DE60003199T2

DE60003199T2 - Silikon basierte sensor-systeme

Info

Publication number: DE60003199T2
Application number: DE60003199T
Authority: DE
Inventors: Matthias Müllenborn; F. Jochen KUHMANN; U. Peter SCHEEL
Original assignee: SonionMems AS; Sonion Mems AS
Current assignee: Epcos Pte Ltd
Priority date: 1999-09-06
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2020-09-07
Also published as: EP1214864A2; CA2383740A1; DE60003199D1; JP2003508998A; ATE242587T1; WO2001019134A3; CN1203726C; CN1387741A; PL209935B1; AU6984100A; EP1214864B1; WO2001019134A2; PL354095A1; JP2007028671A; DK1214864T3; CA2383740C; JP4303742B2; JP4459498B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem, das ein Trägerglied, ein Wandlerelement und eine elektronische Vorrichtung aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Kondensatormikrophonsysteme, die unter Verwendung einer Flip-Chip-Technologie aufgebaut sind. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Kondensatormikrophonsysteme, die zur Oberflächenmontage auf z.B. gedruckten Schaltungen (PCB's) angepaßt sind.
Hintergrund der Erfindung
In der Hörgeräte- und Mobilkommunikationssystemindustrie ist eines der Hauptziele, Komponenten mit geringer Größe herzustellen, während dennoch eine gute elektroakustische Leistung und Betriebsfähigkeit beibehalten wird, die eine gute Benutzerfreundlichkeit und Zufriedenheit ergibt. Die technischen Leistungsdaten umfassen Empfindlichkeit, Rauschen, Stabilität, Kompaktheit, Robustheit und Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Störungen (EMI) und andere äußere und Umgebungsbedingungen. In der Vergangenheit sind verschiedene Versuche gemacht worden, Mikrophonsysteme kleiner zu machen, während ihre technischen Leistungsdaten beibehalten oder verbessert werden.
Ein anderes Problem dieser Komponentenindustrien betrifft die Leichtigkeit der Integration in das Gesamtsystem.
EP 561 566 offenbart ein Festkörper-Kondensatormikrophon, das einen Feldeffekttransistor- (FET)-Schal tungskomplex und einen Hohlraum oder Schalleinlaß auf demselben Chip aufweist. Die Techniken und Verfahren zum Herstellung eines FET-Schaltungskomplexes unterscheiden sich ziemlich von den Techniken und Verfahren, die beim Herstellen von Wandlerelementen verwendet werden. Folglich benötigen das Wandlerelement und FET-System, die in EP 561 566 offenbart werden, zwei (oder möglicherweise mehr) getrennte Herstellungsstufen, was natürlich die Herstellung komplizierter und dadurch auch kostspieliger macht.
Die Entwicklung von mikroelektromechanischen Hybridsystemen (MEMS) ist während der letzten Jahre bedeutend fortgeschritten. Dies hat hauptsächlich mit der Entwicklung geeigneter Techniken zur Herstellung solcher Systeme zu tun. Einer der Vorteile solcher Hybridsysteme betrifft die Größe, mit der relativ komplizierte Systeme, die mechanische Mikrowandler und speziell gestaltete Elektronik enthalten, hergestellt werden können.
US 5,889,872 offenbart ein Hybridsystem, das aus einem Silizium-Mikrophon und einem integrierten Schaltungschip besteht, der darauf unter Verwendung einer Drahtverbindung für die elektrische Verbindung angebracht ist. Diese Lösung hat den Nachteil, daß sie einen zusätzlichen Schutz und Raum für die Verbindungsdrähte benötigt.
US 5,856,914 offenbart eine Flip-Chip-montierte mikromechanische Vorrichtung, wie ein Kondensatormikrophon, wo ein Teil der Trägers, auf den die Mikrovorrichtung angebracht ist, einen Teil des endgültigen Systems bildet. Ein Nachteil dieses Systems ist die Tatsache, daß die mikromechanische Vorrichtung vor der Montage an den Träger nicht getestet werden kann. Ein anderer Nachteil des offenbarten Systems betrifft die gewählten Materialien. Die mikromechanische Vorrichtung besteht aus Si, wohingegen der Träger aus einer PCB oder einem Keramikmaterial besteht. Unterschiede der thermischen Volumenausdehnungskoeffizienten können die Integration solcher unterschiedlicher Materialien leicht komplizieren.
Der Artikel „The first silicon-based micro-microphone", der im dänischen Journal Elektronik og Data, Nr. 3. S. 4-8, 1998 veröffentlicht wurde, offenbart, wie auf Silizium beruhende Mikrophonsysteme gestaltet und hergestellt werden können. Der Artikel offenbart ein Dreischicht-Mikrophonsystem, wo ein Wandlerelement auf einer Zwischenschicht Flip-Chip-montiert ist, die das Wandlerelement mit einer elektronischen Vorrichtung, wie einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) verbindet. Das Wandlerelement weist eine bewegliche Membran und eine im wesentlichen steife hintere Platte auf. Auf der gegenüberliegenden Seite des Wandlerelements ist eine auf Silizium beruhende Struktur angebracht, die eine hintere Kammer bildet. Es ist erwähnenswert, daß eine Drahtverbindung oder direkte Lötung erforderlich ist, damit das Mikrophonsystem elektrisch mit der Umgebung verbunden ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sensorsystem bereitzustellen, wo die unterschiedlichen Elemente, die das Sensorsystem bilden, Flip-Chip-montiert werden, wobei fertigungsreihenorientierte Standardtechniken angewendet werden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein voll funktionsfähiges und gekapseltes Sensorsystem bereitzustellen, das unabhängig von einer endgültigen Position auf z.B. einer PCB betrieben werden kann.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein voll funktionsfähiges und gekapseltes Sensor system bereitzustellen, das vor der endgültigen Montage getestet werden kann.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sensorsystem bereitzustellen, das zur Montage auf z.B. PCB's unter Verwendung von Flip-Chip- oder Oberflächenmontagetechnologien geeignet ist, und dadurch eine Drahtverbindung oder eine komplizierte Handhabung einzelner Chips vermeidet.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sensorsystem bereitzustellen, wo der Abstand zwischen dem Wandlerelement und der elektronischen Schaltung reduziert ist, um Störungen und den Platzbedarf zu reduzieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Die obenerwähnten Aufgaben werden gelöst, indem in einem ersten Aspekt ein Sensorsystem bereitgestellt wird, das aufweist:

– ein Trägerglied mit einer ersten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche eine erste und eine zweite Gruppe von Kontaktelementen hält,
– ein Wandlerelement, das ein aktives Glied aufweist, wobei das aktive Glied mit mindestens einem Kontaktelement des Wandlerelements elektrisch verbunden ist, und
– eine elektronische Vorrichtung, die eine integrierte Schaltung mit mindestens einem Kontaktelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
– mindestens ein Kontaktelement des Wandlerelements mit einem der Kontaktelemente der ersten Gruppe des Trägerglieds so ausgerichtet ist, daß ein elektrischer Kontakt zwischen dem aktiven Glied des Wandlerelements und dem Trägerglied erhalten wird, und daß
– mindestens ein Kontaktelement der elektronischen Vorrichtung mit einem der Kontaktelemente der zweiten Gruppe des Trägerglieds so ausgerichtet ist, daß das Wandlerelement und die elektronische Vorrichtung auf der ersten Oberfläche des Trägerglieds benachbart angeordnet sind und daß ein elektrischer Kontakt zwischen der integrierten Schaltung und dem Trägerglied erhalten wird, und daß
– mindestens eines der Kontaktelemente der ersten Gruppe mit mindestens einem der Kontaktelemente der zweiten Gruppe elektrisch verbunden ist, so daß ein elektrischer Kontakt zwischen dem aktiven Glied des Wandlerelements und der integrierten Schaltung der elektronischen Vorrichtung erhalten wird.

Das Wandlerelement kann im Prinzip jede Art von Wandler sein, wie ein Druckwandler, ein Beschleunigungsmesser oder ein Thermometer.
Damit das Sensorsystem mit der Umgebung kommuniziert, kann das Trägerglied ferner eine zweite Oberfläche aufweisen, wobei die zweite Oberfläche mehrere Kontaktelemente hält. Mindestens eines der Kontaktelemente der ersten oder zweiten Gruppe ist mit einem der Kontaktelemente elektrisch verbunden, die durch die zweite Oberfläche gehalten werden. Die ersten und zweiten Oberflächen können im wesentlichen parallel sein und einander gegenüberliegen.
Das Trägerglied und das Wandlerelement können auf einem Halbleitermaterial, wie Si beruhen. Um thermische Spannungen zu entkoppeln, können das Trägerglied, das Wandlerelement und die elektronische Vorrichtung auf demselben Halbleitermaterial beruhen. Erneut kann das Material Si sein.
Um eine hintere Kammer für Mikrophonanwendungen zu bilden, kann das Trägerglied ferner eine Vertiefung aufweisen, die mit dem aktiven Glied des Wandlerelements ausgerichtet ist. Ebenfalls für Mikrophonanwendungen kann das aktive Glied des Wandlerelements einen Kondensator aufweisen, der in Kombination durch eine flexible Membran und eine im wesentlichen steife hintere Platte gebildet wird. Außerdem weist das Wandlerelement ferner einen Hohlraum oder Schalleinlaß auf. Der Boden des Hohlraums kann durch das aktive Glied des Wandlerelements definiert oder gebildet werden. Die flexible Membran und die im wesentlichen steife hintere Platte können mit einem ersten bzw. einem zweiten Kontaktelement des Wandlerelements elektrisch verbunden sein, um das durch das Wandlerelement empfangene Signal zum Trägerglied zu übertragen.
Die integrierte Schaltung kann zur Signalverarbeitung geeignet sein. Diese integrierte Schaltung kann eine ASIC sein. Um eine gerichtete Empfindlichkeit zu erhalten, kann der Sensor ferner eine Öffnung oder einen Schalleinlaß zwischen der zweiten Oberfläche des Trägerglieds und der Vertiefung aufweisen. Um das Wandlerelement gegen z.B. Teilchen oder Feuchtigkeit zu schützen, ist eine Außenfläche des Sensors mindestens teilweise durch einen Deckel geschützt. Der Deckel und das aktive Glied des Wandlerelements können eine obere bzw. untere Begrenzung des Hohlraums definieren. Außerdem kann mindestens eine Außenfläche des Sensorsystems eine leitfähige Schicht halten. Die leitfähige Schicht kann eine Metallschicht oder eine leitfähige Polymerschicht aufweisen.
Die Kontaktelemente können Lötmaterialien, wie Sn, SnAg, SnAu oder SnPb aufweisen. Außerdem kann das Sensorsystem eine Abdichtungseinrichtung zur hermetischen Abdichtung des Wandlerelements aufweisen.
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Sensorsystem, das aufweist:

– ein Trägerglied mit einer ersten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche eine erste, eine zweite und eine dritte Gruppe von Kontaktelementen aufweist,
– ein erstes Wandlerelement, das ein aktives Glied aufweist, wobei das aktive Glied mit mindestens einem Kontaktelement des ersten Wandlerelements elektrisch verbunden ist,
– ein zweites Wandlerelement, das ein aktives Glied aufweist, wobei das aktive Glied mit mindestens einem Kontaktelement des zweiten Wandlerelements elektrisch verbunden ist,
– eine elektronische Vorrichtung, die eine integrierte Schaltung mit mindestens einem Kontaktelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
– mindestens ein Kontaktelement des ersten Wandlerelements mit einem der Kontaktelemente der ersten Gruppe des Trägerglieds so ausgerichtet ist, daß ein elektrischer Kontakt zwischen dem aktiven Glied des ersten Wandlerelements und dem Trägerglied erhalten wird, und daß
– mindestens ein Kontaktelement des zweiten Wandlerelements mit einem der Kontaktelemente der zweiten Gruppe des Trägerglieds so ausgerichtet ist, daß die ersten und zweiten Wandlerelemente auf der ersten Oberfläche des Trägerglieds benachbart angeordnet sind und daß ein elektrischer Kontakt zwischen dem aktiven Glied des zweiten Wandlerelements und dem Trägerglied erhalten wird, und daß
– mindestens ein Kontaktelement der elektronischen Vorrichtung mit einem der Kontaktelemente der dritten Gruppe des Trägerglieds so ausgerichtet ist, daß die elektronische Vorrichtung benachbart zum ersten bzw. zweiten Wandlerelement auf der ersten Oberfläche des Trägerglieds angeordnet ist und daß ein elektrischer Kontakt zwischen der integrierten Schaltung und dem Trägerglied erhalten wird, und daß
– mindestens eines der Kontaktelemente der ersten Gruppe mit mindestens einem der Kontaktelemente der dritten Gruppe elektrisch verbunden ist, und daß mindestens eines der Kontaktelemente der zweiten Gruppe mit mindestens einem der Kontaktelemente der dritten Gruppe elektrisch verbunden ist, so daß ein elektrischer Kontakt zwischen dem aktiven Glied des ersten Wandlerelements und der integrierten Schaltung und zwischen dem aktiven Glied des zweiten Wandlerelements und der integrierten Schaltung erhalten wird.

Der Sensor gemäß dem zweiten Aspekt kann zum gerichteten Abfühlen, wie für richtungsempfindliche Druckwandler geeignet sein.
Das Trägerglied, wie ein auf Silizium beruhendes Trägerglied kann ferner eine zweite Oberfläche aufweisen, die mehrere Kontaktelemente hält. Um eine elektrische Verbindung mit der zweiten Oberfläche zu erhalten, kann mindestens eines der Kontaktelemente der ersten, zweiten oder dritten Gruppe mit einem der Kontaktelemente elektrisch verbunden sein, die durch die zweite Oberfläche gehalten werden. Die ersten und zweiten Oberflächen können im wesentlichen parallel sein und einander gegenüberliegen. Vorzugsweise beruhen die Wandlerelemente und die elektronische Vorrichtung auf Silizium.
Das Trägerglied kann ferner eine erste und eine zweite Vertiefung aufweisen, wobei die erste Vertiefung mit dem aktiven Glied des ersten Wandlerelements ausgerichtet ist und die zweite Vertiefung mit dem aktiven Glied des zweiten Wandlerelements ausgerichtet ist. Die ersten und zweiten Vertiefungen dienen als hintere Kammern.
Jedes der ersten und zweiten Wandlerelemente kann ferner einen Hohlraum aufweisen, wobei der Boden der Hohlräume durch die aktiven Glieder der ersten und zweiten Wandlerelemente definiert wird.
Um z.B. Druckveränderungen zu messen, kann jedes der aktiven Glieder der ersten und zweiten Wandlerelemente einen Kondensator aufweisen, wobei der Kondensator in Kombination durch eine flexible Membran und eine im wesentlichen steife hintere Platte gebildet wird. Die flexible Membran und die im wesentlichen steife hintere Platte können mit den Kontaktelementen der jeweiligen Wandlerelemente elektrisch verbunden sein.
Jedes der ersten und zweiten Wandlerelemente kann ferner einen Deckel zum Schutz der Wandlerelemente aufweisen. Die Deckel und die aktiven Glieder der ersten und zweiten Wandlerelemente können in einer solchen Weise angeordnet sein, daß sie eine obere und eine untere Begrenzung der jeweiligen Hohlräume definieren.
Mindestens ein Teil einer Außenfläche des Sensorsystems kann eine leitfähige Schicht aufweisen. Diese leitfähige Schicht kann eine Metallschicht oder eine leitfähige Polymerschicht sein. Die Kontaktelemente können ein Lötmaterial, wie Sn, SnAg, SnAu oder SnPb aufweisen.
Erfindungsgemäße, auf Silizium beruhende Festkörper-Kondensatormikrophonsysteme sind zur Serienfertigung geeignet. Die Kombination der unterschiedlichen Elemente, die das Mikrophonsystem bilden, ist verglichen mit jedem anderen System, das im Stand der Technik offenbart wird, fle xibler. Die vorliegende Erfindung macht es möglich, eine sehr gut definierte Schnittstelle zur Umgebung bereitzustellen, z.B. durch eine Öffnung auf einer Seite des Systems. Diese Öffnung kann durch einen Film oder einem Filter abgedeckt sein, wobei verhindert wird, daß Staub, Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen das Mikrophon verunreinigen oder die Eigenschaften des Mikrophons stören. Elektrische Verbindungen zwischen den unterschiedlichen Elementen des Mikrophonsystems werden über einen Siliziumträger unter Verwendung der Flip-Chip-Technologie wirtschaftlich und zuverlässig hergestellt.
Die vorliegende Erfindung verwendet einen integrierten elektronischen Schaltungschip, vorzugsweise eine ASIC, der getrennt und unabhängig von der Gestaltung und der Herstellung des Wandlerelements im Mikrophon gestaltet und hergestellt werden kann. Dies ist vorteilhaft, da die Techniken und Verfahren zur Herstellung integrierter elektronischer Schaltungschips sich von jenen unterscheiden, die bei der Herstellung von Wandlerelementen verwendet werden, und jede Produktionsstufe unabhängig optimiert werden kann. Außerdem kann die Prüfung der Wandlerelemente und ASICs auf Wafer-Niveau durchgeführt werden.
Das vollständige Sensorsystem kann durch eine Oberflächenmontagetechnologie mit einem äußeren Substrat elektrisch verbunden werden, wobei die Kontakte zu einer Seite des Systems weisen, die nicht in Konflikt mit der obenerwähnten Schnittstelle zur Umgebung steht. Dies läßt es zu, daß der Benutzer einfache und effiziente Oberflächemontagetechniken für den Zusammenbau des Gesamtsystems anwendet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nun in weiteren Details unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Darstellung einer allgemeinen Anwendung eines auf Silizium beruhenden Sensorsystems,
2 eine Darstellung einer allgemeinen Anwendung eines auf Silizium beruhenden Sensorsystems mit einem Deckel,
3 eine Darstellung einer Mikrophonanwendung des auf Silizium beruhenden Sensorsystems,
4 eine Darstellung einer gekapselten Mikrophonanwendung,
5 eine Nahaufnahme einer lateralen Durchführung und eines Dichtungsrings,
6 eine Darstellung einer Richtmikrophonanwendung des auf Silizium beruhenden Sensorsystems, und
7 eine Darstellung einer zweiten Richtmikrophonanwendung des auf Silizium beruhenden Sensorsystems.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Das zur Herstellung der unterschiedlichen Elemente des Sensorsystems verwendete Verfahren enthält hauptsächlich bekannte Technologien im Gebiet der Mikrotechnologie. In 1 wird ein Siliziumträgersubstrat 2 gezeigt, das ein oder mehrere vertikale geätzte Durchführungslöcher 20 aufweist. Das Siliziumträgersubstrat 2, das schmelzkristallisiertes Silizium ist, weist Löthöcker 8, 22 auf einer ersten Oberfläche bzw. einer zweiten Oberfläche auf. Das elektrische Signal wird über Durchführungsleitungen 23 von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche übertragen. Auf der ersten Oberfläche sind ein oder mehrere Wandlerelemente 1, die durch eine erste Gruppe von Löthöckern 8 ver bunden und befestigt sind, auf das Siliziumträgersubstrat 2 Flip-Chip-montiert. Außerdem sind auf der ersten Oberfläche eine oder mehrere elektronische Vorrichtungen, wie integrierte Schaltungschips 3, die durch eine zweite Gruppe von Löthöckern 8 verbunden und befestigt sind, auf das Siliziumträgersubstrat 2 Flip-Chip-montiert. Das Material des Löthöckers 8 ist typischerweise Sn, SnAg, SnAu oder SnPb, jedoch könnten auch andere Materialien verwendet werden.
Ein Lötmittel-Dichtungsring 9 stellt eine Abdichtung für das Wandlerelement 1 bereit. In diesem Fall werden Durchführungsleitungen 23 verwendet, um die elektrischen Signale vom Wandlerelement 1 unter dem Dichtungsring 9 zur elektronischen Vorrichtung 3 zu übertragen. Dies wird in 5 detaillierter gezeigt. Das Signal kann auch durch andere leitfähige Wege zu der elektronischen Schaltung übertragen werden.
Elektrisch leitfähige Wege 23 sind auch durch den Träger z.B. durch Ätzung von Löchern 20 und eine anschließende Metallisierung ausgebildet. Die Ätzung kann durch eine nasse chemische Ätzung oder durch Trocken-Plasma-Ätztechniken geschehen. Dieser Weg 23 wird als eine vertikale Durchführung bezeichnet und kann zur Übertragung des elektrischen Signals von entweder dem Wandler 1 oder der elektronischen Schaltung 3 zur zweiten Oberfläche des Trägers verwendet werden.
Die zweite Oberfläche ist mit Löthöckern 22 zur Oberflächenmontage auf z.B. eine PCB oder einen anderen Träger versehen.
2 zeigt ein Gehäuse wie das, was in 1 gezeigt wird, jedoch ist in dieser Ausführungsform die elektronische Vorrichtung 3 durch eine Gruppe von Löthöckern 8 als auch andere Mittel, wie eine Unterfüllung oder Klebstoff 21 verbunden und befestigt. Außerdem ist das Gehäuse durch einen Deckel 5 geschützt, der an dem Flip-Chip-montierten Wandlerelement 1 oder der elektronischen Vorrichtung 3 oder beiden befestigt ist. Der Deckel 5 weist eine Öffnung 4 auf, die einen wohlbestimmten Zugang zur Umgebung bereitstellt, z.B. ein schalldurchlässiges Gitter oder einen Filter als Schutz gegen Teilchen oder Feuchtigkeit für ein Mikrophon. Der Deckel kann getrennt, z.B. aus Metall oder einem Polymer durch Stanzen bzw. Spritzgießen hergestellt werden.
In 3 und 4 wird ein System für Mikrophonanwendungen gezeigt. In diesen Ausführungsformen ist das Wandlerelement 1 ein Mikrophon, und es ist eine hintere Kammer 11 in das Siliziumsubstrat 2 geätzt worden. Die hintere Kammer wird in den Siliziumträger durch ein Naßätzverfahren unter Verwendung von Reaktanden, wie KOH, TMAH oder EDP, oder durch ein Trockenätzverfahren, wie reaktives Ionenätzen geätzt. Der Hohlraum 11 kann im selben Schritt wie das Durchführungsloch 20 geätzt werden.
Der Unterschied zwischen 3 und 4 ist, daß das System in 4 mit einem Filter 5 gekapselt worden ist, um eine EMI-Abschirmung bereitzustellen. Die EMI-Abschirmung 16 ist eine leitfähige Polymerschicht, wie ein Silberepoxid oder eine Metallschicht, wie galvanisches oder aufgedampftes Cu oder Au. Außerdem sind der integrierte Schaltungschip 3 und der Filter 5 in 4 mit zusätzlichen Einrichtungen, wie einer Unterfüllung oder Klebstoff 21 verbunden und befestigt worden.
Die Funktion des Mikrophons ist wie folgt. Die Öffnung 4 dient als ein Schalleinlaß, und der Umgebungsschalldruck tritt durch den Filter 5 ein, der die Öffnung 4 zum Hohlraum 10 abdeckt, der als eine vordere Kammer für das Mikro phon dient. Der Schalldruck lenkt die Membran 12 ab, was bewirkt, daß die Luft zwischen der Membran 12 und der hinteren Platte 13 durch die Perforationen 19 austritt.
Die Membran kann auf verschiedene Weise gestaltet und hergestellt werden. Zum Beispiel kann die Membran als eine Dreischicht-Struktur mit zwei Außenschichten gestaltet sein, die Siliziumnitrid aufweisen, wohingegen die Zwischenschicht polykristallines Silizium aufweist. Das in der Zwischenschicht enthaltene polykristalline Silizium ist entweder mit Bor (B) oder Phosphor (P) dotiert. Die hintere Platte weist ebenfalls B- oder P-dotiertes polykristallines Silizium und Siliziumnitrid auf. Der Hohlraum 11 dient als eine hintere Kammer für das Mikrophon.
Wenn die Membran 12 als Reaktion auf den auftreffenden Schalldruck abgelenkt wird, wird sich die elektrische Kapazität des elektrischen Kondensators, der durch die Membran 12 und die hintere Platte 13 gebildet wird, als Reaktion auf den auftreffenden Schalldruck ändern. Die Schaltung auf dem integrierten Schaltungschip 3 ist durch Löthöcker 8 elektrisch mit der Membran 12 und der hinteren Platte 13 verbunden. Die Schaltung ist dazu bestimmt, Veränderungen der elektrischen Kapazität des Kondensators zu detektieren, der durch die Membran 12 und die hintere Platte 13 gebildet wird. Die Schaltung weist über die Löthöcker 8 und die vertikalen Durchführungsleitungen 23 zu den Löthöckern 22 elektrische Verbindungen auf, um sie elektrisch mit einer Stromversorgung und einem anderen elektronischen Schaltungskomplex in z.B. einem Hörgerät zu verbinden.
Wenn der Kondensator betrieben wird, der durch die Membran 12 und die hintere Platte 13 gebildet wird, ist die hintere Platte 13 mit einer Gleichstromversorgung verbunden, um die hintere Platte 13 aufzuladen. Wenn sich die Ka pazität infolge einer Abstandsänderung zwischen der Membran 12 und der hinteren Platte 13 als Reaktion auf einen veränderlichen Schalldruck ändert, wird dem angelegten Gleichspannungspegel eine Wechselspannung überlagert. Die Amplitude der Wechselspannung wird für die Änderung der Kapazität und folglich auch als ein Maß für den Schalldruck gemessen, den die Membran erfährt.
In 5 wird eine Nahaufnahme einer lateralen Durchführungsleitung 24 und eines Dichtungsrings 9 gezeigt. Die Durchführung 24 ist vom Dichtungsring 9 und dem Substrat 2 durch Isolationsschichten 25 isoliert. Die Isolationsschichten 25 isolieren ähnlich die Löthöcker 8 des Wandlers 1 vom Substrat 2. Die Löthöcker 8 des Wandlers 1 und die Löthöcker 8 des Schaltungschips 3 sind über die Durchführungsleitung 24 elektrisch verbunden.
In 6 wird ein Mikrophon gezeigt, das ähnlich zu dem in 3 ist. Jedoch ist eine Öffnung 24 in die hintere Kammer 11 eingefügt worden. Die Öffnung 24 bewirkt eine Membranablenkung, die den Druckgradienten über die Membran wiedergibt, was zu einer gerichteten Empfindlichkeit des Mikrophons führt.
In 7 wird ein Mikrophon gezeigt, das ähnlich zu dem in 3 ist. Jedoch ist ein zusätzliches Wandlerelement hinzugefügt worden, so daß das Mikrophon nun zwei Wandlerelemente 1 verwendet, die beide eine Membran 12 und eine hintere Platte 13 aufweisen. Beide Wandlerelemente sind durch Löthöcker 8 und einen Dichtungsring 9 mit dem Trägerglied 3 verbunden, mit einer Vertiefung 11 für jedes Wandlerelement. Die beiden Wandlerelemente lassen es zu, die Phasendifferenz einer auftreffenden akustischen Welle zu messen, die zu einer gerichteten Empfindlichkeit des Mikrophons führt.
Es wird für eine ausgebildete Person deutlich sein, die Anzahl der Sensorelemente von zwei (wie in 7 gezeigt) auf eine beliebige Zahl von Sensorelementen zu erhöhen – die z.B. in einer Anordnung von Spalten und Reihen angeordnet sind.

Claims

Sensorsystem mit: – einem Trägerglied (2) mit einer ersten Oberfläche, wobei diese erste Oberfläche eine erste und eine zweite Gruppe von Kontaktelementen (8) hält; – einem Wandlerelement (1), das ein aktives Glied aufweist, wobei dieses aktive Glied mit mindestens einem Kontaktelement des Wandlerelements (1) elektrisch verbunden ist; und – einer elektronischen Vorrichtung (3), die eine integrierte Schaltung mit mindestens einem Kontaktelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß – mindestens ein Kontaktelement (8) des Wandlerelements (1) mit einem der Kontaktelemente (8) der ersten Gruppe des Trägerglieds (2) ausgerichtet ist, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem aktiven Glied des Wandlerelements (1) und dem Trägerglied (2) zu erhalten; und daß – mindestens ein Kontaktelement der elektronischen Vorrichtung (3) mit einem der Kontaktelemente der zweiten Gruppe des Trägerglieds (2) ausgerichtet ist, so daß das Wandlerelement (1) und die elektronische Vorrichtung (3) benachbart auf der ersten Oberfläche des Trägerglieds (2) positioniert sind, und um einen elektrischen Kontakt zwischen der integrierten Schaltung und dem Trägerglied (2) zu erhalten; und daß – mindestens eines der Kontaktelemente der ersten Gruppe mit mindestens einem der Kontaktelemente der zweiten Gruppe elektrisch verbunden ist, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem aktiven Glied des Wandlerelements (1) und der integrierten Schaltung der elektronischen Vorrichtung (3) zu erhalten.
Sensorsystem nach Anspruch 1, wobei das Trägerglied (2) ferner eine zweite Oberfläche aufweist, wobei diese zweite Oberfläche mehrere Kontaktelemente hält, wobei mindestens eines der Kontaktelemente der ersten oder zweiten Gruppe mit einem der von der zweiten Oberfläche gehaltenen Kontaktelemente elektrisch verbunden ist.
Sensorsystem nach Anspruch 2, wobei die ersten und zweiten Oberflächen im wesentlichen parallel und zueinander entgegengesetzt sind.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Trägerglied (2) ein Si-basiertes Trägerglied ist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Trägerglied (2) ferner eine Einkerbung (11) aufweist, wobei diese Einkerbung (11) mit dem aktiven Glied des Wandlerelements ausgerichtet ist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Wandlerelement ferner einen Hohlraum (10) aufweist und das aktive Glied den Boden dieses Hohlraums (10) begrenzt.
Sensorsystem nach einem Anspruch 5, das ferner eine Öffnung (24) zwischen der zweiten Oberfläche des Trägerglieds (2) und der Einkerbung (11) aufweist.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wandlerelement (1) Si-basiert ist.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägerglied (2), das Wandlerelement (1) und die elektronische Vorrichtung (3) Si-basiert sind.
Sensorsystem nach Anspruch 1, wobei das aktive Glied des Wandlerelements einen Kondensator aufweist, wobei dieser Kondensator aus einer flexiblen Membran (12) in Verbindung mit einer im wesentlichen starren Verstärkungsplatte (13) gebildet ist.
Sensorsystem nach Anspruch 6, wobei das Wandlerelement (1) ferner einen Deckel (5) aufweist, wobei der Deckel (5) und das aktive Glied des Wandlerelements (1) eine obere und eine untere Grenze des Hohlraums (10) definieren.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil einer äußeren Oberfläche des Sensorsystems eine leitende Schicht (16) hält.
Sensorsystem nach Anspruch 12, wobei die leitende Schicht eine Metallschicht aufweist.
Sensorsystem nach Anspruch 12, wobei die leitende Schicht eine leitende Polymerschicht aufweist.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktelemente ein Lötmaterial, wie Sn, SnAg, SnAu oder SnPb, aufweisen.
Sensorsystem nach Anspruch 6, das ferner eine Dichtungseinrichtung zum hermetischen Verschließen des Wandlerelements aufweist.
Sensorsystem mit: – einem Trägerglied mit einer ersten Oberfläche, wobei diese erste Oberfläche eine erste, eine zweite und eine dritte Gruppe von Kontaktelementen hält; – einem ersten Wandlerelement, das ein aktives Glied aufweist, wobei dieses aktive Glied mit mindestens einem Kontaktelement des ersten Wandlerelements elektrisch verbunden ist; – einem zweiten Wandlerelement, das ein aktives Glied aufweist, wobei dieses aktive Glied mit mindestens einem Kontaktelement des zweiten Wandlerelements elektrisch verbunden ist; und – einer elektronischen Vorrichtung, die eine integrierte Schaltung mit mindestens einem Kontaktelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß – mindestens ein Kontaktelement des ersten Wandlerelements mit einem der Kontaktelemente der ersten Gruppe des Trägerglieds ausgerichtet ist, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem aktiven Glied des ersten Wandlerelements und dem Trägerglied zu erhalten; und daß – mindestens ein Kontaktelement des zweiten Wandlerelements mit einem der Kontaktelemente der zweiten Gruppe des Trägerglieds ausgerichtet ist, so das erste und zweite Wandlerelement benachbart auf der ersten Oberfläche des Trägerglieds positioniert sind, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem aktiven Glied des zweiten Wandlerelements und dem Trägerglied zu erhalten; und daß – mindestens ein Kontaktelement der elektronischen Vorrichtung mit einem der Kontaktelemente der dritten Gruppe des Trägerglieds ausgerichtet ist, so daß die elektronische Vorrichtung benachbart zum ersten bzw. zweiten Wandlerelement auf der ersten Oberfläche des Trägerglieds positioniert ist, und um einen elektrischen Kontakt zwischen der integrierten Schaltung und dem Trägerglied zu erhalten; und daß – mindestens eines der Kontaktelemente der ersten Gruppe mit mindestens einem der Kontaktelemente der dritten Gruppe elektrisch verbunden ist, und daß mindestens eines der Kontaktelemente der zweiten Gruppe mit mindestens einem der Kontaktelemente der dritten Gruppe elektrisch verbunden ist, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem aktiven Glied des ersten Wandlerelements und der integrierten Schaltung und zwischen dem aktiven Glied des zweiten Wandlerelements und der integrierten Schaltung zu erhalten.
Sensorsystem nach Anspruch 17, wobei das Trägerglied ferner eine zweite Oberfläche aufweist, wobei diese zweite Oberfläche mehrere Kontaktelemente hält, wobei mindestens eines der Kontaktelemente der ersten, zweiten oder dritten Gruppe mit einem der von der zweiten Oberfläche gehaltenen Kontaktelemente elektrisch verbunden ist.
Sensorsystem nach Anspruch 18, wobei die ersten und zweiten Oberflächen im wesentlichen parallel und zueinander entgegengesetzt sind.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das Trägerglied ein Si-basiertes Trägerglied ist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei das Trägerglied ferner eine erste und eine zweite Einkerbung aufweist, wobei die erste Einkerbung mit dem aktiven Glied des ersten Wandlerelements ausgerichtet ist und die zweite Einkerbung mit dem aktiven Glied des zweiten Wandlerelements ausgerichtet ist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei jedes der ersten und zweiten Wandlerelemente ferner einen Hohlraum aufweist, wobei der Boden dieser Hohlräume durch die aktiven Glieder der ersten und zweiten Wandlerelemente begrenzt ist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei die ersten und zweiten Wandlerelemente Si-basiert sind.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei das Trägerglied, die ersten und zweiten Wandlerelemente und die elektronische Vorrichtung Si-basiert sind.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei jedes der aktiven Glieder der ersten und zweiten Wandlerelemente einen Kondensator aufweist, wobei dieser Kondensator durch eine flexible Membran in Verbindung mit einer im wesentlichen starren Verstärkungswand gebildet ist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 17 bis 25, wobei jedes der ersten und zweiten Wandlerelemente ferner einen Deckel aufweist, wobei die Deckel und die aktiven Glieder der ersten und zweiten Wandlerelemente eine obere und eine untere Grenze der jeweiligen Hohlräume definieren.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 17 bis 26, wobei zumindest ein Teil einer äußeren Oberfläche des Sensorsystems eine leitende Schicht hält.
Sensorsystem nach Anspruch 27, wobei die leitende Schicht eine Metallschicht aufweist.
Sensorsystem nach Anspruch 27, wobei die leitende Schicht eine leitende Polymerschicht aufweist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 17 bis 29, wobei die Kontaktelemente ein Lötmaterial, wie Sn, SnAg, SnAu oder SnPb, aufweisen.