DE102017212318A1 - Micromechanical sensor device and corresponding manufacturing method - Google Patents
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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
In
Zur Entkopplung der bekannten mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gegenüber äußeren Kräften ist im Sensorsubstrat
Der rückseitige Kappenwafer
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
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
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
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, wobei3b) eine Ausschnittsvergrößerung des AusschnittsA von3a) 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.
-
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, wherein3b) a detail enlargement of the clippingA from3a) 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.
In
Der Sensorbereich
Auf der Vorderseite
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
Zur Herstellung der mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß
In einem darauffolgenden Prozessschritt kann, falls erforderlich, das Sensorsubstrat
Als Ätzprozess zum Perforieren der Gitterschicht
Nachdem die Rückseite
In
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.
Bei der dritten Ausführungsform trägt das Sensorsubstrat Bezugszeichen
Bei der vierten Ausführungsform trägt das Sensorsubstrat Bezugszeichen
Bei der fünften Ausführungsform trägt das Sensorsubstrat Bezugszeichen
Die Vorderseite
Wie bei der vierten Ausführungsform gibt es einen Bondbereich und einen über die Bondverbindung realisierten elektrischen Kontakt
Die als Medienzugang
Wenn andererseits nur ein punktförmiger Zugang und kein flächiger Zugang als Medienzugang
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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