WO2009118355A1 - Mikroelektromechanischer inertialsensor mit atmosphaerischer bedaempfung - Google Patents

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WO2009118355A1
WO2009118355A1 PCT/EP2009/053541 EP2009053541W WO2009118355A1 WO 2009118355 A1 WO2009118355 A1 WO 2009118355A1 EP 2009053541 W EP2009053541 W EP 2009053541W WO 2009118355 A1 WO2009118355 A1 WO 2009118355A1
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Wolfgang Reinert
Martin Heller
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Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V.
Sd Sensordynamics Ag
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Definitions

  • the present invention relates to an inertial sensor, preferably an acceleration sensor or multi-axis acceleration sensor as a microelectromechanical component.
  • miniaturized and cost-effective components can be produced that are used, for example, as sensors or actuators in numerous fields of technology with different functions.
  • miniaturized and cost-effective components can be produced that are used, for example, as sensors or actuators in numerous fields of technology with different functions.
  • WLP wafer-level packaging
  • Multi-sensor module is a sensor unit in which several individual sensor modules or units are accommodated in a common housing and which combines them in accordance with the various functions of the individual modules.
  • the structures of a plurality of sensor or multisensor modules are formed by appropriate coating and etching processes on a substrate wafer.
  • the functional units of a plurality of sensor or multi-sensor modules are then next to and / or above each other in a matrix-like manner with the interposition of corresponding separation sections.
  • the substrate wafers are joined together with correspondingly manufactured cap wafers so that each (multi) sensor chip is firmly connected to a corresponding housing chip. Only after this wafer-level join does the unit consisting of substrate wafer and cap wafer then become single chips, i. isolated into the individual sensor or multi-sensor modules.
  • the wafer-level package Due to the massively parallel operation, the wafer-level package has tremendous advantages in terms of cost, component integration density, and yield compared to a chip-level package.
  • a major problem in the production of multi-sensor modules using the WLP is that different sensor systems to fulfill their respective function require individual working pressures and / or individual gas compositions, the partly differ considerably.
  • Resonant systems for example, usually have a high quality, which is why they are operated at correspondingly low working pressures.
  • Resonant yaw rate sensors are usually operated at a working pressure of a few ⁇ bar to a few mbar in order to avoid an undesirably high damping by the gas surrounding the sensor or its detection unit.
  • Acceleration sensors which are based on the principle of action of the inertial mass, however, usually have to be strongly damped, so that here operating pressures are generally of some 100 mbar.
  • the following table shows typical operating pressures for different microsystems, for example:
  • the applicant of the present invention has developed a method for integrating a plurality of sensor units, which require different operating pressures and / or gas compositions, on a multi-sensor module, in which cavities with defined and optionally different gas pressures and / or gas compositions are formed in one operation within the WLP can.
  • the assembly of substrate wafer and cap wafer takes place in a process chamber, which can be acted upon by a gas or gas mixture of appropriate composition and under appropriate pressure.
  • the WLP initially sets the same gas composition at the same pressure in all cavities of the wafer unit. By using getter materials in selected cavities, the gas pressure and / or the gas composition of different cavities is formed differently.
  • Wafer unit with the process technology described above about 200 mbar.
  • this pressure is too low for a precise and reliable operation of acceleration sensors, damping of vibrations can only be ensured insufficiently.
  • the object of the invention is to enable an inertial sensor, in particular a multi-sensor module, in which sensor units of lower quality, such as, for example, heavily damped acceleration sensors, with gas pressure and / or compositions which can be set in a wide range, especially low pressures, can be operated, preferably together with sensor units of high and highest quality, for example resonant yaw rate sensors, bolometers and / or RF switches, on a component.
  • sensor units of lower quality such as, for example, heavily damped acceleration sensors
  • gas pressure and / or compositions which can be set in a wide range, especially low pressures
  • an inertial sensor preferably an acceleration sensor or multi-axis acceleration sensor as a microelectromechanical component, comprising a housing with at least a first gas-filled cavity, in which a first detection unit is movably arranged relative to the housing for detecting an acceleration to be detected, wherein the acceleration sensor a damping structure which damps a movement of the first detection unit in the housing at least in the measuring direction.
  • the invention relates generally to an inertial sensor. It therefore includes acceleration sensors in the broadest sense and, for example, yaw rate sensors.
  • a detection unit in the sense of the invention is a unit or structure that can be used to detect a variable to be measured.
  • driven or non-driven mass units are active or passive structures that react to an acceleration to be detected, including gravitational acceleration, according to the principle of inertial mass or through the action of corrionic accelerations, which reaction is metrologically evaluated by evaluating a resulting change in position
  • Mass unit can be detected to the housing or substrate.
  • the detection unit is thus part of a sensor or a sensor itself.
  • a multisensor module in the sense of the invention is to be understood as meaning a unit in which a plurality of individual sensors of any kind are arranged on a substrate and possibly accommodated in a common housing.
  • the individual sensors can have different functions (eg acceleration sensor with active principle “inertial mass”, acceleration sensor with operating principle “Corriolis acceleration”, yaw rate sensors, actuators, resonators, displays, digital micromirrors, bolometers, RF switches, pressure or temperature sensor, resonant magnetic field sensors, Inclination sensors, etc.) and be arranged in a common cavity or in several different cavities.
  • functions eg acceleration sensor with active principle “inertial mass”, acceleration sensor with operating principle “Corriolis acceleration”, yaw rate sensors, actuators, resonators, displays, digital micromirrors, bolometers, RF switches, pressure or temperature sensor, resonant magnetic field sensors, Inclination sensors, etc.
  • the quality factor of the sensor having the first detection unit can be lowered to below 1, even at low cavity pressures of approximately 100 mbar to 200 mbar, which results in a
  • Refill pressure of about 600 mbar to 1000 mbar corresponds.
  • the residual filling pressure is the internal pressure in the closed cavity, for. B. set by argon filling before the closure of the cavity. Therefore, using the WLP, inertial sensors and, in particular, multi-sensor modules with a plurality of individual sensors can be realized, which can be set at a correspondingly low level
  • Cavity pressure can be operated with a sufficiently strong damping, so that the sensor module comprising the first detection unit, even at low Kavticians committee. is insensitive to vibration, but does not lose its measurement sensitivity to the measured values (e.g., accelerations) to be detected.
  • the damping structure can in principle be designed as desired. Their effectiveness can be limited to a movement axis (measuring axis). A damping in two or three spatial directions is also conceivable with a suitable design. It is essential that the damping unit eliminates or at least minimizes unwanted or undesirably strong relative movements between the first detection unit and the housing due to its damping effect. For this purpose, basically all known functional principles of damping are applicable.
  • Detection unit surrounding medium usually a gas or gas mixture, forcibly passes through one or more bottlenecks in the presence of a damping movement of the first detection unit (squeeze film damping).
  • the bottlenecks can be in be formed in any way.
  • Conceivable are penetrations or projections or similar corresponding dimensions, which are provided in or on the first detection unit.
  • the penetrations or protrusions may be provided on or in the housing or other units which are arranged in the vicinity of the first detection unit, so that a damping effect can be achieved.
  • the damping structure is realized by at least portions of the first detection unit and the housing are arranged and formed such that an intermediate space between them is designed as constriction or narrowing and at least in the measuring direction during movement of the first detection unit is traversed by the present in the cavity gas / gas mixture.
  • the amount of attenuation can be varied widely by the individual geometric configuration (s) of the constriction (s). As has been found particularly advantageous if the aforementioned sections of the first
  • Detection unit and the housing are each comb-like with comb fingers and between these arranged spaces are formed.
  • the comb fingers of the first detection unit engage in the intermediate spaces of the comb-like structure of the housing and vice versa.
  • the damping effect can be defined directionally.
  • a particular high damping results when the comb fingers transverse to the direction to be damped, e.g. the measuring direction, are arranged.
  • the preferred dimensions of the bottlenecks depend on the particular design available. Preferably, the width of the bottlenecks is in a range of 0.4 to 5 microns.
  • the inertial sensor has, in addition to the first gas-filled cavity, a second, preferably likewise gas-filled, cavity in which a second detection unit-and optionally further detection units-and a getter material are arranged. Due to the effect of the getter material, the pressure and / or the gas composition in the second cavity can be adjusted differently from the pressure and / or the gas composition in the first cavity. In this way it is possible to produce multi-sensor modules which have cavities with different gas compositions and / or different pressures. The pressures and gas compositions present in a gettered material cavity can be adjusted individually, for example to within the range of less than 0.1 ⁇ bar.
  • the detection unit arranged in the second or further cavity may, for example, be part of an RF switch, a bolometer or a resonant sensor, such as a rotation rate sensor, or may form such structures.
  • the invention makes it possible for the first time to produce sensors with such different quality factors using the WLP in the form of a multi-sensor module.
  • the number of cavities of the sensor according to the invention can be arbitrarily increased, wherein the pressure and / or the gas composition in each cavity or in selected cavities is adjustable according to the individual sensors or detection units arranged there.
  • the cavities are preferably hermetically sealed against each other and / or the environment.
  • one or more cavities can be connected to the environment via a gas passage or the like, for example, when recording absolute pressure sensors.
  • the first detection unit arranged in the first cavity may be both an active and a passive structure.
  • An example of a passive structure is a mass unit acting as an inert mass which, due to its inertial mass, is subject to an acceleration to be detected relative to the mass
  • An example of an active structure is a mass unit that is excited relative to the housing to move, for example in the form of a rotational vibration and can be detected by means of the detected position changes or accelerations on the effect of Coriolis accelerations.
  • the housing of the inertial sensor according to the invention can in principle be of any desired design. In the framework of the WLP, it is done by joining a Substrate wafer with one or more lid or cap wafers, possibly with the interposition of bonding frame produced.
  • the detection and functional units of the inertial sensor are usually arranged on the substrate wafer, although an arrangement on the cap wafer is likewise possible.
  • the Gettermatehal used in connection with the inertial sensor according to the invention can basically be of any type.
  • getters include metals or alloys such as Ba, Al, Ti, Zr, V, Fe, and the like, e.g. at
  • NEGs NonEvaporable Getters
  • the superficial oxide layer formed on the metal during the sintering step is removed.
  • the activation is then completed by continuous heating of the entire surrounding structure or by resistance heating (with an ohmic heater).
  • the getter material can be selected such that it can absorb the gas present in the cavity or, in the case of a gas mixture, one or more of its constituents so that the activation of the pressure present in the cavity and / or the gas composition can be adjusted. It may be particularly advantageous if the inertial sensor in different cavities different Gettermaterialien each having specific absorption properties or a getter with identical absorption properties, but in different amounts, has. In this way, the internal pressure and / or the gas composition in cavities of almost any number can be adjusted individually according to the respective requirements.
  • the pressure in the second cavity can be adjusted to values between 0.1 ⁇ bar and 1 mbar, preferably between 0.1 ⁇ bar, by appropriate use of getter matehal and ⁇ , 1 mbar.
  • detection units with correspondingly high quality can be operated in the second cavity, wherein detection units which require a correspondingly low quality, ie high pressure, can simultaneously be operated there by the inventive use of the damping structure within the first cavity.
  • the invention further relates to a multiple component for producing an inertial sensor of the type described above.
  • Under a multiple component according to the invention is to provide a unit, an element or a semi-finished, which is preferably prepared using the wafer-level packaging.
  • the functional units of a plurality of sensors are arranged on a substrate wafer, which is then joined together with a correspondingly configured cap wafer, possibly with the interposition of a bonding frame.
  • a large number of sensors are present in a matrix-like arrangement next to and / or above one another.
  • the multiple component of this type is isolated by means of appropriate separation methods to the final sensor modules.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view parallel to the wafer plane through a part of a multi-sensor module
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of the multi-sensor module of Fig. 1 transverse to the wafer plane.
  • a multi-sensor module 20 is shown. It has two individual sensor modules, namely a resonant yaw rate sensor 3 and an acceleration sensor 4, which require very different grades during operation.
  • the resonant rotation rate sensor 3 is arranged in a first cavity 5, while the acceleration sensor 4 is arranged in a second cavity 6.
  • the first cavity 5 and the second cavity 6 are formed in a housing 19, which consists essentially of a substrate 1 and a cap 2, which are hermetically sealed together with the interposition of a bonding frame 7.
  • the resonant rotation rate sensor 3 is shown greatly simplified in FIG. It has a mass unit 25 which is connected to the substrate 1 by means of a suspension 26 in such a way that it is excited relative to the housing formed by substrate 1 and cap element 2 by means of unrepresented excitation electrodes for torsional vibrations about the excitation axis 27 indicated in FIG can be.
  • the mass unit 25 forms the second detection unit of the acceleration sensor according to the invention in the terminology of the general description and the claims.
  • the acceleration sensor 4 is shown in detail in FIG. 1 and has a mass unit 9. This forms the first in the terminology of the general description and the claims detection unit of the acceleration sensor described by way of example.
  • the mass unit 9 acts as a sluggish mass and is used to detect accelerations in the direction transverse to the plane of the drawing of FIG. 2, indicated in FIG. 1 by a directional arrow 28 (measuring direction).
  • the mass unit 9 becomes relative to through the action of acceleration components in the direction 28 the housing 19 formed from substrate 1 and cap member 2 moves, which can be detected by corresponding measuring electrodes 14,15.
  • the bonding frame 7 encloses the sensor regions and cavities 5, 6 and seals them hermetically against each other and against the environment.
  • the arrangement of the structures of the sensors 3, 4 and the recesses may of course also be different than shown in the figure.
  • the sensors 3, 4 can be arranged in a depression of the substrate 1, while the cap element 2 is flat on the inside depending on the space required or has only slight depressions.
  • the sensors 3, 4 may also be mounted in the cap member 2 as needed, so that the aforementioned variants would be realized in mirror image.
  • the production of the illustrated multi-sensor module 20 takes place via a multiple component using the wafer-level packaging.
  • the functional units of a plurality of multi-sensor modules 20, i. a corresponding number of resonant rotation rate sensors 3 and acceleration sensors 4 are arranged on a substrate wafer 1, which is then joined together with a correspondingly formed cap wafer 2 with the interposition of a bonding frame 7.
  • a multiplicity of multi-sensor modules 20 according to FIG. 2 are present in a matrix-like arrangement next to and above one another.
  • the resulting multiple component is then separated by means of appropriate separation process to the final multi-sensor modules 20.
  • the multisensor modules 20 can also be produced individually from a substrate 1 (for example a base chip) carrying the resonant rotation rate sensor 3 and the acceleration sensor 4 and a corresponding cap wafer element 2 (eg cap chip) covering the two cavities 5, 6 and at the same time hermetically separating from each other ,
  • a substrate 1 for example a base chip
  • a cap wafer element 2 eg cap chip
  • the WLP initially has the same gas pressure and the same gas composition in the two cavities 5, 6.
  • An adjustment of the pressure and / or the gas composition in the first cavity 5 to a value suitable for the resonant yaw rate sensor 3 is achieved by the use of a getter material 8 arranged inside the cavity 5.
  • the getter material 8 can be arranged in any shape, for example as a strip or surface, in the cavity 5, but it can also have a structured shape. Conveniently, it is on the cap side of the wafer or the like. Attached, for example, in the wells, provided that they are provided there. Alternatively, however, the getter material 8 can also be located on the substrate side, for example laterally of the sensors 3, 4 or even below, unless the corresponding surfaces are otherwise required.
  • the gas atmosphere used in the manufacture of the multi-sensor module 20 is selected such that it has at least one type of gas, which differs from the
  • Getter material 8 can be absorbed.
  • the use of a clean gas is possible. Due to the absorption properties of getter matehal 8 in relation to this type of gas, after activation the first cavity 5 has a different internal pressure and / or different gas composition than the second cavity 6 in the first cavity 5 present internal pressure on a required to operate the resonant yaw rate sensor 3 value, for example, to 0.1 mbar lowered.
  • the pressure present in the second cavity 6 and the gas composition present therein substantially correspond to the pressure and the gas composition during the assembly of the substrate 1 and the cap element 2.
  • the acceleration sensor 4 is provided with a damping structure 16a, b, c, d.
  • Their configuration is shown in greater detail in FIG. 1, which shows a schematic plan view of the acceleration sensor 4.
  • the mass unit 9 is connected to the substrate 1 via suspension springs 10a, b and corresponding anchoring structures 11a, b.
  • the Damping structure 16a, b, c, d the quality factor is lowered in the measuring direction 28 to values below 1, which corresponds to a pressure in the second cavity 6 of about 200 mbar a backfill pressure of about 600 mbar to 1000 mbar.
  • the sensor 4 is thus insensitive to vibrations acting in the measuring direction 28, but does not lose its measuring sensitivity with respect to the accelerations to be detected in this measuring direction.
  • the damping structure 16a, b, c, d consists essentially of a fixed damping comb 17a, b, c, d which is fixedly arranged on the substrate 1.
  • the solid damping comb 17a, b, c, d cooperates with a counter-damping comb 18a, bc, d, which is realized by a corresponding shaping of the mass unit 9.
  • the fixed damping comb 17a, b, c, d has comb-like outgoing from a central region 21 comb fingers 22, between which correspondingly dimensioned gaps 23 are formed. In this comb fingers 24 of the counter-damping comb 18a, b, c, d engage.
  • the comb fingers 22,24 are oriented transversely to the measuring direction 28.
  • the damping structure 16a, b, c, d functions in the manner of a piston-cylinder system.
  • a movement of the mass unit 9 in the measuring direction 28 relative to the substrate 1 due to an external acceleration there is a shift of the fixed damping comb 17a, b, c, d against the counter-damping comb 18a, b, c, d in the measuring direction 28.
  • This displacement comes it results in a displacement of the gas present in the intermediate spaces 23 between the damping chambers 17a, b, c, d, 18a, b, c, d.
  • a movement of the mass unit 9 relative to the housing formed from substrate 1 and cap member 2 is detected by fixed measuring electrodes 14 and counter-measuring electrodes 15.
  • the measuring electrodes 14 are firmly connected to the substrate 1, the counter-measuring electrodes to the mass unit 9.
  • the acceleration sensor 4 shown in FIG. 2 has a fixed one
  • Excitation electrode 12 and a corresponding counter electrode 13 By excitation via this arrangement, the mass unit 9 of the acceleration sensor 4 can be excited in the measuring direction 28.
  • the purpose of this suggestion is to carry it out an electrical function test without mechanical excitation from the outside, which can be very helpful in wafer level inspection prior to capping and sawing.
  • the solid damping comb 17a, b, c, d is connected via the substrate 1 to a definable or defined electrical potential. This serves the purpose of substantially avoiding charging effects that may occur due to the narrow spaces 23 and therefore to prevent uncontrolled sticking of the comb finger structures 22, 24 to each other.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Inertialsensor, vorzugsweise einen Beschleunigungssensor oder Mehrachsen-Beschleunigungssensor als mikroelektromechanisches Bauelement, der ein Gehäuse mit wenigstens einer ersten gasgefüllten Kavität aufweist, in der zur Detektion einer zu erfassenden Beschleunigung eine erste Detektionseinheit gegenüber dem Gehäuse beweglich angeordnet ist, wobei der Inertialsensor eine Dämpfungsstruktur aufweist.

Description

Mikroelektromechanischer Inertialsensor mit atmosphärischer Bedämpfung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Inertialsensor, vorzugsweise einen Beschleunigungssensor oder Mehrachsen-Beschleunigungssensor als mikroelektromechanisches Bauelement.
Mit Hilfe der Mikrosystemtechnik lassen sich miniaturisierte und kostengünstige Bauteile herstellen, die beispielsweise als Sensoren oder Aktoren in zahlreichen Bereichen der Technik mit unterschiedlichen Funktionen eingesetzt werden. Insbesondere in der Automobilindustrie aber auch im Maschinenbau besteht ein Bedarf an komplexen, integriert aufgebauten Mikrosystembauteilen, die unterschiedliche Mess- und Regelfunktionen autonom und mit geringem Energiebedarf durchführen. Infolge der fortwährenden Erhöhung der technologischen Integrationsdichte von Mikrosystemen existieren Bemühungen dahin, die Mikrosystembauteile als Multisensormodule unter Verwendung des so genannten Wafer-Level-Packaging (WLP) herzustellen. Ein
Multisensormodul ist eine Sensoreinheit, bei der mehrere Einzelsensormodule oder - einheiten in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind und die entsprechend der verschiedenen Funktionen der Einzelmodule diese in sich kombiniert.
Bei der Herstellung von Sensor- und Multisensormodulen mit Hilfe des Wafer-Level- Packaging werden die Strukturen mehrerer Sensor- oder Multisensormodule durch entsprechende Beschichtungs- und Ätzvorgänge auf einem Substratwafer ausgebildet. Auf diesem liegen dann die Funktionseinheiten mehrerer Sensor- oder Multisensormodule unter Zwischenlage entsprechender Trennungsabschnitte matrixartig neben- und/oder übereinander vor. Die Substratwafer werden mit entsprechend gefertigten Kappenwafern zusammengefügt, so dass jeder (Multi)Sensorchip mit einem entsprechenden Gehäusechip fest verbunden wird. Erst nach dieser Fügung auf Waferebene wird dann die aus Substratwafer und Kappenwafer bestehende Einheit in einzelne Chips, d.h. in die einzelnen Sensor- oder Multisensormodule vereinzelt.
Durch die massiv parallele Arbeitsweise hat die Gehäusung auf Waferebene im Vergleich zu einer Gehäusung auf Chipebene enorme Vorteile in Bezug auf Kosten, Bauteilintegrationsdichte und Ausbeute.
Eine wesentliche Problematik bei der Herstellung von Multisensormodulen mit Hilfe des WLP ist, dass unterschiedliche Sensorsysteme zur Erfüllung ihrer jeweiligen Funktion individuelle Arbeitsdrücke und/oder individuelle Gaszusammensetzungen benötigen, die teils erheblich voneinander abweichen. Resonante Systeme z.B. besitzen meist eine hohe Güte, weshalb sie bei entsprechend geringen Arbeitsdrücken betrieben werden. Resonante Drehratensensoren werden üblicherweise bei einem Arbeitsdruck von einigen μbar bis einigen mbar betrieben, um eine unerwünscht starke Dämpfung durch das die Sensor- oder deren Detektionseinheit umgebende Gas zu vermeiden. Beschleunigungssensoren, die auf dem Wirkprinzip der trägen Masse beruhen, müssen hingegen meist stark gedämpft werden, so dass hier Betriebsdrücke in der Regel von einigen 100 mbar vorliegen. Die folgende Tabelle zeigt beispielhaft für verschiedene Mikrosysteme jeweils typische Betriebsdrücke:
Figure imgf000004_0001
Aufgrund der parallelen Arbeitsweise beim WLP stellt die Ausbildung entsprechender Drücke oder Gaszusammensetzungen in den verschiedenen Hohlräumen der zu den einzelnen Modulen zu vereinzelnden Wafereinheit eine wesentliche Problematik dar.
Der Anmelder der vorliegenden Erfindung hat zur Integration mehrerer Sensoreinheiten, die unterschiedliche Betriebsdrücke und/oder Gaszusammensetzungen erfordern, auf einem Multisensormodul ein Verfahren entwickelt, bei dem im Rahmen des WLP in einem Arbeitsgang Kavitäten mit definierten und ggf. unterschiedlichen Gasdrücken und/oder Gaszusammensetzungen ausgebildet werden können. Die Zusammenfügung von Substratwafer und Kappenwafer findet dabei in einer Prozesskammer statt, die mit einem Gas oder Gasgemisch entsprechender Zusammensetzung und unter entsprechendem Druck beaufschlagt werden kann. Fertigungstechnisch bedingt wird beim WLP in sämtlichen Kavitäten der Wafereinheit zunächst die gleiche Gaszusammensetzung bei gleichem Druck eingestellt. Durch eine Verwendung von Gettermaterialien in ausgewählten Kavitäten wird der Gasdruck und/oder die Gaszusammensetzung verschiedener Kavitäten unterschiedlich ausgebildet. Diese Prozesstechnik erlaubt auf dem derzeitigen Stand jedoch keine beliebige Einstellung unterschiedlicher Druckwerte und/oder Gaszusammensetzungen in den jeweiligen Kavitäten. Soll beispielsweise in einer ersten Kavität ein resonanter Drehratensensor entsprechender Güte bei einem Druck von etwa 0,1 mbar betrieben werden, so beträgt der maximal erzeugbare Druck in anderen Kavitäten der
Wafereinheit mit der zuvor beschriebenen Prozesstechnik etwa 200 mbar. Dieser Druck ist jedoch für einen präzisen und zuverlässigen Betrieb von Beschleunigungssensoren zu gering, eine Bedämpfung von Vibrationen kann nur unzureichend gewährleistet werden.
Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Inertialsensor, insbesondere ein Multisensormodul, zu ermöglichen, bei dem Sensoreinheiten geringerer Güte, wie beispielsweise stark bedämpfte Beschleunigungssensoren, mit in einem weiten Bereich einstellbaren Gasdruck und/oder -Zusammensetzungen, insbesondere niedrigen Drücken, betrieben werden können, vorzugsweise zusammen mit Sensoreinheiten hoher und höchster Güte, beispielsweise resonanten Drehratensensoren, Bolometern und/oder RF-Switches, auf einem Bauteil.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Inertialsensor, vorzugsweise Beschleunigungssensor oder Mehrachsen-Beschleunigungssensor als mikroelektromechanisches Bauelement, aufweisend ein Gehäuse mit wenigstens einer ersten gasgefüllten Kavität, in der zur Detektion einer zu erfassenden Beschleunigung eine erste Detektionseinheit gegenüber dem Gehäuse beweglich angeordnet ist, wobei der Beschleunigungssensor eine Dämpfungsstruktur aufweist, die eine Bewegung der ersten Detektionseinheit in dem Gehäuse zumindest in Messrichtung dämpft. Die Erfindung betrifft ganz allgemein einen Inertialsensor. Sie umfasst daher Beschleunigungsensoren im weitesten Sinne sowie beispielsweise auch Drehratensensoren. Unter einer Detektionseinheit im Sinne der Erfindung ist eine Einheit oder Struktur zu verstehen, die zur Erfassung einer zu messenden Größe genutzt werden kann. Beispielhaft zu nennen sind in diesem Zusammenhang angetriebene oder nicht angetriebene Masseeinheiten als aktive oder passive Strukturen, die nach dem Prinzip der trägen Masse oder durch die Einwirkung von Corriolisbeschleunigungen auf eine zu erfassende Beschleunigung einschließlich der Erdbeschleunigung reagieren, welche Reaktion messtechnisch durch Auswertung einer resultierenden Lageänderung der Masseeinheit zum Gehäuse oder Substrat erfasst werden kann. Die Detektionseinheit ist also Bestandteil eines Sensors oder ein Sensor selbst. Unter einem Multisensormodul im Sinne der Erfindung ist eine Einheit zu verstehen, bei der mehrere Einzelsensoren beliebiger Art auf einem Substrat angeordnet und ggf. in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Die Einzelsensoren können unterschiedliche Funktionen besitzen (z.B. Beschleunigungssensor mit Wirkprinzip "träge Masse", Beschleunigungssensor mit Wirkprinzip "Corriolis-Beschleunigung", Drehratensensoren, Aktuatoren, Resonatoren, Displays, digitale Mikrospiegel, Bolometer, RF-Switches, Druck- oder Temperatursensor, resonante Magnetfeldsensoren, Neigungssensoren, etc.) und in einer gemeinsamen Kavität oder auch in mehreren verschiedenen Kavitäten angeordnet sein.
Durch das Vorsehen der Dämpfungsstruktur mit Wirkrichtung vorzugsweise in Messrichtung der ersten Detektionseinheit kann der Gütefaktor des die erste Detektionseinheit aufweisenden Sensors auch bei geringen Kavitätsdrücken von ca. 100 mbar bis 200 mbar auf bis unter 1 abgesenkt werden, was einem
Rückbefüllungsdruck von ca. 600 mbar bis 1000 mbar entspricht. Unter dem Restbefüllungsdruck ist der Innendruck in der geschlossenen Kavität zu verstehen, z. B. eingestellt durch Argonbefüllung vor dem Verschluss der Kavität. Es lassen sich daher unter Verwendung des WLP Inertialsensoren und insbesondere Multisensormodule mit mehreren Einzelsensoren realisieren, die bei entsprechend niedrig eingestelltem
Kavitätendruck mit einer ausreichend starken Bedämpfung betrieben werden können, so dass das die erste Detektionseinheit aufweisende Sensormodul auch bei niedrigen Kavitätsdrücken z.B. gegenüber Vibrationen unempfindlich ist, jedoch gegenüber den zu erfassenden Messwerten (z.B. Beschleunigungen) seine Messempfindlichkeit nicht verliert.
Die Dämpfungsstruktur kann prinzipiell beliebig ausgebildet sein. Ihre Wirksamkeit kann auf eine Bewegungsachse (Messachse) beschränkt sein. Eine Bedämpfung in zwei oder drei Raumrichtungen ist bei geeigneter Auslegung jedoch ebenfalls denkbar. Wesentlich ist, dass die Dämpfungseinheit unerwünschte oder unerwünscht starke Relativbewegungen zwischen der ersten Detektionseinheit und dem Gehäuse durch Ihre Dämpfungswirkung eliminiert oder zumindest minimiert. Zu diesem Zweck sind grundsätzlich alle bekannten Funktionsprinzipien einer Bedämpfung anwendbar.
Besonders vorteilhaft wird eine Bedämpfung bewirkt, indem ein die erste
Detektionseinheit umgebendes Medium, meist ein Gas oder Gasgemisch, bei Vorliegen einer zu dämpfenden Bewegung der ersten Detektionseinheit zwangsweise durch eine oder mehrere Engstellen strömt (Quetschfilm-Dämpfung). Die Engstellen können in beliebiger weise ausgebildet sein. Denkbar sind Durchdringungen oder Vorsprünge oder ähnliches entsprechender Abmessungen, die in oder an der ersten Detektionseinheit vorgesehen sind. Alternativ oder zusätzlich können die Durchdringungen oder Vorsprünge an oder in dem Gehäuse oder anderen Einheiten vorgesehen sein, die in der Nähe der ersten Detektionseinheit angeordnet sind, so dass eine Dämpfungswirkung erzielt werden kann. In vorteilhafter weise ist im Falle eines gehäusten Sensors die Dämpfungsstruktur realisiert, indem wenigstens Abschnitte der ersten Detektionseinheit und des Gehäuses derart angeordnet und ausgebildet sind, dass ein zwischen ihnen befindlicher Zwischenraum als Engstelle oder Verengung ausgebildet ist und bei einer Bewegung der ersten Detektionseinheit zumindest in Messrichtung von dem in der Kavität vorliegenden Gas/Gasgemisch durchströmt wird.
Die Stärke der Bedämpfung kann durch die individuelle(n) geomethsche(n) Ausgestaltung(en) der Verengung(en) in weiten Grenzen variiert werden. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die vorgenannten Abschnitte der ersten
Detektionseinheit und des Gehäuses jeweils kammartig mit Kammfingern und zwischen diesen angeordneten Zwischenräumen ausgebildet sind. Dabei greifen die Kammfinger der ersten Detektionseinheit in die Zwischenräume der kammartigen Struktur des Gehäuses und umgekehrt ein. Durch eine entsprechende Orientierung der Kammfinger und/oder durch eine Ausbildung von Kammfingern, die in unterschiedliche Richtungen orientiert sind, kann die Dämpfungswirkung richtungsmäßig definiert werden. Eine besondere hohe Dämpfung ergibt sich, wenn die Kammfinger quer zur zu bedämpfenden Richtung, z.B. der Messrichtung, angeordnet sind. Die bevorzugten Abmessungen der Engstellen hängen von dem jeweils vorliegenden Design ab. Bevorzugt liegt die Breite der Engstellen in einem Bereich von 0,4 bis 5 μm.
Der Inertialsensor weist gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform neben der ersten gasgefüllten Kavität eine zweite, vorzugsweise ebenfalls gasgefüllte Kavität auf, in der eine zweite Detektionseinheit - und ggf. weitere Detektionseinheiten - und ein Gettermaterial angeordnet sind. Durch die Wirkung des Gettermaterials kann der Druck und/oder die Gaszusammensetzung in der zweiten Kavität gegenüber dem Druck und/oder der Gaszusammensetzung in der ersten Kavität unterschiedlich eingestellt werden. Auf diese Weise ist die Herstellung von Multisensormodulen möglich, die Kavitäten mit unterschiedlichen Gaszusammensetzungen und/oder unterschiedlichen Drücken aufweisen. Die in mit einem Gettermaterial versehenen Kavität vorliegenden Drücke und Gaszusammensetzungen können individuell eingestellt werden, beispielsweise bis in Bereiche von weniger als 0,1 μbar. So ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, in der ersten Kavität einen Druck von ca. 200 mbar einzustellen, während in mit einem Gettermaterial versehenen Kavitäten der Druck demgegenüber auf werte bis ca. zwischen 1 mbar und 0,1 mbar und weniger eingestellt werden kann. Durch Verwendung einer entsprechenden Bedämpfung kann dabei in der ersten Kavität ein Sensor mit einem Gütefaktor von weniger als 1 und in der zweiten und/oder weiteren mit dem Gettermaterial versehenen Kavität ein Sensor mit einer eine hohe Güte erfordernden Detektionseinheit einem Gütefaktoren von bis zu 7000 (bei f=6000Hz) oder 20000 (bei f=16000Hz) betrieben werden. Die in der zweiten oder weiteren Kavität angeordnete Detektionseinheit kann beispielsweise Teil eines RF-Switchs, eines Bolometers oder eines resonanten Sensors wie eines Drehratensensors sein oder solche Strukturen ausbilden. Dabei ist es im Rahmen des WLP weiterhin möglich, in der ersten Kavität ausreichend hohe Drücke auszubilden, so dass durch die zusätzliche Wirkung der Dämpfungsstruktur eine ausreichende Bedämpfung der ersten Detektionseinheit ermöglicht wird. So wird durch die Erfindung erstmals ermöglicht, Sensoren mit derart unterschiedlichen Gütefaktoren unter Verwendung des WLP in Form eines Multisensormoduls herzustellen.
Die Anzahl der Kavitäten des erfindungsgemäßen Sensors kann beliebig erhöht werden, wobei der Druck und/oder die Gaszusammensetzung in jeder Kavität oder in ausgewählten Kavitäten entsprechend den dort angeordneten Einzelsensoren oder Detektionseinheiten einstellbar ist. Die Kavitäten sind vorzugsweise gegeneinander und/oder gegenüber der Umgebung hermetisch abgedichtet. Je nach Art der in den jeweiligen Kavitäten angeordneten Einzelsensormodulen und Detektionseinheiten können einzelne oder mehrere Kavitäten über einen Gasdurchlass oder ähnliches mit der Umgebung verbunden sein, beispielsweise bei einer Aufnahme von Absolutdrucksensoren.
Bei der in der ersten Kavität angeordneten ersten Detektionseinheit kann es sich sowohl um eine aktive als auch um eine passive Struktur handeln. Ein Beispiel für eine passive Struktur ist eine als träge Masse wirkende Masseeinheit, die sich aufgrund ihrer trägen Masse bei Einwirkung einer zu erfassenden Beschleunigung relativ zu dem
Gehäuse verschiebt. Ein Beispiel einer aktiven Struktur stellt eine Masseeinheit dar, die relativ zum Gehäuse zu einer Bewegung beispielsweise in Form einer Rotationsschwingung angeregt wird und mittels der zu erfassende Lageänderungen oder Beschleunigungen über die Wirkung von Coriolis-Beschleunigungen erfasst werden können.
Das Gehäuse des erfindungsgemäßen Inertialsensors kann grundsätzlich beliebig ausgebildet sein. Im Rahmen des WLP wird es durch Zusammenfügen eines Substratwafers mit einem oder mehreren Deckel- oder Kappenwafern ggf. unter Zwischenlage von Bondrahmen erzeugt. Die Detektions- und Funktionseinheiten des Inertialsensors sind üblicherweise auf dem Substratwafer angeordnet, allerdings ist gleichfalls eine Anordnung an dem Kappenwafer möglich.
Das im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Inertialsensor verwendet Gettermatehal kann grundsätzlich beliebiger Art sein.
Zu den bereits seit längerem Verwendeten gehören Getter aus Metallen oder Legierungen wie Ba, AI, Ti, Zr, V, Fe und dergleichen, die z.B. bei
Kathodenstrahlröhren, Flachbildschirmen, Teilchenbeschleunigern oder Halbleiterverarbeitungs-Ausrüstungen eingesetzt werden, siehe z.B. die US-Patente 4,269,624, 5,320,496, 4,977,035 oder 6,236,156. Diese Materialien ab- oder adsorbieren verschiedene Gase durch Oxid- und Hydridbildung oder einfache Oberflächenadsorption. Sogenannte NonEvaporable Getters (NEGs) wurden ab der Mitte der 90er Jahre des vergangenen Jahrhunderts in Tabletten- oder Streifenform in speziell dafür ausgebildete Vertiefungen oder benachbart zum Chip in einer Umhüllung aus Keramik angebracht. Um den Oberflächenbereich möglichst groß zu machen, werden die NEGs häufig mit Hilfe von pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt, in denen das Sintern der Metallteilchen nur gerade initiiert wird, wodurch kleine Zwischenräume zwischen den Metallkügelchen verbleiben. Mit Hilfe eines Temperaturaktivierungs-Schritts im Vakuum oder in einer Wasserstoff enthaltenden, reduzierenden Atmosphäre wird die oberflächliche Oxidschicht entfernt, die sich während des Sinterschritts auf dem Metall gebildet hat. Die Aktivierung wird dann durch durchgehendes Erhitzen der gesamten umgebenden Struktur oder durch Widerstandsheizen (mit einer Ohm'schen Heizung) abgeschlossen.
Das Gettermaterial kann derart ausgewählt sein, dass es das in der Kavität vorliegende Gas oder im Falle eines Gasgemisches einen oder mehrere dessen Bestandteile absorbieren kann, so dass durch die Aktivierung der in der Kavität vorliegende Druck und/oder die Gaszusammensetzung eingestellt werden können. Dabei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn der Inertialsensor in verschiedenen Kavitäten unterschiedliche Gettermaterialien mit jeweils spezifischen Absorptionseigenschaften oder ein Gettermaterial mit identischen Absorptionseigenschaften, jedoch in unterschiedlichen Mengen, aufweist. Auf diese Weise können der Innendruck und/oder die Gaszusammensetzung in Kavitäten nahezu beliebiger Anzahl individuell entsprechend den jeweiligen Erfordernissen eingestellt werden. Beträgt der Druck in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform in der ersten Kavität zwischen 100 mbar und 200 mbar, so kann durch eine entsprechende Verwendung von Gettermatehal der Druck in der zweiten Kavität auf werte zwischen 0,1 μbar und 1 mbar, vorzugsweise zwischen 0,1 μbar und θ,1 mbar eingestellt werden. Bei diesen Drücken können in der zweiten Kavität Detektionseinheiten mit entsprechend hoher Güte betrieben werden, wobei gleichzeitig durch die erfindungsgemäße Verwendung der Dämpfungsstruktur innerhalb der ersten Kavität dort Detektionseinheiten betrieben werden können, die eine entsprechend geringe Güte, d.h. hohen Druck, benötigen.
Durch die meist engen Zwischenräume der Dämpfungsstruktur, d.h. den engen Zwischenräumen der ersten Detektionseinheit unter dem Gehäuse, kann es im Betrieb des Sensors zu unerwünschten Störungen durch Aufladungseffekte kommen. Diese können gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung vermieden werden, indem der gehäuseseitige Abschnitt oder die gehäuseseitigen Abschnitte der Dämpfungseinheit elektrisch mit einem definierten oder definierbaren Potential verbunden ist. Diese elektrisch leitende Verbindung mit einem definierten Potential besitzt erfindungsgemäß jedoch keine aktive elektrische Anregungs- oder Auslesefunktion, kann aber sehr wohl zu einer kontrollierten mechanischen Verstimmung der beweglichen Sensorstruktur durch eine angelegte statische Vorspannung genutzt werden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Vielfachbauelement zur Herstellung eines Inertialsensors der zuvor beschriebenen Art. Unter einem Vielfachbauelement im Sinne der Erfindung ist eine Einheit, ein Element oder ein Halbzeug zu versehen, das vorzugsweise unter Verwendung des Wafer-Level-Packaging hergestellt ist. Dabei werden die Funktionseinheiten mehrerer Sensoren auf einem Substratwafer angeordnet, der dann mit einem entsprechend ausgebildeten Kappenwafer ggf. unter Zwischenlage eines Bondrahmens zusammengefügt wird. Bei dem so hergestellten Vielfachbauelement liegt eine Vielzahl von Sensoren in einer matrixartigen Anordnung neben- und/oder übereinander vor. Das derartiges Vielfachbauelement wird mittels entsprechender Trennverfahren zu den letztendlichen Sensormodulen vereinzelt. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer besonders bevorzugten Ausführungsform anhand der Figuren. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht parallel zur Waferebene durch einen Teil eines Multisensormoduls und
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht des Multisensormoduls der Fig. 1 quer zur Waferebene.
In der Fig. 2 ist ein Multisensormodul 20 dargestellt. Es weist zwei Einzelsensormodule auf, nämlich einen resonanten Drehratensensor 3 und einen Beschleunigungssensor 4, die im Betrieb stark unterschiedliche Güten benötigen. Der resonante Drehratensensor 3 ist in einer ersten Kavität 5 angeordnet, während der Beschleunigungssensor 4 in einer zweiten Kavität 6 angeordnet ist. Die erste Kavität 5 und die zweite Kavität 6 sind in einem Gehäuse 19 ausgebildet, das im Wesentlichen aus einem Substrat 1 und einer Kappe 2 besteht, die unter Zwischenlage eines Bondrahmens 7 hermetisch dicht miteinander gefügt sind.
Der resonante Drehratensensor 3 ist in der Fig. 2 stark vereinfacht dargestellt. Er weist eine Masseeinheit 25 auf, die mittels einer Aufhängung 26 mit dem Substrat 1 derart verbunden ist, dass sie relativ zu dem aus Substrat 1 und Kappenelement 2 gebildeten Gehäuse mittels nicht dargestellter Anregungselektroden zu Drehschwingungen um die in der Fig. 2 angedeutete Anregungsachse 27 angeregt werden kann. Die Masseeinheit 25 bildet die in der Terminologie der allgemeinen Beschreibung und der Ansprüche zweite Detektionseinheit des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors aus. Durch den resonanten Drehratensensor 3 können Rotationen des Beschleunigungssensors um Achsen quer zur Anregungsachse 27 erfasst werden.
Der Beschleunigungssensor 4 ist detailliert in der Fig. 1 dargestellt und weist eine Masseeinheit 9 auf. Diese bildet die in der Terminologie der allgemeinen Beschreibung und der Ansprüche erste Detektionseinheit des beispielhaft beschriebenen Beschleunigungssensors aus. Die Masseeinheit 9 wirkt als träge Masse und dient zur Erfassung von Beschleunigungen in Richtung quer zur Zeichnungsebene der Fig. 2, in der Fig. 1 durch einen Richtungspfeil 28 angedeutet (Messrichtung). Die Masseeinheit 9 wird durch die Wirkung von Beschleunigungskomponenten in der Richtung 28 relativ zu dem aus Substrat 1 und Kappenelement 2 gebildeten Gehäuse 19 bewegt, was durch entsprechende Messelektroden 14,15 erfasst werden kann.
Der Bondrahmen 7 umschließt die Sensorbereiche und Kavitäten 5, 6 und dichtet diese hermetisch gegeneinander und gegenüber der Umgebung ab. Es sollte klar sein, dass die Anordnung der Strukturen der Sensoren 3, 4 und der Vertiefungen natürlich auch eine andere sein kann als in der Figur gezeigt. Z.B. können die Sensoren 3, 4 in einer Vertiefung des Substrats 1 angeordnet sein, während das Kappenelement 2 innenseitig je nach Platzbedarf eben ist oder nur geringfügige Vertiefungen aufweist. Stattdessen können die Sensoren 3, 4 bei Bedarf auch im Kappenelement 2 angebracht sein, so dass die vorgenannten Varianten spiegelbildlich zu realisieren wären.
Die Herstellung des dargestellten Multisensormoduls 20 erfolgt über ein Vielfachbauelement unter Verwendung des Wafer-Level-Packaging. Dabei werden die Funktionseinheiten mehrerer Multisensormodule 20, d.h. eine entsprechende Anzahl resonanter Drehratensensoren 3 und Beschleunigungssensoren 4 auf einem Substratwafer 1 angeordnet, der dann mit einem entsprechend ausgebildeten Kappenwafer 2 unter Zwischenlage eines Bondrahmens 7 zusammengefügt wird. Bei dem so hergestellten Mehrfachbauelement liegt eine Vielzahl von Multisensormodulen 20 gemäß der Fig. 2 in einer matrixartigen Anordnung neben- und übereinander vor. Das so entstandene Vielfachbauelement wird dann mittels entsprechender Trennverfahren zu den letztendlichen Multisensormodulen 20 vereinzelt.
Alternativ können die Multisensormodule 20 auch einzeln aus einem den resonanten Drehratensensor 3 und den Beschleunigungssensor 4 tragenden Substrat 1 (z.B. als Basischip) und einem entsprechenden, die beiden Kavitäten 5, 6 abdeckenden und dabei gleichzeitig voneinander hermetisch trennenden Kappenwaferelement 2 (z.B. Kappenchip) erzeugt werden.
Unabhängig davon, ob das in der Fig. 2 dargestellt Multisensormodul 20 über ein Vielfachbauelement unter nachfolgender Vereinzelung oder direkt als Einzelmultisensormodul hergestellt wird, liegt beim WLP zunächst in den beiden Kavitäten 5, 6 der gleiche Gasdruck und die gleiche Gaszusammensetzung vor. Eine Einstellung des Drucks und/oder der Gaszusammensetzung in der ersten Kavität 5 auf eine für den resonanten Drehratensensor 3 geeigneten Wert wird durch den Einsatz eines innerhalb der Kavität 5 angeordneten Gettermaterials 8 erzielt. Das Gettermaterial 8 kann in beliebiger Form, z.B. als Streifen oder Fläche, in der Kavität 5 angeordnet sein, es kann aber auch eine strukturierte Gestalt besitzen. In günstiger Weise wird es auf der Kappenseite des Wafers oder dgl. angebracht, z.B. in dessen Vertiefungen, sofern diese dort vorgesehen sind. Alternativ kann sich das Gettermaterial 8 aber auch auf der Substratseite befinden, z.B. seitlich der Sensoren 3, 4 oder sogar darunter, sofern die entsprechenden Flächen nicht anderweitig benötigt werden.
Die bei der Herstellung des Multisensormoduls 20 verwendete Gasatmosphäre ist derart ausgewählt, dass sie mindestens eine Gassorte aufweist, die von dem
Gettermaterial 8 absorbiert werden kann. Die Verwendung eines Reingases ist möglich. Aufgrund der Absorptionseigenschaften des Gettermatehals 8 gegenüber dieser Gassorte weist die erste Kavität 5 nach dessen Aktivierung einen anderen Innendruck und/oder eine andere Gaszusammensetzung auf als die zweite Kavität 6. Hierdurch wird - ausgehend von Gasdruck während des Zusammenfügens von Substrat 1 und Kappenelement 2 - der in der ersten Kavität 5 vorliegende Innendruck auf einem zum Betrieb des resonanten Drehratensensors 3 erforderlichen Wert, beispielsweise auf 0,1 mbar, abgesenkt. Der in der zweiten Kavität 6 vorliegende Druck sowie die dort vorliegende Gaszusammensetzung entsprechen im Wesentlichen dem Druck und der Gaszusammensetzung während des Zusammenfügens von Substrat 1 und Kappenelement 2.
Einer Einstellung der Druckverhältnisse in der Kavität 5 durch Verwendung des Gettermaterials 8 sind allerdings Grenzen gesetzt. Soll der Innendruck der Kavität 5 auf einen Wert von etwa 0,1 mbar abgesenkt werden, der für einen einwandfreien Betrieb des dort angeordneten resonanten Drehratensensors 3 erforderlich ist, beträgt der maximal mögliche Druck vor der Aktivierung ca. 200 mbar. Dieser Druck entspricht dem in der zweiten Kavität 6, in der der Beschleunigungssensor 4 angeordnet ist, vorliegenden Druck. Er ist für einen einwandfreien und verlässlichen Betrieb des Beschleunigungssensors 4 jedoch zu gering. Dieser ist bei einem solchen Druck gegenüber störenden Einflüssen, beispielsweise aufgrund von Vibrationen, zu empfindlich und kann nicht mit der entsprechenden Güte betrieben werden.
Um hier Abhilfe zu schaffen, ist der Beschleunigungssensor 4 mit einer Dämpfungsstruktur 16a,b,c,d versehen. Deren Ausgestaltung ist genauer in der Fig. 1 dargestellt, die eine schematische Aufsicht auf den Beschleunigungssensor 4 zeigt. Die Masseeinheit 9 ist über Aufhängungsfedern 10a,b und entsprechende Verankerungsstrukturen 11 a,b mit dem Substrat 1 verbunden. Durch die Dämpfungsstruktur 16a,b,c,d wird der Gütefaktor in Messrichtung 28 auf werte bis unter 1 abgesenkt, was bei einem in der zweiten Kavität 6 vorliegenden Innendruck von ca. 200 mbar einem Rückbefüllungsdruck von ca. 600 mbar bis 1000 mbar entspricht. Der Sensor 4 wird damit unempfindlich gegenüber in Messrichtung 28 wirkenden Vibrationen, verliert jedoch nicht seine Messempfindlichkeit gegenüber den in dieser Messrichtung nachzuweisenden Beschleunigungen.
Die Dämpfungsstruktur 16a,b,c,d besteht im wesentlichen aus einem festen Bedämpfungskamm 17a,b,c,d der fest auf dem Substrat 1 angeordnet ist. Der feste Bedämpfungskamm 17a,b,c,d wirkt mit einem Gegenbedämpfungskamm 18a,bc,d zusammen, der durch eine entsprechende Formgebung der Masseeinheit 9 realisiert ist. Der feste Bedämpfungskamm 17a,b,c,d weist kammartig von einem Zentralbereich 21 ausgehende Kammfinger 22 auf, zwischen denen entsprechend dimensionierte Zwischenräume 23 ausgebildet sind. In diese greifen Kammfinger 24 des Gegenbedämpfungskamms 18a,b,c,d ein. Die Kammfinger 22,24 sind quer zur Messrichtung 28 orientiert.
Die Dämpfungsstruktur 16a,b,c,d funktioniert nach Art eines Kolben-Zylinder-Systems. Bei einer Bewegung der Masseeinheit 9 in Messrichtung 28 relativ zum Substrat 1 aufgrund einer äußeren Beschleunigung kommt es zu einer Verschiebung des festen Bedämpfungskamms 17a,b,c,d gegenüber dem Gegenbedämpfungskamm 18a,b,c,d in Messrichtung 28. Durch diese Verschiebung kommt es zu einer Verdrängung des in den Zwischenräumen 23 zwischen den Bedämpfungskämmen 17a,b,c,d;18a,b,c,d vorliegenden Gases. Dieses muß von einer Seite eines Kammfingers 22,24 auf die andere Seite und dabei durch die als enge Spalte oder Verengung ausgebildeten Zwischenräume 23 zwischen den Kammfingern 22,24 und zwischen Substrat 1 , Masseeinheit 9 und Kappenwafer 2 strömen. Aufgrund des dort vorliegenden engen Spaltmaßes werden diesen Strömungen teils erhebliche Widerstände entgegengesetzt, die den erwünschten Dämpfungseffekt hervorrufen.
Eine Bewegung der Masseeinheit 9 relativ zu dem aus Substrat 1 und Kappenelement 2 gebildeten Gehäuse wird über feste Messelektroden 14 und Gegenmesselektroden 15 erfasst. Die Messelektroden 14 sind fest mit dem Substrat 1 , die Gegenmesselektroden mit der Masseeinheit 9 verbunden. Zu Testzwecken weist der in der Fig. 2 dargestellte Beschleunigungssensor 4 eine feste
Anregungselektrode 12 und eine entsprechende Gegenelektrode 13 auf. Durch eine Anregung über diese Anordnung ist die Masseeinheit 9 des Beschleunigungssensors 4 in Messrichtung 28 anregbar. Sinn und Zweck dieser Anregung ist die Durchführung eines elektrischen Funktionstests ohne mechanische Anregung von außen, was bei einem Prüfen auf Waferebene vor dem Verkappen und Sägen sehr hilfreich sein kann. Der feste Bedämpfungskamm 17a,b,c,d ist über das Substrat 1 mit einem definierbaren oder definierten elektrischen Potential verbunden. Dieses dient dem Zweck, Aufladungseffekte, die aufgrund der engen Zwischenräume 23 auftreten können, im Wesentlichen zu vermeiden und daher ein unkontrolliertes Ankleben der Kammfingerstrukturen 22,24 aneinander zu verhindern.
Bezugszeichenliste.
1 Substrat 16a ,b,c,d Dämpfungsstruktur
2 Kappenelement 17a ,b,c,d fester Dämpfungskamm 3 resonanter Drehratensensor 20 18a ,b,c,d Gegendämpfungskamm
4 Beschleunigungssensor 19 Gehäuse
5 erste Kavität 20 Multisensormodul
6 zweite Kavität 21 Zentralbereich
7 Bondrahmen 22 Kammfinger 8 Gettermatehal 25 23 Zwischenraum
9 Masseeinheit 24 Kammfinger
10a,b Aufhängungsfeder 25 Masseeinheit
11 a,b Verankerungsstruktur 26 Aufhängung
12 feste Anregungselektrode 27 Anregungsachse 13 Gegenanregungselektrode so 28 Richtungspfeil
14 feste Messelektrode
15 Gegenmesselektrode

Claims

Ansprüche:
1. Inertialsensor, vorzugsweise Beschleunigungssensor oder Mehrachsen- Beschleunigungssensor, als mikroelektromechanisches Bauelement, aufweisend
5 ein Gehäuse (19) mit wenigstens einer ersten gasgefüllten Kavität (5), in der zur Detektion einer zu erfassenden Beschleunigung eine erste Detektionseinheit (9) gegenüber dem Gehäuse (19) beweglich angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Inertialsensor eine Dämpfungsstruktur (16a,b,c,d) aufweist, die eine lo Bewegung der ersten Detektionseinheit (9) in dem Gehäuse (19) zumindest in
Messrichtung (28) dämpft.
2. Inertialsensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (19) wenigstens eine zweite Kavität (6) aufweist, in der eine zweite i5 Detektionseinheit (25) und ein Gettermaterial (8) angeordnet sind.
3. Inertialsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Kavität (5,6) gegeneinander und gegen die Umgebung hermetisch abgedichtet sind.
20
4. Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsstruktur (16a,b,c,d) gebildet ist, indem wenigstens Abschnitte der ersten Detektionseinheit (9) und des Gehäuses (19) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass ein zwischen ihnen befindlicher
25 Zwischenraum (23) als Engstelle oder Verengung ausgebildet ist und bei einer
Bewegung der ersten Detektionseinheit (9) zumindest in Messrichtung (28) von dem in der Kavität (5) vorliegenden Gas durchströmt wird.
5. Inertialsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens 30 Abschnitte der ersten Detektionseinheit (9) und des Gehäuses (19) jeweils kammartig mit Kammfingern (22,24) und zwischen diesen angeordneten Zwischenräumen (23) ausgebildet sind.
6. Inertialsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
35 Kammfinger (22) der ersten Detektionseinheit (9) in die Zwischenräume (23) der kammartigen Struktur des Gehäuses (19) eingreifen und umgekehrt.
7. Inertialsensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammfinger (22,24) der kammartigen Abschnitte quer zur Messrichtung (28) angeordnet sind.
5 8. Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der ersten Kavität (5) zwischen 100 mbar und 300 mbar beträgt, vorzugsweise 200 mbar.
9. Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch lo gekennzeichnet, dass der Druck in der zweiten Kavität (6) zwischen 0,1 μbar und
1 mbar beträgt, vorzugsweise zwischen 0,1 μbar und 0,1 mbar, besonders bevorzugt 0,1 mbar.
10. Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch i5 gekennzeichnet, dass die erste Kavität (5) eine andere Gaszusammensetzung aufweist als die zweite Kavität (6).
11 . Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gehäuseseitige Abschnitt der
20 Dämpfungsstruktur (16a,b,c,d) elektrisch mit einem definierten Potential verbunden ist.
12. Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der zweiten Kavität (6) angeordnete zweite
25 Detektionseinheit (25) einen resonanten Drehratensensor (3) ausbildet.
13. Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Kavität (5) ein Gettermatehal (8) angeordnet ist, dessen Gasabsorptionseigenschaften sich von den des Gettermaterials (8) in
30 der zweiten Kavität (6) unterscheidet.
14. Inertialsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Kavität (5,6) das gleiche Gettermatehal (8) enthalten, jedoch in unterschiedlicher Menge oder Fläche bezogen auf das Kavitätsvolumen.
35
15. Vielfachbauelement zur Herstellung eines Inertialsensors nach den Ansprüchen 1 bis 14.
PCT/EP2009/053541 2008-03-27 2009-03-25 Mikroelektromechanischer inertialsensor mit atmosphaerischer bedaempfung WO2009118355A1 (de)

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