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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor zur Erfassung
einer Druckgröße sowie ein Verfahren zu dessen
Herstellung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorteile der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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Weiterhin
ist vorgesehen, die Membran über die Befestigung derart
mit dem Gegenelement zu verbinden, dass sie im ersten Hohlraum frei
beweglich aufgehängt ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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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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.
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Ausführungsbeispiel
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 131136
B1 [0004]
- - EP 0979992 B1 [0005]