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In
der Consumer-Elektronik werden berührungsempfindliche Bildschirme
in PDAs und Smartphones verwendet, sowie berührungsempfindliche Flächen als
Ersatz für
die Maus in Laptops. Eine Möglichkeit,
derartige Anwendungen zu realisieren besteht in der Verwendung von
Drahtgittern, welche in die Oberfläche eingebracht werden und
die es erlaubt durch das Schließen
eines elektrischen Kontaktes bei Berührung die Koordinate des Stiftes
bzw. Fingers auszulesen. Eine derartige Anordnung erlaubt jedoch
nicht, die jeweils aufgewendete Anpresskraft zu erfassen.
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Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, die Oberfläche
als starre Platte auszuführen,
welche in den Ecken auf kraftempfindliche Elemente gelagert ist.
Diese können
durch Drucksensoren realisiert werden. Durch das Verhältnis der
Kräfte
(Hebelgesetz) kann auf die Position des Stiftes bzw. Fingers geschlossen
werden. Die Summe der Kräfte
ergibt die Anpresskraft, welche z.B. als Strichstärke betrachtet
werden kann. Eine derartige Anordnung kann ebenfalls zur Verbesserung
der Handschriftenerkennung verwendet werden.
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Ein
Problem ist hierbei die Robustheit des Kraftsensors. Bei den typischen
Anwendungen von Touchpads oder anderen Bedienelementen treten Kräfte bis
ca. 5 N auf, welche mit ca. 1 % Genauigkeit bestimmt werden müssen, der
Sensor muss aber bis ca. 50 N überlastsicher
gegen Bruch o.ä.
sein.
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Eine
Möglichkeit
der Kraftübertragung
vom Touchpad oder dem direkt mit dem Finger zu bedienenden Bedienelement
auf die Membran eines Druck- oder Kraftsensors besteht darin, dass
eine kleine Stahlkugel verwendet wird, welche durch eine geeignete
Aufbautechnik in der Mitte auf der Membran lose gehalten wird. Nachteilig
wirkt sich bei einem derartigen Aufbau jedoch die relativ ungenaue
Zentrierung der losen Kugel auf die Messgenauigkeit aus.
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Vorteile der
Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird ein mikromechanischer Druck-/Kraftwandler
beschrieben, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Dabei ist zur
Herstellung des Kraftwandlers vorgesehen, wenigstens einen Piezowiderstand
in ein massives Halbleitersubstrat einzubringen. Dabei ist vorgesehen,
dass das Halbleitersubstrat wenigstens im Bereich der Piezowiderstände und
in der späteren
Nutzung frei von Kavernen, Gräben
oder sonstigen nachträglich
eingebrachten Strukturen ist und somit eine hohe Stabilität gegenüber Verformungen
aufweist. Statt den Piezowiderstand in die Oberfläche des
Halbleitersubstrats einzubringen, kann auch eine Abscheidung eines
entsprechenden Dehnungsmessstreifens auf der Oberfläche des
Halbleitersubstrats vorgesehen sein. Anschließend wird im Bereich des Piezowiderstands
ein Körper
auf das Halbleitersubstrat aufgebracht. Durch eine Krafteinwirkung
auf den Körper
soll im folgenden durch den wenigstens einen Piezowiderstand ein
elektrisches Signal erzeugt werden, welches die Stärke der
Krafteinwirkung repräsentiert.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
die Kugel mittels einer speziellen Haftschicht fest mit dem Halbleitersubstrat
zu verbinden. Durch eine derartige feste und starre Verbindung lässt sich
besonders einfach eine hohe Genauigkeit des Druck-/Kraftwandlers
erreichen.
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Darüber hinaus
kann die Empfindlichkeit, mit der die Stärke der Krafteinwirkung erfasst
werden kann, durch die Vorgabe der relativen räumlichen Positionierung des
Körpers
bezüglich
dem Piezowiderstand und/oder der Materialwahl des Halbleitsubstrats
und/oder der Materialwahl des Körpers
vorgeben.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, eine Metallkugel
oder eine Lotktugel auf das Halbleitersubstrat aufzubringen, mit
dessen Hilfe die Krafteinwirkung auf das Substrat bzw. auf den Piezowiderstand
weitergeleitet werden kann. Dabei ist insbesondere vorgesehen, die
Kugel fest mit dem Halbleitersubstrat zu verbinden, beispielsweise
mittels einer speziellen Haftschicht. Durch eine derartige feste
Verbindung wird verhindert, dass sich die Kugel von ihrer relativen
Ausrichtung zu dem Piezowiderstand entfernt und somit das Verhältnis der
Höhe des elektrischen
Signals zur Krafteinwirkung verändert. Ähnliche
Auswirkungen werden verhindert, indem die Kugel auf der Kugelauflage
abgeflacht wird.
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Vorteilhafterweise
wird zur Erzeugung der Lotkugel ein mikromechanisches Abscheideverfahren,
beispielsweise ein Siebdruckverfahren, verwendet. Dies hat den Vorteil,
dass eine Abstimmung der in den vorhergehenden mikromechanischen
Prozessschritten zur Erzeugung des Piezowiderstands bzw. der Haftschicht
verwendeten Maskierungen mit der Aufbringung des Lotmaterials erfolgen
kann. Dadurch ist eine besonders präzise Ausrichtung der so erzeugten
Lotkugel in Relation zu dem Piezowiderstand möglich. Durch eine derartige
Ausrichtung kann die Genauigkeit der Zuweisung einer Krafteinwirkung
zu dem erfassten elektrischen Signal deutlich erhöht werden.
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Bekannte
Drucksensoren in Oberflächenmikromechanik
arbeiten mittels eines kapazitiven Messprinzip und benötigen eine
Auswerteschaltung in unmittelbarer Nähe der Messkapazität. Dies
bedeutet eine größere Chipfläche für jeden
der als Kraftsensoren verwendbaren Drucksensoren, in der Regel 4,
mindestens 3 Stück
für die
Anwendung als Touchpad. Im Gegensatz dazu arbeitet die vorliegende
Erfindung nach dem piezoresitiven Prinzip, bei welchem die Mess-Rohsignale
auch über
mehrere Zentimeter lange Leitungen problemlos übertragen werden können und
durch eine einzelne Auswerteschaltung verarbeitet werden können. Dies
vereinfacht auch den Abgleich, welcher dann nur einmal auf Modulebene
durchgeführt
werden muss.
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Ferner
kann das aufwändige
Montieren der Kugel über
dem Halbleitersubstrat bzw. dem Chip durch das aus der Flip-Chip-Technik
bekannte Aufbringen von Lötbumps
ersetzt werden. Somit kann die erreichbare Empfindlichkeit des Drucksensors hinsichtlich
Auflösungen
und Genauigkeit gerade im Niederdruckbereich bis zu ca. 50 bis 100
N gegenüber
bekannten Kraftwandlern erhöht
werden.
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Zusätzlich ermöglicht die
Ausgestaltung des Kraftwandlers durch die Verwendung eines massiven Halbleitsubstrats
einen deutlich erhöhten Überlastschutz,
da keine fragilen Elemente verwendet werden.
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Durch
die Verwendung von aufeinander abgestimmten Maskierungen in nachfolgenden
Prozessschritten des mikromechanischen Herstellungsprozess kann
die Position des Körpers
bzw. der Lötkugel
sehr genau definiert werden. Somit kann die Fläche auf dem Halbleitersubstrat,
auf die die Verformung wirkt, verringert werden. Durch die Fixierung des
Körpers
bzw. der Lötkugel
auf dem Seedlayer wird darüber
hinaus die Montage in ein Kunststoffgehäuse erleichtert.
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Durch
die Verwendung unterschiedlicher Lotpasten, z.B. Pb-Lot bzw. Pb-freies
Lot, ist es möglich,
die mechanischen Eigenschaften der Kugel, insbesondere deren Härte der
gewünschten
Anwendung anzupassen. Als mögliche
Lotverbindung hat sich beispielsweise eine Legierung aus ca. 80%
Au und ca. 20% Sn erwiesen, da diese Verbindung besonders hart wird.
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Da
typische Anwendungsbereiche für
die vorgeschlagene Erfindung im täglichen Leben zu finden sind,
z.B. Handy, (Computer-)Tastatur, Spielekonsolen etc., ist eine besondere
Auslegung des Druck-/Kraftsensors beispielsweise gegenüber hohen
Temperaturschwankung oder besonders aggressive Umweltmedien nicht
nötig.
Somit können
die vorgeschlagenen Druck-/Kraftwandler in Standardverfahren der
Mikromechanik ohne zusätzliche
aufwendige Prozessschritte kostengünstig hergestellt werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw.
aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Zeichnungen
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In
den 1a und 1b ist
ein schematischer Aufbau eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Kraftwandlers
dargestellt. Mit der 2 wird ein Aufbau eines Druckwandlers
innerhalb eines Gehäuses
dargestellt. Die 3 zeigt eine mögliche Auswertung
von vier Kraftwandlern anhand eines Blockschaltbildes. 4 zeigt
beispielhaft eine Anwendung des Kraftwandlers in Form einer Zifferntastatur.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird eine Möglichkeit präsentiert,
die Betätigung
eines Bedienelements, wie sie üblicherweise
bei Tastaturen oder Touchpads eingesetzt werden, mit einem in mikromechanischer
Bauweise hergestellten Drucksensor auf der Basis der Piezotechnologie
zu erfassen. Dabei ist neben der Betätigung des Bedienelements als
digitaler An/Aus-Schalter auch eine direkte Erfassung der Anpresskraft
des Bedienelements möglich.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
kann dabei die Anpresskraft mit ca. 1% Genauigkeit sehr präzise erfasst
werden.
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In
der mikromechanischen Bauelementherstellung sind verschiedene Verfahren
zur Erzeugung von mikromechanischen Bauelementen bekannt. So ist
beispielsweise die Herstellung eines Drucksensors mit piezoresistiven
Widerständen
mittels Halbleitersubstraten aus den Schriften
DE 101 35 216 A1 oder
DE 10 2004 007518
A1 bekannt, auf die zum Herstellungsverfahren des vorliegenden
mikromechanischen Kraftwandlers ausdrücklich verwiesen werden soll.
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Für die vorliegende
Erfindung wird das bekannte Herstellungsverfahren jedoch leicht
abgewandelt. Ausgangspunkt ist ein Halbleitersubstrat
100,
vorzugsweise aus Silizium. Auf diesem Halbleitersubstrat
100 werden
piezoresistive Widerstände
125,
beispielsweise entsprechend der
DE 101 35 216 A1 oder Dehnungsmessstreifen,
wie sie in der
DE
10 2004 007518 A1 beschrieben werden, aufgebracht. Auf
die piezoresistiven Widerstände
125,
sowie auf einen Bereich des Halbleitersubstrats wird ein spezielle
Schicht
140 (Seedlayer) aufgebracht, auf die in einem weiteren
Verfahrensschritt der Körper
150 aufgebracht
wird. Um eine gute Haftung des Körpers
150 auf
dem Substrat
100 zu ermöglichen.
kann die Schicht
140 derart ausgestaltet sein, dass die
Haftung sowohl auf das Material des Substrats
100 als auch
auf das Material des Körpers
angepasst ist.
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Zur
Erzeugung der piezoresistiven Widerstände 125 ist vorgesehen,
dass zunächst
eine piezosensitive Schicht aufgebracht wird, die anschließend entsprechend
strukturiert wird. Das Aufbringen und auch das Strukturieren erfolgt
dabei in mikromechanischen Standardverfahren mittels entsprechender
aufeinander abgestimmter Maskierungen, die eine genaue Positionierungen
der aufeinander folgenden Verfahrensschritten ermöglichen.
So kann beispielsweise die Schicht 140, die nach den piezoresistiven
Widerständern 125 von
der gleichen Seite auf dem Substrat 100 erzeugt wird, äusserst
genau relativ zu den piezoresistiven Widerständern 125 positioniert
werden. Wird als Körper 150 eine
Lotkugel verwendet, d.h. ein Material welches ebenfalls in einem
mikromechanischen Verfahren auf die Oberfläche gebracht werden kann, so
kann diese Kugel 150 durch Nutzung der Maskierungstechnik äusserst
genau bezüglich
zu die Widerstände 125 positioniert werden.
Durch eine derartige Positionierung kann die Genauigkeit des Kraftwandlers
deutlich erhöht
werden.
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Neben
der Verwendung einer Lotkugel ist jedoch auch die Positionierung
einer Metallkugel auf der Schicht 140 möglich. Dabei ist jedoch zu
beachten, dass ein Verfahren zur Positionierung gewählt werden
muss, bei dem eine ähnlich
gute Ausrichtung der Metallkugel relativ zu den piezoresisitiven
Widerständen 125 möglich ist.
Weiterhin ist darauf zu achten, dass die Metallkugel fest mit dem
Halbleitersubstrat 100 bzw. mit der Schicht 140 verbunden
ist, um eine Verschiebung der Kugel und somit eine Veränderung
des erzeugten Signals bei Betätigung
zu verhindern.
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In
den 1a und 1b ist
ein typischer Verlauf einer Betätigung
des Kraftwandlers dargestellt. So zeigt 1a den
Kraftwandler im unbetätigten
Zustand. 1b zeigt demgegenüber einen
Zustand, bei dem die Kraft 160, die auf den Körper 150 wirkt,
ausreicht, um das Halbleitersubstrat 100 wenigstens an
der Oberfläche
zu verformen. Durch diese Verformung werden ebenfalls die piezoresistiven Widerstände 125 verformt,
so dass sie ein messbares Potential in Form einer Spannung erzeugen.
Die so erfasste Spannung lässt
sich anschließend
in einer entsprechenden Auswerteeinheit einer Krafteinwirkung 160 zuordnen.
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Um
eine als Seedlayer bezeichnete Schicht 140 zu erzeugen,
kann der entsprechende Bereich auf dem Halbleitersubstrat 100 auch
galvanisiert werden. Darüber
hinaus kann im Siebdruckverfahren oder einem anderen geeigneten
Herstellungsverfahren aus der Flip-Chip-Technologie eine Lötpaste auf das Halbleitersubstrat 100 aufgebracht
werden. Die Lötpaste
wird daraufhin umgeschmolzen, so dass nur die gewünschte Fläche benetzt
wird und je nach aufgebrachter Lotmenge eine Lötkugel entsprechend der Figur 150 entsteht.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann vorgesehen sein, dass der Körper 150 auf
der Seite, die in Kontakt mit dem Seedlayer 140 steht,
abgeflacht ist (siehe beispielhaft 1a). Somit
wird ein Verrutschen des Körpers
auf dem Halbleitersubstrat vermindert. Um eine plastische Verformung
des Körpers 150 bei
der Verwendung von Lot während
des Betriebs zu vermeiden, kann die Lotkugel bei der Montage mit
der Platte 230 bereits vorgepresst werden, so dass sie
auch auf der Oberseite abgeflacht ist.
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Zur
Einstellung der Empfindlichkeit des Druck-/Kraftwandlers kann das
Halbleitermaterial des Substrats 100 entsprechend gewählt bzw.
behandelt werden. So ist denkbar, dass je nach Anwendung des Druck-/Kraftwandlers
das Halbleitermaterial mehr oder weniger verformbar ist. Darüber hinaus ist
auch denkbar, die Tiefe und die Position der piezoresistiven Widerstände 125 im
Halbleitersubstrat in Abhängigkeit
der gewünschten
Empfindlichkeit zu wählen.
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Eine
mögliche
Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kraftwandlers ist in 2 dargestellt.
Dabei wird der Kraftwandler, bestehend aus dem Halbleitersubstrat 100,
den piezoresistiven Widerständen 125,
dem Seedlayer und dem Körper 150 in
einem Gehäuse 200 untergebracht.
Die elektrischen Verbindungen zu den piezoresistiven Widerständen 125 können dabei
mittels Bondverbindungen 210 zu Kontaktstellen im Gehäuse 200 oder
direkt zu einer Auswerteeinheit geführt werden. Um die elektrischen
Leitungen vor Umwelteinflüssen
oder Verschmutzung zu schützen,
kann optional vorgesehen sein, das Gehäuse 200 mit einem
passivierenden bzw. schützenden
Gel 220 wenigstens teilweise zu füllen. Wie aus der 2 zu
ersehen ist, ist vorgesehen, den Körper 150 derart über das
Gehäuse 200 hinaus
stehen zu lassen, dass eine Platte 230 auf den Körper aufgelegt
werden kann. Diese Platte 230 stellt beispielsweise ein
mit dem Finger betätigbares Bedienelement
dar, so dass mittels eines Fingerdrucks auf das Bedienelement der
Körper 150 auf das
Halbleitersubstrat 100 gedrückt werden kann.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann vorgesehen sein, dass der Körper 150 auf
der Seite, die in Kontakt mit dem Seedlayer 140 steht,
abgeflacht ist (siehe beispielhaft 1a). Somit
wird ein Verrutschen des Körpers
auf dem Halbleitersubstrat vermindert. Um eine plastische Verformung
des Körpers 150 bei
der Verwendung von Lot während
des Betriebs zu vermeiden, kann die Lotkugel bei der Montage mit
der Platte 230 bereits vorgepresst werden, so dass sie
auch auf der Oberseite abgeflacht ist.
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Mögliche Einsatzgebiete
für den
vorliegenden Kraftwandler liegen im Bereich der Telekommunikation,
beispielsweise in Mobiltelefonen (Handys) sowie im Konsolenbereich
für (Computer-)
Spiele oder Terminals. Der Vorteil bei der Verwendung der vorliegenden
Erfindung besteht darin, dass eine geringe Baugröße des mikromechanischen Druck/Kraftwandlers
erreicht werden kann. Weiterhin wird durch die ausgeübte Kraft
auf den Körper 150 in den
Piezowiderständen 125 eine
erfassbare Spannung erzeugt. Somit entfällt eine separate Spannungsversorgung
der Bedienelemente.
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In
der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel aufgezeigt,
welches die Abfrage von vier mikromechanischen Kraftwandlern 310 bis 340 durch
eine Auswerteeinheit 300 darstellt. Selbstverständlich kann
auch vorgesehen sein, dass auch eine andere Anzahl von Kraftwandlern
durch die Auswerteeinheit 300 erfasst werden können, siehe
hierzu 4, bei der ein Ziffernblock dargestellt ist. In
Abhängigkeit von
den erfassten Signalen der Kraftwandler 310 bis 340 kann
die Auswerteeinheit eine akustische und/oder optische Anzeige 360 bedienen.
Darüber hinaus
ist auch möglich,
dass die Auswerteeinheit 300 die erfassten Signale an ein
Steuergerät 350 weiterleitet.
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Allgemein
kann vorgesehen sein, dass eine Kombination aus Kraftwandler und
Auswerteeinheit sich beispielsweise durch die Berücksichtigung
eines Schwellenwerts bei der Erfassung der Spannung als Schalter
verwenden lässt.
Selbstverständlich
können dabei
auch mehrere Schwellenwerte und mehrere Schaltungseinstellungen
bei der Verwendung eines einzelnen Kraftwandlers berücksichtigt
werden.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann vorgesehen sein, dass die Kraftwandler, die in einer Anwendung
verwendet werden, beispielsweise in dem Ziffernblock nach 4,
bei einer gleichen Krafteinwirkung 160 verschiedene Signale
bzw. elektrische Größen mit
unterschiedlichen Werten erzeugen. So kann beispielsweise vorgesehen
sein, dass beim Drücken
der Ziffern des Ziffernblocks 400 jeder unterhalb eines
Ziffern-Bedienelements angebrachter Kraftwandler eine eindeutig
zuordenbare Spannung abgibt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht
werden, dass die Empfindlichkeit der verschiedenen Kraftwandler,
die im Ziffernblock verwendet werden, unterschiedlich vorgegeben
ist.
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Sinn
und Zweck der Haftschicht (140) auf dem Halbleitersubstrat
besteht darin, ein Verrutschen des Körpers während der Herstellung und/oder
dem Betrieb des Druck-/Kraftwandlers zu verhindern. Dabei kann neben
der Ausgestaltung des Körpers
als Kugel (150) auch vorgesehen sein, einen stiftähnlichen
Körper
zu verwenden. Durch einen derartigen stiftähnlichen Körper kann die Kraft bzw. ein
Druck von einer entfernten Quelle auf den Druck-/Kraftwandler weiter
geleitet werden.