DE102010062559A1 - Mikroelektromechanisches Sensormodul sowie entsprechendes Herstellungsverfahren - Google Patents

Mikroelektromechanisches Sensormodul sowie entsprechendes Herstellungsverfahren Download PDF

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Axel Franke
Thomas Wagner
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikroelektromechanisches Sensormodul. Das mikroelektromechanische Sensormodul umfasst Sensiermittel zur Messung einer Beschleunigung, Druck, Luftfeuchtigkeit oder dergleichen, ein Steuerungsmittel zur Steuerung der Sensiermittel, Energieversorgungsmittel zur Energieversorgung des Sensormoduls sowie Übertragungsmittel zur Übertragung von Signalen des Sensiermittels wobei zumindest drei der Mittel auf Chipebene jeweils in zumindest einem Chip integriert sind. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Sensormoduls.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein mikroelektromechanisches Sensormodul sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Sensormoduls.
  • Stand der Technik
  • Mikroelektromechanische Sensormodule werden für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt, beispielsweise zur Messung von Beschleunigungen, Drehraten, Magnetfeldern, Temperatur, Druck oder dergleichen.
  • Ein Anwendungsgebiet derartiger mikroelektromechanischer Sensoren sind beispielsweise im Falle von Drehratensensoren Autos, bei denen diese im Rahmen des elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP) eingesetzt werden, um eine Gierrate des Autos mit Drehraten von verschiedenen Rädern des Autos abzugleichen.
  • Aus der DE 10 2005 041 539 B4 ist es bekannt geworden, Sensiermittel und eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung auf Waferlevelebene zu verbinden. Eine derartige Verbindung ist in der 6 gezeigt: Auf einer Leiterplatte 2 ist ein erster Chip 3 angeordnet, welcher ein Sensiermittel 3a enthält. Auf diesem ist ein weiterer Chip 4 angeordnet, welcher eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 4a aufweist. Die Verbindung zwischen dem Chip 4 und dem Chip 3 wird mittels Durchkontaktierungen 10a ermöglicht, wohingegen der Chip 3 mittels Drahtbonden 10b mit der Leiterplatte 2 zur elektrischen Kontaktierung verbunden ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • In Anspruch 1 ist ein mikroelektromechanisches Sensormodul definiert, umfassend Sensiermittel zur Messung einer Beschleunigung, Druck, Luftfeuchtigkeit oder dergleichen, ein Steuerungsmittel zur Steuerung der Sensiermittel, Energieversorgungsmittel zur Energieversorgung des Sensormoduls sowie Übertragungsmittel zur Übertragung von Signalen des Sensiermittels, wobei zumindest drei der Mittel auf Chipebene jeweils in einem Chip integriert sind.
  • In Anspruch 9 ist ein Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Sensormoduls gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8 definiert, umfassend die Schritte,
    Anordnen von Sensiermitteln zur Messung einer Beschleunigung, Druck, Luftfeuchtigkeit oder dergleichen,
    Anordnen eines Steuerungsmittels zur Steuerung der Sensiermittel,
    Anordnen von Energieversorgungsmitteln zur Energieversorgung des Sensormoduls sowie
    Anordnen von Übertragungsmitteln zur Übertragung von Signalen des Sensiermittels,
    wobei zumindest drei der Mittel auf Chipebene jeweils in einen Chip integriert angeordnet werden.
  • Vorteile der Erfindung
  • Einer der erzielten Vorteile ist, dass dadurch eine gesteigerte Integrationsdichte ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass damit kleinere Bauformen ermöglicht werden und so eine einfachere und auch nachträgliche Um- bzw. Aufrüstung bestehender Installationen/Gebäude oder auch Gegenstände mit elektronischer Steuerung und Regelung mittels des mikroelektromechanischen Sensormoduls ermöglicht wird. Insgesamt wird auch eine kostengünstigere Herstellung ermöglicht.
  • Selbstverständlich können die jeweiligen Mittel auf den jeweiligen Chips platzoptimiert angeordnet werden, so dass das Volumen des jeweiligen Chips minimal ist. Darüber hinaus können auch die Chips untereinander derart angeordnet werden, so dass der Bauraum des Sensormoduls möglichst klein ist. Dabei können die Chips neben- und/oder übereinander angeordnet werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind alle Mittel auf Chipebene jeweils in einem Chip integriert. Dies ermöglicht ein vollständig chip-level integriertes und auch autonomes Sensormodul, das heißt das Sensormodul ist unabhängig von einer äußeren Energieversorgung und weist eine hohe Integrationsdichte bei gleichzeitig kleiner Bauform auf.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfassen die Energieversorgungsmittel eine Batterie, insbesondere eine Dünnschichtbatterie und/oder einen Umgebungsenergiewandler, insbesondere eine Solarzelle. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass damit ein vollständig autonomes mikroelektromechanisches Sensormodul ermöglicht wird. Der Umgebungsenergiewandler ermöglicht es, die Batterie wieder aufzuladen, die zur Energieversorgung des mikroelektromechanischen Sensormoduls dient. Damit erhöht sich die autonome Lebensdauer des mikroelektromechanischen Sensormoduls.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfassen die Übertragungsmittel eine Hochfrequenzschnittstelle und/oder eine Antenne. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass damit eine aufwändige Verkabelung des mikroelektromechanischen Sensormoduls entfallen kann und eine einfache Integration bzw. Nachrüstung in bestehende Anwendungen ermöglicht wird.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind zumindest zwei der Mittel auf einem gemeinsamen Chip angeordnet, insbesondere jeweils zwei der Mittel. Dies ermöglicht eine noch weitergehende Integration und damit eine noch kleinere Bauform des mikroelektromechanischen Sensormoduls.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind Durchkontaktierungen zur Kontaktierung der Chips untereinander und/oder mit einer Leiterplatte angeordnet. Der erzielte Vorteil damit ist, dass damit auch die Kontaktierungen in einzelne Chips integriert werden können, was die Integrationsdichte noch weiter vergrößert. Gleichzeitig sind Durchkontaktierungen gegenüber Drahtbonden auch weniger anfällig in Bezug auf Umwelteinflüsse. Die Lebensdauer des mikroelektromechanischen Sensormoduls wird damit erhöht.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Durchkontaktierungen am Rand des jeweiligen Chips angeordnet und/oder zumindest ein Teil der Durchkontaktierungen ist als Antenne ausgebildet. Der erzielte Vorteil damit ist, dass damit die Integrationsdichte noch weiter erhöht wird, da die Antennenstruktur mittels am Chiprand angeordneter Durchkontaktierungen realisiert werden kann. Daneben ist es ebenfalls möglich, die Antennen als fraktale Antennen oder auch die Antennen aus Metamaterialien auszuführen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Solarzelle eine Kollektorverdrahtung und die Kollektorverdrahtung ist als Übertragungsmittel, insbesondere als Antenne ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte Kombination der Solarzelle und der Antenne. Da eine Solarzelle auf ihrer Außenseite in der Regel eine Kollektorverdrahtung, auch Busbar genannt, benötigt, kann diese gleichzeitig oder auch beispielsweise durch eine Unterteilung der Nutzungszeit in verschiedene Zeitabschnitte teilweise auch als Antenne genutzt werden. Damit wird die Integrationsdichte noch weiter gesteigert und der Bauraum des mikroelektromechanischen Sensormoduls noch weiter verkleinert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert und in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
  • 1 ein mikroelektromechanisches Sensormodul gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt;
  • 2 ein mikroelektromechanisches Sensormodul gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt;
  • 3 ein mikroelektromechanisches Sensormodul gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt;
  • 4 ein mikroelektromechanisches Sensormodul gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt;
  • 5 ein mikroelektromechanisches Sensormodul gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt;
  • 6 ein bereits bekanntes Sensormodul im Querschnitt.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 zeichnet Bezugszeichen 1 ein mikroelektromechanisches Sensormodul im Querschnitt, welches auf einer Leiterplatte 2 angeordnet ist. Das mikroelektromechanische Sensormodul 1 weist einen ersten Chip 5 auf, welcher eine dreidimensionale Dünnschichtbatterie 5a umfasst. Der Chip 5 ist dabei direkt auf der Leiterplatte 2 angeordnet und mit dieser über eine Durchkontaktierung 10a verbunden, die auf der linken Seite des Chips 3 angeordnet ist. Auf dem ersten Chip 5 ist ein weiterer Chip 3 angeordnet, welcher Sensiermittel 3a zur Messung einer Beschleunigung enthält. Diese sind über Durchkontaktierungen 10a auf der linken Seite des Chips 3 mit dem darunter liegenden Chip 5 verbunden. Auf dem Chip 3 ist ein weiterer Chip 4 angeordnet. Der Chip 4 umfasst dabei eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 4b und Übertragungsmittel 4a in Form einer Hochfrequenz-Schnittstelle. Auf seiner linken Seite ist der Chip 4 über eine Durchkontaktierung 10a mit dem Chip 3 und weiter mit dem Chip 5 und der Leiterplatte 2 verbunden. Auf dem Chip 4 ist ein weiterer Chip 6 angeordnet, der eine Solarzelle 6a aufweist. Auf der linken Seite des im Querschnitt dargestellten mikroelektromechanischen Sensormodul 1 sind Durchkontaktierungen 10a angeordnet, welche den Chip 6 mit dem Chip 4 und weiter mit dem Chip 3, dem Chip 5 und schließlich der Leiterplatte 2 verbinden. 1 zeigt ein vollständig chip-level integriertes autonomes mikroelektromechanisches Sensormodul 1 mit diskreten Chips 3, 4, 5, 6 für die einzelnen Funktionen. Dabei ist es möglich, die Hochfrequenz-Schnittstelle 4a bzw. die Funkschnittstelle als Teil der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 4b auszuführen.
  • 2 zeigt ein mikroelektromechanisches Sensormodul gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt. In 2 bezeichnet Bezugszeichen 1 wiederum ein mikroelektromechanisches Sensormodul. Das Sensormodul 1 weist eine Leiterplatte 2 auf, die in einem Gehäuse H angeordnet ist. Die Leiterplatte 2 weist auf ihrer linken Oberseite einen Chip 3 auf, der auf seiner Unterseite eine dreidimensionale Dünnschichtbatterie 5a aufweist und auf seiner Oberseite Sensiermittel 3a zur Messung einer Beschleunigung. Über Durchkontaktierungen 10a auf seiner linken Seite ist der Chip 3 mit der Leiterplatte 2 elektrisch verbunden. Auf seiner rechten Seite ist eine weitere Durchkontaktierung 10a angeordnet, die mit einem auf dem Chip 3 angeordneten weiteren Chip 4 verbunden ist. Der Chip 4 weist eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 4a auf. Auf seiner linken Seite ist der Chip 4 ebenfalls mit dem Chip 3 über Durchkontaktierungen 10a verbunden. Der Chip 3 sowie der Chip 5 sind dabei vollständig innerhalb des Gehäuses H angeordnet. Auf der rechten Seite des Chips 3 ist ein weiterer Chip 6 mit einer Solarzelle 6a angeordnet. Der Chip 6 ist ebenfalls auf der Leiterplatte 2 angeordnet. Damit die Solarzelle 6a des Chips 6 Licht empfangen kann, welches durch die Solarzelle 6a in elektrische Energie umgewandelt wird, weist das Gehäuse H oberhalb der Solarzelle 6a eine entsprechende Aussparung A auf. Insgesamt ermöglicht die Ausführungsform der 2 eine noch höhere Chip-Level-Integration. Das in 2 gezeigte mikroelektromechanische Sensormodul 1 kann beispielsweise als photovoltaische oder elektromagnetische Strahlungs-Energiewandler, als Antenne zur Funkübertragung, als Batterie etc. dienen.
  • 3 zeigt ein mikroelektromechanisches Sensormodul gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt. In 3 bezeichnet Bezugszeichen 1 wiederum ein mikroelektromechanisches Sensormodul. Das mikroelektromechanische Sensormodul 1 der 3 ist von unten nach oben wie folgt aufgebaut: Auf einer Leiterplatte 2 ist ein Chip 3 angeordnet. Der Chip 3 ist über Durchkontaktierungen 10a auf seiner linken Seite mit der Leiterplatte 2 und über weitere Durchkontaktierungen auf der rechten Seite mit einem Chip 4 verbunden, welcher auf dem Chip 3 angeordnet ist. Der Chip 3 umfasst dabei Sensiermittel 3a zur Messung eines Druckes sowie eine Dünnschichtbatterie 5a. Der Chip 4 umfasst dabei eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 4b und eine drahtlose Funkschnittstelle 4a. Chip 4 ist über Durchkontaktierungen 10a auf seiner rechten Seite mit dem Chip 3 genauer mit der Dünnschichtbatterie 5a verbunden und ebenfalls über weitere Durchkontaktierungen 10a auf seiner linken Seite mit dem Chip 3. Auf dem Chip 4 ist ein weiterer Chip 6 angeordnet, welcher eine Solarzelle 6a umfasst. Die Solarzelle 6a ist dabei über Drahtbonden 10b mit dem Chip 3 verbunden.
  • 4 zeigt ein mikroelektromechanisches Sensormodul gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt. Das mikroelektromechanische Sensormodul 1 der 4 weist dabei den folgenden Aufbau von unten nach oben auf: Auf einer Leiterplatte 2 ist ein Chip 3 angeordnet, welcher eine Dünnschichtbatterie 5a auf seiner Unterseite sowie eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 4b auf seiner Oberseite umfasst. Der Chip 3 ist über Durchkontaktierungen 10a auf seiner linken Seite mit der Leiterplatte 2 und mit einem Chip 4 verbunden, der auf dem Chip 3 angeordnet ist. Der Chip 4 umfasst dabei Sensiermittel 3a zur Messung eines Druckes. Der Chip 4 ist über Durchkontaktierungen 10a auf seiner linken Seite mit dem darunterliegenden Chip 3 sowie mit einem auf dem Chip 4 angeordneten Chip 5 verbunden. Der Chip 5 umfasst eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle 4a. Der Chip 5 ist über Durchkontaktierungen 10a mit dem darunter liegenden Chip 4 und weiter mit dem Chip 3 und der Leiterplatte 2 verbunden. Über Durchkontaktierungen 10a auf seiner linken Seite ist der Chip 5 auch mit einem weiteren Chip 6, welcher auf dem Chip 5 angeordnet ist, verbunden. Der Chip 6 umfasst dabei eine Solarzelle 6a an seiner Oberseite. Der Chip 6 ist über Durchkontaktierungen 10a auf seiner linken Seite mit den darunter liegenden Chips 5, 4, 3 und der Leiterplatte 2 verbunden. An den Rändern der Solarzelle 6a ist eine Antenne 7 angeordnet, welche in Form von Durchkontaktierungen 10a ausgebildet ist.
  • 5 zeigt ein mikroelektromechanisches Sensormodul gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt. Das mikroelektromechanische Sensormodul 1 der 5 weist folgenden Aufbau von unten nach oben auf. Auf der Leiterplatte 2 ist ein Chip 3 angeordnet, welcher auf seiner Unterseite eine Dünnschichtbatterie 5a aufweist und auf seiner Oberseite Sensiermittel 3a zur Messung einer Beschleunigung. Über Durchkontaktierungen 10a auf seiner linken Seite ist der Chip 3 und damit die Dünnschichtbatterie 5a und die Sensiermittel 3a mit der Leiterplatte 2 einerseits und andererseits mit einem auf dem Chip 3 angeordneten weiteren Chip 6 verbunden. Der Chip 6 weist auf seiner Unterseite eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 4b auf sowie eine drahtlose Schnittstelle 4a. Auf seiner Oberseite weist der Chip 6 eine Solarzelle 6a auf. Der Chip 6 und damit die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 4b, die drahtlose Kommunikationsschnittstelle 4a sowie die Solarzelle 6a sind über Durchkontaktierungen 10a auf der linken Seite des Chips 6 mit dem darunter liegenden Chip 3 und weiter mit der Leiterplatte 2 elektrisch leitend verbunden. Das in 5 gezeigte mikroelektromechanische Sensormodul 1 weist eine hohe Integrationsdichte auf durch Integration von zumindest zwei Funktionen auf jeweils verbundenen Chips 3 und 6: Dünnschichtbatterie 5a und Sensiermittel 3a sind auf einem gemeinsamen Chip 3 angeordnet ebenso wie anwendungsspezifische integrierte Schaltung 4b mit drahtloser Schnittstelle 4a und Solarzelle 6a bzw. Energy-Harvester in einem zweiten Chip 6.
  • 6 zeigt ein bereits bekanntes Sensormodul im Querschnitt. In 6 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein mikroelektromechanisches Sensormodul 1. Das mikroelektromechanische Sensormodul 1 umfasst dabei eine Leiterplatte 2, auf der ein Chip 3 mit Sensiermitteln 3a angeordnet ist. Der Chip 3 ist dabei mittels Drahtbonden 10b mit der Leiterplatte 2 verbunden. Auf der Oberseite des Chips 3 ist ein weiterer Chip 4 angeordnet, welcher eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 4a umfasst. Über Durchkontaktierungen 10a ist der Chip 4 mit dem Chip 3 verbunden.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde ist sie nicht darauf beschränkt sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102005041539 B4 [0004]

Claims (9)

  1. Mikroelektromechanisches Sensormodul (1), umfassend Sensiermittel (3a), insbesondere zur Messung einer Beschleunigung, eines Drucks oder einer Luftfeuchtigkeit, ein Steuerungsmittel (4b) zur Steuerung des Sensormoduls (1), Energieversorgungsmittel (6a, 5a) zur Energieversorgung des Sensormoduls (1) sowie Übertragungsmittel (4a, 7) zur Übertragung von Signalen des Sensiermittels (3a), wobei zumindest drei der Mittel (3a, 4a, 4b, 5a, 6a) auf Chipebene jeweils in einem Chip (3, 4, 5, 6) integriert sind.
  2. Sensormodul gemäß Anspruch 1, wobei alle Mittel (3a, 4a, 4b, 5a, 6a) auf Chipebene in jeweils einem Chip (3, 4, 5, 6) integriert sind.
  3. Sensormodul gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–2, wobei die Energieversorgungsmittel (5a, 6a) eine Batterie (5a), insbesondere eine Dünnschichtbatterie, und/oder einen Umgebungsenergiewandler, insbesondere eine Solarzelle (6a) umfassen.
  4. Sensormodul gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–3, wobei die Übertragungsmittel (4a) eine Hochfrequenzschnittstelle und/oder eine Antenne (7) umfassen.
  5. Sensormodul gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–4, wobei wobei zumindest zwei der Mittel (3a, 4a, 4b, 5a, 6a) auf einem gemeinsamen Chip (3, 4, 5, 6) angeordnet sind, insbesondere jeweils zwei der Mittel (3a, 4a, 4b, 5a, 6a).
  6. Sensormodul gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–5, wobei Durchkontaktierungen (10a) zur Kontaktierung der Chips (3, 4, 5, 6) untereinander und/oder mit einer Leiterplatte (2) angeordnet sind.
  7. Sensormodul gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–6, wobei die Durchkontaktierungen (10a) am Rand des jeweiligen Chips (3, 4, 5, 6) angeordnet sind und zumindest ein Teil der Durchkontaktierungen (10a) als Antenne (7) ausgebildet ist.
  8. Sensormodul gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–7, wobei die Solarzelle (6a) eine Kollektorverdrahtung umfasst und die Kollektorverdrahtung als Übertragungsmittel (7), insbesondere als Antenne ausgebildet ist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Sensormoduls gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Schritte, Anordnen von Sensiermitteln (3a), insbesondere zur Messung einer Beschleunigung, eines Drucks oder einer Luftfeuchtigkeit, Anordnen eines Steuerungsmittels (4b) zur Steuerung der Sensiermittel (3a), Anordnen von Energieversorgungsmitteln (6a, 5a) zur Energieversorgung des Sensormoduls (1), sowie Anordnen von Übertragungsmitteln (4a, 7) zur Übertragung von Signalen des Sensiermittels (3a) wobei zumindest drei der Mittel (3a, 4a, 4b, 5a, 6a) auf Chipebene jeweils in einem Chip (3, 4, 5, 6) integriert angeordnet werden.
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