DE102009000416A1 - Mikromechanischer Drucksensor mit vertikaler Membranaufhängung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen mikromechanischen Sensor zur Erfassung einer Druckgröße, insbesondere einer Schalldruckgröße, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Sensors. Dabei weist der Sensor ein Substrat, eine Membran, ein von der Membran beabstandetes Gegenelement und einen ersten Hohlraum auf. Die Membran ist dabei derart gestaltet, dass sie sich vollständig in dem ersten Hohlraum befindet und lediglich mit wenigstens einem Verbindungselement an dem Gegenelement befestigt ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor zur Erfassung einer Druckgröße sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Bei einem kapazitiven Drucksensor werden in einem Halbleitersubstrat üblicherweise mittels eines mikromechanischen Herstellungsverfahren Elektroden zur Bildung eines Kondensators erzeugt. Dabei wird eine der Elektroden derart erzeugt, dass sie gegenüber der anderen Elektrode beweglich ausgestaltet ist. Typischerweise wird hierzu die Elektrode in eine Membran integriert. Wird nun die Membran durch eine Druckbeaufschlagung durchgebogen, verändert sich der Abstand der Kondensatorplatten und somit die Kapazität des Kondensators. Diese Veränderung kann im Rahmen eines Verstärkerbetriebs, bei dem der Verstärkungsfaktor von der Kapazität des Kondensators abhängt, ausgenutzt werden, um die Auslenkung der Membran auf einfache Weise kapazitiv zu erfassen.
  • Dieses Prinzip wird bei den MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System)-Mikrofonen verwendet, um einen besonders empfindlichen Drucksensor zu erzeugen. Mit Hilfe eines solchen Mikrofons kann ein Schalldruck ausgenutzt werden, um eine Kapazitätsänderung zwischen einer mit einer Elektrode ausgestatteten akustisch aktiven Membran und einer weitgehend starren Gegenelektrode zu erzeugen.
  • Aus der EP 1 31 136 B1 ein Mikrofon bekannt, bei der eine durchgehende Membran und ein perforiertes Gegenelement auf einem Substrat erzeugt werden. Dabei weist das Gegenelement eine Stützstruktur auf, die die Bewegung der Membran limitiert.
  • Ein weiteres mikromechanisches Sensorlement zur Realisierung eines Mikrofons ist aus der EP 0 979 992 B1 bekannt. Bei diesem Sensorelement wird zunächst eine Membranschicht auf die Vorderseite eines Substrats erzeugt, bevor von der Rückseite ein Zugang zur Membran geätzt wird. Durch diesen Vorgang wird die Membran seitlich auf dem Substrat verankert und ist nur noch in vertikaler Richtung beweglich. Das erforderliche Gegenelement inklusive des Hohlraums zur Membran wird in einem weiteren Verfahrensschritt durch einen epitaktischen Aufbau mittels einer Opferschichtätzung oberhalb der Membran erzeugt.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung beschreibt einen mikromechanischen Sensor zur Erfassung einer Druckgröße, insbesondere einer Schalldruckgröße, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Sensors. Dabei weist der Sensor ein Substrat, eine Membran, ein von der Membran beabstandetes Gegenelement und einen ersten Hohlraum auf. Die Membran ist dabei derart gestaltet, dass sie sich vollständig im dem ersten Hohlraum befindet und lediglich mit wenigstens einem Verbindungselement an dem Gegenelement befestigt ist.
  • Der Vorteil einer derartigen Aufhängung der Membran an dem Gegenelement besteht darin, dass eine unmittelbare Kopplung der Membran an das Gegenelement erfolgt, ohne dass sich die Fertigungstoleranzen bei der Erzeugung des ersten Hohlraums negativ auf die Empfindlichkeit des Sensors auswirken.
  • Die Befestigung der Membran an dem Gegenelement ist bevorzugt im Randbereich der Membran vorgesehen. So ist beispielsweise denkbar, kleine Verbindungselemente vorzusehen, die nur einen geringen Platzbedarf auf der Membran benötigen. In diesem Fall ist jedoch erforderlich, dass wenigstens drei Verbindungselemente vorgesehen sind, um eine stabile Aufhängung der Membran unterhalb des Gegenelements zu ermöglichen. Alternativ kann auch ein mehr oder weniger geschlossener Ring um die Membran herum vorgesehen sein. Für den Fall, dass der Abstand zwischen der Membran und dem Gegenelement mittels eines aus einer Opferschicht entstandenen zweiten Hohlraums realisiert wird, sollte berücksichtigt werden, dass Zugänge durch die Membran, dem Gegenelement oder dem geschlossenen (Verbindungs-)ring vorgesehen sind, durch die das Opfermaterial herausgelöst werden kann.
  • Weiterhin ist vorgesehen, die Membran über die Befestigung derart mit dem Gegenelement zu verbinden, dass sie im ersten Hohlraum frei beweglich aufgehängt ist.
  • Der Vorteil an dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Erzeugung des Hohlraums keinen negativen Einfluss auf die Beweglichkeit der Membran ausübt und somit Abweichungen der Sensorempfindlichkeiten im Rahmen der Fertigungstoleranzen vermieden werden. Somit kann der Ätzprozess durch den der Hohlraum erzeugt wird, vollkommen auf die Erzeugung eines großen Backvolumens ausgerichtet werden, um eine größere Empfindlichkeit des Drucksensors zu ermöglichen, ohne Schwankungen in der Sensorempfindlichkeit zu generieren.
  • Besonders vorteilhaft ist ein Aufbau, bei dem der Membran und dem Gegenelement jeweils eine Elektrode zugewiesen worden ist, beispielsweise indem die jeweilige Elektrode in die Membran bzw. das Gegenelement integriert oder zusätzlich angebaut worden ist. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhafterweise ein elektrisches Signal erzeugt werden, welches die Kapazitätsänderung misst, die durch eine Annäherung der beiden Elektroden bei einer Durchbiegung der Membran auftritt.
  • Der erfindungsgemäße Aufbau mit der Entkopplung der Aufhängung der Membran vom Substrat hat bei der Verwendung von Elektroden als Messerfassungselementen weiterhin den Vorteil, dass sich die parasitären Kapazitäten zwischen Membran und Substrat verringern. Durch die Reduzierung der herstellungsbedingten Schwankungen dieser Kapazitäten reduziert sich ebenfalls die herstellungsbedingte Schwankung der Sensorempfindlichkeit. Weiterhin kann der Sensor bei reduzierten Parasitärkapazitäten mit geringeren Ströme betrieben werden, da ein geringerer Ladungsbedarf bei Umschaltvorgängen benötigt wird.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, das wenigstens eine Verbindungselement ein Material aufweist, welches ebenfalls zur Erzeugung wenigstens eines Teilbereichs des ersten Hohlraums verwendet wird. Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn das Verbindungselement aus dem gleichen Opfermaterial besteht, mittels dem der zweite Hohlraum erzeugt wird.
  • Besonders vorteilhaft ist der Aufbau dadurch, dass die Membran durch die Verbindungselemente einer Verbiegung des Gegenelements folgt. Damit wirken sich Vorgänge, die sich druckunabhängig auf das Verbindungselement auswirken, beispielsweise bei der Herstellung oder aufgrund von thermischen Ausdehnungseffekten, nicht auf den Abstand zur Membran aus, womit Ungenauigkeiten in der Messwertaufnahme minimiert werden.
  • Vorteilhafterweise kann auch vorgesehen sein, den (ersten) Hohlraum von der Rückseite des Substrats mittels eines trockenchemischen Ätzprozesses zu erzeugen. In diesem Fall ist jedoch u. U. ein weiterer (nasschemischer) Ätzschritt nötig, der den zweiten Hohlraum, d. h. den Abstand zwischen der Membran und dem Gegenelement freiätzt, so dass sich die Membran gegenüber dem Gegenelement verbiegen kann.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Zeichnungen
  • In der 1 ist ein Aufbaukonzept eines Sensors nach dem Stand der Technik dargestellt. Die 2a und 2b zeigen die Schwankungen bei der Herstellung eines Sensors nach dem Stand der Technik. Demgegenüber wird in 3 ein erfindungsgemäßer Aufbau eines Sensors gezeigt. 4 stellt die Kopplung der Membran an das Gegenelement bei einer Verbiegung des Gegenelements dar.
  • Ausführungsbeispiel
  • Mikromechanische Drucksensoren weisen üblicherweise Membranen auf, bei denen in Abhängigkeit der Durchbiegung der Membran ein elektrisches Signal erzeugt wird. Dabei wird dieses elektrische Signal durch piezosensitive Widerstände auf der Membran oder mit Hilfe einer kapazitiven Messwerterfassung erzeugt. Bei einer speziellen Form derartiger mikromechanischer Drucksensoren, wie sie beispielhaft in der 1 als Mikrofon dargestellt ist, wird eine kapazitive Messwerterfassung benutzt, um schon geringe Druckschwankungen im Rahmen von Körperschall oder akustischer Schallwellen feststellen zu können. Zu diesem Zweck ist eine Elektrode in einer beweglichen Membran (150) von einer Elektrode in einem meist starren Gegenelement (170) mittels eines Hohlraums (160) getrennt.
  • Ein derartiger Aufbau wird üblicherweise mittels mehrerer elektrisch isolierender Opferschichten (110, 130) realisiert, die nach dem Aufbringen auf ein Substrat (100) selektiv gegenüber der Membranschicht (120) und der Schicht zur Bildung des Gegenelements (140) entfernt werden. Um beim Ätzprozess zur Entfernung des Opferschichtmaterials auch Zugang zu dem Hohlraum (160) zu erhalten ist dabei notwendig, dass Durchgänge (155) durch die Membran (150) und das Gegenelement (170) vorgesehen sind, die im Betrieb des Mikrofons auch zum Druckausgleich verwendet werden können. Zur Realisierung des notwendigen Backvolumens ist vorgesehen, von der Rückseite des Substrats (100) einen weiteren Hohlraum (180) in das Substrat zu ätzen, welcher bis zur Membran (150) reicht. Verfahrensbedingt sind durch den Ätzprozess jedoch Schwankungen des Kavernendurchmessers (105) von bis zu mehreren 10 μm möglich.
  • Neben der Ausgestaltung der Elektroden in der Membran bzw. Gegenelement und der Größe des Backvolumens sind für die Empfindlichkeit des Mikrofons auch entstehende Parasitärkapazitäten verantwortlich. Diese Parasitärkapazitäten werden im Wesentlichen durch die Größe der Flächenüberdeckung der beiden Elektroden definiert und führen u. U. zu einem hohen Stromverbrauch bei Umladevorgängen während der Messwerterfassung. Weiterhin können bei einer ungenauen Definition der Elektroden in der Membran bzw. im Gegenelement während eines Fertigungsprozesses Schwankungen in den Parasitärkapazitäten entstehen, die zu einer schwankenden Sensorempfindlichkeit innerhalb einer Charge führen können. Es wäre daher wünschenswert, sowohl bei der Membran als auch beim Gegenelement definierte laterale Ausdehnungen für die Elektroden zu definieren.
  • Ein weiteres Problem der reproduzierbaren Einstellung der Sensorempfindlichkeit liegt an der unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeit des Opferschichtmaterials während des Ätzprozesses aufgrund der ungleichen Ätzzugänge. So kann es prozessbedingt zu unterschiedlich Ätzfronten bei den verschiedenen Opferschichten (110, 130) kommen, die eine Varianz (115, 135) der entsprechenden Hohlräume (160, 180) nach sich zieht. Diese Ungenauigkeit führt sowohl zu einer Varianz in der Beweglichkeit der Membran bei verschiedenen Sensorelementen einer Charge als auch zur Erzeugung einer Vorspannung der Membran, wie sie in den 2a und 2b dargestellt sind.
  • Wird beispielsweise wie in 2a dargestellt, die untere Opferschicht (110) stärker geätzt als die obere Opferschicht (140), entsteht durch die unterschiedlichen Ätzfronten (115, 135) ein Versatz (190) der zu einem Drehmoment (125) und somit zu einer Verbiegung der Membran (150) nach unten führt. Entsprechend ist in 2b ein Versatz (195) dargestellt, bei dem die obere Opferschicht (140) stärker als die untere Opferschicht (110) geätzt wird und ein Drehmoment (125) und somit eine Verbiegung der Membran nach oben erzeugt. Da beide Arten von Verbiegungen die Membran vorspannt und somit die Empfindlichkeit beeinträchtigt, wäre es wünschenswert, diese Beeinträchtigung zu minimieren oder sogar ganz zu beheben.
  • Mit der vorliegenden Erfindung kann sowohl das Ausmaß der Parasitärkapazitäten minimiert als auch die voreingestellte Verbiegung der Membran eliminiert werden. Hierzu wird auf einem Substrat (200) eine Membran (250) und ein Gegenelement (270) mit Hilfe einer oder mehrerer Opferschichten (210, 230) erzeugt. Diese Opferschichten (210, 230) dienen dabei gemäß gängiger mikromechanischer Verfahren zur Strukturierung der Membran (250), der Bildung eines zweiten Hohlraums (260) zwischen Membran und Gegenelement sowie zur Erzeugung eines Verbindungselements (290), mit dessen Hilfe die Membran an dem Gegenelement befestigt wird. Wie bereits zum Sensorelement gemäß der 1 beschrieben, wird von der Rückseite des Substrats (200) ein erster Hohlraum (280) zur Bildung des Backvolumens mittels eines geeigneten Ätzverfahrens (trocken- oder nasschemisch) erzeugt. Auch bei diesem Ätzvorgang kann es zu Schwankungen des Kavernendurchmessers (205) kommen, jedoch lassen sich diese Schwankungen durch die Verwendung von anisotropen Ätzverfahren weiter minimieren. Der wesentliche Vorteil gemäß der vorliegenden Erfindung besteht jedoch darin, dass die Membran (250) genauer definiert werden kann, indem sie gerade nicht aus einer flächigen Membranschicht herausstrukturiert wird, sondern vielmehr im Rahmen der Opferschichten (210, 230) definiert erzeugt wird. Der nachfolgende (nasschemische) Ätzvorgang erzeugt dann eine einheitliche Ätzfront (215, 235) in den für die Membranbildung bzw. Bildung des zweiten Hohlraums (260) verwendeten Opferschichten (210, 230). Da diese Opferschichten (210, 230) im Folgenden keinen direkten mechanischen Kontakt zu der Membran (290) aufweisen, können Schwankungen in der Ätzfront auch keine Verbiegung der Membran oder anders geartete Einflussnahme ausüben. Darüber hinaus ermöglicht diese Ausgestaltung, dass die Membran weitestgehend beweglich bleibt, sowohl vertikal als auch horizontal.
  • Wie bereits im Rahmen der Besprechung zur 1 ausgeführt, weist die Membran als auch das Gegenelement Durchführungen (255, 275) bzw. Löcher auf, die vornehmlich für den Druckausgleich bei der Erfassung von Druckwellen vorgesehen sind, jedoch ebenfalls bei der Entfernung des Opferschichtmaterials verwendet werden können.
  • Die Verbindungselemente (290) stellen Überbleibsel der oberen Opferschicht (230) dar, die bei dem Ätzvorgang, der den Hohlraum (260) bzw. die Ätzfronten (215, 235) erzeugt, nicht geätzt werden. Um diese Verbindungselemente (290) entsprechenden zu planen, ist die Lage dieser Elemente auf der Membran zum Rand sowie die geplante laterale Ausdehnung der Verbindungselemente zu berücksichtigen. So ist beispielsweise darauf zu achten, dass der Ätzangriff bzw. die Unterätzung, bei der die Ätzfronten (215, 235) gebildet werden, ebenfalls die oberste Opferschicht (230) angreift. Dementsprechend ist das Verbindungselement (290) ausreichend weit vom Rand der Membran (250) vorzusehen, damit der Ätzangriff diese Verbindung zwischen Membran und Gegenelement nicht bei der vorgesehenen Ätzzeit zur Bildung des ersten Hohlraums (280) bzw. des mit dem ersten Hohlraum in Verbindung stehenden zweiten Hohlraums (260) durchätzt.
  • Die Ausgestaltung der Verbindungselemente kann bei verschiedenen Anwendungen unterschiedlich gestaltet sein. So ist denkbar, die Befestigung der Membran an dem Gegenelement mittels einer 3-Punkt-Aufhängung zu erreichen, um die Membran unterhalb des Gegenelements zu stabilisieren. Darüber hinaus ist jedoch auch möglich, mehr als drei separate Verbindungselemente vorzusehen, die beispielsweise im Randbereich der Membran mehr oder weniger gleichmäßig verteilt sind. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass auch größere Verbindungselemente verwendet werden, z. B. Kreissegmente oder vollständig geschlossene Kreisringe. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist jedoch darauf zu achten, dass der Zugang des Ätzmittels zu dem zweiten Hohlraum (260) sichergestellt ist, z. B. über die Durchgänge (255, 275) oder Öffnungen in den Kreissegmenten bzw. Kreisringen. Schlussendlich kann auch vorgesehen sein, dass die Membran zentral mittels eines einzelnen Verbindungselements an dem Gegenelement befestigt ist (nicht gezeigt). In diesem Fall erzeugt die Verbiegung der Membran an der Außenseite eine Veränderung der Kapazität, wodurch eine Druckschwankung detektiert werden kann.
  • Durch die erfindungsgemäße Befestigung der Membran (250) an dem Gegenelement (270) kann ebenfalls eine (fertigungsbedingte) Verbiegung des Gegenelements ohne eine negative Auswirkung auf die Messwerterfassung ausgeglichen werden. Wie in 4 dargestellt, wird die Verbiegung des Gegenelements und somit auch eine Veränderung der Elektrodenposition im Gegenelement mittels der Verbindungselemente (290) auf die Membran übertragen, so dass diese der Verbiegung folgen kann. Somit wird auch die Lage der Elektrode in der Membran derjenigen im Gegenelement angepasst, wodurch sich ein Kompensationseffekt einstellt, indem der Abstand der beiden Elektroden konstant bleibt.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gegenelement an der Membran befestigt ist. Dabei kann ein ähnlicher Aufbau entsprechend der 3 vorgesehen sein, wobei lediglich die Membran und das Gegenelement ihren Platz tauschen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 131136 B1 [0004]
    • - EP 0979992 B1 [0005]

Claims (12)

  1. Mikromechanischer Sensor zur Erfassung einer Druckgröße, insbesondere einer Schalldruckgröße, mit – einem Substrat (200) und – einem wenigstens durch das Substrat und einem Gegenelement (270) begrenzten ersten Hohlraum (280) und – einer im ersten Hohlraum befindlichen Membran (250), wobei die Membran (250) von dem Gegenelement (270) beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet dass die Membran mittels wenigstens einem Verbindungselement (290) an dem Gegenelement befestigt ist.
  2. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Befestigung im Randbereich der Membran erfolgt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass wenigstens drei lokal begrenzte Verbindungselemente oder ein geschlossener bzw. weitestgehend geschlossener Verbindungsring im Randbereich der Membran vorgesehen sind.
  3. Membran über das wenigstens eine Verbindungselement beweglich in dem ersten Hohlraum (280) vorgesehen ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Membran vertikal und/oder horizontal beweglich ist.
  4. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass die Membran über das wenigstens eine Verbindungselement beweglich in dem ersten Hohlraum (280) vorgesehen ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Membran vertikal und/oder horizontal beweglich ist.
  5. Mikromechanischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Membran und dem Gegenelement jeweils eine Elektrode zugewiesen werden kann, wobei ein elektrisches Sensorsignal in Abhängigkeit der Durchbiegung der Membranelektrode erzeugt wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Durchbiegung der Membran den Abstand zwischen der Membranelektrode und der Gegenelementelektrode verändert.
  6. Mikromechanischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das Verbindungselement aus dem gleichen Material wie wenigstens ein Teil der Hohlraumwand besteht.
  7. Mikromechanischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Membran durch die Befestigung mittels des wenigstens einen Verbindungselements (290) einer Verbiegung des Gegenelements nachfolgt.
  8. Mikromechanischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Hohlraum durch einen Atzvorgang erzeugt wurde, insbesondere durch einen nasschemischen oder trockechemischen Ätzvorgang.
  9. Mikromechanischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Membran und/oder das Gegenelement Öffnungen (255, 275) aufweist, durch die ein Medienstrom hindurch treten kann.
  10. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensors zur Erfassung einer Druckgröße, insbesondere einer Schalldruckgröße, mit den Prozessschritten – Aufbringen wenigstens einer Opferschicht (210, 230) auf ein Substrat (200), und – Erzeugen einer Membran (250), und – Aufbringen einer Schicht (240) zur Bildung eines Gegenelements (270), und – Erzeugen eines ersten Hohlraums (280) in dem Substrat durch einen ersten insbesondere trockenchemischen Ätzvorgang, wobei der erste Hohlraum durch die Schicht (240), der Opferschicht (210, 230) und dem Substrat (200) begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet dass wenigstens ein Verbindungselement (290) erzeugt wird, welches die Membran (250) an dem Gegenelement (270) befestigt.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet dass der erste oder ein weiterer Ätzvorgang die Membran in dem ersten Hohlraum freistellt, so dass sie frei bewegt werden kann, insbesondere vertikal und/oder horizontal.
  12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet dass in oder auf der Membran und/oder dem Gegenelement eine Elektrode erzeugt wird.
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