DE102008016004A1

DE102008016004A1 - Mikroelektromechanischer Inertialsensor mit atmosphärischer Bedämpfung

Info

Publication number: DE102008016004A1
Application number: DE102008016004A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Reinert; Martin Heller
Original assignee: SensorDynamics AG; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Maxim Integrated GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-10-08
Also published as: US8590376B2; TW200946915A; WO2009118355A1; US20110016972A1; EP2257822A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Inertialsensor, vorzugsweise einen Beschleunigungssensor oder Mehrachsen-Beschleunigungssensor als mikroelektromechanisches Bauelement, der ein Gehäuse mit wenigstens einer ersten gasgefüllten Kavität aufweist, in der zur Detektion einer zu erfassenden Beschleunigung eine erste Detektionseinheit gegenüber dem Gehäuse beweglich angeordnet ist, wobei der Inertialsensor eine Dämpfungsstruktur aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Inertialsensor, vorzugsweise einen Beschleunigungssensor oder Mehrachsen-Beschleunigungssensor als mikroelektromechanisches Bauelement.
Mit Hilfe der Mikrosystemtechnik lassen sich miniaturisierte und kostengünstige Bauteile herstellen, die beispielsweise als Sensoren oder Aktoren in zahlreichen Bereichen der Technik mit unterschiedlichen Funktionen eingesetzt werden. Insbesondere in der Automobilindustrie aber auch im Maschinenbau besteht ein Bedarf an komplexen, integriert aufgebauten Mikrosystembauteilen, die unterschiedliche Mess- und Regelfunktionen autonom und mit geringem Energiebedarf durchführen. Infolge der fortwährenden Erhöhung der technologischen Integrationsdichte von Mikrosystemen existieren Bemühungen dahin, die Mikrosystembauteile als Multisensormodule unter Verwendung des so genannten Wafer-Level-Packaging (WLP) herzustellen. Ein Multisensormodul ist eine Sensoreinheit, bei der mehrere Einzelsensormodule oder -einheiten in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind und die entsprechend der verschiedenen Funktionen der Einzelmodule diese in sich kombiniert.
Bei der Herstellung von Sensor- und Multisensormodulen mit Hilfe des Wafer-Level-Packaging werden die Strukturen mehrerer Sensor- oder Multisensormodule durch entsprechende Beschichtungs- und Ätzvorgänge auf einem Substratwafer ausgebildet. Auf diesem liegen dann die Funktionseinheiten mehrerer Sensor- oder Multisensormodule unter Zwischenlage entsprechender Trennungsabschnitte matrixartig neben- und/oder übereinander vor. Die Substratwafer werden mit entsprechend gefertigten Kappenwafern zusammengefügt, so dass jeder (Multi)Sensorchip mit einem entsprechenden Gehäusechip fest verbunden wird. Erst nach dieser Fügung auf Waferebene wird dann die aus Substratwafer und Kappenwafer bestehende Einheit in einzelne Chips, d. h. in die einzelnen Sensor- oder Multisensormodule vereinzelt.
Durch die massiv parallele Arbeitsweise hat die Gehäusung auf Waferebene im Vergleich zu einer Gehäusung auf Chipebene enorme Vorteile in Bezug auf Kosten, Bauteilintegrationsdichte und Ausbeute.

Eine wesentliche Problematik bei der Herstellung von Multisensormodulen mit Hilfe des WLP ist, dass unterschiedliche Sensorsysteme zur Erfüllung ihrer jeweiligen Funktion individuelle Arbeitsdrücke und/oder individuelle Gaszusammensetzungen benötigen, die teils erheblich voneinander abweichen. Resonante Systeme z. B. besitzen meist eine hohe Güte, weshalb sie bei entsprechend geringen Arbeitsdrücken betrieben werden. Resonante Drehratensensoren werden üblicherweise bei einem Arbeitsdruck von einigen μbar bis einigen mbar betrieben, um eine unerwünscht starke Dämpfung durch das die Sensor- oder deren Detektionseinheit umgebende Gas zu vermeiden. Beschleunigungssensoren, die auf dem Wirkprinzip der trägen Masse beruhen, müssen hingegen meist stark gedämpft werden, so dass hier Betriebsdrücke in der Regel von einigen 100 mbar vorliegen. Die folgende Tabelle zeigt beispielhaft für verschiedene Mikrosysteme jeweils typische Betriebsdrücke:

Sensor/Bauteiltyp	Betriebsdruck
Beschleunigungssensor	300–700 mbar
Absolutdrucksensor	1–10 mbar
Resonanter Sensor (z. B. Drehratensensor)	0,1 mbar
Bolometer	< 0,0001 mbar
Oszillator	< 0,0001 mbar

Aufgrund der parallelen Arbeitsweise beim WLP stellt die Ausbildung entsprechender Drücke oder Gaszusammensetzungen in den verschiedenen Hohlräumen der zu den einzelnen Modulen zu vereinzelnden Wafereinheit eine wesentliche Problematik dar.
Der Anmelder der vorliegenden Erfindung hat zur Integration mehrerer Sensoreinheiten, die unterschiedliche Betriebsdrücke und/oder Gaszusammensetzungen erfordern, auf einem Multisensormodul ein Verfahren entwickelt, bei dem im Rahmen des WLP in einem Arbeitsgang Kavitäten mit definierten und ggf. unterschiedlichen Gasdrücken und/oder Gaszusammensetzungen ausgebildet werden können. Die Zusammenfügung von Substratwafer und Kappenwafer findet dabei in einer Prozesskammer statt, die mit einem Gas oder Gasgemisch entsprechender Zusammensetzung und unter entsprechendem Druck beaufschlagt werden kann. Fertigungstechnisch bedingt wird beim WLP in sämtlichen Kavitäten der Wafereinheit zunächst die gleiche Gaszusammensetzung bei gleichem Druck eingestellt. Durch eine Verwendung von Gettermaterialien in ausgewählten Kavitäten wird der Gasdruck und/oder die Gaszusammensetzung verschiedener Kavitäten unterschiedlich ausgebildet.
Diese Prozesstechnik erlaubt auf dem derzeitigen Stand jedoch keine beliebige Einstellung unterschiedlicher Druckwerte und/oder Gaszusammensetzungen in den jeweiligen Kavitäten. Soll beispielsweise in einer ersten Kavität ein resonanter Drehratensensor entsprechender Güte bei einem Druck von etwa 0,1 mbar betrieben werden, so beträgt der maximal erzeugbare Druck in anderen Kavitäten der Wafereinheit mit der zuvor beschriebenen Prozesstechnik etwa 200 mbar. Dieser Druck ist jedoch für einen präzisen und zuverlässigen Betrieb von Beschleunigungssensoren zu gering, eine Bedämpfung von Vibrationen kann nur unzureichend gewährleistet werden.
Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Inertialsensor, insbesondere ein Multisensormodul, zu ermöglichen, bei dem Sensoreinheiten geringerer Güte, wie beispielsweise stark bedampfte Beschleunigungssensoren, mit in einem weiten Bereich einstellbaren Gasdruck und/oder -Zusammensetzungen, insbesondere niedrigen Drücken, betrieben werden können, vorzugsweise zusammen mit Sensoreinheiten hoher und höchster Güte, beispielsweise resonanten Drehratensensoren, Bolometern und/oder RF-Switches, auf einem Bauteil.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Inertialsensor, vorzugsweise Beschleunigungssensor oder Mehrachsen-Beschleunigungssensor als mikroelektromechanisches Bauelement, aufweisend ein Gehäuse mit wenigstens einer ersten gasgefüllten Kavität, in der zur Detektion einer zu erfassenden Beschleunigung eine erste Detektionseinheit gegenüber dem Gehäuse beweglich angeordnet ist, wobei der Beschleunigungssensor eine Dämpfungsstruktur aufweist, die eine Bewegung der ersten Detektionseinheit in dem Gehäuse zumindest in Messrichtung dämpft.
Die Erfindung betrifft ganz allgemein einen Inertialsensor. Sie umfasst daher Beschleunigungsensoren im weitesten Sinne sowie beispielsweise auch Drehratensensoren. Unter einer Detektionseinheit im Sinne der Erfindung ist eine Einheit oder Struktur zu verstehen, die zur Erfassung einer zu messenden Größe genutzt werden kann. Beispielhaft zu nennen sind in diesem Zusammenhang angetriebene oder nicht angetriebene Masseeinheiten als aktive oder passive Strukturen, die nach dem Prinzip der trägen Masse oder durch die Einwirkung von Corriolisbeschleunigungen auf eine zu erfassende Beschleunigung einschließlich der Erdbeschleunigung reagieren, welche Reaktion messtechnisch durch Auswertung einer resultierenden Lageänderung der Masseeinheit zum Gehäuse oder Substrat erfasst werden kann. Die Detektionseinheit ist also Bestandteil eines Sensors oder ein Sensor selbst.
Unter einem Multisensormodul im Sinne der Erfindung ist eine Einheit zu verstehen, bei der mehrere Einzelsensoren beliebiger Art auf einem Substrat angeordnet und ggf. in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Die Einzelsensoren können unterschiedliche Funktionen besitzen (z. B. Beschleunigungssensor mit Wirkprinzip ”träge Masse”, Beschleunigungssensor mit Wirkprinzip ”Corriolis-Beschleunigung”, Drehratensensoren, Aktuatoren, Resonatoren, Displays, digitale Mikrospiegel, Bolometer, RF-Switches, Druck- oder Temperatursensor, resonante Magnetfeldsensoren, Neigungssensoren, etc.) und in einer gemeinsamen Kavität oder auch in mehreren verschiedenen Kavitäten angeordnet sein.
Durch das Vorsehen der Dämpfungsstruktur mit Wirkrichtung vorzugsweise in Messrichtung der ersten Detektionseinheit kann der Gütefaktor des die erste Detektionseinheit aufweisenden Sensors auch bei geringen Kavitätsdrücken von ca. 100 mbar bis 200 mbar auf bis unter 1 abgesenkt werden, was einem Rückbefüllungsdruck von ca. 600 mbar bis 1000 mbar entspricht. Unter dem Restbefüllungsdruck ist der Innendruck in der geschlossenen Kavität zu verstehen, z. B. eingestellt durch Argonbefüllung vor dem Verschluss der Kavität. Es lassen sich daher unter Verwendung des WLP Inertialsensoren und insbesondere Multisensormodule mit mehreren Einzelsensoren realisieren, die bei entsprechend niedrig eingestelltem Kavitätendruck mit einer ausreichend starken Bedämpfung betrieben werden können, so dass das die erste Detektionseinheit aufweisende Sensormodul auch bei niedrigen Kavitätsdrücken z. B. gegenüber Vibrationen unempfindlich ist, jedoch gegenüber den zu erfassenden Messwerten (z. B. Beschleunigungen) seine Messempfindlichkeit nicht verliert.
Die Dämpfungsstruktur kann prinzipiell beliebig ausgebildet sein. Ihre Wirksamkeit kann auf eine Bewegungsachse (Messachse) beschränkt sein. Eine Bedämpfung in zwei oder drei Raumrichtungen ist bei geeigneter Auslegung jedoch ebenfalls denkbar. Wesentlich ist, dass die Dämpfungseinheit unerwünschte oder unerwünscht starke Relativbewegungen zwischen der ersten Detektionseinheit und dem Gehäuse durch Ihre Dämpfungswirkung eliminiert oder zumindest minimiert. Zu diesem Zweck sind grundsätzlich alle bekannten Funktionsprinzipien einer Bedämpfung anwendbar.
Besonders vorteilhaft wird eine Bedämpfung bewirkt, indem ein die erste Detektionseinheit umgebendes Medium, meist ein Gas oder Gasgemisch, bei Vorliegen einer zu dämpfenden Bewegung der ersten Detektionseinheit zwangsweise durch eine oder mehrere Engstellen strömt (Quetschfilm-Dämpfung). Die Engstellen können in beliebiger Weise ausgebildet sein. Denkbar sind Durchdringungen oder Vorsprünge oder ähnliches entsprechender Abmessungen, die in oder an der ersten Detektionseinheit vorgesehen sind. Alternativ oder zusätzlich können die Durchdringungen oder Vorsprünge an oder in dem Gehäuse oder anderen Einheiten vorgesehen sein, die in der Nähe der ersten Detektionseinheit angeordnet sind, so dass eine Dämpfungswirkung erzielt werden kann. In vorteilhafter Weise ist im Falle eines gehäusten Sensors die Dämpfungsstruktur realisiert, indem wenigstens Abschnitte der ersten Detektionseinheit und des Gehäuses derart angeordnet und ausgebildet sind, dass ein zwischen ihnen befindlicher Zwischenraum als Engstelle oder Verengung ausgebildet ist und bei einer Bewegung der ersten Detektionseinheit zumindest in Messrichtung von dem in der Kavität vorliegenden Gas/Gasgemisch durchströmt wird.
Die Stärke der Bedämpfung kann durch die individuelle(n) geometrische(n) Ausgestaltung(en) der Verengung(en) in weiten Grenzen variiert werden. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die vorgenannten Abschnitte der ersten Detektionseinheit und des Gehäuses jeweils kammartig mit Kammfingern und zwischen diesen angeordneten Zwischenräumen ausgebildet sind. Dabei greifen die Kammfinger der ersten Detektionseinheit in die Zwischenräume der kammartigen Struktur des Gehäuses und umgekehrt ein. Durch eine entsprechende Orientierung der Kammfinger und/oder durch eine Ausbildung von Kammfingern, die in unterschiedliche Richtungen orientiert sind, kann die Dämpfungswirkung richtungsmäßig definiert werden. Eine besondere hohe Dämpfung ergibt sich, wenn die Kammfinger quer zur zu bedämpfenden Richtung, z. B. der Messrichtung, angeordnet sind. Die bevorzugten Abmessungen der Engstellen hängen von dem jeweils vorliegenden Design ab. Bevorzugt liegt die Breite der Engstellen in einem Bereich von 0,4 bis 5 μm.
Der Inertialsensor weist gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform neben der ersten gasgefüllten Kavität eine zweite, vorzugsweise ebenfalls gasgefüllte Kavität auf, in der eine zweite Detektionseinheit – und ggf. weitere Detektionseinheiten – und ein Gettermaterial angeordnet sind. Durch die Wirkung des Gettermaterials kann der Druck und/oder die Gaszusammensetzung in der zweiten Kavität gegenüber dem Druck und/oder der Gaszusammensetzung in der ersten Kavität unterschiedlich eingestellt werden. Auf diese Weise ist die Herstellung von Multisensormodulen möglich, die Kavitäten mit unterschiedlichen Gaszusammensetzungen und/oder unterschiedlichen Drücken aufweisen. Die in mit einem Gettermaterial versehenen Kavität vorliegenden Drücke und Gaszusammensetzungen können individuell eingestellt werden, beispielsweise bis in Bereiche von weniger als 0,1 μbar. So ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, in der ersten Kavität einen Druck von ca. 200 mbar einzustellen, während in mit einem Gettermaterial versehenen Kavitäten der Druck demgegenüber auf Werte bis ca. zwischen 1 mbar und 0,1 mbar und weniger eingestellt werden kann. Durch Verwendung einer entsprechenden Bedämpfung kann dabei in der ersten Kavität ein Sensor mit einem Gütefaktor von weniger als 1 und in der zweiten und/oder weiteren mit dem Gettermaterial versehenen Kavität ein Sensor mit einer eine hohe Güte erfordernden Detektionseinheit einem Gütefaktoren von bis zu 7000 (bei f = 6000 Hz) oder 20000 (bei f = 16000 Hz) betrieben werden. Die in der zweiten oder weiteren Kavität angeordnete Detektionseinheit kann beispielsweise Teil eines RF-Switchs, eines Solometers oder eines resonanten Sensors wie eines Drehratensensors sein oder solche Strukturen ausbilden. Dabei ist es im Rahmen des WLP weiterhin möglich, in der ersten Kavität ausreichend hohe Drücke auszubilden, so dass durch die zusätzliche Wirkung der Dämpfungsstruktur eine ausreichende Bedämpfung der ersten Detektionseinheit ermöglicht wird. So wird durch die Erfindung erstmals ermöglicht, Sensoren mit derart unterschiedlichen Gütefaktoren unter Verwendung des WLP in Form eines Multisensormoduls herzustellen.
Die Anzahl der Kavitäten des erfindungsgemäßen Sensors kann beliebig erhöht werden, wobei der Druck und/oder die Gaszusammensetzung in jeder Kavität oder in ausgewählten Kavitäten entsprechend den dort angeordneten Einzelsensoren oder Detektionseinheiten einstellbar ist. Die Kavitäten sind vorzugsweise gegeneinander und/oder gegenüber der Umgebung hermetisch abgedichtet. Je nach Art der in den jeweiligen Kavitäten angeordneten Einzelsensormodulen und Detektionseinheiten können einzelne oder mehrere Kavitäten über einen Gasdurchlass oder ähnliches mit der Umgebung verbunden sein, beispielsweise bei einer Aufnahme von Absolutdrucksensoren.
Bei der in der ersten Kavität angeordneten ersten Detektionseinheit kann es sich sowohl um eine aktive als auch um eine passive Struktur handeln. Ein Beispiel für eine passive Struktur ist eine als träge Masse wirkende Masseeinheit, die sich aufgrund ihrer trägen Masse bei Einwirkung einer zu erfassenden Beschleunigung relativ zu dem Gehäuse verschiebt. Ein Beispiel einer aktiven Struktur stellt eine Masseeinheit dar, die relativ zum Gehäuse zu einer Bewegung beispielsweise in Form einer Rotationsschwingung angeregt wird und mittels der zu erfassende Lageänderungen oder Beschleunigungen über die Wirkung von Coriolis-Beschleunigungen erfasst werden können.
Das Gehäuse des erfindungsgemäßen Inertialsensors kann grundsätzlich beliebig ausgebildet sein. Im Rahmen des WLP wird es durch Zusammenfügen eines Substratwafers mit einem oder mehreren Deckel- oder Kappenwafern ggf. unter Zwischenlage von Bondrahmen erzeugt. Die Detektions- und Funktionseinheiten des Inertialsensors sind üblicherweise auf dem Substratwafer angeordnet, allerdings ist gleichfalls eine Anordnung an dem Kappenwafer möglich.
Das im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Inertialsensor verwendet Gettermaterial kann grundsätzlich beliebiger Art sein.
Zu den bereits seit längerem Verwendeten gehören Getter aus Metallen oder Legierungen wie Ba, Al, Ti, Zr, V, Fe und dergleichen, die z. B. bei Kathodenstrahlröhren, Flachbildschirmen, Teilchenbeschleunigern oder Halbleiterverarbeitungs-Ausrüstungen eingesetzt werden, siehe z. B. die US-Patente 4,269,624 , 5,320,496 , 4,977,035 oder 6,236,156 . Diese Materialien ab- oder adsorbieren verschiedene Gase durch Oxid- und Hydridbildung oder einfache Oberflächenadsorption. Sogenannte NonEvaporable Getters (NEGs) wurden ab der Mitte der 90er Jahre des vergangenen Jahrhunderts in Tabletten- oder Streifenform in speziell dafür ausgebildete Vertiefungen oder benachbart zum Chip in einer Umhüllung aus Keramik angebracht. Um den Oberflächenbereich möglichst groß zu machen, werden die NEGs häufig mit Hilfe von pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt, in denen das Sintern der Metallteilchen nur gerade initiiert wird, wodurch kleine Zwischenräume zwischen den Metallkügelchen verbleiben. Mit Hilfe eines Temperaturaktivierungs-Schritts im Vakuum oder in einer Wasserstoff enthaltenden, reduzierenden Atmosphäre wird die oberflächliche Oxidschicht entfernt, die sich während des Sinterschritts auf dem Metall gebildet hat. Die Aktivierung wird dann durch durchgehendes Erhitzen der gesamten umgebenden Struktur oder durch Widerstandsheizen (mit einer Ohm'schen Heizung) abgeschlossen.
Das Gettermaterial kann derart ausgewählt sein, dass es das in der Kavität vorliegende Gas oder im Falle eines Gasgemisches einen oder mehrere dessen Bestandteile absorbieren kann, so dass durch die Aktivierung der in der Kavität vorliegende Druck und/oder die Gaszusammensetzung eingestellt werden können. Dabei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn der Inertialsensor in verschiedenen Kavitäten unterschiedliche Gettermaterialien mit jeweils spezifischen Absorptionseigenschaften oder ein Gettermaterial mit identischen Absorptionseigenschaften; jedoch in unterschiedlichen Mengen, aufweist. Auf diese Weise können der Innendruck und/oder die Gaszusammensetzung in Kavitäten nahezu beliebiger Anzahl individuell entsprechend den jeweiligen Erfordernissen eingestellt werden.
Beträgt der Druck in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform in der ersten Kavität zwischen 100 mbar und 200 mbar, so kann durch eine entsprechende Verwendung von Gettermaterial der Druck in der zweiten Kavität auf Werte zwischen 0,1 μbar und 1 mbar, vorzugsweise zwischen 0,1 μbar und 0,1 mbar eingestellt werden. Bei diesen Drücken können in der zweiten Kavität Detektionseinheiten mit entsprechend hoher Güte betrieben werden, wobei gleichzeitig durch die erfindungsgemäße Verwendung der Dämpfungsstruktur innerhalb der ersten Kavität dort Detektionseinheiten betrieben werden können, die eine entsprechend geringe Güte, d. h. hohen Druck, benötigen.
Durch die meist engen Zwischenräume der Dämpfungsstruktur, d. h. den engen Zwischenräumen der ersten Detektionseinheit unter dem Gehäuse, kann es im Betrieb des Sensors zu unerwünschten Störungen durch Aufladungseffekte kommen. Diese können gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung vermieden werden, indem der gehäuseseitige Abschnitt oder die gehäuseseitigen Abschnitte der Dämpfungseinheit elektrisch mit einem definierten oder definierbaren Potential verbunden ist. Diese elektrisch leitende Verbindung mit einem definierten Potential besitzt erfindungsgemäß jedoch keine aktive elektrische Anregungs- oder Auslesefunktion, kann aber sehr wohl zu einer kontrollierten mechanischen Verstimmung der beweglichen Sensorstruktur durch eine angelegte statische Vorspannung genutzt werden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Vielfachbauelement zur Herstellung eines Inertialsensors der zuvor beschriebenen Art. Unter einem Vielfachbauelement im Sinne der Erfindung ist eine Einheit, ein Element oder ein Halbzeug zu versehen, das vorzugsweise unter Verwendung des Wafer-Level-Packaging hergestellt ist. Dabei werden die Funktionseinheiten mehrerer Sensoren auf einem Substratwafer angeordnet, der dann mit einem entsprechend ausgebildeten Kappenwafer ggf. unter Zwischenlage eines Bondrahmens zusammengefügt wird. Bei dem so hergestellten Vielfachbauelement liegt eine Vielzahl von Sensoren in einer matrixartigen Anordnung neben- und/oder übereinander vor. Das derartiges Vielfachbauelement wird mittels entsprechender Trennverfahren zu den letztendlichen Sensormodulen vereinzelt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer besonders bevorzugten Ausführungsform anhand der Figuren. Dabei zeigt:
1 eine schematische Schnittansicht parallel zur Waferebene durch einen Teil eines Multisensormoduls und
2 eine schematische Schnittansicht des Multisensormoduls der 1 quer zur Waferebene.
In der 2 ist ein Multisensormodul 20 dargestellt. Es weist zwei Einzelsensormodule auf, nämlich einen resonanten Drehratensensor 3 und einen Beschleunigungssensor 4, die im Betrieb stark unterschiedliche Güten benötigen. Der resonante Drehratensensor 3 ist in einer ersten Kavität 5 angeordnet, während der Beschleunigungssensor 4 in einer zweiten Kavität 6 angeordnet ist. Die erste Kavität 5 und die zweite Kavität 6 sind in einem Gehäuse 19 ausgebildet, das im Wesentlichen aus einem Substrat 1 und einer Kappe 2 besteht, die unter Zwischenlage eines Bondrahmens 7 hermetisch dicht miteinander gefügt sind.
Der resonante Drehratensensor 3 ist in der 2 stark vereinfacht dargestellt. Er weist eine Masseeinheit 25 auf, die mittels einer Aufhängung 26 mit dem Substrat 1 derart verbunden ist, dass sie relativ zu dem aus Substrat 1 und Kappenelement 2 gebildeten Gehäuse mittels nicht dargestellter Anregungselektroden zu Drehschwingungen um die in der 2 angedeutete Anregungsachse 27 angeregt werden kann. Die Masseeinheit 25 bildet die in der Terminologie der allgemeinen Beschreibung und der Ansprüche zweite Detektionseinheit des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors aus. Durch den resonanten Drehratensensor 3 können Rotationen des Beschleunigungssensors um Achsen quer zur Anregungsachse 27 erfasst werden.
Der Beschleunigungssensor 4 ist detailliert in der 1 dargestellt und weist eine Masseeinheit 9 auf. Diese bildet die in der Terminologie der allgemeinen Beschreibung und der Ansprüche erste Detektionseinheit des beispielhaft beschriebenen Beschleunigungssensors aus. Die Masseeinheit 9 wirkt als träge Masse und dient zur Erfassung von Beschleunigungen in Richtung quer zur Zeichnungsebene der 2, in der 1 durch einen Richtungspfeil 28 angedeutet (Messrichtung). Die Masseeinheit 9 wird durch die Wirkung von Beschleunigungskomponenten in der Richtung 28 relativ zu dem aus Substrat 1 und Kappenelement 2 gebildeten Gehäuse 19 bewegt, was durch entsprechende Messelektroden 14, 15 erfasst werden kann.
Der Bondrahmen 7 umschließt die Sensorbereiche und Kavitäten 5, 6 und dichtet diese hermetisch gegeneinander und gegenüber der Umgebung ab. Es sollte klar sein, dass die Anordnung der Strukturen der Sensoren 3, 4 und der Vertiefungen natürlich auch eine andere sein kann als in der Figur gezeigt. Z. B. können die Sensoren 3, 4 in einer Vertiefung des Substrats 1 angeordnet sein, während das Kappenelement 2 innenseitig je nach Platzbedarf eben ist oder nur geringfügige Vertiefungen aufweist. Stattdessen können die Sensoren 3, 4 bei Bedarf auch im Kappenelement 2 angebracht sein, so dass die vorgenannten Varianten spiegelbildlich zu realisieren wären.
Die Herstellung des dargestellten Multisensormoduls 20 erfolgt über ein Vielfachbauelement unter Verwendung des Wafer-Level-Packaging. Dabei werden die Funktionseinheiten mehrerer Multisensormodule 20, d. h. eine entsprechende Anzahl resonanter Drehratensensoren 3 und Beschleunigungssensoren 4 auf einem Substratwafer 1 angeordnet, der dann mit einem entsprechend ausgebildeten Kappenwafer 2 unter Zwischenlage eines Bondrahmens 7 zusammengefügt wird. Bei dem so hergestellten Mehrfachbauelement liegt eine Vielzahl von Multisensormodulen 20 gemäß der 2 in einer matrixartigen Anordnung neben- und übereinander vor. Das so entstandene Vielfachbauelement wird dann mittels entsprechender Trennverfahren zu den letztendlichen Multisensormodulen 20 vereinzelt.
Alternativ können die Multisensormodule 20 auch einzeln aus einem den resonanten Drehratensensor 3 und den Beschleunigungssensor 4 tragenden Substrat 1 (z. B. als Basischip) und einem entsprechenden, die beiden Kavitäten 5, 6 abdeckenden und dabei gleichzeitig voneinander hermetisch trennenden Kappenwaferelement 2 (z. B. Kappenchip) erzeugt werden.
Unabhängig davon, ob das in der 2 dargestellt Multisensormodul 20 über ein Vielfachbauelement unter nachfolgender Vereinzelung oder direkt als Einzelmultisensormodul hergestellt wird, liegt beim WLP zunächst in den beiden Kavitäten 5, 6 der gleiche Gasdruck und die gleiche Gaszusammensetzung vor. Eine Einstellung des Drucks und/oder der Gaszusammensetzung in der ersten Kavität 5 auf eine für den resonanten Drehratensensor 3 geeigneten Wert wird durch den Einsatz eines innerhalb der Kavität 5 angeordneten Gettermaterials 8 erzielt.
Das Gettermaterial 8 kann in beliebiger Form, z. B. als Streifen oder Fläche, in der Kavität 5 angeordnet sein, es kann aber auch eine strukturierte Gestalt besitzen. In günstiger Weise wird es auf der Kappenseite des Wafers oder dgl. angebracht, z. B. in dessen Vertiefungen, sofern diese dort vorgesehen sind. Alternativ kann sich das Gettermaterial 8 aber auch auf der Substratseite befinden, z. B. seitlich der Sensoren 3, 4 oder sogar darunter, sofern die entsprechenden Flächen nicht anderweitig benötigt werden.
Die bei der Herstellung des Multisensormoduls 20 verwendete Gasatmosphäre ist derart ausgewählt, dass sie mindestens eine Gassorte aufweist, die von dem Gettermaterial 8 absorbiert werden kann. Die Verwendung eines Reingases ist möglich. Aufgrund der Absorptionseigenschaften des Gettermaterials 8 gegenüber dieser Gassorte weist die erste Kavität 5 nach dessen Aktivierung einen anderen Innendruck und/oder eine andere Gaszusammensetzung auf als die zweite Kavität 6. Hierdurch wird – ausgehend von Gasdruck während des Zusammenfügens von Substrat 1 und Kappenelement 2 – der in der ersten Kavität 5 vorliegende Innendruck auf einem zum Betrieb des resonanten Drehratensensors 3 erforderlichen Wert, beispielsweise auf 0,1 mbar, abgesenkt. Der in der zweiten Kavität 6 vorliegende Druck sowie die dort vorliegende Gaszusammensetzung entsprechen im Wesentlichen dem Druck und der Gaszusammensetzung während des Zusammenfügens von Substrat 1 und Kappenelement 2.
Einer Einstellung der Druckverhältnisse in der Kavität 5 durch Verwendung des Gettermaterials 8 sind allerdings Grenzen gesetzt. Soll der Innendruck der Kavität 5 auf einen Wert von etwa 0,1 mbar abgesenkt werden, der für einen einwandfreien Betrieb des dort angeordneten resonanten Drehratensensors 3 erforderlich ist, beträgt der maximal mögliche Druck vor der Aktivierung ca. 200 mbar. Dieser Druck entspricht dem in der zweiten Kavität 6, in der der Beschleunigungssensor 4 angeordnet ist, vorliegenden Druck. Er ist für einen einwandfreien und verlässlichen Betrieb des Beschleunigungssensors 4 jedoch zu gering. Dieser ist bei einem solchen Druck gegenüber störenden Einflüssen, beispielsweise aufgrund von Vibrationen, zu empfindlich und kann nicht mit der entsprechenden Güte betrieben werden.
Um hier Abhilfe zu schaffen, ist der Beschleunigungssensor 4 mit einer Dämpfungsstruktur 16a, b, c, d versehen. Deren Ausgestaltung ist genauer in der 1 dargestellt, die eine schematische Aufsicht auf den Beschleunigungssensor 4 zeigt. Die Masseeinheit 9 ist über Aufhängungsfedern 10a, b und entsprechende Verankerungsstrukturen 11a, b mit dem Substrat 1 verbunden. Durch die Dämpfungsstruktur 16a, b, c, d wird der Gütefaktor in Messrichtung 28 auf Werte bis unter 1 abgesenkt, was bei einem in der zweiten Kavität 6 vorliegenden Innendruck von ca. 200 mbar einem Rückbefüllungsdruck von ca. 600 mbar bis 1000 mbar entspricht. Der Sensor 4 wird damit unempfindlich gegenüber in Messrichtung 28 wirkenden Vibrationen, verliert jedoch nicht seine Messempfindlichkeit gegenüber den in dieser Messrichtung nachzuweisenden Beschleunigungen.
Die Dämpfungsstruktur 16a, b, c, d besteht im wesentlichen aus einem festen Bedämpfungskamm 17a, b, c, d der fest auf dem Substrat 1 angeordnet ist. Der feste Bedämpfungskamm 17a, b, c, d wirkt mit einem Gegenbedämpfungskamm 18a, bc, d zusammen, der durch eine entsprechende Formgebung der Masseeinheit 9 realisiert ist. Der feste Bedämpfungskamm 17a, b, c, d weist kammartig von einem Zentralbereich 21 ausgehende Kammfinger 22 auf, zwischen denen entsprechend dimensionierte Zwischenräume 23 ausgebildet sind. In diese greifen Kammfinger 24 des Gegenbedämpfungskamms 18a, b, c, d ein. Die Kammfinger 22,24 sind quer zur Messrichtung 28 orientiert.
Die Dämpfungsstruktur 16a, b, c, d funktioniert nach Art eines Kolben-Zylinder-Systems. Bei einer Bewegung der Masseeinheit 9 in Messrichtung 28 relativ zum Substrat 1 aufgrund einer äußeren Beschleunigung kommt es zu einer Verschiebung des festen Bedämpfungskamms 17a, b, c, d gegenüber dem Gegenbedämpfungskamm 18a, b, c, d in Messrichtung 28. Durch diese Verschiebung kommt es zu einer Verdrängung des in den Zwischenräumen 23 zwischen den Bedämpfungskämmen 17a, b, c, d; 18a, b, c, d vorliegenden Gases. Dieses muß von einer Seite eines Kammfingers 22,24 auf die andere Seite und dabei durch die als enge Spalte oder Verengung ausgebildeten Zwischenräume 23 zwischen den Kammfingern 22, 24 und zwischen Substrat 1, Masseeinheit 9 und Kappenwafer 2 strömen. Aufgrund des dort vorliegenden engen Spaltmaßes werden diesen Strömungen teils erhebliche Widerstände entgegengesetzt, die den erwünschten Dämpfungseffekt hervorrufen.
Eine Bewegung der Masseeinheit 9 relativ zu dem aus Substrat 1 und Kappenelement 2 gebildeten Gehäuse wird über feste Messelektroden 14 und Gegenmesselektroden 15 erfasst. Die Messelektroden 14 sind fest mit dem Substrat 1, die Gegenmesselektroden mit der Masseeinheit 9 verbunden. Zu Testzwecken weist der in der 2 dargestellte Beschleunigungssensor 4 eine feste Anregungselektrode 12 und eine entsprechende Gegenelektrode 13 auf. Durch eine Anregung über diese Anordnung ist die Masseeinheit 9 des Beschleunigungssensors 4 in Messrichtung 28 anregbar. Sinn und Zweck dieser Anregung ist die Durchführung eines elektrischen Funktionstests ohne mechanische Anregung von außen, was bei einem Prüfen auf Waferebene vor dem Verkappen und Sägen sehr hilfreich sein kann.
Der feste Bedämpfungskamm 17a, b, c, d ist über das Substrat 1 mit einem definierbaren oder definierten elektrischen Potential verbunden. Dieses dient dem Zweck, Aufladungseffekte, die aufgrund der engen Zwischenräume 23 auftreten können, im Wesentlichen zu vermeiden und daher ein unkontrolliertes Ankleben der Kammfingerstrukturen 22, 24 aneinander zu verhindern.

1: Substrat
2: Kappenelement
3: resonanter Drehratensensor
4: Beschleunigungssensor
5: erste Kavität
6: zweite Kavität
7: Bondrahmen
8: Gettermaterial
9: Masseeinheit
10a, b: Aufhängungsfeder
11a, b: Verankerungsstruktur
12: feste Anregungselektrode
13: Gegenanregungselektrode
14: feste Messelektrode
15: Gegenmesselektrode
16a, b, c, d: Dämpfungsstruktur
17a, b, c, d: fester Dämpfungskamm
18a, b, c, d: Gegendämpfungskamm
19: Gehäuse
20: Multisensormodul
21: Zentralbereich
22: Kammfinger
23: Zwischenraum
24: Kammfinger
25: Masseeinheit
26: Aufhängung
27: Anregungsachse
28: Richtungspfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4269624 [0022]
- US 5320496 [0022]
- US 4977035 [0022]
- US 6236156 [0022]

Claims

Inertialsensor, vorzugsweise Beschleunigungssensor oder Mehrachsen-Beschleunigungssensor, als mikroelektromechanisches Bauelement, aufweisend ein Gehäuse (19) mit wenigstens einer ersten gasgefüllten Kavität (5), in der zur Detektion einer zu erfassenden Beschleunigung eine erste Detektionseinheit (9) gegenüber dem Gehäuse (19) beweglich angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Inertialsensor eine Dämpfungsstruktur (16a, b, c, d) aufweist, die eine Bewegung der ersten Detektionseinheit (9) in dem Gehäuse (19) zumindest in Messrichtung (28) dämpft.
Inertialsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (19) wenigstens eine zweite Kavität (6) aufweist, in der eine zweite Detektionseinheit (25) und ein Gettermaterial (8) angeordnet sind.
Inertialsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Kavität (5, 6) gegeneinander und gegen die Umgebung hermetisch abgedichtet sind.
Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsstruktur (16a, b, c, d) gebildet ist, indem wenigstens Abschnitte der ersten Detektionseinheit (9) und des Gehäuses (19) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass ein zwischen ihnen befindlicher Zwischenraum (23) als Engstelle oder Verengung ausgebildet ist und bei einer Bewegung der ersten Detektionseinheit (9) zumindest in Messrichtung (28) von dem in der Kavität (5) vorliegenden Gas durchströmt wird.
Inertialsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens Abschnitte der ersten Detektionseinheit (9) und des Gehäuses (19) jeweils kammartig mit Kammfingern (22, 24) und zwischen diesen angeordneten Zwischenräumen (23) ausgebildet sind.
Inertialsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammfinger (22) der ersten Detektionseinheit (9) in die Zwischenräume (23) der kammartigen Struktur des Gehäuses (19) eingreifen und umgekehrt.
Inertialsensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammfinger (22,24) der kammartigen Abschnitte quer zur Messrichtung (28) angeordnet sind.
Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der ersten Kavität (5) zwischen 100 mbar und 300 mbar beträgt, vorzugsweise 200 mbar.
Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der zweiten Kavität (6) zwischen 0,1 μbar und 1 mbar beträgt, vorzugsweise zwischen 0,1 μbar und 0,1 mbar, besonders bevorzugt 0,1 mbar.
Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kavität (5) eine andere Gaszusammensetzung aufweist als die zweite Kavität (6).
Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gehäuseseitige Abschnitt der Dämpfungsstruktur (16a, b, c, d) elektrisch mit einem definierten Potential verbunden ist.
Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der zweiten Kavität (6) angeordnete zweite Detektionseinheit (25) einen resonanten Drehratensensor (3) ausbildet.
Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Kavität (5) ein Gettermaterial (8) angeordnet ist, dessen Gasabsorptionseigenschaften sich von den des Gettermaterials (8) in der zweiten Kavität (6) unterscheidet.
Inertialsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Kavität (5, 6) das gleiche Gettermaterial (8) enthalten, jedoch in unterschiedlicher Menge oder Fläche bezogen auf das Kavitätsvolumen.
Vielfachbauelement zur Herstellung eines Inertialsensors nach den Ansprüchen 1 bis 14.