DE102014217153A1

DE102014217153A1 - MEMS-Bauelement mit einer druckempfindlichen Membran

Info

Publication number: DE102014217153A1
Application number: DE102014217153.9A
Authority: DE
Inventors: Theresa Lutz; Michael Stumber; Rolf Scheben; Benedikt STEIN; Christoph Schelling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2015-12-03

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung werden konstruktive Maßnahmen zur Verbesserung der Signalerfassung bzw. zur Erhöhung der Messempfindlichkeit eines MEMS-Bauelements (100) vorgeschlagen, das in einem Schichtaufbau realisiert ist und mindestens eine druckempfindliche Membran (10) umfasst, die sandwichartig zwischen zwei feststehenden druckdurchlässigen Gegenelementen (11, 12) angeordnet ist und elektrisch gegen diese Gegenelemente (11, 12) isoliert ist, sowie eine Kondensatoranordnung zum Erfassen der Membranauslenkungen. Erfindungsgemäß ist die druckempfindliche Membran (10) in einer Schicht aus einem elektrisch leitfähigen anorganischen 2-dimensionalen Material ausgebildet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)-Bauelement, das in einem Schichtaufbau realisiert ist und mindestens eine druckempfindliche Membran umfasst. Diese Membran ist sandwichartig zwischen zwei feststehenden druckdurchlässigen Gegenelementen angeordnet und elektrisch gegen die beiden Gegenelemente isoliert. Ferner umfasst das MEMS-Bauelement eine Kondensatoranordnung zum Erfassen der Membranauslenkungen.
Bei MEMS-Bauelementen dieser Art ist die Membran mit einer Elektrode der Kondensatoranordnung ausgestattet, die zusammen mit der Membran ausgelenkt wird. Auf den beiden feststehenden Gegenelementen sind die Gegenelektroden der Kondensatoranordnung angeordnet, so dass die Membranauslenkungen als Kapazitätsänderungen erfasst werden können. Die sandwichartige Anordnung der Membran zwischen den beiden Gegenelektroden ermöglicht eine differentielle Signalerfassung, da sich bei symmetrischer Elektrodenanordnung die Kapazität zwischen der Membranelektrode und der Gegenelektrode auf der einen Seite in demselben Maße vergrößert bzw. verringert, wie sich die Kapazität zwischen der Membranelektrode und der Gegenelektrode auf der anderen Seite verringert bzw. vergrößert. Oftmals wird eine elektrische Gleichspannung an die Kondensatoranordnung angelegt, um die Membran mechanisch vorzuspannen und so die Messempfindlichkeit der mikromechanischen Struktur zu erhöhen. Diese elektrische Vorspannung kann maximal bis zum sogenannten Pull-in-Punkt erhöht werden, an dem die elektrostatische Kraft genauso groß ist, wie die Federkraft der Membran. Bei Überschreitung der Pull-in-Spannung schnappt die Membran schlagartig gegen das Gegenelement. Da sich die Membran am Pull-in-Punkt im Kräftegleichgewicht befindet, führt jegliche externe Krafteinwirkung zu einer Membranauslenkung, der keine bzw. nur eine sehr geringe Federkraft entgegenwirkt. Dementsprechend ist die Sensitivität der Membran im Pull-in-Punkt am höchsten. Vorteilhafterweise wird die elektrische Vorspannung an der Kondensatoranordnung so geregelt, dass die Membran in einer definierten Lage gehalten wird. In diesem Fall können die Membranauslenkungen als Regelgröße der elektrischen Vorspannung erfasst werden.
MEMS-Bauelemente der eingangs genannten Art können als Drucksensoren verwendet werden. Ihre Bauelementstruktur eignet sich aber auch sehr gut für Mikrofonanwendungen. In diesem Fall muss bei der Bauelementkonfigurierung besonders darauf geachtet werden, dass der Signal-Rausch-Abstand SNR (Signal to Noise Ratio) möglichst hoch ist und der Zusammenhang zwischen dem Schalldruck und dem resultierenden Mikrofonsignal möglichst linear ist, da die Mikrofonperformance wesentlich von diesen beiden Faktoren abhängt.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung werden konstruktive Maßnahmen zur Verbesserung der Signalerfassung bzw. zur Erhöhung der Messempfindlichkeit eines MEMS-Bauelements der hier in Rede stehenden Art vorgeschlagen.
Erfindungsgemäß wird die druckempfindliche Membran dazu in einer Schicht aus einem elektrisch leitfähigen anorganischen 2-dimensionalen Material ausgebildet. Derartige Schichten sind extrem dünn, aber dennoch mechanisch stabil und weisen gute elastische Eigenschaften auf. Außerdem lassen sie sich einfach in den Schichtaufbau eines MEMS-Bauelements integrieren und können insgesamt als Messelektrode genutzt werden. Diese Eigenschaften werden erfindungsgemäß ausgenutzt, um Sensormembranen mit einer sehr geringen Masse zu realisieren, was zu einer deutlichen Erhöhung des SNR beiträgt.
Bei der Wahl des Schichtmaterials für die Realisierung der Membran eines erfindungsgemäßen Bauelements muss berücksichtigt werden, dass die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Membran im Wesentlichen durch die Materialeigenschaften der Membranschicht bestimmt werden. Das Schichtmaterial muss also entsprechend den angestrebten Membraneigenschaften gewählt werden.
Aus anderen Bereichen der Technik ist eine Reihe von elektrisch leitfähigen anorganischen 2-dimensionalen Materialien bekannt, die sich für die Realisierung der Membran eines erfindungsgemäßen Bauelements eignen.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist die Membran des erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements in einer einlagigen Graphenschicht, einer weniglagigen Graphenschicht oder einer mehrlagigen Graphen-, d.h. Graphitschicht ausgebildet. Die einzelnen Schichten können mono- oder polykristallinen Charakter haben. Graphenschichten sind äußerst reißfest und zeichnen sich durch eine sehr große Flächensteifigkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aus, während die Flächenmasse sehr gering ist. Graphenschichten können sehr einfach in den Schichtaufbau eines MEMS-Bauelements integriert werden, beispielsweise durch epitaktisches Aufwachsen oder auch in einem CVD (chemical vapor deposition) Verfahren.
Auch eine Graphenoxidschicht kommt als Membranschicht in Frage. Die Schichteigenschaften werden hier wesentlich durch den Oxidationsgrad bestimmt. In jedem Fall ist aber die elektrische Leitfähigkeit von Graphenoxidschichten deutlich geringer als die von Graphenschichten.
Die Membran des erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements kann auch in Form einer Carbon-Nano-Membran realisiert werden. Als Carbon-Nano-Membranen werden Polymer-Membranen bezeichnet, die aus einer monomolekularen Schicht eines amphiphilen organischen Moleküls bestehen, wie z.B. einem aliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffmolekül mit einer Kopfgruppe, wie z.B. -SH, -OH, -SiCl₃, und einer Endgruppe, wie z.B. -H, -COOH, -NO₂, -NH₂, -OH. Durch geeignete Wahl des Trägermoleküls sowie der Kopf- und Endgruppen können derartige Carbo-Nano-Membranen einfach mit den jeweils gewünschten mechanischen und elektrischen Eigenschaften ausgestattet werden.
Ein weiteres Material, das sich als Membranschicht des erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements sehr gut eignet, ist Buckypapier. Dabei handelt es sich um einen dünnen Film aus einer aggregierten Form von Kohlenstoffnanoröhren. Derartige Folien zeichnen sich durch eine sehr hohe Festigkeit bei vergleichsweise kleiner Flächenmasse aus. Sie besitzen eine sehr große Wärmeleitfähigkeit und auch eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit.
Neben den voranstehend genannten auf Graphen basierenden Schichtmaterialien kann die Membran eines erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements auch in einer TMDC(transition metal dichalcogenides)-Schicht ausgebildet werden. Beispielshaft seien hier MoS₂, MoSe₂, WS oder WSe₂ als geeignete Schichtmaterialien genannt. Dabei handelt es sich um Halbleitermaterialien, die eine sehr hohe Festigkeit und sehr gute Elastizitätseigenschaften aufweisen. TMDC-Schichten können einfach in einem CVD-Verfahren erzeugt werden und lassen sich deshalb gut in den Schichtaufbau des erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements integrieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch ein erstes erfindungsgemäßes MEMS-Mikrofonbauelement 100,
2 zeigt eine schematische Schnittansicht durch ein zweites erfindungsgemäßes MEMS-Mikrofonbauelement 200 und
3 zeigt eine Draufsicht auf das Gegenelement eines erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements.
Ausführungsformen der Erfindung
Das in 1 dargestellte MEMS-Mikrofonbauelement 100 ist in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat 1, beispielsweise einem Siliziumsubstrat, realisiert. Die Mikrofonstruktur umfasst eine schalldruckempfindliche Membran 10, die sandwichartig zwischen zwei feststehenden, akustisch durchlässigen Gegenelementen 11 und 12 angeordnet ist. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Abstände zwischen der Membran 10 und dem Gegenelement 11 bzw. 12 gleich. In den Gegenelementen 11 und 12 sind Durchgangsöffnungen 15 und 16 ausgebildet, die als Belüftungsöffnungen für die Mikrofonstruktur dienen. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Anzahl, Anordnung, Größe und Form der Belüftungsöffnungen 15 und 16 der beiden Gegenelemente 11 und 12 gleich. Die Membran 10 und die beiden Gegenelemente 11 und 12 der Mikrofonstruktur überspannen eine Öffnung 17 in der Rückseite des Halbleitersubstrats 1. Je nach Montage des MEMS-Mikrofonbauelements 100 kann die Schalldruckbeaufschlagung der Membran 11 entweder über die Bauelementvorderseite und die Belüftungsöffnungen 16 im Gegenelement 12 erfolgen oder über die rückseitige Öffnung 17 und die Belüftungsöffnungen 15 im Gegenelement 11.
Die schalldruckempfindliche Membran 10 ist erfindungsgemäß in einer elektrisch leitfähigen anorganischen 2-dimensionalen Materialschicht ausgebildet, so dass die Masse der Membran 10 extrem klein ist. Bei dem Membranmaterial handelt es sich bevorzugt um Graphen oder Graphenoxid, ein Carbon-Nano-Membranmaterial, um Buckypapier oder eine TMDC(transition metal dichalcogenides)-Material, wie z.B. MoS₂, MoSe₂, WS oder WSe₂. Die Membran 10 fungiert als auslenkbare Elektrode einer Mikrofonkondensatoranordnung. Die Gegenelektroden 13 und 14 der Mikrofonkondensatoranordnung sind auf den der Membran 10 zugewandten Oberflächen der Gegenelemente 11 und 12 angeordnet, die jeweils in einer dielektrischen Schicht, wie z.B. einer Oxidschicht, realisiert sind, genauso wie die Zwischenschichten 18 im Randbereich der Membran 10.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine elektrische Spannung an die Kondensatoranordnung angelegt und so geregelt, dass die Membran 10 in einer Position symmetrisch zu den Gegenelementen 11 und 12, d.h. mit gleichem Abstand zu den Gegenelementen 11 und 12, gehalten wird. Die schalldruckbedingten Auslenkungen der Membran 10 sind deshalb sehr klein, so dass die resultierenden Kapazitätsänderungen annähernd linear sind. Die äußerst geringe Masse der Membran 10 trägt außerdem zu einem sehr guten SNR bei.
Auch 2 zeigt ein MEMS-Mikrofonbauelement 200, das in einem Schichtaufbau auf einem Siliziumsubstrat 1 realisiert ist und dessen Mikrofonstruktur eine Öffnung 27 in der Substratrückseite überspannt. Allerdings umfasst die Mikrofonstruktur hier mehrere rasterartig angeordnete Teilmembranen 201 bis 204, die in einer schalldruckempfindlichen Membranschicht 20 des Schichtaufbaus ausgebildet sind. Dabei handelt es sich erfindungsgemäß um eine elektrisch leitfähige anorganische 2-dimensionale Materialschicht, so dass die Masse der Teilmembranen 201 bis 204 jeweils extrem klein ist. Bevorzugte Schichtmaterialien sind auch hier Graphen oder Graphenoxid, ein Carbon-Nano-Membranmaterial, Buckypapier oder ein TMDC(transition metal dichalcogenides)-Material, wie z.B. MoS₂, MoSe₂, WS oder WSe₂. Die Membranschicht 20 ist sandwichartig zwischen zwei Gegenelementschichten 21 und 22 angeordnet und durch dielektrische Schichten 28 gegen diese Gegenelementschichten 21, 22 elektrisch isoliert. Das substratseitige Gegenelement 21 ist aus dem Substratmaterial herausstrukturiert, während die vorderseitige Gegenelementschicht 22 durch eine Silizium-Epitaxieschicht gebildet wird. In beiden Gegenelementschichten 21 und 22 wurden Durchgangsöffnungen 25 und 26 erzeugt, um die Teilmembranen 201 bis 204 freizustellen und eine Schalldruckbeaufschlagung zu ermöglichen.
Die Teilmembranen 201 bis 204, die ja aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen, fungieren als auslenkbare Elektroden und bilden zusammen mit feststehenden Gegenelektroden 23 und 24 auf den Gegenelementen 21 und 22 eine Mikrofonkondensatoranordnung. Diese Gegenelektroden 23 und 24 sind hier senkrecht zu den Schichtebenen auf den Wandungen der Durchgangsöffnungen 25 und 26 in den Gegenelementen 21 und 22 ausgebildet.
Da die Teilmembranen 201 bis 204 eine vergleichsweise geringe Flächenausdehnung haben, besitzen sie trotz ihrer geringen Dicke und Masse eine gewisse Steifigkeit, was sich zusätzlich positiv auf die Mikrofonperformance auswirkt.
3 zeigt ein mögliches Layout für ein Gegenelement 31 einer Mikrofonstruktur mit einer kreisrunden Mikrofonmembran. Das Gegenelement 31 ist entsprechend der Membranform und -fläche ebenfalls kreisrund und mit kreisrunden Belüftungsöffnungen 35 versehen. Diese sind auf konzentrischen Kreisen rund um den Mittelpunkt des Gegenelements 31 angeordnet und werden von innen nach außen hin immer größer. Durch dieses Layout kann das akustische Rauschen, das aufgrund eines sehr kleinen Abstands zwischen Mikrofonmembran und Gegenelement auftritt, gut kompensiert werden. Jedenfalls veranschaulicht 3, dass die Mikrofonperformance auch durch eine geeignete Anordnung und Auslegung der Belüftungsöffnungen im Gegenelement verbessert werden kann.

Claims

MEMS-Bauelement (100; 200), das in einem Schichtaufbau realisiert ist und mindestens umfasst: • eine druckempfindliche Membran (10; 20), die sandwichartig zwischen zwei feststehenden druckdurchlässigen Gegenelementen (11, 12; 21, 22) angeordnet ist und elektrisch gegen diese Gegenelemente (11, 12; 21, 22) isoliert ist, und • eine Kondensatoranordnung zum Erfassen der Membranauslenkungen, dadurch gekennzeichnet, dass die druckempfindliche Membran (10; 20) in einer Schicht aus einem elektrisch leitfähigen anorganischen 2-dimensionalen Material ausgebildet ist.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran in einer monokristallinen oder polykristallinen Graphenschicht ausgebildet ist.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran in einer Graphenoxidschicht ausgebildet ist.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran in Form einer Carbon-Nano-Membran ausgebildet ist, insbesondere in einer monomolekularen Schicht eines amphiphilen organischen Moleküls.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran in einer Schicht aus einem aliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoff mit -SH, -OH oder -SiCl₃ als Kopfgruppe und -H, -COOH, -NO₂, -NH₂, -OH als Endgruppe ausgebildet ist.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran in einer „Bucky-Papier“-Schicht ausgebildet ist.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran in einer TMDC(transition metal dichalcogenides)-Schicht ausgebildet ist, insbesondere in einer Schicht aus MoS₂, MoSe₂, WS oder WSe₂.
MEMS-Bauelement (100; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den Gegenelementen (11, 12; 21, 22) Durchgangsöffnungen (15, 16; 25, 26) ausgebildet sind.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Anlegen einer Spannung an die Kondensatoranordnung und zum Regeln dieser Spannung vorgesehen sind, so dass die Membran in einer vorgegebenen Lage gehalten wird.
MEMS-Mikrofonbauelement (100; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Membran (10; 20) schalldruckempfindlich ist und die beiden Gegenelemente (11, 12; 21, 22) akustisch durchlässig sind.