DE102013211378A1

DE102013211378A1 - Mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung und entsprechendes Herstellungsverfahren sowie mikromechanische Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102013211378A1
Application number: DE102013211378.1A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schiller; Jochen Franz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2014-12-18
Anticipated expiration: 2033-06-19
Also published as: DE102013211378B4; US20140366630A1; US9816953B2; CN104237329A; CN104237329B

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') umfasst ein Substrat (1) mit einer Vorderseite (V) und einer Rückseite (R); eine über und/oder unter der Vorderseite (V) des Substrats (1) vorgesehenen interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c); und eine über und in den Zwischenräumen der interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c) befindlichen feuchteempfindlichen Polymerschicht (10). Die die feuchteempfindliche Polymerschicht (10) setzt sich unter der Vorderseite (V) in das Substrat (1) hinein fort.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren sowie eine mikromechanische Sensoranordnung.
Stand der Technik
Obwohl prinzipiell auf beliebige mikromechanische Feuchtesensorvorrichtungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrunde liegende Problematik anhand von mikromechanischen Feuchtesensoren und Drucksensoren auf Siliziumbasis erläutert.
Mikromechanische Drucksensoren sind mittlerweile sowohl im Automotivebereich als auch im Consumeranwendungsbereich Standardsensoren. Für die zusätzliche Messgröße Feuchtigkeit gewinnen momentan Feuchtesensoren zunehmend an Bedeutung.
Gegenwärtig liegen beide Sensortypen als Einzelsensoren in mikromechanischer Aufbauweise vor und werden in eigenständigen Packages appliziert. Jeder Sensor hat denselben Zugang zur Medienumgebung und sieht dabei dieselben Umgebungsbedingungen. Es ist jedoch prinzipiell auch denkbar, beide Sensortypen in demselben Substrat zu integrieren, wie nachstehend anhand von 6 erläutert.
6 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer aus der DE 199 17 717 A1 bekannten mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung in Kombination mit einer aus der DE 198 53 135 A1 bekannten Drucksensorvorrichtung.
In 6 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Siliziumsubstrat mit einer Vorderseite V und einer Rückseite R, in dem nebeneinanderliegend ein Feuchtesensor FS0 und ein Drucksensor PS integriert sind.
Der Feuchtesensor FS0 weist eine im Substrat liegende Potentialwanne 5, z.B. eine p-Wanne auf. Auf der Vorderseite V des Substrats 1 aufgebracht ist eine Isolationsschicht 4, beispielsweise aus Siliziumnitrid. Über der Potentialwanne 5 und auf der Isolationsschicht 4 aufgebracht ist eine interdigitale Leiterbahnanordnung mit Leiterbahnabschnitten L1, L2 und L3, auf der sich eine feuchteempfindliche Polymerschicht 10 befindet, welche sich in die Zwischenräume zwischen den Leiterbahnabschnitten L1, L2, L3 fortsetzt, und diese somit umgibt. Nicht dargestellt in 6 ist eine optionale auf der feuchteempfindlichen Polymerschicht 10 vorgesehene Elektrode, z. B. eine Goldelektrode.
Durch eine Kapazitätsmessung lässt sich der Feuchtegehalt der feuchteempfindlichen Polymerschicht 10 bestimmen, beispielsweise durch eine einfache Kapazitätsmessung, einer Halbbrückenmessung oder einer Vollbrückenmessung, wobei bei letzteren mehrere interdigitale Leiterbahnanordnungen nebeneinander auf der Isolationsschicht 4 vorzusehen wären.
Der Drucksensors PS gemäß 6 weist eine in Substrat 1 befindliche Kaverne 3 auf, oberhalb der ein Membranbereich M gebildet ist. Im bzw. auf dem Membranbereich M vorgesehen sind piezoresistive Widerstände P1, P2, welche bei Deformation des Membranbereichs M Ihre Widerstand ändern und somit ein Signal für den anliegenden Druck bereitstellen können.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 5 sowie eine mikromechanische Sensoranordnung nach Anspruch 9.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee beruht auf der Idee, die Feuchtesensitivität dadurch zu erhöhen, dass die feuchteempfindliche Polymerschicht zwischen den Kapazitätsfingern ins Substrat fortsetzt.
Im Fall einer Sensoranordnung mit einer erfindungsgemäßen Feuchtesensorvorrichtung in Kombination mit einer an sich bekannten Drucksensorvorrichtung lassen sich bei der Auswertung der Sensorsignale und beim Herstellungsverfahren Synergieeffekte erzielen. Durch die Integration beider Sensorfunktionen in einem Substrat ist es möglich, ein einziges Package sowie eine einzige kombinierte Auswerteeinheit vorzusehen. Nachdem der Medienzugang und die Anforderungen an beide Sensortypen identisch sind, kann die Aufbau- und Verbindungstechnik wesentlich vereinfacht werden. Eine derartige monolithische Integration hat zudem wesentliche Kostenvorteile gegenüber diskreten Sensoren.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung setzt sich die feuchteempfindliche Polymerschicht in in den Zwischenräumen der interdigitalen Leiterbahnanordnung befindliche Gräben im Substrat fort. Derartige Gräben sind einfach durch einen Trenchätzprozess herstellbar, wobei die interdigitale Leiterbahnanordnung als selbstjustierte Maske dienen kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung setzt sich die feuchteempfindliche Polymerschicht in eine mit der feuchteempfindlichen Polymerschicht gefüllte, unter der interdigitalen Leiterbahnanordnung befindliche Wanne im Substrat fort. Somit ist die interdigitale Leiterbahnanordnung allseits von der feuchteempfindlichen Polymerschicht umgeben, was die Empfindlichkeit erhöht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die interdigitale Leiterbahnanordnung eine erste über der Vorderseite des Substrats vorgesehene interdigitale Leiterbahnanordnung und eine zweite dazu parallele unter der Vorderseite des Substrats vorgesehene interdigitale Leiterbahnanordnung auf, welche derart aufeinander angeordnet sind, dass sie elektrisch miteinander verbunden sind. Damit ist die Kapazität erhöht und demzufolge ebenfalls die Empfindlichkeit.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
6 eine schematische Querschnittsdarstellung einer aus der DE 199 17 717 A1 bekannten mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung in Kombination mit einer aus der DE 198 53 135 A1 bekannten Drucksensorvorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.
1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäß 1 sind eine Feuchtesensorvorrichtung FS gemäß der ersten Ausführungsform und eine Drucksensorvorrichtung PS nebeneinander in demselben Substrat 1 integriert.
Der Aufbau der Drucksensorvorrichtung PS ist ebenso, wie oben mit Bezug auf 6 beschrieben.
Die Feuchtesensorvorrichtung FS unterscheidet sich von dem oben mit Bezug auf 6 bereits beschrieben Aufbau dadurch, dass sich die feuchteempfindliche Polymerschicht 10 unter der Vorderseite V in das Substrat 1 hinein fortsetzt. Hierzu werden durch einen üblichen Trenchätzprozess Gräben G1, G2 in den Zwischenräumen zwischen den Leiterbahnabschnitten L1, L2, L3 ins Substrat 1 bzw. in die darin befindliche Potentialwanne 5, welche optional ist, geätzt. Bei diesem Ätzprozess können die Leiterbahnabschnitte L1, L2, L3 der in der digitalen Leiterbahnanordnung als selbstjustierte Masken verwendet werden. Der Umgebungsbereich ist dabei durch eine entsprechende Zusatzmaske zu schützten.
Nach Bilden der Gräben G1, G2 erfolgt das Abscheiden und Strukturieren der feuchteempfindlichen Polymerschicht 10, welche somit in den Abschnitten 101, 102 die Gräben zwischen den Leiterbahnabschnitten L1, L2, L3 auffüllt und damit ins Substrat 1 hineinreicht. Durch diese Anordnung lässt sich die Sensitivität der Feuchtesensorvorrichtung FS erhöhen.
2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der zweiten Ausführungsform gemäß 2 ist im Vergleich zur ersten Ausführungsform die Feuchtesensorvorrichtung FS' dadurch modifiziert, dass in der Potentialwanne 5 eine weitere interdigitale Leiterbahnanordnung L1a, L1b, L1c vorgesehen ist, welche parallel zu interdigitalen Leiterbahnanordnung L1, L2, L3 verläuft und mit dieser dadurch elektrisch verbunden ist, dass sie durch Kontaktlöcher in der Isolationsschicht 4 mit ihr direkt verbunden ist. Die weitere digitale Leiterbahnanordnung L1a, L1b, L1c lässt sich beispielsweise durch einen Diffusionsprozess in die Potentialwanne 5 einbringen.
Der übrige Aufbau der zweiten Ausführungsform ist analog zur ersten Ausführungsform, wobei bevorzugt ist, dass die Bereiche 101, 102 der feuchteempfindlichen Polymerschicht 10 weiter ins Substrat 1 hineinreichen als die Leiterbahnabschnitte L1a, L1b, L1c der weiteren interdigitalen Leiterbahnanordnung, um Streufelder abzuschirmen.
3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der dritten Ausführungsform gemäß 3 ist im Vergleich zur zweiten Ausführungsform bei der Feuchtesensorvorrichtung FS'' die interdigitale Leiterbahnanordnung L1, L2, L3 weggelassen, und nur die in der Potentialwanne 5 befindliche interdigitale Leiterbahnanordnung L1a, L1b, L1c vorgesehen. Ansonsten ist der Aufbau identisch zur oben beschriebenen zweiten Ausführungsform.
4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der vierten Ausführungsform gemäß 4 ist die Potentialwanne 5 weggelassen. Anstattdessen befindet sich unter der interdigitalen Leiterbahnanordnung L1, L2, L3 eine Wanne W im Substrat, welche mit der feuchteempfindlichen Polymerschicht 10, 10a vollständig gefüllt ist, wobei der im Substrat liegende Teil der feuchteempfindlichen Polymerschicht 10 mit Bezugszeichen 10a bezeichnet ist. So ist es möglich, die interdigitale Leiterbahnanordnung L1, L2, L3 der betreffenden Feuchtesensorvorrichtung FS''' von allen Seiten mit der feuchteempfindlichen Polymerschicht 10, 10a zu umgeben, was die Empfindlichkeit der Feuchtesensorvorrichtung FS''' weiterhin erhöht. Die Herstellung der Wanne W kann simultan zur Erzeugen der Kavität 3 für den Drucksensor erfolgen, was prozessökonomisch sinnvoll ist.
5 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der fünften Ausführungsform ist im Vergleich zur vierten Ausführungsform die weitere interdigitale Leiterbahnanordnung L1a, L1b, L1c vorgesehen, welche mit der interdigitalen
Leiterbahnanordnung L1, L2, L3 in elektrischer Verbindung ist und parallel dazu verläuft. Eine derartige Anordnung ist durch einen entsprechend gesteuerten Ätzprozess bei der Bildung der Wanne W erhältlich. Ansonsten ist die fünfte Ausführungsform analog aufgebaut zur vierten Ausführungsform.
Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die Feuchtesensorvorrichtung in Kombination mit einer Drucksensorvorrichtung dargestellt ist, ist es möglich, die Feuchtesensorvorrichtung auch als Einzelsensor zu verwenden. Die Kombination bietet sich jedoch insbesondere aufgrund prozesstechnischer Synergieeffekte an.
Die monolithische Integration der oben beschriebenen Sensoranordnungen von Drucksensorvorrichtung PS und Feuchtesensorvorrichtung FS, FS', FS'', FS''', FS'''' nebeneinander ist relativ einfach umsetzbar. Eine direkte mechanische Wechselwirkung mit der Drucksensorbrückenschaltung (nicht dargestellt) kann über einen entsprechenden Abstand minimiert werden. Auch sollten Aluminiumstrukturen im Abstand zum Membranbereich M platziert werden, um thermische Hysteresen für die Drucksensorvorrichtung PS zu vermeiden. Bondpads zur Kontaktierung der Sensoranordnung können auf verschiedenen Seiten oder auf der gleichen Seite der Sensorvorrichtungen angeordnet werden. Je nach Genauigkeitsanforderung kann die Komplexität der Kapazitäten für die Feuchtesensorvorrichtung auch als Halbbrücke oder Vollbrücke ausgeführt werden. Bei einfachen Kapazitätsstrukturen sind gegebenenfalls notwendige Referenzkapazitäten in der Auswertungsschaltung vorzusehen.
Die Integration von piezoresistiven Widerständen, Kapazitäten und beispielsweise zusätzlichen Temperaturdioden bewirkt, dass unterschiedliche Signalwandlungen in der Auswerteschaltung vorgesehen werden müssen. Wird beispielsweise anstatt des piezoresistiven Drucksensors ein kapazitiver Drucksensor verwendet, so ergibt sich dadurch eine zusätzliche Vereinfachung der Auswerteschaltung. Die Auswerteschaltung kann die benötigten Signalwandler enthalten, welche Ihre Signale über eine multiplexer Schaltung an einen A/D-Wandler weiterleiten, dessen Ausgangssignal eine Datenverarbeitungseinrichtung zugeführt wird. Als Sensorverpackung für die oben beschriebenen Sensoranordnungen kann auf bekannte Verpackungen zurückgegriffen werden. Der Sensorchip mit der Sensoranordnung und der ASIC-Ship mit der Auswerteschaltung können auch einem gemeinsamen Substrat angeordnet werden, wobei der Sensorchip über eine Metallkappe mit Medienzugang geschützt werden kann. Eine zusätzliche Medienpassivierung wird dabei nicht vorgenommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19917717 A1 [0005, 0023]
DE 19853135 A1 [0005, 0023]

Claims

Mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') mit: einem Substrat (1) mit einer Vorderseite (V) und einer Rückseite (R); einer über und/oder unter der Vorderseite (V) des Substrats (1) vorgesehenen interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c); und einer über und in den Zwischenräumen der interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c) befindlichen feuchteempfindlichen Polymerschicht (10); wobei sich die feuchteempfindliche Polymerschicht (10) unter der Vorderseite (V) in das Substrat (1) hinein fortsetzt.
Mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') nach Anspruch 1, wobei sich die feuchteempfindliche Polymerschicht (10) in in den Zwischenräumen der interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c) befindliche Gräben (G1, G2) im Substrat (1) fortsetzt.
Mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') nach Anspruch 1, wobei sich die feuchteempfindliche Polymerschicht (10) in eine mit der feuchteempfindlichen Polymerschicht (10) gefüllte, unter der interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c) befindliche Wanne (W) im Substrat (1) fortsetzt.
Mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die interdigitale Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c) eine erste über der Vorderseite (V) des Substrats (1) vorgesehene interdigitale Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3) und eine zweite dazu parallele unter der Vorderseite (V) des Substrats (1) vorgesehene interdigitale Leiterbahnanordnung (L1a, L1b, L1c) aufweist, welche derart aufeinander angeordnet sind, dass sie elektrisch miteinander verbunden sind.
Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') mit den Schritten: Bereitstellen von einem Substrat (1) mit einer Vorderseite (V) und einer Rückseite (R); Bilden einer interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L2a, L3a) über und/oder unter der Vorderseite (V) des Substrats (1); und Bilden einer feuchteempfindlichen Polymerschicht (10) über und in den Zwischenräumen der interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c), welche sich unter der Vorderseite (V) in das Substrat (1) hinein fortsetzt.
Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') nach Anspruch 5, wobei in den Zwischenräumen der interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c) Gräben (G1, G2) im Substrat (1) gebildet und mit der feuchteempfindlichen Polymerschicht (10) gefüllt werden, so dass sich die feuchteempfindliche Polymerschicht (10) in die Gräben (G1, G2) im Substrat (1) fortsetzt.
Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') nach Anspruch 5, wobei im Substrat (1) unter der interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c) eine Wanne (W) gebildet und mit der feuchteempfindlichen Polymerschicht (10) gefüllt wird, so dass sich die feuchteempfindliche Polymerschicht (10) in die Wanne (W) im Substrat (1) fortsetzt.
Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, wobei die interdigitale Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c) derart gebildet wird, dass sie eine erste über der Vorderseite (V) des Substrats (1) vorgesehene interdigitale Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3) und eine zweite dazu parallele unter der Vorderseite (V) des Substrats (1) vorgesehene interdigitale Leiterbahnanordnung (L1a, L1b, L1c) aufweist, welche derart aufeinander angeordnet sind, dass sie elektrisch miteinander verbunden sind.
Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8, wobei neben der mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') eine Drucksensorvorrichtung (PS) im Substrat (1) integriert wird.
Mikromechanische Sensoranordnung mit einer Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei neben der mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') eine Drucksensorvorrichtung (PS) im Substrat (1) integriert ist.
Mikromechanische Sensoranordnung nach Anspruch 10, wobei die Drucksensorvorrichtung (PS) einen Membranbereich (M) mit darin oder darauf vorgesehenen Piezowiderständen (P1, P2) aufweist.
Mikromechanische Sensoranordnung nach Anspruch 10, wobei die Drucksensorvorrichtung (PS) eine kapazitive Drucksensorvorrichtung ist.