-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für einen Stresssensor. Ebenso betrifft die Erfindung eine Sensorvorrichtung und ein Gerät. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für einen Stresssensor.
-
Stand der Technik
-
Sensorvorrichtungen zum Messen eines darin auftretenden mechanischen Stresses sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise beschreibt die
WO 2018/148503 A1 einen Sensor, welcher aus einem Glas- oder Siliziumsubstrat und einem (weiteren) Siliziumsubstrat zusammengesetzt ist, wobei durch Ätzen einer Vertiefung in das (weitere) Siliziumsubstrat und Befestigen der beiden Substrate aneinander ein luftdicht abgedichtetes Zwischenvolumen zwischen den beiden Substraten ausgebildet ist. Die Vertiefung ist derart in das (weitere) Siliziumsubstrat geätzt, dass mindestens ein Verbiegungsbereich in dem (weiteren) Siliziumsubstrat ausgebildet ist, wobei eine Verbiegung des mindestens einen Verbiegungsbereichs mittels mindestens eines sensitiven Elements, wie beispielsweise mittels eines piezoresistiven Elements oder einer Wheatstone-Brücke, detektierbar ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil für einen Stresssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7, ein Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für einen Stresssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung schafft Möglichkeiten zur Realisierung von extrem kleinbauenden kapazitiven Stresssensoren, welche sich mittels eines vergleichsweise geringen Arbeitsaufwands in einer zufriedenstellenden Qualität herstellen lassen. Auch die vorteilhafte Integration der jeweiligen Auswerteschaltung in das zweite Substrat des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils trägt zur Miniaturisierung eines damit realisierten kapazitiven Stresssensors bei. Es wird hier ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Herstellung der erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile vergleichsweise einfach ist, wobei zusätzlich zu dem zur Bildung zumindest des mindestens einen elektrischen Kontakts ausgeführten metallischen Waferbonden noch weitere gern verwendete Technologien genutzt werden können. Die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile, bzw. der damit ausgestatteten Sensorvorrichtungen oder Geräte, sind deshalb vergleichsweise gering.
-
Die mittels der vorliegenden Erfindung realisierten mikromechanischen Bauteile sind außerdem relativ kompakt. Ihre Kompaktheit, ihre vergleichsweise geringe Baugröße und ihre geringen Herstellungskosten ermöglichen auch eine Verwendung von damit realisierten kapazitiven Stresssensoren in Arrayform, um Stressverteilungen in einem Gehäuse oder generell an einer Oberfläche eines Geräts, wie beispielsweise eines Mobilgeräts, räumlich aufzulösen. Die hohe Kompaktheit der erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile ermöglicht zusätzlich ihre Verwendung in einer hohen Belastungen ausgesetzten Umgebung. Des Weiteren macht die vergleichsweise geringe Baugröße der erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile deren Verwendung auch in stark Bauraum-limitierten Applikationen möglich.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist die mindestens eine Elektrode auf der ersten Substratoberfläche und/oder mindestens einer die erste Substratoberfläche zumindest teilweise abdeckenden ersten Zwischenschicht angeordnet, und über den mindestens einen mittels des metallischen Bondverfahrens gebildeten elektrischen Kontakt an der Auswerteschaltung elektrisch angebunden. Die elektrische Anbindung der mindestens einen Elektrode an die Auswerteschaltung ist somit vergleichsweise arbeitssparend realisiert.
-
Insbesondere kann die mindestens eine Elektrode aus einer auf der ersten Substratoberfläche und/oder der mindestens einen ersten Zwischenschicht angeordneten Halbleiter- und/oder Metalllage herausstrukturiert sein, wobei zusätzlich zu der mindestens einen Elektrode auch mindestens eine seismische Masse aus der Halbleiter- und/oder Metalllage herausstrukturiert ist. Die hier beschriebene Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ermöglicht somit die Integration eines weiteren die mindestens eine seismische Masse nutzenden Sensortyps, wie beispielsweise eines Inertialsensors, in das mikromechanische Bauteil auf platzsparende und kostengünstige Weise. Die hier beschriebene Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ermöglicht damit insbesondere eine Sensorvorrichtung, welche sowohl als kapazitiver Stresssensor als auch als Inertialsensor einsetzbar ist.
-
Vorzugsweise ist die mindestens eine Gegenelektrode auf der ersten Substratoberfläche und/oder der mindestens einen ersten Zwischenschicht und/oder auf der zweiten Substratoberfläche und/oder mindestens einer die zweite Substratoberfläche zumindest teilweise abdeckenden zweiten Zwischenschicht angeordnet. Die gemeinsame Integration der mindestens einen Elektrode und der mindestens einen Gegenelektrode innerhalb des Zwischenvolumens zwischen der ersten Substratoberfläche und der zweiten Substratoberfläche ist somit gut möglich.
-
Beispielsweise können die mindestens eine Elektrode und die mindestens eine Gegenelektrode derart auf der ersten Substratoberfläche und/oder der mindestens einen ersten Zwischenschicht angeordnet sein, dass die mindestens eine Gegenelektrode zwischen der mindestens einen Elektrode und der ersten Substratoberfläche liegt. Eine Anordnung der mindestens einen Elektrode und der mindestens einen Gegenelektrode mit einem vergleichsweise kleinen Abstand zwischen jeder Elektrode und der ihr am nahesten angeordneten Gegenelektrode ist somit leicht realisierbar.
-
Vorzugsweise sind die mindestens eine Elektrode und die mindestens eine Gegenelektrode derart auf der ersten Substratoberfläche und/oder der mindestens einen ersten Zwischenschicht angeordnet, dass die mindestens eine Elektrode jeweils in einer parallel zu der ersten Substratoberfläche ausgerichteten Raumrichtung zu der ihr am nahesten angeordneten Gegenelektrode liegt. Wie unten genauer erläutert ist, eignet sich die hier beschriebene Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils besonders gut zur Realisierung eines kapazitiven Stresssensors, welcher eine hohe Sensitivität/Nachweisgenauigkeit für parallel zu der ersten Substratoberfläche ausgerichtete Stresskomponenten aufweist.
-
Die oben beschriebenen Vorteile werden auch durch eine Sensorvorrichtung mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil bewirkt.
-
Auch bei einem Gerät mit einem entsprechenden mikromechanischen Bauteil sind die oben beschriebenen Vorteile gewährleistet.
-
Des Weiteren schafft auch ein Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für einen Stresssensor die oben beschriebenen Vorteile, wobei das Herstellungsverfahren gemäß den erläuterten Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weitergebildet werden kann. Vorzugsweise wird zusätzlich zu dem mindestens einen elektrischen Kontakt auch ein unterbrochener oder unterbrechungsfreier Bondrahmen innerhalb des Zwischenvolumens mittels des metallischen Bondverfahrens gebildet. Das während des Herstellungsverfahrens ausgeführte metallische Bondverfahren ist somit vielseitig nutzbar.
-
Figurenliste
-
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1a und 1b schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
- 2 bis 9 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils;
- 10 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Geräts;
- 11 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Geräts; und
- 12 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1a und 1b zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
-
Das in 1a und 1b schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil weist ein erstes Substrat 10 mit einer ersten Substratoberfläche 10a und ein zweites Substrat 12 mit einer zweiten Substratoberfläche 12a auf. Das erste Substrat 10 und/oder das zweite Substrat 12 kann beispielsweise jeweils ein Halbleitersubstrat, wie insbesondere ein Siliziumsubstrat, sein. Das erste Substrat 10 und das zweite Substrat 12 sind derart zueinander angeordnet/ausgerichtet, dass die erste Substratoberfläche 10a des ersten Substrats 10 zu dem zweiten Substrat 12 und die zweite Substratoberfläche 12a des zweiten Substrats 12 zu dem ersten Substrat 10 ausgerichtet sind. Zwischen der ersten Substratoberfläche 10a und der zweiten Substratoberfläche 12a liegt ein Zwischenvolumen 14. Innerhalb des Zwischenvolumens 14 sind mindestens eine Elektrode 16 und mindestens eine Gegenelektrode 18a und 18b angeordnet/ausgebildet. Außerdem ist an und/oder in dem zweiten Substrat 12 eine Auswerteschaltung 20 ausgebildet, an welcher die mindestens eine Elektrode 16 und die mindestens eine Gegenelektrode 18a und 18b derart elektrisch angebunden sind, dass mittels der Auswerteschaltung 20 mindestens eine Größe bezüglich mindestens einer zwischen der mindestens einen Elektrode 16 und der mindestens einen Gegenelektrode 18a und 18b anliegenden Spannung ermittelbar ist. Die Auswerteschaltung 20 kann beispielsweise dazu ausgelegt sein, als die mindestens eine Größe einen zwischen der mindestens einen Elektrode 16 und der mindestens einen Gegenelektrode 18a und 18b jeweils anliegenden Spannungswert oder Kapazitätswert abzugreifen.
-
Wie in 1a und 1b erkennbar ist, ist das erste Substrat 10 mittels mindestens eines elektrischen Kontakts 22, welcher innerhalb des Zwischenvolumens 14 ausgebildet ist, an dem zweiten Substrat 12 befestigt. Unter dem mindestens einen elektrischen Kontakt 22 ist ein mittels eines metallischen Bondverfahrens gebildeter elektrischer Kontakt 22 zu verstehen. Als metallisches Bondverfahren kann beispielsweise ein eutektisches Bondverfahren, insbesondere unter Verwendung von Aluminium und Germanium, ausgeführt sein. Insbesondere anhand der Materialzusammensetzung des mindestens einen elektrischen Kontakts 22 ist in der Regel erkennbar, dass der mindestens eine elektrische Kontakt 22 mittels des metallischen Bondverfahrens gebildet ist. Der mindestens eine elektrische Kontakt 22 kann beispielsweise jeweils aus einer Mischung von Aluminium und Germanium bestehen. Außerdem sind die mindestens eine Elektrode 16 und/oder die mindestens eine Gegenelektrode 18a und 18b über den mindestens einen mittels des metallischen Bondverfahrens gebildeten elektrischen Kontakt 22 an der Auswerteschaltung 20 elektrisch angebunden, so dass der mindestens eine elektrische Kontakt 22 nicht nur zur mechanischen Anbindung der Substrate 10 und 12 aneinander genutzt ist. Der mindestens eine elektrische Kontakt 22 kann somit eine Vielzahl von Funktionen erfüllen. Unter dem mindestens einen mittels des metallischen Bondverfahrens gebildeten elektrischen Kontakt 22 kann auch jeweils ein Chip-to-Chip-Kontakt verstanden werden.
-
Das mit dem mindestens einen vorteilhaften elektrischen Kontakt 22 ausgebildete mikromechanische Bauteil kann somit vergleichsweise leicht hergestellt werden, indem das Substrat 10 mit seinen Beschichtungen auf der Substratoberfläche 10a mittels oberflächenmikromechanischer Methoden und das Substrat 12 mit seinen Beschichtungen auf der Substratoberfläche 12a mittels Standard-Halbleitermethoden (z. B. CMOS-Prozessen) hergestellt werden und anschließend durch das metallische Bondverfahren, bei welchem zumindest der mindestens eine elektrische Kontakt 22 gebildet wird, vertikal miteinander verbunden werden. Eine Miniaturisierung des mikromechanischen Bauteils ist auf diese Weise leicht möglich. Ebenso lässt sich das mikromechanische Bauteil zu relativ niedrigen Herstellungskosten herstellen. Aufgrund der Anordnung der mindestens einen Elektrode 16 und der mindestens einen Gegenelektrode 18a und 18b innerhalb des Zwischenvolumens 14 weist das mikromechanische Bauteil auch eine hohe Kompaktheit auf.
-
Vorteilhafterweise kann zusätzlich zu dem mindestens einen elektrischen Kontakt 22 auch ein unterbrochener oder unterbrechungsfreier Bondrahmen 24 innerhalb des Zwischenvolumens 14 mittels des metallischen Bondverfahrens gebildet sein. Auch anhand der Materialzusammensetzung des Bondrahmens 24 kann erkennbar sein, dass der Bondrahmen 24 zusammen mit dem mindestens einen elektrischen Kontakt 22 mittels des metallischen Bondverfahrens hergestellt ist. Der Bondrahmen 24 kann beispielsweise aus einer Mischung von Aluminium und Germanium bestehen. Somit kann ohne eine Steigerung des zum Herstellen des mikromechanischen Bauteils zu leistenden Arbeitsaufwands mittels des Bondverfahrens der Bondrahmen 24 noch als Schutzstruktur für die in dem Zwischenvolumen 14 angeordneten/ausgebildeten Komponenten des mikromechanischen Bauteils hergestellt werden.
-
Die mindestens eine Elektrode 16 ist auf mindestens einer die erste Substratoberfläche 10a zumindest teilweise abdeckenden ersten Zwischenschicht 26 angeordnet. Die mindestens eine erste Zwischenschicht 26 kann beispielsweise mindestens eine Isolierschicht, wie insbesondere eine Siliziumoxidschicht und/oder eine Siliziumnitridschicht, sein. Vorteilhafterweise kann die mindestens eine Elektrode 16 aus einer auf der mindestens einen ersten Zwischenschicht 26 angeordneten Halbleiter- und/oder Metallschicht 28 herausstrukturiert sein. Die Halbleiter- und/oder Metallschicht 28 kann beispielsweise eine Aluminiumschicht oder eine Siliziumschicht sein. Somit kann z.B. Aluminium als Material der Halbleiter- und/oder Metallschicht 28 zum Bilden des mindestens einen elektrischen Kontakts 22, über welchen die mindestens eine Elektrode 16 an der Auswerteschaltung 20 elektrisch angebunden ist, und evtl. auch zum Bilden des Bondrahmens 24 mitgenutzt werden.
-
Die mindestens eine Gegenelektrode 18a und 18b kann auf mindestens einer die zweite Substratoberfläche 12b zumindest teilweise abdeckenden zweiten Zwischenschicht 30 angeordnet sein. Die mindestens eine zweite Zwischenschicht 30 kann mindestens eine Isolierschicht 32 umfassen, in welcher Metallschichten 20a der Auswerteschaltung 20 und metallische Vias 20b der Auswerteschaltung 20, welche die Metallschichten 20a der Auswerteschaltung 20 miteinander verbinden, eingebettet sind. Eine elektrische Anbindung der mindestens einen Gegenelektrode 18a und 18b an die Auswerteschaltung 20 ist somit leicht realisierbar. Die mindestens eine Isolierschicht 32 kann beispielsweise mindestens eine Siliziumoxidschicht und/oder mindestens eine Siliziumnitridschicht sein. Zusätzlich kann die Auswerteschaltung 20 auch noch mindestens einen dotierten Bereich 34 innerhalb des zweiten Substrats 12, welcher sich gut zur Realisierung von Transistorschaltungen eignet, umfassen.
-
Mittels mindestens eines Durchkontakts 36 (TSV, Through Silicon Via) kann die Auswerteschaltung 20 mit einer auf einer von der zweiten Substratoberfläche 12a weg gerichteten Rückseite des zweiten Substrats 12 ausgebildeten Umverdrahtungsebene 38 elektrisch verbunden sein. Mittels mindestens einer Passivierschicht 40 kann die Umverdrahtungsebene 38 von der Rückseite des Substrats 20 getrennt sein. In diesem Fall kann das mikromechanische Bauteil auf einfache Weise mittels mindestens eines an der Umverdrahtungsebene 38 befestigten Lötballs 42 an einer anderen Vorrichtung 44, wie beispielsweise einer Leiterplatte 44, befestigt sein.
-
In dem Beispiel der 1a und 1b weist das mikromechanische Bauteil beispielhaft eine erste Gegenelektrode 18a und eine zweite Gegenelektrode 18b auf. Insbesondere kann die ringförmig ausgebildete zweite Gegenelektrode 18b die erste Gegenelektrode 18a umrahmen. Wie anhand eines Vergleichs der 1a und 1b zu erkennen ist, bewirkt eine Verformung der Leiterplatte 44 eine Veränderung eines ersten Spaltabstands d1 zwischen der Elektrode 16 und der ersten Gegenelektrode 18a und eines zweiten Spaltabstands d2 zwischen der Elektrode 16 und der zweiten Gegenelektrode 18b. Somit kann die Verformung der Leiterplatte 44 leicht detektiert werden. Beispielsweise kann eine Kapazitätsdifferenz ΔC zwischen einer ersten Kapazität C1, welche zwischen der Elektrode 16 und der ersten Gegenelektrode 18a vorliegt, und einer zweiten Kapazität C2, welche zwischen der Elektrode 16 und der zweiten Gegenelektrode 18b vorliegt, als Messsignal M zum Detektieren/Auswerten der Verformung der Leiterplatte 44 genutzt werden. Ein derartiges Messsignal M kann mittels bekannter Auswerteverfahren verlässlich verarbeitet werden. Das hier beschriebene mikromechanische Bauteil eignet sich deshalb vorteilhaft für einen kapazitiven Stresssensor.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
-
Bei dem in 2 schematisch dargestellten mikromechanischen Bauteil ist die Halbleiter- und/oder Metallschicht 28 mittels der Abscheidung mindestens eines Halbleitermaterials und/oder Metalls zu einer Halbleiter- und/oder Metalllage 46 verdickt. Die Halbleiter- und/oder Metalllage 46 kann insbesondere aus polykristallinem Silizium sein. Die mindestens eine Elektrode 16 kann somit auch aus einer derartigen Halbleiter- und/oder Metalllage 46 herausstrukturiert sein. Vor der Verdickung der Halbleiter- und/oder Metallschicht 26 zu der Halbleiter- und/oder Metalllage 46 kann noch mindestens eine weitere Zwischenschicht 47, vorzugsweise mindestens eine weitere Isolierschicht, wie insbesondere eine Siliziumoxidschicht und/oder eine Siliziumnitridschicht, abgeschieden sein/werden. Mittels der mindestens einen weiteren Isolierschicht kann mindestens ein Teilbereich der Halbleiter- und/oder Metalllage 46 gegenüber der mindestens einen Elektrode 16 elektrisch isoliert sein/werden.
-
Außerdem weist das mikromechanische Bauteil der 2 anstelle des mindestens einen Lötballs 42 eine (flache) Lötanbindung 48 auf. Das mikromechanische Bauteil kann somit in einem relativ geringen Abstand zur Leiterplatte 44 angeordnet werden, wodurch ein Stress besonders gut von der Leiterplatte 44 in das mikromechanische Bauteil einkoppelbar ist. Vorzugsweise liegt ein Abstand zwischen dem mikromechanischen Bauteil und der Leiterplatte 44 in einem Bereich unterhalb von 100 µm, bevorzugterweise in einem Bereich zwischen 10 µm bis 60 µm. Optionaler Weise kann noch mindestens ein (nicht leitendes) Füllmaterial 50 (Underfill-Material) in einen Zwischenspalt zwischen dem mikromechanischen Bauteil und der Leiterplatte 44 eingefüllt sein. Mittels des mindestens einen Füllmaterials 50 kann eine Anbindung des mikromechanischen Bauteils an die Leiterplatte 44 verstärkt werden, was sich positiv auf die Sensitivität des mikromechanischen Bauteils auswirkt. Zusätzlich kann eine Robustheit der mindestens einen Lötverbindung 48 verbessert werden. Ebenso kann eine Zersetzung der mindestens einen Lötverbindung 48 mittels des mindestens einen Füllmaterials 50 verhindert werden. Des Weiteren kann die mindestens eine Lötverbindung 48 mittels des mindestens einen Füllmaterials 50 vor einem Eindringen von Partikeln und Feuchtigkeit geschützt werden.
-
Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 2 und deren Vorteile wird auf die zuvor beschriebene Ausführungsform verwiesen.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
-
Bei dem in 3 schematisch dargestellten mikromechanischen Bauteil ist noch ein Luftzugang/Gaszugang 52 mittels mindestens einer in dem Bondrahmen 24 ausgebildeten Unterbrechung bewirkt. Alternativ oder ergänzend kann noch mindestens ein weiterer Luftzugang/Gaszugang mittels eines durch das erste Substrat 10 strukturierten Grabens, wie er in 3 schematisch mittels des Pfeils 54 wiedergegeben ist, realisiert sein. Mittels des mindestens einen Luftzugangs/Gaszugangs 52 kann verhindert werden, dass Schwankungen eines Umgebungsdrucks in einer Umgebung des mikromechanischen Bauteils parasitäre Einflüsse auf das Messsignal M des mikromechanischen Bauteils haben. Selbst bei einer relativ geringen Dicke des mikromechanischen Bauteils senkrecht zu den Substratoberflächen 10a und 12a können mittels des mindestens einen Luftzugangs/Gaszugangs 52 Druckschwankungen ausgeglichen werden, um durch Schwankungen des Umgebungsdrucks bewirkte herkömmliche Störeffekte zu vermeiden.
-
Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 3 und deren Vorteile wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
-
4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
-
Bei dem mikromechanischen Bauteil der 4 ist die mindestens eine Gegenelektrode 18a und 18b ebenfalls auf der mindestens einen ersten Zwischenschicht 26 angeordnet, indem die mindestens eine Gegenelektrode 18a und 18b zusammen mit der mindestens einen Elektrode 16 aus der Halbleiter- und/oder Metalllage 46 herausstrukturiert ist. Mittels einer Perforation der mindestens einen Elektrode 16 kann die mindestens eine Gegenelektrode 18a und 18b zwischen der mindestens einen Elektrode 16 und der ersten Substratoberfläche 10a ausgebildet/strukturiert werden. Die mindestens eine Elektrode 16 kann trotzdem über eine Ausbildung eines Verankerungsbereichs 55 weiterhin auf der mindestens einen ersten Zwischenschicht 26 befestigt sein. Durch die Freistellung der mindestens einen Elektrode 16 in Kombination mit ihrer Anbindung über ihren Verankerungsbereich 55 können sich besonders große Abstandsänderungen zwischen der mindestens einen Elektrode 16 und der mindestens einen Gegenelektrode 18a und 18b ergeben, sodass ein Signalhub des Messsignals M und damit ein Signal-Rausch-Abstand des Messsignals M verbessert sind. Außerdem kann bei einer derartigen Anordnung der mindestens einen Gegenelektrode 18a und 18b auch die mindestens eine Gegenelektrode 18a und 18b problemlos über den mindestens einen elektrischen Kontakt 22 an der Auswerteelektronik 20 angebunden sein.
-
Wie in 4 außerdem erkennbar ist, kann eine von der ersten Substratoberfläche 10a weg gerichtete Rückseite des ersten Substrats 10 auch mittels einer Klebeschicht 56 auf einer Oberfläche einer Vorrichtung 58 festgeklebt sein. Mittels eines Rückdünnens des ersten Substrats 10 und/oder des zweiten Substrats 12 kann nach dem Festkleben des mikromechanischen Bauteils an der Vorrichtung 58 eine Sensitivität des mikromechanischen Bauteils gesteigert werden. Eine elektrische Kontaktierung des mikromechanischen Bauteils mit der Leiterplatte 44 kann in diesem Fall beispielsweise über ein an dem mindestens einen Lötball 42 befestigtes flexibles Kabel 60 erfolgen.
-
Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 4 und deren Vorteile wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
-
5 zeigt eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
-
Das in 5 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist eine zusammen mit der mindestens einen Elektrode 16 aus der Halbleiter- und/oder Metalllage 46 herausstrukturierte erste Gegenelektrode 18a, welche auf der mindestens einen ersten Zwischenschicht 26 angeordnet ist, und eine auf der mindestens einen zweiten Zwischenschicht 30 angeordnete zweite Gegenelektrode 18b auf. Die erste Gegenelektrode 18a ist somit auf einer ersten Seite der mindestens einen Elektrode 16 angeordnet, während die zweite Gegenelektrode 18b auf einer zweiten Seite der mindestens einen Elektrode 16 liegt.
-
Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 5 und deren Vorteile wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
-
6 zeigt eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
-
Das in 6 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist als Weiterbildung der Ausführungsform der 5 zwei zusammen mit der mindestens einen Elektrode 16 aus der Halbleiter- und/oder Metalllage 46 herausstrukturierte Gegenelektroden 18a-1 und 18a-2, welche auf der mindestens einen ersten Zwischenschicht 26 angeordnet sind, und zwei auf der mindestens einen zweiten Zwischenschicht 30 angeordnete Gegenelektroden 18b-1 und 18b-2 auf.
-
Wie in 6 erkennbar ist, kann auch mindestens ein Durchkontakt (TSV, Through Silicon Via) 36 durch das erste Substrat 10 ausgebildet sein, so dass eine elektrische Anbindung des mikromechanischen Bauteils an die andere Vorrichtung, wie beispielsweise an die Leiterplatte 44, auch mittels mindestens eines auf einer von der ersten Substratoberfläche 10a weg gerichteten Rückseite des ersten Substrats 10 angeordneten Lötballs 42 möglich ist.
-
Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 6 und deren Vorteile wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
-
7 zeigt eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
-
Auch bei dem in Aufsicht gezeigten mikromechanischen Bauteil der 7 sind die Elektroden 16a und 16b, eine mit den Elektroden 16a und 16b bestückte Rahmenstruktur 62 und die Gegenelektroden 18a und 18a aus der Halbleiter- und/oder Metalllage 46 herausstrukturiert. Die Elektroden 16a und 16b sind fest an der Rahmenstruktur 62 befestigt, während die Gegenelektroden 18a und 18a in Bezug zu der Rahmenstruktur 62 verstellbar sind. Zusätzlich sind die Elektroden 16a und 16b und die Gegenelektroden 18a und 18b derart zueinander angeordnet, dass jede Elektrode 16a und 16b jeweils in einer parallel zu der ersten Substratoberfläche 10a ausgerichteten Raumrichtung 64a oder 64b zu der ihr am nahesten angeordneten Gegenelektrode 18a oder 18b liegt.
-
Das in 7 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil eignet sich besonders gut für einen „lateralen“ kapazitiven Stresssensor zum Messen eines mechanischen Stresses in der mindestens einen parallel zu der ersten Substratoberfläche 10a ausgerichteten Raumrichtung 64a oder 64b. Während mindestens eine erste Elektrode 16a jeweils in einer parallel zu der ersten Substratoberfläche 10a ausgerichteten ersten Raumrichtung 64a zu der ihr am nahesten angeordneten Gegenelektrode 18a liegt, ist mindestens eine zweite Elektrode 16b jeweils in einer parallel zu der ersten Substratoberfläche 10a ausgerichteten zweiten Raumrichtung 64b zu der ihr am nahesten angeordneten Gegenelektrode 18b angeordnet. Vorteilhafterweise ist die erste Raumrichtung 64a senkrecht zu der zweiten Raumrichtung 64b ausgerichtet. Auf diese Weise lässt sich der „laterale“ kapazitive Stresssensor für beide zwei Raumrichtungen 64a und 64b sensibilisieren.
-
Die in der ersten Raumrichtung 64a zu ihrer zugeordneten Elektrode 16a ausgerichteten Gegenelektroden 18a sind jeweils über je einen Verankerungspunkt 66a elektrisch an mindestens einer ersten Leiterbahn 68a, welche sich vorzugsweise entlang der ersten Raumrichtung 64a erstreckt, angebunden. Entsprechend sind die in der zweiten Raumrichtung 64b zu ihrer zugeordneten Elektrode 16b ausgerichteten Gegenelektroden 18b jeweils über je einen Verankerungspunkt 66b elektrisch an mindestens einer zweiten Leiterbahn 68b, welche sich vorzugsweise entlang der zweiten Raumrichtung 64b erstreckt, angebunden. Die Rahmenstruktur 62 ist über einen weiteren Verankerungspunkt 66c an einer weiteren Leiterbahn 68c angebunden. Die Leiterbahnen 68a bis 68c verlaufen jeweils auf der mindestens einen ersten Zwischenschicht 26.
-
Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 7 und deren Vorteile wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
-
8 zeigt eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
-
Bei dem in 8 schematisch dargestellten mikromechanischen Bauteil sind sämtliche Elektroden 16a und 16b und sämtliche Gegenelektroden 18a und 18b vergleichsweise weit vom Verankerungspunkt 66c der Rahmenstruktur 62 angeordnet. Dadurch sind die Verankerungspunkte 66a und 66b der Gegenelektroden 18a und 18b beim Auftreten von „lateralem“ Stress besonders beweglich, wodurch der Signalhub des Messsignals M und das Signal-RauschVerhältnis des Messsignals M gesteigert sind.
-
Bei dem in 8 schematisch dargestellten mikromechanischen Bauteil ist außerdem die Ausführungsform der 4 integriert, indem mindestens eine weitere Gegenelektrode 18c-1 und 18c-2 derart aus der Halbleiter- und/oder Metalllage 46 herausstrukturiert ist, dass die mindestens eine weitere Gegenelektrode 18c-1 und 18c-2 zwischen der Rahmenstruktur 62 und der ersten Substratoberfläche 10a angeordnet ist. Auch die mindestens eine weitere Gegenelektrode 18c-1 und 18c-2 ist an mindestens einer weiteren Leiterbahn 68d angebunden, so dass mindestens eine Größe bezüglich mindestens einer zwischen der mindestens einen weiteren Gegenelektrode 18c-1 und 18c-2 und der Rahmenstruktur 62 anliegenden Spannung ermittelbar ist. Das mikromechanische Bauteil der 8 ist deshalb als dreiachsiger kapazitiver Stresssensor nutzbar.
-
Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 8 und deren Vorteile wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
-
9 zeigt eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
-
Das in 9 dargestellte mikromechanische Bauteil ist eine Weiterbildung der Ausführungsform der 3, indem noch eine seismische Masse 70 und mindestens eine Inertial-Elektrode 72 zusätzlich zu der mindestens einen Elektrode 16 aus der Halbleiter- und/oder Metalllage 46 herausstrukturiert sind. Auf diese Weise ist ein Inertialsensor in das mikromechanische Bauteil integriert, dessen seismische Masse 70 zur Detektion einer Dreh-Bewegung und/oder einer Beschleunigung des mikromechanischen Bauteils nutzbar ist. Die seismische Masse 70 kann beispielsweise als „asymmetrische Wippe“ ausgebildet sein, indem die seismische Masse 70 über mindestens eine sich entlang einer Drehachse 74 der seismische Massen 70 erstreckende (nicht skizzierte) an dem ersten Substrat 10 angebunden und mit einer bezüglich der Drehachse 74 asymmetrischen Masseverteilung ausgebildet ist. In diesem Fall bewirkt eine Beschleunigung des mikromechanischen Bauteils senkrecht zu der ersten Substratoberfläche 10a eine Kippbewegung der seismischen Masse 70 um ihre Drehachse 74. Die mindestens eine Inertial-Elektrode 72 kann als Plattenelektrode ausgebildet sein.
-
Das oben beschriebene Messsignal M kann insbesondere dazu verwendet werden, um stressbedingte Signalstörungen des Inertialsensors rechnerisch zu kompensieren. Es ist bekannt, dass mechanischer Stress einen negativen Einfluss auf einen Inertialsensor haben kann. Mittels der Messung des mechanischen Stresses durch das Messsignal M kann dieser Störeinfluss auf den Inertialsensor weitgehend kompensiert werden.
-
Alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile können vorteilhaft in Sensorvorrichtungen verwendet werden. Anstelle oder zusätzlich zu einem Inertialsensor kann auch ein Drucksensor oder ein Resonator in alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile/ihre Sensorvorrichtungen integriert sein. Alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile können auch vor ihrem Betrieb zur Erhöhung ihrer Empfindlichkeit rückgedünnt werden, indem mindestens eines ihrer Substrate 10 oder 12 gedünnt wird.
-
Außerdem können alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile auch mittels eines Chip-Scale-Packages verpackt sein. Ein Chip-Scale-Package bietet neben günstigen Kosten- und Bauraumaspekten den Vorteil eines Verzichts auf Moldmassen, welche aufgrund ihres vom Silizium abweichenden Expansionskoeffizienten bei Temperaturänderungen oder aufgrund von Alterungseffekten zu parasitären Stresseffekten führen können.
-
10 zeigte eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Geräts.
-
Das in 10 schematisch dargestellte Gerät ist beispielhaft ein Mobilgerät, wie z.B. ein Smartphone oder ein Mobiltelefon. Das Gerät weist mindestens ein Array aus einer Vielzahl von mikromechanischen Bauteilen 76 gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf, wobei die mikromechanischen Bauteile 76 jeweils als kapazitive Stresssensoren verwendet werden. Jedes Array aus mikromechanischen Bauteilen 76 kann auf je einer Leiterplatte 44 angeordnet sein. Die mindestens eine Leiterplatte 44 kann mechanisch direkt an einem Gehäuserahmen 78 des Geräts angebunden sein, sodass bei einer Gehäuseverformung des Geräts, beispielsweise durch seitliches Drücken des Geräts mittels einer Hand 80 eines Benutzers, die als kapazitiven Stresssensoren eingesetzten mikromechanischen Bauteile 76 je ein Messsignal M liefern. Hierdurch ergeben sich vielfältige Nutzungsmöglichkeiten. Beispielsweise ist eine Detektion einer lokalen Stärke/Stärkeverteilung der auf den Gehäuserahmen 78 ausgeübten Kräfte F möglich.
-
Die Ausbildung des Geräts als Mobilgerät ist nicht einschränkend zu interpretieren. Die oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile 76 können auch in andere Geräte und Gegenstände, wie beispielsweise in Wearables, Hearables, Haushaltskleingeräte, Haushaltsgroßgeräte, Lampen, Einrichtungsgegenstände und/oder Möbel integriert sein. Letztlich lassen sich mittels der mikromechanischen Bauteile 76 in vielen Fällen, sofern die Oberflächen, an denen die mikromechanischen Bauteile 76 montiert sind, hinreichend nachgiebig sind und die erforderlichen elektronischen Schaltungen zur Spannungsversorgung und Kommunikation verfügbar sind, physikalische Schalter ersetzen.
-
11 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Geräts.
-
Bei der Ausführungsform der 11 sind die mikromechanischen Bauteile 76 direkt über einen Kleber 82 an dem Gehäuserahmen 78 festgeklebt, wodurch der Signalhub der Messignale M steigerbar ist. Die elektrische Kontaktierung der mikromechanischen Bauteile 76 erfolgt über ein flexibles Kabel 60, das über eine Anbindung 84, wie beispielsweise einen Stecker 84, eine Leiterplatte 44 kontaktiert.
-
Bezüglich weiterer Merkmale des Geräts der 11 und deren Vorteile wird auf die zuvor beschriebene Ausführungsform verwiesen.
-
12 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
-
Mittels des im Weiteren beschriebenen Herstellungsverfahrens können alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile hergestellt werden.
-
In einem Verfahrensschritt S1 wird ein erstes Substrat mit einer ersten Substratoberfläche derart zu einem zweiten Substrat mit einer zweiten Substratoberfläche und einer an und/oder in dem zweiten Substrat ausgebildeten Auswerteschaltung angeordnet, dass die erste Substratoberfläche des ersten Substrats zu dem zweiten Substrat und die zweite Substratoberfläche des zweiten Substrats zu dem ersten Substrat ausgerichtet sind.
-
Anschließend wird als Verfahrensschritt S2 ein metallisches Bondverfahren zum Befestigen des ersten Substrats an dem zweiten Substrat ausgeführt. Mittels des metallischen Bondverfahrens wird mindestens ein elektrischer Kontakt innerhalb eines Zwischenvolumens zwischen der ersten Substratoberfläche und der zweiten Substratoberfläche, innerhalb welchem mindestens eine Elektrode und mindestens eine Gegenelektrode angeordnet sind, so gebildet, dass die mindestens eine Elektrode und/oder die mindestens eine Gegenelektrode über den mindestens einen mittels des metallischen Bondverfahrens gebildeten elektrischen Kontakt an der Auswerteschaltung elektrisch angebunden werden. Die Auswerteschaltung wird derart an der mindestens einen Elektrode und der mindestens einen Gegenelektrode angebunden, dass mittels der Auswerteschaltung mindestens eine Größe bezüglich mindestens einer zwischen der mindestens einen Elektrode und der mindestens einen Gegenelektrode anliegenden Spannung ermittelbar ist. Optionaler Weise kann in dem Verfahrensschritt S2 zusätzlich zu dem mindestens einen elektrischen Kontakt auch ein unterbrochener oder unterbrechungsfreier Bondrahmen innerhalb des Zwischenvolumens mittels des metallischen Bondverfahrens gebildet werden. Als metallisches Bondverfahren kann beispielsweise ein eutektisches Bondverfahren, insbesondere unter Verwendung von Aluminium und Germanium, ausgeführt werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
