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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein MEMS-Bauelement mit einem druckempfindlichen Membranelement, das eine Druckanschlussöffnung zumindest teilweise überspannt.
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Derartige MEMS-Bauelemente können, je nach Auslegung des Membranelements, für Druckmessungen oder auch als Mikrofon eingesetzt werden. Die Signalerfassung erfolgt hier meist kapazitiv. Dazu wird das Membranelement als bewegliche Elektrode konfiguriert, die zusammen mit mindestens einer feststehende Gegenelektrode eine Kondensatoranordnung bildet.
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Ein solches Mikrofonbauelement wird beispielsweise in der
US 6,535,460 B2 beschrieben. Der Aufbau dieses Mikrofonbauelements umfasst ein Substrat mit einer Schallöffnung, die von einer Membran überspannt wird. Über der Membran und von dieser beabstandet ist ein perforiertes Gegenelement angeordnet, das im Randbereich der Schallöffnung mit dem Substrat verbunden ist. Membran und Gegenelement bilden zusammen einen Mikrofonkondensator, wobei die Membran als bewegliche Elektrode fungiert, während das feststehende Gegenelement mit einer starren Gegenelektrode ausgestattet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein neues Signalerfassungskonzept für MEMS-Bauelemente der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das sich durch eine besonders hohe Sensitivität auszeichnet.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Signalerfassung mit Hilfe einer Resonanzschwingeranordnung. Diese umfasst einen Schwingkörper, der innerhalb einer abgeschlossenen Kaverne schwingungsfähig aufgehängt ist und mit mindestens einer Antriebselektrode und mindestens einer Sensierelektrode ausgestattet ist. Der Schwingkörper der Resonanzschwingeranordnung ist mechanisch so an das Membranelement gekoppelt, dass er im Falle einer Membrandeformation ebenfalls eine Deformation erfährt.
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Das erfindungsgemäße Signalerfassungskonzept beruht darauf, dass sich die Resonanzfrequenz der Resonanzschwingeranordnung verändert, wenn der Schwingkörper deformiert wird. Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, dass sich solche Verschiebungen der Resonanzfrequenz messtechnisch sehr genau erfassen lassen, sofern die Resonanzschwingeranordnung einen hohen Gütefaktor aufweist, d.h. eine scharfe Resonanzfrequenz. Um die Veränderung bzw. Verschiebung der Resonanzfrequenz der Resonanzschwingeranordnung als Messsignal nutzen zu können, werden die Membranauslenkungen bzw. -deformationen erfindungsgemäß durch mechanische Kopplung auf den Schwingkörper übertragen. Zur Erzielung eines hohen Gütefaktors ist der Schwingkörper in einem abgeschlossenen Volumen der Resonanzschwingeranordnung aufgehängt.
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Da sich besonders hohe Schwingergüten in vakuumgekapselten Kavernen erzielen lassen, wird der Schwingkörper des erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements bevorzugt innerhalb einer Vakuumkaverne aufgehängt.
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Grundsätzlich gibt es viele Möglichkeiten für die Realisierung eines erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements, insbesondere was das Layout des Membranelements, die mechanische Kopplung zwischen Membranelement und Schwingkörper der Resonanzschwingeranordnung und die Resonanzschwingeranordnung selbst betrifft.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die mechanische Kopplung zwischen Membranelement und Schwingkörper über die Wandung hergestellt, die das abgeschlossene Volumen der Resonanzschwingeranordnung begrenzt. In diesem Fall ist zumindest ein Abschnitt des Membranelements in die Wandung der Kaverne der Resonanzschwingeranordnung integriert. Vorteilhafterweise ist der Schwingkörper zwischen diesem ersten Wandungsabschnitt und einem gegenüberliegenden Wandungsabschnitt der Kaverne asymmetrisch aufgehängt, so dass Membrandeformationen weniger in einer Auslenkung als vielmehr in einer Stauchung oder Streckung des Schwingkörpers resultieren.
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Je größer die Deformation des Membranabschnitts ist, an den die Resonanzschwingeranordnung gekoppelt ist, umso größer ist auch das erfassbare Messsignal. Sinnvollerweise wird die Resonanzschwingeranordnung deshalb an einem Membranbereich positioniert, der bei Druckeinwirkung besonders stark deformiert wird. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Mittelbereich des Membranelements versteift ist, so dass Membrandeformationen bevorzugt im Randbereich des Membranelements auftreten. Die Resonanzschwingeranordnung wird dann sinnvollerweise im Randbereich des Membranelements angeordnet. Die Deformierbarkeit kann aber auch durch Korrugationen in einem Abschnitt des Membranelements begünstigt werden, so dass die Resonanzschwingeranordnung dann sinnvollerweise im Korrugationsbereich des Membranelements angeordnet wird. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung sind im Randbereich des Membranelements Korrugationen ausgebildet.
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Auch die übrigen Wandungsabschnitte des abgeschlossenen Volumens der Resonanzschwingeranordnung sollten möglichst flexibel sein, um die Beweglichkeit des Membranelements möglichst wenig zu beeinträchtigen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind dazu zumindest in dem dem Membranelement gegenüberliegenden Wandungsabschnitt der Kaverne ebenfalls Korrugationen ausgebildet.
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Die Robustheit und Lebensdauer eines erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements können wesentlich gesteigert werden, wenn die mikromechanisch Struktur mit einem Überlastschutz für das Membranelement ausgestattet wird, der die Auslenkungen des Membranelements möglichst zweiseitig begrenzt. Vorteilhafterweise wird ein solcher Überlastschutz in die Struktur des Membranelements integriert.
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In einer Ausführungsvariante mit Überlastschutz ist das Membranelement paddelartig, d. h. lediglich einseitig in den Bauelementaufbau eingebunden. Am freien Ende des Membranelements ist ein U-Profil ausgebildet, das einen Vorsprung im Randbereich der Druckanschlussöffnung umgreift und zusammen mit diesem Vorsprung einen zweiseitigen Überlastschutz bildet. Diese Bauelementvariante eignet sich insbesondere für Mikrofonanwendungen, da hier aufgrund des Membranlayouts ein Druckausgleich zwischen den beiden Seiten des Membranelements stattfindet. Der Überlastschutz kann hier zusätzlich die Funktion einer Luftleckstromdichtung übernehmen und entsprechend konfiguriert werden.
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Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße MEMS-Bauelement in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat realisiert. Dazu wird in der Rückseite des Halbleitersubstrats eine Druckanschlussöffnung erzeugt, die sich durch das Halbleitersubstrat bis zu einer Membranschicht erstreckt. Das Membranelement wird in dieser Schicht des Schichtaufbaus ausgebildet. Der Schwingkörper mit den Antriebselektroden und den Sensierelektroden der Resonanzschwingeranordnung wird, z. B. aus mindestens einer Halbleiterschicht über der Membranschicht herausstrukturiert. Über der Halbleiterschicht des Schwingkörpers befindet sich mindestens eine weitere Schicht, die die Kaverne der Resonanzschwingeranordnung nach oben begrenzt. Auch die Aufhängung des Schwingkörpers wird aus dem Schichtaufbau herausstrukturiert, so dass der Schwingkörper asymmetrisch zwischen der Membranschicht und der weiteren Schicht aufgehängt ist und im Fall einer Membrandeformation bevorzugt innerhalb der Ebene der Halbleiterschicht gestreckt oder gestaucht wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren.
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1a zeigt eine schematische Schnittansicht durch den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Mikrofon-Bauelements 10 entlang der in 1b eingezeichneten Schnittachse AA,
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1b zeigt eine schematische Draufsicht auf das Mikrofon-Bauelement 10 mit der Schnittachse AA und
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2a–2c zeigen schematische Draufsichten auf den Schwingkörper einer Resonanzschwingeranordnung zur Signalerfassung a) im Ruhezustand sowie im Fall einer Membranauslenkung b) nach unten und c) nach oben.
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Ausführungsform der Erfindung
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Bei dem in den 1a und 1b dargestellten MEMS-Bauelement 10 handelt es sich um ein Mikrofonbauelement. Die Mikrofonstruktur ist in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat 1 realisiert, was insbesondere durch 1a veranschaulicht wird. Sie umfasst ein akustisch aktives Membranelement 11, das aus einer Membranschicht 2 des Schichtaufbaus herausstrukturiert ist und eine Schallöffnung 12 überspannt, die sich von der Substratrückseite bis zur Membranschicht 2 des Schichtaufbaus erstreckt.
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Das Membranelement 11 ist rechteckig und nach Art eines Paddels lediglich einseitig in den Schichtaufbau des Mikrofonbauelements 10 eingebunden, so dass über den nicht eingebundenen Membranrand ein langsamer Druckausgleich zwischen den beiden Seiten des Membranelements 11 stattfindet. Bei Schalldruckeinwirkung wird das Membranelement 11 deformiert und aus seiner Schichtebene ausgelenkt. Dabei erfährt das freie Ende die stärkste Auslenkung und praktisch keine Deformation, während das in den Schichtaufbau eingebundene Ende am stärksten deformiert wird. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird dieser Effekt zum einen durch ein Versteifungselement 13 im Mittelbereich und zum anderen durch Korrugationen 14 im Deformationsbereich des Membranelements 11 noch verstärkt.
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Die Auslenkungen des Membranelements 11 werden erfindungsgemäß mit Hilfe einer Resonanzschwingeranordnung 20 erfasst. Wesentlicher Bestandteil der Resonanzschwingeranordnung 20 ist ein Schwingkörper 21, der innerhalb einer abgeschlossenen Kaverne 22 schwingungsfähig aufgehängt ist. Des Weiteren umfasst die Resonanzschwingeranordnung 20 im hier dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Antriebselektroden 23 zum Anregen des Schwingkörpers 21 und zwei Sensierelektroden 24 zum Erfassen der Schwingungsfrequenz des Schwingkörpers 21. Die Anordnung der Elektroden 23 und 24 innerhalb der Kaverne 22 wird insbesondere durch 1b verdeutlicht. Innerhalb der Kaverne 22 herrscht ein Vakuum, was dazu beiträgt, dass die Resonanzschwingeranordnung eine scharfe Resonanzfrequenz, also einen hohen Gütefaktor, hat. Die Resonanzfrequenz sollte ein deutlich über 20 kHz betragen.
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Erfindungsgemäß ist der Schwingkörper 21 der Resonanzschwingeranordnung 20 mechanisch an das Membranelement 11 gekoppelt, und zwar so, dass der Schwingkörper 21 im Fall einer Membranauslenkung bzw. -deformation ebenfalls eine Deformation erfährt.
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Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird diese mechanische Kopplung dadurch erreicht, dass der Deformationsbereich des Membranelements 11 in die Wandung der Kaverne 22 der Resonanzschwingeranordnung 20 integriert ist. Die Membrandeformationen werden hier über die Aufhängestege 25 und 26 auf den quader- bzw. spatförmigen Schwingkörper 21 übertragen, mit denen dieser zwischen dem Membranelement 11 und einem gegenüberliegenden Wandungsabschnitt 27 aufgehängt ist. Dazu verbindet der Aufhängesteg 25 die in den Membranbereich hineinragende Ecke des Schwingkörpers 21 mit dem Membranelement 11 unterhalb des Schwingkörpers 21, während der Aufhängesteg 26 die gegenüberliegende Ecke des Schwingkörpers 21 mit dem gegenüberliegenden Wandungsabschnitt 27 oberhalb des Schwingkörpers 21 verbindet. Aufgrund dieser asymmetrischen Aufhängung des Schwingkörpers 21 führen Auslenkungen bzw. Deformationen des Membranelements 11 in erster Linie zu einer Streckung oder Stauchung des Schwingkörpers 21 innerhalb seiner Schichtebene.
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Dies wird durch die Detailansichten des Schwingkörpers 21 in den 2a bis 2c veranschaulicht. 2a zeigt den Schwingkörper 21 mit den beiden Antriebselektroden 23 und den beiden Sensierelektroden 24 im Ruhezustand, d.h. wenn sich das Membranelement 11 innerhalb der Membranebene befindet und nicht ausgelenkt wird. In diesem Fall ist der Schwingkörper 21 quaderförmig mit quadratischer Grundfläche. Wird das Membranelement 11 nach unten ausgelenkt, so erfährt der Schwingkörper 21 aufgrund seiner asymmetrischen Aufhängung eine Streckdeformation innerhalb seiner Schichtebene, was in 2b dargestellt ist. Die Grundfläche des Schwingkörpers 21 ist hier im Vergleich zu 2a rautenförmig auseinandergezogen. Im Unterschied dazu wird der Schwingkörper 21 innerhalb seiner Schichtebene gestaucht, wenn das Membranelement 11 nach oben ausgelenkt wird. Dies ist in 2c dargestellt, wo die Grundfläche des Schwingkörpers 21 im Vergleich zu 2a rautenförmig zusammengeschoben ist.
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Im Unterschied zu out-of-plane-Verschiebungen des Schwingkörpers 21 führen die voranstehend beschriebenen dehnungsartigen Deformationen des Schwingkörpers 21 zu einer Veränderung der Resonanzfrequenz der Resonanzschwingeranordnung, die sich sehr gut detektieren lässt. Die dafür erforderliche elektrische Kontaktierung der Resonanzschwingeranordnung 20 erfolgt über elektrische Anschlüsse 29 an den Aufhängestegen 25 und 26.
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Um den Deformationsbereich des Membranelements nicht zu Lasten der Mikrofonempfindlichkeit zu versteifen, sollte die Wandung der Kaverne 22 insgesamt möglichst flexibel ausgelegt sein. Dazu sind im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel auch im Wandungsabschnitt 27 Korrugationen 28 ausgebildet.
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Des Weiteren umfasst die mikromechanische Struktur des in den 1a und 1b dargestellten MEMS-Bauelements 10 einen Überlastschutz für das Membranelement 11. Dazu ist am freien Ende des Membranelements 11 ein U-profilartiges Anschlagelement 15 ausgebildet, das einen Vorsprung 16 im Randbereich der der Schallöffnung 12 umgreift. Dadurch werden sowohl die Auslenkungen des Membranelements 11 nach oben als auch die nach unten begrenzt. Außerdem bildet das Anschlagelement 15 zusammen mit dem Vorsprung 16 eine Luftleckstromdichtung für das Mikrofonbauelement 10.
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Wie bereits erwähnt, veranschaulicht 1a den Schichtaufbau der Mikrofonstruktur des Bauelements 10. Die Membranschicht 2 wurde im Anbindungsbereich des Membranelements 11 isotrop unterätzt, so dass die Kaverne 17, die sich unterhalb des Membranelements 11 über den Rand der Schallöffnung 12 erstreckt, verrundete Kanten aufweist. Dies trägt zur Robustheit und Bruchfestigkeit der Membrananbindung bei. Der Schwingkörper 21 mit den Antriebselektroden 23 und den Sensierelektroden 24 wurde aus einer Halbleiterschicht 3 über der Membranschicht 2 herausstrukturiert. In dieser Halbleiterschicht 3 wurden auch das Versteifungselement 13 im Mittelbereich des Membranelements 11 und der Vorsprung 16 im Randbereich der Schallöffnung 12 ausgebildet. Darüber befindet sich mindestens eine weitere Schicht 4, in der der obere Wandungsabschnitt 27 der Resonanzschwingeranordnung 20 sowie der obere Teil des U-profilartigen Anschlagselements 15 realisiert sind. Die einzelnen Strukturelemente der Mikrofonstruktur wurden durch Strukturieren der Schichten 2, 3 und 4 und durch Opferschichtätzen freigestellt. Die Opferschichten des Schichtaufbaus, die zwischen den Schichten 2, 3 und 4 angeordnet sind, sind hier nicht im Einzelnen dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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