DE102018211280B4 - MEMS sensor and method for manufacturing a MEMS sensor - Google Patents

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Abstract

MEMS-Sensorelement (1b) mit einer auslenkbar angeordneten Membran (4), umfassendein Substrat (2),eine Trägerstruktur (9) für die auslenkbar angeordnete Membran (4), wobei die Trägerstruktur (9) mit dem Substrat (2) zumindest in einem Bereich (80) verbunden ist und wobei die Membran (4) teilweise mit der Trägerstruktur (9) verbunden ist, und wobei zwischen der Trägerstruktur (9) und der Membran (4) ein abgeschlossener Raum (40) gebildet ist, undeine Elektrodenstruktur (6), welche in dem abgeschlossenen Raum (40) beabstandet von Trägerstruktur (9) und Membran (4) angeordnet ist,wobei Trägerstruktur (9) und Substrat (2) über eine Federstruktur (15) miteinander verbunden sind.MEMS sensor element (1b) with a deflectably arranged membrane (4), comprising a substrate (2), a support structure (9) for the deflectably arranged membrane (4), the support structure (9) with the substrate (2) at least in one Area (80) is connected and wherein the membrane (4) is partially connected to the support structure (9), and wherein a closed space (40) is formed between the support structure (9) and the membrane (4), and an electrode structure (6 ), which is arranged in the closed space (40) at a distance from the support structure (9) and membrane (4), the support structure (9) and substrate (2) being connected to one another via a spring structure (15).

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein MEMS-Sensorelement mit einer auslenkbar angeordneten Membran.The invention relates to a MEMS sensor element with a deflectably arranged membrane.

Die Erfindung betrifft weiter einen MEMS-Sensor.The invention also relates to a MEMS sensor.

Die Erfindung betrifft weiter einen Chip mit zumindest einem MEMS-Sensorelement.The invention further relates to a chip with at least one MEMS sensor element.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Sensorelements mit einer auslenkbar angeordneten Membran.The invention further relates to a method for producing a MEMS sensor element with a deflectably arranged membrane.

Stand der TechnikState of the art

Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige Sensoren mit Sensorelementen mit einer aus lenkbar angeordneten Membran anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf einen MEMS-Sensor in Form eines kapazitiven Drucksensors beschrieben.Although the present invention is generally applicable to any sensors with sensor elements with a diaphragm arranged in a steerable manner, the present invention is described with reference to a MEMS sensor in the form of a capacitive pressure sensor.

Bekannt geworden sind Anordnungen und Verfahren zur Herstellung von kapazitiven Drucksensoren, wobei auf einem Substrat eine feststehende Elektrode angeordnet wird. Über der Elektrode wird dann eine isolierende Opferschicht aufgebracht und strukturiert. Darauf wird ein erster Teil einer Membranschicht aufgebracht und im späteren Membranbereich werden schmale Zugangslöcher angeordnet. Durch diese Löcher wird über ein Ätzverfahren die Opferschicht unter der Membran in Teilbereichen entfernt. Danach werden mit einer Abscheidung die Zugangslöcher verschlossen. Mit geeigneten Verfahren kann erreicht werden, dass in dem Hohlraum unter der Membran ein geringer Druck eingeschlossen wird. Weitere Schichtabscheidungen auf der Membran ermöglichen einen dichten Verschluss der Membran.Arrangements and methods for producing capacitive pressure sensors are known, a stationary electrode being arranged on a substrate. An insulating sacrificial layer is then applied and structured over the electrode. A first part of a membrane layer is applied to this and narrow access holes are arranged in the later membrane area. Through these holes, the sacrificial layer under the membrane is removed in partial areas using an etching process. The access holes are then closed with a deposit. With suitable methods it can be achieved that a low pressure is enclosed in the cavity under the membrane. Further layer deposits on the membrane enable the membrane to be sealed tightly.

Aus der Schrift DE 10 2013 213 065 A1 ist MEMS-Sensorelement mit einer auslenkbar angeordneten Membran, umfassend ein Substrat und eine Trägerstruktur für die auslenkbar angeordnete Membran bekannt. Die Trägerstruktur ist mit dem Substrat zumindest in einem Bereich verbunden. Die Membran ist über die Schichten teilweise mit der Trägerstruktur verbunden. Zwischen der Trägerstruktur und der Membran ist ein abgeschlossener Raum ebildet. Eine Elektrodenstruktur ist in dem abgeschlossenen Raum beabstandet von Trägerstruktur und Membran 34 angeordnet.From scripture DE 10 2013 213 065 A1 MEMS sensor element with a deflectably arranged membrane, comprising a substrate and a support structure for the deflectably arranged membrane, is known. The carrier structure is connected to the substrate at least in one area. The membrane is partially connected to the support structure via the layers. A closed space is formed between the support structure and the membrane. An electrode structure is spaced apart from the support structure and membrane in the enclosed space 34 arranged.

Aus der Schrift US 2006/0108652 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS Bauelements bekannt, bei dem mittels Opferschichten Strukturen auf einem Substrat aufgebracht werden.From scripture US 2006/0108652 A1 a method for producing a MEMS component is known in which structures are applied to a substrate by means of sacrificial layers.

Die DE 10 2016 216 234 A1 zeigt ein mikromechanisches Bauteil mit einem Substrat und einem Kappenwafer. Das Substrat ist die Trägerstruktur für ein Membranen und teilweise mit den Membranen verbunden. Über den Membranen ist eine Elektrodenstruktur angeordnet.The DE 10 2016 216 234 A1 shows a micromechanical component with a substrate and a cap wafer. The substrate is the support structure for a membrane and is partially connected to the membrane. An electrode structure is arranged over the membranes.

Weitere Schriften, die den Aufbau von MEMS Bauelementen unter Zuhilfenahme von Opferschicht Strukturen und Trägerstrukturen sind aus den Schriften DE 10 2013 213 071 B3 und DE 10 2014 200 512 A1 bekannt.Further documents that describe the construction of MEMS components with the aid of sacrificial layer structures and carrier structures are from the documents DE 10 2013 213 071 B3 and DE 10 2014 200 512 A1 known.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein MEMS-Sensorelement mit einer auslenkbar angeordneten Membran bereit, umfassend ein Substrat, eine Trägerstruktur für die auslenkbar angeordnete Membran, wobei die Trägerstruktur mit dem Substrat zumindest in einem Bereich verbunden ist und wobei die Membran teilweise mit der Trägerstruktur verbunden ist, und wobei zwischen der Trägerstruktur und der Membran ein abgeschlossener Raum gebildet ist, und eine Elektrodenstruktur, welche in dem abgeschlossenen Raum beabstandet von Trägerstruktur und Membran angeordnet ist, wobei Trägerstruktur und Substrat über eine Federstruktur miteinander verbunden sind.In one embodiment, the invention provides a MEMS sensor element with a deflectably arranged membrane, comprising a substrate, a support structure for the deflectably arranged membrane, wherein the support structure is connected to the substrate at least in one area and wherein the membrane is partially connected to the support structure and wherein a closed space is formed between the support structure and the membrane, and an electrode structure which is arranged in the closed space at a distance from the support structure and the membrane, the support structure and substrate being connected to one another via a spring structure.

In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen MEMS-Sensor bereit mit einem ersten MEMS-Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1-9, und mit einem zweiten MEMS-Sensorelement, welches als Referenz-Sensorelement für das erste MEMS-Sensorelement ausgebildet ist.In a further embodiment, the invention provides a MEMS sensor with a first MEMS sensor element according to one of claims 1-9, and with a second MEMS sensor element which is designed as a reference sensor element for the first MEMS sensor element.

In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen Chip mit zumindest einem MEMS-Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1-9 bereit.In a further embodiment, the invention provides a chip with at least one MEMS sensor element according to one of claims 1-9.

In einer weiteren Ausführung vom stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Sensorelements mit einer auslenkbar angeordneten Membran bereit, umfassend die Schritte

  • - Bereitstellen eines Substrats,
  • - Aufbringen einer ersten Opferschicht auf das Substrat, insbesondere wobei die erste Opferschicht nachfolgend strukturiert wird,
  • - Aufbringen einer Membranschicht auf die erste Opferschicht, insbesondere wobei die Membranschicht nachfolgend strukturiert wird,
  • - Aufbringen einer zweiten Opferschicht,
  • - Bereitstellen zumindest einer Elektrodenstruktur auf der zweiten Opferschicht mittels Aufbringen zumindest einer Elektrodenschicht, welche anschließend strukturiert wird,
  • - Aufbringen einer Isolationsschicht auf die Elektrodenstruktur, welche anschließend strukturiert wird,
  • - Bereitstellen einer Trägerstruktur auf der Isolationsschicht mittels Aufbringen zumindest einer Trägerschicht, welche anschließend strukturiert wird,
  • - Entfernen der Opferschichten mittels zumindest eines Zugangs zur jeweiligen Opferschicht, und
  • - Verschließen des zumindest einen Zugangs.
In a further embodiment of the invention provides a method for producing a MEMS sensor element with a deflectably arranged membrane, comprising the steps
  • - providing a substrate,
  • Applying a first sacrificial layer to the substrate, in particular wherein the first sacrificial layer is subsequently structured,
  • Applying a membrane layer to the first sacrificial layer, in particular wherein the membrane layer is subsequently structured,
  • - applying a second sacrificial layer,
  • - Providing at least one electrode structure on the second sacrificial layer by applying at least one electrode layer, which is then structured,
  • - Application of an insulation layer on the electrode structure, which is then structured,
  • - Provision of a carrier structure on the insulation layer by applying at least one carrier layer, which is then structured,
  • Removing the sacrificial layers by means of at least one access to the respective sacrificial layer, and
  • - Closing the at least one access.

Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit Stress und Verbiegung erheblich reduziert werden können, da Membran und Trägerstruktur vom Substrat entkoppelbar sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Membran an die Trägerschicht im Wesentlichen direkt angebunden ist und so die Membran-Spannweite beziehungsweise der Membrandurchmesser und damit die Empfindlichkeit des MEMS-Sensorelements sehr gut definiert ist.One of the advantages achieved in this way is that stress and bending can be reduced considerably, since the membrane and support structure can be decoupled from the substrate. Another advantage is that the membrane is essentially directly connected to the carrier layer and the membrane span or the membrane diameter and thus the sensitivity of the MEMS sensor element is very well defined.

Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.Further features, advantages and further embodiments of the invention are described below or become apparent thereby.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Membran beabstandet von Trägerstruktur und Substrat zwischen diesen angeordnet. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass die Membran durch die Anordnung zwischen Trägerschicht und Substrat gut geschützt ist.According to an advantageous development, the membrane is arranged at a distance from the support structure and substrate between them. One of the advantages achieved in this way is that the membrane is well protected by the arrangement between the carrier layer and the substrate.

Die Federstruktur kann dabei so ausgebildet werden, dass die Robustheit der Trägerstruktur erhöht wird, ohne die Empfindlichkeit des MEMS-Sensorelements, genauer die Verbiegungseigenschaften der Membran nicht zu stark zu beeinflussen. Damit kann die Robustheit der Trägerstruktur erhöht werden.The spring structure can be designed in such a way that the robustness of the carrier structure is increased without influencing the sensitivity of the MEMS sensor element, more precisely the bending properties of the membrane, too much. This can increase the robustness of the support structure.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Membran durchgehend ausgebildet und/oder Membran, Trägerstruktur und Elektrodenstruktur sind aus dem gleichen Material hergestellt. Wird die Membran durchgehend ausgebildet, wird eine einfache Herstellung der Membran sowie eine sehr gut definierte Empfindlichkeit des MEMS-Sensorelements ermöglicht. Sind die Membran, die Trägerstruktur und die Elektrodenstruktur aus dem gleichen Material hergestellt, hat ein derartiger Aufbau nahezu keinen intrinsischen Stress und insbesondere, wenn hierfür polykristallines Silizium als Material verwendet wird, weist dieser auch ein sehr gutes Temperaturverhalten auf.According to a further advantageous development, the membrane is designed to be continuous and / or the membrane, support structure and electrode structure are made from the same material. If the membrane is made continuous, the membrane can be manufactured easily and the sensitivity of the MEMS sensor element is very well defined. If the membrane, the support structure and the electrode structure are made of the same material, such a structure has almost no intrinsic stress and, in particular, if polycrystalline silicon is used as the material for this, it also has very good temperature behavior.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Elektrodenstruktur über zumindest einen Isolierschichtbereich mit der Trägerstruktur verbunden, insbesondere wobei der Isolierschichtbereich durch eine dielektrische Schicht gebildet ist. Insbesondere ist dabei der Isolierschichtbereich zur Bereitstellung von lediglich punktuellen Verbindungen zwischen Trägerstruktur und Elektrodenstruktur ausgebildet. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit auf zuverlässige Weise die Trägerstruktur mit der Elektrodenstruktur verbunden werden kann. Weiter kann damit eine Grundkapazität zwischen Elektrodenstruktur und Trägerstruktur verringert werden, wodurch eine genauere Auswertung einer Kapazitätsänderung möglich wird.According to a further advantageous development, the electrode structure is connected to the carrier structure via at least one insulating layer area, in particular wherein the insulating layer area is formed by a dielectric layer. In particular, the insulating layer region is designed to provide only punctiform connections between the carrier structure and the electrode structure. One of the advantages achieved in this way is that the carrier structure can be connected to the electrode structure in a reliable manner. Furthermore, a basic capacitance between the electrode structure and the carrier structure can be reduced, which enables a more precise evaluation of a change in capacitance.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind Trägerstruktur und Membran über eine umlaufende Verbindung miteinander verbunden, wobei eine Öffnung im Bereich zumindest einer Verbindung zwischen Trägerstruktur und Substrat angeordnet ist. Vorteil hiervon ist, dass damit zum einen eine zuverlässige Festlegung von Trägerstruktur und Membran aneinander, zum anderen eine einfache Herstellung ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass damit die Elektronenstruktur auf einfache Weise elektrisch nach außen geführt werden kann, also kontaktiert werden kann und es dabei auch optional möglich, beispielsweise einen Ätzkanal und/oder einen Belüftungskanal in den Bereich der Membran hineinzuführen.According to a further advantageous development, the carrier structure and membrane are connected to one another via a circumferential connection, an opening being arranged in the region of at least one connection between the carrier structure and the substrate. The advantage of this is that, on the one hand, it enables the support structure and membrane to be reliably fixed to one another and, on the other hand, simple manufacture. Another advantage is that the electronic structure can thus be led electrically to the outside in a simple manner, that is to say contacted, and it is also optionally possible, for example, to lead an etching channel and / or a ventilation channel into the area of the membrane.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung beträgt ein Abstand zwischen Membran und Substrat weniger als ein Fünftel, vorzugsweise weniger als ein Zehntel des Membrandurchmessers. Dies hat den Vorteil, dass, wenn sich Wasser im Raum zwischen Membran und Substrat sammelt und dieses gefriert, die Ausdehnung des Wassers beim Gefrieren durch Bewegung der Membran und der Trägerstruktur kompensiert werden kann. Mit anderen Worten wird lediglich eine derart geringe Menge von Wasser in diesem Bereich zugelassen, sodass das MEMS-Sensorelement nicht beim Gefrieren des Wassers zerstört wird, sondern eine Kompensation durch Bewegung von Membran und Trägerstruktur erfolgt.According to a further advantageous development, a distance between membrane and substrate is less than a fifth, preferably less than a tenth of the membrane diameter. This has the advantage that if water collects in the space between the membrane and the substrate and this freezes, the expansion of the water during freezing can be compensated for by moving the membrane and the support structure. In other words, only such a small amount of water is allowed in this area that the MEMS sensor element is not destroyed when the water freezes, but compensation takes place through movement of the membrane and support structure.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest ein Überlastanschlag für die Membran, vorzugsweise an der Trägerstruktur, angeordnet. Damit kann auf zuverlässige Weise ein Kurzschluss der Membran mit der Elektrodenstruktur bei Überlast verhindert werden.According to a further advantageous development, at least one overload stop is arranged for the membrane, preferably on the support structure. A short circuit between the membrane and the electrode structure in the event of an overload can thus be prevented in a reliable manner.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest eine Durchkontaktierung zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenstruktur von der der Trägerstruktur abgewandten Seite des Substrats angeordnet. Mit anderen Worten können auf diese Weise die elektrischen Kontakte über die Substratrückseite geführt werden, was einen einfacheren Aufbau auf der Substratvorderseite ermöglicht.According to a further advantageous development, at least one through-contact for making electrical contact with the electrode structure is from arranged on the side of the substrate facing away from the support structure. In other words, in this way the electrical contacts can be routed over the back of the substrate, which enables a simpler construction on the front of the substrate.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors weist das zweite MEMS-Sensorelement eine Membran und eine Elektrodenstruktur auf, wobei das erste MEMS-Sensorelement in seiner Ausgangslage in zumindest einem Teilbereich einen ersten Abstand zwischen seiner Membran und seiner Elektrodenstruktur aufweist und wobei das zweite MEMS-Sensorelement in seiner Ausgangslage in zumindest einem Teilbereich einen zweiten Abstand zwischen seiner Membran und seiner Elektrodenstruktur aufweist und wobei erster Abstand und zweiter Abstand unterschiedlich sind. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit auf einfache Weise Referenzkapazitäten definiert werden können. So kann beispielsweise bei gleicher Fläche einer Elektrode der Elektrodenstruktur eine Referenzkapazität bereitgestellt werden, die der einer bereits aus gelenkten Membran entspricht. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Einstellung eines gewünschten Abstands zwischen Membran und Elektrodenstruktur besonders genau möglich ist.According to an advantageous development of the MEMS sensor, the second MEMS sensor element has a membrane and an electrode structure, wherein the first MEMS sensor element in its starting position has a first distance between its membrane and its electrode structure in at least one partial area and wherein the second MEMS sensor element In its starting position, the sensor element has a second distance between its membrane and its electrode structure in at least one partial area, and the first distance and the second distance are different. One of the advantages achieved with this is that reference capacities can be defined in a simple manner. For example, with the same area of an electrode of the electrode structure, a reference capacitance can be provided which corresponds to that of a membrane that has already been deflected. Another advantage is that it is possible to set a desired distance between the membrane and the electrode structure in a particularly precise manner.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors ist das zweite MEMS-Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1-9 ausgebildet und die Membran des zweiten MEMS-Sensorelements ist im Vergleich zu der des ersten MEMS-Sensorelements mindestens um einen Faktor 2 schwerer auslenkbar. Vorteil hiervon ist, dass der Messbereich des MEMS-Sensors insgesamt erhöht werden kann, da die MEMS-Sensorelemente für verschiedene Druckbereiche unterschiedlich empfindlich sind.According to an advantageous development of the MEMS sensor, the second MEMS sensor element is designed according to one of claims 1-9 and the membrane of the second MEMS sensor element is more difficult to deflect by at least a factor of 2 compared to that of the first MEMS sensor element. The advantage of this is that the measuring range of the MEMS sensor can be increased overall, since the MEMS sensor elements are differently sensitive for different pressure ranges.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors weisen erstes und zweites MEMS-Sensorelement eine gemeinsame Trägerstruktur auf, wobei zumindest eines der beiden MEMS-Sensorelemente in seinem auslenkbaren Bereich über eine Versteifungseinrichtung mit der Trägerstruktur verbunden ist. Damit kann auf besonders einfache Weise eine Referenzkapazität zur Verfügung gestellt werden, was die Genauigkeit des MEMS-Sensors insgesamt erhöht.According to an advantageous development of the MEMS sensor, the first and second MEMS sensor elements have a common carrier structure, at least one of the two MEMS sensor elements being connected to the carrier structure in its deflectable area via a stiffening device. A reference capacitance can thus be made available in a particularly simple manner, which increases the accuracy of the MEMS sensor overall.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors sind erstes und zweites MEMS-Sensorelement auf demselben Substrat angeordnet und geometrisch im Wesentlichen gleich ausgebildet sind. Damit ist man in der Lage auf einfache Weise ein zweites MEMS-Sensorelement herzustellen, welches auf das erste MEMS-Sensorelement gut abgestimmt werden kann. Das zweite MEMS-Sensorelement kann dann beispielsweise als Referenzelement mit sehr gut definierter Kapazität in Relation zur Grundkapazität des ersten MEMS-Sensorelements genutzt werden oder als Element zur Erweiterung des Messbereichs des MEMS-Sensors, wobei der Überlapp der beiden Messbereiche sehr genau definiert ist.According to an advantageous development of the MEMS sensor, the first and second MEMS sensor elements are arranged on the same substrate and are of essentially identical geometrical design. This enables a second MEMS sensor element to be produced in a simple manner, which can be well matched to the first MEMS sensor element. The second MEMS sensor element can then be used, for example, as a reference element with a very well-defined capacitance in relation to the basic capacitance of the first MEMS sensor element, or as an element for expanding the measuring range of the MEMS sensor, the overlap of the two measuring areas being very precisely defined.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird vor dem Aufbringen der Isolationsschicht eine dritte Opferschicht aufgebracht und insbesondere strukturiert. Dies ermöglicht eine besonders einfache Aufbringung der nachfolgenden Isolationsschicht. Damit kann die Aufhängung der Elektrodenstruktur an der Trägerstruktur nur an einzelnen Punkten vorgenommen werden. Dies ermöglicht wiederum die Menge an dielektrischem Material im Bereich der beweglichen Membran und der Elektrodenstruktur und der Trägerschicht zu reduzieren. Schädliche Effekte aufgrund beispielsweise unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem dielektrischen Material und den leitenden Materialien können damit deutlich verringert werden.According to a further advantageous development of the method, a third sacrificial layer is applied and in particular structured before the insulation layer is applied. This enables a particularly simple application of the subsequent insulation layer. This means that the electrode structure can only be suspended from the support structure at individual points. This in turn makes it possible to reduce the amount of dielectric material in the area of the movable membrane and the electrode structure and the carrier layer. Harmful effects due, for example, to different expansion coefficients between the dielectric material and the conductive materials can thus be significantly reduced.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird im Substrat und/oder in zumindest der ersten Opferschicht zumindest ein Zugang ausgebildet. Damit können die Opferschichten später auf besonders einfache Weise entfernt und die Membran freigestellt werden.According to a further advantageous development of the method, at least one access is formed in the substrate and / or in at least the first sacrificial layer. In this way, the sacrificial layers can later be removed in a particularly simple manner and the membrane exposed.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention emerge from the subclaims, from the drawings, and from the associated description of the figures on the basis of the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.Preferred designs and embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description, with the same reference symbols referring to the same or similar or functionally identical components or elements.

FigurenlisteFigure list

Dabei zeigen in schematischer Form und im Querschnitt

  • 1 einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 einen MEMS Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 4 einen Chip gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 5-14 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 15 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 16 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Show in schematic form and in cross section
  • 1 a MEMS sensor according to an embodiment of the present invention;
  • 2 a MEMS sensor according to an embodiment of the present invention;
  • 3 a MEMS sensor according to an embodiment of the present invention;
  • 4th a chip according to an embodiment of the present invention;
  • 5-14 Steps of a method according to an embodiment of the present invention;
  • 15th Steps of a method according to an embodiment of the present invention; and
  • 16 Steps of a method according to an embodiment of the present invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 Figure 3 shows a MEMS sensor according to an embodiment of the present invention.

In 1 ist ein MEMS-Sensor mit einem MEMS-Sensorelement 1b gezeigt. Das MEMS-Sensorelement 1b weist dabei folgenden Schichtaufbau von unten nach oben auf. Auf einem Substrat 2 ist eine Isolierschicht 3 angeordnet, die strukturiert ist. Auf dieser strukturierten Isolierschicht 3 ist eine Membran 4 angeordnet, die beweglich in vertikaler Richtung ausgebildet ist. Auf der Oberseite der Membran 4 und beabstandet von dieser ist eine Elektrodenstruktur 6 angeordnet, die über punktuelle Isolierschichtverbindungen 8 mit einer oberhalb der Elektrodenstruktur 6 angeordneten Trägerstruktur 9 verbunden ist. Die Trägerstruktur 9 weist dabei Zugänge 30 zu dem Raum 40 auf, der durch die Membran 4 und die Trägerstruktur 9 gebildet wird. Die Zugänge 30 sind hierbei über eine weitere Schicht 10, auf der eine Kontaktierung 11 angeordnet ist, druckdicht abgeschlossen. Der Raum zwischen Substrat 2 und Membran 4 weist eine - in 1 auf der rechten Seite - Öffnung 16 auf. Darüber hinaus beträgt ein Abstand zwischen Membran 4 und Substrat 2 weniger als 1/5, vorzugsweise weniger als 1/10 des Membrandurchmessers 60. Die Membran 4In 1 is a MEMS sensor with a MEMS sensor element 1b shown. The MEMS sensor element 1b has the following layer structure from bottom to top. On a substrate 2 is an insulating layer 3 arranged that is structured. On this structured insulating layer 3 is a membrane 4th arranged, which is formed movable in the vertical direction. On top of the membrane 4th and spaced therefrom is an electrode structure 6th arranged over punctual insulating layer connections 8th with one above the electrode structure 6th arranged support structure 9 connected is. The support structure 9 shows entrances 30th to the room 40 on that through the membrane 4th and the support structure 9 is formed. The entrances 30th are here on another layer 10 , on which a contact 11 is arranged, sealed pressure-tight. The space between the substrate 2 and membrane 4th has a - in 1 on the right - opening 16 on. In addition, there is a distance between the membrane 4th and substrate 2 less than 1/5, preferably less than 1/10 of the membrane diameter 60 . The membrane 4

In der Elektrodenstruktur 6 sowie im oberen Bereich des Substrats 2 unterhalb des Auslenkungsbereichs der Membran 4 sind Ätzkanäle 20, 21 angeordnet. Im Bereich in der Mitte des auslenkbaren Bereichs der Membran 4 ist ein Anschlag 50 für die Membran 4 an der Trägerstruktur 9 angeordnet. Als Membranmaterial kann hier polykristallines Silizium verwendet werden. Die Membran 4 wird nicht mit Zugangslöchern versehen, wodurch erreicht wird, dass die Membran 4 nur aus einem oder wenigen Materialien hergestellt werden kann. Die Membran 4 wird dabei seitlich - hier mittels vertikaler Verbindungen 64a, 64b aus Elektrodenmaterial links und rechts des auslenkbaren Bereichs der Membran 4 - direkt mit der Trägerstruktur 9 gekoppelt. Die linke Verbindung 64a weist dabei eine Öffnung 64' oder eine Unterbrechung beispielsweise einer umlaufenden Verbindung 64a, 64b auf, durch die die Elektrodenstruktur 6 zur elektrischen Kontaktierung seitlich nach links herausgeführt wird. Wie vorstehend beschrieben ist zwischen Membran 4 und Trägerstruktur 9 eine Elektrodenstruktur 6 vorgesehen, die nur über kleine Isolationsinseln 8 punktuell mit der Trägerstruktur 9 verbunden ist. Im Raum 40 zwischen Membran 4 und Trägerstruktur 9 wird ein Referenzdruck eingeschlossen. Die Auslenkung der Membran 4 bei Druck wird durch Messung der Kapazitätsänderung zwischen Membran 4 und der Elektrodenstruktur 6 bestimmt. Die Membran 4 ist in der 1 zwischen den Substrat 2 und der Trägerstruktur 9 angeordnet, kann jedoch auch in anderer Weise angeordnet sein. Die Trägerstruktur 9 und die Membran 4 sind dabei im Wesentlichen „frei schwebend“ über dem Substrat 2 angeordnet. Wie hier in 1 dargestellt werden bevorzugt die Trägerstruktur 9 und die Membran 4 nur in einem Teilbereich 80, 80' jeweils mit dem Substrat 2 verbunden. Genauer ist links der Zugänge 30 in 1 im Bereich 80' die Trägerstruktur 9 über Material der Elektrodenstruktur 6, Material der Membran 4 sowie Material der Isolierschicht 3 mit dem Substrat 2 verbunden. Auf der rechten Seite im Bereich 80, also rechts der Zugänge 30 ist die Trägerstruktur 9 über Material der Elektrodenstruktur 6, mit der Membran 4 und diese über Material der Isolierschicht 3 mit dem Substrat 2 verbunden. Der Teilbereich 80' ist vorzugsweise auf der der Öffnung 16 abgewandten Seite der Membran 4 angeordnet, der Teilbereich 80 vorzugsweise im Bereich der Festlegung der Elektrodenstruktur 6 über Membranmaterial und Isoliermaterial am Substrat 2 und/oder auf der Seite der Zugänge 30 angeordnet, welche dem Bereich der Trägerstruktur 9 mit den Isolierschichtverbindungen 8 abgewandt ist. Es ist ebenfalls möglich, Trägerstruktur 9 und Membran 4 in mehreren Teilbereichen mit den Substrat 2 zu verbinden, wobei zumindest ein Teilbereich 15 dann federnde Eigenschaften aufweist, wie dies in 4 dargestellt ist.In the electrode structure 6th as well as in the upper area of the substrate 2 below the deflection area of the membrane 4th are etching channels 20th , 21st arranged. In the area in the middle of the deflectable area of the membrane 4th is a stop 50 for the membrane 4th on the support structure 9 arranged. Polycrystalline silicon can be used here as the membrane material. The membrane 4th is not provided with access holes, thereby reaching the membrane 4th can only be made from one or a few materials. The membrane 4th is laterally - here by means of vertical connections 64a , 64b Made of electrode material on the left and right of the deflectable area of the membrane 4th - directly with the support structure 9 coupled. The left connection 64a has an opening 64 ' or an interruption of a circulating connection, for example 64a , 64b on, through which the electrode structure 6th is led out laterally to the left for electrical contacting. As described above is between membrane 4th and support structure 9 an electrode structure 6th provided that only via small isolation islands 8th punctually with the support structure 9 connected is. In the room 40 between membrane 4th and support structure 9 a reference pressure is included. The deflection of the membrane 4th at pressure is measured by measuring the change in capacitance between the membrane 4th and the electrode structure 6th certainly. The membrane 4th is in the 1 between the substrate 2 and the support structure 9 arranged, but can also be arranged in another way. The support structure 9 and the membrane 4th are essentially "floating" above the substrate 2 arranged. Like here in 1 the support structure is preferred 9 and the membrane 4th only in a partial area 80 , 80 ' each with the substrate 2 connected. The entrances are more precise on the left 30th in 1 in the area 80 ' the support structure 9 about the material of the electrode structure 6th , Material of the membrane 4th and the material of the insulating layer 3 with the substrate 2 connected. On the right in the area 80 , so to the right of the entrances 30th is the support structure 9 about the material of the electrode structure 6th , with the membrane 4th and this over material of the insulating layer 3 with the substrate 2 connected. The sub-area 80 ' is preferably on that of the opening 16 remote side of the membrane 4th arranged, the sub-area 80 preferably in the area of the definition of the electrode structure 6th Via membrane material and insulating material on the substrate 2 and / or on the side of the entrances 30th arranged which the area of the support structure 9 with the insulating layer connections 8th is turned away. It is also possible to have support structure 9 and membrane 4th in several sub-areas with the substrate 2 to connect, with at least a partial area 15th then has resilient properties, as shown in 4th is shown.

2 zeigt einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 Figure 3 shows a MEMS sensor according to an embodiment of the present invention.

In 2 ist im Wesentlichen ein MEMS-Sensor 1 gemäß 1 gezeigt. Im Unterschied zum MEMS Sensor 1 gemäß 1 ist bei dem MEMS-Sensor 1 gemäß 2 nun anstelle des Anschlags 50 eine Versteifung 51 für die Membran 4 angeordnet. Im Wesentlichen ist damit der Anschlag 50 der 1 als Versteifung ausgebildet worden, indem dieser bis zur Membran 4 in Ihrer Ruhelage verlängert und mit dieser verbunden worden ist. Damit kann auf demselben Substrat 2 nicht nur ein erstes MEMS-Sensorelement 1b erzeugt werden, sondern auch ein zweites MEMS-Sensorelement 1a in Form eines Referenz-MEMS-Sensorelements, welches beispielsweise die gleiche Kapazität aufweist wie das erste MEMS-Sensorelement 1b, und insbesondere auf alle äußeren Parameter, außer auf Druck, in gleicher Weise wie das erste MEMS-Sensorelement 1b reagiert. Mit einer Auswerteschaltung, die die Kapazität des ersten MEMS-Sensorelements 1b mit der Kapazität des Referenz-MEMS-Sensorelements 1a vergleicht, können damit Drifteffekte, die nicht auf eine Druckänderung zurückzuführen sind, eliminiert werden. Weiter kann im Referenz-MEMS-Sensorelement 1a während dessen Herstellung eine geringere Opferschichtdicke zwischen der dort steifen Membran 4 und der Elektrodenstruktur 6 vorgesehen werden. Erstes MEMS-Sensorelement 1b und dessen Referenz-MEMS-Sensorelement 1a sind dann im Wesentlichen geometrisch ähnlich gebaut. Bei einem Zielarbeitsdruck, der höher ist als der im ersten MEMS-Sensorelement 1b eingeschlossene Referenzdruck, kann dann dennoch die Kapazität des ersten MEMS-Sensorelements 1b mit der Kapazität des Referenz-MEMS-Sensorelements 1a übereinstimmen, sodass eine besonders genaue und driftfreie Auswertung, insbesondere bei dem Zielarbeitsdruck, ermöglicht wird. Das zweite oder Referenz-MEMS-Sensorelement 1a weist in 2 in seiner Ausgangslage in zumindest einem Teilbereich 72 einen zweiten Abstand 70 zwischen der gemeinsamen Membran 4 und der gemeinsamen Elektrodenstruktur 6 auf. Entsprechend weist das erste MEMS-Sensorelement 1b in seiner Ausgangslage in zumindest einem Teilbereich 73 einen ersten Abstand 71 zwischen der gemeinsamen Membran 4 und seiner Elektrodenstruktur 6 auf. In 2 sind erster Abstand 71 und zweiter Abstand 70 unterschiedlich groß, insbesondere ist der erste Abstand 71 größer als der zweite Abstand 70.In 2 is essentially a MEMS sensor 1 according to 1 shown. In contrast to the MEMS sensor 1 according to 1 is at the MEMS sensor 1 according to 2 now instead of the stop 50 a stiffener 51 for the membrane 4th arranged. Essentially, that's the stop 50 of the 1 been designed as a stiffener by pulling this up to the membrane 4th has been extended in your resting position and connected to it. This can be done on the same substrate 2 not just a first MEMS sensor element 1b but also a second MEMS sensor element 1a in the form of a reference MEMS sensor element which, for example, has the same capacitance as the first MEMS sensor element 1b , and in particular to all external parameters, except for pressure, in the same way as the first MEMS sensor element 1b responds. With an evaluation circuit that measures the capacity of the first MEMS sensor element 1b with the capacitance of the reference MEMS sensor element 1a compares, drift effects that are not due to a change in pressure can be eliminated. Furthermore, in the reference MEMS sensor element 1a during its production, a smaller sacrificial layer thickness between the stiff membrane there 4th and the electrode structure 6th are provided. First MEMS sensor element 1b and its reference MEMS sensor element 1a are then essentially built geometrically similar. At a target working pressure that is higher than that in the first MEMS sensor element 1b included reference pressure, the capacity of the first MEMS sensor element can still 1b with the capacitance of the reference MEMS sensor element 1a match, so that a particularly precise and drift-free evaluation, in particular with the target working pressure, is made possible. The second or reference MEMS sensor element 1a points in 2 in its starting position in at least one sub-area 72 a second distance 70 between the common membrane 4th and the common electrode structure 6th on. The first MEMS sensor element has accordingly 1b in its starting position in at least one sub-area 73 a first distance 71 between the common membrane 4th and its electrode structure 6th on. In 2 are first distance 71 and second distance 70 different sizes, in particular the first distance 71 greater than the second distance 70 .

3 zeigt einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 Figure 3 shows a MEMS sensor according to an embodiment of the present invention.

In 3 ist im Wesentlichen ein MEMS-Sensor 1 gemäß 1 gezeigt. Im Unterschied zum MEMS-Sensor 1 gemäß 1 sind beim MEMS-Sensor 1 gemäß 3 nun anstelle der Zugänge beziehungsweise Zugangskanäle 30 in der Trägerstruktur 9 entsprechende Zugänge oder Kanäle 30' im Substrat 2 angeordnet. Die Kontaktierung der Elektrodenstruktur 6 erfolgt mittels einer Durchkontaktierung 12 im Substrat 2. Die Zugänge 30' werden dann mittels einer weiteren Schicht 10' und einer Kontaktierung 11' zur Kontaktierung der Durchkontaktierung 12 verschlossen.In 3 is essentially a MEMS sensor 1 according to 1 shown. In contrast to the MEMS sensor 1 according to 1 are at the MEMS sensor 1 according to 3 now instead of the entrances or access channels 30th in the support structure 9 corresponding accesses or channels 30 ' in the substrate 2 arranged. The contacting of the electrode structure 6th takes place by means of a via 12th in the substrate 2 . The entrances 30 ' are then using another layer 10 ' and a contact 11 ' for contacting the plated-through hole 12th locked.

4 zeigt einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4th Figure 3 shows a MEMS sensor according to an embodiment of the present invention.

In 4 ist ein Chip 100 in Ball-Grid-Array-Bauform gezeigt. Der Aufbau des Chips 100 in 4 von unten nach oben ist hierbei wie folgt: auf einem Ball Grid Array 101, kurz BGA, ist eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 102, kurz ASIC, 102 angeordnet, der mittels einer Bonddrahtverbindung 103 vom BGA 101 kontaktiert wird. Auf der Oberseite des ASIC 102 ist ein MEMS-Sensor 1 angeordnet, der im Wesentlichen gemäß 1 ausgebildet ist. Im Unterschied zum MEMS Sensor 1 gemäß 1 sind beim MEMS Sensor 1 gemäß 4 nun die Zugänge 30 nicht direkt auf der Trägerstruktur 9 verschlossen, sondern oberhalb der Trägerstruktur 9 wird ein Kappenwafer 13 bei definiertem Druck aufgebondet und im Bondprozess werden die Zugänge 30 durch den Kappenwafer 13 hermetisch verschlossen. Der Kappenwafer 13 dient nicht nur als Verschluss der Zugänge 30, sondern auch zum mechanischen Schutz der Trägerstruktur 9 und ist im Bereich oberhalb der Membran 4 von der Trägerstruktur 9 beabstandet. Die Trägerstruktur 9 ist über Kontaktierungen 11 mit dem Kappenwafer 13 verbunden. ASIC 102 und MEMS-Sensor 1 sind mittels einer Bonddrahtverbindung 104 elektrisch verbunden und in ein Gehäuse 105 seitlich eingehaust. Auf der Oberseite des Kappenwafers 13 und des Gehäuses 105 ist eine winddichte, wasserdichte, aber wasserdampfdurchlässige und damit atmungsaktive Membran 14 angeordnet, um zu vermeiden, dass Wasser in den MEMS-Sensor 1 eindringt. Darüber hinaus ist die Trägerstruktur 9 über eine Federstruktur 15 zusätzlich am Substrat 2 verankert.In 4th is a chip 100 shown in ball grid array design. The structure of the chip 100 in 4th from bottom to top is as follows: on a ball grid array 101 , BGA for short, is an application-specific integrated circuit 102 , ASIC for short, 102 arranged by means of a bond wire connection 103 from the BGA 101 is contacted. On top of the ASIC 102 is a MEMS sensor 1 arranged, essentially according to 1 is trained. In contrast to the MEMS sensor 1 according to 1 are at the MEMS sensor 1 according to 4th now the entrances 30th not directly on the support structure 9 closed, but above the support structure 9 becomes a cap wafer 13 The accesses are bonded at a defined pressure and in the bonding process 30th through the cap wafer 13 hermetically sealed. The cap wafer 13 serves not only to close the entrances 30th , but also for mechanical protection of the support structure 9 and is in the area above the membrane 4th from the support structure 9 spaced. The support structure 9 is about contacting 11 with the cap wafer 13 connected. ASIC 102 and MEMS sensor 1 are by means of a bond wire connection 104 electrically connected and in a housing 105 Enclosed on the side. On top of the cap wafer 13 and the housing 105 is a windproof, waterproof, but water vapor permeable and therefore breathable membrane 14th arranged to avoid water getting into the MEMS sensor 1 penetrates. In addition, the support structure 9 via a spring structure 15th additionally on the substrate 2 anchored.

Die 5-14 zeigen Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.The 5-14 show steps of a method according to an embodiment of the present invention.

In 5 ist ein Substrat 2 gezeigt. Auf dem Substrat 2 werden vorzugsweise Ätzkanäle 20 angelegt. Es werden dabei insbesondere sehr schmale Gräben ins Substrat 2 geätzt, die sich bevorzugt nach unten hin öffnen, so dass in einer folgenden Oxidabscheidung ein Hohlraum 20' entsteht. Alternativ hierzu können Ätzkanäle in einer späteren Opferschicht zwischen dem Substrat 2 und einer Membranschicht erzeugt und/oder werden diese in einem der Folgeschritte vor einer Entfernung der Opferschicht hergestellt, vorzugsweise wird eine Kavität von der Rückseite des Substrats zur Opferschicht hergestellt.In 5 is a substrate 2 shown. On the substrate 2 are preferably etching channels 20th created. In particular, very narrow trenches are formed in the substrate 2 etched, which preferably open downwards, so that a cavity in a subsequent oxide deposition 20 ' arises. Alternatively, etching channels can be in a later sacrificial layer between the substrate 2 and a membrane layer are produced and / or these are produced in one of the subsequent steps before removal of the sacrificial layer, preferably a cavity is produced from the rear side of the substrate to the sacrificial layer.

In 6 ist nun die Situation nach Abscheidung einer Opferschicht 3 und einer Membranschicht 4 gezeigt. Die Opferschicht 3 ist bevorzugt aus einer Oxidverbindung hergestellt. Die Opferschicht 3 auch nachfolgend strukturiert werden, um beispielsweise Substratkontakte zu erzeugen. Es können auch zwei oder mehr Opferschichten abgeschieden und strukturiert werden. Weiterhin kann über eine oder mehrere Zeitätzungen die Opferschicht 3 in einzelnen Bereichen in ihrer Dicke reduziert werden. Damit können beispielsweise Versteifungsrillen in der Membranschicht 4 in einzelnen Bereichen erzeugt werden. Die Membranschicht 4 wird bevorzugt aus Polysilizium hergestellt. Die Membranschicht 4 kann nachfolgend auch strukturiert werden, um beispielsweise in Bereichen außerhalb der Membran 4 als Leiterbahn genutzt werden zu können.In 6th is now the situation after the deposition of a sacrificial layer 3 and a membrane layer 4th shown. The sacrificial layer 3 is preferably made from an oxide compound. The sacrificial layer 3 can also be subsequently structured in order to produce substrate contacts, for example. Two or more sacrificial layers can also be deposited and structured. Furthermore, the sacrificial layer can be etched over one or more times 3 can be reduced in thickness in individual areas. This can be used, for example, to create stiffening grooves in the membrane layer 4th can be generated in individual areas. The membrane layer 4th is preferably made of polysilicon. The membrane layer 4th can subsequently also be structured, for example in areas outside the membrane 4th to be used as a conductor track.

7 zeigt die Situation nach Aufbringen und Strukturieren einer zweiten Opferschicht 5. 7th shows the situation after applying and structuring a second sacrificial layer 5 .

Hierbei ist die zweite Opferschicht 5 strukturiert mit Aussparungen 5a, um beispielsweise über einer nachfolgend aufgebrachten Elektrodenstruktur 6 eine Verbindung zwischen Membran 4 und einer Trägerschicht 9 zu ermöglichen. Optional können auch zwei oder mehr Opferschichten abgeschieden und strukturiert werden. Lediglich angedeutet sind Aussparungen 5a', die außerhalb der Zeichenebene hergestellt werden. Es ist ebenso möglich, über eine oder mehrere Zeitätzungen die Opferschicht 5 in einzelnen Bereichen in ihrer Dicke zu reduzieren. Damit können Anschläge mit reduziertem Abstand 70, 71 oder Referenzkapazitäten mit reduzierten Grundabstand oder auch Bereiche mit größerem Abstand 70, 71, um parasitäre Kapazitäten zu reduzieren, erzeugt werden. Optional können auch Ätzkanäle in der Opferschicht 5 erzeugt werden.Here is the second sacrificial layer 5 structured with cutouts 5a in order, for example, over a subsequently applied electrode structure 6th a connection between membrane 4th and a backing layer 9 to enable. Optionally, two or more sacrificial layers can also be deposited and structured. Recesses are only indicated 5a ' that are made outside of the drawing plane. It is also possible to etch the sacrificial layer over one or more time 5 to reduce their thickness in individual areas. This allows stops with a reduced distance 70 , 71 or reference capacitances with a reduced basic distance or areas with a larger distance 70 , 71 to reduce parasitic capacitances. Etching channels can optionally also be used in the sacrificial layer 5 be generated.

8 zeigt die Situation nach Abscheiden und Strukturieren von Aussparungen 6a in einer Elektrodenstruktur 6. 8th shows the situation after the deposition and structuring of recesses 6a in an electrode structure 6th .

Bevorzugt wird eine Strukturierung verwendet, wie die, die in der DE 10 2011 080 978 A1 beschrieben wird und die hiermit durch Verweis einbezogen ist. Damit werden Topographien vermieden und Hohlräume werden erzeugt, die als Ätzkanäle verwendet werden können. Die Strukturierungen 5a, 5a', 6a sind werden dabei so hergestellt, dass die Elektrodenstruktur 6 mit dem Substrat 2 trotz weiterer Herstellungsschritte verbunden bleibt, gleichzeitig eine Verbindung einer späteren Trägerstruktur 9 mit dem Substrat 2 ermöglicht wird, ohne die Elektrodenstruktur 6 mit der späteren Trägerstruktur 9 zu verbinden zum Substrat 2 hin, zu verbinden.A structuring is preferably used, such as that described in DE 10 2011 080 978 A1 and which is hereby incorporated by reference. This avoids topographies and creates cavities that can be used as etching channels. The structuring 5a , 5a ' , 6a are manufactured in such a way that the electrode structure 6th with the substrate 2 remains connected despite further manufacturing steps, at the same time a connection of a later carrier structure 9 with the substrate 2 is made possible without the electrode structure 6th with the later support structure 9 to connect to the substrate 2 to connect.

Optional wird nun eine dritte Opferschicht 7 abgeschieden und strukturiert mit Aussparungen 7a, wie in 9 gezeigt. Lediglich angedeutet sind Aussparungen 7a', die außerhalb der Zeichenebene hergestellt werden. Diese werden korrespondierend zu den Aussparungen 7a' hergestellt, sodass diese dann die linke Verbindung 64a mit Öffnung 64' zur Herausführung der Elektrodenstruktur 6 bilden, wie dies in den weiteren 11-14 gezeigt ist.A third sacrificial layer is now optional 7th separated and structured with cutouts 7a , as in 9 shown. Recesses are only indicated 7a ' that are made outside of the drawing plane. These correspond to the recesses 7a ' established so that this then the left connection 64a with opening 64 ' for leading out the electrode structure 6th form like this in the further 11-14 is shown.

Anschließend wird eine Isolationsschicht 8 abgeschieden und strukturiert, wie in 10 gezeigt. Bevorzugt wird eine Nitridschicht oder eine siliziumreiche Nitridschicht abgeschieden.Then an insulation layer is applied 8th secluded and structured, as in 10 shown. A nitride layer or a silicon-rich nitride layer is preferably deposited.

Anschließend wird eine Trägerschicht 9 abgeschieden und mit Zugängen 30 zu den Opferschichten 3, 5, 7 strukturiert, wie in 11 gezeigt ist. Bevorzugt wird als Trägerschicht 9 eine Polysiliziumschicht abgeschieden. Die Summe aus der Dicke der Trägerschicht 9 und der Elektrodenstruktur 6 wird mindestens doppelt so dick gewählt wie die Dicke der Membran 4. Die Zugänge 30 werden vorzugsweise in dem Bereich der Trägerstruktur 9 hergestellt, indem keine Isolierschichtverbindungen 8 angeordnet sind, vorzugsweise direkt benachbart zu dem Bereich in dem die Isolierschichtverbindungen 8 Trägerstruktur 9 und Elektrodenstruktur 6 verbinden und auf der abgewandten Seite der seitlichen Öffnung 16. Hierdurch werden auch die Bereiche 80, 80' gebildet wie in der Beschreibung zur 1 beschrieben.This is followed by a backing layer 9 secluded and with accesses 30th to the sacrificial layers 3 , 5 , 7th structured as in 11 is shown. Is preferred as the carrier layer 9 deposited a polysilicon layer. The sum of the thickness of the carrier layer 9 and the electrode structure 6th is chosen to be at least twice as thick as the thickness of the membrane 4th . The entrances 30th are preferably in the area of the support structure 9 made by not making any insulating layer connections 8th are arranged, preferably directly adjacent to the area in which the insulating layer connections 8th Support structure 9 and electrode structure 6th connect and on the opposite side of the side opening 16 . This also increases the areas 80 , 80 ' formed as in the description for 1 described.

Anschließend werden die Opferschichten 3, 5, 7 geätzt, die Membran 4 also freigestellt, wie in 12 gezeigt ist.Subsequently, the sacrificial layers 3 , 5 , 7th etched the membrane 4th so optional, as in 12th is shown.

Anschließend erfolgt, wie in 13 dargestellt, ein Verschluss 10 des Hohlraums 40 zwischen Membran 4 und Trägerschicht 9 durch Verschließen der Zugänge 30, wobei ein Referenzdruck eingestellt wird. Es werden hierzu Verfahren wie oben beschrieben verwendet. Es können sowohl die Membran 4 und die Trägerstruktur 9 als auch die offenen, also zugänglichen Oxide der Isolierschichten 3, 5, 7 mit einer dünnen Schutzschicht überzogen werden. Bevorzugt wird eine Oxidschicht oder eine Nitridschicht oder eine Aluminium-Oxid-Schicht hierzu verwendet. Bevorzugt wird hierzu ein ALD-Abscheideverfahren, also ein Atomlagenabscheideverfahren, verwendet. Bevorzugt wird die Schutzschicht weniger als halb so dick wie die Membran 4 abgeschieden.Then, as in 13 depicted a clasp 10 of the cavity 40 between membrane 4th and backing layer 9 by closing the entrances 30th , whereby a reference pressure is set. For this purpose, procedures as described above are used. It can be both the membrane 4th and the support structure 9 as well as the open, i.e. accessible oxides of the insulating layers 3 , 5 , 7th be covered with a thin protective layer. An oxide layer or a nitride layer or an aluminum oxide layer is preferably used for this purpose. For this purpose, an ALD deposition method, that is to say an atomic layer deposition method, is preferably used. The protective layer is preferably less than half as thick as the membrane 4th deposited.

Weiterhin kann eine weitere Schutzstruktur über der Trägerstruktur 9 aufgebracht werden. Über der Trägerstruktur 9 kann beanstandet mit einer weiteren Opferschicht, bevorzugt eine Oxidschicht, eine mechanische und elektrische Schutzschicht aufgebracht werden, bevorzugt eine Polysiliziumschicht, und bei Bedarf zusätzlich eine Aluminium-Schicht. Optional kann eine Kappe aufgebondet werden, mit der bevorzugt auch gleichzeitig der Referenzdruck eingestellt wird.Furthermore, a further protective structure can be placed over the carrier structure 9 be applied. Above the support structure 9 can be applied with a further sacrificial layer, preferably an oxide layer, a mechanical and electrical protective layer, preferably a polysilicon layer, and, if necessary, an aluminum layer as well. Optionally, a cap can be bonded on, with which the reference pressure is preferably set at the same time.

15 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 15th shows steps of a method according to an embodiment of the present invention.

In 15 sind Schritte eines Herstellungsverfahrens für ein MEMS-Sensorelement gezeigt. Dieses umfasst die folgenden Schritte.In 15th steps of a manufacturing method for a MEMS sensor element are shown. This includes the following steps.

In einem ersten Schritt T1 wird ein Substrat 2 bereitgestellt und vorzugsweise werden Ätzkanäle 20 angelegt.In a first step T1 becomes a substrate 2 etching channels are provided and preferably 20th created.

In einem zweiten Schritt T2 wird eine Opferschicht 3 abgeschieden und insbesondere strukturiert.In a second step T2 becomes a sacrificial layer 3 secluded and especially structured.

In einem dritten Schritt T3 wird eine Membranschicht 4 abgeschieden und strukturiert.In a third step T3 becomes a membrane layer 4th secluded and structured.

In einem vierten Schritt T4 wird eine weitere Opferschicht 5 abgeschieden.In a fourth step T4 becomes another layer of sacrifice 5 deposited.

In einem fünften Schritt T5 wird eine Elektrodenschicht 6 abgeschieden und strukturiert, wobei insbesondere Ätzkanäle erzeugt werden.In a fifth step T5 becomes an electrode layer 6th deposited and structured, wherein in particular etching channels are generated.

In einem sechsten Schritt T6 wird eine Opferschicht 7 abgeschieden und strukturiert.In a sixth step T6 becomes a sacrificial layer 7th secluded and structured.

In einem siebten Schritt T7 wird eine Isolationsschicht 8 abgeschieden und strukturiert.In a seventh step T7 becomes an insulation layer 8th secluded and structured.

In einem achten Schritt T8 wird eine Trägerschicht 9 abgeschieden und strukturiert.In an eighth step T8 becomes a carrier layer 9 secluded and structured.

In einem neunten Schritt T9 werden die Opferschichten geätzt und in einem zehnten Schritt T10 erfolgt ein Verschluss 10 des zwischen Membran 4 und Trägerschicht 9 gebildeten Hohlraums.In a ninth step T9 the sacrificial layers are etched and in a tenth step T10 there is a closure 10 of the between membrane 4th and backing layer 9 formed cavity.

16 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 16 shows steps of a method according to an embodiment of the present invention.

In 16 sind Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines MEMS-Sensorelements mit einer auslenkbar angeordneten Membran gezeigt.In 16 steps of a method for producing a MEMS sensor element with a deflectably arranged membrane are shown.

Hierbei erfolgt in einem ersten Schritt S1 ein Bereitstellen eines Substrats 2.This is done in a first step S1 providing a substrate 2 .

In einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Aufbringen einer ersten Opferschicht 3 auf das Substrat, insbesondere wobei die erste Opferschicht 3 nachfolgend strukturiert wird.In a second step S2 a first sacrificial layer is applied 3 onto the substrate, in particular wherein the first sacrificial layer 3 is structured below.

In einem dritten Schritt S3 erfolgt ein Aufbringen einer Membranschicht 4 auf die erste Opferschicht 3, insbesondere wobei die Membranschicht 4 nachfolgend strukturiert wird.In a third step S3 a membrane layer is applied 4th on the first sacrificial layer 3 , in particular being the membrane layer 4th is structured below.

In einem vierten Schritt S4 erfolgt ein Aufbringen einer zweiten Opferschicht 5.In a fourth step S4 a second sacrificial layer is applied 5 .

In einem fünften Schritt S5 erfolgt ein Bereitstellen zumindest einer Elektrodenstruktur 6, 6a auf der zweiten Opferschicht 5 mittels Aufbringen zumindest einer Elektrodenschicht 6, welche anschließend strukturiert wird.In a fifth step S5 at least one electrode structure is provided 6th , 6a on the second sacrificial layer 5 by applying at least one electrode layer 6th which is then structured.

In einem sechsten Schritt S6 erfolgt ein Aufbringen einer Isolationsschicht 8 auf die Elektrodenstruktur 6, 6a.In a sixth step S6 an insulation layer is applied 8th on the electrode structure 6th , 6a .

In einem siebten Schritt S7 erfolgt ein Bereitstellen einer Trägerstruktur 9, 30 auf der Isolationsschicht 8 mittels Aufbringen zumindest einer Trägerschicht 9, welche anschließend strukturiert wird.In a seventh step S7 a support structure is provided 9 , 30th on the insulation layer 8th by applying at least one carrier layer 9 which is then structured.

In einem achten Schritt S8 erfolgt ein Entfernen der Opferschichten 3, 5 mittels zumindest eines Zugangs 30 zur jeweiligen Opferschicht 3, 5.In an eighth step S8 the sacrificial layers are removed 3 , 5 by means of at least one access 30th to the respective sacrificial layer 3 , 5 .

In einem neunten Schritt S9 erfolgt ein Verschließen des zumindest einen Zugangs 30.In a ninth step S9 the at least one access is closed 30th .

Mit anderen Worten stellt die vorliegende Erfindung in gleichen oder unterschiedlichen Ausführungsformen die folgenden Merkmale bereit:

  • Eine dünne Membran 4 wird mit einem definierten Abstand über einem Substrat 2 angeordnet. Im Substrat 2 oder in einer Opferschicht 3 zwischen Substrat 2 und Membran 4 werden bevorzugt Ätzkanäle 20 angeordnet, damit die Membran 4 schnell und definiert unterätzt werden kann. Vorteilhaft ist ein Abstand zwischen Membran 4 und Substrat 2, der geringer ist als 1/10 des Membrandurchmessers. Sammelt sich Wasser in Raum zwischen Membran 4 und Substrat 2 und gefriert, so kann die Ausdehnung des Wassers beim Gefrieren durch die Bewegung der Membran 4 und einer Trägerstruktur 9 kompensiert werden.
In other words, the present invention provides the following features in identical or different embodiments:
  • A thin membrane 4th is at a defined distance above a substrate 2 arranged. In the substrate 2 or in a sacrificial layer 3 between substrate 2 and membrane 4th etching channels are preferred 20th arranged so the membrane 4th can be undercut quickly and in a defined manner. A distance between the membrane is advantageous 4th and substrate 2 that is less than 1/10 of the diaphragm diameter. Water collects in the space between the membrane 4th and substrate 2 and freezes, so can the expansion of water when it freezes due to the movement of the membrane 4th and a support structure 9 be compensated.

Alternativ kann auch von der Rückseite ein Zugang 30' durch das Substrat 2 zur Membran 4 geätzt werden, damit entfällt der Schutz der Membran 4, es kann aber ebenfalls eine einfache und definierte Ätzung der Opferschicht 3 erfolgen. Damit wird ein Druckzugang von der Rückseite des Substrats 2 ermöglicht, was die Flexibilität erhöht.Alternatively, access can also be made from the rear 30 ' through the substrate 2 to the membrane 4th etched, so that the protection of the membrane is omitted 4th , but it can also be a simple and defined etching of the sacrificial layer 3 respectively. This creates a print access from the back of the substrate 2 enables, which increases flexibility.

Oberhalb der Membran 4 wird mit einem definierten Abstand 70, 71 eine Elektrodenstruktur 6 vorgesehen. Dies wird durch eine Opferschicht 5 zwischen Membran 4 und Elektrodenstruktur 6 erreicht. Es können auch mehrere Opferschichten verwendet werden, um unterschiedliche Abstände zwischen Elektrodenstruktur 6 und Membran 4 zu realisieren. Es kann beispielsweise vorteilhaft sein, in Bereichen außerhalb der Elektrodenstruktur 6 oder am Rand der Elektrodenstruktur 6 einen größeren Abstand 70, 71 einzustellen, um die Grundkapazität des MEMS-Sensorelements 1b relativ zu einer Kapazitätsänderung gering zu halten. Weiter können mit geringeren Abständen und zusätzlichen Elektrodenstrukturen, die auf Membranpotential liegen, definierte Anschläge 50 der Membran 4 gegen Überlast definiert werden, um einen Kurzschluss der Membran 4 mit der Gegenelektrode in Form der Elektrodenstruktur 6 bei Überlast zu verhindern. Weiter können Referenzkapazitäten definiert werden, die geometrisch der eigentlichen Sensorstruktur sehr ähnlich sind. Damit können Drifteffekte kompensiert werden. Mit einer geringeren Opferschichtdicke kann beispielsweise bei gleicher Elektrodenfläche eine gleiche Grundkapazität für die Referenzkapazität ermöglicht werden wie diejenige Kapazität bei Arbeitsdruck einer schon ausgelenkten Sensormembran, wie in 2 dargestellt ist. Weiter kann die Membran 4 der Referenzkapazität in gleicher Weise wie die Membran 4 freigestellt werden. Die Membran 4 kann über zusätzliche Elektrodenstrukturelemente 51, die eine Verbindung zwischen Membran 4 und Trägerstruktur 9 herstellen, versteift werden. Günstig ist wenn diese Verbindungselemente 51 in gleicher Weise und mit ähnlicher Geometrie wie die Anschlagselemente 50 der Membran 4 angeordnet beziehungsweise ausgebildet werden.Above the membrane 4th is with a defined distance 70 , 71 an electrode structure 6th intended. This is done through a sacrificial layer 5 between membrane 4th and electrode structure 6th reached. Multiple sacrificial layers can also be used to provide different distances between electrode structures 6th and membrane 4th to realize. It can be advantageous, for example, in areas outside the electrode structure 6th or at the edge of the electrode structure 6th a greater distance 70 , 71 to adjust the basic capacitance of the MEMS sensor element 1b to be kept low relative to a change in capacitance. Furthermore, with smaller distances and additional electrode structures that are at membrane potential, defined stops 50 the membrane 4th against overload can be defined to short circuit the membrane 4th with the counter electrode in the form of the electrode structure 6th to prevent in case of overload. Reference capacitances can also be defined which are geometrically very similar to the actual sensor structure. This allows drift effects to be compensated. With a smaller sacrificial layer thickness, for example, with the same electrode area, the same basic capacitance can be made possible for the reference capacitance as that capacitance at the working pressure of an already deflected sensor membrane, as in FIG 2 is shown. The membrane can continue 4th the reference capacitance in the same way as the membrane 4th be released. The membrane 4th can have additional electrode structure elements 51 that are a link between membrane 4th and support structure 9 produce, be stiffened. It is favorable if these fasteners 51 in the same way and with similar geometry as the stop elements 50 the membrane 4th be arranged or formed.

Die Elektrodenstruktur 6 wird weiter durch eine dielektrische Schicht 8 an der Trägerstruktur 9 „aufgehängt“. Es ist vorteilhaft, zwischen Elektrodenstruktur 6 und Trägerstruktur 9 zusätzlich eine Opferschicht 7 vorzusehen, die es ermöglicht, die Elektrodenstruktur 8 nur an wenigen Punkten an der Trägerstruktur 9 aufzuhängen. Vorteilhafterweise sind die Membran 4, die Elektrodenstruktur 6 und die Trägerschicht 9 aus dem gleichen Material hergestellt, so dass in diesem Schichtaufbau kein intrinsischer Stress „eingebaut“ wird. Ein besonders vorteilhaftes Material ist dabei polykristallines Silizium. Weiter ist es in diesem Zusammenhang vorteilhaft, kleine Aufhängungen 8 zwischen Elektrodenstruktur 6 und Trägerstruktur 9 zu verwenden, um so die Menge an Fremdmaterial, also Material mit anderen physikalischen Eigenschaften zu verringern. Damit können beispielsweise unerwünschte Bimetalleffekte aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten verringert werden.The electrode structure 6th is further through a dielectric layer 8th on the support structure 9 "Hung up". It is advantageous between electrode structure 6th and support structure 9 additionally a sacrificial layer 7th to provide that allows the electrode structure 8th only at a few points on the support structure 9 hang up. Advantageously, the membrane 4th , the electrode structure 6th and the backing layer 9 made of the same material, so that no intrinsic stress is "built into" this layer structure. A particularly advantageous material is polycrystalline silicon. It is also advantageous in this context to use small suspensions 8th between electrode structure 6th and support structure 9 in order to reduce the amount of foreign material, i.e. material with different physical properties. In this way, for example, undesirable bimetal effects due to different expansion coefficients can be reduced.

Die Membran 4 wird in vorteilhafterweise umlaufend mit der Trägerstruktur 9 verbunden. Nur in einem Bereich 80, wo die Trägerstruktur 9 mit dem Substrat 2 verbunden ist, wird in diesem die genannte Verbindung aufgehoben, um einerseits die Elektrodenstruktur 6 elektrisch nach außen führen zu können und um optional auch einen Ätzkanal und einen Belüftungskanal in den Membranbereich hinein führen zu können.The membrane 4th is advantageously circumferential with the support structure 9 connected. Only in one area 80 where the support structure 9 with the substrate 2 is connected, said connection is canceled in this, on the one hand to the electrode structure 6th to be able to lead electrically to the outside and to be able to optionally lead an etching channel and a ventilation channel into the membrane area.

Die Trägerstruktur 9 wird vorzugsweise, um eine gute Stressentkopplung zu erreichen, nur an einer Stelle mit dem Substrat 2 verbunden. Auf einem Chip 100 können mehrere Trägerstrukturen 9 vorgesehen werden. Es können auch auf einer Trägerstruktur 9 mehrere Membranen angeordnet werden. Wird eine große Trägerstruktur 9 vorgesehen, so kann sie vorteilhafterweise an einer Stelle fest mit dem Substrat 2 verbunden werden. An dieser Festlegeposition kann dann auch die elektrische Zuführung zur Elektrodenstruktur 6 erfolgen. An weiteren Stellen kann die Trägerstruktur 9 über Federn 15 zusätzlich am Substrat 2 verankert werden. Die Federn 15 können derart gewählt werden, dass sie die Robustheit der Trägerstruktur 9 erhöhen, aber die Stressempfindlichkeit des MEMS-Sensorelements 1b auf Verbiegung noch nicht zu stark beeinflussen.The support structure 9 is preferably only at one point with the substrate in order to achieve good stress decoupling 2 connected. On a chip 100 can have multiple support structures 9 are provided. It can also be on a support structure 9 several membranes can be arranged. Will be a large support structure 9 provided, it can advantageously be fixed to the substrate at one point 2 get connected. The electrical feed to the electrode structure can then also be used at this fixed position 6th respectively. The support structure can be used in other places 9 about springs 15th additionally on the substrate 2 be anchored. The feathers 15th can be chosen so that they reduce the robustness of the support structure 9 but increase the stress sensitivity of the MEMS sensor element 1b do not influence the bending too much.

Der Referenzdruck im Hohlraum 40 zwischen Membran 4 und Trägerstruktur 9 kann in einem einfachen Fall durch Ätzzugänge in der Trägerstruktur 9, einer Opferschichtätzung durch diese Ätzzugänge 30 und einen anschießenden Verschluss 10 der Ätzzugänge 30 durch beispielsweise eine Oxidabscheidung erreicht werden.The reference pressure in the cavity 40 between membrane 4th and support structure 9 can in a simple case by etching accesses in the carrier structure 9 , a sacrificial layer etch through these etch accesses 30th and a subsequent closure 10 the etching accesses 30th can be achieved by, for example, oxide deposition.

Besonders vorteilhaft ist es aber, den Ätzzugang 30 und den Einschlussbereich des Referenzdrucks über die Aufhängung der Trägerstruktur 9 vom Bereich der beweglichen Membran 4 wegzuleiten und den Verschluss 10 in einem Bereich, wo die Trägerstruktur 9 mit dem Substrat 2 verbunden ist, vorzusehen. Um dies zu ermöglichen, können entweder innerhalb der Elektrodenstruktur 6, 21 und/oder in der Opferschicht 5 zwischen Membran 4 und Elektrodenstruktur 6 oder in der Opferschicht 7 zwischen Membran 4 und Trägerschicht 7 Ätzkanäle vorgesehen werden. Unter Ätzkanälen werden entweder Hohlräume verstanden oder es können auch Materialien zum Beispiel Oxide, dotierte Oxide oder dergleichen verwendet werden, die schneller geätzt werden als das dielektrische Material, zum Beispiel Nitrid, siliziumreiches Nitrid oder dergleichen zwischen Elektrodenstruktur 6 und Trägerschicht 9.However, it is particularly advantageous to use the etching access 30th and the containment area of the reference pressure over the suspension of the support structure 9 from the area of the movable membrane 4th divert and the clasp 10 in an area where the support structure 9 with the substrate 2 is connected to provide. To make this possible, either inside the electrode structure 6th , 21st and / or in the sacrificial layer 5 between membrane 4th and electrode structure 6th or in the sacrificial layer 7th between membrane 4th and backing layer 7th Etching channels are provided. Etching channels are understood to mean either cavities or materials, for example oxides, doped oxides or the like, which are etched faster than the dielectric material, for example nitride, silicon-rich nitride or the like between the electrode structure, can also be used 6th and backing layer 9 .

Der Verschluss 10 des Ätzzugangs 30 kann zum Einschluss des Referenzdrucks verwendet werden. Dies kann bevorzugt durch eine Oxidabscheidung (Bezugszeichen 10), oder durch eine Abscheidung von polykristallinem Silizium, durch eine epitaktische Silizium-Abscheidung, durch eine Metallabscheidung oder einen Aufschmelzvorgang, insbesondere einen Laser-Reseal-Prozess, insbesondere von Silizium, bevorzugt unter Vakuum, erreicht werden.The closure 10 of the etching access 30th can be used to include the reference pressure. This can preferably be done by an oxide deposition (reference number 10 ), or by a deposition of polycrystalline silicon, by an epitaxial silicon deposition, by a metal deposition or a melting process, in particular a laser reseal process, in particular silicon, preferably under vacuum.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann auch ein Kappenwafer 13 auf einen Sensorwafer mit dem MEMS-Sensor 1 gebondet werden. Weiter kann auch eine wasserundurchlässige Membran 14 auf dieser Schicht 13 aufgebracht werden, um Wasser im MEMS-Sensor 1 zu vermeiden. Durch den Bondvorgang kann auch ein Ätzzugang 30 verschlossen werden. Gleichzeitig kann der Kappenwafer 13 zum Schutz der Trägerstruktur 9 verwendet werden. Auch kann damit eine Stufe im Bereich der Pads 11 für das Drahtbonden erzeugt werden. Das so gebildete Bauteil kann in dieser Variante in ein günstiges Package gemoldet werden, wobei die Kappe 13 mit einem Druckzugang aus dem Moldgehäuse herausragt und die empfindlichen Drahtbonds 103, 104 durch die Moldmasse 105 geschützt sind. Weiter kann auch eine wasserundurchlässige Membran 14 auf dem Gehäuse aufgebracht werden, um Wasser im Sensorelement 1 zu vermeiden.In a particularly advantageous embodiment, a cap wafer can also be used 13 onto a sensor wafer with the MEMS sensor 1 be bonded. A water-impermeable membrane can also be used 14th on this layer 13 applied to water in the MEMS sensor 1 to avoid. The bonding process also allows an etching access 30th be locked. At the same time, the cap wafer 13 to protect the support structure 9 be used. It can also create a step in the area of the pads 11 for wire bonding. In this variant, the component formed in this way can be molded into an inexpensive package, with the cap 13 with a pressure access protrudes from the mold housing and the sensitive wire bonds 103 , 104 through the molding compound 105 are protected. A water-impermeable membrane can also be used 14th applied to the housing to keep water in the sensor element 1 to avoid.

Zur elektrischen Kontaktierung können elektrische Kontakte über TSVs, Durchkontaktierungen 12, über die Substratrückseite geführt werden. Der Einschluss des Referenzdrucks und die Opferschichtätzung können insbesondere über die Rückseite des Substrats 2 zusammen mit dem TSV-Herstellungsprozess vorgenommen werden. Insbesondere in diesem Fall kann es vorteilhaft sein, über der Trägerstruktur 9 über eine Opferschicht eine weitere, bevorzugt elektrisch leitfähige Schicht anzuordnen. Diese kann als mechanischer und elektrischer Schutz des MEMS-Sensors 1 dienen. Weiter kann auch eine wasserundurchlässige Membran 14 aufgebracht werden, um, wie oben beschrieben, Wasser im MEMS-Sensor 1 zu vermeiden.For electrical contacting, electrical contacts can be made via TSVs, vias 12th , be guided over the back of the substrate. In particular, the inclusion of the reference print and the sacrificial layer etching can be via the rear side of the substrate 2 together with the TSV manufacturing process. In this case in particular, it can be advantageous over the support structure 9 to arrange a further, preferably electrically conductive, layer over a sacrificial layer. This can be used as mechanical and electrical protection for the MEMS sensor 1 serve. A water-impermeable membrane can also be used 14th applied to, as described above, water in the MEMS sensor 1 to avoid.

Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:

  • • Vollständige Entkopplung von Membran und Trägerstruktur vom Substrat.
  • • Stress-Unabhängigkeit, insbesondere kein intrinsischer Stress.
  • • Gutes Temperaturverhalten.
  • • Kostengünstige Herstellung.
  • • Einfache Herstellung.
  • • Hohe Genauigkeit und Empfindlichkeit.
  • • Schutz der Membran.
In summary, at least one of the embodiments of the invention has at least one of the following advantages:
  • • Complete decoupling of membrane and support structure from the substrate.
  • • Stress independence, especially no intrinsic stress.
  • • Good temperature behavior.
  • • Inexpensive to manufacture.
  • • Easy to manufacture.
  • • High accuracy and sensitivity.
  • • Protection of the membrane.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.Although the present invention has been described on the basis of preferred exemplary embodiments, it is not restricted thereto, but rather can be modified in many ways.

Claims (16)

MEMS-Sensorelement (1b) mit einer auslenkbar angeordneten Membran (4), umfassend ein Substrat (2), eine Trägerstruktur (9) für die auslenkbar angeordnete Membran (4), wobei die Trägerstruktur (9) mit dem Substrat (2) zumindest in einem Bereich (80) verbunden ist und wobei die Membran (4) teilweise mit der Trägerstruktur (9) verbunden ist, und wobei zwischen der Trägerstruktur (9) und der Membran (4) ein abgeschlossener Raum (40) gebildet ist, und eine Elektrodenstruktur (6), welche in dem abgeschlossenen Raum (40) beabstandet von Trägerstruktur (9) und Membran (4) angeordnet ist, wobei Trägerstruktur (9) und Substrat (2) über eine Federstruktur (15) miteinander verbunden sind.MEMS sensor element (1b) with a deflectably arranged membrane (4), comprising a substrate (2), a support structure (9) for the deflectably arranged membrane (4), the support structure (9) being connected to the substrate (2) at least in one region (80) and the membrane (4) being partially connected to the support structure (9) is, and wherein a closed space (40) is formed between the support structure (9) and the membrane (4), and an electrode structure (6) which is arranged in the closed space (40) at a distance from the support structure (9) and membrane (4), wherein the support structure (9) and substrate (2) are connected to one another via a spring structure (15). MEMS-Sensorelement (1b) gemäß Anspruch 1, wobei die Membran (4) beabstandet von Trägerstruktur (9) und Substrat (2) zwischen diesen angeordnet ist.MEMS sensor element (1b) according to Claim 1 , wherein the membrane (4) is arranged at a distance from the support structure (9) and substrate (2) between them. MEMS-Sensorelement (1b) gemäß einem der Ansprüche 1-2, wobei die Membran (4) durchgehend ausgebildet ist und/oder Membran (4), Trägerstruktur (9) und Elektrodenstruktur (6) aus dem gleichen Material hergestellt werden.MEMS sensor element (1b) according to one of the Claims 1 - 2 , wherein the membrane (4) is formed continuously and / or membrane (4), support structure (9) and electrode structure (6) are made of the same material. MEMS-Sensorelement (1b) gemäß Anspruch 3, wobei das Material polykristallines Silizium umfasst.MEMS sensor element (1b) according to Claim 3 wherein the material comprises polycrystalline silicon. MEMS-Sensorelement (1b) gemäß einem der Ansprüche 1-4, wobei die Elektrodenstruktur (6) über zumindest einen Isolierschichtbereich (8) mit der Trägerstruktur (9) verbunden ist, insbesondere wobei der Isolierschichtbereich (8) durch eine dielektrische Schicht gebildet ist.MEMS sensor element (1b) according to one of the Claims 1 - 4th wherein the electrode structure (6) is connected to the carrier structure (9) via at least one insulating layer region (8), in particular wherein the insulating layer region (8) is formed by a dielectric layer. MEMS-Sensorelement (1b) gemäß einem der Ansprüche 1-5, wobei Trägerstruktur (9) und Membran (4) über eine umlaufende Verbindung miteinander verbunden sind, wobei eine Öffnung (16) im Bereich zumindest einer Verbindung zwischen Trägerstruktur (9) und Substrat (2) angeordnet ist.MEMS sensor element (1b) according to one of the Claims 1 - 5 , wherein the support structure (9) and membrane (4) are connected to one another via a circumferential connection, an opening (16) being arranged in the region of at least one connection between the support structure (9) and the substrate (2). MEMS-Sensorelement (1b) gemäß einem der Ansprüche 1-6, wobei ein Abstand zwischen Membran (4) und Substrat (2) weniger als 1/5, vorzugsweise weniger als 1/10 des Membrandurchmessers (60) beträgt.MEMS sensor element (1b) according to one of the Claims 1 - 6th , wherein a distance between membrane (4) and substrate (2) is less than 1/5, preferably less than 1/10 of the membrane diameter (60). MEMS-Sensorelement (1b) gemäß einem der Ansprüche 1-7, wobei zumindest ein Überlastanschlag (50) für die Membran (4), vorzugsweise an der Trägerstruktur (9), angeordnet ist.MEMS sensor element (1b) according to one of the Claims 1 - 7th , wherein at least one overload stop (50) for the membrane (4), preferably on the support structure (9), is arranged. MEMS-Sensorelement (1b) gemäß einem der Ansprüche 1-8, wobei zumindest eine Durchkontaktierung (12) zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenstruktur (6) von der der Trägerstruktur (9) abgewandten Seite des Substrats (2) angeordnet ist.MEMS sensor element (1b) according to one of the Claims 1 - 8th wherein at least one through-contact (12) for electrical contacting of the electrode structure (6) is arranged on the side of the substrate (2) facing away from the carrier structure (9). MEMS-Sensor (1) mit einem ersten MEMS-Sensorelement (1b) gemäß einem der Ansprüche 1-9, und mit einem zweiten MEMS-Sensorelement (1a), welches als Referenz-Sensorelement für das erste MEMS-Sensorelement (1b) ausgebildet ist.MEMS sensor (1) with a first MEMS sensor element (1b) according to one of the Claims 1 - 9 , and with a second MEMS sensor element (1a), which is designed as a reference sensor element for the first MEMS sensor element (1b). MEMS-Sensor gemäß Anspruch 10, wobei das zweite MEMS-Sensorelement (1a) Membran (4) und eine Elektrodenstruktur (6) aufweist, und wobei das erste MEMS-Sensorelement (1b) in seiner Ausgangslage in zumindest einem Teilbereich (73) einen ersten Abstand (71) zwischen seiner Membran (4) und seiner Elektrodenstruktur (6) aufweist und wobei das zweite MEMS-Sensorelement (1a) in seiner Ausgangslage in zumindest einem Teilbereich (72) einen zweiten Abstand (70) zwischen seiner Membran (4) und seiner Elektrodenstruktur (6) aufweist und wobei erster Abstand (71) und zweiter Abstand (70) unterschiedlich sind.MEMS sensor according to Claim 10 , wherein the second MEMS sensor element (1a) has a membrane (4) and an electrode structure (6), and wherein the first MEMS sensor element (1b) in its starting position in at least one partial area (73) has a first distance (71) between its Membrane (4) and its electrode structure (6) and wherein the second MEMS sensor element (1a) in its starting position in at least one partial area (72) has a second distance (70) between its membrane (4) and its electrode structure (6) and wherein the first distance (71) and the second distance (70) are different. MEMS-Sensor gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei das zweite MEMS-Sensorelement (1a) gemäß einem der Ansprüche 1-9 ausgebildet ist und die Membran (4) des zweiten MEMS-Sensorelements (1a) im Vergleich zu der des ersten MEMS-Sensorelements (1b) mindestens um einen Faktor 2 schwerer auslenkbar ist.MEMS sensor according to Claim 10 or 11 , wherein the second MEMS sensor element (1a) according to one of the Claims 1 - 9 and the membrane (4) of the second MEMS sensor element (1a) is more difficult to deflect by at least a factor of 2 compared to that of the first MEMS sensor element (1b). MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 10-12, wobei erstes und zweites MEMS-Sensorelement (1a, 1b) eine gemeinsame Trägerstruktur (4) aufweisen, wobei zumindest eines der MEMS-Sensorelemente (1a, 1b) in seinem auslenkbaren Bereich über eine Versteifungseinrichtung (51) mit der Trägerstruktur (9) verbunden ist.MEMS sensor according to one of Claims 10 - 12th , the first and second MEMS sensor elements (1a, 1b) having a common carrier structure (4), at least one of the MEMS sensor elements (1a, 1b) being connected to the carrier structure (9) in its deflectable area via a stiffening device (51) is. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 10-13, wobei erstes und zweites MEMS-Sensorelement (1a, 1b) auf demselben Substrat (2) angeordnet und geometrisch im Wesentlichen gleich ausgebildet sind.MEMS sensor according to one of Claims 10 - 13 , wherein the first and second MEMS sensor element (1a, 1b) are arranged on the same substrate (2) and are geometrically essentially identical. Chip (100) mit zumindest einem MEMS-Sensorelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1-9.Chip (100) with at least one MEMS sensor element (1) according to one of the Claims 1 - 9 . Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Sensorelements (1b) mit einer auslenkbar angeordneten Membran (4), umfassend die Schritte - Bereitstellen (S1) eines Substrats (2), - Aufbringen (S2) einer ersten Opferschicht (3) auf das Substrat, - Aufbringen (S3) einer Membranschicht (4) auf die erste Opferschicht (3), insbesondere wobei die Membranschicht (4) nachfolgend strukturiert wird, - Aufbringen (S4) einer zweiten Opferschicht (5), - Bereitstellen (S5) zumindest einer Elektrodenstruktur (6, 6a) auf der zweiten Opferschicht (5) mittels Aufbringen zumindest einer Elektrodenschicht (6), welche anschließend strukturiert wird, - Aufbringen (S6) einer Isolationsschicht (8) auf die Elektrodenstruktur (6, 6a), welche anschießend strukturiert wird, - Bereitstellen (S7) einer Trägerstruktur (9, 30) auf der Isolationsschicht (8) mittels Aufbringen zumindest einer Trägerschicht (9), welche anschließend strukturiert wird, - Entfernen (S8) der Opferschichten (3, 5) mittels zumindest eines Zugangs (30) zur jeweiligen Opferschicht (3, 5), und - Verschließen (S9) des zumindest einen Zugangs (30), wobei Trägerstruktur (9) und Substrat (2) über eine Federstruktur (15) miteinander verbunden werden.Method for producing a MEMS sensor element (1b) with a deflectably arranged membrane (4), comprising the steps - providing (S1) a substrate (2), - Application (S2) of a first sacrificial layer (3) on the substrate, - Application (S3) of a membrane layer (4) on the first sacrificial layer (3), in particular wherein the membrane layer (4) is subsequently structured, - Application (S4) of a second sacrificial layer (5), - Providing (S5) at least one electrode structure (6, 6a) on the second sacrificial layer (5) by applying at least one electrode layer (6), which is then structured, - Application (S6) of an insulation layer (8) on the electrode structure (6, 6a), which is then structured, - providing (S7) a carrier structure (9, 30) on the insulation layer (8) by applying at least one carrier layer (9), which is then structured, - removing (S8) the sacrificial layers (3, 5) by means of at least one access (30) to the respective sacrificial layer (3, 5), and - Closing (S9) the at least one access (30), the carrier structure (9) and substrate (2) being connected to one another via a spring structure (15).
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