WO2006114347A1 - Mikromechanischer drucksensor sowie ein entsprechendes herstellungsverfahren - Google Patents

Mikromechanischer drucksensor sowie ein entsprechendes herstellungsverfahren Download PDF

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WO2006114347A1
WO2006114347A1 PCT/EP2006/060351 EP2006060351W WO2006114347A1 WO 2006114347 A1 WO2006114347 A1 WO 2006114347A1 EP 2006060351 W EP2006060351 W EP 2006060351W WO 2006114347 A1 WO2006114347 A1 WO 2006114347A1
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WO
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semiconductor substrate
force
force transducer
micromechanical
ball
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/060351
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English (en)
French (fr)
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
Publication of WO2006114347A1 publication Critical patent/WO2006114347A1/de

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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
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements

Definitions

  • Smartphones are used, as well as sensitive sensitive mice as a replacement for the mouse in laptops.
  • One way to realize such applications is to use wireframes which are inserted into the upper fins and which allow to read out the coordinate of the pen or finger by closing an electrical contact when in contact.
  • wireframes which are inserted into the upper fins and which allow to read out the coordinate of the pen or finger by closing an electrical contact when in contact.
  • such an arrangement does not allow each spent
  • Oberffiche is a rigid plate, which is mounted in the corners on force-sensitive elements. These noise can be realized by pressure sensors. By the division of forces (lever law) can on the position of the pin or
  • Touchpads or other controls occur forces up to about 5 N, which must be determined with about 1% accuracy, but the sensor must be up to about 50 Nüberlastêt against breakage oä. be.
  • One way of Kraföbertragung from the touchpad or the directly operated with the finger control element 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 in the middle on the membrane. The disadvantage of such a structure, however, the relatively inaccurate centering of the loose ball affects the accuracy of measurement.
  • the present invention describes a micromechanical pressure / force transducer, as well as a method for its production.
  • it is provided for producing the force transducer to introduce at least one piezoresistor into a solid semiconductor substrate.
  • the semiconductor substrate at least in the area of piezoid resistance and in the later use, is free from cavities, grabens or other subsequently introduced structures and thus has a high stability against deformation.
  • Piezoresistor in the Oberffiche of the semiconductor substrate may also be provided a deposition of a corresponding strain gauge on the Oberffiche of the semiconductor substrate.
  • Anchürend a body is applied to the semiconductor substrate in the region of the piezoresistor.
  • an action of force on the body is to be generated in the following by the at least one piezoresistor an electrical signal representing the Sfirke the force.
  • ErfindungsgerriBist provided to connect the ball by means of a special adhesive layer firmly to the semiconductor substrate.
  • the sensitivity with which the force can be detected can be predetermined by specifying the relative spatial positioning of the body with respect to the piezoresistance and / or the choice of material of the semiconductor substrate and / or the choice of material of the body.
  • a metal ball or a solder ball to the semiconductor substrate, with the aid of which the force can be transmitted to the substrate or to the piezoresistor.
  • Adhesive layer Such a strong connection prevents the ball from moving away from its relative orientation to the piezoresistor, thus altering the ratio of the electrical signal's electrical force to the force effect. Any impact is prevented by flattening the ball on the ball support.
  • a micromechanical deposition method for example a screen printing method, is used to produce the solder ball.
  • This has the advantage that a matching of the maskings used in the preceding micromechanical process steps for producing the piezoresistor or the adhesive layer can be carried out with the application of the solder material.
  • a particularly precise alignment of the solder ball produced in this way is possible in relation to the piezoresistor. By such an orientation, the accuracy of the assignment of a force to the detected electrical signal can be clearly obtained.
  • the present invention operates according to the piezoresitive principle, in which the raw measurement signals are also transmitted over several centimeters long cables problem-free and are processed by a single evaluation circuit. This also simplifies the adjustment, which then has to be performed only once at the module level.
  • the expensive mounting of the ball over the semiconductor substrate or the chip can be replaced by the application of Ißfbumps known from the flip-chip technique.
  • the achievable sensitivity of the pressure sensor can be obtained in terms of Auffisonne and accuracy, especially in the low pressure range up to about 50 to 100 N over known force transducers.
  • the position of the body or IMugel can be defined very precisely.
  • the area on the semiconductor substrate, on which the deformation acts can be reduced.
  • 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 HiIe the desired application.
  • an alloy of about 80% Au and about 20% Sn has proven to be a possible solder joint, since this compound becomes particularly hard.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a erfindungsgenfiai micromechanical force transducer.
  • 2 shows a construction of a pressure transducer is shown within a housing.
  • FIG. 3 shows a possible evaluation of four force transducers on the basis of a block diagram.
  • Figure 4 shows an example of an application of the force transducer in the form of a numeric keypad.
  • the BeMgung a control element, as are commonly used in keyboards or touchpads, to capture with a micro-mechanical pressure sensor manufactured on the basis of piezo technology. It is in addition to the BeMgung of the control as digital
  • On / off switch also a direct detection of the contact pressure of the control ⁇ öglich. By erfindungsgenfe design while the contact pressure with approximately 1% accuracy can be detected very precisely.
  • micromechanical component production various methods for producing micromechanical components are known.
  • the production of a pressure sensor with piezoresistive resistances by means of semiconductor substrates is known from DE 101 35 216 A1 or DE 102004 007518 A1, to which reference should be made to the manufacturing method of the present micromechanical force transducer.
  • the starting point is a semiconductor substrate 100, preferably of silicon. Piezoresistive reflections 125, for example according to DE 101 35 216 A1 or strain gauges, as described in DE 10 2004 007518 A1, are applied to this semiconductor substrate 100.
  • a special layer 140 seed layer, to which the body 150 is applied in a further method step, is applied to the piezoresistive opposites 125 and to a region of the semiconductor substrate.
  • the layer 140 be configured such that the adhesion is adapted to both the material of the substrate 100 and on the material of the body.
  • a piezo-sensitive layer is first applied, which is patterned accordingly.
  • Opponents 125 are positioned. If a solder ball is used as body 150, i. a material which can likewise be applied to the surface in a micromechanical process, this sphere 150 can be positioned precisely with respect to the object 125 by using the masking technique. By such positioning, the accuracy of the force transducer can be significantly increased.
  • the positioning of a metal ball on the layer 140 is also possible. It should be noted, however, that a method of positioning must be chosen in which a similar good orientation of the metal ball relative to the piezoresistive resist 125 is possible. Furthermore, make sure that the
  • Metal ball is firmly connected to the semiconductor substrate 100 or with the layer 140, to prevent a displacement of the ball and thus a Ve forung of the signal generated at BeMgung.
  • FIGS. 1a and 1b show a typical course of a displacement of the force transducer.
  • Figure Ia shows the force transducer in the unbeMgten state.
  • FIG. 1b shows a state in which the force 160 acting on the body 150 is sufficient to deform the semiconductor substrate 100 at least on the upper surface.
  • the piezoresistive resistances 125 are likewise deformed so that they produce a measurable potential in the form of a voltage.
  • the voltage detected in this way can be associated with a force evaluation 160 in a corresponding evaluation unit.
  • the corresponding area on the semiconductor substrate 100 may also be plated.
  • an IiJtpaste be applied to the semiconductor substrate 100. The Iütpaste is then remelted, so that only the desired FEche is wetted and depending on the amount of solder applied a bauble corresponding to the figure 150 is formed.
  • the body 150 may be flattened on the side which is in contact with the seed layer 140 (see, for example, FIG. 1a).
  • the solder ball can be pre-pressed during assembly with the plate 230 so that it is also flattened on top.
  • the semiconductor material of the substrate 100 can be selected or treated accordingly.
  • the semiconductor material is more or less deformable depending on the application of the pressure / force transducer.
  • 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
  • the electrical connections to the piezoresistive resistances 125 are thereby conducted by means of bonding connections 210 to contact points in the housing 200 or directly to an evaluation unit.
  • a passivating gel 220 As can be seen from FIG. 2, it is provided to allow the body 150 to stand above the housing 200 in such a way that a plate 230 can be placed on the body.
  • this plate 230 represents a control element that can be fingered, so that by means of a finger pressure on the operating element, the body 150 can be crouched onto the semiconductor substrate 100.
  • the body 150 may be flattened on the side which is in contact with the seed layer 140 (see, for example, FIG. 1a).
  • slippage of the body on the semiconductor substrate is reduced.
  • Deformation of the capper 150 when using solder during operation to avoid the solder ball can be pre-pressed during assembly with the plate 230 so that it is flattened on the top.
  • Telecommunications for example in mobile phones and in the console area for (computer) games or terminals.
  • the advantage with the use of the present invention is that a low Baugi & micro-mechanical pressure / force transducer can be achieved. Furthermore, a detectable voltage is generated by the exerted force on the body 150 in the piezo-resistive 125. Thus, a separate separates
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment which represents the interrogation of four micromechanical force transducers 310 to 340 by an evaluation unit 300.
  • Dversfindlich can also be provided that also a different number of force transducers are detected by the evaluation unit 300 kxmen, see Figure 4, in which a numeric keypad is shown.
  • the evaluation unit can operate an audible and / or visual display 360.
  • the evaluation unit 300 forwards the detected signals to a control unit 350.
  • a combination of force transducer and evaluation unit uses, for example, by providing a threshold value when detecting the voltage as a switch.
  • a threshold value when detecting the voltage as a switch.
  • the force transducers used in an application for example in the numeric keypad according to FIG. 4, generate 160 different signals or electrical gauges with different values under the same force.
  • the force transducers used in an application for example in the numeric keypad according to FIG. 4, generate 160 different signals or electrical gauges with different values under the same force.
  • Force transducer outputs a clearly assignable voltage. This can be achieved, for example, by setting the sensitivity of the different force transducers used in the numeric keypad differently.
  • the purpose of the adhesive layer (140) on the semiconductor substrate is to prevent the body from slipping during manufacture and / or operation of the pressure / force transducer.
  • the body in addition to the configuration of the body as a ball (150), it may also be provided to use a stiff-like body. By such a stiff-like body, the force or a pressure from a remote source to the pressure / force transducer can be forwarded.

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Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein mikromechanischer Druck-/Kraftwandler beschrieben, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Dabei ist zur Herstellung des Kraftwandlers vorgesehen, wenigstens einen Piezowiderstand in ein massives Halbleitersubstrat einzubringen. Dabei ist vorgesehen, dass das Halbleitersubstrat wenigstens im Bereich der Piezowiderstände und in der späteren Nutzung frei von Kavernen, Gräben oder sonstigen nachträglich eingebrachten Strukturen ist und somit eine hohe Stabilität gegenüber Verformungen aufweist.. Anschliessend wird im Bereich des Piezowiderstands ein Körper auf das Halbleitersubstrat aufgebracht. Durch eine Krafteinwirkung auf den Körper soll im folgenden durch den wenigstens einen Piezowiderstand ein elektrisches Signal erzeugt werden, welches die Stärke der Krafteinwirkung repräsentiert. Erfindungsgemäss ist vorgesehen, die Kugel mittels einer speziellen Haftschicht fest mit dem Halbleitersubstrat zu verbinden. Durch eine derartige feste und starre Verbindung lässt sich besonders einfach eine hohe Genauigkeit des Druck-/Kraftwandlers erreichen.

Description

01.03.06 Gi
ROBERT BOSCH GMBH, 70442 Stuttgart
Mikromechanischer Drucksensor sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren
Stand der Technik
In der Consumer-Elektronik werden beiihrungsempfindliche Bildschirme in PDAs und
Smartphones verwendet, sowie beiihrungsempfindliche Ffichen als Ersatz fr die Maus in Laptops. Eine Möglichkeit, derartige Anwendungen zu realisieren besteht in der Verwendung von Drahtgittern, welche in die Oberffiche eingebracht werden und die es erlaubt durch das SchlidJen eines elektrischen Kontaktes bei Beührung 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 Oberffiche als starre Platte auszuführen, welche in den Ecken auf kraftempfindliche Elemente gelagert ist. Diese lärmen durch Drucksensoren realisiert werden. Durch das Verlältnis der Kräfte (Hebelgesetz) kann auf die Position des Stiftes bzw.
Fingers geschlossen werden. Die Summe der Kräfte ergibt die Anpresskraft, welche z.B. als Strichsfirke 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 missen, der Sensor muss aber bis ca. 50 Nüberlastsicher gegen Bruch oä. sein. Eine Möglichkeit der Kraföbertragung 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
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein mikromechanischer Druck-/Kraftwandler beschrieben, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Dabei ist zur Herstellung des Kraftwandlers vorgesehen, wenigstens einen Piezowiderstand in ein massives Halbleitersubstrat einzubringen. Dabei ist vorgesehen, dass das Halbleitersubstrat wenigstens im Bereich der Piezowidersfinde und in der späteren Nutzung frei von Kavernen, Gäben oder sonstigen nachträglich eingebrachten Strukturen ist und somit eine hohe Stabilifit gegenüber Verformungen aufweist. Statt den
Piezowiderstand in die Oberffiche des Halbleitersubstrats einzubringen, kann auch eine Abscheidung eines entsprechenden Dehnungsmessstreifens auf der Oberffiche des Halbleitersubstrats vorgesehen sein. Anschürend wird im Bereich des Piezowiderstands ein Körper auf das Halbleitersubstrat aufgebracht. Durch eine Krafteinwirkung auf den Körper soll im folgenden durch den wenigstens einen Piezowiderstand ein elektrisches Signal erzeugt werden, welches die Sfirke der Krafteinwirkung repräsentiert. ErfindungsgerriBist vorgesehen, die Kugel mittels einer speziellen Haftschicht fest mit dem Halbleitersubstrat zu verbinden. Durch eine derartige feste und starre Verbindung Esst sich besonders einfach eine hohe Genauigkeit des Druck-/Kraftwandlers erreichen.
DaiJber hinaus kann die Empfindlichkeit, mit der die Sfitke der Krafteinwirkung erfasst werden kann, durch die Vorgabe der relativen räumlichen Positionierung des Körpers beziglich dem Piezowiderstand und/oder der Materialwahl des Halbleitsubstrats und/oder der Materialwahl des Körpers vorgeben.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, eine Metallkugel oder eine Lotkugel auf das Halbleitersubstrat aufzubringen, mit dessen Hilfe die Krafteinwirkung auf das Substrat bzw. auf den Piezowiderstand weitergeleitet werden kann. Dabei ist insbesondere vorgesehen, die Kugel fest mit dem Halbleitersubstrat zu verbinden, beispielsweise mittels einer speziellen Haftschicht. Durch eine derartige feste Verbindung wird verhindert, dass sich die Kugel von ihrer relativen Ausrichtung zu dem Piezowiderstand entfernt und somit das Verhältnis der Eöie des elektrischen Signals zur Krafteinwirkung verändertÄnliche Auswirkungen werden verhindert, indem die Kugel auf der Kugelauflage abgeflacht wird.
Vorteilhafterweise wird zur Erzeugung der Lotkugel ein mikromechanisches Abscheideverfahren, beispielsweise ein Siebdruckverfahren, verwendet. Dies hat den Vorteil, dass eine Abstimmung der in den vorhergehenden mikromechanischen Prozessschritten zur Erzeugung des Piezowiderstands bzw. der Haftschicht verwendeten Maskierungen mit der Aufbringung des Lotmaterials erfolgen kann. Dadurch ist eine besonders präzise Ausrichtung der so erzeugten Lotkugel in Relation zu dem Piezowiderstand πöglich. Durch eine derartige Ausrichtung kann die Genauigkeit der Zuweisung einer Krafteinwirkung zu dem erfassten elektrischen Signal deutlich erhält werden.
Bekannte Drucksensoren in OberfBchenmikromechanik arbeiten mittels eines kapazitiven
Messprinzip und betätigen eine Auswerteschaltung in unmittelbarer Nähe der Messkapazifit Dies bedeutet eine g&re ChipfBche fr jeden der als Kraftsensoren verwendbaren Drucksensoren, in der Regel 4, mindestens 3 Stick fr die Anwendung als Touchpad. Im Gegensatz dazu arbeitet die vorliegende Erfindung nach dem piezoresitiven Prinzip, bei welchem die Mess-Rohsignale auch iber mehrere Zentimeter lange Leitungen problemlosübertragen werden lötmen und durch eine einzelne Auswerteschaltung verarbeitet werden lärmen. Dies vereinfacht auch den Abgleich, welcher dann nur einmal auf Modulebene durchgeführt werden muss.
Ferner kann das aufwändige Montieren der Kugelüber dem Halbleitersubstrat bzw. dem Chip durch das aus der Flip-Chip-Technik bekannte Aufbringen von Ißfbumps ersetzt werden. Somit kann die erreichbare Empfindlichkeit des Drucksensors hinsichtlich Auffisungen und Genauigkeit gerade im Niederdruckbereich bis zu ca. 50 bis 100 N gegenüber bekannten Kraftwandlern erhält werden.
Zuätzlich ernöglicht die Ausgestaltung des Kraftwandlers durch die Verwendung eines massiven
Halbleitsubstrats einen deutlich erhäitentberlastschutz, da keine fragilen Elemente verwendet werden. - A -
Durch die Verwendung von aufeinander abgestimmten Maskierungen in nachfolgenden Prozessschritten des mikromechanischen Herstellungsprozess kann die Position des Köpers bzw. der IMugel sehr genau definiert werden. Somit kann die Fache auf dem Halbleitersubstrat, auf die die Verformung wirkt, verringert werden. Durch die Fixierung des Kipers bzw. der IMugel auf dem Seedlayer wird daiber hinaus die Montage in ein Kunststoffgehjuse erleichtert.
Durch die Verwendung unterschiedlicher Lotpasten, z.B. Pb-Lot bzw. Pb-freies Lot, ist es npglich, die mechanischen Eigenschaften der Kugel, insbesondere deren HiIe der gewünschten Anwendung anzupassen. Als πögliche Lotverbindung hat sich beispielsweise eine Legierung aus ca. 80% Au und ca. 20% Sn erwiesen, da diese Verbindung besonders hart wird.
Da typische Anwendungsbereiche fr die vorgeschlagene Erfindung im figlichen Leben zu finden sind, z.B. Handy, (Computer-)Tastatur, Spielekonsolen etc., ist eine besondere Auslegung des Druck-/Kraftsensors beispielsweise gegenüber hohen Temperaturschwankung oder besonders aggressive Umweltmedien nicht ictig. Somit lärmen die vorgeschlagenen Druck-/Kraftwandler in
Standardverfahren der Mikromechanik ohne zuätzliche aufwendige Prozessschritte kostengünstig hergestellt werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfϊhrungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentanspöchen.
Zeichnungen
In den Figuren Ia und Ib ist ein schematischer Aufbau eines erfindungsgenfiai mikromechanischen Kraftwandlers dargestellt. Mit der Figur 2 wird ein Aufbau eines Druckwandlers innerhalb eines Gehäuses dargestellt. Die Figur 3 zeigt eine nögliche Auswertung von vier Kraftwandlern anhand eines Blockschaltbildes. Figur 4 zeigt beispielhaft eine Anwendung des Kraftwandlers in Form einer Zifferntastatur.
Ausfihrungsbeispiel
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Möglichkeit präsentiert, die BeMgung eines Bedienelements, wie sieüblicherweise bei Tastaturen oder Touchpads eingesetzt werden, mit einem in mikromechanischer Bauweise hergestellten Drucksensor auf der Basis der Piezotechnologie zu erfassen. Dabei ist neben der BeMgung des Bedienelements als digitaler
An/Aus-Schalter auch eine direkte Erfassung der Anpresskraft des Bedienelements πöglich. Durch die erfindungsgenfe Ausgestaltung kann dabei die Anpresskraft mit ca. 1% Genauigkeit sehr präzise erfasst werden.
In der mikromechanischen Bauelementherstellung sind verschiedene Verfahren zur Erzeugung von mikromechanischen Bauelementen bekannt. So ist beispielsweise die Herstellung eines Drucksensors mit piezoresistiven Widersfinden mittels Halbleitersubstraten aus den Schriften DE 101 35 216 Al oder DE 102004 007518 Al bekannt, auf die zum Herstellungsverfahren des vorliegenden mikromechanischen Kraftwandlers ausdikklich verwiesen werden soll.
Kr die vorliegende Erfindung wird das bekannte Herstellungsverfahren jedoch leicht abgewandelt. Ausgangspunkt ist ein Halbleitersubstrat 100, vorzugsweise aus Silizium. Auf diesem Halbleitersubstrat 100 werden piezoresistive Widersfinde 125, beispielsweise entsprechend der DE 101 35 216 A1 oder Dehnungsmessstreifen, wie sie in der DE 10 2004 007518 Al beschrieben werden, aufgebracht. Auf die piezoresistiven Widersftide 125, sowie auf einen Bereich des Halbleitersubstrats wird ein spezielle Schicht 140 (Seedlayer) aufgebracht, auf die in einem weiteren Verfahrensschritt der Körper 150 aufgebracht wird. Um eine gute Haftung des Körpers 150 auf dem Substrat 100 zu ernöglichen, kann die Schicht 140 derart ausgestaltet sein, dass die Haftung sowohl auf das Material des Substrats 100 als auch auf das Material des Körpers angepasst ist.
Zur Erzeugung der piezoresistiven Widersfinde 125 ist vorgesehen, dass zuiächst eine piezosensitive Schicht aufgebracht wird, die anschürend entsprechend strukturiert wird. Das
Aufbringen und auch das Strukturieren erfolgt dabei in mikromechanischen Standardverfahren mittels entsprechender aufeinander abgestimmter Maskierungen, die eine genaue Positionierungen der aufeinander folgenden Verfahrensschritten ernöglichen. So kann beispielsweise die Schicht 140, die nach den piezoresistiven Widersftidern 125 von der gleichen Seite auf dem Substrat 100 erzeugt wird,äusserst genau relativ zu den piezoresistiven
Widersfindern 125 positioniert werden. Wird als Körper 150 eine Lotkugel verwendet, d.h. ein Material welches ebenfalls in einem mikromechanischen Verfahren auf die OberfBche gebracht werden kann, so kann diese Kugel 150 durch Nutzung der Maskierungstechnikäusserst genau beziglich zu die Widersfinde 125 positioniert werden. Durch eine derartige Positionierung kann die Genauigkeit des Kraftwandlers deutlich erhöht werden.
Neben der Verwendung einer Lotkugel ist jedoch auch die Positionierung einer Metallkugel auf der Schicht 140 πöglich. Dabei ist jedoch zu beachten, dass ein Verfahren zur Positionierung gewählt werden muss, bei dem eineähnlich gute Ausrichtung der Metallkugel relativ zu den piezoresisitiven Widersfinden 125 nöglich 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 Veänderung des erzeugten Signals bei BeMgung zu verhindern.
In den Figuren Ia und Ib ist ein typischer Verlauf einer BeMgung des Kraftwandlers dargestellt.
So zeigt Figur Ia den Kraftwandler im unbeMgten Zustand. Figur Ib zeigt demgegenüber einen Zustand, bei dem die Kraft 160, die auf den Körper 150 wirkt, ausreicht, um das Halbleitersubstrat 100 wenigstens an der OberfBche zu verformen. Durch diese Verformung werden ebenfalls die piezoresistiven Widersfinde 125 verformt, so dass sie ein messbares Potential in Form einer Spannung erzeugen. Die so erfasste Spannung Esst sich anschürend in einer entsprechenden Auswerteeinheit einer Krafteinwirkung 160 zuordnen.
Um eine als Seedlayer bezeichnete Schicht 140 zu erzeugen, kann der entsprechende Bereich auf dem Halbleitersubstrat 100 auch galvanisiert werden. DaiJber hinaus kann im Siebdruckverfahren oder einem anderen geeigneten Herstellungsverfahren aus der Flip-Chip- Technologie eine IiJtpaste auf das Halbleitersubstrat 100 aufgebracht werden. Die Iütpaste wird daraufhin umgeschmolzen, so dass nur die gewünschte FEche benetzt wird und je nach aufgebrachter Lotmenge eine Iükugel entsprechend der Figur 150 entsteht.
In einem weiteren Ausfihrungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass der Körper 150 auf der Seite, die in Kontakt mit dem Seedlayer 140 steht, abgeflacht ist (siehe beispielhaft Figur Ia). Somit wird ein Verrutschen des Körpers auf dem Halbleitersubstrat vermindert. 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.
Zur Einstellung der Empfindlichkeit des Druck-/Kraftwandlers kann das Halbleitermaterial des Substrats 100 entsprechend gewählt bzw. behandelt werden. So ist denkbar, dass je nach Anwendung des Druck-/Kraftwandlers das Halbleitermaterial mehr oder weniger verformbar ist.
DaiJber hinaus ist auch denkbar, die Tiefe und die Position der piezoresistiven Widersftide 125 im Halbleitersubstrat in Abhängigkeit der gewünschten Empfindlichkeit zu wählen.
Eine πögliche Ausgestaltung eines erfindungsgenfen Kraftwandlers ist in Figur 2 dargestellt. Dabei wird der Kraftwandler, bestehend aus dem Halbleitersubstrat 100, den piezoresistiven
Widersfinden 125, dem Seedlayer und dem Körper 150 in einem Gehϊuse 200 untergebracht. Die elektrischen Verbindungen zu den piezoresistiven Widersfinden 125 lärmen dabei mittels Bondverbindungen 210 zu Kontaktstellen im Gehäuse 200 oder direkt zu einer Auswerteeinheit gefihrt werden. Um die elektrischen Leitungen vor Umwelteinfüssen oder Verschmutzung zu schitzen, kann optional vorgesehen sein, das Gehäuse 200 mit einem passivierenden bzw. schitzenden Gel 220 wenigstens teilweise zu fiUen. Wie aus der Figur 2 zu ersehen ist, ist vorgesehen, den Körper 150 derartüber 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 beMgbares Bedienelement dar, so dass mittels eines Fingerdrucks auf das Bedienelement der Körper 150 auf das Halbleitersubstrat 100 geduckt werden kann.
In einem weiteren Ausfihrungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass der Körper 150 auf der Seite, die in Kontakt mit dem Seedlayer 140 steht, abgeflacht ist (siehe beispielhaft Figur Ia). Somit wird ein Verrutschen des Körpers auf dem Halbleitersubstrat vermindert. Um eine plastische Verformung des Kapers 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.
Mögliche Einsatzgebiete fir den vorliegenden Kraftwandler liegen im Bereich der
Telekommunikation, beispielsweise in Mobiltelefonen (Handys) sowie im Konsolenbereich fr (Computer-) Spiele oder Terminals. Der Vorteil bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine geringe Baugi&des mikromechanischen Druck- /Kraftwandlers erreicht werden kann. Weiterhin wird durch die ausgώbte Kraft auf den Körper 150 in den Piezowidersftiden 125 eine erfassbare Spannung erzeugt. Somit entfillt eine separate
Spannungsversorgung der Bedienelemente.
In der Figur 3 ist ein weiteres Ausfihrungsbeispiel aufgezeigt, welches die Abfrage von vier mikromechanischen Kraftwandlern 310 bis 340 durch eine Auswerteeinheit 300 darstellt. Selbstversfindlich kann auch vorgesehen sein, dass auch eine andere Anzahl von Kraftwandlern durch die Auswerteeinheit 300 erfasst werden kxmen, siehe hierzu Figur 4, bei der ein Ziffernblock dargestellt ist. In Abhängigkeit von den erfassten Signalen der Kraftwandler 310 bis 340 kann die Auswerteeinheit eine akustische und/oder optische Anzeige 360 bedienen. DaiJber hinaus ist auch nöglich, dass die Auswerteeinheit 300 die erfassten Signale an ein Steuergeät350 weiterleitet.
Allgemein kann vorgesehen sein, dass eine Kombination aus Kraftwandler und Auswerteeinheit sich beispielsweise durch die Beiicksichtigung eines Schwellenwerts bei der Erfassung der Spannung als Schalter verwenden Esst. Selbstvers&idlich lärmen dabei auch mehrere Schwellenwerte und mehrere Schaltungseinstellungen bei der Verwendung eines einzelnen
Kraftwandlers beiicksichtigt werden.
In einem weiteren Ausfihrungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die Kraftwandler, die in einer Anwendung verwendet werden, beispielsweise in dem Ziffernblock nach Figur 4, bei einer gleichen Krafteinwirkung 160 verschiedene Signale bzw. elektrische Gicfen mit unterschiedlichen Werten erzeugen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass beim Ducken der Ziffern des Ziffernblocks 400 jeder unterhalb eines Ziffern-Bedienelements angebrachter
Kraftwandler eine eindeutig zuordenbare Spannung abgibt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Empfindlichkeit der verschiedenen Kraftwandler, die im Ziffernblock verwendet werden, unterschiedlich vorgegeben ist.
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 stiffihnlichen Körper zu verwenden. Durch einen derartigen stiffihnlichen Körper kann die Kraft bzw. ein Druck von einer entfernten Quelle auf den Druck-/Kraftwandler weiter geleitet werden.

Claims

Anspäche
1. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Kraftwandlers, wobei zur Herstellung die Verfahrensschritte
- Aufbringen wenigstens eines piezosensitiven Widerstands (125) in oder auf ein massives Halbleitersubstrat (100),
- Aufbringen eines Körpers (150) auf das Halbleitersubstrat ( 100), dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des Körpers (150) auf der Oberffiche des Halbleitersubstrats im
Bereich des piezosensitiven Widerstands (125) eine Haftschicht (140) erzeugt wird, wobei vorgesehen ist, dass die Haftschicht (140) den Körper (150) fest mit dem Halbleitersubstrat (100) verbindet.
2. 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 und/oder
- auf der der Kugelauflage gegenüberliegende Seite vor oder nach dem Aufbringen abgeflacht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Lotkugel vorzugsweise in einem mikromechanischen Abscheideverfahren eine IiJtpaste aufgebracht wird, bevor die IiJtpaste in einem Umschmelzvorgang zu einer Lotkugel geformt wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Iütpaste eine Legierung aus
80% Au und 20 % Sn aufweist.
4. Mikromechanischer Kraftwandler, insbesondere nach einem Herstellungsverfahren der Anspräche 1 bis 3, mit wenigstens - einem massiven Halbleitersubstrat (100) und
- einem in oder auf dem Halbleitersubstrat (100) angeordneten piezosensitiven Widerstand (125), und
- einem auf dem Halbleitersubstrat (100) angeordneten Körper (150), wobei vorgesehen ist, dass eine Krafteinwirkung auf den Körper (150) in dem wenigstens einen piezoresistiven Widerstand (125) eine die Sfirke der Krafteinwirkung auf den Körper (150) repräsentierendes elektrisches Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (150) mittels einer Haftschicht (140) fest mit dem Halbleitersubstrat (100) verbunden ist.
5. Mikromechanischer Kraftwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Signal die Verformung des Halbleitersubstrats insbesondere an der Oberfläche des Halbleitersubstrats repräsentiert.
6. Mikromechanischer Kraftwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der auf dem Halbleitersubstrat angeordnete Körper durch eine Metallkugel oder eine IMugel realisiert ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Kugel
- im Bereich der Kugelauflage auf das Halbleitersubstrat und/oder - auf der der Kugelauflage gegenüberliegende Seite abgeflacht ist.
7. Vorrichtung mit wenigstens einem mikromechanischen Kraftwandler nach einem der Anspräche 4 bis 6, wobei vorgesehen ist, dass - der mikromechanische Kraftwandler (310, 320, 330, 340) in einem Gehüise (200) angeordnet ist, und
- sich wenigstens ein Teil des Körpers außerhalb des Gehäuses befindet, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Signal, welches mittels der Krafteinwirkung auf den Körper erzeugt wird, mittels einer Verbindungsleitung an eine vom Halbleitersubstrat abgetrennte
Auswerteeinheit (300) weitergeleitet wird.
8. Vorrichtung mit einer Vielzahl von mikromechanischen Kraftwandlern nach einem der Anspräche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder mikromechanische Kraftwandler bei gleicher Krafteinwirkung einen unterschiedlichen Wert des elektrischen Signals liefert.
9. Vorrichtung zur Verwendung in einem Touchpad oder einem Mobiltelefon mit einem Kraftwandler nach einem der Anspräche 4 bis 8.
1 O.Vorrichtung zur Verwendung in einem Touchpad mit einem Kraftwandler nach einem der Anspräche 4 bis 8.
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