具有无应力地固定的MEMS器件的模块的制作方法

本发明涉及模块，其中mems器件在宽的温度范围上无应力地被固定。

背景技术：

mems器件（mems=micro-electro-mechanicalsystem（微机电系统））包括机械活动结构，其经常灵敏地对机械应力作出反应。mems器件例如可以是电声变换器，所述电声变换器与asic芯片（asic=applicationspecificintegratedcircuit（专用集成电路））一起在麦克风模块的载体上被固定和接线。在此，变换器可以具有能振动的膜片和背板（英语：backplate），所述能振动的膜片和背板构成电容器的两个电极。膜片相对于背板的振动引起在时间上变化的电容。通过分析电容（例如通过asic），声音信号可以被转换成电信号。

有问题是，载体和转换器的材料通常具有不同的热膨胀系数（cte：coefficientofthermalexpansion（热膨胀系数））。在温度变化时，机械应力经由载体和变换器之间的连接被传送给变换器。变换器中的机械应力妨碍机械结构的不受干扰的工作，使得温度变化对麦克风的信号质量产生负面影响。

不仅仅在麦克风情况下有温度诱导的干扰。原则上涉及所有的mems器件、例如还有压力传感器或利用声波工作的滤波组件。

例如要求较薄mems器件的、向始终继续的小型化的持续不断的趋势增强了所述问题，因为较薄的器件在外力作用下较厉害地变形。

通过可轻微变形的软的弹性元件作为在载体和mems器件之间的连接构件可以减少机械应力到mems器件中的引入。然而于是也将会降低连接的机械稳定性并且相应的模块可能不再经受住负载测试、例如跌落测试。

因此存在对以下模块的期望，所述模块满足矛盾的要求：在同时无应力地固定mems器件情况下的机械稳定性，并且此外允许继续的小型化，而不必接受信号质量方面的折衷。

技术实现要素：

为此，紧接着说明模块以及不同的有利的特性，所述特性能够单独地或者共同起作用地改善按照独立权利要求1所述的随后描述的模块。从属权利要求说明模块的有利的扩展方案。

模块包括载体，所述载体具有第一温度膨胀系数k1、第一固定点和第二固定点。模块此外包括mems器件，所述mems器件具有mems结构、第二温度膨胀系数k2、第一固定点和第二固定点，其中所述第二温度膨胀系数k2与第一温度膨胀系数k1不同。此外，模块包括在载体的第一固定点和器件的第一固定点之间的第一机械连接。此外，模块具有在载体的第二固定点和器件的第二固定点之间的第二机械连接。第二机械连接具有补偿结构，所述补偿结构具有温度膨胀系数kk。在mems器件处的第二固定点具有水平间隔d1，并且在载体上的固定点具有水平间隔d2。d1和d2的值被选择，使得补偿结构在温度变化时补偿d1和d2的不同的长度变化，使得mems器件在不同的温度的情况下无应力地、但是牢固地与载体连接。

已经发现，可以确定载体和器件之间的机械连接的尺寸，并且可以选择其材料、尤其其膨胀系数，使得不同的温度诱导的长度变化可以精确地被补偿。机械连接在此可以非常坚固地被实施，并且由此可以是极其稳定的，因为所述机械连接不必吸收任何机械变形能量来作为载体和器件之间的膨胀缓冲器起作用。因此，这样的模块可以具有在载体和器件之间在机械方面极其稳定的连接，而不由机械应力影响器件的作用原理。因此也可能的是，如此薄地构成器件，使得在紧凑性方面的要求被满足。

虽然如果在载体和器件之间仅存在唯一的连接，那么可以放弃补偿结构，因为于是两个主体可能不受干扰地跟随（nachgehen）其不同的线膨胀。然而通常机械连接也应当同时是电信号路径，使得存在较大数量的连接、例如两个、三个或四个。

在最简单的情况下，在载体和器件之间有两个机械连接。在这样的实施方式中，补偿结构沿着两个固定点之间的连接方向跨越间隔δd=d2-d1。此外适用的是：

也即间隔d和膨胀系数k相应地被选择。为此有多种可能性：在给定的膨胀系数（所述膨胀系数通常通过选择材料被给定）的情况下，固定点的间隔可以被选择。尤其当两个间隔中的相应另一个间隔以及系数被给定时，选择两个间隔中的一个间隔是足够的。在给定的间隔的情况下另一可能性是，根据方程式选择补偿结构的材料、载体的材料或器件的材料。

在此，在图1和图2中清楚明了地示出参量的意义和补偿结构的作用原理。

可能的是，补偿结构的膨胀系数kk大于两个值k1和k2中的较大值：

可替代地可能的是，膨胀系数kk小于两个值k1和k2中的较小值。相应地适用的是：

此外可能的是，补偿结构包括水平分段，所述水平分段被布置在载体上或者上方。

水平分段在载体和器件的长度变化情况下通过相应地适配的自身长度变化用于避免应力。水平分段在此跨越水平区域，并且与载体的表面基本上平行地伸展。当然也可能的是，水平分段以或多或少平（flach）的角度也跨越在载体的上侧和器件的下侧之间的高度差。

原则上，唯一的电连接足够将信号从mems器件转发到载体，所述电连接同时也可以是机械连接。因此，器件可能具有唯一的浮动电极（floatendeelektrode）。

当然通常优选的是，给器件中的至少一个电路元件施加电压或者电流，使得两个电连接的最小数量是优选的。如果添加另一机械连接并且在三个点处支撑器件，那么悬挂部的机械稳定性再次显著地被改善。在此，载体和器件之间的机械和电连接的数目还可以显著更大。如果器件例如是电声变换器并且包括应当分别施加有电势的多个背板或多个膜片，那么也可以在载体和器件之间设置四个、五个或六个电连接。

因此可能的是，模块此外包括一个或多个附加的补偿结构，所述附加的补偿结构将载体的附加的固定点与器件的附加的固定点连接。

机械连接中的至少一个、但是优选地多个或所有机械连接在此包括补偿结构，所述补偿结构与其余的补偿结构共同地在温度变化时补偿载体和mems器件的不同的长度变化。各个机械连接和/或其补偿结构在此可以具有相同的构造，并且从相同的材料中选择。如果模块具有多于两个的补偿结构，那么不再可能的是，补偿结构沿着两个固定点之间的连接线取向。相反地，这样的模块具有共同的中心，从所述中心看，补偿结构被布置在径向方向上。在多于两个的补偿结构情况下，补偿结构的布置的几何形状的维数提高。在每主体仅仅两个固定点的情况下，不同的线膨胀是一维问题。在三个或更多个补偿结构的情况下，不同的膨胀系数在两个维度中存在，其中每个膨胀系数k1、k2、kk可以在x或者y方向上具有不同的分量。

如果膨胀系数是各向同性的，所有的补偿结构相同地被构建，并且围绕共同的中心旋转对称地被布置，那么不同的温度膨胀可以再次被化为一维问题，方程式（1）适用于所述问题。在此，参量d1和d2表示补偿结构的相应固定点与共同中心的间隔。

可能的是，载体包括陶瓷材料或有机材料、例如印制电路板材料和/或bcb（苯并环丁烯（benzocyclobuten））。

此外可能的是，mems器件包括由半导体材料、例如si（硅）制成的主体。

在此，载体可以具有多个介电层，结构化的金属化层被布置在所述介电层之间。

可能的是，至少一个补偿结构或者所有补偿结构包括金属。金属例如可以是cu（铜）、ag（银）、au（金）、ni（镍）或其他金属，所述其他金属可以利用通常的材料沉积工艺被施加在载体的上侧处。

如果所有补偿结构围绕共同的中心径向对称地布置，那么这是有利的。在此，补偿结构不需要全部都具有与中心相同的间隔。同样可能的是，第一组补偿结构与中心具有第一间隔并且第二组补偿结构与中心具有第二间隔等等。补偿结构于是分别沿着想像的圆周线围绕中心布置。补偿结构围绕中心旋转确定的角度使补偿结构于是又转化为自身。

可能的是，补偿结构中的至少一个或多个或所有补偿结构与载体上的多个固定点和/或mems器件上的多个固定点连接。对于补偿结构会在载体或器件的一个固定点处松开的情况，这样的多点连接提高所述补偿结构的故障安全性。

可能的是，mems器件具有主体，所述主体具有≤700μm的高度并且具有0.3mm和5mm之间的边长。

相应地薄的mems器件可以基于上面所描述的补偿结构在一定程度上（quasi）无应力地在广泛的温度范围上被固定，并且相比于常规的固定显著更小地贡献于模块的总高度。

可能的是，mems器件是电声变换器。在此，电声变换器可以包括至少一个膜片和至少一个背板、由硅制成的主体和至少两个电端子，其中所述主体具有在膜片后面的结构化的空腔。

在此，模块是麦克风，其中麦克风还可以包括其他芯片，例如asic集成在所述其他芯片中。

在此，这样的麦克风可以在模块中具有三个或更多个补偿结构，所述补偿结构围绕中心旋转对称地布置。电声变换器此外具有信号输入端，所述信号输入端布置在中心的区域中。

补偿结构的材料在此可以包括基本上每种材料、优选地每种导电材料，所述材料的热膨胀系数小于两个主体的较小热膨胀系数。于是适用的是：d2＜d1。可替代地，补偿结构的热膨胀系数也可以大于主体的膨胀系数中的较大膨胀系数。于是适用的是：d2＞d1。

在此，用于开发相应的模块的方法可以使用优化软件topopt，所述软件已经在丹麦技术大学（dtu）被开发了。尤其当例如因为声音进入口不允许由补偿结构遮盖，因为关于特别严格的（streng）跌落测试的机械稳定性必须被优化等等，所以外部强制条件强迫抛弃纯一维构造时，软件支持的模拟工具是有利的。

可能的是，补偿结构被设置用于有弹力地、也即弹性地固定mems器件。于是例如加速峰值和/或力可以在安装到麦克风中时被吸收（aufgenommen），并且在机械上引起的变形被减弱或避免。

附图说明

根据示意图并且根据非限制性实施例进一步阐述模块和补偿结构的作用原理。

在此：

图1示出载体、器件和两个机械连接在第一温度时的空间布置，

图2示出在第二温度时的相同布置，

图3示出示例性常规的麦克风，

图4示出麦克风的片段，其中电声变换器经由补偿结构与多层衬底连接和接线，

图5示出具有以下器件的模块的透视图，所述器件通过机械连接与载体连接，

图6示出图5的补偿结构的透视图，

图7示出具有基本上一维的取向的机械连接，

图8示出具有二维取向的机械连接，

图9示出具有应力减少的水平分段的图6的机械连接的改进方案。

具体实施方式

图1示出具有在载体t上的mems器件mb的模块m的布置。器件mb和载体t经由第一机械连接mv1并且经由第二机械连接mv2连接。在器件处的连接点的间隔是d1。在载体上的连接点的间隔是d2。在确定的温度时，器件具有长度l1并且载体具有长度l2。

如果维度和材料相应地被选择，那么得到线膨胀的完全补偿和因此在整个温度范围中热诱导的应力的完全避免，其中材料随着温度变化线性地膨胀。

图2示出在以下温度时的相同构造，所述温度与在图1中示出的情形的温度偏差温度差δt。在此，器件mb的长度从l1增长到l'1。在器件处的固定点之间的间隔从d1增长到d1'：

在载体处的固定点之间的间隔从d2增长到d2'：

如果固定点的间隔在图1的温度时仍为δd：

那么间隔增长到δd'：

在此，第二机械连接mv2具有补偿结构ks，所述补偿结构具有水平分段ha，所述水平分段ha跨越（überbrücken）长度差δd或者δd'。相对于间隔d选择补偿结构ks的材料或者其水平分段ha，使得不同的线膨胀δd'-δd被补偿。在线性膨胀情况下适用的是：

由（4）和（5）得出：

由（8）和（9）得出：

从中得出：

由方程式（11）直接得到方程式（1）。

如果载体t具有比mems器件mb更大的温度膨胀系数，那么d2＞d1。在相反的情况下（k1＞k2），必然会（müsste）是d1＞d2，或补偿结构ks的热膨胀系数小于载体t的热膨胀系数。代替具有小温度膨胀系数的补偿结构，可以使构造翻转。

图3示出常规的麦克风的片段，其中电声变换器eaw经由隆起物连接（bump-verbindung）bu与多层衬底mls连接和接线。除了电声变换器eaw之外，具有asic的芯片布置在多层衬底mls上。多层衬底、变换器eaw和芯片asic的不同的膨胀系数与芯片asic的通常仅仅电的功能性相比显著更多地干扰变换器eaw的功能性。因为变换器比芯片asic更灵敏地对机械应力作出反应。

图4示出麦克风的相应的改善，其中电声变换器经由隆起物连接不直接与多层衬底mls连接和接线，而是与补偿结构ks连接和接线，所述电声变换器这里具有膜片me和背板bp。焊盘可以布置在被设置用于与焊接材料连接的部位（stelle）处。类似地，变换器eaw也可以拥有焊盘，以便可以进行耐久的焊接。

图5示出模块m的透视图，其中mems器件mb被布置在载体t上，并且经由机械连接或者其补偿结构ks被连接和接线。在此，模块包括四个机械连接，所述机械连接围绕其共同的中心z旋转对称地布置和取向。机械连接中的每一个均具有与载体t的四个接触部位和与器件mb的一个接触部位。

在中心z的区域中，器件mb具有声音进入口。在此，机械连接mv围绕声音进入口成组，使得声音信号可以毫无问题地被接收。

图6以透视图示出图5的机械连接。机械连接具有四个固定点bp-t，所述机械连接利用所述固定点被固定在载体上。此外，机械连接具有固定点bp-mb，所述机械连接经由所述固定点与mems器件连接。机械连接此外包括水平分段ha，所述水平分段能够实现在两个维度上的长度均衡。

在此，水平分段ha可以轻微地相对于在载体上的固定点bp-t被提高，以便在水平分段ha和载体t之间不能形成机械应力。

这样的机械连接可以在制造工艺期间被制成，其方式是水平分段ha被施加到在载体上t的牺牲材料上，所述牺牲材料在施加了水平分段ha的材料之后被去除。

图7示出基本上一维地构成的机械连接，所述机械连接具有在载体上的刚好一个固定点bp-t和用于mems器件的刚好一个固定点bp-mb。在其之间的水平分段连接两个点。

图8示出机械连接的一种实施方式，所述机械连接在两个方向上具有水平分段。相应地存在用于载体的两个固定点bp-t和用于器件的一个固定点bp-mb。

在此，水平分段（不同于图7的扩展方案）不是由具有直线伸展的边的分段构成，而是由具有曲折地伸展的边的分段构成，以便避免机械应力集中。图9相应地示出机械连接的一种实施方式，所述机械连接具有用于载体的四个固定点bp-t和用于器件的一个固定点bp-mb，其中水平分段ha同样由具有曲折地伸展的边的分段构成。

模块不被限制于示出的实施例。具有用于温度补偿的其他机械和/或电连接的模块或具有其他器件的模块同样是按照本发明的实现方案。

附图标记列表

asic：asic芯片

bp：背板

bp-mb：用于器件的固定点

bp-t：用于载体的固定点

bu：隆起物连接

d1：在mems器件处的固定点的间隔或者在mems器件处的固定点与中心的间隔

d2：在载体上的机械连接的间隔或者在载体上机械连接的固定点与中心的间隔

eaw：电声变换器

ha：水平分段

k1：载体的温度膨胀系数

k2：器件的温度膨胀系数

kk：补偿结构的温度膨胀系数

ks：（温度）补偿结构

l1：mems器件的长度

l2：载体的长度

m：模块

mb：mems器件

me：膜片

mls：多层载体

mv：机械连接

mv1、mv2：第一、第二机械连接

t：载体

z：（对称）中心

δd，δd'：由补偿结构要跨越的水平间隔。