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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kapsel für Mikrosensoren gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1, ein Verfahren zur Verkapselung von Mikrosensoren
gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 11, sowie ein Kapselelement gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 17.
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Mikrosensoren,
wie beispielsweise Drucksensoren oder Beschleunigungssensoren, sind
in vielen Fällen
in einer Kapsel untergebracht bzw. verkapselt, oder sie umfassen
allgemein eine Kapsel. Eine derartige Kapsel hat einen Innenraum,
der abgeschlossen bzw. vom Außenraum
getrennt ist und in dem der Sensor oder Teile davon untergebracht
sind. Dabei besteht das Problem der Kontaktdurchführung bei
der Verkapselung der Sensoren bzw. Mikrosensoren. Weiterhin muss
gewährleistet
sein, dass der Innenraum der Kapsel auch bei hohen Arbeitstemperaturen
des Sensors dauerhaft und dicht abgeschlossen ist. Gleichzeitig
müssen
sichere elektrische Kontakte zur Kontaktierung des Sensors im Innenraum der
Kapsel gewährleistet
sein. Hinzu kommt, dass die verkapselten Sensoren oder Mikrosensoren
kostengünstig
herstellbar sein sollen.
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Die
EP 0 742 581 A2 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung von abgedichteten Hohlräumen auf
Siliziumwaferoberflächen
mittels anodischen Bondens. Zur elektrischen Verbindung des Hohlraums
bzw. Innenraums mit dem Außenraum
sind vergrabene Leiterbahnen im Siliziumsubstrat vorgesehen.
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Die
Druckschrift
EP 0 369
352 A1 zeigt ein Beschleunigungsmessgerät mit einer ersten Siliziumplatte,
die sich zwischen zwei weiteren Siliziumplatten befindet. Ein Teil
der ersten Siliziumplatte bildet ein Elektrodenstück, das
bewegbar in einem Hohlraum zwischen den beiden äußeren Platten befestigt ist.
Dabei wird die mittlere Platte als elektrischer Leiter verwendet.
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Die
Druckschrift
AT 003
609 U1 beschreibt einen Mikrosensor mit einem mikroelektromechanischen
Sensorelement, das elektrisch mit einem integrierten Schaltkreis
verbunden ist. Dabei ist ein elektrisch leitendes Kapselelement
mit einem Biegebalken versehen und mittels einer elektrisch leitenden Lötnaht auf
dem integrierten Schaltkreis befestigt. Die Lötnaht dient als elektrisch
leitende Verbindung.
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Die
EP 0 943 923 A1 zeigt
einen Halbleiter-Beschleunigungssensor mit einer zentralen Ebene
mit einem bewegbaren Elektrodenstück, das in einem Innenraum
zwischen zwei äußeren Plattenelementen
angeordnet ist. Zwischen den äußeren Plattenelementen
ist eine Metallschicht ausgebildet, die als Abschirmung dient.
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Bisher
erfolgt die Verkapselung von Mikrosensoren bzw. Siliziumsensoren,
indem Bondrahmen mit implantationsdotierten Leiterbahnen untertunnelt werden.
Dabei bestehen die Bondrahmen zumeist aus Glas für anodische Bondungen. Die
implantationsdotierten Leiterbahnen haben den Vorteil, dass sie
nicht erhaben sind bzw. über
Bauteiloberflächen hinausragen,
weshalb sie das Bondverfahren unter diesem Aspekt nicht negativ
beeinflussen. In vielen Fällen
ist es jedoch nicht möglich,
implantationsdotierte Leiterbahnen vorzusehen.
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Es
wurde versucht, das Problem erhabener Kontaktdurchführungen
dadurch zu umgehen, dass Zusatzschichten auf Metallisierungen, die
zur Kontaktdurchführung
dienen, aufgebracht werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die
Zusatzschichten aufwendig durch Polierverfahren oder ähnliches
geglättet
werden müssen.
Hinzu kommt, dass derartige Verfahren weder für die Prozessierung bzw. Herstellung,
noch für
den Betrieb des Sensors bei hohen Temperaturen geeignet sind.
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Hohe
Temperaturen erfordern hochtemperaturbeständige Materialien. Unter diesen
Voraussetzungen ist die Implantation schwierig bzw. scheidet aus
technologischen Gründen
aus.
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Die
Implantation eines Durchführungskanals bzw.
die Untertunnelung mit Implantationsdotierten Leiterbahnen oder
das Überdecken
von Metallisierungen mit Verbindungsschichten und anschließendem Glätten haben
daher erhebliche Nachteile im Hinblick auf eine kostengünstige Herstellung
des verkapselten Mikrosensors und/oder im Hinblick auf seinen Betrieb
insbesondere bei hohen Temperaturen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kapsel für Mikrosensoren
zu schaffen, die einfacher herstellbar und hochtemperaturtauglich
ist, sowie hermetisch dicht ausgestaltet werden kann. Weiterhin
soll ein Verfahren zur Verkapselung von Mikrosensoren angegeben
werden, das vereinfacht durchgeführt
werden kann und die Herstellung von hochtemperaturtauglichen, hermetisch
dichten Verkapselungen von Mikrosensoren ermöglicht. Darüber hinaus soll ein Kapselelement
geschaffen werden, das eine vereinfachte Herstellung der Kapsel
bzw. Verkapselung, und ggf. eine vereinfachte Anbindung der Kapsel
an das Gehäuse
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst,
durch die Kapsel für
Mikrosensoren gemäß Patentanspruch
1, das Verfahren zur Verkapselung von Mikrosensoren gemäß Patentanspruch
11 und das Kapselelement gemäß Patentanspruch
17. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Vorteile
und Merkmale, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kapsel
oder dem Kapselelement beschrieben werden, gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren
und umgekehrt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Kapsel für
Mikrosensoren geschaffen, die ein erstes und ein zweites Kapselelement
aufweist, wobei die beiden Kapselelemente miteinander verbunden
sind um einen Innenraum zwischen den Kapselelementen auszubilden,
und wobei mindestens eine Metallisierung vorgesehen ist, die als
Bondverbindung zur Verbindung der beiden Kapselelemente und zugleich
als Kontaktierung für
eine elektrisch leitende Verbindung vom Innenraum nach außen dient,
wobei die Metallisierung mit mindestens einer elektrisch leitenden Kontaktdurchführung elektrisch
leitend verbunden ist, die sich durch das erste Kapselelement und/oder durch
das zweite Kapselelement erstreckt. Dadurch ist die Kapsel einfacher
und damit auch kostengünstiger
herstellbar und z. B. auch bei hohen Temperaturen einsetzbar. Die
maximale Arbeitstemperatur des Sensors kann z. B. im Bereich von
650°C und
höher liegen.
Dabei ist die hermetische Abriegelung des Innenraums bzw. druck-
oder gasdichte Kontaktdurchführung
gewährleistet.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Metallisierung mindestens zwei Metalle oder Legierungen,
die einen unterschiedlichen Schmelzpunkt haben. Dadurch kann bei
einer entsprechenden Prozesstemperatur die Metallisierung zum Teil
geschmolzen werden, wodurch sich bei der Herstellung der Kapsel
eine hohe Formstabilität
der Metallisierungsbereiche ergibt. Dabei umfasst die Metallisierung
bevorzugt Titan und Kupfer, wobei insbesondere Kupfer auf Titan
aufgebracht sein kann. Beim Verbindungsprozess mit einer Arbeitstemperatur,
die höher
ist als der Schmelzpunkt von Kupfer, jedoch niedriger als der Schmelzpunkt
von Titan, bleibt die Metallisierung in besonders hohem Maße formstabil.
Es erfolgt also kein Zerfließen
der Metallisierung.
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Bevorzugt
sind das erste und das zweite Kapselelement durch die Metallisierung
miteinander verlötet,
wobei die Metallisierung eine elektrisch leitende Kontaktschicht
bildet. Durch die zweifache Funktion der Metallisierung, die einerseits
zum Verlöten
der Kapselelemente und andererseits zur Bildung einer elektrisch
leitenden Kontaktschicht dient, kann das Verbinden der Kapselelemente
und die Kontaktierung von Sensorelementen im Innenraum der Kapsel
in einem einzigen Verfahrensschritt erfolgen.
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Durch
die hohe Temperatur während
des Lötschrittes
erfolgt eine Temperung der Metallisierung, d. h. die Kontaktwiderstände verhalten
sich nach Temperung ohmsch.
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Die
Metallisierung kann voneinander getrennte Metallisierungsbereiche
umfassen. Ein Metallisierungsbereich oder auch eine weitere Metallisierung
kann den Innenraum hermetisch und/oder druckdicht verschließen.
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Bevorzugt
umfasst die Kapsel mindestens eine elektrisch leitende Kontaktdurchführung, die
mit der Metallisierung elektrisch leitend verbunden ist und/oder
aus im Wesentlichen demselben Material wie die Kontaktschicht gefertigt
ist. Auch kann die Kontaktdurchführung
selbst z. B. in Teilbereichen eine Kontaktschicht bilden. Auch dadurch
kann in einem Arbeitsgang bzw. Verfahrensschritt die Kontaktierung
erfolgen.
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Bevorzugt
ist das erste Kapselelement und/oder das zweite Kapselelement scheiben-
oder plattenförmig
bzw. als Chip ausgestaltet, wobei sich mindestens eine Kontaktdurchführung durch
das erste Kapselelement und/oder durch das zweite Kapselelement
erstreckt. Die Kapselelemente können
z. B. aus Siliziumcarbid bzw. SiC gefertigt sein. Auch ist eine
Fertigung in SO-Technologie, Gruppe-III-Nitride auf Saphir, oder
SOS-Technologie möglich.
D. h. es können
hochtemperaturtaugliche Halbleiter-Materialien verwendet werden.
Bevorzugt erfolgt eine mikromechanische Fertigung. (SOI = Silicon
an Insulator; SOS = Silicon an Saphire).
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Vorteilhafterweise
umfasst die Kapsel einen Sensor, insbesondere einen Drucksensor.
Damit wird ein kostengünstiger
Sensor oder Drucksensor geschaffen, der bei hohen Temperaturen einsetzbar
ist und einen geringen Platzbedarf hat. Derartig verkapselte Sensoren
können
z. B. in Flugzeugturbinen eingesetzt werden. Es ist jedoch auch
möglich,
andere Arten von Sensoren in der erfindungsgemäßen Kapsel unterzubringen,
wie z. B. Beschleunigungssensoren oder Temperatursensoren.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Verkapselung von Mikrosensoren werden mindestens zwei Kapselelemente
miteinander verbunden um einen Innenraum auszubilden, wobei mittels
einer Metallisierung in einem Arbeitsgang der Innenraum verschlossen
und gleichzeitig eine elektrisch leitende Verbindung vom Innenraum
nach außen
gebildet wird, wobei mindestens ein Bereich der Metallisierung beim
Verbinden der Kapselelemente eine Kontaktdurchführung durch eines der Kapselelemente elektrisch
kontaktiert. Dadurch kann das Verfahren vereinfacht durchgeführt werden
und es können
auf kostengünstige
Weise verkapselte Mikrosensoren hergestellt werden, die eine hohe
Druckdichtheit auch bei hohen Temperaturen und eine sichere elektrisch
leitende Verbindung zwischen dem Innenraum und dem Außenraum
der Kapsel gewährleisten.
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Vorteilhafterweise
werden beide Kapselelemente vor dem Verbinden mit der Metallisierung
versehen, wobei die Metallisierung so gestaltet sein kann, dass
sie beim gegenseitigen Verlöten
als Bondverbindung zwischen den beiden Kapselelementen und zugleich
als Kontaktierung für
eine elektrische Verbindung zwischen dem Innenraum und dem Außenraum
dient. Die Metallisierung wird dabei z. B. so gestaltet, daß der Innenraum
hermetisch dicht verschlossen wird. Somit wird auf einfache Weise
ein besonders sicheres und dauerhaftes Verbinden der Kapselelemente
und zugleich eine beständige
Kontaktierung von Sensorelementen ermöglicht.
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Bei
dem Verfahren wird bevorzugt eine Metallisierung aufgebracht, die
aus mindestens zwei Metallen oder Legierungen besteht, die einen
unterschiedlichen Schmelzpunkt haben können, wobei das Verbinden bevorzugt
bei einer Temperatur erfolgt, die zwischen den beiden Schmelzpunkten
liegt. Insbesondere umfasst die Metallisierung Titan und Kupfer
bzw. entsprechende Legierungen.
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Vorteilhafterweise
werden bei dem Verfahren in mindestens einem der Kapselelemente
durchgehende Löcher
ausgestaltet, die an ihrer inneren Wandung mit der Metallisierung
versehen werden, oder mit einer weiteren Metallisierung, deren Schmelzpunkt
z. B. im Wesentlichen dem Schmelzpunkt der Metallisierung entspricht
bzw. in einem gleichen oder ähnlichen
Temperaturbereich liegen kann. Es ist aber z. B. auch möglich, Federkontakte
oder Druckkontakte vorzusehen oder z. B. die Löcher mit leitfähigen Metallpasten
oder leitfähigem
Glas zu füllen.
Dadurch erfolgt auf besonders einfache Weise die Ausbildung einer
Kontaktdurchführung
und die elektrische Kontaktierung beim Zusammenfügen bzw. Verbinden der Kapselelemente.
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Bevorzugt
wird vor dem Verbinden eine weitere Metallisierung oder ein Metallisierungsbereich auf
die Kapselelemente oder mindestens ein Kapselelement aufgebracht,
wobei die Metallisierung so ausgestaltet ist, dass sie nach dem
Verbinden einen innen gelegenen Bereich hermetisch umschließt. Damit
wird auf kostengünstige Weise
ein zuverlässiger druck-
bzw. gasdichter Innenraum für
ein Sensorelement geschaffen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kapselelement geschaffen,
das zur Ausbildung einer Kapsel für Mikrosensoren durch Verbinden
mit einem weiteren Kapselelement dient, wobei das Kapselelement
eine Metallisierung aufweist, die so ausgestaltet ist, dass sie
beim Verbinden als Bondverbindung und zugleich eine Kontaktierung
für eine
elektrisch leitende Kontaktdurchführung bildet, die sich durch
das weitere Kapselelement erstreckt. Mit dem Kapselelement ist es
möglich,
einen verkapselten Mikrosensor mit einem abgeschlossenen Innenraum
kostengünstig
bzw. auf einfache Weise herzustellen, der zudem zuverlässig arbeitet, hochtemperaturtauglich
ist und z. B. bei Temperaturen von ca. 650°C und mehr eingesetzt werden
kann. Die maximale Arbeitstemperatur hängt u. a. vom Schmelzpunkt
der Metallisierung ab.
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Die
Metallisierung umfasst bevorzugt mindestens zwei Metalle oder Legierungen,
wie beispielsweise Kupfer und/oder Titan bzw. entsprechende Legierungen,
die einen unterschiedlichen Schmelzpunkt haben. Dadurch wird eine
sehr hohe Formstabilität
der Metallisierungsbereiche beim Verbinden der Kapselelemente ermöglicht,
d. h., ein Zerfließen
der Metallisierungen wird bei entsprechender Wahl der Prozesstemperatur
verhindert. Das wird z. B. dadurch erreicht, daß die eine Komponente Benetzungs-
bzw. Netzmittel für
die andere Komponente ist.
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Insbesondere
ist das Kapselelement zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Kapsel
ausgestaltet.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft beschrieben.
Es zeigen:
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1a einen
Trägerchip
als Teil einer Kapsel gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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1b einen
Membranchip, der zusammen mit dem Trägerchip von 1a die
Kapsel gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung bildet;
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2a eine
Ansicht des Membranchips von 1b, jedoch
von der entgegengesetzten Seite;
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2b eine
Darstellung der anderen Seite des Trägerchips von 1a;
und
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3 eine
Photographie eines Sensorchips gemäß einer bevorzugten Ausstellungsform
der Erfindung.
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Die 1a und 1b zeigen
ein erstes Kapselelement 10 bzw. ein zweites Kapselelement 20,
die zusammen eine Kapsel für
einen Mikrosensor bilden. Dabei zeigt 1a die
außengelegene
Seite 11 des Kapselelements 10, während 1b die
in der Kapsel innen liegende Seite 21 des zweiten Kapselelements 20 zeigt.
Zur Ausgestaltung der Kapsel sind die beiden Kapselelemente 10, 20 miteinander verbunden
(Pfeil V) und bilden zwischen sich einen Innenraum aus. Das erste
Kapselelement 10 ist als Trägerchip ausgebildet, während das
zweite Kapselelement 20 als Membranchip bzw. Sensorchip
ausgebildet ist. Auf seiner Innenseite 21 trägt das zweite Kapselelement 20 eine
Metallisierung in Form von vier Metallisierungsbereichen 22,
die nach dem Zusammenfügen
der beiden Kapselelemente 10, 20 als Bondverbindung
dienen und zugleich eine Kontaktierung für eine elektrisch leitende
Verbindung zwischen dem Innenraum und dem Außenraum der Kapsel bilden.
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Die
beiden Kapselelemente 10, 20 sind in der bevorzugten
Ausführungsform
aus SiC gefertigt, was eine hohe Arbeitstemperatur des Sensors im
Bereich von 650°C
ermöglicht.
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Es
ist aber auch möglich,
für andere
hochtemperaturtaugliche Halbleiter-Materialien bzw. Halbleiter-Materialsysteme
wie z. B. Gruppe-III-Nitride auf Saphir, Silicon an Insulator (SOI),
Silicon an Saphire (SOS) als Sensormaterial zu verwenden.
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Zusätzlich zu
den Metallisierungsbereichen 22 ist auf dem Kapselelement 20 ein
weiterer Metallisierungsbereich 26 aufgebracht, der die
anderen Metallisierungsbereiche 22 und zwischen diesen
liegende Strukturen ringartig umschließt. Zwischen den Metallisierungsbereichen 22 sind
Piezoelemente 30 ausgebildet. Leiterbahnen 31 in
Form von weiteren Metallisierungen bilden elektrische Verbindungen zwischen
den Piezoelementen 30 und den Metallisierungsbereichen 22.
In der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist zwischen jeweils
zwei Metallisierungsbereichen 22 ein Piezoelement 30 geschaltet.
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Die
Piezoelemente 30 befinden sich auf einem Verformungselement
bzw. einer Membran 27, die im Vergleich zum übrigen Chip
relativ dünn
ausgestaltet ist. Das Verformungselement ist als Teil des zweiten
Kapselelements 20 in dessen Zentrum ausgebildet und aus
demselben Material wie die Kapselelemente gefertigt. Die Metallisierung
bzw. die Metallisierungsbereiche 22 und 26 haben
eine Dicke im Bereich von ca. einem oder mehreren μm. Sie sind
in ihrer Form so gestaltet, dass sie beim Zusammenfügen der
beiden Kapselelemente 10, 20 eine Bondverbindung
mit denjenigen Metallisierungsbereichen bilden, die auf der daran
angrenzenden bzw. innen liegenden Seite 12 des ersten Kapselelements 10 ausgestaltet
sind.
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Das
erste Kapselelement 10 (1a) bzw. der
Trägerchip
hat eine Anzahl von durchgehenden Löchern 13, die an ihren
Wandungen ebenfalls mit einer Metallisierung 14 versehen
sind. Der Trägerchip ist
elektrisch isolierend oder besitzt eine elektrisch passivierbare
Oberfläche.
Die Metallisierungen 14 erstrecken sich ringartig durch
die durchgehenden Löcher 13 und
bilden auf der Außenseite 11 und
der Innenseite 12 des ersten Kapselelements 10 jeweils weitere
Metallisierungsbereiche 15. Diese weiteren Metallisierungsbereiche 15 umschießen jeweils
ringförmig
eines der Löcher 13 und
bilden elektrische Kontakte auf jeder Seite eines Lochs 13.
Eine Metallisierung ist nicht zwingend erforderlich, es sind auch andere
elektrisch leitende Materialien denkbar (z. B. Federkontakte). Wenn
beide Kapselelemente 10, 20 miteinander verbunden
sind, was z. B. durch Verlöten erfolgt,
sind die Metallisierungen 14 von jedem der Löcher 13 des
ersten Kapselelements 10 jeweils mit einem dazugehörigen Metallisierungsbereich 22 des zweiten
Kapselelements 20 verschmolzen. Diese Metallisierungsbereiche
bilden somit eine Bondverbindung zur Verbindung der beiden Kapselelemente 10, 20 und
zugleich eine elektrische Kontaktierung und hermetisch dichte Kontaktdurchführung vom
Innenraum der Kapsel nach außen.
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Die
Metallisierung bzw. die Metallisierungsbereiche 14, 15, 22, 26 sind
aus mindestens zwei Metallen, bzw. Metalllegierungen, im vorliegenden Fall
Titan und Kupfer bzw. entsprechende Legierungen, gebildet. Die Metallisierung
bzw. Metallisierungsbereiche sind durch Aufdampfen oder Sputtern auf
dem jeweiligen Grundkörper
der Kapselelemente 10, 20 aufgebracht. Im vorliegenden
Fall befindet sich dabei eine Schicht aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung
auf einer Schicht aus Titan bzw. einer Titanlegierung. Beim Verlöten bei
einer definierten Prozesstemperatur, die oberhalb des Schmelzpunkts von
Kupfer aber unterhalb des Schmelzpunktes von Titan liegt, bildet
sich flüssiges
Kupfer auf festem Titan. Dabei bleibt das flüssige Kupfer auf dem festen Titan
formstabil, wobei ein Diffusionsprozeß des Titans stattfinden kann.
D. h., das Titan vermittelt eine formstabile Verbindung zwischen
der Metallisierung und dem Grundmaterial des jeweiligen Kapselelements 10, 20 bzw.
zwischen Kupfer und SiC. Somit erfolgt kein Zerfließen der
strukturierten Metallisierung beim Verbindungsprozess. Selbstverständlich können auch
andere Materialien, beispielsweise Ti/Au oder Ti/Ag verwendet werden.
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Ergänzend zu
den vorhergehenden Figuren zeigen die 2a und 2b die
jeweils andere Seite der Kapselelemente 10, 20. 2a zeigt
dabei die bei der zusammengefügten
Kapsel außen
gelegene Seite 28 des Membranchips bzw. zweiten Kapselelements 20. 2b zeigt
die in der zusammengefügten Kapsel
innengelegene Seite 12 des Trägerchips bzw. ersten Kapselelements 10.
Zur Ausbildung der Kapsel werden die beiden Kapselelemente 10, 20 in
der in den 1a und 1b bzw. 2a und 2b gezeigten
Lage relativ zueinander zusammengefügt (Pfeil V). Das Membran-
oder Sensorchip bzw. zweite Kapselelement 20 hat auf seiner
Außenseite 28 eine Vertiefung 29 zur
Ausbildung der oben beschriebenen Membran 27. D. h., die
Membran 27 ist ein im Vergleich zum übrigen Kapselelement 20 dünner Bereich,
der eine Wandung des Innenraums der fertigen Kapsel bildet und flexibel
ist. Eine Änderung
des Differenzdrucks zwischen dem Innenraum der Kapsel und dem Außenraum
bewirkt eine Verformung der Membran 27 und somit ein Signal
bzw. eine Signaländerung
durch die Piezoelemente 30.
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Auf
der in der zusammengefügten
Kapsel innen liegenden Seite 12 des Trägerchips bzw. ersten Kapselelements 10 ist
ebenfalls eine Vertiefung 17 ausgebildet, so dass im Bereich der
Vertiefung 17 nach dem Verbinden der beiden Kapselelemente 10, 20 ein
abgeschlossener Innenraum In der Kapsel entsteht. In 2b sind
die ringförmigen
Metallisierungsbereiche 15 gezeigt, die die durchgehenden Löcher 13 umgeben
und zusammen mit den Metallisierungen 14 in den Löchern 13 Kontaktdurchführungen
durch das erste Kapselelement 10 bilden. Die Metallisierungsbereiche 15 an
den durchgehenden Löchern 13 sind
so ausgestaltet, dass sie sich beim Zusammenfügen der beiden Kapselelemente 10, 20 jeweils
mit einem Metallisierungsbereich 22 des zweiten Kapselelements 20 (s. 1b)
verbinden bzw. mit diesem verschmelzen. Die miteinander verschmolzenen
Metallisierungen bilden somit eine Bondverbindung zwischen den beiden
Kapselelementen 10, 20 und zugleich eine elektrische
Kontaktierung der im Innenraum der Kapsel gelegenen Sensorelemente
bzw. piezoelektrischen Elemente 30.
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Ein
weiterer Metallisierungsbereich 18, der ebenfalls auf der
in der fertigen Kapsel innen liegenden Seite 12 des Trägerchips
bzw. ersten Kapselelements 10 aufgebracht ist, umschließt vollständig die ringförmigen Metallisierungen
bzw. Metallisierungsbereiche 15 und die im Zentrum des
ersten Kapselelements 10 gelegene Vertiefung 17.
Dabei ist der weitere Metallisierungsbereich 18 von den übrigen Metallisierungen
getrennt. Der weitere Metallisierungsbereich 18 ist so
strukturiert, dass er beim Verbinden der Kapselelemente 10, 20 mit
dem gegenüberliegenden
Metallisierungsbereich 26 des zweiten Kapselelements 20 (s. 1b)
verschmilzt bzw. eine Bondverbindung eingeht. Im zusammengefügten Kapselelement
wird somit durch die Metallisierung 18 bzw. 26 der
Innenraum druckdicht nach außenhin
abgeschlossen. Ebenso schließen
die vier ringförmigen Metallisierungen 15 des
ersten Kapselelements 10 gemeinsam mit den vier Metallisierungsbereichen 22 des
Kapselelements 20 den Innenraum der Kapsel vom Außenraum
ab. Die Anzahl der Metallisierungsbereiche 15, 22 und
die Anzahl der durchgehenden Löcher 13 ist
nicht auf vier begrenzt, sondern richtet sich nach den jeweiligen
Anforderungen. Jeder Pad ist durch die Metallisierungen einzeln
abgeschlossen.
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Die
beiden Kapselelemente 10, 20, die als Trägerchip
und Membran- bzw. Sensorchip ausgestaltet sind, haben an ihren Rändern jeweils
zwei Einbuchtungen bzw. Ausnehmungen 51, 52 bzw. 61, 62 die
zur Führung
und Positionierung der Chips beim Zusammenfügen dienen, wobei Führungsmittel
bzw. Führungsstifte
mit den Ausnehmungen zusammenwirken. Die Montage erfolgt auf der
Durchführung bzw.
am Gehäuse.
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Zur
Herstellung der Verkapselung werden zunächst die beiden Kapselelemente 10, 20 bereitgestellt.
Dabei wird das erste Kapselelement 10 als Sensorchip und
das zweite Kapselelement 20 als Trägerchip beispielsweise aus
SiC gefertigt. Die beiden Chips werden in ihrer Form so gestaltet,
dass sie beim Zusammenfügen
einen Innenraum bilden, in dem Senserelemente untergebracht sind.
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Nun
werden die Metallisierungen, wie sie oben beschrieben wurden, auf
den Trägerchip
und den Sensorchip als erstes bzw. zweites Kapselelement 10, 20 aufgebracht.
Hierzu wird zunächst
Titan und anschließend
Kupfer bzw. entsprechende Legierungen aufgedampft. Allgemein sind
Metalle oder Legierungen mit unterschiedlichem Schmelzpunkt für das Verfahren
vorteilhaft. Das Aufbringen der Metallisierung bzw. der Metallisierungsbereiche 14, 15, 22, 26 kann
auch durch Sputtern erfolgen. Nach dem Aufbringen der Metallisierung
wird diese z. B. durch lithografische Verfahren strukturiert. Eine
Strukturierung kann auch mittels eines Lift-Off-Prozesses oder durch
Schattenmasken erfolgen. Dabei werden die Metallisierungsbereiche 14, 15, 22 so
strukturiert, dass sie nach dem Zusammenfügen der Kapselelemente 10, 20 als
Bondverbindung dienen und gleichzeitig eine elektrisch leitende
Verbindung zum Innenraum der Kapsel bilden.
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Zum
Verbinden der Kapselelemente 10, 20 wird die Metallisierung 14, 15, 22, 26 erhitzt.
Als Prozesstemperatur zum Verlöten
wird eine Temperatur gewählt,
die zwischen zwei unterschiedlichen Schmelzpunkten der Metallkomponenten
der Metallisierung liegt. Bei Verwendung von Titan und Kupfer erfolgt
daher das Verlöten
bei einer Prozesstemperatur, die oberhalb des Schmelzpunkts von
Kupfer und unterhalb des Schmelzpunkts von Titan liegt. Die Prozesstemperatur
zum Verlöten
der beiden Kapselelemente 10, 20 liegt im vorliegenden
Fall z. B. im Bereich von ca. 1100°C. Aufgrund dieser relativ hohen
Prozesstemperatur, die durch die Schmelztemperatur von Cu bestimmt
wird, ist es möglich,
den verkapselten Sensor auch bei hohen Arbeitstemperaturen zu betreiben
bzw. einzusetzen, ohne dass die Sicherheits- und Funktionsfähigkeit
gefährdet
wird.
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Aufgrund
der gewählten
Prozesstemperatur bildet sich beim Erhitzen flüssiges Kupfer auf festem Titan,
wodurch die Formstabilität
der strukturierten Metallisierung gewährleistet ist. Die durchgehenden Löcher 13 können dabei
im Wesentlichen die gleiche Metallisierung wie die übrigen Metallisierungsbereiche
haben. Allgemein ist es aber auch möglich, Metallisierungen vorzusehen,
die ein ähnliches Schmelzverhalten
haben bzw. bei einer ähnlichen Prozesstemperatur
teilweise schmelzen. Das heißt, die
Metalle bzw. unterschiedlichen Metallkomponenten werden so gewählt, dass
beim Schmelzen einer Komponente aufgrund ihrer Verbindung bzw. ihres Kontakts
mit der zweiten Komponente die Formstabilität erhalten bleibt. Die Auswahl
der Metalle wird durch die weiterverarbeitenden Schritte bestimmt.
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Die
beiden Kapselelemente 10, 20 werden zusammengefügt, wobei
durch die Metallisierung in einem einzigen Arbeitsgang der Innenraum
der Kapsel verschlossen und gleichzeitig eine elektrisch leitende
Verbindung vom Innenraum nach Außen gebildet wird. Es erfolgt
also lediglich ein Zusammenlöten der
beiden Kapselelemente 10, 20, ohne dass Zwischenschichten
vorgesehen werden müssen,
beispielsweise um unterschiedliche Höhenverhältnisse auszugleichen, die
sich bei herkömmlichen
Kontaktdurchführungen
ergeben. Die Metallisierungsschicht ist also gleichzeitig die Bondschicht
zum Verschluss der Kapsel und zur Durchführung der Kontakte, wobei das
Bonden und das Herstellen der Kontakte in einem Arbeitsschritt erfolgt.
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Bei
dem Herstellungsverfahren kann auf weitere Verbindungsschichten
verzichtet werden, d. h., es wird nur ein Zwischenmaterial verwendet.
Hieraus ergibt sich zusätzlich,
dass Probleme aufgrund thermischer Spannungen vermieden werden.
Insgesamt ist die Bondung und die Metallisierung aus demselben Material
oder aus einem sehr ähnlichen
Material, das gleiche bzw. ähnliche
Schmelzpunkte und thermische Ausdehnungskoeffizienten hat.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird auf einfache Weise die Herstellung
einer zuverlässigen
und kostengünstigen
Sensorkapsel ermöglicht,
die druckdichte Kontaktdurchführungen
aufweist und Sensoren jeglicher Art beinhalten kann. Es werden z.
B. mäanderförmige Piezowiderstände auf
der Membran 27 ausgebildet, die im druckdicht abgeschlossenen Innenraum
der fertigen Kapsel liegen. Durch Schichten, die sowohl der Kontaktierung,
als auch dem Bondprozess dienen, kann die Verkapselung und die Kontaktdurchführung eines
Mikrosensors in einem Schritt erfolgen. Solche Schichten können z.
B. Titan-Kupfer-Schichtaufbauten
sein, die bei Temperaturen über
dem Schmelzpunkt zum Löten
eingesetzt werden können,
andererseits aber bei diesen Temperaturen strukturstabil bleiben.
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Im
Fall eines Drucksensors zur Absolutdruckmessung ist im Innenraum
der Kapsel Vakuum oder ein definierter Druck, so dass ein äußerer Druck über die
Membran 27 gemessen werden kann.
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3 zeigt
eine Schwarz-weiß-Aufnahme des
Sensorchips bzw. zweiten Kapselelements 20 gemäß der in 1b schematisch
dargestellten, bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Die dunklen, ringförmigen Bereiche sind frei von
der Metallisierung, d. h. an diesen Stellen ist das Substratmaterial
des Sensorchips zu sehen. Die hellen Bereiche zeigen die strukturierte
Metallisierung bzw. die Metallisierungsbereiche 22 und 26 gemäß 1b.
Im Zentrum des hier gezeigten Kapselelements 20 befinden sich
die mäanderförmig gestalteten
Piezowiderstände
bzw. Piezoelemente 30, die durch die Metallisierung 22,
die gleichzeitig zur Bondung dient, kontaktiert werden.
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Der
außengelegene
Metallisierungsbereich (siehe Bereich 26 von 1b)
ist als Verschlussmetallisierung auf beiden Chips bzw. Kapselelementen 10, 20 aufgebracht.
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Zusammenfassend
wird durch die kontaktintegrierende Verkapselung gemäß der vorliegenden Erfindung
das Problem der Kontaktdurchführung beim
Verkapseln von Mikrosensoren gelöst.
Dazu werden Löt-
und Kontaktierungsschichten gleichzeitig miteinander verbunden.
Im Vergleich zu bekannten Methoden wird der Verkapselungsprozess
erheblich vereinfacht. Vor allem wird durch die Verkapselung und
das beschriebene Verfahren die Schaffung hochtemperatur-tauglicher
Mikrosensoren möglich. Der
Sensor ist bevorzugt ein Absolutdrucksensor.
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- 10
- erstes
Kapselelement
- 11
- außengelegene
Seite des ersten Kapselelements
- 12
- innen
liegende Seite des ersten Kapselelements
- 13
- durchgehende
Löcher
- 14
- Metallisierung
(in Löchern 13)
- 15
- weitere
Metallisierungsbereiche
- 17
- Vertiefung
im ersten Kapselelement
- 18
- weiterer
Metallisierungsbereich
- 20
- zweites
Kapselelement
- 21
- innen
liegende Seite des zweiten Kapselelements
- 22
- Metallisierungsbereiche
- 26
- Metallisierungsbereich
- 27
- Membran
- 28
- außengelegene
Seite des zweiten Kapselelements
- 30
- Piezoelemente
- 51,
52
- Ausnehmungen
des ersten Kapselelements
- 60
- Stecker
- 61,
62
- Ausnehmungen
des zweiten Kapselelements