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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche
Sensoranordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus
der Druckschrift
DE 102
05 127 A1 ein elektronisches Halbleiterbauteil mit einem
Halbleiterchip, der eine als Sensor- und/oder Aktoroberfläche
fungierende aktive Chipfläche auf einer aktiven Vorderseite
aufweist, die von einem erhabenen Metallrahmen eingefasst ist, bekannt,
wobei der Halbleiterchip mit seiner aktiven Vorderseite in Flip-Chip-Technik
auf einem Trägersubstrat angeordnet ist, wobei der Halbleiterchip
in ein Kunststoff-Gehäuse eingefasst wird und wobei das
Trägersubstrat vorzugsweise ein Keramik-Material umfasst.
Nachteilig an diesem Halbleiterbauteil ist, dass zur seitlichen
hermetischen Abdichtung der aktiven Chipfläche der Metallrahmen
vorgesehen ist, welcher auf der Chipfläche zusätzlich
hergestellt bzw. befestigt werden muss. Ferner weist der Metallrahmen
aufgrund seiner Ausbildung aus Metall eine von dem Halbleiterchip
und dem Keramik-Material verschiedenen thermischen Expansionskoeffizienten auf,
so dass besonders nachteilig zwischen dem Halbleiterchip und dem
Substrat thermomechanische Spannungen auftreten. Aus der Druckschrift
WO 2005/042 426 A2 ist
ferner eine Glaskeramik bekannt, welche anodisch mit Silizium gebondet
werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Sensoranordnung und das erfindungsgemäße
Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung gemäß den
nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem
Stand der Technik den Vorteil, dass das Sensorelement und das Substrat
in einem vergleichsweise kostengünstigen Verfahren sowohl
elektrisch leitfähig über den ersten Kontaktbereich,
als auch mechanisch über den zweiten Kontaktbereich in
nur einem einzigen Verfahrensschritt (entspricht dem zweiten Verfahrensschritt)
miteinander zu verbinden sind. Die Herstellungskosten werden somit
in erheblicher Weise gesenkt, da im Vergleich zum Stand der Technik
wenigstens ein zusätzlicher Herstellungsschritt, wie Herstellung
einer mechanischen Verbindung, Aufkleben des Metallrings, Verlöten
des Metallrings, etc., vollständig einsparbar ist. Zudem
wird die mechanische Belastbarkeit der mechanischen Verbindung zwischen
dem Substrat und dem Sensorelement erhöht, da zusätzlich
zur Verbindung in FlipChip-Technologie eine rein mechanische Fixierung
des Sensorelements gegenüber dem Substrat in Form des zweiten
Kontaktbereichs vorgesehen ist. Das Substrat umfasst ein keramisches
Material, so dass ein thermischer Expansionskoeffizient des Substrats ähnlich
dem thermischen Expansionskoeffizienten des Sensorelements ist,
wobei das Sensorelement Halbleitermaterial und insbesondere Silizium
umfasst. Die anodische Bondverbindung im zweiten Kontaktbereich
gewährleistet dabei in vorteilhafter Weise, dass im Bereich
der mechanischen Kontaktierung zwischen dem Substrat und dem Sensorelement
keine thermomechanischen Spannungen auftreten. Dies wird dadurch
erreicht, dass die anodische Bondverbindung kein zusätzliches
Bondmaterial benötigt, welches zwangsläufig zusätzliche
thermische Expansionskoeffizienten aufweisen würde. Vielmehr
weist die anodische Bondverbindung insbesondere einen thermischen
Expansionskoeffizienten auf, welcher im Wesentlichen mit dem thermischen
Expansionskoeffizienten des Sensorelements und mit dem thermischen
Expansionskoeffizienten des Substrats vergleichbar ist. Im Gegensatz
zum Stand der Technik wird somit eine vergleichsweise gute Anpassung
des thermischen Expansionskoeffizienten des Substrats an den thermischen
Expansionskoeffizienten des Sensorelements über den zweiten
Kontaktbereich erzielt, so dass die Gefahr von Beschädigungen
der Sensoranordnung, beispielsweise durch die Ablösung
des Sensorelements von dem Substrat, durch Rissbildungen im Kontaktbereich
oder durch Beschädigungen des Sensorelements, und/oder
die Beeinträchtigungen der Messgenauigkeit des Sensorelements,
beispielsweise durch Verwölbungen, mechanische Verzerrungen
oder Verkippungen des Sensorelements gegenüber dem Substrat,
wirksam unterbunden werden. Die erfindungsgemäße
Sensoranordnung weist somit im Vergleich zum Stand der Technik eine
höhere mechanische Stabilität, eine bessere Temperaturbeständigkeit
und eine höhere Messgenauigkeit auf. Eine Verbindung in
FlipChip-Technologie im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst
alle Arten von Verbindung zwischen zwei im Wesentlichen planparallelen
Kontaktierungsflächen (face-to-face), wobei vorzugsweise
Kügelchen aus leitfähigen Material (”Bumps”)
zwischen den zwei Kontaktierungsflächen angeordnet werden. Die
Kügelchen werden dabei vorzugsweise erhitzt und umfassen
insbesondere eine Lötpaste oder einen elektrisch leitfähigen
Kleber, welcher vorzugsweise isotrop oder anisotrop leitend vorgesehen
ist. Das, insbesondere mehrlagige, Substrat umfasst insbesondere
die Funktion einer konventionellen Leiterplatte und weist dazu eine
Mehrzahl von Leiterbahnen auf, welche parallel und/oder senkrecht
zur Haupterstreckungsebene voneinander benachbart und elektrisch
voneinander isoliert sind. Das Substrat weist zudem insbesondere
eine anodisch bondbare Glaskeramikoberschicht auf.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen,
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Sensorelement
eine Druckmembran aufweist, wobei bevorzugt im Bereich der Druckmembran
piezoresistive Elemente und/oder eine Kaverne mit einem Referenzdruck
angeordnet sind. Besonders vorteilhaft umfasst die Sensoranordnung
somit ein Sensorelement in Form eines Drucksensors, so dass die
Sensoranordnung zur Messung von Drücken nutzbar ist, wobei
die Auslenkung der Druckmembran senkrecht zur Haupterstreckungsebene
in Abhängigkeit eines zu messenden Drucks mittels der piezoresistiven
Element messbar ist. Aufgrund der Integration einer Kaverne in die
Druckmembran ermöglicht die Sensoranordnung besonders vorteilhaft
die Bestimmung eines Absolutdruckes in Abhängigkeit des
gemessenen Drucks und eines in der Kaverne eingeschlossenen bekannten Referenzdrucks.
Das Sensorelement wird vorzugsweise auf einer dem Substrat abgewandten
zweiten Seite mit dem Messmedium, welches de zu messenden Druck
aufweist, beaufschlagt. Die Kaverne wird vorzugsweise durch die
Erzeugung und Ätzung von porösen Schichten in
der Membran mittels APSM-Technologie erzeugt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der zweite
Kontaktbereich als wenigstens ein Bondring ausgebildet ist, wobei
bevorzugt die Projektion des wenigstens einen Bondrings senkrecht
zur Haupterstreckungsebene die Druckmembran umschließend
vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft umfasst der Bondring somit eine
Barriere für das Messmedium, so dass in vorteilhafter Weise
zwei Druckräume mittels des Bondrings voneinander trennbar
sind und/oder der erste Kontaktbereich, elektrische und/oder elektronische Schaltungen
von dem Messmedium isoliert und dadurch geschützt werden.
Eine Passivierung des ersten Kontaktbereichs, der elektrischen und/oder
elektronischen Schaltungen beispielsweise mittels eines Gels ist
somit vollständig einsparbar.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Sensorelement eine
Schaltung aufweist, welche auf einer dem Substrat senkrecht zur
Haupterstreckungsebene zugewandten ersten Seite des Sensorelements
angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist somit die Schaltung mittels
des ersten Kontaktbereichs direkt mit dem Substrat elektrisch leitfähig
zu verbinden, so dass die Schaltung ohne Verwendung von Durchkontaktierungen
oder vergleichsweise empfindlicher und aufwändig herzustellender
Bonddrahtverbindungen in Flip-Chip-Technolgie mit dem Substrat elektrisch
leitfähig zu verbinden ist. Die Schaltung ist dadurch über die
Leiterbahnen des Substrats kontaktierbar und insbesondere ansteuerbar
und/oder auslesbar. Bei einer Druckbeaufschlagung des Sensorelements
mit dem Messmedium auf der zweiten Seite wird die Schaltung durch
das Sensorelement und insbesondere durch den Bondring vor dem Messmedium
isoliert und somit geschützt. Das Sensorelement weist auf
der zweiten Seite vorzugsweise eine Vertiefung im Bereich von der
Druckmembran auf.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen
dem Substrat und der Druckmembran ein weiterer Referenzdruck eingeschlossen
ist, wobei bevorzugt das Substrat im Bereich der Druckmembran eine
Aussparung aufweist. Besonders vorteilhaft ist der weitere Referenzdruck
zwischen dem Substrat und dem Sensorelement, vorzugsweise mittels
des Bondrings, hermetisch eingeschlossen, so dass besonders vorteilhaft keine
Kaverne in der Druckmembran benötigt wird. Zur Ausbildung
eines ausreichend großen Druckraums für den weiteren
Referenzdruck weist das Substrat vorzugsweise die Aussparung auf.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Substrat
einen Schichtaufbau umfasst und/oder dass das Substrat im Bereich
der Druckmembran einen Kanal aufweist und/oder dass die Leiterbahnen
Durchkontaktierungen umfassen. Besonders bevorzugt ist die erste
Seite des Sensorelements mittels des Kanals mit einem Druckraum
verbunden, welcher mittels des Kanals von dem Sensorelement beabstandet
ausbildbar oder anschließbar ist. Besonders bevorzugt ist
der Kanal als Durchlass im Substrat ausgebildet, so dass die Druckmembran
als Differenzdrucksensor zwischen einem Druck auf einer Oberseite
und einem weiteren Druck auf einer der Oberseite senkrecht zur Haupterstreckungsebene
gegenüberliegenden Unterseite fungiert, wobei besonders
bevorzugt der erste Druck von dem weiteren Druck durch den Bondring getrennt
ist. Alternativ wird der zu messender Druck auf der ersten Seite
und/oder auf einer der ersten Seite senkrecht zur Haupterstreckungsebene
eingestellt, so dass in vorteilhafter Weise mittels der Sensoranordnung
wahlweise ein Absolutdrucksensor oder ein Differenzdrucksensor realisierbar
ist. Aufgrund des Mehrlagenaufbaus ist die Realisierung von im Substratmaterial
vergrabenen Leiterbahnen im Substrat möglich, wodurch in
vorteilhafter Weise ein vergleichsweise guter Korrosionsschutz der
Leiterbahnen gewährleistet ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Substrat
und/oder das Sensorelement eine Antihaftbeschichtung aufweisen.
Besonders vorteilhaft verhindert die Antihaftbeschichtung Ablagerungen
auf dem Substrat und/oder auf dem Sensorelement. Ferner werden die Auswirkungen
von Vereisungen auf die Sensoranordnung reduziert.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung einer Sensoranordnung, wobei in einem ersten Verfahrensschritt
das Substrat und das Sensorelement bereitgestellt werden, wobei
in einem zweiten Verfahrensschritt im Wesentlichen gleichzeitig
sowohl der erste Kontaktbereich zwischen dem Sensorelement und der
wenigstens einen Leiterbahn mittels Flip-Chip-Technologie, als auch
der zweite Kontaktbereich zwischen dem Sensorelement und dem Substrat
durch anodisches Bonden hergestellt werden. Wie oben bereits detailiert
ausgeführt, wird somit eine vergleichsweise kostengünstige
Herstellung der Sensoranordnung mit im Vergleich zum Stand der Technik
weniger Herstellungsschritten ermöglicht, wobei die Sensoranordnung
darüberhinaus im Vergleich zum Stand der Technik eine höhere
mechanische Stabilität, eine bessere Temperaturbeständigkeit
und eine höhere Messgenauigkeit aufweist.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt
sowohl zwischen dem Sensorelement und dem Substrat eine Gleichspannung
angelegt wird, als auch in einem Bereich zwischen dem Sensorelement
und dem Substrat eine Temperaturerhöhung, vorzugsweise mittels
Ultraschalleinstrahlung, durchgeführt wird. Besonders vorteilhaft
wird durch die Erhöhung der Temperatur der erste Kontaktbereich
und zusätzlich durch die angelegte Gleichspannung der zweite
Kontaktbereich ausgebildet. Besonders bevorzugt wird dabei das Sensorelements
senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung in Richtung des Substrat
druckbeaufschlagt, um eine möglichst festen und dichten zweiten
Kontaktbereich herzustellen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem
dritten Verfahrensschritt zeitlich vor dem zweiten Verfahrensschritt eine
anodisch bondbare Glaskeramikpaste auf das Substrat gedruckt wird
und/oder dass in einem vierten Verfahrensschritt zeitlich nach dem
dritten Verfahrensschritt das Substrat gesintert und insbesondere
anschließend poliert wird, so dass in vorteilhafter Weise
eine polierte Keramikoberfläche auf dem Substrat erzeugt
wird. Die erste Seite des Sensorelements weist im Bereich des zweiten
Kontaktbereichs vorzugsweise eine unpassivierte und vergleichsweise
glatte Siliziumoberfläche auf.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem
fünften Verfahrensschritt zeitlich vor dem zweiten und/oder
dritten Verfahrensschritt Kontaktpads der Leiterbahnen auf das Substrat
gedruckt werden und/oder dass in einem sechsten Verfahrensschritt
zeitlich nach dem fünften und/oder vierten Verfahrensschritt
Bondkügelchen auf den Kontaktpads angeordnet werden. Besonders
vorteilhaft werden die Kontaktpads und/oder die Bondkügelchen
auf das Substrat aufgedruckt, so dass eine vergleichsweise kostengünstige Realisierung
des ersten Kontaktbereichs ermöglicht wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1a eine
schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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1b eine
schematische Seitenansicht einer Vorläuferstruktur zur
Herstellung einer Sensoranordnung gemäß der ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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1c eine
vergrößerte Perspektivansicht eines Teilbereichs
der Vorläuferstruktur zur Herstellung einer Sensoranordnung
gemäß der ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
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2 eine
schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 eine
schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer
dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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4 eine
schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer
vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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5 eine
schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer
fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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6 eine
schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer
sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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7 eine
schematische Seitenansicht einer Mehrzahl von weiteren Vorläuferstrukturen 1'' zur Herstellung
einer Sensoranordnung gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In
den Figuren sind gleiche Elemente stets mit den gleichen Bezugszeichen
versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt
bzw. erwähnt.
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In 1a ist
eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und in 1b eine
schematische Seitenansicht einer Vorläuferstruktur 1' zur
Herstellung einer Sensoranordnung 1 gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt,
wobei die Sensoranordnung 1 in Form einer Drucksensoran ordnung
ausgebildet ist, wobei die Sensoranordnung 1 ein eine Haupterstreckungsebene 100 aufweisendes
Substrat 2 und ein im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 ausgerichtetes
Sensorelement 3 umfasst, wobei das Sensorelement 1 eine
Druckmembran 7 aufweist, wobei die Druckmembran 7 auf einer
ersten dem Substrat 2 zugewandten Seite 3' des
Sensorelements 1 angeordnet ist und wobei im Bereich der
Druckmembran 7 auf einer der ersten Seite 3' senkrecht
zur Haupterstreckungsebene 100 gegenüberliegenden
zweiten Seite 3'' eine Einkerbung 9' aufweist.
Im Bereich der Druckmembran 7 sind piezoresistive Elemente 8 angeordnet,
welche eine Auslenkung der Druckmembran 7 relativ zum Sensorelement
und im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 in
Abhängigkeit eines auf die zweite Seite 3'' wirkenden
Drucks eines Messmediums messen. Optional ist auf der ersten Seite 3' eine
nicht abgebildete elektrische und/oder elektronische Schaltung insbesondere
zur Auswertung von Messsignalen der piezoresistiven Elemente 8 angeordnet.
Die piezoresistiven Elemente 10 sind vorzugsweise in Brückenschaltungen,
wie beispielsweise in eine Wheatstone Brücke, angeordnet.
Die Druckmembran 7 bzw. die Einkerbung 9' wird
beispielsweise mittels anisotropen KOH-Ätzen hergestellt.
Das Sensorelement 3 umfasst insbesondere Silizium. Das
Substrat 2 umfasst ein keramisches Material, in welches
eine Mehrzahl von elektrisch leitfähiger Leiterbahnen 6 eingebettet
sind. Das Sensorelement 3 ist mittels zwei erster Kontaktbereiche 4 mit
den Leiterbahnen 6 elektrisch leitfähig verbunden,
so dass die piezoresistiven Elemente 10 und/oder die Schaltungen
mittels der Leiterbahnen 10 ansteuerbar bzw. auslesbar
vorgesehen sind. Die ersten Kontaktbereiche 4 umfassen
eine FlipChip-Technologie, so sind beispielsweise im ersten Kontaktbereich 4 Lötbumps 4' angeordnet,
welche den elektrisch leitfähigen Kontakt vorzugsweise
in einem Thermokompressions-Bondverfahren herstellen, welches besonders
bevorzugt bei Temperaturen zwischen 300 und 500 Grad Celsius durchgeführt wird.
Das Sensorelement 3 ist ferner in einem zweiten Kontaktbereich 5 mechanisch
mit dem Substrat 2 verbunden, wobei der zweite Kontaktbereich 5 eine anodische
Bondverbindung zwischen dem Sensorelement 3 und dem Substrat 2 umfasst.
Das Sensorelement 3 weist im zweiten Kontaktbereich 5 eine
unpassivierte und glatte Siliziumoberfläche auf, während
das Substrat 2 im zweiten Kontaktbereich 5 eine polierte
Keramikoberfläche aufweist und wobei die anodische Bondverbindung
zwischen diesen Oberflächen mit einer Gleichspannung zwischen
bevorzugt 500 und 1500 Volt, besonders bevorzugt 850 und 1150 Volt
und ganz besonders bevorzugt im Wesentlichen 1000 Volt zwischen dem
Sensorelement 3 und dem Substrat 2 hergestellt
wird. Das Substrat 2 wird vorher vorzugsweise mit einer
anodisch bondbaren Glaskeramikpaste im zweiten Kontaktbereich 5 bedruckt,
welche beispielsweise in einem Siebdruckverfahren aufgebracht wird
und eine Dicke senkrecht zur Haupterstreckungsebene von bevorzugt
5 bis 15 Mikrometer, von besonders bevorzugt 9 bis 11 Mikrometer
und ganz besonders bevorzugt von im Wesentlichen 10 Mikrometer umfasst.
Das Substrat 2 weist im Bereich der Druckmembran 7 eine
Aussparung 9 auf, welche zusammen mit dem ersten Kontaktbereich 4,
der ersten Seite 3' der Druckmembran 7 und/oder
den optionalen Schaltungen durch die anodische Verbindung im zweiten
Kontaktbereich 5, welche vorzugsweise parallel zur Haupterstreckungsebene 100 als
geschlossener Ring um die Druckmembran 7 ausgebildet ist,
von dem Messmedium auf der zweiten Seite 3'' isoliert und
somit vor Korrosion geschützt sind. Besonders vorteilhaft
ist die Aussparung 9 derart ausgebildet, dass eine Auslenkung
der Druckmembran 7 in Richtung Substrat 2 ermöglicht
wird und die Wandung der Aussparung 9 gleichzeitig als
Anschlag für zu große Auslenkungen der Druckmembran 7 fungiert.
In der Aussparung 9 wird vorzugsweise ein Referenzdruck,
insbesondere ein Referenzvakuum, eingestellt, so dass mittels der durch
die piezoresistiven Elemente 8 gemessenen Auslenkung der
Druckmembran 7 ein Absolutdruck des Messmediums bestimmbar
ist. Das Sensorelement 3 und das Substrat 2 weisen
auf dem Messmedium ausgesetzten Flächen vorzugsweise eine
Antihaftbeschichtung 10 auf. Das Substrat 2 umfasst
vorzugsweise einen Schichtaufbau, so dass eine Mehrzahl von Leiterbahnen 6 in
das Substrat 2 eingebettet sind, welche senkrecht und/oder
parallel zueinander beabstandet, voneinander isoliert und gleichzeitig
vor Korrosion geschützt sind. Voraussetzung für
die anodische Bondverbindung im zweiten Kontaktbereich 5 ist
eine polierte Keramikoberfläche und eine unpassivierte,
glatte Oberfläche in dem definierten Bondbereich auf der
Vorderseite des Sensorelements 3. Geeignete Antihaftschichten 10 für
vergleichsweise hohe Temperaturen können beispielsweise
aus Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid bestehen, für niedrigere Temperaturen
eignet sich beispielsweise Silanisieren. Für die elektrische
Verbindung im ersten Kontaktbereich 4 gibt es mehrere Möglichkeiten,
hier einige Beispiele: Um die elektrische Kontaktierung zu realisieren
werden Kontaktierpads des Sensorelements 3 mittels Thermokompressionsbonden
(auch ultraschallunterstützt = Thermosonic-Bonding) mit den
passend angeordneten Leiterbahnen 4 bzw. Kontaktierpads
des Substrats 2 bzw. Keramikträgers verbunden.
Die verwendeten hochschmelzenden Lote für die Löt-Bumps 4' sind
zur Vermeidung von Hohlräu men vorzugsweise flussmittelfrei
und -metallkompatibel zu den verwendeten Substratleiterbahnen, welche
für Hochtemperaturanwendungen aus temperaturfesten Legierungen
Au, Pt, Pd mit Sn oder Ni bestehen. Im (Keramik-)Substrat 2 befinden
sich beispielsweise die Kontaktierpads in Vertiefungen, um die Löt-Bumps 4' aufzunehmen.
Die „Lot-Bumps” 4' werden vorzugsweise
vor dem Flip-Chip-Prozess auf die metallisierten Kontaktpads des
Sensorelements 3 bzw. des Si-Chips gebondet. Eine weitere Möglichkeit
die elektrische Verbindung im ersten Kontaktbereich 4 herzustellen,
ist die Verwendung von Leitklebern oder besser Dickschichtleiterpasten im
ersten Kontaktbereich 4, die ähnlich wie Durchkontaktierungen
innerhalb der LTCC oder HTCC-Keramik durch Drucken von Leitpaste
in Bohrungen (Via-Filling) hergestellt werden. Die Herstellung des Substrates 2 mit
eingebetteten Leiterbahnen 6 erfolgt beispielsweise mittels
Dickschichttechnik. Die Leiterbahnen 6 werden dabei mit
einer Sieb-Maske gedruckt, anschließend mit einer Glaskeramikpaste überdruckt
und unter Druck gesintert, um die lateralen Abmessung durch die
Sinterschwindung gering zu halten. Nur an den Stellen der späteren
Anschlusspads der Leiterbahnen 6 zur Kontaktierung der
Pads auf dem Sensorelement 5 bzw. Siliziumchip bleibt die Leiterbahn 6 frei.
Die Abdeckung der Leiterbahnen 6 kann alternativ auch durch
das Auflaminieren einer weiteren Glaskeramik-folie mit ausgesparten
Bondpads erfolgen. Nach dem Sintern wird planarisiert z. B. durch
Polieren um das anodische Bonden durchführen zu können.
Anhand der in 1b dargestellte Vorläuferstruktur 1' ist
das Substrat 3 nach dem Drucken der Leiterbahnen 6 bzw.
der mit den Leiterbahnen elektrisch verbundenen Kontaktierpads für
den Thermokompressions-Bondprozess dargestellt, wobei das Substrat 2 ferner
mit der zum keramischen Substrat 2 kompatiblen, anodisch
bondbaren Glaskeramikpaste bedruckt wird. Die Oberfläche
des Substrats 2 wird anschließend gesintert und
nach dem Sintern für das anodische Bonden plan poliert.
Das insbesondere als Schichtaufbau ausgebildete Substrat 2 wird
zur Einhaltung der Positioniergenauigkeit parallel zur Haupterstreckungsebene 100 vorzugsweise unter
Belastung gesintert, so dass lediglich eine Sinterschwindung senkrecht
zur Haupterstreckungsebene 100 auftritt. In 1c ist
eine vergrößerte Perspektivansicht eines Teilbereichs
der Vorläuferstruktur 1' zur Herstellung einer
Sensoranordnung 1 gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei in 1c ein
Bondkügelchen 4' dargestellt ist, welches auf
eine Leiterbahn 6 bzw. auf ein mit einer Leiterbahn 6 elektrisch
leitfähig verbundenen Kontaktierpad des Substrats 2 gebondet ist,
bevor das Substratelement 3 mittels des Thermokompressions-Bondprozess
mit dem Substrat 2 verbunden wird.
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In 2 ist
eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei
die zweite Ausführungsform im Wesentlichen identisch der
ersten Ausführungsform illustriert in 1a ist,
wobei das Substrat 2 im Bereich der Druckmembran 7 einen
Kanal 13 in Form eines Durchlasses im Substrat 2 aufweist,
so dass die Druckmembran 7 zusätzlich auch auf
der ersten Seite 3' mit einem weiteren Messmedium beaufschlagbar
ist. Die Sensoranordnung 1 ist somit zur Relativdruckmessung
zwischen einem Druck des Messmediums und einem weiteren Druck des
weiteren Messmediums nutzbar. Das ersten Kontaktbereich 4 ist mittels
eines weiteren zweiten Kontaktbereichs 5 in Form eines
weiteren Bondrings vom weiteren Messmedium isoliert, wobei der ersten
Kontaktbereich 4 zwischen dem Bondring und dem weiteren
Bondring angeordnet ist.
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In 3 eine
schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer
dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei
die dritte Ausführungsform im Wesentlichen identisch der
zweiten Ausführungsform dargestellt in 2 ist,
wobei in die Druckmembran 7 eine Kaverne 15 integriert
ist, welche eine weiteren Referenzdruck aufweist, so dass die Sensoranordnung 1 ferner
eine Absolutdruckmessung ermöglicht.
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In 4 ist
eine schematische Draufsicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer
vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei
die vierte Ausführungsform im Wesentlichen der ersten Ausführungsform
dargestellt in 1a ist, wobei die Sensoranordnung 1 einen
hochtemperaturstabilen Absolutdrucksensor für Hochtemperaturanwendungen
umfasst, wobei sich das Substrat 2 von einem ”heißen” Bereich 300 bis
zu einem ”kalten” Bereich 301 erstreckt,
wobei das Sensorelement 3 im ”heißen” Bereich 300 angeordnet
ist und mittels der Leiterbahnen 6 mit einer Auswertschaltung 303 auf einem
zusätzlichen Chip 304 verbunden ist, wobei der
zusätzliche Chip 304 im ”kalten” Bereich 301 angeordnet
ist.
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In 5 ist
eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer
fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dargestellt, wobei die fünften Ausführungsform
im Wesentlichen identisch der zweiten Ausführungsform dargestellt
in 2 ist, wobei der Kanal 13 sich im Wesentlichen parallel
zur Haupterstreckungsebene 100 erstreckt und nicht senkrecht
zur Haupterstreckungsebene 100 einen Durchlass im Substrat
darstellt. Durch den Kanal 14 im Substrat 2 ist
besonders bevorzugt ein Referenzdruck von dem Sensorelement 3 beabstandet
einstellbar. Vorzugsweise verläuft der Kanal 14 in einen ”kalten” Bereich 301 und
weist dort eine Steckerverbindung auf.
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In 6 ist
eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer
sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt,
wobei die sechste Ausführungsform im Wesentlichen identisch
der vierten Ausführungsform dargestellt in 4 ist,
wobei die Sensoranordnung in einen Abgassensor 181 integriert
ist, wobei der Abgassensor 181 eine Medienseite 115 zur
Beaufschlagung des Sensorelements 3 mit dem Messmedium, eine
Kontaktseite 116 zur Kontaktierung der Leiterbahnen 6 im
Substrat 2 mittels einer Steckerverbindung 111 und
einer Dichtung 116 zur gasdichten Trennung der Medienseite 115 von
der Kontaktseite 116.
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In 7 ist
eine schematische Seitenansicht einer Mehrzahl von weiteren Vorläuferstrukturen 1'' zur
Herstellung einer Sensoranordnung gemäß der zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt,
wobei die weiteren Vorläuferstrukturen 1'' jeweils
ein nichtvereinzeltes Sensorelement 3 und ein nichtvereinzeltes
Substrat 2 aufweisen, welche mittels des ersten und zweiten
Kontaktbereichs 4, 5 miteinander verbunden sind,
wobei die jeweiligen Sensoranordnungen 1 insbesondere durch
Sägen der nichtvereinzelten Sensorelemente 3 und
der nichtvereinzelten Substrate 2 entlang vorbestimmter Schnittlinien 112 vereinzelt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10205127
A1 [0002]
- - WO 2005/042426 A2 [0002]