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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikroelektronisches Bauelement, ein entsprechendes Betriebsverfahren und ein Herstellungsverfahren für ein mikroelektronisches Bauelement.
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Stand der Technik
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Zur Detektion elektromagnetischer Strahlung sind Ferninfrarot(FIR)-Sensoren nach dem bolometrischen Prinzip bekannt, die jeweils eine integral spektral abgestrahlte Leistung eines Objektes detektieren. Aufgrund der Absorption in der Atmosphäre liegt der auswertbare Wellenlängenbereich etwa zwischen 7 Mikrometer und 15 Mikrometer.
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Da ein entsprechender Emissionskoeffizient eines Objektes im Allgemeinen nicht bekannt ist, ist der Rückschluss auf die absolute Objekttemperatur nicht eindeutig möglich. Ferner kann im Allgemeinen der Emissionskoeffizient als konstant angenommen werden.
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Zum Bestimmen der Objekttemperatur werden insbesondere Multi-Color Mikrobolometer eingesetzt, bei denen der Abstand zwischen Pixelstruktur (temperatursensitives Bauelement und Absorber) und einer reflektierenden Fläche (beispielsweise ein Metallspiegel) durch einen elektrostatischen Antrieb variiert wird. Dadurch entsteht ein durchstimmbarer Resonator und es kommt zu einer konstruktiven Interferenz von Wellen einer bestimmten Wellenlänge. Wird der Abstand variiert, wird jeweils eine andere Wellenlänge bevorzugt verstärkt und vom Mikrobolometerpixel absorbiert. Dadurch ist eine Bestimmung der absoluten Objekttemperatur sowie des Emissionskoeffizienten möglich, da dann mathematisch betrachtet zwei Gleichungen für zwei Unbekannte vorliegen. Die für dieses Verfahren benötigte Spannung liegt in der Größenordnung von 100 V und erfordert einen dedizierten ASIC Prozess.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein mikroelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, ein entsprechendes Betriebsverfahren nach Anspruch 11 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 12.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt darin, insbesondere eine Vielzahl von Pixeln, welche jeweils ein temperatursensitives Bauelement und einen Absorber umfassen, zumindest teilweise mit einem Fotolack zu versehen. Die Fotolacke unterscheiden sich hierbei insbesondere in ihrer IR bzw. FIR-Transparenz. Aufgrund dieser Fotolacke, die entsprechend auf zumindest einem der Absorber angeordnet oder integriert sind, können insbesondere auf Basis zweier Absorber bzw. Pixel durch Anordnen in einem oder mehreren Arrays Emissionskoeffizient ε und Temperatur T – insbesondere die absolute Objekttemperatur – bestimmt werden, ohne das ein Variieren eines Abstandes zwischen Absorber und reflektierender Fläche – beispielsweise ein Metallspiegel auf einer Montage eines Auswertesubstrats – erforderlich ist. Das heißt, dass der Abstand zwischen Absorber und reflektierender Fläche konstant bleibt und das Absorbieren unterschiedlicher Wellenlängen λ insbesondere auf den hier beschriebenen Fotolack zurückführbar ist Die absorbierte Wellenlänge λ kann insbesondere spezifisch für jeden der Fotolacke sein.
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Gemäß dem Planck'schen Strahlungsgesetz emittiert jedes Objekt, abhängig von seiner Temperatur und seiner Oberflächenbeschaffenheit, Strahlung. Für einen ideal schwarzen Körper gilt dabei für die spektrale Leistungsdichte:
, wobei h für die Planck Konstante, c für die Lichtgeschwindigkeit, k
B für die Boltzmann Konstante und T für die Temperatur steht. Eine Emission des Objektes, also wie effektiv eine Strahlung emittiert werden kann, wird über einen multiplikativen Faktor ε(λ) (Emissionskoeffizient) berücksichtigt.
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Da der Emissionskoeffizient ε(λ) des Objektes im Allgemeinen nicht bekannt ist, ist der Rückschluss auf die absolute Objekttemperatur nicht eindeutig möglich. Da der Emissionskoeffizient ε(λ) im Allgemeinen als konstant angenommen werden kann bleiben damit aus der gemessenen Leistung die beiden Unbekannten ε und T (siehe Gleichung).
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Durch das hier beschriebene mikroelektronische Bauelement wird insbesondere durch den Fotolack jeweils eine andere Wellenlänge absorbiert. Dadurch ist eine Bestimmung der absoluten Objekttemperatur sowie des Emissionskoeffizienten möglich, da dann mathematisch betrachtet zwei Gleichungen (absorbierte Leistung durch zumindest zwei Absorber) für zwei Unbekannte (ε, T) vorliegen.
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Durch das hier beschriebene mikroelektronische Bauelement ergeben sich insbesondere die Vorteile, dass keine hohen Spannungen für einen elektrostatischen Antrieb notwendig sind. Das heißt, dass für das Auswertesubstrat ein low-power ASIC Prozesse verwendet werden kann. Ferner liegen Signale für verschiedene Wellenlängenbereiche gleichzeitig vor, sodass eine geringe Ansprechzeit des mikroelektronischen Bauelements möglich ist. Des Weiteren ist eine vereinfachte Schaltungstechnik und Auswertung auf dem Auswertesubstrat möglich, weil auf eine aufwändige Abstandsmessung zwischen Pixel und Metallspiegel im Resonator verzichtet werden kann, wodurch das mikroelektronische Bauelement insbesondere CMOS kompatibel ist.
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Mit anderen Worten wird ein einfaches und kostengünstiges mikroelektronisches Bauelement bereitgestellt.
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Vorliegend kann insbesondere unter „elektromagnetischen Wellen” Strahlung im infraroten oder ferninfraroten Spektralbereich verstanden werden.
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Vorliegend kann unter dem Begriff „temperatursensitives Bauelement mit Absorber” insbesondere auch ein Detektionspixel oder Pixel nach dem bolometrischen Prinzip verstanden werden.
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Bei dem hier beschriebenen mikroelektronischen Bauelement handelt es sich um ein separates, selbsttragendes und funktionsfähiges Bauteil. Ein Weiterverbauen des hier beschriebenen mikroelektronischen Bauelements mit weiteren mikroelektronischen Komponenten kann insbesondere als ein mikroelektronisches System verstanden werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst jedes der Absorber zumindest bereichsweise einen wellenlängenselektiven Fotolack. So lässt sich insbesondere der Abstand zwischen dem temperatursensitiven Bauelement mit Absorber und Auswertesubstrat konstant halten, wodurch das Auswertesubstrat besonders energieeffizient betrieben werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst der wellenlängenselektive Fotolack ein zumindest teilweise bzw. bereichsweise Ferninfrarot transparentes Material. So lässt sich die absolute Objekttemperatur effizient bestimmen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst der wellenlängenselektive Fotolack einen optischen Tiefpassfilter. So lässt sich die absolute Objekttemperatur effizient bestimmen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der optische Tiefpassfilter eine Cut-Off Wellenlänge im Bereich von 10 Mikrometer auf. So lässt sich die Objekttemperatur besonders genau bestimmen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst der optische Tiefpassfilter Polyamid. So ist der Tiefpassfilter kostengünstig herstellbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist jeder der Absorber zumindest einen bereichsweise den Absorber umlaufenden Kontaktarm auf. Insbesondere weist der Absorber zwei den Absorber umlaufende Kontaktarme auf. Die Kontaktarme des Absorbers dienen insbesondere dazu den Absorber bzw. das temperatursensitive Bauelement in der zumindest einen Kavität des Auswertesubstrat anzuordnen, thermisch zu entkoppeln und eine elektrische Zuleitung bereitzustellen. Beispielsweise können die umlaufenden Kontaktarme in einer lateralen Richtung von einer Hauptfläche des Absorbers durch materialfreie Bereiche von der Hauptfläche des Absorbers beabstandet sein. So lässt sich durch den zumindest einen umlaufenden Kontaktarm eine gute thermische Isolierung während des Betriebs realisieren, wobei durch die Kontaktarme eine elektrische Kontaktierung zum Auswertesubstrat hergestellt werden kann. Der Absorber umfasst beispielsweise Siliziumdioxid und der zumindest eine Kontaktarm kann insbesondere aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit Titan umfassen. Beispielsweise weisen die Kontaktarme Abmessungen im Bereich von 1 Mikrometer × 0,5 Mikrometer auf. So lässt sich die elektromagnetische Strahlung besonders effizient absorbieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung, ist in der Kavität ein Vakuum ausgebildet. So lässt sich eine Streuung der IR und/oder FIR-Strahlung innerhalb der Kavität reduzieren. Insbesondere lässt sich mittels des Vakuums eine höhere thermische Entkopplung des temperatursensitiven Bauelements bzw. des Absorbers erzielen, wodurch eine deutlich höhere Sensitivität erreicht werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung basiert eine Funktionalität der zumindest zwei temperatursensitiven Bauelemente auf einer Diode, einem Thermocouple oder einem Widerstand. Der Widerstand kann beispielsweise ein Metall oder ein amorphes Silizium umfassen. So steht ein breites Spektrum von temperatursensitiven Bauelementen zur Verfügung, die insbesondere in den Absorber oder in dem Fotolack integrierbar sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Abstand zu der Montagefläche einen Wert von λ/4 zu einer detektierenden Wellenlänge auf. Dieser Wert beträgt in etwa 2,5 Mikrometer. Insbesondere grenzt die Montagefläche des Auswertesubstrats an eine Bodenfläche der Kavität an. Die Kavität kann insbesondere durch ein Silizium Ätzverfahren herstellbar sein bzw. in einem SOI-Substrat mit entsprechender Auswerteschaltung angeordnet sein. So lässt sich die Objekttemperatur besonders genau bestimmen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die Montagefläche zumindest bereichsweise einen Metallspiegel. So lässt sich die Montagefläche des Auswertesubstrats schützen und die elektromagnetische Strahlung effizient zurückreflektieren.
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Die hier beschriebenen Merkmale für das mikroelektronische Bauelement gelten auch für das entsprechende Betriebsverfahren sowie für das entsprechende Herstellungsverfahren sowie umgekehrt.
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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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1 einen Graph zum Erläutern wellenlängenabhängiger Transmission von Fotolacken;
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2 eine schematische Aufsicht zum Erläutern eines mikroelektronischen Bauelements und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern eines mikroelektronischen Bauelements und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 eine schematische Aufsicht zum Erläutern eines mikroelektronischen Bauelements und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern eines mikroelektronischen Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern eines mikroelektronischen Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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7 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern eines mikroelektronischen Bauelements gemäß einer vierten 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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1 ist ein Graph zum Erläutern wellenlängenabhängiger Transmission von Fotolacken.
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1 zeigt einen Graphen, wobei auf der X-Achse eine Wellenlänge λ in Mikrometer und auf der Y-Achse eine Transmission Tr in Prozent aufgetragen ist. Die gestrichelte Line, die gepunktete Linie sowie die durchgezogene Linie stellen unterschiedliche Wellenlängen λ1, λ2, λ3 dar, die in Abhängigkeit eines Fotolacks zum Absorber bzw. temperatursensitiven Bauelement durchgelassen werden. Aufgrund der Absorption in der Atmosphäre liegt der auswertbare Wellenlängenbereich etwa zwischen 7 Mikrometer und 15 Mikrometer.
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2 ist eine schematische Aufsicht zum Erläutern eines mikroelektronischen Bauelements und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 2 bezeichnet Bezugszeichen 100 ein mikroelektronisches Bauelement, wobei eine Kavität K1 vier temperatursensitive Bauelemente 20, 30, 40, 50 mit jeweils einem Absorber 15 umfasst. Drei der vier temperatursensitiven Bauelemente 20, 30, 40 sind von einem wellenlängenselektiven Fotolack F1, F2, F3 vollständig bedeckt. Das vierte temperatursensitive Bauelement 50 weist keinen Fotolack auf. Hierdurch absorbiert jedes der vier Absorber 15 eine unterschiedliche Wellenlänge λ. Die vier temperatursensitiven Bauelemente 20, 30, 40, 50 mit jeweils dem Absorber 15 bzw. vier Sensorpixel bilden in Kombination ein Bildpixel.
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Da die Transmission des jeweiligen Fotolacks F1, F2, F3 bekannt ist und zweckmäßig maximal den halben detektierbaren Wellenlängenbereich unterdrückt, kann bei deaktivierter Multi-Color Auswertung ein Wärmebild mit voller Pixelanzahl und Auflösung generiert werden. Bei einer aktivierten Absolut-Temperaturmessung schränkt sich die Auflösung des Bildes ein. Dies ist jedoch vorteilhaft, da durch geeignete Multiplexverfahren beispielsweise nur jedes fünfte Bild mit absoluter Temperaturauswertung aufgenommen wird und alle weiteren Bilder eine relative Temperaturänderung detektieren, die mit der absoluten Temperatur eines Objektes kombiniert werden kann.
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Das mikroelektronische Bauelement 100 der 2 umfasst hierbei ein 3 × 2 Array bzw. sechs Kavitäten K1. Die vier temperatursensitiven Bauelemente 20, 30, 40, 50 mit jeweils dem Absorber 15 umfassen ferner jeweils zwei Kontaktarme 17, die an jedem der Absorber 15 angeordnet sind und die Absorber 15 jeweils zumindest bereichsweise umlaufen. Der Absorber 15 umfasst beispielsweise Siliziumdioxid und die beiden Kontaktarme können insbesondere aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit Titan 18 umfassen.
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Beispielsweise erlauben die drei temperatursensitive Bauelemente 20, 30, 40 mit Fotolack eine Transmission der unterschiedlichen Wellenlängen λ1, λ2, λ3 wie in der 1 gezeigt.
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3 ist eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern eines mikroelektronischen Bauelements und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die 3 zeigt eine schematische senkrechte Querschnittsansicht entlang der gestrichelten Linie A-A der 2. In der 3 ist exemplarisch der senkrechte Querschnitt des ersten und zweiten temperatursensitiven Bauelements 20, 30 mit Absorber 15 gezeigt.
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Wie in der 3 gezeigt, sind die temperatursensitiven Bauelemente 20, 30 in Richtung einer Montagefläche 11 eines Auswertesubstrats 10 angeordnet. Das Auswertesubstrat 10 kann insbesondere ein ASIC-Chip sein. Die jeweiligen Absorber 15 sind als separate Elemente ausgebildet. Auf einer dem temperatursensitiven Bauelement 20, 30 gegenüberliegenden Fläche des Absorbers 15 sind jeweils die Fotolacke F1, F2 ausgebildet. Ferner weisen die temperatursensitiven Bauelement 20, 30 zu der Montagefläche 11 einen Abstand A1 auf.
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Jeder der Absorber 15 weist zwei Kontaktarme 17 auf, die insbesondere dazu dienen den Absorber 15 in der Kavität K1 anzuordnen. Alternativ ist denkbar, dass innerhalb eines der Arrays eine Trennwand T1 ausbildet ist, um die einzelnen temperatursensitiven Bauelemente 20, 30 voneinander zu trennen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn auf der Montagefläche 11 ein Metallspiegel M1 angeordnet ist, so dass eine reflektierte elektromagnetische Strahlung nicht eine Absorption eines benachbarten Absorbers 15 beeinflusst.
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4 ist eine schematische Aufsicht zum Erläutern eines mikroelektronischen Bauelements und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die 4 basiert auf dem in 2 und 3 gezeigten mikroelektronischen Bauelement mit dem Unterschied, dass statt vier hier zwei temperatursensitive Bauelemente 20, 30 mit dem entsprechenden Absorber 15 in einem Array angeordnet sind.
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Die entsprechende senkrechte Querschnittsansicht der 4 entlang der gestrichelten Linie A-A ist in 3 gezeigt.
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5 ist eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern eines mikroelektronischen Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines temperatursensitiven Bauelements 20, 30, 40 mit insbesondere entsprechenden Absorber 15.
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6 ist eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern eines mikroelektronischen Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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6 basiert auf das in der 5 gezeigte temperatursensitive Bauelement 20, 30, 40 mit dem Unterschied, dass das temperatursensitive Bauelement 20, 30, 40 als metallischer Widerstand in dem Absorber 15 integriert ist.
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7 ist eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern eines mikroelektronischen Bauelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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7 basiert auf das in der 6 gezeigte temperatursensitive Bauelement 20, 30, 40 mit dem Unterschied, der Absorber 15 so wie auch die Kontaktarme 17 ein Material des Fotolacks F1, F2, F3 umfassen. Beispielsweise kann das Material des Fotolacks F1, F2, F3 Polyamid sein.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand obiger Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt. Vielmehr kann die hier beschriebene mikroelektronische Anordnung mit weiteren Bauelementen, wie z. B. MEMS, Mikrokontroller usw. kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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