DE102020108242A1 - Mounting carrier for MEMS modules - Google Patents

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DE102020108242A1
DE102020108242A1 DE102020108242.8A DE102020108242A DE102020108242A1 DE 102020108242 A1 DE102020108242 A1 DE 102020108242A1 DE 102020108242 A DE102020108242 A DE 102020108242A DE 102020108242 A1 DE102020108242 A1 DE 102020108242A1
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Gregor Woldt
Werner Schneider
Michael Schreiber
Roland Mielke
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Viimagic De GmbH
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    • H10N30/302Sensors

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Montageträger für MEMS Baugruppen, wie Drucksensoren, die beim Einsatz rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, umfassend ein MEMS-Montagerohr/Carrier mit einer Druckzuführung zur Verbindung mit einer zu überwachenden Druckquelle und einem stirnseitig auf dem Montagerohr befestigten MEMS-Drucksensor, sowie einen das MEMS-Montagerohr umgebenden und an diesem befestigten Carrier-Montagering zur Aufnahme eines Schaltungsträgers. Durch die Erfindung soll ein kostengünstig herzustellender Montageträger für MEMS Baugruppen mit verbesserten Sensorischen Eigenschaften geschaffen werden. Erreicht wird das dadurch, dass das MEMS-Montagerohr (2) dem CTE des MEMS-Drucksensors (1) angepasst ist und aus einem Werkstoffverbund, bestehend aus einem Polymerwerkstoff und einer anorganischen Komponente (z.B. Glas oder Keramik) besteht und dass der das MEMS-Montagerohr (2) umgebende Carrier-Montageträger (5) dem CTE des PCB-Schaltungsträgers (4) angepasst ist und mindestens aus einem Polymerwerkstoff besteht.The invention relates to a mounting support for MEMS assemblies, such as pressure sensors, which are exposed to harsh environmental conditions during use, comprising a MEMS mounting tube / carrier with a pressure supply for connection to a pressure source to be monitored and an MEMS pressure sensor attached to the front of the mounting tube, as well as a The carrier mounting ring surrounding the MEMS mounting tube and attached to it for receiving a circuit carrier. The aim of the invention is to create a mounting support for MEMS assemblies with improved sensory properties that can be produced at low cost. This is achieved in that the MEMS mounting tube (2) is adapted to the CTE of the MEMS pressure sensor (1) and consists of a material composite consisting of a polymer material and an inorganic component (e.g. glass or ceramic) and that the MEMS The carrier assembly support (5) surrounding the mounting tube (2) is adapted to the CTE of the PCB circuit support (4) and consists of at least one polymer material.

Description

Die Erfindung betrifft einen Montageträger für MEMS Baugruppen, wie beispielsweise Drucksensoren, die beim Einsatz rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, wie das bei Drucksensoren in Kraftfahrzeuganwendungen o.dgl. der Fall ist, umfassend ein MEMS-Montagerohr als Bestandteil eines Carriers mit einer Druckzuführung zur Verbindung mit einer zu überwachenden Druckquelle und einem stirnseitig auf dem MEMS-Montagerohr befestigten MEMS-Drucksensor, sowie einen das MEMS-Montagerohr umgebenden und an diesem befestigten Carrier-Montageelement.The invention relates to a mounting support for MEMS assemblies, such as pressure sensors that are exposed to harsh environmental conditions during use, such as pressure sensors in motor vehicle applications or the like. is the case, comprising a MEMS mounting tube as part of a carrier with a pressure feed for connection to a pressure source to be monitored and a MEMS pressure sensor attached to the front of the MEMS mounting tube, as well as a carrier mounting element surrounding the MEMS mounting tube and attached to it .

MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) Module, wie Drucksensor-Module sind in unterschiedlicher Ausführung von verschiedenen Herstellern bekannt geworden und enthalten einen Bauteilträger / Carrier, der über eine Druckzuführung mit einer Quelle für Druckänderungen einerseits und mit dem Drucksensor andererseits verbunden ist, der wiederum über elektrische Verbindungen mit einer Schaltung zur Signalverarbeitung/Speicherung verbunden ist. Die Schaltung zur Signalverarbeitung befindet sich dabei entweder unmittelbar mit auf dem Schaltungsträger, z.B. einer Leiterplatte (PCB), oder ist in einer entfernten separaten Baugruppe untergebracht.MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) modules, such as pressure sensor modules, are known in different designs from different manufacturers and contain a component carrier that is connected via a pressure feed to a source for pressure changes on the one hand and to the pressure sensor on the other hand is in turn connected via electrical connections to a circuit for signal processing / storage. The signal processing circuit is either located directly on the circuit carrier, e.g. a printed circuit board (PCB), or is housed in a separate, remote assembly.

Für die Detektion von Druckänderungen werden gewöhnlich Membranen genutzt, die Bestandteil der MEMS sind und bei denen eine Seite der Membran den Druckänderungen ausgesetzt ist und die andere Seite der Membran wird mit einem definierten Druck beaufschlagt. Die Bewegungen der Membran werden beispielsweise mit Hilfe eines piezoelektrischen Elementes, das mit der Membran verbunden ist, in elektrische Signale umgewandelt.For the detection of pressure changes, membranes are usually used which are part of the MEMS and in which one side of the membrane is exposed to the pressure changes and the other side of the membrane is subjected to a defined pressure. The movements of the membrane are converted into electrical signals, for example with the aid of a piezoelectric element that is connected to the membrane.

Das gemeinsame Problem dieser MEMS Baugruppen besteht darin, dass diese rauen Umgebungsbedingungen und insbesondere starken Temperaturänderungen ausgesetzt sein können, die von weit unter dem Gefrierpunkt bis zur Betriebstemperatur eines Verbrennungsmotors o.dgl. reichen können. Diese Temperaturänderungen können dabei innerhalb kurzer Zeit auftreten. Die damit zwangsläufig entstehenden thermomechanischen Spannungen an den Verbindungsstellen infolge unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Bestandteile des Moduls (MEMS, Montagerohr, Carrier-Montageelement) können die Lebensdauer der MEMS Module negativ beeinflussen, oder zumindest das Messergebnis verfälschen. Insbesondere können sich die Verbindungsstellen infolge unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der miteinander verbunden Einzelteile nach längerer Einsatzzeit lösen.The common problem with these MEMS assemblies is that they can be exposed to harsh environmental conditions and, in particular, strong temperature changes that range from well below freezing point to the operating temperature of an internal combustion engine or the like. can range. These temperature changes can occur within a short time. The thermomechanical stresses that inevitably arise at the connection points as a result of the different expansion coefficients of the individual components of the module (MEMS, mounting tube, carrier mounting element) can negatively affect the service life of the MEMS modules or at least falsify the measurement result. In particular, as a result of different expansion coefficients of the individual parts connected to one another, the connection points can loosen after a long period of use.

Es versteht sich, dass sich solche Probleme nicht nur auf Drucksensoren beschränken, sondern auch bei anderen MEMS Modulen, wie Temperatursensoren usw., mit ähnlichen Auswirkungen, auftreten können.It goes without saying that such problems are not limited to pressure sensors, but can also occur with other MEMS modules, such as temperature sensors etc., with similar effects.

So geht aus der US 6 148 673 A ein Differenzdrucksensor hervor, der aus einem Sensorchip mit einer Membran, sowie einer Kavität unter der Membran besteht, der über eine dünne eutektische Schicht mit einer Bondfläche einer Montageplatte verbunden ist, wobei die Montageplatte mit einer Druckzuführung unterhalb der Membran des Sensorchips versehen ist. Die durch die Druckänderungen bewirkten Bewegungen der Membran werden durch ein Piezoelement erfasst, das mit der Membran mechanisch verbunden ist und als elektrische Signale zu einer Signalverarbeitungsschaltung weitergeleitet.So goes from the U.S. 6,148,673 A A differential pressure sensor emerges, which consists of a sensor chip with a membrane, as well as a cavity under the membrane, which is connected via a thin eutectic layer to a bonding surface of a mounting plate, the mounting plate being provided with a pressure feed below the membrane of the sensor chip. The movements of the membrane caused by the pressure changes are recorded by a piezo element that is mechanically connected to the membrane and passed on as electrical signals to a signal processing circuit.

Zwischen dem Sensorchip und der Montageplatte befindet sich eine Gold-Germanium-Auflage, wobei die Montageplatte aus einer Legierung besteht, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient (CTE: Coefficient of Thermal Expansion) mit demjenigen des Sensorchips weitgehend übereinstimmt. Eine Pufferschicht ist somit in diesem Fall nicht notwendig.There is a gold-germanium layer between the sensor chip and the mounting plate, the mounting plate being made of an alloy whose coefficient of thermal expansion (CTE: Coefficient of Thermal Expansion) largely corresponds to that of the sensor chip. A buffer layer is therefore not necessary in this case.

Die ganze Anordnung wird zu deren Schutz durch ein Gehäuse umschlossen.The whole arrangement is enclosed by a housing to protect it.

In der US 5 600 071 A wird eine Sensoranordnung mit einem Absolutdrucksensor mit einem ähnlichen Aufbau in einem Gehäuse beschrieben, die aus einem Basissubstrat aus einem Halbleitermaterial, wie Silizium oder Galliumarsenid und einem darauf befestigten Deckelsubstrat aus dem gleichen Material besteht. Das Basissubstrat enthält eine Membran mit einem Piezoelement und eine darunter befindliche Kavität, die mit einem Druckanschluss versehen ist. Das Basissubstrat und das Deckelsubstrat sind durch anodisches Bonden oder durch eine Bondschicht aus einem anorganischen Glas miteinander verbunden. Für die elektrische Verbindung mit einer Schaltung zur Signalverarbeitung o.dgl. sind metallische Leiter vorgesehen, die sich durch das Gehäuse erstrecken und die über Drahtbrücken mit entsprechenden Kontakten des Piezoelementes verbunden sind.In the U.S. 5,600,071 A describes a sensor arrangement with an absolute pressure sensor with a similar structure in a housing, which consists of a base substrate made of a semiconductor material, such as silicon or gallium arsenide, and a cover substrate made of the same material and fastened thereon. The base substrate contains a membrane with a piezo element and a cavity underneath which is provided with a pressure connection. The base substrate and the cover substrate are connected to one another by anodic bonding or by a bonding layer made of an inorganic glass. For electrical connection with a signal processing circuit or the like. Metallic conductors are provided which extend through the housing and which are connected to corresponding contacts of the piezo element via wire bridges.

Die Sensoranordnung ist auf einen Chipträger mit Hilfe einer Bondschicht montiert, die Bleiglas, ein Gold/Silizium Eutektikum, ein Blei/Zinn-Lot, ein Epoxydharz, oder ein Elastomer usw. umfasst. Dadurch wird ein Ausgleich der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Chipträger und dem Basissubsubstrat erreicht, jedoch ist eine derartige Konstruktion recht aufwändig.The sensor arrangement is mounted on a chip carrier with the aid of a bond layer, which comprises lead glass, a gold / silicon eutectic, a lead / tin solder, an epoxy resin, or an elastomer, etc. This compensates for the different expansion coefficients between the chip carrier and the base sub-substrate, but such a construction is quite complex.

Ein ähnlicher Drucksensor geht auch aus der JP000H10132677 A hervor.A similar pressure sensor can also be found in JP000H10132677 A.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten und kostengünstig aus unterschiedlichen Materialien herzustellenden Montageträger (Carrier) für MEMS Baugruppen mit verbesserten sensorischen Eigenschaften zu schaffen, bei dem eine Fehlanpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Komponenten des Moduls weitgehend vermieden wird.The invention is now based on the object of creating an improved and inexpensive mounting support (carrier) for MEMS assemblies with improved sensory properties, which can be produced cost-effectively from different materials, in which a mismatch of the thermal expansion coefficients of the individual components of the module is largely avoided.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Montageträger der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der CTE des MEMS-Montagerohres an dem CTE des MEMS-Drucksensors angepasst ist und aus einem Werkstoffverbund, bestehend aus einem Polymer und einer anorganischen oder metallischen Komponente besteht.The object on which the invention is based is achieved in a mounting support of the type mentioned in that the CTE of the MEMS mounting tube is adapted to the CTE of the MEMS pressure sensor and consists of a material composite consisting of a polymer and an inorganic or metallic component.

In einer Fortbildung der Erfindung ist auf dem das MEMS-Montagerohr umgebenden Carrier-Montageelement ein Schaltungsträger befestigt, wobei der CTE des Carrier-Montageelementes dem CTE des Schaltungsträgers angepasst ist und aus einem Polymerverbund besteht.In a further development of the invention, a circuit carrier is attached to the carrier assembly element surrounding the MEMS assembly tube, the CTE of the carrier assembly element being adapted to the CTE of the circuit carrier and consisting of a polymer composite.

In einer anderen Fortbildung der Erfindung ist das Carrier-Montageelement anstelle des Schaltungsträgers mit Kontakten für Außenanschlüsse in Form von Kontakt-Pins versehen, die sich durch einen Flansch, z.B. Gehäuserand, des Carrier-Montageelementes erstrecken und der den MEMS-Drucksensor umgibt.In another development of the invention, instead of the circuit board, the carrier mounting element is provided with contacts for external connections in the form of contact pins which extend through a flange, e.g. the edge of the housing, of the carrier mounting element and which surrounds the MEMS pressure sensor.

Vorzugsweise besteht das MEMS-Montagerohr aus einem Werkstoffverbund aus einem Polymerwerkstoff mit Keramik oder Glas, oder einem Polymerwerkstoff und einem Metall, wobei für das Metall eine angepasste Legierung auf der Basis z.B. von FeNiCo (Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung)zum Einsatz kommen kann.The MEMS mounting tube preferably consists of a material composite of a polymer material with ceramic or glass, or a polymer material and a metal, an adapted alloy based on FeNiCo (iron-nickel-cobalt alloy), for example, being used for the metal .

In einer Fortbildung der Erfindung besteht das Carrier-Montageelement aus einem Werkstoffverbund aus einem Polymerwerkstoff, wobei der Polymerwerkstoff bevorzugt ein Kunststoff mit optimierten physikalisch-technischen Eigenschaften ist.In a further development of the invention, the carrier mounting element consists of a material composite made of a polymer material, the polymer material preferably being a plastic with optimized physical-technical properties.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Verbindung zwischen dem MEMS-Montagerohr und dem MEMS-Drucksensor eine Klebe- oder Lötverbindung, was eine unkomplizierte Montage ermöglicht.In a further advantageous embodiment of the invention, the connection between the MEMS mounting tube and the MEMS pressure sensor is an adhesive or soldered connection, which enables uncomplicated assembly.

Im Interesse einer kostengünstigen Fertigung ist das Carrier-Montageelement ein mittels Spritzgießen, Spritzpresssen, Molden oder eine mittels 3-D-Druck hergestellte Komponente.In the interest of cost-effective production, the carrier assembly element is a component produced by means of injection molding, transfer molding, molding or a component produced by means of 3-D printing.

In einer besonderen Fortbildung der Erfindung ist das Carrier-Montageelement durch Umspritzen oder Verpressen mit dem MEMS-Montagerohr verbunden.In a special development of the invention, the carrier mounting element is connected to the MEMS mounting tube by extrusion coating or pressing.

Schließlich ist der das MEMS-Montagerohr umgebende Schaltungsträger mittels einer Klebeverbindung auf dem Carrier-Montageelement befestigt, wobei der Schaltungsträger das MEMS-Montagerohr lose umgibt.Finally, the circuit carrier surrounding the MEMS mounting tube is fastened to the carrier mounting element by means of an adhesive connection, the circuit carrier loosely surrounding the MEMS mounting tube.

Der erfindungsgemäß veränderte Montageträger gewährleitet eine thermo-mechanische Anpassung des MEMS-Montagerohrs zum MEMS-Drucksensor einerseits und des Carrier-Montageelementes zum Schaltungsträger andererseits, so dass Fehlanpassungen an den Verbindungsstellen weitgehend vermieden werden können, wodurch insbesondere eine Verfälschung der Messergebnisse oder ein Ausfall des Moduls vermieden werden kann.The modified assembly carrier according to the invention ensures a thermo-mechanical adaptation of the MEMS assembly tube to the MEMS pressure sensor on the one hand and of the carrier assembly element to the circuit carrier on the other hand, so that mismatches at the connection points can be largely avoided, whereby in particular a falsification of the measurement results or failure of the module can be avoided.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungsfiguren zeigen:

  • 1: eine schematische Darstellung eines Montageträgers für MEMS Baugruppen mit zugehörigem Schaltungsträger; und
  • 2: einen Montageträger für MEMS Baugruppen mit Kontakt-Pins zur elektrischen Verbindung mit einer externen Signalverarbeitung, der zur Montage auf Oberflächen geeignet ist.
The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawing figures show:
  • 1 : a schematic representation of a mounting carrier for MEMS modules with associated circuit carrier; and
  • 2 : a mounting support for MEMS assemblies with contact pins for electrical connection with external signal processing, which is suitable for mounting on surfaces.

1 zeigt einen einschlägigen Montageträger für MEMS Baugruppen, der den eigentlichen MEMS-Drucksensor 1 umfasst, welcher stirnseitig auf einem MEMS-Montagerohr 2 mit einer Druckzuführung 3 zur Verbindung mit einem zu überwachenden Drucksystem, wie einer Klimaanlage oder zur Drucküberwachung im Brems- oder Kraftstoffsystem im Auto o.dgl., zumeist mit einer Klebeverbindung, oder auch durch Löten, montiert ist. Der MEMS-Drucksensor 1 ist aus Silizium gefertigt und ist lediglich schematisch dargestellt. Der MEMS-Drucksensor 1 umfasst eine Membran 1.1 mit einem zugehörigen nicht dargestellten Piezoelement auf einer Seite der Membran 1.1, das mit dieser mechanisch und flächig verbunden ist, eine Kavität 1.2 unter der Membran 1.1 und einem ringförmigen Gegenkörper 1.3 zur mechanischen Entkopplung. Dadurch dass das Piezoelement mit der Membran 1.1 flächig verbunden ist, wird jede Bewegung der Membran 1.1 unmittelbar und vollständig auf das Piezoelement übertragen, welches Spannungsänderungen als elektrische Ausgangssignale erzeugt. Die Kavität 1.2 unter der Membran 1.1 ist mittig zur Druckzuführung 3 im Montagerohr 2 ausgerichtet und sichert damit eine exakte Druckmessung. 1 shows a relevant mounting support for MEMS assemblies, which is the actual MEMS pressure sensor 1 includes, which is on the front side on a MEMS mounting tube 2 with a pressure feed 3 For connection to a pressure system to be monitored, such as an air conditioning system or for pressure monitoring in the brake or fuel system in the car or the like, mostly with an adhesive connection or also by soldering. The MEMS pressure sensor 1 is made of silicon and is only shown schematically. The MEMS pressure sensor 1 includes a membrane 1.1 with an associated piezo element, not shown, on one side of the membrane 1.1 , which is mechanically and flatly connected to this, a cavity 1.2 under the membrane 1.1 and an annular counter body 1.3 for mechanical decoupling. Thereby the piezo element with the membrane 1.1 is flatly connected, every movement of the membrane is 1.1 directly and completely transferred to the piezo element, which generates voltage changes as electrical output signals. The cavity 1.2 under the membrane 1.1 is in the middle of the pressure feed 3 in the mounting pipe 2 aligned and thus ensures an exact pressure measurement.

Derartige MEMS-Drucksensoren 1 werden typischerweise mit Hilfe der Si-Mikromechanik Technologie vollständig aus Silizium gefertigt, oder bestehen aus einem Verbund mit Glas oder Silizium als Gegenkörper 1.3.Such MEMS pressure sensors 1 are typically made entirely of silicon with the help of Si micromechanics technology, or consist of a composite with glass or silicon as a counter body 1.3 .

Um das MEMS-Montagerohr 2 mit einem Schaltungsträger 4 verbinden zu können, ist ein Carrier-Montageträger 5 vorgesehen, der mit dem Montagerohr 2 fest verbunden ist und dieses umgibt. Der Carrier-Montageträger 5 kann eine scheiben- oder ringförmig, oder anderweitig ausgebildet sein. Auf einer Stirnfläche des Carrier-Montageträgers 5 wird der Schaltungsträger 4 üblicherweise durch Kleben befestigt. Der Schaltungsträger 4 dient wie üblich zur Aufnahme von elektronischen Baugruppen zur Signalverarbeitung, Speicherung usw., die über nicht dargestellte Drahtbrücken, oder anderweitige elektrische Verbindungen der üblichen Verbindungstechnik, mit dem Piezoelement auf der Membran 1.1 des MEMS-Drucksensors 1 verbunden sind.Around the MEMS mounting tube 2 with a circuit carrier 4th to be able to connect is a carrier mounting bracket 5 provided with the mounting tube 2 is firmly connected and surrounds this. The carrier mounting bracket 5 can be disc-shaped, ring-shaped, or otherwise. On one end face of the carrier mounting bracket 5 becomes the circuit carrier 4th usually attached by gluing. The circuit carrier 4th is used as usual to accommodate electronic assemblies for signal processing, storage, etc., which are connected to the piezoelectric element on the membrane via wire bridges (not shown) or other electrical connections of the usual connection technology 1.1 of the MEMS pressure sensor 1 are connected.

Für einen kostengünstigen Aufbau kommt üblicherweise ein Montagerohr 2 im Verbund mit dem Carrier-Montageträger 5 aus einem Metall, wie Aluminium zum Einsatz, wobei es infolge der unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften der Montagematerialien des Montageträgers, wie dem MEMS-Drucksensor 1, dem Schaltungsträger 4, dem Montagerohr 2 und dem Carrier-Montageträger 5, durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) zu Fehlanpassungen und damit zu Stress (thermo-mechanische Spannungen) an den Verbindungsstellen kommt. Dieser Stress beeinflusst die sensorischen Eigenschaften des MEMS-Drucksensors 1 negativ.A mounting tube is usually used for a cost-effective structure 2 in conjunction with the carrier assembly support 5 made of a metal such as aluminum, which is due to the different material properties of the mounting materials of the mounting support, such as the MEMS pressure sensor 1 , the circuit carrier 4th , the mounting pipe 2 and the carrier mounting bracket 5 , the different coefficients of expansion (CTE) lead to mismatches and thus to stress (thermo-mechanical stresses) at the connection points. This stress affects the sensory properties of the MEMS pressure sensor 1 negative.

Die Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Materialien ordnen sich wie folgt ein: CTE MEMS ( Silizium ) < CTE Keramik < CTE PCB < CTE Aluminium

Figure DE102020108242A1_0001
The expansion coefficients of the individual materials are classified as follows: CTE MEMS ( silicon ) < CTE Ceramics < CTE PCB < CTE aluminum
Figure DE102020108242A1_0001

Insbesondere der Unterschied der CTE's zwischen dem MEMS-Drucksensor 1 aus Silizium und dem Montagerohr 2 aus Aluminium ist kritisch groß.In particular, the difference in CTEs between the MEMS pressure sensor 1 made of silicon and the mounting tube 2 made of aluminum is critically large.

Ein MEMS-Montagerohr 2 und Carrier Montageträger 5 aus Keramik würde auf Grund des geringeren CTE's als Aluminium zwar bessere Bedingungen für eine Klebeverbindung zum MEMS Drucksensor 1 bieten, jedoch wäre dann die Klebeverbindung zum Schaltungsträger 4, z.B. einer gedruckten Leiterplatte (PCB) als kritisch anzusehen. Außerdem wäre eine Kombination aus einem MEMS-Montageträger 2 und einem Carrier Montageträger 5 aus Keramik um ein mehrfaches teurer als ein Al-Carrier.A MEMS mounting tube 2 and carrier mounting brackets 5 Due to the lower CTE than aluminum, ceramic would provide better conditions for an adhesive connection to the MEMS pressure sensor 1 offer, but then would be the adhesive connection to the circuit carrier 4th , e.g. a printed circuit board (PCB) to be viewed as critical. It would also be a combination of a MEMS mounting bracket 2 and a carrier mounting bracket 5 made of ceramic several times more expensive than an aluminum carrier.

Es hat sich gezeigt, dass diese Probleme gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere durch die Verwendung geeigneter Verbundwerkstoffe und Materialpaarungen der einzelnen Bauteile des MEMS Montageträgers in Verbindung mit geeigneten Fügemitteln kostengünstig beseitigt werden können.It has been shown that these problems can be eliminated cost-effectively according to the present invention, in particular through the use of suitable composite materials and material pairings of the individual components of the MEMS assembly carrier in conjunction with suitable joining means.

Um eine Anpassung der unterschiedlichen CTE's bedingt durch den MEMS-Drucksensor 1 und den Schaltungsträger 4 zu erreichen, kommen für die übrigen Bauteile des MEMS-Montageträgers zwei Werkstoffe im Verbund zum Einsatz, so dass eine thermo-mechanische Anpassung zum MEMS-Drucksensor 1 auf der einen Seite und eine Anpassung zum Schaltungsträger 4 auf der anderen Seite erreicht wird.To adapt the different CTEs due to the MEMS pressure sensor 1 and the circuit carrier 4th To achieve this, two materials are used in combination for the remaining components of the MEMS mounting carrier, so that a thermo-mechanical adaptation to the MEMS pressure sensor 1 on the one hand and an adaptation to the circuit carrier 4th on the other hand is achieved.

Dazu werden das Montagerohr 2 und der Carrier Montageträger 5 aus einem Werkstoffverbund, z.B. einem Polymerwerkstoff und Keramik, oder einem Polymer und Metall, gefertigt.To do this, the mounting pipe 2 and the carrier mounting bracket 5 made of a material composite, for example a polymer material and ceramic, or a polymer and metal.

Für die Anpassung der unterschiedlichen CTE's des MEMS-Drucksensors 1 und des Schaltungsträgers 4 kommen zwei Werkstoffe im Verbund zum Einsatz, d.h.:

  1. a) Das MEMS-Montagerohr 2 ist dem CTE des MEMS-Drucksensors 1 angepasst und besteht aus einem Verbundwerkstoff , wie einem Polymerwerkstoff und Keramik bzw. Glas, oder einem Polymerwerkstoff und einem Metall, oder einer Legierung auf Basis FeNiCo, wobei die Geometrie des Montagerohrs 2 den Montagebedingungen für den MEMS-Drucksensor 1 entspricht; und
  2. b) Der Carrier-Montageträger 5 ist an den CTE des Schaltungsträgers 4 angepasst und besteht mindestens aus einem Polymer, wobei die Geometrie des Carrier-Montageträgers 5 der konstruktiven Umgebung des Schaltungsträgers 4 bzw. des MEMS-Drucksensors 1 angepasst ist.
For the adaptation of the different CTEs of the MEMS pressure sensor 1 and the circuit board 4th two materials are used in combination, ie:
  1. a) The MEMS mounting tube 2 is the CTE of the MEMS pressure sensor 1 adapted and consists of a composite material, such as a polymer material and ceramic or glass, or a polymer material and a metal, or an alloy based on FeNiCo, the geometry of the mounting tube 2 the installation conditions for the MEMS pressure sensor 1 is equivalent to; and
  2. b) The carrier mounting bracket 5 is at the CTE of the circuit carrier 4th adapted and consists of at least one polymer, the geometry of the carrier mounting bracket 5 the structural environment of the circuit carrier 4th or the MEMS pressure sensor 1 is adapted.

Als Polymerwerkstoff können Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) o.dgl. zum Einsatz kommen.As a polymer material, polyethylene (PE), polypropylene (PP) or the like can be used. come into use.

Das MEMS-Montagerohr 2 aus dem beschriebenen Verbundmaterial kann durch Spritzguss, Spritzpressen, Molden oder 3-D-Druck hergestellt werden, wobei eine gute Verbindung zwischen dem MEMS-Montagerohr 2 und dem Carrier-Montageträger 5 durch eine geeignete massentaugliche Fertigungstechnologie, wie Umspritzen oder Verpressen, erreicht werden kann.The MEMS mounting tube 2 The composite material described can be manufactured by injection molding, transfer molding, molding or 3-D printing, with a good connection between the MEMS mounting tube 2 and the carrier mounting bracket 5 can be achieved through a suitable mass production technology, such as overmoulding or pressing.

Weiterhin erfolgt die Verbindung zwischen dem MEMS-Drucksensor 1 und dem MEMS-Montagerohr 2 bevorzugt durch Kleben, wobei alternativ auch Löten möglich ist. Weiterhin kann eine feste Verbindung zwischen dem Schaltungsträger 4 und dem Carrier-Montageträger 5 durch Kleben erfolgen, wobei infolge der jeweils angepassten CTE's der Fügepartner eine langlebige feste Verbindung, ohne den durch CTE-Differenzen bedingten Stress, gewährleistet werden kann.There is also the connection between the MEMS pressure sensor 1 and the MEMS mounting tube 2 preferably by gluing, although soldering is also possible as an alternative. Furthermore, there can be a fixed connection between the circuit carrier 4th and the carrier mounting bracket 5 take place by gluing, whereby due to the respectively adapted CTEs of the joining partners a long-lasting fixed connection, without the stress caused by CTE differences.

Zwischen dem Schaltungsträger 4 und dem MEMS-Montagerohr 2 besteht keine mechanische Verbindung, wie aus 1 klar ersichtlich ist, sondern der PCB-Schaltungsträger 4 umgibt das MEMS-Montagerohr 2 lose, so dass hier keine thermischmechanischen Spannungen zwischen diesen Bauteilen auftreten können.Between the circuit carrier 4th and the MEMS mounting tube 2 there is no mechanical connection, such as from 1 is clearly visible, but the PCB circuit carrier 4th surrounds the MEMS mounting tube 2 loose, so that no thermal-mechanical stresses can occur between these components.

2 zeigt eine Variante eines Montageträger für MEMS Baugruppen, bei der der Carrier-Montageträger 5 gehäuseähnlich ausgebildet ist und zusätzlich einen ringförmigen Flansch 7 (z.B. Gehäuserand) aufweist, sowie mit Kontakten für Außenanschlüsse in Form von Kontakt-Pins 6 versehen ist, die sich seitlich nach außen und unten erstrecken. Der Flansch 7 steht aus einer Stirnseite des Carrier-Montageträgers 5 hervor und umgibt den MEMS-Drucksensor 1 umgibt, wodurch dieser besser geschützt ist. Die elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen des MEMS-Drucksensors 1 und den Kontakt-Pins 6 erfolgt mit bekannten Mitteln der elektrischen Verbindungstechnik, wie Drahtbrücken oder Umverdrahtungen (nicht dargestellt). 2 shows a variant of a mounting support for MEMS modules, in which the carrier mounting support 5 is designed like a housing and in addition an annular flange 7th (eg housing edge), as well as with contacts for external connections in the form of contact pins 6th is provided that extend laterally outward and downward. The flange 7th stands from one end of the carrier mounting bracket 5 and surrounds the MEMS pressure sensor 1 surrounds it, which means it is better protected. The electrical connection between the connections of the MEMS pressure sensor 1 and the contact pins 6th takes place with known means of electrical connection technology, such as wire bridges or rewiring (not shown).

Ansonsten umfasst der MEMS-Drucksensor 1 ebenfalls eine Membran 1.4 über einer Kavität 1.5, sowie einen ringförmigen Gegenkörper 1.6.Otherwise, the MEMS pressure sensor includes 1 also a membrane 1.4 over a cavity 1.5 , as well as an annular counter body 1.6 .

Der MEMS-Montageträger 1 nach 2 ist besonders für die Montage auf Oberflächen geeignet.The MEMS mounting bracket 1 after 2 is particularly suitable for mounting on surfaces.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
MEMS DrucksensorMEMS pressure sensor
1.11.1
Membranmembrane
1.21.2
Kavitätcavity
1.31.3
GegenkörperCounter body
1.41.4
Membranmembrane
1.51.5
Kavitätcavity
1.61.6
GegenkörperCounter body
22
MEMS-MontagerohrMEMS mounting tube
33rd
DruckzuführungPressure feed
44th
SchaltungsträgerCircuit carrier
55
Carrier-MontageträgerCarrier mounting bracket
66th
Kontakt-PinsContact pins
77th
Flansch / GehäuserandFlange / housing edge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 6148673 A [0006]US 6148673 A [0006]
  • US 5600071 A [0009]US 5600071 A [0009]

Claims (10)

Montageträger für MEMS Baugruppen, wie Drucksensoren, die beim Einsatz rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, wie das bei Drucksensoren in Kraftfahrzeuganwendungen o.dgl. der Fall ist, umfassend ein MEMS-Montagerohr/Carrier mit einer Druckzuführung zur Verbindung mit einer zu überwachenden Druckquelle und einem stirnseitig auf dem Montagerohr befestigten MEMS-Drucksensor, sowie einen das MEMS-Montagerohr umgebenden und an diesem befestigten Carrier-Montagering, dadurch gekennzeichnet, dass der CTE des MEMS-Montagerohres (2) dem CTE des MEMS-Drucksensors (1) angepasst ist und aus einem Werkstoffverbund, bestehend aus einem Polymer und einer anorganischen oder metallischen Komponente besteht.Mounting supports for MEMS assemblies, such as pressure sensors that are exposed to harsh environmental conditions during use, such as pressure sensors in motor vehicle applications or the like. is the case, comprising a MEMS mounting tube / carrier with a pressure feed for connection to a pressure source to be monitored and a MEMS pressure sensor attached to the end face of the mounting tube, as well as a carrier mounting ring surrounding the MEMS mounting tube and attached to it, characterized in that, that the CTE of the MEMS mounting tube (2) is adapted to the CTE of the MEMS pressure sensor (1) and consists of a material composite consisting of a polymer and an inorganic or metallic component. Montageträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass auf dem das MEMS-Montagerohr (2) umgebenden Carrier-Montageträger (5) ein Schaltungsträger (4) befestigt ist, wobei der CTE des Carrier-Montageträgers (5) dem CTE des Schaltungsträgers (4) angepasst ist und aus einem Polymerverbund besteht.Mounting bracket after Claim 1 , characterized in that a circuit carrier (4) is fastened to the carrier assembly carrier (5) surrounding the MEMS assembly tube (2), the CTE of the carrier assembly carrier (5) being adapted to the CTE of the circuit carrier (4) and consisting of a Polymer composite exists. Montageträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Carrier-Montageträger (5) anstelle des Schaltungsträgers (4) mit Kontakten für Außenanschlüsse in Form von Kontakt-Pins (6) versehen ist, die sich durch einen ringförmigen Flansch (7) des Carrier-Montageträgers (5) erstrecken und der den MEMS-Drucksensor (1) umgibt.Mounting bracket after Claim 1 , characterized in that the carrier assembly support (5) instead of the circuit carrier (4) is provided with contacts for external connections in the form of contact pins (6) which extend through an annular flange (7) of the carrier assembly support (5) extend and which surrounds the MEMS pressure sensor (1). Montageträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das MEMS-Montagerohr (2) aus einem Werkstoffverbund aus einem Polymerwerkstoff und Keramik oder Glas, oder einem Polymerwerkstoff und einem Metall besteht.Mounting bracket after Claim 1 , characterized in that the MEMS mounting tube (2) consists of a material composite of a polymer material and ceramic or glass, or a polymer material and a metal. Montageträger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Anteil des Werkstoffverbundes des MEMS-Montagerohres (2) eine Legierung auf Basis FeNiCo ist.Mounting bracket after Claim 4 , characterized in that the metallic component of the composite material of the MEMS assembly tube (2) is an alloy based on FeNiCo. Montageträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Carrier-Montageträger (5) aus einem Werkstoffverbund aus einem Polymerwerkstoff und einem angepassten metallischen Werkstoff besteht.Mounting bracket after Claim 1 , characterized in that the carrier assembly support (5) consists of a material composite of a polymer material and an adapted metallic material. Montageträger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem MEMS-Montagerohr (2) und dem MEMS-Drucksensor (1) eine Klebe- oder Lötverbindung ist.Mounting support according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that the connection between the MEMS mounting tube (2) and the MEMS pressure sensor (1) is an adhesive or soldered connection. Montageträger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Carrier-Montageträger (5) ein Spritzguss-, ein Spritzpressteil ist, bzw. durch Molden oder mittels 3-D-Druck hergestellt ist.Mounting support according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that the carrier assembly support (5) is an injection-molded part, an injection-molded part, or is produced by molding or by means of 3-D printing. Montageträger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Carrier-Montageträger (5) durch Umspritzen oder Verpressen mit dem MEMS-Montagerohr (2) verbunden ist.Mounting support according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that the carrier assembly support (5) is connected to the MEMS assembly tube (2) by extrusion coating or pressing. Montageträger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der das MEMS-Montagerohr (2) umgebende Schaltungsträger (4) mit einer Klebeverbindung auf dem Carrier-Montagering (5) befestigt ist, wobei der Schaltungsträger (4) das MEMS-Montagerohr (2) lose umgibt.Mounting support according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that the circuit carrier (4) surrounding the MEMS mounting tube (2) is attached to the carrier mounting ring (5) with an adhesive connection, the circuit carrier (4) loosely surrounding the MEMS mounting tube (2).
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