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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen
Struktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche
Herstellungsverfahren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist
aus der Druckschrift
DE 10
2004 027 501 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen
Bauelements mit wenigstens zwei Kavernen bekannt, welche unterschiedliche
atmosphärische Innendrücke aufweisen, wobei die
Kavernen von einem mikromechanischen Bauteil und einer Kappe begrenzt
sind. Das mikromechanische Bauteil und die Kappe werden bei einem
ersten vorgebbaren atmosphärischen Druck hermetisch miteinander
verbunden, wobei danach ein Zugang zu wenigstens einer Kaverne erzeugt
wird, und anschließend der Zugang bei einem zweiten vorgebbaren
atmosphärischen Druck hermetisch verschlossen wird. Ferner
ist aus der Druckschrift
DE 10 2007 022 509 A1 ein Verfahren zur Herstellung
eines mikromechanischen Bauteils mit einem Substrat, einer Kaverne
und einer Dünnschichtverkappung bekannt, wobei zunächst
ein Polymer in der Kaverne angeordnet, anschließend die
Kaverne verschlossen wird, so dass sie von dem Substrat und der
Dünnschichtverkappung begrenzt wird und abschließend
eine thermische Zersetzung des Polymers des Polymers herbeigeführt
wird, so dass eine Gasphase nichtatmosphärischer Zusammensetzung
in der Kaverne entsteht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer
mikromechanischen Struktur und die erfindungsgemäßen
mikromechanischen Strukturen gemäß den nebengeordneten
Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik
den gemeinsamen Vorteil, dass die mikromechanischen Strukturen in deutlich
weniger Prozessschritten herstellbar ist, wobei in einer vergleichsweise
einfachen und kostengünstig zu realisierenden Weise ein
definierter und insbesondere vergleichsweise hoher Innendruck in der
ersten und/oder zweiten Kaverne einstellbar ist und/oder sich die
Innendrücke der ersten und zweiten Kaverne voneinander
unterscheiden. Dies wird bei dem Verfahren zur Herstellung einer
mikromechanischen Struktur gemäß Anspruch 1 dadurch
erreicht, dass der erste und der zweite Membranbereich unterschiedliche
Dicken aufweisen, so dass die Diffusionslängen des ersten
und zweiten Membranbereichs unterschiedlich sind. Während
des Temperierungsschrittes diffundieren somit beispielsweise unterschiedlich
viele Gasteilchen durch den ersten Membranbereich aus der ersten
Kavität, als durch den zweiten Membranbereich aus der zweiten
Kavität heraus, so dass sich unterschiedliche Innendrücke
in der ersten und zweiten Kavität ausbilden. Im Vergleich
zum Stand der Technik ist die Realisierung dieser beiden unterschiedlichen
Innendrücke in nur einem einzigen Herstellungsschritt und
insbesondere mittels Standardfertigungstechnologien realisierbar, so
dass die Herstellungskosten in erheblicher Weise gesenkt werden.
Die erste Kavität wird dabei insbesondere vom Substrat
und dem ersten Membranbereich und die zweite Kavität vom
Substrat und dem zweiten Membranbereich begrenzt und insbesondere
im Wesentlichen dicht verschlossen. Vorzugsweise findet das erfindungsgemäße
Verfahren in der Dünnschichttechnologie Verwendung.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen,
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste Membranbereich
und der zweite Membranbereich zumindest teilweise ein unterschiedliches
Material umfassen, wobei der erste Membranbereich vorzugsweise eine erste
und eine zweite Membranschicht umfasst. In vorteilhafter Weise wird
somit eine Vergrößerung der ersten Dicke durch
Aufbringen einer zweiten Membranschicht realisiert, wobei die erste
Membranschicht vorzugsweise sowohl die erste Kavität, als
auch die zweite Kavität verschließt und die zweiten
Membranschicht lediglich im Bereich der ersten Kavität
angeordnet ist. Die erste und zweite Membranschicht umfassen entweder das
gleiche Material oder alternativ unterschiedliche Materialien.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in der ersten
Kaverne ein erstes Sensorelement und in der zweiten Kaverne ein
zweites Sensorelement ausgebildet wird, wobei bevorzugt das erste
Sensorelement einen Beschleunigungssensor und das zweiten Sensorelement
einen Drehratensensor umfasst und wobei besonders bevorzugt die
zweite Dicke geringer als die erste Dicke ist. In vorteilhafter
Weise erzeugt eine im Vergleich zur ersten Dicke dünnere
zweite Dicke einen ersten Innendruck in der ersten Kavität,
welcher größer als der zweite Innendruck in der
zweiten Kavität ist. Dies ist insbesondere bei der Integration
von Beschleunigungs- und Drehratensensoren in die mikromechanische
Struktur besonders vorteilhaft, da zur Dämpfung der Beschleunigungssensoren
vergleichsweise hohe Drücke wünschenswert sind,
während zur Erzielung einer hohen mechanischen Güte
bei Drehratensensoren vergleichsweise niedrige Drücke erwünscht
sind.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem
sechsten Verfahrensschritt, welcher zeitlich vor dem vierten Verfahrensschritt
durchgeführt wird, eine Verkappungsschicht auf dem Substrat
angeordnet wird, wobei in einem nachfolgenden siebten Verfahrensschritt
in der Verkappungsschicht erste Perforationslöcher im Bereich
der ersten Kaverne und zweite Perforationslöcher im Bereich
der zweiten Kaverne erzeugt werden, wobei ein erster Durchmesser
der ersten Perforationslöcher parallel zur Haupterstreckungsebene vorzugsweise
kleiner als ein zweiter Durchmesser der zweiten Perforationslöcher
parallel zur Haupterstreckungsebene ausgebildet wird. Besonders
vorteilhaft wird somit eine vergleichsweise einfache und kostengünstige
Herstellung unterschiedlich dicker erster und zweiter Membranbereiche
ermöglicht. Durch die unterschiedlichen Durchmesser der
Perforationslöcher wächst eine der Verkappungsschicht abgeschiedene
erste Membranschicht bei den kleineren ersten Perforationslöchern
früher zusammen, als bei den größeren
zweiten Perforationslöchern, so dass im Ergebnis die erste
Membranschicht im Bereich der ersten Perforationslöcher
dicker, als im Bereich der zweiten Perforationslöcher ausgebildet wird.
Die Verkappungsschicht umfasst insbesondere ein weiteres Substrat,
welches vorzugsweise mittels Sealglasbonden am Substrat befestigt
ist.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur, wobei in einem
achten Verfahrensschritt ein erstes Sensorelement und ein zweites
Sensorelement bereitgestellt werden, wobei in einem neunten Verfahrensschritt
das erste Sensorelement in einer ersten Kaverne eingeschlossen wird,
wobei in einem zehnten Verfahrensschritt das zweite Sensorelement
in einer zweiten Kaverne eingeschlossen wird und wobei in einem
elften Verfahrensschritt die mikromechanische Struktur erwärmt wird
und wobei ferner die erste Kaverne mit einem ersten Innenvolumen
ausgebildet wird, welche ungleich einem zweiten Innenvolumen der
zweiten Kaverne ist. In vorteilhafter Weise hängen der
erste Innendruck in der ersten Kaverne und der zweite Innendruck
in der zweiten Kaverne, welche sich nach dem elften Verfahrensschritt
einstellen, vom ersten und zweiten Innenvolumen ab. Durch eine geeignete Wahl
des jeweiligen Innenvolumens ist somit ein entsprechender Innendruck
in der jeweiligen Kaverne wählbar. Insbesondere wird bei
der Wahl verschiedener Innenvolumina die Realisierung eines ungleichen ersten
und zweiten Innendrucks in nur einem einzigen Prozessschritt möglich.
Der elfte Verfahrensschritt umfasst vorzugsweise einen Sealglasbondvorgang,
durch welchen eine Verkappungsschicht mit dem Substrat derart verbunden
wird, dass die erste und zweite Kaverne von der Verkappungsschicht
und dem Substrat begrenzt werden. Beim Bonden der Verkappungsschicht
wird das Sealglas erwärmt bzw. komprimiert, wodurch sich
im Sealglas Gasblasen bilden, welche auf gasförmige Zersetzungsprodukte
der organischen Bestandteile im Sealglas zurückzuführen
sind. Diese Gasblasen öffnen sich in Richtung der ersten
und zweiten Kaverne, wenn die Verkappungsschicht mit dem Substrat
verbunden ist, und führen dann zu einer Erhöhung
des ersten und zweiten Innendrucks in Abhängigkeit des ersten
und zweiten Innenvolumens.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Sensorelement
einen Beschleunigungssensor und das zweite Sensorelement einen Drehratensensor
umfasst, wobei insbesondere das erste Innenraumvolumen kleiner als
das zweite Innenraumvolumen ist, so dass sich während des
Sealg lasbondens in der zweiten Kaverne automatisch ein für
den Drehratensensor günstigeren niedrigeren zweiten Innendruck
und in der ersten Kaverne automatisch ein für den Beschleunigungssensor
günstigeren höheren Innendruck ausbildet.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur, wobei in einem
zwölften Verfahrensschritt ein Substrat bereitgestellt
wird, wobei in einem dreizehnten Verfahrensschritt eine erste Kaverne
im Substrat hergestellt wird und wobei in einem vierzehnten Verfahrensschritt
die erste Kaverne mit einer ersten Verkappungsschicht verschlossen wird
und wobei ferner in einem zeitlich vor dem vierzehnten Verfahrensschritt
durchgeführten fünfzehnten Verfahrensschritt ein
Sealglaselement innerhalb der ersten Kaverne angeordnet wird, welches
in einem zeitlich nach dem vierzehnten Verfahrensschritt durchgeführten
sechzehnten Verfahrensschritt durch eine Temperaturerhöhung
zum Ausgasen gebracht wird. In vorteilhafter Weise dient das Sealglaselement
ausschließlich zur Einstellung eines definierten ersten
Innendrucks in der ersten Kaverne während des sechzehnten
Verfahrensschritts. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
wird die Verkappungsschicht im vierzehnten Verfahrensschritt durch Sealglasbonden
mit dem Substrat verbunden, wobei zwischen der Verkappungsschicht
und dem Substrat Sealglasverbindungselemente angeordnet sind. In diesem
Fall fallen der sechzehnte und der vierte Verfahrensschritt insbesondere
zusammen, da sich während des Sealglasbondens die mikromechanische
Struktur zumindest teilweise erwärmt. Beim Bonden der Verkappungsschicht
wird dabei auch das Sealglaselement in der ersten Kaverne erwärmt
bzw. komprimiert, wodurch sich im Sealglaselement Gasblasen bilden,
welche sich in Richtung der ersten Kaverne öffnen und somit
den ersten Innendruck in gewünschter Weise erhöhen.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Sealglaselement
in Abhängigkeit eines in der ersten Kaverne einzustellenden
Innendrucks dimensioniert wird, so dass der sich während
des sechzehnten Verfahrensschritt einstellende erste Innendruck
präzise einstellbar ist. Besonders vorteilhaft ist das
Sealglaselement freistehend und/oder freitragend ausgebildet, so
dass die Oberfläche des Sealglaselements besonders groß ist,
so dass vergleichsweise hohe erste Innendrücke zu erzielen
sind.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine mikromechanische
Struktur mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisendem Substrat,
wobei das Substrat eine erste Kaverne und eine zweite Kaverne aufweist,
wobei die erste Kaverne von einem ersten Membranbereich und die
zweite Kaverne von einem zweiten Membranbereich verschlossen ist
und wobei eine erste Dicke des ersten Membranbereichs senkrecht
zur Haupterstreckungsebene ungleich einer zweiten Dicke des zweiten Membranbereichs
senkrecht zur Haupterstreckungsebene ist, so dass sich, wie oben
bereits detailiert ausgeführt wurde, beim Herstellungsprozess
automatisch verschiedene erste und zweite Innendrücke in
der ersten und zweiten Kaverne einstellen und daher die mikromechanische
Struktur deutlich kostengünstiger herzustellen ist. In
vorteilhafter Weise ist somit insbesondere ein Drehratensensor und
ein Beschleunigungssensor auf lediglich einem einzigen Substrat
besonders bauraumkompakt und somit kosteneffizient realisierbar.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine mikromechanische
Struktur mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisendem Substrat,
wobei das Substrat eine erste Kaverne und eine zweite Kaverne aufweist,
wobei die erste Kaverne von einem ersten Membranbereich und die
zweite Kaverne von einem zweiten Membranbereich verschlossen ist
und wobei in der ersten Kaverne ein Beschleunigungssensor und in
der zweiten Kaverne ein Drehratensensor angeordnet ist, wobei ein
erstes Innenvolumen der ersten Kaverne kleiner als ein zweites Innenvolumen
der zweiten Kaverne ist. In vorteilhafter Weise ist die mikromechanische
Struktur im Vergleich zum Stand der Technik deutlich kostengünstiger
herzustellen, da sich durch die unterschiedlichen ersten und zweiten
Innenvolumina, wie oben bereits detailiert ausgeführt wurde,
in der ersten und zweiten Kaverne während des Herstellungsprozesses
automatisch unterschiedlichen erste und zweite Innendrücke
einstellen.
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Für
einen Fachmann ist selbstverständlich, dass auch jede denkbare
Kombination der verschiedenen Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen
Struktur miteinander oder der verschiedenen mikromechanischen Strukturen
miteinander denkbar ist.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Schnittbildansicht einer mikromechanischen Struktur
gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
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2 eine
schematische Schnittbildansicht einer mikromechanischen Struktur
gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
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3 eine
schematische Schnittbildansicht einer mikromechanischen Struktur
gemäß einer dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung und
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4 eine
schematische Schnittbildansicht einer mikromechanischen Struktur
gemäß einer vierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen
Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils
nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist
eine schematische Schnittbildansicht einer mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer
beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dargestellt, wobei die mikromechanische Struktur 1 ein
Substrat 2 aufweist, in welchem eine erste Kaverne 3 und
benachbart zur ersten Kaverne 3 eine zweite Kaverne 4 ausgebildet sind.
Die erste und die zweite Kaverne 3, 4 sind voneinander
im Wesentlichen abgedichtet. In der ersten Kaverne 3 ist
ferner ein erstes Sensorelement 9 in Form eines ersten
Beschleunigungssensors 9' ausgebildet, während
in der zweiten Kaverne 4 ein zweites Sensorelement 10 in
Form eines Drehratensensors 10' ausgebildet ist. Auf dem
Substrat 2 ist eine Verkappungsschicht 11 angeordnet,
welche die erste und zweite Kaverne 3, 4 jeweils
begrenzt. Die Verkappungsschicht 11 ist beispielsweise
mittels einer Sealglasbondverbindung mit dem Substrat 2 verbunden.
Im Bereich der ersten Kaverne 3 sind erste Perforationslöcher 12 und
im Bereich der zweiten Kaverne 4 zweite Perforationslöcher 13 in
der Verkappungsschicht 11, beispielsweise mittels Opferschichtätzvorgängen,
ausgebildet. Auf der Verkappungsschicht ist eine erste Membranschicht 5 abgeschieden
(beispielsweise durch ein PECVD- oder LPCVD-Verfahren, welche sowohl
die ersten, als auch die zweiten Perforations löcher 12, 13 verschließt
und somit die ersten und die zweite Kaverne 3, 4 gegenüber
der Umgebungsatmosphäre abdichtet. In einem ersten Membranbereich 5,
welche senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene 100 die
erste Kaverne 3 überdeckt, ist auf der ersten
Membranschicht 5' eine zweite Membranschicht 5'' angeordnet.
Der erste Membranbereich 5 weist daher eine erste Dicke 7 auf,
welche größer ist eine zweite Dicke 8 eines
zweiten Membranbereichs 6, welcher senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 die
zweite Kaverne 4 überdeckt. Durch die Größere
erste Dicke 7 ist die Diffusionslänge des ersten
Membranbereichs 5 größer, als die Diffusionslänge
des zweiten Membranbereichs 6, so dass sich während
einer Erwärmung der mikromechanischen Struktur 1 im
fünften Verfahrensschritt, beispielsweise zur Ausbildung
der Sealglasverbindung oder in einem eigenen Hochtemperatur-Diffusionsschritt,
in der ersten Kaverne 3 ein höherer erster Innendruck
ausbildet, als in der zweiten Kaverne 4. Durch die Materialwahl
im ersten und/oder zweiten Membranbereich 5, 6,
als auch durch die Wahl der ersten und/oder zweiten Dicke ist somit
eine definierte Einstellung des ersten und/oder zweiten Innendrucks
unabhängig voneinander möglich.
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In 2 ist
eine schematische Schnittbildansicht einer mikromechanischen Struktur
gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im
Wesentlichen der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform
entspricht, wobei die ersten Perforationslöcher 12 einen
Durchmesser aufweisen, welcher kleiner als der Durchmesser der zweiten
Perforationslöcher 13 ist. Dies hat zur Folge,
dass bei der Abscheidung der ersten Membranschicht 5' beispielsweise
durch ein nicht konformes Verfahren (PECVD-Verfahren), die erste
Membranschicht 5' an den ersten und zweiten Perforationslöchern 12, 13 unterschiedlich
zusammenwächst. Ist die aufgewachsene erste Membranschicht 5' größer
als der jeweilige Durchmesser der ersten und zweiten Perforationslöcher 12, 13,
wird die Topographie der Perforationslächer 12, 13 ausgewachsen.
Dies führt somit auch zu unterschiedlichen ersten und zweiten
Dicken 7, 8 im Bereich der ersten und zweiten
Perforationslächer 12, 13, so dass sich
unterschiedliche erste und zweite Innendrücke lediglich
aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser der ersten und zweiten Perforationslöcher 12, 13 einstellen.
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In 3 ist
eine schematische Schnittbildansicht einer mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer
dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar gestellt,
wobei die mikromechanische Struktur 1 ein Substrat 2 aufweist,
welches mit einer Verkappungsschicht 11 fest verbunden
ist. Die Verkappungsschicht 11 und die mikromechanische
Struktur 1 begrenzen dabei eine erste Kaverne 3 und
eine zur ersten Kaverne 3 benachbarte zweite Kaverne 4,
wobei die erste und die zweite Kaverne 3, 4 voneinander abgedichtet
sind. Die Verkappungsschicht 11 ist ferner mittels einer
Sealglasverbindung fest mit dem Substrat 2 verbunden. In
der ersten Kaverne 3 ist ferner ein erstes Sensorelement 9 in
Form eines Beschleunigungssensors 9' angeordnet, während
in der zweiten Kaverne 4 ein zweites Sensorelement 10 in Form
eines Drehratensensors 10' angeordnet ist. Die erste Kaverne 3 ist
kleiner als die zweite Kaverne 4 ausgebildet, so dass ein
erstes Innenvolumen der ersten Kaverne 3 ebenfalls kleiner
als ein zweites Innenvolumen der zweiten Kaverne 4 ist.
Dies hat zur Folge, dass sich durch das Ausgasen des Sealglases während
der Herstellung der Sealglasverbindung in der ersten Kaverne 3 ein
erster Innendruck bildet, welche größer als ein
zweiter Innendruck in der größeren zweiten Kaverne 4 ist.
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In 4 ist
eine schematische Schnittbildansicht einer mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer
vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt,
wobei die mikromechanische Struktur 1 ein Substrat 2 mit
einer Mikrostruktur 20 und eine Verkappungsschicht 11 aufweist.
Die Verkappungsschicht 11 ist über eine Sealglasverbindung 21 mit
dem Substrat 2 dicht verbunden, so dass eine erste Kaverne 3 im
Bereich der Mikrostruktur 20 von dem Substrat 2 und
der Verkappungsschicht 11 begrenzt wird. Zusätzlich
umfasst die mikromechanische Struktur 1 ein Sealglaselement 14 innerhalb
der ersten Kaverne 3 auf, welches vor dem Verbinden der
Verkappungsschicht 11 mit dem Substrat 2 auf der
Verkappungsschicht 11 angeordnet wird. Während
der Herstellung der Sealglasverbindung 21 erhöht
sich die Temperatur in der ersten Kaverne 3, so dass das
Sealglaselement 14 ausgast und somit einen vergleichsweise
hohen ersten Innendruck in der ersten Kaverne 3 erzeugt.
Durch eine entsprechende Dimensionierung des Sealglaselements 14 ist
eine definierte Einstellung des ersten Innendrucks wählbar.
Die Mikrostruktur 20 umfasst insbesondere einen Beschleunigungssensor 9'.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004027501
A1 [0002]
- - DE 102007022509 A1 [0002]