DE102008016214B4

DE102008016214B4 - Sensorelement und Sensorzusammenstellung mit Umhüllung

Info

Publication number: DE102008016214B4
Application number: DE102008016214.0A
Authority: DE
Inventors: Albertus Theodorus Johannes Reijs
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Measurement Specialties Inc Hampton Us
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2015-09-17
Anticipated expiration: 2028-03-29
Also published as: US7685881B2; US20080236292A1; DE102008016214A1; DE202008018412U1; NL2000566C2

Abstract

Sensorelement mit einem empfindlichen Sensorteil (2) an der Oberseite einer Substratschicht (11), wobei die Oberseite der Substratschicht (11) mit einer Aussparung (6, 7) an dem Umriss des empfindlichen Sensorteils versehen ist, wobei eine dritte Substratschicht (13) auf einer Unterseite einer zweiten Substratschicht (12) vorgesehen ist, die Aussparung (6, 7) sich bis zu der Unterseite der zweiten Substratschicht (12) erstreckt, und die zweite Substratschicht (12) an die dritte Substratschicht (13) in einer Region außerhalb der Aussparung (6, 7) befestigt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement mit einem empfindlichen Sensorteil auf einer Oberseite einer Substratschicht. In einer weiteren Ausführung betrifft die vorliegende Erfindung eine Sensorzusammenstellung ausgestattet mit mindestens einem Sensorelement und einer Umhüllung, wobei die Umhüllung mit einer Öffnung für einen exponierten Sensorteil des Sensorelements, zum Beispiel einen Drucksensor, ausgestattet ist.
Stand der Technik
Ein derartiges Sensorelement und Sensorzusammenstellung sind bekannt aus der Patentoffenbarung WO 2007/017301 . Diese Offenbarung zeigt einen Drucksensor mit einer Membran, unter der einen Hohlraum kreiert ist. Ein Nachteil derartiger Sensorelemente und Sensorzusammenstellungen ist, dass diese empfindlich sind für vielerlei Spannungen von außerhalb, die weitergegeben werden an das empfindliche Element im Sensor, zum Beispiel beim Anbringen und Aushärten der Umhüllung des Sensors. Diese Spannungen führen Fehler und Abweichungen im Messsignal des Sensors herbei.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung versucht ein Sensorelement bereitzustellen, das weniger empfindlich ist für Spannungen und Kräfte von außerhalb.
Diese Aufgabe wird mit einem Sensorelement gemäß dem Anspruch 1, 2 oder 3 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Infolge der Aussparung in der oberen Oberfläche der Substratschicht wird das empfindliche Sensorteil (wenigstens teilweise) mechanisch isoliert. Hierdurch werden Spannungen, die auf die Substratschicht ausgeübt werden, nicht an das empfindliche Sensorteil weitergegeben.
In einer Ausführungsform, nimmt die Aussparung insgesamt mindestens drei Viertel des Umrisses des empfindlichen Sensorteils an der Obenseite ein. Die Aussparung kann zum Beispiel als drei oder vier gerade, anschließende Nuten ausgebildet sein, oder als eine kreisförmige Nut über mehr als 270° um das empfindliche Sensorteil herum. Dies kann schon eine ausreichende Isolation oder Entkopplung des empfindlichen Sensorteils bewirken.
Das empfindliche Sensorteil umfasst in einer weiteren Ausführungsform eine Membran, zum Beispiel, um einen Drucksensor aus Siliziummaterial zu bilden. Wegen der flachen Form einer derartigen Membran ist diese sehr empfindlich für Spannungen von außerhalb (Biege- und Zugkräfte)
In einer weiteren Ausführungsform ist unter der Membran einen Hohlraum in der Substratschicht vorgesehen. Wenn dieser Hohlraum durch eine zweite Substratschicht abgeschossen ist, wird eine hermetisch abgeschlossene Kammer gebildet, wodurch das Sensorelement einen absoluten Druck messen kann. Wenn der Hohlraum nicht abgeschlossen ist, kann das Sensorelement einen relativen Druck messen.
In noch einer weiteren Ausführungsform ist eine dritte Substratschicht auf der Vorderseite der zweiten Substratschicht vorgesehen, erstreckt sich die Aussparung bis zur Unterseite der zweiten Substratschicht, und ist die zweite Substratschicht an die dritte Substratschicht in einem Gebiet außerhalb der Aussparung befestigt. Dadurch wird ein klöppelartiger Körper gebildet mit dem darin befindlichen empfindlichen Sensorteil, das sich relativ frei bewegen kann in Bezug auf die dritte Substratschicht.
Die Aussparung ist in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch mindestens ein Brückenteil unterbrochen. Dies ermöglicht es, elektrische Anschlussverbindungen zwischen dem empfindlichen Sensorteil und Anschlussgebieten auf der Substratoberfläche anzubringen, zum Beispiel in Form von Metallspuren.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Brückenteil zwei (oder mehr) einander gegenüberliegende Teile. Dies bewirkt eine stabilere Konstruktion der Aufhängung des empfindlichen Sensorteils. Ebenso ist es möglich, dass auf diese Art und Weise einer Kraft, die auf beide Teile in entgegengesetzte Richtung ausgeübt wird (zum Beispiel durch Druck beidseitig des Sensors), in eine Rotation des empfindlichen Sensorteils umgewandelt wird, ohne dass Spannungen zum empfindlichen Sensorteil weitergegeben werden. Um diesen Effekt zu vergrößern, bildet in einer weiteren Ausführungsform das Brückenteil einen Winkel mit der Aussparung (in der Fläche der Substratschicht).
In einer weiteren Ausführungsform weist die Aussparung eine Tiefe in der Richtung senkrecht zu der Obenseite der Substratschicht auf, die größer ist als die Stärke des empfindlichen Sensorteils. Dies kann bei einer dünnen Membran zum Beispiel 10 μm oder sogar weniger sein. In anderen Fällen kann die Aussparung sich über die ganze Substratschicht erstrecken.
In einer weiteren Ausführungsform, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Sensorzusammenstellung der oben definierten Art, wobei die Umhüllung weiterhin mit einer Aussparung am Umriss der Öffnung ausgestattet ist. Auf gleiche Weise wie die Ausführungsformen des Sensorelements, wie oben beschrieben, ergibt diese Aussparung eine mechanische Entkopplung des empfindlichen Sensorteils, wodurch der Sensor als Ganzes weniger empfindlich ist für auftretende Spannungen und von außerhalb ausgeübte Kräften. In einer Ausführungsform, nimmt die Aussparung insgesamt mindestens drei Viertel des Umrisses der Öffnung ein. Die Aussparung kann zum Beispiel wieder als drei oder vier gerade, anschließende Nuten ausgebildet sein, oder als eine kreisförmige Nut über mehr als 270° um die Öffnung herum.
In einer Ausführungsform ist das Sensorelement auf einem Träger angeordnet ('lead frame'), und die Aussparung erstreckt sich bis zum Träger. In jedem fall wird eine Verbesserung der mechanischen Isolation erreicht.
In einer noch weiteren Ausführungsform ist das exponierte Sensorteil des Sensorelements mit Schutzmaterial abgedeckt, beispielsweise mit einem Gel. Ein derartiges Schutzmaterial behindert die primäre Funktion des empfindlichen Sensorteils (Druck zu messen) nicht, bewirkt aber eine Abschirmung und eine damit verbundene, verbesserte Lebensdauer des Sensors.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird jetzt an Hand von beispielhaften Ausführungsformen ausführlicher besprochen werden, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, wobei
1 einen perspektivischen Querschnitt eines Sensorelements nach dem Stand der Technik zeigt;
2 einen perspektivischen Querschnitt eines Sensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 einen perspektivischen Teilquerschnitt eines Sensorelements gemäß einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 eine Explosionsansicht des Sensorelements aus 3 zeigt;
5 eine perspektivische Draufsicht mit Teilquerschnitt auf eine weitere Ausführungsform des Sensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 eine perspektivische Draufsicht mit Teilquerschnitt auf eine Alternative zur Ausführungsform von 5 zeigt.
7 einen perspektivischen Querschnitt einer Sensorzusammenstellung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 einen perspektivischen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Sensorzusammenstellung aus 7 zeigt.
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In 1 ist einen perspektivischen Querschnitt eines (Halbleiter-) Sensorelements 1 gezeigt, das nach bekannten Techniken hergestellt ist. Das Sensorelement 1 ist in einer ersten (aktiven) Substratschicht 11 gebildet, zum Beispiel aus Halbleitermaterial, wobei auf der Oberseite der ersten Substratschicht 11 Leiterbahnen 4 angeordnet sind, die ein empfindliches Sensorteil 2 elektrisch mit Anschlussregionen 5 verbinden. Auf die Anschlussregionen 5 werden beim Herstellen eines kompletten Chips Anschlussdrähte angeheftet, geschweißt oder gelötet. In der gezeigten Ausführungsform ist das empfindliche Sensorteil 2 eine Membran über einem Hohlraum oder einer Kammer 3. Die Membran 2 ist beispielsweise ausgestattet mit einer Anzahl von Dehnungsmessstreifen in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung, wodurch ein Drucksensor gebildet wird. In der gezeigten Ausführungsform ist der Hohlraum 3 abgeschlossen durch eine zweite Substratschicht 12, die hermetisch mit der ersten Substratschicht 11 verbunden ist. Hiermit wird das Sensorelement 1 zur absoluten Druckmessung geeignet. Falls die zweite Substratschicht nicht vorgesehen ist, erhält man einen relativen Drucksensor.
Durch unzählige Einflüsse von außerhalb werden auf das empfindliche Teil 2 des Sensorelements 1 Kräfte ausgeübt, die nachteilig sind für ein zuverlässiges und korrektes Funktionieren (Stabilität, Genauigkeit). Zu bedenken sind Spannungen, die im Material der ersten Substratschicht 11 entstehen, beispielsweise durch den Träger, auf dem der Sensorchip angeordnet ist ('lead frame'), Klebematerialien, die Umhüllung des Chips und dessen Herstellung (Spannungen durch Schrumpfen oder gerade Ausdehnung). Die Spannungen können durch Kräfte verursacht werden, aber auch durch Biegung oder Torsion.
Diese Probleme werden gelöst mit einem Sensorelement nach einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Eine erste Ausführungsform wird in dem perspektivischen Teilquerschnitt der 2 gezeigt. Die Gliederung des Sensorelements 1 ist größtenteils die gleiche wie beim Sensorelement, das in 1 gezeigt wird, wobei als Zusatzmaßnahme eine Aussparung 6 um das empfindliche Sensorteil 2 herum angebracht ist. In der dargestellten Ausführungsform ist die Aussparung 6 eine Nut mit einer Tiefe d (zum Beispiel einige Mikrometer), die in der Obenseite der ersten Substratschicht 11 angebracht ist, beispielsweise mit einer Ätztechnik oder einer anderen Materialentfernungstechnik, wie Fräsen. Die Aussparung 6 ist an einer Stelle durch ein Brückenteil 9 unterbrochen, was ermöglicht, die Leiterbahnen 4 vom empfindlichen Sensorteil 2 zu den Anschlussregionen 5 verlaufen zu lassen. Durch die Aussparung 6 wird eine obere Schicht der ersten Substratschicht 11 an der Stelle des empfindlichen Sensorteils 2 von dem Rest der ersten Substratschicht 11 mechanisch größtenteils isoliert. Spannungen (Kräfte, Biegungen, Torsionen) auf andere Teile des Sensorelements 1 werden (fast) nicht an das empfindliche Sensorteil 2 weitergegeben.
Die Aussparung 6 ist um den größten Teil des Umrisses des empfindlichen Sensorteils 2 herum angebracht, zum Beispiel insgesamt zu mehr als drei Viertel des Umrisses. Die Form der Aussparung 6 ist dargestellt als eine Kombination von langgestreckten Nuten, aber es ist klar, dass andere Formen (Vieleck, Zirkel, Oval) einen gleichartigen Effekt bewirken.
Die Tiefe d der Aussparung 6 (die auch als Nut, Schlitz, Kerbe, Aushöhlung, Spalte und dergleichen mehr angebracht werden kann) kann an die spezifische Anwendung des Sensorelements 1 angepasst werden. Eine bessere mechanische Entkopplung kann erzielt werden, wenn die Aussparung eine größere Tiefe d hat, zum Beispiel über die ganze Stärke der ersten Substratschicht 11.
Eine weitere Ausführungsform ist im perspektivischen Teilquerschnitt von 3 und im explodierten perspektivischen Querschnitt von 4 dargestellt. In diesem Sensorelement 1 ist eine dritte Substratschicht 13 vorgesehen, die als Basis für das Sensorelement 1 fungiert. Dies ermöglicht es, die Aussparung 6 in der ersten Substratschicht 11 als eine zweite Aussparung 7 in die zweite Substratschicht fortzusetzen. Hierdurch wird eine Abschlussschicht 8 gebildet, die den Hohlraum 3 unter dem empfindlichen Sensorteil 2 hermetisch abschließt (zum Beispiel für einen Absolutdrucksensor). Die zweite Substratschicht 12 wird an der dritten Substratschicht 13 befestigt (hermetische Verbindungsschicht 15), mit Ausnahme der Abschlussschicht 8 (lose Flächen 16). Hierdurch wird eine Art Klöppel gebildet, abgegrenzt durch die Aussparung 6 und die zweite Aussparung 7, der sich frei über die Oberfläche 16 der dritten Substratschicht 13 (selbstverständlich am Platz gehalten vom Brückenteil 9) bewegen kann. Dies hat den Vorteil, dass vielerlei Kräfte von außerhalb, Biegungen oder Torsionen in der Kombination der ersten, zweiten und dritten Substratschicht 11–13 außerordentlich effektiv vom empfindlichen Sensorteil 2 isoliert werden. Die lose Fläche 16 des 'Klöppels' kann and der Oberfläche der dritten Substratschicht anliegen, oder frei liegen. In dem letztgenannten Fall bildet die Oberfläche einen Endanschlag der losen Fläche 16, wodurch eine gewisse Bewegung des Klöppels möglich ist.
In 5 wird eine Draufsicht mit Teilquerschnitt einer alternativen Ausführungsform gezeigt, wobei die Aussparung 6 an zwei Stellen durch ein Brückenteil 9, 9a unterbrochen wird. Die Brückenteile 9, 9a sind bezüglich des Sensorteils 2 diametral angeordnet. Als Effekt ergibt dies eine stabilere Konstruktion des Sensorelements 1, und es ist auch möglich mehr Oberfläche für Leiterbahnen 4 zu nutzen. Zugleich wird, wenn eine Kloppelkonstruktion verwendet wird, wie mit Bezug auf 3 und 4 besprochen, eine auf die Halbleiterschichten 11–13 ausgeübte Kraft teilweise in eine Rotationsbewegung umgewandelt, ohne die Spannung zum empfindlichen Sensorteil 2 weiterzuleiten.
In 6 wird eine perspektivische Draufsicht einer noch weiteren Alternative gezeigt, wobei die Brückenteile 9, 9a unter einem Winkel zu der als langgestreckter Schlitz ausgeführten Aussparung 6 stehen. Dies hat den Effekt, dass eine Spannung, die auf zwei Seiten des Sensorelements 1 ausgeübt wird (angedeutet mit den Pfeilen bei den Brückenteilen 9, 9a), eine Rotation des empfindlichen Sensorteils 2 (des Klöppels) herbeiführt, aber keine Spannung in dem empfindlichen Sensorteil 2.
Nach der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, unter Verwendung von einer oder mehreren Aussparungen 22, 24 in einer Umhüllung 21 einer Sensorzusammenstellung Spannungen in einem empfindlichen Sensorteil 2 eines Sensorelements 1 zu verringern. Eine erste diesbezügliche Ausführungsform wird gezeigt in der perspektivischen Querschnittsansicht in 7. Ein Sensorelement 1, in diesem Fall aufgebaut aus einer ersten und einer zweiten Substratschicht 11, 12, und versehen mit einem empfindlichen Sensorteil 2 über einem abgeschlossenen Hohlraum 3, ist auf einem Träger 20 angeordnet (beispielsweise einem Anschlussträger oder 'lead frame'). Diese Zusammenstellung wird auf eine an sich bekannte Weise umgeben durch eine Umhüllung 21 zum Schutz des Chips mit dem Sensorelement 1. Für ein gutes Funktionieren des Sensorelements 1 wird in der Umhüllung 21 eine Öffnung 23 freigehalten, wodurch das empfindliche Sensorteil 2 des Sensorelements 1 der Umgebung ausgesetzt ist. Durch eine Aussparung 22 in der Umhüllung 21 wird erreicht, dass extern angewandte Kräfte (durch Biegen, Tordieren, usw.) in geringerem Maße zum Sensorelement 1 selbst weitergegeben werden, insbesondere zum empfindlichen Sensorteil 2. Um den Effekt zu verbessern, können, so wie in der Ausführungsform von 7 dargestellt, auch auf der Unterseite der Umhüllung 21 Nuten oder Aussparungen 24 angebracht werden.
In 8 wird ein perspektivischer Querschnitt einer weiteren Ausführungsform gezeigt, wobei die Aussparungen 22, 24 tiefer sind, und sich bis zum Träger 20 erstrecken. Der Effekt von der Entkopplung des empfindlichen Sensorteils 2 von externen Kräften wird hierdurch effektiver. Weiter ist in dieser Ausführungsform die Aussparung 22 auf der Oberseite der Umhüllung 21 nur über einen Teil des Umrisses um die Öffnung 23 herum ausgeführt. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die möglichen externen Einflüsse (die beispielsweise immer in einer Richtung auftreten) im Voraus bekannt sind, oder wenn zum Beispiel zwei nebeneinander angeordnete Sensoren 1 in der gleichen Umhüllung 21 untergebracht werden.
Es ist offensichtlich, dass das Sensorelement 1, das in der Sensorzusammenstellung gemäß dieser Ausführungsform angewandt wird, mit einer Aussparung 6, wie oben beschrieben, versehen sein kann, oder nicht.
Weiterhin ist in der Ausführungsform von 8 angegeben, dass die Öffnung 23 mit einem Schutzmaterial 25 gefüllt ist, beispielsweise einem Gel oder einem Geflecht ('gaaswerk'). Hierdurch wird das empfindliche Sensorteil 2 gegen externe Einflüsse geschützt, während gutes Funktionieren (zum Beispiel als Drucksensor) nicht beeinträchtigt wird. Das Gel 25 kann auch in den Aussparungen 22, 24 angebracht werden, so dass diese nicht mit Schmutz oder Ähnlichem verstopfen können und die Spannungsentkopplungsfunktion während einer längeren Zeit aufrechterhalten bleibt.
Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass Modifikationen und Änderungen an den dargestellten Ausführungsformen möglich sind, und das diese unter den Schutzumfang dieser Erfindung fallen, die durch die beigelegten Ansprüche definiert wird. So kann beispielsweise die dargestellte rechteckige Form der Aussparungen 6, 22, 24 ohne Effektverlust in eine Vieleckform, Zirkelform, Dualform, usw. geändert werden.

Claims

Sensorelement mit einem empfindlichen Sensorteil (2) an der Oberseite einer Substratschicht (11), wobei die Oberseite der Substratschicht (11) mit einer Aussparung (6, 7) an dem Umriss des empfindlichen Sensorteils versehen ist, wobei eine dritte Substratschicht (13) auf einer Unterseite einer zweiten Substratschicht (12) vorgesehen ist, die Aussparung (6, 7) sich bis zu der Unterseite der zweiten Substratschicht (12) erstreckt, und die zweite Substratschicht (12) an die dritte Substratschicht (13) in einer Region außerhalb der Aussparung (6, 7) befestigt ist.
Sensorelement mit einem empfindlichen Sensorteil (2) an der Oberseite einer Substratschicht (11), wobei die Oberseite der Substratschicht (11) mit einer Aussparung (6) an dem Umriss des empfindlichen Sensorteils versehen ist, wobei die Aussparung (6) durch mindestens ein Brückenteil (9) unterbrochen ist und wobei das Brückenteil (9) zwei einander gegenüberliegende Teile (9, 9a) umfasst.
Sensorelement mit einem empfindlichen Sensorteil (2) an der Oberseite einer Substratschicht (11), wobei die Oberseite der Substratschicht (11) mit einer Aussparung (6) an dem Umriss des empfindlichen Sensorteils versehen ist, wobei die Aussparung (6) durch mindestens ein Brückenteil (9) unterbrochen ist und das Brückenteil (9) einen Winkel mit der Aussparung (6) bildet.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Aussparung (6) insgesamt mindestens drei Viertel des Umrisses des empfindlichen Sensorteils (2) auf der Oberseite einnimmt.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1–4, wobei das empfindliche Sensorteil (2) eine Membran umfasst.
Sensorelement nach Anspruch 5, wobei unter der Membran (2) ein Hohlraum (3) in der Substratschicht (11) vorgesehen ist.
Sensorelement nach Anspruch 6, wobei der Hohlraum (3) durch eine zweite Substratschicht (12) abgeschlossen ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei eine dritte Substratschicht (13) auf einer Unterseite der zweiten Substratschicht (12) vorgesehen ist, die Aussparung (6, 7) sich bis zu der Unterseite der zweiten Substratschicht (12) erstreckt, und die zweite Substratschicht (12) an die dritte Substratschicht (13) in einer Region außerhalb der Aussparung (6, 7) befestigt ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1, 4 bis 68, wobei die Aussparung (6) durch mindestens ein Brückenteil (9) unterbrochen ist.
Sensorelement nach Anspruch 3 oder 9, wobei das Brückenteil (9) zwei einander gegenüberliegende Teile (9, 9a) umfasst.
Sensorelement nach Anspruch 2, 9 oder 10, wobei das Brückenteil (9, 9a) einen Winkel mit der Aussparung (6) bildet.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Aussparung (6) eine Tiefe in einer Richtung senkrecht zur Oberseite der Substratschicht (11) aufweist, die größer ist als die Dicke des empfindlichen Sensorteils (2).
Sensorzusammenstellung, mindestens ein Sensorelement (1) und eine Umhüllung (21) aufweisend, wobei die Umhüllung (21) eine Öffnung (23) für ein exponiertes Sensorteil (2) des Sensorelements (1) aufweist, und wobei die Umhüllung (21) weiterhin mit einer Aussparung (22) am Umriss der Öffnung (23) versehen ist.
Sensorzusammenstellung nach Anspruch 13, wobei die Aussparung (22) insgesamt mindestens drei Viertel des Umrisses der Öffnung (23) umfasst.
Sensorzusammenstellung nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Sensorelement (1) auf einem Träger angeordnet ist und die Aussparung (22) bis zum Träger (20) reicht.
Sensorzusammenstellung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Aussparung (22, 24) auf beiden Seiten des Trägers (20) angebracht ist.
Sensorzusammenstellung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei das exponierte Sensorteil (2) des Sensorelements (1) mit einem Schutzmaterial (25) abgedeckt ist.