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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleitersensor.
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Stand der Technik
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Es
gibt eine ständig
zunehmende Nachfrage nach kleineren, präziseren, intelligenteren und
billigeren Sensorbauelementen in der Wissenschaft, in der Industrie
und im Verbraucherbereich. In den vergangenen Jahren haben sich
aufgrund des schnellen Fortschritts bei der Halbleiterprozesstechnologie
viele der Sensorbauelemente so gewandelt, dass sie integrierte Halbleitersensoren
sind. Aus diesen und anderen Gründen
besteht ein Bedarf an der vorliegenden Erfindung.
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Zusammenfassung
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Dementsprechend
wird ein Halbleitersensor bereitgestellt, der Folgendes umfasst:
einen Träger, der
eine erste Oberfläche
und eine zweite Oberfläche umfasst,
einen an der ersten Oberfläche
befestigten Sensorchip, Befestigungsmittel auf der zweiten Oberfläche und über dem
Sensorchip und dem Befestigungsmittel aufgebrachtes Formmaterial.
Dadurch kann Delamination des Formmaterials vom Träger verhindert
oder unterdrückt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Befestigungsmittel auf der zweiten Oberfläche in einem
ausgewählten
Gebiet der zweiten Oberfläche erzeugt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis der Bereiche des ausgewählten Gebiets
zu der gesamten zweiten Oberfläche
kleiner ist als die Hälfte.
Auf diese Weise kann Delamination gezielt in dem Bereich verursacht werden,
der nicht mit Befestigungsmitteln versehen ist. Dies kann die Wahrscheinlichkeit
einer Delamination in dem ausgewählten
Bereich des Metallträgers
reduzieren. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das Verhältnis des ausgewählten Gebiets
zu der gesamten zweiten Oberfläche
kleiner ist als ein Zehntel.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Befestigungsmittel eine in die zweite Oberfläche integrierte
Befestigungsstruktur. Dabei kann die Befestigungsstruktur mindestens
ein oder mehrere vorstehende Elemente, eine oder mehrere Öffnungen
und/oder ein oder mehrere verankernde Elemente umfassen. In einer
anderen Ausführungsform
kann das Befestigungsmittel eine Klebeschicht oder Kleber umfassen.
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Bevorzugt
ist es, wenn der Träger
aus Metall hergestellt ist. In diesem Fall kann der Träger ein
Metallträger
(Leadframe) sein.
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Bevorzugt
hat der Halbleitersensor eine größte Dicke
von weniger als 2 Millimeter in einer Richtung orthogonal zur ersten
Oberfläche.
Weiterhin kann die Fläche
des Sensorchips kleiner ist als 10 Quadratmillimeter sein. In diesem
Fall kann sich der Schutz des Sensorchips vor Delamination durch
die Befestigungsmittel besonders bemerkbar machen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann der Halbleitersensor mehrere durch das Formmaterial verlaufende
Zuleitungen aufweisen. In einer Ausführungsform ist der Halbleitersensor
ein THD (Through-Hole Device). In einer anderen Ausführungsform
ist der Halbleitersensor ein SIP-Bauelement (Single In-Line Package)
oder ein DIP-Bauelement (Dual In-Line Package).
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In
bevorzugten Ausführungsformen
umfasst der Sensorchip mindestens einen Magnetsensor, einen Drucksensor,
einen Beschleunigungssensor, ein Mikrofon, ein mikroelekt risch-mechanisches
System, einen Hall-Sensor, einen GMR-Sensor, einen Temperatursensor,
ein piezoresistives Sensorelement, ein Piezoübergangssensorelement und/oder
ein bewegliches Element. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Sensorchip
mindestens eine Stromquelle, einen Diffusionswiderstand vom p-Typ
und/oder einen Diffusionswiderstand vom n-Typ umfasst. Diese Komponenten
können
durch die Unterdrückung
der Delamination vor Parameterdrift geschützt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
beiliegenden Zeichnungen sind aufgenommen, um ein weiteres Verständnis der
vorliegenden Erfindung zu vermitteln, und sind in die vorliegende
Spezifikation aufgenommen und stellen einen Teil dieser dar. Die
Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung
der Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung und viele der damit einhergehenden Vorteile der vorliegenden Erfindung
lassen sich ohne weiteres würdigen,
wenn sie durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung besser verstanden
werden. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander nicht
notwendigerweise maßstabsgetreu.
Gleiche Bezugszahlen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
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Die 1A und 1B offenbaren
eine Ausführungsform
eines Halbleitersensors, der einen an einer ersten Oberfläche eines
Trägers
befestigten Sensorchip und Befestigungsmittel auf einer zweiten Oberfläche des
Trägers
umfasst, wobei der Sensorchip in ein Formmaterial eingeschlossen
ist.
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2 offenbart
Daten einer seitlichen mechanischen Beanspruchung auf einer Oberfläche eines
Sensorchips in Abhängigkeit
von dem Delaminationsgrad des Formmateri als von dem Träger.
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3A und 3B offenbaren
eine weitere Ausführungsform
eines Sensorchips, der einen mit Befestigungsmittel auf der zweiten
Oberfläche
an einem Träger
befestigten Sensorchip umfasst, wobei die Befestigungsmittel durch
ein Array aus Öffnungen realisiert
sind, die in den Träger
eingebracht sind.
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4A und 4B offenbaren
eine weitere Ausführungsform
eines Sensorchips, der einen mit Befestigungsmittel auf der zweiten
Oberfläche
an einem Träger
befestigten Sensorchip umfasst, wobei die Befestigungsmittel durch
ein Array aus Vorsprüngen
auf der zweiten Oberfläche
des Trägers
realisiert sind.
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5A und 5B offenbaren
eine weitere Ausführungsform
eines Sensorchips, der einen mit Befestigungsmittel auf der zweiten
Oberfläche
an einem Träger
befestigten Sensorchip umfasst, wobei die Befestigungsmittel durch
ein Array aus Vorsprüngen
auf der zweiten Oberfläche
des Trägers
realisiert sind und der Träger
das Chippad eines SIP-Metallträgers
(Single In-Line Pin) ist.
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6A und 6B offenbaren
eine weitere Ausführungsform
eines Sensorchips wie in 5A und 5B,
wobei die Befestigungsmittel durch eine einzelne Öffnung im
zentralen Gebiet der zweiten Oberfläche des Chippads realisiert
sind.
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7A und 7B offenbaren
eine weitere Ausführungsform
eines Sensorchips wie in 6A und 6B,
wobei die Befestigungsmittel durch ein einzelnes Durchgangsloch
durch den Chippad im zentralen Gebiet der zweiten Oberfläche des
Chippads realisiert sind.
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8A und 8B offenbaren
eine weitere Ausführungsform
eines Sensorchips wie in 6A und 6B,
wobei die Befestigungsmittel durch eine einzelne Verankerungsausnehmungsöffnung im
zentralen Gebiet der zweiten Oberfläche des Chippads realisiert
sind.
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9A und 9B offenbaren
eine weitere Ausführungsform
eines Sensorchips wie in 6A und 6B,
wobei die Befestigungsmittel durch ein einzelnes Verankerungsausnehmungsdurchgangsloch
im zentralen Gebiet der zweiten Oberfläche des Chippads realisiert
sind.
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10A und 10B offenbaren
eine weitere Ausführungsform
eines Sensorchips wie in 6A und 6B,
wobei die Befestigungsmittel durch einen einzelnen Vorsprung im
zentralen Gebiet der zweiten Oberfläche des Chippads realisiert
sind.
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11 offenbart
schematisch einen in einen Halbleiterchip integrierten Temperatursensor
(Thermistor).
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12 offenbart
schematisch einen in einen Halbleiterchip integrierten ersten Hall-Sensor.
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13 offenbart
schematisch einen in einen Halbleiterchip integrierten weiteren
Hall-Sensor.
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Ausführliche Beschreibung
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Die 1A und 1B veranschaulichen schematisch
Querschnitte durch eine erste Ausführungsform eines Halbleitersensors 1 entlang
zweier orthogonaler Ebenen entlang der Achse AA'. Der Halbleitersensor 1 umfasst
einen Träger 10 mit
einer ersten Oberfläche 12 („Frontseitenoberfläche") und eine gegenüberliegende
zweite Oberfläche 14 („Rückseitenoberfläche"). Der Träger 10 kann
aus Metall, aus isolierendem Material (zum Beispiel eine Keramik
oder ein Laminat) hergestellt sein, wobei das Chippad eines Systemsträgers eine
oder mehrere Zuleitungen 24 aufweist, oder irgendeine andere Struktur,
die einen Sensorchip tragen kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform
ist der Träger 10 ein Keramiksubstrat
mit vier äußeren Verbindungen,
die durch vier Leitungen 23 realisiert sind, die auf dem Keramiksubstrat 10 angeordnet
sind. In 1B sind Leitungen 23 und
Sensorchip 16 als gestrichelte Linien gezeigt, da sie außerhalb
der Querschnittsebene von 1B liegen.
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Die 1A und 1b offenbaren
weiterhin einen Sensorchip 16, der mit Hilfe einer elektrisch isolierenden
Klebeschicht 22 an der ersten Oberfläche 12 des Keramiksubstrats 10 befestigt
ist. Je nach der Art von Träger,
der Art von Sensorchip und der Anwendung kann der Sensorchip 16 jedoch
auch durch andere Mittel befestigt werden, zum Beispiel durch eine
elektrisch leitende Klebeschicht, Bandagierung, Löten oder
durch Schweißen.
Weiterhin ist in 1A und 1B der
Sensorchip 16 mit Hilfe von Bonddrähten 26 elektrisch
mit den Leitungen 23 verbunden. Der Sensorchip kann jedoch
auch elektrisch mit dem Träger
in einer Flip-Chip-Formation über
Lötkugeln
oder Löthöcker oder
auf irgendeine angemessene Weise verbunden sein.
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Die 1A und 1B zeigen
weiterhin Befestigungsmittel 18 auf der zweiten Oberfläche 14 des
Trägers
und auf dem Sensorchip 16 aufgebrachtes Formmaterial 20 und
die Befestigungsmittel 18. Allgemein bedeckt das Formmaterial 20 den
Sensorchip 16 hermetisch, um den Sensorchip 16 gegenüber physikalischer
oder chemischer Zerstörung
durch die Außenumgebung
zu schützen
(verkratzen, Feuchtigkeit, chemische Verunreinigung und so weiter).
Es ist jedoch möglich,
dass das Formmaterial 20 den Sensorchip 16 nur
teilweise bedeckt. Beispielsweise kann zum Messen von Umweltparametern
wie Druck, elektromagnetische Strahlung oder Temperatur das Formmaterial
so strukturiert sein, dass für
ein Fenster gesorgt wird, um das empfindliche Gebiet eines Sensorchips
gegenüber
der Außenseite
freizulegen. In der Regel ist das Formmaterial 20 zu einer gewissen
Standard gestalt ausgeformt, um durch standardmäßige Montagegeräte transportiert
und an einer PCB montiert zu werden. Bei dem Formmaterial 18 kann
es sich um ein beliebiges Polymer oder irgendein anderes Kunststoffmaterial
handeln, das geformt werden kann, um den Sensorchip 16 und
den Träger 10 einzuschließen.
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Befestigungsmittel 18 dienen
dazu, für
eine bessere Befestigung des Formmaterials 20 an der zweiten
Oberfläche 14 des
Trägers 10 zu
sorgen. Befestigungsmittel können
beliebige Mittel sein, die eine verbesserte Befestigung des Formmaterials 20 an der
zweiten Oberfläche 14 im
Vergleich zu einer Befestigung ohne die Befestigungsmittel bereitstellen. Beispielsweise
können
Befestigungsmittel 18 realisiert werden, indem eine Oberflächenstruktur
in die zweite Oberfläche 14 eingebracht
wird, die den effektiven Flächeninhalt
vergrößert, damit
man eine bessere Haftung erhält.
Dies kann zum Beispiel durch chemisches oder mechanisches Aufrauen
oder Stanzen der zweiten Oberfläche 14 erzielt
werden. Weiterhin kann die Befestigungsstruktur 18 auf
eine Weise strukturiert sein, die eine mechanische Eingriffnahme
oder Verankerung des Formmaterials 20 mit dem Träger 14 ergibt.
Beispielsweise kann der Träger
auf seiner zweiten Oberfläche 14 Hillocks, Öffnungen
oder Durchgangslöcher
durch den Träger aufweisen,
die das Formmaterial 20 in Eingriff nehmen. Alternativ
oder zusätzlich
kann es möglich
sein, die Befestigungsmittel 18 durch chemische Haftung zu
realisieren, zum Beispiel durch Aufbringen von Kleber, einer Klebeschicht
oder Band auf der zweiten Oberfläche 14,
was die Haftung des Formmaterials 20 an dem Träger 10 verbessert.
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Wie
es sich herausstellt, kann die Verwendung von Befestigungsmitteln 18 auf
der zweiten Oberfläche 14 des
Trägers 10 dazu
beitragen, Sensorleistungsverschiebungen im Laufe der Zeit zu verringern.
Wie sich herausgestellt hat, kann eine Delamination von Formmaterial 20 von
der Rückseitenoberfläche 14,
die im Laufe der Zeit fortschreitet, die seitliche mechanische Beanspruchung
auf die aktive Oberfläche
des Sensorchips verändern.
Die seitliche mechanische Beanspruchung auf das aktive Gebiet 17 des
Sensorchips 16 wiederum ändert die Arbeitsparameter,
was bewirkt, dass sich die Sensorleistung im Laufe der Zeit verschiebt.
Da eine fortschreitende Delamination nicht gemessen oder kompensiert
werden kann, führt
die Leistungsverschiebung insgesamt zu einer Verschlechterung der
Messleistung.
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Zu
Beispielen für
Halbleitersensoren, deren Leistungen unter der Verschiebung der
seitlichen Beanspruchungsverschiebung auf den Chipoberflächen leiden,
sind der in 11 gezeigte Temperatursensor und
die in 12 und 13 gezeigten
Hall-Sensoren.
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11 zeigt
einen integrierten Widerstand 52, der in einen Halbleiterchip 16 integriert
ist. Der Halbleiterchip 16 kann aus Silizium, Germanium
oder einem Verbindungsmaterial wie etwa GaAs oder irgendeiner anderen
III-V-Halbleiterverbindung hergestellt sein. Der integrierte Widerstand 52 kann
gemäß standardmäßigen Halbleiterherstellungsprozessen hergestellt
sein, beispielsweise durch Implantierung oder durch Diffusion von
Material vom p-Typ oder n-Typ in den Chip oder Wafer. In dem vorliegenden Fall
wird der integrierte Widerstand 52 hergestellt, indem ein
Gebiet des Siliziumchips 16 selektiv mit Neutronen dotiert
wird, die einen Teil der Siliziumatome zu Phosphor umwandeln. Es
ist bekannt, dass mit Neutronen dotiertes Silizium einen Widerstand
R liefert, der eine stark reproduzierbare Temperaturabhängigkeit
liefert.
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11 offenbart
weiterhin, dass nach der Herstellung des integrierten Widerstands 52 ein Ende
des integrierten Widerstands mit einem ersten Port einer Stromquelle 50 über eine
erste Leitung 54 verbunden wird und das andere Ende des
integrierten Widerstands über
eine zweite Leitung 56 mit einem zweiten Port der Stromquel le 50 verbunden wird.
Die Stromquelle 50 kann vor, während oder nach der Herstellung
des integrierten Widerstands 52 hergestellt werden. Man
beachte, dass die Stromquelle 50 einen oder mehrere integrierte
Widerstände
(nicht gezeigt) umfassen kann, die von dem gleichen Typ wie der
integrierte Widerstand 52 sind.
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Die
Temperaturmessung des Temperatursensors von 11 basiert
auf dem Effekt, dass die Widerstandswerte von integrierten Widerständen von der
Temperatur abhängen.
Mit einem von der Stromquelle 50 angesteuerten konstanten
Strom I wird dementsprechend eine Ausgangsspannung U an dem Widerstand
erzeugt, der über
das Ohmsche Gesetz die Temperatur wiedergibt: U(T)
= R(T) × I.
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Wie
in 11 jedoch angegeben, kann der Widerstandswert
R(T) des integrierten Widerstands auch von der seitlichen Beanspruchung σ auf der Oberfläche des
Widerstands abhängen,
zum Beispiel auf der Chipoberfläche.
Für eine
gegebene Temperatur T kann die Abhängigkeit des Widerstandswerts gegeben
sein durch: R(σ)
= R0(1 + P × σ),wobei:
- R0
- für den Widerstandswert ohne
externe Beanspruchung steht;
- P
- für den piezoresistiven Koeffizienten
eines gegebenen Widerstandsmaterials steht und
- σ
- für die seitliche mechanische
Beanspruchung steht.
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Ohne
eine Kontrolle der seitlichen Beanspruchung innerhalb des integrierten
Widerstands sind Temperaturmessungen mit dem Temperatursensor von 11 möglicherweise
nicht reproduzierbar.
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12 veranschaulicht
schematisch einen Hall-Sensor, der ein weiterer Halbleitersensortyp
ist, dessen Leistung unter einer Verschiebung der seitlichen Beanspruchung
auf der Chipoberfläche
leiden kann. In 12 ist eine Hall-Platte 62 innerhalb
der (100)-Ebene oder der (111)-Ebene in einem monokristallinen Siliziumchip 16 integriert.
Alternativ kann die Hall-Platte 62 auch aus GaAs oder irgendeinem anderen
Halbleitermaterial hergestellt sein. Die Herstellung einer Hall-Platte kann in standardmäßigen Verfahren
erfolgen. In dem vorliegenden Fall wird die Hall-Platte 62 dadurch
ausgebildet, dass Material vom n-Typ in ein quadratisches Gebiet
auf der Oberfläche
des Siliziumsubstrats 16 implantiert wird. Weiterhin werden
elektrische Kontakte A, B, C und D auf dem Implantierungsgebiet
ausgebildet, um verbindende Kontakte A und C zur Stromquelle 60 über jeweilige
erste und zweite Leitungen 64a, 64b zu gestatten
und zum Verbinden von Kontakten B und D mit jeweiligen dritten und
vierten Leitungen 66a, 66b. Die Stromquelle 60 kann
von dem gleichen Typ wie die in 11 gezeigte
sein. Die Stromquelle 60 soll einen konstanten Strom I
von Kontakt A zu Kontakt C durch die Hall-Platte 62 ansteuern.
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Wie
wohl bekannt ist, können
Hall-Sensoren die Stärke
m eines Magnetfeldes messen, das vertikal durch die Hall-Platte 62 verläuft, indem
eine Ausgangsspannung U(m) gemessen wird, die die Kraft wiedergibt,
mit der ein gegebener Strom I durch das Magnetfeld „gebogen" wird. Allgemein
ist die Ausgangsspannung U(m) gegeben durch: U(m)
= RH/d × I × m × G,wobei
- m
- die magnetische Stärke in einer
Richtung vertikal zur Hall-Platte ist;
- RH
- die Hall-Konstante
ist;
- d
- die Dicke der Hall-Platte
ist;
- I
- ein konstanter Strom
ist, der durch die Hall-Platte verläuft; und
- G
- ein geometrischer
Faktor zwischen 0 und 1 ist zum Justieren zu einer gegebenen geometrischen
Gestalt der Hall-Platte.
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Weiterhin
ist die Empfindlichkeit S eines Hall-Sensors für ein Magnetfeld gegeben durch: S(T, σ):
= U/(I × m)
= S(T, 0) (1 + P × σ),wobei
- S(T, 0)
- die Empfindlichkeit
bei keiner seitlichen Beanspruchung bei einer gegebenen Temperatur
ist;
- P
- der Piezo-Hall-Koeffizient
ist und
- σ
- die seitliche Beanspruchung
auf der Oberfläche
der Hall-Platte ist.
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Wieder
zeigt die obige Gleichung, dass ohne eine Kontrolle der seitlichen
Beanspruchung auf der Hall-Platte die Empfindlichkeit des Hall-Sensors
von 12 möglicherweise
nicht reproduziert werden kann.
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Es
ist anzumerken, dass der Hall-Sensor von 12 ein
Aufbau ist, der eine Genauigkeit bei den Magnetfeldmessungen von
lediglich einigen wenigen Milli-Tesla gestattet. Die begrenzte Präzision ist
auf die Tatsache zurückzuführen, dass
das durch ein Magnetfeld induzierte Signal des Hall-Sensors im Vergleich
zu einer Offsetspannung über
dem Signal klein ist, und das ist auf Kristalldefekte innerhalb
der Hall-Platte, auf eine Temperaturänderung und auf eine mechanische
Beanspruchung zurückzuführen.
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In
der Zwischenzeit sind mehrere Designoptionen zum Unterdrücken der
Offsetspannung entwickelt worden. Eine bekannte Designoption ist
der „Spinning
Current"-Hall-Sensor, der die Offsetspannung
kompensiert durch Drehen des Stroms I innerhalb der Hall-Platte.
Dies ist schematisch in 13 gezeigt,
wo eine erste Schalteinheit 78 (in 13 nicht
gezeigte) interne Schalter verwendet, um die elektrischen Kontaktpaare
A und C, B und D, C und A und D und B der Hall-Platte 72 perio disch
nacheinander über
die jeweilige erste, zweite, dritte und vierte Leitung 74a, 74b, 74c, 74d mit
der Stromquelle 70 zu verbinden. Jedes Schalten von einem
Kontaktpaar zum nächsten
Kontaktpaar stellt eine Änderung der
Stromrichtung um 90 Grad im Uhrzeigersinn dar. Gleichzeitig justiert
die zweite Schalteinheit 80 ihre Schalter (in 13 nicht
gezeigt), um für
jedes mit der Stromquelle 70 verbundene Kontaktpaar die
jeweiligen übrigen
anderen Kontaktpaare mit einem Analog-Digital-Umsetzer 82 (ADU) zu
verbinden. Indem magnetische Messungen für jede Stromrichtung ermittelt
werden und der Mittelwert genommen wird, kann die Offsetspannung
zu einem derartig hohen Grad aufgehoben werden, dass das verbleibende magnetische
Signal mit einer Präzision
von weniger als 2% über
einen Temperaturbereich zwischen –50 und 150 Grad Celsius gemessen
werden kann. Der Restfehler der Messung des Magnetfelds ist hauptsächlich auf
den Piezo-Hall-Effekt zurückzuführen, wie
oben erläutert.
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Man
beachte, dass das System von 13 vollständig auf
einem Chip integriert sein kann. Beispielsweise können mit
dem auf einem Siliziumchip integrierten Hallsensor die Schalteinheiten 78, 80 und
der ADU 82 über
Standard-CMOS-Technologie hergestellt werden.
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Es
ist zu erwähnen,
dass der piezoresistive Effekt auch die Leistung anderer Arten von
Sensoren beeinflusst. Beispielsweise kann der piezoresistive Effekt
die Leistung von Drucksensoren, Beschleunigungssensoren oder Halbleitermikrofonen
beeinflussen, wo die Schwingung der Membran oder des Kragarms durch
eine Messung des Widerstandswerts bestimmt wird, der von der Schwingungsamplitude
der Membran oder des Kragarms abhängt.
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Weiterhin
beeinflusst eine sich ändernde seitliche
Beanspruchung auch die Sensorchipleistung auf andere Weise als über den
piezoresistiven Effekt. Beispielsweise können Änderungen der Beanspruchung
in integrierten Fo todioden oder integrierten Fotodiodenarrays, CCDs
und so weiter die Empfindlichkeit für die Lichtdetektion aufgrund
von Änderungen
der Leckströme
in dem Fotodiodengebiet, die aufgrund einfallenden Lichts über dem
Signal liegen, beeinflussen.
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Die 1A und 1B offenbaren
weiterhin, dass die Befestigungsmittel 18 nicht gleichmäßig über die
volle Rückseitenoberfläche 14 verteilt
sind, sondern nur in einem ausgewählten Gebiet. Während es
in vielen Fällen
möglicherweise
ausreicht, dass die Befestigungsmittel 18 gleichmäßig über die ganze
Rückseitenoberfläche 14 verteilt
sind, hat sich herausgestellt, dass es in anderen Fällen vorteilhaft ist,
die Befestigungsmittel 18 selektiv auf der Rückseitenoberfläche anzuordnen.
Insbesondere stellt es sich heraus, dass es vorteilhaft ist, die
Befestigungsmittel 18 in einem Gebiet der Rückseitenoberfläche 14 des
Trägers 10 anzuordnen,
das innerhalb des seitlichen Bereichs des Trägers 10 und des Sensorchips 16 liegt,
wie in 1B gezeigt. Wie sich herausstellt,
wird durch das Anordnen der Befestigungsmittel 18 in dem
zentralen Gebiet des Rückseitengebiets 14 sichergestellt,
dass eine etwaige Delamination an der Rückseitenoberfläche 14,
falls sie im Laufe der Lebensdauer des Bauelements auftreten sollte,
zuerst in dem äußeren Gebiet
der Grenzfläche zwischen
Formmaterial 20 und Träger 10 eintritt.
Wie sich herausgestellt hat, bewirkt eine an dem äußeren Gebiet
beginnende Delamination, dass sich die mechanische seitliche Beanspruchung
auf dem Sensorchip 16 mit einer langsameren Rate ändert, als
eine Delamination, die von dem zentralen Gebiet der Rückseitenoberfläche 14 ausgeht.
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Die
Verbesserung durch ein selektives Aufbringen von Befestigungsmitteln 18 auf
der Rückseitenoberfläche 14 eines
Trägers
konnte in einer Simulation verifiziert werden, deren Ergebnisse
in 2 zusammengefasst sind. 2 zeigt
ein Diagramm, wo die horizontale Achse den Anteil des Rückseitenoberflächengebiets
eines Kupferträgers
angibt, der von dem Formmaterial delaminiert wird (als Prozentsatz
angegeben), und die vertikale Achse die jeweilige seitliche Beanspruchung
nahe an der aktiven Oberfläche 17 des
Siliziumsensors 16 angibt (in MPa angegeben). Das Diagramm
zeigt weiterhin zwei verschiedene Kurven. Kurve 1 (mit
Rauten bezeichnet) entspricht einer Simulation, wo die Delamination
von der Mitte der Rückseitenoberfläche zur
Außenseite fortschreitet,
während
Kurve 2 (mit Quadraten bezeichnet) einer Simulation entspricht,
wo die Delamination von der Außenseite
zur Mitte der Rückseitenoberfläche des
Trägers
fortschreitet. Die Ergebnisse zeigen an, dass für einen Delaminationsanteil
kleiner als 90% die seitliche Beanspruchung auf der Siliziumsensoroberfläche weniger
schnell zunimmt, wenn die Delamination auf der Rückseitenoberfläche von der
Außenseite
zur Innenseite fortschreitet, als bei einer Delamination von der
Innenseite zur Außenseite. Natürlich wird
die seitliche Beanspruchung, wie in 2 gezeigt,
wenn die Delamination 100% beträgt, für beide
Kurven die gleiche sein, da es unwesentlich ist, ob die 100%ige
Delamination durch Delamination von der Innenseite zur Außenseite
oder von der Außenseite
zur Innenseite erhalten wurde.
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3A und 3B offenbaren
Querschnitte durch eine weitere Ausführungsform eines geformten Halbleitersensors 100,
der einen Halbleiterchip 16 mit einem aktiven Gebiet 17 und
einen aus einem Metall, zum Beispiel Kupfer, hergestellten herkömmlichen
Metallträger 130 umfasst,
an dem der Sensorchip 16 durch eine isolierende Klebeschicht 22 befestigt
ist. Der Metallträger
besteht aus einem Chippad 110 („Träger"), der den Sensorchip 16 trägt, und äußeren Verbindungen,
die durch sechs Zuleitungen 123 realisiert sind, die integral
mit dem Chippad 110 integriert sein können oder nicht. In dieser
und der folgenden Metallträgerausführungsform
ist es das Chippad des Systemsträgers,
das als der Träger 110 des
Sensorchips angesehen wird. Im vorliegenden Fall ist nur eine der
sechs Zuleitungen 123 integral mit dem Chippad 110 verbunden,
während
die anderen separat sind. Die 3A und 3B zeigen auch
zwei der Bonddrähte 26,
die elektrische Verbindungen zwischen den Zuleitungen 24 und
dem aktiven Gebiet 17 des Sensorchips 16 herstellen.
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Die 3A und 3B offenbaren
auch Formmaterial 20, das den Sensorchip 16 und
teilweise den Metallträger 130 hermetisch
umgibt. Es sind nur die sechs Zuleitungen 123, die durch
das Formmaterial 20 verlaufen. Das Formmaterial 20 wird üblicherweise
in einem Transferformprozess aufgebracht, bei dem der Metallträger 130 mit
dem Sensorchip 16 und den Bonddrähten 26 in ein Werkzeug eingelegt
und nach dem Schließen
des Werkzeugs mit heißem
flüssigen
Formmaterial bedeckt wird, das in das Werkzeug gepumpt wird, bis
das innere Volumen des Werkzeugvolumens vollständig gefüllt ist. Während des Abkühlens verfestigt
sich das Formmaterial dann bei einer gewissen Temperatur, die von der
Art des Formmaterials abhängt.
Formmaterial besteht in der Regel aus einem Epoxid oder einem Epoxidharz
mit einem Füllgehalt,
zum Beispiel Siliziumoxidteilchen, das eingeführt wird, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten
(CTE) des Epoxids herabzusetzen. Für ein solches Formmaterial
findet die Verfestigung bei etwa 170°C bis 200°C statt. Nach dem Abkühlen des
Formmaterials auf Raumtemperatur wird der Halbleitersensor aus dem
Werkzeug herausgenommen. Danach werden die Zuleitungen auf vorbestimmte
Weisen gebogen, entsprechend gewissen Geometriestandards, die für den Durchgangslochlötprozess
verwendet werden.
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Man
beachte, dass in 3A und 3B die
Befestigungsmittel 18 auf der Rückseitenoberfläche 14 des
Chippads 110 durch ein Array von Öffnungen 132 realisiert
sind. Wegen des Formprozesses werden die Öffnungen 132 mit dem
Formmaterial 20 bedeckt und gefüllt. Auf diese Weise ist wegen
der vergrößerten effektiven Oberfläche und
wegen einer Eingriffnahme des Formmaterials innerhalb der Öffnungen
das Formmaterial 20 besser an dem Träger in dem Gebiet angebracht,
wo sich das Array von Öffnungen 132 befindet,
als in einem Gebiet ohne die Öffnungen.
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Es
sei weiterhin angemerkt, dass das Gehäuse des Halbleitersensors 100 dem
Standard eines THD (Through-Hole Device – durchsteckmontierbares Bauelement)
entspricht. THDs werden an einer PCB montiert, indem die Zuleitungen
des Bauelements durch die PCB-Löcher
von einer Seite der PCB zur anderen geführt werden und etwas Lot auf die
Zuleitungen auf der anderen Seite aufgetragen wird. Ein Vorteil
von THDs gegenüber
oberflächenmontierten
Bauelementen (SMD) besteht darin, dass die Zuleitungen vergleichsweise
lang sind, zum Beispiel länger
als 10 mm, und dass während
der Montage des Bauelements auf eine PCB das Bauelement nur lokal
am distalen Ende der Zuleitungen 132 auf der gegenüberliegenden
Seite der PCB erhitzt wird. Dies minimiert die Wärmeübertragung auf das Chippad 110 und
das Formmaterial 120 und reduziert dementsprechend die
Gefahr einer Delamination des Formmaterials 20 von dem
Chippad 110 während des
Lötprozesses.
Deshalb ist ein mit Befestigungsmitteln auf seiner Rückseite
befestigter und mit Durchgangslöchern
verbundener Sensorchip besonders beständig gegenüber Delamination und eine etwaige
durch die Delamination verursachte Leistungsverschiebung.
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Es
sei ebenfalls angemerkt, dass der Halbleitersensor 100 auch
mit dem Standard eines DIP-Gehäuses
(Dual In-Line Pin) mit sechs in zwei parallelen Linien angeordneten
Zuleitungen 24 entspricht. Der Abstand zwischen benachbarten
Zuleitungen beträgt in
der Regel 2,54 mm. Ein derartiges Gehäuse wird für kleine Halbleiterchips mit
nur wenigen Eingangs-/Ausgangspins verwendet. Beispielsweise kann
der Sensorchip 16 des Sensorchips 16 eine Chipfläche von
nur 20 mm2, 10 mm2 oder
weniger aufweisen. Gehäuse
mit einer derartig kleinen Chipgröße leiden üblicherweise weniger unter
Delamination als Halbleitersensoren, die eine große Chipgröße aufweisen
und die ein großes
Array von Eingangs-/Ausgangspins
erfordern, zum Beispiel ein Ball-Grid-Array. Weiterhin sei anzumerken, dass zwar
die Anzahl der Eingangs-/Ausgangspins eines Ball-Grid-Arrays üblicherweise
signifikant größer ist als
die Anzahl von Zuleitungen eines DIP, die Anzahl der Zuleitungen
eines DIP durchaus von 4 bis 32 und mehr variieren kann.
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Die 4A und 4B offenbaren
Querschnitte durch eine weitere Ausführungsform eines geformten
Halbleitersensors 200 entlang zweier orthogonaler Ebenen,
die entlang der Achse AA' verlaufen.
Die Ausführungsform
des Halbleitersensors 200 ist im Wesentlichen die gleiche
wie von 3A und 3B. Anders
jedoch als in 3A und 3B werden
die Befestigungsmittel 18 in 4A und 4B durch
ein Array von Vorsprüngen 232 realisiert,
die das Formmaterial 20 in Eingriff nehmen. Die Vorsprünge 232 können von
jeder Gestalt sein, zum Beispiel können sie zylinderförmig, kugelförmig, rotationssymmetrisch,
oval, dreieckig, quadratisch oder rechteckig und so weiter sein.
Die Gestalt der Vorsprünge
kann von der Weise abhängen,
wie sie hergestellt werden. Wenn die Vorsprünge 232 beispielsweise
durch einen Ätzprozess
selektiv zu einer Maske ausgebildet werden, können die Vorsprünge die
gleiche Höhe
und eine Struktur aufweisen, die durch die Struktur einer Maske
definiert ist. Wenn jedoch beispielsweise die Vorsprünge durch
Anordnen mehrerer Lötmaterialklumpen
auf der Rückseitenoberfläche 14 ausgebildet
werden, die später
erhitzt werden, um wieder aufzuschmelzen, wird die Gestalt der Vorsprünge wie
ein Lothügel
sein.
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Die 5A und 5B offenbaren
Querschnitte durch eine weitere Ausführungsform eines geformten
Halbleitersensors 300, der im Wesentlichen der gleiche
wie der von 4A und 4B ist. Anders
als bei den 4A und 4B entspricht
jedoch der Metallträger 330 dem
Standard eines SIP-Gehäuses
(Single In-Line Pin), wobei die Durchgangslochzuleitungen 323 innerhalb
einer Linie ausgerichtet sind. Dieses Gehäuse ist auch als PSSO (Plastic
Single Small Outline) bekannt. Bei der vorliegenden Ausführungsform
weist das Gehäuse
drei Zuleitungen auf. Der Standard gestattet jedoch auch mehr als
drei Zuleitungen. Weiterhin ist eine der Zuleitungen 323 integral
mit dem Chippad 310 verbunden, während die anderen Zuleitungen über Bonddrähte 26 mit
dem Sensorchip 16 verbunden sind. Viele Magnetsensoren,
zum Beispiel Hall-Sensoren, sind auf diese Weise gekapselt. Eine
Zuleitung kann Massepotenzial zugeordnet sein, die zweite Zuleitung
kann einer Versorgungsspannung zugeordnet sein, und die dritte Zuleitung
kann dem Ausgangssignal zugeordnet sein. Die Chipgröße solcher
Sensoren kann kleiner sein als die Chips in 4A und 4B.
Beispielsweise kann die Chipgröße kleiner sein
als 10 mm2. Dabei kann die Dicke D des Formmaterialgehäuses in
einer Richtung orthogonal zur Rückseitenoberfläche 14 auf
eine Größe kleiner
als 2 mm reduziert sein. Auf diese Weise können die Sensoren in kleinere
Luftspalte zwischen Magnetpolen passen, damit sie einem stärkeren Magnetfeld
ausgesetzt werden können.
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Die 6A und 6B offenbaren
Querschnitte durch eine weitere Ausführungsform eines geformten
Halbleitersensors 400, der im Wesentlichen der gleiche
wie der von 5A und 5B ist. Anders
als bei den 5A und 5B jedoch
befinden sich die Befestigungsmittel 18, d. h. die eine Öffnung 432 auf
der Rückseitenoberfläche 14 des
Chippads 410 des Metallträgers 430, nur in der
Mitte des Chippads 410 und des Sensorchips 16,
während
ein signifikanter Bereich am äußeren Gebiet
der Rückseitenoberfläche 14 ohne
jegliche Befestigungsmittel bleibt. Bei der vorliegenden Ausführungsform
ist die Fläche
des Rückseitenoberflächenbereichs,
der ohne Befestigungsmittel ist, um mehr als das Vierfache größer als
die Fläche,
die von Befestigungsmitteln 18 bedeckt wird, d. h. die
eine Öffnung 432.
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Die
eine Öffnung 432 kann
durch eine selektive Ätzung
halb durch das Chippad 410 („Halbätzung") oder durch Stanzen, Bohren oder irgendein anderes
angemessenes Verfahren ausgebildet werden. Es braucht nicht erwähnt zu werden,
dass die Öffnung 432 natürlich nicht
kreisförmig
zu sein braucht, sondern auch rechteckig, quadratisch, oval sein
oder irgendeine andere willkürliche
Gestalt aufweisen kann.
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Die 7A und 7B offenbaren
Querschnitte durch eine weitere Ausführungsform eines geformten
Halbleitersensors 500, der im Wesentlichen der gleiche
wie der von 6A und 6B ist. Anders
als bei den 6A und 6B jedoch
ist die Öffnung 532 im
Chippad 510 des Metallträgers 530 ein Durchgangsloch
durch das Chippad. Dies hat mehrere Vorteile, da (a) das Durchgangsloch
in einem Schritt mit den Zuleitungen 524 und dem Chippad 510 geätzt, gestanzt
oder strukturiert werden kann; und (b) das Durchgangsloch 532 eine
bessere Eingriffnahme des Formmaterials 20 mit dem Chippad 510 aufgrund
der größeren Tiefe
des Durchgangslochs liefert.
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Die 8A und 8B offenbaren
Querschnitte durch eine weitere Ausführungsform eines geformten
Halbleitersensors 600, der im Wesentlichen der gleiche
wie der von 7A und 7B ist. Anders
als in den 7A und 7B jedoch
besitzt die Öffnung 632 im
Chippad 610 des Metallträgers 630 eine verankernde
Ausnehmungsstruktur, die verhindert, dass Formmaterial 20 innerhalb
der Öffnung 632 entfernt
werden kann, ohne dass das Formmaterialgehäuse aufgebrochen wird. Die
verankernde Ausnehmungsstruktur der Öffnung 632 liefert
eine enge Eingriffnahme des Formmaterials 20 an der Rückseitenoberfläche 14 im
zentralen Gebiet des Chippads. Dementsprechend wird eine Delamination auf
der Rückseitenoberfläche 14 im
zentralen Gebiet des Chippads stark unterdrückt. Wiederum gibt es viele
Wege, um in einem Chippad verankernde Ausnehmungsstrukturen herzustellen.
Ein Ansatz besteht darin, die Ränder
einer Öffnung
derart mit einem Stanzer zu stanzen, dass die Ränder der Öffnung derart nach innen gebogen
werden, dass die Mündung
der Öffnung
komprimiert ist.
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Ein
weiteres Verfahren zum Herstellen einer Öffnung mit einer verankernden
Ausnehmungsstruktur ist in dem Sensorchipbauelement 700 der 9A und 9B offenbart.
Das Sensorchipbauelement 700 ist im Wesentlichen das gleiche
wie das in 8A und 8B gezeigte.
Anders als das Sensorchipbauelement in 8A und 8B jedoch wurde
die Öffnung 732 mit
der verankernden Ausnehmungsstruktur im Chippad 710 des
Metallträgers 730 durch
eine erste Ätzung
erhalten, die die Rückseitenoberfläche 14 mit
einem kleinen ersten Querschnitt 734 öffnet, und einer zweiten Ätzung, um
die gegenüberliegende
erste Oberfläche 12 mit
einem größeren zweiten
Querschnitt 736 zu öffnen,
bis ein Durchgangsloch erhalten worden ist. Nach dem Montieren des
Sensorchips 16 auf der ersten Oberfläche 12 ist eine verankernde
Ausnehmungsöffnung 732 erhalten
worden, die mit dem Formmaterial gefüllt werden kann, um das Formmaterial 20 selbst
dann an der Rückseitenoberfläche 14 befestigt
zu halten, wenn auf das Gehäuse
hohe Verformungskräfte
wirken.
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Die 10A und 10B offenbaren
Querschnitte durch eine weitere Ausführungsform eines geformten
Halbleitersensors 800, die im Wesentlichen die gleichen
wie jene von 6A und 6B bis 9A und 9B sind.
Anstatt jedoch eine Öffnung
als Befestigungsmittel zu haben, sind die Befestigungsmittel 18 des
Halbleitersensors 800 als ein einzelner Vorsprung 832 realisiert,
der mit der Rückseitenoberfläche 14 des
Chippads 810 des Systemsträgers 810 integral
ist und von dieser vorsteht. In den 10A und 10B ist der Vorsprung zylinderförmig und
in dem mittleren Gebiet der Rückseitenoberfläche 14 positioniert.
Der Vorsprung 832 in dem mittleren Gebiet dient dazu, (a)
das Formmaterial 20 mit der Rückseitenoberfläche 14 des
Chippads 810 zu einer besseren Befestigung in Eingriff
zu nehmen und (b) das Chippad 810 im mittleren Gebiet des Sensorchip 16 zu
versteifen, um eine seitliche mechanische Beanspruchung auf den
Sensorchip 16 aufgrund des Biegens des Chips zu verhindern,
was durch das Formmaterial 20 ausgeübte Kräfte verursacht wird. Natürlich ist
es wieder offensichtlich, dass die Zylinderform des Vorsprungs 832 nur
eine Option von vielen für
das Ausbilden des Vorsprungs ist. Die Form kann durchaus ein Block,
ein würfelähnlicher Quader,
rund, kugelförmig
oder eine segmentierte Struktur sein, je nach dem Herstellungsverfahren
und der Anwendung. Der Vorsprung ragt in der Regel um eine Strecke
vor, die dem Ein- oder
Zweifachen der Dicke des Chippads entspricht. Weiterhin kann die seitliche
Erstreckung des Vorsprungs 832 so gewählt werden, dass sie dem empfindlichsten
Gebiet des Sensorchips 16 entspricht, um das Minimieren
der Biegebeanspruchung in diesem Gebiet zu unterstützen.
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Wenngleich
hierin spezifische Ausführungsformen
dargestellt und beschrieben worden sind, versteht der Durchschnittsfachmann,
dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen
für die
gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen substituiert werden
können,
ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Wenngleich beispielsweise die Ausführungsformen Befestigungsmittel
zeigen, die ein großes
Array von Öffnungen
oder Vorsprüngen
für eine
Eingriffnahme zeigen, liegt es durchaus innerhalb des Fokus der
Erfindung, dass die Anzahl oder Größen der Löcher oder Vorsprünge größer oder
kleiner ist als die gezeigten Anzahlen und Größen. Weiterhin liegt es durchaus
innerhalb des Fokus der vorliegenden Erfindung, die verschiedenen
Wege, durch die die Befestigungsmittel realisiert werden, zu kombinieren.
Weiterhin liegt es durchaus innerhalb des Fokus der vorliegenden
Erfindung, dass die Befestigungsmittel auf andere Träger als
ein Chippad aufgebracht werden, wie etwa ein Keramiksubstrat, Kunststoff,
Glas oder dergleichen. Im Allgemeinen soll die vorliegende Anmeldung
alle Adaptationen oder Variationen der spezifischen Ausführungsformen,
die hierin erörtert
sind, abdecken. Deshalb soll die vorliegende Erfindung nur durch
die Ansprüche
und die Äquivalente
davon begrenzt werden.