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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Aufbau und Konstruktion einer Vorrichtung
zur Aufnahme eines Sensorbausteins, insbesondere eines Beschleunigungsmessers.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Kleine,
hochleistungsfähige
Beschleunigungsmesser sind normalerweise aus Silikon hergestellt.
Wie in 1 und 2 gezeigt, verwenden Beschleunigungsmesser üblicherweise
ein flaches Konstruktionsverfahren. Ein monolithisches Silikonsubstrat
wird so mikromechanisch bearbeitet, dass sich ein Drehzapfenmechanismus
ergibt, und zwar normalerweise eine Prüfmasse, die durch Biegegelenke
an einem stationären
Rahmen aufgehängt
ist. Die Gelenke erlauben eine Rotation der Prüfmasse um die Gelenkachse.
Eine obere und eine untere Abdeckung werden als Dämpfungsflächen und Schock-Auffangsysteme benutzt.
Wie in 2 gezeigt, werden die Abdeckungsplatten dann mit
dem Mechanismus verbunden, der die aufgehängte Probemasse umfasst, um
einen fertig gestellten Scheibenstapel zu bilden. Der Scheibenstapel
wird mit einem Kopfstück
verbunden, an dem eine geeignete Antriebselektronik angeordnet ist,
um so den fertig gestellten Beschleunigungsmesser zu bilden.
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Leider
beeinträchtigen
diese Verbindungsprozesse direkt die Leistung des Beschleunigungsmessers.
Verfügbare
Verbindungsmaterialien wie Epoxid, Glasfritte usw. weisen im Allgemeinen
einen Wärmeexpansionskoeffizienten
auf, der sich von dem von Silikon stark unterscheidet. Da die Verbindungsprozesse
normalerweise bei erhöhten
Temperaturen durchgeführt werden,
existiert zwischen dem Silikon und den Verbindungsnähten ein
dauerhafter Spannungszustand. Der empfindliche Sensormechanismus
wird aufgrund des Verbindungsprozesses oft verformt. Ein Nachlassen
der inneren Spannung im Laufe der Zeit und wechselnde Temperaturen
erzeugen Verschiebung und Hysterese, welche die Leistung des Beschleunigungsmessers
beeinträchtigen.
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Es
wurden Versuche unternommen, den Basismechanismus von der Verbindungsbelastung
zu isolieren. Ein erläuterndes
Schema ist in 3 dargestellt. Bei dieser Anordnung
ist der Beschleunigungsmechanismus an einem Rahmen aufgehängt, wobei
die Abdeckungsverbindungsnähte
an einem äußeren Rand
gebildet sind und der Rahmen mit Hilfe von Aufhängeträgern mit dem äußeren Rand
verbunden ist. Diese und andere dem Stand der Technik entsprechende
Anordnungen haben zwar alle das Problem verringert, haben sich jedoch
nicht der Wurzel des Problems zugewandt. Außerdem verursacht das Isoliermerkmal
im Allgemeinen weitere Kosten aufgrund des zusätzlich benötigten Silikons und der größeren Komplexität des Aufbaus. Ähnliches
gilt für Verbindungen,
die in einem fertig gestellten Beschleunigungsmesser den fertig
gestellten Sensormechanismus am Paketkopfstück anbringen.
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Kurzdarstellung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch
1 bereit. Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Verfahren gemäß Anspruch
2 bereit. Das Verfahren kann Merkmale des abhängigen Anspruches 3 umfassen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine direkte Reduzierung der Antriebsbelastung
bereit. Sie offenbart des Weiteren eine Option zur wesentlichen
Verringerung der Herstellungskosten durch eine Verringerung der
Benutzung teuren Silikons auf ein Mindestmaß. Dieser bedeutende Fortschritt
gegenüber dem
Stand der Technik wird erreicht, indem herkömmliche Abdeckungsplatten durch
Beschleunigungsaufnehmplatten in Muschelform ersetzt werden, so
dass der Sensormechanismus zwischen den Platten aufgenommen wird.
Eine einzige Abdeckungan-Abdeckung-Verbindung an der Mittellinie
der Verbindungsbereiche der Abdeckungsplatten verbindet die Platten
miteinander. In einem Beschleunigungsaufnahmeaufbau sind Sensorverbindungen optional.
Falls Sensorverbindungen gewünscht
werden, werden sie vom Sensormechanismus lokalisiert und isoliert.
Auf diese Weise löst
der Beschleunigungsaufnahmeaufbau das Problem innerer Spannungen
auf effektivere und weniger kostspielige Weise als die dem Stand
der Technik entsprechenden Konstruktionen.
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Kurze Erläuterung
der Zeichnungen
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Die
erwähnten
Aspekte und viele der begleitenden Vorteile der Erfindung sind leichter
nachvollziehbar, indem sie mit Hilfe der folgenden genauen Beschreibung
unter Hinzuziehung der beigefügten Zeichnungen
besser verständlich
gemacht werden, wobei
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1 eine
Querschnittsansicht eines üblichen
Beschleunigungsmesser zeigt und
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2 eine
auseinander gezogene Ansicht des in 1 dargestellten
Beschleunigungsmessers zeigt.
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3 zeigt
einen üblichen
Mechanismus eines Beschleunigungsmessers mit einem Stützrahmen
und einem Isolierrahmen,
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4A zeigt
eine Draufsicht auf die untere Hälfte
eines Beschleunigungsaufnehmers, der gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgebildet ist, und
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4B zeigt
eine Seitenansicht eines Beschleunigungsaufnehmers aus 4A.
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Genaue Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Eine
Aufnehmabdeckung 5 für
einen Beschleunigungsmesser/Sensormechanismus 4, ausgebildet
gemäß der vorliegenden
Erfindung, ist in 4A und 4B dargestellt.
Bei der vorliegenden Erfindung umfassen die Abdeckungsplatten 6 und 7 tiefere
Hohlräume 2 und 3,
so dass nicht nur eine Rücksetzung
für die
Bewegung der Prüfmasse 1 des Beschleunigungsmessers,
sondern auch Raum für den
gesamten Sensormechanismus 4 vorgesehen ist. Der Sensormechanismus 4 ist
so vollständig
von den Abdeckungsplatten 6 und 7 eingekapselt,
wobei die Abdeckungsplatten 6 und 7 über eine
Mittellinienverbindung 9 miteinander verbunden sind. Der
Sensormechanismus 4 ist mit den Verbindungspunkten 8, 10 und 12 verbunden,
die an den Abdeckungsplatten 6 und 7 anbracht
sind. Die Verbindungspunkte 8, 10 und 12 sind
vorzugsweise sehr klein, lokalisiert und optimal für minimale
Sensorbeeinflussung angeordnet.
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Bei
der Konstruktion des eigentlichen Mechanismus ist es wahrscheinlich,
dass das Sensorsilikon an den lokalisierten Kontaktpunkten zu den
Abdeckungsplatten in Richtung der Mittellinie schmaler wird. Dies
ordnet diese lokalen Belastungspunkte bei oder in der Nähe von der
Mittellinie an, um Verformung zu reduzieren und den Sensor auch
von diesem kleinen Fehlertreiber zu isolieren.
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Die
vorliegende Erfindung ersetzt also die zwei dem Stand der Technik
entsprechenden Abdeckungsverbindungsnähte, die auf jeweils gegenüber liegenden
Seiten der Mittelebene der dem Stand der Technik entsprechenden
Vorrichtung angeordnet sind, welche in 1 gezeigt
ist. Im Fall der vorliegenden Erfindung werden diese zwei dem Stand
der Technik entsprechenden Verbindungsnähte durch eine einzige Mittellinienverbindung 9 an
den Abdeckungsplatte 6 und 7 ersetzt. Dies reduziert
die Antriebsbelastung unmittelbar, da nun nur eine einzige Verbindung
und nur halb soviel Verbindungsmaterial vorliegt. Außerdem wird
die Möglichkeit
einer Fehlpassung zwischen der oberen und der unteren Naht beseitigt.
Genauso wichtig ist allerdings die Positionierung der verbleibenden
Naht. Indem die Naht 9 symmetrisch auf der Mittellinie
angeordnet wird, wird jeder Biegemomentarm, durch den die Verbindungsnaht
den Sensormechanismus 4 verbiegen kann, eliminiert. Zuletzt
ist die Mittellinienverbindung 9 inhärent vom Sensormechanismus 4 isoliert,
da sie nur an definierten lokalisierten Punkten mit dem Sensormechanismus 4 in
Kontakt tritt. Auf diese Weise kann bei den meisten oder sogar allen
Anwendungen auf die interne Isolationskonstruktion verzichtet werden.
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Die
vorliegende Erfindung stellt des Weiteren mehrere Kosten reduzierende
Vorteile bereit. Da der Sensormechanismus 4 intern von
den Aufnehmabdeckungen 6 und 7 gehalten wird,
ist die vorliegende Erfindung für
die individuelle Anordnung der Mechanismen in Abdeckungswafern vor
der Verbindung selbstbestückend.
Auf den ersten Blick wirkt dies nicht vorteilhaft, da Gesamtmechanismuswafer
und Abdeckungswafer in einem Arbeitsschritt auf Waferebene verbunden
werden. Die Gesamtwafer-Verbindung bringt es jedoch mit sich, dass
sowohl gute als auch schlechte Mechanismen verbunden werden. Auf
diese Weise werden Sensor-Ertragsverluste durch die anhängenden
Arbeitskosten und verlorene Abdeckungen vervielfältigt. Außerdem verlangt es der Stand
der Technik, dass der Sensorsilikonbereich dem Silikonbereich der
Abdeckungsplatte entspricht. Da die Kosten für das Silikon der Sensoren
bei weitem höher
sind als die für
das Silikon der Abdeckungen, stellt bereits eine geringe Reduzierung
des Sensormaterials eine große
Kostenreduzierung dar. Die vorliegende Erfindung eliminiert den
gegenwärtig
für das
Isolationsmerkmal benötigten
Sensorsilikonbereich. Sie erlaubt es auch, dass der Sensorsilikonbereich
wesentlich kleiner als der Abdeckungsplattenbereich ausfallen kann,
da zur Verbindung in einem einzigen Arbeitsschritt einzelne Mechanismen
leicht in die Nischen in Abdeckungsplatten-Gesamtwafern eingebracht
werden können.
Außerdem
müssen
nur gute Sensormechanismen verbunden werden. All diese Merkmale
sparen teures Sensorsilikon ein.
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Ein
wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der, dass, wie
oben beschrieben, keine jeweils einzelne Anordnung der Sensormechanismen in
den Abdeckungsplatten benötigt
wird. Der Hersteller kann sich für
diese Option und die daraus resultierenden Vorteile entscheiden.
Sollte jedoch die Bearbeitung des ganzen Wafers günstiger
erscheinen, können
die in 4A gezeigten Sensoranbringstreifen 8, 10 und 12 auf
einfache Weise durch die Seiten der Abdeckungsplatte 6 und 7 hindurch
verlängert werden.
Diese Streifen würden
dann beim Würfeln des
verbundenen Aufbaus abgetrennt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt außerdem eine
größere Flexibilität im Aufbau
bereit und ermöglicht
Aufbauoptionen, die sonst nicht möglich wären. Da die selbstbestückenden
Abdeckungsplatten eine leichte Anordnung der einzelnen als gut erkannten Mechanismuswürfel erlauben,
können
Mehrfachaufbauten wesentlich leichter bewerkstelligt werden. Änderungen
im Aufbau und Experimente mit den Arbeitsschritten werden so ökonomisch
sinnvoll und nicht ökonomisch
behindernd. Diese Vorteile gleichen die Kosten der Anordnung einzelner
Würfel
in selbstbestückende
Abdeckungswafer leicht aus, wobei dieser Prozess in der Massenproduktion
automatisiert werden könnte.