-
Stand der
Technik
-
Die
Erfindung geht von einem verkappten Mikrosensor sowie einem Verfahren
zur Dichtigkeitsprüfung
eines verkappten Mikrosensors aus.
-
Die
Messung von Drücken
in kleinen Kavernen ist nicht problemlos möglich. Sie wird aber z.B. benötigt, um
festzustellen, ob die Verkappung von Mikrosensoren dicht ist oder
ob Undichtigkeiten auftreten. Eine solche Dichtigkeitsprüfung ist
für alle
hermetisch verkappten Mikrosensoren wichtig, wie z.B. Drehratensensoren,
Beschleunigungssensoren, HF-MEMS, etc.
-
Aus „The NanoPirani – Presumably
the World's Smallest
Pressure Sensor",
Reyntjens-S, De-Bruyker-D, Puers-R, TRANSDUCERS'01, EUROSENSORS XV, 11th International
Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Digest of Technical
Papers/Obermeier, E..-Berlin, Germany, Germany: Springer-Verlag,
Vol. 1, 2001, 2 vol. 1807 p. 490-3 vol. 1, ist ein extrem miniaturisierter
Drucksensor bekannt, dessen Sensorprinzip auf einem druckabhängigen Wärmeverlust
einer Mikrobrücke
beruht, wobei zwischen der Mikrobrücke und einem Substrat, über dem
diese gebildet ist, ein Spalt bestehen muss. Die Wärme wird über einen
durch die Mikrobrücke
fließenden
Strom erzeugt und der Druck wird über eine Messung des elektrischen
Widerstands der Mikrobrücke
bestimmt.
-
Aus
der
DE 101 23 920
A1 ist ein integriertes Mikrostrukturelement zur Erfassung
thermodynamischer Größen eines
Fluids bekannt. Für
die Erfassung der thermodynamischen Messgrößen eines Fluids ist eine Platine
oder ein Wafer mit mindestens einem mikrostrukturierten, bei Betrieb
mit dem Fluid in Verbindung stehenden Heizelement vorgesehen, auf
dem oder in dessen Umgebung ein erstes Mittel zur zumindest zeitweiligen
Beaufschlagung des Heizelements mit einem Wechselstrom definierter
Frequenz oder eines definierten Frequenzbandes und weitere Mittel
zur Erfassung der Amplitude der dritten Oberwelle der an dem Heizelement
anliegenden elektrischen Spannung angeordnet sind. Das gezeigte
Mikrostrukturelement eignet sich besonders zur Bestimmung oder Überwachung
der Wärmeleitfähigkeit
und/oder Wärmekapazität einer
Flüssigkeit.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Nach
der Erfindung weist ein verkappter Mikrosensor einen in der Kaverne
angeordneten Stromleiter mit wenigstens zwei Spannungsabgriffen
auf.
-
Weiter
wird bei dem Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung eines verkappten Mikrosensors
nach der Erfindung wenigstens eine thermodynamische Größe eines
innerhalb dessen Kaverne vorhandenen gasförmigen Mediums erfasst, wobei
die Erfassung mittels einer zu einer Brücke verschalteten innerhalb der Kaverne
angeordneten Struktur erfolgt, die aus einem Stromleiter mit wenigstens
zwei Spannungsabgriffen besteht.
-
Auf
diese Weise wird erfindungsgemäß ein vorzugsweise
in den Sensoraufbau des Mikrosensors integriertes Mikrostruktur-Sensorelement zur
Erfassung thermodynamischer Größen eines
innerhalb der Kaverne vorhandenen gasförmigen Mediums herangezogen,
welches z.B. zur Erfassung thermodynamischer Größen eines Fluids in der
DE 10123920 A1 beschrieben
ist, welche hier durch Bezugnahme aufgenommen ist, wodurch insbesondere
der dort beschriebene Aufbau des erfindungsgemäß in der Kaverne angeordneten
Stromleiters mit wenigstens zwei Spannungsabgriffen, wie auch die
dort beschriebene Erfassung thermodynamischer Größen mit den hier beschriebenen
technischen Merkmalen kombinierbar sind.
-
Das
innerhalb der Kaverne vorhandene gasförmige Medium ist vorzugsweise
Luft und die wenigstens eine von diesem erfasste thermodynamische
Größe ist vorzugsweise
dessen Wärmeleitfähigkeit
und/oder Wärmekapazität. Auf diese
Weise wird erfindungsgemäß in einen
verkappten Mikrosensor eine Anordnung integriert, über deren
sich bei einer Druckänderung ändernden
Wärmeübergangskoeffizienten
durch eine Änderung
des Umgebungsdrucks die Dichtigkeit des verkappten Mikrosensors festgestellt
werden kann. Der Druck in der Kaverne kann auch über die ausführlich in
der in Bezug genommenen
DE
10123920 A1 beschriebene 3ω-Methode gemessen werden, wobei
weiter vorzugsweise ein erweitertes Wärmeleitungsmodell verwendet wird,
welches Multischichtsysteme mit zusätzlichen Deckschichten berücksichtigt,
wobei ausgenutzt wird, dass die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität des die
Struktur umgebenden Gases, z.B. der Luft, druckabhängig sind.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Mikrosensor werden
vorzugsweise den Stromleiter oder die Spannungsabgriffe bildende
Leiterbahnen durch eine Versiegelung einer Kappe des Mikrosensors
hindurch aus der Kaverne herausgeführt. Weiter vorzugsweise weisen
die den Stromleiter und/oder die Spannungsabgriffe bildenden Leiterbahnen
außerhalb
der Kaverne Anschlussflächen
auf.
-
In
diesem Fall kann die Verschaltung der Struktur zu einer Brücke zur
Erfassung der thermodynamischen Größen außerhalb der Kaverne erfolgen, d.h.
die Struktur kann einfach an eine Messvorrichtung angeschlossen
werden, mittels der bestimmt werden kann, ob der verkappte Mikrosensor
dicht ist.
-
In
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
der Dichtigkeitsprüfung
wird durch den Stromleiter ein konstanter Heizstrom getrieben, die
Brücke bei
konstantem Umgebungsdruck abgeglichen und eine Druckänderung
in der Kaverne bei sich änderndem
Umgebungsdruck erfasst, indem eine Änderung einer Brückenspannung
erfasst wird. Hierdurch wird, wie oben angegeben, eine Abhängigkeit
der Brückenspannung
vom Druck aufgrund des sich mit dem Druck ändernden Wärmeübergangskoeffizienten der Anordnung,
d.h. der damit verbundenen Temperaturänderung des Stromleiters, wodurch
sich der Widerstand über
den Temperaturkoeffizienten ändert, ausgenutzt,
um die Dichtigkeitsprüfung
des verkappten Mikrosensors durchzuführen.
-
In
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
nach der Erfindung wird der Druck in der Kaverne mittels der 3ω-Methode erfasst,
wobei – wie
oben angegeben – vorzugsweise
für die
3ω-Methode
ein erweitertes Wärmeleitungsmodell
verwendet wird, welches Multischichtsysteme mit zusätzlichen
Deckschichten berücksichtigt,
wobei das die Struktur umgebende gasförmige Medium als Deckschicht
behandelt wird. Hier wird der Effekt ausgenutzt, dass Wärmeleitfähigkeit
und Wärmekapazität des gasförmigen Mediums,
vorzugsweise Luft, druckabhängig
sind. Auch bei der Druckmessung innerhalb der Kaverne über die
3ω-Methode
wird die beschriebene Struktur mit daran vorzugsweise extern angeschlossener
Widerstandsbrücke
genutzt.
-
Bei
dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Mikrosensor sind den Stromleiter
und/oder die Spannungsabgriffe bildende Leiterbahnen vorzugsweise
integriert mit einem Sensorelement des Mikrosensors gebildet, z.B.
mit der obersten Metalllage eines Sensors. Hiermit ist nach der
Erfindung ein flaches, einfach herzustellendes System angegeben, welches
die kostengünstige
Herstellung der Messstrukturen nach Standard-Halbleiterprozessen ermöglicht.
-
Das
zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren
zur Dichtigkeitsprüfung
eines verkappten Mikrosensors wird vorzugsweise zur Qualitätskontrolle
einer Verkappung des verkappten Mikrosensors eingesetzt.
-
Zeichnung
-
Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung
beispielhaft dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die
Ansprüche
enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination oder als bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung bezeichnet. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßiger Weise auch
einzeln betrachten und/oder zur sinnvollen weiteren Kombination
zusammenfassen.
-
Es
zeigen:
-
1 eine Aufsicht eines verkappten
Mikrosensors nach der Erfindung ohne Verkappung;
-
2 eine Schnittansicht des
in 1 gezeigten Mikrosensors
nach der Erfindung mit Verkappung entlang der in 1 eingezeichneten Linie A-A';
-
3 ein Flussdiagramm des
Verfahrens zur Dichtigkeitsprüfung
eines verkappten Mikrosensors nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und
-
4 ein Flussdiagramm des
Verfahrens zur Dichtigkeitsprüfung
eines verkappten Mikrosensors nach einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
-
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
-
Im
Folgenden wird in Bezug auf die 1 und 2 ein verkappter Mikrosensor
nach der Erfindung beschrieben. 1 zeigt
einen noch nicht verkappten Mikrosensor nach der Erfindung, wobei
die Elemente des eigentlichen Mikrosensors, die zur Realisierung
der Erfindung nicht benötigt
sind, nicht eingezeichnet sind.
-
Auf
einem Substrat 6 des Mikrosensors ist ein Stromleiter 1 aufgebracht,
der zwei Spannungsabgriffe 2 aufweist. An beiden Enden
des Stromleiters 1 und an den Enden der beiden Spannungsabgriffe 2 sind
jeweils Kontaktpads 3 vorgesehen. Die den Stromleiter 1,
die beiden Spannungsabgriffe 2 und die Kontaktpads 3 bildenden
Leiterbahnen können
z.B. mit der obersten Metalllage des Mikrosensors hergestellt werden.
-
Zur
Auswahl bestimmter Materialien und hinsichtlich einer besonderen
Anordnung des Stromleiters
1 und der Spannungsabgriffe
2 ist
auf die in Bezug genommene
DE
101 23 290 A1 verwiesen.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass der Stromleiter 1 und die Spannungsabgriffe 2 innerhalb einer
durch eine Verkappung des Mikrosensors erzeugte Kaverne 5 liegen,
die Leiterbahnen jedoch vorzugsweise so lang sind, dass die Kontaktpads 3 außerhalb
der Kaverne 5 liegen, also nach dem Montieren der Kappe 4 noch
kontaktiert werden können.
-
Die 2 zeigt eine Schnittdarstellung
des schon verkappten Mikrosensors entlang der in der 1 eingezeichneten Linie
A-A'. Es kann erkannt werden,
dass die Kappe 4 zusammen mit einer Versiegelung 7 die
Kaverne 5 gegen die Umgebung abdichtet. Diese Abdichtung
erfolgt ebenfalls bei den Durchführungen
der Leiterbahnen für
den Stromleiter 1 und die beiden Spannungsabgriffe 2.
-
Eine Überprüfung der
hermetischen Dichtigkeit der Verkappung des Mikrosensors erfolgt
vorzugsweise als Qualitätskontrolle
für die
Verkappung des Mikrosensors erfindungsgemäß, indem die 4-Punkt-Messungen
ermöglichenden
Leiterbahnen mit externen Widerständen zu einer Brücke verschaltet
werden und wenigstens eine thermodynamische Größe des innerhalb der Kaverne 5 vorhandenen gasförmigen Mediums,
vorzugsweise Luft, über
die 4-Punkt-Messungen ermöglichenden
Leiterbahnen erfasst wird, woraus auf die Dichtigkeit der Kaverne 5 geschlossen
werden kann.
-
In
Bezug auf die 3 und 4 werden nachfolgend zwei
bevorzugte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Dichtigkeitsprüfung
eines verkappten Mikrosensors beschrieben.
-
Gemäß dem in 3 gezeigten ersten bevorzugten
Ausführungsbeispiel
des Verfahrens zur Dichtigkeitsprüfung eines verkappten Mikrosensors nach
der Erfindung wird durch den Stromleiter 1 mit einer Stromquelle
in einem Schritt S1 ein konstanter Heizstrom getrieben und in einem
folgendem Schritt S2 die Brücke
bei konstantem Umgebungsdruck abgeglichen. Variiert der Umgebungsdruck,
z.B. durch Umgebungseinflüsse
im Einsatz oder durch Zuverlässigkeitsuntersuchungen
provoziert, so ändert
sich die Brückenspannung
in Abhängigkeit
vom Druck aufgrund des sich ändernden
Wärmeübergangskoeffizienten
der Anordnung, da sich die Temperatur des Stromleiters und damit
der Widerstand über
den Temperaturkoeffizienten verändert.
Erfindungsgemäß wird also
in einem nächsten
Schritt S3 z.B. der Umgebungsdruck geändert, wonach in einem folgenden
Schritt S4 erfasst wird, ob sich die Brückenspannung geändert hat.
Ist dies nicht der Fall, so ist der Druck innerhalb der Verkappung
konstant geblieben, wodurch erkannt wird, dass die Verkappung dicht
ist. Ändert
sich jedoch die Brückenspannung,
so wird die Verkappung als undicht klassifiziert.
-
4 zeigt ein zweites bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Dichtigkeitsprüfung
eines verkappten Mikrosensors, bei dem der Druck in der Kaverne über die 3ω-Methode
gemessen wird. Die Verwendung der aus einem Stromleiter mit zwei
Spannungsabgriffen bestehenden Struktur mit Hilfe der externen Widerstandsbrücke für die 3ω-Methode
ist ausführlich
in der in Bezug genommenen
DE
101 23 920 A1 beschrieben. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise
ein erweitertes Wärmeleitungsmodell
für die
3ω-Methode
verwendet, welches Multischichtsysteme mit zusätzlichen Deckschichten berücksichtigt.
Die vorzugsweise als gasförmiges
Medium innerhalb der Kaverne
5 verwendete umgebende Luft
wird in diesem Fall als Deckschicht behandelt, wobei die Wärmeleitfähigkeit
und die Wärmekapazität der Luft druckabhängig sind.
-
Gemäß dem zweiten
bevorzugten Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung eines verkappten Mikrosensors
nach der Erfindung wird in einem Schritt S1' ein Umgebungsdruck ungleich dem Innendruck
der Kaverne während
ihrer Herstellung eingestellt. In einem folgenden Schritt S2' wird der Innendruck
der Kaverne mittels der 3ω-Methode
erfasst. Ist dieser gleich dem Innendruck der Kaverne während ihrer
Herstellung, so wird die Verkappung als dicht klassifiziert, wohingegen
ein gemessener abweichender Umgebungsdruck, z.B. der eingestellte
Umgebungsdruck, auf eine undichte Verkappung schließen lässt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Dichtigkeitsprüfung
kann sowohl zur Prozesskontrolle direkt nach dem Verkappen, um zu überprüfen, ob
der Versiegelungsprozess ordnungsgemäß durchgeführt wurde, wie auch zur Überprüfung der
Langzeit-Dichtigkeit über die
Lebensdauer des Sensorelements, eingesetzt werden.