-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikroelektronische Bauelementanordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren für eine mikroelektronische Bauelementanordnung.
-
Stand der Technik
-
Das Detektieren von Gasen in der Umgebungsluft oder Atemluft gewinnt immer mehr an Bedeutung. Hierbei werden auf Basis mikroelektronischer Bauelementanordnungen, insbesondere Mediensensoren bzw. Gassensoren, Lösungen gesucht, welche möglichst vielseitig einsetzbar sind, so dass beispielsweise Konzentrationen mehrerer Gase gleichzeitig gemessen werden können.
-
Somit besteht generell Bedarf an kleinen und kostengünstigen Gassensoren, welche eine personalisierte Gasbelastung eines Anwenders messen und abspeichern. Hierbei sollte eine Dimensionierung derartiger mikroelektronischer Bauelementanordnungen derart klein sein, dass diese für einen CE (englisch: Consumer Electronic) Einsatz geeignet sind. Beispielsweise ist eine Integration derartiger Gassensoren in einem Smartphone denkbar. Hierbei wird ferner nach einer Lösung gesucht, um eine Ansprechzeit des Gassensors zu verkürzen.
-
Die
WO 2008/118440 A1 betrifft einen Mikro-optischen-Gassensor.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung schafft eine mikroelektronische Bauelementanordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren für eine mikroelektronische Bauelementanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
-
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt insbesondere darin, mittels einer Mikropumpe einen Unterdruck zu erzeugen, wodurch eine Zündspannung zum Erzeugen eines Plasmas – analog zu einer Durchschlagsspannung nach dem Paschen-Gesetz – nach dem Paschen-Gesetz herabgesetzt wird. Das Paschen-Gesetz besagt, dass in einem homogenen Feld die Durchschlagspannung eine Funktion des Produktes aus Gasdruck und Elektrodenabstand (Schlagweite) ist. Ferner können durch ein optisches Vermessen eines angeregten Plasmas unterschiedliche Gase sehr genau detektiert und quantifiziert werden, da das Plasma in Abhängigkeit des zumindest einen Gases ein spezifisches Licht ausstrahlt. Die elektrische Anregung des durch das Plasma hindurchtretenden Gases erlaubt es insbesondere auf optische Lichtquellen zu verzichten, wodurch insbesondere Kosten eingespart werden können.
-
Hierzu ist gemäß eines Aspekts der Erfindung, die hier beschriebene Mikropumpe geeignet einen Unterdruck zu erzeugen. Im Gegensatz zu einer Fluid-Mikropumpe weist die hier beschriebene Mikropumpe keine Niedrig-Volumen (englisch: low-volume), Hochdruck (high-pressure) Eigenschaften auf und ist zum Transport von Gas geeignet, wodurch Kosten, Baugröße und Energieverbrauch reduziert werden können.
-
Ferner wird durch die hier beschrieben Mikropumpe ein dynamisches Gleichgewicht aus Abpumpen und nachströmendem Gas erzielt, wodurch eine Ansprechzeit auf Veränderungen der Gaskonzentrationen verkürzt werden kann. Mit anderen Worten kann durch die hier beschriebene mikroelektronische Bauelementanordnung ein zeiteffizientes und dynamisches Detektieren unterschiedlicher Gase realisiert werden.
-
Somit wird eine mikroelektronische Bauelementanordnung bereitgestellt, welche insbesondere in der Lage ist gleichzeitig unterschiedliche Gase zu messen, wobei die Zündspannung zum Erzeugen des Plasmas mittels der Mikropumpe herabsetzbar ist. Somit lassen sich Kosten und Baugröße reduzieren, wodurch insbesondere eine Anwendung in einem Smartphone denkbar ist.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist durch den Unterdruck eine Zündspannung herabsetzbar. Das Paschen-Gesetz besagt, dass in einem homogenen Feld die Durchschlagspannung und somit auch die Zündspannung für ein Erzeugen des Plasmas für die hier beschriebene Elektrodenanordnung eine Funktion des Produktes aus Gasdruck und Elektrodenabstand (Schlagweite) ist. So lässt sich die mikroelektronische energieeffizient betreiben, da durch den Unterdruck eine Spannung zum Erzeugen des Plasmas reduzierbar ist.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung versiegelt die Mikropumpe den Durchflusskanal hermetisch und lässt ausschließlich das Gas durch. So lässt sich der Unterdruck durch die Mikropumpe zeiteffizient und einfach einstellen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung bildet sich zwischen der Mikropumpe und dem Strömungswiderstand ein Raum aus, der ausschließlich über den Strömungswiderstand zugänglich ist. Unter dem Raum kann auch eine Niederdruckkammer verstanden werden. In dieser kann insbesondere das Plasma erzeugt werden. So lässt sich der Unterdruck durch die Mikropumpe zeiteffizient und einfach einstellen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung tritt das zumindest eine Gas dynamisch mittels der Mikropumpe durch den Strömungswiderstand ein und tritt dynamisch mittels der Mikropumpe durch die Austrittsöffnung aus dem Durchflusskanal aus. Durch ein sich dadurch einstellendes dynamisches Gleichgewicht aus Abpumpen und nachströmenden Gas ist insbesondere eine sehr schnelle Dynamik (Ansprechzeit auf Veränderungen in der Gaskonzentration) mit der mikroelektronischen Bauelementanordnung möglich.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt beim Hindurchtreten des zumindest einen Gases durch das Plasma eine Anregung des zumindest einen Gases so, dass zumindest in dem einen für das zumindest eine Gas spezifischen Wellenlängenbereich die zumindest eine Strahlungsintensität messbar ist. Mit anderen Worten, erzeugt das zumindest eine Gas, das durch das Plasma angeregt worden ist, Licht bzw. elektromagnetische Strahlung. So lässt sich das Gas anregen, wobei auf eine zusätzliche Lichtquelle, welche für eine absorptionsbasierte Detektion notwendig wäre, verzichtet werden kann.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Plasma durch eine Hochspannungsspitze und eine Gegenelektrode erzeugbar. Alternativ kann das Plasma auch zwischen zwei Kondensatorplatten erzeugbar sein. Zwischen der Hochspannungsspitze und der Gegenelektrode wird eine ausreichend hohe Spannung angelegt, so dass zwischen diesen das Plasma entsteht. Das Entstehen des Plasmas kann insbesondere von dem Unterdruck abhängen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die Detektionsvorrichtung einen MEMS-Gassensor. Der MEMS-Gassensor umfasst insbesondere ein Metalloxid als sensitive Schicht, wobei die sensitive Schicht auf unterschiedliche Gase ansprechen kann. So lassen sich Querempfindlichkeiten in dem MEMS-Gassensor vermeiden. Ferner wird durch den dynamischen Gasaustausch mittels der Mikropumpe die Ansprechzeit des MEMS-Gassensors verkürzt.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die Detektionsvorrichtung optische Band-Pass Filter und entsprechende Fotodioden. So lässt sich ein Leuchten des Gases einfach und kostengünstig analysieren.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Detektionsvorrichtung zum spektralen Untersuchen des zumindest einen Gases geeignet. So lassen sich unterschiedliche Gase mit der mikroelektronischen Bauelementanordnung gleichzeitig analysieren.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird statt des Plasmas ein Entladungsblitz in der Niederdruckkammer bzw. dem Raum gezündet. Dies kann beispielsweise durch einen Unterdruckpuls, der mechanisch durch beispielsweise einen Piezokristall oder alternative Vorrichtungen (Spannungspuls) erzeugt werden kann, erfolgen, wobei mit einer entsprechenden Vorkonfiguration der Niederdruckkammer das Paschen-Gesetz erfüllt ist. Hierbei wird eine Momentaufnahme des Gases bzw. Gaskonfiguration in der Niederdruckkammer aufgenommen. Das heißt, für eine quasikontinuierliche Messung sind insbesondere periodische Blitze erforderlich. So lässt sich insbesondere die mikroelektrische Bauelementanordnung energieeffizient betreiben.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung, wird das Licht, welches das Gas beim Passieren des Plasmas erzeugt, durch eine Fotodiode analysiert, welche durch eine entsprechende Beschichtung nur auf einen spezifischen Spektralbereich eines bestimmten Gases empfindlich ist.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Verwendung von mehreren Dioden mit unterschiedlichen Band-Pass Filtern für unterschiedliche Wellenlängenbereiche auch denkbar, um ein bestimmtes Gas selektiv gegen andere Gase identifizieren und quantifizieren zu können.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Detektionsvorrichtung in mehrere Abschnitte unterteilt, welche beispielsweise mit verschiedenen Band-Pass Filtern ausgestattet sind. So lassen sich entweder charakteristische Wellenlängenbereiche des zumindest einen Gases detektieren, um eine Messgenauigkeit zu erhöhen oder es lassen sich gleichzeitig unterschiedliche Gase gleichzeitig detektieren.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Detektionsvorrichtung, beispielsweise die Fotodiode, in unmittelbarer Nähe des Plasmas angeordnet, um einen Raumwinkel möglichst groß zu gestalten. So lässt sich ein Signal-Rausch-Verhältnis verbessern bzw. erhöhen.
-
Die hier beschriebene mikroelektronische Bauelementanordnung kann insbesondere auf Chip-level bzw. als integraler Bestandteil eines Substrats hergestellt werden. Insbesondere kann die mikroelektronische Bauelementanordnung eine MEMS-Struktur aufweisen, welche mittels „Micromachining“ hergestellt wird. Dadurch kann die Erzeugung des Plasmas mit einer Spannung kleiner 200 Volt ermöglicht werden.
-
Die hier beschriebenen Merkmale für die mikroelektronische Bauelementanordnung gelten entsprechend auch für das Herstellungsverfahren für die mikroelektronische Bauelementanordnung sowie umgekehrt.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern einer mikroelektronischen Bauelementanordnung und eines entsprechenden Herstellungsverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine entsprechende schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern eines Aufbaus der mikroelektronischen Bauelementanordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
3 eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern einer mikroelektronischen Bauelementanordnung und eines entsprechenden Herstellungsverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
-
4 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Herstellungsverfahrens gemäß der ersten und/oder zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
-
1 zeigt eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern einer mikroelektronischen Bauelementanordnung und eines entsprechenden Herstellungsverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 100 eine mikroelektronische Bauelementanordnung. Die mikroelektronische Bauelementanordnung 100 ist insbesondere zum Detektieren eines Gases G1 bestimmt.
-
Die mikroelektronische Bauelementanordnung 100 umfasst einen Durchflusskanal K1, wobei der Durchflusskanal K1 eine Eintrittsöffnung 10 und eine Austrittsöffnung 20 aufweist. Ein in der 1 gezeigter Strömungswiderstand W1 bedeckt die Eintrittsöffnung 10. Der Strömungswiderstand W1 kann insbesondere eine Membran sein, die als Drossel und Staubfilter fungiert.
-
Wie in der 1 gezeigt, umfasst die mikroelektronische Bauelementanordnung 100 zwei Elektroden E1, E2. Die zwei Elektroden E1, E2 sind als Hochspannungsspitze E1‘ und Gegenelektrode E2‘ ausgebildet. Die Hochspannungsspitze E1‘ und die Gegenelektrode E2‘ sind dazu vorgesehen, ein Plasma P1 im Durchflusskanal K1 zu erzeugen.
-
Wie in der 1 gezeigt, umfasst die mikroelektronische Bauelementanordnung 100 ferner eine Mikropumpe M1, wobei die Hochspannungsspitze E1‘ und die Gegenelektrode E2‘ zwischen der Mikropumpe M1 und dem Strömungswiderstand W1 angeordnet sind.
-
Wie in der 1 gezeigt, umfasst die mikroelektronische Bauelementanordnung 100 ferner eine Detektionsvorrichtung D1, wodurch zumindest eine Strahlungsintensität in zumindest einem Wellenlängenbereich zumindest eines durch das Plasma P1 hindurchtretenden Gases G1 bestimmbar ist und durch die Mikropumpe M1 ein Unterdruck U1 zwischen der Mikropumpe M1 und dem Strömungswiderstand W1 erzeugbar ist. Durch den Unterdruck U1, der durch die Mikropumpe M1 erzeugbar ist bzw. erzeugt wird, wird eine Durchschlagsspannung herabgesetzt. Hierdurch ist die mikroelektronische Bauelementanordnung 100 insbesondere energiesparend.
-
In der 1 ist die Detektionsvorrichtung D1 als Lichtdetektor, beispielsweise als eine Fotodiode, ausgebildet. Die unterschiedlichen Intensitäten des von dem zumindest einen Gas G1 beim Hindurchtreten durch das Plasma P1 emittierten Lichtes weisen spezifische Maxima (Peaks) in einem oder mehreren spezifischen Wellenlängenbereichen auf. Der Lichtdetektor kann insbesondere mit einer Schicht bedeckt sein, welche ausschließlich einen bestimmten Wellenlängenbereich durchlässt (Band-Pass Filter), so dass Licht (Strahlungsintensitäten und Wellenlängenbereiche) ausschließlich von einem spezifischen Gas bestimmt wird.
-
2 zeigt eine entsprechende schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern eines Aufbaus der mikroelektronischen Bauelementanordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
In der 2 bezeichnet Bezugszeichen P1 das Plasma, das durch die Hochspannungsspitze E1‘ und die Gegenelektrode E2‘ erzeugt wird. Alternativ sind auch Kondensatorplatten denkbar. Durch den Unterdruck U1 ist die Durchschlagsspannung herabgesetzt und für ein Erzeugen des Plasma P1 reduziert sich eine anzulegende Spannung an der Hochspannungsspitze E1‘ und der Gegenelektrode E2‘ entsprechend.
-
3 zeigt eine schematische senkrechte Querschnittsansicht zum Erläutern einer mikroelektronischen Bauelementanordnung und eines entsprechenden Herstellungsverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
In der 3 ist die in 1 gezeigte mikroelektronische Bauelementanordnung 100 gezeigt mit dem Unterschied, dass die Detektionsvorrichtung D1 statt des Lichtdetektors in dieser zweiten Ausführungsform einen Spiegel 60 zum
-
Umlenken des Lichts, eine Linse 70 und einen Mikro-Spektrometer 80 umfasst. So lässt das emittierte Licht, welches auf das durch das Plasma P1 angeregte Gas G1, zurückzuführen ist, spektral untersuchen. Das heißt, dass die spektralen Anteile (Strahlungsintensität vs. Wellenlängenspektrum) bestimmt werden können. Alternativ sind einfache bewegliche Strukturen in der Detektionsvorrichtung denkbar, welche eine Veränderung der detektierten Wellenlängenbereiche bzw. Wellenlängen ermöglichen.
-
Die zu detektierende Gase können anhand ihrer Lage (Frequenz oder Wellenlänge) von den zugehörigen Maxima in der Strahlungsintensitätsverteilung analysiert werden. Eine Quantifizierung erfolgt über die Höhe der zugehörigen Peaks. Gegebenenfalls kann das Ergebnis durch eine initiale oder laufende, beispielsweise statistischen Kalibrierung, verbessert bzw. normiert werden.
-
4 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Herstellungsverfahrens gemäß der ersten und/oder zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Das Herstellungsverfahren für eine mikroelektronische Bauelementanordnung 100 zum dynamischen Detektieren zumindest eines Gases umfasst die Schritte A, B, C und D.
-
Im Schritt A des Herstellungsverfahrens wird ein Durchflusskanal K1 mit einer Eintrittsöffnung 10 und einer Austrittsöffnung 20 bereitgestellt, wobei die Eintrittsöffnung 10 durch einen Strömungswiderstand W1 bedeckt wird.
-
Im Schritt B des Herstellungsverfahrens wird ein Plasma P1 mittels zumindest zweier Elektroden E1, E2 in dem Durchflusskanal K1 erzeugt, wobei die zumindest zwei Elektroden E1, E2 zwischen einer Mikropumpe M1 und dem Strömungswiderstand W1 angeordnet werden.
-
Im Schritt C des Herstellungsverfahrens wird ein Unterdruck U1 zwischen der Mikropumpe M1 und dem Strömungswiderstand W1 mittels der Mikropumpe M1 erzeugt.
-
Schließlich wird im Schritt D zumindest eine Strahlungsintensität und/oder zumindest eine Wellenlängenbereich zumindest eines durch das Plasma P1 hindurchtretenden Gases G1 mittels einer Detektionsvorrichtung D1 bestimmt. Durch den mittels der Mikropumpe M1 erzeugten Unterdruck U1 kann eine Durchschlagsspannung zum Erzeugen des Plasmas P1 reduziert werden.
-
Die hier beschrieben mikroelektronische Bauelementanordnung kann insbesondere Einsatz in mobilen Anwendungen, beispielsweise integriert in einem Smartphone, Tablet oder mobilen Plattformen (Auto, Transporter oder Container) oder stationären Anwendungen in der häuslichen Umgebung finden.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Werte und Anordnungen nur beispielshaft und nicht auf die erläuternden Beispiele beschränkt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
