求17所述的装置，其中所述可变形衬底是S形垫片(420)，并且所述弹性元件(235)是布置在所述对比表面和所述柔性膜(415)之间的弹性环。

20.一种负荷传感器装置，包括：

封装(12；32；52；72；92；112；132；152；192)，其具有可变形基部(21；41；61；81；101；121；141；161；201)和限定腔室(24；44；64；84；104；124；184；194；214)的盖(22；42；62；82；102；122；142；162；182)，所述可变形基部被配置为在使用中通过待测量的力而变形；

传感器单元(11；31；51；71；91；111；131；151；191)，其与所述可变形基部直接接触并且被配置成检测所述可变形基部的变形；

弹性弹簧元件(15；35；55；75；95；115；135；155；195)，位于所述腔室内部，并且作用在所述封装和所述传感器单元之间，所述弹性弹簧元件被配置为在所述传感器单元上，产生保持所述传感器单元与所述可变形基部接触的力。

21.根据权利要求20所述的装置，其中所述传感器单元(11；71；91；111；131；151；191)包括半导体或陶瓷材料管芯(13；73；93；113；133；153；193)，所述半导体或陶瓷材料管芯在没有材料插入的情况下与所述可变形基部(21；81；101；121；141；161；201)直接接触，并且承载变形感测元件(27；107)。

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