Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schockdetektors, ausgebildet zur elektronischen Detektion einer schock- oder stoßartigen mechanischen Einwirkung, insbesondere für die Warenlogistik zur Applikation an einer Ware.

STAN D DER TECHNI K

In der Warenlogistik werden neuerdings zur Überwachung von

Transportbedingungen in der Lieferkette der Waren Sensoren an den Waren appliziert. Diese können über einfache, insbesondere drahtlose Auswertemittel ausgewertet werden, um beispielsweise festzustellen, ob die Kühlkette einer zu kühlenden Ware unterbrochen wurde. Die dazu verfügbaren Systeme benötigen eine aktive Energieversorgung und sind teilweise mit sehr hochpreisigen

Komponenten wie einer satellitenbasierten Positionsbestimmung ausgestattet. Zusätzliche Hardware ermöglicht neben der Positionsbestimmung der Ware auch eine Messung der Beschleunigung, der Temperatur, der Feuchtigkeit oder die

Messung von weiteren Größen sowie die Speicherung der jeweiligen Messwerte. Darüber hinaus sind Schockdetektoren bekannt, die zum Beispiel mit zwei Glasreservoirs ausgebildet sind und in denen Flüssigkeiten vorhanden sind. Bei einer Überschreitung einer gewissen Beschleunigung, also beispielsweise beim Herunterfallen eines Paketes, bricht die Verbindung zwischen den beiden

Glasreservoirs, und die Flüssigkeiten in den Glasreservoirs können sich vermischen, und es entsteht beispielsweise ein Farbumschlag, der beobachtet werden kann. Folglich kann darauf geschlossen werden, ob die Ware äußeren mechanischen Einwirkungen ausgesetzt war. Ein elektronisches Auslesen eines solchen Schockdetektors ist jedoch nicht möglich, zudem sind derartige

Schockdetektoren kostspielig in der Herstellung. Folglich ergibt sich die

Forderung nach einer preiswerten Bereitstellung von Schockdetektoren, die einfach ausgeführt sind, kleinbauend sind, an einer Ware appliziert werden können und die zudem elektronisch und insbesondere drahtlos über eine N FC Technik ausgewertet werden können. Beispielsweise zeigt die DE 100 65 013 AI einen Schockdetektor, der mit Halbleiterbauteilen aufgebaut ist und in der Herstellung damit hohe Kosten verursacht. Aufgrund des aufwendigen Aufbaus eignen sich derartige sogenannte Beschleunigungs- oder Drehratensensoren zur Anwendung im Kraftfahrzeugbau, beispielsweise um aktive Sicherheitssysteme zu steuern, wenn Beschleunigungen oder Drehraten des Fahrzeuges elektronisch sensiert werden müssen. Eine Applikation eines solchen Sensors als Wegwerfartikel, der beispielsweise lediglich an der Umverpackung einer Ware angebracht werden kann, ist damit nicht sinnvoll möglich.

OFFENBARUNG DER ERFIN DUNG

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur einfachen und kostenminimalen Herstellung eines Schockdetektors, der ausgebildet ist zur elektronischen Detektion einer schock- oder stoßartigen mechanischen

Einwirkung. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, einen solchen

Schockdetektor bereitzustellen, der beispielsweise nach einer stoßartigen mechanischen Einwirkung durch eine einfache Auswertung die Möglichkeit schafft, eine Aussage darüber zu treffen, ob eine mechanische Einwirkung auf den Schockdetektor beziehungsweise auf eine Ware, an der der Schockdetektor appliziert ist, stattgefunden hat.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ausgehend von einem Schockdetektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 7 in Verbindung mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung schlägt erfindungsgemäß für das Verfahren folgende Schritte vor: Bereitstellen eines Substrates, Abscheiden eines ersten Fotolackes auf dem Substrat, Öffnen des ersten Fotolackes zur Herstellung einer

Anschlussmetallisierung, Abscheiden eines Leitermaterials zur Bildung eines elektrischen Leiters, Strukturierung des elektrischen Leiters, Abscheiden eines zweiten Fotolackes und Entfernen des ersten Fotolackes durch wenigstens eine Opferschichtätzung. Kern der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Schockdetektors, welches Verfahren auf der Aufbringung einer Anzahl von Fotolacken auf einem Substrat basiert. Die Dünnfilmbasis wird durch mehrere und beispielsweise durch zwei oder mehr Fotolacke gebildet, die einfach und flexibel aufgebracht werden können und strukturierbar sind. Der erste Fotolack bildet eine im

Herstellungsverfahren notwendige Zwischenschicht, die durch die

Opferschichtätzung nach Aufbringen des zweiten Fotolackes wieder entfernt wird, und es verbleibt der zweite Fotolack zur Bildung einer Trägerstruktur, an der der elektrische Leiter aufgenommen ist. Der zweite, verbleibende Fotolack bildet damit eine freigestellte Polymerstruktur, welche lithografisch oder über Verfahren wie Hot Embossing strukturiert werden kann. Der elektrische Leiter bildet beispielsweise ein Widerstandselement auf Basis des Leitermaterials, beispielsweise ein Metall, und das Widerstandselement kann bei einer

Verformung der Polymerstruktur reißen oder seinen Widerstand ändern, beispielsweise durch lokale Einschnürungen oder sonstige Änderungen der Abmessungen. Je nach Auslegung der mechanischen Widerstandsfähigkeit des verbleibenden zweiten Fotolackes gemeinsam mit dem Leitermaterial können unterschiedlich große Beschleunigungen nachgewiesen werden.

Durch die Opferschichtätzung des ersten Fotolackes entsteht eine größere freischwebende Länge des ersten Fotolackes und des elektrischen Leiters, und erfährt der Aufbau eine Beschleunigung, beispielsweise indem der

Schockdetektor auf eine Oberfläche aufprallt oder ein anderer Gegenstand gegen den Schockdetektor gelangt und einen Stoß verursacht, kann die freie Länge des zweiten Fotolackes mit dem elektrischen Leiter ausgelenkt werden, und zwar beispielsweise weg vom Substrat oder hin zum Substrat in Richtung zur durch die Opferschichtätzung erzeugten Freistellung, also hin zum Substrat. Durch die eintretenden Biegespannungen wird der elektrische Leiter

entsprechend verformt oder dieser kann reißen, sodass die elektrische

Widerstandsänderung des elektrischen Leiters anschließend ausgewertet werden kann. Hat eine Schockeinwirkung stattgefunden, so kann durch die Auswertung eine klare Aussage darüber getroffen werden, ob eine

Schockeinwirkung auf den Schockdetektor stattgefunden hat oder nicht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich eine drastische Reduktion von Herstellungskosten, und es ist eine einfache Integration des Aufbaus beispielsweise auf CMOS-Basis möglich, da im Substrat weitere

Elektronikkomponenten integriert sein können, beispielsweise zur drahtlosen Auswertung des Schockdetektors. Insbesondere ist durch die Fotolacktechnik keine Hochtemperaturanwendung wie beispielsweise beim EPI-SI-Wachstum notwendig. Damit wird insbesondere nicht die Charakteristik eines CMOS-Wafers verändert, da niedrige Prozesstemperaturen bereits ausreichend sind. Das Strukturieren des abgeschiedenen Metalls kann mittels einer Maske oder mittels Ätzverfahren erfolgen, beispielsweise mittels der Verwendung einer

Ätzstoppschicht, die zuvor optisch verändert wurde.

Vorteilhafterweise wird als Substrat ein CMOS-ASIC-Wafer, ein Glaswafer oder eine Polymerfolie verwendet, sodass für den späteren Einsatz des

Schockdetektors keine Einschränkungen die Folge sind.

Mit weiterem Vorteil wird ein Fotolack als zweiter Fotolack abgeschieden, der chemisch resistent gegenüber der Opferschichtätzung des ersten Fotolackes ist. Das Aufbringen der einzelnen Fotolacke erfolgt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nach bekannten Aufbringungsverfahren, also beispielsweise durch ein Aufschleudern oder Aufsprühen, und eine Strukturierung mittels einer

Fotolithographie. Vorteilhafterweise wird dabei die Trägerstruktur zum Beispiel aus SU-8 aufgebaut, weil dieser Lack nach dem Post- Exposure- Bake

unempfindlich gegen die meisten Ätzmethoden und Lösungsmittel ist und dementsprechend freistehende Strukturen mit der Opferschichtätzung von Opferschichten, bestehend aus weniger lösungsmittelresistenten Fotolacken, möglich ist. Des Weiteren lassen sich in SU-8 Fotolacken Strukturen mit hoher Flankensteilheit erzeugen, wodurch sich diese Lacke besonders für die

Konstruktion von Aufhängungsstrukturen eignen.

Die Erfindung richtet sich weiterhin auf einen Schockdetektor, der ausgebildet ist zur elektronischen Detektion einer schock- oder stoßartigen mechanischen Einwirkung, insbesondere für die Warenlogistik zur Applikation an einer Ware. Erfindungsgemäß ist ein elektrischer Leiter mittels einer Trägerstruktur über einem Substrat aufgenommen, wobei die Trägerstruktur wenigstens einen Fotolack umfasst und wobei der elektrische Leiter gemeinsam mit dem Fotolack zum Substrat mittels einer Freistellung einen Freiraum aufweist, um bei einer stoßartigen mechanischen Einwirkung eine Auslenkbewegung auszuführen.

Der Freiraum ist dabei mittels einer Opferschichtätzung eines ersten Fotolackes erzeugt, der für die spätere Bereitstellung des Schockdetektors zumindest nicht mehr vollständig Teil des Schockdetektors ist. Der Fotolack zur Bildung der Trägerstruktur weist vorteilhafterweise Schwingungselemente oder Verjüngungen auf, abhängig davon, wie groß die mechanische Einwirkung sein soll oder sein muss, um eine Änderung der elektrischen Eigenschaften des elektrischen Leiters zu erzeugen. Schwingungselemente bilden zusätzlich Schwingungsmassen, sodass bei einer mechanischen Einwirkung die Auslenkung, die zur Veränderung des elektrischen Leiters führt, beispielsweise stärker wird. Weist die

Trägerstruktur Verjüngungen auf und ist die Masse der Trägerstruktur durch die Verjüngungen beispielsweise reduziert, so ergeben sich weniger starke

Auslenkungen, jedoch wird auch das Flächenträgheitsmoment der Trägerstruktur verkleinert, sodass beispielsweise eine bleibende Dehnung oder ein Bruch des elektrischen Leiters wieder wahrscheinlicher wird.

Der elektrische Leiter ist über Anschlussmetallisierungen mit dem Substrat verbunden, wobei die Anschlussmetallisierungen erzeugt werden durch ein Öffnen des ersten Fotolackes, und bei einer anschließenden Aufbringung des Leitermaterials durch ein Abscheideverfahren kontaktieren beispielsweise die Enden des elektrischen Leiters das Substrat. Weiterführend können auch mehrere Trägerstrukturen vorgesehen sein, die mittels gemeinsamer

Anschlussmetallisierungen miteinander verbunden sind.

BEVORZUGTES AUSFÜ HRUNGSBEISPI EL DER ERFIN DUNG

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Figur 1 eine Seitenansicht eines Schockdetektors mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung, Figur 2 den Schockdetektor gemäß Figur 1 während einer mechanischen Einwirkung,

Figur 3 den Schockdetektor gemäß Figur 2 nach der mechanischen

Einwirkung,

Figur 4 einen Schockdetektor in einer Draufsicht mit einer Trägerstruktur aufweisend ein Schwingungselement,

Figur 5 eine Draufsicht auf einen Schockdetektor mit einer Verjüngung in der

Trägerstruktur,

Figur 6 eine Seitenansicht eines Schockdetektors mit mehreren

Trägerstrukturen, welche gemeinsame Anschlussmetallisierungen aufweisen und

Figur 7 eine Draufsicht auf eine weiterführende Ausführungsform eines

Schockdetektors mit mehreren Trägerstrukturen.

Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen Schockdetektor 1 mit einem Substrat 100, und auf dem Substrat 100 wird zunächst ein erster Fotolack 10 aufgebracht, der zur Bildung des gezeigten Freiraumes 14 durch eine

anschließende Opferschichtätzung des ersten Fotolackes 10 in der Mitte teilweise wieder entfernt wurde. Auf die Oberfläche des ersten Fotolackes 10 wird ein elektrischer Leiter 12 aufgebracht und an den Endseiten werden Anschlussmetallisierungen 11 mit dem Substrat 100 erzeugt. Das Erzeugen der Anschlussmetallisierungen 11 erfolgt durch ein Öffnen des ersten Fotolackes 10, um bis auf die Oberfläche des Substrates 100 das Leitermaterial für den elektrischen Leiter 12 abzuscheiden. Auf den ersten Fotolack 10

beziehungsweise auf das Leitermaterial des elektrischen Leiters 12 wird der zweite Fotolack 13 aufgebracht, und nach der Opferschichtätzung des ersten Fotolackes 10 entsteht eine freie Länge mit einer Trägerstruktur 15, gebildet durch den zweiten Fotolack 13 gemeinsam mit dem elektrischen Leiter 12. Mit einem Pfeil ist eine Beschleunigungsrichtung mit einer Beschleunigung a angedeutet, beispielsweise wenn der Schockdetektor 1 auf die Seite des

Substrates 100 fällt und damit eine Stoßbelastung erzeugt wird. Die freie Länge der Trägerstruktur 15 biegt sich damit in Richtung zum Substrat durch, wofür der Freiraum 14 dient.

Figur 2 zeigt beispielhaft und schematisiert die Einwirkung einer Stoßbelastung mit einem Pfeil, und es ist gezeigt, dass die Trägerstruktur 15 mit dem zweiten Fotolack 13 und dem elektrischen Leiter 12 in Richtung zum Substrat 100 durchgebogen wird. Die Trägerstruktur 15 verformt sich damit in Richtung zum Freiraum 14.

Figur 3 zeigt schließlich den Schockdetektor 1 nach der mechanischen

Einwirkung gemäß Figur 2, und es ist erkennbar, dass der elektrische Leiter 12 eine Bruchstelle 18 aufweist, und im Substrat 100 ist eine Auswerteelektronik ausgebildet, die zur drahtlosen Kommunikation mit einer Auswerteeinheit ausgebildet ist, und wird über die Anschlussmetallisierungen 11 ein elektrischer Strom durch den elektrischen Leiter 12 geführt, so kann die Bruchstelle 18 detektiert werden, beispielsweise indem der Widerstand unendlich wird.

Alternativ zur Bruchstelle 18 können sich auch Einschnürungen bilden, sodass sich der Widerstand des elektrischen Leiters beispielsweise zu mehr als 50 % ändert. Auch eine solche Widerstandsänderung, ohne Erzeugen einer

Bruchstelle 18, kann mit einer entsprechenden Auswerteelektronik im Substrat 100 detektiert werden.

Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Variante des Schockdetektors 1, und die Draufsicht zeigt das Substrat 100, auf dem die Trägerstruktur 15 mit dem zweiten Fotolack 13 und dem elektrischen Leiter 12 aufgebracht ist, und der elektrische Leiter 12 erstreckt sich zwischen zwei Anschlussmetallisierungen 11 zur

Kontaktierung an das Substrat 100.

In der Mitte der freien Schwingungslänge der Trägerstruktur 15 bildet der zweite Fotolack 13 ein Schwingungselement 16, welches die Masse der Trägerstruktur 15 über der freien Länge erhöht, sodass stärkere Schwingungsauslenkungen der Trägerstruktur 15 erzeugt werden, wenn eine äußere mechanische Einwirkung auf den Schockdetektor 1 stattfindet. Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Schockdetektors 1 mit einer

Trägerstruktur 15, umfassend den zweiten Fotolack 13 und den elektrischen Leiter 12, welcher elektrische Leiter 12 sich zwischen den beiden

Anschlussmetallisierungen 11 zur Kontaktierung des Substrates 100 erstreckt. Der zweite Fotolack 13 ist zur Mitte des elektrischen Leiters 12 zwischen den beiden Anschlussmetallisierungen 11 mit einer Verjüngung 17 ausgebildet, wodurch die Trägerstruktur 15 geschwächt wird. Erfolgt eine mechanische Einwirkung auf den Schockdetektor 1, so kann an der schwächsten Stelle, also beispielsweise in der Mitte zwischen den beiden Anschlussmetallisierungen 11, eine Bruchstelle im elektrischen Leiter erzeugt werden, da an dieser Stelle die Auslenkung der Trägerstruktur 15 am größten ist und damit das Biegemoment ein Maximum erreicht. Wird zudem die Verjüngung 17 in den mittleren Punkt gelegt, so kann eine Sollbruchstelle im elektrischen Leiter 12 definiert werden.

Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schockdetektors 1 mit mehreren Trägerstrukturen 15, die jeweils einen elektrischen Leiter 12 aufweisen, welche über gemeinsame Anschlussmetallisierungen 11 miteinander in Verbindung stehen können. Die Trägerstrukturen 15 werden gemeinsam über einen Fotolack 13 erzeugt, welcher über sämtliche Trägerstrukturen 15 gleichermaßen aufgebracht wird. Der erste Fotolack 10 bildet durch die Opferschichtätzung jeweilige Freiräume 14 unter den freien Längen der Trägerstrukturen 15, sodass mit dem Ausführungsbeispiel des Schockdetektors 1 mehrere auch verschieden wirkende mechanische Einwirkungen auf den Schockdetektor 1 detektiert werden können.

Figur 7 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Variante eines Schockdetektors 1 mit mehreren Trägerstrukturen 15, die ebenfalls über gemeinsame

Anschlussmetallisierungen 11 miteinander in Verbindung stehen. Der elektrische Leiter 12 erstreckt sich kreuzartig über die jeweiligen Trägerstrukturen 15, basierend auf dem zweiten Fotolack 13.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den

Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden

Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.