DE102014224063B3

DE102014224063B3 - MEMS-Bauelement mit einer deformierbaren Membran

Info

Publication number: DE102014224063B3
Application number: DE102014224063.8A
Authority: DE
Inventors: Marcus Ahles; Marc Wisniewski; Michaela Mitschke; Andreas Duell; Stefan Zehringer; Stephan Oppl; Helmut Grutzeck; Soeren Zimmermann; Jochen Franz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2016-03-17
Anticipated expiration: 2034-11-27

Abstract

Es wird ein Konzept für ein MEMS-Bauelement mit einer Membran und einer Filterstruktur im Bereich des Medienanschlusskanals vorgeschlagen, das sich vergleichsweise einfach realisieren lässt. Demnach ist die deformierbare Membran (1) in der Vorderseite des Bauelements (101) ausgebildet. Außerdem umfasst das MEMS-Bauelement (101) mindestens einen Medienanschlusskanal (3), der mit einer Filterstruktur (41), der seitlich neben der Membran (1) angeordnet ist und sich von der Rückseite bis zur Vorderseite des Bauelements (101) erstreckt, so dass die Membran (1) vorderseitig mit dem gefilterten Medium in Kontakt tritt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein MEMS-Bauelement mit mindestens einer deformierbaren Membran, die in der Vorderseite des Bauelements ausgebildet ist, und mit mindestens einem Medienanschlusskanal für die Membran, der mit einer Filterstruktur versehen ist.
Derartige MEMS-Bauelemente werden in der Praxis beispielsweise zur Druckmessung oder als Mikrofon eingesetzt. Dabei werden die druck- bzw. schalldruckbedingten Auslenkungen der Membran mit Hilfe von piezoresistiven Widerständen oder auch mit Hilfe einer Kondensatoranordnung in elektrische Signale umgewandelt. Diese können dann einfach mit entsprechenden Schaltungsmitteln verarbeitet und ausgewertet werden. Bei der Druckbeaufschlagung tritt die mikromechanische Membran mit dem Umgebungsmedium in Kontakt. Je nach Einsatzort des MEMS-Bauelements können dabei Partikel in die Bauelementstruktur eindringen, die sowohl die mechanischen Eigenschaften der Membran als auch die Funktionalität der elektrischen Schaltelemente zur Signalerfassung beeinträchtigen. Bei bestimmten Anwendungen erfolgt die Druckbeaufschlagung der Membran deshalb über eine Filterstruktur im Medienanschlusskanal, die verhindert, dass Partikel bis zur Membran vordringen.
Die US 8,633,553 B2 beschäftigt sich mit Filterstrukturen für Medienanschlüsse von mikromechanischen Sensoren und Aktuatoren. Gemäß dieser Druckschrift ist es bekannt, eine mikromechanische Filterstruktur in einem Kappenwafer zu realisieren, der unabhängig von dem Sensor- bzw. Aktorbauelement gefertigt wird und dann auf diesem Bauelement über dessen Medienanschlussöffnung montiert wird. Des Weiteren wird in dieser Druckschrift in Verbindung mit 4 ein MEMS-Bauelement mit einer deformierbaren Membran beschrieben, das als Mikropumpe verwendet werden kann, beispielsweise zum Dosieren und Verabreichen von Insulin. Die Membran überspannt hier einen Hohlraum im Schichtaufbau des Bauelements, der über eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung an die Bauelementrückseite angeschlossen ist. Die Membran ist mit Aktuatormitteln, wie z. B. Piezowiderständen, ausgestattet und kann so gezielt ausgelenkt werden, um eine Strömung von der Einlassöffnung über den Hohlraum zur Auslassöffnung zu erzeugen. Im Bereich der Einlassöffnung ist eine Filterstruktur ausgebildet, mit der das so transportierte Medium gefiltert wird.
Die in der US 8,633,553 B2 beschriebene Fertigung der Filterstruktur im Schichtaufbau des bekannten MEMS-Mikropumpen-Bauelements ist relativ aufwendig und lässt sich nicht ohne weiteres in die Abscheidungs- und Strukturierungsschritte zum Erzeugen der Membran über dem Hohlraum integrieren. Vielmehr sind hierfür eigene zusätzliche Prozessschritte erforderlich.
Aus der Schrift US 2008/0283988 A1 ist ein Aufbau eines mikromechanischen Systems bekannt, bei dem ein mikromechanisches Mikrofonelement auf einen IC Chip aufgebracht und anschließend wenigstens teilweise mit einem Verkapselungsmaterial umschlossen wird, wobei die Membran des Mikrofonelements ausgespart wird. Zur Führung der akustischen Signale wird durch das Verkapselungsmaterial ein akustischer Durchgang von der Rückseite auf die Vorderseite erzeugt, auf dem sich die Membran des Mikrofonelements befindet.
In der Schrift US 2012/0237073 A1 wird ein mikromechanisches System beschrieben, bei dem ein Mikrofon auf ein Substrat aufgebracht wird. Zur Führung der akustischen Signale ist in dem Substrat eine Durchführung eingebracht. Oberhalb der Durchführung ist eine Filterstruktur vorgesehen, die das Eindringen von Partikeln in den Hohlraum des Mikrofons verhindert.
Aus der Schrift US 7,644,625 B2 ist der Aufbau eines Differenzdrucksensors bekannt, bei dem eine Membran und ein darunter befindlicher Hohlraum in einem Substrat realisiert wird. Zur Erfassung des Differenzdrucks sind separate Zugänge zu dem Hohlraum unter der Membran als auch zu der auf der anderen Seite der Membran befindlichen Referenzkavität vorgesehen. Für diesen zweiten Zugang ist dabei seitlich neben der Membran eine Durchgangsöffnung durch das Substrat vorgesehen.
Aus der Schrift DE 10 2013 213 071 B3 ist ein mikromechanisches Bauteil vorgesehen, bei dem der Druckzugang zu einer Kaverne eines Mikrophons seitlich von oben durch eine oberhalb der Membran angeordnete Schicht geführt wird, die die Gegenelektrode des Mikrofons bildet.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Konzept für ein MEMS-Bauelement mit einer Membran und einer Filterstruktur im Bereich des Medienanschlusskanals vorgeschlagen, das sich vergleichsweise einfach realisieren lässt.
Dieses Bauelementkonzept sieht erfindungsgemäß vor, den Medienanschlusskanal seitlich neben der Membran anzuordnen und von der Rückseite durch den gesamten Schichtaufbau des Bauelements bis zur Vorderseite zu führen, so dass die Membran vorderseitig mit dem gefilterten Medium in Kontakt tritt.
Mit Hilfe einer elektrisch leitfähigen Beschichtung, wie z. B. einer Metallisierung oder einer dotierten Halbleiterschicht, an die eine elektrische Spannung angelegt wird, kann die Filterstruktur beheizt werden und so einfach gegen Vereisung und Feuchte geschützt werden. Weiterhin können mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung auch Spannungsimpulse an die Filterstruktur angelegt werden, um Partikel elektrostatisch fernzuhalten.
Das erfindungsgemäße Bauelementkonzept basiert auf der Annahme, dass das MEMS-Bauelement in Flip-Chip-Technik auf einem Träger, auf einem anderen Bauelement oder innerhalb eines Gehäuses montiert wird. Durch diese Art der Montage wird die vorderseitige Membran sowohl während der Bauteilfertigung als auch im Betrieb geschützt. Die Vorderseite der Membran soll ausschließlich indirekt, über den rückseitigen Medienanschluss mit dem Umgebungsmedium in Kontakt treten. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass diese Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) eine besonders einfache Realisierung einer Filterstruktur innerhalb des Medienanschlusskanals im Schichtaufbau des MEMS-Bauelements ermöglicht.
Grundsätzlich kann die Filterstruktur in einer beliebigen Schicht oder Schichtenfolge des Schichtaufbaus des MEMS-Bauelements ausgebildet sein. Es erweist sich jedoch im Hinblick auf eine möglichst einfache Prozessführung bei der Herstellung der Bauelementstruktur als vorteilhaft, die Filterstruktur in einer oder beiden Hauptoberflächen des MEMS-Bauelements auszubilden, also in der Vorderseite des MEMS-Bauelements und/oder in dessen Rückseite. Wenn die Filterstruktur in der Vorderseite des MEMS-Bauelements ausgebildet wird, kann sie vorteilhafter Weise zusammen mit der Membran des MEMS-Bauelements angelegt werden, bevor der Medienanschlusskanal dann in einem Rückseitenprozess geöffnet wird. Eine Filterstruktur in der Bauelementrückseite erfordert eine spezielle Rückseitenprozessierung, beispielsweise in einem Rückseitentrenchprozess, der in den vorderseitig eingebrachten Medienkanal mündet.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Medienkanal mit der Filterstruktur umlaufend um die Membran ausgebildet ist. Zum einen trägt diese Anordnung zu einer gleichmäßigen Medienbeaufschlagung der Membran bei. Zum anderen kann die Filterstruktur in diesem Fall besonders gut auch zur Kompensation von mechanische Spannungen innerhalb der Bauelementstruktur genutzt werden. Solche Spannungen können montagebedingt auftreten oder auch aufgrund von Temperaturschwankungen. Da das MEMS-Bauelement im Bereich der Filterstruktur besonders dünn ist, wird dieser Bereich bevorzugt deformiert, um mechanische Spannungen abzubauen. Mit Hilfe einer umlaufenden Filterstruktur lässt sich der Membranbereich vom Montagebereich des MEMS-Bauelements also weitgehend mechanisch entkoppeln.
Die Auslegung der Filterstruktur hängt wesentlich vom Einsatzort des MEMS-Bauelements ab, genauer gesagt von der Art und Größe der dort auftretenden Partikel, die aus dem Umgebungsmedium herausgefiltert werden sollen. Bei manchen Anwendungen kann die Filterstruktur auch als akustischer Frequenzfilter und/oder zum Abfangen von Druckspitzen genutzt werden. Diese Filtereigenschaften können ebenfalls durch die Größe, Form und Länge der Filteröffnungen beeinflusst werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Filterstruktur in Form einer rasterartigen Anordnung von Filteröffnungen realisiert, die sich zumindest über einen Teil des Schichtaufbaus des MEMS-Bauelements erstrecken. Mit derartigen Rasterstrukturen kann auch bei sehr kleinen Filteröffnungen eine vorgegebene Durchflussmenge erzielt werden. Des Weiteren kann es von Vorteil sein, wenn sich die Filteröffnungen der Filterstruktur zur Vorderseite des MEMS-Bauelements hin konisch verengen. Dadurch wird das Eindringen und Vordringen von Partikeln zur Membran zusätzlich erschwert. Bei einigen Anwendungen erweist es sich auch als vorteilhaft, die Filterstruktur bzw. die Durchgangsöffnungen der Filterstruktur mit einer Beschichtung zu versehen, um die Bauelementstruktur insgesamt vor schädlichen Umwelteinflüssen zu schützen. So kann mit Hilfe einer hydrophoben Beschichtung, wie z. B. einer Teflon- oder ASC(Anti Stiction Coating)-Beschichtung einfach verhindert werden, dass sich die Filterstruktur durch Feuchtigkeitsniederschlag zusetzt.
An dieser Stelle sei noch erwähnt, dass sich das erfindungsgemäße Bauelementkonzept insbesondere für Drucksensoren und Mikrofone eignet, aber nicht auf MEMS-Bauelemente mit diesen Funktionen beschränkt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
1a, 1b zeigen jeweils eine schematische Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes MEMS-Bauelement und
2a, 2b zeigen zwei Aufbauvarianten für ein Drucksensorbauteil mit einem erfindungsgemäßen MEMS-Sensorbauelement anhand von schematischen Schnittdarstellungen.
Ausführungsformen der Erfindung
Bei den in den 1a und 1b dargestellten MEMS-Bauelementen 101 und 102 handelt es sich jeweils um ein Sensorbauelement zur Absolutdruckmessung. Dazu ist in der Bauelementvorderseite eine druckempfindliche deformierbare Membran 1 ausgebildet, die einen Hohlraum 2 im Schichtaufbau des Bauelements 101 bzw. 102 überspannt. In diesem abgeschlossenen Hohlraum 2 herrscht ein definierter Referenzdruck. Der Messdruck muss also auf die Vorderseite der Membran 1 einwirken. Da die beiden MEMS-Bauelemente 101 und 102 für eine Flip-Chip-Montage konzipiert sind, ist innerhalb der Bauelementstruktur ein Medienanschlusskanal 3 ausgebildet, der sich von der Rückseite bis zur Vorderseite, also durch den gesamten Schichtaufbau des Bauelements 101 bzw. 102, erstreckt. Dieser Medienanschlusskanal 3 ist seitlich neben der Membran 1 angeordnet und dementsprechend auch neben dem Hohlraum 2. In den hier dargestellten Ausführungsbeispielen handelt es sich jeweils um einen Ringkanal 3, der die Membran 1 umgibt. Im Bereich des Ringkanals 3 ist jeweils eine Filterstruktur 41 bzw. 42 ausgebildet. Im Fall des in 1a dargestellten MEMS-Bauelements 101 wurde die Filterstruktur 41 in der Bauelementrückseite realisiert, während die Filterstruktur 42 im Fall des in 1b dargestellten Ausführungsbeispiels 102 in der Bauelementvorderseite neben der Membran 1 angeordnet ist. Die in den 1a und 1b dargestellten MEMS-Bauelemente 101 und 102 werden über eine umlaufend druckdichte Verbindung auf einem Träger oder innerhalb eines Gehäuses montiert. Mit 5 sind Lötkugeln zur elektrischen Kontaktierung dargestellt. In jedem Fall sorgen die Filterstrukturen 41 und 42 dafür, dass die Membran 1 vorderseitig lediglich mit dem gefilterten Umgebungsmedium in Kontakt tritt. In den beiden hier dargestellten Ausführungsbeispielen dient die umlaufende Filterstruktur 41 bzw. 42 außerdem der Stressentlastung und -kompensation. Dadurch wird die Membran 1 vom Montagebereich des Bauelements 101 bzw. 102 weitgehend mechanisch entkoppelt. Bei der Filterstruktur 41 bzw. 42 kann es sich einfach um eine Aneinanderreihung von Durchgangsöffnungen 4 handeln oder auch um eine rasterartige, also mehrreihige Anordnung von Durchgangsöffnungen 4, deren Größe sich in erster Linie nach der Größe und Art der zu filternden Partikel richtet. Bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen 101 und 102 ist die Membran 1 sowohl mechanisch als auch elektrisch über Stege mit dem „Festland” des Bauelements verbunden. Je nach Umgebungsdruck wird die Membran 1 mehr oder weniger stark ausgelenkt. Die Membranverformungen werden beispielsweise mit Hilfe von hier nicht im Einzelnen dargestellten Piezowiderständen auf der Membran 1 in ein elektrisches Signal umgewandelt, die dann mit entsprechenden Schaltungsmitteln weiter verarbeitet und ausgewertet werden können.
Die beiden voranstehend beschriebenen MEMS-Bauelemente 101 und 102 können beispielsweise ausgehend von einem Siliziumsubstrat mit Standardverfahren der Halbleiterprozessierung gefertigt werden. So kann die Membran 1 über dem Hohlraum 2 beispielsweise in einem APSM(advanced porous silicon membrane)-Prozess erzeugt werden. Der Medienzugangskanal 3 mit der Filterstruktur 4 kann in einem zweiseitigen Trenchprozess ausgebildet werden oder auch in einem Trenchprozess in Kombination mit einem KOH-Ätzprozess, wenn konische Filterdurchgangsöffnungen erzeugt werden sollen. Alternativ dazu kann die Filterstruktur auch in einem Opferschichtverfahren erzeugt werden.
An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass das erfindungsgemäße Bauelementkonzept auch MEMS-Bauelemente, wie z. B. Relativdrucksensoren umfasst, deren Membran nicht nur vorderseitig sondern auch rückseitig mit einem Medium beaufschlagt werden. Derartige Membranen können beispielsweise in einem rückseitigen KOH-Ätzschritt freigelegt werden.
Die beiden voranstehend beschriebenen Drucksensorelemente 101 und 102 können beispielsweise im Rahmen der beiden in den 2a und 2b dargestellten Bauteile 201 und 202 verbaut werden. Diese umfassen jeweils ein Gehäuseteil 20 mit einem Bodenabschnitt 21 und einer umlaufenden Seitenwandung 22. Zumindest im Bodenabschnitt 21 des Gehäuseteils 20 sind Leiterbahnen eingebettet, die als Pins zur externen Bauteilkontaktierung nach außen geführt sind, was hier allerdings nicht im Einzelnen dargestellt ist.
Im Fall des Bauteils 201 wurde das Drucksensorelement 101 über Lötkugeln 5 mit der Bauelementvorderseite, d. h. in Flip-Chip-Technik, auf dem Bodenabschnitt 21 des Gehäuseteils 20 montiert. Die Lötkugeln 5 sind außen seitlich vom Ringkanal 3 des Drucksensorelements 101 angeordnet und fungieren nicht nur als mechanische und elektrische Verbindung zwischen dem Drucksensorelement 101 und dem Bodenabschnitt 21 des Gehäuseteils 20 sondern auch als Distanzhalter, so dass zwischen dem geschlossenen Bodenabschnitt 21 und der Sensormembran 1 ein Freiraum 7 besteht. Dieser Freiraum 7 ermöglicht eine Druckbeaufschlagung der Sensormembran 1 über den Ringkanal 3. Die Lötverbindung 5 wurde außerdem noch außen seitlich mit einer Dichtungsmasse 6 abgedichtet, um zu gewährleisten, dass der Ringkanal 3 mit der Filterstruktur 41 die einzige Druckverbindung zur Sensormembran 1 bildet. Mit Hilfe eines Dichtrings 61 wurde das Vordringen der Dichtungsmasse 6 in den Freiraum 7 und zur Sensormembran 1 während der Fertigung verhindert. Zusätzlich aber nicht notwendigerweise kann ein Dichtring 66 appliziert werden. Alternativ zur Einbettung des Sensorbauelements 101 in einer Dichtungsmasse 6 kann das Sensorelement auch druckdicht in ein entsprechend dimensioniertes Gehäuseteil eingepresst werden.
Im Fall des Bauteils 202 wurde zunächst ein Chipstapel hergestellt, indem das Drucksensorelement 102 in Flip-Chip-Technik auf einem ASIC-Bauelement 30 montiert wurde. Der Ringkanal 3 des Drucksensorelements 102 mündet hier in einen Freiraum 7 zwischen dem ASIC-Bauelement 30 und der Sensormembran 1. Dieser Chipstapel wurde dann mit dem ASIC-Bauelement 30 auf dem Bodenabschnitt 21 des Gehäuseteils 20 montiert und in eine Dichtungsmasse 6 eingebettet, so dass auch hier der Ringkanal 3 mit der Filterstruktur 42 die einzige Druckverbindung zur Sensormembran 1 bildet. Die Dichtungsmasse 6 schützt hier außerdem die elektrische Verbindung 8 zwischen dem ASIC-Bauelement 30 und dem Gehäuseteil 20.

Claims

MEMS-Bauelement (101; 102) zur Montage auf einem Träger oder innerhalb eines Gehäuses in Flip-Chip-Technik mit mindestens einer deformierbaren Membran (1), die in der Vorderseite des Bauelements (101; 102) ausgebildet ist, und mit mindestens einem Medienanschlusskanal (3), der mit einer Filterstruktur (41; 42) versehen ist, wobei der Medienanschlusskanal (3) seitlich neben der Membran (1) angeordnet ist und sich von der Rückseite bis zur Vorderseite des Bauelements (101; 102) erstreckt, so dass die Membran (1) mittels einer umlaufend druckdichten Verbindung auf dem Träger oder innerhalb des Gehäuses vorderseitig lediglich mit dem durch die Filterstruktur (41; 42) im Mediananachlusskanal (3) gefilterten Medium in Kontakt tritt, wobei die Durchgangsöffnungen der Filterstruktur (41; 42) mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen sind und Mittel zum Anlegen einer Heizspannung oder zum Anlegen von Spannungsimpulsen vorgesehen sind.
MEMS-Bauelement (102) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstruktur (42) ebenfalls in der Vorderseite des MEMS-Bauelements (102) ausgebildet ist.
MEMS-Bauelement (101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstruktur (41) in der Rückseite des MEMS-Bauelements (101) ausgebildet ist.
MEMS-Bauelement (101; 102) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Medienanschlusskanal (3) mit der Filterstruktur (41; 42) umlaufend um die Membran (1) ausgebildet ist, insbesondere als Ringkanal.
MEMS-Bauelement (101; 102) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Filterstruktur (41; 42) eine mechanische Stressentlastung der Membran (1) vom umliegenden Montagebereich des Bauelements darstellt.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstruktur in Form einer rasterartigen Anordnung von Filteröffnungen (4) realisiert ist, die sich zumindest über einen Teil des Schichtaufbaus des MEMS-Bauelements erstrecken.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchgangsöffnungen der Filterstruktur konisch verengen.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen der Filterstruktur mit einer hydrophoben Beschichtung versehen sind, insbesondere mit einer Teflon- oder ASC(Anti Stiction Coating)-Beschichtung.