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Die Erfindung betrifft ein Sensormodul, welches in Form eines integrierten Bausteins gebildet ist und wenigstens zwei mikroelektromechanische Sensoren umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine Sensorvorrichtung mit einem solchen Sensormodul und einer zugehörigen Auswerteschaltung. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen eines entsprechenden Sensormoduls.
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Mikroelektromechanische Bauelemente (MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems) können heute in Massenfertigung gefertigt werden, was deren breiten Einsatz in verschiedenen technischen Anwendungen ermöglicht. So werden MEMS-Bauelemente beispielsweise in Form von Sensoren im Automobilbereich oder in der Consumer-Electronic eingesetzt. Die fortschreitende Miniaturisierung der MEMS-Bauelemente trägt wesentlich zur Reduktion der Herstellungskosten dieser Bauteile und damit auch der entsprechenden Endgeräte bei. Eine Miniaturisierung der MEMS-Bauteile ermöglicht es ferner eine zunehmende Anzahl von Sensorfunktionen in einen beschränkten Bauraum eines Endgeräts zu integrieren. Ferner ermöglicht die Miniaturisierung der MEMS-Bauelemente auch eine Verkleinerung der Endgeräte.
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Werden mehrere Sensorfunktionen in einem gemeinsames Multicore-Sensormodul integriert, kann der laterale Platzbedarf des Sensor-Bausteins reduziert werden, indem die einzelnen MEMS-Sensorkerne nebeneinander angeordnet werden und ein gemeinsamer Kappenwafer verwendet wird. Soll der laterale Platzbedarf eines Multicore-MEMS-Bauelements noch weiter reduziert werden, werden alternative Konzepte benötigt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, den Platzbedarf eines Bauelements mit mehreren MEMS-Sensoren weiter zu reduzieren. Diese Aufgabe wird durch ein Sensormodul gemäß Anspruch 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe durch eine Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 6 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß der Erfindung ist ein Sensormodul vorgesehen, welches eine Substratplatte, einen auf der Substratplatte angeordneten ersten Sensor und einen auf der Substratplatte angeordneten zweiten Sensor umfasst. Dabei umfasst der erste Sensor einen auf der Oberseite der Substratplatte angeordneten ersten mikroelektromechanischen Sensorkern und eine auf der Oberseite der Substratplatte angeordnete und den ersten mikroelektromechanischen Sensorkern abdeckende erste Kappenstruktur. Ferner umfasst der zweite Sensor einen auf der Unterseite der Substratplatte dem ersten mikroelektromechanischen Sensorkern gegenüberliegend angeordneten zweiten mikroelektromechanischen Sensorkern und eine auf der Unterseite der Substratplatte angeordnete und den zweiten mikroelektromechanischen Sensorkern dabei abdeckende zweite Kappenstruktur. Durch die Anordnung der beiden Sensoren auf sich gegenüberliegenden Seiten der Substratplatte kann der laterale Platzbedarf dieser Sensoranordnung und damit des Sensormoduls deutlich reduziert werden. Mit der Reduktion des Platzbedarfs wird insbesondere eine höhere Integrationsdichte erzielt, sodass mehrere Sensorfunktionen in zunehmend kleiner werdenden Endgeräten relativ einfach realisiert werden können. Durch die Anordnung der mikroelektromechanischen Sensoren übereinander wird auch die Steifigkeit des jeweiligen Sensormoduls erhöht. Hierdurch wird das Sensormodul besonders geeignet für Anwendungen, in denen es einer erhöhten mechanischen Belastung ausgesetzt wird, wie zum Beispiel im Automobilbereich.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die beiden Sensoren im Wesentlichen deckungsgleich zueinander angeordnet sind. Durch diese spezielle Anordnung wird der laterale Platzbedarf des Sensormoduls minimiert. Gleichzeitig wird die mechanische Stabilität bzw. Steifigkeit des Sensormoduls deutlich verbessert.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Substratplatte eine reduzierte Dicke von 50 bis 100 µm aufweist. Durch die Reduktion der Substratdicke kann die Höhe des Sensormoduls reduziert werden, was mit einem geringeren vertikalen Platzbedarf einhergeht. Aufgrund der beidseitigen Anordnung der Sensoren auf der Substratplatte wird dabei eine ausreichende Stabilität bzw. Steifigkeit des Sensormoduls gewährleistet.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mikroelektromechanischen Sensorkerne der beiden Sensoren durch eine beidseitige Strukturierung der Substratplatte erzeugt sind. Im Vergleich zu einer alternativen Herstellung, bei der die Sensorkerne auf separaten Substraten strukturiert und anschließend auf der Substratplatte angeordnet werden kann mithilfe der direkten Herstellung der Sensorkerne auf der Substratplatte eine besonders flache Bauweise des Sensormoduls realisiert werden, was mit einem geringeren vertikalen Platzbedarf einhergeht.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens einer der beiden Sensoren in Form eines mikroelektromechanischen Initialsensors ausgebildet ist. Die Sensorkerne solcher Initialsensoren werden in der Regel gegenüber der Außenumgebung gasdicht abgeschlossen und benötigen folglich keinen direkten Zugang zur Außenumgebung, weshalb sie auch übereinander angeordnet werden können.
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Erfindungsgemäß ist ferner eine Sensorvorrichtung mit einem Sensormodul vorgesehen, wobei das Sensormodul mit der Außenseite der zweiten Kappenstruktur auf der Trägerplatte befestigt ist. Dabei ist auf der Trägerplatte ferner ein ASIC-Bauelement befestigt, welches als Steuer- und Auswerteschaltung für wenigstens einen Sensor des Sensormoduls dient. Eine solche Sensorvorrichtung ermöglicht einen sehr flexiblen Aufbau, wobei wohl das Sensormodul als auch der ASIC-Bauelement der jeweiligen Anwendung individuell angepasst werden kann. Aufgrund der reduzierten Baugröße des Sensormoduls kann auch die Sensorvorrichtung mit einem deutlich reduzierten lateralen Platzbedarf hergestellt werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Sensormodul mittels Bonddrähten elektrisch an das ASIC-Bauelement angeschlossen ist. Bonddrähte ermöglichen eine flexible Verbindung von Bauelementen der Sensorvorrichtung.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Sensor und dem ASIC-Bauelement eine an der Unterseite der Substratplatte angeschlossene flexible Leiterplatte umfasst. Mithilfe der flexiblen Leiterplatte kann die elektrische Kontaktierung des auf der Unterseite der Substratplatte angeordneten zweiten Sensors erleichtert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zweite Sensor über die flexible Leiterplatte elektrisch mit wenigstens einer Kontaktfläche verbunden ist. Dabei ist die Kontaktfläche über einen Bonddraht elektrisch mit dem ASIC-Bauelement verbunden. Mithilfe dieser speziellen Anordnung wird es möglich, auch das kostengünstige Bonding-Verfahren zur Kontaktierung des auf der Unterseite der Substratplatte angeordneten zweiten Sensors zu verwenden.
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Ferner ist ein Verfahren zum Herstellen eines Sensormoduls vorgesehen, bei dem im ersten Verfahrensschritt eine Substratplatte bereitgestellt wird und in einem zweiten Verfahrensschritt eine erste mikroelektromechanische Sensorstruktur auf der Oberseite der Substratplatte erzeugt wird. Ferner wird in einem dritten Verfahrensschritt eine zweite mikroelektromechanische Sensorstruktur auf der Unterseite der Substratplatte erzeugt. In einem vierten Verfahrensschritt wird eine erste Kappenstruktur auf der Oberseite der Substratplatte erzeugt, welche die erste mikroelektromechanische Sensorstruktur abdeckt. Schließlich wird in einem fünften Verfahrensschritt eine zweite Kappenstruktur auf der Unterseite der Substratplatte erzeugt, welche die zweite mikroelektromechanische Sensorstruktur abdeckt. Dieses Verfahren ermöglicht es, beide Sensoren im Wesentlichen gemeinsam zu prozessieren. Aufgrund der zeitlich versetzten Montage der Kappenstrukturen auf die Substratplatte kann der innere Gasdruck der beiden MEMS-Sensoren auch unterschiedlichen eingestellt werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen
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1 einen Querschnitt durch einen herkömmlichen Multicore-Sensormodul mit zwei nebeneinander angeordneten und gemeinsam verkapselten MEMS-Sensorkernen,
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2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Sensormodul mit zwei beidseitig einer Substratplatte angeordneten MEMS-Sensoren,
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3 eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung mit einem Sensormodul aus 2 und einer Steuer- und Auswerteschaltung, und
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4 eine Draufsicht auf die Sensorvorrichtung aus 3.
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Die 1 zeigt ein bekanntes Sensormodul 100, in dem mehrere Sensorfunktionen integriert sind. Bei diesem sogenannten Multicore-Sensormodul 100 liegen die verschiedenen mikroelektromechanischen Sensorkerne 110, 120 nebeneinander auf der Substratplatte 130. die beiden Sensorkerne 111, 112 sind dabei gemeinsam oder separat voneinander auf der Oberseite 131 der Substratplatte 130 erzeugt und mittels einer gemeinsamen Kappenstruktur 112 verkapselt. Die vorzugsweise in Form eines Kappenwafers ausgebildete Kappenstruktur 112 weist eine zentrale Ausnehmung 113 auf und ist mittels einer geeigneten Klebermasse 114 derart auf der Oberseite 131 der Substratplatte 130 angeordnet, dass die mikroelektromechanischen Sensorkerne 111, 121 sich in der Ausnehmung 113 befinden. Bei diesem Sensorkonzept wird die laterale Ausdehnung des Sensormoduls maßgeblich von der Summe der lateralen Ausdehnung der Sensorkerne 111, 121 bestimmt. Das Sensormodul 100 benötigt daher eine entsprechend große Trägerplatte, welche ihrerseits einen entsprechend großen Bauraum in einem Endgerät benötigt. Wie in der Figur ferner ersichtlich ist, weist die Substratplatte 130 auf ihrer Unterseite 132 bereits eine Klebeschicht 230 zur Montage des Sensormoduls 100 auf eine entsprechende Trägerplatte (hier nicht gezeigt).
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Um den Platzbedarf des Sensormoduls 100 und damit auch der das Sensormodul aufweisenden Sensorvorrichtung 200 zu reduzieren, werden die Sensorkerne des Sensormoduls 100 übereinander angeordnet. Hierzu zeigt die Figur zwei ein entsprechendes Sensormodul 100 mit einer Substratplatte 130, einen auf der Oberseite 132 der Substratplatte 130 angeordneten ersten mikroelektromechanischen Sensoren 110 und einen auf der Unterseite 132 der Substratplatte 130 angeordneten zweiten mikroelektromechanischen Sensor 120. Wie aus der 2 ersichtlich ist, sind die beiden Sensoren 110, 120 im Wesentlichen deckungsgleich zueinander angeordnete. Hierdurch ergibt sich eine besonders hohe Platzersparnis. Im Vergleich zu dem Sensormodul aus 1 weist das in der 2 gezeigte Sensormodul 100 eine deutlich kleinere Substratplatte 130 auf. Die geringere laterale Ausdehnung der Substratplatte 130 geht mit einer höheren Stabilität der Substratplatte gegenüber mechanischen Verformungen einher. Die Stabilität der Substratplatte 130 wird ferner durch die beidseitige Anordnung der Kappenstrukturen 112, 122 weiter erhöht. Aus diesem Grund kann die Substratplatte 130 des erfindungsgemäßen Sensormoduls 100 deutlich dünner ausfallen, als herkömmliche Substratplatte. Hierdurch wird eine Reduktion der Bauhöhe des Sensormoduls 100 erreicht. Mit der Reduktion der Substratschichtdicke ergibt sich ferner eine Einsparung der Materialkosten. Als optimal erweist sich dabei eine Schichtdicke der Substratplatte 130 von etwa 50–100 µm.
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Die Herstellung der beiden mikroelektromechanischen Sensorkerne 111, 121 erfolgt dabei vorzugsweise durch direkte Strukturierung geeigneter Schichtstapel, welche beidseitig der Substratplatte 130 angeordnet sind und typischerweise Schichten aus vergrabenem Polysilizium, Opferoxid, AlCu, etc. umfassen. Die Schichtstappel sind hier nicht gezeigt. Die Herstellung der Rigoletto mechanischen Sensorkernen erfolgt dabei in bekannter Weise, wobei zur Vereinfachung des Herstellungsverfahrens Verfahrensschritte, welche sowohl für die Oberseite 131 als auch für die Unterseite 132 gemeinsam durchgeführt werden können, möglichst zusammenzufassen. Hierzu zählt beispielsweise die isotope Ätzung der Opferoxidschicht. Nach der Herstellung der mikroelektromechanischen Sensorkerne 111, 121, werden sowohl auf der Ober- als auch der Unterseite 131, 132 der Substratplatte 130 jeweils eine Kappenstruktur 112, 122 mittels geeigneter Klebersubstanz 114, 115 aufgebracht. Dies erfolgt vorzugsweise separat für jede der beiden Seiten 131, 132. Hierdurch wird es möglich den oberen mikroelektromechanischen Sensorkern 111 in einer anderen Gasatmosphäre zu verkapseln als den unteren mikroelektromechanischen Sensorkern 121. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise mikroelektromechanische Beschleunigungssensoren, welche typischerweise einen hohen Gasdruck zur Dämpfung der schwingenden Masse benötigen, mit mikroelektromechanischen Drehratensensoren kombinieren, welche typischerweise einen deutlich geringeren Gasdruck benötigen.
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Zur Herstellung einer Sensorvorrichtung 200 wird das fertige Sensormodul 100 gemeinsam mit einer entsprechenden Steuer- und Auswerteschaltung 220 auf einer geeigneten Trägerplatte 210 montiert. Dies erfolgt vorzugsweise mithilfe einer Klebersubstanz 230, welche auf die Außenseite 124 der unteren Kappenstruktur 122 aufgebracht wird. Die 3 zeigt eine solche fertig montierte Sensorvorrichtung 200 mit einem darauf befestigten Sensormodul 100 sowie einer darauf angeordneten Steuer- und Auswerteschaltung 220. Zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den beiden Komponenten 100, 220 werden vorzugsweise Bonddrähte verwendet. Hierzu weist die Substratplatte 130 auf ihrer Oberseite 131 wenigstens eine entsprechende Kontaktfläche 134 auf, an welche wesentlich ein Bonddraht der Steuer- und Auswerteschaltung 22 angeschlossen ist. Um auch den unteren Sensor 120 mittels Bonddrähten kontaktieren zu können, ist dann einer entsprechenden Kontaktfläche 133 auf der Unterseite 132 der Substratplatte 130 eine flexible Leiterplatten 140 angeschlossen. Die Leiterplatte 140 weist auf der dem Sensormodule 100 abgewandten Seite wenigstens eine geeignete Kontaktfläche 141 zum Anschluss eines Bonddrahts 151 der Auswerte- und Steuereinrichtung 220 auf. Alternativ hierzu kann die Kontaktfläche 141 auch direkt auf der Trägerplatte 210 angeordnet sein, wobei die flexible Leiterplatte 140 elektrisch an die Kontaktfläche 141 angeschlossen ist (hier nicht gezeigt).
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Die 4 zeigt eine Draufsicht auf die Sensorvorrichtung 200 aus 3. Hierbei wird ersichtlich, dass die lateralen Ausdehnung des Sensormoduls 100 Wesentlichen von der lateralen Ausdehnung der übereinander angeordneten Sensoren 110, 120 bestimmt wird. Ferner wird ersichtlich, dass durch Verwendung der flexiblen Leiterplatte 140 sämtliche Kontaktflächen 134, 141, 221, 222 gut für den Bonding-Prozess zugänglich sind. Die Anordnung der Kontaktflächen 121, 122 der Steuer- und Auswerteschaltung 220 ist hier nur beispielhaft gezeigt. Neben der Anordnung dieser Kontaktflächen auf dem Baustein können auch direkt auf der Trägerplatte 210 angeordnete uns mit der Steuer- und Auswerteschaltung 220 elektrisch verbundene Kontaktflächen verwendet werden. Alternativ zu Bonddrähten und flexiblen Leiterplatten kann die elektrische Verbindung zwischen dem Sensormodul 100 und der Steuer- und Auswerteschaltung 220 unter sich auch auf andere Weise erfolgen. Beispielsweise kann die Trägerplatte 210 über entsprechende Leiterbahnen verfügen, die über Bonddrähte oder andere geeignete elektrische Verbindungsstrukturen mit dem Sensormodul 100 und der Steuer- und Auswerteschaltung 220 verbunden sind.
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Die hier nur beispielhaft gezeigte Sensorvorrichtung 200 kann ferner weitere Komponenten umfassen, welche ebenfalls auf der Trägerplatte 210 angeordnet sind. Hierzu zählen beispielsweise weitere Sensormodule und integrierte Bauelemente.
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Neben dem den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem auf der Substratplatte 130 jeweils nur eine oberen und eine unterer mikroelektromechanischer Sensor 110, 120 angeordnet ist, sind grundsätzlich auch Sensormodule möglich, welche mehrere nebeneinander angeordnete mikroelektromechanische Sensorkerne auf der Ober- bzw. Unterseite der Substratplatte aufweisen. Diese Sensorkerne können dabei sowohl gemeinsam als auch separat verkapselt sein.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit die beschriebenen Merkmale geeignet abändern und miteinander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
