带有阻尼的弹性安装传感器系统的制作方法

mems传感器是微结构化的器件，其通常包括负担器件的感测功能的活动部件。因此，所述活动部件对于振动或者可能妨碍感测信号或者可能对器件具有另一不利影响的其他机械冲击是交叉敏感的。这样的不期望的影响可能归因于mems传感器的刚性封装以及由碰撞或其他振动导致。为了避免由于机械冲击造成的mems传感器的损坏或读取受损，mems芯片或包括mems芯片的传感器系统可以经由软胶合物或经由弹簧元件弹性地安装。这些弹簧元件能够附加地起作用以用于电气接触mems芯片，而胶合需要用于电气连接的接合线。基于软硅的胶合物可能对阻尼系统添加一定的顺应性，但是接合线仍然限制块状物能够移动以补偿外部振动的最大振幅。但是，而且这样的胶合物的阻尼性质是极其有限的并且难以调整，并且施加它们对于基于mems的器件中所需的少量胶合物而言是相当困难的。一些mems器件通过倒装芯片接合并且由此刚性地耦合到封装或载体来进行封装。一些mems传感器元件倒装芯片接合到弹簧元件上。到封装或载体的耦合是顺从的，因此块状物/弹簧元件系统可能允许补偿外部振动。但是缺点将在于系统仅少量地被阻尼，并且共振可能驱使mems传感器进入饱和。本发明的目的是提供一种mems器件，其示出对外部碰撞的改进的补偿并且其被阻尼以避免振动共振。这些和其他目的由根据权利要求1的限制的mems器件来解决。有利的实施例是另外的权利要求的主题。根据本发明的mems器件包括一种传感器系统，其经由弹簧元件安装到载体上以吸收类似碰撞的机械冲击。此处以及在下文中，术语“传感器系统”必须被理解为指代仅有的mems芯片，或者替换地，也理解为指代包括mems芯片和另一个芯片的堆叠。这样的其他芯片可以是作为mems器件的一部分的asic。这两个芯片可以固定并且电气连接到彼此使得它们能够像单个芯片那样来处置。通过减小面对彼此的两个表面之间的气隙来控制mems器件的弹性固定的机械系统的共振。这些表面之一是载体的顶表面，并且另一表面是传感器系统的底表面。通过将弹簧元件的第一端部固定到载体的第一表面上的第一锚定点以及将弹簧元件的第二端部固定到传感器系统的第二表面上的第二锚定点来减小气隙，其中弹簧元件的第一或第二端部，相应地其锚定点，位于在载体的顶表面以下或者在传感器系统的底表面以上的表面上。换言之，弹簧元件的第一或第二端部的锚定点安装在所述顶表面或底表面的一种凹槽中。因此，对应于底表面和顶表面的距离的气隙高度小于第一和第二锚定点之间的距离。通过选择充分小的气隙高度来实现压膜阻尼。由于间隙中的挤压空气膜而发生阻尼，从而在空气膜流出间隙或流进间隙时吸收能量。优选地，通过优化气隙来完成最大阻尼的目标。阻尼应该被设置成大于或等于最小值。但是最小气隙必须考虑到一定的振幅对于弹簧元件的压缩仍然是必需的，使得块状物可以充分移动以补偿外部振动。用于减小间隙的优选措施是将阻尼结构施加到从位于载体上的第一表面和位于传感器系统上的第二表面选择的至少一个表面上，其中第一表面包括第一锚定点并且第二表面包括第二锚定点。因此，气隙的高度（其在没有阻尼结构存在的情况下将是锚定点之间的距离）减小了阻尼结构的厚度的高度。通过准确地形成阻尼层并且控制其厚度，可以设置取决于气隙的高度的压膜阻尼的量。为了允许弹簧元件的伸长或压缩，在阻尼结构的凹槽中布置弹簧元件。选择凹槽的尺寸（measure）以在横向上完全容纳弹簧元件，并且不直接阻碍弹簧移动。优选地，经由从焊料凸块，柱形凸块和粘合剂中选择的相应连接元件来将弹簧元件连接向传感器系统。弹簧元件和它们的连接元件的总高度高于阻尼层（相应地，阻尼结构）的高度。弹簧元件可以是扁平弹簧，其以其端部之一固定到载体的第一表面上的电气接触件。另一端部在距第一表面某一距离处是独立的。传感器系统用底部处的其第二表面上的第二电气接触件而安装到该独立端部。弹簧元件的有角的或弯曲的路线提供对弹簧元件、传感器系统和载体的不同热膨胀的补偿的储备，而不在其端部处产生过多的力。弹簧元件可以替换地形成为呈有角的，带有两个或更多角。它们可以是弯曲的或者形成为螺旋形。有利地，弹簧元件是薄金属结构，其能够具有加厚的导体线的大小。为了保证充分的机械强度，弹簧元件的数目可以被选择成充分高以扩大所需的电气连接的数目。因此mems器件能够包括多个弹簧元件，其并联以电学方式接成电路从而提供较低数目的电气连接。锚定点在整个传感器系统之上的规则分布允许从不同侧影响mems器件的补偿力。载体上的第一电气接触件可以形成为扁平金属化部。但是还可能的是，使用贯通接触件，其使它们的孔口分别在载体的第一表面处。弹簧元件可以通过焊料或凸块而接合到载体。替换地，弹簧元件可以通过使用金属的光刻和电沉积进行的加法过程而直接形成在载体的表面上，所述金属通常生长在通过pvd过程沉积的起始层上。尤其对于这样的弹簧元件，需要复杂的制造步骤，因为需要将牺牲材料布置在载体的顶侧和独立端部的稍后位置之间。在将弹簧元件的金属沉积在牺牲材料上之后，需要去除相应的牺牲材料使得弹簧元件的独立端部能够在所有方向上移动。因此，发现聚合物是牺牲材料的最佳材料。包含在弹簧元件中的典型材料是cu、ni、al等等。进一步地，可能的是，弹簧元件由类似cu、ni、al的金属构成。典型的大小是厚度为5-100µm，宽度为10-100µm，以及长度为100-2000µm。包括焊接到典型地3-30个弹簧元件上的传感器系统的组件的弹簧常数在z轴上为在10n/m-10kn/m的范围内。如果存在更多弹簧元件，则同样如此。x轴和y轴上的弹簧常数可以是相似的，但取决于特定的应用，可能有利的是具有强各向异性行为，即将x轴和y轴上的弹簧常数设置为2-50倍。阻尼结构的材料可以任意选择，因为该材料对压膜阻尼几乎没有影响。因此，该材料包括金属、聚合物、陶瓷、油墨或能够以受控方式沉积的任何其他层。可能的是，将用于阻尼结构的层施加到整个表面上并且在沉积之后对该层执行至少结构化步骤。替换地，阻尼结构可以被施加、结构化并且因此可以施加在根据期望结构的区域中。阻尼结构可以在感光层的简单层压过程以及随后的结构化中来施加，所述结构化通过利用适当辐射进行的成影像处理以及那些部分的随后去除来进行，所述那些部分具有更好溶解度或者在处理后易于去除。剩余的结构能够用作阻尼结构。但是也可能的是，剩余结构可以用作用于从另一材料形成阻尼结构的掩模。可能的是，在结构化的感光层的凹槽中生长金属结构。铜和镍是电镀或无电镀的优选材料。施加聚合物并利用部分激光烧蚀来进行结构化是阻尼结构的另一可能制造过程。类似丝网印刷、镂空版印刷、喷射印刷或3d印刷的任何种类的印刷也是可能的。金属膜可以被层压或镀覆。湿法蚀刻可以用来对金属膜进行结构化。根据实施例，阻尼结构包括一个或多个空气通道以通过所述阻尼结构提供另外的阻尼。在空气通道内，发生另外的摩擦，其吸收从系统中出来的能量。空气通道横向延伸并且在所述阻尼结构的外边缘处能够具有孔口。空气通道能够线性延伸。但是如果是弯曲的或者有角的，则当空气挤压通过空气通道时能够吸收更多的能量。优选的，每个空气通道与凹槽连通并且扩大以容纳弹簧元件。在实施例中，所述弹簧元件和所述阻尼结构包括相同的材料。这样，相同的制造步骤可以用于形成阻尼层以及用于形成弹簧元件。在载体之内，至少提供掩埋的金属化部并对其进行结构化以形成接成电路的层。贯通接触件连接到第一电气接触件或者第一表面上的通孔，并且连接到载体的底侧上的端子接触件。因此，载体基板可以是包括在两个介电层之间的金属化部层的多层基板。在金属化部层中，信号导体或电路元件，诸如电阻性元件、电容性元件或电感性元件或移相器或相似的电路元件能够被结构化。因此，可能的是，mems器件包括嵌入在多层基板中的这样的附加电路元件。进一步可能的是，附加电路元件是有源电路元件，其可以与作为mems器件的部分并且安装在载体的顶部上的asic交互。电感性元件可以通过在相同金属化部层之内的线圈形导体条带来实现。电容性元件能够包括一个在另一个上堆叠的不同金属化部层中存在的电极。可以利用通孔来电气连接不同金属化部层中的不同电路元件和/或载体的顶侧上的第一电气接触件和第三电气接触件，以用于在载体的底侧从外部接触mems器件。在一个实施例中，两个芯片的堆叠而不是单个mems芯片被安装到弹簧元件上。这能够是asic上mems或mems上asic配置。可以使用两个芯片之间的直接连接，以及例如接合线。mems器件中的面向载体的下芯片可以具有通孔，从而允许通过这些通孔将上芯片直接连接到弹簧并且因此连接到载体。一种提出的用于制造mems器件的方法，包括步骤a）到e）a）提供具有第一表面和在其上的第一电气接触件的载体b）提供具有第二表面和在其上的第二电气接触件的传感器系统c）形成阻尼层，通过在第一和第二表面之一上施加所述阻尼层并对所述阻尼层进行结构化使得形成凹槽d）在第一表面的第一电气接触件上形成弹簧元件，使得所述弹簧元件的独立端部形成在独立端部和第一表面之间的间隙e）借助于凸块将mems芯片经由第二电气接触件耦合到弹簧元件的独立端部上，使得弹簧元件在其静止位置（没有从其的伸长）中部分地或完全地容纳在凹槽中。在步骤c）中，对所述阻尼层进行施加和结构化可以包括电形成金属的结构化阻尼层。替换地，对所述阻尼层进行施加和结构化可以包括将所述阻尼层印刷到所述表面上。优选的是，将相似或相同的步骤用于制造阻尼结构和制造弹簧元件。例如，金属弹簧元件和金属阻尼结构可以使用相同的过程。替换地，用于生长金属阻尼结构的掩模同时可以用作用以产生弹簧元件的独立端部的牺牲层。为了减小生产公差，修整过程可以跟在形成阻尼结构之后以将阻尼结构的高度以及因此气隙的高度设置为精确值。为了修整的目的，可以使用精密研磨。此外，可能的是，使用预先形成的mid部件（mid=模制互连器件）。此类mid部件通常可以是在其表面上具有3d导体，焊接衬垫和端子的注塑3d结构化聚合物部件。根据用于制造mems器件的替换方法，完成如下步骤：a）提供具有第一表面和在其上的第一电气接触件的载体b）提供具有第二表面和在其上的第二电气接触件的传感器系统c）通过烧蚀方法形成结构化阻尼层。烧蚀方法能够包括对载体的第一表面或传感器系统的第二表面进行结构化，而不是施加用于阻尼结构的材料。由此可以使用铣削，冲压，蚀刻，激光烧蚀来向载体或传感器系统的表面中蚀刻凹槽和空气通道。替换地，烧蚀方法可以包括将聚合物层施加到第一或第二表面的整个表面上，并且如下对其进行结构化：通过光刻和随后的显影，或者通过部分激光烧蚀来自整个施加的聚合物层的材料，或者通过在将聚合物膜施加到载体的第一表面上之前对聚合物膜进行光刻、蚀刻或激光烧蚀。在下文中，将参考附图更详细地解释本发明。图仅是示意性的并且没有按比例绘制。相同的细节或者以相似的方式起作用的细节通过相同的参考符号来进行参考。图1示出已知的mems器件的横截面，其中，传感器系统经由弹簧元件弹性安装到载体上。图2示出根据本发明的第一实施例的mems器件的横截面，其中，通过传感器系统上的阻尼结构来减小传感器系统和载体之间的气隙。图3示出根据本发明的第二实施例的mems器件的横截面，其中，通过载体上的阻尼结构来减小传感器系统和载体之间的气隙。图4示出根据实施例的横截面顶视图mems器件，其中弹簧元件容纳在阻尼结构的凹槽中。图5示出具有另一轮廓并且包括空气通道的阻尼结构。图6示出根据第二实施例的mems器件的另一横截面。图7示出根据第一实施例的mems器件的另一横截面。图8示出针对气隙的不同高度的对外部振动的衰减的频率响应。图1示出通过mems器件的横截面。该器件包括传感器系统mc，所述传感器系统mc可以是类似压力传感器或麦克风的传感器。传感器系统mc经由弹簧元件se弹性安装到载体c上。弹簧元件se可以包括在载体上的支座so和从那里横向延伸的独立端部。借助于凸块bu将传感器系统mc接合到独立端部。经由弹簧元件se、支座so和凸块bu，实现在传感器系统mc的底表面上的第二电气接触件p2和载体c上的第一电气接触件p1之间的电气接触。载体c可以是可以具有多层结构的多层印刷电路板，所述多层结构包括至少一个布线层和将第一电气接触件p1连接到在载体的底表面上的mems器件的外部接触件p3的其他内部布线。经由胶合物或焊料将盖子ld接合到载体c的顶表面。在盖子ld和载体c之间，包围了至少容纳该传感器系统的体积。该体积可能对于mems器件的功能是必要的，并且可以提供保护以免受来自环境的化学和机械影响。开口（未示出）可以允许连通以感测环境参数。为了清楚的原因，仅示出包括mems芯片的传感器系统mc。但是mems器件的类似asic的其他部件例如也可以被容纳在盖子ld之下。asic可以与mems芯片堆叠在一起并且形成堆叠的上部分或下部分。为了简明的原因，此处以及在下面的描述中，即使当存在并且意指mems芯片和另一个部件的堆叠时，也仅将其称为传感器系统。这样的堆叠可以具有底表面，其带有用于接触mems芯片并且也用于接触另一部件的第二电气接触件。还可能的是，第二电气接触件仅包括aisc的端子而mems芯片与布置在asic的顶侧上的另外的电气接触件接触。但是由于没有被阻尼的弹性弹簧元件，外部碰撞可能能够诱导整个布置的共振。这种共振可以使mems芯片饱和并且妨碍其感测功能。图2示出根据本发明的第一实施例的mems器件的横截面。除了参考图1已经提到的特征之外，将阻尼结构ds施加到传感器系统mc的底部上的第二表面上。阻尼结构ds包括用以容纳弹簧元件se的凹槽。由此减小在传感器系统的底表面bs和载体的顶表面ts之间的气隙ag。由于弹簧元件se在阻尼结构“下方”被安装到传感器系统的第二表面s2上的锚定点上，传感器系统与载体的最大相互移动受载体c的顶表面ts与具有阻尼层的传感器系统的底表面bs之间的气隙ag限制。相对于图1的器件，减小了气隙ag。将气隙ag的高度设置为足够小使得发生压膜阻尼的值。优选地，期望最大阻尼，从而需要气隙ag的最小高度。但是必须做出与弹簧元件的应力释放移动的权衡，使得气隙的高度对应于所需要的弹簧反射。距离元件st是随意的而不是必需的，因为阻尼结构可以类似地起作用。为了清楚的原因，未示出mems器件的其他特征。发明的mems器件的典型的大小可以按如下来选择：在形成阻尼结构之前第一和第二表面之间的间隙的高度：10-200µm（在形成阻尼结构之后）气隙ag的高度：5-50µm空气通道的宽度：3-50µm弹簧元件的长度，与是线性的、有角的还是弯曲的无关：200-2000µm弹簧元件的宽度；20-100µm弹簧元件的厚度；5-50µm图3示出根据本发明的第二实施例的mems器件的横截面。与图2的第一实施例不同，将阻尼结构ds施加到载体c的顶部上的第一表面上。因此减小的气隙ag形成在阻尼结构ds上的顶表面ts和传感器系统mc的底表面bs之间，所述底表面bs在该实施例中与第二表面s2相同。由于在该气隙ag处发生相同的压膜阻尼，通过该实施例实现相同的效果。图4示出到根据第一或第二实施例的mems器件上的横截面顶视图。该图描绘在阻尼结构ds之内的凹槽re的可能的形状。该凹槽至少必须容纳弹簧元件以保证其（包括支座so和凸块bu）不受阻碍的移动。优选的是，该凹槽在很小的距离内遵循弹簧元件的形状以使凹槽尽可能小但如所需要的那样大。由于更容易的制造，类似矩形的简单几何形状能够是优选的。但是一般地，任何任意横向形状都是可能的。图4示出横截面，所述横截面在阻尼结构ds的总高度之上保持几乎不变，因为凹槽的垂直侧壁是优选的。如果形成凹槽的步骤产生倾斜的侧壁，则这不会负面地影响阻尼效果，并且因此偏离垂直侧壁是允许的和可能的。在图4的实施例中，示出空气通道ac，其在阻尼结构的横向外边缘处是开口的。空气通道可以包括凹槽re，并且在气隙ag由于弹簧元件的压缩或伸长而放大或减小时，起作用以使空气在其中流通。其他空气通道在外边缘处（例如阻尼结构的相对侧处）可以开口，例如如图5中所示出的。另外的空气通道可以独立于凹槽而形成，并且不容纳弹簧元件。凹槽re和弹簧元件se的数目可以根据传感器系统mc的独立电气端子的数目来选择。但是可能有利的是使用较大数目的弹簧元件，并且最优选地尽可能多的弹簧元件，那意味着如在没有问题的情况下能够被布置在传感器系统的有限底表面上那样多。图5示出在阻尼结构ds中的凹槽re的另一个示例性形状，所述阻尼结构ds可以被施加到载体c的第一表面s1上或者传感器系统mc底部上的第二表面s2上。该形状遵循在图4中示出弹簧元件的形状。阻尼结构ds的外边界可以对应于第二表面s2，相应地，对应于第二表面s2的边缘。但是阻尼结构可以替换地使传感器系统mc的外边缘延伸，并且可以具有更大的横向延伸。较低的延伸也是可能的。在阻尼结构和载体的外边缘之间，保持某一周缘边际以把盖子放置在该边际上。图6示出根据图3的第二实施例的mems器件的另一个横截面侧视图。在该图中，凹槽和弹簧元件也被垂直于其纵向延伸而切割。在该图中，弹簧元件平行于彼此布置，并且交替附接在传感器系统的相对边缘或者传感器系统在第一表面上的投影附近。虚线描绘在纸平面后面的结构，而实线描绘在纸平面之内的结构。图7示出mems器件的相似的横截面侧视图，在这里与图6形成对比，将阻尼结构施加到传感器系统的底部处的第二表面上。在这种情况下，阻尼结构的横向延伸受传感器系统的边缘限制。图8示出对外部振动的衰减的频率响应。不同的曲线构成针对气隙的不同高度的共振行为。曲线在大的频率范围上是一致的，但是由于弹性弹簧元件而在mems器件的机械共振频率附近分散。气隙在描绘的箭头的方向上倾斜。这意味着，具有最小高度的气隙产生最低的共振上升，相应地最高的阻尼。这遵守从使用压膜阻尼的其他系统已知的预期。已经参考有限数目的实施例对本发明进行了解释，并且因此本发明能够不限于所示出的实施例。在权利要求的范围内的单个特征的任何变化将被认为是本发明的部分。进一步地，结合其他特征公开的单一特征的任何新组合仅由本发明包括。参考符号和技术术语的列表mc传感器系统se弹簧元件c载体ag气隙bu凸块ds阻尼结构ac空气通道ts载体的顶表面（用于间隙尺寸）bs传感器系统的底表面（用于间隙尺寸）s1载体上的第一表面（当阻尼结构被施加在该表面上时）s2传感器系统上的第二表面（当阻尼结构被施加在该表面上时）so支座re形成阻尼结构的层中的凹槽ac空气通道，阻尼结构中的另一结构st距离元件ld盖子当前第1页12

技术特征：

技术总结

一种MEMS器件，包括借助于弹簧元件（SE）被弹性安装在载体（C）上的传感器系统（MC）。通过存在于传感器系统和载体的面对表面之一上的阻尼结构（DS）来减小在传感器系统和载体之间的气隙（AG）。弹簧元件至少部分容纳在阻尼结构的凹槽内。气隙的高度足够小以允许压膜阻尼。

技术研发人员：

P.H.O.罗姆巴奇;K.拉斯穆斯森;A.雷德;W.帕尔;D.莫坦森

受保护的技术使用者：

ＴＤＫ株式会社

技术研发日：

2015.09.30

技术公布日：

2018.05.11