Titel

Inertialsensor Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Inertialsensor.

Inertialsensoren dienen zum Erfassen von Beschleunigungen und Drehraten. Dabei besteht eine Tendenz, die Inertialsensoren in immer kleineren Gehäusen anzuordnen.

Die DE 10 2010 029 709 A1 beschreibt ein mikroelektromechanisches

Bauelement.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund wird mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Inertialsensor gemäß dem Hauptanspruch vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Verschiedene Typen von Inertialsensorelementen können in verschiedenen Frequenzbereichen betrieben werden. In den verschiedenen Frequenzbereichen weisen unterschiedliche Befestigungsarten für die Initialsensorelemente unterschiedliche Dämpfungseigenschaften auf. Vorteilhafterweise kann in einem

Inertialsensor mit mehreren verschiedenen Sensorelementen jedes einzelne Sensorelement so befestigt werden, dass seine spezifische Befestigungsart gute Dämpfungseigenschaften im Frequenzbereich des Sensorelements aufweist. Dadurch können Signale der Sensorelemente des Inertialsensors eine möglichst geringe Überlagerung durch eingestreute Vibrationen aufweisen. Durch die geringe Überlagerung können zu erfassende Ereignisse störungsarm in den Signalen abgebildet werden und mit einer hohen Sicherheit ausgewertet werden.

Es wird ein Inertialsensor mit folgenden Merkmalen vorgestellt: einem ersten Sensorelement, das durch ein Dämpfungselement gegenüber einer Schnittstelle des Inertialsensors schwingungsgedämpft ist, wobei das erste Sensorelement dazu ausgebildet ist, in einem ersten Frequenzband eine erste Messgröße zu erfassen und das Dämpfungselement dazu ausgebildet ist, zumindest in dem ersten Frequenzband Schwingungen zu dämpfen; und einem zweiten Sensorelement, das mechanisch mit der Schnittstelle gekoppelt ist, wobei das zweite Sensorelement dazu ausgebildet ist, in einem zweiten Frequenzband eine zweite Messgröße zu erfassen.

Unter einem Inertialsensor kann ein Sensor zum Erfassen von zumindest einer Beschleunigung und/oder zumindest einer Drehrate verstanden werden. Der Inertialsensor kann dazu ausgebildet sein, Beschleunigungen in mehreren zueinander winkelversetzten Achsen und/oder Drehraten um mehrere

zueinander winkelversetzte Achsen zu erfassen. Der Inertialsensor kann dazu ausgebildet sein, Beschleunigungen in drei Raumrichtungen und/oder Drehraten um die drei Raumrichtungen zu erfassen. Das erste Sensorelement kann einen ersten Arbeitspunkt in dem ersten Frequenzband aufweisen. Beispielsweise kann zumindest ein Sensorkörper des ersten Sensorelements mit einer ersten

Frequenz innerhalb des ersten Frequenzbands in Schwingung gebracht werden.

Das zweite Sensorelement kann einen zweiten Arbeitspunkt in dem zweiten Frequenzband aufweisen. Beispielsweise kann ein zumindest ein Sensorkörper des zweiten Sensorelements mit einer zweiten Frequenz innerhalb des zweiten Frequenzbands in Schwingung gebracht werden. Das Dämpfungselement kann dazu ausgebildet sein, eine Amplitude einer Störschwingung zumindest innerhalb des ersten Frequenzbereichs verkleinert an das erste Sensorelement weiterzugeben.

Das erste Sensorelement und/oder das zweite Sensorelement kann mehrachsig ausgeführt sein. Dadurch kann die erste Messgröße und/oder die zweite

Messgröße in mehreren Raumrichtungen erfasst werden. Das erste Sensorelement kann ungedämpft mit der Schnittstelle gekoppelt sein. Der Inertialsensor kann innerhalb des ersten Frequenzbereichs in ungedämpftem Zustand eine geringere Amplitudenvergrößerung der anregenden Schwingungen aufweisen, als in gedämpftem Zustand.

Das Dämpfungselement kann als biegsame Balkenstruktur ausgebildet sein, die einen mit der Schnittstelle gekoppelten Teil des Inertialsensors mit einem schwingungsfähigen Teil des Inertialsensors verbindet, wobei das erste

Sensorelement mit dem schwingungsfähigen Teil verbunden ist. Die Balken der

Balkenstruktur können als Biegefedern ausgebildet sein. Je länger die Balken sind, umso weicher kann das zweite Sensorelement gelagert sein.

Die Balkenstruktur kann einen Spalt überbrücken, der zwischen einem ringförmig umlaufenden, mit der Schnittstelle gekoppelten Ring des Inertialsensors und einer schwingungsfähigen Insel angeordnet ist, wobei ein Balken der

Balkenstruktur eine Seitenfläche der Insel mit einer quer zu der Seitenfläche ausgerichteten Innenfläche des Rings verbindet. Durch die Verbindung von quer zueinander ausgerichteten Flächen können die Balken Bewegungen in mehreren Raumrichtungen ausführen. Dadurch können auch Schwingungen in mehreren

Raumrichtungen gedämpft werden.

Zwischen den Balken der Balkenstruktur kann ein zusätzliches weiches Material angeordnet sein. Durch das Material kann das Dämpfungssystem optimal ausgelegt werden und es kann insbesondere die Amplitude der

Resonanzschwingung reduziert werden. Prozessbedingt kann das

Dämpfungsmaterial auch leicht über die Substratebene überstehen oder unter der Substratebene zurückstehen. Das Dämpfungsmaterial kann auf mindestens einer Seite der Substratebene die Balken, die Insel und teilweise den Rahmen vollständig bedecken.

Der Inertialsensor kann eine erste Substratlage und zumindest eine zweite Substratlage aufweisen, wobei die Substratlagen in verschiedenen Ebenen angeordnet sind und das erste Sensorelement auf der ersten Substratlage angeordnet ist und das zweite Sensorelement auf der zweiten Substratlage angeordnet ist. Durch ein übereinander Anordnen der Sensorelemente kann das gedämpft aufgehängte Sensorelement durch das ungedämpfte Sensorelement des Inertialsensors geschützt werden.

Zwischen der ersten Substratlage und der zweiten Substratlage kann zumindest eine mittlere Substratlage angeordnet sein, wobei die mittlere Substratlage die erste Substratlage von der zweiten Substratlage beabstandet, und eine Kavität zwischen der ersten Substratlage und der zweiten Substratlage ausbildet. Durch eine zusätzliche mittlere Substratlage kann auf einfache Weise eine Kavität als Raum für Bewegungen des ersten Sensorelements geschaffen werden.

Die Substratlagen können durch Lötkugeln miteinander verbunden sein, wobei die Lötkugeln einen elektrischen Kontakt und/oder einen mechanischen Kontakt ausbilden. Durch Lotkugeln kann ein stoffschlüssiger Kontakt erreicht werden.

Zwischen den Substratlagen kann eine Dichtungseinrichtung zum Abdichten der Kavität angeordnet sein. Die Dichtungseinrichtung kann das erste Sensorelement vor Verschmutzung schützen.

Zumindest eine der Substratlagen kann einen ringförmig umlaufenden Fuß aufweisen, um einen Abstand zwischen den Substratlagen zu definieren und die Kavität auszubilden. Der Fuß kann für einen definierten Abstand zwischen den Substratlagen definieren.

Das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement können auf einem Substrat angeordnet sein. Durch eine Anordnung nebeneinander kann eine geringe Bauhöhe des Inertialsensors erreicht werden.

Das erste Sensorelement und/oder das zweite Sensorelement kann eine integrierte Schaltung zum Verarbeiten von Sensorsignalen des ersten

Sensorelements und/oder des zweiten Sensorelements aufweisen. Durch eine integrierte Schaltung kann das Sensorsignal gefiltert werden. Durch das Filtern können zu erfassende Drehraten und/oder Beschleunigungen sicher erfasst werden.

Das erste Sensorelement kann ein Beschleunigungssensor und das zweite Sensorelement ein Drehratensensor sein oder umgekehrt. Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten

Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors gemäß einem

Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung einer unteren Substratlage mit einem

Dämpfungselement und einem ersten Sensorelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Darstellung einer mittleren Substratlage gemäß einem

Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine Darstellung einer obere Substratlage mit einem zweiten

Sensorelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine Darstellung eines Inertialsensors mit einer Dichtungseinrichtung aus Füllstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors mit einer

Dichtungseinrichtung aus Lötmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine Darstellung einer unteren Substratlage mit einem mit einer

Dichtungseinrichtung aus Lötmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine Darstellung einer mittleren Substratlage mit einem mit einer

Dichtungseinrichtung aus Lötmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 9 eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors mit einem umlaufenden Fuß an der oberen Substratebene gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors mit einem umlaufenden Fuß an der unteren Substratebene gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 1 1 eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors mit einer Verbindung der unteren Substratebene mit der oberen Substratebene durch Lötbälle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 12 eine Darstellung einer oberen Substratlage mit nebeneinander

angeordnetem zweiten Sensorelement und Auswerteelektronik gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 13 eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors mit einem gedämpften ersten Sensorelement und einem ungedämpften zweiten Sensorelement auf einer Substratebene gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 14 eine Darstellung einer Oberseite eines Inertialsensors mit einem

gedämpften ersten Sensorelement und einem ungedämpften zweiten Sensorelement auf einer Substratebene gemäß einem

Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 15 eine Darstellung einer Unterseite eines Inertialsensors mit einem

gedämpften ersten Sensorelement und einem ungedämpften zweiten Sensorelement auf einer Substratebene gemäß einem

Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren

dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche

Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. In Fig. 1 ist der detaillierte Aufbau eines Inertialsensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Inertialsensor 100 weist ein Dämpfersystem auf. Das Gesamtsystem 100 besteht aus drei Teilen 102, 104, 106, einer unteren Substratlage 102, hier mit einem Sensor 108, einer mittleren Substratlage 104 zur elektrischen und mechanischen Verbindung und einer oberen Substratlage 106 und mit einem weiteren Sensorl 10.

Dabei kann eine Substratlage mehrere Metallisierungsebenen und Vias beinhalten.

Die untere Substratlage 102 besteht aus einer Insel 1 12, welche umlaufend von einem Ring 1 14 umschlossen ist. Die Insel 1 12 und der Ring 1 14 sind über Federbeinchen 1 16 bestehend aus Leiterplattenmaterial miteinander mechanisch und elektrisch verbunden. Auf der Insel 1 12 der unteren Substratlage 102 befindet sich mindestens ein mikroelektromechanisches Sensorelement (MEMS) 108, das hier als Drehratensensor 108 ausgeführt ist und gegebenenfalls eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) 1 18 zu Auswertung.

In einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Auswertung über nur einen

gemeinsamen ASIC, der auf der oberen 106 oder der unteren 102 Substratebene angeordnet sein kann. Hier ist im gesamten System 100 nur ein ASIC verbaut.

Durch geeignete Gestaltung der balkenähnlichen Strukturen 1 16, die im

Folgenden auch Federbeinchen 1 16 genannt werden, werden externe mechanische Vibrationen in einem gewissen Frequenzspektrum nur gedämpft auf die Insel 1 12 übertragen. Die untere Substratlage 102 wird durch Löten mit einer weiteren Leiterplatte (beispielsweise einem Steuergerät) elektrisch und mechanisch verbunden. Die exakte Form der Federbeinchen 1 16 ist beliebig. Hier ist exemplarisch nur eine Variante gezeigt. Die MEMS 108 und/oder ASICs 1 18 werden mittels Kleben und Drahtbonden oder Flip-Chip-Löten oder

Leitkleben mit der Insel 1 12 mechanisch und elektrisch verbunden. Die Chips 1 18 auf der Insel können durch einen Glob-Top vor Umwelteinflüssen geschützt werden. Die mittlere Substratlage 104 beinhaltet elektrische Vias 120 und ggf. elektrische Leitungen. Außerdem dient sie zur elektrischen und mechanischen Verbindung der oberen 106 und unteren 102 Substratlage, wobei sie gleichzeitig den nötigen Stand-off der oberen Substratlage 106 von den MEMS 108 und/oder ASIC 1 18 auf der unteren Substratlage 102 gewährleistet. Durch einen geeigneten

Fügeprozess (beispielsweise Löten) werden die einzelnen Substratlagen 102, 104, 106 miteinander mechanisch und elektrisch verbunden.

Die obere Substratlage 106 besteht aus einer Leiterplatte mit

Metallisierungsflächen und zumindest einem MEMS 1 10 und/oder zumindest einem ASIC 122, welche ebenfalls mittels Kleben und Drahtbonden oder Flip- Chip-Löten oder Leitkleben mit der unteren Substratlage 102 und der Insel 1 12 mechanisch und elektrisch verbunden sind. Die Sensoren 1 10 auf der Oberseite können mittels Duroplast-Spritzen (Molden) von Moldmasse 124 oder mit einem Deckel 124 geschützt werden.

Insbesondere zeigt Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der

Inertialsensor 100 weist ein erstes Sensorelement 108 und ein zweites

Sensorelement 1 10 auf. Das erste Sensorelement 108 ist durch ein

Dämpfungselement 1 16 gegenüber einer Schnittstelle 126 des Inertialsensors 100 schwingungsgedämpft gelagert. Das erste Sensorelement 108 ist dazu ausgebildet, in einem ersten Frequenzband eine erste Messgröße zu erfassen. Das Dämpfungselement 1 16 ist dazu ausgebildet, zumindest in dem ersten Frequenzband Schwingungen zu dämpfen.

Das zweite Sensorelement 1 10 ist mechanisch mit der Schnittstelle 126 gekoppelt. Das zweite Sensorelement 1 10 ist dazu ausgebildet, in einem zweiten Frequenzband eine zweite Messgröße zu erfassen.

In einem Ausführungsbeispiel ist das zweite Sensorelement 1 10 ungedämpft mit der Schnittstelle 126 gekoppelt.

In einem Ausführungsbeispiel ist das Dämpfungselement 1 16 als biegsame Balkenstruktur 1 16 ausgebildet, die einen mit der Schnittstelle 126 gekoppelten Teil des Inertialsensors 100 mit einem schwingungsfähigen Teil 1 12 des Inertialsensors 100 verbindet, wobei das erste Sensorelement 108 mit dem schwingungsfähigen Teil 1 12 verbunden ist.

In einem Ausführungsbeispiel überbrückt die Balken struktur 1 16 einen Spalt, der zwischen einem ringförmig umlaufenden, mit der Schnittstelle 126 gekoppelten Ring des Inertialsensors 100 und einer schwingungsfähigen Insel 1 12 angeordnet ist.

In einem Ausführungsbeispiel verbinden ein Balken 1 16 der Balkenstruktur 1 16 eine Seitenfläche der Insel 1 12 mit einer quer zu der Seitenfläche ausgerichteten Innenfläche des Rings.

In einem Ausführungsbeispiel weist der Inertialsensor 100 eine erste

Substratlage 102 und zumindest eine zweite Substratlage 106 auf, wobei die Substratlagen 102, 106 in verschiedenen Ebenen angeordnet sind und das erste Sensorelement 108 auf der ersten Substratlage 102 angeordnet ist und das zweite Sensorelement 1 10 auf der zweiten Substratlage 106 angeordnet ist.

In einem Ausführungsbeispiel ist zwischen der ersten Substratlage 102 und der zweiten Substratlage 106 zumindest eine mittlere Substratlage 104 angeordnet, wobei die mittlere Substratlage 104 die erste Substratlage 102 von der zweiten Substratlage 106 beabstandet, und eine Kavität zwischen der ersten

Substratlage 102 und der zweiten Substratlage 106 ausbildet.

In einem Ausführungsbeispiel sind die Substratlagen 102, 104, 106 durch Lötkugeln miteinander verbunden, wobei die Lötkugeln einen elektrischen Kontakt und/oder einen mechanischen Kontakt ausbilden.

In einem Ausführungsbeispiel ist das erste Sensorelement 108 ein

Drehratensensor 108 und das zweite Sensorelement 1 10 ein

Beschleunigungssensor 1 10.

In einem Ausführungsbeispiel ist das erste Sensorelement 108 ein

Beschleunigungssensor 108 und das zweite Sensorelement 1 10 ein

Drehratensensor 1 10. In einem Ausführungsbeispiel sind die Sensorelemente 108, 1 10 und/oder die elektrischen Schaltungen 1 18, 122 durch Bonddrähte 128 mit den Substratlagen 102, 106 verbunden.

In einem Ausführungsbeispiel sind die Substratlagen 102, 104, 106 aus einem Substrat 130 ausgebildet.

In einem Ausführungsbeispiel weist das erste Sensorelement 108 und/oder das zweite Sensorelement 1 10 eine integrierte Schaltung 1 18, 122 zum Verarbeiten von Sensorsignalen des ersten Sensorelements 108 und/oder des zweiten Sensorelements 1 10 auf.

Mit anderen Worten zeigt Fig. 1 ein Package-Stacking zur selektiven Dämpfung von Inertialsensoren 108, 1 10.

Ein ähnlicher Effekt kann erreicht werden, wenn das First-Level-Modul auf einen mechanischen Dämpfer integriert wird oder Premoldgehäuse mit integriertem Dämpfer eingesetzt werden. Diese Ansätze sind jedoch für moderne

Moldgehäuse nicht zufriedenstellend und kostengünstig.

In dem hier beschriebenen Ansatz wird das erste Sensorelement 108 durch ein Schwingungsentkopplungssystem entkoppelt. Das

Schwingungsentkopplungssystem setzt sich aus einem inneren Substratteil 1 12 und einem äußeren ringförmigen Substratteil zusammen, wobei die beiden Substratteile über balkenähnliche Strukturen 1 16 verbunden sind. Das

Schwingungsentkopplungssystem ist unterhalb eines Substrats 106 des zweiten Sensorelements 1 10 montiert und entkoppelt das erste Sensorelement 108 von aus der nächsten Ebene, wie beispielsweise einem Steuergerät, einstreuenden Vibrationen. Es handelt sich somit um eine Schwingungsentkopplung auf I st- Level-Substratebene.

Die hier vorgestellte Federstruktur 1 16 ist für die Bedämpfung eines

Drehratesensors 108 vorteilhaft, da die Federstruktur 1 16 bei der Arbeitsfrequenz des Drehratesensors 108 zu einer starken Dämpfung führt. Fig. 2 zeigt eine Darstellung einer unteren Substratlage 102 mit einem

Dämpfungselement 1 16 und einem ersten Sensorelement 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die untere Substratlage 102 oder Substratebene 102 entspricht im Wesentlichen der unteren Substratlage in Fig. 1. Die untere Substratlage 102 ist als ringförmig geschlossener Rand 200, der durch einen Spalt 202 von der Insel 1 12 getrennt ist, ausgebildet. Der Rand 200 ist hier quadratisch geformt und weist eine Vielzahl von elektrischen und/oder mechanischen Kontaktstellen 204 auf. Die Kontaktstellen 204 sind als Lotbälle 204 ausgebildet. Die Kontaktstellen 204 sind entlang des Rands 200 einreihig umlaufend angeordnet. Die Insel 1 12 ist hier ebenfalls quadratisch geformt. Der Spalt 202 ist umlaufend gleichmäßig breit. Der Spalt 202 wird durch vier Balkenstrukturen 1 16 überbrückt. Je eine Balkenstruktur 1 16 verbindet eine Innenseite des Rands 200 mit einer quer dazu angeordneten Außenseite der Insel 1 12. Dabei weist die Balkenstruktur 1 16 eine mäanderartige Form auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Balkenstruktur 1 16 drei rechtwinklige

Knicks auf. Die vier Balken 1 16 der Balkenstruktur 1 16 bilden gemeinsam im Wesentlichen einen zu dem Rand 200 konzentrischen Ring aus, der innerhalb des Spalts 202 angeordnet ist. Der Ring ist dabei vierfach geschlitzt. Die vier Teile des Rings weisen je an einem ersten Ende einen Anschluss zu dem Rand 200 und an einem gegenüberliegenden zweiten Ende einen Anschluss zu der

Insel 1 12 auf. Innerhalb der Balken 1 16 sind metallische Strukturen angeordnet, die als Leiterbahnen zum Anschluss des ersten Sensorelements 108 und/oder zum Beeinflussen einer Federrate der Balkenstrukturen 1 16 dienen. Das erste Sensorelement 108 ist mittig auf der Insel 1 12 angeordnet. Die erste

Auswerteelektronik 1 18 ist ebenfalls mittig auf der Insel 1 12 zwischen dem ersten

Sensorelement 108 und der unteren Substratlage 102 angeordnet.

Sensorelement 108 und Auswerteelektronik 1 18 sind über die Leiterbahnen in den Balkenstrukturen elektrisch mit zumindest einer Auswahl der Kontaktstellen 204 verbunden.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung einer mittleren Substratlage 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die mittlere Substratlage 104 entspricht im Wesentlichen der mittleren Substratlage in Fig. 1 . Die mittlere Substratlage 104 entspricht im Wesentlichen dem Rand der unteren Substratlage in Fig. 2. Wie in Fig. 2 weist der Rand 200 der mittleren Substratlage 104 eine

Vielzahl von elektrischen und/oder mechanischen Kontaktstellen 204 auf. Die Kontaktstellen 204 sind als Lotbälle 204 ausgebildet. Die Kontaktstellen 204 sind entlang des Rands 200 einreihig umlaufend angeordnet. Die Kontaktstellen 204 sind entsprechend den Kontaktstellen der unteren Substratlage angeordnet. Fig. 4 zeigt eine Darstellung einer obere Substratlage 106 mit einem zweiten

Sensorelement 1 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die obere Substratlage 106 entspricht im Wesentlichen der oberen Substratlage in Fig. 1. Die obere Substratlage 106 ist hier wie die untere Substratlage in Fig. 2 und die mittlere Substratlage in Fig. 3 quadratisch. Dabei entsprechen die Abmessungen der oberen Substratlage 106 der unteren und mittleren Substratlage. Entsprechend den in den Figuren 2 und 3 dargestellten Kontaktstellen weist auch die obere Substratlage 106 elektrische und/oder mechanische Kontaktstellen auf. Die Kontaktstellen sind über

Durchkontaktierungen 120 auf eine hier dargestellte Oberseite der oberen Substratlage 106 geführt. Das zweite Sensorelement 1 10 und die

Auswerteelektronik 122 sind elektrisch über Leiterbahnen in der oberen

Substratlage 106 mit den Durchkontaktierungen 120 verbunden.

In den hier gezeigten Ausführungsbeispielen wird eine kostengünstige, kleinbauende Modul- Aufbau- und Verbindungstechnik zur Entkopplung von

Vibrationen in allen drei Raumrichtungen mit dem Ziel der verringerten

Störanfälligkeit von MEMS-Sensoren 108, 1 10 am Einbauort vorgestellt. Im Vergleich zu bisherigen Ansätzen werden hier die Sensoren 108, 1 10, beispielsweise ein Beschleunigungssensor 1 10 und ein Drehratesensor 108 nur selektiv von Vibrationen entkoppelt, sodass sich eine deutliche Performance-

Verbesserung ergibt.

Das hier vorgestellte Modul 100 besteht aus mehreren elektrisch und mechanisch verbundenen Substratlagen 102, 104, 106, welche einen Hohlraum einschließen. Hierbei ist mindestens eine der sechs Seiten, welche den

Hohlraum definieren, mindestens teilweise geöffnet. Die untere Substratlage 102 besteht aus zwei Teilen. Einer Insel 1 12 und einem umlaufenden geschlossenen Ring 200. Beide Teile, Insel 1 12 und Ring 200, sind über dünne balkenähnliche Strukturen 1 16 miteinander mechanisch und elektrisch verbunden. Diese balkenähnlichen Strukturen 1 16 sind so ausgelegt, dass Vibrationen von der

Insel 1 12 zum Ring 200 oder andersherum entkoppelt werden. Die obere Substratlage 106 ist mit dem umlaufend geschlossenen Ring 200 der unteren Substratlage 102 und damit in eingebautem Zustand mit einer

Kundenleiterplatte mechanisch starr verbunden. Es treten also auf der oberen Leiterplatte 106 keine signifikanten Überhöhungen bei niedrigen Frequenzen, beispielsweise um 2 kHz bis 5 kHz auf.

Die mittlere Substratlage 104 verbindet die oberen 106 und unteren

Substratlagen 102 mechanisch und elektrisch und kann ggf. durch Lötballs 204 ersetzt werden.

Alle Substratlagen 102, 104, 106 beinhalten metallisierte Kontaktflächen 204 zur elektrischen und mechanischen Ankopplung an die anderen Substratlagen 102, 104, 106, an Bauelemente oder an andere Leiterplatten, wie ein Steuergerät ESP.

Alle Substratlagen 102, 104, 106 können Metallisierungslagen enthalten.

Außerdem können elektrische Signale durch Vias 120 durch die einzelnen Substratlagen 102, 104, 106 geleitet werden.

Die obere Substratlage 106 und die untere Substratlage 102 sind mit mindestens einem MEMS 108, 1 10/ASIC 1 18, 122 bestückt.

Die Sensorelemente 108, 1 10 und/oder Auswerteelektronik 1 18, 122 können in FlipChip Technik verbaut werden. Ebenso können die Sensorelemente 108, 1 10 und/oder Auswerteelektronik 1 18, 122 durch Kleben und Drahtbonds 128 oder durch Leitkleben montiert werden. Die MEMS 1 10/ASIC 122 auf der oberen Substratlage 106 sind mit Moldmasse 124 oder einem Deckel 124 vor

Umwelteinflüssen geschützt. Die MEMS 108/ASIC 1 18 auf der unteren

Substratebene 102 können durch einen Glob-top (Verguss auf Chip) vor

Umwelteinflüssen geschützt werden.

Der hier vorgestellte Ansatz stellt eine kompakte Struktur 100 zur selektiven Entkopplung von mechanischen Schwingungen vor. Es ergibt sich ein hohes Potenzial zur Performance-Steigerung. Dabei wird das erste Sensorelement 108, beispielsweise ein Drehratesensor 108, mechanisch weich angebunden. Die weiche Anbindung erfolgt durch eine Montage auf der Insel 1 12 der unteren Substratlage 102. Das zweite Sensorelement 1 10, beispielsweise ein

Beschleunigungssensor 1 10, ist hingegen hart angebunden. Die harte Anbindung erfolgt durch eine direkte Montage auf der oberen Substratlage 106. Die resultierenden Ü bertrag ungsfunktionen an den Sensoren 108, 1 10 sind dadurch unterschiedlich. Das erste Sensorelement 108 hat somit eine starke Dämpfung bei 20-30 kHz, das zweite Sensorelement 1 10 hat hingegen keine Überhöhung bei niedrigen Frequenzen (2-5 kHz). Durch den hier vorgestellten Ansatz kann ein kostengünstiger

Beschleunigungssensor 1 10 verwendet werden. Störmoden bei niedrigen Frequenzen sind nicht zu erwarten.

Eine aufwendige Vergelung des Dämpfersystems 100 kann bei dem hier vorgestellten Ansatz entfallen.

Die Resonanzfrequenz der Federstruktur 1 16 ist nur durch das

Leiterplattenmaterial und die Abmessungen bestimmt. Ein signifikanter Drift über Temperatur ist nicht zu erwarten.

Die Masse auf der Insel 1 12 der unteren Substratlage 102 zusammengesetzt aus einer Masse des ersten Sensorelements 108 plus die optionale

Auswerteelektronik 1 18 ist relativ gering, sodass der Schwerpunkt dieser Insel 1 12 aus dem Substrat 130 und dem Sensorelement 108 plus der

Auswerteelektronik 1 18 relativ nah am Drehpunkt der Insel 1 12 liegt. Damit ist das System ausgewuchtet und es kann ein kostengünstiger Sensor 108 mit höherer Drehbeschleunigungssensitivität verwendet werden.

Ohne Dämpfungsmaterial ist das Federsystem 1 16 weicher und somit die resultierende Dämpfung für gleiche Federbeinstrukturen bei einer bestimmten Frequenz oberhalb der Resonanzfrequenz des Dämpfers höher.

Mit anderen Worten zeigen die Figuren 1 bis 4 Aufsichten und einen Schnitt des Sensorsystems 100 mit selektiver Bedämpfung des zweiten Sensorelements 108. Fig. 5 zeigt eine Darstellung eines Inertialsensors 100 mit einer

Dichtungseinrichtung 600 aus Füllstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Inertialsensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Inertialsensor in Fig. 1 . Zusätzlich ist eine erste Dichtungsschicht 600 zwischen der unteren Substratlage 102 und der mittleren Substratlage 104 angeordnet. Weiterhin ist eine zweite Dichtungsschicht 600 zwischen der mittleren

Substratlage 104 und der oberen Substratlage 106 angeordnet. Die

Dichtungsschichten 600 verschließen Zwischenräume zwischen den Lötballs 204, um ein Eindringen von Verschmutzungen in den Hohlraum zwischen der unteren Substratlage 102 und der oberen Substratlage 106 zu erschweren.

In einem Ausführungsbeispiel ist zwischen den Substratlagen 102, 104, 106 eine Dichtungseinrichtung 600 zum Abdichten der Kavität angeordnet.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dichtungseinrichtung 600 aus einem elektrisch isolierenden Füllstoff 600 ausgeführt. Der Füllstoff 600 versiegelt die Kavität.

Zur seitlichen Versiegelung ist es auch möglich, die Bereiche zwischen den Lötballs 204 mit einem Füllstoff 600 zu versiegeln, um das System vor Staub besser zu schützen.

Fig. 6 zeigt eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors 100 mit einer

Dichtungseinrichtung 600 aus Lötmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Inertialsensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Inertialsensor in Fig. 1. Zusätzlich ist als Dichtungseinrichtung 600 ein erster Lotring 600 zwischen der unteren Substratlage 102 und der mittleren

Substratlage 104 angeordnet. Weiterhin ist als Dichtungseinrichtung 600 ein zweiter Lotring 600 zwischen der mittleren Substratlage 104 und der oberen Substratlage 106 angeordnet. Die Lotringe 600 sind außerhalb der

Kontakteinrichtungen 204 angeordnet und sind beabstandet zu diesen. Damit sind die Lotringe 600 elektrisch von den Kontakteinrichtungen 204 isoliert. Wie in Fig. 6 dichten die Lotringe 600 die Kavität zwischen der unteren Substratlage 102 und der oberen Substratlage 106 gegen ein Eindringen von Fremdkörpern ab. Fig. 7 zeigt eine Darstellung einer unteren Substratlage 102 mit einem mit einer Dichtungseinrichtung 600 aus Lötmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die untere Substratlage 102 entspricht im Wesentlichen der unteren Substratlage in Fig. 7. Die Dichtungseinrichtung 600 ist als ringförmig außen um die Kontakteinrichtungen umlaufender Lotring 600 ausgebildet. Der

Lotring 600 stellt eine zusätzliche mechanische und/oder elektrische Verbindung zu der mittleren oder oberen Substratebene bereit.

Fig. 8 zeigt eine Darstellung einer mittleren Substratlage 104 mit einem mit einer Dichtungseinrichtung 600 aus Lötmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die mittlere Substratlage 104 entspricht im Wesentlichen der mittleren Substratlage in Fig. 7. Die Dichtungseinrichtung 600 ist als ringförmig außen um die Kontakteinrichtungen umlaufender Lotring 600 ausgebildet. Der Lotring 600 stellt eine zusätzliche mechanische und/oder elektrische Verbindung zu der oberen und/oder unteren Substratebene bereit.

Eine alternative seitliche Versiegelung kann auch erreicht werden, wenn zu den Lötballs 204 auch noch ein beidseitig umlaufender Lotring 600 auf der mittleren Substratebene 104 eingebracht wird.

Fig. 9 zeigt eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors 100 mit einem umlaufenden Fuß 1000 an der oberen Substratebene 106 gemäß einem

Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Inertialsensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Inertialsensor in Fig. 1 . Im Gegensatz dazu weist der Inertialsensor lediglich eine untere Substratlage 102 und eine obere Substratlage 106 auf. Die obere Substratlage weist einen umlaufenden Fuß 1000 auf, der einen Ebenenversatz der Kontakteinrichtungen 204 zu einer Unterseite der oberen Substratlage 106 herstellt. Durch den Ebenenversatz ist die obere Substratlage 106 im Bereich der Sensorelemente 108, 1 10 beabstandet von der unteren Substratlage 102. Zwischen den Substratlagen 102, 106 ist die Kavität angeordnet. In dem Fuß 1000 verlaufen die Durchkontaktierungen 120, um das zweite Sensorelement 1 10 elektrisch mit der Schnittstelle 126 zu verbinden.

Fig. 10 zeigt eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors 100 mit einem umlaufenden Fuß 1000 an der unteren Substratebene 102 gemäß einem

Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Inertialsensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Inertialsensor in Fig. 10. Im Gegensatz dazu ist der Fuß 1000 hier Bestandteil der unteren Substratebene 102.

In einem Ausführungsbeispiel weist zumindest eine der Substratlagen 102, 106 einen ringförmig umlaufenden Fuß 1000 auf, um einen Abstand zwischen den Substratlagen 102, 106 zu definieren und die Kavität auszubilden.

Bei geeigneter Gestaltung der oberen 106 oder unteren 102 Substratlage kann die mittlere Substratlage eingespart werden. Die gezeigte Sacklochgestaltung kann mittels Tieffräsen oder durch Verpressen mit NoFlow-Prepreg realisiert werden.

Fig. 1 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors 100 mit einer

Verbindung der unteren Substratebene 102 mit der oberen Substratebene 106 durch Lötbälle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Inertialsensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Inertialsensor in Fig. 1. Im Gegensatz dazu weist der Inertialsensor lediglich eine untere Substratlage 102 und eine obere Substratlage 106 auf. Die mittlere Substratlage ist durch Lotbälle 1200 ersetzt. Die Lotbälle 1200 weisen einen größeren Durchmesser auf, als die Lotbälle der Schnittstelle 126. Durch den Durchmesser der Lotbälle werden die untere Substratlage 102 und die obere Substratlage 106 in einem vorbestimmten Abstand zueinander gehalten. Der Abstand definiert eine Höhe der Kavität des Sensors 100.

Falls die MEMS 108/ASIC 1 18 auf der Insel der unteren Substratlage 102 eine ausreichend niedrige Bauhöhe haben. So können auch Lötballs 1200 mit einem angepassten Durchmesser verwendet werden, um den Stand-off der oberen Substratlage 106 zu erzeugen.

Fig. 12 zeigt eine Darstellung einer oberen Substratlage 106 mit nebeneinander angeordnetem zweiten Sensorelement 1 10 und Auswerteelektronik 122 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die obere Substratlage 106 entspricht im Wesentlichen der oberen Substratlage in Fig. 4. Im Gegensatz dazu ist sowohl die Auswerteelektronik 122, als auch das zweite Sensorelement 1 10 unmittelbar auf der oberen Substratlage 106 angeordnet. Das zweite Sensorelement 1 10 ist über Drahtbonds 128 mit der Auswerteelektronik 122 verbunden.

In Fig. 12 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, welche eine alternative Anordnung der MEMS 1 10/ASIC 122 zeigt. Auf der oberen Substratlage 106 muss keine Fläche für die Strukturierung der balkenähnlichen Strukturen vorgesehen werden, sodass die nutzbare Fläche für das Aufbringen von MEMS 1 10/ASIC 122 im Vergleich zur unteren Substratlage größer ist. Daher müssen die MEMS 1 10/ASIC 122 beispielsweise nicht aufeinander„gestacked" werden, sondern können nebeneinander gesetzt werden, sodass die Bauhöhe des gesamten Dämpfersystems reduziert wird.

Fig. 13 zeigt eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors 100 mit einem gedämpften ersten Sensorelement 108 und einem ungedämpften zweiten Sensorelement 1 10 auf einer Substratebene 1400 gemäß einem

Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zwischen dem zweiten

Sensorelement 1 10 und der Substratlage 1400 ist eine Auswerteelektronik 1 18 angeordnet. Das erste Sensorelement 108 ist wie in Fig. 1 beschrieben durch eine Dämpfungsstruktur 1 16 gedämpft. Die Dämpfungsstruktur 1 16 ist aus der Substratlage 1400 herausgearbeitet. Die Dämpfungsstruktur 1 16 entspricht im Wesentlichen der in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Dämpfungsstruktur. Die Substratebene 1400 weist Durchkontaktierungen 120 auf, die die Auswerteelektronik 1 18 mit einer Schnittstelle 126 auf einer gegenüberliegenden Seite der Substratebene 1400 verbinden. Der Inertialsensor 100 weist einen Deckel 1402 auf, der einen Hohlraum umschließt, in dem das erste Sensorelement 108, das zweite Sensorelement 1 10 und die

Auswerteelektronik 1 18 angeordnet sind. Das erste Sensorelement 108 weist einen Abstand zu dem Deckel 1402 auf, um schwingfähig zu sein.

In einem Ausführungsbeispiel sind das erste Sensorelement 108 und das zweite Sensorelement 1 10 auf einem Substrat 1400 angeordnet.

Neben dem bisher beschriebenen Ansatz des Stacking von Elementen können der Drehratesensor 108 und der Beschleunigungssensor 1 10 auch

nebeneinander auf einer Ebene 1400 aufgebaut werden. In diesem Fall wird das Substrat 1400 mit einem Deckel 1402, beispielsweise aus Kunststoff oder Metall gehaust.

Der Drehratensensor 108 ist auf der Insel 1 12 angeordnet und mit Drahtbonds 128 direkt mit einem ASIC 1 18 auf der hart angebundenen Substratseite verbunden. Alternativ können das erste Sensorelement 108 und ein extra ASIC auf der Insel 1 12 angeordnet werden. Die elektrische Verbindung kann über die Federbeinchen 1 16 zu den Lotkugeln 204 im Rahmen verlaufen. Ebenso kann nur das erste Sensorelement 108 auf der Insel 1 12 angeordnet sein. Drahtbonds 128 können von dem ersten Sensorelement 108 auf die Insel 1 12 verlaufen. Von da kann eine Umverdrahtung über die Federbeinchen 1 16 zum Rahmen erfolgen. Ebenso ist eine Flip-Chip Montage der Sensoren 108, 1 10 möglich.

Unabhängig von der elektrischen Kontaktierung des ersten Sensorelements 108 können die Federbeinchen 1 16 Kupfer enthalten, also auch, wenn Drahtbonds

128 von dem ersten Sensorelement 108 direkt zum ASIC 1 18 gehen. Das Kupfer kann verwendet werden, um die Resonanzfrequenz und die Überhöhung des Feder-Masse-Systems zu beeinflussen. Ebenso kann ein zusätzlicher Deckel als Partikelschutz von der Unterseite über den Teilbereich der Inselstruktur 1 12 angeordnet werden.

Fig. 14 zeigt eine Darstellung einer Oberseite eines Inertialsensors 100 mit einem gedämpften ersten Sensorelement 108 und einem ungedämpften zweiten Sensorelement 1 10 auf einer Substratebene 1400 gemäß einem

Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Inertialsensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Inertialsensor in Fig. 14. Hier ist der Aufbau des Dämpfungselements 1 16 entsprechend der Darstellung in Fig. 2 gezeigt. Auf der Substratebene 1400 sind neben dem durch das Dämpfungselement 1 16 schwingungsgedämpft gelagerten ersten Sensorelement 108 das ungedämpfte zweite Sensorelement 1 10 und die Auswerteelektronik 1 18 angeordnet. Das erste Sensorelement 108 ist durch Drahtbonds 128 direkt mit der

Auswertelektronik 1 18 verbunden. Die Drahtbonds 128 überbrücken das

Dämpfungselement 1 16 direkt.

Fig. 15 zeigt eine Darstellung einer Unterseite eines Inertialsensors 100 mit einem gedämpften ersten Sensorelement und einem ungedämpften zweiten Sensorelement auf einer Substratebene 1400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Inertialsensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Inertialsensor in Fig. 14. Hier ist die Schnittstelle 126 dargestellt, die einen elektrischen Kontakt und alternativ oder ergänzend einen mechanischen Kontakt des Inertialsensors 100 zu einer Befestigungsfläche gewährleistet. Die

Schnittstelle 126 ist hier im Bereich der Auswerteelektronik als Raster von Lotbällen 204 ausgebildet. Im Bereich des Dämpfungselements 1 16 ist die Schnittstelle als einreihig um das Dämpfungselement 1 16 umlaufende Linie von Lotbällen 204 ausgebildet. Im Bereich der Auswerteelektronik stellt die

Schnittstelle 126 sowohl den mechanischen Kontakt, als auch den elektrischen

Kontakt bereit. Im Bereich des Dämpfungselements 1 16 stellt die Schnittstelle 126 insbesondere den mechanischen Kontakt bereit.

Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.