DE102015218660A1

DE102015218660A1 - Kombinierter mikromechanischer Druck- und Feuchtesensor sowie Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102015218660A1
Application number: DE102015218660.1A
Authority: DE
Inventors: Michaela Mitschke; Tobias Sebastian Frey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2017-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kombinierten mikromechanischen Feuchte- und Drucksensor, bei dem beide Sensorelemente auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Description

Die Erfindung betrifft einen kombinierten mikromechanischen Feuchte- und Drucksensor, bei dem beide Sensorelemente auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Stand der Technik
Mikromechanische Sensoren werden in vielfältiger Weise für unterschiedliche Anwendungszwecke eingesetzt. Neben dem Wunsch, mit einem mikromechanischen Sensor gleichzeitig mehrere Sensorgrößen zu erfassen, bietet die Kombination verschiedener Sensorelemente auf einem gemeinsamen Substrat die Möglichkeit, die Genauigkeit der einzelnen Sensorgrößen durch Korrelationsprüfungen zu erhöhen.
So kann beispielsweise bei einem kombinierten Feuchte- und Drucksensoren über ein Feuchtesensorelement zusätzlich zum barometrischen Luftdruck ebenfalls die Luftfeuchtigkeit erfasst werden. Werden jedoch beide Sensorelement in unmittelbarer Nähe auf dem gemeinsamen Substrat angeordnet, kann es bei einem Aufquellen des feuchtesensitiven bzw. hydrophilen Materials des Feuchtesensors zu mechanischen Spannung rund um das Feuchtesensorelement kommen. Diese mechanischen Spannungen können das Messsignal des Drucksensorelements beeinträchtigen und somit verfälschen.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein mikromechanisches Bauelement sowie ein mikromechanisches Verfahren zu dessen Herstellung beansprucht, bei dem ein Feuchtesensorelement und ein Drucksensorelement in räumlicher Nähe auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat angeordnet sind. Das Drucksensorelement ist dabei als Membransensor ausgestaltet, bei dem eine Membran über einem Hohlraum angeordnet ist. Dabei ist unerheblich, ob der Hohlraum durch das Substrat in sich abgeschlossen oder zur Rückseite des Substrats geöffnet ist, beispielsweise durch ein Rückseitenätzverfahren wie SOI, KOH oder einem Trenchätzprozess. Die Druckgröße wird dabei mittels einer Durchbiegung der Membran erfasst. Dabei ist es unerheblich, ob diese Durchbiegung durch piezoelektrische Elemente oder kapazitiv erfasst wird. Das Feuchtesensorelement kann derart in das Halbleitersubstrat integriert werden, dass zunächst eine Erfassungsstruktur erzeugt wird, z.B. durch eine mikromechanische Strukturierung der Oberfläche des Halbleitersubstrats. Anschließend wird eine feuchtesensitive oder hydrophile Schicht eines Materials aufgebracht, deren physikalische und/oder chemische Eigenschaften sich durch die Erhöhung oder Reduzierung der Luftfeuchtigkeit ändert. Durch die Erfassung der Änderungen kann auf die Luftfeuchtigkeit geschlossen werden, z.B. um das parallel erfasste Drucksensorsignal abzugleichen. Um etwaige mechanisch induzierte Spannungen auf das Drucksensorelement oder andere Bauelemente in dem Halbleitersubstrat zu verhindern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, der Erfassungsstruktur und somit der feuchtesensitiven Schicht ein Ausgleichelement zuzuordnen, welches die mechanischen Spannungen durch die Veränderung der feuchtesensitiven Schicht aufnimmt bzw. kompensiert.
Der Vorteil einer derartigen Ausgestaltung liegt darin, dass mechanische Spannung, die durch ein aufquellen oder ein einschrumpfen des Materials der Schicht erzeugt werden, nicht auf die Erfassung des Drucksensorsignals einwirken und somit dessen Drucksensorgröße nicht verfälscht wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Ausgleichelement als Kaverne vorgesehen, die wenigstens teilweise unterhalb der Erfassungsstruktur bzw. der feuchtesensitiven Schicht angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Kaverne aber auch zwischen der Erfassungsstruktur und dem Drucksensorelement angeordnet sein, wahlweise vergraben oder zur Oberfläche des Halbleitersubstrats hin geöffnet. Letzteres kann beispielsweise mit einem Trenchgraben realisiert werden, der zumindest bis zur Tiefe der Membran des Drucksensorelements verlaufen sollte.
Vorteilhafterweise ist die Kaverne als vergrabener Ring seitlich und unterhalb der Erfassungsstruktur des Feuchtesensors in dem Halbleitersubstrat eingebracht. Hier kann in einer weiteren Ausgestaltung die Tiefe des Rings auf den Hohlraum des Drucksensorelements abgestimmt sein, so dass beide im Wesentlichen auf der gleichen Höhe liegen.
Durch die ringförmige Ausgestaltung der Kaverne (alternativ eines Trenchgrabens, siehe oben) kann die mechanische Spannung auch von weiteren elektrischen und/oder mechanischen Komponenten auf dem Substrat fern gehalten werden.
Zur Herstellung der Kaverne können ebenfalls wie zur Herstellung des Drucksensorelements sowie des Feuchtesensorelements mikromechanische Verfahren verwendet werden. Hierzu zählen das Trenchätzverfahren ebenso wie die Verwendung von porösem Silizium zur Erzeugung vergrabener Kavernen und Hohlräumen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In der 1 wird eine Ausführung eines Feuchte- und Drucksensors gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Die 2 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel. Die 3 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel.
Offenbarung der Erfindung
Bei der Verwendung von kombinierten Feuchte- und Drucksensorelementen auf einem Halbleitersubstrat kann es bei einer zu geringen räumlichen Nähe beider Sensorarten zu einer Beeinträchtigung der Erfassung des Drucksensorsignals kommen. Für die weitere Ausführung dieser Beeinträchtigung ist in der 1 ein Feuchtesensorelement 110 in unmittelbarer räumlichen Nähe zu einem Drucksensorelement 140 dargestellt. Das Drucksensorelement 140 weist in diesem Beispiel eine Membran 150 mit Piezoelementen 160 auf, die über einem Hohlraum 190 angeordnet sind. Alternativ kann der Drucksensor 140 jedoch auch mit einem zur Rückseite geöffneten Hohlraum ausgestattet sein.
Durch eine Verbiegung der Membran 150 aufgrund eines anliegenden Luftdrucks oder allgemein eines Mediendrucks werden in den Piezoelementen 160 charakteristische Sensorgrößen erzeugt, die einem Druck zugeordnet werden können. Statt einer Erfassung mittels Piezoelementen könnte hier auch die Erfassung mittels kapazitiver Auswertung der Membranverbiegung dargestellt sein.
Die Erfassung der Feuchte der Umgebungsluft wird bei dem Feuchtesensorelement 110 mittels einer Erfassungsstruktur 120 mit einer darauf befindlichen feuchtesensitiven bzw. hydrophilen Schicht 130 aus einem geeigneten Material, z.B. Polyimid, durchgeführt. Wie eingangs beschrieben, kann über die Veränderung der physikalisch/chemischen Parameter der feuchtesensitiven Schicht 130 auf den Feuchtegrad der Umgebungsluft bzw. des Umgebungsmediums geschlossen werden.
Problematisch wird der Einsatz von feuchtesensitiven bzw. hydrophilen Materialien der Schicht 130, die sich bei Aufnahme von Feuchtigkeit ausdehnen oder zusammenziehen und somit mittels eines Quereffekt einen Stresseintrag in das Trägermaterial erzeugen. Wie in der 1 anhand der seitlich neben der Erfassungsstruktur dargestellten Pfeile erkennbar ist, bei einer Ausdehnung der Schicht 130 eine mechanische Spannung in das Halbleitersubstrat 100 eingebracht. Da das Halbeitersubstrat 100 unterhalb der Erfassungsstruktur 120 allenfalls einen Teil der erzeugten mechanischen Spannung aufnehmen kann, wird der Rest der mechanischen Spannung zur Seite abgeleitet, u.a. in Richtung der Membran 150 und der Piezoelemente 160 des Drucksensorelements 140. Durch die so erzeugte Verbiegung der Membran 150 bzw. der Verspannung der Piezoelemente 160 wird eine Signalgröße induziert, ohne dass ein vergleichbarer Luft- oder Mediendruck an der Membran 150 anliegt.
In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der 2 wird die mechanische erzeugte Spannung durch das Aufquellen der feuchtesensitiven Schicht 130 durch ein Ausgleichsmittel in Form einer Kaverne 170 unterhalb der Erfassungsstruktur 120 aufgefangen und somit von der Membran 150 fern gehalten. Durch die Möglichkeit, dass sich die Erfassungsstruktur 120, die sich in diesem Beispiel auf einer Membran befindet, nach unten ausdehnen kann, wird ein seitlicher Quereintrag der mechanischen Spannungen verhindert oder zumindest deutlich reduziert.
Zur Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels kann die Kaverne 170 vollständig oder auch nur zu einem Teil unterhalb der Erfassungseinrichtung oder der darauf befindlichen Schicht 130 befinden. Denkbar ist beispielsweise, dass nur in einem Bereich zum Drucksensor 140 hin die Kaverne 170 vorgesehen ist. Alternativ oder optional kann auch vorgesehen sein, dass die Kaverne seitlich über die Ausdehnung der Erfassungsstruktur 120 und/oder der bedeckenden Schicht 130 hinaus geht. Durch diese Ausgestaltung können auch gegebenenfalls auftretende seitlich induzierte mechanische Spannungen kompensiert werden.
Im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß der 3 wird eine Kaverne 180 in Form eines vergrabenen Rings seitlich und unterhalb der Erfassungsstruktur 120 bzw. der feuchtesensitiven Schicht 130 in das Halbleitersubstrat eingebracht. Auch bei dieser Ausführung werden die induzierten mechanischen Spannungen durch eine Verbiegung der Kavernenwände abgefangen und kompensiert. Vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung ist, dass die Erfassungsstruktur 120 oberhalb eines massiven Bereichs des Halbleitersubstrats 100 erzeugt werden kann.
Optional kann vorgesehen sein, dass die Kaverne 180 auf der gleichen Höhe wie der Hohlraum 190 des Drucksensorelements 140 angeordnet ist. In einer weiteren Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass die Kaverne 180 eine größere vertikale Ausdehnung als der Hohlraum 190 aufweist. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Kaverne 180 bis zur Oberfläche des Halbleitersubstrats 100 geöffnet ist, und so einen Graben um die Erfassungsstruktur 120 bildet. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass mittels eines Trenchätzprozesses das Ausgleichselement in Form eines Grabens, ausgehend von der Oberfläche, zwischen der Erfassungsstruktur 120 und der Membran 150 erzeugt wird. Dabei sollte die Tiefe des Grabens wenigstens bis zum Beginn des Hohlraums 190 reichen. Vorteilhafterweise wäre die Tiefe des Grabens wenigstens bis zum Boden des Hohlraums 190 zu wählen.
Die Kaverne 170 sowie 180 kann mittels geeigneter mikromechanischer Prozesse einfach erzeugt werden. Neben der Verwendung von Trenchätzprozessen und Opferschichtätzprozessen kann auch die Erzeugung von porösem Silizium im Silziumsubstrat 100 verwendet werden, um vergrabene Kavernen zu erzeugen. Die Erzeugung dieser Kavernen kann dabei im gleichen Prozessschritt wie die Erzeugung des Hohlraums 190 bzw. der Membran 150 des Drucksensorelements 140 durchgeführt werden.

Claims

Mikromechanisches Bauelement mit einem Feuchtesensorelement (110) und einem Drucksensorelement (140), wobei • das Feuchtesensorelement (110) und das Drucksensorelement (140) in räumlicher Nähe in ein gemeinsames Halbleitersubstrat (100) integriert sind, und • das Feuchtesensorelement (110) zur Erfassung der Feuchte eine Erfassungsstruktur (120) mit einem feuchtesensitiven Material (130) aufweist, welches unter Feuchteeinfluss wenigstens eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft verändert, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsstruktur (120) ein Ausgleichselement (170, 180) zugeordnet ist, welches eine mechanische Spannung, die durch die Veränderung des feuchtesensitiven Materials (130) im Substrat (100) erzeugt wird, aufnimmt.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (170, 180) die feuchteinduzierte mechanische Spannung gegenüber einer dem Drucksensorelement (140) zugeordneten Membran (150) abschirmt.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das feuchtesensitive Material (130) aus einem hydrophilen Material, z.B. Polyimid besteht.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsstruktur (120) in die Oberfläche des Substrats integriert ist
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens teilweise unterhalb der Erfassungsstruktur (120) eine Kaverne (170) als Ausgleichelement vorgesehen ist.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Erfassungsstruktur (120) und den Drucksensorelement (140) eine Kaverne (180) als Ausgleichelement vorgesehen ist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (180) zur Oberfläche des Substrats (100) geöffnet ist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (180) als vergrabener Ring seitlich und unterhalb der Erfassungsstruktur (120) angeordnet ist, insbesondere auf gleicher Höhe mit einem dem Drucksensorelement (140) zugeordneten Hohlraum (190).
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels mikromechanischer Verfahren • zur Herstellung eines Drucksensorelements (140) eine Membran (150) mit darunter liegendem Hohlraum (160) in einem Substrat (100) erzeugt wird und • zur Herstellung eines Feuchtesensorelements (110) eine Erfassungsstruktur (120) neben dem Drucksensorelement (140) in dem Substrat (100) erzeugt wird, wobei auf die Erfassungsstruktur (120) eine Schicht aus feuchtesensitivem Material (130) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mikromechanischer Verfahren unter und/oder neben der Erfassungsstruktur (120) eine Kaverne (170, 180) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne wenigstens teilweise unterhalb der Erfassungsstruktur (120) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne als vergrabener Ring seitlich und unterhalb der Erfassungsstruktur (120) erzeugt wird, insbesondere auf gleicher Höhe mit dem dem Drucksensorelement (140) zugeordneten Hohlraum (190).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne mittels Trenchprozess als Graben zwischen der Erfassungsstruktur (120) und der Membran (150) des Drucksensorelements (140) in die Oberfläche des Substrats (100) eingebracht wird.