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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensors sowie ein Sensor, der mit diesem Verfahren hergestellt worden ist.
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Stand der Technik
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Insbesondere mikromechanische Sensoren wie Drucksensoren werden in einem Gehäuse untergebracht, welches zur Verhinderung einer Medienbeeinträchtigung oder Verschmutzung mit einem Passivierungsgel verfüllt wird. Trotzdem können sich auf der Geloberfläche Verschmutzungen absetzen, die sich gerade bei klebrigen Oberflächen auch nicht mehr entfernen lassen. Derartige Ansammlungen auf der Oberfläche verändern das Druckverhalten und insbesondere die Druckweiterleitung an das Drucksensorelement, wodurch eine regelmäßige Neukalibrierung notwendig ist.
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Um einen derartigen Belag von Partikel oder Staub auf der Geloberfläche zu verhindern, kann beispielsweise der Zugang zum Drucksensorelement baulich eingeschränkt werden. Neben einer Siphon-artigen Zuführung kann auch eine weitere Membran vorgesehen sein, die zwar den Druck weiterleitet, jedoch verhindert, dass Verschmutzungspartikel in das Innere gelangen.
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Mit der vorliegenden Erfindung soll eine weitere Möglichkeit aufgezeigt werden, die Oberfläche unempfindlicher für das Anhaften von störenden Partikeln werden zu lassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensors sowie ein mit diesem Verfahren hergestellten Sensor. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Drucksensor handeln, wobei auch jede andere Sensorart vorgesehen sein kann, insbesondere einen Sensorart, bei der die zu erfassende physikalische und/oder chemische Größe durch ein Passivierungsgel an das Sensorelement weitergeleitet werden kann.
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Zur Realisierung des mikromechanischen Sensors wird zunächst ein Gehäuse auf einem Substrat angeordnet. In dem Gehäuse wird ein Sensorelement, zum Beispiel ein Drucksensorelement, angeordnet. Dabei kann das Sensorelement direkt oder indirekt auf dem Substrat angeordnet sein. Weiterhin kann auch vorgesehen sein, dass zunächst das Sensorelement auf dem Substrat angeordnet werden, bevor das Gehäuse aufgebracht wird. Das Gehäuse dient unter anderem dazu, ein Passivierungsgel aufzunehmen, welches zumindest einen Teil des Sensorelements bedeckt. Im Falle eines Drucksensors kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Druckmembran ausgespart wird und/oder im Wesentlichen die Bondverbindungen durch das Passivierungsgel bedeckt werden. Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass auf die Oberfläche des Passivierungsgels eine Deckschicht aus einem fluorierten Polymer aufgebracht wird, zum Beispiel ein Fluorpolymer. Um dieses fluorierte Polymer aufzubringen ist vorgesehen, dieses in ein Lösungsmittel, zum Beispiel MPK, zu lösen und als dünnen Lack auf die Geloberfläche aufzutragen. Anschließend wird das Lösungsmittel entfernt, zum Beispiel mittels einer Verdampfung, so dass die Deckschicht aus fluoriertem Polymer auf der Geloberfläche zurück bleibt.
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Durch die Verwendung einer Deckschicht aus fluoriertem Polymer kann erreicht werden, dass die resultierende Oberfläche, welche dem zu erfassenden Medium ausgesetzt ist, weniger anfällig hinsichtlich einer Schmutzanlagerung ist.
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Durch die Verwendung eines Lösungsmittels für das Polymer welches auf den Fluoranteil wirkt, kann bei einem entsprechend fluoriertem Passivierungsgel beziehungsweise einem Passivierungsgel mit Fluoranteil eine Veränderung der Geloberfläche in Form einer Quellung, einer Porösifizierung oder eine Aufrauhung erreicht werden. Durch diese Oberflächenveränderung kommt es zu einer Interpenetration der Polymere in die Geloberfläche und somit zu einer besseren Haftung der Deckschicht auf dem Passivierungsgel. Ein ähnlicher Effekt wird erreicht, wenn das Lösungsmittel die Oberfläche des Passivierungsgels aufquillen lässt, so dass das fluorierte Polymer in die Oberfläche eindringen kann. Durch eine Steuerung der Verdampfung des Lösungsmittels kann die Einwirkzeit auf die Geloberfläche gesteuert werden. Hierbei bietet es sich an, diese Einwirkzeit beziehungsweise die Verdampfungszeit über eine Erhitzung des Sensors oder zumindest der Geloberfläche und Deckschicht zu steuern. Je nach Ausgestaltung des fluorierten Passivierungsmittels, des Gehalts an Fluor in dem Passierungsmittel und/oder der Dicke der Deckschicht kann die Zeitdauer vorgegeben werden, in der das Lösungsmittel verdampft.
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Indem ein Lösungsmittel verwendet wird, welches sowohl auf die sich bildende Deckschicht als auch das Passivierungsgel wirkt, ist eine zusätzliche Plasmaaktivierung der fluorierten Geloberfläche zur Erzeugung von Ankerpunkten beziehungsweise zur Erhöhung der Haftwirkung nicht nötig.
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In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Polymer Polyvinylidenfluorid aufweist. Dieses Material hat den Vorteil, dass es mechanisch einen ausreichend widerstandsfähigen, aber dehnbaren Film bildet. Darüber hinaus weisen derartige Filme eine extrem geringe Schadgaspermeabilität und eine relativ hohe Dehnbarkeit von 300 % auf. Dadurch wird auch bei einer dünnen Ausführung verhindert, dass aufgrund einer Wärmeausdehnung eine Beeinträchtigung erfolgt. Als Passivierungsgel kann beispielsweise Perfluorpolyether verwendet werden.
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Eine ausreichende Dicke der Deckschicht bestehend aus dem fluorierten Polymer besteht aus 10 nm bis 50 µm. Eine derartige Dicke ermöglicht es, dass die Deckschicht ausreichend flexibel bleibt, um die anliegenden Drücke ohne Verzögerung oder Dämpfung an das Passivierungsgel und/oder dem Drucksensorelement weiterzugeben. Weitere Möglichkeiten zur Oberflächenbeschichtung sind ebenfalls bekannt, zum Beispiel eine 3M Novec 1720 Oberflächenbeschichtung.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Figurenliste
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- Die 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor. Ein mögliches erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung dieses Sensors ist im Flussdiagramm der 2 dargestellt.
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Ausführungsform der Erfindung
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Typische mikromechanische Sensoren sind derart aufgebaut, dass ein Sensorelement 120 direkt oder indirekt auf einen Träger oder ein Substrat 100 aufgebracht sind (siehe
1). Zur Kontaktierung des Sensorelements 120 kann wenigstens eine elektrische Verbindung in Form eines Bonddrahts 130 verwendet werden. Das Sensorelement 120 und das Substrat 100 sind üblicherweise in einem Gehäuse untergebracht, unter anderem, um die weitere Nutzung des Sensors zu ermöglichen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Gehäuse 110 auf dem Substrat 100 angeordnet ist und so einen Innenraum 170 begrenzt. Alternativ kann das Gehäuse jedoch auch anders ausgestaltet sein oder das Substrat 100 mit dem Sensorelement 120 in einem vorgefertigten Gehäuse mit eigenem Boden untergebracht sein. Zum Schutz des Sensorelements 120 vor äußeren Einflüssen, kann der Innenraum 170 wenigstens teilweise mit einem Passivierungsgel 140 verfüllt sein. Dabei kann das Sensorelement 120 und/oder der wenigstens eine Bonddraht 130 ganz oder teilweise mit dem Passivierungsgel 140 bedeckt sein. Bei der Verwendung eines Drucksensors als Sensorelement 120 kann vorgesehen sein, dass nur die elektrische Verbindung beziehungsweise Kontaktierung in Form des Bonddrahtes 130 mit dem Passivierungsgel 140 bedeckt ist. Hierdurch lässt sich eine Korrosion an dieser elektrischen Verbindung vermeiden. Falls die Membran des Drucksensorelements ebenfalls mit dem Passivierungsgel bedeckt werden soll, um beispielsweise auch die dort angeordneten elektrischen oder elektronischen Komponenten zu schützen, muss dafür gesorgt werden, dass das Passivierungsgel die Druckerfassung nicht beeinträchtigt. Dies bedeutet, dass das Passivierungsgel den Druck wenn möglich ohne Verzögerung und ohne Dämpfung weiterleiten muss. Zu diesem Zweck haben sich als Passivierungsgele fluorierte weiche Silikongele oder Perfluorpolyether etabliert (siehe hierzu beispielhaft die
DE 100 54 013 A1 ). Diese Gele weisen die Eigenschaft auf, dass sie fließfertig sind, um den Innenraum 170 ohne Einschlüsse auszufüllen und eine ausreichende Haftwirkung entfalten, um an den Wänden des Gehäuses 110, des Substrats 100, des Sensorelements 120 und des Bonddrahtes 130 fest anzuhaften. Durch Aushärten des Passivierungsgels 140 bildet sich eine Oberfläche 190, die zu dem zu messenden Medium 180 hin ausgerichtet ist. Da die Oberfläche 190 des Passivierungsgels 140 auch im ausgehärteten Zustand eine gewisse Hafteigenschaft aufweist, können an dieser Oberfläche 190 Partikel anhaften, die die Messwerterfassung durch das Sensorelement 120 beeinträchtigen können. Um diese Anhaftung zu verhindern beziehungsweise der Oberfläche, die dem Medium 180 ausgesetzt ist, eine geringere Haftwirkung zu verleihen, wird erfindungsgemäß eine Deckschicht 150 aufgebracht, an der die Partikel des Mediums 180 oder auch sonstige Verschmutzungen weniger gut anhaften. Bei dieser Deckschicht handelt es sich um fluorierte Polymere, wie beispielsweise PVDF (Polyvinylidenfluorid). Derartige fluorierte Polymere lassen sich in geeignete Lösungsmittel lösen und dünn auf die Oberfläche 190 des Passivierungsgels 140 auftragen. Durch die relativ hohe Dehnbarkeit von 300 % sowie der extrem geringen Schadgaspermeabilität eignet sich PVDF besonders zum Einsatz als Deckschicht. Hierbei können Schichtdicken 160 von 10 nm bis 50 µm vorgesehen sein. Durch eine dünn ausgeführte Schichtdicke des Decklackes wird die thermomechanische Ausdehnung des Gels nur wenig eingeschränkt und durch die hohe Dehnungsfähigkeit der Deckschicht bleibt diese unter thermomechanischer Last intakt. Weiter bringt die Schicht zusätzlich eine sehr geringe Sauerstoff- bzw. Schadgasdurchgängigkeit mit, so dass die Möglichkeit besteht, dass die Druckmessung mit einem Drucksensorelement präziser werden kann, zum Beispiel indem kürzere Ansprechzeiten realisiert werden.
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Die Haftung der Deckschicht 150 auf der Oberfläche 190 erfolgt zudem durch den Effekt, dass das Lösungsmittel, in welchem das Material der Deckschicht 150 gelöst ist, ebenso auf das fluorierte Passivierungsgel 140 wirkt und so eine Aufrauhung in Form eines Aufquellen der Oberfläche 190 bewirkt. Durch dieses Aufquellen der Oberfläche 190 kann die Deckschicht 150 teilweise in die Oberfläche 190 eindringen, so dass eine zusätzliche Haftwirkung entsteht. Der Grad des Aufquellens beziehungsweise allgemeiner der Grad der Interaktion zwischen dem Material der Deckschicht 150 und dem Passivierungsgel 140 wird durch die Einwirkzeit bestimmt, in der das Lösungsmittel noch in der Deckschicht 150 vorhanden ist. Sobald das Lösungsmittel aus der Deckschicht 150 entfernt ist, zum Beispiel indem es verdampft ist, ist die Einwirkung auf die Oberfläche 190 abgeschlossen. Durch die Wahl der Verdampfungsparameter wie beispielsweise der anliegenden Temperatur, kann die Einwirkzeit und somit auch die Tiefe der Interpenetration der Polymere in das Passivierungsgel vorgegeben werden. Dabei kann eine Verkürzung der Einwirkzeit durch eine kurzzeitige höhere Temperatur verhindern, dass sich die dabei verwendete Wärme nachteilig auf das Passivierungsgel auswirkt. Daneben hat auch die Wahl der Schichtdicke 160 der Deckschicht einen Einfluss auf die Wahl der Temperatur sowie der notwendigen Zeit zur Verdampfung des Lösungsmittels.
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Anhand des Flussdiagramm der 2 wird ein Verfahren beschrieben, mit dem die erfindungsgemäße Deckschicht 150 auf die Oberfläche 190 des Passivierungsgels 140 aufgebracht wird. In einem ersten Schritt 200 wird ein Sensor mit einem Sensorelement 120 auf einem Träger oder Substrat 100 sowie einem Gehäuse 110 um das Sensorelement 120 herum erzeugt. In dem durch das Gehäuse 110 und gegebenenfalls durch das Substrat 100 umschlossenen Innenraum 170 wird anschließend ein Passivierungsgel 140 eingebracht, die das Sensorelement wenigstens teilweise bedeckt und eine Oberfläche 190 zum Medium 180 hin ausbildet. Im nächsten Schritt 220 wird eine Deckschicht 150 aus einem in einem Lösungsmittel aufgelösten fluorierten Polymer in Form eines Lack aufgebracht. Nach Verdampfen des Lösungsmittels hat sich das fluorierte Polymer als Deckschicht 150 auf der Oberfläche 190 des Passivierungsmittels ausgebildet. Durch die Einwirkung des Lösungsmittels auf das Passivierungsgel während der Zeit, in der es verdampft, kann zudem eine bessere Haftung der Deckschicht 150 auf dem Gel erreicht werden.
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Optional kann in einem weiteren Schritt 240 nach dem Aufbringen der Deckschicht 150 die Rahmenbedingungen derart gesteuert werden, dass eine gewünschte Eindringtiefe oder Interpenetration der Lackpolymere während der Verdampfung des Lösungsmittels in das Passivierungsgel 140 erreicht wird. Sowohl durch die Wahl der Verfahrensparameter wie der Temperatur oder dem Umgebungsdruck während der Herstellung der Deckschicht als auch durch die Wahl der Schichtdicke 160 kann eine Einwirkzeit vorgegeben sein, die mindestens vorliegen muss, dass eine ausreichende Haftung beziehungsweise Endringtiefe erreicht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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