Elektromechanische Bauelemente sind Bauelemente, die einen mechanischen Effekt elektrisch erfassen bzw. elektrisch be- wirken. Beispiele für elektromechanische Bauelemente sind Sensoren für lineare Beschleunigungen, Drehratensensoren, Kraftsensoren, Drucksensoren, aber auch Mikroventile oder Mikropumpen.

Beschleunigungssensoren beispielsweise, d. h. Sensoren zur Erfassung einer linearen Beschleunigung, oder Drehratensen- soren zum Erfassen einer Winkelbeschleunigung, haben übli- cherweise eine bewegliche Masse, die über mindestens einen Federbalken mit einem festen Rahmen verbunden ist. Wenn ein Beschleunigungssensor einer Beschleunigung ausgesetzt wird, verformt sich der Federbalken elastisch, und die Masse wird ausgelenkt. Diese Auslenkung kann dann unter Verwendung einer Vielzahl von bekannten Verfahren, wie z. B. kapazitiv, induktiv, optisch etc., erfaßt werden.

Dagegen haben Mikroventile üblicherweise eine bewegliche, elastische Struktur, die bei Anlegung eines geeigneten elektrischen Signals einen Durchflußweg für ein Fluid verkleinert oder vergrößert, d. h. die als mechanischen Effekt eine Durchflußbegrenzung bewirkt.

Umgekehrt haben Mikropumpen üblicherweise eine Membran, die elastisch ist bzw. elastisch aufgehängt ist, um ein Volumen zu verändern. Eine Mikropumpe wird darüber hinaus auch Ven- tile aufweisen, um mit der Volumenänderung eine definierte Fluidbeförderung zu erreichen. Der mechanische Effekt bei Mikropumpen besteht somit in dem Transport bzw. der Dosie- rung eines Fluids.

Drucksensoren oder Kraftsensoren können ebenfalls eine elastisch verformbare Membran aufweisen, die bei Vorliegen eines bestimmten Drucks um einen bestimmten Grad elastisch verformt, d. h."ausgelenkt", wird, wobei diese Auslenkung dann wieder wie beim Beschleunigungssensor auf verschiedene Arten und Weisen erfaßt werden kann, um ein elektrisches Signal zu erhalten, das den anliegenden Druck anzeigt.

Sämtliche genannten elektromechanischen Bauelemente umfassen einen aktiven Teil, der durch den äußeren mechanischen Effekt elastisch verformt wird, bzw. dessen elastische Verformung zu dem mechanischen Effekt führt.

Solche elektromechanischen Bauelemente können eine inte- grierte Einrichtung zum Umwandeln des mechanischen Effekts in einen elektrischen Effekt bzw. zum Umwandeln eines elek- trischen Effekts in einen mechanischen Effekt aufweisen.

Lediglich beispielhaft sei hier die bekannte Fingerstruktur erwähnt, die eine erste Gruppe von Fingern aufweist, die mit einem beweglichen Teil verbunden ist, und die eine zweite Fingergruppe aufweist, die mit einem festen Teil verbunden ist, bezüglich dessen sich der bewegliche Teil bewegt. Die beiden Fingergruppen sind ineinandergreifend angeordnet, derart, daß eine relative Auslenkung des beweglichen Teils zum festen Teil eine Veränderung der Abstände zwischen den Fingern ergibt, die zu einer veränderten Kapazität der Fin- geranordnung führt. Diese veränderte Kapazität ist z. B. proportional zu der auf den beweglichen Teil wirkenden Beschleunigung. Im Falle eines Drucksensors kann der mecha- nische Effekt beispielsweise durch Abstandsänderung zwischen zwei flächigen Elektroden im Sinne eines Plattenkondensators bewirkt werden. Diese Kapazitätsänderung kann unter Verwen- dung einer Wechselspannung gemessen werden.

Solche elektromechanischen Bauelemente werden üblicherweise in miniaturisierter Form aus Siliziummaterial unter Verwen- dung der bei der Waferprozessierung bewährten Silizium- technologie hergestellt. Die Siliziumtechnologie ermöglicht eine Massenproduktion, die dazu geführt hat, daß beispiels- weise kapazitive Beschleunigungssensoren, die unter Verwen- dung der Siliziumtechnologie hergestellt worden sind, eine weite Verwendung erfahren haben, insbesondere im Bereich der Automobiltechnik, wobei hier besonders Beschleunigungssenso- ren für Airbag-Systeme genannt seien.

Bei solchen Siliziumsensoren ist die träge Masse an dünnen Federn aufgehängt und mit Fingerstrukturen versehen, die zusammen mit feststehenden ähnlichen Fingerstrukturen einen Kondensator bilden, dessen Kapazität sich bei Beschleunigung ändert, wodurch die Beschleunigung elektronisch detektiert werden kann. Siliziumbeschleunigungssensoren werden bei- spielsweise in Polysilizium-Oberflächenmechanik von der Firma Bosch in Reutlingen hergestellt. Bei dieser Techno- logie wird ein Wafer mit Sensorchips hergestellt und an- schließend mit einem ebenfalls mit Techniken der Silizi- um-Mikromechanik geeignet vorgefertigten Deckel-Wafer unter anderem mit dem anodischen Bondverfahren verbunden, so daß die empfindlichen mikromechanisch strukturierten Silizium- Sensorstrukturen geschützt sind. Anschließend wird der Ver- bund-Wafer mit den verschlossenen Sensorchips vereinzelt.

Die einzelnen Sensor-Chips werden dann zusammen mit einem Elektronik-Chip in ein geeignetes Gehäuse unter Verwendung von Standardverfahren der Mikroelektroniktechnologie aufgebaut, um das fertige Sensorsystem zu erhalten. Die Sensorsysteme können anschließend wie rein elektronische Bauelemente weiterverarbeitet werden.

Vorteile dieser Siliziumbeschleunigingssensoren sind die kleine Baugröße des Sensors und damit des Chips, die Her- stellbarkeit im Batch-Verfahren sowie die hohe Langzeitsta- bilität und Genauigkeit aufgrund der günstigen Eigenschaften des verwendeten Siliziummaterials.

Nachteilig an solchen Systemen ist die Tatsache, daß solche Sensoren aufgrund ihrer sehr kleinen Abmessungen bei den Sensorstrukturen, wenn beispielsweise an Fingerstrukturen gedacht wird, und aufgrund des sogenannten Sticking-Effekts praktisch hermetisch dicht gegen Partikel und Feuchtigkeit geschützt werden müssen. Weiterhin ist nachteilig, daß der gesamte Herstellungsprozeß trotz der Batch-Fertigung und der Aufbautechnik der Elektroniktechnologie immer noch sehr teuer ist, da neben dem Elektronik-Chip auch zwei Silizium- Wafer mit mikromechanischen Verfahren hergestellt, verbunden und vereinzelt werden müssen.

Obwohl sich die Siliziumtechnologie sehr stark durchgesetzt hat, was zu günstigeren Preisen für die gesamten Reinraum- anlagen und bereits zu einem hohen Automatisierungsgrad geführt hat, muß dennoch angemerkt werden, daß zur Wafer- prozessierung ein kompletter Reinraum sowie entsprechend geschultes Personal benötigt werden. Entscheidender Kosten- faktor ist somit nicht das Material selbst, sondern der Auf- wand bei der Herstellung, der im wesentlichen durch die be- nötigten Anlagen und die aufzuwendenden Personalkosten be- stimmt ist.

Die DE 44 02 119 A1 offenbart eine Mikromembranpumpe, wobei die Membran aus Titan und die Ventile aus Polyimid herge- stellt sind. Alternativ kann die Membran aus Polyimid be- stehen, auf dem eine Heizwendel aufgebracht ist.

Das US-Patent Nr. 5,836,750 offenbart eine elektrostatisch betriebene Mesopumpe mit einer Mehrzahl von Elementarzellen.

Eine Pumpmembran kann aus metallbeschichteten Polymeren, aus Metall oder aus einem leitfähigen flexiblen elastischen Pol- ymer hergestellt werden.

Die DE 197 20 482 A1 offenbart eine Mikromembranpumpe mit einer Membran aus PC oder PFA. Ein Piezoaktor kann auf einem Messingblech angebracht sein, welches wiederum auf der Pump- membran aufgebracht ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, preis- günstigere elektromechanische Bauelemente und Verfahren zum Herstellen derselben zu schaffen, die dennoch mechanische und elektrische Eigenschaften haben, die mit denen von Sili- zium-Bauelementen vergleichbar sind.

Diese Aufgabe wird durch ein elektromechanisches Bauelement gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Her- stellung eines elektromechanischen Bauelements gemäß Patent- anspruch 21 gelöst.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß zur Herstellung wirklich preisgünstiger elektromechani- scher Bauelemente von der etablierten Siliziumtechnologie weggerückt werden muß. Erfindungsgemäß wird als Ausgangs- material ein Polymerwerkstoff verwendet, der beispielsweise unter Verwendung der ebenfalls gut etablierten Spritzguß- technik und/oder Prägetechnik in nahezu beliebige Formen und Strukturen verarbeitet werden kann. Polymermaterialien sind im allgemeinen ebenfalls sehr preisgünstig. Der entscheiden- de Vorteil liegt jedoch in der Herstellungstechnik. Die ma- schinellen Anlagen zur Durchführung der Polymerverarbeitung sind wesentlich weniger aufwendig und damit wesentlich preisgünstiger als die entsprechenden maschinellen Anlagen für die Silizium-Technologie. Polymermaterialien haben ebenfalls je nach Zusammensetzung elastische Eigenschaften, die dazu verwendet werden können, um Federbalken mit defi- nierten Auslenkungseigenschaften herzustellen.

Problematisch an Polymermaterialien ist jedoch, daß solche Kunststoffe Fließeigenschaften haben, die zu bedeutenden Problemen bezüglich der Langzeitstabilität führen, wenn keine Vorkehrungen getroffen werden. Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, daß mechanisch aktive Teile des Polymerkörpers, den das elektromechanische Bauelement aufweist, mit einer Metallschicht versehen werden. Dadurch ensteht ein Kunststoff-Metall-Verbundsystem, das ähnlich gute Eigenschaften erreichen kann, wie ein Bauteil, das vollständig aus Metall oder Silizium ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die äußeren Metalloberflächen die mechanischen Parameter, wie beispielsweise die Steifigkeit bzw. das Flächenträgheitsmoment, stärker beeinflussen als der Kunststoffkern. Als Metallschicht selbst kann beispiels- weise Gold verwendet werden. Zur weiteren Kostenreduktion kann jedoch auch eine Metallschicht aus Nickel, Kupfer etc. eingesetzt werden. Mechanisch aktive Teile sind bei dem beschriebenen Beschleunigungssensor die Federbalken, über die die seismische Masse an dem festen Rahmen aufgehängt ist. Im Falle von elektromechanischen Bauelementen, die Membranen aufweisen, umfaßt der mechanisch aktive Teil auch die Membran, die elastisch verformbar ist und ohne Metall- schicht aufgrund der Fließeigenschaften des Kunststoff- materials eine zu geringe Langzeitstabilität hätte.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das elektromechanische Bauelement aus einem Zwei-Komponen- ten-Polymerkörper, der einen ersten Teil aus einem ersten Polymermaterial aufweist, das naßchemisch metallisierbar ist, und der einen zweiten Teil aus einem zweiten Polymerma- terial aufweist, das naßchemisch nicht metallisierbar ist.

So ist es möglich, durch ein Zwei-Schuß-Spritzgußverfahren die nötigen Metallisierungen zu definieren, d. h. die Me- tallisierung der mechanisch aktiven Teile zur Verbesserung der mechanischen Stabilität derselben, jedoch auch die Me- tallisierungen, die zur Umsetzung des mechanischen Effekts in ein elektrisches Signal nötig sind, wie z. B. Finger- strukturen, Kondensatorplatten, aber auch die erforderlichen Leiterbahnen des elektromechanischen Bauelements zu einem internen elektronischen Schaltkreis, der hybrid in den Poly- merkörper eingesetzt wird bzw. auf dem Polymerkörper befe- stigt wird, oder zu einem äußeren Stecker.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die außerordentliche Kostenreduktion gegenüber Silizium- Technologie hergestellten elektromechanischen Bauelementen, wobei Kostenreduzierungen bis zu einem Faktor von Tausend erwartet werden.

Die minimalen Strukturgrößen, die derzeit durch die Kunst- stoffverarbeitung erreicht werden können, liegen zumindest heute noch deutlich über denen der Silizium-Mikromechanik.

Dadurch werden vor allem die Abmessungen der Federn und die Abstände zwischen Kondensatorelektroden beeinträchtigt. Um das elektrische Rauschen des Sensorsystems zu minimieren, muß eine Mindestkapazität erreicht werden, was bei der Sili- ziumtechnologie über sehr geringe Elektrodenabstände er- reicht werden muß. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren muß dies jedoch nicht über eine immer weitere Miniaturisierung mit ihren entsprechenden Problemen erkauft werden, sondern durch eine Erhöhung der Baugrößen, da wesentlich kostengün- stigere Werkstoffe als Silizium zum Einsatz kommen, und da das bevorzugte Spritzgießverfahren keine wesentlichen Be- grenzungen für die Höhe von beispielsweise schwingenden Mas- sen aufweist, was jedoch bei der Verwendung von Polysilizium sehr wohl der Fall ist.

Andererseits hat die Ur-bzw. Abformtechnik mit polymeren Werkstoffen bekanntermaßen auch das Potential, um auch Strukturen im Mikrometerbereich herstellen zu können. Dazu wird es bevorzugt, das Spritzgießverfahren mit einem Spritz- prägeverfahren zu kombinieren, oder auch mit dem bekannten Heißprägeverfahren.

Die größere Bauform und Baugröße des erfindungsgemäßen elek- tromechanischen Bauelements bringt den Vorteil mit sich, daß die Empfindlichkeit für Partikel und Verunreinigungen nicht so groß ist. Darüber hinaus kann zur Erhöhung der Robustheit die gesamte metallisierte Oberfläche mit einer dichten dün- nen Goldschicht überzogen werden, um auch die Feuchte-und Umweltempfindlichkeit des Sensorsystems zu verbessern, so daß die Anforderungen an eine Verkapselung deutlich geringer werden als bei Silizium-Bauelementen.

Vorzugsweise wird als Verfahren zum Bilden der Metallschich- ten das Verfahren der außenstromlosen chemischen Metallisie- rung eingesetzt. Dieses Verfahren kann günstigerweise mit dem Verfahren der galvanischen Verstärkung der Metallschich- ten kombiniert werden, wodurch durch Steuern der Metalldicke beim galvanischen Verstärken sowhl der Elektrodenabstand fur Fingerstrukturen als auch die Eigenfrequenz des Sensorele- ments, wenn an Drehratensensoren gedacht wird, sehr genau gesteuert und für den bestimmten Anwendungsbereich optimiert werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert auch das Potential, die Masse der beweglichen trägen Struktur am Beispiel des Beschleunigungssensors bzw. die Masse und auch das Elastizitätsmodul einer Membran im Falle von Mikroventi- len bzw. Mikropumpen durch Steuern der Menge des Metalls, das aufgewachsen wird, sehr genau festzulegen.

Schließlich wird die gesamte Palette der Kunststoffspritz- gußtechnik, beispielsweise die Verwendung von Ausrichtungs- stiften/Löchern sowie von Schnappverbindungen zum unlösbaren Verbinden sowie von integrierten Dichtungskanten bzw. extern eingesetzten Gummidichtungen eröffnet, die im Vergleich zur Siliziumtechnologie extrem preisgünstig sind und nahezu den gleichen Effekt erreichen können.

Schließlich umfaßt der Herstellungsprozeß im Vergleich zur Siliziumtechnologie eine geringe Anzahl von Schritten, wo- durch der Ausschuß während der Produktion und damit auch die Kosten gering gehalten werden können.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich- nungen detailliert erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Draufsicht des elektromechani- schen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung ; Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des elektromechani- schen Bauelements mit Gehäuseboden und Gehäuse- deckel gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ; Fig. 3 eine Seitenansicht des elektromechanischen Bauele- ments in Kombination mit einem SMD-Bauelement zur elektrischen Ansteuerung und/oder Auswertung ; Fig. 4 eine Seitenansicht des elektromechanischen Bauele- ments mit Federkontakten zur Kontaktierung eines elektronischen Schaltkreises ; Fig. 5 eine Seitenansicht des elektromechanischen Bauele- ments mit einer Feder und Kontakthügeln zur Kontak- tierung eines elektronischen Schaltkreises ; Fig. 6 eine Seitenansicht des elektromechanischen Bauele- ments mit Kleber-Kontakthügeln zur Kontaktierung eines elektronischen Schaltkreises ; und Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der ineinan- dergreifenden Elektrodengruppen von Fig. 1, wobei die Elektrodenfinger jedoch wellenförmig ausgebil- det sind.

Fig. 1 zeigt ein elektromechanisches Bauelement, das allge- mein mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist. Das elek- tromechanische Bauelement 10 weist einen Polymerkörper 12 auf, der einen mechanisch aktiven Teil hat, der die beiden Federbalken 14a, 14b sowie eine seismische Masse 14c auf- weist. Das elektromechanische Bauelement 10, das in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein Sensor zur Messung einer mechanischen Beschleunigung. Beispielhaft wurde bei dem in Fig. 1 gezeig- ten Beschleunigungssensor das kapazitive Erfassungsprinzip eingesetzt, das eine Fingerstruktur mit einer ersten Finger- gruppe 16a, die an einem feststehenden Rahmen 18 angebracht sind, sowie eine zweite Fingergruppe 16b umfaßt, die Finger aufweist, die an der seismischen Masse 14c befestigt sind.

Das elektromechanische Bauelement 10, das in Fig. 1 als Be- schleunigungssensor dargestellt ist, umfaßt ferner irgend- einen elektronischen Schaltkreis (Chip) 20 sowie einen An- schlußstecker 22, der ebenfalls ein Teil des Polymerkörpers 12 ist, d. h. der Anschlußstecker 22 und der feste Rahmen sowie der mechanisch aktive Teil sind alle aus Polymermate- rial gebildet. Zur Ansteuerung bzw. Auslesung der Finger- struktur 16a, 16b umfaßt das elektromechanische Bauelement ferner Leiterbahnen 24a bis 24c, die sowohl die bewegliche Masse als auch die beiden ersten Fingergruppen 16a der Fin- gerstrukturen über Bonddrähte 26 mit dem Chip bzw. mit ent- sprechenden Anschlußflächen des Chips verbinden. Darüber hinaus umfaßt das elektromechanische Bauelement 10 weitere Leiterbahnen 28a bis 28d, die einerseits ebenfalls über Bonddrähte mit dem Chip 20 verbunden sind, und die anderer- seits in breitere Enden übergehen, um mit dem Polymerkörper 12 einen Anschlußstecker, der beim in Fig. 1 gezeigten Aus- führungsbeispiel vier Kontakte hat, zu bilden.

Wenn das elektromechanische Bauelement 10 einer linearen Be- schleunigung unterzogen wird, so wird die seismische (träge) Masse 14c bezüglich des festen Rahmens 18 ausgelenkt, was zu einer elastischen Verformung der Federbalken 14a, 14b führt.

Die Verschiebung der Masse 14c führt zu einer veränderten Kapazität, die unter Verwendung der ersten und zweiten Fin- gergruppen 16a, 16b erfaßt werden kann und in dem IC 20 be- reits"an Ort und Stelle"verarbeitet werden kann, um über den Steckerbereich 22 ausgegeben zu werden.

Wie es bereits erwähnt worden ist, würde die Langzeitstabi- lität eines solchen elektromechanischen Bauelements nicht besonders groß sein, da Polymermaterialien üblicherweise ein Fließverhalten über der Zeit haben. Anders ausgedrückt führt eine ständige Verformung der beiden Federbalken 14a, 14b mit der Zeit dazu, daß neben der elastischen Verformung auch eine plastische Verformung auftritt, wodurch der Sensor mit der Zeit Empfindlichkeit verlieren und schließlich unbrauch- bar werden würde. Erfindungsgemäß wird dieses Problem da- durch gelöst, daß eine Metallschicht 30 vorgesehen wird, die den mechanisch aktiven Teil zur mechanischen Stabilisierung desselben zumindest teilweise bedeckt. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt der mechanisch aktive Teil zum einen die Federn 14a, 14b als auch die seismische Masse 14c. Zur erfindungsgemäßen Stabilisierung, um eine gute Langzeitstabilität zu erreichen und somit überhaupt den Einsatz von Polymermaterialien für solche elektromechani- schen Bauelemente zu ermöglichen, werden die Federbalken mit der Metallschicht versehen. Es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, aus mechanischen Stabilisierungsgründen auch die seismische Masse 14c zu metallisieren. Dies wird jedoch im vorliegenden Fall aufgrund des kapazitiven Erfassungs- prinzips getan. Wenn kein kapazitives Erfassungsprinzip, sondern irgendein anderes Erfassungsprinzip verwendet wird, das keine Kontaktierung der beweglichen Masse 14c erfordert, so müßten lediglich die Federbalken 14a, 14b metallisiert werden, um ihre mechanischen Eigenschaften entscheidend zu verbessern.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die metallischen Schichten zur Stabilisierung, die vorzugsweise so ausgeführt werden, daß sie die Balken nicht nur teilweise, sondern vollständig umgeben, auch gleichzeitig zur Leitung von elektrischen Signalen dienen können.

Prinzipiell könnte der Polymerkörper 12 aus nur einem Poly- mermaterial bestehen, wobei die Strukturierung der kapaziti- ven Erfassungselektroden und auch der Federbalken beispiels- weise unter Verwendung eines Ein-Schuß-Spritzgußverfahrens durchgeführt werden würde, um danach unter Verwendung einer Schattenmaske die in Fig. 1 gezeigte Metallisierungsstruk- tur, d. h. die Metallschichten auf dem mechanisch aktiven Teil zur Stabilisierung und die weiteren Metallschichten, um die Leiterbahnen zu bilden, herzustellen.

Es wird jedoch bevorzugt, ein Zwei-Schuß-Spritzgußverfahren einzusetzen, bei dem in einem ersten Schuß die Bereiche, die später metallisiert werden sollen, unter Verwendung eines naßchemisch metallisierbaren Polymermaterials hergestellt werden, um dann in einem zweiten Schuß um das Ergebnis des ersten Schusses herum den festen Rahmen zu spritzen. Diese Zwei-Komponenten-Spritzgußtechnologie hat den Vorteil, daß sich die Strukturierung der Metallisierung gewissermaßen von selbst ergibt, wenn das Ergebnis des zweiten Schusses naß- chemisch metallisiert wird, da nur auf den Oberflächen, die aus dem ersten Polymerwerkstoff bestehen, der metallisierbar ist, eine Metallschicht gebildet wird, während auf den an- deren Oberflächen, die aus dem zweiten Polymermaterial be- stehen, das nicht naßchemisch metallisierbar ist, keine Metallablagerung stattfindet.

Der metallisierte Teil des Polymerkörpers haftet an dem nicht-metallisierten Teil per se aufgrund des Spritzgußver- fahrens. Um jedoch die Verbindungen zu verbessern, da ja unter Umständen zumindest im Bereich der Federn mechanische Kräfte wirken, werden vorzugsweise formschlüssige Veran- kerungen 32 vorgesehen, die dazu führen, daß die beiden Polymerteile aus den unterschiedlichen Polymermaterialien nicht nur aneinander haften, sondern auch formschlüssig mechanisch miteinander verbunden sind. Hierzu bieten sich beliebig gestaltete Verankerungsstrukturen an, die mit dem Herstellungsverfahren in zumindest zwei Stufen kompatibel sind.

Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, muß der IC 20 nicht als gehäuster Chip vorliegen, sondern derselbe kann auch als Nackt-Chip mit entsprechenden Anschlußflächen vorgesehen sein, die über die Bonddrähte 26 kontaktierbar sind.

Im nachfolgenden wird näher auf das bevorzugte Herstellungs- verfahren unter Verwendung der zwei verschiedenen Polymer- materialien für die beiden Spritzguß-Schüsse eingegangen.

Die Federn 14a, 14b, die seismische Masse 14c, die Finger- elektroden 16a, 16b sowie die Leiterbahnbereiche 24a bis 24c einerseits als auch die Leiterbahnbereiche 28a bis 28d ande- rerseits, die sich in den Steckerbereich 22 erstrecken, wer- den mit dem ersten Schuß aus einem geeigneten metallisier- baren ersten Polymerwerkstoff, beispielsweise aus Pd-dotier- tem LCP (LCP = ? ? ?) oder Polyamid (PA) 66 hergestellt. Dage- gen werden der restliche Teil des festen Rahmens, die Isola- tionsgebiete und weitere Merkmale, wie z. B. Schnappverbin- der, auf die bezugnehmend auf Fig. 2 eingegangen wird, mit dem zweiten Schuß aus dem zweiten Polymerwerkstoff herge- stellt, der in dem dann einzusetzenden Metallisierungsprozeß kein Metall annimmt. Ein solcher Werkstoff ist beispiels- weise undotiertes LCP oder PA 66. Für die Werkzeuggestaltung kann es jedoch unter Umständen auch vorteilhaft sein, die Reihenfolge beim Spritzgießprozeß umzukehren, d. h. zunächst die nicht zu metallisierenden Strukturen zu spritzen und dann die zu metalliserenden Strukturen.

Die Zwei-Komponenten-Spritzlinge werden anschließend in einer naßchemischen Prozeßfolge so behandelt, daß sich an der Oberfläche des ersten Polymerwerkstoffs eine Metall- schicht autokatalythisch abscheidet. Die wichtigsten Ar- beitsschritte bestehen dabei aus der Reinigung der Spritz- linge, der Temperung der Spritzlinge und der Sensibilisie- rung der Oberfläche derselben durch eine Oberflächenreak- tion, wie z. B. ein Anätzen der Oberfläche oder Aufquellen und Bekeimen der Oberfläche mit Pd-Keimen.

Anschließend werden die Spritzlinge im autokatalythischen Bad mit Metall beschichtet. Als Schichten kommen Kupfer oder Nickel als Startschicht, Leiterschicht und Schicht zur me- chanischen Stabilisierung sowie Gold als löt-und drahtbond- bare Oberflächenschutzschicht in Frage. Typische Metall- schichtdicken liegen hierbei in der Größenordnung von 30 im, wobei jedoch Schichtspannungen bzw. die Schichthaftung auf dem Polymerwerkstoff und insbesondere natürlich die Abschei- dedauer die Dicke begrenzen.

Daher wird es bevorzugt, die Schichtdicke vor der Vergoldung durch eine galvanische Schicht, z. B. Nickel, zu verstärken.

Während sich außenstromlos abgeschiedene Metallschichten durch eine sehr hohe Konformität der Schichten auszeichnen, neigen galvanische Schichten bei feinen Strukturdetails zu stark inhomogenen Schichtdicken, die sich negativ auf die Geometrie der Bauelemente, insbesondere aber auf die Abstän- de zwischen den Fingerelektroden oder auf die Federn und ihre elastischen Eigenschaften auswirken können.

Aufgrund der Symmetrie der Struktur können bei einem bevor- zugten Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung die feststehenden metallisierten Gebiete in Form der Fingerelek- troden 16a als Hilfselektroden genutzt werden, um über das Anlegen eines geeigneten Potentials eine homogenere Abschei- dung auf den Federbalken und auch auf der seismischen Masse zu erreichen. Dabei scheidet sich auf der Hilfselektrode kein Metall ab. Für die galvanische Abscheidung ist eine elektrische Kontaktierung der Gebiete erforderlich. Beim Anlegen der Spannung kommt es zu einer anziehenden Kraft auf die Sensorstruktur, die jedoch aufgrund der Symmetrie der Struktur insgesamt kompensiert wird.

Um jedoch sicher zu verhindern, daß sich die erste Finger- gruppe 16a und die zweite Fingergruppe 16b beim Anlegen einer elektrischen Spannung dennoch nicht berühren, bzw. für unsymmetrische Strukturen, bei denen sich die Anziehungs- kräfte nicht aufheben, kann eine Hilfsverbindung 34 aus dem ersten oder dem zweiten Polymermaterial eingesetzt werden.

Die Hilfsverbindung wird dann, nach Vollendung des Metalli- sierungsprozesses, wenn keine Potentialdifferenz mehr an die Kammstruktur angelegt wird, z. B. durch Ausstanzen entfernt.

Ein weiterer Parameter, der bei dem bevorzugten Ausführungs- beispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem der Polymer- körper aus zwei Polymerwerkstoffen besteht, berücksichtigt werden muß, ist die Verbundfestigkeit zwischen den verschie- denen Polymerwerkstoffen. Wenn zwei LCP-Werkstoffe im Zwei- Komponenten-Spritzgießverfahren ohne weitere Maßnahmen ver- bunden werden, entsteht eine u. U. zu geringe Haftfestig- keit. Um die Haftfestigkeit zwischen den Gebieten aus unterschiedlichem Polymermaterial zu verbessern, werden daher die bereits beschriebenen Verankerungen 32 eingesetzt, die insbesondere vorteilhafterweise dort plaziert werden, wo die höchsten mechanischen Belastungen auftreten, also im Bereich der Verbindungen der Federn mit dem festen Rahmen.

Nach der Herstellung und Metallisierung des Kunststoff- spritzlings wird das elektromechanische Bauelement mit dem elektronischen Schaltkreis 20 bestückt. Zur elektrischen Kontaktierung können verschiedene Maßnahmen eingesetzt werden, auf die in den weiteren Figuren im einzelnen eingegangen wird.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des elektromechanischen Bauelements 10, wobei, wie in Fig. 1, Bondverbindungen über Bonddrähte 26 zum Kontaktieren des Chips 20 verwendet wur- den. Zur Erhöhung der Robustheit wird über den Bereich, in dem sich der Chip 20 und die Bonddrähte 26 befinden, eine Vergußmasse 36 aufgebracht. Fig. 2 zeigt ferner die Ausge- staltung der externen Leiterbahnen am Beispiel der Leiter- bahn 28d im Steckerbereich, die so gebildet ist, daß sie sich um den Steckerbereich 22 herum erstreckt. In Fig. 2 ist ferner gezeigt, daß das elektromechanische Bauelement unter Verwendung eines Gehäusebodens 40 und eines Gehäusedeckels 42 eingekapselt wird, um es vor äußeren Einflüssen zu schüt- zen. Zur Verbindung des Polymerkörpers 12 mit sowohl dem Gehäuseboden 40 als auch dem Gehäusedeckel 42 sind auf dem Gebiet der Kunststofftechnik bekannte Schnappverbindungen mit einem entsprechenden ersten Schnapphaken an der einen Komponente und einem entsprechenden zusammenpassenden Schnapphaken an der anderen Komponente vorgesehen, die all- gemein durch das Bezugszeichen 44 gekennzeichnet sind. Zur Ausrichtung der beiden Komponenten sind ferner Ausrichtungs- stifte 46 an sowohl dem Gehäuseboden 40 als auch dem Gehäu- sedeckel 42 vorgesehen, die in entsprechende Ausrichtungs- löcher 48 einführbar sind. Zur Abdichtung des mechanisch aktiven Teils sind ferner umlaufende Dichtungen sowohl an dem Gehäusedeckel als auch an dem Gehäuseboden, die mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet sind, vorgesehen. Diese Dichtun- gen können entweder unter Verwendung von Gummiringen reali- siert werden, oder aber auch durch an Gehäusedeckel und Gehäuseboden angespritzte Dichtungskanten. Vorzugsweise bestehen nämlich sowohl Gehäuseboden als auch Gehäusedeckel ebenfalls aus dem Polymermaterial, und im Falle des Zwei- Komponenten-Ausführungsbeispiels zumindest teilweise aus dem Polymermaterial, das metallisierbar ist, um eine Metallisie- rung sowohl an der Außenseite des Gehäusebodens als auch an der Außenseite des Gehäusedeckels, die mit dem Bezugszeichen 52 gekennzeichnet ist, zu erreichen, um eine elektromagneti- sche Abschirmung sicherzustellen, wodurch sowohl das Rau- schen als auch die Empfindlichkeit des gesamten elektrome- chanischen Bauelements verbessert werden können.

Als Alternative zu der Verbindung des Polymerkörpers mit dem Gehäusedeckel 42 bzw. mit dem Gehäuseboden 40 unter Verwen- dung der Schnappverbinder 44 kann auch ein geeigneter Kleb- stoff oder ein Schweißverfahren eingesetzt werden. Geeignete Schweißverfahren sind das Ultraschallschweißen oder das Laserschweißen, insbesondere mit Diodenlasern. Wie es be- reits erwähnt worden ist, kann zur Vereinfachung des Zusam- menfügeprozesses die Anordnung aus Führungsstiften 46 und Führungslöchern 48 zur Justierung von Gehäusedeckel 42 und Gehäuseboden 40 verwendet werden.

Als Alternative zu der Konstruktion des elektromechanischen Bauelements unter Verwendung des Polymerkörpers, des Gehäu- sebodens 40 und des Gehäusedeckels 42, d. h. zur Konstruk- tion des elektromechanischen Bauelements aus drei Komponen- ten, wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Sensorelement von nur einer Seite aus mit einem Gehäuse- deckel verschlossen, während die andere Seite bereis beim Herstellungsprozeß des Polymerkörpers verschlossen wird. In anderen Worten ausgedrückt wird bei dem Bilden des Polymer- körpers gleichzeitig auch der Gehäuseboden gebildet, was durch eine geeignete Gußform ohne weiteres erreicht werden kann.

Der Gehäusedeckel muß jedoch so gestaltet sein, daß er nach- träglich aufgesetzt werden kann, um das elektromechanische Bauelement mit dem Chip 20 zu bestücken. Wenn jedoch auf einen bereits in dem elektromechanischen Bauelement einge- brachten Chip verzichtet wird, d. h. wenn die Anschlußflä- chen der Leiterbahnen 24a bis 24c (Fig. 1) bis zum Stecker- bereich 22"herausgezogen"werden, ist es prinzipiell auch möglich, das gesamte elektromechanische Bauelement unter Verwendung einer geeigneten Gußform in einem Zug zu bilden, da im Falle der Verwendung des naßchemischen Metallisie- rungsverfahrens im katalythischen Bad im Gegensatz zu den bekannten Siliziumtechnologien die zu metallisierenden Ober- flächen nicht von oben zugänglich sein müssen, da das auto- katalythische Bad in die Hohlräume eintritt und überall dort zur Metallabscheidung führt, wo als Polymermaterial das Material vorhanden ist, auf dem Metall unter Verwendung des naßchemischen Verfahrens aufgebracht werden kann.

Um eine höhere geometrische Genauigkeit der mechanisch akti- ven Teile des Polymerkörpers, d. h. der Federbalken 14a, 14b und der beweglichen Masse 14c im Falle des Beschleunigungs- sensors, zu schaffen, kann statt des Spritzgußverfahrens auch ein Spritzprägeverfahren oder ein Heißprägeverfahren verwendet werden, um die dann erhaltenen Prägeteile zu um- spritzen, um den fertigen Polymerkörper zu bilden, bei dem nun jedoch der mechanisch aktive Teil und im Falle der Ver- wendung einer kapazitiven Auswertung auch die zweite Finger- gruppe, d. h. die an dem Rahmen 18 angebrachten festen Fin- ger, eine noch genauer definierte geometrische Form haben.

Sowohl das Spritzprägeverfahren als auch das Heißprägever- fahren erlauben eine sehr hohe Strukturfeinheit und beson- ders einen geringen Bauteilverzug, der aufgrund von Ausrich- tungseffekten der Polymere auftreten kann, wenn lediglich ein Spritzgußverfahren eingesetzt wird.

In den nachfolgenden Fig. 3 bis 6 werden weitere Möglich- keiten zum Kontaktieren des Chips 20 an dem metallisierten Polymerkörper 12 beschrieben. Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, muß der Chip 20 nicht unbedingt als sogenannter Nackt-Chip vorliegen, sondern er kann auch in Form eines SMD-Bauele- ments (SMD = Surface Mont Device), d. h. einem gehäusten und mit Anschlüssen 60 versehenen Bauelement, vorliegen, wobei die Anschlüsse 60 auf die Anschlußflächen der Leiterbahnen 24a bis 24c bzw. 28a bis 28d (Fig. 1) aufgesetzt und dann entweder leitfähig verklebt oder aber bevorzugterweise mit den Anschlußflächen verlötet werden. Die Verwendung von einfach handhabbaren SMD-Bauelementen, die zugleich aufgrund der Massenproduktion in hohen Stückzahlen mit standardisier- ten Maßen vorliegen, ist aufgrund der im Vergleich zu Sili- ziumsensoren erreichbaren großen Höhe und Breite der elek- tromechanischen Bauelemente aus Polymer möglich.

Eine weitere günstige Variante der Kontaktierung des elek- trischen Schaltkreises, der nun wieder als Nackt-Chip 20 vorliegt, ist in Fig. 4 gezeigt. Bei dieser Variante wird der Chip 20 nicht durch Löten, Kleben, Bonden und derglei- chen kontaktiert, sondern lediglich durch Federkraft unter Verwendung metallisierter Federkontakte 62. Bei einem sol- chen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird, um eine einfachere Konstruktion der Federkontakte 62 zu erhal- ten, eine Vertiefung 64 in dem Polymerkörper 12 vorgesehen, die durch ein entsprechendes Spritzgießwerkzeug ohne weite- res erhalten werden kann. Vorzugsweise wird die Vertiefung so dimensioniert, daß, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, die Oberfläche des Chips 20 mit der Oberfläche des Polymerkör- pers 12 im wesentlichen bündig ist. Anschließend wird der Chip in die Vertiefung gelegt und, wenn es nötig ist, leicht angeheftet, daß er beim Aufsetzen des Deckels 42 nicht ver- rutscht. Wenn der Deckel dann aufgesetzt wird und Deckel und Polymerkörper 12 zusammengedrückt werden, rasten irgendwann die Schnappverbinder 44 ein. Die Federkontakte 62 sind so dimensioniert, daß sie, wenn die Schnappverbindungen 44 ein- schnappen, einen Druck sowohl auf Anschlußflächen 66 des Chips 20 als auch auf entsprechende Anschlußflächen der zu kontaktierenden Leiterbahnen, z. B. 24a, 28d, ausüben, der- art, daß eine einfache und vor allem lösbare Kontaktverbin- dung erreicht worden ist. Wie es in Fig. 4 durch die schraf- fierten Bereiche der Federkontakte 62 veranschaulicht ist, sind die unteren Abschnitte derselben metallisiert, damit überhaupt erst ein elektrischer Kontakt zwischen Chip und Leiterbahn auftreten kann. Die metallisierten Federkontakte 62 können genauso wie die metallisierten Bereiche des Poly- merkörpers 12 aus dem Polymermaterial gespritzt werden, das durch ein naßchemisches Verfahren metallisierbar ist. Im Falle der Verwendung nur eines einzigen Polymermaterials können die Federkontakte auch unter Verwendung einer Schat- tenmaske etc. leitend gemacht werden.

Eine weitere Alternative der Chipbefestigung ist in Fig. 5 dargestellt. Hier wird der Chip 20 bezüglich seiner Orien- tierung in Fig. 4 umgedreht, so daß die Anschlußflächen 66 des Nackt-Chips 20 bezugnehmend auf Fig. 5 nach unten ge- richtet sind. Dieselben werden auf Kontakthügel 68 gelegt, woraufhin der Gehäusedeckel 42, der mit einer Andruckfeder 70 versehen ist, aufgesetzt und in Richtung des Polymerkör- pers 12 gedrückt wird, bis die Schnappverbinder 44 ein- schnappen.

In Fig. 6 ist dagegen eine weitere Möglichkeit des Kontak- tierens des Chips 20 gezeigt, wobei der Chip 20 hier mittels Kleber-Kontakthügeln 72 angeschlossen wird. Der Kleber, der die Kleber-Kontakthügel 72 bildet, muß selbstverständlich ein leitfähiger Kleber sein. Die Kleber-Kontakthügel können beispielsweise mit der Stempeltechnik, der Dispenstechnik oder mittels einer Schablonendrucktechnik auf dem Polymer- körper aufgebracht werden.

Der Chip 20 übernimmt bei den erfindungsgemäßen elektro- mechanischen Bauelementen vorzugsweise die bekannten elek- tronischen Funktionen für den Einsatz als Beschleunigungs- sensor, als Drehratensensor, als Mikroventil, als Mikro- pumpe, als Drucksensor als Kraftsensor. Funktionen können beispielsweise das Kapazitätsauslesen, Temperaturkompensa- tionen und Selbsttestfunktionen sein.

Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der ineinandergreifenden Elektrodengruppen 100 von Fig. 1, wobei die Elektrodenfinger jedoch wellenförmig ausgebildet sind.

Wie es in Fig. 7 gezeigt ist, hat der Polymerkörper wellen- förmige Elektrodenstrukturen 100, um damit eine höhere me- chanische Stabilität von dünnen Werkzeugwänden beim Spritz- giessen zu erzielen.

Aus dem vorangegangenen ist ersichtlich, daß durch die geo- metrische Auslegung des aktiven Teils des elektromechani- schen Bauelements, d. h. im Falle von Beschleunigungssenso- ren der Federn und der Masse, durch die Auswahl der Werk- stoffe und durch die Optimierung der Metalldicken ähnliche Parameter wie bei bekannten Airbag-Sensoren aus Silizium erreicht werden können. Dies betrifft insbesondere die Grundkapazität, die Empfindlichkeit als Kapazitätsänderung mit anliegender Beschleunigung, die Eigenfrequenz und die Dämpfung. Aufgrund der ähnlichen Eigenschaften der erfin- dungsgemäßen elektromechanischen Bauelemente im Verglich zu Siliziumsensoren können sogar elektronische Schaltkreise verwendet werden, die eigentlich für Silizium vorgesehen sind, oder zumindest Schaltkreise, die zu den bereits vorhandenen Schaltkreisen ähnlich sind. Es muß somit auf elektronischer Seite kein vollständiges Redesign mehr erfolgen.

Zusammenfassend weist ein erfindungsgemäßes elektromechani- sches Bauelement somit bewegliche Elemente, integrierte Lei- terbahnen und Gebiete mit metallisierten Oberflächen auf, wobei die elektromechanischen Bauelemente aus polymeren Werkstoffen vorzugsweise mit Hilfe der Zwei-oder Mehr-Kom- ponenten-Spritzgießtechnik und stromloser chemischer Metal- lisierung hergestellt werden. Die wesentlichen Vorteile gegenüber elektromechanischen Bauelementen aus Silizium sind : drastisch reduzierte Kosten durch die einfache Herstell- barkeit ; beliebige Formgebung der Polymerkörper zur Realisierung von Schnappverbindungen, Andruckfedern, Ausrichtungsstif- ten, Führungslöchern, Verankerungen, Dichtungen,... ; geringere Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen und Umgebungsbedingungen aufgrund der beliebig groß einstell- baren Bauelementegröße ; und beliebige dreidimensionale Formung statt der für Silizium bekannten zweidimensionalen Oberflächenbearbeitung.