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Stand
der Technik
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Aus
der WO 03/055271 A1 ist ein mikromechanischer Sensor mit einer Membran,
einem Hohlraum und einem der Membran gegenüberliegenden Gegenelement bekannt,
bei dem in dem Gegenelement Perforationsöffnungen eingebracht worden sind.
Die Perforationsöffnungen
weisen dabei eine homogene Ausgestaltung mit einem äquidistanten Abstand
zueinander auf.
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Die
Schrift
EP 1 441 561
A2 beschreibt die Herstellung eines mikromechanischen Mikrophons, bei
dem die Perforationsöffnungen
im Gegenelement ebenfalls äquidistant
ausgeführt
sind.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, durch eine Anpassung der Perforationsöffnungen
eine Erhöhung der
Sensorempfindlichkeit eines mikromechanischen Sensors zu erreichen.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt einen mikromechanischen Sensor
mit einer Membran und einem Gegenelement sowie ein Herstellungsverfahren
für einen
solchen mikromechanischen Sensor. Dabei ist vorgesehen, dass in
das Gegenelement Perforationsöffnungen
eingebracht sind, um das Ausströmen
eines Mediums aus einem Hohlraum zwischen Membran und Gegenelement
zu ermöglich.
Diese Perforationsöffnungen
weisen erfindungsgemäß eine inhomogene
Flächenverteilung
in dem Gegenelement auf.
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Durch
die inhomogene Flächenverteilung kann
eine Anpassung der Perforationsöffnungen
an die von der beweglichen Membran verdrängte Luftmasse erreicht werden.
Somit kann eine Kontrolle der viskosen Strömungsverluste im Hohlraum zwischen
der Membran und dem Gegenelement erreicht werden. Durch die Anpassung
der Perforationsöffnungen
kann daher eine Erhöhung
der Sensorempfindlichkeit erreicht werden.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Perforationsöffnungen
in Abhängigkeit von
der Auslenkung der Membran auf dem Gegenelement zu verteilen. Dabei
ist insbesondere vorgesehen, dass die Öffnungen im Bereich der größten Auslenkung
der Membran (typischerweise in der Mitte der Membran) am größten und
im Randbereich der Membran kleiner ausgestaltet sind. Dies hat den
Vorteil, dass die in der Mitte der Membran zu verdrängende größere Luftmasse
direkt durch das Gegenelement entweichen kann und nicht aufgrund
eines Staudrucks zur Seite verdrängt
wird.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass sowohl die Membran als auch das Gegenelement
als Elektrode ausgeführt
sind. Somit lässt
sich die Bewegung der Membran durch eine Kapazitätsänderungen zwischen den beiden
Elektroden feststellen. Diese Kapazitätsänderung ist beispielsweise
mittels einer entsprechenden Ansteuerung bzw. Beschaltung der beiden
Elektroden erfassbar. Die Kapazität des Sensor kann dabei durch
eine Gestaltung der flächenmäßigen Verteilung
der Perforationsöffnungen
im Gegenelement maßgeblich
mitbestimmt werden.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, die Geometrie
der Perforationsöffnungen auf
dem Gegenelement zu variieren. So ist beispielsweise denkbar, die
Größe (und
somit den Flächenbedarf)
und/oder die Form der Perforationsöffnungen unterschiedlich zu
gestalten.
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Darüber hinaus
kann jedoch auch die Verteilung der Perforationsöffnungen auf dem Gegenelement
variiert werden. Bei der Verteilung können die Abstände und/oder
die Dichte der Perforationsöffnungen
berücksichtigt
werden.
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Als
weitere Variationsmöglichkeit
bietet sich die absolute Anzahl der Perforationsöffnungen an, um eine Anpassung
an die Bewegung der Membran zu erreichen.
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Es
bietet sich als besonders vorteilhaft an, die Verteilung und/oder
die Geometrie der Perforationsöffnungen
symmetrisch zu gestalten, insbesondere wenn die Membran ebenfalls
eine Symmetrie aufweist. So lassen sich achsensymmetrische oder punktsymmetrische
Verteilungen erzeugen, die an die Membran angepasst sind. Allgemein
sind Symmetrien zu bevorzugen, die hinsichtlich der geometrischen
Mitte des Gegenelements und/oder der Membran ausgerichtet sind,
da davon ausgegangen wird, dass die Membran in der geometrischen
Mitte die größte Auslenkung
aufweist.
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Durch
die erfindungsgemäße Anpassung
der Perforationsöffnungen
an die Auslenkung der Membran kommt es zu einem geringeren Rückstau des durch
die Membran verdrängten
Mediums und somit zu einer geringeren Dämpfung der Membranbewegung.
Dadurch lassen sich die Nichtlinearitäten, die Ihre Ursache in der
durch die Dämpfung
veränderten Membraneigenform
haben, minimieren.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw.
aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Zeichnungen
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1a zeigt
das Strömungsverhalten
bei der Auslenkung einer Membran bei einer äquidistanten Verteilung der
Perforationsöffnungen,
wohingegen 1b eine entsprechende Darstellung
für eine inhomogene
Verteilung zeigt. Die 2a und 2b zeigen
schematisch eine mögliche
Ausgestaltung der Verteilung der Perforationsöffnungen im Gegenelement in
Aufsicht bzw. Querschnitt. In den 3a bis 3d sind
hingegen beispielhaft weitere Ausgestaltungen möglicher Verteilungen bzw. Geometrien
der Perforationsöffnungen
gezeigt.
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Ausführungsbeispiel
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1a zeigt
einen Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat 10, welches
eine Membran 20 und ein Gegenelement 30 mit voneinander
in äquidistanter
Entfernung eingebrachten gleich großen Perforationsöffnungen 50 aufweist.
Wird die Membran 20 beispielsweise durch eine Druckbeaufschlagung 200 ausgelenkt
und in eine Position 25 gebracht, gerät das im Hohlraum zwischen
der Membran 20 und dem Gegenelement 30 befindliche
Medium unter Druck und entweicht über die Perforationsöffnungen 50. Sind
die Perforationsöffnungen 50 nicht
auf die Auslenkung der Membran abgestimmt, wird im Bereich 45,
d.h. in der Mitte der Membran, mehr Medium verdrängt, als durch die entsprechende
Perforationsöffnung
entweichen kann. Dadurch wird ein Teil des Mediums zur Seite und
zu anderen Perforationsöffnungen
verdrängt.
Da bei diesen seitlichen Perforationsöffnungen die Bewegung der Membran
aufgrund deren Einfassung im Randbereich weniger stark ausgeprägt ist und
somit weniger Medium verdrängt
wird, kann das verdrängte
Medium aus dem Bereich 45 durch die Perforationsöffnungen
in den Bereichen 40 entweichen.
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Die
Verdrängung
des Mediums aus dem Bereich 45 zu den Seitenbereichen 40 erzeugt
ein temporäres
Luftpolster unterhalb der Membran zwischen den Perforationsöffnungen 50,
welches die Bewegung der Membran stärker als notwendig dämpft und somit
deren Schwingungsverhalten (negativ) beeinflusst. Werden sowohl
die Membran 20 als auch das Gegenelement 30 als
Elektroden ausgebildet, um mittels der Membranbewegung Druckschwankungen beispielsweise
in Form von akustischen Wellen zu erfassen, so kann diese Dämpfung wegen
kleinerer Membranauslenkung zu einer Verringerung der Aufnahmeempfindlichkeit
führen.
Eine zu starke Dämpfung
der Membran führt
außerdem
zu einem kleineren nutzbaren Frequenzbereich, da schnelle Schalldruckänderungen
nicht mehr aufgelöst
werden können.
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Als
Abhilfe für
dieses Problem wird deshalb gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Anpassung der flächenmäßigen Verteilung
der Perforationsöffnungen
vorgenommen. Wie in 1b dargestellt, wird die Perforationsöffnung 95 im
Bereich 75 der größten Membranbewegung
gegenüber
den Perforationsöffnungen 90 in
den Randbereichen 70 vergrößert. Eine derartige Anpassung
der Perforationsöffnungen
an die Auslenkung der Membran ermöglicht eine unmittelbare Verdrängung des
Mediums unterhalb der Membran durch die entsprechende Perforationsöffnung.
Dabei werden deutlich geringere störende Luftpolster erzeugt.
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Anhand
der 2a und 2b ist
ein erstes komplexeres Ausführungsbeispiel
dargestellt. 2a zeigt dabei in Aufsicht eine
erste Verteilung von runden Perforationsöffnungen 130 bis 136 in
einem Gegenelement 120. Einen entsprechenden Querschnitt
entlang AA zeigt dagegen die 1b. Der
Querschnitt zeigt das Substrat 100, die Membran 110 und
das Gegenelement 120. Im Vergleich zum einfachen Beispiel
der 1b sind in der 2b eine
Vielzahl von Perforationsöffnungen 130 bis 136 dargestellt,
deren Größe sich
ausgehend von der Mitte des runden Gegenelements 120 nach
außen
hin verringern, um eine Anpassung an die Auslenkung der Membran 115 zu
erreichen. Gleichzeitig mit der Größe der Perforationsöffnungen
kann sich auch deren Abstand, gerechnet von der Mitte der Öffnungen ändern. Insgesamt
wird dadurch erreicht, dass das durch die ausgelenkte Membran 115 verdrängte Medium
in den Bereichen 140 bis 146 durch die entsprechenden
Perforationsöffnungen 103 bis 136 strömen kann,
ohne seitlich zu anderen Öffnungen
verdrängt zu
werden.
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In
den 3a bis d sind weitere Ausgestaltungen bzw. Verteilungen
der Perforationsöffnungen im
Gegenelement aufgezeigt. Wie zu erkennen ist, kann neben der Form
auch die Dichte einzelner Perforationsöffnungen auf einem Gegenelement
variiert werden. In 3a ist eine einzelne Öffnung mit
Fingern dargestellt, die sich im äußeren Bereich des Gegenelements 120 verjüngen. 3b zeigt
die Kombination von verschiedenen Formen der Perforationsöffnungen. Ähnlich der 2a zeigt 3c eine symmetrische
Verteilung gleichartiger Perforationsöffnungen, die im vorliegenden
Fall rautenförmig
gestaltet sind. Schlussendlich sei mit der 3d eine radialsymmetrische
Verteilung von gleichartigen Öffnungen
aufgezeigt, die jedoch eine unterschiedlich hohe Dichteverteilung
auf dem Gegenelement aufweisen.
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Es
sei jedoch ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass die Ausgestaltung des Gegenelements mit Perforationsöffnungen,
wie sie in den 2a bzw. 3a bis
d gezeigt werden, nicht abschließend dargestellt ist. So sind
neben anderen nicht gezeigten Verteilungen auch eckige oder ovale
Grundelemente denkbar, bei denen die Perforationsöffnungen
entsprechend verteilt werden können.
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Weiterhin
sei darauf verwiesen, dass sich die Aufnahme bzw. die Gestaltung
der Öffnungen
in das Gegenelement auch auf die Kapazität zwischen Membran und Gegenelement
auswirken kann. Somit kann durch eine geeignete Gestaltung des Gegenelements
eine vorgebbare Kapazität
eingestellt werden.
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Allgemein
sei erwähnt,
dass eine hohe Perforation des Gegenelements zu einer Verringerung der
Sensorkapazität
führt.
Dadurch ist es notwendig, einen Kompromiss zwischen Linearität, Rauschen und
hoher Empfindlichkeit (Sensorkapazitätsänderung) zu erhalten. Ist beispielsweise
am Rand des Gegenelements eine geringere Perforationsgröße notwendig,
so erhöht
sich bei der variablen Perforierung die Kapazität des Sensors. Dadurch ist
gegenüber
einer homogenen Perforationsgrößenverteilung durch
die Erhöhung
der Kapazität
eine weitere Empfindlichkeitssteigerung möglich.
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Zur
Herstellung der Perforationsöffnungen sei
auf bekannten Verfahren verwiesen, wie beispielsweise durch die
Schriften
DE 102 21
660 A1 oder
EP
1 441 561 A2 bereits bekannt sind. Darüber hinaus ist jedoch auch
denkbar, die Perforationsöffnungen
durch einen geeigneten Trenchätzprozess, wie
in der
DE 42 41 045
C1 oder
DE
199 19 832 A1 beschrieben, von der der Membran
110 gegenüberliegenden
Seite des Substrats
100 in das Gegenelement
120 einzubringen.
Dabei kann beispielsweise im Rahmen eines zweistufigen Ätzprozesses
zunächst
die Ausnehmung
250 und daran anschließend mit oder ohne Maskierung
die Öffnungen
130 bis
136 erzeugt
werden.