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Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Stand der Technik
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Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von Bauelementen auf Siliziumbasis erläutert.
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Mikromechanische Sensorvorrichtungen zur Messung von beispielsweise Beschleunigung, Drehrate, Magnetfeld und Druck sind allgemein bekannt und werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt. Trends in der Consumer-Elektrode sind insbesondere die Miniaturisierung der Bauelemente, die Funktionsintegration und eine effektive Kostenreduktion.
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Heutzutage werden Beschleunigungs- und Drehratensensoren und ebenso Beschleunigungs- und Magnetfeldsensoren bereits als Kombi-Sensoren (6d) hergestellt, und darüber hinaus gibt es erste 9d-Module, bei denen jeweils 3-achsige Beschleunigungs-, Drehraten- und Magnetfeldsensoren in einer einzigen Sensorvorrichtung kombiniert werden.
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Drucksensoren dagegen werden heutzutage separat von den oben genannten 6d- und 9d-Modulen entwickelt und gefertigt. Ein wesentlicher Grund hierfür ist der erforderliche Medienzugang, den ein Drucksensor im Gegensatz zu Inertial- und Magnetsensoren benötigt und der den Aufwand und die Kosten für das Verpacken des Drucksensors deutlich erhöht. Weitere Gründe für die Separation von Drucksensoren sind die unterschiedlichen MEMS-Fertigungsprozesse sowie die unterschiedlichen Auswerteverfahren. Beispielsweise bedienen sich Drucksensoren oftmals piezoresistiver Widerstände zur Auswertung, wohingegen Inertialsensoren bevorzugt kapazitiv ausgewertet werden.
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Es ist aber absehbar, dass Sensorvorrichtungen, die neben Inertialgrößen auch den Druck messen können, eine interessante Erweiterung der Möglichkeiten zur Funktionsintegration, insbesondere im Bereich der Consumer-Elektronik, darstellen. Derartige integrierte 7d Module oder bei Integration eines 3-achsigen Magnetsensors 10d-Module könnten beispielsweise für Navigationsanwendungen (In-door-Navigation) zum Einsatz gelangen. Die Funktionsintegration verspricht sowohl eine Kostenreduktion als auch einen reduzierten Platzbedarf auf der Applikationsleiterplatte.
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Aus der
DE 10 2006 011 545 A1 und der
US 2012/0256282 A1 sind mikromechanische Kombibauelemente mit Druck- und Inertialsensoren bekannt. Allen diesen Bauelementen gemeinsam ist die Verwendung eines kapazitiven Auswerteprinzips, bei dem sich eine mit Druck beaufschlagte Membran aufwölbt und als bewegliche Elektrodenfläche verwendet wird. Darüber oder darunter beabstandet liegt eine flächige Festelektrode als Gegenelektrode. Bei derartigen Anordnungen ist die Membranverwölbung im zentralen Membranbereich groß und nimmt nach außen hin stark ab, um schließlich am Rand des Membranbereichs zu null zu werden. Bei der Auswertung der über die Membranfläche integrierten Kapazitätsänderung tragen daher wesentliche Membranbereiche im Randbereich kaum zum Signalhub bei, während die mit großen Auslenkungen behafteten zentralen Membranbereiche nur einen kleinen Teil der Gesamtfläche ausmachen.
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Es sind Verfahren der so genannten vertikalen Integration oder Hybridintegration oder 3D-Integration bekannt, bei denen mindestens ein MEMS- und ein Auswerte-ASIC-Wafer über Waferbondverfahren miteinander mechanisch und elektrisch verbunden werden, beispielsweise aus der
US 7 250 353 B2 oder der
US 7 442 570 B2 . Besonders attraktiv sind diese vertikalen Integrationsverfahren in Kombination mit Silizium-Durchkontaktierungen und Flip-Chip-Technologien, wodurch die externe Kontaktierung als „bare die-Modul“ oder „chip scale package“, also ohne Plastikumverpackung erfolgen kann, wie z. B. aus der
US 2012/0049299 A1 oder der
US 2012/0235251 A1 bekannt.
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Die
US 2013/0001710 A1 offenbart ein Verfahren und ein System zum Bilden einer MEMS-Sensorvorrichtung, wobei ein Handlingwafer an einen MEMS-Wafer über eine dielektrische Schicht gebondet wird. Nach Strukturierung des MEMS-Wafers, um die mikromechanische Sensorvorrichtung zu bilden, wird ein CMOS-Wafer auf den MEMS-Wafer mit der Sensorvorrichtung gebondet. Am Ende des Prozesses kann der Handlingwafer durch Ätzen oder Rückschleifen, falls erforderlich, weiter bearbeitet werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 14.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die mikromechanische Drucksensorvorrichtung und das entsprechende Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bewirken eine erhöhte Signalempfindlichkeit einer kapazitiven Drucksensorvorrichtung. Das Herstellungsverfahren ermöglicht, gleichzeitig auf demselben Chip kapazitive Beschleunigungs-, Drehraten- und/oder Magnetfeldsensoren herzustellen und damit eine 7D- bzw. 10D-Integration zu erreichen.
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Kern der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung einer flächigen auslenkbaren Druckdetektionselektrode, die über einen stöpselartigen bzw. stiftartigen Verbindungsbereich mit einem elastisch auslenkbaren Membranbereich verbunden ist. Die auslenkbare Druckdetektionselektrode lässt sich somit annähernd punktförmig aufhängen und ist somit in vollem Umfang mit dem Membranbereich auslenkbar.
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Durch Aufhängung der auslenkbaren Druckdetektionselektrode im Zentrum des beweglichen Membranbereichs überträgt der Membranbereich seine maximale Auslenkungsamplitude auf die gesamte flächige auslenkbare Druckdetektionselektrode. Dadurch ergibt sich ein wesentlich größerer Signalhub (typischerweise um mehr als Faktor 3) gegenüber einer Anordnung, bei der der Membranbereich selbst als bewegliche Druckdetektionselektrode verwendet wird.
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Alternativ zur Erhöhung der Signalempfindlichkeit im Vergleich zu bekannten Anordnungen kann durch die vorliegende Erfindung der Platzbedarf für den Membranbereich erheblich verringert werden, also eine größere Integration erzielt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der stöpselartige Verbindungsbereich zentral auf dem Membranbereich ausgebildet, so dass die erste Druckdetektionselektrode im wesentlichen unverkippt auslenkbar ist. So lässt sich ein maximaler Signalhub erreichen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Membranbereich in einer dritten mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet, welche unterhalb der ersten mikromechanischen Funktionsschicht über der Vorderseite des MEMS-Wafers gebildet ist. So lässt sich eine elektrische Anbindung über die dritte mikromechanische Funktionsschicht realisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die auslenkbare erste Druckdetektionselektrode in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet, wobei die feststehende zweite Druckdetektionselektrode in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die auslenkbare erste Druckdetektionselektrode in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet, wobei die feststehende zweite Druckdetektionselektrode in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die auslenkbare erste Druckdetektionselektrode in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet, wobei die feststehende zweite Druckdetektionselektrode in einer Verkappungseinrichtung ausgebildet ist, welche auf den MEMS-Wafer gebondet ist. Eine derartige Struktur ist sehr leicht herstellbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der stöpselartige Verbindungsbereich dezentral auf dem Membranbereich ausgebildet, so dass die erste Druckdetektionselektrode verkippt auslenkbar ist, wobei zwei elektrisch voneinander isolierte feststehende zweite Druckdetektionselektroden beabstandet gegenüberliegend der auslenkbaren ersten Druckdetektionselektrode ausgebildet sind, gegenüber denen die erste Druckdetektionselektrode unterschiedlich auslenkbar ist. So lässt sich eine differenzielle Anordnung herstellen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die auslenkbare erste Druckdetektionselektrode in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet. wobei die feststehende zweite Druckdetektionselektrode in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet ist und wobei eine weitere feststehende zweite Druckdetektionselektrode in einer dritten mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet ist, welche unterhalb der ersten mikromechanischen Funktionsschicht über der Vorderseite des MEMS-Wafers gebildet ist. So lässt sich eine alternative differenzielle Anordnung herstellen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die auslenkbare erste Druckdetektionselektrode über eine in der zugehörigen mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildete Federeinrichtung elektrisch angeschlossen. So kann die auslenkbare erste Druckdetektionselektrode unabhängig elektrisch angeschlossen werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Verkappungseinrichtung vorgesehen, welche auf die zweite mikromechanische Funktionsschicht zum Einschließen einer Kaverne mit einem vorbestimmten eingeschlossenen Druck gebondet ist. So kann ein beliebiger Referenzdruck eingestellt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Verkappungseinrichtung ein Auswertewafer. Dies führt zu einer sehr kompakten Anordnung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Zugangsöffnung eine Durchgangsöffnung im MEMS-Wafer ist, durch die der Membranbereich von der Rückseite her mit dem Druck beaufschlagbar ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Zugangsöffnung eine seitliche Zugangsöffnung an der Vorderseite des MEMS-Wafers.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1a), b) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3a), b) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5a), b) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6a), b) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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8 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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9 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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10 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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11 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1a), b) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1a), b) bezeichnet Bezugszeichen 1 einen MEMS-Wafer aus Silizium, welcher eine Vorderseite VS und eine Rückseite RS aufweist. Auf der Vorderseite VS des MEMS-Wafers 1 ist eine stark dotierte Deckschicht 22 aufgebracht, auf der ein von der Rückseite RS ansetzender KOH-Ätzschritt zum Bilden einer Zugangsöffnung 24, im Folgenden auch als Durchgangsöffnung bezeichnet, zum Stoppen kommt. Somit ist es möglich, einen Membranbereich 26 mit der Dicke der Deckschicht 22 von der Rückseite RS her freizustellen.
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Von der Vorderseite VS her werden eine erste mikromechanische Funktionsschicht 40 und eine zweite mikromechanische Funktionsschicht 50, welche jeweils aus Silizium hergestellt sind, mit Standardverfahren der Oberflächenmikromechanik strukturiert und freigestellt. Zwischen der Deckschicht 22 und der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 40 ist eine erste Isolationsschicht 3a vorgesehen, beispielsweise aus Siliziumdioxid. Zwischen der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 40 und der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 50 ist eine zweite Isolationsschicht 3b, beispielsweise ebenfalls aus Siliziumdioxid, vorgesehen.
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In einem anisotropen Ätzprozess für Silizium und isotropen Ätzprozess für Siliziumdioxid, wobei sich bei Letzterem das Ätzmedium durch Ätzkanäle L ausbreitet, lassen sich in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 40 eine auslenkbare erste Druckdetektionselektrode 44 und in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 50 eine feststehende zweite Druckdetektionselektrode 52 bilden.
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Die auslenkbare erste Druckdetektionselektrode ist über einen stöpselartigen bzw. stiftartigen Verbindungsbereich 38 der ersten Isolationsschicht 3a aus Siliziumdioxid mit dem Zentrum des Membranbereichs 26 elektrisch isolierend verbunden. Eine elektrische Anbindung der auslenkbaren ersten Druckdetektionselektrode 44 erfolgt über eine Federeinrichtung 45, welche relativ weich ist und insbesondere Auslenkungen in z-Richtung, also senkrecht zur Chipebene, zulässt.
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Die feststehende zweite Druckdetektionselektrode ist über einen Verankerungsbereich 51 mit der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 40 verbunden und lässt sich hierüber auch elektrisch kontaktieren.
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Oberhalb der Druckdetektionselektrodenstruktur mit der über dem Membranbereich 26 auslenkbaren ersten Druckdetektionselektrode 44 und der feststehenden zweiten Druckdetektionselektrode 52 ist eine Verkappung mittels eines Kappenwafers 70 gebildet, welcher über einen Bondbereich 60 hermetisch dichtend auf der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 50 angebracht ist.
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Über einen beispielhaften Anschlussbereich A, welcher mit der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 40 außerhalb des verkappten Bereichs verbunden ist, lassen sich elektrische Signale aus der durch die Verkappung gebildeten Kaverne K mit der Detektionselektrodenstruktur nach außen führen.
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Durch eine derartige Anordnung ist eine kapazitive Auswertung einer Auslenkung des Membranbereichs 26 durch einen äußeren Druck P, wie in 1b) gezeigt, möglich, wobei die maximale Auslenkung des Membranbereichs 26 auf die gesamte Fläche der auslenkbaren ersten Druckdetektionselektrode 44 übertragen wird, ohne dass letztere verkippt. Dadurch ist der Signalhub deutlich größer als bei direkter Verwendung des Membranbereichs als auslenkbare erste Druckdetektionselektrode wie bei bekannten Verfahren.
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Das Herstellungsverfahren für die in 1a), b) dargestellte erste Ausführungsform sieht ausschließlich aus der Mikromechanik bekannte Schritte vor, insbesondere Abscheiden der Deckschicht 22 auf der Vorderseite VS des MEMS-Wafers 1, Abscheiden, Strukturieren und Freistellen der Isolationsschichten 3a, 3b aus Siliziumdioxid und der mikromechanischen Funktionsschichten 40, 50 zur Herstellung der Druckdetektionselektrodenstruktur. Auch das Bonden des Kappenwafers 60, das KOH-Ätzen von der Rückseite RS des MEMS-Wafers 1 her zur Bildung der Durchgangsöffnung 24, das Freilegen von Anschlussbereichen A sowie ein Trenchen der Kappenseite zum Freilegen der Anschlussbereiche A sind ebenfalls Standardprozesse.
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2 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der zweiten Ausführungsform ist im Unterschied zur oben beschriebenen ersten Ausführungsform eine dritte mikromechanische Funktionsschicht 80 aus Silizium vorgesehen, welche durch eine dritte Isolationsschicht 3c aus Siliziumdioxid von der Vorderseite VS des MEMS-Wafers 1 elektrisch entkoppelt ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Membranbereich 86 in der dritten mikromechanischen Funktionsschicht 80 ausgebildet. In diesem Fall erfolgt die Freistellung des Membranbereichs 86 und die Bildung der Durchgangsöffnung 24‘ von der Rückseite RS des MEMS-Wafers 1 her über einen anisotropen Trenchprozess und einen nachfolgenden Oxidätzschritt, bei dem die dritte Isolationsschicht aus Oxid im Membranbereich 86 entfernt wird. Siliziumdioxid und Silizium weisen unterschiedliche interne Spannungen und unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Durch die Entfernung des Siliziumdioxids werden unerwünschte Verformungen des Membranbereichs 86 in Abhängigkeit von der Temperatur gering gehalten, was in temperaturstabilen Werten für Offset und Empfindlichkeit der Drucksensorvorrichtung resultiert.
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Die Anbindung des Membranbereichs 86 an die auslenkbare erste Druckdetektionselektrode 44 erfolgt bei der zweiten Ausführungsform über den stöpselartigen schmalen Verbindungsbereich 38 aus dem Siliziumdioxid der ersten Isolationsschicht 3a.
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3a), b) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die dritte Ausführungsform berücksichtigt, dass der stöpselartige Verbindungsbereich der ersten und zweiten Ausführungsform aufgrund des angesprochenen thermischen Mismatches zwischen Siliziumdioxid und Silizium ein gewisses Risiko bezüglich der Temperaturstabilität der Drucksensorvorrichtung darstellt. Zudem wird bei den ersten beiden Ausführungsformen die Größe des stöpselartigen Verbindungsbereich aus Siliziumdioxid über ein zeitgesteuertes Ätzverfahren, vorzugsweise Ätzen mit gasförmigem HF, bestimmt, das gewissen Fertigungsstreuungen unterworfen ist. Somit sind die Fläche des Verbindungsbereichs aus Oxid und als Folge davon die Nachgiebigkeit des Membranbereichs bei den ersten beiden Ausführungsformen gewissen Schwankungen unterworfen.
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Bei der dritten Ausführungform ist im Unterschied zur zweiten Ausführungsform der stöpselartige Verbindungsbereich 48 aus Silizium der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 40 hergestellt, was sich einfach durch eine entsprechende Öffnung der ersten Isolationsschicht 3a vor Abscheidung der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 40 erreichen lässt.
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Durch einen derartigen stöpselartigen Verbindungsbereich aus Silizium entfällt nicht nur das Risiko des thermischen Mismatches, sondern auch die Notwendigkeit der elektrischen Anbindung über die Federeinrichtung 45. In diesem Fall ist also die auslenkbare erste Druckdetektionselektrode 44 über den stöpselartigen Verbindungsbereich 48 aus Silizium elektrisch mit der dritten mikromechanischen Funktionsschicht 80 im Membranbereich 86 verbunden.
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Den ausgelenkten Zustand bei Applikation eines externen Drucks P zeigt 3b).
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4 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der vierten Ausführungsform ist im Unterschied zur dritten Ausführungsform die auslenkbare erste Druckdetektionselektrode 52' in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 50 gebildet, wohingegen die feststehende zweite Druckdetektionselektrode 44' in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 40 gebildet ist.
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Die Anbindung des Membranbereichs 86 der dritten mikromechanischen Funktionsschicht 80 aus Silizium an die auslenkbare erste Druckdetektionselektrode 52' in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 50 erfolgt durch einen stöpselartigen Verbindungsbereich 48, 57, welcher durch eine Öffnung O in der feststehenden zweiten Druckdetektionselektrode in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 40 gebildet ist. Der stöpselartige Verbindungsbereich 48, 57 weist einen ersten Teilbereich 48 aus Silizium der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 40 und einen zweiten Teilbereich 57 aus Silizium der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 50 auf. Die abgestufte Form des stöpselartigen Verbindungsbereichs 48, 57 beruht darauf, dass zur Berücksichtigung von Toleranzen im Ätzprozess der zweiten Isolationsschicht 3b ein gewisser Vorhalt im unteren Teilbereich 48 vorgesehen werden muss.
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Die oben beschriebene erste bis vierte Ausführungsform weisen eine einzelne Nutzkapazität auf. Hochempfindliche kapazitive Auswerteverfahren beruhen oftmals auf sogenannten differenziellen Auswerteverfahren, bei denen eine Kapazitätsdifferenz zwischen ursprünglich gleichen Kapazitäten ausgewertet wird. Besonders bevorzugt wird bei derartigen Verfahren das Signal der ersten Kapazität in dem Umfang größer, wie das Signal der zweiten Kapazität kleiner wird. Bei einer etwas einfacheren Anordnung bleibt eine Referenzkapazität konstant, während die eigentliche Sensierkapazität veränderlich ist. Vorzugsweise wird in letzterem Fall die Referenzkapazität ebenfalls auf dem MEMS-Wafer 1 angeordnet, da dann technologiebedingt ein besonders gutes Matching zwischen der Nutzkapazität und der Referenzkapazität erzielbar ist. Bei Verwendung einer Referenzkapazität in einem zusätzlichen ASIC-Chip können dagegen Nutz- und Referenzkapazität unabhängig voneinander variieren, da die beiden Bauelemente unabhängig voneinander gefertigt werden und daher unterschiedlichen Prozessschwankungen unterliegen.
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Es ist daher unter Umständen vorteilhaft, bei der oben beschriebenen ersten bis vierten Ausführungsform zusätzlich zur auslenkbaren ersten Druckdetektionselektrode eine weitere, aber nicht bewegliche (in den Figuren nicht dargestellte) Elektrode mit gleicher Kapazität als Referenzkapazität anzulegen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass auf der Vorderseite des MEMS-Wafers 1 eine zweite identische Kondensatoranordnung gebildet wird, bei der jedoch von der Rückseite RS her keine Drucksensormembran angelegt wird.
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5a), b) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der fünften Ausführungsform ist eine weitere Form einer möglichen differenziellen Signalauswertung dargestellt. Hier erfolgt im Unterschied zur dritten Ausführungsform die Anbindung der auslenkbaren ersten Druckdetektionselektrode 44'' über den stöpselartigen Verbindungsbereich 48 aus Silizium der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 40 nicht im Zentrum des Membranbereichs 86, sondern dezentral. Weiterhin sind bei dieser Ausführungsform zwei elektrisch voneinander getrennte feststehende zweite Druckdetektionselektroden 52a, 52b vorgesehen, welche über eine jeweilige Verankerung 51a bzw. 51b mit der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 40 verbunden sind.
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Wie in 5b) dargestellt, verkippt bei Auslenkung des Membranbereichs 86 infolge eines applizierten externen Drucks P die auslenkbare erste Druckdetektionselektrode 44'' bezüglich der Normalen des MEMS-Wafers 1. Durch dieses Verkippen wird die Kapazität im Bereich der ersten feststehenden zweiten Druckdetektionselektrode 52a kleiner und im Bereich der zweiten feststehenden zweiten Druckdetektionselektrode 52b größer. Somit ist eine differenzielle Auswertung von zwei Nutzelektrodenbereichen möglich. Natürlich ist es ebenfalls möglich, anstelle einer einzelnen nicht zentral angeordneten auslenkbaren ersten Druckdetektionselektrode 44'' mehrere auslenkbare erste Druckdetektionselektroden an verschiedenen Stellen dezentral auf dem Membranbereich 86 anzuordnen, um die Gesamtfläche des Membranbereichs 86 optimal auszunutzen.
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6a), b) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der sechsten Ausführungsform ist eine zusätzliche vierte mikromechanische Funktionsschicht 90 aus Silizium vorgesehen, welche durch eine vierte Isolationsschicht 3d aus Siliziumdioxid von der dritten mikromechanischen Funktionsschicht 80 und durch die dritte Isolationsschicht 3c aus Siliziumdioxid von der Vorderseite VS des MEMS-Wafers 1 getrennt ist.
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Bei dieser Ausführungsform ist der Membranbereich 86 analog zur zweiten Ausführungsform aus der vierten mikromechanischen Funktionsschicht 90 strukturiert.
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Bei der sechsten Ausführungsform ist eine erste feststehende zweite Druckdetektionselektrode 52 oberhalb der auslenkbaren ersten Druckdetektionselektrode 44 vorgesehen.
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In der dritten mikromechanischen Funktionsschicht 80 ist analog zur vierten Ausführungsform eine zweite feststehende zweite Druckdetektionselektrode 44''' vorgesehen, welche eine Öffnung O aufweist, durch die der stöpselartige Verbindungsbereich 38, 38a, 39 geführt ist, der den Membranbereich 86 mit der auslenkbaren ersten Druckdetektionselektrode 44 verbindet. Der stöpselartige Verbindungsbereich 38, 38a, 39 weist bei dieser Ausführungsform drei Teilbereiche auf und ist ebenfalls prozessbedingt gestuft.
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Ein erster Teilbereich 38 ist aus dem Siliziumdioxid der vierten Isolationsschicht 3d gebildet. Ein zweiter Teilbereich 38a ist aus dem Silizium der dritten mikromechanischen Funktionsschicht 80 gebildet, und ein dritter Teilbereich 39 ist aus dem Silizium der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 40 gebildet.
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Die elektrische Anbindung der auslenkbaren ersten Druckdetektionselektrode 44 erfolgt auch bei dieser sechsten Ausführungsform über die weiche Federeinrichtung 45, welche die Auslenkung in z-Richtung nicht behindert.
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Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass die feststehenden zweiten Druckdetektionselektroden 52, 44''' sowohl oberhalb als auch unterhalb der auslenkbaren ersten Druckdetektionselektrode 44 gebildet werden können. Somit ist eine differenzielle Auswertung des Kapazitätssignals ohne weiteren Flächenverbrauch zur Realisierung einer Referenzkapazität im MEMS-Wafer 1 oder im (nicht dargestellten) ASIC-Wafer möglich.
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6b) zeigt den ausgelenkten Zustand bei Applikation des externen Drucks P, welcher auch hier unverkippt erfolgt, da der stöpselartige Verbindungsbereich 38, 38a, 39 im Zentrum des Membranbereichs 86 angeordnet ist.
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7 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der siebten Ausführungsform ist anstelle des Teilbereichs 38 aus Oxid bei der sechsten Ausführungsform ein rein aus Silizium gebildeter stöpselartiger Verbindungsbereich 39a gebildet, welcher bei dieser Ausführungsform aus dem Silizium der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 40 und der dritten mikromechanischen Funktionsschicht 80 gebildet ist. Auf eine Darstellung von prozessbedingten Abstufungen wurde hier verzichtet.
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Bei der siebten Ausführungsform muss allerdings berücksichtigt werden, dass der Membranbereich 86 gegenüber der unteren feststehenden zweiten Druckdetektionselektrode 44''' ein gegenläufiges Signal zur auslenkbaren ersten Druckdetektionselektrode 44 erzeugt. Dies kann beispielsweise über eine geeignete Wahl der Dicken der Oxidschichten 3a bis d und/oder eine geeignete Wahl der Flächen der Druckdetektionselektroden 44, 44''' berücksichtigt werden.
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Bei der sechsten Ausführungsform tritt dieses Problem nicht auf, da der Membranbereich 36 elektrisch von der auslenkbaren ersten Druckdetektionselektrode 44 isoliert ist.
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8 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die achte Ausführungsform zeigt eine Abwandlung der dritten Ausführungsform hinsichtlich der Verkappung mit anschließender Montage.
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Anstelle des Kappenwafers 70 der dritten Ausführungsform wird bei dieser Ausführungsform ein Auswertewafer 1a zur Verkappung herangezogen, bevorzugt ein CMOS-Wafer, der eine Vielzahl integrierter CMOS-Schaltungen 100 aufweist. Auf der Vorderseite VA des Auswertewafers 1a ist eine Umverdrahtungseinrichtung U vorgesehen, welcher eine Vielzahl von Leiterbahnebenen LE umfasst, die über dazwischenliegende Vias V miteinander verbunden sind. Eingebettet sind die Leiterbahnebenen LE in eine Mehrzahl von Isolationsschichten, welche zur Vereinfachung als einzelne Isolationsschicht I bezeichnet sind.
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Gebondet ist der Auswertewafer 1a über die Umverdrahtungseinrichtung mittels einer Bondverbindung 60a auf die zweite mikromechanische Funktionsschicht 50, um so einerseits eine Verkappung zur Schaffung der Kaverne K zu bilden und andererseits über die Umverdrahtungseinrichtung U an gewünschten Stellen eine elektrische Kontaktierung zu schaffen.
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Über eine von den Leiterbahnebenen LE zur Rückseite RA des Auswertewafers 1a verlaufende Durchkontaktierungseinrichtung DK lassen sich die elektrischen Signale durch den Auswertewafer 1a hindurchführen, so dass eine Montage auf der Rückseite RA des Auswertewafers 1a erfolgen kann.
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Zur Montage ist eine rückseitige Isolationsschicht I' auf dem Auswertewafer 1a vorgesehen, in die Anschlusspads P1', P2' eingebettet sind. Diese Anschlusspads P1', P2' lassen sich beispielsweise über Lotkugeln L1, L2 mit entsprechenden Anschlusspads P1, P2 eines Trägersubstrats 110 verbinden.
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Die Bondverbindung 60a kann beispielsweise eine eutektische Aluminium-Germanium-Bondverbindung sein, wobei die oberste Leiterbahnebene LE der Umverdrahtungseinrichtung aus Aluminium gebildet ist und das Germanium auf der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 50 vorgesehen wird.
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Eine derartige Bondverbindung 60a ist elektrisch leitend, um die elektrischen Signale von der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 50 in den Auswertewafer 1a über die Umverdrahtungseinrichtung U zu leiten.
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Der Vorteil dieser achten Ausführungsform besteht gleichermaßen in der sehr kompakten Bauform, der kostengünstigen Montage von MEMS und ASIC sowie dem automatisch vorhandenen Medienzugang für die Drucksensorvorrichtung.
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Selbstverständlich sind auch sämtliche weiteren Ausführungsformen der ersten bis siebten Ausführungsform mit dieser Kombination aus vertikaler Integration und Chip-Scale-Package kompatibel.
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9 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der neunten Ausführungsform entspricht die Verkappung und Montage der achten Ausführungsform, jedoch ist hier der Membranbereich 86 in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 40 gebildet und die auslenkbare erste Druckdetektionselektrode 52'' in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 50. Die feststehende zweite Druckdetektionselektrode L0 ist in der obersten Leiterbahnebene LE der Umverdrahtungseinrichtung U gebildet. Der Vorteil dieser Anordnung besteht in der Einfachheit des MEMS-Prozesses und den damit verbundenen geringen Herstellungskosten, da hier nur zwei mikromechanische Funktionsschichten 40, 50 aus Silizium verwendet werden müssen.
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Allerdings stellt sich bei dieser Anordnung möglicherweise eine erhöhte Stressempfindlichkeit ein, da Verbiegungen der Applikationsleiterplatte direkt zu Verformungen der feststehenden Druckdetektionselektrode L0 führen, wohingegen bei der achten Ausführungsform derartiger Stress über den Bondrahmen 60a abgefangen wird. Zudem unterliegt das Nutzungsgap zwischen auslenkbarer Druckdetektionselektrode und feststehender Druckdetektionselektrode L0 in größeren Fertigungstoleranzen, da es über den Bondprozess definiert ist und nicht über eine Schichtabscheidung.
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10 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der zehnten Ausführungsform ist der Ausgangspunkt ebenfalls die dritte Ausführungsform, wobei zusätzlich eine Durchkontaktierung DK' durch den MEMS-Wafer 1 von der Vorderseite VS zur Rückseite RS vorgesehen ist. Die Durchkontaktierung DK' ist an die dritte mikromechanische Funktionsschicht 80 aus Silizium angeschlossen und eignet sich somit, Sensorsignale zur Rückseite RS zu leiten. Auf der Rückseite RS vorgesehen, ist eine rückseitige Isolationsschicht IR, in der Anschlusspads P1a, P1b eingebettet sind, auf denen Lotkugeln L1a, L1b vorgesehen sind. Die zehnte Ausführungsform, wie in 10 dargestellt, lässt sich somit ebenfalls auf ein Trägersubstrat 110, wie beispielsweise in 9 dargestellt, bonden.
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11 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die elfte Ausführungsform kombiniert die neunte und die zehnte Ausführungsform. Hierbei wird ein Auswertewafer 1a zur Verkappung verwendet, welcher allerdings keine Durchkontaktierung aufweist.
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Wie bei der zehnten Ausführungsform ist die Durchkontaktierung DK' im MEMS-Wafer 1 vorgesehen, auf dessen Rückseite die Isolationsschicht IR mit den eingebetteten Anschlusspads P1a, P1b und den darauf angebrachten Lotkugeln L1a, L1b vorsieht.
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Hinsichtlich der Funktion der Drucksensorvorrichtung ist die elfte Ausführungsform analog zur dritten Ausführungsform.
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Alternativ zur Durchgangsöffnung 24, 24‘ im MEMS-Wafer von der Rückseite RS kann der Druckzugang auch über eine seitliche Zugangsöffnung realisiert werden. Dabei wird beispielsweise ein seitlicher Ätzkanal an der Vorderseite VS des MEMS-Wafers angelegt, der eine gasdurchlässige Verbindung von der Chipaußenkante bis zur Drucksensormembran herstellt. Der Kanal kann entweder im Silizium an der Vorderseite VS des MEMS-Wafers und/oder in der Oxidschicht zwischen MEMS-Wafer und Drucksensormembran angelegt werden. Auf eine gesonderte Darstellung wird hier verzichtet.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
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Allen erfindungsgemäßen Realisierungsformen der kapazitiven Drucksensorvorrichtung ist gemeinsam, dass in den mikromechanischen Funktionsschichten außer einer Drucksensorvorrichtung auch sehr leicht Inertialsensorvorrichtungen realisiert werden können, also 7D- bzw. 10D-Bauelemente umgesetzt werden können. Als mechanisch bewegliche Elemente werden insbesondere die erste und zweite mikromechanische Funktionsschicht Verwendung finden, zusätzlich ggf. noch die dritte und/oder vierte mikromechanische Funktionsschicht als Verdrahtungsebenen. Bevorzugt werden mögliche zusätzliche Inertialsensorvorrichtungen, die lateral benachbart zur Drucksensorvorrichtung angelegt werden.
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Weiterhin ist es möglich, über Bondstege unterschiedliche Bereiche im integrierten Bauelement zu separieren, so dass unterschiedliche Innendrücke in getrennten Kavernen eingeschlossen werden können, etwa über Verwendung von Gattermaterialien oder über sequenzielles Öffnen, Druckeinstellung und Wiederverschließen der Kavernen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006011545 A1 [0007]
- US 2012/0256282 A1 [0007]
- US 7250353 B2 [0008]
- US 7442570 B2 [0008]
- US 2012/0049299 A1 [0008]
- US 2012/0235251 A1 [0008]
- US 2013/0001710 A1 [0009]
