EP1723406A1 - Mikrostrukturierter sensor - Google Patents

Mikrostrukturierter sensor

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Publication number
EP1723406A1
EP1723406A1 EP05700543A EP05700543A EP1723406A1 EP 1723406 A1 EP1723406 A1 EP 1723406A1 EP 05700543 A EP05700543 A EP 05700543A EP 05700543 A EP05700543 A EP 05700543A EP 1723406 A1 EP1723406 A1 EP 1723406A1
Authority
EP
European Patent Office
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measuring
chip
areas
cap
microstructured
Prior art date
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Ceased
Application number
EP05700543A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Reichenbach
Holger Hoefer
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1723406A1 publication Critical patent/EP1723406A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
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    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making

Definitions

  • the invention relates to a microstructured sensor, which can in particular be a gas sensor or acceleration sensor, and a method for its production.
  • some sensors In addition to a measuring channel, some sensors have a reference channel for carrying out two measurements in parallel or under different conditions.
  • gas sensors with a reference channel two separate chips of generally different wafers are mounted in one housing.
  • Such gas sensors generally have a membrane which is undercut with a cavern.
  • the inside pressure of the sensor or the inside pressure of the cavern as well as other parameters such as
  • the doping and cavern depth can differ significantly from one another in the different sensors, so that.
  • Gas sensors have different measuring characteristics and therefore high inaccuracies when comparing the measurements.
  • the production of two sensors and their installation in a housing also result in correspondingly high production costs.
  • acceleration sensors are known in which two measurement structures operated in parallel are formed on a chip. Contact is made using contact pads or external connections on one side of the chip. In the case of more complex connections of the sensor in a housing, the contacting to the lead frame or lead frame of the housing can possibly be complex.
  • the sensor according to the invention and the method according to the invention In contrast, its manufacture has the particular advantage that a high spatial integration of two measurement structures is possible.
  • both measurement structures are formed on a chip and accommodated in a common space under a cap. Due to the close proximity, the same gas content, in particular also the same internal pressure and the direct heat coupling via the cap and substrate of the measuring chip, very good synchronism properties are achieved.
  • a multi-sided arrangement of the contact areas enables better use of the contact pins of the packaging housing.
  • a one-sided design of a larger contact area is also possible, which has to be contacted, for example, on three sides.
  • the sensor according to the invention can in particular be a gas sensor which detects infrared radiation in a measurement wavelength range and a reference wavelength range. The absorption of infrared radiation in certain wavelength ranges enables the concentration of individual gases in a gas mixture, for example CO2 in the ambient air, to be determined.
  • a gas sensor can be used, for example, to determine the air quality in the interior of a car and to detect leaks in an air conditioning system with a CO2 coolant.
  • the sensor according to the invention has at least two measuring areas formed on a chip, which are arranged in a common space under a common cap chip. In principle, more than two measuring ranges can also be provided. The respective measurement conditions are very well matched by the direct heat coupling between the measurement areas via the substrate and the common cap and by the same gas content in the intermediate space.
  • the construction according to the invention with two measuring ranges on one chip and only one cap also offers cost advantages in production compared to the separate production of two sensors. Furthermore, only one chip has to be placed and contacted in a sensor module.
  • both a chip on chip and a flip-chip technology can be used, in which the measuring chip is placed on an evaluation chip.
  • a high degree of space utilization can be ensured here, since the external connections can be distributed evenly and the wiring effort on the evaluation chip is therefore less.
  • a wafer bond support point can be formed in the space between the two measurement areas, so that the gas sensor can be exposed to greater loads.
  • it can also be accommodated in a molded housing, in particular, without being pressed in by the pressures occurring during molding.
  • FIG. 1 shows a plan view of a chip arrangement of a gas sensor according to a first embodiment with measurement areas rotated by 180 ° to one another and contact areas on two sides;
  • FIG. 2 shows a plan view of a gas sensor according to a further embodiment with an additional wafer bond support point in the middle of the chips compared to FIG. 1;
  • 3 shows a plan view of a chip arrangement of a sensor with contact areas on two opposite sides and interrupted central wafer bond support point;
  • FIG. 4a shows a plan view of a chip arrangement of a gas sensor according to a further embodiment with contact areas on two opposite sides and auxiliary structures for the cap processing at the edge of the chip;
  • 4b shows a plan view of a chip arrangement of a gas sensor according to a further embodiment with a large contact area on one side, a wafer bond support point as optical separation and a common cap recess;
  • FIG. 5 shows a plan view of a chip arrangement of a gas sensor according to a further embodiment with opposing measuring areas, contact areas on four sides and auxiliary structures for the cap processing at the edge of the chip;
  • FIG. 7 shows a vertical section through a sensor module according to an embodiment of the invention with a sensor placed on an evaluation chip in a molded housing;
  • FIG. 8 shows a vertical section through a sensor module according to a further embodiment with a gas sensor which is in contact with a lead frame and is molded into a housing.
  • a gas sensor 1 has a measuring chip 2 made of silicon and a cap chip 4 made of silicon fastened on the measuring chip 2 in a connection area 3. Between the cap chip 4 and the measuring chip 2, an intermediate space 5 is formed according to the vertical section in FIG. 6, which is sealed in a vacuum-tight manner from the outside space by the connecting area 3 between the measuring chip 2 and the cap chip 4.
  • the connection area 3 can in particular be formed by a seal glass connection with, for example, a low-melting lead glass.
  • Y is offset from one another in a lateral direction, e.g. directly adjacent, two measuring areas 6, 7 are formed, which in this embodiment are also slightly offset from one another in a longitudinal direction X which is orthogonal to the lateral direction Y.
  • the measuring ranges 6, 7 can in particular be used to measure infrared radiation in different wavelength ranges or to measure accelerations, e.g. also an equal acceleration in a first measurement and a second measurement serving as a reference.
  • each measuring region 6 or 7 is formed by microstructuring the measuring chip 2 and, in a manner known per se according to FIG. 6, has a membrane 10, undercut by a cavern 9, Thermopile structure 12 formed on the membrane 10 from two contacted, for example overlapping conductor tracks made of different conductive materials, e.g. a metal and polysilicon, and an absorber layer 14 applied to the thermopile structure 12.
  • Thermopile structure 12 formed on the membrane 10 from two contacted, for example overlapping conductor tracks made of different conductive materials, e.g. a metal and polysilicon, and an absorber layer 14 applied to the thermopile structure 12.
  • the cap chip 4 has an etched recess 11 on its underside to form the intermediate space 5.
  • radiation filters can be attached to the cap chip 4 by means of adhesive, which only allow infrared radiation S to pass in predetermined wavelength ranges; radiation filters of this type can alternatively also be used on other be provided in the optical beam path.
  • Infrared radiation S to be detected emerges in each of the measuring areas 6, 7 through the cap chip 4 made of silicon transparent to infrared radiation S and the intermediate space 5 onto the absorber layer 14, as a result of which the latter is heated as a function of the radiation intensity.
  • a thermal voltage is generated on the thermopile structure 12, which can be read out electrically.
  • conductor tracks 19 run from the thermopile structure 12 of the measuring areas 6, 7 to contact areas 20, 22 adjoining in the longitudinal direction X with connection pads 21, 23 for contacting the gas sensor 1.
  • the radiation filters provided in the optical beam path let infrared radiation pass through in predetermined different wavelength ranges in order to enable a quantitative measurement of a gas composition.
  • the measurement of the first measurement area 6 can be normalized or corrected by the reference measurement of the second measurement area 7.
  • the contact areas 20, 22 of the measuring chip 2 are not covered by the cap chips 4 and can therefore be contacted with wire bonds.
  • the contact areas 20, 22 are offset from one another in the lateral direction Y and are provided on opposite sides in the longitudinal direction X, ie the measuring areas 6, 7 and the contact areas 20, 22 are around a central point of symmetry P um Twisted 180 ° against each other or arranged symmetrically about it.
  • FIG. 2 differs from that of FIG. 1 in particular in that a wafer bond support point 24 is formed in the center of the measuring chip 2, on which the cap chip 4 is supported on the measuring chip 2.
  • the cap chip 4 can, for example, follow one have a web projecting below, ie in the area of the wafer bond support point 24 no recess 11 is formed in the cap chip 4.
  • the wafer bond support point 24 can be formed, for example, by a seal-glass connection corresponding to that of the connection area 3.
  • the additional wafer bond support point 24 increases the stability of the gas sensor 1 against loads from above.
  • the measuring areas 6, 7 lie next to one another in the lateral direction Y.
  • the contact areas 20, 22 lie on the sides of the measuring chip 2 opposite in the lateral direction and are in turn recessed by the cap chip 4.
  • auxiliary structures 25 for the cap processing are formed as parts of the connection area 3 in this embodiment; correspondingly also in FIGS. 4a and 5.
  • the wafer bond support points 24, 26 of FIGS. 2, 3 do not subdivide the common interspace 5 of the measuring areas 6, 7, so that gas exchange is still possible. 4a, the interrupted wafer bond support point 26 is omitted, but wafer bond support points are also possible here.
  • FIG. 4b shows an embodiment in which the measurement areas 6 and 7 are offset in the lateral direction and a wafer bond support point 24 acts as an optical separation.
  • a contact area 29 is left free by the cap chip 4 on only one side of the measuring chip 2.
  • the contact area 29 can also be divided.
  • An embodiment of the gas sensor 1 is shown in FIG. 5, in which the two outer edged a contact area 30, 31 is provided and is recessed by the cap chip 4.
  • the measuring chip 2 can thus be contacted on all four sides.
  • the auxiliary structures 25 described in FIGS. 3, 4a are designed as parts of the connection area 3 for the cap processing when the individual gas sensors 1 are separated.
  • the measuring ranges 6, 7 of the embodiment of FIGS. 1 to 5 correspond in their structure to the illustration in FIG. 6.
  • the gas sensors 1 of FIGS. 1 to 5 can be produced on the wafer level before the separation and is therefore inexpensive on an industrial scale.
  • the measurement areas 6, 7 are first structured in a manner known per se on a measurement wafer.
  • structuring is carried out on a cap wafer in order to form the later cap chips 4, in which the contact regions 20, 22 are left out by etching and the depressions 11 are formed in the underside for the intermediate spaces 5.
  • the measuring wafer and the cap wafer are then placed on top of one another in a suitable manner and the connection regions 3 and, if appropriate, wafer bond support points 24, 26 are formed by means of seal glass.
  • the gas sensors 1 are produced directly.
  • the gas sensor 1 according to the invention can be accommodated in different packaging. 7, 8, sensor modules 32, 33 with molded housings are shown as a possible embodiment. As an alternative, however, e.g. Premold housing with attached lid or ceramic housing possible. In the sensor module 32 of FIG. 7, the gas sensor 1 is on an A-
  • SIC application specified integrated circuit
  • the connection pads 21 of the gas sensor 1 are in contact with the ASIC 34 via wire bonds 36.
  • the ASIC 34 is in turn placed on a diepad 39.
  • a lead frame 40 with individual contact pins is provided, which is contacted with the ASIC 34 via wire bonds 36.
  • This arrangement is molded or injected into a housing 42 made of plastic or a mold compound.
  • a gas sensor 1 can be placed on an ASIC 34 and contacted via the wire bonds 36.
  • the ASICs 34 are subsequently placed on diepads 39 of a leadframe structure comprising a plurality of connected leadframes 40, then the housings 42 are molded and then the individual sensor modules 32 are separated by cutting through the leasframe structure.
  • the gas sensor 1 is directly on a diepad 39 by means of e.g. attached an adhesive layer 35.
  • the connection pads 21 of the gas sensor 1 are contacted with the leadframe 40 via wire bonds, this arrangement being molded into a housing 42 made of mold compound or plastic.
  • Measurement signals of the gas sensor 1 are made directly in the ASIC 34. In principle, however, it is also possible to form an integrated circuit in the measurement chip 2 for evaluating the measurement signals.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen mikrostrukturierten Sensor, mit mindestens: einem Mess-Chip (2), in dem ein erster Messbereich (6) mit einer ersten Messstruktur und ein zweiter Messbereich (7) mit einer zweiten Messstruktur ausgebildet ist, wobei die Messbereiche (6, 7) in einer lateralen Richtung (Y) zueinander versetzt sind, einem Kappen-Chip (4), der auf dem Mess-Chip (2) in einem Verbindungsbereich vakuumdicht befestigt ist, einem zwischen dem Mess-Chip (2) und dem Kappen-Chip (4) ausgebildeten Zwischenraum, der durch den Verbindungsbereich (3) nach aussen abgedichtet ist und in dem die Messbereiche (6, 7) angeordnet sind, und mindestens einem auf dem Mess-Chip (2) ausgebildeten, von dem Kappen-Chip (4) freigelassenen Kontaktbereich (20, 22) zur Kontaktierung des Mess-Chips (2). Der Sensor kann insbesondere ein Gassensor zum Messen einer Gaskonzentration oder ein Beschleunigungssensor sein.

Description

Mikrostrukturierter Sensor
Die Erfindung betrifft einen mikrostrukturierten Sensor, der insbesondere ein Gassensor oder Beschleunigungssensor sein kann, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Einige Sensoren weisen neben einem Messkanal einen Referenzkanal zur Durchführung zweier paralleler oder unter verschiedenen Bedingungen durchgeführter Messungen auf. Bei Gassensoren mit Referenzkanal werden zwei separate Chips von im Allgemeinen verschiedenen Wafern in einem Ge- häuse montiert. Derartige Gassensoren weisen im Allgemeinen eine mit einer Kaverne unterätzte Membran auf. Der Innendruck des Sensors bzw. der Ka- verneninnendruck sowie weitere Parameter wie z.B. Dotierung und Kavernentiefe können jedoch bei den verschiedenen Sensoren deutlich voneinander abweichen, so dass sich bei .Gassensoren unterschiedliche Messeigenschaf- ten und daher hohe Ungenauigkeiten bei dem Vergleich der Messungen ergeben. Auch treten durch die Herstellung von zwei Sensoren und deren Anbringung in einem Gehäuse entsprechend hohe Herstellungskosten auf.
Weiterhin sind Beschleunigungssensoren bekannte, bei denen auf ei- nem Chip zwei parallel betriebene Messstrukturen ausgebildet sind. Die Kon- taktierung erfolgt durch Kontaktpads bzw. Außenanschlüsse auf einer Chipseite. Bei aufwendigeren Anschlüssen des Sensors in einem Gehäuse kann die Kontaktierung an den Leiterrahmen bzw. Leadframe des Gehäuses gegebenenfalls aufwendig sein.
Der erfindungsgemäße Sensor und das erfindungsgemäße Verfahren zu seiner Herstellung weisen demgegenüber insbesondere den Vorteil auf, dass eine hohe räumliche Integration zweier Messstrukturen möglich ist. Erfindungsgemäß werden beide Messstrukturen auf einem Chip ausgebildet und unter einer Kappe in einem gemeinsamen Zwischenraum aufgenommen. Durch die räumliche Nähe, den gleichen Gasinhalt, insbesondere auch den gleichen Innendruck sowie die direkte Wärmeankopplung über Kappe und Substrat des Messchips werden sehr gute Gleichlaufeigenschaften erreicht.
Hierbei ermöglicht vorteilhafterweise eine mehrseitige Anordnung der Kontaktbereiche eine bessere Ausnutzung der Kontaktpins des Verpackungsgehäuses. Grundsätzlich ist erfindungsgemäß z.B. auch eine einseitige Ausbildung eines größeren Kontaktbereichs möglich, der z.B. zu drei Seiten hin kontaktiert werden muss Der erfindungsgemäße Sensor kann insbesondere ein Gassensor sein, der Infrarot-Strahlung in einem Messwellenlängenbereich und einem Referenzwellenlängenbereich detektiert. Durch die Absorption von Infrarot- Strahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen kann die Konzentration von Einzelgasen in einem Gasgemisch, z.B. von CO2 in der Umgebungsluft, er- mittelt werden. Ein derartiger Gassensor kann z.B. zur Ermittlung der Luftqualität im Innenraum eines Pkw sowie zur Feststellung von Leckagen bei einer Klimaanlage mit CO2-Kühlmittel verwendet werden. Weiterhin sind auch selektive Gasmessungen für andere Gase und Anwendungen möglich. Der erfindungsgemäße Sensor weist mindestens zwei auf einem Chip ausgebildete Messbereiche auf, die in einem gemeinsamen Zwischenraum unter einem gemeinsamen Kappen-Chip angeordnet sind. Grundsätzlich können hierbei auch mehr als zwei Messbereiche vorgesehen sein. Durch die direkte Wärmekopplung zwischen den Messbereichen über das Substrat und die gemeinsame Kappe sowie durch den gleichen Gasinhalt in dem Zwischenraum wer- den die jeweiligen Messbedingungen sehr gut angeglichen. Der erfindungsgemäße Aufbau mit zwei Messbereichen auf einem Chip und lediglich einer Kappe bietet auch Kostenvorteile bei der Herstellung gegenüber der separaten Anfertigung von zwei Sensoren. Weiterhin muss in einem Sensor-Modul lediglich ein Chip aufgesetzt und kontaktiert werden.
Bei der Anbringung in einem Gehäuse kann sowohl eine Chip on Chip als auch eine Flip-Chip-Technik angewandt werden, bei der der Mess-Chip auf einen Auswertechip aufgesetzt wird. Hierbei kann eine hohe Raumausnutzung gewährleistet werden, da die Außenanschlüsse gleichmäßig verteilt werden können und somit der Verdrahtungsaufwand auf dem Auswertechip geringer ist.
Insbesondere bei größeren Sensoren kann in dem Zwischenraum zwischen den beiden Messbereichen eine Waferbondstützstelle ausgebildet sein, so dass der Gassensor größeren Belastungen ausgesetzt werden kann. Somit kann er insbesondere auch nachfolgend in einem gemoldetem Gehäuse untergebracht werden, ohne durch die beim Molden auftretenden Drücke eingedrückt zu werden. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Chipanordnung eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform mit um 180° zu einander gedrehten Messbereichen und Kontaktbereichen auf zwei Seiten;
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Gassensor gemäß einer weiteren Ausführungsform mit gegenüber Fig. 1 einer zusätzlichen Wa- ferbondstützstelle in der Mitte der Chips; Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Chipanordnung eines Sensors mit Kontaktbereichen auf zwei gegenüberliegenden Seiten und unterbrochener mittlerer Waferbondstützstelle;
Fig. 4a eine Draufsicht auf eine Chipanordnung eines Gassensors gemäß einer weiteren Ausführungsform mit Kontaktbereichen auf zwei gegenüberliegenden Seiten und Hilfsstrukturen für die Kappenprozessierung am Rand des Chips;
Fig. 4b eine Draufsicht auf eine Chipanordnung eines Gassensors gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem großen Kontaktbereich auf einer Seite, einer Waferbondstützstelle als optischer Trennung und einer gemeinsamen Kappenvertiefung;
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Chipanordnung eines Gassensors gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einander gegenüberliegenden Messbereichen, Kontaktebereichen auf vier Seiten und Hilfsstrukturen für die Kappenprozessierung am Rand des Chips;
Fig. 6 einen Schnitt durch eine beispielhafte Messstruktur;
Fig. 7 einen Vertikalschnitt durch ein Sensormodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einem auf einen Auswertechip gesetzten Sensor in einem gemoldeten Gehäuse;
Fig. 8 einen Vertikalschnitt durch ein Sensormodul gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem Gassensor, der mit einem Leadframe kontaktiert und in ein Gehäuse eingemoldet ist.
Ein Gassensor 1 weist gemäß Fig. 1 einen Mess-Chip 2 aus Silizium und einen auf dem Messchip 2 in einem Verbindungsbereich 3 befestigten Kappen-Chip 4 aus Silizium auf. Zwischen dem Kappen-Chip 4 und dem Mess-Chip 2 ist gemäß dem Vertikalschnitt der Fig. 6 ein Zwischenraum 5 gebildet, der gegenüber dem Außenraum durch den Verbindungsbereich 3 zwischen dem Mess-Chip 2 und dem Kappen-Chip 4 vakuumdicht abgedichtet ist. Der Verbindungsbereich 3 kann insbesondere durch eine Seal-Glas- Verbindung mit z.B. einem niedrigschmelzenden Bleiglas gebildet sein.
Auf dem Mess-Chip 2 sind in einer lateralen Richtung Y zueinander versetzt, z.B. direkt angrenzend, zwei Messbereiche 6, 7 ausgebildet, die bei dieser Ausführungsform auch in einer zu der lateralen Richtung Y orthogonal verlaufenden Längsrichtung X etwas zueinander versetzt sind. Die Messbereiche 6, 7 können insbesondere zur Messung von Infrarot-Strahlung in verschiedenen Wellenlängenbereichen oder zur Messung von Beschleunigun- gen, z.B. auch einer gleichen Beschleunigung in einer ersten Messung und als Referenz dienenden zweiten Messung, ausgebildet sein.
Gemäß der Ausführungsform als Infrarot-Sensor bzw. Gassensor nach Fig. 6 ist jeder Messbereich 6 bzw. 7 durch Mikrostrukturierung des Mess- Chips 2 ausgebildet und weist in an sich bekannter Weise gemäß Fig. 6 eine durch eine Kaverne 9 unterätzte Membran 10, eine auf der Membran 10 ausgebildete Thermopile-Struktur 12 aus zwei kontaktierten, z.B. sich überlappenden Leiterbahnen aus unterschiedlichen leitfähigen Materialien, z.B. ein Metall und Polysilizium, sowie eine auf der Thermopile-Struktur 12 aufgetra- gene Absorberschicht 14 auf.
Der Kappen-Chip 4 weist an seiner Unterseite eine geätzte Vertiefung 11 auf zur Ausbildung des Zwischenraums 5. Auf dem Kappen-Chip 4 können oberhalb der Messbereiche 6, 7 Strahlungsfilter mittels Klebstoff angebracht, die Infrarot-Strahlung S lediglich in vorgegebenen Wellenlängenbereichen durchlassen; derartige Strahlungsfilter können alternativ hierzu auch an ande- rer Stelle im optischen Strahlengang vorgesehen sein.
Zu detektierende Infrarot-Strahlung S tritt bei jedem der Messbereiche 6, 7 durch den Kappen-Chip 4 aus für Infrarot-Strahlung S transparentem Sili- zium und den Zwischenraum 5 auf die Absorberschicht 14, wodurch diese in Abhängigkeit von der Strahlungsintensität erwärmt wird. Hierdurch wird an der Thermopile-Struktur 12 eine Thermospannung erzeugt, die elektrisch ausgelesen werden kann. Hierzu verlaufen Leiterbahnen 19 von der Thermopile- Struktur 12 der Messbereiche 6, 7 zu in Längsrichtung X anschließenden Kontaktbereichen 20, 22 mit Anschlusspads 21 , 23 zur Kontaktierung des Gassensors 1.
Die im optischen Strahlengang vorgesehenen Strahlungsfilter lassen Infrarot-Strahlung in vorgegebenen unterschiedlichen Wellenlängenbereichen durch, um eine quantitative Messung einer Gaszusammensetzung zu ermöglichen. Durch die Referenzmessung des zweiten Messbereichs 7 kann die Messung des ersten Messbereichs 6 normiert bzw. korrigiert werden.
Die Kontaktbereiche 20, 22 des Mess-Chips 2 sind nicht von den Kap- pen-Chips 4 verdeckt und können somit mit Drahtbonds kontaktiert werden.
Bei der Ausführungsform der Fig. 1 sind die Kontaktbereiche 20, 22 in lateraler Richtung Y zueinander versetzt und an in Längsrichtung X gegenüberliegenden Seiten vorgesehen, d.h., die Messbereiche 6, 7 und die Kon- taktbereiche 20, 22 sind um einen mittleren Symmetriepunkt P um 180° gegeneinander verdreht bzw. punktsymmetrisch hierzu angeordnet.
Die Ausführungsform der Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 1 insbesondere dahingehend, dass in der Mitte des Mess-Chips 2 eine Waferbondsstütztstelle 24 ausgebildet ist, auf der der Kappen-Chip 4 auf dem Mess-Chip 2 abgestützt ist. Hierzu kann der Kappen-Chip 4 z.B. einen nach unten ragenden Steg aufweisen, d.h. im Bereich der Waferbondstützstelle 24 ist keine Vertiefung 11 im Kappen-Chip 4 ausgebildet. Die Waferbondstützstelle 24 kann z.B. durch eine Seal-Glas-Verbindung entsprechend derjenigen des Verbindungsbereiches 3 ausgebildet sein. Durch die zusätzliche Wafer- bondstützstelle 24 wird die Stabilität des Gassensors 1 gegenüber Belastungen von oben vergrößert.
Bei der Ausführungsform der Fig. 3 liegen die Messbereiche 6, 7 in lateraler Richtung Y nebeneinander. Die Kontaktbereiche 20, 22 liegen an in lateraler Richtung gegenüberliegenden Seiten des Mess-Chips 2 und werden wiederum von dem Kappen-Chip 4 ausgespart. In Längsrichtung X vor und hinter den Kontaktbereichen 20, 22 sind bei dieser Ausführungsform Hilfsstrukturen 25 für die Kappenprozessierung als Teile des Verbindungsbereiches 3 ausgebildet; entsprechend auch bei den Fig. 4a und 5. Bei der Ausfüh- rungsform der Fig. 3 ist in der Mitte des Mess-Chips 2 zwischen den Messbereichen 6, 7 eine unterbrochene Waferbondstützstelle 26 zur Erhöhung der. Stabilität des Gassensors 1 ausgebildet. Die Waferbondstützstellen 24, 26 der Fig. 2, 3 unterteilen den gemeinsamen Zwischenraum 5 der Messbereiche 6, 7 jedoch nicht, so dass weiterhin ein Gasaustausch möglich ist. Bei der Aus- führungsform der Fig. 4a ist gegenüber Fig. 3 die unterbrochene Waferbondstützstelle 26 weggelassen, Waferbondstützstellen sind aber auch hier möglich.
Fig. 4b zeigt eine Ausführungsform, bei der die Messbereiche 6 und 7 in lateraler Richtung versetzt sind und eine Waferbondstützstelle 24 als optische Trennung wirkt. Es ist an lediglich einer Seite des Mess-Chips 2 ein Kontaktbereich 29 von dem Kappen-Chip 4 freigelassen. Der Kontaktbereich 29 kann hierbei auch unterteilt sein. In Fig. 5 ist eine Ausführungsform des Gassensors 1 gezeigt, bei der auch an den weiteren in Längsrichtung gegenüber liegenden beiden Außen- kanten jeweils ein Kontaktbereich 30, 31 vorgesehen und von dem Kappen- Chip 4 ausgespart ist. Der Mess-Chip 2 kann somit an sämtlichen vier Seiten kontaktiert werden. Auch bei dieser Ausführungsform sind die bei den Fig. 3, 4a beschriebenen Hilfsstrukturen 25 als Teile des Verbindungsbereiches 3 für die Kappenprozessierung bei der Vereinzelung der einzelnen Gassensoren 1 ausgebildet.
Die Messbereiche 6, 7 der Ausführungsform der Fig. 1 bis 5 entsprechen in ihrem Aufbau der Darstellung der Fig. 6.
Die Herstellung der Gassensoren 1 der Fig. 1 bis 5 kann auf Wafer- ebene vor der Vereinzelung erfolgen und ist somit im grosstechnischen Maßstab kostengünstig. Hierzu werden auf einem Messwafer zunächst jeweils die Messbereiche 6, 7 in an sich bekannter Weise strukturiert. Weiterhin wird auf einem Kappen-Wafer eine Strukturierung zur Ausbildung der späteren Kappen-Chips 4 vorgenommen, bei der die Kontaktbereiche 20, 22 durch Ätzen ausgespart werden und die Vertiefungen 11 in der Unterseite für die Zwischenräume 5 gebildet werden. Nachfolgend werden der Mess-Wafer und der Kappen-Wafer passend aufeinander gesetzt und mittels Seal-Glas die Verbin- dungsbereiche 3 sowie gegebenenfalls Waferbondstützstellen 24, 26 ausgebildet. Anschließend können durch Vereinzeln, d.h. Sägen des gebildeten Waferstapels, direkt die Gassensoren 1 hergestellt werden.
Der erfindungsgemäße Gassensor 1 kann in unterschiedlichen Verpa- ckungen aufgenommen werden. In den Fig. 7, 8 sind Sensormodule 32, 33 mit gemoldeten Gehäusen als mögliche Ausführungsform gezeigt. Alternativ hierzu sind grundsätzlich jedoch auch z.B. Premoldgehäuse mit aufgesetztem Deckel oder keramische Gehäuse möglich. Bei dem Sensormodul 32 der Fig. 7 ist der Gassensor 1 auf einem A-
SIC (application specified integrated circuit) 34 aufgesetzt, z.B. über eine Kle- berschicht 35 geklebt oder gelötet. Die Anschlusspads 21 des Gassensors 1 sind über Drahtbonds 36 mit dem ASIC 34 kontaktiert. Der ASIC 34 ist wiederum auf einen Diepad 39 gesetzt. Weiterhin ist ein Leadframe 40 mit einzelnen Kontaktpins vorgesehen, der über Drahtbonds 36 mit dem ASIC 34 kontaktiert ist. Diese Anordnung ist in ein Gehäuse 42 aus Kunststoff oder einem Mold-Compound eingemoldet bzw. eingespritzt. Zur Herstellung kann z.B. ein Gassensor 1 jeweils auf einen ASIC 34 gesetzt und über die Drahtbonds 36 mit diesem kontaktiert werden. Die ASICs 34 werden nachfolgend auf Diepads 39 einer Leadframestruktur aus mehreren zusammenhängenden Leadframes 40 gesetzt, danach werden die Gehäuse 42 gemoldet und anschließend werden durch Durchtrennen der Leasframestruktur die einzelnen Sensormodule 32 vereinzelt.
Bei der Ausführungsform der Fig. 8 ist der Gassensor 1 direkt auf ei- nem Diepad 39 mittels z.B. einer Kleberschicht 35 befestigt. Die Anschlusspads 21 des Gassensors 1 sind über Drahtbonds mit dem Leadframe 40 kontaktiert, wobei diese Anordnung in ein Gehäuse 42 aus Mold-Compound oder Kunststoff eingemoldet ist. Bei der Ausführungsform der Fig. 7 , 8 kann eine Auswertung der
Messsignale des Gassensors 1 direkt in dem ASIC 34 vorgenommen werden. Grundsätzlich ist jedoch auch die Ausbildung einer integrierten Schaltung in dem Mess-Chip 2 zur Auswertung der Messsignale möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Mikrostrukturierter Sensor, mit mindestens: einem Mess-Chip (2), in dem ein erster Messbereich (6) mit einer ersten Messstruktur (9, 10, 12, 14) und mindestens ein zweiter Messbereich (7) mit einer zweiten Messstruktur (9, 10, 12, 14) ausgebildet ist, wobei die Messbereiche (6, 7) in einer lateralen Richtung (Y) zueinander versetzt sind, einem Kappen-Chip (4), der auf dem Mess-Chip (2) in einem Verbindungsbereich (3) vakuumdicht befestigt ist, einem zwischen dem Mess-Chip (2) und dem Kappen-Chip (4) ausgebildeten Zwischenraum (5), der durch den Verbindungsbereich (3) nach außen abgedichtet ist und in dem die Messbereiche (6, 7) angeordnet sind, und mindestens einem auf dem Mess-Chip (2) ausgebildeten, von dem Kappen-Chip (4) freigelassenen Kontaktbereich (20, 22, 30, 31 ; 29) zur Kontaktierung des Mess-Chips (2).
2. Mikrostrukturierter Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er einen auf dem Mess-Chip (2) ausgebildeten, von dem Kappen-Chip (4) freigelassenen Kontaktbereich (29) zur Kontaktierung des Mess-Chips (2) aufweist.
3. Mikrostrukturierter Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens zwei auf dem Mess-Chip (2) an verschiedenen Seiten des Mess-Chips (2) ausgebildete, von dem Kappen-Chip (4) freigelassene Kontaktbereiche (20, 22, 30, 31 ; 29) zur Kontaktierung des Mess-Chips (2) aufweist.
4. Mikrostrukturierter Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass er ein Gassensor zum Messen einer Gaskonzentration ist, der erste Messbereich (6) zur Detektion einfallender Infrarot-Strahlung (S) in einem ersten Wellenlängenbereich vorgesehen ist, der zweite Messbereich (7) zur Messung von Infrarot-Strahlung (S) in einem zweiten Wellenlängenbereich vorgesehen ist, und der Kappen-Chip (4) für die zu messende Infrarot-Strahlung (S) transparent ist.
5. Mikrostrukturierter Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrukturen (9, 10, 12, 14) jeweils eine mit einer Kaverne (9) unterätzte Membran (10), eine auf der Membran (10) ausgebildete Thermopile-Struktur (12) und eine auf der Thermopile-Struktur (12) aufgetragene Absorberschicht (14) aufweisen.'
6. Mikrostrukturierter Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Beschleunigungssensor (1) ist und die Messbereiche (6, 7) zur Messung einer gleichen Beschleunigung in einer ersten Messung und als Referenz dienenden zweiten Messung ausgebildet sind.
7. Mikrostrukturierter Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messbereiche (6, 7) und die Kontaktbereiche (20, 22) im Wesentlichen um 180° gegenüber einem Symmetrie- punkt (P) des Mess-Chips (2) versetzt angeordnet sind.
8. Mikrostrukturierter Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche (20, 22) an in einer Längsrichtung (X) gegenüberliegenden Seiten ausgebildet und in der latera- len Richtung (Y) zu einander versetzt angeordnet sind.
9. Mikrostrukturierter Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche (20, 22) an den in lateraler Richtung gegenüberliegenden Seiten des Mess-Chips (2) ausgebildet sind.
10. Mikrostrukturierter Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messbereiche (6, 7) in der lateralen Richtung (Y) nebeneinander angeordnet sind und an den vier Seiten des Mess-Chips (2) mindestens jeweils ein Kontaktbereich (20, 22, 30, 32) ausgebildet ist.
11. Mikrostrukturierter Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Messbereichen (6, 7) eine Waferbondstützstelle (24, 26) ausgebildet ist, in der der Kappen-Chip (4) auf dem Mess-Chip (2) befestigt ist.
12. Mikrostrukturierter Sensor nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Waferbondstützstelle (26) unterbrochen ist.
13. Mikrostrukturierter Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kappen-Chip (4) den Mess-Chip (2) im Wesentlichen vollständig bis auf die Kontaktbereiche (20, 22, 30, 32; 29) bedeckt.
14. Mikrostrukturierter Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Eckbereichen des Mess-Chips (2) neben den Kontaktbereichen (20, 22, 30, 32) Hilfsstrukturen (25) in dem Verbindungsbereich (3) ausgebildet sind.
15. Verfahren zum Herstellen eines mikrostrukturierten Sensors, mit mindestens folgenden Schritten: Strukturieren von ersten und zweiten Messbereichen (6, 7) und mindestens einem Kontaktbereich (20, 22, 30, 32; 29) in einem Mess- Wafer, Strukturieren eines Kappen-Wafers durch Ätzen von Vertiefungen (11) an seiner Unterseite und Freiräumen für Kontaktbereiche (20, 22, 30, 32), Anbinden des Kappen-Wafers auf den Mess-Wafer durch ein Wafer- bondverfahren unter Ausbildung von vakuumdichten Verbindungsbereichen (3), die jeweils einen Zwischenraum (5) zwischen einer Vertiefung (11) des Kappen-Wafers mit zwei Messbereichen (6, 7) umgeben, Vereinzeln der mikrostrukturierten Sensoren (1) durch Sägen des Wa- ferstapels aus Mess-Wafer und Kappen-Wafer derartig, dass jeder mikrostrukturierte Sensor (1) mindestens einen von einem Verbindungsbereich (3) umgebenen Zwischenraum (5) mit zwei Messbereichen (6, 7) aufweist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass beim Waferbondverfahren in den Verbindungsbereichen (3) Seal-Glas- Verbindungen ausgebildet werden.
17. Sensormodul, das aufweist einen mikrostrukturierten Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, einen Leiterrahmen (40, 39) und ein Gehäuse (42), das einen Teil des Leiterrahmens (40, 39) und den mikrostrukturierten Sensor (1) umgibt, wobei von dem mindestens einen Kontaktbereich (20, 22, 30, 32; 29) des Mess-Chips (2) des mikrostrukturierten Sensors (1) in verschiedenen Richtungen Drahtbonds (36) zu dem Leiterrahmen (39, 40) ver- laufen.
8. Sensormodul nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der mikrostrukturierte Sensor (1) auf einem Auswertechip (34) befestigt und kontaktiert ist, der mit dem Leiterrahmen (39, 40) kontaktiert ist.
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