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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bewegungs- und Lageerkennungssensor umfassend einen Halbleiter-Chip sowie dessen Verwendung zur Lage- und Bewegungsdetektion und zur Steuerung externer elektronischer Systeme.
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Bewegungssensoren sind seit mehreren Jahrzehnten bekannt. Sie dienen vornehmlich dem Zweck, einfache Bewegungen zu erfassen. Es gibt sie in unterschiedlichen Varianten, wobei allen gemeinsam ist, dass sie eine leitfähige Kugel oder einen Quecksilbertropfen enthalten. Solche Gerätschaften sind z.B. aus der
US 3,927,286 und
US 4,434,337 bekannt.
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Weitere Kugelsensoren, aufgebaut aus mehreren plattenförmigen Schichten sind aus der
US 5,410,113 A und der
EP 1 939 911 bekannt. Nachteilig bei den beschriebenen Systemen ist, dass bei Verwendung mehrerer Einzelsensoren eine Vielzahl von Kontaktsäulen entstehen. Dies hat erhebliche produktionstechnische und kostenmäßige Nachteile. Weiterhin ist nachteilig, dass bei den beschriebenen Sensoren ein schneller und paralleler Funktionstest der Einzelsensoren nicht möglich ist.
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Auch in der
DE 101 58 416 C1 , der
WO 2008071289 A1 und der
WO 2012062800 sind Bewegungssensoren in Plattenbauweise beschrieben. Diese Sensoren verfügen jedoch nicht über die Möglichkeit, die Signale des Sensorelements zu bewerten und demgemäß dritte elektronische Systeme direkt zu steuern. Hierzu wäre eine externe Schaltung erforderlich.
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Andererseits sind aus der
DE 10 2010 038 154 A1 ,
US 2005/0287700 A1 ,
DE 20 2009 009 087 U1 sowie
DE10 2005 047 106 A1 Verfahren bekannt Chips auf Leiterplatten oder Leiterrahmen einzubetten. Diese Systeme sind nicht geeignet Bewegung zu detektieren. Sie würden einen externen Sensor zu Erfassung der Bewegung benötigen.
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Bisher bekannte Systeme erfordern den Aufbau komplexer Schaltungssysteme um einen Bewegungssensor herum. Diese Aufbauten sind planar und bedingen einen erhöhten logistischen Aufwand, erhöhte Aufwendungen in der Produktion und einen erhöhten Platzbedarf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, einen Bewegungssensor zur Verfügung zu stellen, welcher die beschriebenen Nachteile nicht mehr aufweist. Ziel der Erfindung ist es u.a., eine neuartige Sensorklasse zu schaffen, die preiswert herzustellen ist, überaus kompakt ist und anwenderfreundlich in der Produktion. Neben der Erkennung von Bewegungen und der Lage von Gegenständen im Raum sollen diese Sensoren, bevorzugt in Plattenbauweise aufgebaut, in der Lage sein, die Sensorsignale direkt auszuwerten und andere elektronische Systeme demgemäß direkt anzusteuern, zu betreiben oder sie zu aktivieren oder deaktivieren.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch einen Bewegungs- und Lagesensor umfassend mehrere, laminierte, plattenförmige Schichten mit sensorischen Bereichen und gegebenenfalls mindestens eine weitere Schicht ohne sensorischen Bereich und einen Halbleiter-Chip, der außerhalb der sensorischen Bereiche angeordnet ist.
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In einer weiteren Ausführung umfasst der Bewegungs- und Lagesensor mindestens eine Kugel als integrierte bewegliche mikromechanische Komponente und/oder mindestens vier integrierte sensorisch aktive Bereiche die jeweils zusammen im laminierten Plattenverbund hermetisch von der Umgebung abgeschirmt sind. Diese sensorisch aktiven Bereiche sind bevorzugt auf den Plattenoberflächen und auf den Oberflächen von zylindrischen Löchern oder Öffnungen in den Platten. Sensorische Bereiche sind Kontaktflächen, also elektrisch leitende Bereiche auf den Platten.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Bewegungs- und Lagesensor umfassend folgende plattenförmige Schichten:
- a) eine Anschlussplatte umfassend Anschlüsse des Sensors, mit denen der Sensor dritte elektronische Komponente ansteuern kann und/oder über die er elektrisch versorgt wird,
- b) eine Sensorbodenplatte, die auf der chip- abgewandten Seite einen ersten sensorischen Bereich aufweist,
- c) eine Sensorkammerplatte mit mindestens einer durchgehenden, bevorzugt kreisrunden Öffnung, deren Innenwandung und gegebenenfalls auch (kleine) Randbereiche der Öffnung auf Ober- und Unterseite der Sensorkammerplatte mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen sind und diese Schicht den zweiten sensorischen Bereich darstellt
- d) eine Sensordeckelplatte umfassend mindestens einen dritten sensorischen Bereich, der zur Sensorkammerplatte in den Innenbereich des Sensors zeigt,
wobei sich eine Kugel, deren Oberfläche einen vierten sensorischen Bereich darstellt, innerhalb der beschichteten Öffnung der Sensorkammerplatte befindet und der Halbleiter-Chip zwischen Anschlussplatte und Sensorbodenplatte angeordnet ist.
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Die Anschlussplatte ist die Bodenplatte des erfindungsgemäßen Sensors, auf der leitfähige Anschlüsse zum Kontaktieren weiterer Element angeordnet sind. Die Anschlussplatte ist in einer Alternative zwischen 50µm–1000µm, bevorzugt zwischen 100–250µm dick. Sie ist mit Anschlüssen, also mit elektrischen leitfähigen Strukturen ausgestattet, sowohl für den Chip als auch für das Sensorelement. Das Sensorelement wird aus den 4 sensorischen Bereichen gebildet. In einer Variante umfasst das Sensorelement eine Sensorbodenplatte, eine Sensorkammerplatte, eine Sensordeckelplatte und eine Kugel in der Kammer, gebildet durch die durchgehende Öffnung der Sensorkammerplatte und den sensorischen Bereichen der Sensorbodenplatte und Sensordeckelplatte.
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Die Sensorbodenplatte ist in einer Alternative zwischen 10 µm und 100 µm, bevorzugt zwischen 20 µm und 500 µm dick. Die Sensorkammerplatte ist in einer Alternative zwischen 20 µm und 3000 µm, bevorzugt zwischen 200 µm und 2000 µm dick und verfügt über eine kreisrunde Öffnung, die idealerweise zentrisch über der Sensorfläche der Sensorbodenplatte liegt. Dieser sensorische Bereich ist elektrisch nicht unmittelbar mit dem sensorischen Bereich der Sensorbodenplatte und nicht mit dem sensorischen Bereich der Sensordeckelplatte verbunden. Erfindungsgemäß sind die kleinen Randbereiche der Öffnung auf Ober- und Unterseite der Sensorkammerplatte, die gegebenenfalls auch mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen sind, im Bereich von 1 µm bis 1000 µm, bevorzugt zwischen 300µm–800µm, insbesondere 75 µm–300 µm
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Die Sensordeckelplatte ist in einer Alternative zwischen 10 µm und 100 µm, bevorzugt zwischen 20 µm und 500 µm dick.
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Die Öffnungen werden durch Fräsen, Bohren, Stanzen oder im Spritzgussverfahren hergestellt und werden im Folgenden auch als Bohrung bezeichnet. Die Bohrungen können durch Laserbohrungen oder speziell geführte mechanische Bohrungen hergestellt werden.
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In einer Alternative der Erfindung ist zwischen Anschlussplatte und Sensorbodenplatte eine Isolationsschicht angeordnet, die für die elektrische Isolierung des sensorischen Bereichs der Sensorbodenplatte und der Anschlussplatte sorgt. Ebenso ist die Sensorkammerplatte von der Sensordeckelplatte und der Sensorbodenplatte elektrisch isoliert. Diese Isolierung kann eine Kleberschicht sein, z.B. Prepregs. Mit Prepregs wird ein Halbzeug bezeichnet, das aus einer faserverstärkten Kunststoffmatrix besteht.
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Die einzelnen Platten des Bewegungssensors werden durch in der Leiterplatte übliche Laminierverfahren in der Leiterplattenpresse zusammengefügt.
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Zwischen den Platten ist mindestens eine Kleberschichten (z.B. Prepregs) angeordnet.
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In einer Alternative wird der Halbleiter-Chip direkt zwischen die Anschlussplatte und Sensorbodenplatte eingebracht. Insbesondere bei der Verwendung besonders dünner Chips (zwischen 20 µm und ca. 100 µm) ist dieser Aufbau bevorzugt. Der Sensoraufbau vereinfacht sich dadurch erheblich. Der Kleber (Prepreg) ist gleich hoch oder höher als der Chip. Gegebenenfalls wird die Kleberschicht an der Chipposition ausgespart. Die Aussparung im Prepreg kann durch Fräsen, Lasern, Stanzen oder andere geeignete Verfahren hergestellt werden. Durch die Aussparung wird die mechanische Belastung des Chips während der Bearbeitung durch den Druck in der Presse minimiert. Das Prepreg hat eine Gestalt, die der Chiprahmenplatte vergleichbar ist.
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In einer Alternative verfügt die über dem Chip liegende Sensorbodenplatte über eine Aussparung, in der der Halbleiter-Chip eingebracht wird. Diese Vertiefung erhält man beispielsweise durch eine Tiefenfräsung oder andere Verfahren, bevorzugt Laserablation oder thermischer Abtrag. Die Aussparung hat geringfügig größere Abmessungen (ca. 1–300 µm, bevorzugt 40–200µm) in der Breite und Länge als der Chip.
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In einer weiteren Alternative wird zum Fixieren des Chips eine Chiprahmenplatte zwischen Anschlussplatte und Sensorbodenplatte eingesetzt. Diese Chiprahmenplatte ist geringfügig dünner (ca. –30% bis 0%) als der Chip, der eine Dicke zwischen 20 µm und 1000 µm aufweist, gleich dick wie der Chip oder dicker als der Chip (0% bis plus 200%). Auch in dieser Variante kann die darüberliegende Platte über eine Aussparung verfügen, in die der Chip eingebracht wird. In einer anderen Alternative ist der Halbleiter-Chip an jedem beliebigen Ort und in jeder beliebigen Ausrichtung innerhalb des erfindungsgemäßen Sensors angebracht, jedoch außerhalb der sensorischen Bereiche, insbesondere außerhalb der Kammer, gebildet durch die durchgehende Öffnung der Sensorkammerplatte und den sensorischen Bereichen der Sensorbodenplatte und Sensordeckelplatte. Die Anschlußstellen (elektrische Kontakte) des Chips sind in einer Ausführung mittels Drahtbonden mit den Anschlußstellen des Trägers elektrisch leitend verbunden.
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In einer weiteren Ausführung wird der Chip vorteilhafterweise als Flip-Chip auf die Anschlussplatte aufgesetzt und mit einer Kunststoffmasse zur Erhöhung der Zuverlässigkeit unterbaut („Flip-Chip“ und „Flip Chip Underfill“). Dabei werden die Anschlußstellen des Chips mit denen des Trägers über ein elektrisch leitendes Kontaktmaterial verbunden, bevorzugt Lötdepots oder Goldkugeln. Träger ist bevorzugt die Anschlussplatte.
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In einer Alternative ist jedoch die Sensorbodenplatte der Träger und verfügt über Anschlußstellen, die mit den Anschlußstellen des Chips verbunden sind. Da in einer weiteren Alternative der Chip an jedem beliebigen Ort und in jeder beliebigen Ausrichtung innerhalb des erfindungsgemäßen Sensors angebracht sein kann, dient jede beliebige oder auch mehrere Schichten als Träger und verfügen über Abschlußstellen, wobei diese auf unterschiedlichen Trägern angebracht sein können.
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In einer Ausführung der Erfindung sind die Oberflächen der sensorischen Bereiche elektrisch leitfähig. Beispielsweise kann dies durch eine galvanisch aufgebrachte Metallschicht erreicht werden. Jedoch sind alle anderen dem Fachmann bekannten Methoden zur Herstellung der Leitfähigkeit ebenfalls geeignet, insbesondere geeignete elektrochemische Verfahren. Die Kugel kann vollständig aus leitfähigem Material bestehen.
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Ein weitere Variante der vorliegenden Erfindung hat viereckig ausgestalte plattenförmige Schichten. Die Platten sind vorzugsweise rechteckig oder quadratisch ausgestaltet. Die Längen und Breiten der Platten sind vorzugsweise identisch oder annähernd identisch, deren Höhen können jedoch verschieden sein.
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Eine Ausführung betrifft den erfindungsgemäßen Bewegungs- und Lagesensor mit einer Anschlussplatte die von außen zugängliche Anschlüsse umfasst. Diese sind vorzugsweise mit Lötdepots versehen, wobei der elektrische Kontakt zwischen den im Inneren des Sensors liegenden Chips, beziehungsweise dessen Anschlußstellen und den äußeren Kontaktstellen (Anschlüssen, Anschlußstellen) durch mindestens eine Öffnung (Bohrung) hergestellt wird, in der ein elektrisch leitfähiges Material angeordnet ist.
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In einer Variante ist die Öffnungen mit elektrisch leitfähigen Innenwänden ausgestattet. Die Lötdepots sind vorteilhafterweise kugelartige Lötkugeln mit einem Durchmesser zwischen 100µm und 1.27mm.
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In einer Alternative verschließen die Lötdepots unmittelbar die Öffnungen. Dabei liegt über dem Lötdepot eine Luftsäule in der Öffnung.
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In einer weiteren Alternative werden die Öffnungen durch jeweils ein kreisförmiges, flaches Metallstück verschlossen und darauf werden die Lötdepots abgeschieden. Dadurch liegt die Lötkugel auf einer massiven Metallplatte auf.
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Das Verschließen der Öffnungen schützt den Chip vor gefährlichen Belastungen aus der Umwelt und erhöht somit den Einsatzbereich des Sensors sowie dessen Lebensdauer.
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Eine weitere Ausführung betrifft den erfindungsgemäßen Bewegungs- und Lagesensor bei dem die Sensorbodenplatte, die Sensorkammerplatte und/oder die Sensordeckelplatte jeweils mindestens eine Anschlussfahne (Kontaktfahne) vom sensorischen Bereich zu jeweils einer Öffnung mit elektrisch leitendem Material, bevorzugt elektrisch leitenden Innenwänden aufweist. Diese Öffnungen werden als Kontaktsäulen bezeichnet. Bei der Sensorbodenplatte ist eine Anschlussfahne in eine erste Ecke (z.B. links unten) geführt. Die Sensorkammerplatte ist auf der Oberseite oder der Unterseite oder sowohl auf der Ober- wie Unterseite der Platte mit einer Kontaktfahne (Anschlussfahne) versehen, die in mindestens eine (max. zwei) weitere Ecke(n) (z.B. links oben und/oder rechts oben) des Sensors geführt ist. Bei der Sensordeckelplatte ist eine Kontaktfahne zu einer dritten Ecke (vierten Ecke im Fall dass die Sensorkammerplatte mit zwei Kontakfahnen (Anschlussfahnen) in zwei Ecken ausgestattet ist) geführt.
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Die Öffnungen (Kontaktsäulen) zu denen die Kontaktfahnen der Sensorplatten geführt werden, sind vollständig durch alle Schichten (Platten) des Sensors geführt. So werden die Sensorsignale von diesen Öffnungen über elektrisch leitenden Materialien an die Kontaktflächen für den Chip geführt.
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In einer Ausführung liegen diese Öffnungen (Kontaktsäulen) als Bohrungen vor. In einer Variante liegen diese Bohrungen als Viertelbohrungen oder halbe Bohrungen nach einem Vereinzelungsprozess vor und/oder sind in den Ecken oder an den Seiten des Sensors angeordnet.
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In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der Sensor ein Kugelschalter.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner eine regelmäßige Sensoranordnung vieler gleicher Einzelteile auf einen größeren Nutzen – in einer Matrixanordnung – zur zeitgleichen und kostensparenden Produktion vieler Gleichteile. Die Größe der einzelnen Platten kann stark variieren. Sehr kleine Formate von ca. 40 × 40 mm2 bis zu großen Formaten von 1000 × 1000 mm2 sind aufbaubar, vorzugsweise sind die Platten aber 300 × 300 mm2 groß. Auf diesen Platten befindet sich eine Vielzahl von Einzelsensoren, die in einer Matrix regelmäßig angeordnet sind. Ein Einzelsensor ist vorzugsweise zwischen 1 mm2 und 20 mm2 groß, besonders bevorzugt 7 mm2 groß. Bei der besonders bevorzugten miniaturisierten Aufbauvariante mit einer Grundfläche der Platten von 7 qmm oder kleiner ist die Kugel i.A. sehr klein und hat einen Durchmesser unter 0,3 bis 2 mm, vorzugsweise 0,5 bis 1 mm ganz besonders bevorzugt unter 1 mm.
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Für eine optimale Produktion der Bewegungssensoren ist es vorteilhaft, die Einzelsensoren mit einer zweidimensionalen Matrixanordnung aneinander zu reihen. Die vorzugsweise viereckig ausgestalteten Einzelsensoren lassen sich demgemäß als Untermatrizen in einer größeren Matrixanordnung verwenden. Erfindungsgemäß werden vorzugsweise vier Einzelsensoren zusammengefasst. Diese sind als Untermatrizen in einer übergeordneten Matrixanordnung regelmäßig verbunden. Durch die Anordnung der Kontaktsäule an den Eckpunkten ergeben sich die erfindungsgemäßen Vorteile. Die Kontaktsäule hat nämlich an den Eckpunkten eine viertelkreisförmige Ausgestaltung. Durch die Zusammenfügung mehrerer Matrixelemente entsteht an den Eckpunkten eine durchgehende Säule in Form einer vorzugsweise senkrechten Bohrung. Mithin entsteht eine durch alle drei Platten gehende vertikale Kontaktsäule, in welcher die Kontaktfahnen der angrenzenden Matrixelemente elektrisch zusammengeführt werden können. Bei der Ausgestaltung in Form von vier Untermatrizen befindet sich die vertikale Kontaktsäule mithin im Zentrum der übergeordneten Matrix. Die äußeren Anschlussflächen befinden sich vorzugsweise jeweils im Zentrum der aus parallelen Einzelsensoren zusammengesetzten Matrix. Die sensorischen Kontaktflächen der vier Einzelsensoren werden über Kontaktfahnen vorzugsweise elektrisch genau in einer Öffnung im Zentrum der zusammengesetzten Matrix zusammengeführt. Die dort zusammengeführten Leiterbahnen stammen alle von verschiedenen Einzelsensoren, so dass jeweils genau ein Anschluss im Inneren der Matrix verbleibt. Bei dem verwendeten Plattenmaterial handelt es sich vorzugsweise um handelsübliches preiswertes Leiterplattenmaterial. Es kann aber auch jedes beliebige andere Material verwendet werden.
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Vorteilhaft sind alle Funktionselemente (Chip, sensorische Bereiche) jeweils zentrisch über der Mitte der jeweils darunter liegenden Anschlussplatte angeordnet. Hierdurch wird das Risiko des Eindringens von Feuchtigkeit oder anderen Fremdstoffen in den sensorischen Raum und zum Chip minimiert.
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In einer Variante verfügt die Sensorbodenplatte über einen sensorischen Bereich der mittig angeordnet ist. Dieser Bereich ist in einer Alternative von einer Isolationsschicht umgeben. Er dient der Realisierung der sensorischen Funktionalität in dem mit der Sensorkammerplatte und der Sensordeckelplatte gebildeten Hohlraum (Kammer). Im fertig gebauten Einzelsensor liegt dieser Hohlraum innen und ist hermetisch von der Umgebung abgeschirmt. Die Sensorkammerplatte verfügt über eine Öffnung zur Herstellung des Hohlraums, die vorzugsweise annähernd zylindrisch bzw. zylindrisch ausgestaltet ist. Es sind grundsätzlich auch andere geometrische Formen denkbar. Diese müssen aber so gestaltet sein, dass eine Herstellung eines elektrischen Kontakts zwischen Hohlkammer und Kugel möglich ist. Grundsätzlich sind beliebige Öffnungen denkbar. Wesentlich ist in jedem Fall, dass die Öffnung – im Folgenden auch als Bohrung bezeichnet – zur Sensordeckel- und Sensorbodenplattenseite hin jeweils offen ist. Mithin bildet die Öffnung bzw. die Bohrung einen durchgehenden Durchbruch in der Sensorkammerplatte, welche mithin vorzugsweise als kreisrundes Loch ausgestaltet ist. Die Bohrung ist derart angeordnet, dass sie passgenau über sensorischen Bereich der Sensorbodenplatte liegt. Die Kontaktfläche der Sensorbodenplatte ist vorzugsweise demgemäß kreisrund ausgestaltet, damit die sensorischen Bereiche passgenau aneinander liegen. Die Bohrung der Sensorkammerplatte ist demgemäß in dieser vorzugsweise mittig positioniert. Die Wandung der Bohrung ist elektrisch leitfähig. Beispielsweise kann dies durch eine galvanisch aufgebrachte Metallschicht erreicht werden. Jedoch sind alle anderen dem Fachmann bekannten Methoden zur Herstellung der Leitfähigkeit ebenfalls geeignet. Die Wandung der Bohrung stellt den zweiten sensorischen Bereich dar und bildet im fertig hergestellten Zustand des Einzelsensors die Innenfläche des Hohlraums, in welchem die Kugel aufgenommen wird. Die obere Platte, die Sensordeckelplatte verfügt auf ihrer der Sensorkammerplatte zugewandten Ebene über einen ebenfalls vorzugsweise kreisrunden sensorischen Bereich. Dieser Bereich wird in Anpassung an die Bohrung der Sensorkammerplatte ausgestaltet. Sofern die Bohrung eine andere symmetrische Form hat, muss demgemäß hier eine Anpassung vollzogen werden. Der sensorische Bereich ist spiegelsymmetrisch zu jenem der Sensorbodenplatte angeordnet. D.h. er ist ebenfalls vorzugsweise mittig der Sensordeckelplatte angeordnet. Der sensorische Bereich ist in einer Alternative von einer Isolationsschicht umgeben.
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In einer Ausführung sind mindestens eine sensorische Fläche und ein Anschluss für die Versorgung des Chips elektrisch miteinander verbunden und verfügen über einen gemeinsamen äußeren elektrischen Anschluss (Lötkugel). Dabei ist entweder die positive Versorgungsspannung des Chips mit der sensorischen Fläche gemeinsam verbunden oder die negative Versorgungsspannung (Masse) des Chips mit der sensorischen Fläche miteinander verbunden. Dadurch ergibt sich ein einfacher wirtschaftlicher Aufbau, der eine Anschlussstelle spart.
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Der Halbleiter-Chip kann aus Si, SiC, SiGe, SiGa hergestellt sein und weitere anorganische oder organische Materialien enthalten, die keine Halbleiter sind, z.B. Metalle, Isolatoren oder Kunststoffe. In einer Variante wird ein Silizium-Chip eingesetzt.
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Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein Bewegungs- und Lagesensor umfassend weitere resistive oder kapazitive Elemente (Widerstände oder Kondensatoren), die extern vom Sensor angebracht werden und/oder bevorzugt direkt mit auf eine Platte des Sensors aufgebracht werden. Alternativ kann eine weitere funktionelle Schicht in den Plattenstapel integriert werden. Solche Elemente werden entweder mit einem elektrisch leitfähigen Kleber geklebt oder mit einem Hochtemperaturlöt in das innere des Sensors eingebracht, wobei die Schmelztemperatur des Hochtemperaturlötes über der der äußeren mit Lötdepots versehenen Anschlusspads (Anschlüsse) liegt oder durch Drucktechnologien (Sieb- oder Schablonendruck) auf die kammerabgewandte Sensorboden- oder Sensordeckelplatte gedruckt wird. Dadurch wird der erforderliche Bauraum für das Sensorsystem weiter reduziert.
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Der erfindungsgemäße Bewegungs- und Lagesensor wird zur Steuerung externer elektronischer Systeme wie z.B. Bügeleisen, Fahrradcomputer, GPS-Systeme verwendet.
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Der aus den Platten aufgebaute Bewegungssensor verfügt vorzugsweise über vier sensorisch aktive Kontaktflächen, die in laminierten Plattenverbund alle hermetisch von der Außenumgebung abgeschirmt sind. Bei den Kontaktflächen handelt es sich um die Oberfläche der in die Hohlkammer eingebrachten Kugel, die Oberfläche (die Innenwände) der Bohrung selbst, die Kontaktfläche der Anschlussplatte und die Kontaktfläche an der Deckelplatte. Für die Detektion von Bewegungen wird die Hohlraumoberfläche, die Kugeloberfläche und entweder die Kontaktflächen des Bodens oder des Deckels benötigt. Sofern die Kugel gleichzeitig die Innenwand der Kammer und die Kontaktfläche des Bodens berührt, ist der Widerstand zwischen dem an der Innenwandung des Hohlraums angeschlossenen Lötanschluss und dem an der Kontaktfläche des Bodens angeschlossenen Lötanschluss niedrig, meist unter 100 Ohm oft aber auch unter 1 Ohm. Bewegt sich die Kugel in der Kammer infolge einer mechanischen Anregung, werden die beiden sensorischen Kontaktflächen der Kammerplatte und der Anschlussplatte durch die Kugeloberfläche nicht mehr überbrückt. Der Widerstand zwischen dem an der Hohlraumwandung angeschlossenen Lötanschluss und an dem an der Kontaktfläche des Bodens angeordneten Lötanschluss ist hoch. Meist liegen die Werte über 10 Megaohm, oft aber auch deutlich über 30 Megaohm, meist über 100 Megaohm. Der erfindungsgemäße Sensor kann seine Lage in Bezug auf die Richtung der Erdbeschleunigung bestimmen.
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Für eine Lageerkennung, die auch im statischen Zustand zuverlässig arbeitet, ist es darüber hinaus vorteilhaft, diesen Sensor um eine elektronische Speichereinheit zu erweitern, in dem die letzte Lage des Sensors im Gravitationsfeld zwischengespeichert wird. Alternativ kann die Speicherung der letzten Lage auch auf dem Chip erfolgen. Selbst, wenn die Kugel nach einem Lagewechsel zur Ruhe kommt und der Widerstand an den äußeren Anschlüssen hochohmig werden sollte (sei es, dass die Kugel nicht gleichzeitig beide sensorischen Bereiche berührt oder zwar beide sensorischen Bereiche berührt aber infolge zu geringer Kräfte keinen dauerhaften niederohmschen Zustand aufrecht erhalten kann), kann dem Benutzer die Information über die letzte Lage des Gerätes zuverlässig zur Verfügung gestellt werden.
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Bei Bewegung ändert sich somit der elektrische Widerstand zwischen zwischen den äußeren Anschlüssen, die über die Kontaktfahnen an die sensorischen Flächen angebunden sind. Dieses bewegungsabhängige, elektrisch resistive Sensorelement wird mit einem elektrischen Widerstand in Serie an die Versorgungsspannung des intelligenten Bewegungssensors in Plattenbauweise geschaltet. Dabei kann der Serienwiderstand extern vom Bewegungssensor angebracht werden oder er kann vorteilhafterweise direkt mit auf eine Platte des Bewegungssensors aufgebracht werden. Durch diese zusätzliche Integration erhält man eine höhere Integrationsdichte und noch kleinere Aufbauabmessungen.
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Durch die Bewegung der Kugel wird das System aktiviert, so dass und die Stromaufnahme steigt an. Im Falle von Vibrationen, z.B. ausgelöst durch einen vorbeifahrenden LKW, kann das Gerät, das sich im tiefsten Stromsparmodus befindet, aufgrund des Sensorimpulses ggf. ungewollt aktiviert werden und somit eine erhöhte Stromaufnahme haben. In einer Variante der Erfindung kann daher die Ansprechschwelle der Empfindlichkeit von Mikro- Bewegungs- und Lagesensoren in Plattenbauweise in großen Bereichen eingestellt und insbesondere erhöht werden. Außerdem kann eine definierte Ruheposition der Kugel und somit eine Schalterposition des Sensors in Vorzugsmontagelage vorgegeben werden.
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Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass die innere Oberfläche der Sensorbodenplatte der Hohlkammer modifiziert wird. Diese wird derart ausgestaltet, dass eine Vertiefung, z.B. ein kreisrundes Loch, in den sensorischen Bereich der Sensorbodenplatte eingebracht wird. In dieser Vertiefung kann die Kugel eine stabile Ruhelage annehmen. Vorzugsweise ist die Vertiefung nur wenige µm tief. Vorzugsweise beträgt die Tiefe 10 µ bis 100 µ, besonders bevorzugt 20 µ bis maximal 100 µ. Durch die Vertiefung wird die freie Bewegung derart behindert, dass ein leichtes Antippen des Sensors nicht mehr ausreichend ist, die Kugel aus der Ruhelageposition heraus zu bewegen und somit eine Signaländerung an den äußeren Messstellen des Sensors zu bewirken. Die Empfindlichkeit des Sensors kann mit dieser einfachen Variante um einen Faktor 10 reduziert werden. Ist die Vertiefung zudem so angeordnet, dass sie in der Mitte der Sensorbodenkontakte positioniert ist, ist es bei entsprechender zentrischer Anordnung der Hohlkammer um den sensorischen Bereich herum und bei geeigneten Kugelabmessungen zudem möglich, dass der Sensor in der Ruhelage hochohmig ist. Der Stromverbrauch in der Ruhelage wird auf ein Minimum reduziert. Durch eine entsprechende Verschiebung der Achse der Vertiefung zur Kammer kann erreicht werden, dass der Schalter in der Ruhelage geschlossen ist. Die Vertiefung in der Oberfläche der Sensorbodenplatte kann durch Bohren oder Fräsen hergestellt werden. Bevorzugt ist, dass dies vorzugsweise durch Ätzen erreicht wird. Die Modifikation des Ätzresists kann ohne zusätzliche Fertigungsschritte bei der Herstellung der Anschlussplatte erreicht werden. Durch diese Herstellungsart wird zugleich vermieden, dass sich infolge von Bohrprozessen ein Wall an Vertiefungsrand bildet. Die Vertiefung hat vielmehr die Form eines Trichters. D.h. die Fläche der Anschlussplatte weist keine Erhöhungen, sondern nur eine Vertiefung auf. M.a.W. die Bodenfläche ist bis auf die Vertiefung völlig plan ausgelegt. Damit werden die Nachteile vermieden, welche bei einer Lage der Kugel auf einem Bohrgrat am Vertiefungsrand entstehen können. Denn hier kann die Kugel nämlich nicht stabil liegen. Hingegen ist es bei einem Bohrrand an der Vertiefung auch möglich, dass die Kugel zwischen Wand und Wandung eine Ruhelage einnimmt, welche nicht erwünscht ist. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung ohne Bohrgrat wird dies vermieden und die Kugel kommt alleine die der Vertiefung in die Ruhelage.
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Durch die erfindungsgemäßen Lage -und Bewegungssensoren umfassend einen Halbleiter-Chip und einen mikromechanischen Bewegungssensors in Plattenbauweise wird eine völlig neuartige Sensorklasse geschaffen, die preiswert herzustellen ist, überaus kompakt ist und überaus anwenderfreundlich in der Produktion. Dies gelingt durch die erstmalige und völlig neuartige Weise, in vertikaler Plattenbauweise einen Halbleiterchip und mikromechanische Komponenten übereinander zu stapeln und mit geeigneten, elektrisch strukturierten Kontaktfahnen, die sensorischen Bereiche und die Kontaktstellen des Halbleiterchips miteinander zu verbinden. Einmalig und völlig neuartig ist hier die vollständige hybride Integration verschiedener Werkstoffe über mindestens vier vertikal übereinanderlaminierte Platten.
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Dadurch wird die erforderliche Baufläche für den Aufbau elektronischer Systeme reduziert, die über die Bewegung andere, dritte elektronische Systeme steuern. Somit kann eine neue Klasse von Anwendungsfeldern für Bewegungssensoren erschlossen werden, die bisher aufgrund des fehlenden Bauraums nicht zugänglich war. Die Anwender dieses Sensors benötigen keine eigene Schaltungsentwicklung mehr und ersparen sich kostbare Entwicklungszeit. Sie können dadurch ihre Produkte deutlich schneller in den Markt bringen. Darüber hinaus sinken der logistische und fertigungstechnische Aufwand beim Anwender, weil er lediglich eine Komponente in seine Schaltung einbringen muss.
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Ferner bietet die Aufbauweise in Plattentechnik den Vorteil, dass viele gleichartige Teile auf einen größeren Nutzen regelmäßig angeordnet werden können und zeitgleich und somit kostensparend produziert werden können.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben.
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1 beschreibt den Aufbau des erfindungsgemäßen Bewegungs- und Lagesensors. In diesem Beispiel ist der Sensor aus 5 Schichten aufgebaut:
Anschlussplatte 1, die den Boden des Sensors bildet,
Chiprahmenplatte 6,
Sensorbodenplatte 3,
Sensorkammerplatte 4,
Sensordeckelplatte 5 sowie
Halbleiterchip 2 der in die Chiprahmenplatte 6 eingefügt wird.
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2 zeigt einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Sensors:
In diesem Beispiel befinden sich unter der Anschlussplatte 1 die Anschlüsse 7, hier als Lötdepots. Über der Anschlussplatte 1 befindet sich eine Klebeschicht 9, auf der Chiprahmen 6 mit Halbleiterchip 2 angebracht ist. Über eine weitere Klebeschicht 9 sind diese wiederum mit der Chipbodenplatte 3 verbunden. Darüber befindet sich die Sensorkammerplatte mit Kugel 8, die ihrerseits unterhalb sowie oberhalb mit jeweils einer Klebeschicht 9 mit den Nachbarplatten verbunden ist. Oben befindet sich die Sensordeckelplatte 5.
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In 3 wird ein Blick auf die Unterseite der Anschlussplatte 1 gezeigt. Hier sind einerseits die Anschlussstellen 11 als Teile der Kontaktsäulen zu den Kontaktfahnen der darüber liegenden Platten des Sensors sowie die Kontaktstellen 10 zu dem Halbleiterchip gezeigt.
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4 zeigt eine Detailaufnahme der Chiprahmenplatte 6, mit Anschlussstellen 12 als Teile der Kontaktsäulen und einer Aussparung 13 für den Chip.
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5 zeigt eine Ansicht von oben auf die Sensorbodenplatte 3. Zu erkennen ist der sensorische Bereich 15 sowie dessen Kontaktfahne 14. Ferner wird in diesem Beispiel eine Isolationsschicht 16 gezeigt und die Anschlussstellen 17 als Teile der Kontaktsäulen.
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In 6 werden Details der Sensorkammerplatte 4 gezeigt. Im Einzelnen ist in diesem Beispiel der zylindrische, sensorische Bereich 18 der Sensorkammerplatte gezeigt sowie die Anschlussstellen 20 als Teile der Kontaktsäulen und Kontaktfahnen 19.
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7 zeigt die Sensordeckelplatte 5 mit der Kontakfahne 23, den Anschlussstellen 24 als Teile der Kontaktsäulen, dem sensorischen Bereich 22 sowie einer Isolationsschicht 21.
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8 zeigt in Seitenansicht eine Alternative des erfindungsgemäßen Aufbaus, bei der in die Sensorbodenplatte 3 eine Aussparung 30 für den Chip 2 angebracht ist, beispielsweise durch Tiefenfräsung.
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9 zeigt zwei Alternativen für das Anbringen der äußeren Anschlüsse 7 an der Anschlussplatte 1.
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In 9a werden die Öffnungen 31 mit einem flachen Metallstück 32 verschlossen. Anschließend werden darauf die Lötdepots abgeschieden. Der Chip ist in diesem Beispiel über Lötkugeln 33 auf der Anschlussplatte 1 angebracht.
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In Alternative 9b werden die Anschlüsse 7 unmittelbar auf die Öffnungen angebracht. Dadurch liegt über den Anschlüssen eine Luftsäule 33.
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10 zeigt die schematische Funktionsweise des erfindungsgemäßen Bewegungs- und Lagesensors. Von der Versorgungsspannung Vcc von Sensor und Chip an einem gemeinsamen äußeren Anschluss 41 ausgehend, fließt ein Strom über das Sensorelement 46, sofern die Kugel bei Bewegung den Kontakt geschlossen hat. Dieser Strom erzeugt an dem Widerstand (R) 44 einen Spannungsabfall, der am Eingang 43 des Chips detektiert wird. Der Strom fließt in den durch das sensorische System – gebildet aus Widerstand 44 und Bewegungssensor 46 – gemeinsamen GND-Anschluss 42. Die Versorgungsspannung Vcc und GND sind am Chip über 41 und 42 angeschlossen. Über die I/O-Schnittstellen 45 (steht für I/O1 bis I/On) und die Anschlüsse 7 kann der Chip verschiedene weitere externe Systeme bzw. Geräte steuern und ggf. Sensorinformationen anderer Sensoren auswerten. Der Widerstand 44, die äußere passive Sensorbeschaltung, kann bevorzugt auch in den Sensor eingebracht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3927286 [0002]
- US 4434337 [0002]
- US 5410113 A [0003]
- EP 1939911 [0003]
- DE 10158416 C1 [0004]
- WO 2008071289 A1 [0004]
- WO 2012062800 [0004]
- DE 102010038154 A1 [0005]
- US 2005/0287700 A1 [0005]
- DE 2009009087 U1 [0005]
- DE 102005047106 A1 [0005]
