DE102015108079A1

DE102015108079A1 - System und Verfahren für ein kapazitives Thermometer

Info

Publication number: DE102015108079A1
Application number: DE102015108079.6A
Authority: DE
Inventors: Sylvicley Figueira da Silva; Jonathan Silvano de Sousa; Tobias Frischmuth; Ursula Hedenig; Thomas Grille; Peter Irsigler; Ulrich Schmid
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2015-11-26
Also published as: KR20160149179A; US9939331B2; CN105092069A; US20150338285A1; CN105092069B; KR101935083B1; KR20150134284A

Abstract

Hierin offenbarte verschiedene Ausführungsformen umfassen ein kapazitives Thermometer, das eine auslenkbare Membran und eine Erfassungselektrode umfasst. Die auslenkbare Membran ist ausgelegt, einen kapazitiven Wert auf der Grundlage einer Temperatur der auslenkbaren Membran anzupassen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf mikrofabrizierte Vorrichtungen und Schaltungen und in bestimmten Ausführungsformen auf ein System und ein Verfahren für ein kapazitives Thermometer.
Hintergrund
Wandler wandeln Signale von einer Domäne in eine andere um und werden oftmals in oder als Sensoren verwendet. Ein im alltäglichen Leben verwendeter herkömmlicher Sensor ist ein Thermometer. Es gibt verschiedene Wandler, die als Thermometer dienen, indem sie Temperatursignale in elektrische Signale umwandeln.
Sensoren auf der Grundlage von mikroelektrochemischen Systemen (MEMS) umfassen eine Familie von Wandlern, die unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken hergestellt werden. MEMS sammeln Information aus der Umgebung, indem sie die Änderung des physikalischen Zustands im Wandler messen und das Signal zu Verarbeitungselektroniken übertragen, die mit dem MEMS-Sensor verbunden sind. MEMS-Vorrichtungen können unter Verwendung von Mikrobearbeitungsfertigungstechniken hergestellt werden, die ähnlich jenen sind, die für integrierte Schaltungen verwendet werden.
Ferner wird die Temperatur oftmals in zahlreichen Anwendungen gemessen. Das Verständnis der Temperatur und darüber, wie sich die Temperatur ändert, kann für die Gesundheitsversorgung und Diagnose bei Menschen und Tieren oder für die Zuverlässigkeit und die Systemzustandsüberwachung bei der Herstellung oder dem Systembetrieb z.B. nützlich sein. In einem speziellen Beispiel kann die Überwachung der Temperatur eines Patienten für Gesundheitsexperten nützlich sein, während metabolische Antworten auf Infektion, Erkrankung und Verletzung überwacht werden. Es gibt viele verschiedene Thermometersysteme zur Verwendung in verschiedenen Umgebungen, während spezielle Anwendungen angesprochen sind.
Solche verschiedenen Anwendungen stellen zahlreiche Herausforderungen hinsichtlich z.B. Stromversorgung, Signalmessung und -übertragung, Robustheit, Lebenszeit der Vorrichtung, Vorrichtungspositionierung und anderer Bereiche bereit. Erfindungsgemäße Konzepte sind erwünscht, um die Nützlichkeit und die Anzahl von Anwendungen für Thermometer zu erhöhen.
Es ist daher eine Aufgabe, entsprechende Schaltungen, Drahtlos-Vorrichtungen, Thermometer und Verfahren bereitzustellen.
Kurzfassung
Es werden eine Schaltung nach Anspruch 1, eine Drahtlos-Vorrichtung nach Anspruch 10, ein Thermometer nach Anspruch 20 sowie ein Verfahren nach Anspruch 27 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Verschiedene hierin geoffenbarte Ausführungsformen umfassen ein kapazitives Thermometer, das eine auslenkbare Membran und eine Erfassungselektrode umfasst. Die auslenkbare Membran ist ausgelegt, einen kapazitiven Wert auf der Grundlage einer Temperatur der auslenkbaren Membran anzupassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile sei nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verwiesen, worin:
1 eine Darstellung der Systemebenen einer Ausführungsform des Systems veranschaulicht, das ein Thermometer umfasst;
die 2a und 2b Darstellungen einer Ausführungsform des Thermometersystems veranschaulichen;
die 3a und 3b einen Querschnitt bzw. eine Draufsicht einer Ausführungsform des kapazitiven Thermometers veranschaulichen;
4 eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform des kapazitiven Thermometers veranschaulicht;
die 5a und 5b eine Draufsicht und einen Querschnitt einer Ausführungsform des Halbleitersystems veranschaulichen;
die 6a–6c Querschnittsansichten weiterer Ausführungsformen des kapazitiven Thermometers veranschaulichen;
7 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Herstellungssequenz für die Ausführungsformen des kapazitiven Thermometers veranschaulicht;
die 8a und 8b beispielhafte grafische Darstellungen veranschaulichen, die die Membranauslenkung für Ausführungsformen des Systems zeigen;
9 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Betriebsverfahrens veranschaulicht; und
10 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des kapazitiven Thermometers veranschaulicht.
Entsprechende Zahlen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf entsprechende Teile, sofern dies nicht anders angegeben ist. Die Figuren sind gezeichnet, um in klarer Weise die relevanten Aspekte der Ausführungsformen zu veranschaulichen, und sie sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
Detaillierte Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen
Die Herstellung und Verwendung verschiedener Ausführungsformen ist nachfolgend im Detail erläutert. Es versteht sich aber, dass die verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen in einer großen Vielzahl von speziellen Kontexten eine Anwendung finden können. Die erläuterten speziellen Ausführungsformen sind nur für spezielle Arten zur Herstellung und Verwendung verschiedener Ausführungsformen veranschaulichend, und sie sollten keineswegs in einem einschränkenden Umfang konstruiert sein.
Die Beschreibung erfolgt mit Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen in einem speziellen Kontext, nämlich Thermometern und insbesondere MEMS-Thermometers. Einige der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen umfassen MEMS-Thermometer, kapazitive Thermometer, HF-Schaltungen, kapazitive Thermometer mit HF-Schaltungen und implantierbare Thermometer. In anderen Ausführungsformen können Aspekte auch auf andere Anwendungen angewendet werden, die einen beliebigen Sensortyp oder Wandlertyp umfassen, der ein physikalisches Signal in eine andere Domäne gemäß einer beliebigen in der Technik bekannten Weise umwandelt.
Nach verschiedenen Ausführungsformen ist ein kapazitives Thermometer geoffenbart. In einigen Ausführungsformen kann das Thermometer ohne äußere Anschlüsse oder interne Stromversorgung verwendet werden. Temperaturinformation ist in einer Vielzahl von Anwendungen nützlich; der Zugriff auf Messpunkte kann aber gewisse Herausforderungen darstellen. Ausführungsformen der Thermometer sind hierin geoffenbart, die kapazitive MEMS-Thermometer umfassen. Einige Ausführungsformen umfassen HF-Kommunikation. Die HF-Kommunikation kann durch eine Widerstand-Induktor-Kondensator-Schaltung (RLC) mit einem kapazitiven Thermometer als dem Kondensator in der RLC-Schaltung bereitgestellt sein. Einige Ausführungsformen umfassen implantierbare Thermometer, die innerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers an geeigneten Stellen zur Überwachung der Gesundheit oder zusammenhängender physiologischer Änderungen angeordnet sind. Andere Ausführungsformen umfassen verpackte Thermometer zur Verwendung an anderen nicht-zugänglichen Stellen, so etwa innerhalb chemischer Antworten oder arbeitender Maschinen. Ausführungsformen von hierin geoffenbarten Thermometern können in einem einfachen Prozess hergestellt werden, und in manchen Fällen können sie auf einem einzelnen Halbleiternacktchip (im Englischen als „die“ bezeichnet) ohne äußeren Anschluss oder interne Stromversorgung gebildet werden.
1 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Systems, das ein Thermometer 100 innerhalb eines nicht-zugänglichen Systems 101 und eine Hochfrequenz-Vorrichtung (HF-Vorrichtung) 105, die mit dem Thermometer 100 kommuniziert, umfasst. Nach verschiedenen Ausführungsformen umfasst das nicht-zugängliche System 101 eine Art von System, die schwer oder unmöglich zugänglich ist, aufgrund von Kosten- und Betriebsanforderungen. So kann das nicht-zugängliche System 101 z.B. Organe in einem lebenden Menschen oder einem Tierkörper umfassen. In anderen Ausführungsformen umfasst das nicht-zugängliche System 101 innere Positionen innerhalb einer Maschine. In verschiedenen Ausführungsformen sind eine einzelne Ausführungsform eines Thermometers 100 oder eine Mehrzahl von Thermometern 100 innerhalb des nicht-zugänglichen Systems 101 umfasst, um die Temperatur an einer Position zu messen. In einigen Ausführungsformen ist die Position der Temperaturmessung feststehend. In anderen Ausführungsformen ist die Position dynamisch.
Nach verschiedenen Ausführungsformen weisen Thermometer 100 keine interne Stromversorgung oder keinen äußeren Anschluss auf. In solchen Ausführungsformen werden Kommunikation und Strom drahtlos durch die HF-Vorrichtung 105 bereitgestellt. Wie gezeigt ist, sendet die HF-Vorrichtung ein Signal an eine oder mehrere Ausführungsformen des Thermometers 100 innerhalb eines nicht-zugänglichen Systems 101. Das Thermometer 100 empfängt das gesendete Signal und erzeugt ein Antwortsignal, das die Temperatur an der jeweiligen Position des Thermometers 100 zurück zur HF-Vorrichtung 105 überträgt. In verschiedenen Ausführungsformen kann die HF-Vorrichtung 105 die Temperatur bestimmen, oder die HF-Vorrichtung 105 kann mit einem beliebigen Typ eines Prozessors (nicht dargestellt) gekoppelt sein, der die Temperatur an der jeweiligen Position auf der Grundlage des empfangenen Antwortsignals vom Thermometer 100 bestimmt. In Ausführungsformen, in welchen mehr als ein Thermometer 100 verwendet wird, kann die Identifizierung für jedes Thermometer umfasst sein. In einigen Ausführungsformen kann jedes Thermometer ein RFID-Tag mit einer einzigartigen oder semi-einzigartigen Identifizierung umfassen. In anderen Ausführungsformen kann die HF-Charakteristik des Thermometers von anderen Thermometern im System verschieden sein. So kann jedes Thermometer z.B. verschiedene Impedanzwerte aufweisen, die verschiedene HF-Antworten in verschiedenen Frequenzbändern erzeugen, wie dies nachfolgend beschrieben ist. In noch anderen Ausführungsformen kann jedes Thermometer eine integrierte Schaltung (IC) mit einer Steuerung umfassen, die ausgelegt ist, Vorrichtungsidentifizierungsinformation zu kommunizieren und zu speichern. In solchen Fällen kann die Steuerung in der IC einen beliebigen Typ eines Kommunikationsprotokolls zur Kommunikation mit der HF-Vorrichtung 105 verwenden. In zusätzlichen Ausführungsformen können Thermometer 100 auch verdrahtete Vorrichtungen sein, die an speziellen Stellen platziert werden und mit welchen durch einen verdrahteten Anschluss kommuniziert wird, um die Temperatur an den speziellen Stellen zu bestimmen.
Die 2a und 2b veranschaulichen eine Ausführungsform des Thermometersystems 100, das ein in einer Formverbindung 104 eingeschlossenes Thermometer und eine Hochfrequenzschaltung 102 (HF-Schaltung) umfasst. Die Formverbindung 104 kann jedes beliebige Material in verschiedenen Ausführungsformen sein, und es kann mit jeder beliebigen Form um die HF-Schaltung 102 herum ausgebildet sein. Nach verschiedenen Ausführungsformen einer implantierbaren Vorrichtung kann die Formverbindung 104 jedes beliebige biokompatible Material umfassen. Insbesondere kann die Formverbindung z.B. Natronkalk oder Borosilikatglas umfassen. Ferner kann die Formverbindung 104 um das Thermometer 102 herum hermetisch abgedichtet sein.
2b veranschaulicht eine Ausführungsform eines Schaltdiagramms der HF-Schaltung 102. Nach verschiedenen Ausführungsformen umfasst die HF-Schaltung 102 einen Widerstand 106, einen Induktor 108 und ein kapazitives Thermometer 110, das auf der Masseplatte 114 befestigt ist. In einigen Ausführungsformen ist der Widerstand eine getrennte Komponente in der Schaltung. In anderen Ausführungsformen ist der Widerstand ein parasitärer Widerstand im Kondensator oder Induktor. In einigen Ausführungsformen sind der Widerstand 106, der Induktor 108 und das kapazitive Thermometer 110 auf einem einzelnen Substrat oder einem Wafer 120 umfasst, so z.B. einem Siliziumsubstrat. Die Signalquelle 112 ist gezeigt, um ein zur HF-Schaltung 102 gesendetes HF-Signal darzustellen, das die Anregung der Schaltung bewirkt.
Nach verschiedenen Ausführungsformen sendet die HF-Vorrichtung 105, die in 1 gezeigt ist, ein Signal, das als eine Signalquelle 112 modelliert ist. Das gesendete Signal regt die HF-Schaltung 102 an und bewirkt, dass die HF-Schaltung 102 ein Antwortsignal auf der Grundlage der RLC-Charakteristiken der HF-Schaltung 102 sendet. Die Kapazität der HF-Schaltung 102 wird durch das kapazitive Thermometer 110 bereitgestellt. Nach verschiedenen Ausführungsformen hängt die Kapazität des kapazitiven Thermometers 110 von der Temperatur der Struktur ab. Somit wird die Temperatur der HF-Schaltung 102 im Antwortsignal aufgrund der Abhängigkeit der RLC-Charakteristiken der HF-Schaltung 102 vom kapazitiven Thermometer 110 übertragen. Die Struktur des kapazitiven Thermometers 110 ist nachfolgend mit Verweis auf die anderen Figuren beschrieben.
Die 3a und 3b veranschaulichen einen Querschnitt bzw. eine Draufsicht einer Ausführungsform des kapazitiven Thermometers 110a. Nach verschiedenen Ausführungsformen umfasst das kapazitive Thermometer 110a eine auslenkbare Membran 134 und eine starre Erfassungselektrode 132, die im Substrat 130 und im Oxid 140 ausgebildet ist. Die Hohlräume 150 und 152 sind durch die Membran 134 getrennt, und die Hohlräume 152 und 154 sind durch die Erfassungselektrode 132 getrennt. In verschiedenen Ausführungsformen umfassen sowohl die Membran 134 als auch die Erfassungselektrode 132 Entlüftungslöcher. Die Entlüftungslöcher können groß genug sein, um Druckdifferenzen zwischen den Hohlräumen 150, 152 und 154 zu verhindern. In einigen Ausführungsformen können entweder die Membran 134 oder die Erfassungselektrode 132 mehrere Entlüftungslöcher umfassen.
Nach verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Membran 134 eine Polysiliziumschicht 138 und eine Aluminiumschicht 136. Diese Schichten umfassen zwei verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten. In solchen Ausführungsformen, wenn sich die Temperatur ändert, wird die Membran 134 auf der Grundlage einer Differenz in der Ausdehnungs- oder Kontraktionsraten der Polysiliziumschicht 138 und der Aluminiumschicht 136 ausgelenkt. Wenn die Membran 134 ausgelenkt wird, wird eine zwischen der Membran 134 und der Erfassungselektrode 132 gebildete Kapazität modifiziert. Die Variation in der Kapazität erzeugt Spannungs- oder Stromsignale zwischen dem Kontakt 144, der mit der Erfassungselektrode 132 gekoppelt ist, und dem Kontakt 148, der mit der Aluminiumschicht 136 in der Membran 134 gekoppelt ist. Somit hängt die Kapazität des kapazitiven Thermometers 110a mit der Temperatur zusammen. In einigen Ausführungsformen ist die Erfassungselektrode 132 auf dotiertem Silizium gebildet.
In verschiedenen Ausführungsformen können die verwendeten Materialien aus zahlreichen verschiedenen Materialien ausgewählt werden. So können z.B. die Kontakte 144 und 148 aus allen leitfähigen Materialien gebildet werden, so z.B. einem Metall oder einem dotierten Halbleiter. Die Erfassungselektrode 132 kann z.B. aus einem dotierten Halbleiter, einem Metall, einer metallischen Verbindung oder Polysilizium gebildet sein. Ebenso kann die Membran 134 aus zwei Materialien mit zwei verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet sein. Das erste Material in der Schicht 136 kann z.B. auch Kupfer, Gold, Platin oder Titan sein, und das zweite Material in der Schicht 138 kann z.B. Silizium, dotiertes Silizium, Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumcarbid oder ein anderes Material sein. In einigen Ausführungsformen kann das erste Material in der Schicht 136 ausgewählt werden, um eine große Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zu jenem des zweiten Materials aufzuweisen, und es kann auch ausgewählt werden, um eine Anhaftung zwischen den ersten und zweiten Materialien zu zeigen. Die Membran 134 kann aus zwei oder mehr Schichten gebildet werden. In alternativen Ausführungsformen kann die Membran 134 aus einer einzelnen Schicht aüsgebildet sein. Die Erfassungselektrode 132 kann auch ausgelegt sein, ansprechend auf Temperaturänderungen ausgelenkt zu werden, und sie kann auch aus mehreren Schichten gebildet sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Oxid 140 jedes beliebige Oxid sein.
Nach verschiedenen Ausführungsformen dichten Barriereschichten 142 und 146 die Hohlräume 150, 152 und 154 von einer äußeren Umgebung ab. Die Barriereschichten 142 und 146 können aus einem wärmeleitenden und nicht-Antwortfähigen Material wie z.B. Siliziumoxid oder anderen Glasarten gebildet sein. Ferner beträgt in verschiedenen Ausführungsformen die maximale Breite w des kapazitiven Thermometers 110a 1 mm, und die maximale Höhe h des kapazitiven Thermometers 110a beträgt 400 µm. In anderen Ausführungsformen können die Breite w und die Höhe h jede beliebige Dimension sein. In einigen Ausführungsformen liegt die Höhe h zwischen 100 µm und 500 µm.
Die 3b veranschaulicht eine Draufsicht einer Membran 134. Nach verschiedenen Ausführungsformen ist die Membran 134 eine kreisförmige Membran, die von einem Oxid 140 umgeben und mit einem Kontakt 148 gekoppelt ist. Der Kontakt 144 ist mit der Erfassungselektrode 132 unterhalb der Membran 134 gekoppelt. In anderen Ausführungsformen können Membranen oder Erfassungselektroden in jeder beliebigen Form wie z.B. quadratisch oder rechteckig gebildet sein.
4 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform des kapazitiven Thermometers 110b, das Hohlräume 160 und 162 umfasst, die durch die Membran 164 getrennt und durch die Elektrode 166 abgedichtet sind. Nach verschiedenen Ausführungsformen ist der Hohlraum 162 in einem Substrat 170 ausgebildet. Eine Überdruckkammer 168 steht mit dem Hohlraum 162 in Fluidverbindung. Die Hohlräume 160 und 162 sind mit einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid gefüllt. Das erste Fluid kann Argon oder ein beliebiges Edelgas sein, und das zweite Fluid kann z.B. ein Öl oder ein Alkohol sein. In verschiedenen Ausführungsformen können das erste Fluid und das zweite Fluid in jedem der Hohlräume 160 oder 162 sein.
Das erste Fluid und das zweite Fluid können gewählt werden, so dass sie verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten in verschiedenen Ausführungsformen aufweisen. In solchen Ausführungsformen, wenn die Temperatur in der Umgebung, die das kapazitive Thermometer 110b umgibt und damit in Kontakt steht, variiert wird, dehnen sich das erste Fluid und das zweite Fluid um ein verschiedenes Ausmaß in den Hohlräumen 160 und 162 aus oder ziehen sich zusammen. Das verschiedene Ausmaß der Expansion oder Kontraktion durch die ersten und zweite Fluide bewirkt, dass die Membran 164 ausgelenkt wird, wodurch sich die Kapazität zwischen der Elektrode 166 und der Membran 164 ändert und ein Signal erzeugt, das mit der Temperatur auf den Kontakten 172 und 174 zusammenhängt. Somit hängt die Kapazität des kapazitiven Thermometers 110b mit der Temperatur zusammen. In anderen Ausführungsformen kann die Elektrode 182 unterhalb der Membran 164 im Substrat 170 gebildet sein, und die Kapazitätsänderungen können zwischen der Elektrode 182 und der Membran 164 gemessen werden. Der Kontakt 176 kann mit der Elektrode 182 gekoppelt sein.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die Elektrode 166 von der Membran 164 durch ein gemustertes Strukturmaterial 178 beabstandet. Das Strukturmaterial 178 kann z.B. ein Oxid oder ein anderer Strukturisolator sein. Nach verschiedenen Ausführungsformen sind sowohl die Membran 164 als auch die Elektrode 166 aus dotiertem Silizium ausgebildet, und das Substrat 170 ist ein Siliziumsubstrat. In anderen Ausführungsformen kann die Membran 164 aus jedem beliebigen leitfähigen und auslenkbaren Material gebildet sein, und die Elektrode 166 kann aus jedem beliebigen leitfähigen oder halbleitfähigen Material gebildet sein. Die Kontakte 172, 174 und 176 können aus beliebigen leitfähigen Materialien wie einem Metall oder einem dotierten Halbleiter gebildet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die Überdruckkammer 168 vom Hohlraum 162 durch Barriere 180 getrennt, aber die Fluidkommunikation wird durch eine Öffnung aufrechterhalten, die Situationen von Überdruck begrenzt oder verhindert. In einigen Ausführungsformen sind die Hohlräume 160 und 162 hermetisch abgedichtet.
Die 5a und 5b veranschaulichen eine Draufsicht und einen Querschnitt einer Ausführungsform des Halbleitersystems 190, das ein Substrat 120 mit dem kapazitiven Thermometer 110, dem Induktor 108 und dem Widerstand 106 darin ausgebildet umfasst. In einigen Ausführungsformen ist eine Isolierschicht 118 oben auf dem Substrat 120 ausgebildet. Nach verschiedenen Ausführungsformen bilden das kapazitive Thermometer 110, der Induktor 108 und der Widerstand 106 eine RLC-Schaltung, wie sie obig mit Verweis auf die 2b beschrieben ist. Der Induktor 108 ist als ebener Spiralinduktor gezeigt, und der Widerstand 106 ist als ein Serpentineninduktor gezeigt. Es kann aber jeder Induktor oder jeder Widerstand verwendet werden, der in der Technik bekannt ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Induktor 108 einen in seiner Mitte ausgebildeten Ferritkern enthalten.
Nach verschiedenen Ausführungsformen kann der Induktor 108 oder eine Form des Widerstands 106 als eine Antenne ausgebildet sein. In anderen Ausführungsformen kann eine getrennte Antenne 116 befestigt am Widerstand 106 oder Induktor 108 umfasst sein. Wie in der Technik bekannt ist, können viele Kombinationen von Halbleiterkomponenten verwendet werden, um eine RLC-Schaltung zu bilden, die in der Lage ist, drahtlos angeregt zu werden. So kann z.B. der Widerstand 106 entfernt werden, und der Widerstand des Induktors 108 kann in einigen Ausführungsformen eine Hauptwiderstandsquelle sein.
5b veranschaulicht einen Querschnitt der Ausführungsform des Halbleiternacktchips 190, der ein Substrat 120, eine Isolierschicht 118 und eine Masseplatte 114 umfasst. Nach verschiedenen Ausführungsformen kann das kapazitive Thermometer 110 durch die gesamte Dicke des Halbleitersystems 190 gebildet sein. In anderen Ausführungsformen ist das kapazitive Thermometer 110 nur im Teil der Dicke des Halbleitersystems 190 gebildet. Der Induktor 108 und der Widerstand 106 können in einigen Ausführungsformen auf der Isolierschicht 118 oder auf dem Substrat 120 ausgebildet sein. Die Isolierschicht 118 kann ein Oxid oder ein anderes Dielektrikum sein. In verschiedenen Ausführungsformen umfassen die Herstellungssequenzen für das kapazitive Thermometer 110 zahlreiche Herstellungsschritte, und es ist vorgesehen, dass der Induktor 108, der Widerstand 106 oder die Antenne 116 in einem Zwischenschritt der Herstellung des kapazitiven Thermometers 110 gebildet werden können. In anderen Ausführungsformen können der Induktor 108, der Widerstand 106 oder die Antenne 118 auf einer Oberfläche des Substrats 120 vor, während oder nach der Herstellung des kapazitiven Thermometers 110 gebildet werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Halbleitersystem 190 einen einzelnen Halbleiternacktchip, eine gedruckte Leiterplatte (PCB) oder ein System auf einem Chip (SoC) umfassen. Jede Komponente kann getrennt ausgebildet und am einzelnen Substrat wie dem PCB befestigt werden, oder jede Komponente kann in einer einzelnen Halbleiterherstellungssequenz auf einem einzelnen Halbleiternacktchip gebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann das Halbleitersystem 190 eine maximale Länge von 1 cm und eine maximale Breite von 4 mm aufweisen. In bestimmteren Ausführungsformen kann das Halbleitersystem 190 eine maximale Länge von 5 mm und eine maximale Breite von 2 mm aufweisen. Alternativ dazu können auch andere Dimensionen verwendet werden.
Die 6a–6c veranschaulichen Querschnittsansichten weiterer Ausführungsformen der kapazitiven Thermometer 200a, 200b und 200c. Nach verschiedenen Ausführungsformen sind die kapazitiven Thermometer 200a, 200b und 200c spezielle Ausführungsformen, die dem obig mit Verweis auf die 3a und 3b beschriebenen kapazitiven Thermometer 110a ähnlich sind. Somit gelten die Materialien, die Struktur und der Betrieb, wie sie oben beschrieben sind, auch für die kapazitiven Thermometer 200a, 200b und 200c. Insbesondere können kapazitive Thermometer 200a, 200b und 200c jeweils Membranen umfassen, die aus zwei Schichten 204 und 206 mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet sind. So kann die Schicht 204 z.B. Polysilizium umfassen, und die Schicht 206 kann Aluminium umfassen. Jedes kapazitive Thermometer 200a, 200b und 200c umfasst eine Erfassungselektrode 208, die von der Membran versetzt ist und die Auslenkung der Membran erfasst. In jedem Fall wird die Membran ausgelenkt, weil die Schichten 204 und 206 sich mit verschiedenen Raten aufgrund der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten für die Schichten 204 und 206 ausdehnen. Die Erfassungselektrode 208 kann auch als eine Rückplatten- oder Gegenelektrode bezeichnet werden. Die Membran und die Erfassungselektrode 208 in den kapazitiven Thermometern 200a, 200b und 200c sind in dielektrischem Material 214 ausgelegt, das auf dem Substrat 202 ausgebildet ist. Metallisierung bildet die Kontakte 216, 218 und 220 mit verschiedenen Strukturen innerhalb jedes kapazitiven Thermometers 200a, 200b oder 200c. In den verschiedenen Ausführungsformen können Ober- oder Vorderseite und der Boden oder die Rückseite jedes der kapazitiven Thermometer 200a, 200b und 200c Glasschichten 210 und 212 umfassen, die die Hohlräume 222 und 224 abdichten. Die Glasschichten 210 und 212 können die Hohlräume 222 und 224 abdichten, wodurch die Fluidkommunikation oder Fluidübertragung zwischen den Hohlräumen 222 und 224 und der umgebenden Umgebung verhindert wird. In solchen Ausführungsformen kann das Verhindern der Fluidkommunikation umfassen, dass akustische Signale begrenzt oder gehindert werden, die von den Schichten 204 und 206 gebildete Membran anzuregen.
Nach verschiedenen Ausführungsformen umfasst das in 6a veranschaulichte kapazitive Thermometer 200a ein geätztes Substrat 202, das einem BOSCH-Prozess zur Rückseitenätzung zur Ausbildung eines größeren Hohlraums 202 unterzogen wird. Das in 6b veranschaulichte kapazitive Thermometer 200b umfasst ein Substrat 202, das keinem BOSCH-Prozess zur Rückseitenätzung unterzogen wird und einen kleineren Hohlraum 202 umfasst. Das in 6c veranschaulichte kapazitive Thermometer 200c umfasst ein Substrat 202, das ebenfalls keinem BOSCH-Prozess zur Rückseitenätzung unterzogen wird. Ferner umfasst das kapazitive Thermometer 202c Ausleger mit Schichten 204 und 206, die in Reaktion auf Temperaturvariationen ausgelenkt werden, anstelle einer Membran, wie sie mit Verweis auf andere Figuren beschrieben ist. Das kapazitive Thermometer 200c kann einen einzelnen Ausleger umfassen, der aus den Schichten 204 und 206 gebildet ist. In anderen Ausführungsformen kann das kapazitive Thermometer 200c mehrere Ausleger umfassen, die aus den Schichten 204 und 206 gebildet sind, so z.B. 2 oder mehr Ausleger.
7 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Herstellungssequenz 230 für Ausführungsformen des kapazitiven Thermometers, wie sie hierin mit Verweis auf die anderen Figuren beschrieben sind. Im Allgemeinen gilt die Herstellungssequenz 230 auch für die kapazitiven Thermometer 200a, 200b und 200c, wie sie oben beschrieben sind, aber sie kann auch zur Ausbildung beliebiger Ausführungsformen kapazitiver Thermometer angewendet oder modifiziert werden. Nach verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Herstellungssequenz 230 die Schritte 232–288.
In den verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Schritt 232 das Bereitstellen oder Herstellen eines Substrats wie eines Wafers, das ein Substrat oder ein Halbleitersubstrat umfasst. Der Schritt 234 umfasst das Ausbilden eines Oxids auf dem Substrat. Das im Schritt 234 gebildete Oxid kann in einer Ausführungsform eine Dicke von 400 bis 600 nm aufweisen. Nach verschiedenen Ausführungsformen kann das Ausbilden einer Schicht, wie dies hierin beschrieben ist, verschiedene Verfahren zum Ausbilden der Schicht umfassen, wie sie in der Technik bekannt sind. So kann das Ausbilden einer Schicht z.B. das Abscheiden der Schicht, das thermische Wachsen der Schicht, das Bedrucken der Schicht, das Sputtern der Schicht oder das Verdampfen der Schicht umfassen, wobei geeignete Verfahren vom bestimmten Schichtmaterial abhängen, wie dies in der Technik bekannt ist. Als weiteres Beispiel kann das Abscheiden einer Schicht in einer Ausführungsform die chemische Dampfabscheidung (CVD) umfassen.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Schritt 236 das Ausbilden einer Oxinitridschicht auf dem im Schritt 234 ausgebildeten Oxid. In einer speziellen Ausführungsform kann die Oxinitridschicht eine Dicke von 100 bis 200 nm aufweisen. Der Schritt 238 umfasst das Ausbilden einer Polysiliziumschicht. Die Polysiliziumschicht kann auf der Oberseite des Oxinitrids ausgebildet werden, das auf der Oxidschicht gebildet ist. Die Polysiliziumschicht kann eine Dicke von 1000 bis 1400 nm aufweisen. Nach dem Ausbilden des Polysiliziums kann der Schritt 240 das Implantieren von Phosphor in das Polysilizium umfassen. Es kann eine Photoresistschicht auf die Struktur aufgebracht und lithographisch im Schritt 242 strukturiert. Der Schritt 244 umfasst das Plasmaätzen der Polysiliziumschicht und des Oxinitrids gemäß der strukturierten Photoresistschicht aus dem Schritt 242. Das Plasmaätzen der Polysiliziumschicht bildet die Polysiliziumschicht in eine Erfassungselektrode oder Rückplatte aus, wie dies mit Verweis auf die anderen Figuren beschrieben ist. Die strukturierte Polysilizium-Erfassungselektrode kann Entlüftungslöcher umfassen, und sie kann in eine Struktur mit einer beliebigen Form ausgebildet werden. Ferner können die Oxid-, Oxinitrid- und Polysiliziumschichten auf beliebigen anderen Materialien gebildet werden, wie dies z.B. mit Verweis auf die anderen Figuren beschrieben ist.
Der Schritt 246 kann das Entfernen des Photoresists und das Reinigen des Wafers mit z.B. einer flüssigen Spülung umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Schritt 248 das Ausbilden einer anderen Oxidschicht auf der Oberseite der strukturierten Polysiliziumschicht, der Oxinitridschicht und der Oxidschicht, die in den Schritten 238, 236 und 234 ausgebildet wurden. Die im Schritt 248 gebildete Oxidschicht kann eine Dicke von 500–2500 nm aufweisen. Der Schritt 250 kann das Ausbilden einer Nitridschicht und einer Oxidschicht auf der Oberseite der im Schritt 248 gebildeten Oxidschicht umfassen. Im Schritt 250 kann die Nitridschicht eine Dicke von 100 bis 200 nm aufweisen, und die Oxidschicht kann eine Dicke von 50 bis 70 nm aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Schritt 252 das Ätzen, auf der Rückseite des Wafers, des Oxids und des Nitrids. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Ausbilden einer Oxidschicht, wie dies hierin beschrieben ist, das Verwenden eines Tetraethylorthosilikats (TEOS) zur Ausbildung des Oxids umfassen.
Nach verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Schritt 254 das Bilden einer Membranschicht. Die Membranschicht kann ein Polysilizium oder ein Siliziumcarbid in zwei Ausführungsformen sein. In anderen Ausführungsformen kann die Membranschicht ein beliebiges anderes Material sein, wie dies hierin z.B. mit Verweis auf die anderen Figuren beschrieben ist. Die Membranschicht kann eine Dicke von 100 bis 300 nm aufweisen. Der Schritt 256 kann das Implantieren von Phosphor umfassen. Es kann eine Photoresistschicht auf die Struktur, die die Membranschicht umfasst, aufgebracht und im Schritt 258 lithografisch strukturiert werden. Der Schritt 260 umfasst das Strukturieren der Membranschicht durch Durchführen von Plasmaätzen gemäß der im Schritt 258 strukturierten Photoresistschicht. In verschiedenen Ausführungsformen kann die gemusterte Membranschicht jede Form einer Membran mit oder ohne Entlüftungslöcher umfassen. In einigen speziellen Ausführungsformen umfasst die gemusterte Membranschicht mindestens ein Entlüftungsloch. In anderen Ausführungsformen wird die Membranschicht mit einem oder mehreren Auslegern strukturiert. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Membranschicht über die Erfassungselektrode strukturiert, die in den früheren Schritten gebildet und strukturiert wurde. So kann die strukturierte Membran z.B. eine Schicht 204 in einigen Ausführungsformen in den 6a–6c umfassen. Der Schritt 262 kann das Entfernen des Photoresists und das Reinigen des Wafers umfassen.
Der Schritt 264 umfasst das Durchführen einer Rückseitenätzung in verschiedenen Ausführungsformen. Die Rückseitenätzung im Schritt 264 kann die verschiedenen Schichten entfernen, die auf der Rückseite des Wafers während der vorhergehenden Schritte gebildet worden waren. Der Schritt 266 kann das Ausbilden einer anderen TEOS-Schicht und das Ausbilden einer Oxidschicht von der TEOS-Schicht umfassen. In einigen Ausführungsformen weist die im Schritt 266 gebildete Oxidschicht eine Dicke von 500 bis 2500 nm auf. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Schritt 268 das Passivieren der Waferoberfläche. Die Passivierung der Waferoberfläche kann das Ausbilden eines Oxids oder Nitrids auf verschiedenen Schichten umfassen. Eine Photoresistschicht kann auf die Struktur aufgebracht werden, einschließlich der im Schritt 266 gebildeten und im Schritt 270 lithographisch strukturierten TEOS-Oxidschicht. Das TEOS-Oxid wird mittels einer Plasmaätzung im Schritt 272 gemäß der im Schritt 270 gebildeten Photoresist-Struktur strukturiert.
Nach verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Schritt 274 das Aufbringen und lithographische Strukturieren einer Schicht aus Photoresist für die Metallisierung. Der Schritt 276 kann das Ausbilden der Metallisierungsschicht auf der im Schritt 274 gebildeten Photoresistschicht und das Durchführen eines Anhebens zum Strukturieren der Metallisierungsschicht umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst die Metallisierungsschicht eine Schicht 206, z.B. in den 6a–6c. Die Metallisierungsschicht kann eine zweite Schicht einer über der Erfassungselektrode ausgebildeten Membran sein. In solchen Ausführungsformen kann die Membran eine erste Schicht wie z.B. Polysilizium und eine zweite Schicht, die die Metallisierungsschicht umfasst, umfassen.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Schritt 278 das Aufbringen eines Photoresist auf die Vorderseite und die Rückseite des Wafers und das lithographische Strukturieren der Photoresistschichten. In einigen Ausführungsformen kann das Photoresist strukturiert werden, um ein BOSCH-Prozess-Ätzen durchzuführen. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Photoresist strukturiert werden, um auf die Membranlösung vorzubereiten. Schritt 280 umfasst das Lösen der Membran, die eine Polysiliziumschicht und eine Metallschicht umfassen kann, indem das an die Membranschichten angrenzende Oxid entfernt wird. Der Schritt 282 umfasst das Entfernen der Photoresistschichten und das Reinigen des Wafers nach dem Lösen der Membran im Schritt 280.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Schritt 284 das Ausbilden einer Glasschicht auf der Rückseite des Wafers und das Abdichten eines ersten Hohlraums, der an die Membran angrenzt. Die ersten und zweiten Hohlräume, die an die Membran angrenzend sind, können während der verschiedenen Ätzschritte gebildet werden, die obig beschrieben sind und die in einigen Ausführungsformen einen BOSCH-Prozess zum Ätzen umfassen können. Der Schritt 286 kann das Vereinzeln des Wafers umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst der Schritt 288 das Ausbilden einer Glasschicht auf der Vorderseite des Wafers und das Abdichten des zweiten Hohlraums, der an die Membran angrenzt.
Nach verschiedenen Ausführungsformen können die Schritte 232–288 modifiziert werden, wie dies in der Technik bekannt ist. So können z.B. Strukturierungsschritte, die jeden beliebigen Typ von Ätzschritten umfassen, anstelle des lithographischen Strukturierens des Photoresists und des Plasmaätzens, die beschrieben sind, verwendet werden. Es können andere Materialien für jede der Oxid-, Oxinitrid-, Polysilizium-, Metall-, Siliziumcarbid- oder andere Schichten verwendet werden, die beschrieben sind. Ferner kann das Ausbilden einer Schicht verschiedene in der Technik bekannte Verfahren umfassen. Die speziellen beschriebenen Dicken können auch jede andere Dicke außerhalb der beschriebenen Bereiche in anderen Ausführungsformen umfassen. Fachpersonen auf dem Gebiet der Technik werden verschiedene andere Änderungen am in den Schritten 232–288 beschriebenen Prozessfluss verstehen, welche innerhalb des Umfangs der Ausführungsformen umfasst sind. So können z.B. in verschiedenen Ausführungsformen gewisse Schritte weggelassen, neu angeordnet oder eingeführt werden.
Die 8a und 8b veranschaulichen beispielhafte grafische Darstellungen, die eine simulierte Membranauslenkung für Ausführungsformen der Systeme zeigen, die eine einzelne Membranschicht aus Aluminium umfassen. In 8a wird die Dicke der Aluminiumschicht für jede grafisch dargestellte Linie variiert, während der Durchmesser der Membran z.B. bei 200 µm konstant gehalten wird. Die Auslenkung der Membran wird in Mikrometer gegenüber der Temperatur in Grad Kelvin für eine Aluminiumdicke im Bereich von 200 nm bis 700 nm grafisch dargestellt. Wie gezeigt ist, bewirkt eine größere Dicke des Aluminiums eine geringere Auslenkung der Membran bei einer speziellen Temperatur.
In 8b wird der Durchmesser der Membran variiert, während die Dicke der Aluminiumschicht z.B. bei 1 µm konstant gehalten wird. Erneut wird die Auslenkung der Membran in Mikrometer gegenüber der Temperatur in Grad Kelvin für Membrandurchmesser im Bereich von 200 µm bis 700 µm grafisch dargestellt. Wie gezeigt ist, bewirkt ein größerer Durchmesser des Aluminiums eine größere Auslenkung der Membran bei einer speziellen Temperatur.
9 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens des Betriebs 300 zum drahtlosen Bestimmen der Temperatur, das die Schritte 302 bis 308 umfasst. Nach verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Schritt 302 das thermische Koppeln eines kapazitiven Thermometers mit einem Zielmedium. Der Schritt 304 umfasst das drahtlose Anregen einer RLC-Schaltung, wenn das kapazitive Thermometer die Hauptkapazität umfasst. Nach dem Schritt 304 umfasst der Schritt 306 das drahtlose Senden eines Signals von der RLC-Schaltung ansprechend auf die drahtlose Anregung. Der Schritt 308 umfasst das Detektieren des drahtlos gesendeten Signals von der RLC-Schaltung. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren des Betriebs 300 auch das Bestimmen einer Temperatur des Mediums auf der Grundlage der Detektion umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das kapazitive Thermometer eine auslenkbare Membran, und die auslenkbare Membran ist ausgelegt, auf der Grundlage von Temperatur ausgelenkt zu werden. Das Zielmedium kann eine innere Stelle eines menschlichen oder tierischen Körpers sein. In verschiedenen anderen Ausführungsformen können andere Schritte umfasst sein, und die Schritte 302–308 können in anderen Reihenfolgen durchgeführt werden.
10 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des kapazitiven MEMS-Thermometers 320, das eine erste perforierte Erfassungselektrode 322, eine zweite perforierte Erfassungselektrode 324 und eine auslenkbare Membran 326 umfasst. Nach verschiedenen Ausführungsformen kann die Membran 326 eine Doppelschicht umfassen, die z.B. aus Aluminium und Polysilizium oder aus anderen Materialien, wie hierin oben beschrieben, gebildet ist. Die Membran 326, die erste perforierte Erfassungselektrode 322 und die zweite perforierte Erfassungselektrode 324 können im Substrat 330 ausgebildet und von Abdichtschichten 332 und 334 eingeschlossen sein, die aus Glas, einem anderen biokompatiblen Material oder anderen Materialien gebildet sind. In verschiedenen Ausführungsformen können die Membran 326, die erste perforierte Erfassungselektrode 322 und die zweite perforierte Erfassungselektrode 324 mit anderen Schaltungskomponenten durch Metallisierung (nicht dargestellt), wie dies hierin obig beschrieben ist, gekoppelt werden. Die verschiedenen Ausführungsformen und Variationen, die hierin obig beschrieben sind und die Herstellungssequenzen und Materialvariationen umfassen, können auch auf das kapazitive MEMS-Thermometer 320 angewendet werden.
Nach verschiedenen Ausführungsformen umfasst eine Schaltung ein kapazitives mikroelektromechanisches System-Thermometer (MEMS-Thermometer), das eine auslenkbare Membran und eine Erfassungselektrode umfasst. In solchen Ausführungsformen ist die auslenkbare Membran ausgelegt, einen kapazitiven Wert auf der Grundlage einer Temperatur der auslenkbaren Membran anzupassen.
In einigen Ausführungsformen ist die Erfassungselektrode eine starre Erfassungselektrode, die auslenkbare Membran bildet einen Parallelplattenkondensator mit der starren Erfassungselektrode, und das kapazitive MEMS-Thermometer umfasst ferner ein erstes thermisches Material mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und ein zweites thermisches Material mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten, der vom ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten verschieden ist. Das erste und das zweite Material sind ausgelegt zu bewirken, dass die auslenkbare Membran auf der Grundlage der Temperatur des kapazitiven MEMS-Thermometers ausgelenkt wird. In verschiedenen Ausführungsformen kann die auslenkbare Membran die ersten und zweiten thermischen Materialien umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann die Schaltung auch eine Hochfrequenzantenne (HF-Antenne) und ein induktives Element umfassen, das mit dem kapazitiven MEMS-Thermometer gekoppelt ist. In solchen Ausführungsformen ist das Thermometer ausgelegt, HF-Signale auf der Grundlage einer Induktanz des induktiven Elements und des kapazitiven Werts zu senden. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Thermometer keine interne Stromversorgung. Die auslenkbare Membran kann einen ersten Hohlraum von einem zweiten Hohlraum trennen. In solchen Ausführungsformen kann das erste thermische Material im ersten Hohlraum sein, und das zweite thermische Material kann im zweiten Hohlraum sein.
In einigen Ausführungsformen kann das kapazitive MEMS-Thermometer auch einen ersten Hohlraum, der ein erstes Fluid mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten enthält, einen Überdruckhohlraum, der angrenzend an den ersten Hohlraum ausgebildet und vom ersten Hohlraum getrennt ist, wobei die als eine starre Erfassungselektrode ausgebildete Erfassungselektrode über dem ersten Hohlraum und dem Überdruckhohlraum liegt, einen zweiten Hohlraum, der ein zweites Fluid mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten, der vom ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten verschieden ist, enthält, und die auslenkbare Membran umfassen, die den ersten Hohlraum vom zweiten Hohlraum trennt. Die Erfassungselektrode kann ausgelegt sein, eine obere Öffnung des ersten Hohlraums und des Überdruckhohlraums abzudichten, und der zweite Hohlraum kann mit dem Überdruckhohlraum in Fluidkommunikation stehen. In solchen Ausführungsformen kann das kapazitive MEMS-Thermometer auf einem selben Substrat mit einem induktiven Element ausgebildet und damit gekoppelt sein. Das kapazitive MEMS-Thermometer und das induktive Element können ausgelegt sein, ein mit der Temperatur zusammenhängendes Signal zu senden, wenn sie von einem Hochfrequenzsignal (HF-Signal) angeregt werden.
Nach verschiedenen Ausführungsformen umfasst eine drahtlose Vorrichtung eine Hochfrequenzschaltung (HF-Schaltung). Die HF-Schaltung umfasst ein induktives Element und einen Kondensator, der mit dem induktiven Element gekoppelt ist. In solchen Ausführungsformen umfasst der Kondensator ein kapazitives Thermometer mit einer mechanisch auslenkbaren Membran, die ausgelegt ist, einen kapazitiven Wert proportional zu einer Temperaturänderung anzupassen.
In einigen Ausführungsformen ist die drahtlose Vorrichtung ausgelegt, alle Strom- und Kommunikationssignale drahtlos zu empfangen. In einer Ausführungsform weist die drahtlose Vorrichtung keine interne Stromversorgung auf. Die drahtlose Vorrichtung kann auch eine Verpackung (package) umfassen, die das kapazitive Thermometer und die HF-Schaltung einschließt. Die Verpackung kann ein biokompatibles Material umfassen, und die drahtlose Vorrichtung kann in menschliche oder tierische Körper implantiert werden.
In einigen Ausführungsformen ist die Hochfrequenzschaltung (HF-Schaltung) mit einer Masseplatte auf der drahtlosen Vorrichtung gekoppelt. In verschiedenen Ausführungsformen weist die drahtlose Vorrichtung eine maximale Länge von 1 cm und eine maximale Breite von 4 mm auf. Das kapazitive Thermometer kann ein mikroelektromechanisches System-Thermometer (MEMS-Thermometer) sein. In solchen Ausführungsform kann das MEMS-Thermometer eine starre Erfassungselektrode umfassen, wobei die auslenkbare Membran einen Parallelplattenkondensator mit der starren Erfassungselektrode bildet, ein erstes thermisches Material mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und ein zweites thermisches Material mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten, der vom ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten verschieden ist. Die ersten und zweiten thermischen Materialien können ausgelegt sein zu bewirken, dass die auslenkbare Membran auf der Grundlage der Temperatur des MEMS-Thermometers ausgelenkt wird. In einer Ausführungsform ist die HF-Schaltung auf einem einzelnen Halbleitersubstrat angeordnet.
Nach verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein kapazitives Thermometer einen ersten Hohlraum, einen zweiten Hohlraum, der unter dem ersten Hohlraum ausgebildet ist, einen dritten Hohlraum, der unter dem zweiten Hohlraum ausgebildet ist, eine auslenkbare Membran, die den ersten Hohlraum vom zweiten Hohlraum trennt, eine erste perforierte Erfassungselektrode, die den zweiten Hohlraum vom dritten Hohlraum trennt, eine erste Schutzschicht, die über dem ersten Hohlraum ausgebildet ist und den ersten Hohlraum abdichtet, und eine zweite Schutzschicht, die unter dem dritten Hohlraum ausgebildet ist und den dritten Hohlraum abdichtet. In solchen Ausführungsformen umfasst die auslenkbare Membran ein erstes Material mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und ein zweites Material mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten, der vom ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten verschieden ist. Die auslenkbare Membran umfasst ein Entlüftungsloch, und die Elektrode ist von der Membran um eine Trenndistanz beabstandet und kapazitiv mit der Membran gekoppelt.
In einigen Ausführungsformen ist das kapazitive Thermometer auf einem selben Substrat mit einem induktiven Element ausgebildet und damit gekoppelt. Das kapazitive Thermometer und das induktive Element können ausgelegt sein, ein mit der Temperatur zusammenhängendes Signal zu senden, wenn sie von einem Hochfrequenzsignal (HF-Signal) angeregt werden. In einer Ausführungsform ist die perforierte Erfassungselektrode ausgelegt, auf der Grundlage einer Temperaturänderung ausgelenkt zu werden.
In einigen Ausführungsformen kann das kapazitive Thermometer auch eine zweite perforierte Erfassungselektrode umfassen, die von der Membran in eine Richtung entgegengesetzt zur ersten perforierten Erfassungselektrode getrennt ist. Das kapazitive Thermometer kann ein kapazitives mikroelektromechanisches System-Thermometer (MEMS-Thermometer) umfassen. In weiteren Ausführungsformen kann das kapazitive Thermometer zusätzliche Hohlräume umfassen, die unterhalb oder oberhalb des ersten, zweiten und dritten Hohlraums gebildet sind.
Nach verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zum drahtlosen Bestimmen der Temperatur das thermische Koppeln eines kapazitiven Thermometers mit einem Zielmedium, das drahtlose Anregen einer RLC-Schaltung, das drahtlose Senden eines Signal von der RLC-Schaltung ansprechend auf die drahtlose Anregung und das Detektieren des drahtlos gesendeten Signals von der RLC-Schaltung. In solchen Ausführungsformen ist das kapazitive Thermometer die Hauptkapazität der RLC-Schaltung.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren auch das Bestimmen einer Temperatur des Mediums auf der Grundlage der Detektion. Das kapazitive Thermometer kann eine auslenkbare Membran umfassen, die ausgelegt ist, auf der Grundlage der Temperatur ausgelenkt zu werden. In einer Ausführungsform ist das Zielmedium eine innere Stelle eines menschlichen oder tierischen Körpers.
Verschiedene Vorteile der hierin geoffenbarten Ausführungsformen umfassen ein winziges drahtloses Thermometer, das an zahlreichen Stellen ohne äußere Anschlüsse oder eine interne Stromversorgung oder einen Stromspeichermechanismus wie große diskrete Kondensatoren oder Batterien umfasst sein kann. Die Ausführungsform der Thermometer kann in menschliche oder tierische Körper oder intern in andere nicht-zugängliche Systeme implantiert werden. Eine Ausführungsform solcher kapazitiven MEMS-Thermometer kann zum Messen der Temperaturen in chemischen Antworten in einfachen oder komplexen Prozessen verwendet werden. Andere kapazitive MEMS-Thermometer können in Öl- oder Gasleitungen zur Systemüberwachung verteilt sein. Noch andere kapazitive MEMS-Thermometer können in verschiedenen mechanischen Systemen wie in der Luftfahrt- und Automobilindustrie zur Überwachung des Fahrzeugzustands oder -betriebs verwendet werden.
Während diese Erfindung mit Verweis auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben wurde, soll diese Beschreibung keineswegs in einem beschränkenden Sinn konstruiert sein. Fachpersonen auf dem Gebiet der Technik werden nach Verweis auf die Beschreibung verschiedene Modifikationen und Kombination der veranschaulichenden Ausführungsformen sowie andere Kombinationen der Erfindung erkennen. Aus diesem Grund sollen die angehängten Ansprüche alle solche Modifikationen oder Ausführungsformen umfassen.

Claims

Schaltung, die umfasst: ein als kapazitives mikroelektromechanisches System implementiertes Thermometer (MEMS-Thermometer), das eine auslenkbare Membran und eine Erfassungselektrode umfasst, wobei die auslenkbare Membran ausgelegt ist, einen Kapazitätswert basierend auf einer Temperatur der auslenkbaren Membran einzustellen.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei: die Erfassungselektrode eine starre Erfassungselektrode umfasst; die auslenkbare Membran einen Parallelplattenkondensator mit der starren Erfassungselektrode bildet; und das als kapazitives MEMS-Thermometer ferner umfasst: ein erstes thermisches Material mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und ein zweites thermisches Material mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten, der vom ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten verschieden ist, wobei das erste und das zweite thermische Material ausgelegt sind zu bewirken, dass die auslenkbare Membran auf der Grundlage der Temperatur des als kapazitiven MEMS-Thermometers ausgelenkt wird.
Schaltung nach Anspruch 2, wobei die auslenkbare Membran das erste und das zweite thermische Material umfasst.
Schaltung nach Anspruch 3, die ferner eine Hochfrequenzantenne und ein induktives Element umfasst, das mit dem kapazitiven MEMS-Thermometer gekoppelt ist, wobei das Thermometer ausgelegt ist, Hochfrequenzsignale auf der Grundlage einer Induktivität des induktiven Elements und des Kapazitätswerts zu senden.
Schaltung nach Anspruch 4, wobei das Thermometer keine interne Stromversorgung umfasst.
Schaltung nach einem der Ansprüche 2–5, wobei die auslenkbare Membran einen ersten Hohlraum von einem zweiten Hohlraum trennt, und wobei das erste thermische Material sich im ersten Hohlraum befindet und das zweite thermische Material sich im zweiten Hohlraum befindet.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1–6, wobei das kapazitive MEMS-Thermometer ferner umfasst: einen ersten Hohlraum, der ein erstes Fluid mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten enthält; einen Überdruckhohlraum, der angrenzend an den ersten Hohlraum ausgebildet und vom ersten Hohlraum getrennt ist, wobei die Erfassungselektrode als eine starre Erfassungselektrode ausgebildet ist, die über dem ersten Hohlraum und dem Überdruckhohlraum liegt, wobei die Erfassungselektrode ausgelegt ist, eine obere Öffnung des ersten Hohlraums und des Überdruckhohlraums abzudichten; und einen zweiten Hohlraum, der ein zweites Fluid mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten enthält, der vom ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten verschieden ist, wobei der zweite Hohlraum in Fluidverbindung mit dem Überdruckhohlraum steht; wobei die auslenkbare Membran den ersten Hohlraum vom zweiten Hohlraum trennt.
Schaltung nach Anspruch 7, wobei das kapazitive MEMS-Thermometer auf einem selben Substrat mit einem induktiven Element ausgebildet und damit gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 8, wobei das kapazitive MEMS-Thermometer und das induktive Element ausgelegt sind, ein mit der Temperatur zusammenhängendes Signal zu senden, wenn sie von einem Hochfrequenzsignal angeregt werden.
Drahtlos-Vorrichtung, die umfasst: eine Hochfrequenzschaltung, wobei die Hochfrequenzschaltung umfasst: ein induktives Element; und einen Kondensator, der mit dem induktiven Element gekoppelt ist, wobei der Kondensator ein kapazitives Thermometer mit einer mechanisch auslenkbaren Membran umfasst, die ausgelegt ist, einen kapazitiven Wert proportional zu einer Änderung der Temperatur einzustellen.
Drahtlos-Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Drahtlos-Vorrichtung eingerichtet ist, alle Strom- und Kommunikationssignale drahtlos zu empfangen.
Drahtlos-Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Drahtlos-Vorrichtung keine interne Stromversorgung umfasst.
Drahtlos-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10–12, die ferner eine Verpackung umfasst, die das kapazitive Thermometer und die Hochfrequenzschaltung umgibt.
Drahtlos-Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Verpackung ein biokompatibles Material umfasst und die drahtlose Vorrichtung in menschliche oder tierische Körper implantierbar ist.
Drahtlos-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10–14, wobei die Hochfrequenzschaltung mit einer Masseplatte der drahtlosen Vorrichtung gekoppelt ist.
Drahtlos-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10–15, wobei die Drahtlos-Vorrichtung eine maximale Länge von 1 cm und eine maximale Breite von 4 mm aufweist.
Drahtlos-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10–16, wobei das kapazitive Thermometer ein als mikroelektromechanisches System implementiertes Thermometer (MEMS-Thermometer) umfasst.
Drahtlos-Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei das MEMS-Thermometer umfasst: eine starre Erfassungselektrode; die auslenkbare Membran, die einen Parallelplattenkondensator mit der starren Erfassungselektrode bildet; ein erstes thermisches Material mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten; und ein zweites thermisches Material mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten, der vom ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten verschieden ist, wobei das erste und das zweite thermische Material ausgelegt sind, zu bewirken, dass die auslenkbare Membran auf Basis der Temperatur des MEMS-Thermometers ausgelenkt wird.
Drahtlos-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10–18, wobei die Hochfrequenzschaltung auf einem einzigen Halbleitersubstrat angeordnet ist.
Kapazitives Thermometer, das umfasst: einen ersten Hohlraum; einen zweiten Hohlraum, der unter dem ersten Hohlraum ausgebildet ist; einen dritten Hohlraum, der unter dem zweiten Hohlraum ausgebildet ist; eine auslenkbare Membran, die den ersten Hohlraum von dem zweiten Hohlraum trennt, wobei die auslenkbare Membran ein erstes Material mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und ein zweites Material mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten umfasst, der vom ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten verschieden ist, wobei die auslenkbare Membran ein Entlüftungsloch umfasst; eine erste perforierte Erfassungselektrode, die den zweiten Hohlraum von dem dritten Hohlraum trennt, wobei die erste perforierte Erfassungselektrode von der Membran durch einen Trennabstand getrennt und mit der Membran kapazitiv gekoppelt ist; eine erste Schutzschicht, die über dem ersten Hohlraum gebildet ist und den ersten Hohlraum abdichtet; und eine zweite Schutzschicht, die unter dem dritten Hohlraum gebildet ist und den dritten Hohlraum abdichtet.
Kapazitives Thermometer nach Anspruch 20, wobei das kapazitive Thermometer auf einem selben Substrat mit einem induktiven Element ausgebildet und damit gekoppelt ist.
Kapazitives Thermometer nach Anspruch 21, wobei das kapazitive Thermometer und das induktive Element ausgelegt sind, ein auf die Temperatur bezogenes Signal zu senden, wenn sie von einem Hochfrequenzsignal angeregt werden.
Kapazitives Thermometer nach einem der Ansprüche 20–22, wobei die erste perforierte Erfassungselektrode ausgelegt ist, auf Basis einer Änderung der Temperatur ausgelenkt zu werden.
Kapazitives Thermometer nach einem der Ansprüche 20–23, das ferner eine zweite perforierte Erfassungselektrode umfasst, die von der Membran in einer Richtung entgegengesetzt zur ersten perforierten Erfassungselektrode getrennt ist.
Kapazitives Thermometer nach einem der Ansprüche 20–24, wobei das kapazitive Thermometer ein als kapazitives mikroelektromechanisches System implementiertes Thermometer (MEMS-Thermometer) umfasst.
Kapazitives Thermometer nach einem der Ansprüche 20–25, das ferner zusätzliche Hohlräume aufweist, die unter oder über dem ersten, zweiten und dritten Hohlraum ausgebildet sind.
Verfahren zur drahtlosen Temperaturbestimmung, wobei das Verfahren umfasst: thermisches Koppeln eines kapazitiven Thermometers mit einem Zielmedium; drahtloses Anregen einer RLC-Schaltung, wobei das kapazitive Thermometer eine Hauptkapazität der RLC-Schaltung umfasst; drahtloses Senden eines Signals von der RLC-Schaltung in Antwort auf das drahtlose Anregen; und Detektieren des von der RLC-Schaltung drahtlos gesendeten Signals.
Verfahren nach Anspruch 27, das ferner das Bestimmen einer Temperatur des Mediums auf der Grundlage des Detektierens umfasst.
Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, wobei das kapazitive Thermometer eine auslenkbare Membran umfasst, wobei die auslenkbare Membran ausgelegt ist, auf der Grundlage der Temperatur ausgelenkt zu werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27–29, wobei das Zielmedium eine innere Stelle eines menschlichen oder tierischen Körpers ist.