DE19840829A1 - Verfahren zum Befestigen eines mikromechanischen Sensors in einem Gehäuse und Sensoranordnung - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Befestigen eines mikromechanischen Halbleiter-Sensors (12) in einem Gehäuse (11) und einer Sensoranordnung (1) wird der mikromechanische Sensor (12) am Gehäuse (11) von einem Gel (13) gehalten. Dadurch entsteht eine besonders günstige Entkopplung zwischen dem mikromechanischen Sensor (12) und dem Gehäuse (11).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen eines mi­ kromechanischen Halbleitersensors in einem Gehäuse sowie eine Sensoranordnung mit einem in einer Ausnehmung eines Gehäuses angeordneten mikromechanischen Sensor.

Aus der Patentschrift EP 0 548 470 B1 ist eine Sensoranord­ nung mit einem mikromechanischen Drucksensor bekannt. Der Drucksensor wird durch eine aus mehreren Schichten aufgebau­ te, korrosionssichere Abdeckung geschützt. Als erste Schicht der Abdeckung und als Druckmittlermedium dient ein Silicon­ gel.

Die Patentschrift EP 0 400 074 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Drucksensoranordnung, bei der ein Innenraum um ein Drucksensorelement herum mit einem Druckübertragungs­ material zumindest teilweise ausgefüllt und durch ein flexi­ bles, vergießbares Membranmaterial verschlossen ist.

Aus der Patentschrift EP 0 568 7813 B1 ist eine Drucksensoran­ ordnung mit einer Aufnahme bekannt, die eine erste Vertiefung und eine zweite Vertiefung umfaßt. Ein Halbleiterchip ist auf einem Glassubstrat in der ersten Vertiefung angeordnet. So­ wohl die erste Vertiefung als auch die zweite Vertiefung ist mit gelatinösem Material versehen. Die zweite Vertiefung dient als Arbeitsbereich, von dem ein Überschuß an gelatinö­ sem Material aus der ersten Vertiefung entfernt werden kann.

Mikromechanische Halbleitersensoren reagieren empfindlich auf mechanische oder thermische Spannungen im Siliziumchip. Bei den bekannten mikromechanischen Sensoren ist der ungehäuste Sensorchip auf eine Oberfläche geklebt. Dadurch treten Wech­ selwirkungen mit der Unterlage auf. Die Unterlage dehnt sich anders als der Chip, der Kleber quillt durch Feuchtigkeit, die mechanische Einspannung des ganzen Gehäuses übt Spannun­ gen auf den Chip aus und der Kleber folgt Temperaturänderun­ gen durch plastische Verformung. Außerdem schrumpft ein Kunststoffgehäuse nach dem Spritzen.

Um die Wechselwirkungen zwischen dem Sensorchip und seiner Unterlage zu verringern, wird der Sensorchip häufig auf einen Keramikträger, ein anderes Siliziumteil oder Pyrex-Glas ge­ klebt, anodisch gebondet oder mit Glaslot aufgelötet. Ein solcher Träger wird dann in das Kunststoffgehäuse geklebt, so daß zwei qualitätsrelevante Verbindungsstellen entstehen. Beide Verbindungsstellen haben auf die Kennlinie des Sensors Auswirkungen. Bereits winzige Luftblasen im Kleber führen zu Qualitätsproblemen.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Befestigen eines mikromechanischen Halbleitersensors in einem Gehäuse und eine Sensoranordnung bereit zustellen, die eine besonders gute Entkopplung eines Halbleitersensors von seiner Unterlage ermöglichen.

Dieses Ziel wird mit einem Verfahren und einer Sensoranord­ nung erreicht, wie sie in den unabhängigen Patentansprüchen definiert sind. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Verzicht auf eine im wesentlichen starre Verbindung zwi­ schen dem Halbleitersensor und seiner Auflagefläche bewirkt eine Entkopplung vom Gehäuse. Der Halbleitersensor wird im wesentlichen durch ein Gel gehalten, das gleichzeitig den Sensor vor Umwelteinflüssen schützt. Hierzu eignet sich be­ sonders ein fluoriertes Silikongel, das sich sehr stabil ge­ genüber chemischen Einflüssen verhält. Die viskosen oder wei­ chen, elastischen Eigenschaften des fluorierten Silikongels verhindern eine Wechselwirkung zwischen dem Halbleitersensor und dem Gehäuse und somit einen Einfluß auf die Sensorkennli­ nie. Die elektrische Verbindung zwischen dem Halbleitersensor und einem elektrischen Kontakt am Gehäuse kann einen zusätz­ lichen Halt bewirken.

Auf das Anbringen eines Trägers am Halbleitersensor und eine Klebung im Gehäuse kann verzichtet werden. Dadurch verein­ facht und verbilligt sich die Herstellung einer erfindungsge­ mäßen Sensoranordnung. Auch ist eine Membran zum Schutz des Halbleitersensors nicht notwendig.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Sensoranordnung neben der Ausnehmung zusätzlich einen Kanal auf, der zur Auflagefläche des mikromechanischen Sensors ge­ führt ist, so daß ein Umgebungsdruck auf beide flächigen Sei­ ten des mikromechanischen Sensors wirkt. Dadurch wird selbst bei einem niedrigen Umgebungsdruck verhindert, daß der mikro­ mechanische Sensor durch eine Druckdifferenz von seiner Un­ terlage abgehoben wird, in der er alleine vom Gel oder zumin­ dest im wesentlichen vom Gel gehalten wird. Ein Beschädigung von elektrischen Verbindungen mit dem mikromechanischen Sen­ sor wird somit verhindert.

Geeignete Anwendungsgebiete der Erfindung sind beispielsweise Beschleunigungs-, Drehraten- und chemische Sensoren zur Er­ mittlung der Zusammensetzung von Gasgemischen. Ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind mikromechani­ sche Drucksensoren, wie sie insbesondere in der Kraftfahr­ zeugtechnik Verwendung finden. Solche Drucksensoren sind üb­ licherweise in Oberflächen- oder BULK-Mikromechanik gefer­ tigt.

Vorzugsweise wird der Halbleitersensor für die Herstellung der elektrischen Verbindung fixiert, indem an seiner Auflage­ fläche ein Unterdruck oder eine Luftströmung erzeugt wird.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungs­ beispielen der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Sensoranordnung,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Gehäuse auf das eine Saug­ vorrichtung gesetzt ist, und

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Anordnung von Fig. 2.

In Fig. 1 ist eine Sensoranordnung 1 zur Messung eines Abso­ lutdrucks mit einem Gehäuse 11 und einer darin gebildeten Ausnehmung 111 veranschaulicht. In der Ausnehmung 111 ist ei­ ne Auflagefläche 112 für einen mikromechanischen Halbleiter- Drucksensor 12 und ein umlaufender Spalt 113 zwischen der die Ausnehmung 111 begrenzenden Wand und dem mikromechanischen Sensor 12 angeordnet. Die Ausnehmung ist im wesentlichen vollständig von einer gelatinösen Masse oder Gel 13, und ge­ nauer einem fluorierten Silikongel ausgefüllt.

Der mikromechanische Sensor 12 ist eine Siliziumscheibe, die mit Oberflächen-Mikromechanik behandelt wurde. In dem mikro­ mechanischen Sensor 12 befindet sich eine Druckkammer, in der ein Referenzdruck herrscht. Ferner ist in dem mikromechani­ schen Sensor eine Auswerteschaltung integriert, die die Ein­ wirkung einer Umweltgröße, also in diesem Ausführungsbeispiel eine durch Druck verursachte Auslenkung der Oberfläche des mikromechanischen Sensors auswertet.

Das Ergebnis der Auswertung wird über eine elektrische Ver­ bindung 14, einem Bonddraht, an einen elektrischen Kontakt 15 übertragen. Der elektrische Kontakt 15 steht in Verbindung mit einem Steckverbinder, über den die Meßergebnisse an eine Steuereinheit eines Kraftfahrzeugs übermittelt werden. Der Bonddraht übernimmt keinerlei Haltefunktionen für den mikro­ mechanischen Sensor 12. Dieser wird alleine durch das Gel 13 in seiner Position gehalten, so daß keine Kräfte auf die elektrische Verbindung 14 wirken.

Der Spalt 113 zwischen der Wand der Ausnehmung und dem mikro­ mechanischen Sensor 12 ist so bemessen, daß das Gel 13 beim Einfüllen in die Ausnehmung 111 die Kapillarkräfte im Spalt 113 überwinden kann. Der Spalt darf nicht zu schmal sein, da­ mit keine ungewollte Wechselwirkung zwischen den mikromecha­ nischen Sensor 12 und dem Gehäuse 11 auftreten kann. Der Spalt darf allerdings nicht zu breit sein, da andernfalls das Gel 13 nicht mehr in der Lage wäre, den mikromechanischen Senor 12 ausreichend zu halten. Ein Vibrieren des mikromecha­ nischen Sensors könnte zu einer Beschädigung der elektrischen Verbindung 14, insbesondere zu einem Bruch von Bonddrähten, führen.

Eine geeignete Breite für den Spalt 113 liegt etwa zwischen 0,05 Millimeter bis 1 Millimeter. Für einen mikromechanischen Sensor mit einem Durchmesser von etwa 5 Millimetern ist eine Spaltbreite von 0,1 Millimeter bis 0,3 Millimeter besonders vorteilhaft.

Die Auflagefläche 112 kann aufgerauht oder mit einer dünnen Gummierung versehen sein, um ein Wegrutschen des mikromecha­ nischen Sensors beim Anbringen einer oder mehrerer elektri­ scher Verbindungen 14 zu verhindern.

Um beim Einsetzen des mikromechanischen Sensors 12 ein Zen­ trieren in der Ausnehmung 111 zu erleichtern, kann der umlau­ fende Spalt 113 von sehr schmalen, in Richtung des eingesetz­ ten mikromechanischen Sensors 12 zeigenden Nasen unterbrochen sein. Um besonders kräftige Stöße auffangen zu können, kann der mikromechanische Sensor 12 zusätzlich in der Ausnehmung 111 eingeschnappt sein. Jedoch sind solche Maßnahmen bei üb­ lichen, in Kraftfahrzeugen auftretenden Vibrationsbelastungen nicht notwendig.

Die Auflagefläche 112 wird in einem zentralen Bereich von ei­ nem Kanal 114 unterbrochen. Der Kanal 114 ist vom mikromecha­ nischen Sensor 12 zu einer Öffnung 115 geführt, die sich auf derselben Seite des Gehäuses 111 befindet, wie die Ausnehmung 111.

Obgleich das Gehäuse 11 einfacher zu fertigen ist, wenn der Kanal 114 von der Ausnehmung 111 auf die der Ausnehmung ge­ genüberliegende Oberfläche des Gehäuses 11 geführt ist, ist es für die Herstellung der Sensoranordnung günstiger, wenn die Öffnung 115 des Kanals 114 auf der Seite des Gehäuses 11 angeordnet ist, von der der mikromechanische Sensor 12 in das Gehäuse einsetzbar ist. In letzterem Fall können alle Ferti­ gungsprozesse bei der Herstellung der Sensoranordnung 1 von einer einzigen Seite her erfolgen.

Zur Herstellung des Kanals wird ein Vorumspritzling herge­ stellt, indem Steckkontakte, die die Sensoranordnung 1 mit einem externen Anschluß verbinden sollen, zusammen mit einem Röhrchen, das später parallel zur Auflagefläche 112 im Gehäu­ se 11 angeordnet sein soll, mit Kunststoff umspritzt werden. Anschließend wird der Vorumspritzling in eine Spritzgießwerk­ zeug eingesetzt, um das Gehäuse 11 aus Kunststoff herzustel­ len. Dabei werden durch zwei Schieber jeweils die Ausnehmung 111 und die Öffnung 115 hergestellt. Die beiden Schieber ver­ schließen während des Spritzgießvorgangs das Röhrchen, so daß nach Ende des Fertigungsvorgangs ein durchgehender Kanal von der Auflagefläche 112 bis zur Öffnung 115 entstanden ist.

Der Kanal 114 sorgt dafür, daß der mikromechanische Sensor 12 an seinen beiden flächigen Seiten im wesentlichen denselben Druckverhältnissen ausgesetzt ist. Die von dem Gel 13 aufzu­ bringenden Haltekräfte brauchen daher nur relativ gering zu sein.

Über den Kanal 114 kann der mikromechanische Sensor 12 wäh­ rend der Herstellung elektrischer Verbindungen 14, üblicher­ weise Bondverbindungen, durch Herstellung eines Unterdrucks oder eines Vakuums fixiert werden. Ein Verrutschen des mikro­ mechanischen Sensors 12 während des Saugvorgangs kann durch die bereits beschriebene Gummierung oder durch eine Auflage­ fläche 112 mit hohem Reibkoeffizienten unterbunden werden. Alternativ kann die Auflagefläche 112 einen sehr schmalen, umlaufenden Steg aufweisen, auf dem der mikromechanische Sen­ sor 12 aufliegt und der die in die Auflagefläche 112 mündende Öffnung des Kanals 114 umgibt. Beim Saugvorgang wird der Sen­ sor 12 gegen den Steg gedrückt, so daß sich dieser verformt. Dadurch wird eine optimale Abdichtung des Sensors 12 gegen­ über dem Kanal 14 erreicht und ein seitliches Belegen des Sensors während des Saugens zuverlässig vermieden.

Der Kanal 114 übernimmt daher sowohl die Funktion eines Druckausgleichskanals als auch die Funktion eines Saugkanals.

Nach Herstellung der elektrischen Verbindungen 14 wird die Ausnehmung 111 mit Gel 13 gefüllt, das den mikromechanischen Sensor 12 endgültig in seiner Lage fixiert und vor Umweltein­ flüssen schützt. Der Saugvorgang zum Fixieren des mikromecha­ nischen Sensors 12 kann zum Einfüllen des Gels 13 fortgesetzt werden, um ein Eindringen in den Spalt 113 zu unterstützen. Ferner kann durch das Saugen Gel zwischen die Auflagefläche 112 und den mikromechanischen Sensor 12 gezogen werden. In diesem Fall ist der mikromechanische Sensor 12 vollständig vom Gehäuse 11 entkoppelt. Um das Ansaugen des Gels zu unter­ stützen, können Nute in der Auflagefläche 112 vorgesehen sein, die vom Spalt 113 zum Kanal 114 führen.

Fig. 2 veranschaulicht die Herstellung einer Sensoranordnung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Der Kanal 114 ist als eine Nut ausgebildet, die sich von au­ ßerhalb der Ausnehmung 111 in letztere hineinerstreckt und diese vertieft. Der Kanal 114 ist von der Oberfläche des Ge­ häuses 114 her zugänglich. Der Kanal 114 erstreckt sich wenig­ stens bis zu einem zentralen Bereich der Auflagefläche 112.

Eine Saugvorrichtung 2 weist Dichtlippen 21 zum Abdecken und Abdichten der Öffnung 115 des Kanals 114 auf. Eine Dichtlippe 21 deckt den Bereich des Kanals 114 ab, der sich außerhalb der Ausnehmung 111 befindet. Die Dichtlippe 21 kann in die Ausnehmung 111 hineinragen und dabei den Spalt 113 überdec­ ken. Beim Betätigen der Saugvorrichtung wird der mikromecha­ nische Sensor an die Kante der Dichtlippe 21 gezogen und so­ mit in der optimalen Position ausgerichtet. Wird die Saugvor­ richtung vor dem Einsetzen des mikromechanischen Sensors 12 an das Gehäuse 11 gesetzt, so kann sie das Zentrieren des mi­ kromechanischen Sensors 12 in der Ausnehmung 111 unterstüt­ zen.

Der Teil der Dichtlippe 21, der dem mikromechanischen Sensor 12 zugewandt ist, ist vollständig im Kanal 114 versenkt. Da­ her können problemlos elektrische Verbindungen 14 zwischen dem mikromechanischen Sensor 12 und elektrischen Kontakten 15 gebondet werden, obwohl die Dichtlippe 21 in einem Bondschat­ ten 3 liegt, also einen Bewegungsbereich einer Bondvorrich­ tung.

Fig. 3 verdeutlicht die Abdeckung des Kanals 114 durch die Dichtlippe 21 der Saugvorrichtung 2. Die gestrichelte Linie deutet den Verlauf des Kanals in der Auflagefläche 112 für den mikromechanischen Sensor 12 an.

Claims (14)

1. Verfahren zum Befestigen eines mikromechanischen Halblei­ ter-Sensors (12) in einem Gehäuse (11), mit den Schritten:

• - der mikromechanische Sensor (12) wird auf eine Auflageflä­ che (112) in einer Ausnehmung (111) des Gehäuses (11) ge­ setzt,
• - eine elektrische Verbindung (14) zwischen dem mikromechani­ schen Sensor (12) und einem elektrischen Kontakt (15) am Gehäuse (11) wird hergestellt,
• - Gel (13) wird als Befestigungsmittel zum Befestigen des mi­ kromechanischen Sensors (12) am Gehäuse (11) in die Ausneh­ mung (111) gefüllt, so daß der mikromechanische Sensor (12) von Gel (13) bedeckt und gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mikromechanische Sensor (12) während der Herstellung der elektrischen Verbindung (14) zum Gehäuse (11) über einen Ka­ nal (114) durch Erzeugung eines Unterdrucks fixiert wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Gel (13) über einen Kanal (114) angesaugt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Gel (13) über einen Kanal (114) derart angesaugt wird, daß eine Gelschicht zwischen dem mikromecha­ nischen Sensor (12) und der Auflagefläche (112) gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Saugvorrichtung (2) auf der Seite des Gehäuses (11) angesetzt wird, in der die Ausnehmung (111) eingebracht ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kanal (114) eine Nut des Gehäuses (11) ist und beim Saugen durch eine Saugvorrichtung (2) abgedeckt wird.

7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich eine Dichtlippe (21) der Saugvorrich­ tung (2) im Bewegungsbereich einer Bondvorrichtung befindet, die elektrische Verbindungen (14) an den mikromechanischen Sensor (12) bondet, und daß die Dichtlippe (21) wenigstens teilweise im Gehäuse (11) versenkt ist.

8. Sensoranordnung mit einem Gehäuse und einem in einer Aus­ nehmung (111) des Gehäuses (11) angeordneten mikromechani­ schen Sensor (12), der von Gel bedeckt ist und auf den über die Ausnehmung (111) und über einen Kanal (114) auf beiden flächigen Seiten des Sensors ein Druck eines Umgebungsmediums einwirkt.

9. Sensoranordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der mikromechanische Sensor (12) aus­ schließlich von dem Gel (13) fixiert ist.

10. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden, auf eine Sensoranordnung gerichteten Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der mikromechanische Sensor (12) auf einer Auflage­ fläche (112) angeordnet ist, und daß ein Kanal (114) von au­ ßerhalb der Ausnehmung so in die Auflagefläche (112) geführt ist, daß der Kanal (114) wenigstens teilweise von dem mikro­ mechanischen Sensor (12) abgedeckt ist.

11. Sensoranordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (114) eine Nut des Gehäuses (11) ist.

12. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden, auf eine Sensoranordnung gerichteten Ansprüchen, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Öffnung (115) des Kanals (114) auf derselben Seite des Gehäuses (11) wie die Ausnehmung (111) angeordnet ist.

13. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden, auf eine Sensoranordnung gerichteten Ansprüchen, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gel (13) ein fluoriertes Silikon-Gel ist.

14. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden, auf eine Sensoranordnung gerichteten Ansprüchen, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausnehmung (111) zwischen dem mikromechanischen Sensor (12) und der Wand der Ausnehmung (111) einen Spalt (113) mit einer Breite zwischen 0,05 mm und 1 mm aufweist.