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Die Erfindung betrifft ein Bauteil und ein Herstellungsverfahren für ein entsprechendes Bauteil.
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Stand der Technik
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Ein herkömmlicher Reifendrucksensor eines Reifendruckkontrollsystems (Tyre Pressure Monitoring System, TPMS) weist häufig zusätzlich zu einer Drucksensoreinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, eine Information bezüglich eines Drucks in einem Außenvolumen des Reifendrucksensors zu ermitteln, eine Datenübertragungseinrichtung und/oder einen Bewegungssensor zum Feststellen einer Bewegung des Reifendrucksensors auf.
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Eine Datenübertragungseinrichtung eines herkömmlichen Reifendrucksensors ist häufig dazu ausgelegt, Funksignale in einen ISM-Band (Industrial Scientific and Medical Band), beispielsweise mit einer Frequenz von 315 MHz oder 433 MHz, an eine reifenexterne Auswerteeinrichtung auszusenden. Generiert wird eine derartige ultrahohe Frequenz (Ultra High Frequency, UHF) im Allgemeinen mittels einer Phasenregelschleife (Phased-Locked Loop, PLL), welche auch als phasengekoppelter Regelkreis bezeichenbar ist. Die Phasenregelschleife generiert und stabilisiert die ausgesendete ultrahohe Frequenz mittels eines Phasenvergleichs zwischen einer festen, sehr genauen Referenzfrequenz und einer Frequenz eines spannungsgeregelten Oszillators (Voltage Control Oscillator, VCO). Die Referenzfrequenz kann von einem Quartz-Osziallator (mit einer Resonanzfrequenz von 13, 56 MHz) oder einem Resonator in MEMS-Technologie mit einer in Resonanz gebrachten Silizium-Struktur bereitgestellt werden. Ein Resonator in MEMS-Technologie, welcher im Weiteren als Silizium-Resonator bezeichnet wird, ist beispielsweise in der
US 6,995,622 B2 beschrieben.
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Um beim Betreiben eines herkömmlichen Reifendrucksensors Energie zu sparen, weist der Reifendrucksensor häufig eine von dem Fahrzustand des Fahrzeugs mit dem Reifendrucksensor abhängige Mess- und Sendehäufigkeit auf. In diesem Fall wird bei einer mittels eines Bewegungssensors festgestellten Drehung eines Rads mit dem Reifendrucksensor (d.h. bei einer Fahrt des zugehörigen Fahrzeugs) mit einer größeren Mess- und Sendehäufigkeit ein Innendruck des Rads gemessen und über die Datenübertragungseinrichtung an die reifenexterne Auswerteeinrichtung gesendet, als bei einem Stillstand des Rads. Beispiele für einen Bewegungssensor sind in der
US 2005/0179530 A1 beschrieben. Der Bewegungssensor kann beispielsweise ein Kugelschalter und/oder ein Beschleunigungssensor sein. Der Beschleunigungssensor kann in Silizium-und/oder Keramiktechnologie ausgebildet sein.
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Außerdem beschreiben die
DE 10 2009 021 957 A1 und die
US 2007 / 0 247 245 A1 Beispiele für Silizium-MEMS-Resonatoren.
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Vorzugsweise sollte ein Reifendrucksensor mit einer geeigneten Datenübertragungseinrichtung und einem zuverlässigen Bewegungssensor auf einfache Weise kostengünstig herstellbar sein. Zusätzlich ist es für ein Anordnen eines derartigen Reifendrucksensors vorteilhaft, wenn der Reifendrucksensor trotz der Datenübertragungseinrichtung und dem Bewegungssensor eine vergleichsweise kleine Größe aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine Größe eines Bauteils mit einem Beschleunigungssensor und einem Resonator reduzierbar ist, indem zumindest die mindestens eine frei schwingbare Masse des Beschleunigungssensors und die mindestens eine in Resonanz versetzbare Struktur des Resonators auf einem Chip ausgebildet werden. Vorzugsweise ist der eine Chip dabei ein kompakter Chip. Unter einen kompakten Chip ist dabei ein Chip zu verstehen, welcher keine Unterteilung in zwei getrennte kompakte Chip-einheiten aufweist. Zum Teilen des kompakten Chips muss somit ein zum Brechen/Sägen/Fräsen nötiger Druck aufgebracht werden.
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Zusätzlich können weitere Komponenten des Beschleunigungssensors und/oder des Resonators auf und/oder in den einen Chip angeordnet sein. Der in den Chip integrierte Resonator ist in diesem Fall dazu ausgelegt ist, an einem Ausgang ein Signal mit einer vorgegebenen Frequenz bereitzustellen. Entsprechend ist der in den Chip integrierte Beschleunigungssensor dazu ausgelegt, eine Information bezüglich einer Beschleunigung des Bauteils in mindestens eine vorgegebene Raumrichtung an seinem Ausgang bereitzustellen.
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Die Information ist beispielsweise ein Kapazitätssignal, ein Kapazitätsänderungssignal und/oder ein Spannungssignal, dessen Wert der Beschleunigung des Bauteils entspricht.
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Das Bauteil kann ein mikromechanisches Bauteil sein. Entsprechend kann das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils eingesetzt werden.
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Da ein Chip mit dem Beschleunigungssensor und dem Resonator oft nur die Hälfte des Bauraumes benötigt, welche ein erster Chip mit einem Beschleunigungssensor und ein zweiter Chip mit einem Resonator einnehmen, kann somit auf einfache Weise der für den Beschleunigungssensor und dem Resonator notwendige Bauraum reduziert werden. Des Weiteren erfordert ein Anordnen des einen Chips mit dem integrierten Beschleunigungssensor und dem integrierten Resonator im Inneren des Bauteils weniger Arbeitsaufwand, als ein Anordnen des ersten Chips mit dem Beschleunigungssensor und des zusätzlichen zweiten Chips mit dem Resonator. Somit kann die Anzahl der notwendigen Arbeitsschritte beim Herstellen des Bauteils reduziert werden.
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Deshalb ermöglicht die vorliegende Erfindung ein Bauteil mit einem Beschleunigungssensor und einem Resonator mit einer vergleichsweise kleinen Größe und für einen geringen Kostenaufwand. Die kleine Bauform des Bauteils verhindert zusätzlich eine Beschädigung des Bauteils bei der Montage, da sich das Bauteil aufgrund seiner geringen Größe/Masse leichter montieren lässt. Zusätzlich wird bei der Montage des Bauteils weniger Umwucht erzeugt. Die geringe Größe/Masse des Bauteils erleichtert zusätzlich die Integration des Bauteils in und/oder an einen Reifen.
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Herkömmlicherweise nehmen bei einem Bauteil ein auf einem ersten Chip gebildeter Beschleunigungssensor und ein auf einem zweiten Chip angeordneter Resonator vergleichsweise viel Volumen ein. Dieses Problem ist jedoch über die vorliegende Erfindung lösbar. Zusätzlich lässt sich das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren vergleichsweise leicht und unter Verwendung von Standardschritten ausführen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Bauteils sind die mindestens eine frei schwingbare Masse des Beschleunigungssensors und/oder die mindestens eine in Resonanz versetzbare Struktur des Resonators aus einem Halbleitermaterial gebildet. Dies erleichtert die Integration der mindestens einen frei schwingbaren Masse und der mindestens einen in Resonanz versetzbaren Struktur in den selben Chip.
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Beispielsweise kann die mindestens eine frei schwingbare Masse des Beschleunigungssensors zumindest teilweise in ein erstes Innenvolumen mit einem ersten Innendruck hineinragen und die mindestens eine in Resonanz versetzbare Struktur des Resonators zumindest teilweise in ein zweites Innenvolumen mit einem von dem ersten Innendruck abweichenden zweiten Innendruck hineinragen. Durch die verschiedenen Innendrücke ist gewährleistet, dass die Resonanzfrequenzen und/oder die Güten des Resonators und des Beschleunigungssensors voneinander abweichen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Bauteil eine Phasenregelschleife (Phased-Locked Loop, PLL) mit einem spannungsgeregelten Oszillator (Voltage Controlled Oscillator, VCO), welche so an den Resonator gekoppelt ist, dass ein von dem Resonator bereitgestelltes Referenzsignal mit einer Referenzfrequenz an die Phasenregelschleife bereitstellbar ist. Die Phasenregelschleife mit einem spannungsgeregelten Oszillator kann Bestandteil eines separaten ASIC (Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung, Application Specific Integrated Circuit) sein. Dieser ASIC kann auch die Auswerteschaltung für das Beschleunigungssensorelement, wie C/U, Sigma-Delta oder AD-Wandler, Verstärkerstufen, Offset-Kompensation oder Regler, enthalten. Das mikromechanische Bauteil und der ASIIC werden vorzugsweise in einem Gehäuse verpackt. Somit bietet die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit, ein Referenzsignal mit einer konstanten Resonanzfrequenz sowie einen Beschleunigungssensor auf platzsparende Weise in einem Gehäuse bereitzustellen.
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Zusätzlich kann das Bauteil (in seinem Gehäuse) einen (separaten) Transmitter-Chip umfassen, welcher dazu ausgelegt ist, mittels der Phasenregelschleife, dem spannungsgeregelten Oszillator und dem von dem Resonator bereitgestellten Referenzsignal mit der Referenzfrequenz eine Sendesignal zu generieren. Das Sendesignal kann anschließend an eine Sendeinheit einer Datenübertragungseinrichtung, beispielsweise an eine Antenne mit Anpassnetzwerk, ausgegeben werden. Somit ist die vorliegende Erfindung auch für ein Bauteil mit einer Datenübertragungseinrichtung zum Senden, beispielsweise eines Datensignals, an eine externe Einrichtung, vorzugsweise eine Datenauswerteeinrichtung, anwendbar.
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Das Bauteil kann eine Drucksensoreinrichtung umfassen, welche dazu ausgelegt ist, eine Information bezüglich einem Druck in einem Außenvolumen des Bauteils zu ermitteln und ein entsprechendes Informationssignal bereitzustellen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Bauteil ein Reifendrucksensor.
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Die in den oberen Absätzen beschriebenen Vorteile sind auch bei einem entsprechenden Herstellungsverfahren für ein Bauteil gewährleistet.
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Vorteilhafterweise umfasst das Herstellungsverfahren die zusätzlichen Schritte: Herausstrukturieren einer Vielzahl von frei schwingbaren Massen aus einer Halbleiterschicht auf einem Substrat, Herausstrukturieren einer Vielzahl von in Resonanz versetzbaren Strukturen aus der Halbleiterschicht auf dem Substrat, und Unterteilen des Substrats in den mindestens einen Chip mit der mindestens einen frei schwingbaren Masse und der mindestens einen in Resonanz versetzbaren Struktur. Das Herstellungsverfahren lässt sich damit auf einfache Weise kostengünstig ausführen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Herstellungsverfahrens werden die Vielzahl von frei schwingbaren Massen und/oder die Vielzahl von in Resonanz versetzbaren Strukturen mittels mindestens eines Dünnschichtverkappungs-Prozesses gebildet. Somit kann die Grö-ße der gebildeten Massen/Strukturen auf kostengünstige Weise reduziert werden.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Beispiel für einen Beschleunigungssensor;
- 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Bauteils;
- 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Bauteils;
- 4A und 4B Querschnitte durch ein Substrat zum Darstellen einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens; dabei sind in 4Aa und Ba schematische Querschnitte und in 4Ab und Bb Abbildungen von Querschnitten dargestellt; und
- 5 eine Draufsicht auf einen mikromechanischen Resonator und einen Beschleunigungssensor zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Beispiel für einen Beschleunigungssensor.
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Der dargestellte Beschleunigungssensor ist in Siliziumtechnologie ausgebildet und weist eine seismische Masse 1 auf, welche über mindestens eine Feder 2 mit einem Chip 3, auf welchen der Beschleunigungssensor angeordnet ist, verbunden ist. Die mindestens eine Feder 2 ist so ausgebildet, dass die seismische Masse 1 bei einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors in eine Detektionsrichtung 4 aus einer Ruhelage in mindestens eine Endlage entlang der Detektionsrichtung 4 verstellbar ist. Beispielsweise ist die seismische Masse 1 mittels zweier Federn 2 mit dem Chip 3 verbunden.
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An beiden Seitenflächen der seismischen Masse 1 sind Elektroden 5 fest angeordnet. Die Längsrichtungen der Elektroden 5 sind senkrecht zu der Längsrichtung der seismischen Masse 1 ausgerichtet. Benachbart zu den Elektroden 5 sind Gegenelektroden 6 fest an dem Chip 3 angeordnet. Die Elektroden 5 und die Gegenelektroden 6 bilden eine Kapazität C. Eine Bewegung der seismischen Masse 1 aus der Ruhelage bewirkt somit eine Änderung der Abstände zwischen den Elektroden 5 und den zugehörigen Gegenelektroden 6 und entsprechend eine Änderung der Kapazität C. Mittels der Kontaktleitungen 7 kann die Änderung der Kapazität C abgefragt und anschließend als Sensorsignal weitergeleitet werden.
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Der in 1 dargestellte Beschleunigungssensor weist vorzugsweise eine seismische Masse 1, mindestens eine Feder 2, Elektroden 5 und Gegenelektroden 6 aus Polysilizium auf. Vor einem Aufbringen der Polysiliziumschicht zum Herausstrukturieren der Komponenten 1, 2, 5 und 6 wird auf die Bereiche des Chips 3, auf welchen die später frei schwingenden Strukturen 1, 2 und 5 gebildet werden, eine Opferschicht, vorzugsweise aus Siliziumoxid, aufgebracht. Nach dem Herausstrukturieren der Strukturen 1, 2, 5 und 6 aus der Polysiliziumschicht kann die Opferschicht zumindest teilweise unter den frei schwingenden Strukturen 1, 2 und 5 entfernt werden. Somit ist eine gute Beweglichkeit der frei schwingenden Strukturen 1, 2 und 5 gewährleistet.
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Der Beschleunigungssensor kann eine Kappe aufweisen, mittels welcher die frei schwingenden Strukturen 1, 2, 5 von einer räumlichen Umgebung des Beschleunigungssensors luftdicht abgeschlossen sind. Beispielsweise wird die (nicht skizzierte Kappe) an den Bondpads 8 festgebondet.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Bauteils.
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Das schematisch dargestellte Bauteil weist einen ersten Chip 10 auf, in welchem ein (mikromechanischer) Resonator 12 und ein (mikromechanischer) Beschleunigungssensor 14 integriert sind. Unter einer Integration des Resonators 12 und des Beschleunigungssensors 14 in den ersten Chip 10 ist dabei zu verstehen, dass mindestens eine in Resonanz versetzbare Struktur des Resonators 12 und mindestens eine frei schwingbar ausgebildete Masse des Beschleunigungssensors 14 auf einer Oberseite des ersten Chips 10 und/oder in dem ersten Chip 10 angeordnet sind. Selbstverständlich können auch weitere Komponenten des Resonators 12 und/oder des Beschleunigungssensors 14 in den ersten Chip 10 integriert sein. In das Bauteil ist auch ein ASIC (Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung, Application Specific Integrated Circuit) integriert.
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Der Resonator ist ein Silizium-Resonator. Auf ein mögliches Herstellungsverfahren zum Bilden eines besonders vorteilhaften Silizium-Resonators wird unten noch eingegangen.
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Der Beschleunigungssensor 14 ist ebenfalls in Silizium-Technologie ausgebildet. Ein Beispiel für eine mögliche Ausführungsform des Beschleunigungssensors 14 ist anhand der 1 bereits beschrieben. Ein weiteres Beispiel für den Beschleunigungssensor 14 wird unten noch mittels eines Herstellungsverfahrens erläutert.
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Der erste Chip 10 ist vorzugsweise ein kompakter Chip. Unter der Kompaktheit des ersten Chips 10 ist zu verstehen, dass der erste Chip 10 nur durch Brechen/Sägen/Fräsen des ersten Chips 10 in eine erste Chipeinheit und in eine zweite Chipeinheit unterteilbar ist. Der kompakte erste Chip 10 weist somit keine Unterteilung auf, mittels welcher er ohne Ausüben eines ausreichenden Drucks zum Brechen/Sägen/Fräsen des Chips 10 unterteilbar ist. Beispielsweise ist der kompakte Chip 10 aus einem Substrat, auf welcher eine Vielzahl von in Resonanz versetzbaren Strukturen und frei schwingbaren Massen gebildet sind, über ein Sägen und/oder Fräsen herausgetrennt.
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Der mit der in Resonanz versetzbaren Struktur ausgestattete Resonator 12 stellt an einem Ausgang ein Signal 12a mit einer Resonanzfrequenz bereit. Aufgrund von Fertigungstoleranzen oder einer sich ändernden Temperatur kann die Frequenz des Signals 12a variieren. Entsprechend stellt der Beschleunigungssensor 14 an einem Ausgang ein Beschleunigungssignal 14a bezüglich einer von einer Beschleunigung des Bauteils abhängigen Kapazitätsänderung bereit.
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In dem Bauteil ist ein zweiter Chip 16 angeordnet. Die Signale 12a und 14a werden von dem ersten Chip 10 an den zweiten Chip 16 weitergeleitet. Auf dem zweiten Chip 16 sind eine erste fraktionale PLL-Schaltung 18, ein Temperaturkompensator 20 und eine Beschleunigungs-Auswerteeinheit 22 ausgebildet. Mittels der ersten fraktionalen PLL-Schaltung 18 und des Temperaturkompensators 20 kann die Resonanzfrequenz des Signals 12a stabilisiert werden. Ein Clock-Signal 18a mit der stabilisierten Resonanzfrequenz wird an einem Ausgang der ersten fraktionalen PLL-Schaltung 18 ausgegeben. Die Beschleunigungs-Auswerteeinheit 22 ist dazu ausgelegt, das Beschleunigungssignal 14a weiterzuverarbeiten. Beispielsweise wandelt die Beschleunigungs-Auswerteeinheit 22 das Beschleunigungssignal 14a in ein von der Beschleunigung des Bauteils abhängiges Spannungssignal 22a um. Gegebenenfalls wird das Beschleunigungssignal 14a dabei vorverstärkt. Anstelle des analogen Spannungssignals 22a kann die Beschleunigungs-Auswerteeinheit 22 auch ein digitales Beschleunigungssignal an einem Signalausgang bereitstellen.
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Die beiden Chips 10 und 14 sind zusammen mit einem dritten Chip 23 mit einem Transmitter 24 in ein schematisch wiedergegebenes Gehäuse 26 des Bauteils integriert. Der zweite Chip 16 ist so an den dritten Chip 23 mit dem Transmitter 24 gekoppelt, dass das Clock-Signal 18a und das Spannungssignal 22a an den Transmitter 24 weiterleitbar sind.
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Der Transmitter 24 ist beispielsweise dazu ausgelegt, von einer (nicht dargestellten) Sensoreinheit ermittelte Daten über einen Druck in einer äußeren Umgebung des Bauteils an eine externe Auswerteeinrichtung zu senden. Dazu weist der Transmitter 24 eine zweite fraktionale PLL-Schaltung 28 auf, welche mittels des bereitgestellten Clock-Signals 18a ein Sendesignal mit einer Information bezüglich der ermittelten Daten generiert. Das von der PLL-Schaltung 28 generierte Sendesignal wird anschließend an eine Sendeeinheit 30 ausgegeben. Die Sendeeinheit 30 sendet daraufhin das Sendesignal mit den ermittelten Daten an die externe Auswerteeinrichtung. Auf diese Weise können beispielsweise Daten bezüglich eines in einem Reifen herrschenden Drucks an eine reifenexterne Auswerteeinrichtung übermittelt werden.
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Gegebenenfalls kann der Transmitter 24 eine µC-Einheit zum Weiterverarbeiten des bereitgestellten Spannungssignals 22a umfassen. Der Transmitter 24 ist dazu ausgelegt, eine Mess- und Sende-Häufigkeit zum Ermitteln von Druck-Daten und/oder zum Aussenden der ermittelten Daten mittels der Sendeeinheit 30 abhängig von dem bereitgestellten Spannungssignals 22a festzulegen. Auf diese Weise ist beispielsweise gewährleistet, dass die Mess- und Sende-Häufigkeit bei einer erkannten Bewegung des Bauteils größer ist als bei einem Stillstand des Bauteils.
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Bei Phasenregelschleifen (Phased-Locked Loop, PLL), welche auch als phasengekoppelten Regelkreise bezeichenbar sind, unterscheidet man typischerweise zwischen Bausteinen mit festen Teilerverhältnissen (beispielsweise 32) und Bausteinen mit genau regelbaren Teilerverhältnissen. Letztere werden in der Regel als fraktionale PLL-Schaltungen 18 und 28 bezeichnet. Da der Aufbau und die Funktionsweise der beiden fraktionalen PLL-Schaltungen 18 und 28 aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird hier nicht darauf eingegangen. Mittels einer fraktionalen PLL-Schaltung 18 und 28 ist eine einfache FSK-Modulation (Frequency Shift Keying), welche auch als Frequenzumtastung bezeichnet wird, möglich. Bei einem festen Teiler muss die FSK-Modulation durch ein Verstimmen des Resonators 12 ausgeführt werden. Meist erfolgt das Verstimmen des Resonators 12 dabei durch Zuschalten einer zusätzlichen Kapazität. Dieser zusätzliche Aufwand ist bei einer fraktionalen PLL-Schaltung 18 und 28 nicht notwendig. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass eine ähnliche Ausführungsform des Bauteils auch unter Verwendung mindestens einer Phasenregelschleife mit einem festen Teilerverhältnis realisierbar ist.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Bauteils.
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Das in der 3 schematisch dargestellte Bauteil weist den schon beschriebenen ersten Chip 10 mit dem integrierten Resonator 12 und dem integrierten Beschleunigungssensor 14 auf. Mindestens eine in Resonanz versetzbare Struktur des Resonators 12 und mindestens eine frei schwingbar ausgebildete Masse des Beschleunigungssensors 14 sind somit auf einer Oberseite des ersten Chips 10 und/oder in dem ersten Chip 10 angeordnet.
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Im Gegensatz zu der oben beschriebenen Ausführungsform ist der erste Chip 10 zusammen mit einen zweiten Chip 40, auf welchem sowohl die fraktionale PLL-Schaltung 18, der Temperaturkompensator 20, die Beschleunigungs-Auswerteeinheit 22 als auch der Transmitter 24 angeordnet sind, in dem Gehäuse 42 angeordnet. PLL und VCO für den Resonator 12 und den Transmitter 24 werden bei dieser Ausführung gemeinsam genutzt. Der zweite Chip 40 ist vorzugsweise ein kompakter Chip und weist somit keine Unterteilung auf, mittels welcher er ohne einen ausreichenden Druck zum Brechen/Sägen/Fräsen des zweiten Chips 40 in zwei getrennte Chip-Einheiten unterteilbar ist. An dem zweiten Chip 40 ist die oben schon beschriebene Sende-Einheit 30 angekoppelt.
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Die Funktionsweise der schematisch dargestellten Komponenten 12, 14, 24, 18, 20, 22 und 30 des Bauteils ist bei der vorhergehenden Ausführungsform bereits beschrieben. Es wird hier deshalb nicht darauf eingegangen.
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Aufgrund der Integration der oben schon beschriebenen Komponenten 18, 20, 22 und 24 in den zweiten Chip 40 kann das Gehäuse 42 kleiner ausgebildet werden. Anstelle von drei Chips zum Bereitstellen der Komponenten 12, 14, 18, 20, 22 und 24 müssen in das Gehäuse 42 für die gleichen Komponenten 12, 14, 18, 20, 22 und 24 nur die beiden Chips 10 und 40 integriert werden. Insbesondere kann auf diese Weise die fraktionale PLL-Schaltung 18 auch von dem Transmitter 24 verwendet werden. Damit entfällt die Notwendigkeit einer zweiten fraktionalen PLL-Schaltung.
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In einer dritten Ausführungsform können das mikromechanische Bauteil, der ASIC und der Transmitter auf einem Chip realisiert werden. Dazu kann z.B. ein sog. MEMS-First-Prozess verwendet werden, bei dem zuerst die MEMS-Strukturen (Micro-Electro-Mechanical-System) hergestellt werden und danach die elektrische Schaltung aufgebracht wird.
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4A und 4B zeigen Querschnitte durch ein Substrat zum Darstellen einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens; dabei sind in 4Aa und Ba schematische Querschnitte und in 4Ab und Bb Abbildungen von Querschnitten dargestellt.
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Anhand der 4A und 4B wird die Herstellung eines Beschleunigungssensors mittels eines Dünnschichtverkappungs-Prozesses erläutert. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass auch ein Silizium-Resonator mit einer in Resonanz versetzbaren Silizium-Struktur mittels eines analogen Dünnschichtverkappungs-Prozesses gebildet werden kann. Da ein Herstellungsverfahren zum Bilden des Silizium-Resonators mittels eines Dünnschichtverkappungs-Prozessors für einen Fachmann anhand der 4A und 4B offensichtlich ist, wird dieses Herstellungsverfahren hier nicht zusätzlich beschrieben.
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4Aa zeigt einen Querschnitt durch ein Substrat 100. Beispielsweise ist das Substrat 100 aus Silizium. Eine Oberseite des Substrats 100 ist zumindest teilweise von einer vergrabenen Schicht 102 abgedeckt. Insbesondere sind die Bereiche des Substrats 100, welche unter den im Weiteren gebildeten frei schwingbaren Strukturen des Beschleunigungssensors liegen, von der vergrabenen Schicht 102 abgedeckt. Die vergrabene Schicht 102 kann beispielsweise aus Siliziumoxid sein. Da Verfahren zum Aufbringen und Strukturieren der vergrabenen Schicht 102 aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird hier nicht darauf eingegangen.
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Auf die vergrabene Schicht 102 und die nicht abgedeckten Flächen der Oberseite des Substrats 100 wird in einem weiteren Verfahrensschritt eine Halbleiterschicht 104 aufgebracht. Beispielsweise umfasst die Halbleiterschicht 104 Polysilizium. Auf die Halbleiterschicht 104 wird anschließend eine erste Abdeckschicht 106 aufgebracht.
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Mittels eines herkömmlichen Ätzverfahrens können durchgehende Ätzlöcher 108 in die erste Abdeckschicht 106 geätzt werden. Das Ätzen der auch als Lüftungslöcher bezeichenbaren Ätzlöcher 108 kann unter Verwendung von Chlorfluorsäure (CIF3) erfolgen. Die Ätzlöcher 108 liegen zumindest teilweise oberhalb mindestens eines Bereichs der Halbleiterschicht 104, aus welchem die frei schwingbaren Strukturen des Beschleunigungssensors 111 in einem folgenden Verfahrensschritt herausstrukturiert wird (siehe 4Ba).
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4Aa zeigt das Resultat einer anschließend ausgeführten thermischen Oxidierung. Mittels der thermischen Oxidierung können Ätzschäden an den herausstrukturierten Wänden entfernt werden. Die auf diese Weise gebildete Oxidschicht 110 kann in einem folgenden Ätzschritt zusammen mit zumindest Teilbereichen der als Opferschicht dienenden vergrabenen Schicht 102 durch einen Standard-Ätzschritt entfernt werden. Durch das Entfernen von Teilbereichen der vergrabenen Schicht 102 ist eine vorteilhafte Beweglichkeit der frei schwingbaren Strukturen 111 des Beschleunigungssensors gewährleistet.
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Mittels einer auf die erste Abdeckschicht 106 aufgebrachten zweiten Abdeckschicht 112 können die Ätzlöcher 108 in einem weiteren Verfahrensschritt abgedichtet werden. Vorzugsweise werden die Lüftungslöcher 108 auf diese Weise luftdicht verschlossen (siehe 4Ba). Beispielsweise ist die zweite Abdeckschicht 112 eine epitaktische Siliziumschicht.
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Somit ist es möglich, die frei schwingbaren Strukturen 111 des Beschleunigungssensors mittels der zweiten Abdeckschicht 112 luftdicht abzudichten und gleichzeitig auf einen flächenintensiven Verkappungsprozess zu verzichten. Dies ermöglicht die Herstellung deutlich kleinerer Beschleunigungssensoren.
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4Bb zeigt eine Draufsicht auf die frei schwingbaren Strukturen des Beschleunigungssensors nach einem teilweisen Entfernen der zweiten Abdeckschicht 112.
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5 zeigt eine Draufsicht auf einen mikromechanischen Resonator und einen Beschleunigungssensor zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
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Dargestellt ist eine Draufsicht auf einen Chip 120, in welchem ein Silizium-Resonator und ein Beschleunigungssensor integriert sind. Unter einer Integration des Silizium-Resonators und des Beschleunigungssensors in den Chip 120 ist dabei zu verstehen, dass mindestens eine in Resonanz versetzbare Struktur des Resonators in einem ersten Bereich 122 und mindestens eine frei schwingbare Masse des Beschleunigungssensors in einem zweiten Bereich 124 des Chips 120 ausgebildet sind. Selbstverständlich können noch weitere Komponenten des Silizium-Resonators und des Beschleunigungssensors in und/oder auf dem Chip 120 angeordnet sein. Da die Herstellung dieser weiteren Komponenten des Silizium-Resonators und des Beschleunigungssensors für einen Fachmann naheliegend ist, wird hier nicht darauf eingegangen.
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Die Oberseite des Chips 120 ist in 5 vor einem Abdichten der Ätzlöcher 126 und 128 dargestellt. Mittels der Ätzlöcher 126 ist ein zu der mindestens einen in Resonanz versetzbaren Struktur des Silizium-Resonators benachbartes erstes Innenvolumen, welches in den Bereich 122 hineingeätzt ist, mit einer äußeren Umgebung des Chips 120 verbunden. Entsprechend verbinden die Ätzlöcher 128 ein zweites Innenvolumen, welches benachbart zu der mindestens einen frei schwingbaren Masse des Beschleunigungssensors in den Bereich 124 geätzt ist, mit der äußeren Umgebung des Chips 120.
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Der Silizium-Resonator und der Beschleunigungssensor sind von einem Bondrahmen 130 oder einem Rahmen für eine Waferlevelkappe umgeben. Auf dem Bondrahmen 130 liegen Bondpads 132. Da die Funktion des Bondrahmens 130 und der Bondpads 132 einem Fachmann geläufig sind, wird hier nicht darauf eingegangen.
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Die Integration des Silizium-Resonators und des Beschleunigungssensors in den Chip 120 erfolgt beispielsweise mittels der anhand der 4A und B beschriebenen Verfahrensschritte.
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Dabei erden mehrere Schichten mit mindestens einer Halbleiterschicht und einer ersten Abdeckschicht auf ein Substrat aufgebracht. Anschließend werden die durchgehenden Ätzlöcher 126 und 128 geätzt und die mindestes eine in Resonanz versetzbare Silizium-Resonators aus dem Bereich 122 und die mindestens eine frei schwingbare Struktur des Beschleunigungssensors aus dem Bereich 124 herausstrukturiert.
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Im Folgenden werden besonders vorteilhafte Verfahrensschritte zum Abdichten der Ätzlöcher 126 und 128 beschrieben:
- Bei einem Bauteil mit einem Silizium-Resonator und einem Beschleunigungssensor werden in der Regel bezüglich einer Güte, einer Resonanzfrequenz und/oder einer Federsteifigkeit des Silizium-Resonators andere Werte bevorzugt als für eine Güte, eine Resonanzfrequenz und/oder eine Federsteifigkeit des Beschleunigungssensors. Meistens ist es vorteilhaft, wenn der Silizium-Resonator eine hohe Güte und/oder eine hohe Resonanzfrequenz aufweist. Daher wird bevorzugterweise die mindestens eine in Resonanz versetzbare Struktur des Silizium-Resonators trotz ihrer geringen Größe relativ steif/fest ausgebildet. Demgegenüber wird oft gewünscht, dass der Beschleunigungssensor eine geringe Güte und/oder eine niedrige Resonanzfrequenz aufweist. Daher kann es vorteilhaft sein, wenn die mindestens eine frei schwingbare Masse des Beschleunigungssensors trotz ihrer vergleichsweise großen Größe leicht verstellbar/weich ist und somit eine niedrige Biegesteifigkeit hat.
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Die Güte von mikromechanischen Schwingungssystemen mit schwingbaren Massen wird durch Dissipationsmechanismen bestimmt. Ein wesentlicher Disippationsmechanismus bei einem mikromechanischen Schwingungssystem ist eine Gasdämpfung. Die Gasdämpfung erfolgt dabei über die Wechselwirkung (Stöße) der Moleküle in einem die mindestens eine schwingbare Masse zumindest teilweise umgebenden Gasvolumen. Dabei hat eine hohe Gasdichte eine hohe Dämpfung und damit eine geringe mechanische Güte zur Folge. Entsprechend kann auch eine hohe mechanische Güte über eine geringe Gasdichte eingestellt werden.
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Die gewünschte Güte und/oder Resonanzfrequenz des Silizium-Resonators ist einstellbar, indem in der Umgebung des Chips 120 ein erster Umgebungsdruck eingestellt wird. Bei einem nahezu konstanten Einhalten des ersten Umgebungsdrucks werden die Ätzlöcher 126 luftdicht abgedichtet, so dass sich im ersten Innenvolumen (des Silizium-Resonators) ein erster Innendruck einstellt, welcher dem ersten Umgebungsdruck entspricht. Vorzugsweise erfolgt die Abdichtung der Ätzlöcher 126 so, dass der gewünschte erste Innendruck für eine längere Zeit einhaltbar ist.
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Danach wird in der Umgebung des Chips 120 ein von dem ersten Umgebungsdruck abweichender zweiter Umgebungsdruck eingestellt. Beispielsweise wird der Chip 120 dazu aus einer ersten Druckkammer mit dem ersten Umgebungsdruck in eine zweite Druckkammer mit dem zweiten Umgebungsdruck gebracht. Bei einem nahezu konstanten Einhalten des zweiten Umgebungsdrucks werden die Luftlöcher 128 luftdicht abgedichtet. In dem zweiten Innenvolumen (des Beschleunigungssensors) liegt somit ein zweiter Innendruck gleich den zweiten Umgebungsdruck für eine längere Zeit vor.
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Bei einem späteren Betrieb des Chips 120 herrschen somit in dem ersten Innenvolumen mit der mindestens einen in Resonanz versetzbaren Struktur des Silizium-Resonators der erste Innendruck und in dem zweiten Innenvolumen mit der mindestens einen frei schwingbaren Struktur des Beschleunigungssensors der von dem ersten Innendruck abweichende zweite Innendruck. Beispielsweise ist der erste Innendruck deutlich kleiner als der zweite Innendruck. Der vergleichsweise kleine erste Innendruck gewährleistet dabei eine geringe mechanische Dämpfung und somit eine geringe Energiedissipation für den Silizium-Resonator. Der Silizium-Resonator eignet sich deshalb aufgrund des vergleichsweise kleinen ersten Innendrucks gut für Timing-Applikationen.
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Da für den Beschleunigungssensor eine recht geringe mechanische Resonanzüberhöhung und eine geringe Güte in der Regel gewünscht werden, um eine flache Signalübertragungsfunktion und eine gute Störsignalunterdrückung zu gewährleisten, verbessert der zweite Innendruck, welcher deutlich über dem ersten Innendruck liegt, die Funktionsfähigkeit des Beschleunigungssensors wesentlich.
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Die anhand der 5 beschriebene Abwandlung des Dünnschichtverkappungs-Prozesses mit einem mehrstufigen Verschlussmechanismus, beispielsweise mit einem ersten Vakuumverschlussprozess und einem zweiten Verschlussprozess bei einem höheren Umgebungsdruck, verbessert somit die Funktionsfähigkeit der auf dem Chip 120 angeordneten Sensoren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Innendruck kleiner als 50 mbar, während der zweite Innendruck größer als 50 mbar ist. Insbesondere kann in dem ersten Innenvolumen ein erster Innendruck in einem Bereich von µbar oder darunter vorherrschen.
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Um zusätzlich zu verhindern, dass die mindestens eine weiche und frei schwingbare Struktur des Beschleunigungssensors sich bei einer übermäßigen Auslenkung an eine umgebende Wand anlagert, können Innenoberflächen des Beschleunigungssensors mit einer Antihaftschicht (Anti-Stiction-Coating), wie sie beispielsweise in der
US 6,930,367 B2 beschrieben werden, abgedeckt werden. Auf diese Weise lässt sich ein Ankleben der mindestens einen frei schwingbaren Struktur des Beschleunigungssensors gut verhindert.
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In einer Weiterbildung des Chips 120 können mindestens zwei Beschleunigungssensoren in den Chip 120 integriert werden. Somit kann mittels der zwei Beschleunigungssensoren des Chips 120 zusätzlich zu einer Bewegungserkennung auch eine Bewegungsrichtungserkennung/Drehrichtungserkennung ausgeführt werden. Beispielsweise erkennt ein als Raddrucksensor ausgebildetes Bauteil in diesem Fall auch eine Drehrichtung des Rads.
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Ein als Reifendrucksensor ausgebildetes Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung kann nicht nur an einer Felge eines Rads angeordnet werden. Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann das Bauteil auch am Reifen selbst angeordnet werden. Ein derartig angeordneter Reifendrucksensor kann beispielsweise durch das Messen in tangentialer oder radialer Richtung eine Beladung des Fahrzeugs und/oder eine Reifenprofiltiefe ermitteln.
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Die vorliegende Erfindung ist in den oberen Absätzen anhand von als Drucksensorvorrichtungen ausgebildeten Bauteilen beschrieben, welche insbesondere als Raddrucksensoren genutzt werden. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist. Stattdessen ist die Erfindung auch auf ein Bauteil anwendbar, welches nicht als Drucksensorvorrichtung ausgebildet ist.
