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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement
und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Obwohl
auf beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar, werden die
vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik anhand
von piezoresistiven Hochdrucksensoren in Dünnschichtechnologie erörtert.
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Piezoresistive
Hochdrucksensoren kommen in zahlreichen Systemen, beispielsweise
in der Automatisierungstechnik und im Kraftfahrzeugbereich, zum
Einsatz. Im Kraftfahrzeugbereich werden die Hochdrucksensoren u.a.
bei der Benzindirekteinspritzung, bei der Common-Rail-Dieseldirekteinspritzung, bei
der Fahrdynamikregelung und bei der elektrohydraulischen Bremse
eingesetzt.
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In
der nicht vorveröffentlichten
DE 102004050983 sind
ein piezoresistiver Hochdrucksensor sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren
beschrieben, wobei auf einer geeignet ausgelegten Stahlmembran Metallwiderstände als
Wheatstone-Brücke
verschaltet werden. Durch Dehnung bzw. Stauchung der Widerstände wird
eine Verstimmung der Brücke
erzeugt, welche eine Messgröße generiert,
die den anliegenden Druck darstellt. Dabei ist beispielsweise für die Anwendung
im Kraftfahrzeugbereich gefordert, dass derartige Hochdrucksensoren
eine hohe Empfindlichkeit, d.h. eine möglichst große Widerstandsänderung
bei auftretenden mechanischen Verformungen (hoher k-Faktor) aufweisen.
Weiterhin wird gefordert, dass die Hochdrucksensoren eine große Temperaturstabilität von mindestens –40° bis +140°C besitzen.
Darüber
hinaus muss eine möglichst
hohe Stabilität
der Eigenschaften über
die Lebensdauer des Sensors im Kraftfahrzeug erreicht werden, also
mindestens für
eine Zeitspanne von 10 Jahren. Bei speziellen Anwendungen, wie z.B.
die Erfassung des Brennraumdrucks, werden darüber hinaus sogar Temperaturbeständigkeiten
von bis zu 400°C
gefordert.
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Eine
weitere wichtige Eigenschaft ist eine Stabilität gegenüber elektrostatischen Entladungen (ESD),
welche insbesondere im Rahmen der Montage auftreten können. Bei
derartigen elektrostatischen Ladungen können Spannungen von der Größenordnung
einiger Kilovolt auftreten.
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Wie
in der
DE 102004050983 erwähnt, wird als
metallische Widerstandsschicht in derartigen piezoresistiven Hochdrucksensoren
eine NiCr(Si)-Legierung eingesetzt. Bei der in NiCr(Si)-Schicht
handelt es sich in der Regel um eine amorphe Schicht. Die Kontaktierung
der Dehnmessstreifen erfolgt über eine
spezielle Kontaktschicht, wie z.B. NiCr/Pd/Au oder Ni. Durch eine
Passivierungsschicht, beispielsweise eine Si
xN
y-Schicht, wird das darunter befindliche
Sensorsystem gegenüber äußeren Einflüssen geschützt. Aufgrund
der hohen Empfindlichkeit der Messbrücke ist eine vollständige Abdekkung
durch die Passivierung wesentlich, um einen störungsfreien Betrieb des Sensorelements
unter Kraftfahrzeug-Einsatzbedingungen sicherzustellen. Im Allgemeinen sind
lediglich die Kontaktierungsflächen
des Sensorelements unpassiviert.
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Bei
ESD-Belastung eines derartigen Sensors kann es zu Schädigungen
der Funktionsschicht kommen. Derartige Schädigungen bewirken Offsetdriften,
die sich auf eine lokal induzierte Phasenumwandlung im amorphen
NiCr(Si) zurückführen lassen,
bis hin zum kompletten Aufschmelzen der Widerstands-Mäander, durch deren thermische
Belastung während
des EDS-Strompulses. Der Stromfluss über die Mäander kommt dadurch zustande,
dass sich die Ladungen, die durch das ESD-Ereignis auf ein Kontaktpad
gebracht wurden, gleichmäßig auf
die vier Kontaktpads verteilen, die zusammen mit dem darunter liegendenden
Stahlsubstrat einzelne Kondensatoren bilden.
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In
der
DE 102004050983 ist
es weiterhin beschrieben, die piezoresistive Widerstandsschicht
4 durch
einen Sputterprozess aufzubringen und in einem thermischen Stabilisierungs-
bzw. Alterungsschicht zu tempern. Durch eine Wahl der Temperatur in
einem Bereich von 350 bis 450°C
lässt sich
eine Teilkristallisation erzielen, welche ein stabileres Verhalten
des Sensors, insbesondere hinsichtlich des Offsets bei elektrostatischer
ESD-Belastung, hervorruft. Dies liegt daran, dass die Phasenumwandlung
in der NiCr(Si)-Schicht durch die ESD-Belastung in dem Alterungsschritt
quasi vorweggenommen werden kann. Durch die Vorwegnahme der Phasenummantelung
ist eine ESD-Festigkeit von 4 kV erreichbar. Unter Beibehaltung
aller wesentlichen Bauteileigenschaften, wie z.B. Eingangswiderstand
und Ausgangssignal ("Spanne"), bildet dieser
Wert die absolute Obergrenze für
die bekannte Dünnschichttechnologie.
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3 zeigt eine schematische
Querschnittsansicht eines in der nicht-vorveröffentlichen
DE 102004050983 beschriebenen
mikromechanischen Bauelements.
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In 3 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Stahlmembran,
die derart in einen Rahmen 3 eingebunden ist, dass ein
Gasvolumen 5 mit einem Druck P5 von
einem Gasvolumen 6 mit einem Druck P6 ge trennt
ist. Dabei kann der Rahmen 3 grundsätzlich aus dem gleichen Material
wie die Membran 1 bestehen, was jedoch nicht zwingend erforderlich
ist. Maßgeblich
für die
Funktionsweise eines derart aufgebauten Drucksensors ist es, dass
kein Druckausgleich zwischen dem Gasvolumen 5 und dem Gasvolumen 6 durch
die Membran 1 erfolgen kann. Auf der Membran 1 befindet
sich eine Widerstandsschicht 4 aus einem piezoresistiven
Material. Zur Auswertung der Druckmessgröße, die mit dieser Widerstandsschicht 4 erfasst
werden, sind Kontaktierungen 2 vorgesehen, die eine Weiterleitung
der Druckmessgröße zu einer
nicht gezeigten Auswertungseinrichtung ermöglichen.
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Die
ESD-Anforderungen an derartige Sensoren werden in den kommenden
Jahren weiter ansteigen. Gewünscht
ist derzeit ein Wert der Spannungsfestigkeit des Gesamtsensors von
bis zu 16 kV, was eine entsprechende Erhöhung der ESD-Anforderungen
an die verwendeten Sensorelemente nach sich zieht.
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VORTEILE DER
ERFINDUNG
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Das
erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Herstellungsverfahren
nach Anspruch 11 bzw. 13 weisen den Vorteil auf, dass der ESD-Schutz wesentlich
verbessert ist.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin,
das Sensorelement eines mikromechanischen Bauelements, z.B. den
Widerstands-Mäander
des piezoresistiven Drucksensors, durch einen geeigneten Bypass
vor zu großen
Strömen
zu schützen
und somit die ESD-Festigkeit weiter zu erhöhen. Die erfindungsgemäße Struktur
beeinflusst die wesentlichen Bauteileigenschaften, wie z.B. Eingangswiderstand
und Ausgangssignal ("Spanne") nicht, denn sie
ist im Normalbetrieb des Bauelements stromlos. Erfindungsgemäß wird dem Sensorelement
eine Funkenstrecke parallel geschaltet, die einen Überspannungsschutz
bildet. Somit ist gewährleistet,
dass es bei einer genau festgelegten Spannung zu einer Funkenentladung
kommt, die in einem leitfähigen
Kanal aus ionisiertem Gas resultiert. Oberhalb dieser Spannung weist
die Funkenstrecke einen relativ geringen Widerstand auf, so dass
die Sensorelemente, die parallel zu der Funkenstrecke geschaltet
sind, vor zu hohen ESD-Strömen geschützt sind.
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Obwohl
die erfindungsgemäße Opferstruktur selbst
prinzipiell durch einen ESD-Puls geschädigt werden kann, ist dies
unkritisch, da über
die Lebensdauer typischer Bauelemente ohnehin nur mit einigen wenigen,
insbesondere ein bis zwei, ESD-Pulsen zu rechnen ist, und zwar vor
allem beim Einbau.
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Vorzugsweise
fällt über dem
Zwischenraum der Bypass-Struktur die gesamte anliegende Spannung
ab, welche sich beispielsweise bei einem Mäander gleichmäßig über die
Vielzahl der Mäanderfinger
verteilt. Somit kann die Bypass-Struktur eine Funkenstrecke mit
einem Layout-Abstand aufweisen, der in der Größenordnung des Layout-Abstandes
des Sensorselements liegt.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des
jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung sind die erste und zweite Funktionsschicht
identisch und liegen in derselben Ebene. Dies vereinfacht den Herstellungsprozess
erheblich.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Sensorelement einen
piezoresistiven Mäanderbereich
auf, wobei das elektrische Bypasselement zwei flächige Bereiche aufweist, die durch
den Spaltbereich voneinander getrennt sind.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung erstreckt sich der Spaltbereich über zwei
im wesentlichen parallele und gleichlange Seiten der flächige Bereiche.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung bestehen die erste und zweite
Funktionsschicht aus NiCr(Si).
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung sind das Sensorelement und das
Bypasselement durch einen ersten und zweiten Kontaktbereich elektrisch
angeschlossen, welche durch eine dritte Funktionsschicht gebildet
sind.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht die dritte Funktionsschicht
aus NiCr/Au/Pd oder aus Ni.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die erste und zweite Funktionsschicht identisch
und liegen in verschiedenen Ebenen, die durch eine Isolierschicht
voneinander getrennt sind. Diese Variante hat den Vorteil einer
besseren Isolation des Bypasselements vom Substrat.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Substrat leitfähig, wobei
zwischen dem Substrat und dem Sensorelement und Bypasselement eine
Isolierschicht vorgesehen ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist oberhalb vom Sensorelement
und Bypasselement mindestens eine Passivierungsschicht vorgesehen.
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ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1a,
b, c schematische Ansichten eines mikromechanischen Bauelements
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a in
Draufsicht von oben, 1b im Querschnitt entlang einer
Linie A-A' in 1a und 1c im
Querschnitt entlang einer Linie B-B' in 1a;
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2 eine
schematische Ansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und zwar im Querschnitt entlang der
Linie B-B' in 1a; und
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3 eine
schematische Querschnittsansicht eines in der nicht-vorveröffentlichen
DE 102004050983 beschriebenen
mikromechanischen Bauelements.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten.
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1a,
b, c sind schematische Ansichten eines mikromechanischen Bauelements
gemäß einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a in
Draufsicht von oben, 1b im Querschnitt entlang einer
Linie A-A' in 1a und 1c im
Querschnitt entlang einer Linie B-B' in 1a.
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In 1a bezeichnet
Bezugszeichen 1 die bereits im Zusammenhang mit 3 beschriebene Stahlmembran,
auf der sich eine dünne
Isolationsschicht 49 aus SiOx befindet.
Bezugszeichen 40 bezeichnet eine mäanderförmig strukturierte piezoresistive
Widerstandsschicht aus NiCr(Si) zur Erfassung einer Verformung der
Membran 1 bei Druckbelastung.
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Elektrisch
und geometrisch parallel angeordnet zur Widerstandsschicht 40 ist
ein Bypass-Element aus NiCr(Si), welches zwei flächige Bereiche 45a, 45b aufweist,
die durch einen Spalt 46 voneinander getrennt sind. Der
Spalt 46 dient im späteren Betrieb
als Funkenstrecke bei Anliegen einer ESD-Spannung. Angeschlossen sind das Bypass-Element 45a, 45b und
die Widerstandsschicht 40 durch Kontaktbereiche 10a, 10b,
die das Bypass-Element 45a, 45b und die Widerstandsschicht 40 am
Rand in den Bereichen 11a, 11b bzw. 11c, 11d teilweise überlappen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Anschlussbereiche 10a, 10b aus NiCr/Pd/Au
oder Ni.
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Wie
aus 1b erkennbar, ist das derart aufgebaute mikromechanische
Bauelement in Form eines piezoresistiven Hochdrucksensors durch
eine Passivierungsschicht 50 aus SixNy passiviert.
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Aus 1c sind
insbesondere die oben beschriebenen Überlappungsbereiche 11a, 11b der Kontaktbereiche 10a, 10b zum
Anschluss des Bypass-Elements 45a, 45b erkennbar.
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Beispielsweise
wurde bei einem Layout-Abstand von etwa 16 µm und einer anliegenden Spannung
von 4 kV an einem Widerstands-Mäander
eine Feldstärke
von ca. 2,5 MV/cm beobachtet. Bei dieser Feldstärke kommt es ohne Bypasselement
zu lateralen Durchschlägen
durch das umgebende SiOx/SixNy. Aus der Literatur sind zwar Durchschlagsfestigkeiten von
4 MV/cm für
SixNy und 8 MV/cm
für SiOx bekannt, die beobachteten Durchbruchfeldstärken lagen
bei allen getesteten Bauteilen zwischen 3 und 4 kV.
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Der
Effekt lässt
sich durch das Design einer geeigneten Bypass-Struktur kontrollieren.
Durch die Vorgabe des Abstands zwischen den Leiterbahnen des Bypass-Elements
lässt sich
eine Durchbruchspannung kontrolliert einstellen, ab der es zu einem Funkenüberschlag
im Bypasselement 45a, 45b kommt. Hierdurch wird
die Sensorstruktur 40 vor ESD-Spannungsdurchbrüchen geschützt. Vorteilhaft ist
es, wenn der Widerstand des Sensorelements mit einigen kOhm relativ
groß gewählt wird,
so dass eine Durchschlagsfestigkeit von 1 kV pro 5 µm erreicht wird.
Dies hätte
zur Folge, dass ein Spalt 46 von 10 µm einen Schutz der Mäanderstruktur
gegenüber Spannungen
von über
2 kV gewährleisten
kann. Die Dimensionierung der Größe des Spalts 46 ergibt
sich unter Berücksichtigung
der Tatsache, dass über
der Vielzahl von Mäanderfingern
der Widerstandsschicht 40 die anliegende ESD-Spannung gleich
verteilt wird, während
sie in ihrer gesamten Größe über dem
Spalt 46 anliegt.
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Die
Durchbruchspannung der Bypass-Struktur sollte typischerweise etwa
1 kV unterhalb der Durchbruchspannung des Sensorelements liegen, bei
der kritische Stromflüsse
auftreten. Der für
die Sensor struktur kritische Wert kann durch ESD-Tests mit zunehmender
Spannung ermittelt werden und ist für die bekannten Sensorelemente
hinlänglich
genau bestimmbar.
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Es
wurde experimentell beobachtet, dass bei Funkenüberschlägen im Bypasselement 45a, 45b keine
Schädigung
der umliegenden Schichten 49,50 auftritt, so dass
davon auszugehen ist, dass das mikromechanische Bauelement in seiner
Funktion durch die Bypass-Struktur nicht beeinträchtigt wird. Dies gilt insbesondere
für die
SiOx-Schicht 49, die als Isolation
zu einem darunter liegenden Stahlsubstrat 1 dient, und
für die
SixNy-Schicht 50,
die die Funktionsschicht an der Oberseite gegen Feuchtigkeit schützt.
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Hat
man eine Brückenstruktur
mit beispielsweise 4 Widerstands-Mäandern, so ist eine Bypass-Struktur parallel
zu jedem der vier Widerstands-Mäander
zu schalten. Bei einem ESD-Puls auf eines der vier Kontaktpads würden diese
die Mäander überbrücken und
somit die Kontaktpads kurzschließen. Die diskutierte Verteilung
der Ladungen auf alle vier Kontaktpads würde also nicht über die Mäander erfolgen,
und diese wären
somit vor einer thermischen Überlastung
geschützt.
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Versuche
haben gezeigt, dass die ausführungsgemäße Bypass-Struktur
geeignet ist, das mikromechanische Bauelement in Form eines piezoresistiven
Hochdrucksensors wirksam vor den beim Einbau zu erwartenden einigen
ESD-Pulsen schützen
kann.
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Im
Folgenden wird das Herstellungsverfahren der in 1a–1c illustrierten
ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelements in Form des piezoresistiven Hochdrucksensors näher erläutert.
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Zunächst erfolgt
eine Eingangsreinigung der Stahlmembran
1. Anschließend wird über der
Stahlmembran
1 eine dünne
Schicht
49 aus SiO
x abgeschieden.
Nach einer Zwischenreinigung erfolgt ein Aufsputtern einer NiCr(Si)-Schicht,
welche sowohl die Widerstandsschicht
40 als auch die Bypass-Struktur
45a,
45b bildet.
Zur Strukturierung der mäanderförmigen Widerstandsschicht
40 und
des Bypass-Elements
45a,
45b erfolgt ein üblicher
Photoprozess mit den Schritten Belacken, Belichten, Entwickeln,
Hardbake, Ätzen
und Strippen. Nach einem daran anschließenden Voraltern des Widerstandselements
40 und
des Bypass-Elements
45a,
45b, beispielsweise durch
den aus der
DE 102004050983 beschriebenen
Teilkristallisationsprozess, werden unter Verwendung einer Schattenmaske
die Kontaktbereiche
10a,
10b in den Bereichen
11a–
11d teilweise überlappend
mit der Mäander-Widerstandsschicht
40 bzw.
dem Bypass-Element
45a,
45b aufgebracht.
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Es
folgen ein Vorabgleich, eine Zwischenreinigung und anschließend die
Abscheidung der Passivierungsschicht 50 aus SixNy.
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Der
beschriebene Herstellungsprozess hat den wesentlichen Vorteil, dass
die Einführung
des zusätzlichen
Bypass-Elements 45a, 45b lediglich eine Änderung
der Photomaskengeometrie erforderlich macht, da das Bypass-Element 45a, 45b in
derselben Ebene liegt wie das mäanderförmige Widerstandselement 40 und
aus demselben Material besteht.
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2 ist
eine schematische Ansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und zwar im Querschnitt entlang der
Linie B-B' in 1a.
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Bei
der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform ist das Bypass-Element 45a', 45b' mit dem Spalt 46' in einer von
der Ebene des Widerstandselements 40 verschiedenen Ebene
angeordnet.
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Bei
dem entsprechenden Herstellungsverfahren wird zunächst in
einer ersten Ebene das mäanderförmige Widerstandselement 40 mit
den Kontaktbereichen 10a', 10b' hergestellt.
Es folgt die Abscheidung einer ersten Passivierungsschicht 50a aus SixNy. Anschließend erfolgt
eine Abscheidung und eine Strukturierung des Bypass-Elements 45a', 45b' auf der Oberfläche der
ersten Passivierungsschicht 50a, nachdem oberhalb der Kontaktbereich 10a', 10b' entsprechende
Durchgangslöcher
V1 bzw. V2 zur Kontaktierung in der ersten Passivierungsschicht 50a gebildet
sind.
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Nach
Strukturierung des Bypass-Elements 45a', 45b' wird die gesamte Struktur durch
eine zweite Passivierungsschicht 50b aus SixNy abgedeckt.
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Obwohl
das Herstellungsverfahren für
diese zweite Ausführungsform
aufwändiger
ist als für
die oben erläuterte
erste Ausführungsform,
da zwei Photoebenen notwendig sind, weist die zweite Ausführungsform
den Vorteil auf, dass die Isolationsschicht 49 aus SiOx, welche sich oberhalb der Strahlmembran 1 befindet,
besser gegenüber
den Funkenüberschlägen zwischen
den Teilbereichen 45a', 45b' des Bypass-Elements
geschützt
ist, da der Spalt 46' für die Funkenentladung
weiter von der Isolierschicht 49 entfernt ist.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern vielfältigt modifizierbar.
Insbesondere sind die Bauelementgeometrie und die Materialien beliebig und
nicht auf die gezeigten Beispiele beschränkt.
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- 1
- Stahlsubstrat
- 2
- Kontaktierungen
- 3
- Rahmen
- 4
- Widerstandsschicht
- 5
- Gasvolumen
- 6
- Gasvolumen
- P5,P6
- Drucke
- 40
- Sensorelement
- 41
- Mäanderspalt
- 45a,45b;
-
- 45a',45b'
- Bereiche
vom Bypasselement
- 46;46'
- Spalt
- 10a,10b;
-
- 10a',10b'
- Kontaktflächen
- 11a–d
- Überlappungsbereiche
- 49
- Isolierschicht
- 50;50a,50b
- Passivierungsschicht