DE19944410A1 - Vorrichtung zur Halterung einer zu heizenden Mikrostruktur und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung - Google Patents
Vorrichtung zur Halterung einer zu heizenden Mikrostruktur und Verfahren zur Herstellung der VorrichtungInfo
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Abstract
Bei einer Vorrichtung zur Halterung einer zu heizenden Mikrostruktur (1) an einem Tragrahmen (5) ist wenigstens ein volumenstrukturierter Brückenkörper (13, 14) vorgesehen, der die Mikrostruktur (1) und den Tragrahmen (5) über brückenartig ausgebildete Tragrahmenabschnitte (15 bis 18), Trägerplattenabschnitte (19, 20) und Verbindungsabschnitte (21, 22) unter Ausbildung von Isolierausnehmungen (23 bis 26) miteinander verbindet. Auf diese Weise ist bei einer verhältnismäßig hohen mechanischen Stabilität eine gute thermische Isolierung der Mikrostruktur (1) von dem Tragrahmen (5) erzielt. Die Vorrichtung wird durch Verbindung einer Substratplatte mit einer volumenstrukturierten Deckplatte sowie anschließender Abtrennung von einzelnen Einheiten hergestellt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Halterung einer zu
heizenden Mikrostruktur mit einer Trägerplatte, auf der die
Mikrostruktur aufgebracht ist, mit einem die Trägerplatte in
einem Abstand umgebenden Tragrahmen und mit Verbindungs
mitteln, die die Trägerplatte mit dem Tragrahmen mechanisch
verbinden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung
einer vorgenannten Vorrichtung, bei dem eine Trägerplatte mit
einer zu heizenden Mikrostruktur mit einem Tragrahmen ver
bunden wird.
Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren sind aus
der EP-A-0 291 462 bekannt. Bei der vorbekannten Vorrichtung
ist eine zu heizende Mikrostruktur auf einer Trägerplatte aufge
bracht, die von einem Tragrahmen umgeben ist. Die Träger
platte ist über eine Anzahl von Stegen als Verbindungsmittel mit
dem Tragrahmen mechanisch verbunden. Dabei sind die Stege,
der Tragrahmen und die Trägerplatte einstückig gefertigt. Die
Stege sind gegenüber der Dicke des Tragrahmens verhältnis
mäßig dünn ausgebildet und liegen in der Ebene der Träger
platte. Die vorbekannte Vorrichtung wird gemäß dem
vorbekannten Verfahren durch eine Abfolge von Ätzschritten
hergestellt.
Zwar ist bei der vorbekannten Vorrichtung durch die dünne
Ausgestaltung der Stege ein verhältnismäßig geringer
Wärmefluß zwischen der Trägerplatte und dem Tragrahmen
erzielt, allerdings ist die mechanische Stabilität häufig
unzureichend.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der
eingangs genannten Art anzugeben, die sich bei einem verhält
nismäßig geringen Wärmefluß zwischen der Trägerplatte und
dem Tragrahmen durch eine verhältnismäßig hohe mecha
nische Stabilität auszeichnet, sowie weiterhin ein Verfahren für
eine fertigungstechnisch verhältnismäßig einfache Herstellung
dieser Vorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genann
ten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbindungs
mittel wenigstens einen Brückenkörper mit jeweils wenigstens
einem mit dem Tragrahmen verbundenen Tragrahmenabschnitt,
mit wenigstens einem mit der Trägerplatte verbundenen Träger
plattenabschnitt und mit wenigstens einem sich zwischen einem
zugeordneten Tragrahmenabschnitt und einem zugeordneten
Trägerplattenabschnitt erstreckenden, gegenüber der Träger
platte und dem Tragrahmen unter Ausbildung wenigstens einer
Isolierausnehmung versetzten Verbindungsabschnitt aufweisen,
wobei das Material jedes Brückenkörpers eine gegenüber dem
Material der Trägerplatte und dem Material des Tragrahmens
geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genann
ten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Substrat
platte mit dielektrischen Schichten, Metallschichten sowie mit
beschichtungsfreien Auflagebereichen bereitgestellt wird, daß
eine Deckplatte mit säulenartig vorstehenden Tragrahmen
abschnitten und Trägerplattenabschnitten bereitgestellt wird,
daß die Substratplatte und die Deckplatte so aneinandergefügt
werden, daß die freien Enden der Tragrahmenabschnitte und
der Trägerplattenabschnitte in den Auflagebereichen aufliegen,
daß die Substratplatte und die Deckplatte in den Auflagebe
reichen miteinander verbunden werden und daß aus dem Ver
bund aus Substratplatte und Deckplatte Einheiten mit einer über
wenigstens einen Brückenkörper mit einem zugehörigen Trag
rahmen verbundenen Trägerplatte abgetrennt werden.
Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Ver
bindungsmittel verhältnismäßig massive, sich brückenartig
zwischen der Trägerplatte und dem Tragrahmen erstreckende
volumenstrukturierte Brückenkörper mit einer verhältnismäßig
geringen Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sind, ist bei einer
verhältnismäßig hohen mechanischen Stabilität eine relativ gute
thermische Isolation der zwischen der zu heizenden Mikro
struktur und dem Tragrahmen erzielt. Dadurch muß zum einen
zum Heizen der Mikrostruktur auf eine Betriebstemperatur von
beispielsweise mehreren 100 Grad Celsius auf Grund des
verhältnismäßig geringen Wärmeflusses von der Trägerplatte
mit der Mikrostruktur zu dem kälteren Tragrahmen verhältnis
mäßig wenig Energie aufgewendet werden und zum anderen
bleibt der Tragrahmen insbesondere bei einer Ausbildung mit
integrierten Schaltungen, die eine verhältnismäßig geringe
Betriebstemperatur von beispielsweise wenigen 10 Grad Celsius
benötigen, vorteilhafterweise verhältnismäßig kühl.
Zweckmäßigerweise sind bei der erfindungsgemäßen Vor
richtung der Tragrahmen und die Trägerplatte aus Silizium.
Vorteilhaft ist weiterhin, daß der oder jeder Brückenkörper aus
Glas ist.
In einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
ein Brückenkörper vorgesehen, der einen umlaufenden Träger
plattenabschnitt aufweist. Dadurch ist eine besonders stabile
Verbindung mit der Trägerplatte erzielt.
In einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist wenigstens ein Brückenkörper vorgesehen, der
wenigstens einen Trägerplattenabschnitt mit einem rechteckigen
Querschnitt aufweist. Dadurch ist bei einer noch ausreichenden
Stabilität auf Grund des verhältnismäßig geringen Gesamtquer
schnitts ein verhältnismäßig geringer Wärmefluß sichergestellt.
In einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist ein Brückenkörper vorgesehen, der einen um
laufenden Tragrahmenabschnitt aufweist. Dadurch ist eine
besonders stabile Verbindung mit dem Tragrahmen erzielt.
In einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist ein Brückenkörper mit wenigstens einem rand
seitig angeordneten Tragrahmenabschnitt mit einem recht
eckigen Querschnitt vorgesehen ist. Dadurch ist bei einer aus
reichenden stabilen Verbindung mit dem Tragrahmen ein ver
hältnismäßig geringer Wärmefluß von der zu heizenden Mikro
struktur zu dem Tragrahmen gewährleistet. Bei einer Weiter
bildung der letztgenannten Ausgestaltung sind vorteilhafterweise
zwei Brückenkörper vorgesehen, die einander gegenüberliegend
angeordnet und mit jeweils einem Trägerplattenabschnitt an der
Trägerplatte angebracht sind.
Im Hinblick auf eine verhältnismäßig einfache Fertigung ist es
zweckmäßig, daß jeder Tragrahmenabschnitt und jeder Träger
plattenabschnitt rechtwinklig zu der Trägerplatte und dem Trag
rahmen ausgerichtet sind. In diesem Zusammenhang ist es
weiterhin zweckmäßig, daß jeder Verbindungsabschnitt recht
winklig zu einem Tragrahmenabschnitt sowie zu einem Träger
plattenabschnitt ausgerichtet ist. Dabei ist in Weiterbildungen im
Hinblick auf eine gute thermische Isolierung vorteilhafterweise
vorgesehen, daß jeder Tragrahmenabschnitt und jeder einem
Tragrahmenabschnitt gegenüberliegende Trägerplattenabschnitt
einen Abstand aufweisen, der wenigstens dem Abstand
zwischen der Trägerplatte und dem Tragrahmen entspricht.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Substratplatte und die
Deckplatte durch anodisches Bonden miteinander verbunden
werden.
Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
vorgesehen, daß die Substratplatte vor Verbindung mit der
Deckplatte volumenstrukturiert wird.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, die Substratplatte in dem Verbund
mit der Deckplatte volumenstrukturiert wird.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die
Figuren der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 in einer geschnittenen perspektivischen Ansicht ein
erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge
mäßen Vorrichtung mit zwei Brückenkörpern,
Fig. 2 einen Schnitt durch die Brückenkörper des ersten
Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1,
Fig. 3 in einer geschnittenen perspektivischen Ansicht ein
zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsge
mäßen Vorrichtung mit einem Brückenkörper,
Fig. 4 einen Schnitt durch den Brückenkörper des zweiten
Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3,
Fig. 5 in einer geschnittenen Seitenansicht ein drittes Aus
führungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vor
richtung,
Fig. 6 einen Schnitt durch den Brückenkörper des dritten
Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5,
Fig. 7 in einer geschnittenen Seitenansicht ein viertes
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
Fig. 8 einen Schnitt durch den Brückenkörper des vierten
Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 7,
Fig. 9 in einer Draufsicht einen zur Ätzung vorbereiteten
Substratwafer zur Herstellung von Trägerplatten
und Tragrahmen für erfindungsgemäße Vorrich
tungen,
Fig. 10 in einer Draufsicht einen volumenstrukturierten
Deckwafer zur Herstellung von Brückenkörper für
erfindungsgemäße Vorrichtungen,
Fig. 11 in einer geschnittenen Teilansicht einen mit einem
Substratwafer gemäß Fig. 9 verbundenen Deck
wafer gemäß Fig. 10 vor einer Ausbildung der
Trägerplatten und Tragrahmen und
Fig. 12 in einer geschnittenen Teilansicht einen mit einem
Substratwafer gemäß Fig. 9 verbundenen Deck
wafer gemäß Fig. 10 nach der Ausbildung der
Trägerplatten und Tragrahmen.
Fig. 1 zeigt in einer geschnittenen perspektivischen Ansicht ein
erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vor
richtung. Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 verfügt über eine recht
eckige Trägerplatte 1, auf die auf einer Trägerseite 2 ein dielek
trischer Isolationsfilm 3 und auf diesem eine Heizwiderstands
leitung 4 eines mikrosensorischen Gassensors als Mikrostruktur,
der auf der Grundlage eines von der Zusammensetzung von
Umgebungsgas abhängigen Widerstands eines halbleitenden
Oxids arbeitet, aufgebracht sind. Die Trägerplatte 1 ist im Hin
blick auf eine möglichst geringe Wärmekapazität verhältnis
mäßig dünn, jedoch im Hinblick auf eine ausreichende mecha
nische Stabilität ausreichend dick, beispielsweise mit einer
Dicke von etwa 5 Mikrometer bis etwa 20 Mikrometer, ausge
bildet. Typische Kantenlängen bei einer rechteckigen Träger
platte 1 liegen zwischen beispielsweise etwa 200 Mikrometer bis
etwa 1,5 Millimeter.
Weiterhin verfügt die Vorrichtung gemäß Fig. 1 über einen
rechteckigen Tragrahmen 5, der einen mittigen Aufnahmeraum
6 aufweist. Der einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt
aufweisende Aufnahmeraum 6 umschließt die Trägerplatte 1 mit
einem umfänglich im wesentlichen gleichbleibenden Abstand 7
von typischerweise einigen 100 Mikrometer. Der Tragrahmen 5
ist um ein Vielfaches dicker als die Trägerplatte 1, beispiels
weise zwischen etwa 100 Mikrometer und etwa 1 Millimeter,
ausgebildet. Im Bereich einer Seitenkante des Tragrahmens 5
ist auf einer Befestigungsseite 8 ein dielektrischer Isolationsfilm
9 aufgebracht, auf dem wiederum ein mit der Heizwiderstands
leitung 4 verbundener Heizanschluß 10 vorgesehen ist. Der
Tragrahmen 5 verfügt weiterhin über eine gegenüber der Be
festigungsseite 8 angeschrägte Innenseite 11, die sich von der
Befestigungsseite 8 unter Erweiterung des Aufnahmeraums 6 in
Richtung einer der Befestigungsseite 8 gegenüberliegenden
Rückseite 12 erstreckt.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 weist als Verbindungsmittel zur
Verbindung der Trägerplatte 1 mit dem Tragrahmen 5 einen
ersten Brückenkörper 13 und einen zweiten Brückenkörper 14
auf. Die Brückenkörper 13, 14 weisen eine Dicke auf, die wenig
stens im Bereich der Dicke des Tragrahmens 5, beispielsweise
zwischen etwa 300 Mikrometer und etwa 1,5 Millimeter, liegt,
und sind aus einem von dem Material der Trägerplatte 1 und
des Tragrahmens 5 verschiedenen Material gefertigt, das
gegenüber dem Material der Trägerplatte 1 und dem Material
des Tragrahmens 5 eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Als Material für die zur Erhöhung der mechanischen Stabilität
vorzugsweise dicker als der Tragrahmen 5 ausgebildeten
Brückenkörper 13, 14 ist bevorzugt ein Glas vorgesehen. Bei
der bevorzugten Herstellung der Trägerplatte 1 und des Trag
rahmens 5 aus Silizium und der Brückenkörper 13, 14 aus
einem Glas sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der
beiden verschiedenen Materialien in etwa gleich, so daß ther
misch induzierten Belastungen weitestgehend vermieden sind.
Jeder Brückenkörper 13, 14 verfügt über mit dem Tragrahmen 5
verbundene Tragrahmenabschnitte 15, 16, 17, 18, über einen
mit der Trägerplatte 1 verbundenen Trägerplattenabschnitt 19,
20 sowie über einen Verbindungsabschnitt 21, 22, der sich
zwischen den jeweiligen Tragrahmenabschnitten 15, 16, 17, 18
und dem Trägerplattenabschnitt 19, 20 unter Ausbildung von
Isolierausnehmungen 23, 24, 25, 26 erstreckt. Dabei sind die
Verbindungsabschnitte 21, 22 gegenüber der Trägerseite 2 der
Trägerplatte 1 sowie der Befestigungsseite 8 des Tragrahmens
5 versetzt und mit einer Dicke in Abhängigkeit der jeweiligen
Dicke des Brückenkörper 13, 14 zwischen beispielsweise etwa
100 Mikrometer und etwa 500 Mikrometer ausgebildet, die bei
einer ausreichenden mechanischen Stabilität zu einer im Ver
gleich gegenüber einer Ausbildung über die gesamte Dicke der
Brückenkörper 13, 14 verringerten Wärmefluß führt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Trägerplattenab
schnitte 19, 20 jeweils im Bereich einander gegenüberliegenden
Seitenkanten der Trägerplatte 1 mit der Trägerplatte 1 verbun
den. Die Tragrahmenabschnitte 15, 16, 17, 18 jedes Brücken
körpers 13, 14 sind in Randbereichen der Befestigungsseite 8
an dem Tragrahmen 1 angebracht.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Brückenkörper 13, 14 des
ersten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 entlang der Linie II-II.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß jeder Brückenkörper 13, 14 über
jeweils eine lange Isolierausnehmung 23, 25 verfügt, die zwei
kurze Isolierausnehmungen 24, 26 im wesentlichen rechtwinklig
kreuzt. Die Isolierausnehmungen 23, 24, 25, 26 sind jeweils
randseitig eingebracht, so daß die mit der Trägerplatte 1 ver
bundenen, jeweils einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden
Trägerplattenabschnitte 19, 20 einen verhältnismäßig geringen
Querschnitt aufweisen, der zusammen mit der gegenüber dem
ebenfalls rechteckigen Querschnitt der Tragrahmenabschnitte
15, 16, 17, 18 verhältnismäßig geringen Dicke der Verbindungs
abschnitte 21, 22 zu einem verhältnismäßig geringen Wärme
fluß zwischen der Trägerplatte 1 und dem Tragrahmen 5 führt.
Fig. 3 zeigt in einer geschnittenen perspektivischen Ansicht ein
zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vor
richtung, wobei sich bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 1 und Fig. 2 sowie dem zweiten Ausführungsbeispiel ent
sprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen
und im weiteren nicht näher erläutert sind. Das zweite Aus
führungsbeispiel gemäß Fig. 2 verfügt über einen einzigen
quaderförmigen Brückenkörper 27 mit den Brückenkörpern 13,
14 des ersten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 und Fig. 2
entsprechenden Dimensionen, der außenseitig einen umlaufen
den, an der Befestigungsseite 8 des Tragrahmens 5 angebrach
ten Tragrahmenabschnitt 28 aufweist. Weiterhin ist der Brücken
körper 27 mit einer ebenfalls umlaufenden Isolierausnehmung
29 ausgebildet, deren Breite im wesentlichen dem Abstand 7
zwischen der Trägerplatte 1 und dem Tragrahmen 5 entspricht.
Schließlich verfügt der Brückenkörper 27 innenseitig über einen
umlaufenden Trägerplattenabschnitt 30, der randseitig mit der
Trägerplatte 1 verbunden und gegenüber dem Tragrahmen
abschnitt 28 verhältnismäßig schmal ausgebildet ist. Zwischen
dem Tragrahmenabschnitt 28 und dem Trägerplattenabschnitt
30 ist jeweils an den von dem Tragrahmen 5 wegweisenden
Endbereichen ein Verbindungsabschnitt 31 ausgebildet, dessen
Dicke in etwa der Dicke des Trägerplattenabschnitts 30 ent
spricht. Der umlaufende Trägerplattenabschnitt 30 des Brücken
körpers 27 gemäß Fig. 3 umschließt einen offenen Freiraum 32,
der in der Anordnung gemäß Fig. 3 von der Trägerplatte 1
einseitig abgeschlossen ist.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist auf einer
Seite des Tragrahmens 5 im Bereich der Befestigungsseite 8
eine monolithisch integrierte Schaltung 33 ausgebildet, die über
eine Verbindungsleitung 34 mit einer weiteren, auf der Träger
platte 1 ausgebildeten integrierten Schaltung 35 eines Gassen
sors als zu heizender Mikrostruktur in Verbindung steht. Auf
einer weiteren Seite des Tragrahmens 5 sind auf dem dielektri
schen Isolationsfilm 9 neben dem Heizanschluß 10 Ansteuer
anschlüsse 36 ausgebildet, die über weitere Verbindungs
leitungen 34 mit der auf der Trägerplatte 1 ausgebildeten inte
grierten Schaltung 35 in Verbindung stehen. Weiterhin ist auf
dem auf der Trägerseite 2 der Trägerplatte 1 aufgebrachten
Isolationsfilm 3 eine in einer Aufnahmeschicht 37 eingebettete
Heizwiderstandsleitung 4 aufgebracht, mit der bei Beauf
schlagung mit elektrischer Energie die integrierte Schaltung 35
unter Erwärmung der Trägerplatte 1 heizbar ist. Mit den inte
grierten Schaltungen 33, 35 ist in an sich bekannter Weise auf
der Grundlage der von der Zusammensetzung des Umgebungs
gases abhängigen Widerstandsänderung von halbleitenden
Oxiden die Zusammensetzung eines sich im Bereich des Frei
raums 32 befindlichen Gases bestimmbar.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch den Brückenkörper 27 des
zweiten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3 entlang der Linie IV-
IV. Aus Fig. 4 sind deutlich der umlaufende Tragrahmenab
schnitt 28, die umlaufende Isolierausnehmung 29 sowie der
umlaufende, den Freiraum 32 umschließende Trägerplatten
abschnitt 30 erkennbar. Dabei ist der im Bereich der mono
lithisch integrierten Schaltungen 33 auf dem Tragrahmen 5
aufliegende Teil des Tragrahmenabschnitts 28 breiter als der
gegenüberliegende, im Bereich des Heizanschluß 10 und der
Steueranschlüsse 36 angeordnete Teil ausgebildet.
Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 und Fig. 4
zeichnet sich aufgrund des umlaufenden Tragrahmenabschnitts
28 sowie des umlaufenden Trägerplattenabschnitts 30 durch
eine besonders hohe mechanische Stabilität bei geringem
Wärmefluß aus.
Fig. 5 zeigt in einer geschnittenen Seitenansicht ein drittes
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wobei sich bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen sowie
dem dritten Ausführungsbeispiel entsprechende Elemente mit
gleichen Bezugszeichen versehen und im weiteren nicht näher
erläutert sind. Weiterhin sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
in der Darstellung gemäß Fig. 5 Einzelheiten des Aufbaus einer
zu heizenden Mikrostruktur auf der Trägerplatte 1, elektrische
Leitungen sowie Schaltungen an dem Tragrahmen 5 zur An
steuerung der Mikrostruktur nicht dargestellt. Das dritte Aus
führungsbeispiel gemäß Fig. 5 verfügt über einen einzigen
Brückenkörper 37 mit Dimensionen entsprechend der Brücken
körper 13, 14, 27 der vorgenannten Ausführungsbeispiele, der
mit Endbereichen von außenseitig angeordneten, im wesent
lichen parallel zueinander ausgerichteten Tragrahmenab
schnitten 38, 39 auf der Befestigungsseite 8 an dem Trag
rahmen 5 angebracht ist.
Zwischen den Tragrahmenabschnitten 38, 39 weist der Brücken
körper 37 zwei ebenfalls im wesentlichen parallel zueinander
und parallel zu den Tragrahmenabschnitten 38, 39 verlaufende
Trägerplattenabschnitte 40, 41 auf, die mit ihren jeweiligen freien
Endbereichen mit der Trägerplatte 1 und mit den gegenüber
liegenden Endbereichen über außenseitige Verbindungsab
schnitte 41, 42 mit jeweils einem Tragrahmenabschnitt 38, 39
sowie über einen mittigen Verbindungsabschnitte 43 unterein
ander verbunden sind. Zwischen jeweils einander gegenüber
liegenden Tragrahmenabschnitten 38, 39 und Trägerplatten
abschnitten 40, 41 sind im wesentlichen parallel zu den Trag
rahmenabschnitten 38, 39 beziehungsweise den Trägerplatten
abschnitten 40, 41 verlaufende Isolierausnehmungen 45, 46
ausgebildet, während zwischen den in einem Abstand vonein
ander angeordneten Trägerplattenabschnitten 40, 41 ein sich
ebenfalls im wesentlichen parallel zwischen den Trägerplatten
abschnitten 40, 41 erstreckender Zwischenraum 47 ausgebildet
ist.
Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch den Brückenkörper 43 des
dritten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5 entlang der Linie VI-
VI. Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß neben den im wesentlichen
parallel zu den mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebil
deten Tragrahmenabschnitten 38, 39 beziehungsweise den
ebenfalls mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildeten
Trägerplattenabschnitten 40, 41 verlaufenden Isolieraus
nehmungen 45, 46 zwei weitere, im wesentlichen rechtwinklig zu
den Isolierausnehmungen 45, 46 ausgerichtete Isolieraus
nehmungen 48, 49 vorgesehen sind. Die Isolierausnehmungen
48, 49 sind dabei so in den Brückenkörper 37 eingebracht, daß
die im Mittenbereich angeordneten Trägerplattenabschnitte 40,
41 mit ihren freien Endbereichen im wesentlichen vollständig auf
der Trägerplatte 1 aufliegen.
Das dritte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 und Fig. 6 zeichnet
sich bei einer weiterhin verhältnismäßig hohen mechanischen
Stabilität durch einen verhältnismäßig geringen Wärmefluß aus.
Fig. 7 zeigt in einer geschnittenen Seitenansicht ein viertes
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wobei sich bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen und
dem vierten Ausführungsbeispiel entsprechende Elemente mit
gleichen Bezugszeichen versehen und im weiteren nicht näher
erläutert sind. Weiterhin sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
in der Darstellung gemäß Fig. 7 Einzelheiten des Aufbaus einer
zu heizenden Mikrostruktur auf der Trägerplatte 1, elektrische
Leitungen sowie Schaltungen an dem Tragrahmen 5 zur An
steuerung der Mikrostruktur nicht dargestellt. Das vierte Aus
führungsbeispiel gemäß Fig. 7 verfügt über einen einzigen
Brückenkörper 50 mit Dimensionen entsprechend der Brücken
körper 13, 14, 27, 37 der vorgenannten Ausführungsbeispiele,
der mit Tragrahmenabschnitten 51, 52 an der Befestigungsseite
8 des Tragrahmens 5 angebracht ist. Weiterhin weist der
Brückenkörper 50 einen einzigen Trägerplattenabschnitt 53 auf,
der in etwa mittig zwischen den Tragrahmenabschnitten 51, 52
angeordnete und mit diesen über Verbindungsabschnitte 54, 55
unter Ausbildung einer brückenartigen Struktur mit Isolieraus
nehmungen 56, 57 zwischen dem Trägerplattenabschnitt 53 und
den Tragrahmenabschnitten 51, 52 verbunden ist.
Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch den Brückenkörper 50 des
vierten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 7 entlang der Linie
VIII-VIII. Aus Fig. 8 ist ersichtlich, daß neben den im wesent
lichen parallel zu den mit einem rechteckigen Querschnitt aus
gebildeten Tragrahmenabschnitten 51, 52 beziehungsweise
dem ebenfalls mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebil
deten Trägerplattenabschnitt 53 verlaufenden Isolierausneh
mungen 56, 57 zwei weitere, im wesentlichen rechtwinklig zu
den Isolierausnehmungen 56, 57 ausgerichtete Isolierausneh
mungen 58, 59 ausgebildet sind. Die Isolierausnehmungen 58,
59 sind dabei so in den Brückenkörper 50 eingebracht, daß der
im Mittenbereich angeordnete Trägerplattenabschnitt 53 mit
seinen freien Endbereichen im wesentlichen vollständig auf der
Trägerplatte 1 aufliegt und die innenliegenden Abschnitte der
Isolierausnehmungen 56, 57, 58, 59 die Trägerplatte 1 um
randen.
Das vierte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 und Fig. 8
zeichnet sich bei einer weiterhin ausreichend hohen mecha
nischen Stabilität durch einen besonders geringen Wärmefluß
aus.
Fig. 9 zeigt in einer Draufsicht einen zur Ätzung vorbereiteten
Substratwafer 60 vorzugsweise aus Silizium als Substratplatte
zur Herstellung von Trägerplatten 1 und Tragrahmen 5 für
erfindungsgemäße Vorrichtungen. Auf dem Substratwafer 60
sind Strukturen 61 vorbereitet, die zur Prozessierung des Sub
stratwafers 60 mit an sich bekannten Verfahren aus der Mikro
elektronik und der Dünnfilmtechnologie dienen. Dabei werden
insbesondere isolierende Dielektrika als dielektrische Schichten
sowie Metallschichten abgeschieden und strukturiert. Auf der
Befestigungsseite 8 der auszubildenden Tragrahmen 5 werden
in Auflagebereichen von Tragrahmenabschnitten 15 bis 18, 28,
38, 39, 51, 52 alle Schichten entfernt und das Substratmaterial
freigelegt. Entsprechend werden auf der Trägerseite 2 der
auszubildenden Trägerplatten 1 in Auflagebereichen von Träger
plattenabschnitten 19, 20, 30, 40, 41, 53 zur Freilegung des
Substratmaterials alle Schichten entfernt. Auf der Rückseite des
Substratwafer 60 sind in einer dielektrischen Schicht Aus
nehmungen für einen späteren naßchemischen Ätzschritt aus
gebildet.
Fig. 10 zeigt in einer Draufsicht einen volumenstrukturierten
Deckwafer 62 aus vorzugsweise Glas als Deckplatte zur Her
stellung von Brückenkörper 13, 14, 27, 37, 50 für erfindungs
gemäße Vorrichtungen. In den Deckwafer 62 sind beispiels
weise mechanisch durch Sägen zur Ausbildung der säulenartig
vorstehenden Tragrahmenabschnitte 15 bis 18, 28, 38, 39, 51,
52, der säulenartig vorstehenden Trägerplattenabschnitte 19,
20, 30, 40, 41, 53 sowie der Isolierausnehmungen 23 bis 26, 29,
45, 46, 48, 49, 56 bis 59 ein Gitter von rechtwinklig zueinander
ausgerichteten Gräben 63 eingebracht, so daß der Deckwafer
62 volumenstrukturiert ist.
Fig. 11 zeigt in einer geschnittenen Teilansicht einen mit einem
Substratwafer 60 gemäß Fig. 9 verbundenen Deckwafer 62
gemäß Fig. 10 vor einer vollständigen Ausbildung der Träger
platten 1 und Tragrahmen 5. Die Verbindung zwischen dem
Substratwafer 60 und dem Deckwafer 62 erfolgt bevorzugt durch
anodisches Bonden unter Anlegung einer elektrischen
Spannung zwischen dem Substratwafer 60 und dem Deckwafer
62, wobei die Endbereiche der bei späteren Verfahrensschritten
auszubildenden Tragrahmenabschnitte 15 bis 18, 28,38, 39, 51,
52 und der bei späteren Verfahrensschritten auszubildenden
Trägerplattenabschnitte 19, 20, 30, 40, 41, 53 auf freigelegten
Flächen des Substratwafers 60 aufliegen. Zweckmäßigerweise
erfolgt die hierzu erforderliche genaue relative Ausrichtung des
Substratwafers 60 und des Deckwafers 62 unter Verwendung
von nicht dargestellten Justiermarken.
Fig. 12 zeigt in einer geschnittenen Teilansicht einen mit einem
Substratwafer 60 gemäß Fig. 9 verbundenen Deckwafer 62
gemäß Fig. 10 nach teilweiser Ausbildung von Trägerplatten 1
und Tragrahmen 5 beispielsweise entsprechend dem vierten
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 und Fig. 8 mit einer Volumen
strukturierung des Substratwafers 60. Die Volumenstruktu
rierung des Substratwafers 60 erfolgt mittels aus der Mikro
mechanik an sich bekannter Ätzverfahren, bei denen beispiels
weise durch Ätzen in KOH oder TMAH unter Verwendung von
an sich bekannten Ätzstopptechniken wie beispielsweise Ätz
stopp an hoch bordotiertem Silizium oder elektrochemischem
Ätzstopp Trägerplatten 1 ausgebildet werden.
Bei einer alternativen Vorgehensweise ist der Substratwafer 60
bereits vor der Verbindung mit dem Deckwafer 62 volumen
strukturiert.
Schließlich werden sogenannte Metallpads durch mechanisches
Sägen des mit dem Substratwafer 60 verbundenen Deckwafers
62 freigelegt, der Verbund von Substratwafer 60 und Deckwafer
62 in einzelne Einheiten mit einer Trägerplatte 1 und einem
Tragrahmen 5 getrennt, die anschließend gekapselt und elek
trisch kontaktiert werden.
Claims (15)
1. Vorrichtung zur Halterung einer zu heizenden Mikro
struktur mit einer Trägerplatte (1), auf der die Mikrostruktur
aufgebracht ist, mit einem die Trägerplatte (1) in einem
Abstand umgebenden Tragrahmen (5) und mit Ver
bindungsmitteln, die die Trägerplatte (1) mit dem Trag
rahmen (5) mechanisch verbinden, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Verbindungsmittel wenigstens einen
Brückenkörper (13, 14, 27, 37, 50) mit jeweils wenigstens
einem mit dem Tragrahmen (5) verbundenen Trag
rahmenabschnitt (15 bis 18, 28, 38, 39, 51, 52), mit wenig
stens einem mit der Trägerplatte (1) verbundenen Träger
plattenabschnitt (19, 20, 30, 40, 41, 53) und mit wenig
stens einem sich zwischen einem zugeordneten Trag
rahmenabschnitt (15 bis 18, 28, 38, 39, 51, 52) und einem
zugeordneten Trägerplattenabschnitt (19, 20, 30, 40, 41,
53) erstreckenden, gegenüber der Trägerplatte (1) und
dem Tragrahmen (5) unter Ausbildung wenigstens einer
Isolierausnehmung (23 bis 26, 29, 45, 46, 48, 49, 56 bis
59) versetzten Verbindungsabschnitt (21, 22, 31, 42 bis
44, 45, 55) aufweisen, wobei das Material jedes Brücken
körpers (13, 14, 27, 37, 50) eine gegenüber dem Material
der Trägerplatte (1) und dem Material des Tragrahmens
(5) geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Tragrahmen (5) und die Trägerplatte (1) aus
Silizium sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der oder jeder Brückenkörper (13,
14, 27, 37, 50) aus Glas ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Brückenkörper (27) vorgesehen
ist, der einen umlaufenden Trägerplattenabschnitt (30)
aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß wenigstens ein Brückenkörper (13,
14, 37, 50) vorgesehen ist, der wenigstens einen Träger
plattenabschnitt (19, 20, 30, 40, 41, 53) mit einem recht
eckigen Querschnitt aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Brückenkörper (27) vorgesehen
ist, der einen umlaufenden Tragrahmenabschnitt (30)
aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß wenigstens ein Brückenkörper (37,
50) mit wenigstens einem randseitig angeordneten Trag
rahmenabschnitt (38, 39, 51, 52) mit einem rechteckigen
Querschnitt vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Brückenkörper (13, 14) vorgesehen sind, die
einander gegenüberliegend angeordnet und mit jeweils
einem Trägerplattenabschnitt (19, 20) an der Trägerplatte
(1) angebracht sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß jeder Tragrahmenabschnitt (15 bis
18, 28, 38, 39, 51, 52) und jeder Trägerplattenabschnitt
(19, 20, 30, 40, 41, 53) rechtwinklig zu der Trägerplatte (1)
und dem Tragrahmen (5) ausgerichtet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Verbindungsabschnitt (21, 22, 31, 42 bis 44, 45,
55) rechtwinklig zu einem Tragrahmenabschnitt (15 bis
18, 28, 38, 39, 51, 52) sowie zu einem Trägerplatten
abschnitt (19, 20, 30, 40, 41, 53) ausgerichtet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß jeder Tragrahmenabschnitt (15 bis
18, 28, 38, 39, 51, 52) und jeder einem Tragrahmenab
schnitt (15 bis 18, 28, 38, 39, 51, 52) gegenüberliegende
Trägerplattenabschnitt (19, 20, 30, 40, 41, 53) einen Ab
stand aufweisen, der wenigstens dem Abstand zwischen
der Trägerplatte (1) und dem Tragrahmen (5) entspricht.
12. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß einem
der Ansprüche 1 bis 11, bei dem eine Trägerplatte (1) mit
einer zu heizenden Mikrostruktur mit einem Tragrahmen
(5) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Substratplatte (60) mit dielektrischen Schichten, Metall
schichten sowie mit beschichtungsfreien Auflageberei
chen bereitgestellt wird, daß eine Deckplatte (62) mit
säulenartig vorstehenden Tragrahmenabschnitten (15 bis
18, 28, 38, 39, 51, 52) und Trägerplattenabschnitten (19,
20, 30, 40, 41, 53) bereitgestellt wird, daß die Substrat
platte (60) und die Deckplatte (62) so aneinandergefügt
werden, daß die freien Enden der Tragrahmenabschnitte
(15 bis 18, 28, 38, 39, 51, 52) und der Trägerplattenab
schnitte (19, 20, 30, 40, 41, 53) in den Auflagebereichen
aufliegen, daß die Substratplatte (60) und die Deckplatte
(62) in den Auflagebereichen miteinander verbunden
werden und daß aus dem Verbund aus Substratplatte (60)
und Deckplatte (62) Einheiten mit einer über wenigstens
einen Brückenkörper (13, 14, 27, 37, 50) mit einem zu
gehörigen Tragrahmen (5) verbundenen Trägerplatte (1)
abgetrennt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Substratplatte (60) und die Deckplatte (62) durch
anodisches Bonden miteinander verbunden werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Substratplatte (60) vor Ver
bindung mit der Deckplatte (62) volumenstrukturiert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Substratplatte (60) in dem Ver
bund mit der Deckplatte (62) volumenstrukturiert wird.
Priority Applications (1)
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DE1999144410 DE19944410C2 (de) | 1999-09-16 | 1999-09-16 | Vorrichtung zur Halterung einer zu heizenden Mikrostruktur und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung |
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DE1999144410 DE19944410C2 (de) | 1999-09-16 | 1999-09-16 | Vorrichtung zur Halterung einer zu heizenden Mikrostruktur und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung |
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1999
- 1999-09-16 DE DE1999144410 patent/DE19944410C2/de not_active Expired - Fee Related
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