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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gassensorbauteil.
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Hintergrund
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Tendenziell werden Gassensoren in zunehmender Anzahl in Halbleiterchips integriert. Hinsichtlich der besonderen Eigenschaften dieser Gassensoren insgesamt und deren Betrieb ist es notwendig, dass ein Bauteil für einen Gassensorchip den damit verbundenen Besonderheiten entspricht.
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Darstellung der Erfindung
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Gemäss einer ersten Ausgestaltung der Erfindung enthält ein Gassensorbauteil einen Gassensorchip mit einer sensitiven Schicht, welche auf ein Gas oder auf Bestandteile desselben sensitiv ist, und einen Heizer.
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Der Gassensorchip kann ein Halbleitersubstrat enthalten, zum Beispiel aus Silizium, in welchem Halbleitersubstrat ein Schaltkreis integriert sein kann. Zum Erstellen des Schaltkreises können verschiedene Schichten, zum Beispiel CMOS-Schichten vorgesehen sein.
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Der Gassensorchip hat vorzugsweise eine Vorder- und eine Rückseite, wobei die sensitive Schicht vorzugsweise an der Vorderseite angeordnet ist. Die sensitive Schicht kann auf dem Halbleitersubstrat oder auf einer Schicht, zum Beispiel auf einer der CMOS-Schichten, welche zu dem Halbleitersubstrat gehören, angeordnet sein. Falls im selben Gassensorchip ein Schaltkreis enthalten ist, kann die sensitive Schicht damit verbunden sein, so dass Signale der sensitiven Schicht im Schaltkreis vorverarbeitet werden können. Der integrierte Schaltkreis kann zum Beispiel auch dazu verwendet werden, einen Heizer zu steuern, welcher später eingeführt wird.
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Die sensitive Schicht kann aus einem Material sein, welches auf einen oder auf mehrere Analyten sensitiv ist. Die sensitive Schicht kann mehrere individuelle Schichtenbereiche enthalten, welche zur Bildung einer Sensoranordnung nebeneinander und separiert voneinander angeordnet sind, eine Gruppe von Sensorzellen enthaltend, wobei eine Sensorzelle als Funktionseinheit des Gassensors verstanden wird, welche individuell ausgelesen werden kann. Vorzugsweise, in der Ausführungsform der Sensoranordnung, ist jeder oder wenigstens einige der Schichtenbereiche dafür geeignet, Analyten zu erkennen und insbesondere dafür, verschiedene Analyten zu erkennen. Die Analyten können eines oder mehrere der folgenden umfassen, zum Beispiel CO2, NOX, Ethanol, CO, Ozon, Ammoniak, Formaldehyd, H2O oder Xylen, ohne Beschränkung hierauf.
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Insbesondere kann die sensitive Schicht ein Metall-Oxid-Material enthalten, besonders ein Halbleiter-Metall-Oxid-Material, und im Speziellen Metall-Oxid-Materialen mit einer unterschiedlichen Beschaffenheit je Schichtbereich. Ein Metall-Oxid-Material kann generell eines oder mehrere von Zinnoxid, Zinkoxid, Titanoxid, Wolframoxid, Indiumoxid oder Galliumoxid enthalten. Solche Metall-Oxide können zur Detektion von Analyten benutzt werden, so zum Beispiel von flüchtigen Kohlenwasserstoffen (VOCs), Kohlenmonoxid, Stickstoffdioxid, Methan, Ammoniak, oder Hydrogensulfid. Metall-Oxid-Sensoren basieren auf dem Konzept, dass bei erhöhten Temperaturen der sensitiven Metall-Oxid-Schicht im Bereich von mehr als 100° Celsius, speziell zwischen 250°C und 350°C, gasförmige Analyten mit der Metall-Oxid-Schicht interagieren. Als Resultat dieser katalytischen Reaktion kann sich die Leitfähigkeit der sensitiven Schicht ändern, wobei diese Änderung gemessen werden kann. Folglich werden solche chemischen Sensoren auch als Hochtemperatur-Chemoresistoren bezeichnet, da bei hohen Temperaturen der sensitiven Schicht eine chemische Eigenschaft des Analyten in einen elektrischen Widerstand konvertiert wird. Vorzugsweise kann ein Gas mittels solch einem Gassensor untersucht werden, mindestens darauf ob der Analyt oder die Analyten, auf welche der Sensor sensitiv ist, vorhanden sind oder nicht.
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In einer anderen Ausführungsform kann die sensitive Schicht ein Polymer enthalten, welches in einer Ausführungsform sensitiv auf H2O sein kann, so dass der Sensor ein Feuchtigkeitssensor sein kann. Mit einer Messung einer Kapazität oder eines Widerstands von solch einer Polymerschicht können Informationen über das mit der sensitiven Schicht interagierende Gas gewonnen werden.
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Daher kann das Gas, welches dem Gassensor zugeführt wird, mittels der sensitiven Schicht analysiert werden, um festzustellen, ob und welche der chemischen Substanzen oder Verbindungen, auf welche die sensitive Schicht sensitiv ist, in dem zugeführten Gas vorkommen. Eine Kombination von Analyten, welche im zugeführten Gas detektiert werden, kann einem bestimmten Geruch oder einem bestimmten Gas zugeordnet werden. Es ist immer abhängig vom Design des Gassensors, auf wie viele verschiedene Analyten und/oder auf wie viele verschiedene Eigenschaften eines Analyten der Gassensor sensitiv ist.
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Zur Unterstützung einer Messung der sensitiven Schicht und/oder der Herstellung des Gassensorbauteils ist ein Heizer vorgesehen, zum Beispiel einen Widerstandsheizer. In einer Ausführungsform ist der Heizer zur Heizung der sensitiven Schicht bevor und/oder während einer Gasmessung vorgesehen. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn die sensitive Schicht Metall-Oxid-Material enthält. In einer anderen Ausführungsform kann der Heizer alternativ oder zusätzlich zum Ausheilen oder Aushärten der sensitiven Schicht dienen, wobei dafür zuerst ein sensitives Material auf den Gassensorchip aufgebracht wird um daraus die sensitive Schicht zu bilden.
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Das kann der Fall sein, wenn die sensitive Schicht ein Polymer enthält und/oder wenn die sensitive Schicht aus einem Material hergestellt ist, welches Metall-Oxid enthält.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Gassensorchip zusätzliche Merkmale aufweisen, welche die Funktionalität der sensitiven Schicht unterstützen, z.B. eine zur thermischen Isolierung aufgehängte Membran. In einer solchen Ausführungsform können die sensitive Schicht und der Heizer auf oder in einer solchen Membran angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Membran durch Ätzen, zum Beispiel Trockenätzen oder Nassätzen, hergestellt oder durch das Entfernen von Material, zum Beispiel Substratmaterial, auf der Rückseite des Gassensorchips, wobei eine Vertiefung im Gassensorchip entsteht. Das restliche Material des Gassensorchips über der Vertiefung bildet eine Membran, welche aus CMOS-Schichten und/oder Teilen des Substratmaterials gebildet wird.
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Der Gassensorchip ist auf einem Chipträger angebracht. Der Chipträger kann aus einem elektrisch und thermisch leitfähigen Material hergestellt sein, zum Beispiel aus Metall. Der Gassensorchip kann zum Beispiel so am Chipträger angebracht sein, dass ein Substrat des Gassensorchips durch den Chipträger geerdet wird. Der Chipträger kann eine Grundfläche haben, welche annähernd gleich der Grundfläche des Gassensorchips ist. Nachdem der Gassensorchip auf dem Chipträger angebracht wurde, formen der vertiefte Teilbereich des Gassensorchips und der Chipträger eine Kavität unterhalb der Membran. Wärme, welche durch den Heizer in der Membran während des Betriebs erzeugt wird, kann über das Gas in der Kavität zum Chipträger transferiert werden, welcher als Wärmesenke dient. In einer Ausführungsform ist zur Belüftung der Kavität eine Öffnung oder eine andere Art von Kanal im Chipträger vorgesehen, was dem Druckausgleich und der Entfernung von Feuchtigkeit aus der Kavität dient. Diese Öffnung kann entsprechend dem Material des Chipträgers und/oder generell des Trägers gefertigt werden, z. B. durch Ätzen, Lochen, Laserbohren, mechanisches Bohren, etc.
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In einer anderen Ausführungsform kann ein zusätzlicher Chip, welcher einen integrierten Schaltkreis, z.B. einen ASIC-Schaltkreis, enthält, zusätzlich auf dem gleichen oder auf einem anderen Chipträger desselben Trägers angebracht sein. Eine Verbindung in Form von zum Beispiel Drahtbondverbindungen kann den Gassensorchip elektrisch mit dem zusätzlichen Chip verbinden.
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Zusätzlich zum Chipträger sind Kontaktflächen vorgesehen, welche zum elektrischen Kontaktieren des Gassensorbauteils und im Speziellen des Gassensorchips dienen und vorzugsweise mit elektrischen Verbindungen zwischen dem Gassensorchip und den Kontaktflächen entweder direkt oder über einen zusätzlichen Chip, wie oben beschrieben, verbunden sind.
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Die Kontaktflächen sind vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Chipträger und sind vorzugsweise in der gleichen Ebene angeordnet wie der Chipträger. Die Kontaktflächen sind aus elektrisch leitfähigem Material und sind zur Umgebung freigelegte Anschlüsse zu elektrischen Kontakten.
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In einer Ausführungsform sind die Kontaktflächen und der Chipträger aus einem Leitungsrahmen (auch Leadframe genannt) gefertigt. Die Kontaktflächen können elektrisch leitfähige Plattformen oder elektrisch voneinander isolierte Anschlüsse sein. So ein Leitungsrahmen kann als Träger für den Gassensorchip dienen.
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Auf so einem Träger mit dem darauf angebrachten Gassensorchip kann eine Formmasse aufgebracht werden. Die Formmasse ist vorzugsweise ein Epoxid mit Füllpartikeln, wobei die Füllpartikel z. B. Glass sein können. Die Formmasse umschliesst den Gassensor mindestens teilweise und/oder kapselt den Gassensorchip mindestens teilweise ein. Eine Öffnung in der Formmasse ermöglicht, dass ein Gas, welches gemessen werden soll, Zugang zur sensitiven Schicht des Gassensorchips hat. Die Formmasse kapselt den Gassensorchip ein und bedeckt dadurch den Gassensorchip abgesehen von der sensitiven Schicht, so dass ein Ausgasen des Gassensorchips selbst, von Adhäsiven zwischen dem Gassensorchip und dem Träger, oder vom Träger selbst etc. keinen Einfluss auf die Messung hat, da diese Elemente kein gemeinsames Volumen mit der sensitiven Schicht haben, im Gegensatz zum Beispiel zu einem Kappen-Gehäuse, in welchem der Gassensorchip, die Kappe, der Träger und Adhäsive zwischen diesen Elementen ein gemeinsames Volumen teilen. Solch ein gemeinsames Volumen wird auch als Totvolumen innerhalb eines Bauteils bezeichnet und ein Ausgasen eines dieser Elemente, insbesondere hinsichtlich der Wärme, welche zum Beitreiben der sensitiven Schicht gebraucht wird, kann die Messung temporär oder permanent beeinflussen. Dagegen ist in der vorliegenden Ausführungsform das Totvolumen reduziert und limitiert jegliche Ausgaseffekte der sensitiven Schicht. Daher teilen die sensitive Schicht einerseits und der Träger andererseits, der Gassensorchip und alle Adhäsive dazwischen vorzugsweise kein gemeinsames Volumen.
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Zur Herstellung der Öffnung kann eine Form, welche für den Formgebungsprozess benutzt wird, einen Vorsprung haben. In diesem Fall kann der Gassensorchip vor mechanischen Einflüssen während des Formens geschützt werden und der für die sensitive Schicht bestimmte Bereich kann mit einer vorzugsweise elastischen Schicht abgedichtet werden, welche auf dem Gassensorchip in diesem Bereich und/oder am Vorsprung der Form oder einem Teil davon angeordnet ist. Nach dem Formen kann die Schicht wieder entfernt werden. In einer anderen Ausführungsform kann ein Dichtungsrahmen um den Bereich herum, in welchem die sensitive Schicht erwartet wird, deponiert werden. Der Vorsprung der Form zur Herstellung der Öffnung kann dann während des Formens auf dem Dichtungsrahmen aufliegen. Der Dichtungsrahmen kann aus elastischem Material hergestellt sein. Der Dichtungsrahmen muss nach dem Formen nicht unbedingt entfernt werden. In einer anderen Ausführungsform ist ein Wandelement auf dem Gassensorchip angeordnet, welches den Bereich umschliesst, in welchem die Anordnung der sensitiven Schicht erwartet wird. So ein Wandelement kann beispielsweise entweder mit dem Gassensorchip verbunden sein oder mit photolithographischen Schritten hergestellt werden und kann aus einem anderen Material sein als die Formmasse, wobei es als Barriere dienen kann, damit die Formmasse nicht in den Bereich, welcher für die sensitive Schicht bestimmt ist, eindringt. In dieser Ausführungsform muss die Form nicht unbedingt einen Vorsprung haben, sondern kann flach sein und während dem Formen direkt auf dem Wandelement aufliegen. Das Wandelement muss nach dem Formen nicht unbedingt entfernt werden sondern kann weiterhin die Öffnung in der Formmasse definieren, da die Formmasse an der Wand stoppt. Die Wand ist vorzugsweise aus einem anderen Material als die Formmasse.
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Folglich ist in dieser Ausführungsform der Gassensorchip mit dem Chipträger verbunden und das Bauteil mit der Formmasse geformt, welche nicht nur als teilweise Einkapselung des Gassensorchips dient, sondern auch als mechanische Halterung für die Kontaktflächen und für den Chipträger.
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Bevorzugterweise sind mindestens Teilbereiche der Kontaktflächen von aussen, und speziell von unten, d.h. von einer Rückseite des Gassensorbauteils, zugänglich. Die gleichen Teilbereiche oder andere Teilbereiche der Kontaktflächen können auf Ihrer Oberseite z.B. als Bondflächen dienen, falls die elektrische Verbindung zwischen dem Gassensorchip und den Kontaktflächen Drahtbondverbindungen sind. Bevorzugterweise wird von Bondflächen auf der Vorderseite des Gassensorchips auf diese Teilbereiche der Kontaktflächen gebondet. Falls die Position der Kontaktflächen auf dem Leitungsrahmen und die Position der Teilbereiche, welche nach aussen freigelegt sind, unterschiedlich ist, können die Kontaktflächen, welche aus dem Leitungsrahmen gefertigt sind, auch zur Umverdrahtung dienen.
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In einer anderen Ausführungsform, welche den Leitungsrahmen enthält, kann zur Bildung eines flachen Trägers vor dem Formen der Formmasse eine Vor-Formmasse auf den Leitungsrahmen aufgebracht werden. Vorzugsweise ist so ein Träger vorfabriziert, wofür ein Leitungsrahmen in einer Form platziert wird und diese Form mit einer Vor-Formmasse gefüllt wird. Nachdem der Gassensorchip auf so einem Träger angebracht ist, kann die Formmasse aufgebracht werden, wobei diese dabei mindestens teilweise die Vor-Formmasse bedeckt.
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In einer alternativen Ausführungsform können die Kontaktflächen und der Chipträger Teil einer Leiterplatine sein. Hier kann der Chipträger aus einer Metallisierung auf einer Vorderseite der Leiterplatine geformt werden, während die Kontaktflächen durch Metallisierung auf einer Rückseite der Leiterplatine geformt werden, wobei zum Kontaktieren der Kontaktflächen zusätzlich Durchgangsbohrungen durch die Leiterplatine nötig sind. Anstatt einer Leiterplatine kann auch ein anderer Träger, zum Beispiel ein Keramiksubstrat oder ein Glassubstrat benutzt werden.
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Es ist vorgesehen, dass der Heizer nicht mit Strom über diejenige Kontaktfläche versorgt wird, welche als Stromquelle für den Gassensorchip dient. Stattdessen wird der Heizer über eine eigens zugeordnete Kontaktfläche mit Strom versorgt, welche als Heizer-Anschluss dient. Diese Kontaktfläche kann über die elektrische Verbindung und Metallisierung im Gassensorchip direkt mit dem Heizer verbunden sein. Falls der Heizer Ströme von z.B. mehr als 10 mA und möglicherweise bis hinauf zu 100 mA benötigt, ist es vorteilhaft, dass die Stromquelle für den regulären Betrieb des Gassensorchips, welche mit einem Strom in der Grössenordnung von weinigen mA versorgt wird, zum Beispiel mit 1.8 mA, von der Stromversorgung des Heizers separiert sein kann. Auf diese Weise wird der zuverlässige Betrieb des Gassensorbauteils verbessert. Die zuverlässige Messung von Gas benötigt eine stabile und präzise Energieversorgung für den Gassensorchip und vorzugsweise für seinen Schaltkreis. Würde der Strom für den Heizer im Gassensorchip von der normalen Energieversorgung abgeleitet werden, könnte die normale Energieversorgung unerwünschte Fluktuationen erfahren, welche nicht erwünscht sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind diejenige Kontaktfläche, welche als Anschluss zum Betreiben des Heizer dient, und die andere Kontaktfläche, welche als Versorgungsanschluss zur Stromversorgung und damit zum Betreiben des Gassensorchips, mit Ausnahme des Heizers, dient, räumlich getrennt voneinander angeordnet und sind z.B. an verschiedenen Seiten oder Kanten auf der Rückseite des Gassensorbauteils angeordnet. Auf diese Weise ist die Erwärmung des Gassensorchips und seiner Umgebung von verschiedenen Enden induziert und akkumuliert nicht an einer Stelle (sogenannter Hot-Spot) als wenn die Kontaktflächen nebeneinander angeordnet wären. In einer Ausführungsform kann ein Schaltkreis, welcher in den Gassensorchip integriert ist, oder eine separate ASIC-Schaltung die Erwärmung des Heizers steuern.
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Bevorzugterweise ist die Öffnung in der Formmasse auf der Vorderseite des Gassensorbauteils angeordnet während die Kontaktflächen und der Chipträger auf der Rückseite davon angeordnet sind. Dadurch ergibt sich ein kompaktes, kleines Bauteil, welches dafür geeignet ist, in einem tragbaren elektronischen Gerät, zum Beispiel einem Mobiltelefon, einem Tablet-Computer, etc., angeordnet zu werden. In diesem Zusammenhang kann ein Gassensorbauteil in einer bevorzugten Ausführungsform die Form eines Quaders haben. Die Öffnung in der Formmasse hat vorzugsweise eine kreisförmige Grundfläche und kann in einer Ausführungsform im Zentrum der Vorderseite des Gassensorbauteils angeordnet sein, und kann in einer anderen Ausführungsform ausserhalb des Zentrums der Vorderseite angeordnet sein. Die Geometrie der Zugangsöffnung ist hauptsächlich von der Grösse der Abmessungen der Membran abhängig, auf welcher in einer Ausführungsform die sensitive Schicht angeordnet ist, so dass im Bestreben darum, die gesamte Grösse des Gassensorbauteils zu reduzieren, falls möglich vorzugsweise die Grundfläche der Formmasse ausserhalb der Öffnung reduziert wird. Allerdings ist auch erwünscht, dass die Grundfläche der Zugangsöffnung so klein wie möglich gehalten wird, da das Volumen, welches durch die Öffnung bestimmt wird, für die sensitive Schicht als Totvolumen angenommen werden kann und das Ausgasen der Formmasse, welches die sensitive Schicht beeinflussen kann, reduziert wird, umso kleiner die Formmassen-Oberfläche ist, welche das Totvolumen bestimmt. Generell ist so eine kleine Bauteilgrösse nicht nur hinsichtlich der Anwendung eines solchen Gassensors in tragbaren elektronischen Geräten erwünscht, sondern auch hinsichtlich einer möglichen Herstellung, in welcher die sensitive Schicht durch die Öffnung der schon hergestellten Formmasse auf den Gassensorchip aufgebracht wird. Falls die Gassensorbauteile während dieses Herstellungsschritts immer noch auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind, kann jedes Werkzeug, welches die sensitiven Schichten am Gassensorbauteil anbringt, umso schneller betrieben werden, je kürzer der Fahrweg zwischen den Öffnungen der benachbarten Gassensorbauteile ist. Die Formmasse wiederum dient zur mechanischen Stabilisierung des Gassensorbauteils während des Aufbringens der sensitiven Schicht, z.B. mittels Tintenstrahldruckverfahren, während der Gassensorchip, welcher die Membran enthält, bereits innerhalb der Formmasse fixiert ist. Zusätzlich ist eine kleine Bauteilgrösse vorteilhaft, da das Totvolumen reduziert wird und alle Ausgaseffekte, welche die sensitive Schicht beeinflussen, reduziert sind.
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Daher hat in einer bevorzugten Ausführungsform das quaderförmige Gassensorbauteil eine Grundfläche, welche Länge l mal Breite w in mm2 ist. Insbesondere hat das quaderförmige Gassensorbauteil eine Grundfläche l × w mm2 mit l ∊ [2.3, 2.6] mm, w ∊ [2.3, 2.6] mm. Bevorzugterweise ist der Durchmesser d der Öffnung kleiner als 2 mm und insbesondere ist d ∊ [1.4, 1.6] mm. Falls die Öffnung hinunter zum Gassensorchip im Durchmesser variiert und z.B. enger wird, wird angenommen, dass der Durchmesser d der maximale Durchmesser einer solchen Öffnung ist, was im letzteren Fall der Durchmesser auf der Oberfläche der Formmasse wäre. Alle diese Ausführungsformen streben nach einem kleinen Gassensorbauteil mit gleichzeitig limitiertem Totvolumen, welches relevant für den Einfluss des Ausgasens und für eine genügende thermische Isolierung der sensitiven Schicht ist.
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In einer Ausführungsform hat das Gassensorbauteil sechs Kontaktflächen. Wie oben erwähnt dient eine erste Kontaktfläche als Anschluss zur Stromversorgung des Heizers. Eine andere der Kontaktflächen dient als Versorgungsanschluss zur Stromversorgung zum Betreiben des Gassensorchips, mit Ausnahme des Heizers. Eine dritte der Kontaktflächen dient als Erdung. Eine vierte der Kontaktflächen dient als Datenanschluss zum Empfangen mindestens der Messdaten des Gassensorchips, welche gemäss einem Kommunikationsprotokoll übertragen werden. Eine fünfte der Kontaktflächen dient als Datenanschluss für eine Systemuhr zur Verarbeitung des Konmmunikationsprotokolls, zum Beispiel des I2C-Protokolls. Eine sechste der Kontaktflächen dient als programmierbarer Anschluss zur Programmierung des Gassensorchips.
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Vorzugsweise sind die sechs Kontaktflächen in zwei Reihen zu je drei Stück auf der Rückseite des Gassensorbauteils angeordnet und der Chipträger ist zwischen den zwei Reihen angeordnet. Dadurch wird eine dichte Anordnung erreicht, insbesondere wenn der Chipträger eine rechteckige Form aufweist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Vorderseite des Gassensorbauteils mindestens eine Markierung. Falls die Grundfläche des Gassensorbauteils eine rechteckige Form hat, ist jede Markierung in einer Ecke der Vorderseite angeordnet. Vorzugsweise ist eine einzelne Markierung in einer der Ecken angebracht, welche zur Ausrichtung des Gassensorbauteils dient.
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In einer bevorzugten Ausbildung enthält die Formmasse und die Vor-Formmasse mindestens Plastikmaterial oder Trockenresist, welches in irgendeiner Art geformt wird, zum Beispiel mit Spritzguss, Spritzpressen, oder anderen Verfahren.
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Das vorliegende Gassensorbauteil mit seinen verschiedenen Ausführungsformen ist nicht nur klein in seinen Abmessungen, sondern reduziert gleichzeitig auch das Ausgasen, welches möglicherweise die Messungen beeinflusst, und gewährleistet eine stabile/“saubere“ Energieversorgung VDD während gleichzeitig hohe Ströme zum Heizer geführt werden können, welche nicht mit der Energieversorgung für den Gassensorchip interferieren. Die sensitive Schicht wird nur lokal geheizt, wobei Temperaturen von mehr als 200° Grad Celsius oder deutlich höher erreicht werden können. Im Gegensatz dazu übersteigt die Temperatur ausserhalb der Membran mit dem Heizer und der sensitiven Schicht keine z.B. 85°Grad Celsius, um einen Einfluss auf die Verarbeitung der Sensorsignale zu vermeiden. Ein entsprechender Schaltkreis ist vorzugsweise ausserhalb der Membran angeordnet und liefert vorzugsweise digitale Signale an eine der Kontaktflächen. Das vorliegende Gassensorbauteil ist vorzugsweise ein oberflächenmontiertes Bauelement (SMD), welches auf einer externen Halterung angebracht werden kann.
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Andere vorteilhafte Ausführungsformen des Gassensorbauteils ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ausgestaltungen, Ausführungsformen, Vorteile und Anwendungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Gassensorbauteils entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Aufsicht a) und eine Unteransicht b) des Gassensorbauteils von 1;
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3 eine Aufsicht auf ein Gassensorbauteil in einem Zwischenschritt der Herstellung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Schnittansicht durch ein Gassensorbauteil entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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1 illustriert eine perspektivische Ansicht eines Gassensorbauteils entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Gassensorbauteil hat die Form eines Würfels mit einer Vorderseite FS und einer Rückseite auf der gegenüberliegenden Seite der Vorderseite FS, welche in dieser perspektivischen Ansicht nicht sichtbar ist. Eine Formmasse 1 definiert die Form des Gassensorbauteils. Die Formmasse 1 hat im Zentrum eine Öffnung 11, die als Zugang zu einer sensitiven Schicht eines Gassensorchips dient.
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In einer der Ecken der Formmasse 1 auf der Vorderseite FS ist eine Markierung 6 angebracht, z.B. durch Lasern, Tintenstrahldrucken, etc. Die Markierung 6 kann eine Ausrichtung des Gassensorbauteils, Gerätenummer, Seriennummer, Hersteller, etc., oder eine Kombination hieraus angeben.
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In Seitenwänden SW des Gassensorbauteils, welche auch durch Formgebung hergestellt werden, sind am vorderen Ende Kontaktflächen 22, 23, 24 angebracht, welche ausserhalb der Formmasse 1 liegen, sowie Chipträgerhalterungen 211, deren Funktion später erklärt wird.
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Allerdings sind in einer anderen Ausführungsform eine oder mehrere Kontaktflächen und/oder Chipträgerhalterungen 211 nicht schlüssig mit der Unterkante des Gassensorbauteils angeordnet wie in 1 gezeigt, sondern sind erhöht von so einer Kante angeordnet, wie im Ausschnitt rechts von 1 gezeigt, wo die Chipträgerhalterungen 211 in einer Distanz von z. B. zwischen 100 µm und 200 µm von der Unterkante entfernt angeordnet sind.
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Das vorliegende Gassensorbauteil hat eine Höhe von vorzugsweise zwischen 0.7 und 0.8 mm.
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2 illustriert eine Aufsicht a) und eine Unteransicht b) auf das Gassensorbauteil von 1. Entsprechend der Aufsicht auf der Vorderseite FS in Darstellung 2a), ist die Öffnung 11 durch die Formmasse 1 definiert. Die Öffnung 11 hat eine kreisförmige Form und einen Durchmesser d, welcher vorzugsweise zwischen 1.4 und 1.6 mm ist. Das kubische Gassensorbauteil hat eine Grundfläche l × w, wobei die Länge l und die Breite w vorzugsweise jeweils in der Grössenordnung zwischen 2.3 und 2.7 mm liegt. In der Draufsicht ist die sensitive Schicht 31 sichtbar. Die sensitive Schicht 31 hat vorzugsweise einen Durchmesser, welcher etwas kleiner ist als der Durchmesser d der Öffnung 11, so dass ein kleiner Teilbereich des Gassensorchips 3 ausserhalb der sensitiven Schicht 31 sichtbar ist.
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Die Rückseite BS des Gassensorchips zeigt entsprechend der Darstellung 2b) sechs Kontaktflächen 22–27. Die Kontaktflächen 22–27 sind in zwei Reihen zu jeweils drei Kontaktflächen an zwei gegenüberliegenden Kanten des Gassensorbauteils angeordnet. Vorzugsweise ist jede Kontaktfläche so dimensioniert, dass sie kleiner als 0.5 mm mal 0.5 mm ist, und ein Abstand zwischen den Kontaktflächen einer Reihe ist bevorzugt in der Grössenordnung von 0.8 mm.
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Vorzugsweise dient die Kontaktfläche 26 als Heizungs-Anschluss, zum Betreiben des Heizers. Die Kontaktfläche 24 dient als Versorgungsanschluss zur Energieversorgung und damit zum Betreiben des Gassensorchips, mit Ausnahme des Heizers. Die Kontaktfläche 23 dient als Erdung und ist zur Erdung eines Substrats des Gassensorchips mit einer Kontaktfläche 21 verbunden. Die Kontaktfläche 22 dient als Datenanschluss zum Empfangen mindestens der Messdaten vom Gassensorchip, welche gemäss einem Kommunikationsprotokoll übertragen werden, zum Beispiel einem I2C-Protokoll. Die Kontaktfläche 27 dient als Anschluss für eine Systemuhr zur Verarbeitung des Kommunikationsprotokolls, zum Beispiel des I2C-Protokolls. Die Kontaktfläche 25 dient als programmierbarer Anschluss zur Programmierung des Gassensorchips 3, z. B. mit Kalibrierungsdaten. Die Kontaktflächen 22 bis 27 können in einer anderen Ausführungsform in der gleichen Abfolge aber um den Chipträger 21 herum rotiert angeordnet werden.
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Zwischen den zwei Reihen liegt der Chipträger 21, welcher als Halterung für den Gassensorchip 3 dient, welcher später im Detail erklärt wird. Der Chipträger 21 hat eine rechteckige Form und eine abgeflachte Ecke, welche zur optischen und/oder mechanischen Erkennung der Orientierung des Gassensorbauteils dient. Die Kontaktflächen 22–27 und der Chipträger 21 sind mechanisch über die Formmasse 1 verbunden. 3 illustriert eine Aufsicht auf ein Gassensorbauteil, z.B. das Gassensorbauteil der 1 und 2, in einem Zwischenschritt der Herstellung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier zeigt sich, dass die Kontaktflächen 22–27 und der Chipträger 21 zu einem gemeinsamen Leitungsrahmen 4 gehören, welcher zum Beispiel horizontale Leiterzüge 41 enthält, von welchen die Kontaktflächen 22–27 ausgehen. Dagegen ist der Chipträger 21 mittels Chipträgerhalterungen 211 mit vertikalen Leiterzügen 42 des Leitungsrahmens 4 verbunden. Ein Gassensorchip 3, welcher die sensitive Schicht 31 enthält, ist auf einem Chipträger 21 angeordnet. Das vorliegende Gerät enthält noch keine Formmasse 1. In einer bevorzugten Weiterbildung ist eine Vor-Formmasse 28 auf den Leitungsrahmen aufgebracht, bevor der Gassensorchip 3 auf dem Chipträger 21 angebracht wird. Die Vor-Formmasse 28 ist durch ein gestricheltes Rechteck dargestellt. Hierfür wird eine Vor-Formmasse auf dem Leitungsrahmen 4 aufgebracht, vorzugsweise auf einen grösseren Leitungsrahmen 4, welcher mehrere Leitungsrahmen-Strukturen enthält wie in 3 gezeigt, um schliesslich mehrere Gassensorbauteile zu fertigen. Nachdem das Gassensorbauteil 3 auf dem Leitungsrahmen mit der aufgebrachten Vor-Formmasse platziert wurde, wird die schlussendliche Formmasse auf den Leitungsrahmen 4 aufgebracht, und das resultierende Gassensorbauteil kann entlang der gestrichelten Linie zerteilt werden, wobei das Gassensorbauteil von den Anschlüssen 41 und 42 abgetrennt wird. Hinsichtlich der Vor-Formmasse 28 und der Formmasse 1, welche vorzugsweise aus demselben Material bestehen, ist es legitim in 1 nicht zwischen den Beiden zu unterscheiden. Es muss allerdings keine Vor-Formmasse 28 vorgesehen sein.
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In 3 ist zwischen der Heizer-Kontaktfläche 26 und dem Gassensorchip 3 eine einzelne Drahtbondverbindung 7 schematisch dargestellt. Obwohl die anderen Anschlüsse 22 bis 25 und 27 auch mittels Drahtbondverbindungen elektrisch mit dem Gassensorchip 3 verbunden sind, sind diese hier für eine bessere Illustration nicht gezeigt.
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4 illustriert eine Schnittansicht durch ein Gassensorbauteil entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ausser der Form der Öffnung 11 und einem Belüftungsloch 212, welches im Chipträger 21 enthalten ist, kann das Gassensorbauteil, welches in 4 gezeigt ist, auch dasjenige Gassensorbauteil sein, welches in einer der vorhergehenden 1 bis 3 gezeigt wird. Insbesondere kann das Gassensorbauteil von 4 eine Schnittansicht durch das Gassensorbauteil der 1 entlang der Linie A-A‘ sein.
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In dieser Ansicht sind vom Träger 2 des Gassensorchips 3 nur der Chipträger 21 und Teilbereiche der Vor-Formmasse 28 sichtbar. Ist keine Vor-Formmasse 28 in der Herstellung vorgesehen, so würden die Bereiche durch die eigentliche Formmasse 1 gefüllt sein. Der Gassensorchip 3 ist auf dem Chipträger 21 angeordnet und ist z.B. damit verbunden. Der Gassensorchip 3 hat eine Vorderseite fs und eine Rückseite bs. In einer Ausführungsform kann der Gassensorchip 3 ein Halbleitersubstrat enthalten und eine CMOS-Schicht, welche auf dem Substrat angeordnet ist. Das Substrat kann auf der Rückseite bs geätzt oder auf andere Art und Weise teilweise entfernt werden, so dass sich auf der Rückseite bs des Gassensorchips 3 eine Vertiefung 32 bildet. Dieser Prozessschritt kann vor dem Verbinden des Gassensorchips 3 mit dem Chipträger 21 durchgeführt werden. Als ein Resultat der Herstellung der Vertiefung 32 im Gassensorchip 3 bildet sich eine dünne Struktur im Gassensorchip 3, welche auch als Membran 33 bezeichnet wird. Die sensitive Schicht 31 ist auf oder in der Membran angeordnet.
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In einer speziellen Ausführungsform enthält die sensitive Schicht 31 eine Metall-Oxid-Schicht, welche geheizt wird, um die Messung von chemischen Analyten zu ermöglichen. Zu diesem Zweck ist zum Aufheizen der sensitiven Schicht ein Heizer 34, zum Beispiel ein Widerstandsheizer, in oder unter der Membran 33 angeordnet. Daher sind beide, die gassensitive Schicht 31 und der Heizer 34 auf oder in der Membran über der Vertiefung angeordnet. Diese Anordnung verbessert dank der thermischen Isolierung der Membran 33 die Genauigkeit der Messung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform verbindet ein Loch 212 im Chipträger die Kavität 5 mit der Umgebung. Die Wärme kann über das Gas in die Kavität 5 zum Chipträger, welcher als Wärmesenke dient, transportiert werden oder die Wärme kann vom Gas in der Kavität aufgenommen werden und kann die Kavität 5 über das Belüftungsloch 212 verlassen.
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Die Formmasse 1 kapselt den Gassensorchip 3 teilweise ein, wobei eine Öffnung 11 frei bleibt, welche gegen die gassensitive Schicht 31 des Gassensorchips 3 gerichtet ist. In dieser Ausführungsform hat die Öffnung 11 eine kreisförmige Grundfläche, welche in Richtung der gassensitiven Schicht 31 enger wird.
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Während in der vorliegenden Anmeldung bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind, ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist und auch in anderer Weise innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche ausgeführt werden kann.
