AT3609U1 - Mikrosensor - Google Patents

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Abstract

Bei einem Mikrosensor mit einem mikroelektromechanischen Sensorelement und einem integrierten Schaltkreis für die Mess-, Kalibrier- und Kompensationselektronik, wobei das Sensorelement elektrisch mit dem integrierten Schaltkreis (IC) verbunden ist, ist das mikroelektromechanische Sensorelement unmittelbar auf dem integrierten Schaltkreis angeordnet und positionsgenau und elektrisch leitend über eine umlaufende Lötnaht verbunden.

Description


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   Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikrosensor mit einem mikroelektromechanischen Sensorelement und einem integrierten Schaltkreis für die Mess-, Kalibrier- und Kompensationselektro- nik, wobei das Sensorelement elektrisch mit dem integrierten Schaltkreis (IC) verbunden ist. 



   Mikrosensoren der eingangs genannten Art werden für unter- schiedliche Verwendungszwecke gebaut. Neben Näherungsschaltern und Beschleunigungssensoren sind beispielsweise bereits Halb- leiterdruckaufnehmer bekannt geworden, bei welchen ein Sensor- element und ein Träger aus unterschiedlichen Materialien durch Löten verbunden werden. Als Sensorelement bei derartigen Druck- aufnehmern wurden bereits Siliziummembrane vorgeschlagen, wobei sich aufgrund unterschiedlicher E-Module des jeweils verwendeten Werkstoffes verschieden starke Stauchungen ergeben. Durch Druck- einwirkung kommt es zu Verformungen und es ist bereits bekannt, den piezoresistiven Effekt eindiffundierter Widerstände in Sili- ziummembranen zur Messung von Drücken bis zu mehreren 100 bar zu verwenden. Bei den bekannten Mikro'sensoren erfolgt der elek- trische Abgriff über Bondpads und Bondleitungen bzw.

   Bonddrähte, worauf in der Folge die Auswertung in über Bonddrähte an- geschlossenen integrierten Schaltkreisen erfolgt. Derartige Schaltkreise können eine übliche Mess-, Kalibrier- und Kompensa- tionselektronik enthalten. Bedingt durch die relativ langen Lei- tungen zwischen den miteinander zu verbindenen Komponenten, kommt es vor allem bei kapazitiv arbeitenden Sensoren zu relativ hohen parasitären Kapazitäten von Bondpads und Leitungen, welche den Grossteil des Sensorennutzsignales überdecken, sodass die Emp- findlichkeit beschränkt ist. 



   Lötverbindungen sind in der Mikroelektronik weit verbrei- tet, insbesondere ist es bereits bekannnt, IC's elektrisch und mechanisch über Lötinseln zu verbinden. Weiters sind flächige Lötverbindungen bekannt, mit welchen passive Siliziumkomponenten zur Herstellung der eingangs genannten piezoresistiven Sensoren mit einem Träger verlötet werden. In der Folge muss die Ober- fläche der Membrane mit Leiterbahnen kontaktiert werden, wobei diese Kontakte der Lötverbindungsseite abgewandt sind, was wiederum zu relativ hohen Leitungslängen führt. 

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   Die Erfindung zielt nun darauf ab, einen Mikrosensor der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher für eine grosse Zahl verschiedener Anwendungsgebiete geeignet ist und insbesondere den Einfluss parasitärer Kapazitäten weitestgehend reduziert, so- dass im Falle von kapazitiven Sensoren Auflösungen im atto- Farad-Bereich ohne weiteres möglich werden. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht der erfindungsgemässe Mikrosensor im wesentlichen darin, dass das mikroelektromechanische Sensorelement unmittelbar auf dem integrierten Schaltkreis angeordnet und positionsgenau und elektrisch leitend über eine umlaufende Lötnaht verbunden ist.

   Dadurch, dass das mikroelektromechanische Sensorelement un- mittelbar auf einem integrierten Schaltkreis (IC) angeordnet ist und positionsgenau und elektrisch leitend über eine umlaufende Lötnaht verbunden ist, wird mit der mechanischen Verbindung durch die Lötnaht gleichzeitig die elektrische Verbindung unter wesentlicher Verringerung der Leiterbahnlänge geschaffen, wobei die für die Messung und Auswertung erforderliche Schaltungskom- ponenten in der integrierten Schaltung, d. h. unmittelbar dem mikroelektromechanischen Sensorelement benachbart, angeordnet werden können. Eine derartige Ausbildung erlaubt es, hochemp- findliche und gleichzeitig korrosionsgeschützte Systeme zu schaffen, wobei gleichzeitig die Herstellungskosten im Vergleich zu bisherigen mehrteiligen Sensorsystemen wesentlich herabge- setzt werden können.

   Bei einer derartigen Konstruktion wird zu- nächst der Vorteil eines modularen Aufbaus durch einfachen Tausch der mikroelektromechanischen Komponente erzielt, wobei ein einheitlicher Herstellungsprozess für unterschiedliche Sen- soren unter Verwendung erprobter ausgereifter und zuverlässiger IC's Verwendung finden kann. Der mechanische Teil ist techno- logisch einfach und zuverlässig herstellbar, und die Verbin- dungstechnik kann für unterschiedliche Sensortypen gleich ge- halten werden. 



   Mit Vorteil ist die erfindungsgemässe Ausbildung hiebei so getroffen, dass das mikroelektromechanische Sensorelement als Kondensatorplatte ausgebildet und geschaltet ist. Für eine der- artige Ausbildung genügt es, das mikroelektromechanische Sensor- element aus elektrisch leitfähigem Silizium auszubilden, wofür 

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 konventionelle Ätztechniken zur Verfügung stehen. Ein derartiges Sensorelement lässt sich in der Folge für unterschiedlich zu erfassende Messgrössen einsetzen, wobei bevorzugt die Ausbildung so getroffen ist, dass das mikroelektromechanische Sensorelement als elektrisch leitender Biegebalken zur Bestimmung von Abstän- den, Neigungen, Beschleunigungen und/oder Drehraten ausgebildet ist.

   Insbesondere die Erfassung von Drehraten kann durch die erfindungsgemässe Ausbildung wesentlich empfindlicher gestaltet werden, da die erfindungsgemässe Ausbildung so getroffen werden kann, dass Querbeschleunigung aus der Messung weitestgehend eli- miniert werden können. Bei rascher Verdrehung kommt es infolge der Korioliskraft zu einer Verbiegung eines derartigen rotieren- den Sensorelementes und damit zu einer Verringerung des Dielek- trikumabstandes zwischen einander gegenüberliegenden Konden- satorbauteilen bzw. Kondensatorplatten, sodass beispielsweise lediglich die Korioliskraft als Kapazitätsänderung gemessen wird, wodurch eine hohe Empfindlichkeit und exakte Erfassung der Drehraten ermöglicht wird.

   Die erfindungsgemässe Lötverbindung über eine umlaufende Lötnaht erlaubt es hiebei gleichzeitig die Lötnaht gasdicht auszubilden, sodass die Korrosionsgefahr wesent- lich verringert wird und die Möglichkeit geschaffen wird, den Hohlraum und damit auch den als Dielektrikum wirkenden Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Kondensatorplatten zumindest teilweise zu evakuieren, sodass das Ausmass der Gas- dämpfung des Sensors in einfacher Weise beeinflusst werden kann. 



  Die hohe Empfindlichkeit lässt sich in einfacher Weise dadurch erzielen, dass die integrierte Schaltung unterhalb des mikro- elektromechanischen Biegebalkens im Bereich der Projektion der Anlenkstelle des einseitig eingespannten Biegebalkens eine Kondensatorfläche zur Ausbildung einer Referenzkapazität auf- weist. Bei einer derartigen Ausbildung wird somit gleichzeitig eine Referenzkapazität für die elektronische Auswertung und Kom- pensation bereitgestellt und damit die Kompensation und Auswertung der Signale wesentlich erleichtert. 



   Bei gasgefüllten mikroelektromechanischen Komponenten ist der elektrisch leitende Biegebalken in der Regel überkritisch gasgedämpft. In solchen Fällen lässt sich die Empfindlichkeit da- 

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 durch wesentlich erhöhen, dass innerhalb der Projektion des Biegebalkens auf die integrierte Schaltung eine Elektrode zur Aufbringung einer elektrostatischen Kraft auf den Biegebalken am IC angeordnet ist. Eine elektrostatische Kraft, welche nicht linear von der angelegten Spannung abhängt, erlaubt es, den Biegebalken zu stabilisieren und gleichzeitig den Frequenznutz- bereich der Schwingung zu erhöhen, wofür beispielsweise bei gleicher Spannung pulsbreitenmodulierte Spannungsimpulse der Elektrode zur Aufbringung der elektrostatischen Kraft zugeführt werden können. 



   Eine besonders kostengünstige Herstellung des Mikrosensors gelingt dadurch, dass der mikroelektromechanische Bauteil als hinterätzter Quader aus elektrisch leitfähigem Si ausgebildet ist und über Abstandhalter mit dem IC durch eine gasdichte, um- laufende Lötnaht verbunden ist. Die bevorzugte Ausbildung der umlaufenden Lötnaht als gasdichte Lötnaht dient hiebei der Mög- lichkeit den entsprechenden Raum zumindest teilweise zu eva- kuieren oder mit anderen Gasen zu füllen, wodurch die Empfind- lichkeit bzw. der messbare Frequenzbereich verbessert werden kann. Im Fall von Drucksensoren kann naturgemäss eine entsprechende Druckbeaufschlagung des Biegebalkens über ent- sprechende Bohrungen bzw.

   Durchbrechungen im mechanischen Bauteil gewünscht werden, wobei die elektrisch leitfähige Membran hier gleichfalls nicht mehr als einseitig eingespannter Biegebalken, sondern als mehrseitig eingespannter Biegebalken und insbesondere als gasdichte Membran ausgebildet werden kann. 



  Auch in diesen Fällen kann aber die umlaufende Lötnaht selbst gasdicht ausgebildet sein, da es genügt die entsprechenden Gaseintrittsöffnungen an der der Lötnaht abgewendeten Seite der Membran vorzusehen. 



   Zur Verringerung der Korrosionsgefahr ist mit Vorteil die Ausbildung so getroffen, dass der zwischen IC und mikroelektro- mechanischem Bauteil ausgebildete Hohlraum evakuiert ist. 



   Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Zeich- nung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher er- läutert. 

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   In der Zeichnungsfigur ist mit 1 ein mikroelektromechani- sches Sensorelement dargestellt, welches aus einem elektrisch leitfähigen Silizium besteht. Durch Hinterätzung wird ein Biege- balken 2 ausgebildet, welcher eine Kondensatorplatte ausbildet, welche wiederum elektrisch leitend über eine umlaufende Lötnaht 3 mit einem IC 4 verbunden ist. Der integrierte Schaltkreis (IC) 4 weist hiebei an seiner der Kondensatorplatte 2 des mikroelek- tromechanischen Sensorelementes 1 zugewandten Oberseite eine Kontaktfläche 5 auf, welche gemeinsam mit der elektrisch leit- fähigen Platte des Biegebalkens 2 einen Referenzkondensator aus- bildet, da der Abstand dieser Fläche vom Biegebalken 2 in ihrem Abstand auch bei Auslenkungen des Biegebalkens 2 nur geringen Veränderungen unterworfen ist. Der Abstand wird hiebei im wesentlichen durch Abstandhalter 6 definiert. 



   Bei Beschleunigung, Neigung oder Drehbewegung verändert sich nun der Abstand des Dielektrikums zwischen dem Biegebalken 2 und den darunterliegenden elektrisch leitfähigen Platten des IC, wobei mit 7 die am IC festgelegte Kondensatorplatte des Messsensors bezeichnet ist. Zwischen den beiden Kondensator- platten 5 und 7 des IC 4 ist eine weitere Elektrode 8 angeord- net, über welche eine elektrostatische Kraft auf den Biegebalken 2 aufgebracht werden kann, wodurch dieser in seiner Auslenkung und in seiner Empfindlichkeit stabilisiert werden kann. 



   Das im IC 4 erfasste, kompensierte und ausgewertete Signal kann in der Folge über Bonddrähte 9 einer Anzeigevorrichtung oder einer nachgeschalteten weiteren Auswertungseinrichtung zugeführt werden. 



   Besonders vorteilhaft ist hiebei die Möglichkeit einer vollständigen elektrischen Schirmung der Sensoren, wenn der mechanische Teil sowie das Substrat des IC über die umlaufende Lötnaht an Massepotential liegt. Aufgrund der kontruktions- bedingten Kapselung können die Sensoren in einfache Kunststoff- gehäuse verpackt werden, was bei monolithischen Sensorkonstruk- tionen nicht ohne weiteres möglich wäre.

Claims (7)

  1. Ansprüche: 1. Mikrosensor mit einem mikroelektromechanischen Sensor- element und einem integrierten Schaltkreis für die Mess-, Kali- brier- und Kompensationselektronik, wobei das Sensorelement elektrisch mit dem integrierten Schaltkreis (IC) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mikroelektromechanische Sensor- element unmittelbar auf dem integrierten Schaltkreis angeordnet und positionsgenau und elektrisch leitend über eine umlaufende Lötnaht verbunden ist.
  2. 2. Mikrosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mikroelektromechanische Sensorelement als Kondensatorplatte ausgebildet und geschaltet ist.
  3. 3. Mikrosensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, dass das mikroelektromechanische Sensorelement als elek- trisch leitender Biegebalken zur Bestimmung von Abständen, Nei- gungen, Beschleunigungen und/oder Drehraten ausgebildet ist.
  4. 4. Mikrosensor nach Anspruch 1, .2 oder 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass die integrierte Schaltung unterhalb des mikro- elektromechanischen Biegebalkens im Bereich der Projektion der Anlenkstelle des einseitig eingespannten Biegebalkens eine Kondensatorfläche zur Ausbildung einer Referenzkapazität auf- weist.
  5. 5. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Projektion des Biegebalkens auf die integrierte Schaltung eine Elektrode zur Aufbringung einer elektrostatischen Kraft auf den Biegebalken am IC angeord- net ist.
  6. 6. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mikroelektromechanische Bauteil als hinterätzter Quader aus elektrisch leitfähigem Si ausgebildet ist und über Abstandhalter mit dem IC durch eine gasdichte, umlaufende Lötnaht verbunden ist.
  7. 7. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen IC und mikroelektromechanischem Bauteil ausgebildete Hohlraum evakuiert ist.
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