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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein MEMS-Modul mit einem Substrat, einem MEMS-Chip und einem Dämpfer.
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Mikromechanische Vorrichtungen, insbesondere Drehratensensoren sind empfindlich für Vibrationen und Stoßbelastungen. Diese Einflüsse können zu signifikanten Fehlsignalen führen. Es werden daher MEMS-Module aufgebaut, die mit einer zusätzlichen mechanischen Vibrationsdämpfung ausgestattet sind. Die Anforderungen an die Genauigkeit mikromechanischer Bauteile werden durch die Entwicklung des hochautomatisierten Fahrens weiter steigen, so dass auch für zukünftige Sensorgenerationen oder Optikkomponenten weiterhin der Bedarf an mechanischer Vibrationsdämpfung zu erwarten ist. Auch bei Konsumgütern gibt es eine Nachfrage nach hochgenauen Inertialsensoren, die möglicherweise zukünftig dämpfende Zusatzmaßnahmen notwendig erscheinen lassen. Für diese Anwendungsfälle ist ein kleinbauendes und kostengünstiges Dämpferkonzept zwingend.
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Im Stand der Technik wird das First-Level-Modul auf einem mechanischen Dämpfer integriert, wie beispielsweise die Druckschrift
DE102006002350A1 offenbart. Daneben werden Premoldgehäuse mit integriertem Dämpfer eingesetzt, wie beispielsweise in der Druckschrift
DE102006026878A1 gezeigt ist.
Weiterhin wird in der Druckschrift
DE102012201486A1 wird eine Interposer-Anwendung beschrieben, welche zwischen LGA/BGA-Gehäuse und beispielsweise einer Steuergerätleiterplatte, montiert wird, um als Schwingungsentkopplungssystem zu wirken.
Vorteil der in
DE102012201486A1 beschriebenen Interposer-Lösung ist, dass der Sensor selbst in einem kostengünstigen Standard-Moldgehäuse verbaut werden kann. Dem stehen konzeptbedingt aber einige Beschränkungen entgegen. Die Herstellung der Dämpferstrukturen durch Leiterplattenfräsen und Silikonspritzen ist aufwändig und daher kostenintensiv. Die verwendeten Fertigungstechnologien ermöglichen keine signifikante weitere Reduzierung der Baugröße. Ferner erfordert die Kombination unterschiedlicher Technologien, wie Leiterplatte, Silikonspritzguss und Bestückung, den Einsatz unterschiedlicher spezialisierter Lieferanten.
Die schwingende Dämpferstruktur ist eine Kombination aus Leiterplattenfeder und Silikon. Dadurch ist die Resonanzüberhöhung des aus Dämpferelement und LGA/BGA-Gehäuse gebildeten Feder-Masse-Systems höher als bei einem rein aus einem (Silikon-) Elastomer realisierten Dämpfersystem.
Für die ESP-Applikation werden Kombi-Inertialsensormodule, bestehend aus einachsigen oder mehrachsigen Drehratensensoren und einachsigen oder mehrachsigen Beschleunigungssensoren eingesetzt. Dabei benötigt aber nur der Drehratensensor eine zusätzliche Schwingungsdämpfung im hochfrequenten Bereich, insbesondere bei der einfachen und doppelten Arbeitsfrequenz. Wenn der Beschleunigungssensor ebenfalls auf dem Dämpfer platziert ist, ergeben sich zusätzliche Randbedingungen an die Auslegung des Dämpfers und Performanceeinbußen beim Beschleunigungssensor.
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Die Druckschriften
US 2017/0089942 A1 und
US 2018/0244515 A1 beschreiben Feder-Dämpfer-Systeme zur Vibrations- (und ggf. Stress-) Entkopplung von MEMS-Chips im Rahmen des First Level Packages. Ausgangspunkt sind in beiden Fällen auf dem Substrat aufgebrachte Metall-Federelemente, deren Resonanzüberhöhung optional durch zusätzlich eingebrachtes Dämpfermaterial (
US 2017/0089942 A1 ) oder durch Squeeze-Film-Dämpfung, erzeugt durch kleine Vertikalgaps zwischen Federelement und Substrat, reduziert wird (
US 2018/0244515 A1 ). Die Metall-Federelemente dienen zur elektrischen Kontaktierung des Chips. Dadurch wird das Konzept insbesondere bei einer größeren Anzahl an elektrischen Verbindungen sehr komplex. Zudem verbleibt das Grundproblem aus
DE102012201486A1 , dass die hohe Güte (und damit Resonanzüberhöhung) der Metallfeder durch zusätzliche aufwändige Maßnahmen reduziert werden muss. Insbesondere die Squeeze-Film-Dämpfung stellt extrem hohe Anforderungen an die Fertigungstoleranzen.
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Die Druckschrift
DE 102013222307.2 A1 beschreibt eine mikroelektromechanische Sensoranordnung, wobei eine zur Dämpfung mechanischer Schwingungen geeignete Dämpferschicht auf der Oberseite eines Substrats angeordnet ist. Das Sensorelement ist mit der Dämpfungsschicht mechanisch verbunden. In einem Ausführungsbeispiel wird eine zwischen Dämpferschicht und Sensor angeordnete mechanisch starre Trägerplatte aufgeführt, die eine mechanische Unterstützung oder Fixierung, beispielsweise beim Drahtbonden ermöglicht.
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Neben der Vibrationsbelastung spielen für MEMS-Bauelemente aufgrund zunehmender Genauigkeitsanforderungen und Miniaturisierung Einflüsse von mechanischem Stress eine immer größere Rolle. Membranen von Drucksensoren und MEMS-Mikrofonen sind hiervon ebenso betroffen, wie hochgenaue Drehraten- und Beschleunigungssensoren und optische Mikrospiegel. MEMS Module im Stand der Technik verwenden eine weiche, bis zu 200 µm dicke Silikonkleberschicht unter dem MEMS Bauelement, um so den thermomechanischen Stress zu entkoppeln. Der Einsatz hoher weicher Kleberschichtdicken unterliegt jedoch ebenfalls gewissen Beschränkungen. Die erreichbare maximale Schichtdicke ist bei Flüssigklebstoffen durch deren Rheologie (Standfestigkeit, Viskosität, Thixotropie) und durch die verfügbare Dispenstechnik limitiert. Dicke und weiche Kleberschichtdicken verschlechtern die Lagetoleranz der aufgeklebten MEMS-Module, insbesondere in Bezug auf Verkippung und Verdrehung. Dies ist besonders relevant für Inertialsensoren, denn hierdurch steigt die Querempfindlichkeit zwischen den Sensierachsen. Bei Optikkomponenten reduziert sich die Abbildungsgenauigkeit entsprechend. Außerdem ist das Drahtbonden auf weichen Kleberschichten problematisch. Hierbei kommt es zu einem Ausweichen des Chips beim Aufsetzen der Kapillare durch Bondforce, Ultraschalleinkopplung, etc.
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Aufgabe
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige, kleinbauende Ist-Level Aufbau- und Verbindungstechnik (chip-scale oder minimal größer) zur Entkopplung von Vibrationen und thermomechanischem Stress zwischen Substrat und einzelnen MEMS-Bauelementen zu schaffen, wobei gleichzeitig hohe Lagetoleranzanforderungen an das MEMS-Element erfüllt werden.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein MEMS-Modul mit einem Substrat (10), einem MEMS-Chip (20) und einem Dämpfer (40), wobei das Substrat und der MEMS Chip parallel zu einer Haupterstreckungsebene (x,y) angeordnet sind, wobei der Dämpfer an einer Unterseite des MEMS-Chips, zwischen dem MEMS-Chip und dem Substrat angeordnet ist und wobei der MEMS-Chip an dem Dämpfer befestigt ist und der Dämpfer an dem Substrat befestigt ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Dämpfer wenigstens in einer Richtung z, senkrecht zur Haupterstreckungsebene (x,y), strukturiert ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Dämpfer ein Elastomer aufweist. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass der Dämpfer eine Hartkomponente aufweist, welche an dem MEMS-Chip befestigt ist und eine Weichkomponente, welche an dem Substrat befestigt ist.
Besonders vorteilhaft ist, dass der Dämpfer eine dreidimensionale Struktur aufweist die eine gezielte Optimierung der Dämpfereigenschaften nach Raumrichtung getrennt ermöglicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der MEMS-Chip und ein IC-Chip mittels Bonddrähten elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der IC-Chip mit dem Substrat elektrisch leitfähig verbunden ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Substrat eine Durchgangsöffnung aufweist, welche von dem Dämpfer oder auch dem MEMS-Chip bedeckt ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das MEMS-Modul einen Deckel aufweist, welcher mit dem Substrat verbunden ist.
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Ein MEMS-Element wird erfindungsgemäß durch geeignete Techniken so auf ein Substrat integriert, dass die Unterseite des MEMS-Elements nur über die Weichkomponente der Dämpferstruktur mit dem Substrat in Verbindung steht. Das Substrat ist beliebig wählbar. Es kann auf beiden Seiten Metallisierungen in Form von Leiterbahnen enthalten, welche durch elektrische Vias miteinander verbunden sind. Die Metallisierungen auf der Oberfläche können durch Drahtbonden mit den MEMS-Sensoren und ASIC(s) verbunden werden. Alternativ zu einem in Leiterplattentechnologie hergestellten Substrat kann auch ein Leadframe, eine Keramik, ein Kunststoffboden (Premold-Gehäuse) oder ein MID-Bauteil als Substrat verwendet werden. In den folgenden Abbildungen wird die Erfindung am Beispiel eines Leiterplattensubstrats näher ausgeführt.
Die Dämpfungsstruktur sorgt für eine thermomechanische Entkopplung zwischen den MEMS-Sensoren und dem Substrat, dessen Unterseite beispielsweise durch Löten, Leitklebung oder andere Verbindungstechniken starr mit einem weiteren Substrat (z.B. Steuergeräteleiterplatte) verbunden wird.
Die dämpfende Struktur kann den Raum zwischen MEMS-Element und Substrat ganz oder partiell ausfüllen, wobei die Geometrie den spezifischen Anforderungen des MEMS-Elements angepasst werden kann.
Die Dämpferstruktur wird vorzugsweise ganz oder teilweise aus einem hochdämpfenden, Energie dissipierenden Material, beispielsweise aus einem Silikon-Elastomer hergestellt. Die für die Dämpfung charakteristische Materialkenngröße ist der mechanische Verlustfaktor (tan_delta), der möglichst hoch gewählt werden sollte.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht die Dämpferstruktur aus einer harten und einer weichen Materialkomponente. Die harte Materialkomponente erleichtert dabei das Handling und die lagegenaue Bestückung des MEMS-Elements. Durch die Kombination aus Hart- und Weichkomponente und deren jeweiliger geometrischer Ausgestaltung ergeben sich weitere Möglichkeiten zur Anpassung der Schwingungs- und Dämpfungseigenschaften des Dämpfers und dessen Anpassung an die spezifischen Anforderungen des MEMS-Elements.
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Falls durch die weiche Aufhängung des MEMS-Elements Probleme beim Bestücken oder beim Drahtbonden entstehen, kann eine Öffnung im Substrat dazu genutzt werden, den Dämpfer während der Montage durch eine in die Substrataufnahme integrierte Unterstützungsstruktur mechanisch zu fixieren. Falls ein Loch im Substrat vorgesehen ist, kann ergänzend ein Vergelen der Rückseite erfolgen, um die Dämpfung zu verbessern und die Dämpferstruktur vor Kontamination zu schützen.
Die Dämpferstruktur kann als vorgefertigtes, beispielsweise im Spritzgussverfahren hergestelltes Einzelbauteil bereitgestellt und vergleichbar einer Standard-Elektronikkomponente auf das Substrat bestückt werden.
Die elektrische Verbindung zwischen MEMS/ASICs und dem Substrat oder weiteren Sensoren wird durch Drahtbonds realisiert.
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Im Vergleich zum Stand der Technik im Bereich der Vibrationsentkopplung handelt es bei der Erfindung um eine kompakte, einfache Struktur zur Entkopplung von mechanischen Schwingungen, wodurch sich ein hohes Potential zur Kostenersparnis ergibt.
Es können gezielt nur die MEMS-Sensoren mechanisch gedämpft werden, welche tatsächlich durch Vibrationen gestört werden. Beispielsweise benötigt ein Beschleunigungssensor in einem Inertialsensormodul keine zusätzliche Dämpfung oder wird hierdurch sogar negativ beeinflusst, während ein Drehratesensor durch eine Dämpfungsstruktur eine signifikant bessere Performance oder auch geringere Störanfälligkeit zeigt.
Durch die geometrischen Freiheitsgrade bei der Strukturierung des dämpfenden Materials wird eine gezielte Anpassung der mechanischen Schwingungsübertragung auf das jeweilige MEMS Bauteil ermöglicht.
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Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine deutliche Verkleinerung und Kostenreduktion des MEMS-Moduls durch einfacheren Aufbau und Einsparung aufwändiger Zwischenschritte. Die Erfindung ermöglicht eine spezifische Adaption des Dämpfers an einen MEMS-Chip. Eine Beeinflussung anderer MEMS-Elemente in ihrer Leistung, wie zum Beispiel einem Beschleunigungssensor, wird vermieden.
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Vorteilhaft weist das MEMS Modul eine geringe Resonanzüberhöhung durch einen reinen Elastomerdämpfer, ohne Federelemente aus Metall- oder Leiterplattenmaterial, auf.
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Vorteilhaft wird die Dämpferstruktur zuerst auf das Substrat und nicht auf dem Wafer aufgebracht. Dadurch kann der MEMS-Wafer im Standard-Prozessfluss verarbeitet werden. Bei Prozessfehlern ist nur das im Vergleich zum Wafer wesentlich kostengünstigere Substrat zu verwerfen.
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Die Erfindung ermöglicht für das MEMS-Modul ein Modentuning durch Strukturierung des Dämpferelements oder auch des Substrats.
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Im Gegensatz zur Verwendung von Flüssigklebstoff, ermöglicht die Erfindung die Platzierung von MEMS-Bauteilen auf dicke, weiche Elastomerschichten bei minimaler Verdrehung und Verkippung.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes MEMS-Modul.
- 2 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes MEMS-Modul mit einem Dämpfungselement aus zwei verschieden harten Werkstoffen.
- 3 zeigt einen Montageschritt mit einer Unterstützungsstruktur zur Herstellung eines MEMS-Moduls gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
- 4 zeigt in einem dritten Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes MEMS-Modul.
- Die 5 a, b und c zeigen weitere Ausführungsbeispiele des Dämpferelements.
- 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei die Hart- und die Weichkomponente getrennt dargestellt sind.
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Beschreibung
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1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes MEMS-Modul. Die Vorrichtung weist ein Substrat 10, einen MEMS-Chip 20, einen IC-Chip 30, insbesondere einen ASIC und einen Dämpfer 40 auf. Substrat, MEMS-Chip und IC-Chip sind parallel zu einer Haupterstreckungsebene (x,y) angeordnet.
Das MEMS-Element befindet sich auf einem auf dem Substrat bestückten Dämpferelement. Das Dämpferelement besteht aus einem weichen Werkstoff mit guten Dämpfungseigenschaften und kann beispielsweise im Spritzgussverfahren abgeformt werden. Der Dämpfer ist in einer Richtung z, senkrecht zur Haupterstreckungsebene (x,y), strukturiert. Er weist im Beispiel einen Sockel, Seitenwände und eine Ausnehmung auf, die sich in z-Richtung vom Substrat bis zum Sockel erstreckt.
Über die Geometrie des Dämpfers sowie die Materialauswahl ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur Feinabstimmung der mechanischen Eigenschaften. Der IC Chip ist direkt an dem Substrat befestigt.
Auf der Unterseite des Substrats befinden sich Lötflächen zur elektrischen Kontaktierung, beispielsweise ausgeführt als Land Grid Array (LGA) oder, mit vorbestückten Lötballs 60, als Ball Grid Array (BGA).
MEMS-Chip und IC-Chip sind mittels Bonddrähten 50 elektrisch leitfähig miteinander verbunden.
Das MEMS-Modul weist einen Deckel 70 auf, welcher mit dem Substrat 10 verbunden ist. MEMS-Chip, Dämpfer und IC-Chip sind in einem Innenraum 80 angeordnet, Der von Substrat und Deckel begrenzt ist.
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2 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes MEMS-Modul mit einem Dämpfungselement aus zwei verschieden harten Werkstoffen.
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Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel ist das Dämpferelement 40 aus einem harten und einem weichen Werkstoff zusammengesetzt ist. Der Dämpfer besteht also aus einer Hartkomponente 41, welche an dem MEMS-Chip befestigt ist und einer Weichkomponente 42, welche an dem Substrat befestigt ist. Vorteilhaft ist hierbei die einfachere Bestückung sowohl des Dämpferelements selbst wie auch des MEMS-Elements auf dem Dämpfer. Optional kann zusätzlich eine Durchgangsöffnung 15 im Substrat vorgesehen werden. Dies gilt für alle Ausführungsformen.
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3 zeigt einen Montageschritt mit einer Unterstützungsstruktur zur Herstellung eines MEMS-Moduls gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist ein Verfahrensschritt zur temporären Fixierung des Stapels von Dämpferelement und MEMS, beispielsweise beim Drahtbonden. Hierzu wird in die Streifenaufnahme eine Unterstützungsstruktur 100 integriert, die über eine Öffnung 15 im Substrat die Unterseite des Dämpfers 40 unterstützt. Im gezeigten vorteilhaften Fall greift die Unterstützungsstruktur an der Hartkomponente 41 der Dämpferstruktur an.
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4 zeigt in einem dritten Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes MEMS-Modul. Die Figur zeigt, ausgehend vom Ausführungsbeispiel der 2, eine Ausführungsform mit Verfüllung der rückseitigen Öffnung mit einer zusätzlichen elastischen Substanz, hier einem Gel 48. Diese Substanz kann sowohl als Kontaminationsschutz wie auch als zusätzliches Dämpfungselement fungieren.
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Die 5 a, b und c zeigen weitere Ausführungsbeispiele des Dämpferelements. Die Dämpferelemente 40 weisen jeweils eine Hartkomponente 41 in Form einer Platte 411 und eine daran angeordnete, im wesentlichen quaderförmige Weichkomponente 42 auf. Die Weichkomponente weist eine durchgehende Ausnehmung 421 auf, welche sich von einer der Hartkomponente abgewandten Seite bis zur Hartkomponente durch den Körper der Weichkomponente erstreckt. Die Weichkomponente 42 weist zwei erste Flanken 422 und zwei zweite Flanken 424 auf.
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5 a zeigt dabei einen Dämpfer 40 mit einer Weichkomponente 42 mit durchgehenden ersten und zweiten Flanken 422, 424.
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5 b zeigt einen Dämpfer 40 mit einer Weichkomponente 42 mit ersten Flanken 422 mit ersten Flankenausnehmungen 423 und durchgehenden zweiten Flanken 424.
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5 c zeigt einen Dämpfer 40 mit einer Weichkomponente 42 wie in 5 b, wobei die zweiten Flanken 424 zweite Flankenausnehmungen 424 aufweisen.
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Die Öffnung des elastischen Werkstoffs auf zwei oder vier Seiten, wie hier mittels erster oder auch zweiter Flankenausnehmungen, ermöglicht die gezielte Beeinflussung der Schwingungsmoden und damit der Eigenfrequenzen des Dämpfers. Alternativ kann dies auch durch unterschiedliche Wandstärken der Flanken realisiert werden. Auch durch das gezielte Hinzufügen oder Wegnehmen von Material zur Änderung der schwingenden Masse lassen sich die Eigenfrequenzen gezielt beeinflussen.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Dämpferelements, wobei die Hartkomponente und die Weichkomponente getrennt dargestellt sind. Die Hartkomponente 41, links dargestellt, weist an einer hauptsächlichen Seite einer Platte 411 eine Ausformung 412 auf, welche geeignet ist, in die durchgehende Ausnehmung 421 der Weichkomponente 42 wenigstens bereichsweise einzugreifen. Die Weichkomponente, rechts dargestellt, weist weiter erste Flanken 422 und zweite Flanken 424 auf. In den ersten Flanken 422 ist jeweils eine erste Flankenausnehmung 423 angeordnet. Die dreidimensionale Strukturierung des harten Werkstoffs, hier durch die Ausformung 412, bietet zusätzliche Möglichkeiten zur Optimierung der Schwingungsmoden. Durch die seitliche Fixierung der Weichkomponente wird die Bewegung in der Ebene (x,y) versteift, während für die z-Richtung senkrecht dazu nahezu die gesamte Höhe des weichen Werkstoffs wirksam bleibt. Das gezielte Hinzufügen oder Wegnehmen von Masse ist eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Dämpferresonanzen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Substrat
- 15
- Durchgangsöffnung im Substrat
- 20
- MEMS-Chip
- 30
- IC-Chip
- 40
- Dämpfer
- 41
- Dämpferhartkomponente
- 411
- Platte
- 412
- Ausformung
- 42
- Dämpferweichkomponente
- 421
- durchgehende Ausnehmung
- 422
- erste Flanke
- 423
- erste Flankenausnehmung
- 424
- zweite Flanke
- 425
- zweite Flankenausnehmung
- 48
- Gel
- 50
- Bonddraht
- 60
- Lotkugel
- 70
- Deckel
- 80
- Innenraum
- 100
- Unterstützungsstruktur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006002350 A1 [0003]
- DE 102006026878 A1 [0003]
- DE 102012201486 A1 [0003, 0004]
- US 2017/0089942 A1 [0004]
- US 2018/0244515 A1 [0004]
- DE 102013222307 A1 [0005]
