DE102012203135B4 - Micromechanical sensor arrangement and a corresponding manufacturing process and use - Google Patents
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Abstract
Mikromechanische Sensoranordnung mit:einem Substrat (S; S1; S1') mit einer Vorderseite (V; V1; V1') und einer Rückseite (R; R1; R1');wobei auf der Vorderseite (V; V1; V1') eine erste mikromechanische Sensorvorrichtung (M1; M11; M11') und auf der Rückseite (R; R1; R1') eine zweite mikromechanische Sensorvorrichtung (M2; M12; M12') integriert ist,wobei die erste mikromechanische Sensorvorrichtung (M11) einen Inertialsensor und die zweite mikromechanische Sensorvorrichtung (M12) einen Drucksensorbereich oder einen Magnetfeldsensor umfasst.Micromechanical sensor arrangement with: a substrate (S; S1; S1 ') with a front side (V; V1; V1') and a rear side (R; R1; R1 '); with a first micromechanical sensor device (M1; M11; M11 ') and on the rear side (R; R1; R1') a second micromechanical sensor device (M2; M12; M12 ') is integrated, the first micromechanical sensor device (M11) an inertial sensor and the second micromechanical sensor device (M12) comprises a pressure sensor area or a magnetic field sensor.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensoranordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren sowie eine entsprechende Verwendung.The present invention relates to a micromechanical sensor arrangement and a corresponding manufacturing method and a corresponding use.
Stand der TechnikState of the art
Mikromechanische Sensoranordnungen werden heutzutage entweder als diskrete Sensoren auf eigenen Chips oder als integrierte Sensoren zusammen mit einer zugehörigen Auswerteschaltung hergestellt. Bei integrierten Sensoren gibt es entweder eine vertikale Integration, wobei der Sensor oberhalb der Auswerteschaltung angeordnet ist, oder eine laterale Integration, wobei der Sensor neben der Auswerteschaltung angeordnet ist.Micromechanical sensor arrangements are nowadays produced either as discrete sensors on their own chips or as integrated sensors together with an associated evaluation circuit. In the case of integrated sensors, there is either vertical integration, with the sensor being arranged above the evaluation circuit, or lateral integration, with the sensor being arranged next to the evaluation circuit.
Bei lateraler Integration erfordert die Montage von Sensorchip und ASIC-Auswerteschaltungschip nebeneinander erhöhten lateralen Platz, und es müssen kostenintensive elektrische Verbindungen zwischen den Chips geschaffen werden. Bei vertikaler Integration von Sensorchip und ASIC-Auswerteschaltungschip bzw. umgekehrt bestehen Einschränkungen in der Designfreiheit, und die Gesamthöhe des Aufbaus ist ebenfalls beträchtlich.In the case of lateral integration, the assembly of the sensor chip and the ASIC evaluation circuit chip next to one another requires increased lateral space, and cost-intensive electrical connections must be created between the chips. With vertical integration of the sensor chip and ASIC evaluation circuit chip, or vice versa, there are restrictions in the freedom of design and the overall height of the structure is also considerable.
Der für die Auswerteschaltung vorgesehene Flächenanteil des Chips muss einen komplexen und aus vielen Schritten bestehenden Halbleiterprozess und anschließend noch den Sensorprozess durchlaufen. Dies reduziert die Gesamtausbeute und führt in der Regel zu Mehrkosten dadurch, dass die Schaltungsfläche die Sensorprozessschritte und umgekehrt die Sensorfläche die Halbleiterprozessschritte durchlaufen muss.The area of the chip intended for the evaluation circuit must go through a complex semiconductor process consisting of many steps and then the sensor process. This reduces the overall yield and usually leads to additional costs because the circuit area has to go through the sensor process steps and, conversely, the sensor area has to go through the semiconductor process steps.
Kostengünstig wird dieser Ansatz nur, wenn z.B. hohe Prozesssynergien genutzt werden können und die jeweiligen Prozessausbeuten sehr hoch sind. Ein modularer Austausch des ASIC-Schaltungschips ist nicht ohne Weiteres möglich.This approach is only cost-effective if e.g. high process synergies can be used and the respective process yields are very high. A modular exchange of the ASIC circuit chip is not easily possible.
Aus der
In
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft eine mikromechanische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 5 sowie eine entsprechende Verwendung nach Anspruch 9.The present invention creates a micromechanical sensor arrangement according to
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred further developments are the subject of the subclaims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße mikromechanische Sensoranordnung und das entsprechende Herstellungsverfahren erlauben eine sehr kostengünstige Sensorfertigung und ermöglichen eine besonders platz- bzw. raumsparende, kleine Bauweise für Sensoren und/oder Aktoren. Gleichzeitig ermöglicht die Anordnung einen modularen Aufbau, der es erlaubt, einzelne Chips ohne große Entwicklungsaufwände durch andere zu ersetzen.The micromechanical sensor arrangement according to the invention and the corresponding production method allow very cost-effective sensor production and enable a particularly space-saving and space-saving, small design for sensors and / or actuators. At the same time, the arrangement enables a modular structure that allows individual chips to be replaced by others without great development effort.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, auf einem einzigen Substrat mindestens zwei funktionale MEMS-Bereiche monolithisch zu integrieren, wobei die funktionalen MEMS-Bereiche auf gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats integriert sind. In den funktionalen MEMS-Bereichen werden jeweils Sensoren und/oder Aktoren realisiert, die vorzugsweise auf verschiedene äußere voneinander unabhängige Stimuli empfindlich sind bzw. reagieren.The idea on which the present invention is based consists in monolithically integrating at least two functional MEMS areas on a single substrate, the functional MEMS areas being integrated on opposite surfaces of the substrate. In the functional MEMS areas, sensors and / or actuators are implemented, which are preferably sensitive or react to different external, independent stimuli.
Optional kann mindestens ein weiteres strukturiertes Substrat mit einem funktionalen MEMS-Bereich oder als Schutz auf wenigstens einer der beiden Oberflächen durch ein Bondverfahren mit dem Substrat verbunden sein.Optionally, at least one further structured substrate can be connected to the substrate with a functional MEMS area or as protection on at least one of the two surfaces by a bonding process.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind ein oder mehrere Inertialsensorbereiche und ein Magnetsensorbereich auf gegenüberliegenden Oberflächen desselben Substrats vorgesehen.In a preferred embodiment, one or more inertial sensor areas and a magnetic sensor area are provided on opposite surfaces of the same substrate.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind ein oder mehrere Inertialsensorbereiche und ein Drucksensorbereich auf gegenüberliegenden Oberflächen desselben Substrats vorgesehen.In a further preferred embodiment, one or more inertial sensor areas and a pressure sensor area are provided on opposite surfaces of the same substrate.
Optional können die beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats mittels einem oder mehrerer Durchkontakte miteinander verbunden werden.Optionally, the two opposite surfaces of the substrate can be connected to one another by means of one or more through contacts.
Eine besonders bevorzugte Verwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensoranordnung besteht in der Verwendung zur Navigation in mobilen Endgeräten.A particularly preferred possible use of the micromechanical sensor arrangement according to the invention is to use it for navigation in mobile terminals.
Die Erfindung ermöglicht somit die Integration mehrerer MEMS-Funktionen auf einem Substrat verbunden mit einem kostengünstigen vertikalen Integrationsansatz, wobei die Siliziumfläche nur zwei weniger komplexe Sensorprozesse durchläuft. Ebenfalls vereinfacht ist die Aufbau- und Verbindungstechnik.The invention thus enables the integration of several MEMS functions on a substrate combined with a cost-effective vertical integration approach, the silicon area only going through two less complex sensor processes. The construction and connection technology is also simplified.
Prinzipiell lässt sich durch die monolithische Integration von verschiedenen MEMS-Funktionen auf einem Substrat eine erhöhte Paarungsdichte und damit kleinere Bauelemente realisieren. Bei der Integration von MEMS-Funktionen mit verschiedenen Wirkprinzipien und Funktionsschichten (magnetisch/kapazitiv) werden jedoch oft verschiedene Funktionsschichten benötigt. Werden diese verschiedenen MEMS-Funktionen nach dem Stand der Technik auf einer einzigen Oberfläche eines Substrats hergestellt, so ergeben sich in der Regel nur sehr geringe Prozesssynergien, und entstehen gleichzeitig geometrische Einschränkungen für das Design der MEMS-Funktionen. In vielen Fällen müssen Extramaßnahmen zur Vermeidung von unerwünschten Prozesswechselwirkungen, z.B. Aufbringung von temporären Schutzschichten, getroffen werden. Die Ausbeuten der MEMS-Prozesse für die verschiedenen MEMS-Funktionen werden miteinander multipliziert, was dazu führt, dass die Prozesskosten höher liegen als sie eigentlich sein sollten.In principle, through the monolithic integration of various MEMS functions on a substrate, an increased pairing density and thus smaller components can be achieved. When integrating MEMS functions with different operating principles and functional layers (magnetic / capacitive), however, different functional layers are often required. If these various MEMS functions are produced according to the state of the art on a single surface of a substrate, there are generally only very slight process synergies and, at the same time, geometric restrictions arise for the design of the MEMS functions. In many cases, extra measures must be taken to avoid undesirable process interactions, e.g. Application of temporary protective layers. The yields of the MEMS processes for the various MEMS functions are multiplied with one another, which means that the process costs are higher than they should actually be.
Die Erfindung ermöglicht die Integration von MEMS-Funktionen, insbesondere mit unterschiedlichen Wirkprinzipien und Funktionsschichten, auf verschiedenen Seiten eines Substrats, wodurch die geometrische Einschränkung im Design der MEMS-Funktionen praktisch vollständig entfällt. Können beide MEMS-Prozesse mit hoher Ausbeute gefahren werden, ergibt sich ein Kostenvorteil gegenüber diskreten, lateralen und vertikalen Integrationskonzepten.The invention enables the integration of MEMS functions, in particular with different operating principles and functional layers, on different sides of a substrate, whereby the geometric restriction in the design of the MEMS functions is practically completely eliminated. If both MEMS processes can be run with a high yield, there is a cost advantage compared to discrete, lateral and vertical integration concepts.
Werden die beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats mittels Durchkontakten miteinander verbunden, so müssen elektrische Verbindungen nur zu einer der Oberflächen geschaffen werden, um die Sensorsignale nach außen führen zu können. Der Verpackungsprozess wird dadurch günstiger. Die Prozessschritte zur Erzeugung der Durchkontakte finden für alle auf dem Substrat befindlichen Bauelemente simultan statt, und sie können daher - vor allem bei vielen Durchkontakten - in Summe günstiger sein als ein serieller Kontaktierungsprozessschritt beim Verpacken der elektrischen Verbindungen auf beiden Oberflächen schafft.If the two opposing surfaces of the substrate are connected to one another by means of through contacts, electrical connections only need to be created to one of the surfaces in order to be able to lead the sensor signals to the outside. This makes the packaging process cheaper. The process steps for producing the vias take place simultaneously for all components located on the substrate, and they can therefore - especially with many vias - overall be cheaper than a serial contacting process step creates when packaging the electrical connections on both surfaces.
FigurenlisteFigure list
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Querschnittsansicht einer mikromechanischen Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
2 eine schematische Querschnittsansicht einer mikromechanischen Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
3 eine schematische Querschnittsansicht einer mikromechanischen Sensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
4 eine schematische Querschnittsansicht einer mikromechanischen Sensoranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und -
5 einen Fließplan eines Herstellungsverfahrens für eine mikromechanische Sensoranordnung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
1 a schematic cross-sectional view of a micromechanical sensor arrangement according to a first embodiment of the present invention; -
2 a schematic cross-sectional view of a micromechanical sensor arrangement according to a second embodiment of the present invention; -
3 a schematic cross-sectional view of a micromechanical sensor arrangement according to a third embodiment of the present invention; -
4th a schematic cross-sectional view of a micromechanical sensor arrangement according to a fourth embodiment of the present invention; and -
5 a flow chart of a production method for a micromechanical sensor arrangement according to a fifth embodiment of the present invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
Durch eine derartige Anordnung von funktionalen MEMS-Bereichen
Bei der zweiten Ausführungsform gemäß
Insbesondere ist bei der zweiten Ausführungsform eine elektrische Kontaktfläche
Auf diese Art und Weise lässt sich erreichen, dass bei der Montage nur Anschlüsse bzw. Verdrahtungen auf der Vorderseite
Selbstverständlich kann das Substrat
In
Der erste funktionale MEMS-Bereich
Der zweite funktionale MEMS-Bereich
Eine derartige Anordnung lässt sich beispielsweise als Magnetsensor ausgestalten.Such an arrangement can be designed as a magnetic sensor, for example.
Verkappt ist das erste Substrat
Eine derartige mikromechanische Sensoranordnung gemäß den Ausführungsformen lässt sich beispielsweise bei einem Bauelement für Navigation einsetzen.Such a micromechanical sensor arrangement according to the embodiments can be used, for example, in a component for navigation.
Bei der vierten Ausführungsform gemäß
Auf der Rückseite
Über einen Bondrahmen
Der funktionale MEMS-Bereich
Durch die Vorsehung von drei funktionalen MEMS-Bereichen
Wie in
Im zweiten Schritt
Im dritten Schritt
Im Anschluss daran ist die mikromechanische Sensoranordnung nach
Optionalerweise kann auch ein Schritt
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Although the present invention has been fully described above on the basis of preferred exemplary embodiments, it is not restricted thereto, but rather can be modified in many different ways.
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