DE102017212318A1 - Micromechanical sensor device and corresponding manufacturing method - Google Patents

Micromechanical sensor device and corresponding manufacturing method Download PDF

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DE102017212318A1 DE102017212318.4A DE102017212318A DE102017212318A1 DE 102017212318 A1 DE102017212318 A1 DE 102017212318A1 DE 102017212318 A DE102017212318 A DE 102017212318A DE 102017212318 A1 DE102017212318 A1 DE 102017212318A1
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Abstract

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die mikromechanische Sensorvorrichtung ist ausgestattet mit einem Sensorsubstrat (1) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS); einem auf der Vorderseite (VS) vorgesehenen Sensorbereich (4), welcher mit einem Umweltmedium in Kontakt bringbar ist; wobei der Sensorbereich (4) über eine Federeinrichtung (7) elastisch im Sensorsubstrat (1) aufgehängt ist. Im Sensorsubstrat (1) unterhalb des Sensorbereichs (4) ist ein Hohlraum (6) vorgesehen, der sich bis zur Rückseite (RS) erstreckt; und eine auf der Rückseite (RS) aufgebrachte Gitterschicht (11) überspannt den Hohlraum (6).The invention provides a micromechanical sensor device and a corresponding manufacturing method. The micromechanical sensor device is equipped with a sensor substrate (1) with a front side (VS) and a rear side (RS); a sensor area (4) provided on the front side (VS), which can be brought into contact with an environmental medium; wherein the sensor region (4) is elastically suspended in the sensor substrate (1) via a spring device (7). In the sensor substrate (1) below the sensor region (4), a cavity (6) is provided, which extends to the back (RS); and a grid layer (11) applied on the back side (RS) spans the cavity (6).

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.The invention relates to a micromechanical sensor device and a corresponding manufacturing method.

Stand der TechnikState of the art

Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von mikromechanischen Drucksensorvorrichtungen erläutert.Although any micromechanical components are applicable, the present invention and the problems underlying it are explained with reference to micromechanical pressure sensor devices.

Die US 2015/0001651 A1 offenbart eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung.The US 2015/0001651 A1 discloses a micromechanical pressure sensor device.

6 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung der aus der US 2015/0001651 A1 bekannten mikromechanischen Drucksensorvorrichtung. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining the of US 2015/0001651 A1 known micromechanical pressure sensor device.

In 6 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Sensorsubstrat, beispielsweise ein Silizium-Sensorsubstrat, bei dem über einer Kaverne 2 eine dünne Membran 3 gebildet ist. In der Membran 3 ist ein Sensorbereich 4 vorgesehen, welcher beispielsweise piezoresistive Widerstände zur Druckmessung aufweist. Bei Anlegen eines äußeren Drucks an die Membran 3 wird diese verbogen, woraufhin die piezoresistiven Widerstände ihre Widerstandswerte verändern, sodass über eine Messung der Widerstandswerte auf den anliegenden externen Druck geschlossen werden kann.In 6 denotes reference numeral 1 a sensor substrate, for example a silicon sensor substrate, in which over a cavern 2 a thin membrane 3 is formed. In the membrane 3 is a sensor area 4 provided, which has, for example piezoresistive resistors for pressure measurement. When an external pressure is applied to the membrane 3 this is bent, whereupon the piezoresistive resistors change their resistance values, so that it can be concluded by measuring the resistance values on the applied external pressure.

Zur Entkopplung der bekannten mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gegenüber äußeren Kräften ist im Sensorsubstrat 1 unterhalb der Membran 3 ein Hohlraum 6 vorgesehen, und zusätzlich ist der Sensorbereich 4 lateral über eine Federeinrichtung 7 vom Sensorsubstrat 1 mechanisch elastisch entkoppelt. Von der Rückseite her ist auf das Sensorsubstrat 1 ein rückseitiger Kappenwafer 11 aufgebondet. Auf der Vorderseite des Sensorsubstrats 1 ist ein vorderseitiger Kappenwafer 9 aufgebondet, welcher einen Druckzugang 10 für den Sensorbereich 4 aufweist.For decoupling the known micromechanical pressure sensor device from external forces is in the sensor substrate 1 below the membrane 3 a cavity 6 provided, and in addition is the sensor area 4 laterally via a spring device 7 from the sensor substrate 1 mechanically elastic decoupled. From the back is on the sensor substrate 1 a back cap wafer 11 bonded on. On the front of the sensor substrate 1 is a front cap wafer 9 Bonded, which a pressure access 10 for the sensor area 4 having.

Der rückseitige Kappenwafer 11 kann beispielsweise auch als Auswerte-ASIC ausgelegt werden. Der Verbund aus den Kappenwafern 9, 11 und dem Sensorsubstrat 1 ist auf ein Trägersubstrat 8 geklebt und gleichzeitig mit einer Moldmasse 5a verpackt. Somit sollen äußere Kräfte, die an dem Gehäuse 5 insgesamt anliegen, möglichst vom Sensorbereich 4 entkoppelt werden.The back cap wafer 11 For example, it can also be designed as an evaluation ASIC. The composite of the cap wafers 9 . 11 and the sensor substrate 1 is on a carrier substrate 8th glued and at the same time with a molding compound 5a packed up. Thus, external forces acting on the housing 5 total abut, if possible from the sensor area 4 be decoupled.

Somit benötigt die bekannte mikromechanische Drucksensorvorrichtung zwei Kappenwafer und die damit verbundenen Bondprozesse, was den Herstellungsprozess aufwendig macht, und zudem weist die bekannte mikromechanische Drucksensorvorrichtung eine relativ große Aufbauhöhe auf.Thus, the known micromechanical pressure sensor device requires two cap wafers and the associated bonding processes, which makes the manufacturing process expensive, and moreover, the known micromechanical pressure sensor device has a relatively large construction height.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 7.The invention provides a micromechanical sensor device according to claim 1 and a corresponding manufacturing method according to claim 7.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred developments are the subject of the respective subclaims.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 bzw. das entsprechende Herstellungsverfahren nach Anspruch 7 ermöglichen die Bereitstellung einer stressentkoppelten mikromechanischen Sensorvorrichtung, die kostengünstig hergestellt werden kann und eine geringe Bauhöhe aufweist.The inventive micromechanical sensor device according to claim 1 or the corresponding manufacturing method according to claim 7 make it possible to provide a stress-decoupled micromechanical sensor device which can be produced cost-effectively and has a low overall height.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass auf der Rückseite des Sensorwafers eine Gitterschicht vorgesehen wird, wobei der Ätzprozess für den unter dem Sensorbereich liegenden Hohlraum durch diese Gitterschicht hindurch ausgeführt wird. An der Vorderseite ist der Sensorbereich durch im Sensorsubstrat ausgebildete Federn aufgehängt. Die rückseitige Gitterschicht kann entweder nach dem Ätzprozess über eine Schichtabscheidung verschlossen werden oder als Medienzugang verwendet werden. Im letzteren Fall ist es vorteilhaft, anstelle des Kappenwafers einen Auswerte-ASIC zur Verkappung der Vorderseite vorzusehen.The idea underlying the present invention is that a grid layer is provided on the backside of the sensor wafer, wherein the etching process for the cavity located below the sensor area is performed through this grid layer. At the front, the sensor area is suspended by springs formed in the sensor substrate. The backside grid layer can either be closed after the etching process via a layer deposition or used as media access. In the latter case, it is advantageous to provide an evaluation ASIC for capping the front side instead of the cap wafer.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist auf die Vorderseite ein Kappensubstrat gebondet, welches einen Medienzugang zum Sensorbereich aufweist, und wobei die Gitterschicht durch eine Verschlussschicht mediendicht verschlossen ist. Dies ermöglicht einen dünnen rückseitigen Verschluss.According to a preferred development, a cap substrate is bonded to the front side, which has a media access to the sensor area, and wherein the grid layer is closed by a sealing layer in a media-tight manner. This allows a thin back closure.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Sensorbereich auf einem Stempel des Sensorsubstrats angeordnet ist, welcher sich bis zur Rückseite erstreckt. Dies erhöht die Stabilität zusätzlich und schützt vor Vibrationen.According to a further preferred development, the sensor region is arranged on a stamp of the sensor substrate, which extends to the rear side. This additionally increases the stability and protects against vibrations.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung
4. Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei sind ein oder mehrere Stabilisierungsstege des Sensorsubstrats im Hohlraum auf der Gitterschicht angeordnet, die vom Sensorbereich getrennt sind. So lässt sich eine dünne stabilisierte Gitterschicht herstellen.
According to another preferred embodiment
4. The micromechanical sensor device according to claim 2, wherein one or more stabilizing webs of the sensor substrate are arranged in the cavity on the grid layer, which are separated from the sensor area. This makes it possible to produce a thin stabilized grid layer.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Vorderseite auf ein ASIC-Substrat gebondet, wobei ein lateraler Medienzugang zum Sensorbereich zum Sensorbereich in einem Zwischenraum zwischen dem Sensorsubstrat und dem ASIC-Substrat gebildet ist, und wobei die Gitterschicht durch eine Vorschlussschicht mediendicht verschlossen ist. So lässt sich ein vorderseitiger Kappenwafer ersparen und die Kompaktheit weiter erhöhen.According to a further preferred development, the front side is bonded to an ASIC substrate, wherein a lateral media access to the sensor area to the sensor area is formed in a gap between the sensor substrate and the ASIC substrate, and wherein the grid layer is closed media-tight by a precluding layer. This saves a front cap wafer and further increases its compactness.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Vorderseite des Sensorsubstrats mediendicht auf ein ASIC-Substrat gebondet, wobei die Gitterschicht als Medienzugang ausgestaltet ist. So lässt sich ein vorderseitiger Kappenwafer ersparen und die Gitterschicht funktionell nützen.According to a further preferred development, the front side of the sensor substrate is bonded to an ASIC substrate in a media-tight manner, wherein the grid layer is designed as a media access. Thus, a front cap wafer can be saved and the mesh layer functionally useful.

Figurenlistelist of figures

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.Further features and advantages of the present invention will be explained below with reference to embodiments with reference to the figures.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3a),b) schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 3b) eine Ausschnittsvergrößerung des Ausschnitts A von 3a) ist;
  • 4 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 6 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer bekannten mikromechanischen Sensorvorrichtung.
Show it:
  • 1 a schematic cross-sectional view for explaining a micromechanical sensor device according to a first embodiment of the present invention;
  • 2 a schematic cross-sectional view for explaining a micromechanical sensor device according to a second embodiment of the present invention;
  • 3a) , b) schematic cross-sectional views for explaining a micromechanical sensor device according to a third embodiment of the present invention, wherein 3b) a detail enlargement of the clipping A from 3a) is;
  • 4 a schematic cross-sectional view for explaining a micromechanical sensor device according to a fourth embodiment of the present invention;
  • 5 a schematic cross-sectional view for explaining a micromechanical sensor device according to a fifth embodiment of the present invention; and
  • 6 a schematic cross-sectional view for explaining a known micromechanical sensor device.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.In the figures, like reference numerals designate the same or functionally identical elements.

1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a micromechanical sensor device according to a first embodiment of the present invention.

In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Silizium-Sensorsubstrat mit einer Vorderseite VS und einer Rückseite RS. Auf der Vorderseite VS ist ein Sensorbereich 4 vorgesehen, welcher beispielsweise eine Kaverne 2, eine Membran 3 und in die Membran 3 integrierte (nicht dargestellte) Piezowiderstände aufweist.In 1 denotes reference numeral 1 a silicon sensor substrate with a front side VS and a back RS , On the front side VS is a sensor area 4 provided, which, for example, a cavern 2 , a membrane 3 and in the membrane 3 having integrated piezoresistors (not shown).

Der Sensorbereich 4 ist über eine lateral angeordnete Federeinrichtung 7 elastisch im Sensorsubstrat 1 aufgehängt. Im Sensorsubstrat 1 unterhalb des Sensorbereichs 4 ist ein Hohlraum 6 vorgesehen, der sich bis zur Rückseite RS erstreckt. Auf der Rückseite RS ist eine Gitterschicht 11 vorgesehen, welche beispielsweise aus einem Metall, insbesondere Aluminium, oder aus einer Oxidschicht hergestellt ist und welche im Bereich des Hohlraums 6 kleine Gitteröffnungen von einer Größenordnung von typischerweise 1 bis 10 µm aufweist. Die Gitterschicht 11 ist durch eine Verschlussschicht 12, beispielsweise eine Siliziumnitridschicht oder Siliziumoxidschicht, mediendicht verschlossen.The sensor area 4 is via a laterally arranged spring device 7 elastic in the sensor substrate 1 suspended. In the sensor substrate 1 below the sensor area 4 is a cavity 6 provided, extending to the back RS extends. On the back side RS is a grid layer 11 provided, which is made for example of a metal, in particular aluminum, or of an oxide layer and which in the region of the cavity 6 has small grid openings of the order of typically 1 to 10 microns. The grid layer 11 is through a sealing layer 12 , For example, a silicon nitride or silicon oxide layer, media-tightly closed.

Auf der Vorderseite VS ist eine Isolationsschicht I, beispielsweise eine Siliziumoxidschicht vorgesehen, in die eine Leiterbahnanordnung LB integriert ist, welche einen elektrischen Anschluss 13 des Sensorbereichs mit einem elektrischen Anschluss 14 für eine externe Verbindung verbindet. Auf der Isolationsschicht I ist ein Kappenwafer 9 über eine Bondverbindung B aufgebondet, welcher einen Medienzugang 10 zum Sensorbereich aufweist.On the front side VS an insulating layer I, for example a silicon oxide layer is provided, into which a printed conductor arrangement LB integrated, which is an electrical connection 13 of the sensor area with an electrical connection 14 for an external connection connects. On the insulation layer I is a cap wafer 9 via a bond connection B Bonded, which a media access 10 to the sensor area.

Die Funktionsweise der derart aufgebauten mikromechanischen Sensorvorrichtung entspricht derjenigen, welche bereits mit Bezug auf die bekannte mikromechanische Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 6 beschrieben wurde. Durch die dünne Gitterschicht ist die Aufbauhöhe wesentlich reduziert, wobei die Stressentkopplung genauso effektiv ist. Obwohl nicht dargestellt, kann eine Gehäuseverpackung in analoger Weise zur bekannten mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß 6 erfolgen.The mode of operation of the micromechanical sensor device constructed in this way corresponds to that which has already been described with reference to the known micromechanical sensor device according to claim 6. Due to the thin grid layer the construction height is significantly reduced, whereby the stress decoupling is just as effective. Although not shown, a housing package in an analogous manner to the known micromechanical sensor device according to 6 respectively.

Zur Herstellung der mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß 1 wird bei der vorliegenden Ausführungsform zunächst das Sensorsubstrat 1 von der Vorderseite VS her prozessiert, um den Sensorbereich 4 und die Federeinrichtung 7 herzustellen. Dann werden die Isolationsschicht I und die darin eingebettete Leiterbahneinrichtung LB sowie die elektrischen Kontakte 13, 14 hergestellt. Schließlich wird der Kappenwafer 9 über den Bondbereich B aufgebondet.For producing the micromechanical sensor device according to 1 In the present embodiment, first, the sensor substrate becomes 1 from the front VS processed to the sensor area 4 and the spring device 7 manufacture. Then the insulation layer I and the conductor track device embedded therein LB as well as the electrical contacts 13 . 14 produced. Finally, the cap wafer 9 over the bond area B bonded on.

In einem darauffolgenden Prozessschritt kann, falls erforderlich, das Sensorsubstrat 1 an der Rückseite RS zunächst auf die erwünschte Zieldicke rückgeschliffen werden. Im Anschluss daran erfolgt das Aufbringen der Gitterschicht 11 auf die Rückseite RS.In a subsequent process step, if necessary, the sensor substrate 1 at the back RS be first ground back to the desired target thickness. This is followed by the application of the grid layer 11 on the back RS ,

Als Ätzprozess zum Perforieren der Gitterschicht 11 im Bereich des freizuätzenden Hohlraums 6 wird bevorzugt ein Trenchprozess verwendet. Bei einem derartigen Trenchprozess wird die seitliche Unterätzung bevorzugt derart gewählt, dass die Stege der Gitterschicht 11 alle vollständig unterätzt werden. Der Verschluss der Gitterschicht 11 erfolgt dann bevorzugt mit einer LPCVD-Abscheidung (Low Pressure Chemical Vapour Deposition), wobei als Verschlussschicht 11 Silizumnitrid oder Siliziumoxid oder Kombinationen derartiger Schichten bevorzugt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Nitrid-/Oxid-Schichtstapel verwendet, der in Summe derart gewählt ist, dass die Gitterschicht 11 in Kombination mit allen Verschlussschichten eine Schicht ergeben, die leicht unter Zugstress steht und damit ein Ausbeulen der Schicht vermieden werden kann.As an etching process for perforating the grid layer 11 in the area of the cavity to be freed 6 a trench process is preferably used. In such a trench process, the lateral undercutting is preferably selected such that the webs of the grid layer 11 all completely undercut. The closure of the grid layer 11 is then preferably carried out with a LPCVD deposition (Low Pressure Chemical Vapor Deposition), wherein as a sealing layer 11 Silizumnitrid or silica or combinations of such layers are preferred. In a preferred embodiment, a nitride / oxide layer stack is used, which is chosen in total such that the grid layer 11 in combination with all the sealing layers result in a layer which is easily under tensile stress and thus a bulging of the layer can be avoided.

Nachdem die Rückseite RS verschlossen und geschützt ist, kann dann in einem weiteren Prozessschritt der Medienzugang 10 im Kappenwafer 9 angelegt werden.After the back RS closed and protected, then in a further process step the media access 10 in the cap wafer 9 be created.

2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 FIG. 12 is a schematic cross-sectional view for explaining a micromechanical sensor device according to a second embodiment of the present invention. FIG.

In 2 trägt das Sensorsubstrat Bezugszeichen 1'. Im Unterschied zum Sensorsubstrat 1 gemäß der ersten Ausführungsform weist das Sensorsubstrat 1' gemäß 2 einen zentralen Stempel 15 unter dem Sensorbereich 4 auf. Mit anderen Worten ist der Sensorbereich 4 auf einem Stempel 15 des Sensorsubstrats 1' angeordnet, welcher sich bis zur Rückseite RS erstreckt, wobei im Bereich des Stempels 15 die Gitterschicht 11 geschlossen ist. Durch den Stempel kann der Sensorbereich 4 insbesondere für Anwendungen mit hohen Vibrationen weiter stabilisiert werden. Die Federeinrichtung 7 kann bei dieser Ausführungsform ggf. weicher ausgelegt werden als bei der ersten Ausführungsform.In 2 the sensor substrate bears reference numbers 1' , Unlike the sensor substrate 1 According to the first embodiment, the sensor substrate 1' according to 2 a central stamp 15 under the sensor area 4 on. In other words, the sensor area 4 on a stamp 15 of the sensor substrate 1' arranged, which is up to the back RS extends, being in the area of the punch 15 the grid layer 11 closed is. Through the stamp, the sensor area 4 especially for high vibration applications. The spring device 7 may be made softer in this embodiment, if necessary, as in the first embodiment.

Ansonsten sind Funktion und Aufbau der zweiten Ausführungsform gleich wie bei der ersten Ausführungsform.Otherwise, the function and structure of the second embodiment are the same as in the first embodiment.

3a),b) sind schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 3b) eine Ausschnittsvergrößerung des Ausschnitts A von 3a) ist. 3a) , b) are schematic cross-sectional views for explaining a micromechanical sensor device according to a third embodiment of the present invention, wherein 3b) a detail enlargement of the clipping A from 3a) is.

Bei der dritten Ausführungsform trägt das Sensorsubstrat Bezugszeichen 1", wobei die Gitterschicht 11 in streifenförmigen Bereichen mit Stegen 16 des Sensorsubstrats 1" geschlossen ist. Die Stege 16 dienen dazu, die Gitterschicht 11 zu stabilisieren. Zur Herstellung der Stege 16 mit dem darüberliegenden Hohlraum 6 zwischen Sensorbereich 4 und den Stegen 16 wird ein zweistufiger Ätzprozess verwendet. Die erste Stufe des Ätzprozesses wird als anisotroper Trenchätzprozess derart ausgeführt, dass die Gitterstrukturen im Bereich 18 unterätzt werden. Die zweite Stufe des Ätzprozesses wird in einem isotropen Ätzschritt im Bereich 18 derart ausgeführt, dass die Stege 16 geätzt werden.In the third embodiment, the sensor substrate carries reference numerals 1" , wherein the grid layer 11 in strip-shaped areas with bars 16 of the sensor substrate 1" closed is. The bridges 16 serve to the grid layer 11 to stabilize. For the production of the webs 16 with the overlying cavity 6 between sensor area 4 and the jetties 16 a two-stage etching process is used. The first stage of the etching process is performed as an anisotropic trench etching process such that the grating structures in the area 18 be underestimated. The second stage of the etching process is in an isotropic etching step in the range 18 executed such that the webs 16 be etched.

4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 FIG. 12 is a schematic cross-sectional view for explaining a micromechanical sensor device according to a fourth embodiment of the present invention. FIG.

Bei der vierten Ausführungsform trägt das Sensorsubstrat Bezugszeichen 1"' und ist analog zum Sensorsubstrat 1 gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform aufgebaut. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ist jedoch kein Kappenwafer vorgesehen, sondern das Sensorsubstrat 1"' ist über einen Bondbereich B auf einen Auswerte-ASIC 19 gebondet. Es wird dabei ein Bondprozess verwendet, der auch einen elektrischen Kontakt 20 zwischen dem Sensorsubstrat 1 und dem Auswerte-ASIC 19 ermöglicht. Bei dieser Ausführungsform ist der Medienzugang 21 lateral zum Sensorbereich 4 in einem Zwischenraum zwischen dem Sensorsubstrat 1"' und dem ASIC-Substrat 19 gebildet.In the fourth embodiment, the sensor substrate carries reference numerals 1"' and is analogous to the sensor substrate 1 constructed according to the first embodiment described above. In contrast to the first embodiment, however, no cap wafer is provided, but the sensor substrate 1"' is over a bond area B to an evaluation ASIC 19 bonded. In this case, a bonding process is used which also involves an electrical contact 20 between the sensor substrate 1 and the evaluation ASIC 19 allows. In this embodiment, the media access is 21 lateral to the sensor area 4 in a space between the sensor substrate 1"' and the ASIC substrate 19 educated.

5 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5 FIG. 12 is a schematic cross-sectional view for explaining a micromechanical sensor device according to a fifth embodiment of the present invention. FIG.

Bei der fünften Ausführungsform trägt das Sensorsubstrat Bezugszeichen 1"" und unterscheidet sich vom Sensorsubstrat 1 gemäß der ersten Ausführungsform, dass keine Verschlussschicht auf der Gitterschicht 11 vorgesehen ist.In the fifth embodiment, the sensor substrate carries reference numerals 1"" and differs from the sensor substrate 1 according to the first embodiment, that no sealing layer on the grid layer 11 is provided.

Die Vorderseite VS des Sensorsubstrats 1"" ist bei dieser fünften Ausführungsform mediendicht auf ein ASIC-Substrat 19a gebondet, wobei die Gitterschicht 11 als Medienzugang 25 ausgebildet ist. Eine derartige Anordnung wird als Bare-Die-Element 22 bezeichnet.The front VS of the sensor substrate 1"" In this fifth embodiment, it is media-tight on an ASIC substrate 19a bonded, with the grid layer 11 as media access 25 is trained. Such an arrangement is called a bare-die element 22 designated.

Wie bei der vierten Ausführungsform gibt es einen Bondbereich und einen über die Bondverbindung realisierten elektrischen Kontakt 20 zwischen dem Sensorsubstrat 1 und dem ASIC-Substrat 19a. Über Durchkontaktierungen 23 wird das ASIC-Signal auf die dem Sensorsubstrat 1"" gegenüberliegende Seite des ASIC-Substrats 19a geleitet und ist über Lotbereiche 24 nach außen hin auf einem entsprechenden Trägersubstrat elektrisch anschließbar.As in the fourth embodiment, there is a bonding region and an electrical contact realized via the bonding connection 20 between the sensor substrate 1 and the ASIC substrate 19a , About vias 23 the ASIC signal is applied to the sensor substrate 1"" opposite side of the ASIC substrate 19a passed and is over solder regions 24 towards the outside on a corresponding carrier substrate electrically connected.

Die als Medienzugang 25 fungierende Gitterschicht 11 ist entweder überhaupt nicht geschlossen, wobei dann der Gitterbereich als Partikelschutz wirkt. Zusätzlich kann der Gitterbereich 11 beispielsweise mit einer wasserabweisenden Schicht (nicht gezeigt) versehen werden, welche zusätzlich als Schutzschicht gegenüber einem flüssigen Medium wirken kann.The as media access 25 functioning grid layer 11 is either not closed at all, in which case the grid area acts as particle protection. In addition, the grid area 11 For example, be provided with a water-repellent layer (not shown), which may additionally act as a protective layer against a liquid medium.

Wenn andererseits nur ein punktförmiger Zugang und kein flächiger Zugang als Medienzugang 25 gewünscht ist, kann auch ein Medienzugang 25 in der Gitterschicht 11 gewählt werden, der größer als die normale Gitterkonstante ist, wobei dieser nicht im Verschlussprozess verschlossen wird, hingegen die kleineren Gitterdurchgänge mit der Verschlussschicht 12 verschlossen werden.On the other hand, if only a point access and no area access as media access 25 is desired, can also be a media access 25 in the grid layer 11 which is larger than the normal lattice constant, which is not closed in the closing process, but the smaller lattice passages with the sealing layer 12 be closed.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.Although the present invention has been described in terms of preferred embodiments, it is not limited thereto. In particular, the materials and topologies mentioned are only examples and not limited to the illustrated examples.

Besonders bevorzugte weitere Anwendungen für die erfindungsgemäße mikromechanische Sensorvorrichtung sind beispielsweise chemische Gassensoren, wie Metalloxidgassensoren, Wärmeleitfähigkeitssensoren, Pirani-Elemente, Massenflusssensoren, wie Luftmassenmesser, Lambda-Sonden auf mikromechanischer Membran, Infrarot-Sensorvorrichtungen etc.Particularly preferred further applications for the micromechanical sensor device according to the invention are, for example, chemical gas sensors, such as metal oxide gas sensors, thermal conductivity sensors, Pirani elements, mass flow sensors, such as air mass meters, lambda probes on a micromechanical membrane, infrared sensor devices, etc.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2015/0001651 A1 [0003, 0004]US 2015/0001651 A1 [0003, 0004]

Claims (12)

Mikromechanische Sensorvorrichtung mit: einem Sensorsubstrat (1; 1'; 1"; 1"; 1"") mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS); einem auf der Vorderseite (VS) vorgesehenen Sensorbereich (4), welcher mit einem Umweltmedium in Kontakt bringbar ist; wobei der Sensorbereich (4) über eine Federeinrichtung (7) elastisch im Sensorsubstrat (1; 1'; 1"; 1"; 1"") aufgehängt ist; wobei im Sensorsubstrat (1; 1'; 1"; 1"; 1"") unterhalb des Sensorbereichs (4) ein Hohlraum (6) vorgesehen ist, der sich bis zur Rückseite (RS) erstreckt; und einer auf der Rückseite (RS) aufgebrachten Gitterschicht (11), die den Hohlraum (6) überspannt.Micromechanical sensor device with: a sensor substrate (1; 1 '; 1 "; 1"; 1 "") having a front side (VS) and a back side (RS); a sensor area (4) provided on the front side (VS), which can be brought into contact with an environmental medium; wherein the sensor region (4) is elastically suspended in the sensor substrate (1; 1 '; 1 "; 1"; 1 "") by means of a spring device (7); wherein in the sensor substrate (1; 1 '; 1 "; 1"; 1 "") below the sensor region (4) a cavity (6) is provided which extends to the rear side (RS); and a grid layer (11) applied on the rear side (RS), which spans the cavity (6). Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei auf die Vorderseite (VS) ein Kappensubstrat (9) gebondet ist, welches einen Medienzugang (10) zum Sensorbereich (4) aufweist, und wobei die Gitterschicht (11) durch eine Vorschlussschicht (12) mediendicht verschlossen ist.Micromechanical sensor device according to Claim 1 , wherein on the front side (VS) a cap substrate (9) is bonded, which has a media access (10) to the sensor area (4), and wherein the grid layer (11) is sealed media-tight by a precoat layer (12). Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Sensorbereich (4) auf einem Stempel (15) des Sensorsubstrats (1') angeordnet ist, welcher sich bis zur Rückseite (RS) erstreckt.Micromechanical sensor device according to Claim 2 , wherein the sensor area (4) is arranged on a punch (15) of the sensor substrate (1 ') which extends to the rear side (RS). Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei ein oder mehrere Stabilisierungsstege (16) des Sensorsubstrats (1") im Hohlraum (6) auf der Gitterschicht (11) angeordnet sind, die vom Sensorbereich (4) getrennt sind.Micromechanical sensor device according to Claim 2 in which one or more stabilizing webs (16) of the sensor substrate (1 ") are arranged in the cavity (6) on the grid layer (11), which are separated from the sensor area (4). Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorderseite (VS) auf ein ASIC-Substrat (19) gebondet ist, wobei ein lateraler Medienzugang (21) zum Sensorbereich (4) zum Sensorbereich (4) in einem Zwischenraum zwischen dem Sensorsubstrat (1"') und dem ASIC-Substrat (19) gebildet ist, und wobei die Gitterschicht (11) durch eine Vorschlussschicht (12) mediendicht verschlossen ist.Micromechanical sensor device according to Claim 1 wherein the front side (VS) is bonded to an ASIC substrate (19), wherein a lateral media access (21) to the sensor area (4) to the sensor area (4) in a space between the sensor substrate (1 "') and the ASIC Substrate (19) is formed, and wherein the grid layer (11) by a precursor layer (12) is sealed media-tight. Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorderseite (VS) des Sensorsubstrats (1"") mediendicht auf ein ASIC-Substrat (19a) gebondet ist und wobei die Gitterschicht (11) als Medienzugang (25) ausgestaltet ist.Micromechanical sensor device according to Claim 1 , wherein the front side (VS) of the sensor substrate (1 "") is media-tightly bonded to an ASIC substrate (19a) and wherein the grid layer (11) is designed as a media access (25). Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Sensorvorrichtung mit den Schritten: Bereitstellen von einem Sensorsubstrat (1; 1'; 1"; 1"; 1"") mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS), Bilden von einem auf der Vorderseite (VS) vorgesehenen Sensorbereich (4), welcher mit einem Umweltmedium in Kontakt bringbar ist; Bilden einer Federeinrichtung (7), über die der Sensorbereich (4) im Sensorsubstrat (1; 1'; 1"; 1"; 1"") aufgehängt ist; Bilden von einer Gitterschicht (11) auf der Rückseite (RS); Bilden eines Hohlraums im Sensorsubstrat (1; 1'; 1"; 1"; 1"") unterhalb des Sensorbereichs (4), der sich bis zur Rückseite (RS) erstreckt durch einen Ätzprozess, bei dem ein Ätzmedium durch die Gitterschicht (11) in das Sensorsubstrat (1; 1'; 1"; 1"; 1"") geleitet wird, wobei die Federeinrichtung (7) freigestellt wird, so dass der Sensorbereich (4) im Sensorsubstrat (1; 1'; 1"; 1"; 1"") elastisch aufgehängt ist.Method for producing a micromechanical sensor device with the steps: Providing a sensor substrate (1; 1 '; 1 "; 1"; 1 "") having a front side (VS) and a rear side (RS), Forming a sensor area (4) provided on the front side (VS) which can be brought into contact with an environmental medium; Forming a spring device (7) via which the sensor region (4) is suspended in the sensor substrate (1; 1 '; 1 "; 1"; 1 ""); Forming a grid layer (11) on the back side (RS); Forming a cavity in the sensor substrate (1; 1 '; 1 "; 1"; 1 "") below the sensor region (4) which extends to the rear side (RS) by an etching process in which an etching medium is conveyed through the mesh layer (11 ) is guided into the sensor substrate (1; 1 '; 1 "; 1"; 1 ""), whereby the spring device (7) is released so that the sensor region (4) in the sensor substrate (1; 1'; 1 "; 1" ") is suspended elastically. Verfahren nach Anspruch 7, wobei auf die Vorderseite (VS) ein Kappensubstrat (9) gebondet wird, welches einen Medienzugang (10) zum Sensorbereich (4) aufweist, und wobei die Gitterschicht (11) durch eine Vorschlussschicht (12) mediendicht verschlossen wird.Method according to Claim 7 , wherein on the front side (VS) a cap substrate (9) is bonded, which has a media access (10) to the sensor area (4), and wherein the grid layer (11) by a precoat layer (12) is sealed media-tight. Verfahren nach Anspruch 8, wobei beim Bilden des Hohlraums (6) ein Stempel (15) des Sensorsubstrats (1'9) gebildet wird, welcher sich bis zur Rückseite (RS) erstreckt, so dass der Sensorbereich (4) auf einem Stempel (15) des Sensorsubstrats (1') angeordnet ist.Method according to Claim 8 in that, during the formation of the cavity (6), a stamp (15) of the sensor substrate (1'9) is formed, which extends to the rear side (RS), so that the sensor region (4) on a plunger (15) of the sensor substrate (FIG. 1 ') is arranged. Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein oder mehrere Stabilisierungsstege (16) des Sensorsubstrats (1) im Hohlraum (6) auf der Gitterschicht (11) in einem zweistufigen Ätzprozess gebildet werden, die vom Sensorbereich (4) getrennt sind, wobei der Ätzprozess einen ersten anisotropen Ätzschritt und einen zweiten isotropen Ätzschritt aufweist.Method according to Claim 8 in which one or more stabilizing webs (16) of the sensor substrate (1) are formed in the cavity (6) on the grid layer (11) in a two-stage etching process which are separate from the sensor region (4), the etching process including a first anisotropic etching step and an etching process second isotropic etching step. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Vorderseite (VS) auf ein ASIC-Substrat (19) gebondet wird, wobei ein lateraler Medienzugang (21) zum Sensorbereich (4) zum Sensorbereich (4) in einem Zwischenraum zwischen dem Sensorsubstrat (1"') und dem ASIC-Substrat (19) gebildet wird, und wobei die Gitterschicht (11) durch eine Vorschlussschicht (12) mediendicht verschlossen wird.Method according to Claim 7 wherein the front side (VS) is bonded to an ASIC substrate (19), wherein a lateral media access (21) to the sensor area (4) to the sensor area (4) in a space between the sensor substrate (1 "') and the ASIC Substrate (19) is formed, and wherein the grid layer (11) by a precursor layer (12) is sealed media-tight. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Vorderseite (VS) des Sensorsubstrats (1"") mediendicht auf ein ASIC-Substrat (19a) gebondet wird und wobei die Gitterschicht (11) als Medienzugang (25) ausgestaltet wird.Method according to Claim 7 wherein the front side (VS) of the sensor substrate (1 "") is bonded to an ASIC substrate (19a) in a media-tight manner and wherein the grid layer (11) is designed as a media access (25).
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