NL2000566C2

NL2000566C2 - Sensorelement en sensorsamenstel met omhulling.

Info

Publication number: NL2000566C2
Application number: NL2000566A
Authority: NL
Inventors: Albertus Theodorus Johannes Reijs
Original assignee: Elmos Advanced Packaging B V
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-02
Also published as: US20080236292A1; DE102008016214B4; DE202008018412U1; DE102008016214A1; US7685881B2

Description

Sensorelement en sensorsamenstel met omhulling Gebied van de uitvinding

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een sensorelement met een 5 gevoelig sensorgedeelte aan een bovenzijde van een substraatlaag. In een verder aspect heeft de onderhavige uitvinding betrekking op een sensorsamenstel voorzien van ten minste een sensorelement en een omhulling, waarbij de omhulling voorzien is van een opening voor een blootgesteld sensorgedeelte van het sensorelement, bijvoorbeeld een druksensor.

10

Stand van de techniek

Een dergelijk sensorelement en sensorsamenstel zijn bekend uit de octrooipublicatie W02007/017301. Deze publicatie toont een druksensor met een membraan waaronder een holte is gecreëerd. Nadeel van dergelijke sensorelementen en 15 sensorsamenstellen is dat deze gevoelig zijn voor allerlei spanningen van buitenaf die doorgeleid worden aan het gevoelige element in de sensor, bijvoorbeeld bij het aanbrengen en harden van de omhulling van de sensor. Deze spanningen veroorzaken fouten en afwijkingen in het meetsignaal van de sensor.

20 Samenvatting van de uitvinding

De onderhavige uitvinding tracht een sensorelement te verschaffen dat minder gevoelig is voor van buitenaf werkende spanningen en krachten.

Volgens de onderhavige uitvinding wordt een sensorelement volgens de in de aanhef gedefinieerde soort verschaft, waarbij de bovenzijde van de substraatlaag 25 voorzien is van een uitsparing aan de omtrek van het gevoelige sensorgedeelte. Door de uitsparing in het bovenoppervlak van de substraatlaag wordt het gevoelige sensorgedeelte (in ieder geval gedeeltelijk) mechanisch geïsoleerd. Hierdoor worden spanningen die op de substraatlaag worden uitgeoefend niet doorgeleid naar het gevoelige sensorgedeelte.

30 In een uitvoeringsvorm beslaat de uitsparing in totaal ten minste driekwart van de omtrek van het gevoelige sensorgedeelte aan de bovenzijde. De uitsparing kan bijvoorbeeld gevormd zijn als drie of vier rechte aansluitende groeven, of een cirkelvormige groef over meer dan 270° rond het gevoelige sensorgedeelte. Dit kan al 2 een voldoende mechanische isolatie of ontkoppeling van het gevoelige sensorgedeelte bewerkstelligen.

Het gevoelige sensorgedeelte omvat in een verdere uitvoeringsvorm een membraan, bijvoorbeeld om een druksensor te vormen van silicium materiaal. Door de 5 vlakke vorm van een dergelijk membraan is dit zeer gevoelig voor van buiten optredende spanningen (buig- en trekkrachten).

In een verdere uitvoeringsvorm is onder het membraan een holte voorzien in de substraatlaag. Indien deze holte is afgesloten door een tweede substraatlaag, wordt een hermetisch gesloten kamer gevormd, waardoor het sensorelement een absolute druk 10 kan meten. Indien de holte niet is afgesloten, kan het sensorelement een relatieve druk meten.

In een nog verdere uitvoeringsvorm is een derde substraatlaag voorzien aan de onderzijde van de tweede substraatlaag, strekt de uitsparing zich uit tot de onderzijde van de tweede substraatlaag, en is de tweede substraatlaag gehecht aan de derde 15 substraatlaag in het gebied buiten de uitsparing. Hierdoor wordt een klepelachtig lichaam gevormd met daarin het gevoelige sensorgedeelte, dat relatief vrij kan bewegen ten opzichte van de derde substraatlaag.

De uitsparing is in een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding onderbroken door ten minste één brugdeel. Dit maakt het mogelijk om elektrische 20 aansluitverbindingen tussen het gevoelige sensorgedeelte en aansluitgebieden aan te brengen op het substraatoppervlak, bijvoorbeeld in de vorm van metaalsporen.

In een verdere uitvoeringsvorm omvat het brugdeel twee (of meer) tegenover elkaar gelegen delen. Dit zorgt voor een meer stabiele constructie van de ophanging van het gevoelige sensorgedeelte. Ook is het mogelijk dat op deze manier een kracht 25 die op beide delen in tegengestelde richting wordt uitgeoefend (bijvoorbeeld door druk aan weerszijden van de sensor) wordt omgezet in een rotatie van het gevoelige sensorgedeelte, zonder dat spanningen worden doorgeleid naar het gevoelige sensorgedeelte. Om dit effect te vergroten, vormt in een verdere uitvoeringsvorm het brugdeel een hoek met de uitsparing (in het vlak van de substraatlaag).

30 In een verdere uitvoeringsvorm heeft de uitsparing een diepte in een richting loodrecht op de bovenzijde van de substraatlaag die groter is dan de dikte van het gevoelige sensorgedeelte. Dit kan bij een dun membraan bijvoorbeeld 10 μηι of zelfs 3 minder zijn. In andere gevallen kan de uitsparing zich uitstrekken in de hele substraatlaag.

In een verder aspect heeft de onderhavige uitvinding betrekking op een sensorsamenstel van de hierboven gedefinieerde soort, waarbij de omhulling verder is 5 voorzien van een uitsparing aan de omtrek van de opening. Op een soortgelijke wijze als de uitvoeringsvormen van het sensorelement zoals hierboven beschreven, zorgt deze uitsparing voor een mechanische ontkoppeling van het gevoelige sensorgedeelte, waardoor de sensor als geheel minder gevoelig is voor optredende spanningen en extern uitgeoefende krachten. In een uitvoeringsvorm beslaat de uitsparing in totaal ten 10 minste driekwart van de omtrek van de opening beslaat. De uitsparing kan wederom bijvoorbeeld gevormd zijn als drie of vier rechte aansluitende groeven, of een cirkelvormige groef over meer dan 270° rond de opening.

In een uitvoeringsvorm is het sensorelement op een drager geplaatst (‘lead frame’), en reikt de uitsparing tot aan de drager. Verder kan de uitsparing aangebracht 15 zijn aan weerszijden van de drager. Telkens wordt een verbetering van de mechanische isolatie of ontkoppeling bereikt.

In een nog verdere uitvoeringsvorm is het blootgestelde sensorgedeelte van het sensorelement afgedekt met een beschermingsmateriaal, bijvoorbeeld een gel. Een dergelijk beschermingsmateriaal hindert niet de primaire functie van het gevoelige 20 sensorgedeelte (druk meten) maar draagt wel zorg voor een afscherming en een daarmee gepaard gaande verbeterde levensduur van de sensor.

Korte beschrijving van de tekeningen

De onderhavige uitvinding zal nu in meer detail worden besproken aan de hand 25 van een aantal voorbeelduitvoeringsvormen, met verwijzing naar de bijgevoegde tekeningen, waarin

Fig. 1 een doorsneeaanzicht toont in perspectief van een sensorelement volgens de stand van de techniek;

Fig. 2 een doorsneeaanzicht toont in perspectief van een sensorelement volgens 30 een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding;

Fig. 3 een gedeeltelijk doorsneeaanzicht toont in perspectief van een sensorelement volgens een verdere uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding;

Fig. 4 een uiteengelegd aanzicht toont van het sensorelement van Fig. 3; 4

Fig. 5 een bovenaanzicht met een gedeeltelijke doorsnijding toont in perspectief van een verdere uitvoeringsvorm van het sensorelement volgens de onderhavige uitvinding;

Fig. 6 een bovenaanzicht met een gedeeltelijke doorsnijding toont in perspectief 5 van een alternatief van de uitvoeringsvorm van Fig. 5;

Fig. 7 een doorsneeaanzicht toont in perspectief van een sensorsamenstel volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding; en

Fig. 8 een doorsneeaanzicht toont in perspectief van een verdere uitvoeringsvorm van het sensorsamenstel van Fig. 7.

10

Gedetailleerde beschrijving van voorbeelduitvoeringsvormen

In Fig. 1 is een doorsneeaanzicht in perspectief getoond van een (halfgeleider) sensorelement 1 dat vervaardigd is volgens bekende technieken. Het sensorelement 1 is gemaakt in een eerste (actieve) substraatlaag 11, bijvoorbeeld van 15 halfgeleidermateriaal, waarbij op de bovenzijde van de eerste substraatlaag 11 geleidende banen 4 zijn aangebracht, die een gevoelig sensorgedeelte 2 elektrisch verbinden met aansluitgebieden 5. Op de aansluitgebieden 5 worden bij het vervaardigen van een complete chip aansluitdraden gedraadhecht, gelast of gesoldeerd. In de getoonde uitvoeringsvorm is het gevoelige sensorgedeelte 2 een membraan boven 20 een holte of kamer 3. Het membraan 2 is bijvoorbeeld voorzien van een aantal rekstroken in een wheatstone-brugconfiguratie, waardoor een druksensor wordt gevormd. In de getoonde uitvoeringsvorm is de holte 3 afgesloten door een tweede substraatlaag 12, die hermetisch verbonden is met de eerste substraatlaag 11. Hiermee wordt het sensorelement 1 geschikt voor een absolute drukmeting. Indien de tweede 25 substraatlaag 12 niet aanwezig is, wordt een relatieve druksensor 1 verkregen.

Door talloze invloeden van buitenaf wordt op het gevoelige gedeelte 2 van het sensorelement 1 krachten uitgeoefend, die nadelig zijn voor een betrouwbare en correcte werking (stabiliteit, nauwkeurigheid). Te denken valt aan spanningen die in het materiaal van de eerste substraatlaag 11 ontstaan door bijvoorbeeld de drager waarop 30 de sensorchip is aangebracht (‘lead frame’), lijmmaterialen, de omhulling van de chip en de vervaardiging daarvan (spanningen door krimpen of juist uitzetting). De spanningen kunnen veroorzaakt worden door krachten, maar ook door buiging of torsie.

5

Deze problemen worden opgelost met een sensorelement volgens een van de uitvoeringsvormen volgens de onderhavige uitvinding. Een eerste uitvoeringsvorm is weergegeven in het gedeeltelijk doorsneeaanzicht in perspectief van Fig. 2. De opbouw van het sensorelement 1 is grotendeels hetzelfde als het sensorelement dat getoond is in 5 Fig. 1, waarbij als extra maatregel een uitsparing 6 is aangebracht aan de omtrek van het gevoelige sensorgedeelte 2. In de getoonde uitvoeringsvorm is de uitsparing 6 een groef met een diepte d (bij voorbeeld enkele micrometers) die in de bovenzijde van de eerste substraatlaag 11 is aangebracht, bijvoorbeeld met een etstechniek of een andere materiaalverwijderingstechniek zoals frezen. De uitsparing 6 is op één locatie 10 onderbroken door een brugdeel 9, wat het mogelijk maakt om de geleidende banen 4 van het gevoelige sensorgedeelte 2 naar de aansluitgebieden 5 te laten lopen. Door de uitsparing 6 zal een bovenste laag van de eerste substraatlaag 11 ter plaatse van het gevoelige sensorgedeelte 2 grotendeels mechanisch geïsoleerd worden van de rest van de eerste substraatlaag 11. Spanningen (krachten, buigingen, torsies) op andere delen 15 van het sensorelement 1 zullen (vrijwel) niet doorgegeven worden aan het gevoelige sensorgedeelte 2.

De uitsparing 6 is aangebracht rond het merendeel van de omtrek van het gevoelige sensorgedeelte 2, bijvoorbeeld in totaal meer dan driekwart van de omtrek. De vorm van de uitsparing 6 is getoond als een combinatie van langgerekte groeven, 20 maar het zal duidelijk zijn dat andere vormen (meerhoek, cirkel, ovaal) ook eenzelfde effect teweeg zullen brengen.

De diepte d van de uitsparing 6 (die ook aangebracht kan zijn als groef, gleuf, inkeping, uitholling, spleet en dergelijke) kan aangepast worden aan de specifieke toepassing van het sensorelement 1. Een betere mechanische ontkoppeling kan worden 25 verkregen wanneer de uitsparing een grotere diepte d heeft, bijvoorbeeld over de gehele dikte van de eerste substraatlaag 11.

Een verdere uitvoeringsvorm is weergegeven in het gedeeltelijke doorsneeaanzicht in perspectief van Fig. 3 en het uitgelegde doorsneeaanzicht in perspectief van Fig. 4. In dit sensorelement 1 is een derde substraatlaag 13 verschaft, 30 die dient als basis voor het sensorelement 1. Dit maakt het mogelijk om de uitsparing 6 in de eerste substraatlaag 11 door te trekken als een tweede uitsparing 7 in de tweede substraatlaag 12. Hierdoor wordt een afsluitlaag 8 gevormd die de holte 3 onder het gevoelige sensorgedeelte 2 hermetisch afsluit (bijvoorbeeld voor een absolute 6 druksensor 1). De tweede substraatlaag 12 wordt gehecht aan de derde substraatlaag 13 (hermetische verbindingslaag 15), met uitzondering van de afsluitlaag 8 (losse vlakken 16). Hierdoor wordt een soort klepel gevormd, begrensd door de uitsparing 6 en tweede uitsparing 7, die vrij kan bewegen over het oppervlak 16 van de derde substraatlaag 13 5 (uiteraard op de plaats gehouden door het brugdeel 9). Dit heeft het voordeel dat allerlei externe krachten, buigingen of torsies in het samenstel van eerste, tweede en derde substraatlaag 11-13 uitermate effectief geïsoleerd worden van het gevoelige sensorgedeelte 2. Het losse vlak 16 van de ‘klepel’ kan aanliggen op het oppervlak van de derde substraatlaag 13, of net vrij liggen. Het oppervlak vormt in het laatste geval 10 dan een eindaanslag voor het losse vlak 16, waardoor enige beweging van de klepel mogelijk is.

In Fig. 5 wordt een bovenaanzicht met gedeeltelijke doorsnede van een alternatieve uitvoeringsvorm getoond, waarbij de uitsparing 6 op twee plaatsen wordt onderbroken door een brugdeel 9, 9a. De brugdelen 9, 9a zijn diametraal ten opzichte 15 van het sensorgedeelte 2 geplaatst. Als effect geeft dit een meer stabielere constructie van het sensorelement 1, en het is ook mogelijk om meer oppervlakte te gebruiken voor geleiderbanen 4. Tevens wordt, indien een klepelconstructie is gebruikt zoals besproken met verwijzing naar Fig. 3 en 4, een op de halfgeleiderlagen 11-13 uitgeoefende kracht ten dele omgezet in een rotatiebeweging, zonder doorleiden van de 20 spanning naar het gevoelige sensorgedeelte 2.

In Fig. 6 wordt een bovenaanzicht in perspectief van een nog verder alternatief getoond, waarbij de brugdelen 9, 9a onder een hoek staan met de als langgerekte sleuven uitgevoerde uitsparing 6. Dit heeft als effect dat een spanning die wordt uitgeoefend op twee zijden van het sensorelement 1 (aangegeven met de pijlen bij de 25 brugdelen 9, 9a) een rotatie van het gevoelige sensorgedeelte 2 (de klepel) veroorzaakt, maar geen spanning in het gevoelige sensorgedeelte 2.

Volgens de onderhavige uitvinding is het ook mogelijk om met gebruikmaken van een of meer uitsparingen 22, 24 in een omhulling 21 van een sensorsamenstel spanningen in een gevoelig sensorgedeelte 2 van een sensorelement 1 te verminderen. 30 Een eerste uitvoeringsvorm hiervan is getoond in het doorsneeaanzicht in perspectief in Fig. 7. Een sensorelement 1, in dit geval opgebouwd uit een eerste en tweede substraatlaag 11, 12, en voorzien van een gevoelig sensorgedeelte 2 boven een afgesloten holte 3, is geplaatst op een drager 20 (bijvoorbeeld een aansluitdrager of 7 ‘lead frame’). Dit samenstel wordt op een op zich bekende wijze omgeven door een omhulling 21 ter bescherming van de chip met sensorelement 1. Voor goede werking van het sensorelement 1 is in de omhulling 21 een opening 23 vrijgehouden, woordoor het gevoelige gedeelte 2 van het sensorelement 1 is blootgesteld aan de omgeving.

5 Door een uitsparing 22 in de omhulling 21 wordt bereikt dat extern aangebrachte krachten (door buigen, torderen, enz.) minder worden doorgegeven naar het sensorelement 1 zelf, in het bijzonder naar het gevoelige sensorgedeelte 2. Om het effect te verbeteren kunnen, zoals weergegeven in de uitvoeringsvorm van Fig. 7, ook aan de onderzijde van de omhulling 21 groeven of uitsparingen 24 worden aangebracht. 10 In Fig. 8 wordt een doorsneeaanzicht in perspectief van een verdere uitvoeringsvorm getoond, waarbij de uitsparingen 22, 24 dieper zijn, en zich uitstrekken tot aan de drager 20. Het effect van ontkoppelen van het gevoelige sensorgedeelte 2 van externe krachten wordt hierdoor effectiever. Verder is in deze uitvoeringsvorm de uitsparing 22 aan de bovenzijde van de omhulling 21 slechts over 15 een deel van de omtrek rond de opening 23 uitgevoerd. Dit heeft met name voordeel als vooraf mogelijke externe invloeden bekend zijn (die bijvoorbeeld altijd in één richting optreden), of als bijvoorbeeld twee naast elkaar geplaatste sensors 1 in dezelfde omhulling 21 worden geplaatst.

Het zal duidelijk zijn dat het sensorelement 1 dat wordt toegepast in het 20 sensorsamenstel volgens deze uitvoeringsvormen al dan niet voorzien kan zijn van een uitsparing 6, zoals hierboven beschreven.

Verder is in de uitvoeringsvorm van Fig. 8 aangegeven dat de opening 23 gevuld is met een beschermingsmateriaal 25, bijvoorbeeld een gel of een gaaswerk. Hierdoor wordt het gevoelige sensorgedeelte 2 beschermd tegen externe invloeden, terwijl goed 25 functioneren (bijvoorbeeld als druksensor) niet wordt beïnvloed. De gel 25 kan ook worden aangebracht in de uitsparingen 22, 24 zodat deze niet kunnen verstoppen met vuil of iets dergelijks, en de spanningsontkoppelingsfunctie gedurende een langere tijd gehandhaafd blijft.

Voor de deskundige zal duidelijk zijn dat modificaties en wijzigingen in de 30 getoonde uitvoeringsvormen mogelijk zijn en binnen de beschermingsomvang van deze uitvinding vallen, die gedefinieerd wordt door de bijgevoegde conclusies. Zo kan bijvoorbeeld de weergegeven rechthoekige vorm van de uitsparingen 6, 22, 24 zonder verlies van effect gewijzigd worden in een veelhoekvorm, cirkelvorm, ovaalvorm, enz.

Claims

1. Sensorelement met een gevoelig sensorgedeelte (2) aan een bovenzijde van een 5 substraatlaag (11), waarbij de bovenzijde van de substraatlaag (11) voorzien is van een uitsparing (6) aan de omtrek van het gevoelige sensorgedeelte (2).

2. Sensorelement volgens conclusie 1, waarbij de uitsparing (6) in totaal ten minste driekwart van de omtrek van het gevoelige sensorgedeelte (2) aan de bovenzijde 10 beslaat.

3. Sensorelement volgens conclusie 1 of 2, waarbij het gevoelige sensorgedeelte (2) een membraan omvat.

4. Sensorelement volgens conclusie 3, waarbij onder het membraan (2) een holte (3) is voorzien in de substraatlaag (11).

5. Sensorelement volgens conclusie 4, waarbij de holte (3) is afgesloten door een tweede substraatlaag (12). 20

6. Sensorelement volgens een van de conclusies 1-5, waarbij een derde substraatlaag (13) is voorzien aan de onderzijde van de tweede substraatlaag (12), de uitsparing (6, 7) zich uitstrekt tot de onderzijde van de tweede substraatlaag (12), en de tweede substraatlaag (12) gehecht is aan de derde substraatlaag (13) in het gebied 25 buiten de uitsparing (6, 7).

7. Sensorelement volgens een van de conclusies 1-6, waarbij de uitsparing (6) onderbroken is door ten minste één brugdeel (9).

8. Sensorelement volgens conclusie 7, waarbij het bmgdeel (9) twee tegenover elkaar gelegen delen (9, 9a) omvat.

9. Sensorelement volgens conclusie 7 of 8, waarbij het brugdeel (9, 9a) een hoek vormt met de uitsparing (6).

10. Sensorelement volgens een van de conclusies 1-9, waarbij de uitsparing (6) een 5 diepte heeft in een richting loodrecht op de bovenzijde van de substraatlaag (11) die groter is dan de dikte van het gevoelige sensorgedeelte (2).

11. Sensorsamenstel voorzien van ten minste een sensorelement (1) en een omhulling (21), waarbij de omhulling (21) voorzien is van een opening (23) voor een blootgesteld 10 sensorgedeelte (2) van het sensorelement (1), waarbij de omhulling (21) verder is voorzien van een uitsparing (22) aan de omtrek van de opening (23).

12. Sensorsamenstel volgens conclusie 11, waarbij de uitsparing (22) in totaal ten minste driekwart van de omtrek van de opening (23) beslaat. 15

13. Sensorsamenstel volgens conclusie 11 of 12, waarbij het sensorelement (1) op een drager (20) geplaatst is, en de uitsparing (22) reikt tot aan de drager (20).

14. Sensorsamenstel volgens een van de conclusies 11-13, waarbij de uitsparing (22, 20 24) is aangebracht aan weerszijden van de drager (20).

15. Sensorsamenstel volgens een van de conclusies 11-14, waarbij het blootgestelde sensorgedeelte (2) van het sensorelement (1) is afgedekt met een beschermingsmateriaal (25). 25