DE102005004329A1

DE102005004329A1 - Micromechanical sensor unit for vehicle tire, has opening extending up to cavern, seismic mass e.g. solder bump, provided underneath or in diaphragm, and piezo resistance in diaphragm for measuring deflection of diaphragm

Info

Publication number: DE102005004329A1
Application number: DE200510004329
Authority: DE
Inventors: Hubert Benzel; Frank Schaefer; Gerhard Lammel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2006-08-03
Also published as: WO2006081888A3; WO2006081888A2

Abstract

The unit has a substrate (5) and a diaphragm (10) is provided in the substrate. A cavern (12) is formed underneath the sensor unit and an opening is provided in the diaphragm, where the opening extends up to the cavern. A seismic mass e.g. solder bump (22), is provided underneath or in the diaphragm. A piezo resistance (14) is provided in the diaphragm for measuring deflection of the diaphragm. An independent claim is also included for a method of manufacturing a micro mechanical sensor unit.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Sensorelement zur Messung einer Beschleunigung und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sensorelementes. Das erfindungsgemäße Sensorelement ist insbesondere als Beschleunigungssensor in Fahrzeugreifen einsetzbar.The The invention relates to a micromechanical sensor element for measurement an acceleration and a method for producing such a sensor element. The sensor element according to the invention is particularly useful as an acceleration sensor in vehicle tires.

Mikromechanische Halbleiterbauelemente werden im Allgemeinen in Bulk- oder Oberflächenmikromechanik (OMM) hergestellt. Die Herstellung in Oberflächenmikromechanik ist im Allgemeinen kostengünstiger als die Herstellung in Bulk-Mikromechanik. Oberflächenmikromechanische Beschleunigungssensoren weisen herkömmlicherweise eine seismische Masse aus Silizium auf, die kapazitiv ausgelesen wird. Die Auslesung erfolgt im Allgemeinen über eine auf einem separaten Chip vorgesehene Auswerteeinrichtung.Micromechanical Semiconductor devices are generally bulk or surface micromachined (OMM) produced. Production in surface micromachining is general cost-effective as the production in bulk micromechanics. Surface micromechanical Acceleration sensors conventionally have a seismic Mass of silicon, which is read out capacitively. The reading is generally about an evaluation device provided on a separate chip.

Weiterhin ist der Einsatz von mikromechanisch hergestellten Reifendrucksensoren bekannt. Die DE 100 32 579 A1 beschreibt ein kostengünstiges Herstellungsverfahren für in Oberfächenmikromechanik hergestellte Drucksensorelemente mit einer Membran, unterhalb derer eine Kaverne ausgebildet ist. Hierzu werden in dem Substrat zunächst grobe Poren ausgebildet, so dass eine schwamm- oder gitterartige Struktur entsteht. Hierauf wird nachfolgend eine monokristalline Epitaxieschicht ausgebildet, die die spätere Membran bildet. In einem nachfolgenden Temperschritt wird die Kaverne unterhalb der Membran als großvolumiger Hohlraum ausgebildet. Dies kann in einer Atmosphäre aus Wasserstoff erfolgen, der nachfolgend durch die Membran aus der Kaverne hinaus diffundiert und in der Kaverne ein Vakuum hinterlässt, so dass die Membran dem Absolutdruck des Außenraums ausgesetzt ist. Der auf die Membran einwirkende Außendruck bewirkt eine Verspannung und Auslenkung, die über Piezowiderstände ausgelesen wird. Der Sensor-Chip wird nachfolgend auf einem Montagesubstrat, z.B. einer Leiterplatte kontaktiert und zur Reifendruckmessung im allgemeinen im Bereich des Reifenventils angeordnet.Furthermore, the use of micromechanically produced tire pressure sensors is known. The DE 100 32 579 A1 describes a cost-effective production method for pressure sensor elements produced in surface micromechanics with a membrane, below which a cavern is formed. For this purpose, coarse pores are first formed in the substrate, so that a sponge or grid-like structure is formed. Subsequently, a monocrystalline epitaxial layer is formed, which forms the later membrane. In a subsequent annealing step, the cavern is formed below the membrane as a large-volume cavity. This can be done in an atmosphere of hydrogen, which subsequently diffuses out of the cavern through the membrane and leaves a vacuum in the cavern, so that the membrane is exposed to the absolute pressure of the outside space. The external pressure acting on the membrane causes a tension and deflection, which is read out via piezoresistors. The sensor chip is subsequently contacted on a mounting substrate, for example a printed circuit board, and arranged for tire pressure measurement, generally in the region of the tire valve.

Die zusätzliche Messung der Reifenbeschleunigung kann zum einen erfolgen, um den Reifendrucksensor erst bei fahrendem Fahrzeug auszulesen, oder die Messwerte des Reifendrucks und der Reifenbeschleunigung können als Eingangsmesswerte eines Sicherheitssystems oder einer Fahrdynamikregelung verwendet werden; hierzu sind bei den oben genannten Systemen somit bereits zwei Chips auf dem Substrat vorzusehen. Für die Auswerteschaltung ist im Allgemeinen ein weiterer Chip erforderlich, so dass erhebliche Herstellungskosten auftreten.The additional Measurement of tire acceleration can be done on the one hand to the Only read the tire pressure sensor when the vehicle is moving, or the Measurements of tire pressure and tire acceleration may be considered Input measured values of a safety system or vehicle dynamics control be used; this is in the above systems thus already provide two chips on the substrate. For the evaluation circuit In general, another chip is needed, so that's significant Production costs occur.

Das erfindungsgemäße mikromechanische Sensorelement weist demgegenüber einige Vorteile auf. Es kann entsprechend dem Drucksensorelement der DE 100 32 579 A1 in Oberflächenmikromechanik ausgebildet werden, wobei nachfolgend auf der Membran eine seismische Masse bzw. Beschleunigungsmasse aufgebracht und die Membran für einen Druckausgleich in mindestens einer Öffnung geöffnet wird. Erfindungsgemäß ist vorteilhafterweise die kombinierte Ausbildung eines Drucksensors und eines Beschleunigungssensors auf einem gemeinsamen Sensor-Chip möglich. Der Beschleunigungs- und der Drucksensor können in gemeinsamen Prozessschritten ausgebildet werden, so dass eine kostengünstige Herstellung möglich ist. Als seismische Masse kann auf die Membran des Beschleunigungssensors ein Lötbump gesetzt werden, der vorzugsweise im einem gemeinsamen Prozessschritt zusammen mit den weiteren Lötbumps zur Kontaktierung des Sensor-Chips aufgebracht wird, so dass auch die Anbringung der seismischen Masse keine zusätzlichen Prozessschritte erfordert. Ergänzend kann eine Auswerteschaltung für beide Sensoren auf dem Sensor-Chip vorgesehen sein.In contrast, the micromechanical sensor element according to the invention has several advantages. It can according to the pressure sensor element of DE 100 32 579 A1 are formed in surface micromechanics, wherein subsequently applied to the membrane, a seismic mass or acceleration mass and the membrane is opened for pressure equalization in at least one opening. According to the invention, the combined formation of a pressure sensor and an acceleration sensor on a common sensor chip is advantageously possible. The acceleration and the pressure sensor can be formed in common process steps, so that a cost-effective production is possible. As a seismic mass, a solder bump can be placed on the diaphragm of the acceleration sensor, which is preferably applied in a common process step together with the further solder bumps for contacting the sensor chip, so that the attachment of the seismic mass requires no additional process steps. In addition, an evaluation circuit can be provided for both sensors on the sensor chip.

Alternativ zu dem Lötbump können grundsätzlich auch andere Materialen als seismische Masse auf, unter oder in der Membran vorgesehen sein; grundsätzlich kann die seismische Masse hierbei auch durch die Membran selbst ausgebildet werden.alternative to the soldering bump can in principle Other materials than seismic mass on, under or in the Be provided membrane; in principle the seismic mass can also pass through the membrane itself be formed.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird durch die mindestens eine Öffnung auch eine teilweise Abtrennung des mittleren Membranbereichs mit der seismischen Masse erreicht, wobei insbesondere ein oder mehrere Stegbereiche zwischen dem mittleren Membranbereich und dem umgebenden Material des Sensorelementes ausgebildet werden. Die ein oder mehreren Stegbereiche ermöglichen größere Auslenkungen und können mit einer geeigneten Federsteifigkeit ausgebildet werden, so dass sie zusammen mit der seismischen Masse ein Feder-Masse-System mit hoher Empfindlichkeit und Messgenauigkeit für Beschleunigungen in einer, zwei oder drei Dimensionen ausbilden. Bei Verwendung der Membran selbst als seismischer Masse werden vorteilhafterweise ein oder mehrere dünne Stegbereiche ausgebildet, so dass ein Feder-Masse-System mit geringer Masse und geringer Federstärke entsteht.According to one preferred embodiment through the at least one opening also a partial separation of the central membrane area with reaches the seismic mass, in particular one or more Web areas between the middle membrane area and the surrounding area Material of the sensor element can be formed. The one or more Enable web areas bigger distractions and can be formed with a suitable spring stiffness, so that they use a spring-mass system along with the seismic mass high sensitivity and measurement accuracy for accelerations in one, form two or three dimensions. When using the membrane even as a seismic mass advantageously an or several thin ones Web areas formed so that a spring-mass system with less Mass and low spring strength arises.

Das Sensorelement bzw. der Sensor-Chip kann insbesondere nachfolgend in Flip-Chip-Technik, d.h. in reverser Anordnung mit der mikromechanischen Oberseite nach unten auf das betreffende Montagesubstrat, vorzugsweise eine Leiterpatte, aufgesetzt werden. Hierbei ist in dem Montagesubstrat unterhalb der seismischen Masse vorteilhafterweise eine Ausnehmung ausgebildet, die durch das Sensorelement dicht verschlossen wird. Durch die Ausnehmung in dem Substrat kommt keine Verbindung zwischen dem Sensor-Chip und der Leiterplatte zustande, so dass der Lötbump als seismische Masse die Membran bei Beschleunigung in vertikaler Richtung auslenken kann. Die Auslenkung wird über Piezowiderstände ausgelesen. Der Beschleunigungssensor ist in der Ausnehmung gegenüber dem Außenraum abgedichtet, so dass keine Partikel oder Feuchtigkeit von außen durch die Öffnung der Membran in die Kaverne eindringen können. Der Drucksensor ist hingegen dem Außenraum ausgesetzt und hierzu z.B. mit seiner Membran gegenüber der Leiterplatte beabstandet vorgesehen.The sensor element or the sensor chip can in particular subsequently be applied in flip-chip technology, ie in a reverse arrangement with the micromechanical upper side down onto the relevant mounting substrate, preferably a conductor plate. Here, in the mounting substrate below the seismic mass is advantageously formed a recess which is sealed by the sensor element. Due to the recess in the substrate, no connection between the sensor chip and the printed circuit board is established, so that the solder bump as a seismic mass can deflect the membrane during acceleration in the vertical direction. The deflection is read out via piezoresistors. The acceleration sensor is sealed in the recess with respect to the outer space, so that no particles or moisture can penetrate from the outside through the opening of the membrane into the cavern. The pressure sensor is, however, exposed to the outside space and provided for this purpose, for example, with its membrane spaced from the circuit board.

Die Piezowiderstände des Beschleunigungssensors, vorteilhafterweise auch des Drucksensors, können vorzugsweise durch Eindiffundieren einer Dotierung, die der Dotierung des Halbleitermaterials der Membran entgegengesetzt ist, ausgebildet werden.The piezoresistors the acceleration sensor, advantageously also the pressure sensor, may preferably by diffusing a doping, the doping of the semiconductor material of the Membrane is opposite, be formed.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to the accompanying drawings on some embodiments explained in more detail. It demonstrate:

1 einen Querschnitt durch ein Sensormodul, das aus einer Leiterplatte mit in Flip-Chip-Technik montiertem, mikromechanischem Sensorelement bzw. Sensor-Chip zur Beschleunigungsmessung gebildet ist, 1 a cross section through a sensor module, which is formed from a printed circuit board with a flip-chip technology mounted, micromechanical sensor element or sensor chip for acceleration measurement,

2 eine Draufsicht auf das Sensorelement aus 1, 2 a plan view of the sensor element 1 .

3a, b alternative Ausbildungen der Anbindung der Membran am Bulkmaterial des Sensorelementes, 3a , b alternative embodiments of the connection of the membrane to the bulk material of the sensor element,

4 eine Draufsicht auf ein weiteres Sensorelement für eine dreidimensionale Beschleunigungsmessung; 4 a plan view of another sensor element for a three-dimensional acceleration measurement;

5 einen Querschnitt durch ein Sensormodul gemäß einer weiteren Ausführungsform mit Leiterplatte und einem Sensorelement zur Messung von sowohl Beschleunigung als auch Druck. 5 a cross section through a sensor module according to another embodiment with a printed circuit board and a sensor element for measuring both acceleration and pressure.

Ein Sensormodul 1 weist eine Leiterplatte 2 und einen auf der Leiterplatte 2 befestigten, als erfindungsgemäßes Sensorelement dienenden Sensor-Chip 4 mit einem Substrat 5 aus p-dotiertem Silizium auf. Auf der Oberseite 2a der Leiterplatte 2 ist eine Ausnehmung 6 ausgebildet, z. B. ausge fräst. Der Sensor-Chip 4 ist in Flip-Chip-Technik, d.h. in reverser Anordnung mit seiner in OMM bearbeiteten Chip-Oberseite 4a nach unten auf der Oberseite 2a der Leiterplatte 2 befestigt.A sensor module 1 has a circuit board 2 and one on the circuit board 2 attached, serving as an inventive sensor element sensor chip 4 with a substrate 5 made of p-doped silicon. On the top 2a the circuit board 2 is a recess 6 trained, z. B. milled out. The sensor chip 4 is in flip-chip technology, ie in reverse order with its OMM machined chip top 4a down on the top 2a the circuit board 2 attached.

Auf dem Substrat 5 des Sensor-Chips 4 ist oberflächenmikromechanisch eine n-dotierte Membran 10 ausgebildet, unterhalb von der eine Kaverne 12 ausgebildet ist.On the substrate 5 of the sensor chip 4 is surface micromechanically an n-doped membrane 10 formed below the one cavern 12 is trained.

Die Ausbildung der Membran 10 erfolgt z.B. gemäß dem in der DE 100 32 579 A1 beschriebenen Verfahren, bei dem in dem Substrat 5 durch Ätzgas bzw. eine Ätzflüssigkeit Poren bzw. eine schwamm- oder gitterartige Struktur ausgebildet und hierauf eine der späteren Membran entsprechende Epitaxieschicht abgeschieden wird. Die Kaverne 12 wird durch nachfolgendes Tempern des porösen Materials unterhalb der Membran 10 bei z.B. 800 bis 1200 C° über mehrere Stunden ausgebildet. Alternativ hierzu kann z. B. auch auf dem Substrat 5 zunächst eine Epitaxieschicht entsprechend der Membran 10 abgeschieden werden, in der nachfolgend Ätzöffnungen bzw. feine Poren im Bereich der späteren Membran 10 ausgebildet werden, durch die anschließend das Ätzmittel, z. B. ein Silizium ätzendes Gas, z.B. Fluorwasserstoff HF, oder eine siliziumätzende Flüssigkeit, in das darunter liegende Bukmaterial zur Ausbildung der Kaverne geleitet wird. Die Ätzöffnungen in der Membran 10 können nachfolgend durch Auftragen einer Abdeckschicht auf die Membran geschlossen werden.The formation of the membrane 10 takes place, for example, according to the in the DE 100 32 579 A1 described method in which in the substrate 5 formed by etching gas or an etching liquid pores or a sponge or lattice-like structure and then an epitaxial layer corresponding to the later membrane is deposited. The cavern 12 is achieved by subsequent annealing of the porous material below the membrane 10 formed at eg 800 to 1200 C ° over several hours. Alternatively, z. B. also on the substrate 5 first an epitaxial layer corresponding to the membrane 10 are deposited in the following etching openings or fine pores in the region of the later membrane 10 be formed by the then the etchant, for. As a silicon etching gas, such as hydrogen fluoride HF, or a silicon-etching liquid is passed into the underlying Bukmaterial to form the cavern. The etch holes in the membrane 10 can subsequently be closed by applying a cover layer on the membrane.

Auf der Membran 10 sind mehrere, z. B, vier Piezowiderstände 14 als p-Dotierung in der n-dotierten Membran 10 ausgebildet. Die Auslenkung der Membran 10 wird somit durch die Piezowiderstände 14 ausgelesen. Die Piezowiderstände 14 werden vorteilhafterweise in einer Wheatstone'schen Brücke gemessen. Gemäß 2 können die länglichen, an ihren Enden kontaktierten Piezowiderstände 14 in der Ebene der Membran 10 in unterschiedlicher Richtungen angeordnet sein.On the membrane 10 are several, z. B, four piezoresistors 14 as p-doping in the n-doped membrane 10 educated. The deflection of the membrane 10 is thus due to the piezoresistors 14 read. The piezoresistors 14 are advantageously measured in a Wheatstone bridge. According to 2 can be the elongated piezoresistors contacted at their ends 14 in the plane of the membrane 10 be arranged in different directions.

Neben der Membran 10 sind Bump-Aufnahmeflächen 16 ausgebildet, z.B. galvanisiert; entsprechend ist auf der Membran 10 eine Bump-Aufnahmefläche 18 ausgebildet. Die Bump-Aufnahmeflächen 16, 18 dienen der besseren Haftung für den nachfolgenden Galvanisierungsvorgang zur Erzeugung von Lötbumps 20.Next to the membrane 10 are bump receiving areas 16 formed, eg galvanized; accordingly is on the membrane 10 a bump-receiving surface 18 educated. The bump receiving areas 16 . 18 serve the better adhesion for the subsequent electroplating process for the production of Lötbumps 20 ,

Anschließend werden auf den Bump-Aufnahmeflächen 16 die Lötbumps 20 für eine spätere elektrische Kontaktierung und auf der Bump-Aufnahmefläche 18 der Membran 10 ein etwas größerer Lötbump 22 aufgebracht, der als seismische Masse, d.h. als Trägheit zur Messung der Beschleunigungen dient.Subsequently, on the bump receiving surfaces 16 the solder bumps 20 for a later electrical contact and on the bump receiving surface 18 the membrane 10 a slightly larger soldering bump 22 applied, which serves as a seismic mass, ie as inertia for measuring the accelerations.

Die Zuleitung zu den Piezowiderständen 14 erfolgt vorteilhafterweise nicht über Metallleiterbahnen, sondern über p-dotierte Zuleitungsbereiche, die eine stärkere p-Dotierung als die Piezowiderstände 14 aufweisen und somit bei geringem Piezo-Effekt eine hohe Leitfähigkeit zeigen. Diese Zuleitungen sind direkt zu den Lötbumps 20 geführt oder außerhalb der Membran 10 an entsprechende Metallleiterbahnen oder Leiterbahnen aus polykristallinem Silizium angeschlossen, die an die Lötbumps 20 angeschlossen sind.The supply line to the piezoresistors 14 advantageously takes place not via metal interconnects, but via p-doped lead areas, the a stronger p-doping than the piezoresistors 14 exhibit and thus show high conductivity with low piezo effect. These leads are directly to the solder bumps 20 guided or outside the membrane 10 connected to corresponding metal tracks or tracks of polycrystalline silicon, which are connected to the Lötbumps 20 are connected.

Nach Aufbringen der Lötbumps 20, 22 – oder grundsätzlich auch vorher – wird die Membran 10 an einer oder mehreren Stellen geöffnet. Das Öffnen der Membran 10 erfolgt zum einen, um einen Druckausgleich zwischen dem Außenraum und der Kaverne 12 zu bewirken, so dass nachfolgend nicht ein auf den Membran 10 einwirkender Druck, sondern lediglich dynamische Beschleunigungen gemessen werden. Zum anderen kann durch die Öffnungen die Federhärte der Membran 10 deutlich verringert werden, so dass die Empfindlichkeit und somit auch Messgenauigkeit der Beschleunigungsmessungen erhöht werden kann. Die Öffnung der Membran 10 kann z.B. durch Laserstrahlbearbeitung oder durch Reaktives-Ionen-Ätzen in einem Plasmagas erfolgen. Beim Reaktiven-Ionen-Ätzen wird hierzu zuvor eine Maske, beispielsweise aus SiO2, auf die nicht zu ätzenden Bereiche der Membran 10 sowie der Chipoberseite 4a aufgebracht.After applying the solder bumps 20 . 22 - or in principle before - the membrane 10 open at one or more points. Opening the membrane 10 on the one hand, to equalize the pressure between the outer space and the cavern 12 to effect, so that subsequently not one on the membrane 10 acting pressure, but only dynamic accelerations are measured. On the other hand, through the openings, the spring hardness of the membrane 10 can be significantly reduced, so that the sensitivity and thus measurement accuracy of the acceleration measurements can be increased. The opening of the membrane 10 can be done for example by laser beam processing or by reactive ion etching in a plasma gas. In the case of reactive ion etching, a mask, for example of SiO.sub.2, for this purpose is previously applied to the regions of the membrane which are not to be etched 10 as well as the chip top 4a applied.

Bei der Ausführungsform der 1 und 2 wird eine sich über drei Seiten erstreckende Schlitzöffnung 25 ausgebildet, die somit im Wesentlichen U-förmig bzw. halboffen ist und die Membran 10 in einen mittleren Membranbereich 10a mit dem Lötbump 22 und einen zwischen der Schlitzöffnung 25 und dem Rand der Membran 10 verbleibenden äußeren Membranbereich 10b unterteilt. Die Membranbereiche 10a, 10b sind in einem als Gelenk wirkenden, schmalen Stegbereich 10c miteinander verbunden, in dem die Piezoelemente 14 angeordnet sind, da hier hohe mechanische Spannungen auftreten. Der äußere Membranbereich 10b kann hierbei grundsätzlich sehr klein gehalten werden oder – bei genauer Führung der Schlitzöffnung 25 entlang des Außenrandes der Membran 10 – auch entfallen. Die Membran 10, Kaverne 12, Schlitzöffnung 25 und Lötbump 22 bilden einen Beschleunigungssensor 27 auf dem Sensor-Chip 4.In the embodiment of the 1 and 2 becomes a slot opening extending over three sides 25 formed, which is thus substantially U-shaped or semi-open and the membrane 10 in a middle membrane area 10a with the soldering bump 22 and one between the slot opening 25 and the edge of the membrane 10 remaining outer membrane area 10b divided. The membrane areas 10a . 10b are in a narrow web area acting as a joint 10c interconnected in which the piezo elements 14 are arranged, since high mechanical stresses occur here. The outer membrane area 10b this can basically be kept very small or - with accurate guidance of the slot opening 25 along the outer edge of the membrane 10 - also omitted. The membrane 10 , Cavern 12 , Slot opening 25 and solderbump 22 form an acceleration sensor 27 on the sensor chip 4 ,

Vorteilhafterweise ist die Ausnehmung 6 in der Leiterplatte 2 durch den aufgeklebten Sensor-Chip 4 verschlossen, wodurch eine Verschmutzung durch in die Schlitzöffnung 25 eintretende Partikel und Feuchtigkeit wirksam verhindert wird. Zur Verbesserung der Dichtwirkung kann zwischen dem Sensor-Chip 4 und dem Montagesubstrat 2 ein Underfiller 30 eingebracht werden, der zusammen mit den Lötbumps 20 gebildeten Lötkontakten eine hermetische Abdichtung der Ausnehmung 6 des Montagesubstrates 2 bildet.Advantageously, the recess 6 in the circuit board 2 through the glued-on sensor chip 4 closed, causing contamination through in the slot opening 25 entering particles and moisture is effectively prevented. To improve the sealing effect can be between the sensor chip 4 and the mounting substrate 2 an underfiller 30 be brought in, along with the solder bumps 20 formed solder contacts a hermetic seal of the recess 6 of the mounting substrate 2 forms.

3a, b zeigen weitere Ausführungsformen von Membranen 110, 210 ohne die Lötbumps 22. Durch geeignete Ausbildungen der Schlitzöffnung 125 werden bei der Ausführungsform der 3a zwei Stegbereiche 110c mit geringer Gesamtfederstärke ausgebildet. Die Schlitzöffnung 125 erstreckt sich hierbei wiederum zu drei Seiten des mittleren Membranbereichs 110a und weiterhin über einen Teil der vierten Seite, wobei ergänzend zwischen den Stegbereichen 110c ein Schlitzöffnungsbereich 126 ausgebildet ist. Hierbei sind mindestens zwei Piezowiderstände 114 in den Stegbereichen 110c angeordnet. Bei der Ausführungsform der 3b erstreckt sich die Schlitzöffnung 225 wiederum über drei Seiten und einen Teil der vierten Seite des mittleren Membranbereichs 210a, die hier abgerundet ist. Der Stegbereich 210c ist einteilig ausgebildet und gemäß der gewünschten Federstärke entsprechend schmal, wobei die Piezowiderstände 214 nebeneinander angeordnet sind. 3a , b show further embodiments of membranes 110 . 210 without the solder bumps 22 , By suitable training of the slot opening 125 be in the embodiment of the 3a two land areas 110c formed with low total spring strength. The slot opening 125 again extends to three sides of the central membrane area 110a and further over part of the fourth side, in addition between the land areas 110c a slot opening area 126 is trained. Here are at least two piezoresistors 114 in the dock areas 110c arranged. In the embodiment of the 3b the slot opening extends 225 again over three sides and part of the fourth side of the middle membrane area 210a which is rounded here. The bridge area 210c is formed in one piece and correspondingly narrow according to the desired spring strength, the piezoresistors 214 are arranged side by side.

4 zeigt eine weitere Ausführungsform, die eine dreidimensionale Beschleunigungsmessung ermöglicht. Auf dem Sensor-Chip 304 sind in der Membran 310 vier jeweils winkelförmige, rechtwinklige Schlitzöffnungen 325 ausgebildet, zwischen denen an jeder Seite ein schmaler, länglicher Stegbereich 310c ausgebildet ist, in dem die Piezowiderstände 314 durch entsprechende Dotierung ausgebildet sind. Somit ergibt sich eine um den Lötbump 22 in vierzähliger Symmetrie ausgebildete Anordnung, die einer spiralartigen Aufhängung des mittleren Membranbereichs 310a entspricht. Der Lötbump 22 ragt hierbei aus der Ebene der Membran 310 heraus, so dass bei einer lateralen, d.h. in der Ebene der Membran 310 wirkenden Beschleunigung ein Kippmoment entsteht, das durch Differenzbetrachtung der Messsignale gegenüberliegender Piezowiderstände 314 bestimmt werden kann. Die Vertikalbeschleunigung als Beschleunigung in Z-Richtung kann aus dem Summensignal der Piezowiderstände 314 ermittelt werden. Die Piezowiderstände 314 können grundsätzlich in jedem Längenabschnitt der Stegbereiche 310c ausgebildet werden. Grundsätzlich ist auch die Anordnung einer gesamten Wheatstone-Brücke auf den Stegbereichen 310c möglich. 4 shows a further embodiment that allows a three-dimensional acceleration measurement. On the sensor chip 304 are in the membrane 310 four each angular, rectangular slot openings 325 formed, between which on each side of a narrow, elongated web area 310c is formed, in which the piezoresistors 314 are formed by appropriate doping. Thus, one results around the Lötbump 22 formed in vierzähligem symmetry arrangement, the spiral-like suspension of the central membrane area 310a equivalent. The soldering bump 22 protrudes from the plane of the membrane 310 out, so that at a lateral, ie in the plane of the membrane 310 acting acceleration a tilting moment arises, the difference in the measurement signals of opposing piezoresistors 314 can be determined. The vertical acceleration as acceleration in the Z direction can be calculated from the sum signal of the piezoresistors 314 be determined. The piezoresistors 314 can basically in any length of the web areas 310c be formed. In principle, the arrangement of an entire Wheatstone bridge on the land areas 310c possible.

Die verschiedenen Ausführungsformen können dahingehend kombiniert werden, dass ein oder mehrere derartiger Beschleunigungssensoren 27 mit Membranen 10, 110, 210, 310 ausgebildet werden.The various embodiments may be combined to include one or more such acceleration sensors 27 with membranes 10 . 110 . 210 . 310 be formed.

Bei der Ausführungsform der 5 ist gegenüber der Ausführungsform der 1 auf dem Substrat 505 des Sensor-Chips 504 zusätzlich zu dem Beschleunigungssensor 27 ergänzend auch ein Drucksensor 527 ausgebil det. Der Drucksensor 527 weist eine Membran 510 und eine unter der Membran 510 ausgebildete Kaverne 512 auf, in der keine Schlitzöffnungen ausgebildet sind. Die Kaverne 512 kann beim Herstellungsprozess mit Wasserstoff gefüllt sein, das nachfolgend unter Ausbildung eines Vakuums heraus diffundiert, so dass der auf die Membran 510 einwirkende Absolutdruck über in der Membran 510 ausgebildete Piezowiderstände 514 ermittelt werden kann. Zwischen der Membran 510 und der Leiterplatte 2 verbleibt entsprechend ein Freiraum ohne Underfiller 30, damit der Außendruck auf die Membran 510 einwirken kann. Erfindungsgemäß kann der Underfiller 30 z.B. zwischen dem Drucksensor 507 und dem Beschleunigungssensor 27 eingebracht werden und diese hierdurch trennen.In the embodiment of the 5 is opposite to the embodiment of 1 on the substrate 505 of the sensor chip 504 in addition to the acceleration sensor 27 in addition, a pressure sensor 527 educated. The pressure sensor 527 has a membrane 510 and one under the membrane 510 trained cavern 512 on, in which no slot openings are formed. The cavern 512 can be filled with hydrogen in the manufacturing process, which subsequently diffuses out to form a vacuum, so that on the membrane 510 acting absolute pressure over in the membrane 510 trained piezoresistors 514 can be determined. Between the membrane 510 and the circuit board 2 accordingly remains a free space without underfillers 30 , so that the external pressure on the membrane 510 can act. According to the underfiller 30 eg between the pressure sensor 507 and the acceleration sensor 27 be introduced and thereby separate them.

Die Membranen 10, 510 werden in gleichen Prozessschritten ausgebildet, d.h. gemäß dem oben beschriebenen Verfahren werden auf dem Substrat des Sensor-Chips 504 zunächst poröse Bereiche ausgebildet, auf die nachfolgend die Epitaxieschicht für die Membranen 10, 510 ausgebildet wird, anschließend werden die Kavernen 12, 512 beim Tempern des Sensorchips 504 in dem porösen Material ausgebildet. Nachfolgend werden die Lötbumps 22, 20 aufgesetzt und die Schlitzöffnung 25 – oder auch 125, 225, 325 – in der Membran 10 ausgebildet. Der Mehraufwand zur Ausbildung der zusätzlichen Membran 510 gegenüber der Ausführungsform der 1 ist somit gering, es ist kein weiterer Prozessschritt erforderlich.The membranes 10 . 510 are formed in equal process steps, ie according to the method described above are on the substrate of the sensor chip 504 initially formed porous areas on the following epitaxial layer for the membranes 10 . 510 is formed, then the caverns 12 . 512 when annealing the sensor chip 504 formed in the porous material. Below are the solder bumps 22 . 20 put on and the slot opening 25 - or also 125 . 225 . 325 - in the membrane 10 educated. The extra effort to form the additional membrane 510 compared to the embodiment of the 1 is therefore low, no further process step is required.

Weiterhin kann auf dem Sensor-Chip 4 – entsprechend auch bei den anderen Ausführungsformen – bereits eine Auswerteschaltung 600 ausgebildet sein, wie in 1 entsprechend angedeutet. Alternativ hierzu kann die Auswerteschaltung 600 auch auf einem weiteren Chip ausgebildet sein, der auf der Leiterplatte 2 befestigt ist. Weiterhin kann z.B. eine Antenne auf einem weiteren Chip ausgebildet sein, wobei die Kontaktierung über die Leiterplatte 2 erfolgt.Furthermore, on the sensor chip 4 - Corresponding to the other embodiments - already an evaluation circuit 600 be trained as in 1 indicated accordingly. Alternatively, the evaluation circuit 600 also be formed on another chip, on the circuit board 2 is attached. Furthermore, for example, an antenna may be formed on another chip, wherein the contacting via the circuit board 2 he follows.

Grundsätzlich ist es auch möglich, den Sensor-Chip 4, 304, 504 nicht in Flip-Chip-Technik, sondern in nicht reverser Stellung auf der Leiterplatte 2 zu befestigen. Die Befestigung kann z.B. über ein den Sensor-Chip 4, 304, 504 aufnehmendes Chipgehäuse mit Anschlusspins auf der Leiterplatte 2, oder in Chip-on-Board-Technik direkt auf der Leiterplatte 2 erfolgen.Basically, it is also possible to use the sensor chip 4 . 304 . 504 not in flip-chip technology, but in non-reverse position on the circuit board 2 to fix. The attachment can eg via a sensor chip 4 . 304 . 504 receiving chip housing with connection pins on the circuit board 2 , or in chip-on-board technology directly on the circuit board 2 respectively.

Bei allen Ausführungsformen erfolgt vorteilhafterweise die Ausbildung des Sensorelementes auf Waferebene, d.h. es werden auf einem Wafer lateral beabstandet mehrere Membranen 10, 110, 210, 310, 510 mit Kavernen 12, 512, Piezowiderständen 14, 114, 214, 314, 514, Schlitzöffnungen 25, 125, 225, 325, 525 und Lötbumps 20, 22 ausgebildet, so dass beim nachfolgenden Zersägen des Wafers direkt die fertig gestellten einzelnen Sensor-Chips vereinzelt werden.In all embodiments, advantageously, the formation of the sensor element takes place at the wafer level, ie, a plurality of membranes are laterally spaced on a wafer 10 . 110 . 210 . 310 . 510 with caverns 12 . 512 , Piezoresistors 14 . 114 . 214 . 314 . 514 , Slit openings 25 . 125 . 225 . 325 . 525 and solderbumps 20 . 22 formed so that the finished sawing the individual sensor chips are separated during the subsequent sawing of the wafer directly.

Claims

Micromechanical sensor element for measuring an acceleration, comprising at least: a substrate ( 5 . 505 ), one on the substrate ( 5 . 505 ) formed membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 ), below which a cavern ( 12 ), one in the membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 ) formed opening ( 25 . 125 . 225 . 325 ), which extend to the cavern ( 12 ), one on, under or in the membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 ) trained seismic mass ( 22 ), and at least one in the membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 ) formed piezoresistor ( 14 . 114 . 214 . 314 ) for measuring at least one deflection of the membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 ).

Sensor element according to claim 1, characterized in that the seismic mass ( 22 ) on the membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 ) set solder bump ( 22 ).

Sensor element according to claim 1, characterized in that the seismic mass ( 22 ) is formed by the membrane.

Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that on its upper side ( 4a ) laterally spaced from the membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 ) Solder bumps ( 20 ) are applied for contacting.

Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that through the at least one opening ( 25 . 125 . 225 . 325 ) in the membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 ) the seismic mass ( 22 ) receiving middle membrane area ( 10a . 110a . 210a . 310a ) and at least one compliant, middle membrane region ( 10a . 110a . 210a . 310a ) with another membrane area ( 10b . 110b . 210b . 310b ) or the substrate ( 5 . 505 ) connecting web area ( 10c . 110c . 210c . 310c ) are formed

Sensor element according to claim 5, characterized in that the at least one piezoresistor ( 14 . 114 . 214 . 314 ) in the at least one land area ( 10c . 110c . 210c . 310c ) is trained.

Sensor element according to claim 5 or 6, characterized in that the at least one opening has a slot opening ( 25 . 125 . 225 ) which extends over at least three sides of the central membrane area ( 10a . 110a . 210a ).

Sensor element according to claim 7, characterized in that the slot opening ( 125 . 225 ) in addition to a part of the fourth page of the middle ren membrane area ( 110a . 210a ).

Sensor element according to claim 5 or 6, characterized in that in the membrane ( 310 ) at least four angular slot openings ( 325 ) are formed, between which four the middle membrane area ( 310a ) and an outer membrane region ( 310b ) connecting web areas ( 310c ).

Sensor element according to claim 9, characterized in that the slot openings ( 225 ) are formed at right angles with two legs, wherein the legs of adjacent slot openings ( 325 ) run parallel and between one of the web areas ( 310c ) train.

Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that on the chip top ( 4a ) a pressure sensor ( 527 ) with a membrane ( 510 ), one below the membrane ( 510 ) in the substrate ( 505 ) cavern ( 512 ) and at least one piezoresistor ( 514 ) is trained.

Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one piezoresistor ( 14 . 114 . 214 . 314 . 514 ) by local doping of the membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 . 510 ) is trained.

Sensor element according to claim 12, characterized in that the at least one piezoresistor ( 14 . 114 . 214 . 314 ) over semiconductor regions of the same doping and higher doping concentration with metal interconnects or solder bumps (US Pat. 20 ) is contacted.

Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that four switched in a Wheatstone bridge bridge piezoresistors ( 14 . 114 . 214 . 314 ) are provided.

Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises an evaluation circuit ( 600 ) for evaluating the signals of the at least one piezoresistor ( 14 . 114 . 214 . 314 . 514 ) of the at least one membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 . 510 ) having.

Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that it uses flip-chip technology with its solder bumps ( 20 ) on a mounting substrate ( 2 ), and the seismic mass ( 22 ) above a recess ( 6 ) of the mounting substrate ( 2 ) arranged through the sensor chip ( 4 ) is sealed from the outside.

Method for producing a micromechanical sensor element ( 4 . 304 . 504 ), with at least the following steps: forming a cavern ( 12 ) in a substrate ( 5 ) and one above the cavern ( 12 ) arranged membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 ), Forming a piezoresistor ( 14 . 114 . 214 . 314 ) in the membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 ) for measuring at least one deflection of the membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 ), Applying a seismic mass ( 22 ) on the membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 ), and forming at least one up to the cavern ( 12 ) extending opening ( 25 . 125 . 225 . 325 ) in the membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 ).

A method according to claim 17, characterized in that in a common process step, a solder bump ( 22 ) as a seismic mass on the membrane ( 10 ) and further solder bumps ( 20 ) for contacting the chip top side ( 4a ) laterally spaced from the membrane ( 10 ) are applied.

A method according to claim 17 or 18, characterized in that on the chip top ( 4a ) in addition to that from the membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 ), the cavern ( 12 ), the piezoresistor ( 14 . 114 . 214 . 314 ) and the seismic mass ( 22 ) formed acceleration sensor ( 27 ), a pressure sensor ( 527 ) is formed, wherein the membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 ) of the acceleration sensor ( 27 ) and a membrane ( 510 ) of the pressure sensor ( 505 ) are formed in the same process step, and subsequently on the membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 ) of the acceleration sensor ( 27 ) the seismic mass ( 22 ) and in the membrane ( 10 . 110 . 210 . 310 ) the at least one opening ( 25 . 125 . 225 . 325 ) is formed.