WO2006081888A2 - Mikromechanisches sensorelement zur messung einer beschleunigung und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Mikromechanisches sensorelement zur messung einer beschleunigung und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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WO2006081888A2
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sensor element
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sensor
seismic mass
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Frank Schaefer
Gerhard Lammel
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Robert Bosch Gmbh
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    • B81B2203/03—Static structures
    • B81B2203/0315—Cavities

Definitions

  • Micromechanical sensor element for measuring an acceleration and method for its production
  • the invention relates to a micromechanical sensor element for measuring an acceleration and a method for producing such a sensor element.
  • the sensor element according to the invention can be used in particular as an acceleration sensor in vehicle tires.
  • Micromechanical semiconductor devices are generally fabricated in surface or surface micromachining (OMM).
  • OMM surface or surface micromachining
  • the production in surface micromechanics is generally less expensive than the production in bulk micromechanics.
  • Surface micromechanical acceleration sensors conventionally have a silicon seismic mass which is read capacitively. The reading is generally carried out via an evaluation device provided on a separate chip.
  • DE 100 32 579 A1 describes a cost-effective production method for pressure sensor elements produced in surface micromechanics with a membrane, below which a cavern is formed. For this purpose, coarse pores are first formed in the substrate, so that a sponge or grid-like structure is formed. Subsequently, a monocrystalline epitaxial layer is formed, which forms the later membrane. In a subsequent annealing step, the core is formed below the membrane as a large-volume cavity. This can be done in an atmosphere of hydrogen, which subsequently diffuses out of the cavern through the membrane and leaves a vacuum in the cavern, so that the membrane is exposed to the absolute pressure of the outside space.
  • the external pressure acting on the membrane causes a Tension and deflection, which is read out via piezoresistors.
  • the sensor chip is subsequently contacted on a mounting substrate, for example a printed circuit board, and arranged for tire pressure measurement generally in the region of the tire valve.
  • the additional measurement of the tire acceleration can firstly take place in order to read the tire pressure sensor only when the vehicle is running, or the measured values of the tire pressure and the tire acceleration can be used as input measured values of a safety system or vehicle dynamics control;
  • two chips are already provided on the substrate in the above-mentioned systems.
  • a further chip is generally required, so that considerable production costs occur.
  • the micromechanical sensor element according to the invention has several advantages. It can be formed according to the pressure sensor element of DE 100 32 579 A1 in surface micromechanics, wherein subsequently applied to the membrane a seismic mass or acceleration mass and the membrane is opened for pressure equalization in at least one opening. According to the invention, the combined formation of a pressure sensor and an acceleration sensor on a common sensor chip is advantageously possible. The acceleration and the pressure sensor can be formed in common process steps, so that a cost-effective production is possible lent.
  • a solder bump can be placed on the diaphragm of the acceleration sensor, which is preferably applied in a common process step together with the further solder bumps for contacting the sensor chip, so that the attachment of the seismic mass does not require any additional process steps.
  • an evaluation circuit can be provided for both sensors on the sensor chip.
  • other materials may in principle also be provided as a seismic mass on, under or in the membrane; In principle, the seismic mass can also be formed by the membrane itself.
  • the at least one opening also achieves a partial separation of the central membrane region with the seismic mass, wherein in particular one or more web regions are formed between the central membrane region and the surrounding material of the sensor element.
  • the one or more land areas allow for greater deflections and can be formed with suitable spring stiffness so that together with the seismic mass they form a spring-mass system with high sensitivity and accuracy of measurement for accelerations in one, two or three dimensions.
  • the membrane itself advantageously one or more thin web portions are formed, so that a spring-mass system with low mass and low spring strength is formed.
  • the sensor element or the sensor chip can in particular subsequently be applied in flip-chip technology, ie in a reverse arrangement with the micromechanical upper side down onto the relevant mounting substrate, preferably a conductor plate.
  • a recess is advantageously formed in the mounting substrate below the seismic mass, which is sealed by the sensor element. Due to the recess in the substrate, no connection between the sensor chip and the printed circuit board is established, so that the solder bump as a seismic mass can deflect the membrane during acceleration in the vertical direction. The deflection is read out via piezoresistors.
  • the acceleration sensor is sealed in the recess with respect to the exterior, so that no particles or moisture can penetrate from the outside through the opening of the membrane into the cavern.
  • the pressure sensor on the other hand, it is exposed to the external space and, for example, provided with its membrane spaced from the printed circuit board.
  • the piezoresistors of the acceleration sensor can preferably be formed by diffusing a doping, which is opposite to the doping of the semiconductor material of the membrane.
  • FIG. 1 shows a cross section through a sensor module which is formed from a printed circuit board with a micromechanical sensor element or sensor chip for acceleration measurement mounted in flip-chip technology
  • FIG. 2 is a plan view of the sensor element of FIG. 1,
  • 3 a, b show alternative embodiments of the connection of the membrane to the bulk material of the sensor element
  • FIG. 4 shows a plan view of a further sensor element for a three-dimensional acceleration measurement
  • FIG. 5 shows a cross section through a sensor module according to another
  • Embodiment with printed circuit board and a sensor element for measuring both acceleration and pressure Embodiment with printed circuit board and a sensor element for measuring both acceleration and pressure.
  • a sensor module 1 has a printed circuit board 2 and a sensor chip 4 attached to the printed circuit board 2 and serving as a sensor element according to the invention with a substrate 5 made of p-doped silicon.
  • a recess 6 is formed, for. For example, milled.
  • the sensor chip 4 is fixed in flip-chip technology, ie in a reverse arrangement with its in OMM machined chip top surface 4a down on the top 2a of the circuit board 2.
  • an n-doped membrane 10 is formed surface micromechanical, below which a cavern 12 is formed.
  • the membrane 10 is formed, for example, according to the method described in DE 100 32 579 A1, in which pores or a spongy or latticed structure are formed in the substrate 5 by etching gas or an etching liquid and then an epitaxial layer corresponding to the later membrane is deposited becomes.
  • the cavern 12 is formed by subsequent annealing of the porous material below the membrane 10 at eg 800 to 1200 C 0 over several hours.
  • z. B. on the substrate 5 an epitaxial layer corresponding to the membrane 10 are deposited, are formed in the subsequent etching openings or fine pores in the area of the subsequent membrane 10, then the etchant, for.
  • a silicon etching gas such as fluorine-hydrogen HF, or a silicon-etching liquid is passed into the underlying Bukmaterial to form the cavern.
  • the etching openings in the membrane 10 can subsequently be closed by applying a covering layer to the membrane.
  • the piezoresistors 14 are advantageously seen in a Wheatstone bridge measured. According to FIG. 2, the elongated piezoresistors 14 contacted at their ends can be arranged in different directions in the plane of the membrane 10.
  • Bump receiving surfaces 16 are formed, for example, galvanized; Accordingly, a bump receiving surface 18 is formed on the membrane 10. The bump receiving surfaces 16, 18 serve for better adhesion for the subsequent galvanizing process for the production of solder bumps 20.
  • solder bumps 20 for later electrical contacting and on the bump receiving surface 18 of the membrane 10 a slightly larger solder bump 22 is applied, which serves as a seismic mass, i. serves as inertia for measuring the accelerations.
  • the supply to the piezoresistors 14 advantageously takes place not via metal conductors, but via p-doped lead regions, which have a stronger p-type doping than the piezoresistors 14 and thus show high conductivity with a low piezoelectric effect.
  • These leads are routed directly to the solder bumps 20 or connected outside the membrane 10 to corresponding metal traces or tracks of polycrystalline silicon connected to the solder bumps 20.
  • the membrane 10 is opened at one or more points.
  • the opening of the membrane 10 takes place on the one hand to effect a pressure equalization between the outer space and the cavern 12, so that subsequently not a pressure acting on the membrane 10 pressure, but only dynamic accelerations are measured.
  • the spring hardness of the membrane 10 can be significantly reduced by the openings, so that the sensitivity and thus also measurement accuracy of the acceleration measurements can be increased.
  • the opening of the membrane 10 can take place, for example, by laser beam machining or by reactive ion etching in a plasma gas. In the case of reactive ion etching, a mask, for example of SiO.sub.2, for this purpose is previously applied to the regions of the membrane 10 which are not to be etched and the chip top 4a applied.
  • a three-sided extending slot opening 25 is formed, which is thus substantially U-shaped or semi-open and the membrane 10 in a central membrane portion 10a with the Lötbump 22 and between the slot opening 25th and the edge of the membrane 10 remaining outer membrane portion 10b divided.
  • the membrane regions 10a, 10b are connected to one another in a narrow web region 10c acting as a joint, in which the piezoelectric elements 14 are arranged, since high mechanical stresses occur here.
  • the outer membrane region 10b can in principle be kept very small or - with accurate guidance of the slot opening 25 along the outer edge of the membrane 10 - also omitted.
  • the membrane 10, cavity 12, slot opening 25 and solder bump 22 form an acceleration sensor 27 on the sensor chip 4.
  • the recess 6 is closed in the circuit board 2 by the glued-sensor chip 4, whereby contamination by entering the slot opening 25 particles and moisture is effectively prevented.
  • an underfiller 30 can be introduced between the sensor chip 4 and the mounting substrate 2, which forms a hermetic seal of the recess 6 of the mounting substrate 2 together with the solder bumps 20 formed solder contacts.
  • FIG. 3a, b show further embodiments of diaphragms 110, 210 without the solder bumps 22.
  • the slit opening 125 in the embodiment of FIG. 3a two web portions 110c are formed with a low overall spring strength.
  • the slot opening 125 again extends to three sides of the central membrane region 110a and furthermore over a part of the fourth side, wherein a slot opening region 126 is additionally formed between the web regions 110c.
  • the slot opening 225 again extends over three sides and a part of the fourth side of the central diaphragm region 210a, which is rounded here.
  • the web region 210c is formed in one piece and according to the desired spring strength correspondingly narrow, wherein the piezoresistors 214 are arranged side by side.
  • Fig. 4 shows a further embodiment which allows a three-dimensional acceleration measurement.
  • the sensor chip 304 On the sensor chip 304, four respective angular, rectangular slot openings 325 are formed in the membrane 310, between which a narrow, elongated web region 310c is formed on each side, in which the piezoresistors 314 are formed by appropriate doping.
  • the solder bump 22 protrudes out of the plane of the membrane 310, so that at a lateral, i.
  • the piezoresistors 314 may basically be formed in each longitudinal portion of the land portions 310c. In principle, it is also possible to arrange an entire Wheatstone bridge on the land regions 310c.
  • the various embodiments may be combined to form one or more such acceleration sensors 27 with membranes 10, 110, 210, 310.
  • a pressure sensor 527 is additionally provided on the substrate 505 of the sensor chip 504 in addition to the acceleration sensor 27. det.
  • the pressure sensor 527 has a membrane 510 and a cavern 512 formed below the membrane 510, in which no slot openings are formed.
  • the cavern 512 may be filled with hydrogen in the production process, which subsequently diffuses out under the formation of a vacuum, so that the absolute pressure acting on the membrane 510 can be determined via piezoresistors 514 formed in the membrane 510.
  • the underfiller 30 can be introduced, for example, between the pressure sensor 507 and the acceleration sensor 27 and thereby separate them.
  • the membranes 10, 510 are formed in equal process steps, i. According to the method described above, porous regions are first formed on the substrate of the sensor chip 504, on which the epitaxial layer for the membranes 10, 510 is subsequently formed, then the caverns 12, 512 are heated in the porous one upon annealing the sensor chip 504 Material formed. Subsequently, the Lötbumps 22, 20 are placed and the slot opening 25 - or 125, 225, 325 - formed in the membrane 10. The additional expense for the formation of the additional membrane 510 compared to the embodiment of FIG. 1 is thus low, no further process step is required.
  • an evaluation circuit 600 can already be formed on the sensor chip 4-correspondingly also in the other embodiments-as indicated in FIG. 1 accordingly.
  • the evaluation circuit 600 may also be formed on a further chip which is fastened on the printed circuit board 2.
  • an antenna may be formed on a further chip, the contacting taking place via the printed circuit board 2.
  • the sensor chip 4, 304, 504 in Flip-chip technology, but in non-reverse position on the circuit board 2 to fix.
  • the attachment can be done for example via a sensor chip 4, 304, 504 receiving chip housing with connection pins on the circuit board 2, or in chip-on-board technology directly on the circuit board 2.
  • the formation of the sensor element at the wafer level i.
  • a plurality of membranes 10, 110, 210, 310, 510 with caverns 12, 512, piezoresistors 14, 114, 214, 314, 514, slot openings 25, 125, 225, 325, 525 and solder bumps 20, 22 are laterally spaced on a wafer formed so that the finished sawing individual chips are separated directly in the subsequent sawing of the wafer.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Sensorelement (4) zur Messung einer Beschleunigung und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sensorelementes, wobei das Sensorelement (4) mindestens aufweist: ein Substrat (5), eine auf dem Substrat(5) ausgebildete Membran (10), unterhalb der eine Kaverne (12) ausgebildet ist, eine in der Membran (10) ausgebildete Öffnung (25), die sich bis zu der Kaverne (12) erstreckt, eine auf oder in der Membran (10) ausgebildete Beschleunigungsmasse, vorzugsweise ein Lötbump (22), und einen in der Membran (10) ausgebildeten Piezowiderstand (14) zur Messung mindestens einer Auslenkung der Membran (10). Auf dem Substrat kann weiterhin ein Drucksensor mit entsprechender Membran, Kaverne und Piezowiderstand ausgebildet werden, so dass ein kombinierter Beschleunigungs- und Drucksensor, vorzugsweise auch eine Auswerteschaltung, kostengünstig auf einem Chip ausgebildet werden kann, der nachfolgend in Flip-Chip-Technik auf einem Montagesubstrat befestigt werden kann.

Description

Mikromechanisches Sensorelement zur Messung einer Beschleunigung und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Sensorelement zur Mes- sung einer Beschleunigung und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sensorelementes. Das erfindungsgemäße Sensorelement ist insbesondere als Beschleunigungssensor in Fahrzeugreifen einsetzbar.
Mikromechanische Halbleiterbauelemente werden im Allgemeinen in BuIk- oder Oberflächenmikromechanik (OMM) hergestellt. Die Herstellung in Oberflächenmikromechanik ist im Allgemeinen kostengünstiger als die Herstellung in Bulk-Mikromechanik. Oberflächenmikromechanische Beschleunigungssensoren weisen herkömmlicherweise eine seismische Masse aus Silizium auf, die kapazitiv ausgelesen wird. Die Auslesung erfolgt im Allgemei- nen über eine auf einem separaten Chip vorgesehene Auswerteeinrichtung.
Weiterhin ist der Einsatz von mikromechanisch hergestellten Reifendrucksensoren bekannt. Die DE 100 32 579 A1 beschreibt ein kostengünstiges Herstellungsverfahren für in Oberfächenmikromechanik hergestellte Drucksensorelemente mit einer Membran, unterhalb derer eine Kaverne ausgebildet ist. Hierzu werden in dem Substrat zunächst grobe Poren ausgebildet, so dass eine schwamm- oder gitterartige Struktur entsteht. Hierauf wird nachfolgend eine monokristalline Epitaxieschicht ausgebildet, die die spätere Membran bildet. In einem nachfolgenden Temperschritt wird die Ka- verne unterhalb der Membran als großvolumiger Hohlraum ausgebildet. Dies kann in einer Atmosphäre aus Wasserstoff erfolgen, der nachfolgend durch die Membran aus der Kaverne hinaus diffundiert und in der Kaverne ein Vakuum hinterlässt, so dass die Membran dem Absolutdruck des Außenraums ausgesetzt ist. Der auf die Membran einwirkende Außendruck bewirkt eine Verspannung und Auslenkung, die über Piezowiderstände ausgelesen wird. Der Sensor-Chip wird nachfolgend auf einem Montagesubstrat, z.B. einer Leiterplatte kontaktiert und zur Reifendruckmessung im allgemeinen im Bereich des Reifenventils angeordnet.
Die zusätzliche Messung der Reifenbeschleunigung kann zum einen erfolgen, um den Reifendrucksensor erst bei fahrendem Fahrzeug auszulesen, oder die Messwerte des Reifendrucks und der Reifenbeschleunigung können als Eingangsmesswerte eines Sicherheitssystems oder einer Fahrdynamik- regelung verwendet werden; hierzu sind bei den oben genannten Systemen somit bereits zwei Chips auf dem Substrat vorzusehen. Für die Auswerteschaltung ist im Allgemeinen ein weiterer Chip erforderlich, so dass erhebliche Herstellungskosten auftreten.
Das erfindungsgemäße mikromechanische Sensorelement weist demgegenüber einige Vorteile auf. Es kann entsprechend dem Drucksensorelement der DE 100 32 579 A1 in Oberflächenmikromechanik ausgebildet werden, wobei nachfolgend auf der Membran eine seismische Masse bzw. Beschleunigungsmasse aufgebracht und die Membran für einen Druckausgleich in mindestens einer Öffnung geöffnet wird. Erfindungsgemäß ist vorteilhafterweise die kombinierte Ausbildung eines Drucksensors und eines Beschleunigungssensors auf einem gemeinsamen Sensor-Chip möglich. Der Beschleunigungs- und der Drucksensor können in gemeinsamen Prozessschritten ausgebildet werden, so dass eine kostengünstige Herstellung mög- lieh ist. Als seismische Masse kann auf die Membran des Beschleunigungssensors ein Lötbump gesetzt werden, der vorzugsweise im einem gemeinsamen Prozessschritt zusammen mit den weiteren Lötbumps zur Kontaktie- rung des Sensor-Chips aufgebracht wird, so dass auch die Anbringung der seismischen Masse keine zusätzlichen Prozessschritte erfordert. Ergänzend kann eine Auswerteschaltung für beide Sensoren auf dem Sensor-Chip vorgesehen sein. Alternativ zu dem Lötbump können grundsätzlich auch andere Materia- len als seismische Masse auf, unter oder in der Membran vorgesehen sein; grundsätzlich kann die seismische Masse hierbei auch durch die Membran selbst ausgebildet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird durch die mindestens eine Öffnung auch eine teilweise Abtrennung des mittleren Membranbereichs mit der seismischen Masse erreicht, wobei insbesondere ein oder mehrere Stegbereiche zwischen dem mittleren Membranbereich und dem umgeben- den Material des Sensorelementes ausgebildet werden. Die ein oder mehreren Stegbereiche ermöglichen größere Auslenkungen und können mit einer geeigneten Federsteifigkeit ausgebildet werden, so dass sie zusammen mit der seismischen Masse ein Feder-Masse-System mit hoher Empfindlichkeit und Messgenauigkeit für Beschleunigungen in einer, zwei oder drei Dimensi- onen ausbilden. Bei Verwendung der Membran selbst als seismischer Masse werden vorteilhafterweise ein oder mehrere dünne Stegbereiche ausgebildet, so dass ein Feder-Masse-System mit geringer Masse und geringer Federstärke entsteht.
Das Sensorelement bzw. der Sensor-Chip kann insbesondere nachfolgend in Flip-Chip-Technik, d.h. in reverser Anordnung mit der mikromechanischen Oberseite nach unten auf das betreffende Montagesubstrat, vorzugsweise eine Leiterpatte, aufgesetzt werden. Hierbei ist in dem Montagesubstrat unterhalb der seismischen Masse vorteilhafterweise eine Ausnehmung ausgebildet, die durch das Sensorelement dicht verschlossen wird. Durch die Ausnehmung in dem Substrat kommt keine Verbindung zwischen dem Sensor-Chip und der Leiterplatte zustande, so dass der Lötbump als seismische Masse die Membran bei Beschleunigung in vertikaler Richtung auslenken kann. Die Auslenkung wird über Piezowiderstände ausgelesen. Der Be- schleunigungssensor ist in der Ausnehmung gegenüber dem Außenraum abgedichtet, so dass keine Partikel oder Feuchtigkeit von außen durch die Öffnung der Membran in die Kaverne eindringen können. Der Drucksensor ist hingegen dem Außenraum ausgesetzt und hierzu z.B. mit seiner Membran gegenüber der Leiterplatte beabstandet vorgesehen.
Die Piezowiderstände des Beschleunigungssensors, vorteilhafterweise auch des Drucksensors, können vorzugsweise durch Eindiffundieren einer Dotierung, die der Dotierung des Halbleitermaterials der Membran entgegengesetzt ist, ausgebildet werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Sensormodul, das aus einer Leiterplatte mit in Flip-Chip-Technik montiertem, mikromechanischem Sensorelement bzw. Sensor-Chip zur Beschleunigungsmessung gebildet ist,
Fig. 2 eine Draufsicht auf das Sensorelement aus Fig. 1 ,
Fig. 3 a, b alternative Ausbildungen der Anbindung der Membran am BuIk- material des Sensorelementes,
Fig. 4 eine Draufsicht auf ein weiteres Sensorelement für eine dreidimensionale Beschleunigungsmessung;
Fig. 5 einen Querschnitt durch ein Sensormodul gemäß einer weiteren
Ausführungsform mit Leiterplatte und einem Sensorelement zur Messung von sowohl Beschleunigung als auch Druck.
Ein Sensormodul 1 weist eine Leiterplatte 2 und einen auf der Leiter- platte 2 befestigten, als erfindungsgemäßes Sensorelement dienenden Sensor-Chip 4 mit einem Substrat 5 aus p-dotiertem Silizium auf. Auf der Oberseite 2a der Leiterplatte 2 ist eine Ausnehmung 6 ausgebildet, z. B. ausge- fräst. Der Sensor-Chip 4 ist in Flip-Chip-Technik, d.h. in reverser Anordnung mit seiner in OMM bearbeiteten Chip-Oberseite 4a nach unten auf der Oberseite 2a der Leiterplatte 2 befestigt.
Auf dem Substrat 5 des Sensor-Chips 4 ist oberflächenmikromecha- nisch eine n-dotierte Membran 10 ausgebildet, unterhalb von der eine Kaverne 12 ausgebildet ist.
Die Ausbildung der Membran 10 erfolgt z.B. gemäß dem in der DE 100 32 579 A1 beschriebenen Verfahren, bei dem in dem Substrat 5 durch Ätzgas bzw. eine Ätzflüssigkeit Poren bzw. eine schwamm- oder gitterartige Struktur ausgebildet und hierauf eine der späteren Membran entsprechende Epitaxieschicht abgeschieden wird. Die Kaverne 12 wird durch nachfolgendes Tempern des porösen Materials unterhalb der Membran 10 bei z.B. 800 bis 1200 C0 über mehrere Stunden ausgebildet. Alternativ hierzu kann z. B. auch auf dem Substrat 5 zunächst eine Epitaxieschicht entsprechend der Membran 10 abgeschieden werden, in der nachfolgend Ätzöffnungen bzw. feine Poren im Bereich der späteren Membran 10 ausgebildet werden, durch die anschließend das Ätzmittel, z. B. ein Silizium ätzendes Gas, z.B. Fluor- Wasserstoff HF, oder eine siliziumätzende Flüssigkeit, in das darunter liegende Bukmaterial zur Ausbildung der Kaverne geleitet wird. Die Ätzöffnungen in der Membran 10 können nachfolgend durch Auftragen einer Abdeckschicht auf die Membran geschlossen werden.
Auf der Membran 10 sind mehrere, z. B. vier Piezowiderstände 14 als p-
Dotierung in der n-dotierten Membran 10 ausgebildet. Die Auslenkung der Membran 10 wird somit durch die Piezowiderstände 14 ausgelesen. Die Piezowiderstände 14 werden vorteilhafterweise in einer Wheatstone 'sehen Brücke gemessen. Gemäß Fig. 2 können die länglichen, an ihren Enden kontak- tierten Piezowiderstände 14 in der Ebene der Membran 10 in unterschiedlicher Richtungen angeordnet sein. Neben der Membran 10 sind Bump-Aufnahmeflächen 16 ausgebildet, z.B. galvanisiert; entsprechend ist auf der Membran 10 eine Bump-Aufnah- mefläche 18 ausgebildet. Die Bump-Aufnahmeflächen 16, 18 dienen der besseren Haftung für den nachfolgenden Galvanisierungsvorgang zur Er- zeugung von Lötbumps 20.
Anschließend werden auf den Bump-Aufnahmeflächen 16 die Lötbumps 20 für eine spätere elektrische Kontaktierung und auf der Bump-Aufnahme- fläche 18 der Membran 10 ein etwas größerer Lötbump 22 aufgebracht, der als seismische Masse, d.h. als Trägheit zur Messung der Beschleunigungen dient.
Die Zuleitung zu den Piezowiderständen 14 erfolgt vorteilhafterweise nicht über Metallleiterbahnen, sondern über p-dotierte Zuleitungsbereiche, die eine stärkere p-Dotierung als die Piezowiderstände 14 aufweisen und somit bei geringem Piezo-Effekt eine hohe Leitfähigkeit zeigen. Diese Zuleitungen sind direkt zu den Lötbumps 20 geführt oder außerhalb der Membran 10 an entsprechende Metallleiterbahnen oder Leiterbahnen aus polykristallinem Silizium angeschlossen, die an die Lötbumps 20 angeschlossen sind.
Nach Aufbringen der Lötbumps 20, 22 - oder grundsätzlich auch vorher - wird die Membran 10 an einer oder mehreren Stellen geöffnet. Das Öffnen der Membran 10 erfolgt zum einen, um einen Druckausgleich zwischen dem Außenraum und der Kaverne 12 zu bewirken, so dass nachfolgend nicht ein auf den Membran 10 einwirkender Druck, sondern lediglich dynamische Beschleunigungen gemessen werden. Zum anderen kann durch die Öffnungen die Federhärte der Membran 10 deutlich verringert werden, so dass die Empfindlichkeit und somit auch Messgenauigkeit der Beschleunigungsmessungen erhöht werden kann. Die Öffnung der Membran 10 kann z.B. durch La- serstrahlbearbeitung oder durch Reaktives-Ionen-Ätzen in einem Plasmagas erfolgen. Beim Reaktiven-Ionen-Ätzen wird hierzu zuvor eine Maske, beispielsweise aus SiO2, auf die nicht zu ätzenden Bereiche der Membran 10 sowie der Chipoberseite 4a aufgebracht.
Bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 wird eine sich über drei Seiten erstreckende Schlitzöffnung 25 ausgebildet, die somit im Wesentlichen U-förmig bzw. halboffen ist und die Membran 10 in einen mittleren Membranbereich 10a mit dem Lötbump 22 und einen zwischen der Schlitzöffnung 25 und dem Rand der Membran 10 verbleibenden äußeren Membranbereich 10b unterteilt. Die Membranbereiche 10a, 10b sind in einem als Gelenk wirkenden, schmalen Stegbereich 10c miteinander verbunden, in dem die Pie- zoelemente 14 angeordnet sind, da hier hohe mechanische Spannungen auftreten. Der äußere Membranbereich 10b kann hierbei grundsätzlich sehr klein gehalten werden oder - bei genauer Führung der Schlitzöffnung 25 entlang des Außenrandes der Membran 10 - auch entfallen. Die Membran 10, Kaverne 12, Schlitzöffnung 25 und Lötbump 22 bilden einen Beschleuni- gungssensor 27 auf dem Sensor-Chip 4.
Vorteilhafterweise ist die Ausnehmung 6 in der Leiterplatte 2 durch den aufgeklebten Sensor-Chip 4 verschlossen, wodurch eine Verschmutzung durch in die Schlitzöffnung 25 eintretende Partikel und Feuchtigkeit wirksam verhindert wird. Zur Verbesserung der Dichtwirkung kann zwischen dem Sensor-Chip 4 und dem Montagesubstrat 2 ein Underfiller 30 eingebracht werden, der zusammen mit den Lötbumps 20 gebildeten Lötkontakten eine hermetische Abdichtung der Ausnehmung 6 des Montagesubstrates 2 bildet.
Fig. 3a, b zeigen weitere Ausführungsformen von Membranen 110, 210 ohne die Lötbumps 22. Durch geeignete Ausbildungen der Schlitzöffnung 125 werden bei der Ausführungsform der Fig. 3a zwei Stegbereiche 110c mit geringer Gesamtfederstärke ausgebildet. Die Schlitzöffnung 125 erstreckt sich hierbei wiederum zu drei Seiten des mittleren Membranbereichs 110a und weiterhin über einen Teil der vierten Seite, wobei ergänzend zwischen den Stegbereichen 110c ein Schlitzöffnungsbereich 126 ausgebildet ist. Hierbei sind mindestens zwei Piezowiderstände 114 in den Stegbereichen 110c angeordnet. Bei der Ausführungsform der Fig. 3b erstreckt sich die Schlitzöffnung 225 wiederum über drei Seiten und einen Teil der vierten Seite des mittleren Membranbereichs 210a, die hier abgerundet ist. Der Stegbereich 210c ist einteilig ausgebildet und gemäß der gewünschten Federstärke entsprechend schmal, wobei die Piezowiderstände 214 nebeneinander angeordnet sind.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, die eine dreidimensionale Beschleunigungsmessung ermöglicht. Auf dem Sensor-Chip 304 sind in der Membran 310 vier jeweils winkelförmige, rechtwinklige Schlitzöffnungen 325 ausgebildet, zwischen denen an jeder Seite ein schmaler, länglicher Stegbereich 310c ausgebildet ist, in dem die Piezowiderstände 314 durch entsprechende Dotierung ausgebildet sind. Somit ergibt sich eine um den Lötbump 22 in vierzähliger Symmetrie ausgebildete Anordnung, die einer spiralartigen Aufhängung des mittleren Membranbereichs 310a entspricht. Der Lötbump 22 ragt hierbei aus der Ebene der Membran 310 heraus, so dass bei einer lateralen, d.h. in der Ebene der Membran 310 wirkenden Beschleunigung ein Kippmoment entsteht, das durch Differenzbetrachtung der Messsignale gegenüberliegender Piezowiderstände 314 bestimmt werden kann. Die Verti- kalbeschleunigung als Beschleunigung in Z-Richtung kann aus dem Summensignal der Piezowiderstände 314 ermittelt werden. Die Piezowiderstände 314 können grundsätzlich in jedem Längenabschnitt der Stegbereiche 310c ausgebildet werden. Grundsätzlich ist auch die Anordnung einer gesamten Wheatstone-Brücke auf den Stegbereichen 310c möglich.
Die verschiedenen Ausführungsformen können dahingehend kombiniert werden, dass ein oder mehrere derartiger Beschleunigungssensoren 27 mit Membranen 10, 110, 210, 310 ausgebildet werden.
Bei der Ausführungsform der Fig. 5 ist gegenüber der Ausführungsform der Fig. 1 auf dem Substrat 505 des Sensor-Chips 504 zusätzlich zu dem Beschleunigungssensor 27 ergänzend auch ein Drucksensor 527 ausgebil- det. Der Drucksensor 527 weist eine Membran 510 und eine unter der Membran 510 ausgebildete Kaverne 512 auf, in der keine Schlitzöffnungen ausgebildet sind. Die Kaverne 512 kann beim Herstellungsprozess mit Wasserstoff gefüllt sein, das nachfolgend unter Ausbildung eines Vakuums her- aus diffundiert, so dass der auf die Membran 510 einwirkende Absolutdruck über in der Membran 510 ausgebildete Piezowiderstände 514 ermittelt werden kann. Zwischen der Membran 510 und der Leiterplatte 2 verbleibt entsprechend ein Freiraum ohne Underfiller 30, damit der Außendruck auf die Membran 510 einwirken kann. Erfindungsgemäß kann der Underfiller 30 z.B. zwischen dem Drucksensor 507 und dem Beschleunigungssensor 27 eingebracht werden und diese hierdurch trennen.
Die Membranen 10, 510 werden in gleichen Prozessschritten ausgebildet, d.h. gemäß dem oben beschriebenen Verfahren werden auf dem Sub- strat des Sensor-Chips 504 zunächst poröse Bereiche ausgebildet, auf die nachfolgend die Epitaxieschicht für die Membranen 10, 510 ausgebildet wird, anschließend werden die Kavernen 12, 512 beim Tempern des Sensorchips 504 in dem porösen Material ausgebildet. Nachfolgend werden die Lötbumps 22, 20 aufgesetzt und die Schlitzöffnung 25 - oder auch 125, 225, 325 - in der Membran 10 ausgebildet. Der Mehraufwand zur Ausbildung der zusätzlichen Membran 510 gegenüber der Ausführungsform der Fig. 1 ist somit gering, es ist kein weiterer Prozessschritt erforderlich.
Weiterhin kann auf dem Sensor-Chip 4 - entsprechend auch bei den anderen Ausführungsformen - bereits eine Auswerteschaltung 600 ausgebildet sein, wie in Fig. 1 entsprechend angedeutet. Alternativ hierzu kann die Auswerteschaltung 600 auch auf einem weiteren Chip ausgebildet sein, der auf der Leiterplatte 2 befestigt ist. Weiterhin kann z.B. eine Antenne auf einem weiteren Chip ausgebildet sein, wobei die Kontaktierung über die Lei- terplatte 2 erfolgt.
Grundsätzlich ist es auch möglich, den Sensor-Chip 4, 304, 504 nicht in Flip-Chip-Technik, sondern in nicht reverser Stellung auf der Leiterplatte 2 zu befestigen. Die Befestigung kann z.B. über ein den Sensor-Chip 4, 304, 504 aufnehmendes Chipgehäuse mit Anschlusspins auf der Leiterplatte 2, oder in Chip-on-Board-Technik direkt auf der Leiterplatte 2 erfolgen.
Bei allen Ausführungsformen erfolgt vorteilhafterweise die Ausbildung des Sensorelementes auf Waferebene, d.h. es werden auf einem Wafer lateral beabstandet mehrere Membranen 10, 110, 210, 310, 510 mit Kavernen 12, 512 , Piezowiderständen 14, 114, 214, 314, 514, Schlitzöffnungen 25, 125, 225, 325, 525 und Lötbumps 20, 22 ausgebildet, so dass beim nachfolgenden Zersägen des Wafers direkt die fertig gestellten einzelnen Sensor- Chips vereinzelt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Mikromechanisches Sensorelement zur Messung einer Beschleuni- gung, das mindestens aufweist: ein Substrat (5, 505), eine auf dem Substrat (5, 505) ausgebildete Membran (10, 110, 210,
310), unterhalb der eine Kaverne (12) ausgebildet ist, eine in der Membran (10, 110, 210, 310) ausgebildete Öffnung (25, 125, 225, 325), die sich bis zu der Kaverne (12) erstreckt, eine auf, unter oder in der Membran (10, 110, 210, 310) ausgebildete seismische Masse (22), und mindestens einen in der Membran (10, 110, 210, 310) ausgebildeten Piezowiderstand (14, 114, 214, 314) zur Messung mindestens einer Auslenkung der Membran (10, 110, 210, 310).
2. Sensorelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse (22) ein auf die Membran (10, 110, 210, 310) gesetzter Lötbump (22) ist.
3. Sensorelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse (22) durch die Membran gebildet ist.
4. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass auf seiner Oberseite (4a) lateral beabstandet zu der Membran (10, 110, 210, 310) Lötbumps (20) zur Kontaktierung aufgebracht sind.
5. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass durch die mindestens eine Öffnung (25, 125, 225,
325) in der Membran (10, 110, 210, 310) ein die seismische Masse (22) aufnehmender mittlerer Membranbereich (10a, 110a, 210a, 310a) und mindestens ein nachgiebiger, den mittleren Membranbereich (10a, 11Oa, 210a, 310a) mit einem weiteren Membranbereich (10b, 110b, 210b, 310b) oder dem Substrat (5, 505) verbindender Stegbereich (10c, 110c, 210c, 310c) ausgebildet sind
6. Sensorelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Piezowiderstand (14, 114, 214, 314) in dem mindestens einen Stegbereich (10c, 110c, 210c, 310c) ausgebildet ist.
7. Sensorelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung eine Schlitzöffnung (25, 125, 225) ist, die sich über mindestens drei Seiten des mittleren Membranbereichs (10a, 110a, 210a) erstreckt.
8. Sensorelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Schlitzöffnung (125, 225) sich zusätzlich über einen Teil der vierten Seite des mittleren Membranbereichs (110a, 210a) erstreckt.
9. Sensorelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Membran (310) mindestens vier winkelförmige Schlitzöffnungen (325) ausgebildet sind, zwischen denen vier den mittleren Membranbereich (310a) und einen äußeren Membranbereich (310b) verbindende Stegbereiche (310c) verlaufen.
10. Sensorelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzöffnungen (225) rechtwinklig mit zwei Schenkeln ausgebildet sind, wobei die Schenkel benachbarter Schlitzöffnungen (325) parallel verlaufen und zwischen sich einen der Stegbereiche (310c) ausbilden.
11. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Chipoberseite (4a) weiterhin ein Druck- sensor (527) mit einer Membran (510), einer unterhalb der Membran (510) in dem Substrat (505) ausgebildeten Kaverne (512) und mindestens einem Piezowiderstand (514) ausgebildet ist.
12. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Piezowiderstand (14, 114, 214, 314, 514) durch lokale Dotierung der Membran (10, 110, 210, 310, 510) ausgebildet ist.
13. Sensorelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Piezowiderstand (14, 114, 214, 314) über Halbleiterbereiche gleicher Dotierung und höherer Dotierungskonzentration mit Metallleiterbahnen oder den Lötbumps (20) kontaktiert ist.
14. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vier in einer Wheatstone 'sehen Messbrücke geschaltete Piezowiderstände (14, 114, 214, 314) vorgesehen sind.
15. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass es weiterhin eine Auswerteschaltung (600) zur
Auswertung der Signale des mindestens einen Piezowiderstandes (14, 114, 214, 314, 514) der mindestens einen Membran (10, 110, 210, 310, 510) aufweist.
16. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in Flip-Chip-Technik mit seinen Lötbumps (20) auf einem Montagesubstrat (2) kontaktiert ist, und die seismische Masse (22) oberhalb einer Ausnehmung (6) des Montagesubstrates (2) angeordnet ist, die durch den Sensor-Chip (4) gegenüber dem Au- ßenraum abgedichtet ist.
17. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensorelementes (4, 304, 504), mit mindestens folgenden Schritten:
Ausbilden einer Kaverne (12) in einem Substrat (5) und einer über der Kaverne (12) angeordneten Membran (10, 110, 210, 310), Ausbilden eines Piezowiderstandes (14, 114, 214, 314) in der Membran (10, 110, 210, 310) zur Messung mindestens einer Auslenkung der Membran (10, 110, 210, 310),
Aufbringen einer seismischen Masse (22) auf die Membran (10, 110, 210, 310), und Ausbilden mindestens einer sich bis zu der Kaverne (12) erstreckenden Öffnung (25, 125, 225, 325) in der Membran (10, 110, 210, 310).
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in einem gemeinsamen Prozessschritt ein Lötbump (22) als seismische Masse auf die Membran (10) und weitere Lötbumps (20) zur Kontak- tierung auf die Chipoberseite (4a) lateral beabstandet zu der Membran (10) aufgebracht werden.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Chipoberseite (4a) zusätzlich zu dem aus der Membran
(10, 110, 210, 310), der Kaverne (12), dem Piezowiderstand (14, 114, 214, 314) und der seismischen Masse (22) gebildeten Beschleunigungssensor (27) weiterhin ein Drucksensor (527) ausgebildet wird, wobei die Membran (10, 110, 210, 310) des Beschleunigungssensors (27) und eine Membran (510) des Drucksensors (505) in demselben
Prozessschritt ausgebildet werden, und nachfolgend auf der Membran (10, 110, 210, 310) des Beschleunigungssensor (27) die seismische Masse (22) aufgebracht und in der Membran (10, 110, 210, 310) die mindestens eine Öffnung (25, 125, 225, 325) ausgebildet wird.
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