DE102005020282A1

DE102005020282A1 - Micromechanical pressure sensor for a touchpad and a corresponding manufacturing method

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Publication number: DE102005020282A1
Application number: DE102005020282A
Authority: DE
Inventors: Hubert Benzel; Matthias Illing; Simon Armbruster; Gerhard Lammel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-11-09
Also published as: KR20080009093A; EP1877745A1; WO2006114346A1

Abstract

Der vorliegende Druck-/Kraftwandler bzw. dessen Herstellungsverfahren basiert auf einem mittels gängiger Verfahren der Oberflächenmikromechanik hergestellten Drucksensor und umfasst eine Membran über einer (Vakuum-)Kaverne, beispielsweise mit einer Höhe von einigen Mikrometern. Da die Kaverne geschlossen ist und nicht wie bei den mit der konventionellen KOH-Ätztechnik hergestellten Drucksensoren zur Membran abgewandten Seite der Kaverne offen ist, liegt für die Membran ein mechanischer Anschlag auf dem Substrat vor. Dadurch ergibt sich bei der Anwendung als Kraftsensor ein deutlich verbesserter Überlastschutz. Darüber hinaus ermöglicht die Ausgestaltung der Kaverne, die Durchbiegung auf wenige Mikrometer zu begrenzen, so dass auch im Überlastfall die Dichtheit der Kaverne nicht beeinträchtigt wird, da bei einer entsprechend gestalteten Membransteifigkeit keine Spalte in der Membran entstehen kann.The present pressure / force transducer or its production method is based on a pressure sensor produced by means of conventional methods of surface micromechanics and comprises a membrane over a (vacuum) cavern, for example with a height of a few micrometers. Since the cavern is closed and is not open to the membrane facing away from the cavity as in the conventional KOH etching pressure sensors, there is a mechanical stop on the substrate for the membrane. This results in the application as a force sensor significantly improved overload protection. In addition, the design of the cavern allows to limit the deflection to a few micrometers, so that even in case of overload, the tightness of the cavern is not affected, since with a correspondingly shaped membrane stiffness no gaps can occur in the membrane.

Description

In der Consumer-Elektronik werden berührungsempfindliche Bildschirme in PDAs und Smartphones verwendet, sowie berührungsempfindliche Flächen als Ersatz für die Maus in Laptops. Eine Möglichkeit, derartige Anwendungen zu realisieren, besteht in der Verwendung von Drahtgittern, welche in die Oberfläche eingebracht werden und die es erlaubt durch das Schließen eines elektrischen Kontaktes bei Berührung die Koordinate des Stiftes bzw. Fingers auszulesen. Eine derartige Anordnung erlaubt jedoch nicht, die jeweils aufgewendete Anpresskraft zu erfassen.In Consumer electronics become touch-sensitive screens used in PDAs and smartphones, as well as touch-sensitive surfaces as Replacement for the mouse in laptops. A possibility, To realize such applications is to use of wire meshes, which are introduced into the surface and which allows it by closing an electrical contact in contact the coordinate of the pin or finger read. However, such an arrangement allows not to capture the applied contact force.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Oberfläche als starre Platte auszuführen, welche in den Ecken auf kraftempfindliche Elemente gelagert ist. Diese können durch Drucksensoren realisiert werden. Durch das Verhältnis der Kräfte (Hebelgesetz) kann auf die Position des Stiftes bzw. Fingers geschlossen werden. Die Summe der Kräfte ergibt die Anpresskraft, welche z.B. als Strichstärke betrachtet werden kann. Eine derartige Anordnung kann ebenfalls zur Verbesserung der Handschriftenerkennung verwendet werden.A different possibility is the surface as a rigid plate, which is mounted in the corners on force-sensitive elements. these can be realized by pressure sensors. By the ratio of personnel (Lever law) can be closed to the position of the pen or finger become. The sum of the forces gives the contact force, which is e.g. considered as line width can be. Such an arrangement may also be for improvement the handwriting recognition can be used.

Ein Problem ist hierbei die Robustheit des Kraftsensors. Bei den typischen Anwendungen von Touchpads oder anderen Bedienelementen treten Kräfte bis ca. 5 N auf, welche mit ca. 1% Genauigkeit bestimmt werden müssen, der Sensor muss aber bis ca. 50 N überlastsicher gegen Bruch o.ä. sein.One The problem here is the robustness of the force sensor. In the typical Applications of touchpads or other controls kick forces up about 5 N, which must be determined with about 1% accuracy, the Sensor must however be overload-protected up to approx. 50 N against breakage or similar be.

Eine Möglichkeit der Kraftübertragung vom Touchpad oder dem direkt mit dem Finger zu bedienenden Bedienelement auf die Membran eines Druck- oder Kraftsensors besteht darin, dass eine kleine Stahlkugel verwendet wird, welche durch eine geeignete Aufbautechnik in der Mitte auf der Membran lose gehalten wird. Nachteilig wirkt sich bei einem derartigen Aufbau jedoch die relativ ungenaue Zentrierung der losen Kugel auf die Messgenauigkeit aus.A possibility the power transmission from the touchpad or directly to the finger-operated control element on the membrane of a pressure or force sensor is that a small steel ball is used, which by a suitable Construction technique in the middle on the membrane is kept loose. adversely However, the relatively inaccurate effect with such a structure Centering the loose ball on the measurement accuracy.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Der vorliegende Druck-/Kraftwandler bzw. dessen Herstellungsverfahren basiert auf einem mittels gängiger Verfahren der Oberflächenmikromechanik hergestelltem Drucksensor und umfasst eine Membran über einer (Vakuum-)Kaverne, beispielsweise mit einer Höhe von einigen Mikrometern. Da die Kaverne geschlossen ist und nicht wie bei den mit der konventionellen KOH-Ätztechnik hergestellten Drucksensoren zur Membran abgewandten Seite der Kaverne offen ist, liegt für die Membran ein mechanischer Anschlag auf dem Substrat vor. Dadurch ergibt sich bei der Anwendung als Kraftsensor ein deutlich verbesserter Überlastschutz. Darüber hinaus ermöglicht die Ausgestaltung der Kaverne die Durchbiegung auf wenige Mikrometer zu begrenzen, so dass auch im Überlastfall die Dichtheit der Kaverne nicht beeinträchtigt wird, da bei einer entsprechend gestalteten Membransteifigkeit keine Spalte in der Membran entstehen kann.Of the present pressure / force transducer or its production method based on a means common Process of surface micromechanics manufactured pressure sensor and includes a membrane over a (Vacuum) cavern, for example, with a height of a few micrometers. Since the cavern is closed and not as with the conventional KOH etching technique produced pressure sensors to the membrane side facing away from the cavern is open, lies for the diaphragm provides a mechanical stop on the substrate. Thereby results in the application as a force sensor significantly improved overload protection. About that also allows the design of the cavern the deflection to a few microns limit, so even in case of overload the tightness of the cavern is not affected, as in a corresponding designed membrane stiffness no gaps in the membrane arise can.

Bekannte Drucksensoren in Oberflächenmikromechanik arbeiten mittels eines kapazitiven Messprinzip und benötigen eine Auswerteschaltung in unmittelbarer Nähe der Messkapazität. Dies bedeutet eine größere Chipfläche für jeden der als Kraftsensoren verwendbaren Drucksensoren, in der Regel 4, mindestens 3 Stück für die Anwendung als Touchpad. Im Gegensatz dazu arbeitet die vorliegende Erfindung nach dem piezoresitiven Prinzip mittels wenigstens einem Piezowiderstand, der in oder auf die Membran aufgebracht wird. Bei einem derartigen Messprinzip können die erfassten Mess-Rohsignale über mehrere Zentimeter lange Leitungen problemlos übertragen werden und durch eine einzelne, vom mikromechanischen Druck-/Kraftwandler getrennte Auswerteschaltung verarbeitet werden. Vorteilhaft ist hierbei auch, dass die Signale mehrerer Druck-/Kraftwandler von einer einzelnen Auswerteschaltung bzw. einer Auswerteeinheit gemeinsam verarbeitet werden können. Dies vereinfacht auch den Abgleich, welcher dann nur einmal auf Modulebene durchgeführt werden muss.Known Pressure sensors in surface micromechanics work by means of a capacitive measuring principle and require one Evaluation circuit in the immediate vicinity of the measuring capacity. This means a larger chip area for everyone the pressure sensors which can be used as force sensors, as a rule 4, at least 3 pieces for the Application as a touchpad. In contrast, the present works Invention according to the piezoresitive principle by means of at least one Piezoresistor, which is applied in or on the membrane. at Such a measuring principle can the acquired raw measurement signals via several centimeters long lines are easily transmitted and through a single, separate from the micromechanical pressure / force transducer evaluation are processed. It is also advantageous that the signals multiple pressure / force transducer from a single evaluation circuit or an evaluation unit can be processed together. This also simplifies the adjustment, which then only once at the module level carried out must become.

Der Kern der Erfindung liegt nun darin, dass der Druck bzw. die Kraft nicht direkt auf die Piezowiderstände geleitet wird, sondern über einen Körper, beispielsweise eine Metallkugel oder eine Lotkugel, der auf der Membran aufgebracht wird. Der Vorteil in der Verwendung eines derartigen auf der Membran liegenden Körpers liegt in der definierten Führung des Drucks auf der Membran relativ zu der vorher eingebrachten Piezowiderständen.Of the The core of the invention lies in the fact that the pressure or the force not directly to the piezoresistors, but over one Body, for example a metal ball or a solder ball applied to the membrane becomes. The advantage of using such on the membrane lying body lies in the defined leadership of the Pressure on the diaphragm relative to the previously introduced piezoresistors.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den Körper auf der Membran mit einer Haftschicht zu fixieren, so dass die Verbindung Körper-Membran starr ist. Eine Verschiebung des Körpers in Bezug auf die Piezowiderstände bei der Herstellung und/oder beim Betrieb des Druck-/Kraftwandlers kann somit ausgeschlossen werden. Somit können auch Messungenauigkeiten, die sich durch ein Verschieben des Körpers auf der Membran durch unterschiedlich auftretende Verformungen ergeben, vermieden werden.In An embodiment of the invention is provided, the body To fix the membrane with an adhesive layer, so that the connection Body membrane is rigid. A displacement of the body in relation to the piezoresistors at the manufacture and / or operation of the pressure / force transducer can thus excluded. Thus, measurement inaccuracies, which varies due to a displacement of the body on the membrane arise deformations occur, be avoided.

Um eine Verschiebung des Körpers zu verhindern, kann auch vorgesehen sein, den Körper bzw. die Metallkugel/die Lotkugel im Bereich der Auflage auf dem Halbleitersubstrat abzuflachen. Dieses Abflachen kann bei den verwendeten Kugel vor oder während des Aufbringens auf die Membran erfolgen. Darüber hinaus kann in einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen sein, eine Platte auf den Körper aufzubringen. Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, den oberen Teil, d.h. den Teil der Kugel, der der Kugelauflage auf dem Halbleitersubstrat gegenüber liegt, ebenfalls abzuflachen, um eine möglichst gute mechanische Auflage für die Platte zu erhalten.In order to prevent a displacement of the body, it may also be provided to flatten the body or the metal ball / solder ball in the region of the support on the semiconductor substrate. This Flattening can occur with the ball used before or during application to the membrane. In addition, in a development of the invention may also be provided to apply a plate on the body. It has been found to be advantageous, the upper part, ie the part of the ball, which is opposite to the ball support on the semiconductor substrate, flatten also to obtain the best possible mechanical support for the plate.

Zur Erzeugung der Kaverne hat sich besonders ein Verfahren als vorteilhaft erwiesen, bei dem zunächst ein Bereich im Halbleitersubstrat, vorzugsweise aus Silizium, durch einen entsprechenden Ätzprozess porös geätzt wird. Das Halbleitermaterial in diesem Bereich wird anschließend durch eine Temperaturbehandlung umgelagert, so dass eine Kaverne entsteht. Vorteilhafterweise wird mit der Umlagerung gleichzeitig eine Membran über der Kaverne gebildet. Durch die gleichzeitige Bildung der Kaverne und der Membran kann vorgesehen sein, dass die Kaverne nahezu mit einem Vakuum ausgestattet ist. Werden die Verfahrensparameter entsprechend gewählt, kann durch die Temperaturbehandlung eine einkristalline bzw. weitestgehend einkristalline Membran gebildet werden.for Generation of the cavern has proven to be particularly advantageous for a process proved at the first an area in the semiconductor substrate, preferably made of silicon a corresponding etching process is etched porous. The semiconductor material in this area is then passed through rearranged a temperature treatment, so that a cavern is formed. Advantageously, with the rearrangement simultaneously a membrane over the Cavern formed. Due to the simultaneous formation of the cavern and the membrane can be provided that the cavern almost with a Vacuum is equipped. Will the process parameters be appropriate selected can by the temperature treatment a monocrystalline or largely monocrystalline membrane are formed.

Ferner kann das aufwändige Montieren der Kugel über dem Halbleitersubstrat bzw. dem Chip durch das aus der Flip-Chip-Technik bekannte Aufbringen von Lötbumps ersetzt werden. Somit kann die erreichbare Empfindlichkeit des Drucksensors hinsichtlich Auflösungen und Genauigkeit gerade im Niederdruckbereich bis zu ca. 50 N gegenüber bekannten Kraftwandlern erhöht werden.Further can be the elaborate one Mount the ball over the semiconductor substrate or the chip by means of the flip-chip technique known application of solder bumps be replaced. Thus, the achievable sensitivity of the pressure sensor in terms resolutions and accuracy especially in the low pressure range up to about 50 N compared to known Force transducers increased become.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann der verwendete Körper auf der Membran eine im Vergleich zur lateralen Ausdehnung der Membran größere Auflage- bzw. Fußfläche aufweisen. Durch eine derartige Ausgestaltung kann ein Teil der auf den Körper wirkenden Kraft in den umgebenden Bereich der Membran abgeleitet werden, so dass der Kraftmessbereich nach oben vergrößert wird bevor die Membran in Anschlag geht.In a development of the invention, the body used on the membrane a compared to the lateral extent of the membrane larger edition or foot area. By such a configuration, a part of acting on the body Force to be dissipated in the surrounding area of the membrane, so that the force measuring range is increased upward before the diaphragm goes into attack.

Bei der Verwendung von aufeinander abgestimmten mikromechanisches Maskierungen in nachfolgenden Prozessschritten des mikromechanischen Herstellungsprozess kann die Position des Körpers bzw. der Lötkugel sehr genau definiert werden. Somit kann die Fläche auf dem Halbleitersubstrat, auf die die Verformung wirkt, verringert werden. Durch die Fixierung des Körpers bzw. der Lötkugel auf dem Seedlayer wird darüber hinaus die Montage in ein Kunststoffgehäuse erleichtert.at the use of coordinated micromechanical masks in subsequent process steps of the micromechanical manufacturing process can the position of the body or the solder ball be defined very precisely. Thus, the area on the semiconductor substrate, on which the deformation acts can be reduced. By the fixation of the body or the solder ball on the Seedlayer gets over it also facilitates the assembly in a plastic housing.

Durch die Verwendung unterschiedlicher Lotpasten, z.B. Pb-Lot bzw. Pb-freies Lot, ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften der Kugel, insbesondere deren Härte der gewünschten Anwendung anzupassen. Als mögliche Lotverbindung hat sich beispielsweise eine Legierung aus ca. 80% Au und ca. 20% Sn erwiesen, da diese Verbindung besonders hart wird.By the use of different solder pastes, e.g. Pb solder or Pb-free Lot, is it possible the mechanical properties of the ball, in particular their hardness of desired Application to adapt. As possible Soldered connection has, for example, an alloy of about 80% Au and about 20% Sn proved, as this compound is particularly hard.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Möglichkeit aufgezeigt, die Betätigung eines Bedienelements zu registrieren. Vorteilhafterweise wird jedoch neben einer einfachen digitalen Ein-/Ausschaltung auch die Möglichkeit eröffnet, die Anpresskraft des Bedienelements zu erfassen und eine Anzeige und/oder Steuerung/Regelung in Abhängigkeit dieser Anpresskraft vorzunehmen.With the present invention, a possibility is shown, the operation of a To register control element. Advantageously, however, in addition a simple digital on / off the possibility opened, to detect the contact pressure of the control and a display and / or Control / regulation in dependence make this contact force.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, mehrere Druck-/Kraftwandler in einer gemeinsamen Vorrichtung zu nutzen. Dabei können die Ausgangssignale aller Druck-/Kraftwandler zu einer gemeinsamen Auswereeinheit geführt werden, die in Abhängigkeit der erfassten Signale eine optische und/oder akustische Anzeige ansteuert. Zur Differenzierung der Signale kann vorgesehen sein, dass die verschiedenen Druck-/Kraftwandler einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen, so dass eine gleiche Krafteinwirkung auf den Körper in unterschiedlichen Werten des durch die Piezowiderstände erzeugten elektrischen Signals resultiert. Denkbar ist hierbei, dass die Membrandicke variiert wird. Darüber hinaus ist jedoch auch möglich, dass die Auswerteeinheit unterschiedliche Schwellenwerte für jeden Druck-/Kraftwandler aufweist, so dass dadurch die Betätigung bzw. Ansteuerung der verschiedenen Druck-/Kraftwandler voneinander unterschieden werden kann.In a development of the invention is provided, several pressure / force converter to use in a common device. The output signals can all pressure / force transducer be led to a common evaluation unit, depending on the detected signals an optical and / or acoustic display controls. For the differentiation of the signals can be provided that the different pressure / force transducer a different Have structure, so that an equal force on the body in different values of the electrical generated by the piezoresistors Signal results. It is conceivable that the membrane thickness varies becomes. About that however, it is also possible that the evaluation unit has different threshold values for each pressure / force transducer, so that thereby the actuation or control of the various pressure / force transducer from each other can be distinguished.

Da typische Anwendungsbereiche für die vorgeschlagene Erfindung im täglichen Leben zu finden sind, z.B. Mobiltelefon (Handy), (Computer-)Tastatur, Spielekonsolen, Touchpads etc., ist eine besondere Auslegung des Druck-/Kraftsensors beispielsweise gegenüber hohen Temperaturschwankung oder besonders aggressive Umweltmedien nicht nötig. Somit können die vorgeschlagenen Druck-/Kraftwandler in Standardverfahren der Mikromechanik ohne zusätzlich aufwendige Prozessschritte kostengünstig hergestellt werden.There typical applications for the proposed invention can be found in daily life, e.g. Mobile phone, (computer) keyboard, game consoles, Touchpads etc., is a special design of the pressure / force sensor for example, opposite high temperature fluctuation or particularly aggressive environmental media not necessary. Thus, you can the proposed pressure / force transducer in standard methods of Micromechanics without additional consuming process steps are produced inexpensively.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.Further Benefits emerge from the following description of exemplary embodiments or from the dependent ones Claims.

Zeichnungendrawings

In der 1 ist ein typischer Aufbau eines erfindungsgemäßen Druck-/Kraftwandlers dargestellt. Die 2 zeigt eine Krafteinwirkung, die zu einem Maximalanschlag der Membran führt. Mit der 3 ist ein besonderes Ausführungsbeispiel abgebildet. 4 zeigt einen Aufbau eines Druck-/Kraftwandlers innerhalb eines Gehäuses.In the 1 a typical structure of a pressure / force transducer according to the invention is shown. The 2 shows a force acting to egg The maximum stop of the membrane leads. With the 3 is shown a particular embodiment. 4 shows a construction of a pressure / force transducer within a housing.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Möglichkeit präsentiert, die Betätigung eines Bedienelements, wie sie üblicherweise bei Tastaturen oder Touchpads eingesetzt werden, mit einem in mikromechanischer Bauweise hergestellten Drucksensor auf der Basis der Piezotechnologie zu erfassen. Dabei ist neben der Betätigung des Bedienelements als digitaler An/Aus-Schalter auch eine direkte Erfassung der Anpresskraft des Bedienelements möglich. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann dabei die Anpresskraft mit ca. 1% Genauigkeit sehr präzise erfasst werden. Eine derartig genaue Bestimmung der Anpresskraft ermöglicht es, eine akustische bzw. optische Anzeige sowie eine weitere Vorrichtungseinheit in Abhängigkeit von der erfassten Größe der Anpresskraft anzusteuern.With the present invention presents a possibility the operation an operating element, as it usually does used in keyboards or touchpads, with a micromechanical one Construction manufactured pressure sensor based on the piezo technology capture. It is in addition to the operation of the control element as digital on / off switch also a direct detection of the contact pressure of the control possible. Due to the inventive design The clamping force can be recorded very precisely with approx. 1% accuracy become. Such an accurate determination of the contact force makes it possible an acoustic or visual display and a further device unit dependent on from the detected magnitude of the contact force head for.

Ausgangspunkt für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Druck-/Kraftwandlers ist ein mit gängigen mikromechanischen Verfahren hergestellter Drucksensor, wie er beispielsweise aus der DE 100 32 579 A1 oder der DE 101 14 036 A1 bekannt ist. Mit diesen Verfahren ist ein Drucksensor herstellbar, der eine Kaverne in einem vorzugsweise aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrat und eine über der Kaverne befindliche Membran aufweist. Weiterhin ist beispielsweise aus den Schriften DE 101 35 2l6 A1 oder DE 10 2004 007518 A1 bekannt, Piezowiderstände in einer Membran oder auf einer zusätzlichen Schicht auf der Membran zu erzeugen.The starting point for the production of a pressure / force transducer according to the invention is a pressure sensor produced by conventional micromechanical methods, as described, for example, in US Pat DE 100 32 579 A1 or the DE 101 14 036 A1 is known. With this method, a pressure sensor can be produced, which has a cavern in a preferably made of silicon semiconductor substrate and a membrane located above the cavern. Furthermore, for example, from the writings DE 101 35 216 A1 or DE 10 2004 007518 A1 known to produce piezoresistors in a membrane or on an additional layer on the membrane.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie es in 1 dargestellt ist, wird gemäß dem Herstellungsverfahren der Schrift DE 100 32 579 A1 eine Kaverne 110 und eine Membran 130 unter Bildung von porösem Silizium in einem Halbleitersubstrat 100 mit einem nachfolgenden Temperschritt erzeugt. Auf die Membran 120 werden anschließend Piezowiderstände 120 beispielsweise entsprechend der DE 101 35 216 A1 oder Dehnungsmessstreifen, wie sie in der DE 10 2004 007518 A1 beschrieben werden, mittels Maskierungs-, Epitaxie- und Strukturierungsschritten aufgebracht. Um eine bessere Haftung des Körpers 150 auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 100 und somit der Membran 13O zu erreichen, besteht eine Möglichkeit darin, den Kontaktbereich zum Körper 150 auf der Membran 130 zu galvanisieren. Eine derartiger Prozessschritt erzeugt eine Schicht 140, die als Seedlayer bezeichnet wird. Um eine besonders gute Haftung des Körpers 150 auf dem Substrat 100 bzw. auf der Membran 130 zu ermöglichen, kann die Schicht 140 derart ausgestaltet sein, dass die Haftung sowohl auf das Material der Membran 130 als auch auf das Material des Körpers 150 angepasst ist.In a preferred embodiment, as in 1 is shown in accordance with the manufacturing method of the document DE 100 32 579 A1 a cavern 110 and a membrane 130 forming porous silicon in a semiconductor substrate 100 generated with a subsequent annealing step. On the membrane 120 then become piezoresistors 120 for example, according to the DE 101 35 216 A1 or strain gauges as used in the DE 10 2004 007518 A1 described, applied by means of masking, epitaxy and structuring steps. To better adhesion of the body 150 on the surface of the semiconductor substrate 100 and thus the membrane 13O One way is to reach the area of contact with the body 150 on the membrane 130 to galvanize. Such a process step creates a layer 140 , which is called Seedlayer. For a particularly good adhesion of the body 150 on the substrate 100 or on the membrane 130 to enable the layer 140 be designed such that the adhesion to both the material of the membrane 130 as well as on the material of the body 150 is adjusted.

Zur Erzeugung der piezoresistiven Widerstände 120 ist vorgesehen, dass zunächst eine piezosensitive Schicht aufgebracht und anschließend strukturiert wird. Das Aufbringen und auch das Strukturieren erfolgt dabei in mikromechanischen Standardverfahren mittels entsprechender Maskierungen, die eine genaue Positionierungen der aufeinander folgenden Verfahrensschritten ermöglichen. Dadurch kann beispielsweise die Schicht 140, die nach den piezoresistiven Widerständern 125 von der gleichen Seite auf dem Substrat 100 erzeugt wird, sehr genau relativ zu den piezoresistiven Widerständern 120 positioniert werden. Wird als Körper 150 eine Lotkugel verwendet, d.h. ein Material welches einfach in einem gängigen mikromechanischen Verfahren auf die Oberfläche gebracht werden kann, so kann diese Kugel 150 ebenfalls durch Nutzung der Maskierungstechnik ziemlich genau in Bezug auf die Widerstände 120 positioniert werden. Durch eine derartige Ausrichtung der Kugel in Bezug zu den Piezowiderständen 120 kann die Genauigkeit des Kraftwandlers deutlich erhöht werden.For generating the piezoresistive resistors 120 it is provided that initially a piezosensitive layer is applied and then patterned. The application and also the structuring takes place in micromechanical standard methods by means of appropriate masking, which allow accurate positioning of the successive process steps. As a result, for example, the layer 140 that after the piezoresistive resisters 125 from the same side on the substrate 100 is generated, very accurately relative to the piezoresistive resistors 120 be positioned. Being as a body 150 a solder ball used, ie a material which can be easily brought in a common micromechanical process on the surface, so this ball 150 also using the masking technique pretty much in terms of resistors 120 be positioned. By such an orientation of the ball in relation to the piezoresistors 120 The accuracy of the force transducer can be significantly increased.

Neben der Verwendung einer Lotkugel ist jedoch auch die Positionierung einer Metallkugel auf der Schicht 140 möglich. Dabei ist jedoch zu beachten, dass ein Verfahren zur Positionierung gewählt werden muss, bei dem eine ähnlich gute Ausrichtung der Metallkugel relativ zu den piezoresisitiven Widerständen 120 möglich ist. Weiterhin ist darauf zu achten, dass die Metallkugel fest mit dem Halbleitersubstrat 100 bzw. mit der Schicht 140 verbunden ist, um eine Verschiebung der Kugel und somit eine Veränderung des erzeugten Signals bei Betätigung zu verhindern.In addition to the use of a solder ball, however, is the positioning of a metal ball on the layer 140 possible. However, it should be noted that a method of positioning must be chosen in which a similar good orientation of the metal ball relative to the piezoresistive resistors 120 is possible. Furthermore, make sure that the metal ball firmly with the semiconductor substrate 100 or with the layer 140 is connected to prevent a displacement of the ball and thus a change of the signal generated when actuated.

Sinn und Zweck der Haftschicht 140 auf dem Halbleitersubstrat besteht darin, ein Verrutschen des Körpers während der Herstellung und/oder dem Betrieb des Druck-/Kraftwandlers zu verhindern. Dabei kann neben der Ausgestaltung des Körpers als Kugel 150 auch vorgesehen sein, einen stiftähnlichen Körper zu verwenden. Durch einen derartigen stiftähnlichen Körper kann die Kraft bzw. ein Druck von einer entfernten Quelle auf den Druck-/Kraftwandler weiter geleitet werden. Allgemein soll durch den Körper 150 und gegebenenfalls durch eine Platte 230 auf dem Körper 150 die Möglichkeit gegeben werden, eine relativ große Fläche eines Bedienelements mit einer relativ kleinen effektiven Fläche der Kraftaufnahme zu verbinden. So kann beispielsweise das Bedienelement die Fläche einer Fingerspitze aufweisen, wohingegen der dazu gehörige Druck-/Kraftwandler nur einen Bruchteil dieser Fläche ausmacht.Purpose of the adhesive layer 140 on the semiconductor substrate is to prevent slippage of the body during the manufacture and / or operation of the pressure / force transducer. In addition to the design of the body as a ball 150 also be provided to use a pen-like body. By such a pen-like body, the force or a pressure from a remote source to the pressure / force transducer can be forwarded. General should be through the body 150 and optionally by a plate 230 on the body 150 be given the opportunity to connect a relatively large area of a control element with a relatively small effective area of the power input. Thus, for example, the control element may have the area of a fingertip, whereas the associated pressure / force converter makes up only a fraction of this area.

Um eine als Seedlayer bezeichnete Schicht 140 zu erzeugen, kann der entsprechende Bereich auf dem Halbleitersubstrat 100 auch galvanisiert werden. Darüber hinaus kann im Siebdruckverfahren oder einem anderen geeigneten Herstellungsverfahren aus der Flip-Chip-Technologie eine Lötpaste auf das Halbleitersubstrat 100 aufgebracht werden. Die Lötpaste wird daraufhin umgeschmolzen, so dass nur die gewünschte Fläche benetzt wird und je nach aufgebrachter Lotmenge eine Lötkugel entsprechend der Figur 150 entsteht.A layer called a Seedlayer 140 can generate the corresponding area on the semiconductor substrate 100 also galvanized. In addition, by screen printing or other suitable Herstellungsverfah from the flip-chip technology solder paste on the semiconductor substrate 100 be applied. The solder paste is then remelted, so that only the desired surface is wetted and depending on the amount of solder applied a solder ball according to the figure 150 arises.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass der Körper 150 auf der Seite, die in Kontakt mit dem Seedlayer 140 steht, abgeflacht ist (siehe beispielhaft 1a). Um eine plastische Verformung des Körpers 150 bei der Verwendung von Lot während des Betriebs zu vermeiden, kann die Lotkugel bei der Montage mit der Platte 230 bereits vorgepresst werden, so dass sie auch auf der Oberseite abgeflacht ist.In a further embodiment it can be provided that the body 150 on the side that is in contact with the Seedlayer 140 stands, is flattened (see example 1a ). To a plastic deformation of the body 150 When using solder during operation, the solder ball may interfere with mounting with the plate 230 already pre-pressed, so that it is flattened on the top.

In den 1 und 2 ist ein typischer Verlauf einer Betätigung des Kraftwandlers dargestellt. So zeigt 1a den Kraftwandler im unbetätigten Zustand. 1b zeigt demgegenüber einen Zustand, bei dem die Kraft 160, die auf den Körper 150 wirkt, ausreicht, die Membran 130 maximal durchzubiegen, so dass der Anschlag durch den Kavernenboden erreicht wird. Durch diese Verbiegung werden ebenfalls die piezoresisitven Widerständer 120 verformt, so dass sie ein messbares Potential in Form einer Spannung erzeugen. Die so erfasste Spannung lässt sich anschließend in einer entsprechenden Auswerteeinheit einer Krafteinwirkung 160 zuordnen.In the 1 and 2 is a typical course of an operation of the force transducer shown. So shows 1a the force transducer in the unactuated state. 1b In contrast, shows a state in which the force 160 on the body 150 acts, sufficient, the membrane 130 maximum deflection, so that the attack is achieved by the cavern floor. This bending also causes the piezoresistive resistors 120 deformed so that they generate a measurable potential in the form of a voltage. The thus detected voltage can then be in a corresponding evaluation of a force 160 assign.

Zur Einstellung der Empfindlichkeit des Druck-/Kraftwandlers kann das Halbleitermaterial der Membran 130 bzw. deren Dicke entsprechend gewählt bzw. behandelt werden. So ist denkbar, dass je nach Anwendung des Druck-/Kraftwandlers das Halbleitermaterial mehr oder weniger verformbar ist. Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass beispielsweise in Folge der Kavernenerzeugung mittels porösem Silizium die Membran 130 einkristallin ausgebildet wird. Darüber hinaus ist auch denkbar, die Tiefe und die Position der piezoresistiven Widerstände 125 im Halbleitersubstrat in Abhängigkeit der gewünschten Empfindlichkeit zu wählen.To adjust the sensitivity of the pressure / force transducer, the semiconductor material of the membrane 130 or whose thickness is selected or treated accordingly. Thus, it is conceivable that depending on the application of the pressure / force transducer, the semiconductor material is more or less deformable. A further embodiment consists in that, for example, as a result of cavern generation by means of porous silicon, the membrane 130 is formed monocrystalline. In addition, it is also conceivable the depth and the position of the piezoresistive resistors 125 in the semiconductor substrate depending on the desired sensitivity.

Bei der Berücksichtigung des Überlastschutzes, d.h. des Schutzes des Kraftwandlers vor Zerstörung durch eine zu große Krafteinwirkung kann die Kavernentiefe entsprechend angepasst werden. Durch eine Vorgabe der Kavernentiefe wird so zwangsläufig die maximale Durchbiegung der Membran festgelegt.at the consideration the overload protection, i.e. the protection of the force transducer from destruction by excessive force the cavern depth can be adjusted accordingly. By a Specifying the cavern depth is thus inevitably the maximum deflection the membrane set.

Eine mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kraftwandlers ist in 3 dargestellt. Dabei wird der Kraftwandler, bestehend aus dem Halbleitersubstrat 100, den piezoresistiven Widerständern 125, dem Seedlayer und dem Körper 150 in einem Gehäuse 200 untergebracht. Die elektrischen Verbindungen zu den piezoresistiven Widerständen 125 können dabei mittels Bondverbindungen 210 zu Kontaktstellen im Gehäuse 200 oder zu einer Auswerteeinheit geführt werden. Um die elektrischen Leitungen vor Umwelteinflüssen oder Verschmutzung zu schützen, kann optional vorgesehen sein, das Gehäuse 200 mit einem passivierenden bzw. schützenden Gel 220 wenigstens teilweise zu füllen. Wie aus der 2 zu ersehen ist, ist vorgesehen, den Körper 150 derart über das Gehäuse 200 hinaus stehen zu lassen, dass eine Platte 230 auf den Körper aufgelegt werden kann. Diese Platte 230 stellt beispielsweise ein mit dem Finger betätigbares Bedienelement dar, so dass mittels eines Fingerdrucks auf das Bedienelement der Körper 150 auf das Halbleitersubstrat 100 gedrückt werden kann.A possible embodiment of a force transducer according to the invention is in 3 shown. In this case, the force transducer, consisting of the semiconductor substrate 100 , the piezoresistive resistors 125 , the Seedlayer and the body 150 in a housing 200 accommodated. The electrical connections to the piezoresistive resistors 125 can do this by means of bond connections 210 to contact points in the housing 200 or to an evaluation unit. In order to protect the electrical lines against environmental influences or contamination, may optionally be provided, the housing 200 with a passivating or protective gel 220 at least partially fill. Like from the 2 is to be seen, is the body 150 so on the case 200 to leave out a plate 230 can be placed on the body. This plate 230 represents, for example, a finger-operable control element, so that by means of a finger pressure on the operating element of the body 150 on the semiconductor substrate 100 can be pressed.

Mögliche Einsatzgebiete für den vorliegenden Kraftwandler liegen im Bereich der Telekommunikation, beispielsweise in Mobiltelefonen (Handys) sowie im Konsolenbereich für (Computer-) Spiele oder Terminals. Der Vorteil bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine geringe Baugröße des mikromechanischen Druck-/Kraftwandlers erreicht werden kann. Weiterhin wird durch die ausgeübte Kraft auf den Körper 150 in den Piezowiderständen 120 eine erfassbare Spannung erzeugt. Somit entfällt eine separate Spannungsversorgung der Bedienelemente.Possible applications for the present force transducer are in the field of telecommunications, for example in mobile phones and in the console area for (computer) games or terminals. The advantage of using the present invention is that a small size of the micromechanical pressure / force transducer can be achieved. Furthermore, by the force exerted on the body 150 in the piezoresistors 120 generates a detectable voltage. This eliminates a separate power supply of the controls.

Allgemein kann vorgesehen sein, dass eine Kombination aus Kraftwandler und Auswerteeinheit sich beispielsweise durch die Berücksichtigung eines Schwellenwerts bei der Erfassung der Spannung als Schalter verwenden lässt. Selbstverständlich können dabei auch mehrere Schwellenwerte und mehrere Schaltungseinstellungen bei der Verwendung eines einzelnen Kraftwandlers berücksichtigt werden.Generally can be provided that a combination of force transducer and Evaluation unit, for example, by the consideration a threshold in the detection of the voltage as a switch can be used. Of course can do it also multiple thresholds and multiple circuit settings considered when using a single force transducer become.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die Signale einer Vielzahl von mikromechanischen Kraftwandlern einer Auswereeinheit zugeleitet werden. Dabei kann in Abhängigkeit von den erfassten Signalen der Kraftwandler die Auswerteeinheit ein akustisches und/oder optisches Signal erzeugen. Darüber hinaus ist auch möglich, dass die Auswerteeinheit die erfassten Signale zur Steuerung weiterer Vorrichtungen verwendet.In a further embodiment can be provided that the signals of a variety of micromechanical Force transducers are fed to an evaluation unit. It can dependent on from the detected signals of the force transducer, the evaluation unit generate an acoustic and / or visual signal. Furthermore is also possible that the evaluation unit, the detected signals to control another Used devices.

Wie in 4 dargestellt, ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen, die Fußfläche des Körpers 150 deutlich größer als die laterale Ausdehnung der Membran 130 werden zu lassen. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird direkt unterhalb des Körpers 150 eine Schicht 140 als Seedlayer vorgesehen, sie wenigstens die gesamte Fußfläche des Körpers 150 abdeckt, um so eine möglichst gute Haftung des Körpers 150 an das Halbleitersubstrat 100 zu ermöglichen. Während die Piezowiderstände 120 im Ausführungsbeispiel nach 1 relativ weit im Außenbereich der Membran 130 oberhalb der Kaverne 110 vorgesehen sind, sind die Piezowiderstände 125 direkt unter dem Körper 150 vorgesehen. Diese Anordnung liegt in der geringeren Verformung der Membran 130 im Ausführungsbeispiel der 3 begründet, so dass die Piezowiderstände 125 nähe an dem Ort der maximalen Verformung gebracht werden müssen. Durch die geringere Verformung der Membran 130 wird ein Druck-/Kraftwandler nach 3 weniger empfindlich als ein entsprechender Sensor nach 1. Über die Gestaltung des Verhältnisses von lateraler Ausdehnung der Kaverne 110, Dicke der Membran 130 und Fußfläche des Körpers 150 lässt sich die Empfindlichkeit des Druck-/Kraftwandlers einstellen.As in 4 is shown, in a further embodiment, the foot surface of the body 150 significantly larger than the lateral extent of the membrane 130 to be let. Also in this embodiment is directly below the body 150 a layer 140 provided as a seed layer, they at least the entire foot surface of the body 150 covering as best possible adhesion of the body 150 to the semiconductor substrate 100 to enable. While the piezoresistors 120 in the exemplary embodiment 1 relatively far in the outer area of the membrane 130 above the Kaver ne 110 are provided, the piezoresistors 125 directly under the body 150 intended. This arrangement lies in the lower deformation of the membrane 130 in the embodiment of 3 justified, so the piezoresistors 125 must be brought near the place of maximum deformation. Due to the lower deformation of the membrane 130 becomes a pressure / force transducer after 3 less sensitive than a corresponding sensor after 1 , About the design of the ratio of lateral extent of the cavern 110 , Thickness of the membrane 130 and foot surface of the body 150 the sensitivity of the pressure / force transducer can be adjusted.

Claims

Method for producing a micromechanical pressure / force transducer, wherein the method steps - producing a cavern ( 110 ) in a semiconductor substrate ( 100 ), and - producing a membrane ( 130 ) above the cavern ( 110 ), and - generating at least one piezoresistor ( 120 . 125 ) in or on the membrane ( 130 ), characterized in that on the membrane ( 130 ) a body ( 150 ) is applied.

A method according to claim 1, characterized in that before the application of the body ( 150 ) on the surface of the semiconductor substrate in the region of the piezosensitive resistor ( 120 . 125 ) an adhesive layer ( 140 ) is provided, it being provided that the adhesive layer ( 140 ) the body ( 150 ) fixed to the semiconductor substrate ( 100 ) connects.

A method according to claim 1, characterized in that on the semiconductor substrate, a metal ball or a solder ball is applied, wherein it is provided in particular that the ball ( 150 ) - in the sphere of the ball support on the semiconductor substrate ( 100 ) and / or - is flattened on the ball support opposite side before or after application.

Method according to claim 2, characterized in that that for producing the solder ball preferably in a micromechanical Separation process a solder paste is applied before the solder paste is formed into a solder ball in a remelting process, wherein In particular, it is provided that the solder paste is an 80% alloy Au and 20% Sn.

Method according to claim 1, characterized in that that for generating the cavern, the process steps - Produce a porous one etched Cavern area in the semiconductor substrate and - Perform a temperature treatment of the semiconductor substrate become, wherein it is provided that the temperature treatment forming the cavern and the preferably monocrystalline membrane.

Micromechanical pressure / force transducer, in particular according to a manufacturing method of claims 1 to 5, with at least - a semiconductor substrate ( 100 ), and - a cavern ( 110 ) in the semiconductor substrate ( 100 ), and - a membrane ( 130 ) above the cavern, and - at least one piezoresistor ( 120 . 125 ) in or on the membrane ( 130 ), characterized in that on the membrane ( 130 ) a body ( 150 ) is applied.

Micromechanical pressure / force transducer according to claim 6, characterized in that the body ( 150 ) by means of an adhesive layer ( 140 ) fixed to the semiconductor substrate ( 100 ) connected is.

Micromechanical pressure / force transducer according to claim 6, characterized in that on the semiconductor substrate, a metal ball or a solder ball is applied, wherein it is provided in particular that the ball ( 150 ) - in the sphere of the ball support on the semiconductor substrate ( 100 ) and / or - is flattened on the ball support opposite side.

Micromechanical pressure / force transducer according to claim 6, characterized in that the bearing surface of the body ( 150 ) on the semiconductor substrate ( 100 ) one compared to under the body ( 150 ) cavern ( 110 ) has a larger lateral extent.

Micromechanical pressure / force transducer according to claim 6, characterized in that - The semiconductor substrate silicon and or - the Membrane a monocrystalline semiconductor material and / or - the body one Alloy of 80% Au and 20% Sn.

Device having at least one micromechanical pressure / force transducer according to one of claims 6 to 10, wherein it is provided that - the micromechanical pressure / force transducer in a housing ( 200 is arranged, and - at least a part of the body is outside the housing, characterized in that an electrical signal, which is generated by the action of force on the body, by means of a Connecting line to one of the semiconductor substrate ( 100 ) separated evaluation is forwarded.

Device with a variety of micromechanical Force transducers according to one of claims 6 to 11, characterized that every micromechanical force transducer with the same force provides a different value of the electrical signal.

Device for use in a mobile telephone with a force transducer according to one of claims 6 to 12.

Device for use in a toucpad with A force transducer according to any one of claims 6 to 12.