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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein akustisches Sensorelement mit mindestens
einer Membran und mindestens einem feststehenden Gegenelement. Die Membran
des Sensorelements ist in einem Hohlraum zwischen einem Substrat
und dem Gegenelement angeordnet und fungiert als bewegliche Elektrode
einer Kondensatoranordnung, während das Gegenelement als
feststehende Gegenelektrode dieser Kondensatoranordnung fungiert.
Im Substrat ist mindestens eine Durchgangsöffnung ausgebildet, über
die die Schalldruckbeaufschlagung der Membran erfolgt.
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Aus
dem Stand der Technik sind mikromechanische Mikrofone bekannt, die
Schallwellen mit Hilfe eines derartigen Sensorelements in ein elektrisches
Signal umwandeln. Die bekannten Sensorelemente umfassen eine Kondensatoranordnung
mit mindestens zwei Elektroden, zwischen denen ein Luftspalt von
0,5 μm bis 10 μm besteht. Idealerweise ist die
eine Elektrode starr, während die andere Elektrode beweglich
ist, so dass sie beim Auftreten von Schallwellen in Schwingung versetzt
wird. Dadurch verändert sich die Kapazität zwischen
den beiden Elektroden entsprechend dem variierenden Schalldruck.
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Die
Qualität eines solchen mikromechanischen Wandlerelements
hängt wesentlich von der Unbeweglichkeit der Gegenelektrode
ab. In der Praxis wird die Gegenelektrode deshalb häufig
mit einer vergleichsweise großen Dicke ausgestattet, indem sie entweder
aus dem Trägersubstrat des Wandlerelements herausstrukturiert
wird oder nachträglich mit einer dicken Schicht, beispielsweise
aus Epi-Polysilizium, versehen wird. Eine hohe Steifigkeit der Gegenelektrode
kann aber auch erzielt werden, wenn die Gegenelektrode unter starker
Zugverspannung hergestellt wird. Allerdings ist sowohl die Strukturierung
des Trägersubstrats als auch das Erzeugen von hohen Schichtdicken
oder die Herstellung stark verspannter Schichten aufwendig und entsprechend kostenintensiv.
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Ein
akustisches Sensor- bzw. Wandlerelement der eingangs genannten Art
wird auch in der
US 6,535,460
B2 beschrieben. Der Aufbau dieses Sensorelements umfasst
ein Substrat mit einer Durchgangsöffnung, die von einer
Membran überspannt wird. Über der Membran und
von dieser beabstandet ist ein perforiertes Gegenelement angeordnet,
das im Randbereich der Durchgangsöffnung mit dem Substrat
verbunden ist. Membran und Gegenelement bilden zusammen einen Kondensator,
wobei die Membran als bewegliche Elektrode fungiert, während
das Gegenelement die starre Elektrode darstellt. Die Membran wird über
die Durchgangsöffnung im Substrat mit Schallwellen beaufschlagt
und so in Schwingung versetzt. Die Bewegung der Membran wird dann
mit Hilfe des Gegenelements als Kapazitätsschwankungen
des Kondensators erfasst. Besondere Maßnahmen zur Fixierung
und/oder Versteifung des perforierten Gegenelements werden in der
US 6,535,460 B2 nicht
beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung werden einfache konstruktive Maßnahmen
zur Verbesserung der Wandlereigenschaften eines mikromechanischen akustischen
Sensorelements der eingangs genannten Art vorgeschlagen. Diese Maßnahmen
betreffen insbesondere die Fixierung und Versteifung des Gegenelements
bzw. der Gegenelektrode der Kondensatoranordnung.
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Dazu
ist das Gegenelement erfindungsgemäß über
mindestens ein Stützelement mit dem Substrat verbunden,
wobei das Stützelement im Bereich des Hohlraums angeordnet
ist. Außerdem ist in der Membran eine Öffnung
für das Stützelement ausgebildet, so dass die
Membran innerhalb des Hohlraums frei schwingen kann.
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Erfindungsgemäß ist
erkannt worden, dass die Steifigkeit des Gegenelements einfach dadurch erhöht
werden kann, dass das Gegenelement an einer oder mehreren Stellen
auf einer vorhandenen festen Struktur des Substrats abgestützt
wird und somit die Spannweite des Gegenelements reduziert wird.
Diese Maßnahme eröffnet die Möglichkeit,
das Gegenelement auch in Form einer dünnen Schicht zu realisieren,
die nicht unbedingt zugverspannt sein muss. Die Spannweite der Membran
und damit auch die Empfindlichkeit des Sensorelements werden durch
die Stützelemente nicht wesentlich beeinträchtigt,
da die Membran erfindungsgemäß mit Öffnungen
versehen ist, durch die die Stützelemente vom Gegenelement
auf die Substratstruktur verlaufen, so dass sich die Membran zwischen
dem Gegenelement und der Substratstruktur frei bewegen kann.
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Da
das Gegenelement des erfindungsgemäßen Sensorelements
in einer dünnen Schicht realisiert werden kann, die nicht
auf eine hohe Zugspannung ausgelegt sein muss, kann das erfindungsgemäße
Sensorelement insgesamt mit Standard-Halbleiterprozessen hergestellt
werden, die kostengünstig und volumenfähig sind.
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Grundsätzlich
gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen Sensorelements und insbesondere
für die Anordnung der Stützelemente im Bereich
des Hohlraums zwischen dem Gegenelement und dem Substrat.
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In
einer bevorzugten Variante der Erfindung ist im Bereich unterhalb
des Hohlraums eine Substratstruktur mit einem Substratsockel für
das Stützelement ausgebildet. Der Substratsockel ist demnach unterhalb
des Hohlraums angeordnet und mit dem „Substrat-Festland"
verbunden, so dass der Substratsockel festgelegt ist und eine gute
Stützstelle für das Stützelement und
das Gegenelement bildet.
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Vorteilhafterweise
wird die Substratstruktur unterhalb des Hohlraums bzw. die von der
Substratstruktur begrenzte Durchgangsöffnung im Substrat
so ausgelegt, dass die Membran möglichst großflächig
mit Schalldruck beaufschlagt werden kann. In diesem Zusammenhang
erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Substratsockel über
vergleichsweise schmale Stege mit dem Substrat im Randbereich des Hohlraums
verbunden ist. Die für die Fixierung des Gegenelements
erforderliche Stabilität der Substratstruktur kann einfach
dadurch erzielt werden, dass der Substratsockel und die Stege im
wesentlichen die Dicke des unstrukturierten Substrats aufweisen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Sensorelements ist das Gegenelement mit Perforationslöchern
versehen, die eine Dämpfung der Membranschwingung vermindern.
Außerdem kann über diese Perforationslöcher
ein Druckausgleich zwischen dem Hohlraum über der Membran
und der Umgebung stattfinden.
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Mit
Hilfe einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung
können Schallwellen auch differentiell erfasst werden.
Dazu wird das erfindungsgemäße Sensorelement einfach
mit einer weiteren feststehenden Gegenelektrode ausgestattet, die
im Substrat bzw. in der Substratstruktur unterhalb der Membran realisiert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie
bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und
weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen
Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits
auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung durch den Schichtaufbau eines ersten erfindungsgemäßen Sensorelements 10 im
Bereich einer Stützstelle und
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2 zeigt
eine entsprechende Schnittdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen
Sensorelements 20.
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3a zeigt
eine Draufsicht auf das Substrat eines erfindungsgemäßen
Sensorelements,
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3b zeigt
eine Draufsicht auf die Membran dieses Sensorelements und
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3c zeigt
eine Draufsicht auf das Gegenelement dieses Sensorelements.
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4 zeigt
eine Schnittdarstellung durch den Schichtaufbau eines vierten erfindungsgemäßen Sensorelements 40.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Der
Schichtaufbau des in 1 dargestellten akustischen
Sensorelements 10 umfasst ein Substrat 1, über
dem eine Membran 2 und ein feststehendes Gegenelement 3 ausgebildet
sind. Die Membran 2 ist in einem Hohlraum 4 zwischen
dem Substrat 1 und dem Gegenelement 3 angeordnet
und fungiert als bewegliche Elektrode einer Kondensatoranordnung,
während das Gegenelement 3 eine feststehende Gegenelektrode
dieser Kondensatoranordnung bildet. Das Substrat 1 ist
im Bereich 5 unterhalb des Hohlraums 4 strukturiert.
Hier befinden sich Durchgangsöffnungen zur Schalldruckbeaufschlagung
der Membran 2, wie in 3a dargestellt.
Das Gegenelement 3 ist über ein Stützelement 7 mit
dem Substrat 1 verbunden. Das Stützelement 7 ist
im Bereich des Hohlraums 4 angeordnet und sitzt auf einem
Substratsockel 8 auf, der Teil der Substratstruktur unterhalb
des Hohlraums 4 ist. Diese Substratstruktur umfasst ferner
Stege 9, über die der Substratsockel 8 mit
dem „Substrat-Festland" 1 im Randbereich des Hohlraums 4 verbunden
ist. Der Substratsockel 8 so wie auch die Stege 9 sind
in der vollen Dicke des Substrats 1 ausgebildet. In der
Membran 2 befindet sich eine Öffnung 11 für
das Stützelement 7, so dass die Membran 2 bei
entsprechender Schalldruckbeaufschlagung innerhalb des Hohlraums 4 frei
schwingen kann. Das Gegenelement 3 ist im Bereich über dem
Hohlraum 4 mit Perforationslöchern 12 versehen.
Zum elektrischen Anschluss des als Festelektrode fungierenden Gegenelements 3 ist
ein Kontaktanschluss 13 vorgesehen. Die als bewegliche
Elektrode fungierende Membran 2 ist über eine
Leiterbahn 14, die unter einer elektrisch isolierten Membraneinspannung 15 verläuft,
an ein Anschlusspad 16 geführt.
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Mikromechanische
Bauelemente, wie das voranstehend beschriebene Sensorelement 10,
werden ausgehend von einem Halbleitersubstrat, wie z. B. einem Siliziumwafer,
gefertigt. Das als Festelektrode fungierende Gegenelement 3 des
Sensorelements 10 wird beispielsweise in einer Poly-Siliziumschicht
mit einer Dicke von 0,5 μm–4 μm ausgebildet. Diese
Schicht kann in einem einfachen Standard-LPCVD-Prozess hergestellt
und dotiert werden. Die Schichtspannung, die sich bei einem derartigen
Prozess einstellt, liegt typischerweise bei 10–100 mPa Druck.
Da das Gegenelement 3 des Sensorelements 10 erfindungsgemäß mit
Hilfe des Stützelements 7 stabilisiert und fixiert
wird, müssen keine besonderen Maßnahmen zur Erhöhung
oder Beeinflussung der Schichtspannung getroffen werden. Das Stützelement 7 besteht
vorteilhafterweise aus einem elektrisch isolierenden Material, um
das Substrat 1 und das Gegenelement 3 elektrisch
zu entkoppeln. So kann das Stützelement 7 beispielsweise
aus Oxid gebildet sein, das beim Opferschichtätzen zum
Freilegen der Membran 2 und Erzeugen des Hohlraums 4 als
Restoxid kontrolliert stehen gelassen wird. Es sind aber auch andere
elektrisch isolierte Varianten möglich, wie z. B. ein Poly-Silizium-Stützelement
mit Nitrid-Isolation.
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Das
in 2 dargestellte Sensorelement 20 weist
die gleiche Bauelementstruktur auf wie das in 1 dargestellte
Sensorelement 10. Deshalb werden in 2 auch die
gleichen Bezugszeichen verwendet. Jedoch umfasst die Kondensatoranordnung des
Sensorelements 20 im Unterschied zum Sensorelement 10 zusätzliche
Festelektroden 21, die im Bereich der Stege 9 im
Substrat 1 ausgebildet sind. Diese Festelektroden 21 ermöglichen
eine differentielle Erfassung der Kapazitätsschwankungen,
die durch die Bewegungen der Membran 2 hervorgerufen werden.
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Der
Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Sensorelements
wird nachfolgend nochmals anhand der 3a bis 3c erläutert.
Dabei werden für die auch in 1 dargestellten
Strukturelemente die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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3a zeigt
die Draufsicht auf das Substrat 1 im Bereich der Kondensatoranordnung.
Das Substrat 1 ist in diesem Bereich mit Durchgangsöffnungen 6 zur
Druckbeaufschlagung einer Membran versehen, die als bewegliche Elektrode
fungiert und über dem Substrat 1 angeordnet wird.
Die Durchgangsöffnungen 6 sind hier kreissegmentförmig
und durch acht Stege 9 einer entsprechenden Substratstruktur voneinander
getrennt. In der Mitte der Substratstruktur am Schnittpunkt der
acht Stege 9 und in der Mitte eines jeden Stegs 9 zwischen
dem Schnittpunkt und dem äußeren kreisförmigen
Rand der Durchgangsöffnungen 6 sind Substratsockel 8 in
der Substratstruktur ausgebildet. An dieser Stelle sei angemerkt,
dass die Form der Durchgangsöffnungen vorteilhafterweise
an die Membranform angepasst wird, um eine möglichst gute
Schallbeaufschlagung der Membran zu erzielen. Die Substratsockel 8 werden möglichst
gleichmäßig über die Spannweite des abzustützenden
Gegenelements verteilt, um eine gute Fixierung der Festelektrode
zu erreichen.
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3b zeigt
das Substrat 1, nachdem eine kreisförmige Membran 2 über
den Durchgangsöffnungen 6 und der diese begrenzenden
Substratstruktur angeordnet worden ist. Wie bereits erwähnt,
fungiert die Membran 2 als bewegliche Elektrode der Kondensatoranordnung
des Sensorelements. Dazu wird die Membran 2 über
die Leiterbahn 14, die in derselben Schicht wie die Membran 2 ausgebildet
ist, elektrisch kontaktiert. Zudem verdeutlicht 3b,
dass die Membran 2 im Bereich über den Substratsockeln 8 mit Öffnungen 11 versehen
ist.
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3c zeigt
schließlich noch eine Draufsicht auf den Schichtaufbau
des Sensorelements, nachdem das Gegenelement 3 über
der Membran 2 erzeugt worden ist. Das Gegenelement 3 ist
im Bereich über der Membran 2 und den Durchgangsöffnungen 6 im
Substrat 1 mit Perforationslöchern 12 versehen. Lediglich
im Bereich über den Substratsockeln 8 ist die
Struktur des Gegenelements 3 unperforiert. Hier befinden
sich Stützelemente 7, über die das Gegenelement 3 mit
den Substratsockeln 8 verbunden ist. Durch diese Stützenkonstruktion
verringert sich die freie Spannweite des Gegenelements 3 und
damit auch die Auslenkung des Gegenelements 3 beim Auftreten
von Schallwellen.
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In 4 ist
ein erfindungsgemäßes akustisches Sensorelement 40 dargestellt,
das – wie im Fall des Sensorelements 10 – ausgehend
von einem Substrat 41 gefertigt wurde. In dem Schichtaufbau über
dem Substrat 41 sind eine Membran 42 und ein feststehendes
Gegenelement 43 ausgebildet. Die Membran 42 ist
in einem Hohlraum 44 zwischen dem Substrat 41 und
dem Gegenelement 43 angeordnet und fungiert als bewegliche
Elektrode einer Kondensatoranordnung, während das Gegenelement 43 eine
feststehende Gegenelektrode dieser Kondensatoranordnung bildet.
Im Bereich unterhalb des Hohlraums 44 sind Durchgangsöffnungen
im Substrat 41 ausgebildet, über die die Schalldruckbeaufschlagung der
Membran 42 erfolgt. Diese Durchgangsöffnungen sind
in der Schnittdarstellung der 4 nicht
wiedergegeben, da die Schnittebene innerhalb der die Durchgangsöffnungen
begrenzenden Substratstruktur 45 verläuft.
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Die
Sensorelemente 10 und 40 unterscheiden sich im
Wesentlichen in der Realisierung der Stützelemente 7 bzw. 47 für
das Gegenelement 3 bzw. 43. Im Gegenelement 43 sind
drei Einstülpungen 47 ausgebildet, deren Bodenbereiche über
eine Isolationsschicht 48 mit dem Substrat 41 bzw.
der Substratstruktur 45 unterhalb des Hohlraums 44 verbunden
sind. Diese Einstülpungen 47 bilden Stützelemente
für das Gegenelement 43, die im Bereich des Hohlraums 44 angeordnet
sind. In der Membran 42 befinden sich Öffnungen 49 für
die Einstülpungen 47, so dass de Membran 42 bei
entsprechender Schalldruckbeaufschlagung innerhalb des Hohlraums 44 frei
schwingen kann. Im Gegenelement 43 sind im Bereich über
dem Hohlraum 44 Perforationslöcher 50 ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6535460
B2 [0004, 0004]