DE102016122525B4

DE102016122525B4 - Sensorbauelemente eines mikroelektronischen Systems

Info

Publication number: DE102016122525B4
Application number: DE102016122525.8A
Authority: DE
Inventors: Gunar Lorenz; Nikolay Ilkov; Georg Lischka
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-11-22
Filing date: 2016-11-22
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2036-11-23
Also published as: US20180141802A1; US10214413B2; DE102016122525A1

Abstract

Ein MEMS-Sensorbauelement (200, 300-A, 300-B), umfassend:
eine elektrisch leitfähige Membran (210); und
eine elektrisch leitfähige geschlossene Schleifenstruktur (220), die in der Nähe zu der Membran (210) angeordnet ist und ausgebildet ist, um Wirbelströme in der Membran (210) zu reduzieren,
wobei die geschlossene Schleifenstruktur (220) ausgebildet ist, um während des Betriebs des MEMS-Sensorbauelements (200, 300-A, 300-B) potentialfrei zu sein.

Description

Gebiet
Beispiele beziehen sich auf Sensorbauelemente eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) und insbesondere auf Strukturen in MEMS-Sensorbauelementen zum Reduzieren von Wirbelströmen, die in MEMS-Sensorbauelementen auftreten.
Hintergrund
MEMS-Sensoren werden bei verschiedenen Anwendungen und zahlreichen Arten von elektronischen Bauelementen eingesetzt. Die US 2016/0 176 702 A1 , US 2016/0 219 376 A1 , US 2013/0 255 381 A1 , DE 10 2015 225 181 A1 , US 2008/0 176 046 A1 oder die US 2003/0 116 851 A1 zeigen verschiedenen Varianten und Implementierungen von MEMS-Sensoren. Im Lauf der Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen und ihren Komponenten werden MEMS-Sensoren häufig in großer Nähe zu anderen Teilen eines elektronischen Bauelements platziert. Zum Beispiel kann innerhalb eines Smartphones ein MEMS-Sensor, der ein Mikrofon implementiert, in der Nähe einer Antenne des Smartphones angeordnet sein. Elektromagnetische Signale an der Antenne oder andere Wechselströme innerhalb des Smartphones können Interferenzen verursachen, die die Funktionalität, Zuverlässigkeit und das Verhalten des MEMS-Sensors verschlechtern können. Zum Beispiel erfasst der MEMS-Sensor bei Vorhandensein von Störsignalen, nicht nur das gewünschte Signal sondern auch die Störsignale, die die Detektion des gewünschten Signals überlagern und stören.
Somit besteht ein Bedarf zum Bereitstellen von Konzepten zum Verbessern des Verhaltens und der Zuverlässigkeit von MEMS-Sensoren.
Zusammenfassung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein MEMS-Sensorbauelement bereitgestellt. Das MEMS-Sensorbauelement umfasst eine elektrisch leitfähige Membran und eine elektrisch leitfähige geschlossene Schleifenstruktur. Die geschlossene Schleifenstruktur ist in der Nähe zu der Membran angeordnet und ist ausgebildet, um Wirbelströme in der Membran zu reduzieren.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein anderes MEMS-Sensorbauelement bereitgestellt. Das MEMS-Sensorbauelement umfasst eine Membran. Die Membran umfasst Regionen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit, die ausgebildet sind, um die Wirbelströme in der Membran zu reduzieren.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein wiederum anderes MEMS-Sensorbauelement bereitgestellt. Das MEMS-Sensorbauelement umfasst eine zumindest teilweise elektrisch leitfähige Membran und eine elektrisch leitfähige Regelungsstruktur. Die Regelungsstruktur ist in der Nähe zu der Membran angeordnet und ist ausgebildet, um Wirbelströme in der Membran zu reduzieren. Ferner umfasst die Membran Regionen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit, die ausgebildet sind, um die Wirbelströme in der Membran zu reduzieren.
Figurenliste
Nachfolgend werden einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren ausschließlich beispielhaft und Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen

1 stellt eine Induktion von Wirbelströmen innerhalb eines leitfähigen Materials dar;
2 einen schematischen lateralen Querschnitt eines MEMS-Sensorbauelements zeigt;
3a einen schematischen lateralen Querschnitt eines MEMS-Sensorbauelements zeigt, umfassend eine leitfähige Schleifenstruktur, die auf einer Membranträgerstruktur des MEMS-Sensorbauelements angeordnet ist;
3b einen schematischen lateralen Querschnitt eines MEMS-Sensorbauelements zeigt, umfassend eine leitfähige Schleifenstruktur, die in einer Membranträgerstruktur des MEMS-Sensorbauelements eingebettet ist;
4 ein MEMS-Mikrofonbauelement zeigt;
5 ein schematisches Diagramm eines MEMS-Sensorbauelements zeigt;
6a eine schematische Draufsicht einer Membran eines MEMS-Sensorbauelements zeigt, umfassend eine sekundäre Region mit einer Spiralform;
6b eine schematische Draufsicht einer anderen Membran eines MEMS-Sensorbauelements zeigt, umfassend eine Mehrzahl von sekundären Regionen, die sich lateral in einer radialen Richtung der Membran erstrecken; und
7 ein schematisches Diagramm eines MEMS-Sensorbauelements zeigt, umfassend eine leitfähige Schleifenstruktur und eine Membran mit Regionen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit, die ausgebildet sind, um Wirbelströme in der Membran zu reduzieren.

Detaillierte Beschreibung
Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Beispiele dargestellt sind. In den Figuren kann die Dicke der Linien, Schichten und/oder Regionen der Klarheit halber übertrieben sein.
Während sich weitere Beispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, werden bestimmte Beispiele derselben in den Figuren dementsprechend beispielhaft gezeigt und hier ausführlich beschrieben. Allerdings schränkt diese detaillierte Beschreibung weitere Beispiele nicht auf die beschriebenen bestimmten Formen ein. Weitere Beispiele können alle in den Rahmen der Offenbarung fallenden Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken. In der gesamten Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Elemente, die identisch oder in modifizierter Form im Vergleich zueinander implementiert sein können, während sie dieselbe oder eine ähnliche Funktionalität bereitstellen.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, die Elemente direkt verbunden oder gekoppelt sein können oder über ein oder mehrere Zwischenelemente. Wenn zwei Elemente A und B mit einem „oder“ verbunden werden, soll dies derart verstanden werden, dass alle möglichen Kombinationen, d. h. nur A, nur B sowie A und B, offenbart sind. Ein alternativer Wortlaut für dieselben Kombinationen ist „zumindest eines von A und B“. Dasselbe gilt für Kombinationen aus mehr als 2 Elementen.
Die hierin zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendete Terminologie soll nicht begrenzend für weitere Beispiele sein. Wann immer eine Singularform wie „ein, eine“ und „das, der, die“ verwendet wird, und die Verwendung von nur einem Element weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch Pluralformen umfassen, um dieselbe Funktionalität zu implementieren. Wenn eine Funktionalität nachfolgend derart beschreiben wird, dass sie unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert wird, können weitere Beispiele dieselbe Funktionalität ebenso unter Verwendung eines einzelnen Elements oder Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweisen“ und/oder „aufweisend“ bei hiesigem Gebrauch das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente und/oder Bestandteile angeben, aber nicht das Vorhandensein oder die Zufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen.
Sofern nicht anderweitig definiert werden alle hier benutzten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) in ihrer üblichen Bedeutung des Gebiets verwendet, zu dem die Beispiele gehören.
1 stellt eine Induktion 100 von Wirbelströmen innerhalb eines leitfähigen Materials dar. Ein Wechselstrom, der durch eine Spule fließt, verursacht magnetische Wechselfelder. Diese magnetischen Wechselfelder dringen in das leitfähige Material ein, wo sie die Wirbelströme induzieren. Die induzierten Wirbelströme erzeugen ihrerseits ein Magnetfeld entgegengesetzt zu den Magnetfeldern der Spule. Bei einer Anwendung kann die Spule einer Antenne eines Smartphones entsprechen und das Magnetfeld der magnetischen Komponente einer elektromagnetischen Welle, die durch die Antenne abgestrahlt wird. Das leitfähige Material kann Teil eines MEMS-Sensorbauelements sein, z.B. eines MEMS-Gehäuses oder einer MEMS-Membran.
Zum Beispiel können MEMS-Sensorbauelemente bei mobilen Anwendungen, wie z.B. Mikrofonen in Smartphones und Tablets, einer intensiven elektromagnetischen HochfrequenzStrahlung ausgesetzt sein, wenn sie in großer Nähe zu einer Radiofrequenz- (RF-) Antenne platziert sind. Die hohe Leistung einer abstrahlenden Antenne (z.B. der RF-Antenne) kann teilweise durch das MEMS-Sensorbauelement absorbiert werden und kann unerwünschte Ausgangssignale erzeugen, die als Radiofrequenz-Interferenz (RFI) bekannt sind.
Eine Form von RFI bezieht sich auf thermo-akustische Kopplung. Diese Form von RFI kann durch Wirbelströme innerhalb eines MEMS-Gehäuses verursacht werden, wie in 1 gezeigt ist. Das auferlegte Magnetfeld kann Wirbelströme in Metalllagen (oder leitfähigen Lagen) erzeugen, wie z.B. Mikrofonmembranen oder Rückplatten (eines Mikrofons). Die induzierten Wirbelströme können dann Temperaturfluktuationen in den freiliegenden Strukturen verursachen. Die Temperaturfluktuationen können in das umliegende Gas innerhalb des MEMS-Gehäuses abgestrahlt werden. Temperaturfluktuationen in dem Gas können aufgrund der Wärmeausdehnung in Druckfluktuationen übersetzt werden. Die Temperatur- und die resultierende Druck-Fluktuationen können mit der charakteristischen Frequenz des auferlegten Magnetfeldes variieren. MEMS-Sensorbauelemente können durch interne Druckfluktuationen beeinflusst werden. Zum Beispiel können MEMS-Mikrofone empfindlich sein für Druckfluktuationen in dem hörbaren Frequenzband. Interne Druckfluktuationen können Membranbewegungen erzeugen, die in ein elektrisches Ausgangssignal (des MEMS-Mikrofons) umgewandelt werden können, das von Ausgangssignalen möglicherweise nicht unterscheidbar ist, die durch externe Druckveränderungen erzeugt werden. Anders ausgedrückt können Mikrofone elektrische Ausgangssignale aufgrund einer auferlegten magnetischen Strahlung erzeugen, sogar wenn kein externer akustischer Stimulus angewendet wird. Diese Form einer Ausgabe kann als RFI oder RF-Rauschen betrachtet werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können dazu dienen, RFI innerhalb von MEMS-Sensorbauelementen zu reduzieren und/oder zu vermeiden.
Zum Beispiel können Gegenmaßnahmen zum Unterdrücken oder Einschränken von RFI bei MEMS-Sensorbauelementen eine elektromagnetische Abschirmung in der Form von Metallgehäusen, zusätzliche Masse-Ebenen in der gedruckten Schaltungsplatine (PCB) und/oder Parameter-Vias in dem Umfang der PCB umfassen. Zum Beispiel können Maßnahmen auf dem Einschließen des MEMS-Sensorbauelements und dessen anwendungsspezifischer integrierter Schaltung (ASIC) in einem Faraday'schen Käfig basieren, um sie vor externer Strahlung abzuschirmen. Zusätzliche Maßnahmen können Tiefpassfilter an zumindest einigen (oder allen) elektrischen Ein- und Ausgängen umfassen.
Nichtsdestotrotz kann das Magnetfeld immer noch in das MEMS-Gehäuse eindringen, trotz des Abschirmungsaufwandes. Die entsprechende Magnetfeldstärke kann immer noch ausreichend sein, um ungewollte durch Wirbelströme verursachte thermo-akustische RFI zu verursachen. Das Unterdrücken aller Magnetfelder innerhalb eines MEMS-Gehäuses kann eine sehr schwierige Aufgabe sein, aufgrund der verschiedenen elektrischen Ein- und Ausgänge des Sensorsystems (z.B. des MEMS-Sensorbauelements). Somit können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung Maßnahmen zum Reduzieren der negativen Effekte von Magnetfeldern innerhalb des Gehäuses vorschlagen, wie z.B. die Induktion von Wirbelströmen. Je mehr Wirbelströme reduziert werden, desto weniger Temperatur- und Druckfluktuationen können in dem MEMS-Gehäuse vorhanden sein. Die vorgeschlagenen Konzepte und Strukturen können eine Alternative sein zu oder können kombiniert werden mit Verfahren und Strukturen zum Verhindern, dass Magnetfelder in MEMS-Sensorbauelemente eindringen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung zeigt 2 einen schematischen lateralen Querschnitt eines Sensorbauelements 200 eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS). Das MEMS-Sensorbauelement 200 umfasst eine elektrisch leitfähige Membran 210 und eine elektrisch leitfähige Regelungsstruktur 220. Die Regelungsstruktur 220 ist in der Nähe zu der Membran 210 angeordnet und ist ausgebildet, um Wirbelströme in der Membran 210 zu reduzieren.
Wirbelströme in der Membran 210 können durch ein extern auferlegtes Magnetfeld 208 verursacht werden. Die Reduktion von Wirbelströmen aufgrund der Regelungsstruktur 220 kann zu einer Reduktion von Wärme führen, die durch die Wirbelströme dissipiert wird. Je weniger Wärme dissipiert wird, desto weniger kann das Gas in dem MEMS-Sensorbauelement 200 erwärmt werden und folglich können somit desto weniger Druckvariationen innerhalb des MEMS-Sensorbauelements 200 verursacht werden. Folglich können weniger unerwünschte Ablenkungen der Membran auftreten, die Störsignale erzeugen würden, die ein gewolltes Ausgangssignal des MEMS-Sensorbauelements 200 überlagern. Die Reduktion von Störsignalen kann das Verhalten (z.B. das Signal-zu-Interferenz-plus-Rauschen-Verhältnis des Ausgangssignals des MEMS-Sensorbauelements 200) und/oder die Zuverlässigkeit des MEMS-Sensorbauelements 200 verbessern.
Die Regelungsstruktur 220 kann ausgebildet sein, um ein Gegenmagnetfeld 222 ansprechend auf das extern auferlegte Magnetfeld 208 bereitzustellen. Das Gegenmagnetfeld 222 kann eine Induktion von Wirbelströmen in der Membran 210 reduzieren, die durch das extern auferlegte Magnetfeld 208 verursacht wird. Anders ausgedrückt kann das extern auferlegte Magnetfeld 208 einen Strom in der Regelungsstruktur 220 induzieren. Gemäß dem Lenz’schen Gesetz kann dieser induzierte Strom das Gegenmagnetfeld 222 erzeugen, das von entgegengesetzter Polarität zu dem extern auferlegten Magnetfeld 208 sein kann. Aufgrund der entgegengesetzten Polarität kann eine Magnetfeldstärke an der Membran 210 reduziert werden, sodass auch die Induktion von Wirbelströmen in der Membran 210 reduziert werden kann.
Die Regelungsstruktur 220 kann ausgebildet sein, um während des Betriebs des MEMS-Sensorbauelements 200 potentialfrei zu sein. Zu diesem Zweck kann die Regelungsstruktur 220 elektrisch von jeglichen anderen elektrisch leitfähigen und/oder stromführenden Strukturen des MEMS-Sensorbauelements 200 isoliert sein, wie z.B. Leistungsversorgungsleitungen, Signalübertragungsleitungen, der Membran 210 und einer Rückplatte 230 des MEMS-Sensorbauelements 200. Die Regelungsstruktur 220 kann auch elektrisch von einem Massepotential des MEMS-Sensorbauelements 200 isoliert sein. Dies kann verhindern, dass der Strom, der in der Regelungsstruktur 220 erzeugt wird, andere Schaltungsteile und/oder andere Funktionen des MEMS-Sensorbauelements 200 stört. Zusätzlich kann dies sicherstellen, dass ein Strom in der Regelungsstruktur 220 nur aufgrund einer Induktion fließen kann, die durch ein Magnetfeld erzeugt wird (z.B. das extern auferlegte Magnetfeld 208). Magnetfelder, die durch den induzierten Strom verursacht werden, können dann zu ihrem verursachenden Magnetfeld (z.B. dem extern auferlegten Magnetfeld 208) entgegengesetzt sein.
Die Regelungsstruktur 220 kann in einer Ebene parallel zu der Membran 210 angeordnet sein. Da die Membran 210 eine (im Wesentlichen) planare Struktur sein kann (z.B. können ihre maximalen lateralen Erstreckungen zumindest zehn Mal größer sein als ihre Dicke), werden Wirbelströme in der Membran wahrscheinlicher durch ein extern auferlegtes Magnetfeld 208 senkrecht zu der Membran 210 erzeugt als durch ein extern auferlegtes Magnetfeld parallel zu der Membran 210. Um ein Gegenmagnetfeld 222, das einem extern auferlegten Magnetfeld 208 entgegenwirkt, senkrecht zu der Membran 210 bereitzustellen, kann die Regelungsstruktur 220 in einer Ebene parallel zu der Membran 210 angeordnet sein.
Ein maximaler Durchmesser der Regelungsstruktur 220 kann kleiner sein als zwei Mal (oder kleiner als 1,5 Mal, oder kleiner als 1,1 Mal) ein maximaler Durchmesser der Membran 210. Ein kleinerer Durchmesser der Regelungsstruktur 220 kann die Größe des Gegenmagnetfeldes 222 verbessern, das durch die Regelungsstruktur 220 ansprechend auf das extern auferlegte Magnetfeld 208 bereitgestellt wird. Um einen wesentlichen Anteil der Membran 210 vor einer Induktion durch Wirbelströme zu schützen, kann der maximale Durchmesser der Regelungsstruktur 220 größer sein als zumindest 50% (oder größer als 75%, oder größer als 100%) des maximalen Durchmessers der Membran 210.
Um die Reduktion des extern auferlegten Magnetfeldes 208 an der Membran 210 weiter zu verbessern, können die Membran 210 und die Regelungsstruktur 220 (im wesentlichen) konzentrisch im Hinblick aufeinander angeordnet sein. Zum Beispiel kann eine geometrische Mitte der Membran 210 einen maximalen lateralen Versatz von einer geometrischen Mitte der Regelungsstruktur 220 aufweisen, der kleiner ist als 20% (oder kleiner als 10%, oder kleiner als 5%) des maximalen Durchmessers der Membran 210.
Optional kann eine elektrische Leitfähigkeit der Regelungsstruktur 220 höher sein als eine elektrische Leitfähigkeit der Membran 210. Zum Beispiel kann die elektrische Leitfähigkeit der Regelungsstruktur 220 zumindest zwei Mal so hoch sein (oder zumindest drei Mal so hoch, oder zumindest fünf Mal so hoch, oder zumindest zehn Mal so hoch, oder zumindest hundert Mal so hoch) wie die elektrische Leitfähigkeit der Membran 210. Eine höhere elektrische Leitfähigkeit der Regelungsstruktur 220 kann die Induktion eines Stroms in der Regelungsstruktur 220 ansprechend auf das extern auferlegte Magnetfeld 208 ermöglichen. Ein höherer Strom in der Regelungsstruktur 220 kann dann ein stärkeres Gegenmagnetfeld 222 verursachen, sodass weniger Wirbelströme in der Membran 210 induziert werden können. Zu diesem Zweck kann die Regelungsstruktur 220 Metall aufweisen (z.B. Kupfer, Aluminium, Wolfram, Silber, Gold und oder Legierungen derselben), wohingegen die Membran 210 ein entsprechendes Metall einer niedrigeren Leitfähigkeit und/oder ein Halbleitermaterial einer niedrigeren Leitfähigkeit aufweisen kann als das Metall der Regelungsstruktur 220. Gemäß einem Beispiel umfasst die Regelungsstruktur 220 ein Halbleitermaterial und die Membran umfasst ebenfalls ein Halbleitermaterial. Eine durchschnittliche Dotierungskonzentration des Halbleitermaterials der Regelungsstruktur 220 kann zumindest fünf Mal höher sein (oder zumindest zehn Mal höher oder zumindest hundert Mal höher) als eine durchschnittliche Dotierungskonzentration des Halbleitermaterials der Membran. Folglich kann die elektrische Leitfähigkeit der Regelungsstruktur 220 kann zumindest fünf Mal höher sein (oder zumindest zehn Mal höher oder zumindest hundert Mal höher) als die elektrische Leitfähigkeit der Membran 210.
Die Membran 210 kann zwischen einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt eines Halbleitersubstrats des MEMS-Sensorbauelements 200 angeordnet sein und die Regelungsstruktur 220 kann vertikal über oder unter der Membran 210 angeordnet sein. Dies ist in 2 gezeigt, wo die Membran 210 durch eine Trägerstruktur 205 des MEMS-Sensorbauelements 200 getragen wird. Die Trägerstruktur 205 kann den ersten und den zweiten Abschnitt des Halbleitersubstrats aufweisen. Der erste und der zweite Abschnitt des Halbleitersubstrats können Abschnitten des Halbleitersubstrats entsprechen, die lateral an gegenüberliegenden Seiten der Membran 210 oder über und unter der Membran 210 angeordnet sind. In 2 ist die Regelungsstruktur 220 vertikal über der Membran und auf der Trägerstruktur 205 angeordnet.
Zum Beispiel ist die Regelungsstruktur auf einer Oberfläche (z.B. einer Vorderseitenoberfläche) des Halbleitersubstrats angeordnet. Dies kann die Bildung der Regelungsstruktur 220 während der Herstellung des MEMS-Sensorbauelements 200 ermöglichen. Zum Beispiel kann die Regelungsstruktur 220 Metall aufweisen, das auf der Vorderseitenoberfläche des Halbleitersubstrats gleichzeitig mit anderen Verdrahtungsstrukturen angeordnet ist, die das Halbleitersubstrat kontaktieren (z.B. die Membran 210 und/oder die Rückplatte 230).
Alternativ kann die Regelungsstruktur 220 auch innerhalb der Trägerstruktur 205 eingebettet sein, sodass sie entweder vertikal über oder vertikal unter der Membran 210 angeordnet sein kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das MEMS-Sensorbauelement eine Mehrzahl von Regelungsstrukturen, wobei eine oder mehrere Regelungsstrukturen innerhalb der Trägerstruktur 205 eingebettet sind und/oder auf der Trägerstruktur 205 angeordnet sind.
Die Trägerstruktur 205 kann auch durch isolierendes Material eines Verdrahtungsschichtstapels angeordnet über der Vorderseitenoberfläche des Halbleitersubstrats des MEMS-Sensorbauelements 200 gebildet werden. Bei einer solchen Anordnung können die Regelungsstruktur(en) innerhalb des Verdrahtungsschichtstapels vertikal über und/oder vertikal unter der Membran 210 angeordnet sein und/oder können auf einer oberen Verdrahtungsschicht des Verdrahtungsschichtstapels angeordnet sein. Der Verdrahtungsschichtstapel kann vertikale Verdrahtungselemente (z.B. Vias) und laterale Verdrahtungselemente (z.B. Übertragungsleitungen und/oder leitfähige Ebenen) zum Kontaktieren des Halbleitersubstrats aufweisen.
Zusätzlich zum Verhindern der Induktion von Wirbelströmen innerhalb der Membran 210 kann die Regelungsstruktur 220 auch ausgebildet sein, um die Induktion von Wirbelströmen innerhalb anderer Teile des MEMS-Sensorbauelements 200 (z.B. innerhalb der Rückplatte 230 und/oder innerhalb eines Gehäuses des MEMS-Sensorbauelements 200) zumindest zu reduzieren.
Die Rückplatte 230 kann ein starrer und perforierter Leiter sein und kann einen variablen Kondensator mit der Membran bilden. Die Membran kann flexibel sein. Das Betriebsprinzip des MEMS-Sensorbauelements kann dann auf Ablenkungen der Membran ansprechend auf Druckabweichungen innerhalb des MEMS-Sensorbauelements 200 basieren. Diese Druckabweichungen können an akustischen Druckfluktuationen (z.B. Schall) und/oder an einem sich ändernden Luftdruck liegen. Zum Beispiel kann das MEMS-Sensorbauelement 200 ein Mikrofon oder ein Barometer sein. Die Kapazität zwischen der Membran 210 und der Rückplatte 230 kann gemessen werden und dies kann die Ausgabe des MEMS-Sensorbauelements 200 bilden. Anders ausgedrückt kann das MEMS-Sensorbauelement einem Wandler entsprechen, umfassend die Membran 210 und die Rückplatte 230 zusammen mit der Regelungsstruktur 220 für die Reduktion von Wirbelströmen innerhalb der Membran 210 und/oder der Rückplatte 230.
Die Regelungsstruktur 220 kann laterale Verdrahtungselemente (umfassend Metall und/oder dotiertes Halbleitermaterial) aufweisen, die lateral in einer beliebigen Schleifenform, einer Ringform, einer elliptischen Form, einer Halbkreisform, einer quadratischen Form, rechteckigen Form und/oder polygonalen Form angeordnet sein können, zum Beispiel. Diese lateralen Verdrahtungselemente können Abschnitten (z.B. Dotierungsregionen) eines Halbleitersubstrats des MEMS-Sensorbauelements 200 entsprechen und/oder können in einem Verdrahtungsschichtstapel des MEMS-Sensorbauelements 200 über dem Halbleitersubstrat angeordnet sein. Die Regelungsstruktur 220 kann zusätzlich vertikale Verdrahtungselemente aufweisen, die laterale Verdrahtungselemente in unterschiedlichen Verdrahtungsschichten des Verdrahtungsschichtstapels verbinden, zum Beispiel.
Eine maximale Breite der Regelungsstruktur 220 (z.B. die maximale Differenz zwischen dem äußeren Umfang und dem inneren Umfang der Regelungsstruktur 220) kann kleiner sein als 100 µm (oder kleiner als 10 µm, oder kleiner als 5 µm, oder kleiner als 1 µm, oder kleiner als 500 nm). Eine minimale Breite der Regelungsstruktur 220 kann größer sein als 100 nm (oder größer als 2 µm, oder größer als 8 µm, oder größer als 50 µm).
Eine maximale vertikale Erstreckung der Regelungsstruktur 220 kann kleiner sein als 30 µm (oder kleiner als 10 µm, oder kleiner als 5 µm, oder kleiner als 1 µm). Eine minimale vertikale Erstreckung der Regelungsstruktur 220 kann größer sein als 100 nm (oder größer als 2 µm, oder größer als 8 µm, oder größer als 15 µm).
Eine maximale laterale Distanz von der Regelungsstruktur 220 zu der Membran 210 kann kleiner sein als 100 µm (oder kleiner sein als 50 µm, oder kleiner als 10 µm, oder kleiner als 5 µm, oder kleiner als 1 µm). Die maximale laterale Distanz von der Regelungsstruktur 220 zu der Membran 210 kann auch Null sein, z.B. kann ein vertikaler Vorsprung der Regelungsstruktur 220 auf die Membran 210 fallen. Eine maximale vertikale Distanz von der Regelungsstruktur 220 zu der Membran 210 kann kleiner sein als 100 µm (oder kleiner sein als 50 µm, oder kleiner als 10 µm, oder kleiner als 5 µm, oder kleiner als 1 µm). Das Anordnen der Regelungsstruktur 220 nahe an der Membran 210 kann zu einer stärkeren Reduzierung von Wirbelströmen innerhalb der Membran führen.
Andere Schaltungselemente des MEMS-Sensorbauelements 200 (z.B. Signalverarbeitungsschaltungsanordnung und/oder Leistungsversorgungsschaltungsanordnung) können zumindest teilweise lateral außerhalb der Regelungsstruktur 220 angeordnet sein. Ferner kann die Regelungsstruktur 220 elektrisch isoliert und räumlich getrennt von einem Riss-Präventionsring des MEMS-Sensorbauelements 200 sein. Der Riss-Präventionsring kann an den Rändern des Halbleitersubstrats und/oder an den Rändern des Verdrahtungsschichtstapels des MEMS-Sensorbauelements angeordnet sein und kann die Ausbreitung von Rissen in das Halbleitersubstrat und/oder in den Verdrahtungsschichtstapel vermeiden.
Vertikale Richtungen, vertikale Abmessungen (z. B. Tiefen), Dicken von Regionen und/oder von Schichten und Dicken von Strukturen können zum Beispiel orthogonal zu der Membran 210 gemessen werden. Laterale Richtungen und laterale Abmessungen (z. B. Längen und Breiten) können parallel zu der Membran 210 gemessen werden. Wenn z. B. auf eine Länge und/oder auf eine Breite einer Region, eines Bereichs, einer Struktur und/oder einer Schicht Bezug genommen wird, bezeichnet die Länge die längere laterale Abmessung und die Breite bezeichnet die kürzere laterale Abmessung der Struktur und/oder der Schicht.
Das Halbleitersubstrat des MEMS-Sensorbauelements 200 kann ein Siliziumsubstrat sein. Alternativ kann das Halbleitersubstrat ein Halbleitersubstrat mit breitem Bandabstand mit einem Bandabstand größer als der Bandabstand von Silizium (1,1 eV) sein. Zum Beispiel kann das Halbleitersubstrat ein auf Siliziumcarbid (SiC) basierendes Halbleitersubstrat oder ein auf Galliumarsenid (GaAs) basierendes Halbleitersubstrat oder ein auf Galliumnitrid (GaN) basierendes Halbleitersubstrat sein. Das Halbleitersubstrat kann ein Halbleiterwafer sein oder kann in einem Halbleiterchip enthalten sein.
Eine Dotierung des Halbleitersubstrats kann eine p-Dotierung (z. B. verursacht durch Einbringen von Aluminiumionen oder Borionen) und/oder n-Dotierung (z. B. verursacht durch Einbringen von Stickstoffionen, Phosphorionen oder Arsenionen) sein.
Die Vorderseitenoberfläche des Halbleitersubstrats kann die Oberfläche sein, die verwendet wird, um höher entwickelte und komplexere Strukturen zu implementieren als an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats, da die Prozessparameter (z. B. Temperatur) und die Handhabung für die Rückseitenoberfläche eingeschränkt sein können, wenn Strukturen zum Beispiel bereits an einer Seite des Halbleitersubstrats gebildet sind.
3a zeigt ein MEMS-Sensorbauelement 300-A. Das MEMS-Sensorbauelement 300-A kann ähnlich zu dem MEMS-Sensorbauelement 200 von 2 sein. Das MEMS-Sensorbauelement 300-A ist ausgebildet zum Detektieren von Druckveränderungen. Zum Beispiel kann das MEMS-Sensorbauelement 300-A ein Mikrofon oder ein Luftdrucksensor sein.
Das MEMS-Sensorbauelement 300-A umfasst eine flexible Membran 210, die an einer Trägerstruktur 205 (z.B. einem Stator des MEMS-Sensorbauelements 300-A) vertikal zwischen einer ersten und einer zweiten starren Rückplatte 330-1, 330-2 aufgehängt ist. Die Membran 210 umfasst ein elektrisch leitfähiges Material (z.B. dotiertes Polysilizium und/oder ein Metall) und ist durch eine Metallverdrahtungsstruktur 314 für externe Verbindungen kontaktiert. Ferner umfasst die Membran 210 eine Lüftungsöffnung zum Belastungsabbau in der Membran. Die erste und die zweite Rückplatte 330-1, 330-2 sind zumindest teilweise elektrisch leitfähig (z.B. umfassen dotiertes Polysilizium und/oder ein Metall) und sind perforiert, um zu ermöglichen, dass Druckveränderungen zu der Membran 210 durchdringen. Die erste Rückplatte 330-1 ist durch eine erste Rückplatten-Verdrahtungsstruktur 334 kontaktiert. Die zweite Rückplatte 330-1 kann durch eine zweite, unterschiedliche (oder gleiche) Rückplatten-Verdrahtungsstruktur kontaktiert sein (nicht in 3a gezeigt).
Das Betriebsprinzip des MEMS-Sensorbauelements 300-A kann dann auf (kleinen) Ablenkungen der Membran 210 ansprechend auf Druck (z.B. akustische und/oder Luft-DruckÄnderungen) basieren. Ablenkungen der Membran 210 können durch eine Änderung der Kapazität zwischen der Membran 210 und den Rückplatten 330-1, 330-2 detektiert werden. Diese Änderung der Kapazität kann gemessen werden (z.B. durch eine zusätzliche ASIC extern zu dem MEMS-Sensorbauelement 300-A) und kann die Ausgabe aus dem MEMS-Sensorbauelement 300-A bilden. Die Empfindlichkeit des MEMS-Sensorbauelements 300-A kann von der Steifigkeit der Membran 210 abhängen. Eine weniger steife Membran kann ansprechend auf Druck mehr abgelenkt werden und kann somit eine größere Kapazitätsänderung verursachen.
Die Trägerstruktur 205 umfasst ein isolierendes Material (z.B. Feldoxid und/oder ein Zwischenschicht-Dielektrikum), das auf einem Halbleitersubstrat 302 des MEMS-Sensorbauelements 300-A angeordnet ist. Ein Hohlraum erstreckt sich von der Vorderseitenoberfläche des Halbleitersubstrats 302 in das Halbleitersubstrat 302 und ist vertikal unter der zweiten Rückplatte 330-2 angeordnet. Der Hohlraum kann als eine Resonanzkammer des MEMS-Sensorbauelements 300-A dienen. Das Halbleitersubstrat 302 ist durch eine Substrat-Verdrahtungsstruktur 316 kontaktiert, die zum Beispiel dazu dienen kann, das Halbleitersubstrat mit Masse zu verbinden. Ferner ist eine Isolierschicht 304 vertikal zwischen dem Halbleitersubstrat 302 und der Trägerstruktur 205 angeordnet.
Eine elektrisch leitfähige Regelungsstruktur 220 ist auf einer Passivierungsschicht 304 angeordnet, die auf einer Oberseite der Trägerstruktur 205 angeordnet ist. Zum Beispiel umfasst die Regelungsstruktur 220 ein Metall (z.B. Kupfer, Aluminium, Wolfram, Silber, Gold und/oder eine Legierung derselben) und/oder dotiertes Polysilizium. Die Regelungsstruktur 220 ist elektrisch von der Membran 210 und der ersten und zweiten Rückplatte 330-1, 330-2 isoliert und kann auch elektrisch von jeglichen anderen elektrischen Elementen und/oder Strukturen isoliert sein, wie z.B. Versorgungs- und Übertragungsleitungen des MEMS-Sensorbauelements 300-A. Das bedeutet, die Regelungsstruktur 220 ist ausgebildet, um während des Betriebs des MEMS-Sensorbauelements 300-A potentialfrei zu sein.
Die Regelungsstruktur 220 erstreckt sich lateral parallel zu und ist vertikal angeordnet über der Membran 210 und der ersten und zweiten Rückplatte 330-1, 330-2. Ferner kann die Regelungsstruktur 220 im Wesentlichen konzentrisch zu der Membran 210 und der ersten und zweiten Rückplatte 330-1, 330-2 sein.
Auf diese Weise kann ein extern auferlegtes Magnetfeld, das auf die Membran 210 und/oder die erste und die zweite Rückplatte 330-1, 330-2 auftrifft, auch durch die Regelungsstruktur 220 passieren und einen Strom in der Regelungsstruktur 220 induzieren, der kreisförmig um die Regelungsstruktur 220 fließt. Der Strom, der in der Regelungsstruktur 220 induziert wird, kann dann ein Gegenmagnetfeld ansprechend auf das extern auferlegte Magnetfeld bereitstellen. Anders ausgedrückt kann das Magnetfeld, das durch den Strom bereitgestellt wird, der in der Regelungsstruktur induziert wird, von entgegengesetzter Polarität an der Membran und/oder der ersten und zweiten Rückplatte 330-1, 330-2 sein. Aufgrund der entgegengesetzten Polarität kann ein Gesamtmagnetfeld, das aus einer Überlagerung des extern auferlegten Magnetfeldes und des Gegenmagnetfeldes resultiert, in der Größe reduziert werden. Wirbelströme in der Membran 210, der ersten und/oder der zweiten Rückplatte 330-1, 330-2 wiederum, induziert durch das extern auferlegte Magnetfeld, können reduziert und/oder vermieden werden.
3b zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines MEMS-Sensorbauelements 300-B. Das MEMS-Sensorbauelement 300-B kann ähnlich zu dem MEMS-Sensorbauelement 300-A von 3a sein. Im Vergleich zu dem MEMS-Sensorbauelement 300-A ist eine elektrisch leitfähige Regelungsstruktur 220 des MEMS-Sensorbauelements 300-B in eine Trägerstruktur 205 des MEMS-Sensorbauelements 300-B eingebettet. Genauer gesagt ist die elektrisch leitfähige Regelungsstruktur 220 in derselben Verdrahtungsschicht des MEMS-Sensorbauelements 300-B angeordnet wie eine Membran 210 des MEMS-Sensorbauelements 300-B. Dies kann das Bilden der Regelungsstruktur 220 gleichzeitig mit der Membran 210 während der Herstellung des MEMS-Sensorbauelements 300-B ermöglichen und kann somit den Herstellungsaufwand reduzieren. Die Regelungsstruktur 220 umgibt die Membran lateral. Das Anordnen der Regelungsstruktur 220 in derselben Verdrahtungsschicht und das laterale Umgeben der Membran 210 mit der Regelungsstruktur 220 kann die Reduktion von Wirbelströmen in der Membran aufgrund eines extern auferlegten Magnetfeldes weiter fördern. Natürlich kann die Regelungsstruktur auch in anderen Verdrahtungsschichten der Trägerstruktur 205 eingebettet sein. Zum Beispiel kann die Trägerstruktur 205 Teil eines Verdrahtungsschichtstapels sein, der auf einem Halbleitersubstrat 302 des MEMS-Sensorbauelements 300-B angeordnet ist. Dieser Verdrahtungsschichtstapel kann mehrere Verdrahtungsschichten aufweisen, sodass es auch möglich ist, die Regelungsstruktur in einer Verdrahtungsschicht über oder unter der Schicht der Membran 210 anzuordnen.
Eine maximale laterale Distanz von der Regelungsstruktur 220 zu der Membran 210 kann kleiner sein als 100 µm (oder kleiner sein als 50 µm, oder kleiner als 10 µm, oder kleiner als 5 µm, oder kleiner als 1 µm). Das Anordnen der Regelungsstruktur 220 lateral nahe an der Membran kann ferner die Reduzierung von Wirbelströmen fördern, die in der Membran 210 induziert werden.
Ein MEMS-Sensorbauelement kann auch eine Mehrzahl von Regelungsstrukturen aufweisen, die in der Trägerstruktur der Membran, auf der Trägerstruktur und/oder innerhalb des Halbleitersubstrats des MEMS-Sensorbauelements eingebettet sein können. Eine höhere Anzahl von Regelungsstrukturen kann ferner die Reduktion von Wirbelströmen fördern, die in der Membran und/oder Rückplatten des MEMS-Sensorbauelements induziert werden.
4 zeigt ein MEMS-Mikrofonbauelement 400. Das MEMS-Mikrofonbauelement 400 umfasst einen MEMS-Sensor 401 und eine ASIC 450. Der MEMS-Sensor 401 kann ähnlich zu dem MEMS-Sensorbauelement 200 aus 2 und/oder den MEMS-Sensorbauelementen 300-A, 300-B aus 3a und/oder 3b sein. Der MEMS-Sensor 401 und die ASIC 450 sind in einem Gehäuse 455 des MEMS-Mikrofonbauelements 400 untergebracht. Das Gehäuse 455 kann einen Schall-Einlass für eingehenden Schall aufweisen, so dass eine Membran 210 des MEMS-Sensors 401 durch Druckabweichungen erregt werden kann, die durch den eingehenden Schall verursacht werden. Ansprechend auf die Erregung der Membran 210 kann der MEMS-Sensor 401 elektrische Signale erzeugen und diese elektrischen Signale an die ASIC 450 zur weiteren Signalverarbeitung ausgeben, wie z.B. Analog-Digital-Umwandlung, Filtern, Verstärkung und/oder Entzerrung.
Ein abgetrennter Ring 220 aus leitfähigem Material (z.B. eine elektrisch leitfähigen Regelungsstruktur, die ausgebildet ist, um während der Operation des MEMS-Mikrofonbauelements 400 potentialfrei zu sein) wird um die oder über der MEMS-Membran 210 erzeugt. Zum Beispiel kann der leitfähige Ring 220 auf einer Trägerstruktur der Membran 210 angeordnet sein oder kann in der Trägerstruktur eingebettet sein. Ferner kann der leitfähige Ring 220 elektrisch von der Membran 210 isoliert sein.
Ein eindringendes Magnetfeld B (z.B. ein externes Magnetfeld, das auf das MEMS-Mikrofonbauelement 400 auferlegt ist und insbesondere auf die Membran 210 auferlegt ist) kann einen Strom I in dem leitfähigen Ring 220 induzieren. Der entsprechende Stromfluss kann selbst ein Magnetfeld B* erzeugen, das entgegengesetzt zu dem extern auferlegten Magnetfeld B ist. Dieses Gegenmagnetfeld B* kann das (eindringende) Magnetfeld B zumindest teilweise reduzieren und daher den Betrag an Wirbelströmen reduzieren, die in die Membran induziert werden.
Zum Beispiel zeigt 4 einen Wirbelstrom-Unterdrückungsring (z.B. den leitfähigen Ring 220). Es wird darauf hingewiesen, dass die Membran und die Rückplatte(n) in dem Bild der Klarheit halber nicht gezeigt sind. Der leitfähige Ring 220 kann über oder unter der Membran, in einer Trägerstruktur, die die Membran umgibt und/oder innerhalb der Membran (z.B. eingebettet in die Membranschicht mittels Dotierung) angeordnet sein. Der induzierte Strom soll (ist z.B. ausgebildet zum) ein Gegenmagnetfeld B* in entgegengesetzter Richtung des extern auferlegten Magnetfeldes B erzeugen.
5 zeigt ein schematisches Diagramm eines MEMS-Sensorbauelements 500. Das MEMS-Sensorbauelement 500 umfasst eine Membran 510. Die Membran 510 umfasst Regionen 560, 570 unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit, die ausgebildet sind, um die Wirbelströme in der Membran zu reduzieren.
Aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeit der Regionen 560, 570 der Membran kann die Induktion von Wirbelströmen durch ein externes Magnetfeld, das auf die Membran 510 auferlegt wird, reduziert und/oder vermieden werden, da ein Strompfad von möglichen Wirbelströmen durch ein elektrisch weniger leitfähiges Material innerhalb der Membran 510 geschnitten werden kann. Durch Reduzieren von Wirbelströmen in der Membran 510 kann die Radiofrequenz-Interferenz, die Ausgangssignale des MEMS-Sensorbauelements 500 beeinträchtigt, bezogen auf Ablenkungen er Membran 510, reduziert und/oder verhindert werden. Dies kann das Verhalten (z.B. das Signal-zu-Interferenzplus-Rauschen-Verhältnis des Ausgangssignals des MEMS-Sensorbauelements 500) und/oder die Zuverlässigkeit des MEMS-Sensorbauelements 500 verbessern.
Zu diesem Zweck können die Regionen 560, 570 unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit in abwechselnder Reihenfolge entlang einer Umfangsrichtung der Membran angeordnet sein. Wenn zum Beispiel die Region 570 weniger elektrisch leitfähiges Material aufweist kann die Region 570 einen kreisförmigen Signalpfad von möglichen Wirbelströmen konzentrisch mit der Membran 510 schneiden.
Die Regionen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit können zumindest eine primäre Region (z.B. Region 560) einer ersten elektrischen Leitfähigkeit und zumindest eine sekundäre Region (z.B. Region 570) einer zweiten, unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeit aufweisen. Ferner können die eine oder die mehreren primären Regionen lateral benachbart zu der einen oder den mehreren sekundären Regionen angeordnet sein.
Zum Beispiel können die primäre(n) Region(en) und die sekundäre(n) Region(en) in abwechselnder Reihenfolge entlang einer Umfangsrichtung der Membran angeordnet sein. Mehr Wechsel zwischen primären und sekundären Regionen können bei der Reduktion von Wirbelströmen in der Membran 510 helfen. Die Wechsel zwischen primären und sekundären Regionen können mögliche Wirbelstrompfade aufbrechen und/oder den Widerstandswert der Wirbelstrompfade zumindest erhöhen. Zum Beispiel kann ein Übergang zwischen einer primären Region und einer sekundären Region zumindest jedes Viertel (oder zumindest jedes Sechstel, oder zumindest jedes Achtel, oder zumindest jedes Zehntel) der Membran 510 auftreten (wenn die Membran in Umfangsrichtung traversiert wird).
Die eine oder die mehreren sekundären Regionen können sich lateral entlang der einen oder mehreren primären Regionen in einer radialen Richtung der Membran 510 erstrecken. Genauer gesagt kann dies Wirbelströme reduzieren, die in Pfaden induziert werden, die im Wesentlichen konzentrisch mit der Membran 510 sind.
Die eine oder die mehreren primären Regionen und die eine oder die mehreren sekundären Regionen können sich von einer Vorderseitenoberfläche der Membran 510 zu einer Rückseitenoberfläche der Membran 510 erstrecken. Dies kann Wirbelströme in jeglicher Tiefe innerhalb der Membran verhindern oder reduzieren.
Für eine weitere Reduktion von Wirbelströmen innerhalb der Membran 510 können sich die eine oder die mehreren sekundären Regionen spiralförmig oder linear von einem radial inneren zu einem radial äußeren Abschnitt der Membran 510 erstrecken.
Bei einigen Beispielen sind die eine oder die mehreren primären Regionen elektrisch mit einer elektrischen Schnittstelle des MEMS-Sensorbauelements 500 verbunden, um eine Spannung der einen oder mehreren primären Regionen mit einer Bewegung der Membran 510 in Verbindung zu bringen. Innerhalb des MEMS-Sensorbauelements 500 kann die Membran 510 im Hinblick auf eine Rückplatte des MEMS-Sensorbauelements 500 befestigt sein, um einen variablen Kondensator zu bilden, dessen Kapazität sich im Verlauf von Ablenkungen der Membran ändern kann, die durch Druckabweichungen verursacht werden. Die eine oder die mehreren primären Regionen der Membran können dann eine Elektrode dieses variablen Kondensators bilden, während die andere Elektrode des variablen Kondensators durch die Rückplatte gebildet werden kann. Die eine oder die mehreren sekundären Regionen der Membran können somit von geringerer elektrischer Leitfähigkeit sein als die primäre(n) Region(en) und können zur Reduzierung von Wirbelströmen innerhalb der Membran dienen.
Gemäß einigen Beispielen ist die erste elektrische Leitfähigkeit der zumindest einen primären Region zumindest zwei Mal höher (oder zumindest fünf Mal höher, oder zumindest zehn Mal höher, oder zumindest fünfzig Mal höher, oder zumindest hundert Mal höher) als die zweite elektrische Leitfähigkeit der zumindest einen sekundären Region. Eine höhere Differenz zwischen der elektrischen Leitfähigkeit der primäre(n) Region(en) und der sekundäre(n) Region(en) (z.B. eine höhere Widerstandsfähigkeit der sekundären Regionen) kann resistive Hindernisse in Pfaden möglicher Wirbelströme innerhalb der Membran 510 effektiver erzeugen. Dies kann den Betrag an Wirbelströmen reduzieren, der durch ein extern auferlegtes Magnetfeld innerhalb der Membran 510 induziert werden.
Zum Beispiel sind die eine oder die mehreren primären Regionen und die eine oder die mehreren sekundären Regionen innerhalb eines Halbleitermaterials (umfassen z.B. kristallines Silizium oder Polysilizium) der Membran 510 angeordnet und umfassen unterschiedliche durchschnittliche Dotierungskonzentrationen. Eine durchschnittliche Dotierungskonzentration der einen oder mehreren primären Regionen kann zumindest zwei Mal so hoch sein (oder zumindest drei Mal so hoch, oder zumindest fünf Mal so hoch, oder zumindest zehn Mal so hoch, oder zumindest hundert Mal so hoch) wie eine durchschnittliche Dotierungskonzentration der einen oder mehreren sekundären Regionen.
Zusätzlich oder alternativ können die zumindest eine primäre Region und die zumindest eine sekundäre Region unterschiedliche Leitfähigkeitstypen aufweisen. Zum Beispiel kann die zumindest eine primäre Region n-dotiert sein und die zumindest eine sekundäre Region kann p-dotiert sein. Dies kann einen pn-Übergang (oder pn-Übergänge) zwischen der primären Region(en) und der sekundären Region(en) erzeugen. Die pn-Übergänge können dann den Fluss möglicher Wirbelströme innerhalb der Membran 510 blockieren oder reduzieren.
Alternativ kann die zumindest eine primäre Region aus elektrisch leitfähigem Material (z.B. Metall oder dotiertem Halbleitermaterial) bestehen und die zumindest eine sekundäre Region kann ein festes, elektrisch isolierendes Material (z.B. Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid) aufweisen. Festes, elektrisch isolierendes Material, das in die Membran 510 eingebracht wird, kann den Fluss möglicher Wirbelströme innerhalb der Membran 510 blockieren oder reduzieren. Zu diesem Zweck können eine oder mehrere sekundäre Regionen als Gräben gebildet werden, die mit isolierendem Material verkleidet sind und sich in die Membran 510 erstrecken. Diese Gräben können sich vertikal durch die Membran 510 erstrecken.
6a zeigt eine schematische Draufsicht einer Membran 610-A eines MEMS-Sensorbauelements. Die Membran 610-A kann ähnlich zu der Membran 510 von 5 sein.
Die Membran 610-A umfasst eine primäre Region 560 einer ersten elektrischen Leitfähigkeit und eine sekundäre Region 570 einer zweiten, unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeit. Die primäre Region 560 ist lateral benachbart zu der sekundären Region 570 angeordnet. Die sekundäre Region 570 erstreckt sich spiralförmig von einem radial inneren Abschnitt der Membran 610-A (z.B. der Mitte der Membran 610-A) zu einem radial äußeren Abschnitt der Membran (z.B. in Richtung zu oder zu dem Umfang der Membran 610-A). Zum Beispiel ist eine maximale laterale Erstreckung der sekundären Region größer als 50% (oder größer als 75%, oder größer als 90%, oder größer als 95%) einer maximalen lateralen Erstreckung (z.B. des Durchmessers) der Membran 610-A.
Die primäre Region 560 kann ein Basismaterial der Membran 610-A aufweisen und kann mehr als 50% (oder mehr als 75%, oder mehr als 90%, oder mehr als 95%) eines Gesamtvolumens der Membran 610-A aufweisen. Wenn die primäre Region 560 (z.B. das Basismaterial) elektrisch leitfähiges Material aufweist, kann die sekundäre Region 570 festes, elektrisch isolierendes Material aufweisen. Alternativ, wenn die primäre Region 560 ein festes, elektrisch isolierendes Material aufweist, kann die sekundäre Region 570 ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen. Zum Beispiel kann das elektrisch leitfähige Material dotiertes, kristallines Silizium, dotiertes Polysilizium und/oder Metall aufweisen, das elektrisch isolierende Material kann Siliziumoxid, Siliziumnitrid und/oder intrinsisches Halbleitermaterial aufweisen. Bei einer anderen Alternative können sowohl die primäre Region 560 als auch die sekundäre Region 570 elektrisch leitfähiges Material einer unterschiedlichen Leitfähigkeit aufweisen. Unterschiedliche Leitfähigkeiten können zum Beispiel durch unterschiedliche Dotierungskonzentrationen in Halbleitermaterial der primären und sekundären Region 560, 570 realisiert werden.
Aufgrund der unterschiedlichen Leitfähigkeiten der primären und der sekundären Region 560, 570 und da sich die sekundäre Region 570 spiralförmig in laterale Richtung innerhalb der Membran 610-A erstreckt, kann eine Induktion der Wirbelströme in der Membran 610-A reduziert werden, da ein Strompfad von möglichen Wirbelströmen durch elektrisch isolierendes oder elektrisch weniger leitfähiges Material innerhalb der Membran 610-A geschnitten werden kann.
6b zeigt eine schematische Draufsicht einer anderen Membran 610-B eines MEMS-Sensorbauelements. Die Membran 610-B kann ähnlich zu der Membran 510 von 5 und/oder zu der Membran 610-A von 6a sein.
Im Gegensatz zu der Membran 610-A umfasst die Membran 610-B eine Mehrzahl von sekundären Regionen 570-1, 570-2, 570-3, 570-4, 570-5, 570-6, 570-7, 570-8, 570-9. Jede der Mehrzahl von sekundären Regionen erstreckt sich linear von einem radial inneren Abschnitt der Membran 610-B zu einem radial äußeren Abschnitt der Membran 610-B (z.B. in Richtung zu oder zu dem Umfang der Membran 610-B). Das bedeutet, die sekundären Regionen erstrecken sich entlang Radien der Membran 610-B in lateraler Richtung.
Die zweiten Regionen sind lateral durch eine primäre Region 560 der Membran 610-B umgeben. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der sekundären Regionen 570-1 bis 570-9, die sich von der der primären Region 560 unterscheidet, können mögliche Wirbelstrompfade in der Membran 610-B durch elektrisch isolierendes oder elektrisch weniger leitfähiges Material geschnitten werden. Zum Beispiel kann die elektrische Leitfähigkeit der sekundären Regionen 570-1 bis 570-9 niedriger sein als die elektrische Leitfähigkeit der primären Region 560 (oder umgekehrt). Dies kann Wirbelströme innerhalb der Membran 610-B reduzieren und/oder unterdrücken, wenn ein externes Magnetfeld in die Membran 610-B eindringt.
Die Ausführungsbeispiele von 6a-b können eine selektive Membrandotierung umfassen. MEMS-Strukturen, wie z.B. Mikrofonmembrane, können während des Herstellungsprozesses Ionen-dotiert werden. Ein Dotieren kann verwendet werden, um mechanische Beanspruchung (z.B. innerhalb der Membran) zu steuern und/oder die elektrischen Eigenschaften des Materials (z.B. der Membran) zu ändern. Eine Dotierung kann eine bestimmte Auswirkung auf den spezifischen Widerstand des MEMS-Materials haben, wie z.B. Polysilizium. Eine selektive Dotierung kann verwendet werden, um hoch- oder nieder-ohmige Regionen an der Membran zu erzeugen, wie in 6a-b gezeigt ist. Zum Beispiel können die sekundären Regionen Bereiche höherer oder niedrigerer Membran-Dotierung anzeigen. Die hoch- und nieder-ohmigen Regionen (z.B. die primären und sekundären Regionen) können als Linien oder Spiralen auf eine Weise erzeugt werden, um Wirbelströme zu unterdrücken oder zumindest zu reduzieren.
7 zeigt ein schematisches Diagramm eines MEMS-Sensorbauelements 700, umfassend eine zumindest teilweise elektrisch leitfähige Membran 210 und eine elektrisch leitfähige Regelungsstruktur 220. Die Regelungsstruktur 220 ist in der Nähe zu der Membran 210 angeordnet und ist ausgebildet, um Wirbelströme in der Membran 210 zu reduzieren. Ferner umfasst die Membran 210 Regionen 560, 570 unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit, die ausgebildet sind, um die Wirbelströme in der Membran 210 zu reduzieren.
Das bedeutet, die Ausführungsbeispiele, die in dem Kontext von 1-4 erklärt wurden, können mit Ausführungsbeispielen kombiniert werden, die in dem Kontext von 5-6b erklärt wurden. Durch Bereitstellen mehrerer Mittel für das MEMS-Sensorbauelement 700 zum Reduzieren von Wirbelströmen (z.B. der Regelungsstruktur 220 und der Regionen 560, 570 von unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit innerhalb der Membran 210) kann die Reduktion von Wirbelströmen in der Membran 210 und anderen Teilen des MEMS-Sensorbauelements 700 (z.B. Rückplatte und/oder ein Gehäuse des MEMS-Sensorbauelements 700) verbessert werden. Somit kann das Verhalten und/oder die Zuverlässigkeit des MEMS-Sensorbauelements 700 weiter verbessert werden.
Ferner beziehen sich einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung auf Verfahren für eine Reduktion einer Radiofrequenz-Interferenz (RFI) durch Wirbelströme und/oder sehen die Wurzelursache der MEMS-Sensor-RFI in mobilen Verbraucheranwendungen. Andere Vorrichtungen beziehen sich auf Membrane mit Schlitzen und/oder mit ferromagnetischen Beschichtungen für die Reduktion von Wirbelströmen in MEMS-Sensorbauelementen.
Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorab detailliert beschriebenen Beispiele und Figuren erwähnt und beschrieben wurden, können auch mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein ähnliches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal zusätzlich in das andere Beispiel einzuführen.
Die Beschreibung und Zeichnungen stellen nur die Grundsätze der Offenbarung dar. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele ausdrücklich nur Lehrzwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen. Alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Beispiele der Offenbarung wie auch besondere Ausführungsbeispiele derselben sollen deren Entsprechungen umfassen.

Claims

Ein MEMS-Sensorbauelement (200, 300-A, 300-B), umfassend: eine elektrisch leitfähige Membran (210); und eine elektrisch leitfähige geschlossene Schleifenstruktur (220), die in der Nähe zu der Membran (210) angeordnet ist und ausgebildet ist, um Wirbelströme in der Membran (210) zu reduzieren, wobei die geschlossene Schleifenstruktur (220) ausgebildet ist, um während des Betriebs des MEMS-Sensorbauelements (200, 300-A, 300-B) potentialfrei zu sein.
Das MEMS-Sensorbauelement (200, 300-A, 300-B) gemäß Anspruch 1, wobei die geschlossene Schleifenstruktur (220) ausgebildet ist, um ein Gegenmagnetfeld (222) ansprechend auf ein extern auferlegtes Magnetfeld (208) bereitzustellen, wobei das Gegenmagnetfeld (222) eine Induktion von Wirbelströmen in der Membran (210) reduziert, die durch das extern auferlegte Magnetfeld (208) verursacht werden.
Das MEMS-Sensorbauelement (200, 300-A, 300-B) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die geschlossene Schleifenstruktur (220) in einer Ebene parallel zu der Membran (210) angeordnet ist.
Das MEMS-Sensorbauelement (200, 300-A, 300-B) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein maximaler Durchmesser der geschlossenen Schleifenstruktur (220) kleiner ist als zwei Mal ein maximaler Durchmesser der Membran (210).
Das MEMS-Sensorbauelement (200, 300-A, 300-B) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (210) und die geschlossene Schleifenstruktur (220) konzentrisch im Hinblick aufeinander angeordnet sind.
Das MEMS-Sensorbauelement (200, 300-A, 300-B) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine elektrische Leitfähigkeit der geschlossenen Schleifenstruktur (220) höher ist als eine elektrische Leitfähigkeit der Membran (210).
Das MEMS-Sensorbauelement (200, 300-A, 300-B) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die geschlossene Schleifenstruktur (220) ein Halbleitermaterial aufweist und wobei die Membran (210) ein Halbleitermaterial aufweist, wobei eine durchschnittliche Dotierungskonzentration des Halbleitermaterials der geschlossenen Schleifenstruktur (220) zumindest fünf Mal höher ist als eine durchschnittliche Dotierungskonzentration des Halbleitermaterials der Membran (210).
Das MEMS-Sensorbauelement (200, 300-A, 300-B) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (210) zwischen einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt eines Halbleitersubstrats des MEMS-Sensorbauelements (200, 300-A, 300-B) angeordnet ist, wobei die geschlossene Schleifenstruktur (220) vertikal über oder unter der Membran (210) angeordnet ist.
Das MEMS-Sensorbauelement (200, 300-A, 300-B) gemäß Anspruch 8, wobei die geschlossene Schleifenstruktur (220) auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist.
Ein MEMS-Sensorbauelement (500), umfassend: eine Membran (510, 610-A, 610-B) umfassend Regionen (560, 570) unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit, die ausgebildet sind, Wirbelströme in der Membran (510, 610-A, 610-B) zu reduzieren, wobei die Regionen (560, 570) unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit zumindest eine primäre Region einer ersten elektrischen Leitfähigkeit und zumindest eine sekundäre Region einer zweiten, unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeit aufweisen, wobei die eine oder mehreren primären Regionen lateral benachbart zu der einen oder den mehreren sekundären Regionen angeordnet sind, wobei die eine oder die mehreren primären Regionen und die eine oder die mehreren sekundären Regionen innerhalb eines Halbleitermaterials der Membran (510, 610-A, 610-B) angeordnet sind und unterschiedliche durchschnittliche Dotierungskonzentrationen aufweisen.
Das MEMS-Sensorbauelement (500) gemäß Anspruch 10, wobei die Regionen (560, 570) unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit in abwechselnder Reihenfolge entlang einer Umfangsrichtung der Membran (510, 610-A, 610-B) angeordnet sind.
Ein MEMS-Sensorbauelement (500) gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei sich die eine oder die mehreren sekundären Regionen entlang der einen oder den mehreren primären Regionen in einer radialen Richtung der Membran (510, 610-A, 610-B) erstrecken.
Ein MEMS-Sensorbauelement (500) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei sich die eine oder die mehreren primären Regionen und die eine oder die mehreren sekundären Regionen von einer Vorderseitenoberfläche der Membran (510, 610-A, 610-B) zu einer Rückseitenoberfläche der Membran (510, 610-A, 610-B) erstrecken.
Das MEMS-Sensorbauelement (500) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei sich die eine oder die mehreren sekundären Regionen spiralförmig oder linear von einem radial inneren zu einem radial äußeren Abschnitt der Membran (510, 610-A, 610-B) erstrecken.
Das MEMS-Sensorbauelement (500) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die eine oder die mehreren primären Regionen elektrisch mit einer elektrischen Schnittstelle des Sensorbauelements des mikroelektromechanischen Systems (500) verbunden sind, zum in Bezug bringen einer Spannung der einen oder mehreren primären Regionen mit einer Bewegung der Membran (510, 610-A, 610-B).
Das MEMS-Sensorbauelement (500) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die erste elektrische Leitfähigkeit zumindest fünf Mal höher ist als die zweite elektrische Leitfähigkeit.
Ein MEMS-Sensorbauelement (200, 300-A, 300-B), umfassend: eine elektrisch leitfähige Membran (210); und eine elektrisch leitfähige geschlossene Schleifenstruktur (220), die in der Nähe zu der Membran (210) angeordnet ist und ausgebildet ist, um Wirbelströme in der Membran (210) zu reduzieren, wobei die geschlossene Schleifenstruktur (220) ein Halbleitermaterial aufweist und wobei die Membran (210) ein Halbleitermaterial aufweist, wobei eine durchschnittliche Dotierungskonzentration des Halbleitermaterials der geschlossenen Schleifenstruktur (220) zumindest fünf Mal höher ist als eine durchschnittliche Dotierungskonzentration des Halbleitermaterials der Membran (210).