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Die Erfindung betrifft eine Sensorelementanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorelementanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
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Eine Vielzahl von Sensoren benötigt für ihre Funktion eine gewisse Unabhängigkeit von der Umgebungstemperatur, da ihr Effekt darauf beruht, dass die zu detektierende physikalische oder chemische Größe in Form von eingebrachter Energie die Temperatur des Sensors leicht verändert. Solche Sensoren erfordern folglich eine gute thermische Isolation von ihrer Umgebung. In chipbasierten Lösungen der Mikrosystemtechnik werden derartige Sensoren, welche die Veränderung der Energie-Deponierung detektieren, in der Regel auf thermisch isolierenden Trägermembranen angeordnet. Typische Anwendungen sind thermische Sensoren zur Strahlungsmessung, wie Thermopiles, basierend auf dem thermoelektrischen Effekt, Bolometer, basierend auf dem thermoresistiven Effekt und Pyrosensoren, basierend auf dem pyroelektrischen Effekt, oder auch chemische Sensoren zur Messung der Reaktionswärme.
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Ein hoher thermischer Widerstand der Trägermembran ist dabei Voraussetzung für hohe Empfindlichkeiten der Sensoren und ein geringes Übersprechen zwischen benachbarten Elementen im Falle eines Sensorarrays. Hinsichtlich der mechanischen Stabilität sollte die Membran leicht unter Zugstress stehen, denn Druckstress führt typischerweise zu Stauchungen und unerwünschten Verformungen der Membran. Zu hoher Zugstress jedoch kann zu Rissen führen. Typischerweise kommen daher stresskompensierte Membranen aus einer Kombination von Siliziumoxid als Druckkomponenten und Siliziumnitrid als Zugkomponente zum Einsatz, z.B. Oxid-Nitrid-Oxid (ONO) oder Oxid-Nitrid (ON).
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Pyrosensoranordnung 10 gemäß dem Stand der Technik. Dabei ist eine ONO-Schicht 12 als Trägermembran auf einem Siliziumsubstrat 14 angeordnet und auf dieser Trägermembran ist der Sensor 14 angeordnet. Der Sensor 14 umfasst dabei eine PZT(Blei-Zirkonat-Titanat)-Schicht 16, an der beidseitig eine Elektrode 18 und 20 angeordnet ist. Die Elektroden 18 und 20 sind dabei weiterhin jeweils mit metallischen Kontakten 22 und 24, wie Pads oder Leiterbahnen, elektrisch kontaktiert. Dabei befindet sich zwischen der unteren Elektrode 18, die bedingt durch das Herstellung- und Strukturierungsverfahren über die vollständig auf der Elektrode 18 angeordnete PZT-Schicht 16 hinausschaut, und dem Kontakt 24 der oberen Elektrode 20 eine Isolierung 26, um die elektrische Trennung der beiden Elektroden 18 und 20 zu gewährleisten.
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Das Herstellungsverfahren für eine derartige Pyrosensoranordnung 10 gemäß dem Stand der Technik ist schematisch in 2 dargestellt. Dabei wird in Schritt S10 auf ein Siliziumsubstrat 14 eine ONO-Schicht 12 aufgebracht. Im Anschluss daran wird in Schritt S12 eine elektrisch leitende Schicht für die untere Elektrode 18 des Sensors 15 auf die ONO-Schicht 12 aufgebracht. In Schritt S14 wird die PZT-Schicht 16 auf die Schicht der unteren Elektrode 12 und anschließend in Schritt S16 eine elektrisch leitende Schicht für die obere Elektrode 20 auf die PZT-Schicht 16 aufgebracht. Dann wird in Schritt S18 die untere Elektrode 12, die PZT-Schicht 16 und die obere Elektrode 20 strukturiert. Weiterhin wird in Schritt S20 zunächst eine Isolierschicht 26 aufgebracht und strukturiert und daraufhin werden die elektrischen Kontakte 22 und 24 mit den jeweiligen Elektroden 18 und 20 kontaktiert. Zum Schluss in Schritt S22 erfolgt mittels reaktiven Ionentiefenätzen das Entfernen des Bereichs des Siliziumsubstrats 14 unterhalb des Sensors 15, insbesondere unterhalb des Bereichs der PZT-Schicht 16.
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Bei der Verwendung einer ONO-Schicht oder ON-Schicht als Trägermembran stellt sich an den Grenzflächen zwischen der Oxidschicht und der Nitritschicht ein starker Gradient des mechanischen Stresses ein, was kritisch für die mechanische Stabilität der Trägermembran ist. Hinzu kommt, dass die Nitridkomponente eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, was die Empfindlichkeit der Sensoren reduziert und das thermische Übersprechen zwischen benachbarten Sensoren erhöht. Auch die separate Isolierschicht zur Isolierung der unteren Elektrode vom Kontakt der oberen Elektrode ist technisch kritisch und verteuert die Herstellung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Sensorelementanordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorelementanordnung bereitzustellen, welche eine einfache Ausbildung einer Sensorelementanordnung ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Sensorelementanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorelementanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Sensorelementanordnung weist mindestens ein Sensorelement zum Erfassen mindestens einer physikalischen Größe auf, ein Grundelement und eine elektrisch isolierende Isolationsschicht, welche zumindest auf dem Grundelement angeordnet ist. Dabei weist das Sensorelement eine strukturierte pyroelektrische Schicht mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite auf. Weiterhin ist an der ersten Seite eine erste Elektrode angeordnet, und zumindest ein Teil einer mit der ersten Elektrode verbundenen Anschlussleiterbahn ist auf der Isolationsschicht angeordnet. Die erste Elektrode ist erfindungsgemäß vollständig an der ersten Seite der pyroelektrischen Schicht angeordnet, ein Teil der Anschlussleiterbahn ist an der ersten Seite der pyroelektrischen Schicht angeordnet und die pyroelektrische Schicht ist derart ausgebildet, dass sie zum Teil auf der Isolationsschicht angeordnet ist.
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Dadurch, dass die erste Elektrode vollständig an der ersten Seite der pyroelektrischen Schicht angeordnet ist, d.h. in einer Draufsicht auf die zweite Seite der pyroelektrischen Schicht überdeckt die pyroelektrische Schicht die erste Elektrode vollständig, wird auf besonders vorteilhafte Weise ermöglicht, dass die pyroelektrische Schicht gleichzeitig als Isolator fungieren kann. Dadurch wird es ermöglicht, die im Stand der Technik übliche separate Isolation, die insbesondere bei der Herstellung von Sensoren besonders technisch kritisch ist, entfallen, wodurch die Ausbildung einer solchen Sensorelementanordnung und die Prozessführung bei der Herstellung einer solchen Sensorelementanordnung deutlich vereinfacht werden kann. Weiterhin ist nur ein Teil der Anschlussleiterbahn an der ersten Seite der pyroelektrischen Schicht angeordnet, d.h. in der erwähnten Draufsicht ist ein Teil der Anschlussleiterbahn nicht von der pyroelektrischen Schicht überdeckt, so dass weitere elektrische Kontaktierungen vorgenommen werden können. Ein weiterer besonders großer Vorteil der Erfindung ist zudem, dass dadurch, dass die pyroelektrische Schicht die erste Elektrode vollständig überdeckt und sich somit weiter nach außen in der Schichtebene betrachtet erstreckt als die erste Elektrode, kann die pyroelektrische Schicht gleichzeitig als Trägerschicht fungieren, wie später noch näher erläutert wird.
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Weiterhin kann auf der zweiten Seite der pyroelektrischen Schicht eine zweite Elektrode angeordnet sein. Die pyroelektrische Schicht ist dabei so ausgebildet, dass bei einer Temperaturänderung der pyroelektrischen Schicht, insbesondere zumindest im Bereich der pyroelektrischen Schicht zwischen der ersten und zweiten Elektrode, eine Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode abgreifbar ist. Weiterhin ist die zweite Elektrode dabei derart auf der zweiten Seite der pyroelektrischen Schicht angeordnet, dass sie sich in einer Richtung senkrecht zur ersten und zweiten Seite der pyroelektrischen Schicht oberhalb der ersten Elektrode befindet.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Grundelement zumindest eine Aussparung auf, die derart ausgebildet ist, dass das Grundelement in einem Querschnitt durch die Sensorelementanordnung ein erstes Grundelementsegment und von diesem durch die Aussparung getrenntes zweites Grundelementsegment aufweist, wobei die pyroelektrische Schicht als Trägerelement ausgebildet ist und sich vollständig in einer Längserstreckungsrichtung zumindest vom ersten Grundelementsegment zum zweiten Grundelementsegment erstreckt. Der Querschnitt durch die Sensorelementanordnung ist dabei als Querschnitt senkrecht zur ersten und zweiten Seite der pyroelektrischen Schicht zu verstehen. Die pyroelektrische Schicht erstreckt sich dabei vollständig über diese Aussparung hinweg. Die Aussparung dient dabei dem Zweck, das Sensorelement vom Grundelement thermisch zu entkoppeln. Insbesondere sollen dabei der Bereich der pyroelektrischen Schicht, welcher sich in Richtung senkrecht zur ersten und zweiten Seite der pyroelektrischen Schicht zwischen der ersten und zweiten Elektrode befindet, und die beiden Elektroden jeweils ebenfalls über dieser Aussparung angeordnet sein. Insbesondere ist also die Aussparung bevorzugt so ausgebildet, dass sie sich in einer zur ersten Seite der pyroelektrischen Schicht senkrechten Richtung von der zweiten zur ersten Elektrode zumindest in einem Bereich unterhalb der ersten und zweiten Elektrode befindet. Dadurch, dass sich die pyroelektrische Schicht über die gesamte Aussparung hinweg erstreckt, wird auf besonders vorteilhafte Weise durch die pyroelektrische Schicht gleichzeitig die Funktion eines Trägerelements bereitgestellt.
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Durch das Bereitstellen der Trägerfunktion des Sensorelements durch die pyroelektrische Schicht selbst, kann auf eine ONO- oder ON-Schicht als Trägermembran, wie im Stand der Technik üblich, verzichtet werden. Durch diese Verzichtsmöglichkeit auf die stresskompensierte ONO-Trägermembran ergibt sich eine Vielzahl an Vorteilen. Zum einen kann dadurch die Prozessführung bei der Herstellung einer solchen Sensorelementanordnung deutlich vereinfacht werden. Darüber hinaus ist durch das Wegfallen der hohen Stressgradienten an den Grenzflächen der kompensierenden Schichtkomponenten die mechanische Stabilität der durch die pyroelektrische Schicht gebildeten Trägerschicht verbessert. Weiterhin kann durch den Wegfall der thermisch relativ gut leitenden Si3N4-Schicht einer ONO-Schicht die thermische Isolation des Sensorelements wesentlich verbessert werden.
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Durch die Trägerfunktion, die die pyroelektrische Schicht bereitstellt, kann also lediglich die Isolationsschicht vorgesehen werden, um die elektrische Isolation des Sensorelements, insbesondere der Anschlussleiterbahn und weiteren möglichen Verdrahtungen und Leiterbahnen vom Grundelement bzw. den Grundelementsegmenten bereitzustellen und weiterhin auch die Isolation von Bereichen des Grundelements, über welchen die pyroelektrische Schicht nicht angeordnet ist. Zur Ausbildung der Isolationsschicht können dabei verschiedenste Materialien zur Anwendung kommen, die die Eigenschaften besitzen, dass sie elektrisch isolierend sind, eine sehr kleine thermische Leitfähigkeit aufweisen und unter leichtem Zugstress bzw. geringem Druckstress stehen, wobei die Größe des Stresses derart bemessen sein soll, dass er durch die pyroelektrische Schicht kompensiert werden kann. Ein geeignetes Material ist z.B. Siliziumoxid, insbesondere mit je nach Herstellungsprozess stressbegrenzter Dicke.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Isolationsschicht derart ausgebildet, dass sie die Aussparung des Grundelements überdeckt. Dadurch, dass die Isolation zum einen auf dem Grundelement angeordnet ist, wird sowohl eine elektrische Isolierung zwischen der Anschlussleiterbahn der ersten Elektrode und dem Grundelement bereitgestellt, sowie eine Isolierung in weiteren nicht von der pyroelektrischen Schicht bedeckten Bereichen des Grundelements und auch zwischen der pyroelektrischen Schicht und dem Grundelement. Die Ausgestaltung der Isolationsschicht derart, dass sie die Aussparung des Grundelements überdeckt, hat dabei den Vorteil, dass die Isolationsschicht bei einem Ätzprozess zum Ausbilden der Aussparung im Grundelement als Stopp-Schicht fungieren kann. Alternativ kann die Isolationsschicht auch lediglich auf dem Grundelement bzw. den Grundelementsegmenten angeordnet sein.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die pyroelektrische Schicht eine Blei-Zirkonat-Titanat-Schicht. Insbesondere weist eine PZT-Schicht dabei besonders vorteilhafte Eigenschaften auf, die die Ausbildung und Anwendung der pyroelektrischen Schicht als Trägerschicht ermöglichen. Die PZT-Schicht besitzt eine sehr geringe thermische Leitfähigkeit, insbesondere in der gleichen Größenordnung wie Siliziumoxid mit einer thermischen Leitfähigkeit in einem Bereich zwischen 1 W/(m K) bis 2 W/(m K). Aufgrund dieser geringen thermischen Leitfähigkeit ist die PZT-Schicht selbst isolierend. Insbesondere im Falle einer Anordnung von mehreren Sensorelementen auf dem Grundelement und einer Ausbildung der Sensorelementanordnung als Sensorarray kann auf eine Strukturierung der PZT-Schicht beim Aufbau der einzelnen Sensorelemente kann daher aus thermischer Sicht verzichtet werden, d.h. die PZT-Schicht kann als durchgängige Trägerschicht zur Verfügung stehen, an der die jeweiligen Elektrodenpaare für mehrere Sensorelemente angeordnet sind. Für pyroelektrische Anwendungen liegt die Dicke der PZT-Schicht in einem Bereich größer als 1 Mikrometer (vergleichbar mit der Dicke einer ONO-Trägermembran) und ist daher hinsichtlich ihrer mechanischen Stabilität unkritisch. Darüber hinaus ist die PZT-Schicht derart herstellbar, dass sie bei für selbstpolarisierte Schichten relevante Zusammensetzungen unter leichtem Zugstress steht. Durch diese vorteilhaften Eigenschaften Der PZT-Schicht kann diese bei der Sensorelementanordnung gleichzeitig die Trägerfunktion übernehmen und es kann auf eine ONO- oder ON-Schicht als Trägermembran, wie im Stand der Technik üblich verzichtet werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement elektrisch kontaktierend an der zweiten Elektrode angeordnet, wobei weiterhin durch die Anordnung der pyroelektrischen Schicht, welche die erste Elektrode überdeckt, die erste Elektrode durch das Kontaktelement nicht kontaktierbar ist. Insbesondere kann das Kontaktelement auch zum Teil kontaktierend an der zweiten Seite der pyroelektrischen Schicht angeordnet sein und/oder von der zweiten Elektrode kontaktierend über die pyroelektrische Schicht, diese kontaktieren oder beabstandet, zu einem Bereich der Isolationsschicht verlaufen, welcher durch eine entsprechende Ausbildung der pyroelektrischen Schicht zu Verdrahtungszwecken freigelegt ist. Das Kontaktelement kann dabei z.B. als eine Leiterbahn oder ein Pad ausgebildet sein und durch Bonden oder andere Kontaktierungsverfahren an der zweiten Elektrode kontaktiert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements zum Erfassen mindestens einer physikalischen Größe, weist dabei die Schritte auf:
- a) Bereitstellen eines Grundelements;
- b) Aufbringen einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht auf das Grundelement;
- c) Aufbringen einer ersten elektrisch leitfähigen Elektrodenschicht auf die Isolationsschicht;
- d) Ausbilden mindestens einer ersten Elektrode und einer mit der mindesten einen ersten Elektrode verbundenen Anschlussleiterbahn aus der ersten Elektrodenschicht durch Strukturieren der ersten Elektrodenschicht unmittelbar nach Schritt c); und
- e) Aufbringen einer elektrisch isolierenden, pyroelektrischen Schicht zum Teil unmittelbar auf die mindestens eine ausgebildete erste Elektrode und die Anschlussleiterbahn und zum Teil unmittelbar auf die Isolationsschicht nach Schritt d).
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Das Ausbilden der mindestens einen ersten Elektrode und der Anschlussleiterbahn unmittelbar nach dem Aufbringen der ersten Elektrodenschicht ist dabei so zu verstehen, dass die Strukturierung der Elektrodenschicht erfolgt bevor die pyroelektrische Schicht aufgebracht wird.
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Durch die Ausbildung der ersten Elektrode und der Anschlussleiterbahn vor dem Aufbringen der pyroelektrischen Schicht wird es ermöglicht, durch die pyroelektrische Schicht eine elektrische Isolation bereitzustellen, insbesondere zum Isolieren der ersten Elektrode von der in nachfolgenden Schritten hinzufügbaren zweiten Elektrode und deren elektrisches Kontaktelement. Und weiterhin wird dadurch auch die Ausbildung der pyroelektrischen Schicht als Trägerschicht ermöglicht, die somit großflächig über die bereits ausgebildete erste Elektrode und gleichzeitig auch unmittelbar die Isolationsschicht kontaktierend aufgebracht werden kann. Durch die Anschlussleiterbahn kann die erste Elektrode, welche von der pyroelektrischen Schicht vollständig bedeckt ist, und insbesondere auch nach einer Strukturierung der pyroelektrischen Schicht vollständig bedeckt bleibt, elektrisch kontaktiert werden, indem ein Teil dieser Anschlussleiterbahn durch Strukturierung der pyroelektrischen Schicht freigelegt wird.
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Weiterhin ist es eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung in Schritt e) des Verfahrens als pyroelektrische Schicht eine Blei-Zirkonat-Titanat-Schicht aufzubringen. Wie bereits beschreiben eignet sich PZT dabei besonders gut aufgrund der mechanischen Stabilität, der geringen thermischen Leitfähigkeit, und der Ausbildungsmöglichkeit der PZT-Schicht so, dass diese unter leichtem Zugstress steht. Das Aufbringen der PZT-Schicht kann dabei weiterhin durch Abscheidungsverfahren erfolgen. Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass an der der Isolationsschicht gegenüberliegenden Rückseite des Grundelements eine dünnen metallische Absorberschicht angeordnet ist, um eine ausreichend hohe und homogene Temperatur im PZT-Abscheidungsprozess zu realisieren.
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In weiteren Schritten kann dann eine zweite elektrisch leitfähige Elektrodenschicht auf die pyroelektrische Schicht aufgebracht werden und im Anschluss daran mindestens eine zweite Elektrode aus der zweiten Elektrodenschicht durch Strukturieren der zweiten Elektrodenschicht ausgebildet werden.
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Weiterhin kann die pyroelektrische Schicht nach dem Aufbringen strukturiert werden, d.h. vor dem Aufbringen der zweiten Elektrodenschicht. Die pyroelektrische Schicht kann aber auch erst nach dem Aufbringen der zweiten Elektrodenschicht strukturiert werden, insbesondere nach dem Ausbilden der mindestens einen zweiten Elektrode.
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Beim Strukturieren der pyroelektrischen Schicht wird diese dabei so strukturiert, dass zumindest ein Teil der Anschlussleiterbahn freigelegt wird zum Anbringen eines Kontaktelements an der Anschlussleiterbahn. Weiterhin können im Zuge der Strukturierung der pyroelektrischen Schicht auch Teilbereiche der Isolationsschicht freigelegt werden, so dass die jeweiligen elektrischen Kontaktelemente der Anschlussleiterbahn und der zweiten Elektrode zu diesen jeweiligen freigelegten Bereichen der Isolationsschicht verlaufen können, um auf einfache Weise die Verdrahtung der ersten und zweiten Elektrode bereitzustellen.
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In einem weiteren Verfahrensschritt kann so auf einfache Weise nach dem Strukturieren der mindestens einen zweiten Elektrode ein jeweiliges erstes und zweites elektrisch leitendes Kontaktelement zumindest zum Teil die Anschlussleiterbahn und die zweite Elektrode elektrisch kontaktierend angeordnet werden, z.B. durch Drahtbonden und/oder andere Kontaktierungs- und Verdrahtungsverfahren.
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In einem weiteren Schritt einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Grundelement strukturiert werden. Das Grundelement kann weiterhin zumindest zum Teil aus Silizium gebildet, und insbesondere als Siliziumsubstrat ausgebildet sein. Dabei kann das Strukturieren des Grundelements beispielsweise durch reaktives Ionentiefenätzen erfolgen.
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Weiterhin kann in das Grundelement eine Aussparung so eingebracht werden, dass eine Abmessung der Aussparung in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung der Schichtenfolge kleiner ist als die Abmessung der pyroelektrischen Schicht in dieser Richtung, so dass zumindest in diese Richtung die pyroelektrische Schicht die Aussparung vollständig überdeckt.
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Gemäß dem beschriebenen Verfahren und dessen Ausgestaltungen lässt sich auch ein Sensorarray, insbesondere mit mehreren in Zeilen und Spalten angeordneten Sensorelementen, auf einfache Weise herstellen. Dazu kann auf dem bereitgestellten Grundelement, welches als Silizium-Substrat ausgebildet sein kann, wie beschrieben eine Isolationsschicht, z.B. Siliziumoxid, aufgebracht werden, insbesondere als durchgehende, flächig ausgebildete Schicht. Auf diese kann die erste Elektrodenschicht, ebenfalls großflächig und durchgehend, aufgebracht werden und im Anschluss daran, vor dem Aufbringen der pyroelektrischen Schicht, die erste Elektrodenschicht strukturiert werden, so dass eine Anzahl an erster Elektroden mit jeweiligen Anschlussleiterbahnen ausgebildet wird, die der Anzahl der auszubildenden Sensorelemente des Arrays entspricht. Im Anschluss daran wird die pyroelektrische Schicht aufgebracht, ebenfalls großflächig und zusammenhängend, so dass diese die ersten Elektroden, die Anschlussleiterbahnen und die durch die Strukturierung der ersten Elektrodenschicht freigelegten Bereiche der Isolationsschicht vollständig überdeckt. Weiterhin kann die pyroelektrische Schicht strukturiert werden, so dass Teile der jeweiligen Anschlussleiterbahnen der ersten Elektroden zum Anbringen der Verdrahtung freigelegt werden und auch andere Bereiche zu Verdrahtungszwecken, in welchen z.B. weitere Leiterbahnen aufgebracht und verlaufen können. Des Weiteren kann die zweite Elektrodenschicht aufgebracht werden und strukturiert werden, so dass direkt über jeder ersten Elektrode eine zweite Elektrode, getrennt durch die pyroelektrische Schicht, angeordnet ist. Daraufhin kann durch elektrisches Kontaktieren der jeweiligen Anschlussleiterbahnen und der zweiten Elektroden mittels Kontaktelementen die Verdrahtung des Sensorarrays bereitgestellt werden. Zum Schluss kann die Rückseite des Grundelements strukturiert werden, so dass unter jedem Elektrodenpaar eine Aussparung des Grundelements ausgebildet wird, um die einzelnen Sensorelemente thermisch vom Grundkörper und untereinander zu entkoppeln.
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Weiterhin gelten alle für die erfindungsgemäße Sensorelementanordnung und deren Ausgestaltungen beschriebenen Merkmale, Merkmalskombinationen und deren Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren und dessen Ausgestaltungen.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie Art und Weise wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Pyrosensoranordnung gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Darstellung zur Herstellung einer Pyrosensoranordnung gemäß dem Stand der Technik;
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3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Sensorelementanordnung mit einem auf einer durchgehenden Isolationsschicht angeordnetem Sensorelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Sensorelementanordnung mit einem auf einer strukturierten, nicht durchgehenden Isolationsschicht angeordnetem Sensorelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung des Ablaufs eines Herstellungsverfahrens zur Herstellung einer Sensorelementanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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6 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Sensorelementanordnung mit einer Mehrzahl an Sensorelementen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Sensorelementanordnung 30 mit einem auf einer durchgehenden Isolationsschicht 32 angeordnetem Sensorelement 34 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Querschnittsebene der Darstellung entspricht dabei der x-y-Ebene des dargestellten Koordinatensystems. Die Isolationsschicht 32 der Sensorelementanordnung 30 ist dabei auf einem Grundelement 36 angeordnet, welches z.B. als Silizium-Substrat ausgebildet sein kann. Das Grundelement 36 weist dabei im dargestellten Querschnitt zwei durch eine Aussparung getrennte Grundelementsegmente 36a und 36b auf, insbesondere ein erstes Grundelementsegment 36a und ein zweites Grundelementsegment 36b. Diese Aussparung kann z.B. mittels Ätzen, insbesondere mittels reaktivem Ionentiefenätzen, in das Grundelement 36 eingebracht werden und eine beliebige Geometrie, z.B. quaderförmig oder zylinderförmig, aufweisen. Dabei ist die Isolationsschicht 32 bevorzugt als Stopp-Schicht für diesen Ätzprozess ausgebildet. Auf dieser Isolationsschicht 32 ist das Sensorelement 34 angeordnet. Dieses weist dabei eine pyroelektrische Schicht, die insbesondere als PZT-Schicht 38 ausgebildet ist, auf. Dabei ist auf einer ersten Seite 38a der PZT-Schicht 38, insbesondere der der Isolationsschicht 32 zugewandten Seite, eine erste Elektrode, im Folgenden als Bottomelektrode 40 bezeichnet, angeordnet und auf der der ersten Seite 38a gegenüberliegenden zweiten Seite 38b der PZT-Schicht 38 ist eine zweite Elektrode, im Folgenden als Topelektrode 42 bezeichnet, angeordnet. Das Sensorelement 34 kann dabei als Pyrosensorelement ausgebildet sein, so dass die vom Sensorelement 34 zu detektierende physikalische Größe als eine Energieform bzw. als eine Energiemenge einer Energieform in die PZT-Schicht 38 einbringbar ist und dadurch eine Temperaturänderung der PZT-Schicht 38 bewirkt. Durch diese Temperaturänderung wird bewirkt, dass eine elektrische Spannung zwischen der ersten Seite 38a und der zweiten Seite 38b der PZT-Schicht 38 abgreifbar ist. Um eine möglichst hohe Unabhängigkeit von Umgebungstemperaturen gewährleisten zu können, ist der Bereich 38c der PZT-Schicht 38, welcher sich in y-Richtung gesehen zwischen der Topelektrode 42 und der Bottomelektrode 40 befindet, in y-Richtung oberhalb der Aussparung des Grundelements 36 angeordnet, um eine möglichst gute thermische Entkopplung dieses Bereichs 38c der PZT-Schicht 38 vom Grundelement 36, insbesondere dem Silizium-Substrat, zu ermöglichen.
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Weiterhin überdeckt die PZT-Schicht 38 die erste Elektrode 40 dabei vollständig. Dadurch wird auf besonders vorteilhafte Weise ermöglicht, dass die PZT-Schicht 38 gleichzeitig als Isolator zwischen der der Bottomelektrode 40 und der Topelektrode 42 und insbesondere deren Verdrahtung, die durch ein Kontaktelement 44 bereitgestellt sein kann, fungiert. Dadurch kann die im Stand der Technik übliche separate Isolation, die insbesondere bei der Herstellung von Sensoren besonders technisch kritisch ist, entfallen. Somit kann die Prozessführung bei der Herstellung einer solchen Sensorelementanordnung 30 deutlich vereinfacht werden.
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Um die Bottomelektrode 40 verdrahten zu können, ist eine mit der Bottomelektrode 40 verbundene Anschlussleiterbahn 40a vorgesehen, die zum Teil an der ersten Seite 38a der PZT-Schicht 38 angeordnet ist und zum Teil auf einem Bereich der Isolationsschicht 32, der nicht von der PZT-Schicht 38 bedeckt ist.
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Zur Verdrahtung der Topelektrode 42 ist dabei weiterhin ein Kontaktelement 44 elektrisch kontaktierend an der Topelektrode 42 angeordnet. Durch die Ausbildung der PZT-Schicht 38 kann dieses Kontaktelement 44 über die PZT-Schicht 38 bis zur Isolationsschicht 32, insbesondere zu einem nicht von der PZT-Schicht 38 bedeckten Bereich der Isolationsschicht 38, verlaufen, ohne die Bottomelektrode 40 zu kontaktieren. Das Kontaktelement 44 ist dabei aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. aus einem Metall oder einer Legierung, und kann z.B. als Leiterbahn oder Pad ausgebildet sein. Auch an der Anschlussleiterbahn 40a der Bottomelektrode 40 ist ein Kontaktelement 46 elektrisch kontaktierend angeordnet, das in gleicher Weise ausgebildet sein kann, wie das Kontaktelement 44 der Topelektrode 42.
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Des Weiteren ist die PZT-Schicht 38 derart ausgestaltet, dass die Abmessung der PZT-Schicht 38 in ihrer Erstreckungsebene, hier die x-z-Ebene, größer ist als die Abmessung der Aussparung in dieser Ebene. Insbesondere weist dabei die Aussparung in z-Richtung eine endliche Abmessung auf, die so bemessen ist, dass die Aussparung zumindest im Bereich unterhalb (entgegen y-Richtung) des zwischen der Topelektrode 42 und der Bottomelektrode 40 befindlichen Bereichs 38c der PZT-Schicht 38 angeordnet ist. Dabei ist die PZT-Schicht 38 so bemessen, dass sie in y-Richtung zum Teil oberhalb der beiden Grundelementsegmente 36a und 36b angeordnet ist. Durch diese Ausbildung kann die PZT-Schicht 38 auf besonders vorteilhafte Weise gleichzeitig die Funktion einer Trägerschicht übernehmen. Insbesondere weist die PZT-Schicht 38 dabei besonders vorteilhafte Eigenschaften auf, die erst die Ausbildung und Anwendung als Trägerschicht ermöglichen. Die PZT-Schicht 38 besitzt eine sehr geringe thermische Leitfähigkeit, insbesondere in der gleichen Größenordnung wie Siliziumoxid mit einer thermischen Leitfähigkeit von 1 W/(m K) bis 2 W/(m K). Aufgrund dieser geringen thermischen Leitfähigkeit ist die PZT-Schicht 38 selbstisolierend. Auf eine Strukturierung der PZT-Schicht 38 beim Aufbau der einzelnen Sensorelementkomponenten kann daher aus thermischer Sicht verzichtet werden, d.h. die PZT-Schicht kann als durchgängige Trägerschicht zur Verfügung stehen. Für pyroelektrische Anwendungen liegt die Dicke der PZT-Schicht 38 in einem Bereich größer als 1 Mikrometer (vergleichbar mit der Dicke einer ONO-Trägermembran) und ist daher hinsichtlich ihrer mechanischen Stabilität unkritisch. Darüber hinaus ist die PZT-Schicht 38 derart herstellbar, dass sie bei für selbstpolarisierte Schichten relevante Zusammensetzungen unter leichtem Zugstress steht. Insbesondere weist die PZT-Schicht 38 der Sensorelementanordnung 30 eine Zugspannung auf, deren Richtung in der x-z-Ebene liegt. Durch diese vorteilhaften Eigenschaften Der PZT-Schicht 38 kann diese bei der Sensorelementanordnung 30 gleichzeitig die Trägerfunktion übernehmen und es kann auf eine ONO- oder ON-Schicht als Trägermembran, wie im Stand der Technik üblich verzichtet werden. Es muss lediglich die Isolationsschicht 32 vorgesehen werden, um die elektrische Isolation der Anschlussleiterbahn 40a der Bottomelektrode 40 und der Kontaktelemente 44 und 46 vom Siliziumsubstrat bereitzustellen. Zur Ausbildung der Isolationsschicht 32 können dabei verschiedenste Materialien zur Anwendung kommen, die die Eigenschaften besitzen, dass sie elektrisch isolierend sind, eine sehr kleine thermische Leitfähigkeit aufweisen und unter leichtem Zugstress bzw. geringem Druckstress stehen, wobei die Größe des Stresses derart bemessen sein soll, dass er durch die PZT-Schicht 38 kompensiert werden kann. Ein geeignetes Material ist z.B. Siliziumoxid, insbesondere mit je nach Herstellungsprozess stressbegrenzter Dicke. Durch diese Verzichtsmöglichkeit auf die stresskompensierte ONO-Trägermembran wird ebenfalls die Prozessführung bei der Herstellung einer solchen Sensorelementanordnung 30 deutlich vereinfacht. Darüber hinaus ist durch das Wegfallen der hohen Stressgradienten an den Grenzflächen der kompensierenden Schichtkomponenten die mechanische Stabilität der durch die PZT-Schicht 38 gebildeten Trägerschicht verbessert. Weiterhin wird durch den Wegfall der thermisch relativ gut leitenden Si3N4-Schicht einer ONO-Schicht die thermische Isolation des Sensorelements 34 verbessert.
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Weiterhin kann die Sensorelementanordnung 30 auch als Sensorarray ausgebildet sein, insbesondere mit einer Mehrzahl an Sensorelementen 34, wie dargestellt, die in Reihen und/oder Spalten nebeneinander auf dem Grundelement 36 mit der Isolationsschicht 32 angeordnet sind. Der Vorteil des mikrosystemtechnischen Ansatzes in Kombination mit der Erfindung liegt dabei in der Möglichkeit, auf relativ einfache Weise solche Sensorarrays zu realisieren.
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4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Sensorelementanordnung 30 mit einem auf einer strukturierten, nicht durchgehenden Isolationsschicht 32 angeordnetem Sensorelement 34 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Sensorelementanordnung 30 ist hierbei in gleicher Weise ausgestaltet wie die Sensorelementanordnung 30 in 3, lediglich mit dem Unterschied, dass die Isolationsschicht 32 lokal ausgebildet ist, d.h. die Isolationsschicht 32 ist nur auf den beiden Grundelementsegmenten 36a und 36b angeordnet, und erstreckt sich somit nicht über die Aussparung des Grundelements 36 Dies ist auch nicht erforderlich, da die Isolationsschicht 32 nur die Funktion der elektrischen Isolation übernimmt und keine tragende Funktion in Bezug auf das Sensorelement 34 übernimmt. Hierbei sei noch erwähnt, dass Unterscheidung der Grundelementsegmente 36a und 36b des Grundelements 36 hierbei zur besseren Beschreibung in der Querschnittsdarstellung dient. Die Ausbildung der Isolationsschicht 32 und des Grundelements 36 ist dabei jedoch räumlich jeweils als eine einstückige Schicht zu verstehen. Die tragende Funktion, insbesondere des Tragens bzw. Haltens des Sensorelements 34 über der Aussparung des Grundelements 36, wird, wie bereits zu 3 beschrieben, allein durch die PZT-Schicht 38 bereitgestellt. Die Isolationsschicht 32 kann in diesem Ausführungsbeispiel lokal auf das Grundelement 36 aufgebracht werden bzw. durch Strukturierung lokal ausgebildet werden, so dass diese lediglich auf den Grundelementsegmenten 36a und 36b angeordnet ist.
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Eine ganzflächige Ausbildung wie in 3 dargestellt ist jedoch bevorzugt, da in diesem Fall die Isolationsschicht 32 gleichzeitig als definierte Stopp-Schicht für den Rückseitenätzprozess des Grundelements 36 zum Erzeugen der Aussparung verwendet werden kann.
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5 zeigt eine schematische Darstellung des Ablaufs eines Herstellungsverfahrens zur Herstellung einer Sensorelementanordnung 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die einzelnen Verfahrensschritte sind dabei durch die gezeigten Darstellungen graphischen veranschaulicht. Zunächst wird ein Grundelement 36 bereitgestellt, das z.B. als Silizium-Substrat ausgebildet sein kann. Dies eignet sich besonders gut zur Ausbildung von mikrosystemtechnischen Sensorarrays. Je nach Anwendung kann das Grundelement 36 auch anders ausgebildet sein. Auf dieses Grundelement 36 wird in Schritt S30 eine Isolationsschicht 32 aufgebracht. Im Falle der Ausbildung des Grundelements 36 als Silizium-Substrat und einer Isolationsschicht 32 aus Siliziumoxid, kann das Aufbringen der Isolationsschicht 32 z.B. durch Erhitzen des Silizium-Substrats und Oxidieren des Siliziums zu Silizium-Oxid erfolgen. Für das Aufbringen des Siliziumoxids stehen dabei verschiedene Herstellungsverfahren bereit, welche unterschiedlichen Stress, insbesondere Druckstress der Isolationsschicht 32 bedingen. Dabei kann beim Aufbringen der Isolationsschicht 32 die Dicke der Isolationsschicht 32 so bemessen sein, dass die daraus resultierende Größe des Druckstresses von der PZT-Schicht 38 kompensiert wird. Im Anschluss an das Aufbringen der Isolationsschicht 32 wird in Schritt S32 eine erste elektrisch leitfähige Elektrodenschicht für die Bottomelektrode 40 aufgebracht. Weiterhin wird in diesem Schritt S32 diese erste Elektrodenschicht strukturiert, so dass die Bottomelektrode 40 und die mit dieser verbundenen Anschlussleiterbahn 40a in ihrer Formgebung ausgebildet werden. Die Strukturierung der Bottomelektrode 40 direkt nach dem Aufbringen der ersten Elektrodenschicht und vor dem Aufbringen weiterer Schichten, insbesondere vor der PZT-Abscheidung, ist dabei besonders vorteilhaft, denn nur so wird es ermöglicht, dass die PZT-Schicht 38 gleichzeitig auch die Isolation für die Verdrahtung der Topelektrode 42 von der Bottomelektrode 40 bereitstellen kann und darüber hinaus die PZT-Schicht 38 als Trägerschicht ausgebildet werden kann.
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Nach dem Strukturieren der Bottomelektrode 40 und der Anschlussleiterbahn 40a wird dann in Schritt S34 die PZT-Schicht 38 aufgebracht und strukturiert. Insbesondere wird die PZT-Schicht dabei so aufgebracht und strukturiert, dass sie die Bottomelektrode 40 vollständig überdeckt und auf einem Teil der Anschlussleiterbahn 40a und zum Teil auf der Isolationsschicht 32 angeordnet ist. Dabei wird die PZT-Schicht 38 weiterhin so strukturiert, dass sie die Anschlussleiterbahn 40a nicht vollständig bedeckt, so dass an der Anschlussleiterbahn 40a noch das elektrische Kontaktelement 46 angeordnet werden kann. Durch Aufbringen der PZT-Schicht 38 mit einer gegebenen Schichtdicke ergibt sich der dargestellte stufenförmige Versatz der zweiten Seite 38b (vgl. 3 und 4) der PZT-Schicht 38, da sich die PZT-Schicht 38 an die Formgebung des Untergrunds, also der Bottomelektrode 40 und der Isolationsschicht 32 und dem Höhenversatz zwischen diesen, anpasst. Weiterhin kann zur Realisierung einer ausreichend hohen und homogenen Temperatur im PZT-Abscheidungsprozess die Waferrückseite, d.h. die der Isolierschicht 32 gegenüberliegenden Seite des Grundelements 36, eine unstrukturierte, dünne metallische Absorberschicht aufweisen.
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In Schritt S36 wird dann die Topelektrode 42 aufgebracht. Dies erfolgt durch Aufbringen eines elektrisch leitfähigen Materials als zweite Elektrodenschicht auf die PZT-Schicht 38, insbesondere der zweiten Seite 38b (vgl. 3 und 4) der PZT-Schicht 38, und Strukturieren dieser zweiten Elektrodenschicht zur Ausbildung der Topelektrode 42. Im Anschluss daran erfolgt in Schritt S38 das elektrische Kontaktieren der zweiten Elektrode 42 und der Anschlussleiterbahn 40a der ersten Elektrode 40. Dazu werden Kontaktelemente 46 bzw. 44, wie Leiterbahnen und/oder Pads z.B. durch Bonden, elektrisch leitend an der Anschlussleiterbahn 40a und an der Topelektrode 42 kontaktiert. Durch die PZT-Schicht 38 ist dabei die Isolierung für das Kontaktelement 44 der Topelektrode 42 zur Bottomelektrode 40 bereitgestellt. Im Anschluss daran wird in Schritt S40 die Aussparung im Grundelement 36 ausgebildet, insbesondere durch reaktives Ionentiefenätzen des Silizium-Substrats. Dabei kann die Isolationsschicht 38 gleichzeitig als Stopp-Schicht für diesen Ätzprozess fungieren. Die Aussparung wird dabei so ausgebildet, dass der Bereich 38c (vgl. 3 und 4) der PZT-Schicht 38, der sich zwischen der Topelektrode 42 und der Bottomelektrode 40 befindet, und die Elektroden 40 und 42 selbst oberhalb der Aussparung angeordnet sind, so dass dieser Bereich 38c der PZT-Schicht 38 und die Elektroden 40 und 42 thermisch vom Silizium-Substrat entkoppelt sind. Darüber hinaus ist die PZT-Schicht 38 weiterhin so ausgebildet, dass sie sich in ihrer Erstreckungsrichtung über die Aussparung hinaus erstreckt, so dass die PZT-Schicht 38 gleichzeitig eine tragende Funktion bereitstellt.
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6 zeigt eine Schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Sensorelementanordnung 30 mit einer Mehrzahl an Sensorelementen 34. Die Sensorelemente 34 sind dabei in Reihen und Spalten angeordnet, wobei in dieser Draufsicht lediglich die Topelektroden 42 der jeweiligen Sensorelemente 34 zu erkennen sind. Nahezu deckungsgleich zu den Topelektroden 34 ausgebildet und entgegen y-Richtung unterhalb der Topelektroden 42 sind die jeweiligen Bottomelektroden 40 angeordnet. Die jeweiligen Elektrodenpaare sind dabei durch die PZT-Schicht 38 getrennt, die sich großflächig über die gesamte Anordnung erstreckt. Die PZT-Schicht 38 ist dabei so strukturiert, dass Bereiche der Isolationsschicht 32 der Sensorelementanordnung 30 freigelegt sind und insbesondere auch die Anschlussleiterbahnen 40a der jeweiligen Bottomelektroden 40. In diesen freigelegten Bereichen der Isolationsschicht 32 können die Leiterbahnen und Kontaktelemente 44 und 46 (nicht dargestellt) zur Verdrahtung der Sensorelementanordnung 30 verlaufen. Weiterhin ist unter jedem Sensorelement 34 eine Aussparung im Grundelement 36 angeordnet, welche schematisch gestrichelt dargestellt ist. Diese ist so ausgestaltet, dass sich die jeweiligen Elektrodenpaare und der zwischen den jeweiligen Elektrodenpaaren befindliche Bereich 38c der PZT-Schicht 38 in y-Richtung direkt oberhalb der Aussparung befinden. Die PZT-Schicht 38 überdeckt dabei die Aussparungen und stellt somit die Funktion einer Trägerschicht bereit.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
