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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit einem Sensorelement, dessen Funktionalität in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat realisiert ist und das mindestens einen Anschlussbereich und mindestens einen sensitiven Bereich umfasst. Das Sensorelement ist auf einem Träger montiert. Des Weiteren umfasst die Sensoranordnung ein Moldgehäuse, das mindestens eine Zugangsöffnung für den sensitiven Bereich des Sensorelements aufweist. Zumindest ein nichtsensitiver Abschnitt des Sensorelements und ein Abschnitt des Trägers sind in das Moldgehäuse eingebettet.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Sensoren, bei denen die Signalerfassung piezoresistiv erfolgt. Dabei kann es sich beispielsweise um Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, chemische Sensoren, Massenflusssensoren oder auch Hallsensoren handeln. Von besonderer Bedeutung ist die vorliegende Erfindung für die Realisierung von Sensoranordnungen zur Druckerfassung.
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In der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2008 011 943 A1 wird eine Sensoranordnung der eingangs genannten Art beschrieben, bei der das Sensorelement und der Träger lediglich in den Abschnitten miteinander verbunden sind, die in das Moldgehäuse eingebettet sind. Der sensitive Bereich des Sensorelements ragt in eine Durchgangsöffnung des Moldgehäuses hinein und ist lediglich auf bzw. über dem Träger positioniert, ohne mit diesem mechanisch verbunden zu sein. Dadurch soll verhindert werden, dass im sensitiven Bereich montage- und thermisch bedingte mechanische Spannungen auftreten, die das Sensorsignal verfälschen.
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Diese Maßnahme zur mechanischen Entkopplung des sensitiven Bereichs des Sensorelements vom Träger bzw. Moldgehäuse lässt sich aber nicht bei allen Sensortypen und Anwendungen realisieren. So ist beispielsweise für die Funktionsfähigkeit eines Differenzdrucksensors eine druckdichte Verbindung zwischen dem Rahmen der Sensormembran und dem Träger zwingend erforderlich, da nur so eine getrennte Druckzuführung auf die beiden Seiten der Sensormembran gewährleistet werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, durch die sich das Auftreten von montagebedingten und thermisch bedingten mechanischen Spannungen im sensitiven Bereich des Sensorelements einer Sensoranordnung der eingangs genannten Art weitgehend verhindern lässt.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass im Sensorelement zwischen dem in das Moldgehäuse eingebetteten Abschnitt und dem sensitiven Bereich eine Stressentkopplungsstruktur ausgebildet ist.
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Es ist erkannt worden, dass sich das Auftreten von mechanischen Spannungen in den einzelnen Komponenten einer Sensoranordnung der hier in Rede stehenden Art nicht gänzlich vermeiden lässt, solange diese Komponenten fest miteinander verbunden sind und aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen. Es wird deshalb vorgeschlagen, diese mechanischen Spannungen gezielt abzubauen, und zwar außerhalb des sensitiven Bereichs des Sensorelements, so dass die mechanischen Spannungen zumindest in diesem Bereich nicht zum Tragen kommen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Hilfe einer Stressentkopplungsstruktur gelöst, die sich unter dem Einfluss von mechanischen Spannungen bevorzugt deformiert. Da sie innerhalb des Sensorelements ausgebildet ist, kann sie die mechanischen Spannungen innerhalb des Sensorelements besonders effektiv abbauen. Aufgrund der Anordnung der Stressentkopplungsstruktur zwischen dem in das Moldgehäuse eingebetteten Abschnitt und dem sensitiven Bereich wird der sensitive Bereich quasi gegen mechanische Verspannungen im Bereich des Moldgehäuses abgeschirmt.
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Besonders wirkungsvoll ist die erfindungsgemäße Stressentkopplungsstruktur, wenn sie zusammen mit dem sensitiven Bereich des Sensorelements im Bereich der Zugangsöffnung des Moldgehäuses angeordnet ist. In diesem Fall ist die Stressentkopplungsstruktur ähnlichen Montagebedingungen ausgesetzt wie der sensitive Bereich des Sensorelements und kann sich ungehindert vom Moldgehäuse verformen, um mechanische Spannungen im Sensorelement abzubauen.
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Grundsätzlich gibt es viele verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung einer Stressentkopplungsstruktur im Rahmen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, was nicht zuletzt von der Art des Sensorelements und der Struktur des sensitiven Bereichs abhängt. In jedem Fall sollte die Stressentkopplungsstruktur so ausgestaltet sein, dass sie sich gegenüber dem sensitiven Bereich des Sensorelements bevorzugt deformiert.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Stressentkopplungsstruktur mindestens eine Nut bzw. einen Schlitz in der Rückseite des Sensorelements und einen die Nut überspannenden, deformierbaren Membranabschnitt. Das Deformationsverhalten einer derartigen Stressentkopplungsstruktur kann über die Tiefe und Breite der Nut beeinflusst werden. Zusätzliche Variationsmöglichkeiten ergeben sich, wenn mehrere solcher Nuten bzw. Schlitze versetzt zueinander angeordnet werden. In diesem Fall kann das Deformationsverhalten auch noch durch die Anzahl und Anordnung der Nuten beeinflusst werden.
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Derartige Schlitze können einfach zusammen mit der Sensorstruktur mit Standardverfahren der Halbleitertechnik in die Rückseite des Sensorelements eingebracht werden. Hierfür eignet sich insbesondere ein Trenchprozess, da sich mit diesem Verfahren Gräben mit sehr hohem Aspektverhältnis realisieren lassen. Im Falle eines Sensorelements mit einer Sensormembran werden die Nuten der Stressentkopplungsstruktur vorteilhafterweise in derselben Prozessfolge erzeugt, mit der auch die Sensormembran freigelegt wird.
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Die Funktionalität des Sensorelements einer hier in Rede stehenden Sensoranordnung ist in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat realisiert. Bei vielen Anwendungen, wie z. B. bei Drucksensoren, Massenflusssensoren und chemischen Sensoren, umfasst der sensitive Bereich eine Sensormembran, die im Schichtaufbau über dem Substrat realisiert ist. In diesen Fällen erweist es sich als vorteilhaft, wenn sich die mindestens eine rückseitige Nut der Stressentkopplungsstruktur zumindest über die gesamte Dicke des Substrats und ggf. sogar bis in den Schichtaufbau hinein erstreckt, da der die Nut überspannende Membranabschnitt nicht dicker als die Sensormembran sein sollte und sich zumindest genauso leicht verformen lassen sollte wie die Sensormembran.
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Die erfindungsgemäße Stressentkopplungsstruktur des Sensorelements kann aber auch in einer Kombination aus Vorderseiten- und Rückseitenprozessierung erzeugt werden. So wird eine gute Stressentkopplung erzielt, wenn fluchtend zu der oder den rückseitigen Nuten der Stressentkopplungsstruktur auch in der Bauelementvorderseite Nuten ausgebildet sind und die vorderseitigen Nuten jeweils durch einen deformierbaren Membranabschnitt innerhalb des Schichtaufbaus von den rückseitigen Nuten getrennt sind.
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Je nach Art des Sensorelements und dessen sensitiven Bereichs kann es auch von Vorteil sein, die Stressentkopplungsstruktur in Form von mehreren versetzt angeordneten, schlitzförmigen Durchgangsöffnungen zu realisieren, die sich durch das Substrat und den gesamten Schichtaufbau des Sensorelements erstrecken. In diesem Fall ist der sensitive Bereich weitgehend von dem in das Moldgehäuse eingebundenen Abschnitt des Sensorelements entkoppelt, da er nur noch über die zwischen den Durchgangsöffnungen verbleibenden Stege mit diesem Abschnitt verbunden ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist das Sensorelement lediglich einseitig in das Moldgehäuse eingebunden und ragt mit seinem sensitiven Bereich in die Zugangsöffnung des Moldgehäuses hinein. Bei dieser Art der Verpackung bzw. Einbindung des Sensorelements in einem Moldgehäuse sind die auf den sensitiven Bereich wirkenden Einspannkräfte minimal, was die Stressentkopplung des sensitiven Bereichs vom übrigen Aufbau der erfindungsgemäßen Sensoranordnung begünstigt.
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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 verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
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1a zeigt eine Schnittansicht entlang einer Schnittachse BB' durch ein Sensorelement 10 mit einer Stressentkopplungsstruktur und
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1b zeigt eine Draufsicht auf das Sensorelement 10 mit der Schnittachse BB';
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2a zeigt eine Schnittansicht durch eine Sensoranordnung 100 mit dem Sensorelement 10 und einer Schnittachse CC' und
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2b, 2c zeigen Schnittansichten der Sensoranordnung 100 entlang der Schnittachse CC' ohne Verformung (b) und mit Verformung (c);
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3a bis 3d veranschaulichen Varianten der in 1a dargestellten Stressentkopplungsstruktur anhand von entsprechenden Schnittansichten eines Sensorelements 31, 32, 33 bzw. 34; und
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4 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Stressentkopplungsstruktur anhand der Schnittansicht eines weiteren Sensorelements 40.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den 1a, 1b ist das Sensorelement 10 einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 100 zur Differenzdruckerfassung dargestellt, deren Aufbau in Verbindung mit den 2a bis 2c näher erläutert wird.
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Das Sensorelement 10 wurde ausgehend von einem SOI-Wafer 1 gefertigt. Es umfasst eine druckempfindliche Sensormembran 111, die im Schichtaufbau über dem Halbleitersubstrat 2 des SOI-Wafers 1 ausgebildet ist. Die quadratische Sensormembran 111 ist sowohl vorderseitig als auch über eine Kaverne 112 in der Bauelementrückseite mit Druck beaufschlagbar. Sie bildet den sensitiven Bereich 11 des Sensorelements 10. Die Membrandeformationen werden mit Hilfe von vier Piezowiderständen 113 erfasst, die im Randbereich der Sensormembran 111 in die Siliziumschicht 3 des SOI-Wafers 1 integriert sind. In 1a nicht dargestellt sind Zuleitungen, die die Piezowiderstände 113 mit Anschlusspads 121 verbinden. Diese Zuleitungen befinden sich ebenfalls in oder auf der Siliziumschicht 3. Die Anschlusspads 121 zur externen Kontaktierung des Sensorelements 10 sind außerhalb des sensitiven Bereichs 11 in einem Anschlussbereich 12 auf der Vorderseite des Sensorelements 10 angeordnet. Die Siliziumschicht 3 ist mit allen darin befindlichen Schaltungselementen über die Oxidschicht 4 des SOI-Wafers 1 gegen das Substrat 2 elektrisch isoliert. Zum Schutz der Schaltungselemente in der Siliziumschicht 3 wurde diese mit einer Passivierung 5 versehen, die lediglich über den Anschlusspads 121 geöffnet ist.
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Der Anschlussbereich 12 des Sensorelements 10 wird bei dem hier in Rede stehenden Ausführungsbeispiel in ein Moldgehäuse 20 eingebettet, was in 2a dargestellt ist. Deshalb ist erfindungsgemäß zwischen dem Anschlussbereich 12 und dem sensitiven Bereich 11 eine Stressentkopplungsstruktur 13 ausgebildet. Diese Stressentkopplungsstruktur 13 ist hier in Form von drei versetzt zueinander angeordneten Nuten 71, 72 in der Bauelementrückseite realisiert, die sich – genau wie die Kaverne 112 unter der Sensormembran 111 – über die gesamte Dicke des Halbleitersubstrats 2 bis zur Oxidschicht 4 des SOI-Wafers 1 erstrecken. Die Tiefe und Breite der Nuten 71, 72 wird insbesondere durch die Schnittansicht der 1a veranschaulicht. Da die Nuten 71, 72 zusammen mit der Kaverne 112 in einem Rückseitentrenchprozess erzeugt worden sind, sind die Seitenwandungen der Nuten 71, 72 und der Kaverne 112 im Wesentlichen senkrecht zur Waferebene orientiert. Die Membranabschnitte 81, 82, die die Nuten 71, 72 überspannen, haben dieselbe Dicke wie die Sensormembran 111.
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Die Draufsicht der 1b zeigt die Anordnung der Nuten 71, 72 bzw. der Membranabschnitte 81, 82 zwischen der quadratischen Sensormembran 111 mit den vier Piezowiderständen 113 und dem Anschlussbereich 12 des Sensorelements 10 mit den Anschlusspads 121. Die Form der Membranabschnitte 81, 82, die hier gestrichelt eingezeichnet ist, entspricht der Nutenform. Diese abgerundete Nutenform wirkt sich günstig auf die Stabilität der Bauelementstruktur beim Handling während der Herstellung und Montage des Sensorelements 10 aus. Die beiden seitlich angeordneten Nuten 71 bilden eine Einschnürung im Halbleitersubstrat 2 des Sensorelements 10. Mittig zu dieser Einschnürung und versetzt zu den beiden Nuten 71 ist die dritte Nut 72 angeordnet, so dass die Stressentkopplungsstruktur 13 relativ leicht in sich verformbar ist und montagebedingte mechanische Spannungen gut aufnehmen kann. Aufgrund der versetzten Anordnung der Nuten 71 und 72 können die Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Piezowiderständen 113 und den Anschlusspads 121 außerhalb der Membranabschnitte 81 und 82 angeordnet werden. In 1b ist beispielhaft eine derartige Leiterbahnführung 9 dargestellt.
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2a veranschaulicht die Funktion und Wirkungsweise der Stressentkopplungsstruktur 13. Das Sensorelement 10 ist hier im Rahmen einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 100 zur Differenzdruckerfassung dargestellt. Diese umfasst neben dem Sensorelement 10 einen Träger 14 mit einer Druckanschlussöffnung 15. Bei dem Träger 14 kann es sich beispielsweise um ein Leadframe handeln. Das Sensorelement 10 ist druckdicht auf dem Träger 14 montiert, und zwar so dass die Sensormembran 111 über der Druckanschlussöffnung 15 im Träger 14 angeordnet ist. Des Weiteren ist ein Auswertechip 16 auf dem Träger 14 montiert und durch Bonddrähte 17 mit dem Sensorelement 10 verbunden. Der Auswertechip 16, die Bonddrähte 17 und der Anschlussbereich 12 des Sensorelements 10 sind zusammen mit dem entsprechenden Abschnitt des Trägers 15 in ein Moldgehäuse 20 eingebettet und sind so nicht nur gegen mechanische Einwirkungen geschützt sondern auch gegen das bzw. die Messmedien, die über eine Durchgangsöffnung 21 im Moldgehäuse 20 auf beide Seiten der Sensormembran 111 einwirken können, da der sensitive Bereich 11 des Sensorelements 10 zusammen mit der Stressentkopplungsstruktur 13 in die Durchgangsöffnung 21 hineinragt. Damit beide Seiten der Sensormembran 111 unabhängig voneinander mit einem Messdruck beaufschlagt werden können, erstreckt sich der Träger 15 im hier dargestellten Ausführungsbeispiel über den gesamten Querschnitt der Durchgangsöffnung 21. Sein Randbereich ist vollständig in das Moldgehäuse 20 eingebettet und druckdicht mit diesem verbunden, während das Sensorelement 10 im Unterschied dazu lediglich einseitig in das Gehäuse 20 eingebunden ist. Dadurch werden die auf die Sensormembran 111 wirkenden Einspannkräfte bereits relativ gering gehalten.
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Dennoch lassen sich mechanische Spannungen in dem Bereich des Sensorelements 10, der nicht in das Moldgehäuse 20 eingebunden ist, nicht vollständig vermeiden, schon allein weil zumindest der Rahmen der Sensormembran 111 funktionsbedingt druckdicht mit dem Träger 14 verbunden sein muss und der Träger 14 in der Regel aus einem anderen Material als das Sensorelement 10 gefertigt ist. Erfindungsgemäß werden diese mechanischen Spannungen mit Hilfe der Stressentkopplungsstruktur 13 abgebaut, die hier genau wie der sensitive Bereich 11 des Sensorelements 10 auf dem Träger 14 montiert ist, aber nicht in das Moldgehäuse 20 eingebunden ist. Die mechanischen Spannungen führen zu einer Verformung der Stressentkopplungsstruktur 13, während die Sensormembran 111 davon weitestgehend unberührt bleibt.
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Die Schnittdarstellungen der 2b und 2c veranschaulichen die Verformung des Sensorelements 10 im Bereich des Moldgehäuses 20, die auf die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Moldmasse des Moldgehäuses 20, des Trägers 14, des Montageklebers 18 und des Sensorelements 10 zurückzuführen sind. Die montagebedingten Kräfte und Momente verformen die Stege und Membranabschnitte der Stressentkopplungsstruktur 13 und tragen so dazu bei, dass die Sensormembran 111 nicht beeinflusst wird und ein stabiles Messsignal liefert. An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass das Sensorelement 10 genauso, wie es hier im Querschnitt dargestellt ist, auch in Längsrichtung verformt wird, wobei der sensitive Bereich 11 aufgrund der Stressentkopplungsstruktur 13 ebenfalls nicht verformt wird.
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In den 3a bis 3d sind vier Sensorelemente 31 bis 34 dargestellt, die sich lediglich in der Strukturtiefe der Stressentkopplungsstruktur 13 von dem in den 1a und 1b dargestellten Sensorelement 10 unterscheiden. Deshalb werden in den 1 und 3 gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Alle Sensorelemente 31 bis 34 wurden ausgehend von einem SOI-Wafer 1 gefertigt und umfassen eine druckempfindliche Sensormembran 111, die beidseitig mit Druck beaufschlagbar ist. Auch hier werden die Membrandeformationen mit Hilfe von vier Piezowiderständen 113 erfasst, die im Randbereich der Sensormembran 111 in die Siliziumschicht 3 des SOI-Wafers 1 integriert sind und über Zuleitungen mit Anschlusspads 121 außerhalb des sensitiven Bereichs 11 verbunden sind. Die Siliziumschicht 3 ist mit einer Passivierung 5 versehen, die lediglich über den Anschlusspads 121 geöffnet ist.
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Zwischen dem Anschlussbereich 12 mit den Anschlusspads 121 und dem sensitiven Bereich 11 befindet sich eine Stressentkopplungsstruktur 13, die in Form von drei versetzt zueinander angeordneten Nuten bzw. Schlitzen 71, 72 in der Bauelementrückseite realisiert ist. Auch hier wurden die Schlitze 71, 72 zusammen mit der Kaverne 112 unterhalb der Sensormembran 111 in einem Rückseitentrenchprozess erzeugt und haben Seitenwandungen, die im Wesentlichen senkrecht zur Waferebene orientiert sind.
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Im Fall des Sensorelements 31 erstrecken sich die Schlitze 71, 72 wie auch die Kaverne 112 unter der Sensormembran 11 über die gesamte Dicke des Halbleitersubstrats 1, was in 3a dargestellt ist. Im Unterschied zum Sensorelement 10 wurde hier noch die Oxidschicht 4 des SOI-Wafers 1 im Bereich der Schlitze 71, 72 und der Kaverne 112 entfernt. Dementsprechend haben die Membranabschnitte 81, 82, die die Schlitze 71, 72 überspannen, dieselbe Dicke wie die Sensormembran 111.
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In dem in 3b dargestellten Fall des Sensorelements 32 erstrecken sich die Schlitze 71, 72 sogar bis über die Siliziumschicht 3 des SOI-Wafers 1 und reichen bis an die Passivierung 5 heran. Diese kann beispielsweise aus einer Oxidschicht bestehen, auf der der Rückseitentrenchprozess stoppt, und aus einer Nitridschicht zum Schutz der Bauteiloberfläche. Die Membranabschnitte 81, 82 über den Schlitzen 71, 72 sind hier deutlich dünner als die Sensormembran 111. Dadurch ist die Stressentkopplung hier noch effektiver als im Fall der Sensorelemente 10 und 31.
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Alle drei bislang beschriebenen Varianten – Sensorelemente 10, 31 und 32 – haben den Vorteil einer geschlossenen Bauteiloberfläche. Dies trägt zur Stabilität der Sensorelemente und insbesondere des Waferverbunds der Sensorelemente während der Fertigung bei.
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Bei dem in 3c dargestellten Sensorelement 33 wurde auch die Passivierung 5 im Bereich der Schlitze 71, 72 entfernt, so dass die Schlitze 71, 72 hier die Form von Durchgangsöffnungen haben. Die Kraftübertragung zwischen dem Anschluss- bzw. Einspannbereich 12 und dem sensitiven Bereich 11 des Sensorelements 33 ist dadurch sehr gering. Nach dem Durchtrenchen des Schichtaufbaus wurde eine zusätzliche Passivierschicht 6 auf die Bauelementrückseite aufgebracht, die sich auch über die Seitenwandung der Schlitze 71, 72 und der Kaverne 112 sowie über die Rückseite der Sensormembran 111 erstreckt. Dadurch wird die Bauelementstruktur insbesondere an den offenliegenden Oxidkanten gegen aggressive Medien und Feuchtigkeit geschützt, was zu einer Reduzierung der Feuchtequerempfindlichkeit des Sensorsignals beiträgt.
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Während die Stressentkopplungsstrukturen 13 der Sensorelemente 10, 31, 32 und 33 ausschließlich im Rahmen der Rückseitenprozessierung des jeweiligen Sensorelements erzeugt worden sind, zeigt 3d eine Stressentkopplungsstruktur, die sowohl Schlitze 71, 72 in der Bauelementrückseite umfasst als auch Schlitze 73, 74 in der Vorderseite des Bauelements. Wie die rückseitigen Schlitze 71, 72 wurden auch die vorderseitigen Schlitze 73, 74 in einem Trenchprozess erzeugt, wobei die vorderseitigen Schlitze 73, 74 fluchtend zu den rückseitigen Schlitzen 71, 72 angeordnet sind, so dass diese jeweils nur noch durch die Oxidschicht 4 des SOI-Wafers 1 getrennt bzw. verschlossen sind. Die Oxidschicht 4 fungiert in diesem Fall sowohl für den rückseitigen als auch für den vorderseitigen Trenchprozess als Stoppschicht. Aufgrund der sehr geringen Dicke der Oxidschicht 4 ist die Stressentkopplung hier ebenfalls sehr effektiv.
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Schließlich ist in 4 noch eine Variante der voranstehend beschriebenen Ausführungsform dargestellt, bei der nicht die ganzflächige Oxidschicht eines SOI-Wafers als Stoppschicht für den Vorderseiten- und den Rückseitentrenchprozess dient, sondern ein nur bereichsweise erzeugtes vergrabenes Oxid 45 im monokristallinen Halbleitersubstrat 41 des Sensorelements 40. Im monokristallinen Anschlussbereich, in dem sich kein vergrabenes Oxid befindet, ist hier beispielhaft eine Auswerteschaltung 44 integriert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008011943 A1 [0003]
