DE10352528B3 - Micro-electromechanical system device e.g. for ultrasonic diagnostic imaging apparatus, communicating with transmission and/or reception transducer provided by support substrate component - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine MEMS-Anordnung mit einem mindestens ein MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) tragenden Substratbauteil, wobei das MEMS gegenüber der Umgebung hermetisch abgekapselt ist, wobei zu dem Substratbauteil benachbart ein mit diesem über Signalverbindungen kommunizierendes elektronisches Chipbauteil angeordnet ist, und der so gebildete, das MEMS enthaltende Zwischenraum zwischen dem Substratbauteil und dem Chipbauteil durch eine Dichtstruktur derart überbrückt ist, dass das MEMS hermetisch eingeschlossen ist.The The invention relates to a MEMS device having at least one MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) supporting substrate component, with the MEMS facing the environment is hermetically encapsulated, wherein the substrate component adjacent to this one over Signal connections communicating electronic chip component arranged and the space thus formed containing the MEMS the substrate component and the chip component by a sealing structure so bridged, that the MEMS is hermetically enclosed.
Eine
derartige MEMS-Anordnung ist beispielsweise auf der in München am
7. und 8. Oktober 2003 durch Mathias Reimann u.a. offenbart worden. Der
zugehörige
Konferenzbeitrag ist in „Micro
System Technologies 2003",
herausgegeben von Herbert Reichl, auf den Seiten 60 – 67 veröffentlicht.
Die Kapselung für
ein MEMS ist in
Aus
der
Zuletzt
ist aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, eine MEMS-Anordnung anzugeben, welche vergleichsweise platzsparend im Aufbau ist.task The invention is to provide a MEMS arrangement which comparatively saves space in construction.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf der dem MEMS abgewandten Seite des Substratbauteils als Sender und/oder Empfänger ein Wandler angeordnet ist, der über Durchkontaktierungen mit dem MEMS kommuniziert. Der Wandler kann beispielsweise ein schwingungsfähiges System sein, welches als Sender elektrische Impulse in Ultraschall umsetzt und als Empfänger die Funktion eines Ultraschallsensors übernimmt. Das MEMS kann beispielsweise zum Umschalten des Wandlers zwischen der Sender- und Empfängerfunktion verwendet werden. Damit können der Wandler auf der Seite des Substratbauteils und die mit dem Wandler über die Durchkontaktierungen verbundenen MEMS platzsparend auf der anderen Seite des Substratbauteils vorgesehen werden.These Task is inventively characterized solved, that on the side facing away from the MEMS of the substrate component as Transmitter and / or receiver a transducer is placed over Vias communicates with the MEMS. The converter can for example, a vibratory System, which as a transmitter electrical impulses in ultrasound implemented and as a receiver the function of an ultrasonic sensor takes over. The MEMS can, for example for switching the converter between the transmitter and receiver function be used. With that you can the transducer on the side of the substrate component and the one with the transducer over the Through-holes MEMS space-saving on the other Side of the substrate component may be provided.
Durch den Aufbau der MEMS-Anordnung wird auch ein gesondertes Deckelbauteil eingespart; dieses wird vielmehr durch ein elektronisches Chipbauteil ersetzt, welches unter Verwirklichung kurzer Kontaktwege über die Signalverbindungen direkt mit der MEMS-Anordnung kommunizieren kann. Damit kann vorteilhafterweise die MEMS-Anordnung direkt über das Chipbauteil angesteuert werden, wodurch weitere Baugruppen, die auf einer gesonderten Leiterplatte angeordnet werden müssten, ersetzt werden können. Durch Integration der Funktionen des Deckelteils und einer elektronischen Steuerung in ein Bauteil lässt sich vorteilhaft eine besonders kompakte MEMS-Anordnung erzeugen, die vorteilhaft auf kleinstem Bauraum ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit erreicht.By The structure of the MEMS arrangement is also a separate cover component savings; this is rather by an electronic chip component which is replaced by short contact paths over the Signal connections can communicate directly with the MEMS arrangement. Thus, advantageously, the MEMS arrangement directly over the Chip component can be controlled, creating further modules, the should be arranged on a separate circuit board replaced can be. By integrating the functions of the lid part and an electronic Control in a component leaves advantageously produce a particularly compact MEMS arrangement, the advantage in the smallest space achieves the highest level of reliability.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wandler durch ein Array von Wandlerelementen gebildet ist und jedes Wandlerelement mit zumindest einem als Schaltelement ausgeführten MEMS kontaktiert ist. Das Array von Wandlerelementen ermöglicht vorteilhaft die Verwendung desselben als so genanntes Phasenarray. Im Falle des bereits beschriebenen Ultraschallsenders können so durch die einzelnen Wandlerelemente phasenverschobene Ultraschallschwingungen erzeugt werden, so dass sich Wellenfronten der Ultraschallschwingungen bilden, die in einem Winkel von ungleich 90° zur Abstrahlungsfläche des Arrays von Wandlerelementen ausbreiten. Durch entsprechende Ansteuerung des Arrays von Wandlerelementen lässt sich somit ohne eine mechanische Bewegung der Wandlerelemente ein Schwenken der Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen erreichen. Selbiges gilt selbstverständlich auch für die Verwendung der Wandlerelemente als Sensoren, die abhängig von der Phasenverschiebung der durch die Wandlerelemente erzeugten Messsignale einen Rückschluss über den Eintrittswinkel der Ultraschallwellen zulassen. Eine mögliche Anwendung der MEMS-Anordnung mit Wandlerelementen liegt in der Medizintechnik bei Sonographiegeräten.A further embodiment of the invention provides that the transducer is formed by an array of transducer elements and each transducer element is contacted with at least one MEMS designed as a switching element. The array of transducer elements advantageously allows the use thereof as a so-called phase array. In the case of the already described ultrasonic transmitter phase-shifted ultrasonic vibrations can be generated by the individual transducer elements, so that wave fronts of the ultrasonic vibrations are formed at an angle of not equal to 90 ° to the radiating surface of the array of Spread transducer elements. By appropriate control of the array of transducer elements can thus achieve a pivoting of the propagation direction of the ultrasonic waves without a mechanical movement of the transducer elements. Of course, the same also applies to the use of the transducer elements as sensors which, depending on the phase shift of the measuring signals generated by the transducer elements, permit a conclusion about the angle of incidence of the ultrasonic waves. One possible application of the MEMS arrangement with transducer elements is in medical technology in sonography devices.
Die Wandlerelemente können jedoch auch so ausgestaltet sein, dass das Array von Wandlerelementen als Phasenantenne verwendet werden kann. Mit Hilfe solcher Wandlerelemente lässt sich beispielsweise ein Abstandsradar erzeugen, wobei durch die Ansteuerung der Wandlerelemente als Phasenarray der bereits genannte Effekt einer auf der Ebene der Wandlerelemente schwenkbaren Detektionsrichtung des Radars gewährleistet werden kann.The Transducer elements can however, also be configured such that the array of transducer elements can be used as a phase antenna. With the help of such transducer elements let yourself For example, generate a distance radar, wherein by the control the transducer elements as a phase array of the aforementioned effect a pivotable on the level of the transducer elements detection direction of the radar guaranteed can be.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Wandlerelemente derart mit den MEMS verbunden, dass jeweils benachbarte Wandlerelemente des Arrays parallel geschaltet werden können. Hierdurch können z. B. jeweils benachbarte Wandlerelemente derart zusammengeschaltet werden, dass diese im Wesentlichen auf einer Geraden liegen und so bei gleichzeitiger Ansteuerung beispielsweise einen linienförmigen Ultraschallimpuls aussenden. Wenn parallel zusammengeschaltete Wandlerelemente auf zu dieser Geraden parallel liegenden, benachbarten Geraden jeweils phasenverschoben angesteuert werden, so entsteht eine schräg zur Oberfläche der Wandlerelemente abgestrahlte Ultraschall-Wellenfront. Die geeignete Verschaltung der Wandlerelemente führt daher vorteilhaft zu einer Verminderung des Aufwandes einer Ansteuerung des Phasenarrays, da die zusammengeschlossenen Wandlerelemente gemeinsam angesteuert werden können.According to one Another embodiment of the invention, the transducer elements are such connected to the MEMS, that respectively adjacent transducer elements of the array can be connected in parallel. As a result, z. B. each interconnected adjacent transducer elements such be that these lie essentially on a straight line and so send out a line-shaped ultrasonic pulse with simultaneous control, for example. If parallel interconnected converter elements on this Lines parallel, adjacent straight lines each phase-shifted be driven, it creates an oblique to the surface of the Transducer elements radiated ultrasonic wavefront. The suitable Interconnection of the transducer elements therefore advantageously leads to a Reduction of the cost of controlling the phase array, since the combined transducer elements are driven together can be.
Es ist vorteilhaft, wenn das Chipbauteil über die Signalverbindungen mit den MEMS verbunden ist. Hierdurch lassen sich besonders kurze Übertragungswege für die Signale verwirklichen, was insbesondere bei Hochfrequenzanwendungen zu einer geringen Signalverfälschung führt. Das Chipbauteil kann beispielsweise als BGA (ball grid array) ausgeführt sein, wobei sich die Kontaktbumps des BGA's jeweils gegenüber den Kontakten der MEMS befinden.It is advantageous if the chip component via the signal connections connected to the MEMS. This allows very short transmission paths for the Realize signals, especially in high-frequency applications to a low signal corruption leads. The chip component can be embodied, for example, as a BGA (ball grid array), wherein the BGB's contact bumps are respectively opposite the contacts of the MEMS are located.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Substratbauteil Vertiefungen aufweist, in denen die MEMS untergebracht sind. Die Vertiefungen bewirken eine geschützte Lage der empfindlichen MEMS nach deren Herstellung. Weiterhin können die Kontakte der MEMS aus den Vertiefungen herausgeführt werden, um dort wie bereits erwähnt, die Signalverbindungen mit dem angrenzenden Chipbauteil (z. B. über Kontaktbumps) herzustellen.Farther it is advantageous if the substrate component has depressions, where the MEMS are housed. The depressions effect a protected Location of the sensitive MEMS after their production. Furthermore, the Contacts of the MEMS be led out of the wells to there as already mentioned, the signal connections with the adjacent chip component (eg via contact bumps) manufacture.
Vorteilhaft ist es auch, wenn in die MEMS freitragende Leiterbahnkreuzungen zur Umverdrahtung integriert sind. Hierdurch kann die Technologie zur Herstellung der MEMS (beispielsweise Opferschichttechnologie) gleichzeitig zur Ausbildung von Leiterbahnkreuzungen genutzt werden, wobei die eine Leiterbahn auf dem Substratbauteil aufliegt und die andere diese Leiterbahn brückenartig überspannt. Durch die gleichzeitige Herstellung der MEMS mit den die Umverdrahtung bildenden Leiterbahnkreuzungen wird vorteilhaft ein gesonderter Fertigungsschritt für diese Umverdrahtungen eingespart.Advantageous It is also when in the MEMS cantilever crossings integrated for rewiring. This allows the technology to Production of MEMS (eg sacrificial layer technology) simultaneously be used for the formation of interconnects, the one Conductor rests on the substrate component and the other this Circuit bridge spans like a bridge. By simultaneously manufacturing the MEMS with the the rewiring forming conductor crossings is advantageous a separate Production step for saved these rewirings.
Die Dichtstruktur zwischen dem Substratbauteil und dem Chipbauteil kann vorteilhaft aus einem Glaslot oder einem metallischen Lot bestehen. Diese werden derart in den Zwischenraum gebracht, dass sie diesen überbrücken und so eine Abdichtung bewirken. Die Lote führen vorteilhaft zu einer besonders dichten Verbindung, so dass beispielsweise ein Eindringen von Feuchtigkeit in die hermetische Verkapselung der MEMS wirksam unterbunden werden kann.The Sealing structure between the substrate member and the chip component can advantageously consist of a glass solder or a metallic solder. These are brought into the space in such a way that they bridge this and cause such a seal. The solders lead to a particularly advantageous dense connection, allowing, for example, penetration of moisture can be effectively prevented in the hermetic encapsulation of the MEMS.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der hermetisch eingeschlossene Teil des Zwischenraumes evakuiert ist. Hierdurch können die Schaltzeiten von als Schalter ausgeführten MEMS verringert werden, da beim Schalten der MEMS weniger Gasmoleküle aus den im ungeschalteten Zustand zwischen den Kontakten der MEMS befindlichen Spalten verdrängt werden muss. Bei als Resonator ausgeführten MEMS wird durch die Evakuierung eine beträchtliche Anhebung der Güte erreicht.Especially It is advantageous if the hermetically enclosed part of Space is evacuated. This allows the switching times of as Switch executed MEMS can be reduced, since the switching of the MEMS less gas molecules from the in the unswitched state between the contacts of the MEMS located Columns are displaced got to. With resonators designed as MEMS the evacuation achieves a considerable increase in quality.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigenFurther Details of the invention are described below with reference to the drawing described. Show here
Die
In
der Schnittdarstellung gemäß
Die
Wandlerelemente
Das
Chipbauteil
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