WO2006114346A1 - Mikromechanischer druck-/kraftsensor sowie ein entsprechendes herstellungsverfahren - Google Patents

Mikromechanischer druck-/kraftsensor sowie ein entsprechendes herstellungsverfahren Download PDF

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WO2006114346A1
WO2006114346A1 PCT/EP2006/060349 EP2006060349W WO2006114346A1 WO 2006114346 A1 WO2006114346 A1 WO 2006114346A1 EP 2006060349 W EP2006060349 W EP 2006060349W WO 2006114346 A1 WO2006114346 A1 WO 2006114346A1
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WO
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membrane
semiconductor substrate
force transducer
pressure
force
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Application number
PCT/EP2006/060349
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Inventor
Hubert Benzel
Matthias Illing
Simon Armbruster
Gerhard Lammel
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general

Definitions

  • touch-sensitive screens are used in PDAs and
  • Smartphones used, as well as touch-sensitive surfaces as a replacement for the mouse in laptops are used, as well as touch-sensitive surfaces as a replacement for the mouse in laptops.
  • One way to realize such applications is to use wire meshes which are introduced into the surface and which allow the contact of the pen or finger to be read by closing an electrical contact when touched.
  • wire meshes which are introduced into the surface and which allow the contact of the pen or finger to be read by closing an electrical contact when touched.
  • such an arrangement does not allow each spent
  • Pen or fingers are closed.
  • the sum of the forces gives the contact force, which is e.g. can be considered as line width.
  • Such an arrangement can also be used to improve handwriting recognition.
  • Touchpads or other control elements are subject to forces of up to approx. 5 N, which must be determined with approx. 1% accuracy, but the sensor must be overload-proof against breakage up to approx.
  • One way of transmitting power from the touchpad or directly to the finger-operated control on the membrane of a pressure or force sensor is that a small steel ball is used, which is loosely held by a suitable construction technique in the middle of the membrane. The disadvantage of such a structure, however, the relatively inaccurate centering of the loose ball affects the accuracy of measurement.
  • the present pressure / force transducer or its production method is based on a pressure sensor produced by means of conventional surface micromechanical methods and comprises a membrane over a (vacuum) cavity, for example with a height of a few micrometers. Since the cavern is closed and is not open to the membrane facing away from the cavity as in the conventional KOH etching pressure sensors, there is a mechanical stop on the substrate for the membrane.
  • the design of the cavern allows to limit the deflection to a few micrometers, so that even in case of overload, the tightness of the cavern is not affected, since with a correspondingly shaped membrane stiffness no gap can occur in the membrane.
  • Known pressure sensors in surface micromechanics operate by means of a capacitive measuring principle and require an evaluation circuit in the immediate vicinity of the measuring capacity. This means a larger chip area for each of the pressure sensors which can be used as force sensors, as a rule 4, at least 3 pieces for use as a touchpad. in the
  • the present invention operates on the piezoresitive principle by means of at least one piezoresistor, which is applied in or on the membrane.
  • the detected raw measurement signals over several centimeters long lines can be easily transferred and processed by a single, separate from the micromechanical pressure / force transducer evaluation.
  • the signals of a plurality of pressure / force transducers can be processed jointly by a single evaluation circuit or an evaluation unit. This also simplifies the adjustment, which then has to be performed only once at the module level.
  • the essence of the invention lies in the fact that the pressure or the force is not passed directly to the piezoresistors, but via a body, such as a metal ball or a solder ball, which is applied to the membrane.
  • the advantage of using such a body lying on the membrane lies in the defined guidance of the pressure on the membrane relative to the previously introduced piezoresistors.
  • the body on the membrane with an adhesive layer, so that the compound body membrane is rigid.
  • a displacement of the body with respect to the piezoresistors in the manufacture and / or operation of the pressure / force transducer can thus be excluded.
  • the body In order to prevent a displacement of the body, it may also be provided to flatten the body or the metal ball / solder ball in the region of the support on the semiconductor substrate.
  • This flattening can be done with the ball used before or during the application to the membrane.
  • in a development of the invention may also be provided to apply a plate on the body. It has been found to be advantageous to use the upper part, i. the part of the ball, which is the ball pad on the semiconductor substrate opposite also to flatten to the best possible mechanical support for the
  • a method has proved to be particularly advantageous in which first a region in the semiconductor substrate, preferably made of silicon, is etched porous by a corresponding etching process. The semiconductor material in this area is then rearranged by a temperature treatment, so that a cavern is formed.
  • the membrane is simultaneously formed over the cavern with the rearrangement. Due to the simultaneous formation of the cavern and the membrane can be provided that the cavern is almost equipped with a vacuum. If the process parameters are selected appropriately, a monocrystalline or largely monocrystalline membrane can be formed by the temperature treatment.
  • the achievable sensitivity of the pressure sensor can be increased in terms of resolutions and accuracy, especially in the low pressure range up to about 50 N compared to known force transducers.
  • the body used on the membrane in the first embodiment the body used on the membrane in the first embodiment of the invention.
  • the position of the body or the solder ball can be defined very precisely.
  • the area on the semiconductor substrate on which the deformation acts can be reduced. Due to the fixation of the body or the solder ball on the Seedlayer beyond the assembly in a
  • Plastic housing facilitates.
  • solder pastes e.g. Pb solder or Pb-free solder
  • Pb solder or Pb-free solder it is possible to adapt the mechanical properties of the ball, in particular their hardness of the desired application.
  • a possible solder connection for example, has a
  • the different pressure / force transducers have a different structure, so that an equal force on the body results in different values of the electrical signal generated by the piezoresistors. It is conceivable that the membrane thickness is varied. In addition, however, it is also possible for the evaluation unit to have different threshold values for each pressure / force transducer, so that thereby the actuation or control of the various
  • Pressure / force transducer can be distinguished from each other.
  • the proposed pressure / force transducer can be produced inexpensively in standard methods of micromechanics without additional complex process steps.
  • FIG. 1 shows a typical structure of a pressure / force transducer according to the invention is shown.
  • FIG. 2 shows a force effect which leads to a maximum stop of the membrane.
  • Figure 3 is shown a particular embodiment.
  • Figure 4 shows a structure of a pressure / force transducer within a housing. embodiment
  • the starting point for the production of a pressure / force transducer according to the invention is a pressure sensor produced by conventional micromechanical methods, as is known, for example, from DE 100 32 579 A1 or DE 101 14 036 A1. With these procedures is a
  • Pressure sensor can be produced, which has a cavern in a preferably made of silicon semiconductor substrate and a membrane located above the cavern. Furthermore, it is known, for example from the documents DE 101 35 216 A1 or DE 10 2004 007518 A1, to produce piezoresistors in a membrane or on an additional layer on the membrane.
  • a cavern 110 and a membrane 130 are produced with the formation of porous silicon in a semiconductor substrate 100 with a subsequent annealing step.
  • Piezo resistors 120 for example according to DE 101 35 216 A1 or strain gauges, as described in DE 10 2004 007518 A1, are then applied to membrane 120 by means of masking, epitaxy and structuring steps.
  • One way to achieve better adhesion of the body 150 to the surface of the semiconductor substrate 100, and thus the membrane 130, is to electroplate the contact area to the body 150 on the membrane 130.
  • Such a process step creates a layer 140, referred to as a seed layer.
  • the layer 140 may be designed such that the adhesion is adapted to both the material of the membrane 130 and on the material of the body 150.
  • a piezosensitive layer is first applied and then patterned. The application and also the structuring takes place in micromechanical standard method by means of appropriate masks, which are accurate positioning of the successive
  • the layer 140 which is produced after the piezoresistive resistors 125 from the same side on the substrate 100, can be positioned very accurately relative to the piezoresistive resistors 120.
  • a solder ball is used as body 150, i. a material that can be easily brought to the surface in a common micromechanical process, so this ball
  • the force transducer 150 may also be positioned quite accurately with respect to the resistors 120 using the masking technique. By such an orientation of the ball with respect to the piezoresistors 120, the accuracy of the force transducer can be significantly increased.
  • the positioning of a metal ball on the layer 140 is possible. It should be noted, however, that a method for positioning must be selected in which a similarly good orientation of the metal ball relative to the piezoresistive resistors 120 is possible. It should also be ensured that the metal ball is firmly connected to the semiconductor substrate 100 or to the layer 140 in order to prevent a displacement of the ball and thus a change in the signal generated when actuated.
  • the purpose of the adhesive layer 140 on the semiconductor substrate is to prevent slippage of the body during manufacture and / or operation of the pressure / force transducer.
  • the body 150 and, optionally, a plate 230 on the body 150 should provide the ability to connect a relatively large area of control to a relatively small effective area of force.
  • the control element may have the area of a fingertip, whereas the associated pressure / force converter makes up only a fraction of this area.
  • the corresponding area on the semiconductor substrate 100 may also be plated.
  • a solder paste can be applied to the semiconductor substrate 100 by the screen printing method or another suitable manufacturing method of the flip-chip technology. The solder paste is then remelted, so that only the desired surface is wetted and depending on the amount of solder applied a solder ball corresponding to the figure 150 is formed.
  • the body 150 is flattened on the side that is in contact with the seed layer 140 (see, for example, FIG. 1a). To cause plastic deformation of the body 150 while using solder during the process
  • solder ball can be pre-pressed during assembly with the plate 230 so that it is flattened on the top.
  • FIGS. 1 and 2 show a typical course of an actuation of the force transducer.
  • Figure Ia shows the force transducer in the unactuated state.
  • FIG. 1b shows a state in which the force 160 acting on the body 150 is sufficient to maximally deflect the membrane 130, so that the stop is reached through the cavern floor.
  • the piezoresistive resistors 120 are also deformed, so that they produce a measurable potential in the form of a voltage. The voltage thus detected can then be assigned to a force evaluation 160 in a corresponding evaluation unit.
  • the semiconductor material of the membrane 130 or its thickness can be selected or treated accordingly.
  • the semiconductor material is more or less deformable.
  • Another embodiment is that, for example, as a result of the cavern formation by means of porous silicon, the membrane 130 is formed monocrystalline.
  • the cavern depth can be adjusted accordingly. By specifying the cavern depth so inevitably the maximum deflection of the membrane is set.
  • FIG. 1 A possible embodiment of a force transducer according to the invention is shown in FIG.
  • the force transducer consisting of the semiconductor substrate 100, the piezoresistive resistors 125, the seed layer and the body 150 is housed in a housing 200.
  • the electrical connections to the piezoresistive resistors 125 can by means of
  • Bonded connections 210 are led to contact points in the housing 200 or to an evaluation unit. In order to protect the electrical lines against environmental influences or contamination, it may optionally be provided to at least partially fill the housing 200 with a passivating or protective gel 220. As can be seen from the figure 2, it is provided to leave the body 150 so beyond the housing 200 that a
  • Plate 230 can be placed on the body.
  • This plate 230 represents, for example, a finger-operated operating element, so that the body 150 can be pressed onto the semiconductor substrate 100 by means of a finger pressure on the operating element.
  • Telecommunications for example in mobile telephones (mobile phones) as well as in the console area for (computer) games or terminals.
  • the advantage of using the present invention is that a small size of the micromechanical pressure / force transducer can be achieved. Furthermore, a detectable voltage is generated by the force exerted on the body 150 in the piezoresistors 120. This eliminates a separate power supply of the controls.
  • a combination of force transducer and evaluation unit can be used as a switch, for example by taking into account a threshold value in the detection of the voltage.
  • a threshold value in the detection of the voltage.
  • Thresholds and multiple circuit settings when using a single force transducer when using a single force transducer.
  • the signals are fed to a plurality of micromechanical force transducers of an evaluation unit. It can in
  • the evaluation unit uses the detected signals to control other devices.
  • the foot surface of the body 150 is provided in a further embodiment, the foot surface of the body 150 to be significantly larger than the lateral extent of the membrane 130.
  • a layer 140 is provided directly below the body 150 as a seed layer, it covers at least the entire foot surface of the body 150 so as to allow the best possible adhesion of the body 150 to the semiconductor substrate 100. While the piezoresistors 120 in the exemplary embodiment according to FIG.
  • the piezoresistors 125 are provided directly underneath the body 150. This arrangement is due to the lower deformation of the diaphragm 130 in the embodiment of Figure 3, so that the piezoresistors 125 must be brought close to the place of maximum deformation. Due to the lower deformation of the diaphragm 130, a pressure / force transducer of Figure 3 is less sensitive than a corresponding sensor of Figure 1. On the design of the ratio of lateral extent of the cavity 110, thickness of the membrane 130 and foot surface of the body 150 can be Adjust the sensitivity of the pressure / force transducer.

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Abstract

Der vorliegende Druck-/Kraftwandler bzw. dessen Herstellungsverfahren basiert auf einem mittels gängiger Verfahren der Oberflächenmikromechanik hergestelltem Drucksensor und umfasst eine Membran über einer (Vakuum-)Kaverne, beispielsweise mit einer Höhe von einigen Mikrometern. Da die Kaverne geschlossen ist und nicht wie bei den mit der konventionellen KOH-Ätztechnik hergestellten Drucksensoren zur Membran abgewandten Seite der Kaverne offen ist, liegt für die Membran ein mechanischer Anschlag auf dem Substrat vor. Dadurch ergibt sich bei der Anwendung als Kraftsensor ein deutlich verbesserter Überlastschutz. Darüber hinaus ermöglicht die Ausgestaltung der Kaverne die Durchbiegung auf wenige Mikrometer zu begrenzen, so dass auch im Überlastfall die Dichtheit der Kaverne nicht beeinträchtigt wird, da bei einer entsprechend gestalteten Membransteifigkeit keine Spalte in der Membran entstehen kann.

Description

Mikromechanischer Druck-/Kraftsensor sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren
Stand der Technik
In der Consumer-Elektronik werden berührungsempfindliche Bildschirme in PDAs und
Smartphones verwendet, sowie berührungsempfindliche Flächen als Ersatz für die Maus in Laptops. Eine Möglichkeit, derartige Anwendungen zu realisieren, besteht in der Verwendung von Drahtgittern, welche in die Oberfläche eingebracht werden und die es erlaubt durch das Schließen eines elektrischen Kontaktes bei Berührung die Koordinate des Stiftes bzw. Fingers auszulesen. Eine derartige Anordnung erlaubt jedoch nicht, die jeweils aufgewendete
Anpresskraft zu erfassen.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Oberfläche als starre Platte auszuführen, welche in den Ecken auf kraftempfindliche Elemente gelagert ist. Diese können durch Drucksensoren realisiert werden. Durch das Verhältnis der Kräfte (Hebelgesetz) kann auf die Position des
Stiftes bzw. Fingers geschlossen werden. Die Summe der Kräfte ergibt die Anpresskraft, welche z.B. als Strichstärke betrachtet werden kann. Eine derartige Anordnung kann ebenfalls zur Verbesserung der Handschriftenerkennung verwendet werden.
Ein Problem ist hierbei die Robustheit des Kraftsensors. Bei den typischen Anwendungen von
Touchpads oder anderen Bedienelementen treten Kräfte bis ca. 5 N auf, welche mit ca. 1 % Genauigkeit bestimmt werden müssen, der Sensor muss aber bis ca. 50 N überlastsicher gegen Bruch o.a. sein. Eine Möglichkeit der Kraftübertragung vom Touchpad oder dem direkt mit dem Finger zu bedienenden Bedienelement auf die Membran eines Druck- oder Kraftsensors besteht darin, dass eine kleine Stahlkugel verwendet wird, welche durch eine geeignete Aufbautechnik in der Mitte auf der Membran lose gehalten wird. Nachteilig wirkt sich bei einem derartigen Aufbau jedoch die relativ ungenaue Zentrierung der losen Kugel auf die Messgenauigkeit aus.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegende Druck-/Kraftwandler bzw. dessen Herstellungsverfahren basiert auf einem mittels gängiger Verfahren der Oberflächenmikromechanik hergestelltem Drucksensor und umfasst eine Membran über einer (Vakuum-)Kaverne, beispielsweise mit einer Höhe von einigen Mikrometern. Da die Kaverne geschlossen ist und nicht wie bei den mit der konventionellen KOH-Ätztechnik hergestellten Drucksensoren zur Membran abgewandten Seite der Kaverne offen ist, liegt für die Membran ein mechanischer Anschlag auf dem Substrat vor.
Dadurch ergibt sich bei der Anwendung als Kraftsensor ein deutlich verbesserter Überlastschutz. Darüber hinaus ermöglicht die Ausgestaltung der Kaverne die Durchbiegung auf wenige Mikrometer zu begrenzen, so dass auch im Überlastfall die Dichtheit der Kaverne nicht beeinträchtigt wird, da bei einer entsprechend gestalteten Membransteifigkeit keine Spalte in der Membran entstehen kann.
Bekannte Drucksensoren in Oberflächenmikromechanik arbeiten mittels eines kapazitiven Messprinzip und benötigen eine Auswerteschaltung in unmittelbarer Nähe der Messkapazität. Dies bedeutet eine größere Chipfläche für jeden der als Kraftsensoren verwendbaren Drucksensoren, in der Regel 4, mindestens 3 Stück für die Anwendung als Touchpad. Im
Gegensatz dazu arbeitet die vorliegende Erfindung nach dem piezoresitiven Prinzip mittels wenigstens einem Piezowiderstand, der in oder auf die Membran aufgebracht wird. Bei einem derartigen Messprinzip können die erfassten Mess-Rohsignale über mehrere Zentimeter lange Leitungen problemlos übertragen werden und durch eine einzelne, vom mikromechanischen Druck-/Kraftwandler getrennte Auswerteschaltung verarbeitet werden. Vorteilhaft ist hierbei auch, dass die Signale mehrerer Druck-/Kraftwandler von einer einzelnen Auswerteschaltung bzw. einer Auswerteeinheit gemeinsam verarbeitet werden können. Dies vereinfacht auch den Abgleich, welcher dann nur einmal auf Modulebene durchgeführt werden muss. Der Kern der Erfindung liegt nun darin, dass der Druck bzw. die Kraft nicht direkt auf die Piezowiderstände geleitet wird, sondern über einen Körper, beispielsweise eine Metallkugel oder eine Lotkugel, der auf der Membran aufgebracht wird. Der Vorteil in der Verwendung eines derartigen auf der Membran liegenden Körpers liegt in der definierten Führung des Drucks auf der Membran relativ zu der vorher eingebrachten Piezowiderständen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den Körper auf der Membran mit einer Haftschicht zu fixieren, so dass die Verbindung Körper-Membran starr ist. Eine Verschiebung des Körpers in Bezug auf die Piezowiderstände bei der Herstellung und/oder beim Betrieb des Druck-/Kraftwandlers kann somit ausgeschlossen werden. Somit können auch
Messungenauigkeiten, die sich durch ein Verschieben des Körpers auf der Membran durch unterschiedlich auftretende Verformungen ergeben, vermieden werden.
Um eine Verschiebung des Körpers zu verhindern, kann auch vorgesehen sein, den Körper bzw. die Metallkugel/die Lotkugel im Bereich der Auflage auf dem Halbleitersubstrat abzuflachen.
Dieses Abflachen kann bei den verwendeten Kugel vor oder während des Aufbringens auf die Membran erfolgen. Darüber hinaus kann in einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen sein, eine Platte auf den Körper aufzubringen. Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, den oberen Teil, d.h. den Teil der Kugel, der der Kugelauflage auf dem Halbleitersubstrat gegenüber liegt, ebenfalls abzuflachen, um eine möglichst gute mechanische Auflage für die
Platte zu erhalten.
Zur Erzeugung der Kaverne hat sich besonders ein Verfahren als vorteilhaft erwiesen, bei dem zunächst ein Bereich im Halbleitersubstrat, vorzugsweise aus Silizium, durch einen entsprechenden Ätzprozess porös geätzt wird. Das Halbleitermaterial in diesem Bereich wird anschließend durch eine Temperaturbehandlung umgelagert, so dass eine Kaverne entsteht. Vorteilhafterweise wird mit der Umlagerung gleichzeitig eine Membran über der Kaverne gebildet. Durch die gleichzeitige Bildung der Kaverne und der Membran kann vorgesehen sein, dass die Kaverne nahezu mit einem Vakuum ausgestattet ist. Werden die Verfahrensparameter entsprechend gewählt, kann durch die Temperaturbehandlung eine einkristalline bzw. weitestgehend einkristalline Membran gebildet werden.
Ferner kann das aufwändige Montieren der Kugel über dem Halbleitersubstrat bzw. dem Chip durch das aus der Flip-Chip-Technik bekannte Aufbringen von Lötbumps ersetzt werden. Somit - A -
kann die erreichbare Empfindlichkeit des Drucksensors hinsichtlich Auflösungen und Genauigkeit gerade im Niederdruckbereich bis zu ca. 50 N gegenüber bekannten Kraftwandlern erhöht werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann der verwendete Körper auf der Membran eine im
Vergleich zur lateralen Ausdehnung der Membran größere Auflage- bzw. Fußfläche aufweisen. Durch eine derartige Ausgestaltung kann ein Teil der auf den Körper wirkenden Kraft in den umgebenden Bereich der Membran abgeleitet werden, so dass der Kraftmessbereich nach oben vergrößert wird bevor die Membran in Anschlag geht.
Bei der Verwendung von aufeinander abgestimmten mikromechanisches Maskierungen in nachfolgenden Prozessschritten des mikromechanischen Herstellungsprozess kann die Position des Körpers bzw. der Lötkugel sehr genau definiert werden. Somit kann die Fläche auf dem Halbleitersubstrat, auf die die Verformung wirkt, verringert werden. Durch die Fixierung des Körpers bzw. der Lötkugel auf dem Seedlayer wird darüber hinaus die Montage in ein
Kunststoffgehäuse erleichtert.
Durch die Verwendung unterschiedlicher Lotpasten, z.B. Pb-Lot bzw. Pb-freies Lot, ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften der Kugel, insbesondere deren Härte der gewünschten Anwendung anzupassen. Als mögliche Lotverbindung hat sich beispielsweise eine
Legierung aus ca. 80% Au und ca. 20% Sn erwiesen, da diese Verbindung besonders hart wird.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Möglichkeit aufgezeigt, die Betätigung eines Bedienelements zu registrieren. Vorteilhafterweise wird jedoch neben einer einfachen digitalen Ein-/ Ausschaltung auch die Möglichkeit eröffnet, die Anpresskraft des Bedienelements zu erfassen und eine Anzeige und/oder Steuerung/Regelung in Abhängigkeit dieser Anpresskraft vorzunehmen. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, mehrere Druck-/Kraftwandler in einer gemeinsamen Vorrichtung zu nutzen. Dabei können die Ausgangssignale aller Druck- /Kraftwandler zu einer gemeinsamen Auswerteeinheit geführt werden, die in Abhängigkeit der erfassten Signale eine optische und/oder akustische Anzeige ansteuert. Zur Differenzierung der Signale kann vorgesehen sein, dass die verschiedenen Druck-/Kraftwandler einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen, so dass eine gleiche Krafteinwirkung auf den Körper in unterschiedlichen Werten des durch die Piezowiderstände erzeugten elektrischen Signals resultiert. Denkbar ist hierbei, dass die Membrandicke variiert wird. Darüber hinaus ist jedoch auch möglich, dass die Auswerteeinheit unterschiedliche Schwellenwerte für jeden Druck- /Kraftwandler aufweist, so dass dadurch die Betätigung bzw. Ansteuerung der verschiedenen
Druck-/Kraftwandler voneinander unterschieden werden kann.
Da typische Anwendungsbereiche für die vorgeschlagene Erfindung im täglichen Leben zu finden sind, z.B. Mobiltelefon (Handy), (Computer-)Tastatur, Spielekonsolen, Touchpads etc., ist eine besondere Auslegung des Druck-/Kraftsensors beispielsweise gegenüber hohen
Temperaturschwankung oder besonders aggressive Umweltmedien nicht nötig. Somit können die vorgeschlagenen Druck-/Kraftwandler in Standardverfahren der Mikromechanik ohne zusätzlich aufwendige Prozessschritte kostengünstig hergestellt werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zeichnungen
In der Figur 1 ist ein typischer Aufbau eines erfindungsgemäßen Druck-/Kraftwandlers dargestellt. Die Figur 2 zeigt eine Krafteinwirkung, die zu einem Maximalanschlag der Membran führt. Mit der Figur 3 ist ein besonderes Ausführungsbeispiel abgebildet. Figur 4 zeigt einen Aufbau eines Druck-/Kraftwandlers innerhalb eines Gehäuses. Ausführungsbeispiel
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Möglichkeit präsentiert, die Betätigung eines Bedienelements, wie sie üblicherweise bei Tastaturen oder Touchpads eingesetzt werden, mit einem in mikromechanischer Bauweise hergestellten Drucksensor auf der Basis der
Piezotechnologie zu erfassen. Dabei ist neben der Betätigung des Bedienelements als digitaler An/Aus-Schalter auch eine direkte Erfassung der Anpresskraft des Bedienelements möglich. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann dabei die Anpresskraft mit ca. 1% Genauigkeit sehr präzise erfasst werden. Eine derartig genaue Bestimmung der Anpresskraft ermöglicht es, eine akustische bzw. optische Anzeige sowie eine weitere Vorrichtungseinheit in
Abhängigkeit von der erfassten Größe der Anpresskraft anzusteuern.
Ausgangspunkt für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Druck-/Kraftwandlers ist ein mit gängigen mikromechanischen Verfahren hergestellter Drucksensor, wie er beispielsweise aus der DE 100 32 579 Al oder der DE 101 14 036 Al bekannt ist. Mit diesen Verfahren ist ein
Drucksensor herstellbar, der eine Kaverne in einem vorzugsweise aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrat und eine über der Kaverne befindliche Membran aufweist. Weiterhin ist beispielsweise aus den Schriften DE 101 35 216 Al oder DE 10 2004 007518 Al bekannt, Piezowiderstände in einer Membran oder auf einer zusätzlichen Schicht auf der Membran zu erzeugen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie es in Figur 1 dargestellt ist, wird gemäß dem Herstellungsverfahren der Schrift DE 100 32 579 Al eine Kaverne 110 und eine Membran 130 unter Bildung von porösem Silizium in einem Halbleitersubstrat 100 mit einem nachfolgenden Temperschritt erzeugt. Auf die Membran 120 werden anschließend Piezowiderstände 120 beispielsweise entsprechend der DE 101 35 216 A1 oder Dehnungsmessstreifen, wie sie in der DE 10 2004 007518 Al beschrieben werden, mittels Maskierungs-, Epitaxie- und Strukturierungsschritten aufgebracht. Um eine bessere Haftung des Körpers 150 auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 100 und somit der Membran 130 zu erreichen, besteht eine Möglichkeit darin, den Kontaktbereich zum Körper 150 auf der Membran 130 zu galvanisieren.
Eine derartiger Prozessschritt erzeugt eine Schicht 140, die als Seedlayer bezeichnet wird. Um eine besonders gute Haftung des Körpers 150 auf dem Substrat 100 bzw. auf der Membran 130 zu ermöglichen, kann die Schicht 140 derart ausgestaltet sein, dass die Haftung sowohl auf das Material der Membran 130 als auch auf das Material des Körpers 150 angepasst ist. Zur Erzeugung der piezoresistiven Widerstände 120 ist vorgesehen, dass zunächst eine piezosensitive Schicht aufgebracht und anschließend strukturiert wird. Das Aufbringen und auch das Strukturieren erfolgt dabei in mikromechanischen Standardverfahren mittels entsprechender Maskierungen, die eine genaue Positionierungen der aufeinander folgenden
Verfahrensschritten ermöglichen. Dadurch kann beispielsweise die Schicht 140, die nach den piezoresistiven Widerständern 125 von der gleichen Seite auf dem Substrat 100 erzeugt wird, sehr genau relativ zu den piezoresistiven Widerständern 120 positioniert werden. Wird als Körper 150 eine Lotkugel verwendet, d.h. ein Material welches einfach in einem gängigen mikromechanischen Verfahren auf die Oberfläche gebracht werden kann, so kann diese Kugel
150 ebenfalls durch Nutzung der Maskierungstechnik ziemlich genau in Bezug auf die Widerstände 120 positioniert werden. Durch eine derartige Ausrichtung der Kugel in Bezug zu den Piezowiderständen 120 kann die Genauigkeit des Kraftwandlers deutlich erhöht werden.
Neben der Verwendung einer Lotkugel ist jedoch auch die Positionierung einer Metallkugel auf der Schicht 140 möglich. Dabei ist jedoch zu beachten, dass ein Verfahren zur Positionierung gewählt werden muss, bei dem eine ähnlich gute Ausrichtung der Metallkugel relativ zu den piezoresisitiven Widerständen 120 möglich ist. Weiterhin ist darauf zu achten, dass die Metallkugel fest mit dem Halbleitersubstrat 100 bzw. mit der Schicht 140 verbunden ist, um eine Verschiebung der Kugel und somit eine Veränderung des erzeugten Signals bei Betätigung zu verhindern.
Sinn und Zweck der Haftschicht 140 auf dem Halbleitersubstrat besteht darin, ein Verrutschen des Körpers während der Herstellung und/oder dem Betrieb des Druck-/Kraftwandlers zu verhindern. Dabei kann neben der Ausgestaltung des Körpers als Kugel 150 auch vorgesehen sein, einen stiftähnlichen Körper zu verwenden. Durch einen derartigen stiftähnlichen Körper kann die Kraft bzw. ein Druck von einer entfernten Quelle auf den Druck-/Kraftwandler weiter geleitet werden. Allgemein soll durch den Körper 150 und gegebenenfalls durch eine Platte 230 auf dem Körper 150 die Möglichkeit gegeben werden, eine relativ große Fläche eines Bedienelements mit einer relativ kleinen effektiven Fläche der Kraftaufnahme zu verbinden. So kann beispielsweise das Bedienelement die Fläche einer Fingerspitze aufweisen, wohingegen der dazu gehörige Druck-/Kraftwandler nur einen Bruchteil dieser Fläche ausmacht. Um eine als Seedlayer bezeichnete Schicht 140 zu erzeugen, kann der entsprechende Bereich auf dem Halbleitersubstrat 100 auch galvanisiert werden. Darüber hinaus kann im Siebdruckverfahren oder einem anderen geeigneten Herstellungsverfahren aus der Flip-Chip- Technologie eine Lötpaste auf das Halbleitersubstrat 100 aufgebracht werden. Die Lötpaste wird daraufhin umgeschmolzen, so dass nur die gewünschte Fläche benetzt wird und je nach aufgebrachter Lotmenge eine Lötkugel entsprechend der Figur 150 entsteht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass der Körper 150 auf der Seite, die in Kontakt mit dem Seedlayer 140 steht, abgeflacht ist (siehe beispielhaft Figur Ia). Um eine plastische Verformung des Körpers 150 bei der Verwendung von Lot während des
Betriebs zu vermeiden, kann die Lotkugel bei der Montage mit der Platte 230 bereits vorgepresst werden, so dass sie auch auf der Oberseite abgeflacht ist.
In den Figuren 1 und 2 ist ein typischer Verlauf einer Betätigung des Kraftwandlers dargestellt. So zeigt Figur Ia den Kraftwandler im unbetätigten Zustand. Figur Ib zeigt demgegenüber einen Zustand, bei dem die Kraft 160, die auf den Körper 150 wirkt, ausreicht, die Membran 130 maximal durchzubiegen, so dass der Anschlag durch den Kavernenboden erreicht wird. Durch diese Verbiegung werden ebenfalls die piezoresisitven Widerständer 120 verformt, so dass sie ein messbares Potential in Form einer Spannung erzeugen. Die so erfasste Spannung lässt sich anschließend in einer entsprechenden Auswerteeinheit einer Krafteinwirkung 160 zuordnen.
Zur Einstellung der Empfindlichkeit des Druck-/Kraftwandlers kann das Halbleitermaterial der Membran 130 bzw. deren Dicke entsprechend gewählt bzw. behandelt werden. So ist denkbar, dass je nach Anwendung des Druck-/Kraftwandlers das Halbleitermaterial mehr oder weniger verformbar ist. Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass beispielsweise in Folge der Kavernenerzeugung mittels porösem Silizium die Membran 130 einkristallin ausgebildet wird. Darüber hinaus ist auch denkbar, die Tiefe und die Position der piezoresistiven Widerstände 125 im Halbleitersubstrat in Abhängigkeit der gewünschten Empfindlichkeit zu wählen.
Bei der Berücksichtigung des Überlastschutzes, d.h. des Schutzes des Kraftwandlers vor Zerstörung durch eine zu große Krafteinwirkung kann die Kavernentiefe entsprechend angepasst werden. Durch eine Vorgabe der Kavernentiefe wird so zwangsläufig die maximale Durchbiegung der Membran festgelegt. Eine mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kraftwandlers ist in Figur 3 dargestellt. Dabei wird der Kraftwandler, bestehend aus dem Halbleitersubstrat 100, den piezoresistiven Widerständern 125, dem Seedlayer und dem Körper 150 in einem Gehäuse 200 untergebracht. Die elektrischen Verbindungen zu den piezoresistiven Widerständen 125 können dabei mittels
Bondverbindungen 210 zu Kontaktstellen im Gehäuse 200 oder zu einer Auswerteeinheit geführt werden. Um die elektrischen Leitungen vor Umwelteinflüssen oder Verschmutzung zu schützen, kann optional vorgesehen sein, das Gehäuse 200 mit einem passivierenden bzw. schützenden Gel 220 wenigstens teilweise zu füllen. Wie aus der Figur 2 zu ersehen ist, ist vorgesehen, den Körper 150 derart über das Gehäuse 200 hinaus stehen zu lassen, dass eine
Platte 230 auf den Körper aufgelegt werden kann. Diese Platte 230 stellt beispielsweise ein mit dem Finger betätigbares Bedienelement dar, so dass mittels eines Fingerdrucks auf das Bedienelement der Körper 150 auf das Halbleitersubstrat 100 gedrückt werden kann.
Mögliche Einsatzgebiete für den vorliegenden Kraftwandler liegen im Bereich der
Telekommunikation, beispielsweise in Mobiltelefonen (Handys) sowie im Konsolenbereich für (Computer-) Spiele oder Terminals. Der Vorteil bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine geringe Baugröße des mikromechanischen Druck- /Kraftwandlers erreicht werden kann. Weiterhin wird durch die ausgeübte Kraft auf den Körper 150 in den Piezowiderständen 120 eine erfassbare Spannung erzeugt. Somit entfällt eine separate Spannungsversorgung der Bedienelemente.
Allgemein kann vorgesehen sein, dass eine Kombination aus Kraftwandler und Auswerteeinheit sich beispielsweise durch die Berücksichtigung eines Schwellenwerts bei der Erfassung der Spannung als Schalter verwenden lässt. Selbstverständlich können dabei auch mehrere
Schwellenwerte und mehrere Schaltungseinstellungen bei der Verwendung eines einzelnen Kraftwandlers berücksichtigt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die Signale einer Vielzahl von mikromechanischen Kraftwandlern einer Auswerteeinheit zugeleitet werden. Dabei kann in
Abhängigkeit von den erfassten Signalen der Kraftwandler die Auswerteeinheit ein akustisches und/oder optisches Signal erzeugen. Darüber hinaus ist auch möglich, dass die Auswerteeinheit die erfassten Signale zur Steuerung weiterer Vorrichtungen verwendet. Wie in Figur 4 dargestellt, ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen, die Fußfläche des Körpers 150 deutlich größer als die laterale Ausdehnung der Membran 130 werden zu lassen. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird direkt unterhalb des Körpers 150 eine Schicht 140 als Seedlayer vorgesehen, sie wenigstens die gesamte Fußfläche des Körpers 150 abdeckt, um so eine möglichst gute Haftung des Körpers 150 an das Halbleitersubstrat 100 zu ermöglichen. Während die Piezowiderstände 120 im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 relativ weit im Außenbereich der Membran 130 oberhalb der Kaverne 110 vorgesehen sind, sind die Piezowiderstände 125 direkt unter dem Körper 150 vorgesehen. Diese Anordnung liegt in der geringeren Verformung der Membran 130 im Ausführungsbeispiel der Figur 3 begründet, so dass die Piezowiderstände 125 nähe an dem Ort der maximalen Verformung gebracht werden müssen. Durch die geringere Verformung der Membran 130 wird ein Druck-/Kraftwandler nach Figur 3 weniger empfindlich als ein entsprechender Sensor nach Figur 1. Über die Gestaltung des Verhältnisses von lateraler Ausdehnung der Kaverne 110, Dicke der Membran 130 und Fußfläche des Körpers 150 lässt sich die Empfindlichkeit des Druck-/Kraftwandlers einstellen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Druck-/Kraftwandlers, wobei zur Herstellung die Verfahrensschritte
- Erzeugen einer Kaverne (110) in einem Halbleitersubstrat (100), und
- Erzeugen einer Membran (130) oberhalb der Kaverne (110), und
- Erzeugen wenigstens eines Piezowiderstands (120, 125) in oder auf der Membran (130), dadurch gekennzeichnet, dass auf die Membran (130) ein Körper (150) aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des Körpers (150) auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats im Bereich des piezosensitiven Widerstands (120, 125) eine Haftschicht (140) erzeugt wird, wobei vorgesehen ist, dass die Haftschicht (140) den Körper (150) fest mit dem Halbleitersubstrat (100) verbindet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Halbleitersubstrat eine Metallkugel oder eine Lotkugel aufgebracht wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Kugel (150)
-im Bereich der Kugelauflage auf das Halbleitersubstrat (100) und/oder -auf der der Kugelauflage gegenüberliegende Seite vor oder nach dem Aufbringen abgeflacht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Lotkugel vorzugsweise in einem mikromechanischen Abscheideverfahren eine Lötpaste aufgebracht wird, bevor die Lötpaste in einem Umschmelzvorgang zu einer Lotkugel geformt wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Lötpaste eine Legierung aus 80% Au und 20 % Sn aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Kaverne die Verfahrensschritte
- Erzeugen eines porös geätzten Kavernenbereichs im Halbleitersubstrat und
- Durchführen einer Temperaturbehandlung des Halbleitersubstrats durchgeführt werden, wobei vorgesehen ist, dass die Temperaturbehandlung die Kaverne und die vorzugsweise einkristalline Membran ausbildet.
6. Mikromechanischer Druck-/Kraftwandler, insbesondere nach einem Herstellungsverfahren der Ansprüche 1 bis 5, mit wenigstens
- einem Halbleitersubstrat (100), und - einer Kaverne ( 110) in dem Halbleitersubstrat ( 100), und
- einer Membran (130) oberhalb der Kaverne, und
- wenigstens einem Piezowiderstand (120, 125) in oder auf der Membran (130), dadurch gekennzeichnet, dass auf der Membran (130) ein Körper (150) aufgebracht ist.
7. Mikromechanischer Druck-/Kraftwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (150) mittels einer Haftschicht (140) fest mit dem Halbleitersubstrat (100) verbunden ist.
8. Mikromechanischer Druck-/Kraftwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Halbleitersubstrat eine Metallkugel oder eine Lotkugel aufgebracht ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Kugel (150) -im Bereich der Kugelauflage auf das Halbleitersubstrat (100) und/oder -auf der der Kugelauflage gegenüberliegende Seite abgeflacht ist.
9. Mikromechanischer Druck-/Kraftwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche des Körpers (150) auf dem Halbleitersubstrat (100) eine im
Vergleich zur unter dem Körpers (150) befindlichen Kaverne (110) eine größere laterale Ausdehnung aufweist.
lO.Mikromechanischer Druck-/Kraftwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Halbleitersubstrat Silizium und/oder
- die Membran ein einkristallines Halbleitermaterial und/oder
- der Körper eine Legierung aus 80% Au und 20 % Sn aufweist.
11.Vorrichtung mit wenigstens einem mikromechanischen Druck-/Kraftwandler nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei vorgesehen ist, dass
- der mikromechanische Druck-/Kraftwandler in einem Gehäuse (200) angeordnet ist, und - sich wenigstens ein Teil des Körpers außerhalb des Gehäuses befindet, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Signal, welches mittels der Krafteinwirkung auf den Körper erzeugt wird, mittels einer Verbindungsleitung an eine vom Halbleitersubstrat (100) abgetrennte
Auswerteeinheit weitergeleitet wird.
12.Vorrichtung mit einer Vielzahl von mikromechanischen Kraftwandlern nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder mikromechanische
Kraftwandler bei gleicher Krafteinwirkung einen unterschiedlichen Wert des elektrischen
Signals liefert.
13. Vorrichtung zur Verwendung in einem Mobiltelefon mit einem Kraftwandler nach einem der Ansprüche 6 bis 12.
H.Vorrichtung zur Verwendung in einem Toucpad mit einem Kraftwandler nach einem der Ansprüche 6 bis 12.
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