Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung.The invention relates to a sensor device. Likewise, the invention relates to a manufacturing method for a sensor device.
Stand der TechnikState of the art
In der US 2012/0206134 A1 ist ein Magnetfeldsensor beschrieben, welcher zum Ausführen seiner Messungen mindestens ein sensitives Element mit einer vorgegebenen sensitiven Richtung senkrecht zu einer von dem jeweiligen sensitiven Element abgedeckten Fläche einsetzt. Das mindestens eine sensitive Element ist nahe an einer Spitze eines Biegebalkens befestigt, wobei der Biegebalken zwei sich entlang seiner Ausdehnung erstreckende und voneinander beabstandete Elektroden umfasst und mittels einer an den Elektroden anliegenden oszillierenden Spannung abwechselnd konkav und konvex wölbbar ist. Mittels dieses Verformens des Biegebalkens soll ein Raumwinkelbereich eines Magnetfelds mittels des mindestens einen Biegebalken-getragenen sensitiven Elements abrasterbar/abfahrbar sein. In the US 2012/0206134 A1 a magnetic field sensor is described, which uses at least one sensitive element with a predetermined sensitive direction perpendicular to a surface covered by the respective sensitive element to perform its measurements. The at least one sensitive element is fastened close to a tip of a bending beam, wherein the bending beam comprises two electrodes extending along its extension and spaced from one another and alternately concave and convexly curvable by means of an oscillating voltage applied to the electrodes. By means of this deformation of the bending beam is a solid angle range of a magnetic field by means of the at least one bending beam-carried sensitive element to be scanned / abfahrbar.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung schafft eine Sensorvorrichtung und ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.The invention provides a sensor device and a manufacturing method for a sensor device with the features of the independent patent claims.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Die erfindungsgemäße Ausbildung mindestens eines freitragenden Bereichs für mindestens eine Biegestruktur mit einer mechanischen Eigenspannung in seinem jeweiligen Inneren ist mittels eines vergleichsweise geringen Arbeitsaufwands und kostengünstig realisierbar. Damit schafft die vorliegende Erfindung vorteilhafte Möglichkeiten zum Verwenden von sensitiven Elementen mit je einer vorgegebenen sensitiven Richtung senkrecht zu mindestens einer von dem jeweiligen sensitiven Element abgedeckten Fläche derart, dass auch geneigt zu einer funktionalisierten Substratoberfläche ausgerichtete Feldkomponenten eines physikalischen Feldes, insbesondere Feldkomponenten mit einem Neigungswinkel zu der mit dem jeweiligen sensitiven Element funktionalisierten Substratoberfläche zwischen 45° und 135°, mittels des jeweiligen sensitiven Elements messbar sind. Die vorliegende Erfindung erweitert damit eine Einsatzmöglichkeit von kostengünstigen sensitiven Elementen, welche herkömmlicherweise aufgrund der Vorgabe ihrer sensitiven Richtung noch beschränkt ist. Damit trägt die vorliegende Erfindung zur Reduzierung von Herstellungskosten für Sensorvorrichtungen bei.The inventive construction of at least one cantilevered area for at least one bending structure with a mechanical residual stress in its respective interior can be realized by means of a comparatively low workload and cost-effectively. Thus, the present invention provides advantageous possibilities for using sensitive elements, each with a predetermined sensitive direction perpendicular to at least one of the respective sensitive element covered surface such that inclined inclined to a functionalized substrate surface field components of a physical field, in particular field components with an inclination angle the functionalized with the respective sensitive element substrate surface between 45 ° and 135 °, by means of the respective sensitive element can be measured. The present invention thus extends the possibility of using cost-sensitive elements, which is conventionally still limited due to the specification of their sensitive direction. Thus, the present invention contributes to the reduction of manufacturing costs for sensor devices.
Die jeweilige mechanische Eigenspannung in dem mindestens einen freitragenden Bereich der mindestens einen Sensorvorrichtungs-eigenen Biegestruktur bietet eine permanente Wölbung von dessen Trägerfläche, welche wahlweise konvex oder konkav sein kann. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung benötigt somit keine Energie zum lediglich zeitweisen Bewirken der Wölbung der mindestens einen Trägerfläche. Die vorliegende Erfindung trägt damit auch zur Reduzierung eines Energieverbrauchs von Sensorvorrichtungen bei.The respective mechanical residual stress in the at least one cantilevered region of the at least one sensor device-own bending structure provides a permanent curvature of the support surface, which may be either convex or concave. The sensor device according to the invention thus requires no energy for only temporarily effecting the curvature of the at least one support surface. The present invention thus also contributes to the reduction of energy consumption of sensor devices.
Beispielsweise kann die mindestens eine Trägerfläche des mindestens einen freitragenden Bereichs so konvex und/oder konkav gewölbt sein, dass die vorgegebene sensitive Richtung jedes Biegestruktur-getragenen sensitiven Elements in einem Neigungswinkel zwischen 45° und 135° zu der mit seiner Biegestruktur funktionalisierten Substratoberfläche verläuft. Insbesondere kann die mindestens eine Trägerfläche des mindestens einen freitragenden Bereichs so konvex und/oder konkav gewölbt sein, dass die vorgegebene sensitive Richtung jedes Biegestruktur-getragenen sensitiven Elements parallel zu der mit seiner Biegestruktur funktionalisierten Substratoberfläche verläuft. Während herkömmlicherweise parallel zu der funktionalisierten Substratoberfläche ausgerichtete Komponenten eines physikalischen Feldes mittels eines daran angeordneten sensitiven Elements nicht/kaum erfassbar waren, bietet die hier beschriebene Ausführungsform der Sensorvorrichtung eine kostengünstige Möglichkeit zum Ausführen derartiger Messungen.By way of example, the at least one support surface of the at least one cantilevered region may be convex and / or concave such that the predetermined sensitive direction of each bending structure-carried sensitive element extends at an inclination angle between 45 ° and 135 ° to the substrate surface functionalized with its bending structure. In particular, the at least one support surface of the at least one cantilevered region may be curved so convexly and / or concavely that the predetermined sensitive direction of each bending structure-carried sensitive element is parallel to the substrate surface functionalized with its bending structure. While components of a physical field aligned conventionally parallel to the functionalized substrate surface were not / hardly detectable by means of a sensitive element arranged thereon, the embodiment of the sensor device described here offers a cost-effective possibility for carrying out such measurements.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist mindesten eine Vertiefung in dem mindestens einen Substrat ausgebildet und die mindestens eine Trägerfläche des mindestens einen freitragenden Bereichs ist so konvex gewölbt, dass der mindestens eine freitragende Bereich zumindest teilweise in die mindestens eine Vertiefung hineinragt. Durch das „Hineinbiegen“ des mindestens einen freitragenden Bereichs zumindest teilweise in die mindestens eine Vertiefung sinkt ein Risiko eines Beschädigens/Brechens des jeweiligen freitragenden Bereichs aufgrund seines Kontakts/Anstoßens an ein nahe an der damit funktionalisierten Substratoberfläche liegenden Objekt. Außerdem trägt das „Hineinbiegen“ des mindestens einen freitragenden Bereichs zumindest teilweise in die mindestens eine Vertiefung zur Reduzierung einer Bauhöhe der jeweiligen Sensorvorrichtung bei.In an advantageous embodiment of the sensor device, at least one depression is formed in the at least one substrate and the at least one support surface of the at least one cantilevered region is convexly curved in such a way that the at least one cantilevered region projects at least partially into the at least one depression. By "bending in" the at least one cantilevered region at least partially into the at least one depression, a risk of damaging / breaking the respective cantilevered region due to its contact / abutment to an object close to the substrate surface functionalized therewith decreases. In addition, the "bending in" of the at least one cantilevered area contributes at least partially into the at least one depression for reducing a structural height of the respective sensor device.
Vorzugsweise umfasst die Sensorvorrichtung als das mindestens eine Biegestruktur-getragene sensitive Element zumindest ein erstes sensitives Element und ein zweites sensitives Element, wobei eine dem ersten sensitiven Element zugeordnete erste sensitive Richtung senkrecht zu einer dem zweiten sensitiven Element zugeordneten zweiten sensitiven Richtung verläuft. Damit können auch senkrecht zueinander angeordnete Feldkomponenten eines physikalischen Feldes, insbesondere senkrecht zueinander ausgerichtete Feldkomponenten mit einem Neigungswinkel zwischen 45° und 135° zu der mit dem ersten sensitiven Element und dem zweiten sensitiven Element funktionalisierten Substratoberfläche, leicht und verlässlich gemessen werden.The sensor device preferably comprises at least one first sensitive element and one second sensitive element as the sensitive element carried by the at least one bending structure, wherein a first sensitive direction assigned to the first sensitive element is perpendicular to a second sensitive element assigned to the second sensitive element Direction runs. In this way, field components of a physical field which are arranged perpendicular to one another, in particular orthogonally aligned field components with an inclination angle between 45 ° and 135 ° to the substrate surface functionalized with the first sensitive element and the second sensitive element, can be measured easily and reliably.
Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung als die mindestens eine Biegestruktur zumindest eine erste Biegestruktur mit dem ersten sensitiven Element und eine zweite Biegestruktur mit dem zweiten sensitiven Element umfassen. Als Alternative dazu kann die Sensorvorrichtung auch als die mindestens eine Biegestruktur zumindest eine doppelt gewölbte Biegestruktur mit einer zweidimensional konvex oder konkav gewölbten Trägerfläche, welche von dem ersten sensitiven Element und dem zweiten sensitiven Element teilweise abgedeckt ist, aufweisen. Die beiden hier beschriebenen Ausführungsformen der Sensorvorrichtung ermöglichen leicht ein Ausrichten der ersten sensitiven Richtung des ersten sensitiven Elements senkrecht zu der zweiten sensitiven Richtung des zweiten sensitiven Elements. Zusätzlich lässt sich mittels der zumindest einen doppelt gewölbten Biegestruktur ein Flächenbedarf auf der mindestens einen funktionalisierten Substratoberfläche für das mindestens eine Biegestruktur-getragene sensitive Element reduzieren.By way of example, the sensor device may comprise, as the at least one bending structure, at least one first bending structure with the first sensitive element and a second bending structure with the second sensitive element. As an alternative thereto, the sensor device can also have, as the at least one bending structure, at least one double-curved bending structure with a two-dimensionally convexly or concavely curved support surface, which is partially covered by the first sensitive element and the second sensitive element. The two embodiments of the sensor device described here make it easy to align the first sensitive direction of the first sensitive element perpendicular to the second sensitive direction of the second sensitive element. In addition, an area requirement on the at least one functionalized substrate surface for the at least one bending-structure-supported sensitive element can be reduced by means of the at least one double-curved bending structure.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Sensorvorrichtung zusätzlich mindestens ein Biegestruktur-loses sensitives Element mit je einer vorgegebenen sensitiven Richtung senkrecht zu mindestens einer von dem jeweiligen sensitiven Element abgedeckten Teilfläche zum Ermitteln einer Feldkomponente eines physikalischen Feldes in der jeweils vorgegebenen sensitiven Richtung, wobei das mindestens eine Biegestruktur-lose sensitive Element direkt oder indirekt an der damit funktionalisierten Substratoberfläche so angeordnet ist, dass die mindestens eine vorgegebene sensitive Richtung des mindestens einen Biegestruktur-losen sensitiven Elements senkrecht zu der damit funktionalisierten Substratoberfläche verläuft. Dies steigert eine Einsetzbarkeit dieser Weiterbildung der Sensorvorrichtung. Insbesondere kann der gleiche Elementtyp/Sensortyp sowohl für das mindestens eine Biegestruktur-getragene sensitive Element als auch für das mindestens eine Biegestruktur-lose sensitive Element eingesetzt werden. Dies reduziert einen Arbeitsaufwand zum Herstellen der Weiterbildung der Sensorvorrichtung und senkt deren Herstellungskosten. In an advantageous development, the sensor device additionally comprises at least one bending structure-free sensitive element, each with a predetermined sensitive direction perpendicular to at least one of the respective sensitive element covered partial area for determining a field component of a physical field in the respective predetermined sensitive direction, said at least one Biegestruktur-loose sensitive element is arranged directly or indirectly on the substrate surface functionalized therewith so that the at least one predetermined sensitive direction of the at least one bending structure-less sensitive element perpendicular to the substrate surface functionalized therewith. This increases an applicability of this development of the sensor device. In particular, the same element type / sensor type can be used both for the at least one bending structure-supported sensitive element and for the at least one bending structure-less sensitive element. This reduces a workload for producing the development of the sensor device and reduces their production costs.
Bevorzugter Weise umfasst die Sensorvorrichtung als das mindestens eine Biegestruktur-getragene sensitive Element genau das erste sensitive Element und das zweite sensitive Element und als das mindestens eine Biegestruktur-lose sensitive Element genau ein drittes sensitives Element, wobei die dem ersten sensitiven Element zugeordnete erste sensitive Richtung senkrecht zu der dem zweiten sensitiven Element zugeordneten zweiten sensitiven Richtung verläuft und eine dem dritten sensitiven Element zugeordnete dritte sensitive Richtung senkrecht zu der damit funktionalisierten Substratoberfläche verläuft.Preferably, the sensor device comprises as the at least one bending structure-carried sensitive element exactly the first sensitive element and the second sensitive element and as the at least one bending structure-less sensitive element exactly a third sensitive element, wherein the first sensitive element associated with the first sensitive direction is perpendicular to the second sensitive element associated second sensitive direction and a third sensitive element associated third sensitive direction perpendicular to the substrate surface functionalized therewith.
Das mindestens eine Biegestruktur-getragene sensitive Element und/oder das mindestens eine Biegestruktur-lose sensitive Element können beispielsweise zum Messen einer Feldkomponente eines magnetischen Feldes in seiner jeweils vorgegebenen sensitiven Richtung ausgelegt sein. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung kann damit zur Messung von Magnetfeldern, insbesondere zur Messung des Erdmagnetfeldes, eingesetzt werden. Damit können die oben beschriebenen Vorteile der Sensorvorrichtung für eine Vielzahl von Funktionen (z.B. Navigation) und Geräten (wie z.B. Smartphones) genutzt werden.The at least one bending structure-carried sensitive element and / or the at least one bending structure-loose sensitive element can be designed, for example, for measuring a field component of a magnetic field in its respective predetermined sensitive direction. The sensor device according to the invention can thus be used for measuring magnetic fields, in particular for measuring the earth's magnetic field. Thus, the above-described advantages of the sensor device can be utilized for a variety of functions (e.g., navigation) and devices (such as smartphones).
Vorzugsweise sind das mindestens eine Biegestruktur-getragene sensitive Element und/oder das mindestens eine Biegestruktur-lose sensitive Element je ein Hall-Element. Die vorliegende Erfindung trägt somit zur Steigerung einer Einsetzbarkeit der Hall-Elemente bei und erlaubt damit eine Ausnutzung von deren Vorteilen (wie z.B. eine hohe Empfindlichkeit, eine hohe Genauigkeit, ein niedriger Energieverbrauch und geringe Herstellungskosten) für eine Vielzahl von Anwendungen.The at least one bending structure-supported sensitive element and / or the at least one bending structure-less sensitive element are each preferably a Hall element. The present invention thus contributes to the enhancement of the usability of the Hall elements and thus allows the utilization of their advantages (such as high sensitivity, high accuracy, low power consumption and low manufacturing cost) for a variety of applications.
Die oben beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Ausführen des korrespondierenden Herstellungsverfahrens für eine Sensorvorrichtung gewährleistet. Es wird darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren gemäß den oben beschriebenen Ausführungen der Sensorvorrichtungen weiterbildbar ist.The above-described advantages are also ensured in carrying out the corresponding manufacturing method for a sensor device. It should be noted that the manufacturing method according to the above-described embodiments of the sensor devices can be further developed.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:Further features and advantages of the present invention will be explained below with reference to the figures. Show it:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Sensorvorrichtung; 1 a schematic representation of a first embodiment of the sensor device;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Sensorvorrichtung; 2 a schematic representation of a second embodiment of the sensor device;
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Sensorvorrichtung; 3 a schematic representation of a third embodiment of the sensor device;
4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Sensorvorrichtung; 4 a schematic representation of a fourth embodiment of the sensor device;
5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der Sensorvorrichtung; und 5 a schematic representation of a fifth embodiment of the sensor device; and
6a und 6b schematische Darstellungen eines Halbleiterschichtaufbaus zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine Sensorvorrichtung. 6a and 6b schematic diagrams of a semiconductor layer structure for explaining an embodiment of the manufacturing method for a sensor device.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Sensorvorrichtung. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the sensor device.
Die in 1 schematisch dargestellte Sensorvorrichtung hat ein Substrat 10 mit einer funktionalisierten Substratoberfläche 12, an welcher eine Biegestruktur 14 angeordnet ist. Das Substrat 10 kann z.B. ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein Siliziumsubstrat, sein. Eine Ausbildbarkeit der Sensorvorrichtung ist jedoch nicht auf ein bestimmtes Material für das Substrat 10 limitiert. Vorzugsweise ist die Biegestruktur 14 als MEMS-Struktur (Micro-Electro-Mechanical-System) ausgebildet. Die Biegestruktur 14 kann aus mindestens einem Halbleitermaterial, mindestens einem elektrisch isolierenden Material und/oder mindestens einem Metall gebildet sein. Es wird darauf hingewiesen, dass eine Ausbildung der Biegestruktur 14 nicht auf die Verwendung eines bestimmten Materials dafür limitiert ist. Vorteilhafte Beispiele für das mindestens eine Material der Biegestruktur 14 sind unten noch angegeben.In the 1 schematically illustrated sensor device has a substrate 10 with a functionalized substrate surface 12 at which a bending structure 14 is arranged. The substrate 10 For example, it may be a semiconductor substrate, in particular a silicon substrate. However, a formability of the sensor device is not specific to a material for the substrate 10 limited. Preferably, the bending structure 14 formed as a MEMS structure (micro-electro-mechanical system). The bending structure 14 may be formed from at least one semiconductor material, at least one electrically insulating material and / or at least one metal. It should be noted that an education of the bending structure 14 not limited to the use of a particular material for it. Advantageous examples of the at least one material of the bending structure 14 are given below.
Die Biegestruktur 14 umfasst einen Verankerungsbereich 14a und einen an dem Verankerungsbereich 14a gehaltenen freitragenden Bereich 14b. Der Verankerungsbereich 14a kann direkt an der funktionalisierten Substratoberfläche 12 oder (direkt) an einer die funktionalisierte Substratoberfläche 12 zumindest teilweise abdeckenden Schicht 16 (bzw. einem die funktionalisierte Substratoberfläche 12 zumindest teilweise abdeckenden Schichtaufbau) verankert sein. Lediglich beispielhaft ist in der Ausführungsform der 1 der Verankerungsbereich 14a (direkt) auf einer die funktionalisierte Substratoberfläche 12 des Substrats 10 zumindest teilweise abdeckenden Isolierschicht 16 (z.B. aus Siliziumoxid) befestigt. Ebenfalls nur beispielhaft ist in der Ausführungsform der 1 die Biegestruktur 14 als ein Biegebalken oder ein Cantilever ausgebildet, bei welchem sich der (balkenförmige/stegförmige) freitragende Bereich 14b in eine vorgegebene Richtung von dem Verankerungsbereich 14a weg erstreckt. Ein Beispiel für eine weitere vorteilhafte Biegestrukturform ist unten noch beschrieben.The bending structure 14 includes an anchoring area 14a and one at the anchoring area 14a held cantilevered area 14b , The anchoring area 14a can directly on the functionalized substrate surface 12 or (directly) on a functionalized substrate surface 12 at least partially covering layer 16 (or a functionalized substrate surface 12 anchored at least partially covering layer structure). For example only, in the embodiment of the 1 the anchoring area 14a (directly) on a functionalized substrate surface 12 of the substrate 10 at least partially covering insulating layer 16 (eg made of silicon oxide) attached. Also only by way of example in the embodiment of the 1 the bending structure 14 formed as a bending beam or a cantilever, in which the (beam-shaped / web-shaped) cantilevered area 14b in a predetermined direction from the anchoring area 14a extends away. An example of another advantageous bending structure shape is described below.
Die Sensorvorrichtung der 1 ist mit einem (Biegestruktur-getragenen) sensitiven Element 18 mit einer vorgegebenen sensitiven Richtung 20 ausgestattet. Darunter ist zu verstehen, dass das sensitive Element 18 zum Ermitteln/Messen einer Feldkomponente eines physikalischen Feldes in der jeweils vorgegebenen sensitiven Richtung 20 ausgelegt ist. (Andere Feldkomponenten des gleichen physikalischen Feldes in senkrecht zu der sensitiven Richtung 20 ausgerichteten Raumrichtungen sind in der Regel höchstens ungenau mittels des sensitiven Elements 18 ermittelbar.) Das sensitive Element 18 ist (baulich) so ausgelegt, dass die sensitive Richtung 20 des sensitiven Elements 18 senkrecht zu einer von dem sensitiven Element 18 abgedeckten Fläche ausgerichtet ist. Ein sensitives Element 18 mit einer derart vorgegebenen sensitiven Richtung 20 senkrecht zu der davon abgedeckten Fläche ist in der Regel vergleichsweise kostengünstig herstellbar, weist einen relativ niedrigen Flächen- und/oder Bauraumbedarf auf und benötigt relativ wenig Energie zum Ermitteln der jeweiligen Feldkomponente des physikalischen Feldes. Wie nachfolgend jedoch erklärt wird, kann das sensitive Element 18 bei der Sensorvorrichtung der 1 im Vergleich zum Stand der Technik weitläufiger eingesetzt werden.The sensor device of 1 is with a (bending structure-supported) sensitive element 18 with a given sensitive direction 20 fitted. By this is meant that the sensitive element 18 for determining / measuring a field component of a physical field in the respective predetermined sensitive direction 20 is designed. (Other field components of the same physical field perpendicular to the sensitive direction 20 Aligned spatial directions are usually at most inaccurate by means of the sensitive element 18 ascertainable.) The sensitive element 18 is (structurally) designed so that the sensitive direction 20 of the sensitive element 18 perpendicular to one of the sensitive element 18 covered area is aligned. A sensitive element 18 with such a predetermined sensitive direction 20 perpendicular to the surface covered by it is generally comparatively inexpensive to produce, has a relatively low space and / or space requirement and requires relatively little energy to determine the respective field component of the physical field. However, as explained below, the sensitive element 18 in the sensor device of 1 be used more widely compared to the prior art.
Das (Biegestruktur-getragenen) sensitive Element 18 deckt eine Trägerfläche 22 des freitragenden Bereichs 14b teilweise ab. Lediglich beispielhaft ist in der Ausführungsform der 1 die Trägerfläche 22 eine von der funktionalisierten Substratoberfläche 12 weg gerichtete Oberfläche des freitragenden Bereichs 14b. Alternativ kann die Trägerfläche 22 z.B. auch eine zu der funktionalisierten Substratoberfläche 12 gerichtete Innenfläche des freitragenden Bereichs 14b sein.The (bending structure-supported) sensitive element 18 covers a support surface 22 of the cantilevered area 14b partially off. For example only, in the embodiment of the 1 the support surface 22 one from the functionalized substrate surface 12 away-facing surface of the cantilevered area 14b , Alternatively, the support surface 22 eg one to the functionalized substrate surface 12 directed inner surface of the cantilevered area 14b be.
Zusätzlich weist der freitragende Bereich 14b in seinem Inneren eine mechanische Eigenspannung auf, wodurch seine Trägerfläche 22 konvex oder konkav gewölbt ist. Aufgrund der konvexen oder konkaven Wölbung der Trägerfläche 22 liegt das Biegestruktur-getragene sensitive Element 18 in einer Stellung in Bezug zu der damit funktionalisierten Substratoberfläche 12, in welcher seine vorgegebene sensitive Richtung 20 geneigt zu der Substratoberfläche 12 ausgerichtet ist. Aufgrund der mechanischen Eigenspannung im Inneren des freitragenden Bereichs 14b kann das (Biegestruktur-getragene) sensitive Element 18 deshalb auch zum Ermitteln/Messen einer geneigt zu der Substratoberfläche 12 ausgerichteten Feldkomponente des physikalischen Feldes eingesetzt werden. (Wäre die Trägerfläche 22 parallel zu der damit funktionalisierten Substratoberfläche 12 ausgebildet, so wäre die vorgegebene sensitive Richtung 20 des darauf liegenden sensitiven Elements 18 senkrecht zu der funktionalisierten Substratoberfläche 12 ausgerichtet und eine Verwendbarkeit des sensitiven Elements 18 auf ein Ermitteln/Messen einer senkrecht zu der Substratoberfläche 12 ausgerichteten Feldkomponente des physikalischen Feldes beschränkt.) Während herkömmlicherweise ein Sensorelement mit einer senkrecht zu einer von dem sensitiven Element 18 abgedeckten Fläche ausgerichteten Messrichtung in der Regel nur zum Bestimmen einer senkrecht zur funktionalisierten Substratoberfläche 12 ausgerichteten Feldkomponente einsetzbar ist, ist eine Funktionalität/Einsetzbarkeit des sensitiven Elements 18 gesteigert. Außerdem benötigt die Sensorvorrichtung (aufgrund der mechanischen Eigenspannung im Inneren des freitragenden Bereichs 14b) keine Energie zum lediglich zeitweisen Bewirken einer Wölbung der mindestens einen Trägerfläche 22. Ebenso kann auf das Ausbilden von elektrischen Komponenten zum aktiven/zeitweisen Bewirken einer Wölbung der mindestens einen Trägerfläche 22 verzichtet werden. Zusätzlich ist die gewünschte mechanische Eigenspannung im Inneren des freitragenden Bereichs 14b vergleichsweise leicht und mit einem relativ geringen Arbeitsaufwand ausbildbar.In addition, the cantilever area points 14b in its interior, a mechanical residual stress, causing its support surface 22 convex or concave. Due to the convex or concave curvature of the support surface 22 is the bending structure-supported sensitive element 18 in a position relative to the substrate surface functionalized therewith 12 , in which its predetermined sensitive direction 20 inclined to the substrate surface 12 is aligned. Due to the internal mechanical stress inside the self-supporting area 14b can the (bending structure-carried) sensitive element 18 therefore, also for detecting / measuring an inclined to the substrate surface 12 aligned field component of the physical field are used. (Would be the support surface 22 parallel to the functionalized substrate surface 12 formed, so would be the predetermined sensitive direction 20 of the sensitive element lying thereon 18 perpendicular to the functionalized substrate surface 12 aligned and a usability of the sensitive element 18 upon detecting / measuring one perpendicular to the substrate surface 12 while conventionally a sensor element having one perpendicular to one of the sensitive element 18 covered Surface oriented measuring direction usually only for determining a perpendicular to the functionalized substrate surface 12 aligned field component is used, is a functionality / applicability of the sensitive element 18 increased. In addition, the sensor device requires (due to the internal mechanical stress inside the cantilevered area 14b ) no energy for only temporarily causing a curvature of the at least one support surface 22 , Likewise, the formation of electrical components for active / temporary effecting a curvature of the at least one support surface 22 be waived. In addition, the desired mechanical residual stress is inside the cantilevered area 14b comparatively easy and with a relatively small amount of work ausbildbar.
Die vorteilhafte mechanische Eigenspannung im Inneren des freitragenden Bereichs 14, welche die gewünschte konvexe oder konkave Wölbung der Trägerfläche 22 (permanent) bewirkt, ist eine mechanische Spannung, die im Inneren des freitragenden Bereichs 14 herrscht selbst wenn keine äußeren Kräfte an dem freitragenden Bereich 14b angreifen und sich dieser in einem thermischen Gleichgewicht befindet. Die mechanische Eigenspannung kann auch als ein (implementierter) Spannungs-Gradient oder als ein (implementierter) Stress-Gradient im Inneren des freitragenden Bereichs 14b (bzw. als ein intrinsischer Spannungs-Gradient oder als ein intrinsischer Stress-Gradient) bezeichnet werden. Die mechanische Eigenspannung im Inneren des freitragenden Bereichs 14b verursacht eine plastische Verformung des freitragenden Bereichs 14b mit der gewünschten konvexen oder konkaven Wölbung seiner Trägerfläche 22. The advantageous mechanical residual stress inside the self-supporting area 14 which the desired convex or concave curvature of the support surface 22 (permanent) causes is a mechanical stress that is inside the cantilevered area 14 even if no external forces prevail on the cantilevered area 14b attack and this is in a thermal equilibrium. The mechanical residual stress can also be considered as an (implemented) stress gradient or as an (implemented) stress gradient inside the cantilevered region 14b (or as an intrinsic stress gradient or as an intrinsic stress gradient). The mechanical residual stress inside the cantilevered area 14b causes plastic deformation of the cantilevered area 14b with the desired convex or concave curvature of its support surface 22 ,
In der Ausführungsform der 1 umfasst die Biegestruktur 14 (zumindest) eine erste Schicht 24 mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine die erste Schicht 24 (direkt oder indirekt) abdeckende zweite Schicht 26 mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten ungleich dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bewirkt (nach dem Bilden der Biegestruktur 14) ein Abkühlen/Erwärmen der Schichten 24 und 26 auf Raumtemperatur die gewünschte konvexe oder konkave Wölbung der Trägerfläche 22. Beispielsweise weist die erste Schicht 24 einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, welcher kleiner als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient der zweiten Schicht 26 ist. Außerdem wird es bevorzugt, wenn beim Auftragen der Schichten 24 und 26 zumindest die zweite Schicht 26 eine Ausgangstemperatur über der Raumtemperatur aufweist. Ein Abkühlen insbesondere der zweiten Schicht 26 (mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten) von der erhöhten Ausgangstemperatur auf Raumtemperatur zieht in diesem Fall die zweite Schicht 26 stärker als die erste Schicht 24 zusammen und es ergibt sich (aufgrund des auftretenden Stressgradienten) die in 1 gezeigte konkave Krümmung der (von der funktionalisierten Substratoberfläche 12 weg gerichteten) Trägerfläche 22. Entsprechend kann auch, sofern die erste Schicht 24 einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten größer als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient der zweiten Schicht 26 aufweist, eine konvexe Krümmung der (von der funktionalisierten Substratoberfläche 12 weg gerichteten) Trägerfläche 22 bewirkt werden. (Ein möglicher Einfluss eines Drifts über Temperatur kann über ein Temperatur-Mess-Element in beiden Fällen kompensiert werden.)In the embodiment of the 1 includes the bending structure 14 (at least) a first layer 24 with a first thermal expansion coefficient and a first layer 24 (second layer, directly or indirectly) 26 with a second coefficient of thermal expansion not equal to the first thermal expansion coefficient. Due to the different thermal expansion coefficients (after forming the bending structure 14 ) cooling / heating of the layers 24 and 26 at room temperature the desired convex or concave curvature of the support surface 22 , For example, the first layer 24 a first thermal expansion coefficient, which is smaller than the second thermal expansion coefficient of the second layer 26 is. In addition, it is preferred if when applying the layers 24 and 26 at least the second layer 26 has a starting temperature above room temperature. Cooling in particular of the second layer 26 (with the higher coefficient of thermal expansion) from the elevated exit temperature to room temperature in this case pulls the second layer 26 stronger than the first layer 24 together and it results (due to the occurring stress gradients) the in 1 shown concave curvature of (from the functionalized substrate surface 12 directed away) support surface 22 , Accordingly, if the first layer 24 a first thermal expansion coefficient greater than the second thermal expansion coefficient of the second layer 26 has a convex curvature of (from the functionalized substrate surface 12 directed away) support surface 22 be effected. (A possible influence of a drift over temperature can be compensated by a temperature measuring element in both cases.)
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die vorteilhafte mechanische Eigenspannung zum Bewirken der gewünschten konvexen oder konkaven Wölbung der Trägerfläche 22 auch mittels einer intrinsischen Eigenschaft mindestens einer Schicht der Biegestruktur 14 bewirkbar ist. Dies ist unten noch genauer ausgeführt.It should be noted, however, that the advantageous mechanical residual stress for effecting the desired convex or concave curvature of the support surface 22 also by means of an intrinsic property of at least one layer of the bending structure 14 is feasible. This is explained in more detail below.
Beispielsweise kann die sensitive Richtung 20 des Biegestruktur-getragenen sensitiven Elements 18 (aufgrund der mechanischen Eigenspannung im Inneren des freitragenden Bereichs 14) in einem Neigungswinkel zwischen 45° und 135°, insbesondere in einem Neigungswinkel zwischen 65° und 115°, zu der funktionalisierten Substratoberfläche 12 (permanent) ausgerichtet sein. In diesem Fall kann das (Biegestruktur-getragene) sensitive Element 18 auch zum (direkten) Bestimmen/Messen von Feldkomponenten im Neigungswinkel zwischen 45° und 135° (bzw. zwischen 65° und 115°) zu der funktionalisierten Substratoberfläche 12 eingesetzt werden.For example, the sensitive direction 20 the bending structure-carried sensitive element 18 (Due to the internal mechanical stress inside the cantilevered area 14 ) at an inclination angle between 45 ° and 135 °, in particular at an inclination angle between 65 ° and 115 °, to the functionalized substrate surface 12 be (permanently) aligned. In this case, the (bending structure-carried) sensitive element 18 also for the (direct) determination / measurement of field components in the angle of inclination between 45 ° and 135 ° (or between 65 ° and 115 °) to the functionalized substrate surface 12 be used.
Insbesondere kann die Trägerfläche 22 des freitragenden Bereichs 14b konkav oder konvex so gewölbt sein, dass die vorgegebene sensitive Richtung 20 des Biegestruktur-getragenen sensitiven Elements 18 parallel zu der mit seiner Biegestruktur 14 funktionalisierten Substratoberfläche 12 verläuft. Das sensitive Element 18 kann in diesem Fall auch zum (direkten) Bestimmen/Messen einer parallel zu der Substratoberfläche 12 ausgerichteten Feldkomponente eingesetzt werden.In particular, the support surface 22 of the cantilevered area 14b be concave or convex so arched that the predetermined sensitive direction 20 the bending structure-carried sensitive element 18 parallel to the with its bending structure 14 functionalized substrate surface 12 runs. The sensitive element 18 may in this case also for (direct) determining / measuring a parallel to the substrate surface 12 aligned field component can be used.
In der Ausführungsform der 1 ist die Trägerfläche 22 des freitragenden Bereichs 14b (aufgrund der mechanischen Eigenspannung im Inneren des freitragenden Bereichs 14b) konkav gewölbt. Die Biegestruktur 14 weist eine maximale Höhe h1 zu der funktionalisierten Substratoberfläche 12 auf.In the embodiment of the 1 is the carrier surface 22 of the cantilevered area 14b (Due to the internal mechanical stress inside the cantilevered area 14b ) concave. The bending structure 14 has a maximum height h1 to the functionalized substrate surface 12 on.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Sensorvorrichtung. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the sensor device.
Bei der Ausführungsform der 2 ist eine Vertiefung 28 in dem Substrat 10 ausgebildet. Außerdem ist die Trägerfläche 22 des freitragenden Bereichs 14b (aufgrund der mechanischen Eigenschaften in seinem Inneren) so konvex gewölbt, dass der freitragende Bereich 14b zumindest teilweise in die Vertiefung 28 hineinragt. Durch dieses „Hineinbiegen/Versenken“ der Biegestruktur 14 in die Vertiefung 28 ist eine maximale Höhe h2 der Biegestruktur 14 zu der funktionalisierten Substratoberfläche 12 (verglichen mit der maximalen Höhe h1 der zuvor beschriebenen Ausführungsform) reduzierbar. Dies trägt auch zu einer Reduzierung einer Bauhöhe der Sensorvorrichtung bei. Zusätzlich ist der zumindest teilweise in die Vertiefung 28 „hineingebogene/versenkte“ freitragende Bereich 14b vor einem unerwünschten Anstoßen mit einem Objekt geschützt und weist deshalb ein geringeres Beschädigungsrisiko/Bruchrisiko auf. In diesem Fall kann die Biegestruktur 14 somit auch aus einem vergleichsweise fragilen Material gebildet sein, ohne dass ein Auftreten von Beschädigungen daran zu befürchten ist. In the embodiment of the 2 is a depression 28 in the substrate 10 educated. In addition, the support surface 22 of the cantilevered area 14b (due to the mechanical properties in its interior) so convexly curved that the self-supporting area 14b at least partially into the depression 28 protrudes. Through this "bending in / sinking" of the bending structure 14 into the depression 28 is a maximum height h2 of the bending structure 14 to the functionalized substrate surface 12 (Compared with the maximum height h1 of the embodiment described above) reducible. This also contributes to a reduction in a height of the sensor device. In addition, at least partially into the depression 28 "Cantilevered" cantilevered area 14b protected against an undesired impact with an object and therefore has a lower risk of damage / breakage. In this case, the bending structure 14 thus also be formed from a comparatively fragile material, without the occurrence of damage is to be feared.
In der Ausführungsform der 2 wird die Biegestruktur 14/der freitragende Bereich 14b beispielhaft nur aus einem Material, wie beispielsweise Siliziumcarbid, ausgebildet. Allerdings ist das Material der Biegestruktur 14/des freitragenden Bereichs 14b so abgeschieden, dass zwischen einem näher an der funktionalisierten Substratoberfläche 12 liegenden ersten Teil 30 der Biegestruktur 14/des freitragenden Bereichs 14b und einem zweiten Teil/Rest 32 der Biegestruktur 14/des freitragenden Bereichs 14b, welcher im Vergleich mit dem ersten Teil 30 einen größeren (mittleren) Abstand zu der funktionalisierten Substratoberfläche 12 aufweist, die gewünschte mechanische Eigenspannung vorliegt. Beispielsweise ist der erste Teil 30 der Biegestruktur 14/des freitragenden Bereichs 14b weniger kompressiv vorgespannt als der zweite Teil 32 der Biegestruktur 14/des freitragenden Bereichs 14b, was die in 2 dargestellte konvexe Wölbung der (von der funktionalisierten Substratoberfläche 12 weg gerichteten) Trägerfläche 22 bewirkt. Entsprechend kann auch der erste Teil 30 der Biegestruktur 14/des freitragenden Bereichs 14b stärker kompressiv vorgespannt sein als der zweite Teil 32 und die (von der funktionalisierten Substratoberfläche 12 weg gerichtete) Trägerfläche 22 ist konkav gewölbt. In beiden Fällen können ein Wert der mechanischen Eigenspannung, eine Schichtdicke des Materials der Biegestruktur 14/des freitragenden Bereichs 14b und eine Länge des freitragenden Bereichs 14b so gewählt werden, dass die sensitive Richtung 20 des (Biegestruktur-getragenen) sensitiven Elements 18 in einem vorteilhaften Neigungswinkel, z.B. in einem Neigungswinkel von 90°, zur damit funktionalisierten Substratoberfläche 12 ausgerichtet ist, so dass selbst Feldkomponenten parallel zu der funktionalisierten Substratoberfläche 12 gemessen werden können.In the embodiment of the 2 becomes the bending structure 14 / the cantilevered area 14b exemplarily only of a material, such as silicon carbide, formed. However, the material is the bending structure 14 / cantilevered area 14b so deposited that between a closer to the functionalized substrate surface 12 lying first part 30 the bending structure 14 / cantilevered area 14b and a second part / remainder 32 the bending structure 14 / cantilevered area 14b , which compared with the first part 30 a greater (average) distance to the functionalized substrate surface 12 has, the desired mechanical residual stress is present. For example, the first part 30 the bending structure 14 / cantilevered area 14b Less compressively biased than the second part 32 the bending structure 14 / cantilevered area 14b what the in 2 shown convex curvature of (from the functionalized substrate surface 12 directed away) support surface 22 causes. Accordingly, the first part 30 the bending structure 14 / cantilevered area 14b be more compressively biased than the second part 32 and the (from the functionalized substrate surface 12 directed away) support surface 22 is concave arched. In both cases, a value of the mechanical residual stress, a layer thickness of the material of the bending structure 14 / cantilevered area 14b and a length of the cantilevered area 14b be chosen so that the sensitive direction 20 of the (bending structure-supported) sensitive element 18 in an advantageous angle of inclination, for example at an angle of inclination of 90 °, to the substrate surface functionalized therewith 12 is aligned so that even field components parallel to the functionalized substrate surface 12 can be measured.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Sensorvorrichtung. 3 shows a schematic representation of a third embodiment of the sensor device.
Die Sensorvorrichtung der 3 weist ein erstes sensitives Element 18-1 und ein zweites sensitives Element 18-2 als Biegestruktur-getragene sensitive Elemente 18-1 und 18-2 auf. Lediglich beispielhaft hat die Sensorvorrichtung eine erste Biegestruktur 14-1 mit dem sensitiven Element 18-1 und eine zweite Biegestruktur 14-2 mit dem zweiten sensitiven Element 18-2. Auch die Ausbildung der ersten Biegestruktur 14-1 auf einer ersten funktionalisierten Substratoberfläche 12-1 eines ersten Substrats 10-1 und der zweiten Biegestruktur 14-2 auf einer zweiten funktionalisierten Substratoberfläche 12-2 eines zweiten Substrats 10-2 ist lediglich optional. Beispielsweise können die erste Biegestruktur 14-1 und die zweite Biegestruktur 14-2 mit ihren unten beschriebenen Ausrichtungen auch auf einem gemeinsamen Substrat 10 ausgebildet sein. Ebenso können die beiden Biegestruktur-getragenen sensitiven Elemente 18-1 und 18-2 auch auf einer gemeinsamen Biegestruktur angeordnet sein, wie unten noch beschrieben ist.The sensor device of 3 has a first sensitive element 18-1 and a second sensitive element 18-2 as bending structure-carried sensitive elements 18-1 and 18-2 on. For example only, the sensor device has a first bending structure 14-1 with the sensitive element 18-1 and a second bending structure 14-2 with the second sensitive element 18-2 , Also the training of the first bending structure 14-1 on a first functionalized substrate surface 12-1 a first substrate 10-1 and the second bending structure 14-2 on a second functionalized substrate surface 12-2 a second substrate 10-2 is only optional. For example, the first bending structure 14-1 and the second bending structure 14-2 with their orientations described below also on a common substrate 10 be educated. Likewise, the two bending structure-supported sensitive elements 18-1 and 18-2 also be arranged on a common bending structure, as will be described below.
In der Ausführungsform der 3 sind die Biegestrukturen 14-1 und 14-2 so zueinander angeordnet, dass sich der freitragende Bereich 14b-1 der ersten Biegestruktur 14-1 von seinem Verankerungsbereich 14a-1 weg in eine erste Richtung 14c-1 erstreckt, während sich der freitragende Bereich 14b-2 der zweiten Biegestruktur 14-2 von seinem Verankerungsbereich 14a-2 weg in eine zweite Richtung 14c-2 erstreckt, die senkrecht zu der ersten Richtung 14c-1 ausgerichtet ist. Dies bewirkt, dass eine dem ersten sensitiven Element 18-1 zugeordnete erste sensitive Richtung 20-1 senkrecht zu einer dem zweiten sensitiven Element 18-2 zugeordneten zweiten sensitiven Richtung 20-2 verläuft.In the embodiment of the 3 are the bending structures 14-1 and 14-2 arranged to each other so that the self-supporting area 14b-1 the first bending structure 14-1 from its mooring area 14a-1 away in a first direction 14c-1 extends while the cantilevered area 14b-2 the second bending structure 14-2 from its mooring area 14a-2 away in a second direction 14c-2 extends perpendicular to the first direction 14c-1 is aligned. This causes a first sensitive element 18-1 associated first sensitive direction 20-1 perpendicular to a second sensitive element 18-2 associated second sensitive direction 20-2 runs.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Sensorvorrichtung. 4 shows a schematic representation of a fourth embodiment of the sensor device.
Die in 4 schematisch dargestellte Sensorvorrichtung hat zwei an einem gemeinsamen Substrat 10 ausgebildete Biegevorrichtungen 14-1 und 14-2 mit je einem sensitiven Element 18-1 und 18-2. Erneut sind die Biegevorrichtungen 14-1 und 14-2, bzw. die sensitiven Elemente 18-1 und 18-2 so angeordnet, dass die dem ersten sensitiven Element 18-1 zugeordnete erste sensitive Richtung 20-1 senkrecht zu der dem zweiten sensitiven Element 18-2 zugeordneten zweiten sensitiven Richtung 20-2 verläuft. In the 4 schematically illustrated sensor device has two on a common substrate 10 trained bending devices 14-1 and 14-2 each with a sensitive element 18-1 and 18-2 , Again the bending devices 14-1 and 14-2 , or the sensitive elements 18-1 and 18-2 arranged so that the first sensitive element 18-1 associated first sensitive direction 20-1 perpendicular to the second sensitive element 18-2 associated second sensitive direction 20-2 runs.
Außerdem umfasst die Sensorvorrichtung ein Biegestruktur-loses sensitives Element 34 mit einer vorgegebenen sensitiven Richtung 36 senkrecht zu einer von dem Biegestruktur-losen sensitiven Element 34 abgedeckten Teilfläche zum Ermitteln einer Feldkomponente des physikalischen Feldes in der vorgegebenen sensitiven Richtung 36. Das Biegestruktur-lose sensitive Element 34 ist (direkt oder indirekt) an der funktionalisierten Substratoberfläche 12 so angeordnet, dass die vorgegebene sensitive Richtung 36 des Biegestruktur-losen sensitiven Elements 34 senkrecht zu der damit funktionalisierten Substratoberfläche 12 verläuft.In addition, the sensor device comprises a bending structure-free sensitive element 34 with a given sensitive direction 36 perpendicular to a flexure-less sensitive element 34 covered partial area for determining a field component of the physical field in the predetermined sensitive direction 36 , The bending structure-less sensitive element 34 is (directly or indirectly) on the functionalized substrate surface 12 arranged so that the predetermined sensitive direction 36 the bending structure-less sensitive element 34 perpendicular to the thus functionalized substrate surface 12 runs.
Die Sensorvorrichtung der 4 kann somit zur Erfassung aller drei Raumrichtungen des physikalischen Felds eingesetzt werden. Insbesondere können die sensitiven Richtungen 20-1, 20-2 und 36 senkrecht zueinander ausgerichtet sein. Andernfalls können jedoch auch Mischkomponenten mittels der sensitiven Elemente 18-1, 18-2 und 34 gemessen werden und daraus die dreidimensionale Verteilung des physikalischen Feldes berechnet werden. The sensor device of 4 can thus be used to detect all three spatial directions of the physical field. In particular, the sensitive directions 20-1 . 20-2 and 36 be aligned perpendicular to each other. Otherwise, however, mixed components by means of the sensitive elements 18-1 . 18-2 and 34 are measured and used to calculate the three-dimensional distribution of the physical field.
Lediglich beispielhaft sind in der Ausführungsform der 4 die (von der funktionalisierten Substratoberfläche 12 weg gerichteten) Trägerflächen 22 der zwei Biegestrukturen 14-1 und 14-2 konvex so verformt, dass ihre freitragenden Bereiche 14b-1 und 14b-2 in die Vertiefung 28 hineinragen. In einer alternativen Ausführungsform können die (von der funktionalisierten Substratoberfläche 12 weg gerichteten) Trägerflächen 22 der Biegestrukturen 14-1 und 14-2 auch konkav so verformt sein, dass ihre freitragenden Bereiche 14b-1 und 14b-2 von der Substratoberfläche 12 weg gebogen/hochgestellt sind. For example only, in the embodiment of the 4 the (from the functionalized substrate surface 12 directed away) support surfaces 22 of the two bending structures 14-1 and 14-2 convex so deformed that their cantilevered areas 14b-1 and 14b-2 into the depression 28 protrude. In an alternative embodiment, the (from the functionalized substrate surface 12 directed away) support surfaces 22 the bending structures 14-1 and 14-2 also be concave deformed so that their cantilevered areas 14b-1 and 14b-2 from the substrate surface 12 bent away / raised.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der Sensorvorrichtung. 5 shows a schematic representation of a fifth embodiment of the sensor device.
In der Ausführungsform der 5 hat die Sensorvorrichtung eine doppelt gewölbte Biegestruktur mit einer zweidimensional konvex oder konkav gewölbten Trägerfläche 22, welche von dem ersten sensitiven Element 18-1 und dem zweiten sensitiven Element 18-2 teilweise abgedeckt ist. Beispielsweise kann der freitragende Bereich 14b als zweidimensionale Biegeplatte ausgebildet sein. Als eine erste Wölbung 38a kann die Trägerfläche 22 um eine zwischen dem Verankerungsbereich 14a und einem von dem Verankerungsbereich 14a weg gerichteten Ende des freitragenden Bereichs 14b liegende erste Wölbungsachse/Biegeachse 38 gewölbt sein. Außerdem kann die Trägerfläche 22 auch eine zweite Wölbung 40a um eine durch den Verankerungsbereich 14a und dem davon weg gerichteten Ende des freitragenden Bereichs 14b verlaufende zweite Wölbungsachse/Biegeachse 40 haben. Eine Ausrichtung der ersten Wölbungsachse 38 senkrecht zu der zweiten Wölbungsachse 40 ist optional. (Eine Verformbarkeit der zweidimensionalen Biegeplatte insbesondere um die zweite Wölbungsachse 40 ist optionaler Weise gesteigert, indem eine erste Breite des Verankerungsbereichs 14a entlang der ersten Wölbungsachse 38 kleiner als zweite Breite der zweidimensionalen Biegeplatte entlang der ersten Wölbungsachse 38 ist.)In the embodiment of the 5 the sensor device has a double-curved bending structure with a two-dimensionally convexly or concavely curved support surface 22 that of the first sensitive element 18-1 and the second sensitive element 18-2 partially covered. For example, the cantilevered area 14b be designed as a two-dimensional bending plate. As a first vault 38a can the support surface 22 one between the mooring area 14a and one of the anchoring area 14a away-oriented end of the cantilevered area 14b lying first camber axis / bending axis 38 be arched. In addition, the support surface 22 also a second vault 40a one through the anchoring area 14a and the end of the cantilevered area away therefrom 14b extending second camber axis / bending axis 40 to have. An orientation of the first curvature axis 38 perpendicular to the second camber axis 40 is optional. (A deformability of the two-dimensional bending plate, in particular around the second curvature axis 40 is optionally increased by a first width of the anchoring area 14a along the first camber axis 38 smaller than the second width of the two-dimensional bending plate along the first camber axis 38 is.)
Die erste Wölbung 38a und die zweite Wölbung 40a können wahlweise konvexe oder konkave Wölbungen 38a und 40a sein. Vorzugsweise liegt das erste sensitive Element 18-1 auf der zweiten Wölbungsachse/Biegeachse 40 nahe an dem von dem Verankerungsbereich 14a weg gerichteten Ende des freitragenden Bereichs 14b. Eine Stellung des ersten sensitiven Elements 18-1 zu der funktionalisierten Substratoberfläche 12 wird somit lediglich/hauptsächlich von der ersten Wölbung 38a der Trägerfläche 22 um die erste Wölbungsachse 38, jedoch nicht/kaum von der zweiten Wölbung 40a der Trägerfläche 22 um die zweite Wölbungsachse 40 beeinträchtigt. Demgegenüber wird für das zweite sensitive Element 18-2 eine Lage auf der Trägerfläche 22 bevorzugt, in welcher das zweite sensitive Element 18-2 nahe an dem von dem Verankerungsbereich 14a weg gerichteten Ende des freitragenden Bereichs 14b liegt und einen möglichst großen Abstand zu einer Projektion der zweiten Wölbungsachse 40 auf die Trägerfläche 22 hat. Eine Stellung des zweiten sensitiven Elements 18-2 in Bezug zu der funktionalisierten Substratoberfläche 12 wird somit sowohl von der ersten Wölbung 38a des freitragenden Bereichs 14b um die erste Wölbungsachse 38 als auch von der zweiten Wölbung 40a des freitragenden Bereichs 14b um die zweite Wölbungsachse 40 beeinträchtigt. Damit kann die zweite sensitive Richtung 20-2 des zweiten sensitiven Elements 18-2 in einem vergleichsweise großen Neigungswinkel, insbesondere in einem Neigungswinkel von (nahezu) 90°, zu der ersten sensitiven Richtung 20-1 des ersten sensitiven Elements 18-1 ausgerichtet sein.The first vault 38a and the second vault 40a can have either convex or concave curvatures 38a and 40a be. Preferably, the first sensitive element is located 18-1 on the second camber axis / bending axis 40 close to that of the mooring area 14a away-oriented end of the cantilevered area 14b , A position of the first sensitive element 18-1 to the functionalized substrate surface 12 becomes thus only / mainly from the first vaulting 38a the support surface 22 around the first curvature axis 38 , but not / hardly from the second vault 40a the support surface 22 around the second camber axis 40 impaired. In contrast, for the second sensitive element 18-2 a position on the support surface 22 preferred in which the second sensitive element 18-2 close to that of the mooring area 14a away-oriented end of the cantilevered area 14b is located and the greatest possible distance to a projection of the second curvature axis 40 on the support surface 22 Has. A position of the second sensitive element 18-2 in relation to the functionalized substrate surface 12 thus becomes both from the first vaulting 38a of the cantilevered area 14b around the first curvature axis 38 as well as from the second vault 40a of the cantilevered area 14b around the second camber axis 40 impaired. This allows the second sensitive direction 20-2 of the second sensitive element 18-2 in a comparatively large angle of inclination, in particular in an inclination angle of (nearly) 90 °, to the first sensitive direction 20-1 of the first sensitive element 18-1 be aligned.
Die oben beschriebenen Sensorvorrichtungen basieren auf einer Technologie, mittels welcher mindestens eine geneigt zu der mindestens einen funktionalisierten Substratoberfläche 12 ausgerichtete Komponenten eines physikalischen Feldes erfasst werden können. Es wird auch darauf hingewiesen, dass bei den oben beschriebenen Sensorvorrichtungen auf Feldumlenkelemente verzichtet werden kann. Dies ermöglicht eine weitere Kostenersparnis. Außerdem kann die Technologie der oben beschriebenen Sensorvorrichtungen zu Erfassen/Messen von zwei oder drei Komponenten des physikalischen Feldes mit derselben Messmethode genutzt werden.The sensor devices described above are based on a technology by means of which at least one inclined to the at least one functionalized substrate surface 12 aligned components of a physical field can be detected. It is also pointed out that in the case of the sensor devices described above, field deflection elements can be dispensed with. This allows a further cost savings. In addition, the technology of the above-described sensor devices for detecting / measuring two or three components of the physical field can be used with the same measuring method.
Es ist bei den oben beschriebenen Sensorvorrichtungen nicht notwendig, dass die sensitiven Richtungen 20, 20-1 und 20-2 der Biegestruktur-getragenen sensitiven Elemente 18, 18-1 und 18-2 parallel zur funktionalisierten Substratoberfläche 12 ausgerichtet sind. Stattdessen kann, insbesondere wenn die senkrecht zu der Substratoberfläche 12 ausgerichtete Feldkomponente (z.B. mittels des Biegestruktur-losen sensitiven Elements 34) ermittelt ist, mindestens eine parallel zur funktionalisierten Substratoberfläche 12 ausgerichtete Feldkomponente aus mindestens einem Messwert des mindestens einen Biegestruktur-getragenen sensitiven Elements 18, 18-1 und 18-2 (und evtl. der senkrecht zu der funktionalisierten Substratoberfläche 12 ausgerichteten Feldkomponente) hergeleitet werden. (Der mindestens eine Neigungswinkel des mindestens einen Biegestruktur-getragenen sensitiven Elements 18, 18-1 und 18-2 zu der funktionalisierten Substratoberfläche 12 ist mittels einer Eichmessung leicht messbar und anschließend auf einer Auswerteeinrichtung hinterlegbar.)It is not necessary in the above-described sensor devices that the sensitive directions 20 . 20-1 and 20-2 the bending structure-borne sensitive elements 18 . 18-1 and 18-2 parallel to the functionalized substrate surface 12 are aligned. Instead, especially when perpendicular to the substrate surface 12 aligned field component (eg by means of the bending structure-less sensitive element 34 ), at least one parallel to the functionalized substrate surface 12 aligned field component from at least one measured value of at least one bending structure-supported sensitive element 18 . 18-1 and 18-2 (and possibly the perpendicular to the functionalized substrate surface 12 aligned field component). (The at least one angle of inclination of the at least one bending structure-carried sensitive element 18 . 18-1 and 18-2 to the functionalized substrate surface 12 is easily measurable by means of a calibration measurement and subsequently stored on an evaluation device.)
Alle oben beschriebenen Sensorvorrichtungen weisen eine hohe Messempfindlichkeit, eine hohe Messgenauigkeit und (selbst bei einem Always-on-Betrieb) einen niedrigen Energieverbrauch auf.All of the sensor devices described above have high measurement sensitivity, high measurement accuracy and low power consumption (even with always-on operation).
Insbesondere können alle oben beschriebenen Sensorvorrichtungen zur Ermittlung/Messung von Magnetfeldern eingesetzt werden. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn das mindestens eine Biegestruktur-getragene sensitive Element 18, 18-1 und 18-2 und eventuell das Biegestruktur-lose sensitive Element 34 zum Ermitteln/Messen einer Feldkomponente eines magnetischen Feldes in ihren jeweils vorgegebenen sensitiven Richtungen 20, 20-1, 20-2 und 36 ausgelegt sind. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen Sensorvorrichtungen auch zum Ermitteln von Feldkomponenten anderer physikalischer Felder, wie beispielsweise elektrischer Felder, ausgelegt sein können.In particular, all of the sensor devices described above can be used for determining / measuring magnetic fields. In this case, it is sufficient if the at least one bending structure-supported sensitive element 18 . 18-1 and 18-2 and possibly the bending structure-less sensitive element 34 for determining / measuring a field component of a magnetic field in their respective predetermined sensitive directions 20 . 20-1 . 20-2 and 36 are designed. It should be understood, however, that the sensor devices described above may also be configured to detect field components of other physical fields, such as electric fields.
Beispielsweise kann das mindestens eine Biegestruktur-getragene sensitive Element 18, 18-1 und 18-2 und eventuell das Biegestruktur-lose sensitive Element 34 je ein Hall-Element (z.B. ein Hall-Kreuz oder ein Hall-Bar aus Silizium und/oder Graphen) sein. Eine Magnetfeld-Sensierung mit mindestens einem Hall-Element ist eine Messmethode mit hoher Genauigkeit, wobei ausgenutzt wird, dass bewegte Ladungsträger in einem Leiter des Hall-Elements durch ein aktuell vorliegendes Magnetfeld mittels einer resultierenden Lorentzkraft senkrecht zu einer Ebene eines Flusses der bewegten Ladungsträger abgelenkt werden. Die aus diesem Grund senkrecht zum Fluss der Ladungsträger abfallende Spannung, welche häufig auch als Hall-Spannung bezeichnet wird, kann gemessen und zur Berechnung einer in der vorgegebenen sensitiven Richtung 20 und 36 liegenden Feldkomponente des Magnetfelds verwendet werden. Herkömmlicherweise konnten Hall-Elemente (aufgrund ihrer Ausbildung als Flächenelemente) nur zur Bestimmung einer Feldkomponente eines Magnetfelds senkrecht zu einer funktionalisierten Halbleiteroberfläche 12 eingesetzt werden. Bei den oben beschriebenen Sensorvorrichtungen können Hall-Elemente jedoch zum Ermitteln der Raumkomponenten des Magnetfelds in drei geneigt zueinander ausgerichteten sensitiven Richtungen 20 und 36 eingesetzt werden. Damit können die Vorteile von Hall-Elementen zur dreidimensionalen Bestimmung des Magnetfelds genutzt werden, wie beispielsweise eine hohe Empfindlichkeit, ein geringer Energieverbrauch und eine Verwendbarkeit eines kostengünstigen ASIC.For example, the at least one bending structure-supported sensitive element 18 . 18-1 and 18-2 and possibly the bending structure-less sensitive element 34 each a Hall element (eg a Hall cross or a Hall bar of silicon and / or graphene) be. A magnetic field sensing with at least one Hall element is a measurement method with high accuracy, taking advantage that moving charge carriers in a conductor of the Hall element deflected by a current magnetic field by means of a resulting Lorentz force perpendicular to a plane of flow of the moving charge carriers become. The voltage falling perpendicularly to the flow of the charge carriers for this reason, which is often also referred to as Hall voltage, can be measured and used to calculate a voltage in the specified sensitive direction 20 and 36 lying field component of the magnetic field can be used. Conventionally, Hall elements (because of their design as surface elements) were only able to determine a field component of a magnetic field perpendicular to a functionalized semiconductor surface 12 be used. However, in the above-described sensor devices, Hall elements can be used to detect the spatial components of the magnetic field in three sensitive directions inclined to each other 20 and 36 be used. Thus, the advantages of Hall elements for the three-dimensional determination of the magnetic field can be used, such as a high sensitivity, low energy consumption and usability of a low-cost ASIC.
Die oben beschriebenen Sensorvorrichtungen können z.B. in einem Smartphone oder einem Tablet eingesetzt werden. Verwendbar sind die oben beschriebenen Sensorvorrichtungen jeweils insbesondere als separates Bauteil (zum Beispiel mit Bluetooth-Verbindung zum Smartphone/Tablet). Die oben beschriebenen Sensorvorrichtungen können auch als Sensoren in mobilen Plattformen (wie beispielsweise einem Fahrzeug, einem Transporter, einem Container) oder als Sensoren in stationären Anwendungen (insbesondere als Smart-Home Sensor-Element für den Wohnbereich) eingesetzt werden.The sensor devices described above may be e.g. be used in a smartphone or a tablet. Usable are the sensor devices described above each in particular as a separate component (for example, with Bluetooth connection to the smartphone / tablet). The sensor devices described above can also be used as sensors in mobile platforms (such as a vehicle, a van, a container) or as sensors in stationary applications (in particular as a smart home sensor element for residential use).
6a und 6b zeigen schematische Darstellungen eines Halbleiterschichtaufbaus zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine Sensorvorrichtung. 6a and 6b 10 are schematic diagrams of a semiconductor layer structure for explaining an embodiment of the manufacturing method for a sensor device.
Wie in 6a schematisch wiedergegeben ist, wird beim Ausführen des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens mindestens eine Biegestruktur 14 an mindestens einer funktionalisierten Substratoberfläche 16 mindestens eines Substrats 10 ausgebildet. Die mindestens eine Biegestruktur 14 wird jeweils mit mindestens einem Verankerungsbereich 14a und einem an dem mindestens einen Verankerungsbereich 14a gehaltenen freitragenden Bereich 14b ausgebildet. Beispielsweise wird zuerst eine Opferschicht 42 gebildet, welche die funktionalisierte Substratoberfläche 12 oder eine die funktionalisierte Substratoberfläche 12 zumindest teilweise abdeckende Schicht 16 (bzw. einen die funktionalisierte Substratoberfläche 12 zumindest teilweise abdeckenden Schichtaufbau) teilweise abdeckt, wobei jedoch eine Position des späteren Verankerungsbereichs 16a freiliegend bleibt/freigelegt wird. Anschließend kann das mindestens eine Material der Biegestruktur 14 so abgeschieden werden, dass die Opferschicht 42 zumindest teilweise abgedeckt wird. As in 6a is shown schematically, when performing the manufacturing method described here, at least one bending structure 14 on at least one functionalized substrate surface 16 at least one substrate 10 educated. The at least one bending structure 14 each with at least one anchoring area 14a and one at the at least one anchoring area 14a held cantilevered area 14b educated. For example, first becomes a sacrificial layer 42 formed, which is the functionalized substrate surface 12 or a functionalized substrate surface 12 at least partially covering layer 16 (or a functionalized substrate surface 12 at least partially covering layer structure) partially covers, but a position of the later anchoring area 16a remains exposed / uncovered. Subsequently, the at least one material of the bending structure 14 be deposited so that the sacrificial layer 42 is at least partially covered.
Die Opferschicht 42 kann beispielsweise Siliziumgermanium (SiGe) sein. In der Ausführungsform der 6a wird die Biegestruktur 14 aus Siliziumcarbit (SiC) gebildet. Dabei wird der mindestens eine freitragende Bereich 14b der mindestens einen Biegestruktur 14 jeweils mit einer mechanischen Eigenspannung in seinem Inneren so ausgebildet, dass lediglich der Kontakt zwischen dem mindestens einen freitragenden Bereich 14b und der Opferschicht 42 eine Verwölbung des mindestens einen freitragenden Bereichs 14b verhindert. The sacrificial layer 42 For example, it may be silicon germanium (SiGe). In the embodiment of the 6a becomes the bending structure 14 made of silicon carbide (SiC). In this case, the at least one cantilevered area 14b the at least one bending structure 14 each with a mechanical residual stress in its interior so formed that only the contact between the at least one cantilevered area 14b and the sacrificial layer 42 a warping of the at least one cantilevered area 14b prevented.
In einem weiteren Verfahrensschritt, welcher ebenfalls mittels der 6a wiedergegeben ist, wird mindestens ein Biegestruktur-getragenes sensitives Element 18 so angeordnet, dass das mindestens eine sensitive Element 18 mindestens eine (später gewölbte) Trägerfläche 22 des mindestens einen freitragenden Bereichs 14b teilweise abdeckt. Unter dem mindestens einen sensitiven Element 18 ist ein Sensorelement mit je einer vorgegebenen sensitiven Richtung 20 senkrecht zu mindestens einer von dem jeweiligen sensitiven Element 18 abgedeckten Fläche zum Ermitteln einer Feldkomponente eines physikalischen Feldes in der jeweils vorgegebenen sensitiven Richtung 20 zu verstehen. Als optionale Weiterbildung kann noch eine (nicht-skizzierte) Schutz- und/oder Passivierschicht auf dem mindestens einen sensitiven Element 18 abgeschieden werden, welche dieses vor Umwelteinflüssen schützt. Die Schutz- und/oder Passivierschicht kann beispielsweise aus Siliziumoxid (SiO2), Siliziumnitrid (SiN) oder Bornitrid (BN) sein.In a further method step, which likewise by means of 6a is reproduced, at least one bending structure-borne is sensitive element 18 arranged so that the at least one sensitive element 18 at least one (later curved) support surface 22 of the at least one cantilevered area 14b partially covering. Under the at least one sensitive element 18 is a sensor element, each with a predetermined sensitive direction 20 perpendicular to at least one of the respective sensitive element 18 covered area for determining a field component of a physical field in the respective predetermined sensitive direction 20 to understand. As an optional further development, a (non-sketched) protective and / or passivation layer can also be provided on the at least one sensitive element 18 be deposited, which protects it from environmental influences. The protective and / or passivation layer may be, for example, silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN) or boron nitride (BN).
Wie in 6b wiedergegeben ist, wird die Opferschicht 42 anschließend entfernt. Beispielsweise kann die Opferschicht 42 aus Siliziumgermanium mit ClF3 oder XeF2 in Gasphase weggeätzt werden. Dies bewirkt ein Freistellen des freitragenden Bereichs 14b, wobei die mechanische Eigenspannung in seinem Inneren bewirkt, dass seine Trägerfläche 22 konvex oder konkave gewölbt wird. As in 6b is reproduced, becomes the sacrificial layer 42 subsequently removed. For example, the sacrificial layer 42 be etched away from silicon germanium with ClF 3 or XeF 2 in gas phase. This causes an exemption of the cantilevered area 14b , wherein the internal mechanical stress in its interior causes its support surface 22 convex or concave is arched.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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US 2012/0206134 A1 [0002] US 2012/0206134 A1 [0002]
