DE102014010116A1 - MEMS Sensor für schwierige Umgebungen und Medien - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen typischerweise CMOS prozessierten mikromechanischen Sensor (3) aus Silizium, mit einer Sensorzelle und mindestens einem mikromechanischen Funktionselement, das mit seiner CMOS-Oberfläche in direkten Kontakt mit einem aggressiven Medium stehen kann. Dabei weist der mikromechanische Sensor (3) auf der CMOS-prozessierten Oberfläche zumindest einem ersten Bereich (A) auf, der die Sensorzelle mit einer vergrabenen Kavität umfasst und der für den direkten Kontakt mit dem Medium verwendet werden kann. Wesentlich ist, dass dieser erste Bereich (A) keine Metallisierung aufweist und somit nicht korrosionsanfällig ist. Des Weiteren weist der erfindungsgemäße Sensor einen zweiten Bereich (B) auf, der ebenfalls keine Metallisierung aufweist. Es ist die Funktion des zweiten Bereiches (B), zusammen mit einer ersten Dichtung oder Moldmasse (77) den Durchtritt des Mediums in einen dritten Bereich (C) des mikromechanischen Sensors abzudichten und damit zu verhindern. Das Bondsystem und alle eine Metallisierung erfordernden Schaltungskomponenten sind in einem dritten Bereich (C) angesiedelt. Der zweite Bereich (B) befindet sich auf der prozessierten Oberfläche immer zwischen dem dritten Bereich (C) und dem ersten Bereich (A) sodass der der dritte Bereich (C) von dem ersten Bereich (A) auf der prozessierten Oberfläche nicht berührt wird.

Description

  • In vielen Anwendungen ist die Messung von Drücken in schwierigen Umgebungen von besonderer Bedeutung. Hierbei ergibt sich das Problem, dass die Drucksensoren mit dem Mediendruck versorgt werden müssen. Hierfür sollen die Drucksensoren möglichst nahe an den Druckraum herangebracht werden, um Verfälschungen des Messergebnisses zu verhindern. Ein direkter Kontakt zwischen der Sensormembrane und dem zu vermessenden Medium ist wünschenswert.
  • Im Stand der Technik sind hierzu verschiedene Lösungen bekannt. Als Beispiel ist die US8049290B2 ( US20090206467A1 ) zu nennen, bei der das Medium über die Rückseite eines Plastikgehäuses zugeführt wird. Der in der US8049290B2 (US20090206467A1) dargestellte Sensor (Bezugszeichen 2 der US8049290B2, US20090206467A1) besteht aus drei Teilen: Einem mittleren MEMS-Chip, der an seiner Oberseite, also der der Zutrittsöffnung gegenüberliegenden Sensoroberfläche die eigentlichen piezoresistiven Sensorstrukturen auf der CMOS prozessierten Oberfläche aufweist, einer darauf gebondeten Glaskappe, die mit dem mittleren Chip typischerweise die ebenso typischerweise evakuierte Referenz-Kavität bildet und einem unteren Chip, dem sogenannten Constraint-Wafer, mit einer Bohrung, die durch diesen unteren Chip und typischerweise bis in den mittleren Bereich hinein reicht. Ein solcher Sensor ist ohne Constraint-Wafer beispielsweise aus der US20030167851A1 bekannt. Der Sensor der US20030167851A1 wird aber in einem üblichen Verfahren typischerweise noch mit einer durchbohrten Bodenplatte aus Glas, dem besagten Constraint-Wafer, versehen, der das Flächenträgheitsmoment des mikromechanischen Drucksensors erhöht und damit dessen Verwindungssteifheit anhebt. Diese Glaskomponente ist in der US8049290B2 (US20090206467A1) mit Zutrittsloch zusätzlich gegenüber der US20030167851A1 eingezeichnet. Das Sensorpaket (Bezugszeichen 2 der US8049290B2, US20090206467A1) wird in der US8049290B2 (US20090206467A1) auf einen Leadframe geklebt (Bezugszeichen 3 der US8049290B2, US20090206467A1). Damit der Leadframe nicht korrodiert, bedeckt die Moldmasse (Bezugszeichen 5 der US8049290B2, US20090206467A1) im Bereich der Zutrittsöffnung (Bezugszeichen 21 der US8049290B2, US20090206467A1) auch den Leadframe (Bezugszeichen 3 der US8049290B2, US20090206467A1). Der wesentliche Nachteil dieser sehr aufwendigen Technik ist, dass sie zum einen eine komplexe Glaskappe (Bezugszeichen 54 der US20030167851A1) und zum anderen einen sehr teuren Ätzschritt zum Durchätzen des Substrates (Bezugszeichen 38 der US20030167851A1) zur Ausformung der Membrane (Bezugszeichen 40 der US20030167851A1) erfordert. Der Druck kann in der Konstruktion der US8049290B2 (US20090206467A1) von der Rückseite her die Membrane (Bezugszeichen 40 der US20030167851A1), nicht jedoch die auf der anderen Seite der Membrane, der CMOS-prozessierten Vorderseite, liegenden elektronischen Bauteile erreichen. Auf der CMOS-prozessierten Vorderseite liegen auch die Bonddrähte (Bezugszeichen 6 der US8049290B2, US20090206467A1). Diese sind damit ebenso wie die Bond-Pads des Drucksensors (Bezugszeichen 2 der US8049290B2, US20090206467A1) und des Auswerteschaltkreises (Bezugszeichen 10 der US8049290B2, US20090206467A1) vor Korrosion durch das Medium, dessen Druck gemessen werden soll, geschützt. Ein Nachteil einer solchen Lösung zur Messung des Drucks in aggressiven Medien ist darüber hinaus, dass die Ausdehnung eines solchen Sensors so groß ist, dass er nicht in eine M5-Schraube integriert werden kann. Auch müssen auftretende mechanischer Spannungen zwischen einer Vergussmasse, dem Sensorelement und dem Sensorgehäuse so abgefangen werden, dass es zu keiner Veränderung des Messsignals kommt. Dies alles ist insbesondere bei der Integration in eine Schraube zur beispielhaften Verwendung in einer Ölwanne eines Kfz kritisch. Zu diesem Zweck ist es sinnvoll, ja nahezu erforderlich, wenn das jeweilige drucksensitive Element in eine Schraube eingebaut werden kann, die dann wiederum sehr leicht in einen Tank, ein Rohr oder dergleichen zur Messung des Druckes eines Mediums in dem Rohr eingebaut werden kann. Ein solches Sensorsystem ist beispielsweise aus der DE3021088A1 bekannt. Dieser Sensor, der den Druck während der Verbrennung im Zylinderraum misst, ist nur zur Messung hoher Drücke geeignet. Die Offenbarung DE3021088A1 lässt dabei vollkommen offen, wie die in der Offenbarung erwähnten Elektroden vor Korrosion geschützt werden. Für die Ko-Integration eines Verstärkers sind die vorgeschlagenen Materialien Kunststoff/Keramik vollkommen ungeeignet, da es sich nicht um ein Halbleitermaterial handelt.
  • Auch aus der DE10360941A1 ist eine Schraube als äußere Form eines Sensorsystems bekannt. Das Problem der Korrosion der Leitungen und ggf. auch der Sensorelemente wird in dieser Offenbarung so gelöst, dass das eine Messeinrichtung (Bezugszeichen 6 der DE10360941A1) auf einer Membrane, oder „Materialschwächung” (Bezugszeichen 23 der DE10360941A1) angebracht wird. Dabei wurde diese Membrane (Bezugszeichen 23 der DE10360941A1) zusammen mit dem Grundkörper (Bezugszeichen 2 der DE10360941A1), also dem Schraubenkörper, gefertigt. Diese an sich schon sehr gute Lösung führt allerdings dazu, dass die Messvorrichtung (Bezugszeichen 6 der DE10360941A1) eben nicht mehr in direktem Kontakt mit dem zu vermessenden Medium ist, sondern der Druck im Medium erst durch die Materialschwächung und das Befestigungsmittel der Messeinrichtung übertragen werden muss. Diese Konstruktion ist für MEMS-Systeme ungeeignet.
  • In der Offenbarung DE 10 2004 002 089 A1 wird ein Drucksensorsystem in Form einer Schraube offenbart, das ebenfalls der Messung des Innendruckes in den Zylindern einer Verbrennungskraftmaschine dienen soll. Das Sensorelement (Bezugszeichen 21 der DE 10 2004 002 089 A1) ist dabei nicht näher spezifiziert. In der DE 10 2004 002 089 A1 wird nicht näher erläutert, wie das Leitungssystem des Sensorsystems (Bezugszeichen 21 der DE 10 2004 002 089 A1) gegen Korrosion in dieser extremen Umgebung geschützt wird. Darüber hinaus ist das Sensorelement (Bezugszeichen 21 der DE 10 2004 002 089 A1) mit der Flächennormale parallel zu der Achse des Sensorsystems montiert, was eine Vergrößerung der Bohrung zur Folge hat, da die Leitungen typischerweise von den Seiten her zugeführt werden müssen. Daher ist die Schraube und der Schraubenkopf in der DE 10 2004 002 089 A1 auch folgerichtig größer als der Schaft eingezeichnet. Diese vergrößerte Bohrung führt zu einer Schwächung des Druckraumes.
  • Auch aus der DE 2008 046 515 A1 und der DE 10 2009 048 702 A1 sind ähnliche Schraubenlösungen bekannt, die jedoch den direkten Kontakt eines mikromechanischen Drucksensors mit einem aggressiven Medium ebenfalls nicht zulassen.
  • Insbesondere für die Messung aggressiver Flüssigkeiten, wie beispielsweise Motorenöl erfreuen sich zunehmend jedoch mikromechanische Drucksensoren steigender Beliebtheit, da sie kostengünstig in großen Mengen herstellbar sind und eine ganze Reihe weiterer aus dem Stand der Technik bekannte Vorteile aufweisen. Hierfür müssen die typischerweise aus Silizium gefertigten mikromechanischen Drucksensoren in einer geeigneten Messvorrichtung mit dem zu erfassenden Druck des zu vermessenden Mediums in möglichst direkten Kontakt gebracht werden. Wird eine Wheatstone-Brücke implementiert, so ist es Stand der Technik, die Zuleitungen möglichst niederohmig in Metall auszuführen. Es ist außerdem eine allgemein verbreitete Auffassung, dass das jeweilige Medium, insbesondere Motorenöle und andere Kfz-Betriebsstoffe im Laufe der Lebensdauer des jeweiligen Produkts eine mehr oder weniger undefinierte Zusammensetzung annehmen. Daher herrscht unter den Fachleuten derzeit die weit verbreitete Annahme, dass die elektrischen Strukturen der Drucksensoren, die typischerweise in CMOS-Technik oder einer ähnlichen Halbleitertechnologie hergestellt sind, im Stand der Technik räumlich möglichst weit von dem typischerweise aggressiven Medium getrennt werden sollten. Insbesondere sollte das Medium nicht in direkten Kontakt mit der CMOS-prozessierten Oberseite des jeweiligen MEMS-Drucksensors, also typischerweise den CMOS Komponenten, kommen. Ursache hierfür sind kleine CMOS-Prozessierungsfehler, sogenannte Pin-Holes, die zu Löchern in dem Passivierungsschutz führen und daher den Zutritt des aggressiven Mediums zu durch dieses ätzbaren Strukturen erlauben. Solche Pin-Holes sind darüber hinaus nicht elektrisch im Band-Ende-Test der Halbleiterherstellung testbar und damit sehr kritisch. Dieses Paradigma führt zu den bekannten verschiedenen Nachteilen. Insbesondere im Falle einer gleichzeitigen Temperaturmessung führt dies zu Problemen mit der Reaktionsgeschwindigkeit des Systems, da die Wärmekapazität ganz erheblich erhöht wird und der Temperatursensor in der Regel weiter vom Medium platziert werden muss.
  • Allen bis hierhin beschriebenen Lösungen, bis auf einer, ist gemeinsam, dass sie das Problem des Schutzes eines mikromechanischen Drucksensors nur unvollständig lösen.
  • Einzig das in der US8049290B2 ( US20090206467A1 ) benannte Gehäuse löst dieses Problem, wenn es in eine Schraube eingebaut wird. Der dort verwendete mikromechanische Sensor ist aber relativ komplex und damit teuer.
  • Die WO2011083161A2 offenbart eine Oberflächenmikromechanik-Technologie und zugehörige Drucksensoren, ohne jedoch die konstruktiven Merkmale zu benennen, die erforderlich sind, um einen zuverlässigen Korrosionsschutz für die Metallisierung sicherzustellen. Die WO2011083161A2 offenbart verschiedene Möglichkeiten Drucksensoren mit Hilfe von Transistoren zu realisieren. Hierbei können die Gates als elektrostatische Schilde wirken, die die Eindiffusion von Protonen in die piezo-resistiven Widerstände, die Transistoren, verhindern.
  • Aus der DE 10 2004 027 094 A1 ist ebenfalls ein geeignetes Gehäuse bekannt, das durch Laser-Bearbeitung hergestellt wird. Der Korrosionsschutz soll durch ein optionales Gel (Abschnitt [0012] der DE 10 200 402 094 A1) hergestellt werden. Darüber hinaus wird aber völlig offen gelassen, wie der Sensor und insbesondere die Verbindungen zwischen Bondsystem und Sensorzelle beschaffen sein muss, um an seiner CMOS-prozessierten Oberfläche nicht korrodiert zu werden.
  • Auch die DE102008011943A1 offenbart eine Sensoranordnung mit einem Drucksensor, der mit einem Ende freischwebend im Medium platziert wird. Hierbei reicht allerdings der Lead-Frame (Bezugszeichen 25 der DE 10 200 8011 943 A1) des Konstruktes bis in den Messraum (Bezugszeichen 31 der DE 10 2008 011 943 A1) hinein und ist damit der Korrosion ausgesetzt. Darüber hinaus wird auch hier völlig offen gelassen, wie der Sensor und insbesondere die Verbindungen zwischen Bondsystem und Sensorzelle beschaffen sein muss, um an seiner CMOS-prozessierten Oberfläche nicht korrodiert zu werden. Einzig die Moldmasse wird als Schutz in Abschnitt [0017] der DE 10 2008 011 943 A1 erwähnt. Hierbei gilt es aber zu beachten, dass es zu einem Kapilareffekt zwischen Moldmasse und Sensor-Chip kommen kann. Das Medium kann also, insbesondere, wenn der Sensor im Betrieb Temperaturwechseln ausgesetzt ist, zwischen Sensorchip und Moldmasse ein gewisses Stück eindringen.
  • Die DE 10 2010 043 982 A1 offenbart hier eine weiterführende Sensoranordnung. Zum einen offenbart sie, dass die Zuleitungen in der Passivierung eingebettet und mit einer Passivierung bedeckt sein sollten (Abschnitt [0024] der DE 10 2010 043 982 A1). Zum anderen offenbart sie, wie die vorhegehenden Schriften, dass die Moldmasse (Bezugszeichen 20 der DE 10 2010 043 982 A1) die Abschnitte des Trägers (Bezugszeichen 15 der DE 10 2010 043 982 A1) schützt (Abschnitt [0027] der DE 10 2010 043 982 A1). Hierbei reicht allerdings auch hier der Lead-Frame (Bezugszeichen 15 der DE 10 2010 043 982 A1) des Konstrukts bis in den Messraum (Bezugszeichen 21 der DE 10 2010 043 982 A1) hinein und ist damit der Korrosion ausgesetzt. Darüber hinaus wird auch hier völlig offen gelassen, wie der Sensor und insbesondere die Verbindungen zwischen Bondsystem und Sensorzelle beschaffen sein muss, um an seiner CMOS-prozessierten Oberfläche nicht korrodiert zu werden. Dies gilt auch für den Auswerteschaltkreis (Bezugszeichen 44 der DE 10 2010 043 982 A1). Darüber hinaus offenbart die DE 10 2010 043 982 A1 eine Stressentkopplungsstruktur (Bezugszeichen 13 der DE 10 2010 043 982 A1) zwischen Sensorbereich (Bezugszeichen 11 der DE 10 2010 043 982 A11) und Moldmassenkörper, die durch geeignete Gräben etc. (Bezugszeichen 81 und 82 der DE 10 2010 043 982 A1) gekennzeichnet ist.
  • Beispielsweise aus der US2005/0121734A1 ist bekannt, dass die elektrischen Verbindungen aus dotiertem Silizium des Substrates, dotierten Poly-Silizium, leitfähigem Metall oder anderen leitfähigen Materialien bestehen können (Abschnitt [0031] der US2005/0121734A1). Hierbei werden auch die Metalle Aluminium, Gold, Chrom erwähnt (Abschnitte [0040] und [0044] der US2005/0121734A1). Der Korrosionsschutz soll durch einen Silizium-Nitrid-Layer (Abschnitt [0041] der US2005/0121734A1) gewährleistet werden, der aber aufgrund der Pin-Hole-Problematik für den Einsatz in aggressiven umgebungen nicht geeignet ist. Wie die Struktur der Verdrahtung gestaltet werden muss, um eine Korrosion, insbesondere des Bond-Systems, im Zusammenspiel mit einem Gehäuse zu verhindern, wird dabei nicht offenbart oder erkannt.
  • Eine geeignete, kompakte und kostengünstigere Lösung, die die Korrosion des Bondsystems zuverlässig verhindert und einen direkten Kontakt des Mediums mit der Oberfläche der Oberseite des mikromechanischen Sensors, auf der sich die aktiven Strukturen des mikromechanischen Drucksensors befinden, erlaubt, ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt. Ein weiteres wesentliches Problem ergibt sich jedoch durch den Flächenbedarf der Sensoren und der zugehörigen Auswerteschaltung.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen mikromechanischen Drucksensor zur Verfügung zu stellen, der die Systemintegration in eine M5-Schraube erlaubt, gegenüber aggressiven Medien robust ist und eine Schädigung des Bondsystems durch mechanische Spannungen insbesondere durch eine Vergussmasse ausschließt. Insbesondere soll es möglich sein, dass die aktiven Strukturen des mikromechanischen Drucksensors auf der Oberseite des mikromechanischen Sensors mit eben dieser Oberfläche in direkten chemischen und thermischen Kontakt mit dem Medium gebracht werden können. Hierzu sollen die wesentlichen konstruktiven Merkmale des mikromechanischen Drucksensors offenbart werden, der es ermöglicht eine Korrosion des Metallsystems des mikromechanischen Drucksensors im bestimmungsgemäßen Sensorsystem, das ebenfalls offenbart wird, zu verhindern. Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
  • Beschreibung der Erfindung.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Silizium, SiN und SiO2 typischerweise als resistent gegenüber den gängigen aggressiven Medien angesehen werden können. Einzig die Diffusion von Protonen aus Säuren in die p-Widerstände der piezoresistiven Sensorzelle steht dem entgegen. Des Weiteren ist die Erkenntnis ausschlaggebend, dass Metallbahnen ein wesentliches Risiko darstellen. Kleine typischerweise vorhandene Fertigungsdefekte in der Passivierung von mikroelektronischen Schaltungen können einem aggressiven Medium Zutritt zu den Metallbahnen gewähren und so eine unerwünschte Korrosion des Leiterbahnmetalls hervorrufen. In der US8049290B2 ( US20090206467A1 ) war dies durch eine Abdeckung des Leadframes mit Moldmasse und die Beschränkung des Zutritts auf die Rückseite erreicht worden. Wie oben ausgeführt, hat diese Konstruktion erhebliche Kostensteigerungen, von der Vergrößerung der Chip-Fläche einmal abgesehen, zur Folge.
  • Um die Vorderseite eines mikromechanischen Drucksensors in Kontakt mit dem aggressiven Medium bringen zu können, was nach dem Stand der Technik nicht möglich ist, ist es daher wesentlich, dass der Bereich der Sensoroberfläche, der in direkten Kontakt mit dem aggressiven Medium kommt, zum einen keine Materialien aufweist, die korrodiert werden könnten, und dass zum anderen die feldgetriebene Diffusion von Ionen und hier vor allem die Diffusion von Protonen aus einer Säure durch eine geeignete Konstruktion gestoppt wird. Darüber hinaus müssen die Teile eines solchen Drucksensors, die Metall enthalten, also insbesondere die Bond-Pads und das Bond-System, vor dem Zutritt des Mediums zuverlässig geschützt werden. Gegenüber den in der WO2011083161A2 genannten Merkmalen sind daher ganz spezielle, konstruktive Änderungen notwendig.
  • Insbesondere wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass es notwendig ist, dass zumindest ein Bereich auf der CMOS-prozessierten Oberfläche des mikromechanischen Drucksensors vorgesehen wird, der kein Metall aufweist. Aus der WO2011083161A (z. B. Seite 15 Zeilen 7 bis 11 der WO2011083161A) ist zwar bekannt, dass das Metall auf der Oberfläche des Sensors minimiert werden muss, um thermische Hystereseeffekte zu vermeiden. Wie ein Schutz gegenüber aggressiven Medien aussehen muss, bleibt aber dabei vollkommen offen.
  • Diese Offenlegung nutzt die Prioritäten und den Offenbarungsgehalt der Anmeldungen DE 10 2013 007 619.6 , DE 10 2013 016 638.1 , DE 10 2013 016 634.9 und DE 10 2013 016 637.3 soweit zutreffend und erweitert deren Inhalt. Insofern ist der Offenbarungsgehalt dieser Anmeldungen auch Teil dieser Offenbarung.
  • Die Erfindung wird anhand der 1 bis 23 am Beispiel eines Drucksensormesssystems mit einem Schraubengewinde und des zugehörigen Sensors, der hier beansprucht wird, erläutert. Andere Konfigurationen und Ausführungen sind selbstverständlich möglich. Dabei zeigt
  • 1 einen schematischen nicht maßstabsgerechten Querschnitt durch eine Vorrichtung, die den erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor umfasst, längs der Schraubenachse,
  • 2 einen schematischen nicht maßstabsgerechten Querschnitt durch eine Vorrichtung, die den erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor umfasst, längs der Schraubenachse mit Aufsicht auf den Sensor bzw. Drucksensor und auf den Auswerteschaltkreis,
  • 3 die schematische nicht maßstabsgerechte Seitenansicht der Vorrichtung, die den erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor umfasst (korrespondiert mit 1),
  • 4 die schematische nicht maßstabsgerechte Seitenansicht der Vorrichtung, die den erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor umfasst, (korrespondiert mit 2),
  • 5 einen vereinfachten, schematischen und nicht maßstabsgerechten Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor,
  • 6a einen vereinfachten, schematischen und nicht maßstabsgerechten Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor, wobei dieser Gräben zur Verbindung mit einer Dichtung aufweist,
  • 6b eine vereinfachte, schematische und nicht maßstabsgerechte Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Drucksensor, wobei dieser Gräben zur Verbindung mit einer Dichtung aufweist,
  • 7 einen schematischen nicht maßstabsgerechten Querschnitt durch eine Vorrichtung, die den erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor umfasst, längs der Schraubenachse mit Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Drucksensors und auf den Auswerteschaltkreis, wobei der erfindungsgemäße Drucksensor eine Keilform hat um die Abdichtung zu verbessern,
  • 8 stellt die beispielhaften erfindungsgemäßen Drucksensoren in Keilform in schematischer nicht maßstabsgerechter Aufsicht im Wafer-Verbund dar,
  • 9 einen schematischen nicht maßstabsgerechten Querschnitt durch eine Vorrichtung, die den erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor umfasst, längs der Schraubenachse mit Aufsicht auf den beispielhaften erfindungsgemäßen Drucksensor und auf den Auswerteschaltkreis, wobei statt eines Gewindes eine Passung außen angebracht ist,
  • 10 einen schematischen nicht maßstabsgerechten Querschnitt durch eine Vorrichtung, die den erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor umfasst, längs der Schraubenachse mit Aufsicht auf den beispielhaften erfindungsgemäßen Drucksensor und auf den Auswerteschaltkreis, wobei statt eines Gewindes eine Passung außen angebracht ist und die Vorrichtung in die Öffnung einer Wand eingebaut ist und der Sensorbereich (erster Bereich A) des erfindungsgemäßen Drucksensors von einem zu messenden Medium umspült wird,
  • 11–21 ein beispielhaftes Fertigungsverfahren für ein Sensorsystem, das den erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor umfasst,
  • 11 einen Träger, der als Basis für das System, das den erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor umfasst, dient,
  • 12 den Träger aus 11 nach anbringen der zweiten Dichtung durch Ummolden,
  • 13 den Träger aus 12 nach Aufbringen der Kleber für den Auswerteschaltkreis und den erfindungsgemäßen Sensor,
  • 14 den Träger aus 13 nach dem Aufbringen (Die-Bond) des Auswerteschaltkreises,
  • 15 den Träger aus 14 nach dem Aufbringen (Die-Bond) des erfindungsgemäßen Sensors,
  • 16 den Träger aus 15 nach dem Bonden des Auswerteschaltkreises auf der Steckerseite,
  • 17 den Träger aus 16 nach dem Herstellen der elektrischen Verbindungen zwischen erfindungsgemäßem Sensor und Auswerteschaltkreis durch Bonden,
  • 18 das Sensorsystem nach Zusammenbau von Träger aus 17 und Sensorgehäuse,
  • 19 das Sensorsystem aus 18 nach dem Einbringen des Gels,
  • 20 das Sensorsystem aus 19 ergänzt um einen Dichtungsring,
  • 21 das Sensorsystem aus 20 verschlossen mit der ersten Dichtung,
  • 22 einen schematischer, nicht maßstabsgerechter Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor ähnlich 5, wobei dieser auf beiden Seiten eines mikromechanischen Funktionselements Dichtungsbereiche aufweist,
  • 23 eine schematische, nicht maßstabsgerechte Aufsicht auf den erfindungsgemäßen beispielhaften Drucksensor entsprechend 22,
  • 24 einen schematischer Querschnitt durch ein beispielhaftes Gehäuse für den beispielhaften Drucksensor der Folien 22 und 23.
  • Es ist von besonderem Vorteil, wenn das Sensorsystem in Form einer M5 oder M10 Schraube ausgeführt werden kann. Dies ist in 1 nicht maßstabsgerecht dargestellt. Die Schraube ist mit einem Gewinde (1) und einem Schraubenkopf (32) versehen. Dem Fachmann ist klar, dass unter Gewinde in diesem Sinne auch ähnliche Maschinenelemente verstanden werden können, die zu einer Verbindung zwischen einem Loch in einem Werkstück und dem Drucksensorsystem führen können. Solche Maschinenelemente können beispielsweise auch Presspassungen und Bajonett-Verschlüsse, eine Gleitpassung für und Klebe-, Schweiß- oder Lötverbindungen eine Bolzenaußenfläche für eine Bolzenverbindung und eine Keilaußenfläche für eine Keilverbindung etc. sein.
  • Die weitere Beschreibung bezieht sich auf eine Schraube mit einem Gewinde. In den Ansprüchen wird demgegenüber jedoch von einem Maschinenelement zur Verbindung mit einer Öffnung gesprochen.
  • Wenn von einer Achse des Maschinenelements zur Verbindung zur Verbindung mit einer Öffnung die Rede ist, so ist damit eine Linie gemeint längs derer das Sensorgehäuse bei der Montage an einen bestimmungsgemäßen Verwendungsort bewegt wird. Eine Schraube wird beispielsweise längs der Schraubengewindeachse in eine Öffnung hineingedreht. Dabei bewegt sich die Schraube längs dieser besagten Achse des Maschinen Elements zur Verbindung zur Verbindung mit einer Öffnung (Gewindeachse) in die Montageöffnung hinein. Handelt es sich um eine Passung, so wird das Sensorgehäuse unter Umständen ohne Drehung in die Montageöffnung hineinbewegt.
  • Zum Zwecke des besseren Verständnisses wird hier nur eine Schraube behandelt. Dem Fachmann werden die Modifikationen offensichtlich sein, die für die Verwendung anderer Befestigungstechniken erforderlich sind.
  • Die Schraube kann bei Bedarf selbstverständlich länger gewählt werden. Die Position des Schraubenkopfes (32) kann auf der Längsachse der Schraube (37) ebenso anders gewählt werden. Der Schraubenkopf (32) ist beispielsweise mit einer umlaufenden Nut (31) versehen, die einen Dichtungsring (30) aufnimmt. Hierdurch kann das Drucksensorgehäuse druckdicht beispielsweise durch eine einfache M5- oder M10-Bohrung an einen Druckkörper angebracht werden.
  • Die Schraube ist mit einer Längsbohrung (2) ausreichender Weite versehen. Der Durchmesser des Drucksensorgehäuses und Bohrungsdurchmesse müssen geeignet gewählt werden.
  • Das Drucksensorgehäuse (100) ist darüber hinaus typischerweise innen mit zwei umlaufenden Nuten versehen. Die erste Nut (10) sorgt für eine mechanische Verbindung zwischen der ersten Dichtung (11) an der Medienseite und dem Drucksensorgehäuse (100). Die zweite Nut (33) fixiert die zweite Dichtung (34) zum Verschluss des Sensorgehäuses (100) auf der elektrischen Kontaktseite. Hierdurch kann die Elektronik durch das zu vermessende Medium (73, 10) unter Druck nicht herausgedrückt werden.
  • Kern der Vorrichtung ist ein Träger (18), beispielsweise eine Platine (PCB), die den eigentlichen mikromechanischen Sensor (3), beispielsweise einen MEMS Drucksensor, und den Auswerteschaltkreis (IC) (21) trägt. Statt eines PCBs, das typischerweise aus einem Verbundmaterial besteht, ist natürlich auch die Verwendung eines MID-Lead-Frames denkbar. Auch können andere isolierende organische oder anorganische Substrate verwendet werden. Solche können beispielsweise aus einer Keramik oder einem Glasträger oder einem mono-nano- oder poly-kristallinen Wide-Bandgap-Material wie beispielsweise Saphir, bestehen. Auch ist die Verwendung von leitenden oder halbleitenden Materialien als Trägermaterial denkbar. Diese müssen jedoch zumindest einseitig isolierend beschichtet werden. Wenn im Folgenden und in den Ansprüchen von „Träger” gesprochen wird, sind daher auch solche Konstruktionen, wie z. B. die skizzierten, eingeschlossen, die der Funktion eines PCBs gleich- oder nahekommen. Darüber hinaus weist der besagte Träger (18) verschiedene Leiterbahnen (36) und leitende Inseln (19) und (17) auf, die zur Befestigung des Auswerteschaltkreises (21) und des mikromechanischen Sensors (3), beispielsweise eines MEMS-Drucksensors, dienen. Für die Herstellung solcher Metallinseln sind aus dem Stand der Technik mannigfache Verfahren bekannt, die hier nicht weiter beschrieben sind, da sie dem Fachmann offensichtlich sind.
  • Der mikromechanische Drucksensor (3) ist typischerweise mit einem Kleber (16) auf der Befestigungsfläche (17) für den mikromechanischen Drucksensor (3) befestigt, die sich auf dem Träger (18) befindet.
  • Ebenso ist der Auswerteschaltkreis (21) mit einem ähnlichen oder gleichen Kleber (20) auf einer analogen Befestigungsfläche (19) für den Auswerteschaltkreis (21) auf dem Träger (18), z. B. einem PCB, befestigt.
  • Der mikromechanische Drucksensor (3 ist auf der Medienseite so von einer ersten Dichtung (11) umschlossen, dass kein Medium an der Grenzfläche zwischen mikromechanischem Drucksensor (3) und erster Dichtung (11) sowie erster Dichtung (11) und Sensorgehäuse (100) durchtreten kann. Das Material der ersten Dichtung (11) füllt dabei auch die erste Nut (10) des Sensorgehäuses (100) so aus, dass diese Nut (10) vorzugsweise mit dem Material der ersten Dichtung ebenfalls gefüllt wird. Hierdurch ist der Mediendruck nicht in der Lage, die erste Dichtung (10) ins Innere des Sensorgehäuses zu drücken.
  • Der mikromechanische Drucksensor (3) durchdringt diese erste Dichtung (11) in der Art, dass zum einen die eigentliche Messzelle (erster Bereich A 5) weit genug von der ersten Dichtung (11) entfernt liegt und von deren Material nicht bedeckt wird. Die Messzelle des Drucksensors besteht beispielsweise aus der evakuierten Drucksensorkavität (71), den Piezo-Widerständen (50, 51, 52, 53) und wesentlichen Teilen der Zuleitungen (6, 9). Die erste Dichtung (11) umschließt den mikromechanischen Drucksensor (3) in einem zweiten Bereich (zweiter Bereich B 5) in dem der mikromechanische Drucksensor (3) vorzugsweise keine Metallisierungen oder Funktionselemente insbesondere auf der Oberfläche des mikromechanischen Drucksensors (6) aufweist, die mikromechanischer Natur sind oder die aus Materialien gefertigt sind, die durch das zu messende Medium korrodiert oder beeinflusst werden können. Dieser zweite Bereich (B) ist in der WO2011083161A2 nicht offenbart, die lediglich davon spricht, dass die Zuleitungen der piezo-resitiven Widerstände möglichst in Silizium ausgeführt werden sollen (Seite 15 Zeilen 7 bis 11 der WO2011083161A2) und/oder die Bond-Pads maximal weit von den piezo-resitiven Sensorelementen zu entfernen (Seite 20 Zeilen 16 bis 21 der WO2011083161A2). Die WO2011083161A2 offenbart hierbei insbesondere nicht, dass ein solcher metallfreier zweiter Bereich (B) zwischen den mikromechanischen Funktionselementen zur Druckmessung im ersten Bereich (A) und dem Bondsystem in einem dritten Bereich (C) liegen muss, der der Abdichtung dient. Dabei kann das Medium, beispielsweise das Öl eines Verbrennungsmotors, insbesondere auch in verunreinigter Form, also beispielsweise mit einem signifikant abweichenden pH-Wert, vorliegen und die Beeinflussung oder die Korrosion durch die Verunreinigungen verursacht werden. Im Falle von Öl eines Verbrennungsmotors als Medium können solche Verunreinigungen beispielsweise Säuren etc. sein, die durch die Verbrennung im Brennraum des Motors entstehen.
  • Der mikromechanische Drucksensor, weist dabei ein Zwischenoxid (5, 5) auf, das die piezo-resitiven Widerstände (50, 51, 52, 53) bedeckt und selbst wieder mit einer Schutzschicht beispielsweise aus Poly-Silizium (4, 5) bedeckt ist. Mit Poly-Silizium wird im Folgenden und auch hier polykristallines Silizium bezeichnet. Diese Schicht (4) bedeckt auch die Membrane (7, 5) der Druckmesszelle (8). Hierdurch wird die im aggressiven Medium befindliche Druckmesszelle (8) vor dem zu vermessenden Medium geschützt.
  • Es ist denkbar, statt oder zusätzlich zu dieser Schicht (4, 5) auch andere Schichten wie beispielsweise SiN zu benutzen. Auch kann eine ausreichend dicke Ausführung des Oxids (5, 5) für den jeweiligen Anwendungszweck bereits genügend Schutz bieten. In diesem Fall kann die Schicht (4, 5) ggf. sogar entfallen. SiN bietet den Vorteil, die Diffusion von Wasserstoff zu reduzieren.
  • Auf der anderen Seite der ersten Dichtung (11) liegen die Kontakte (13) des mikromechanischen Drucksensors (dritter Bereich C, 5) frei. Die erste Dichtung (11) befindet sich also nur in einem Zwischenbereich (zweiter Bereich B 5) zwischen Kontakten (13) (dritter Bereich C 5) und Sensormesszelle (8, 7) (erster Bereich A 5).
  • Um den mikromechanischen Drucksensor, kontaktieren zu können, ist die Zwischenoxidschicht (5) im Bereich der Kontakte (13) (dritter Bereich C 5) geöffnet. Diese Öffnungen (13) sind mit dem Bond-Pad-Metall (14) bedeckt, um Bondbarkeit herstellen zu können.
  • Bonddrähte (15) verbinden den Auswerteschaltkreis (21) mit dem mikromechanischen Drucksensor (3). Die Bondung kann dabei beispielsweise so geschehen, dass der Bond-Ball (22) auf dem Auswerteschaltkreis (21) abgesetzt wird und der Wedge-Bond auf der Kontaktfläche (14) des mikromechanischen Drucksensors (3).
  • Zur Vereinfachung sind die Schaltungen des Auswerteschaltkreises (21) nur vereinfacht (24) eingezeichnet. Auch der Auswerteschaltkreis (21) ist durch ein Oxid und eine Passivierung (25) geschützt. Der Auswerteschaltkreis (21) verfügt über geeignete Bond-Flächen (26, 23), um einen elektrischen Anschluss zu ermöglichen.
  • Der Bond-Ball (22) des Bonddrahts (15) wird auf einem solchen Bond-Pad (23) des Auswerteschaltkreises (21) abgesetzt.
  • Die Verbindung des Auswerteschaltkreises (21) nach Außen wird durch einen weiteren Bond-Draht (28) zwischen Auswerteschaltkreis (21) und Leiterbahn (36) auf dem Träger (18) hergestellt. In dem Beispiel wird der zugehörige Wedge-Bond (29) auf der Leiterbahn (36) und der Bond-Ball (27) auf dem Auswerteschaltkreis (21) gefertigt.
  • Der Innenraum des Sensorgehäuses (100) wird auf der medienabgewandten Seite durch eine weitere Dichtung (34) abgedichtet. Diese reicht in diesem Beispiel wie bereits die erste Dichtung (11) auf der Medienseite bis in eine zweite umlaufende Nut (33) hinein.
  • Diese Dichtung (34) wird durch das PCB (18) und die Verdrahtung (19) durchdrungen. Die außenliegenden Teile der Verdrahtung (36) des PCBs (35) können vergoldet werden und als Stecker (36) verwendet werden.
  • Das Innere des Sensorgehäuses (100) ist vorzugsweise mit einem Gel (12) gefüllt, um die mechanischen Einflüsse zu minimieren und den Auswerteschaltkreis (21) und das Bondsystem zu schützen.
  • 2 zeigt ebenfalls einen Querschnitt durch die Sensorschraube. Nun jedoch sind der Träger (18), der Auswerteschaltkreis (21) und der mikromechanische Drucksensor (3) in Aufsicht dargestellt.
  • Der außenliegende Platinenstecker besteht in diesem Beispiel aus vier Leitungen (38, 39, 40, 41). Dies können beispielsweise eine positive Spannungsversorgung, ein Masseanschluss und zwei Datenleitungen – beispielsweise Takt und bidirektionale Daten- oder RX- und TX-Leitungen sein.
  • Diese vier Leitungen (38, 39, 40, 41) sind mit vier Bonddrähten (42, 43, 44, 45) mit dem Auswerteschaltkreis (21) verbunden. Der Auswerteschaltkreis (21) ist mit einem Kleber (20) auf der Befestigungsfläche (19) befestigt, das Teil der gedruckten Schaltung (18) ist.
  • Auf der dem Medium zugewandten Seite ist der Auswerteschaltkreis (21) mit vier Bond-Drähten (46, 47, 48, 49) mit dem mikromechanischen Drucksensor (3), einem beispielhaften Drucksensor, verbunden. Diese vier Verbindungen stellen beispielsweise eine Masseverbindung, die Spannungsversorgung und die beiden Ausgänge einer Wheatstone-Brücke dar.
  • Diese Wheatstone-Brücke besteht in diesem Beispiel aus den piezoresistiven Widerständen (50, 51, 52, 53), die zu dieser Wheatstonebrücke verschaltet sind.
  • Die Widerstände (50, 51, 52, 53) sind, wie bei piezoresistiven Drucksensoren üblich, geeignet über einer Drucksensormembrane (7) platziert.
  • Der mikromechanische Drucksensor (3) ist mit Kleber (16) auf der Befestigungsfläche (17) befestigt, die Teil des Trägers (18) ist.
  • In 2 ist zu erkennen, dass die erste Dichtung (11) wiederum die Sensorzelle (8), hier eine Drucksensorzelle, und die Bondflächen des mikromechanischen Drucksensors (3) freilässt.
  • 3 und 4 zeigen das Sensorgehäuse (100) von der Seite in den Ansichten, die den 1 und 2 entsprechen.
  • 5 zeigt in einem vereinfachten, nicht maßstabsgerechten Querschnitt durch den mikromechanischen Drucksensor (3). Weiter zeigt 5 die Bereiche A, B und C. Insbesondere ist Abschnitt B stark verkürzt und die vertikalen Dimensionen der Schichten sind vergrößert, während die Dicke des Sensors (4) verkleinert dargestellt ist. Es handelt sich also nur um eine Veranschaulichung der wesentlichen Merkmale für einen Fachmann.
  • In diesem Beispiel (siehe 5) handelt es sich um einen Drucksensor in Buried-Cavity-Technologie. Hierbei wird in einen Handle-Wafer (62), der mit einer Oxidschicht (60) versehen ist, eine Vertiefung (57) fotolithografisch eingeätzt. Nach einer Reinigung wird ein Device-Wafer (61) auf den Handle-Wafer gebondet und durch mechanisches und chemisches Polieren soweit abgedünnt, bis die Dicke des Device-Wafer-Materials über der somit gebildeten Kavität (71), also der Membrane (7), der Zielmembrandicke entspricht.
  • Prozesse zur Fertigung solcher Sensoren sind beispielsweise in der WO2011083161A2 beschrieben.
  • Der Querschnitt zeigt vereinfacht die piezoresistiven p-Widerstände (53) und (50). Diese werden über hochdotierte p+-Halbleitergebiete (6, 9, 57, 58, 59) angeschlossen.
  • Es ist besonders vorteilhaft und der wesentliche erfinderische Gedanke dieser Offenbarung, wenn in dem Bereich der ersten Dichtung (zweiter Bereich B) und im Bereich der Sensorzelle (erster Bereich A) ausschließlich solche dotierten Gebiete zum Anschluss der Sensormesszelle (8) benutzt werden. Dies hat thermomechanische Vorteile und Vorteile des Korrosionsschutzes, da Silizium erheblich widerstandsfähiger gegen viele korrosive Stoffe ist.
  • Die Druckmesszelle (8) ist mit einem dünnen Oxid (56) von typischerweise 2 nm bis 40 nm bedeckt. Im Bereich der piezoresistiven Widerstände (53) und (50) sind diese vorzugsweise zumindest teilweise jeweils durch einen Poly-Silizium-Schild (55) und (54) bedeckt, der den jeweiligen piezoresistiven Widerstand (53) und (50) schützt. Die Konstruktion wird typischerweise durch ein weiteres Oxid (5) zumindest teilweise abgedeckt. Es ist bekannt, dass es vorteilhaft ist, die Membrane (7) von der Bedeckung durch dieses Oxid (5) auszusparen oder das Oxid in diesem Bereich verdünnt zu fertigen. Dies ist in 5 allerdings zur Vereinfachung so nicht gezeichnet.
  • Die Sensormesszelle ist soweit mit Poly-Silizium (4) abgedeckt, dass ein Zugriff aggressiver Chemikalien nicht möglich ist. Dieses Merkmal der ganzflächigen Abdeckung der Sensorzelle mit Poly-Silizium (4) ist in der US8049290B2 ( US20090206467A1 ) und der WO2011083161A2 so nicht offenbart und stellt einen erfindungsgemäßen Unterschied zum Stand der Technik dar. Die WO2011083161A2 offenbart lediglich die lokale Abdeckung der Piezo-Widerstände mit einer ersten Poly-Silizium-Struktur, die den Poly-Silizium-Schilden (54, 55) entspricht. Diese Abdeckung (4) mit gleichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten wir die Membrane, unterdrückt zusätzlich eine durch ein elektrisches Feld getriebene Ionen-Diffusion.
  • Wie bereits oben beschrieben, ist die Verwendung anderer Materialien für diese Schicht (4) denkbar. Auch ist eine Kombination verschiedener Korrosionsschutzschichten denkbar. Eine wichtige Funktion des verwendeten Schichtstapels ist beispielsweise der Schutz vor dem Eindringen von Protonen, beispielsweise aus Feuchtigkeit, was ansonsten zu einer Drift der piezoresistiven Widerstände führen kann.
  • Am anderen Ende sind die p+-Zuleitungen (9) durch Kontakte (14) so zugänglich gemacht, dass eine Bondung möglich ist. (dritter Bereich C, 5)
  • In der Regel ist eine Kompensation des Temperaturgangs der Druckmesszelle erforderlich. Daher ist eine Temperaturmessung in unmittelbarer Nähe der Druckmesszelle sinnvoll. Hierfür ist es im Falle eines piezoresistiven Drucksensors vorteilhaft, eine Struktur ähnlich den Widerstandsstrukturen, die als piezoresistive Widerstände der Whaetstone-Brücke des erfindungsgemäßen Drucksensors verwendet werden, für die Temperaturmessung zu benutzen. Im einfachsten Fall wird ein solcher piezoresistiver Widerstand zusätzlich in den Bereich A (siehe 6) platziert mit dem Unterschied, dass dieser möglichst weit von allen Kanten incl. der Membrane platziert wird, um mechanischen Stress als beeinflussenden Faktor auszuschließen. Eine Ausprägung des erfindungsgemäßen Systems kann sich also auch durch einen zusätzlichen Temperatursensor oder eine zusätzliche Temperatursensorzelle, die typischerweise im Bereich A angeordnet wird, auszeichnen. Somit weist ein solches Sensorsystem, als besondere Ausprägung des erfindungsgemäßen Sensorsystems, mindestens zwei Sensoren und/oder mindestens zwei Sensorzellen auf wobei entweder zumindest einer der Sensoren ein Temperatursensor ist oder zumindest eine Sensorzelle eine Temperatursensorzelle ist und entweder zumindest ein Sensor (3) ein Drucksensor ist oder zumindest eine Sensorzelle (8) eine Drucksensorzelle ist.
  • Da die Temperatursensorzelle vorzugsweise im Bereich A, in dem kein Metall verwendet werden sollte, platziert wird, ist es notwendig, diese Temperatursensorzelle, genau wie beim zuvor beschriebenen Anschluss der Drucksensormesszelle, vorzugsweise durch hochdotierte p+-Halbleiterleitungen anzuschließen und diese wie bei der Druckmesszelle bis in den Bereich C zu führen, wo der elektrische Anschluss bzw. die elektrische Verbindung mit dem Auswerteschaltkreis über Bond-Pads, also ein Metall-System, erfolgen kann. Dabei sollte diese Temperatursensorzelle, die typischerweise ein piezoresistiver Widerstand ist, in einer eigenen Warme platziert werden. Beispielsweise ist es denkbar den Sensor (3) in einem p-dotierten Substrat auszuführen und die Widerstände in n-Wannen zu legen. Bei den Widerständen würde es sich dann um p-dotierte Widerstände handeln. Die Zuleitungen aller Widerstände incl. der Messwiderstände der Druckzelle würden dann in der jeweiligen p-Wanne als hochdotierte p+-Leitungen ausgeführt. Natürlich ist bei Verwendung eines n-leitenden Substrates die Nutzung der inversen Leitungstypen sinnvoll (p-Wanne, n-Widerstände, n+-Zuleitungen). Bei den Zuleitungen der Temperatursensorzelle wäre es sinnvoll diese Zuleitungen als Kelvin-Verdrahtung auszuführen. Dies erfordert an jedem Widerstandsanschluss zwei Leitungen, von denen jeweils eine zur Zuführung des elektrischen Stromes an den jeweiligen Kontakt genutzt würde und die andere zur Vermessung des Potenzials. Somit sind insgesamt vier solcher hochdotierten Halbleiterleitungen für den Anschluss einer Temperatursensorzelle erforderlich. Diese Konstruktion hat den Vorteil, dass Leckströme der p+-Zuleitungen in die n-Wanne hinein das Messergebnis nicht verfälschen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Temperaturmesswiderstand mit den Widerständen einer piezoresisitiven Messbrücke der Drucksensorzelle matched und wie diese monolithisch integriert ist.
  • Auch sollte erwähnt werden, dass eine Ko-Integration der Sensorzelle, beispielsweise der Druckzelle, und des Auswerteschaltkreises auf einem Kristall möglich ist.
  • Als Druckmesszellen kommen beispielsweise MOS-Tunneldioden, piezo-resistive Systeme, beispielsweise mit Wheatstone-Brücken und kapazitive Systeme in Frage.
  • Auch sind sowohl Bulk-Micromachining als auch Oberflächen-Mikromechanik-Technologien anwendbar.
  • Im Wesentlich läuft aber die Konstruktion darauf hinaus, dass der Auswerteschaltkreis (21) sehr schmal, also in einem Länge zu Weite-Verhältnis von vorzugsweise mehr als 2:1 oder mehr als 5:1 oder mehr als 10:1 ausgeführt wird. Die Bondverbindungen befinden sich sinnvoller Weise nur auf der Stecker-Seite und auf der gegenüberliegenden, dem zu vermessenden Medium zugewandten Seite.
  • Ähnliches gilt für den mikromechanischen Drucksensor (3) auch dieser wird vorzugsweise sehr schmal ausgeführt. Bevorzugt sollte der mikromechanische Drucksensor (3) soweit aus der ersten Dichtung (11) herausragen, wie er dick ist. Der mikromechanische Drucksensor (3) sollte so breit sein, wie er dick ist. Wird dies eingehalten, so ragt typischerweise nur ein Würfel aus der ersten Dichtung (11) heraus (erster Bereich A, 5). Dieser Würfel weist bereist besondere mechanische Stabilität auf.
  • Aus Gründen der mechanischen Entkopplung kann es sinnvoll sein, diese optimale Würfelform zu verlassen und den mikromechanischen Drucksensor (3) weiter aus der Dichtung (11) herausragen zu lassen, als er breit und/oder dick ist.
  • Die Länge des Bereiches (zweiter Bereich B, 5), in dem der mikromechanische Drucksensor (3) Kontakt mit der ersten Dichtung (11) hat, hängt unter anderem von den Eigenschaften der ersten Dichtung (11) und der anderen Systemkomponenten, den Anforderungen und der notwendigen Kontaktfläche zur sicheren Abdichtung ab.
  • Sofern notwendig, kann der mikromechanische Drucksensor (3) im zweiten Bereich (B), der Kontaktfläche zwischen mikromechanischem Drucksensor (3) und erster Dichtung (11), mit Einkerbungen (67, 68, 6) versehen werden, um ein verhaken zwischen mikromechanischen Drucksensor (3) und erster Dichtung (11) zu erzwingen. Diese Einkerbungen können durch fotolithographische Ätzung der Ober- und Unterseite beispielsweise durch KOH und/oder DRIE Ätzung hergestellt werden. Sie dürfen die Leitungen selbstverständlich nicht unterbrechen. Insofern werden die Einkerbungen (67) auf der Verbindungsseite des mikromechanischen Drucksensors (3) sich auf bestimmte Bereiche des mikromechanischen Drucksensors (3) beschränken müssen und einen Bereich für die Verdrahtung (69) freilassen müssen. Die Seitenflächen können eingekerbt werden, wenn diese z. B. mit einem Laser aus dem Wafer getrennt werden und der Trennschnitt diese Kerben vorsieht. Eine viel einfachere Möglichkeit ist jedoch in den 7 und 8 gezeigt. Der mikromechanische Drucksensor (3), der die Länge (L) und eine Weite (w) hat, weist zwei Längskanten (63) auf, die nicht parallel zur Symmetrie-Achse (64) des mikromechanischen Drucksensors (3) sind. Hier ist eine Keilform verwendet. Durch den Druck auf der Medienseite wird der Drucksensor (3) in die Dichtung (11) gepresst. Die Verbindung Dichtung (11) – mikromechanischer Drucksensor (3) wird dadurch zusätzlich abgedichtet. 8 zeigt einen beispielhaften Wafer-Verband solcher mikromechanischer Drucksensoren (3). Diese sind durch Sägegräben (65, 66) voneinander separiert. Bei der gewählten Anordnung ist ein schnelles Schneiden der Strukturen mittels Laser möglich.
  • Schließlich muss der mikromechanische Drucksensor (3) weit genug aus dem Material der ersten Dichtung (11) hervorragen (dritter Bereich C, 5), um die Bondungen mit Sicherheit freizulassen.
  • Die Dimensionen des Sensors liegen also vorzugsweise mindestens bei 2:1:1, besser bei 5:1:1 oder 10:1:1 (Länge L zu Breite w zu Dicke d, 1 und 2) In manchen Fällen muss der Sensor jedoch zum besseren Trennen mittels Laser vor dem Vereinzeln des Wafer-Verbundes abgedünnt werden. Dies ist eine Verschlechterung gegenüber dem oben beschriebenen Optimalansatz. Unter anderem auch aus diesem Grund sind natürlich auch andere Dicken-Verhältnisse denkbar. Daher liegen die Verhältnisse Dimensionen der Sensoroberfläche also mindestens bei 2:1, besser bei 5:1 oder 10:1, (Länge L zu Breite w, 2) wobei die Dicke d abweichen kann. Bei den Dimensionen zählen die jeweils dünnste Breite w und die größte Länge L.
  • Der mikromechanische Drucksensor (3) und der Auswerteschaltkreis (21) werden also in einer Reihe mit der Langseite parallel zur Gewindeachse (37) montiert.
  • 9 zeigt die 1 mit einer Presspassung (70) statt mit einem Gewinde. Statt einer Presspassung kann auch eine Gleitpassung (70) verwendet werden, die dann in die Montageöffnung eingeklebt wird.
  • 10 zeigt das Sensorsystem aus 9 schematisch nach Einbau in die Wand (72) einer Rohrs, eines Kessels oder einer sonstigen Vorrichtung zur Vermessung des Mediums (73). Das Sensorsystem dichtet dabei die Öffnung soweit ab, dass im Rahmen der jeweiligen Betriebsbedingungen und er jeweiligen Spezifikation kein Medium (73) oder nur eine nicht nachweisbare Menge des Mediums (73) oder aber auch nur eine Menge unterhalb einer vorbestimmten oder vorbestimmbaren Grenzmenge pro Zeiteinheit oder insgesamt austreten kann oder austritt.
  • Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass eine gestufte Dichtungsaufnahme (62), wie in 6 gezeichnet, sinnvoll ist, um die Montage zu vereinfachen.
  • Ein beispielhaftes Fertigungsverfahren wird anhand der 11 bis 21 erläutert.
  • Das Fertigungsverfahren beginnt mit einem teilweise metallisierten Träger (18), der in 11 dargestellt ist. Der Träger (18) umfasst bereits den ersten als Stecker-Komponente vorgesehenen Leitungsabschnitt (38), den zweiten als Stecker-Komponente vorgesehenen Leitungsabschnitt (39), den dritten als Stecker-Komponente vorgesehenen Leitungsabschnitt (40), den vierten als Stecker-Komponente vorgesehenen Leitungsabschnitt (41). Diese befinden sich in einem Bereich (35) des Trägers, der später als Stecker genutzt werden kann. In diesem Bereich dürften die Leitungsabschnitte mit einer Beschichtung (Plating) versehen werden, die die Eigenschaften der Steckverbindung optimieren. Hierfür ist beispielsweise unter anderem Gold geeignet. Darüber hinaus befinden sich auf dem Träger (18) bereits die Befestigungsfläche (19) für den Auswerteschaltkreis und die Befestigungsfläche (17) für den Sensor. Es ist vorteilhaft, wenn der Träger (18) eine Symmetrieachse (37) aufweist. Diese sollte später mit der Achse des Maschinenelements fluchten.
  • 12 zeigt den Träger nach dem Um-Molden (Umspritzen mit einem Duro- oder Thermoplast) mit der weiteren Dichtung (34). Die Dichtung wird dabei bereits so geformt, dass diese in das spätere Gehäuse passt. Es ist selbstverständlich auch denkbar, die endgültige Außenform beispielsweise durch ein spangebendes Verfahren nach dem Umspritzen herzustellen. Ggf. muss der Träger (18) im Bereich der weiteren Dichtung (34) mit einer Adhäsionsschicht versehen werden, um eine feste Verbindung zwischen weiterer Dichtung (34) und Träger (18) sicherzustellen.
  • Nach dem Anbringen der weiteren Dichtung (34) wird Kleber (20, 16) jeweils auf den Befestigungsflächen für den Auswerteschaltkreis (19) und für den Sensor (17) aufgebracht (13).
  • Dann wird beispielsweise auf den Kleber (20) auf der entsprechenden Befestigungsfläche des Auswerteschaltkreises (19) der Auswerteschaltkreis (21) aufgesetzt und damit aufgeklebt. (14) Als nächstes wird beispielsweise auf den Kleber (16) auf der entsprechenden Befestigungsfläche des Sensors (17) der Sensor (21) aufgesetzt und damit aufgeklebt. (15) Der Sensor weist in diesem Beispiel eine abgeschrägte Längskante (63), eine Sensorzelle mit piezoresistiven Widerständen (50, 51, 52, 53, 54) und einer Membrane sowie eine Längsachse (64) auf, die vorzugsweise mit der Symmetrieachse des Trägers (37) in Überdeckung gebracht wird.
  • In diesem Beispiel folgt dann die Bondung der ersten bis vierten Bond-Drähte (42, 43, 44 45) zur elektrischen Verbindung des Auswerteschaltkreises (21) mit dem ersten bis vierten, als Stecker-Komponente vorgesehenen Leitungsbereich einer ersten bis vierten Leitung (38, 39, 40, 41). Dies ist in 16 dargestellt.
  • Nun folgt wiederum beispielhaft die elektrische Verbindung zwischen dem mikromechanischen Drucksensor (3) und Auswerteschaltkreis (21) wiederum mittels Bondung. Die Bondung umfasst in diesem Beispiel einen fünften bis achten Bond-Draht (46, 47, 48, 49). 17 zeigt diese weitere Bondungen.
  • In 18 wird der derartig vorbereitete Träger (18) nun mit dem Sensorgehäuse (100) zum Sensorsystem kombiniert. Das beispielhafte Sensorgehäuse weist Schraubenkopf (32), die zweite Nut (33) zur Abdichtung der weiteren Dichtung (34), die Nut zur späteren Aufnahme eines Dichtungsrings (31), eine Kavität (2) und ein Gewinde (1) auf. Es kann vorteilhaft sein, die Verbindung zwischen Nut (33) und weiterer Dichtung (34) durch Kleben herzustellen. In diesem Beispiel ist die zweite Nut (33) so ausgefüht, dass der Träger von links in das Sensorgehäuse (100) geschoben werden kann.
  • In 19 wird diese Konstruktion aus 18 mit einem Gel (12) gefüllt. Diese Füllung kann beispielsweise mittels einer Kanüle oder mehreren Kanülen geschehen, die zwischen Träger (18) und Sensorgehäuse (100) passen.
  • Es ist vorteilhaft, wenn hierbei das Schwerkraftfeld der Erde so ausgenutzt wird, dass der Schraubenkopf nach unten zeigt. Die Füllung erfolgt hierbei nur soweit, dass der dritte Bereich (C) des Sensors mit dem Gel bedeckt wird. Dadurch wird das Bondsystem geschützt.
  • In 20 wir der Dichtring (30) hinzugefügt. Dies kann selbstverständlich alternativ auch erst nach dem Einbringen der ersten Dichtung (11) erfolgen.
  • In 21 wird das Sensorsystem mit einer ersten Dichtung (11) verschlossen. Dies geschieht vorzugsweise durch Verguss mit einer Masse, die sich nicht mit dem Gel vermischen darf und nicht in dieses herabsinkt. Durch eine gestufte Dichtungsaufnahme (62) im Sensorgehäuse (100) wird das Sensorsystem abgedichtet.
  • Die 22 und 23 zeigen nicht maßstabsgerecht einen beispielhaften erfindungsgemäßen Drucksensor. 22 zeigt den nicht maßstabsgerechten Querschnitt während 23 die nicht maßstabsgerechte Aufsicht zeigt. Im Gegensatz zu 6b sind der erste Bereich A, der zweite Bereich (B) und der dritte Bereich (C) nun nicht hintereinander, also quasi sequentiell, wie in 6b, angeordnet, sondern Vielmehr umfasst der zweite Bereich (B) den ersten Bereich (C) vollständig. Da dieser zweite Bereich (B) der Abdichtung dient und der erste Bereich (A) ja direkten Kontakt mit dem aggressiven Medium haben soll, ist dies auch erforderlich. Der dritte Bereich (C) umfasst in diesem Beispiel ebenfalls vollständig den ersten Bereich (A) und den zweiten Bereich (B). Dies ist allerdings nicht unbedingt erforderlich. In diesem Beispiel weist der Sensor allerdings noch einen vierten Bereich (D) auf, der zwischen dem ersten Bereich (A) und dem zweiten Bereich (B) angeordnet wird und zum einen den ersten Bereich (A) vollständig umfasst und zum anderen von dem zweiten Bereich (B) ebenfalls vollständig umfasst wird. Dieser vierte Bereich (D) ist optional. Dessen Funktion lässt sich am einfachsten mit Hilfe der 24 erläutern. Die 24 zeigt einen Querschnitt durch ein beispielhaftes Gehäuse (80). Der Querschnitt des Sensors (3) aus 22 ist ohne weitere Bezugszeichen auf einer Befestigungsfläche (17) aufgebracht. Bonddrähte (79) verbinden den Sensor (3) mit einem Anschluss (76) elektrisch. Dieses Ensemble, das hier nur vereinfacht dargestellt ist, wird mit Moldmasse (77) umspritzt. Dabei bleibt eine Zutrittsöffnung (78) für das zu vermessende Medium frei. Da Moldmasse typischerweise aus Duroplast mit Füllstoffen besteht, hat es andere mechanische Eigenschaften als das Material des Sensors, typischerweise Silizium. Eine besonders kritische Eigenschaft ist das Quellen der Moldmasse durch Feuchtigkeit. Dies bedeutet, dass die Moldmasse mal mehr und mal weniger Kräfte auf den Sensor (3) ausübt. Daher ist es sinnvoll, mit der Moldmassengrenze einen Mindestabstand zur eigentlichen Sensorzelle (8), hier einer Drucksensorzelle, zu wahren. Gleichzeitig kann dieser Abstand zum Aufsetzen eines Werkzeugs verwendet werden, das im vierten Bereich (D) den Sensor berührt und hier den Raum zwischen diesem Werkzeug und der Oberfläche des Sensors (3) so abdichtet, dass keine Moldmasse den ersten Bereich (A) erreichen kann. Vorzugsweise sollte das Werkzeug dabei so geformt sein, dass es im Bereich der Sensorzelle die Sensoroberfläche des Sensors (3) nicht berührt.
  • Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Breite des vierten Bereiches jeweils mindestens 100 μm, besser 150 μm, noch besser 200 μm beträgt. Ansonsten ist es vorteilhaft, wenn der vierte Bereich (D) wie der zweite Bereich (B) gestaltet wird und insbesondere keine Metallleitungen aufweist.
  • Die in der 23 noch eingezeichneten hoch p dotierten Leitungen (81) verbinden die Pads (14) zum einen mit den Widerständen der Wheatstonebrücke, also der Sensorzelle (8), die auch die Membrane umfasst. Die Sensorzelle (8) liegt dabei vollständig im ersten Bereich (A). Die Sensorzelle wird dabei vollständig aus Silizium und SiO2 sowie der verwendeten Passivierung gefertigt. Zusätzlich verfügt der beispielhafte mikromechanische Sensor (3) über ein thermisch sensitives Bauelement (75) für die Temperaturmessung. Es handelt sich typischerweise um einen Widerstand oder eine Diode, wobei ein Widerstand, da kompatibel zur Herstellung der Piezowiderstände der Wheatstonebrücke, einfacher und daher bevorzugt herzustellen ist. Der Widerstand ist über vier p+-dotierte, also hoch p-dotierte Gebiete mit vier Bond-Pads (14) in Kelvinverdrahtung (engl. Kelvin connection) elektrisch verbunden, sodass eine Vierpunktmessung möglich ist. Dies hat den Vorteil, dass der Spannungsabfall unabhängig von parasitären Effekten unmittelbar am thermisch sensitiven Bauelement (75) gemessen werden kann. Die Ausführung eines Widerstand entspricht dabei vorzugsweise exakt der für die Wheatstonebrücken verwendeten Ausführung. Im dritten Bereich (C) werden die Leitungen vorzugsweise als Metallleitungen (74) ausgeführt. Dabei wird typischerweise versucht, die hochohmigeren hoch p-dotierten Leitungen (81) bezüglich der jeweiligen Anschlüsse möglichst symmetrisch zu gestalten. Diese Methode eignet sich ganz besonders für die Verwendung in Gehäusen des QFN-Standards (QFN = Quad Flat No Leads Package). Diese Gehäuse sind auch unter anderem unter folgenden Namen bekannt:
    • MLPQ
    (Micro Leadframe Package Quad)
    MLPM
    (Micro Leadframe Package Micro)
    MLPD
    (Micro Leadframe Package Dual)
    DRMLF
    (Dual Row Micro Leadframe Package)
    DFN
    (Dual Flat No-lead Package)
    TDFN
    (Thin Dual Flat No-lead Package)
    UTDFN
    (Ultra Thin Dual Flat No-lead Package)
    XDFN
    (eXtreme thin Dual Flat No-lead Package)
    QFN
    (Quad Flat No-lead Package)
    QFN-TEP
    (Quad Flat No-lead package with Top Exposed Pad)
    TQFN
    (Thin Quad Flat No-lead Package)
    VQFN
    (Very Thin Quad Flat No Leads Package)
    DHVQFN
    (Dual in-line compatible thermal enhanced very thin quad flat package with no leads)
  • Mit QFN-Gehäusen im Sinne dieser Offenbarung sind somit selbstverständlich alle vorbenannten Varianten mit umfasst.
  • Dabei ist es sinnvoll, wenn das Gehäuse (80) einen Bereich erster Moldmassenbedeckung (83) des Sensors (3) aufweist, der einen einem dritten Bereich (C) des Sensors zumindest teilweise überschneidet und es einen Bereich verminderter zweiter Moldmassenbedeckung (82) des Sensors (3) aufweist, der einen einem zweiten Bereich (B) des Sensors zumindest teilweise überschneidet. Dabei ist die Dicke der zweiten Moldmassenbedeckung um mindestens 5% und/oder 10% und/oder 25% und/oder 50% und/oder 75% oder 90% gegenüber der Dicke der ersten Moldmassenbedeckung (83) vermindert. Es handelt sich also um einen Bereich reduzierter Dicke der Moldmasse über dem zweiten Bereich (B). Dies hat den Zweck, den mechanischen Stresseintrag in die stresssensitiven Bereiche (erster Bereich (A)) des Sensors (3) in diesem Gebiet insbesondere bei Feuchtigkeitseintrag in die Moldmasse zu vermindern.
  • Im Bereich der ersten Moldmassenbedeckung (83), die aufgrund der Konstruktion weiter von den stresssensitiven Teilen entfernt ist, wird die Dicke typischerweise ebenfalls minimal gewählt. Allerdings ist hier typischerweise der Anschluss des Medienführenden Behältnisses, z. B. das Aufkleben eines Röhrchens, möglich.
  • Auf der anderen Seite erfordert das Bondsystem einen ausreichenden Korrosionsschutz. Daher ist es sinnvoll, das hier die Höhe der Bonddrähte ausschlaggebend für die Gehäusedicke ist. Das Gehäuse (80) kann daher einen Bereich vergrößerter dritter Moldmassenbedeckung (84) des Sensors (3) aufweisen, der einen einem dritten Bereich (C) des Sensors zumindest teilweise überschneidet und in dem die Dicke der dritten Moldmassenbedeckung um mindestens 5% und/oder 10% und/oder 25% und/oder 50% und/oder 75% oder 90% gegenüber der Dicke der ersten Moldmassenbedeckung (83) vergrößert ist.
  • Ein Teil des Bondsystems (79) befindet sich typischerweise nicht über dem Sensor (3). Auch sollte das Gehäuse in einem Standard-Handling-System für den Fertigungstest von mikroelektronischen Schaltungen ohne Sensorfunktion und Zugangsöffnung (78) getestet werden können. Es ist daher sinnvoll, wenn es neben den bereits erwähnten Moldmassenbereichen einen Bereich vergrößerter Gehäusedicke (85) des Sensors (3) aufweist, der das Bondsystem (79) abdeckt und in dem die Dicke der vergrößerten Gehäusedicke um mindestens 5% und/oder 10% und/oder 25% und/oder 50% und/oder 75% oder 90% gegenüber der Dicke des Gehäuses im Bereich der ersten Moldmassenbedeckung (83) vergrößert ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gewinde oder auch Maschinenelement zur Verbindung mit einer Öffnung
    2
    Kavität
    3
    mikromechanischer Sensor, typischerweise aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial, hier beispielhaft ein Drucksensor
    4
    Poly-Silizium-Schicht oder SiN-Schicht zum Schutz vor Chemikalien
    5
    Oxid (typischerweise Siliziumdioxid)
    6
    erste Zuleitung auf dem Sensor, typischerweise aus hochdotiertem Halbleitermaterial. Beispielsweise kann es sich um p+ dotiertes Silizium in einer n-Wanne handeln.
    7
    mikromechanische Sensormembrane, typischerweise aus Silizium oder dem jeweils verwendetem Halbleitermaterial
    8
    mikromechanische Sensorzelle insbesondere Drucksensorzelle (als Gesamtheit)
    9
    zweite Zuleitung auf dem Sensor, typischerweise aus hochdotiertem Halbleitermaterial. Beispielsweise kann es sich um p+ dotiertes Silizium in einer n-Wanne handeln.
    10
    erste Nut des Sensorgehäuses
    11
    erste Dichtung
    12
    Gel
    13
    Kontakte des mikromechanischen Sensors (3)
    14
    Bondung des Bonddrahtes (15) auf den Kontakt (13) des mikromechanischen Sensors (3)
    15
    Bonddraht
    16
    Kleber für die Befestigung des mikromechanischen Sensors (3) auf der Befestigungsfläche (17)
    17
    Befestigungsfläche für den mikromechanischen Sensor (3)
    18
    Träger für den Auswerteschaltkreis (21) und den mikromechanischen Sensor (3) sowie die Verdrahtung (36) wobei dies auch ein sonstiger Träger sein kann, insbesondere einer gedruckten Schaltung oder einen Wafer-Stück oder einem keramischen Träger oder einer Glasplatte oder einem Leadframe oder einer Metallplatte mit Isolation oder einem kristallinen, polykristallinen oder amorphen Träger oder einen organischer oder anorganischer Träger oder einem Träger aus Verbundmaterial, wobei eine elektrische Verdrahtung sich auf dem Träger oder sonstigem Träger befindet.
    19
    Befestigungsfläche für den Auswerteschaltkreis (21)
    20
    Kleber zur mechanischen Verbindung des Auswerteschaltkreises (21) mit der Befestigungsfläche (19)
    21
    Auswerteschaltkreis, typischerweise monolithisch integriert
    22
    Bond-Ball zur Verbindung des Auswerteschaltkreis (21) mit dem mikromechanischen Sensor (3) mittels eines Bond-Drahtes (15) über das Bond-Pad (23)
    23
    Bond-Pad (Verbindungsfläche) des Auswerteschaltkreises (21) zur Verbindung des Auswerteschaltkreis (21) mit dem mikromechanischen Sensor (3) mittels eines Bond-Drahtes (15)
    24
    vereinfacht (symbolisch) gezeichnete Auswerteschaltung innerhalb des Auswerteschaltkreises (21)
    25
    vereinfacht (symbolisch) gezeichnete Passivierung innerhalb des Auswerteschaltkreises (21)
    26
    weiteres Bond-Pad (Verbindungsfläche) des Auswerteschaltkreises (21) zur Verbindung des Auswerteschaltkreis (21) mit einem Steckverbindungsbereich (36) mittels eines Bond-Drahtes (28)) und einer Leiterbahn (36)
    27
    Bond-Ball zur Verbindung des Auswerteschaltkreis (21) mit einem Steckverbindungsbereich (36) mittels eines Bond-Drahtes (28) und einer Leiterbahn (36)
    28
    weiterer Bond-Draht zur Verbindung des Auswerteschaltkreises (21) mit einem Steckverbindungsbereich (36) über eine Leiterbahn (36)
    29
    Wedge-Bond zur Verbindung des Auswerteschaltkreis (21) mit einem Steckverbindungsbereich (36) über eine Leiterbahn (36)
    30
    Dichtung oder Dichtungsring
    31
    Nut zur Aufnahme des Dichtungsrings oder der Dichtung (30)
    32
    Schraubenkopf
    33
    zweite Nut zur Abdichtung der zweiten Dichtung (34)
    34
    weitere Dichtung
    35
    Bereich des Trägers (18), der für die Verwendung als Steckerkomponente vorgesehen ist.
    36
    Bereich der Verdrahtung (19) der für die Verwendung als Stecker-Komponente vorgesehen ist.
    37
    Gewindeachse oder Achse eines Maschinenelements zur Verbindung mit einer Öffnung
    38
    erster, als Stecker-Komponente vorgesehener Leitungsbereich einer ersten Leitung
    39
    zweiter, als Stecker-Komponente vorgesehener Leitungsbereich einer zweiten Leitung
    40
    dritter, als Stecker-Komponente vorgesehener Leitungsbereich einer dritten Leitung
    41
    vierter, als Stecker-Komponente vorgesehener Leitungsbereich einer vierten Leitung
    42
    erster Bond-Draht zur Verbindung des Auswerteschaltkreises (21) mit einer vierten Leitung (41)
    43
    zweiter Bond-Draht zur Verbindung des Auswerteschaltkreises (21) mit einer dritten Leitung (40)
    44
    dritter Bond-Draht zur Verbindung des Auswerteschaltkreises (21) mit einer zweiten Leitung (39)
    45
    vierter Bond-Draht zur Verbindung des Auswerteschaltkreises (21) mit einer ersten Leitung (38)
    46
    fünfter Bond-Draht zur Verbindung des mikromechanischen Drucksensors (3) bzw. Drucksensors mit dem Auswerteschaltkreis (21)
    47
    sechster Bond-Draht zur Verbindung des mikromechanischen Drucksensors (3) bzw. Drucksensors mit dem Auswerteschaltkreis (21)
    48
    siebter Bond-Draht zur Verbindung des mikromechanischen Drucksensors (3) bzw. Drucksensors mit dem Auswerteschaltkreis (21)
    49
    achter Bond-Draht zur Verbindung des mikromechanischen Drucksensors (3) bzw. Drucksensors mit dem Auswerteschaltkreis (21)
    50
    erster piezo-resistiver Widerstand einer Wheatstone-Brücke
    51
    zweiter piezo-resistiver Widerstand einer Wheatstone-Brücke
    52
    dritter piezo-resistiver Widerstand einer Wheatstone-Brücke
    53
    vierter piezo-resistiver Widerstand einer Wheatstone-Brücke
    54
    Poly-Silizium-Schild des ersten piezo-resistiven Widerstands einer Wheatstone-Brücke
    55
    Poly-Silizium-Schild des vierten piezo-resistiven Widerstands einer Wheatstone-Brücke
    56
    Oxid, dass die Druckmesszelle bedeckt. Typischerweise handelt es sich um ein sehr dünnes Oxid, das dünner als 200 nm ist.
    57
    dritte Zuleitung oder dritter Zuleitungsabschnitt auf dem Sensor, typischerweise aus hochdotiertem Halbleitermaterial. Beispielsweise kann es sich um p+ dotiertes Silizium in einer n-Wanne handeln.
    58
    vierte Zuleitung oder vierter Zuleitungsabschnitt auf dem Sensor, typischerweise aus hochdotiertem Halbleitermaterial. Beispielsweise kann es sich um p+ dotiertes Silizium in einer n-Wanne handeln.
    59
    fünfte Zuleitung oder fünfter Zuleitungsabschnitt auf dem Sensor, typischerweise aus hochdotiertem Halbleitermaterial. Beispielsweise kann es sich um p+ dotiertes Silizium in einer n-Wanne handeln.
    60
    vergrabenes Oxid eines Buried-Cavity-Wafers, auch CSOI-Wafer genannt
    61
    Device-Wafer eines Buried-Cavity-Wafers, auch CSOI-Wafer genannt
    62
    gestufte Dichtungsaufnahme zur besseren Montage
    63
    Längskante des mikromechanischen Sensors (3)
    64
    Längsachse, insbesondere Symmetrie-Achse des mikromechanischen Sensors (3) bzw. Drucksensors
    65
    linearer Sägegraben in Querrichtung zur Sensorachse auf dem Wafer
    66
    nicht-linearer Sägegraben in Längsrichtung auf dem Wafer
    67
    Einkerbungen auf der Verbindungsseite des Sensors zur Verbesserung der mechanischen Verbindung zwischen dem mikromechanischen Sensor (3) und der Dichtung (11). Die Einkerbungen befinden sich im zweiten Bereich (B) des mikromechanischen Sensors (3)
    68
    Einkerbungen auf der Unterseite des Sensors zur Verbesserung der mechanischen Verbindung zwischen dem mikromechanischen Sensor (3) und der Dichtung (11). Die Einkerbungen befinden sich im zweiten Bereich (B) des mikromechanischen Sensors (3)
    69
    Bereich auf der Verdrahtungsseite des mikromechanischen Sensors (3) im zweiten Bereich B des mikromechanischen Sensors (3), der keine Einkerbung (67) aufweist, um einen elektrischen Anschluss zu ermöglichen.
    70
    Presspassung oder Gleitpassung je nach Anwendung und Montagemethode
    71
    vergrabene Kavität
    72
    Wand eines Behälters oder Rohrs oder eines sonstigen Maschinenelements, dass den Austritt eines Mediums (73) aus einem vordefinierten Raumbereich in einen anderen verhindert.
    73
    Medium, dass vermessen werden soll.
    74
    Metallzuleitung
    75
    thermisch sensitives Bauelement für die Temperaturmessung. Es handelt sich typischerweise um einen Widerstand oder eine Diode, wobei ein Widerstand, da kompatibel zur Herstellung der Piezowiderstände der Wheatstonebrücke, einfacher und daher bevorzugt herzustellen ist. Der Widerstand ist über vier p+-dotierte, also hoch p-dotierte Gebiete mit vier Bond-Pads (14) elektrisch verbunden. Die Ausführung eines Widerstand entspricht dabei vorzugsweise exakt der für die Wheatstonebrücken verwendeten Ausführung.
    76
    Anschluss des Gehäuses (80). Diese Anschlüsse werden typischerweise nach dem Auflöten auf die Leitungen eines PCBs lackiert, wobei während des Lackiervorgangs die Zutrittsöffnung (78) nicht lackiert wird. Es ist offensichtlich, dass sie Abdichtung des Anschlusses dabei so erfolgen muss, dass die Seiten des Gehäuses (80) und ggf. auch dessen Rückseite nicht vom zu messenden Medium erreicht werden können.
    77
    Moldmasse des Gehäuses (80)
    78
    Zutrittsöffnung für das Medium zum mikromechanischen Funktionselement, hier einer Drucksensormembrane.
    79
    Bonddrähte
    80
    beispielhaftes Gehäuse
    81
    hoch p-dotierte Zuleitungen. Diese Zuleitungen sind zur besseren Übersichtlichkeit in der 23 nur einmal mit einem Bezugszeichen versehen. Die Schraffur ist jedoch stets gleich. Der Sensor in 23 weist acht solcher Leitungen auf.
    82
    Bereich zweiter Moldmassenbedeckung. Es handelt sich um einen Bereich reduzierter Dicke der Moldmasse über dem zweiten Bereich (B). Dies hat den Zweck, den mechanischen Stresseintrag in die stresssensitiven Bereiche (erster Bereich (A)) des Sensors (3) in diesem Gebiet zu vermindern.
    83
    Bereich erster Moldmassenbedeckung. Es handelt sich um einen Bereich normaler Dicke der Moldmasse über dem dritten Bereich (C). Dies hat den Zweck, den mechanischen Stresseintrag in die stresssensitiven Bereiche (erster Bereich (A)) des Sensors (3) in diesem Gebiet zu vermindern.
    84
    Bereich dritter Moldmassenbedeckung. Es handelt sich um einen Bereich erhöhter Dicke der Moldmasse über dem dritten Bereich (C). Dies hat den Zweck, die Bonddrähte (79) vor Korrosion zu schützen.
    85
    Bereich erhöhter Gehäusedicke über dem Bondsystem (79) des Sensors (3). Dies hat den Zweck, die mechanische Führung in Standard QFN-Handling-Systemen für den Fertigungstest zu ermöglichen. Die Dicke orientiert sich typischerweise an der Dicke für reine elektronische Schaltkreise ohne Sensorik-Funktion und ohne Zugangsöffnung (78). Die Dicke ist auch mindestens so hoch, dass der Schutz der Bonddrähte in diesem Gebiet gesichert ist.
    100
    Sensorgehäuse
    A
    erster Sensor-Bereich der Sensormesszelle. Hier werden die eigentlichen Messdaten erfasst. Dieser erste Bereich weist typischerweise keine Materialien auf, die durch das Medium korrodiert werden können. Die Oberflächen sind elektrisch isolierend und gegenüber dem Medium chemisch inert oder im Falle von medizinischen Sensoren im Kontakt mit Körperflüssigkeiten ggf. biologisch inaktiv und neutral. Des Weiteren werden hier typischerweise nur Materialen verwendet, die ähnliche Temperaturausdehnungskoeffizienten wie das Grundmaterial des Sensors besitzen.
    B
    zweiter Sensor-Bereich zur Abdichtung. Hier geschieht die Abdichtung zwischen Medium und dem Innenbereich des Sensorgehäuses. Da ein teilweises Eindringen des Mediums nicht ausgeschlossen werden kann, weist dieser zweite Bereich wie der erste Bereich (A) typischerweise keine Materialeine auf, die durch das Medium korrodiert werden können. Die Oberflächen sind ebenso elektrisch isolierend und gegenüber dem Medium chemisch inert oder im Falle von medizinischen Sensoren im Kontakt mit Körperflüssigkeiten biologisch inaktiv und neutral. Des Weiteren werden auch hier typischerweise nur Materialen verwendet, die ähnliche Temperaturausdehnungskoeffizienten wie das Grundmaterial des Sensors besitzen. Darüber hinaus muss dieser zweite Bereich jedoch eine gute Adhäsion mit der Dichtung (11) aufweisen.
    C
    dritter Sensor-Bereich zur elektrischen Verbindung. Auch ein teilweises Eindringen des Mediums sollte hier ausgeschlossen sein. Dieser dritte Bereich kann daher die Materialien wie beispielsweise das Metall der Bond-Flächen aufweisen, die durch das Medium korrodiert werden können. Die Oberflächen sind bis auf die Bond-Verbindungsbereiche elektrisch isolierend. Die Bereiche zur elektrischen Verbindung sind hiervon natürlich ausgenommen. Auch eine Beschränkung hinsichtlich der Temperaturausdehnungskoeffizienten gilt hier nicht mehr.
    w
    Breite des mikromechanischen Sensors (3)
    L
    Länge des mikromechanischen Sensors (3)
    d
    Dicke des mikromechanischen Sensors (3)
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Claims (11)

  1. Mikromechanischer Sensor (3) aus Silizium – mit mindestens einer Sensorzelle (8) und – und mindestens einem Funktionselement (7) dass dazu vorgesehen ist oder dazu verwendet werden kann, in direkten Kontakt mit einem Medium zu stehen, dadurch gekennzeichnet, – dass der mikromechanische Sensor (3) auf der prozessierten Oberfläche zumindest einem ersten Bereich (A) aufweist und • dass dieser erste Bereich (A) zumindest eine Sensorzelle (8) mit einer vergrabenen Kavität (71) aufweist und • dass der erste Bereich (A) zumindest eine Sensormesszelle (8) umfasst und • dass der erste Bereich (A) für den direkten Kontakt mit einem Medium vorgesehen ist oder verwendet werden kann und • dass der erste Bereich (A) – keine Metallisierung aufweist und/oder – in diesem ersten Bereich (A) elektrische Verbindungen in dotiertem Halbleitermaterial und/oder polykristallinem Halbleitermaterial ausgeführt sind und – dass der mikromechanische Sensor (3) auf seiner prozessierten Oberfläche zumindest einen zweiten Bereich (B) aufweist und • dass es die Funktion des zweiten Bereiches (B) ist, zusammen mit einer ersten Dichtung (11) oder Moldmasse (77) den Durchtritt des Mediums in einen dritten Bereich (C) des mikromechanischen Sensors abzudichten und damit zu verhindern und • dass er in diesem zweiten Bereich (B) – keine Metallisierung aufweist und/oder – in diesem zweiten Bereich (B) elektrische Verbindungen in dotiertem Halbleitermaterial oder polykristallinem Halbleitermaterial ausgeführt sind und – dass der mikromechanische Sensor (3) einen dritten Bereich (C) auf seiner prozessierten Oberfläche aufweist und • dass der dritte Bereich (C) zumindest einen metallischen elektrischen Kontakt des mikromechanischen Sensors (3) aufweist und • dass der zweite Bereich (B) sich auf der prozessierten Oberfläche immer zwischen dem dritten Bereich (C) und dem ersten Bereich (A) befindet und • dass der dritte Bereich (C) von dem ersten Bereich (A) auf der prozessierten Oberfläche nicht berührt wird.
  2. Mikromechanischer Sensor (3) aus Silizium und – mit mindestens einer Sensorzelle (8) und – und mindestens einem Funktionselement (7) dass dazu vorgesehen ist oder dazu verwendet werden kann, in direkten Kontakt mit einem Medium zu stehen, dadurch gekennzeichnet, – dass der mikromechanische Sensor (3) auf der CMOS-prozessierten Oberfläche zumindest einem ersten Bereich (A) aufweist und • dass dieser erste Bereich (A) zumindest eine Sensorzelle (8) mit einer vergrabenen Kavität (71) aufweist und • dass der erste Bereich (A) zumindest eine Sensormesszelle (8) umfasst und • dass der erste Bereich (A) für den direkten Kontakt mit einem Medium vorgesehen ist oder verwendet werden kann und • dass der erste Bereich (A) – keine Metallisierung aufweist und/oder – in diesem ersten Bereich (A) elektrische Verbindungen in dotiertem Halbleitermaterial und/oder polykristallinem Halbleitermaterial ausgeführt sind und – dass der mikromechanische Sensor (3) auf seiner CMOS-prozessierten Oberfläche zumindest einen zweiten Bereich (B) aufweist und • dass es die Funktion des zweiten Bereiches (B) ist, zusammen mit einer ersten Dichtung (11) oder Moldmasse (77) den Durchtritt des Mediums in einen dritten Bereich (C) des mikromechanischen Sensors abzudichten und damit zu verhindern und • dass er in diesem zweiten Bereich (B) – keine Metallisierung aufweist und/oder – in diesem zweiten Bereich (B) elektrische Verbindungen in dotiertem Halbleitermaterial oder polykristallinem Halbleitermaterial ausgeführt sind und – dass der mikromechanische Sensor (3) einen dritten Bereich (C) auf seiner CMOS-prozessierten Oberfläche aufweist und • dass der dritte Bereich (C) zumindest einen metallischen elektrischen Kontakt des mikromechanischen Sensors (3) aufweist und • dass der zweite Bereich (B) sich auf der prozessierten Oberfläche immer zwischen dem dritten Bereich (C) und dem ersten Bereich (A) befindet und • dass der dritte Bereich (C) von dem ersten Bereich (A) auf der prozessierten Oberfläche nicht berührt wird.
  3. Mikromechanischer Sensor (3) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass – er ein Drucksensor ist oder – zumindest eine Sensorzelle (8) aufweist, die eine Drucksensorzelle ist.
  4. Mikromechanischer Sensor (3) nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass – er zusätzlich einen Temperatursensor in aufweist oder – eine Temperatursensorzelle aufweist – und zumindest eine besagte Temperatursensorzelle eine monolithisch in das Substrat des Sensors integrierte pn-Diode ist.
  5. Mikromechanischer Sensor (3) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest ein besagter Temperatursensor (75) über eine Kelvinverdrahtung (23, englisch „Kelvin connection”) angeschlossen ist.
  6. Mikromechanischer Sensor (3) nach Anspruch 4 und/oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest ein besagter Temperatursensor und/oder zumindest eine besagte Temperatursensorzelle über Leitungen angeschlossen ist, die aus hochdotiertem Halbleitermaterial und/oder polykristallinem Silizium bestehen.
  7. Mikromechanischer Sensor (3) dadurch gekennzeichnet, dass – er zusätzlich einen Temperatursensor in aufweist oder – eine Temperatursensorzelle aufweist – und zumindest eine besagte Temperatursensorzelle ein monolithisch in das Substrat des Sensors integrierter Widerstand ist und – zumindest ein besagter Temperatursensor und/oder zumindest eine besagte Temperatursensorzelle über Leitungen angeschlossen ist, die aus hochdotiertem Halbleitermaterial und/oder polykristallinem Silizium bestehen. – und zumindest ein besagter Temperatursensor (75) über eine Kelvinverdrahtung (23, englisch „Kelvin connection”) angeschlossen ist.
  8. Mikromechanischer Sensor (3) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass – das Seitenverhältnis L/w (Länge (L)/Weite (w)) des mikromechanischen Sensors (3) größer als 2:1 ist und – wobei sich Länge (L) und Weite (w) als äußere Abmessungen aus der Aufsicht auf den mikromechanischen Sensor (3) ergeben und als Länge (L) das größere der beiden Maße genommen wird.
  9. Mikromechanischer Sensor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass – der mikromechanische Sensor (3) einen vierten Bereich (D) aufweist, der dadurch gekennzeichnet ist, dass – es die Funktion des vierten Bereiches (D) ist, während der Herstellung eines Gehäuses (78) zusammen mit einem Werkzeug oder Werkzeugteil den Durchtritt der Moldmasse in den ersten Bereich (A) des mikromechanischen Sensors abzudichten und damit zu verhindern und/oder – es die Funktion des vierten Bereiches (D) ist mikromechanische Funktionselemente, insbesondere eine Drucksensormembrane, die in dem ersten Bereich (A) des mikromechanischen Sensors (3) liegt, mechanisch von der Moldmasse (77) eines Gehäuses (78) abzukoppeln und der mikromechanische Sensor (3) – in diesem vierten Bereich (D) keine Metallisierung aufweist • der vierte Bereich (D) sich auf der CMOS-prozessierten Oberfläche immer zwischen dem zweiten Bereich (B) und dem ersten Bereich (A) befindet.
  10. Mikromechanischer Sensor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass – der mikromechanische Sensor (3) einen vierten Bereich (D) aufweist, der dadurch gekennzeichnet ist, dass – es die Funktion des vierten Bereiches (D) ist, während der Herstellung eines Gehäuses (78) zusammen mit einem Werkzeug oder Werkzeugteil den Durchtritt der Moldmasse in den ersten Bereich (A) des mikromechanischen Sensors abzudichten und damit zu verhindern und/oder – es die Funktion des vierten Bereiches (D) ist mikromechanische Funktionselemente, insbesondere eine Drucksensormembrane, die in dem ersten Bereich (A) des mikromechanischen Sensors (3) liegt, mechanisch von der Moldmasse (77) eines Gehäuses (78) abzukoppeln und • der mikromechanische Sensor (3) – in diesem vierten Bereich (D) elektrische Verbindungen in dotiertem Halbleitermaterial oder polykristallinem Halbleitermaterial ausgeführt sind und • der vierte Bereich (D) sich auf der CMOS-prozessierten Oberfläche immer zwischen dem zweiten Bereich (B) und dem ersten Bereich (A) befindet.
  11. Mikromechanischer Sensor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass – der mikromechanische Sensor (3) einen zweiten Bereich (B) aufweist, der zusätzlich dadurch gekennzeichnet ist, dass • zumindest eine Längskante (63) des mikromechanischen Sensors (3) nicht parallel zu einer Längsachse (64) des mikromechanischen Sensors (3) ist oder • der mikromechanische Sensor (3) Einkerbungen (68) auf der Unterseite des mikromechanischen Sensors (3) oder Einkerbungen (67) auf der Verbindungsseite des mikromechanischen Sensors (3) aufweist, die der Verbesserung der mechanischen Verbindung zwischen dem mikromechanischen Sensor (3) und der ersten Dichtung (11) dienen können oder dienen.
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