Mikromechanische Sensorvorrichtung und entsprechendes Herstellungsverfahren

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.

Stand der Technik

Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von

mikromechanischen Bauelementen mit Drucksensoren erläutert.

Die DE 10 2014 214 532 B3 offenbart ein Bauteil mit einem mikromechanischen

Bauelement und einer Kappenstruktur mit einer Medienanschlussöffnung. Die

Kappenstruktur besitzt einen Sensorbereich mit einem Membranbereich, der

beispielsweise Bestandteil eines Drucksensors ist, welcher durch die

Medienanschlussöffnung mit Druck beaufschlagbar ist.

Die WO 2006/020093 A2 offenbart ein mikrofluidisches Steuerventil mit einem

elektroaktiven Polymer, welches zum Öffnen und Schließen eines Fluiddurchgangs über Elektroden mit Spannung beaufschlagbar ist.

Mikromechanische Umweltsensoren, beispielsweise Gassensoren, Drucksensoren, Mikrofone usw., benötigen einen Zugang zu den Medien, die gemessen werden sollen. Im Gegensatz zu mikromechanischen Sensoren zur Messung von Magnetfeldern,

Beschleunigung, Drehrate o.Ä., die in einem geschlossenen Gehäuse verpackt sein können, muss das Gehäuse von Umweltsensoren immer eine Öffnung zur Umgebung aufweisen. Über diesen Zugang können, sofern dieser nicht mit einer flüssigkeitsdichten, aber gasdurchlässigen Membran versehen ist, auch Flüssigkeiten auf den Sensor gelangen, die die Funktionalität des Sensors beeinflussen oder schlimmstenfalls den Sensor zerstören können. Im Bereich der Consumer-Elektronik, insbesondere bei Wearables (z.B.

Multifunktionsuhren), besteht Bedarf an Sensoren, die wasserdicht sind, damit die Geräte, in denen sie zum Einsatz kommen, ebenfalls wasserdicht sind. Dabei soll weder Wasser über den Sensorbereich in das Gerät eindringen können, noch soll der Sensorbereich selbst durch Eindringen von Wasser beschädigt werden. Neben Wasserdichtigkeit ist gegebenenfalls auch die Dichtigkeit gegenüber anderen Medien, z.B. Getränken oder Ölen, erwünscht. Die Forderung nach Schutz des Sensors vor dem Einfluss von

Flüssigkeitskontakt gilt insbesondere auch für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich. Mikromechanische Umweltsensoren werden üblicherweise in sogenannten Deckelbasierten Gehäusen aufgebaut. Das bedeutet, dass die Chips, welche Sensor mit Sensormembran und die Auswerteelektronik in Form eines ASIC aufweisen, auf einem Substrat, z.B. einem Leadframe oder einer Leiterplatte, durch Kleben o.Ä. aufgebracht werden. Die Kontaktierung untereinander und/oder mit dem Substrat wird durch

Drahtbonds oder Durchkontaktierungen erstellt. Anschließend wird eine Kappenstruktur bzw. Deckelstruktur auf das Substrat geklebt, um den Umweltsensor bzw. den ASIC vor Beschädigung zu schützen. In der Kappenstruktur befindet sich üblicherweise eine Öffnung, sodass Umweltparameter, beispielsweise Luftdruck, h -Konzentration,

Luftfeuchte etc., von dem Sensorbereich des Umweltsensors erfasst werden können.

Bei einem derartigen Aufbaukonzept ist üblicherweise kein Schutz gegen ein Eindringen von Wasser in den Sensorbereich gewährleistet, sodass es nicht möglich ist, derartige Umweltsensoren in Smartphones oder Wearables o.ä. zu verbauen, welche eine

Wasserdichtheit aufweisen müssen.

Wasserdichte Drucksensoren wurden mit spezieller Deckelform mit Schornstein realisiert, benötigen allerdings viel Bauraum. Eine um den Schornstein herum vorgesehene

Dichtung muss aufwendig eingebracht werden. Die derartigen Sensoren sind mit Gel bedeckt, wodurch insbesondere der Offset oder die Empfindlichkeit eine Veränderung über Temperaturänderungen oder Lebensdauer erfahren können. Zudem ist das Substrat bei derartigen Sensoren über den Schornstein mechanisch mit dem Gehäuse verbunden, wodurch externe Stresseinflüsse (z.B. Handling, Temperatur usw.) unmittelbar auf den Sensor wirken können. Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 1 .

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Vorteile der Erfindung Die vorliegende Erfindung ermöglicht, ein kleinbauendes und wasserdichtes

Sensorpackage darzustellen. Es wird zur Herstellung auf Wafer-Level-Prozesse zum Verpacken zugegriffen und die notwendigen Dichtstrukturen in Form einer hydropoben Beschichtung direkt im Sensorpackage integriert. Kern der Erfindung ist ein Medienzugang zu dem eigentlichen Sensorbereich, der durch eine oder mehrere Kapillare in der Verkappung, beispielsweise einem Siliziumwafer, realisiert ist. Andererseits kann der Medienzugang auch Bestandteil des Sensorsubstrats sein. Dadurch, dass die Oberfläche der Kapillare hydrophob ist, kann bei geeignetem Design verhindert werden, dass Wasser in die Kapillare eindringt und somit auf den Sensorbereich gelangt.

Im Gegensatz zu anderen Lösungen, bei denen eine textile Membran (z.B. GORE-TEX®) oder eine Geleinlagerung als Schutz dient, wird erfindungsgemäß der geschützte

Medienzugang durch Halbleiterprozesse und Dünnschichttechnologie erreicht, wodurch ein kostengünstiger Herstellungsprozess realisierbar ist.

Zusätzlich zu den bereits genannten Vorteilen bezüglich Flüssigkeitsdichtigkeit bietet das erfindungsgemäße Konzept ebenfalls Schutz gegenüber Staubpartikeln, die größer als die verwendeten Kapillaren sind. Durch eine redundante Auslegung des Medienzugangs, d.h. die Verwendung einer Vielzahl von Kapillaren, wird einem möglichen Verstopfen bei Verwendung in staubhaltiger Umgebung entgegengewirkt.

Die erfindungsgemäße Schutzfunktion beruht auf dem in Kapillaren auftretenden Effekt der Kapillardepression. Eine die Oberfläche der Kapillare nicht benetzende Flüssigkeit wird aus der Kapillare verdrängt, und zwar umso stärker, je enger die Kapillare und je größer der Kontaktwinkel zwischen der Flüssigkeit und der Oberfläche ist. Beispielsweise in einer Kapillare mit einem Radius von größenordnungsmäßig 7 μηη und einer Oberfläche, die einen Kontaktwinkel von 1 15° zur Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, bildet, wird die Flüssigkeit theoretisch über 1 m verdrängt. Umgekehrt bedeutet das, dass beim Eintauchen der Kapillare in Wasser bis zu einer Tiefe von 1 m kein

Wasser in die Kapillare dringen kann. Erst bei noch tieferem Eintauchen überwindet der hydrostatische Druck den Kapillardruck, so dass das Wasser in die Kapillare eindringen kann. In der MEMS-Technologie können Kapillare mit Durchmessern von wenigen Mikrometern und Längen von einigen 100 μηη bis zu einem Aspektverhältnis von 50:1 beispielsweise in Siliziumwafern realisiert werden. In einem Abscheideprozess, z.B. ALD (Atomic Layer Deposition) oder CVD (Chemical Vapour Deposition) oder mittels

Plasmaprozessen können auf die Oberflächen des Substrats bzw. der Verkappung und die Kapillare insbesondere fluorhaltige Schichten mit hydrophoben

Oberflächeneigenschaften abgeschieden werden.

Um beispielsweise eine Wasserdichtigkeit zu erreichen, muss eine hydrophobe Schicht abgeschieden werden, da das natürliche Oxid, das sich beispielsweise auf Silizium bildet, bewirkt, dass die freiliegende Oberfläche zunächst hydrophil ist. Als Alternative zu einer reinen Beschichtung kann auch zusätzlich eine Oberflächenstruktur vorgesehen werden, sodass ein Kontaktwinkel von mehr als 120° bei Wasser erreicht wird. Dieser Effekt ist als Lotus-Effekt bekannt. Die dafür notwendige Oberflächenstruktur lässt sich in der MEMS- Technologie z.B. mit geeigneten Ätzprozessen realisieren. Aufgrund des deutlich erhöhten Randwinkels ist so bei gleichem Kapillarradius ein höherer Kapillardruck erreichbar, und somit ist die Wirkung bis zu größeren Tiefen im Vergleich ohne

Oberflächenstruktur möglich.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die flüssigkeitsabweisende Schicht auch auf der dem Sensorsubstrat abgewandten Außenseite der Verkappungseinrichtung vorgesehen. Dies erhöht die Flüssigkeitsdichtigkeit.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die flüssigkeitsabweisende Schicht einen ersten Schichtbereich auf der dem Sensorsubstrat abgewandten

Außenseite der Verkappungseinrichtung und einen zweiten Schichtbereich auf den Innenwänden der Kapillaren auf, welche aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind. Dies bietet prozesstechnische Vorteile. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist oberhalb des Sensorbereichs eine Kaverne in der Verkappungseinnchtung vorgesehen. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung des zu erfassenden Mediums, insbesondere Gases über dem Sensorbereich. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die flüssigkeitsabweisende Schicht auch auf Kavernen-Innenwand und auf dem Sensorbereich vorgesehen. Dies bietet für besonders empfindliche Sensoren Vorteile.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Kapillaren oberhalb des Sensorbereichs gebildet. So lässt sich ein großer Bereich mit Kapillaren realisieren.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Kapillaren lateral vom

Sensorbereich gebildet. Dies bietet noch größeren Schutz gegen Flüssigkeit, da die Kapillare vor senkrechtem Einfall geschützt ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Verkappungseinnchtung ein geschlossenes Trägersubstrat mit einer oberhalb des Sensorbereichs vorgesehenen ersten Kaverne in der Verkappungseinnchtung auf, wobei das Sensorsubstrat eine zweite Kaverne unterhalb des Sensorbereichs aufweist, in welche über die Kapillaren das Umweltmedium von der Rückseite durchleitbar ist, und wobei seitlich beabstandet vom Sensorbereich Durchgangsöffnungen vorgesehen sind, welche die erste Kaverne und die zweite Kaverne fluidisch verbinden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die Innenwände eine

Oberflächenstrukturierung auf. Dies erhöht die Flüssigkeitsdichtigkeit.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die flüssigkeitsabweisende Schicht eine wasserabweisende Schicht aus einer Fluor-Kohlenstoff-Verbindung, insbesondere eine teflonartige Schicht. Eine derartige Schicht ist sehr effektiv gegen Eindringen von Wasser und lässt sich einfach und sehr dünn herstellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 a), b) schematische Darstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen

Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 1 a) im Querschnitt (Linie A-A') und Fig. 1 b)

Draufsicht;

Fig. 2a), b) schematische Darstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen

Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 2a) im Querschnitt (Linie A-A') und

Fig. 2b) Draufsicht;

Fig. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer

mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer

mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5a), b) schematische Darstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen

Sensorvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der

vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 1 a) im Querschnitt (Linie A-A') und Fig. 1 b) Draufsicht; und

Fig. 6 eine ausschnittsweise schematische Querschnittsdarstellung einer

Kapillare zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche

Elemente. Fig. 1 a), b) sind schematische Darstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 1 a) im Querschnitt (Linie A-A') und Fig. 1 b) Draufsicht. In Fig. 1 a), 1 b) bezeichnet Bezugszeichen 2 ein Sensorsubstrat mit einer Vorderseite VS und einer Rückseite RS, beispielsweise ein Siliziumsubstrat. An der Vorderseite VS des Sensorsubstrats 2 ist ein Sensorbereich 1 ausgebildet, beispielsweise ein

Drucksensorbereich mit einer Membran und einer darunterliegenden Kaverne, oder ein Gassensorbereich mit einer Gasadsorptionsschicht und einer Heizeinrichtung. Auf die Vorderseite VS des Sensorsubstrats ist eine Verkappungseinrichtung 4 gebondet, beispielsweise ein Silizium-Kappensubstrat.

In der Verkappungseinrichtung 4 ist eine Mehrzahl von Kapillaren 3 zum Durchleiten eines Umweltmediums, beim vorliegenden Beispiel eines Gases, auf den Sensorbereich 1 gebildet. Oberhalb des Sensorbereichs 1 befindet sich eine Kaverne K in der

Verkappungseinrichtung 4, welche das Umweltmedium gleichmäßig oberhalb des Sensorbereichs 1 verteilt. Auf der dem Sensorsubstrat 2 abgewandten Außenseite AS der Verkappungseinrichtung 4, auf den Innenwänden I der Kapillaren 3, auf der Kavernen- Innenwand IK sowie oberhalb des Sensorbereichs 1 ist eine flüssigkeitsabweisende Schicht 5 gebildet, welche beispielsweise eine Fluor-Kohlenstoff-Verbindung (C _x F _y ), insbesondere eine teflonartige Verbindung, aufweist.

Die flüssigkeitsabweisende Schicht 5 ermöglicht einen Gaszugang zum Sensorbereich 1 , verhindert jedoch bei geeigneter Dimensionierung der Kapillaren 3 einen Wasserdurchtritt auf den Sensorbereich 1. Die Schichtdicke der wasserabweisenden Schicht liegt typischerweise zwischen 5 nm (Nanometer) bis 10 μηη (Mikrometer). Die

flüssigkeitsabweisende Schicht 5 kann beispielsweise nach dem Bilden der Kapillaren 3 durch einen Abscheideprozess gebildet werden, beispielsweise einen Plasmaprozess, einen CVD-Prozess oder einen ALD-Prozess usw.

Die dargestellte Anzahl von 16 Kapillaren 3, welche mit der flüssigkeitsabweisenden Schicht 5 beschichtet sind, ist lediglich beispielhaft und kann je nach Anwendung variiert werden. Fig. 2a), b) sind schematische Darstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 2a) im Querschnitt (Linie A-A') und Fig. 2b) Draufsicht. Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 2a), 2b) ist lediglich die Außenseite AS der Verkappungseinrichtung 4 sowie die Innenwände I der Kapillaren 3 mit der

flüssigkeitsabweisenden Schicht 5 beschichtet. Dies kann insbesondere für Gassensoren vorteilhaft sein, deren gassensitiver Sensorbereich 1 nicht verdeckt sein darf. Ansonsten ist die zweite Ausführungsform entsprechend der ersten Ausführungsform aufgebaut.

Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer

mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Bei der dritten Ausführungsform trägt das Sensorsubstrat Bezugszeichen 2' und weist eine Vorderseite VS' und eine Rückseite RS' auf. Die Verkappungseinrichtung 6 ist bei dieser Ausführungsform ein Trägersubstrat mit einer oberhalb des Sensorbereichs 1 vorgesehenen ersten Kaverne K'. Hier weist das Trägersubstrat 6 keine Kapillaren auf.

Das Sensorsubstrat 2' weist im Innern eine zweite Kaverne KS unterhalb des

Sensorbereichs 1 auf, in welche über Kapillaren 3' das Umweltmedium, beispielsweise ein Gas, von der Rückseite RS' durchleitbar ist. Bei der dritten Ausführungsform sind die Rückseite RS' und die Innenwände Γ der Kapillaren mit der flüssigkeitsabweisenden Schicht 5 beschichtet, wodurch in Verbindung mit der Geometrie der Kapillaren 3' der flüssigkeitsabweisende Effekt wie bei den obigen Ausführungsformen erzielbar ist.

Ebenfalls ist es möglich, dass sämtliche Oberflächen mit einer hydrophoben Schicht beschichtet sind.

Seitlich beabstandet vom Sensorbereich 1 sind Durchgangsöffnungen 3a vorgesehen, welche die erste Kaverne K' und die zweite Kaverne KS fluidisch verbinden, sodass das Umweltmedium auf den Sensorbereich 1 durchleitbar ist. Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der vierten Ausführungsform trägt das Sensorsubstrat Bezugszeichen 2" und weist eine Vorderseite VS" und eine Rückseite RS" auf. Die Verkappungseinrichtung 4" ist auch hier ein Kappenwafer mit einer oberhalb des Sensorbereichs 1 vorgesehenen Kaverne K". Der Zugang des Umweltmediums zum Sensorbereich erfolgt bei dieser vierten

Ausführungsform durch eine Kapillare 3", welche in der Verkappungseinrichtung 4" lateral vom Sensorbereich 1 gebildet ist. Die Innenwand I" der Kapillare 3" ist mit der

flüssigkeitsabweisenden Schicht 5 beschichtet. Ebenfalls kann auch die gesamte innere Oberfläche (Kapillare und Kaverne) beschichtet sein (nicht dargestellt)

Ansonsten ist die vierte Ausführungsform entsprechend der ersten Ausführungsform aufgebaut.

Fig. 5a), b) sind schematische Darstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 1 a) im Querschnitt (Linie A-A') und Fig. 1 b) Draufsicht.

Die fünfte Ausführungsform gemäß Fig. 5a), 5b) ist analog zur oben beschriebenen zweiten Ausführungsform aufgebaut, wobei die flüssigkeitsabweisende Schicht 5a, 5b einen ersten Schichtbereich 5a auf der dem Sensorsubstrat 2 abgewandten Außenseite AS der Verkappungseinrichtung 4 und einen zweiten Schichtbereich 5b auf den

Innenwänden I der Kapillaren 3 aufweist, welche aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind. Dies kann aus prozesstechnischer Sicht sinnvoll sein.

Fig. 6 ist eine ausschnittsweise schematische Querschnittsdarstellung einer Kapillare zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer sechsten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Bei der sechsten Ausführungsform gemäß Fig. 6, welche im Wesentlichen der ersten Ausführungsform entspricht, ist die flüssigkeitsabweisende Schicht 5 nur auf der

Innenwand Γ" der Kapillare 3 gebildet. Zusätzlich weist die Innenwand Γ" eine

Oberflächenstrukturierung auf, hier schematisch durch eine Zick-Zack-Form angedeutet, welche den flüssigkeitsabweisenden Effekt zusätzlich unterstützt. Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.

Besonders bevorzugte weitere Anwendungen für die erfindungsgemäße

mikromechanische Sensorvorrichtung sind beispielsweise chemische Gassensoren, wie Metalloxidgassensoren, Wärmeleitfähigkeitssensoren, Pirani-Elemente,

Massenflusssensoren, wie Luftmassenmesser, Lambda-Sonden auf mikromechanischer Membran, Infrarot-Sensorvorrichtungen etc.