DE102016208360A1 - System und Verfahren für einen MEMS-Wandler - Google Patents

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Abstract

Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Wandler eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS-Wandler) ein Substrat mit einem ersten Hohlraum, der durch das Substrat von einer Rückseite des Substrats hindurchtritt. Der MEMS-Wandler enthält außerdem eine perforierte erste Elektrodenplatte, die den ersten Hohlraum auf einer Oberseite des Substrats überlagert, eine zweite Elektrodenplatte, die den ersten Hohlraum auf der Oberseite des Substrats überlagert und von der perforierten ersten Elektrodenplatte durch ein Abstandsgebiet beabstandet ist, und ein gasempfindliches Material in dem Abstandsgebiet zwischen der perforierten ersten Elektrodenplatte und der zweiten Elektrodenplatte. Das gasempfindliche Material weist eine elektrische Eigenschaft auf, die von einer Konzentration eines Zielgases abhängig ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf mikrohergestellte Strukturen und in speziellen Ausführungsformen auf ein System und ein Verfahren für einen Wandler für mikroelektromechanische Systeme (MEMS-Wandler, microelectromechanical systems).
  • Hintergrund
  • Wandler setzen Signale von einer Domäne zu einer anderen um und werden häufig als Sensoren verwendet. Ein üblicher Wandler, der als ein Sensor verwendet wird und im Alltag zu sehen ist, ist ein Mikrofon, das Schallwellen in elektrische Signale umsetzt. Ein weiteres Beispiel für einen üblichen Sensor ist ein Thermometer. Verschiedene Wandler existieren, die durch Wandeln von Temperatursignalen in elektrische Signale als Thermometer dienen.
  • Auf mikroelektromechanischen Systemen basierende (MEMS-basierte) Sensoren umfassen eine Familie von Wandlern, die unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken hergestellt werden. MEMS, wie z. B. ein MEMS-Mikrofon, sammeln Informationen aus der Umgebung durch Messen einer Änderung eines physikalischen Zustands in dem Wandler und Übertragen des gewandelten Signals zu Verarbeitungselektronik, die mit dem MEMS-Sensor verbunden ist. MEMS-Vorrichtungen können unter Verwendung von Mikrobearbeitungsherstellungstechniken ähnlich denjenigen, die für integrierte Schaltungen verwendet werden, hergestellt werden.
  • MEMS-Vorrichtungen können konstruiert sein, um beispielsweise als Oszillatoren, Resonatoren, Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Thermometer, Drucksensoren, Mikrofone, Mikrolautsprecher und Mikrospiegel zu funktionieren. Als ein Beispiel verwenden viele MEMS-Vorrichtungen kapazitive Abfühltechniken zum Wandeln des physikalischen Phänomens in elektrische Signale. In solchen Anwendungen wird die Kapazitätsänderung in dem Sensor in ein Spannungssignal unter Verwendung von Schnittstellenschaltungen umgesetzt.
  • Eine solche kapazitive Abfühlvorrichung ist ein MEMS-Mikrofon. Ein MEMS-Mikrofon weist im Allgemeinen eine ablenkbare Membran auf, die durch einen kleinen Abstand von einer starren Gegenelektrode getrennt ist. In Reaktion auf eine Schalldruckwelle, die auf die Membran auftrifft, wird sie zu der Gegenelektrode hin oder von ihr weg abgelenkt und ändert dadurch den trennenden Abstand zwischen der Membran und der Gegenelektrode. Im Allgemeinen sind die Membran und die Gegenelektrode aus leitfähigen Materialien hergestellt und bilden die ”Platten” eines Kondensators. Somit, da sich der Abstand, der die Membran und die Gegenelektrode trennt, in Reaktion auf die auftreffende Schallwelle ändert, ändert sich die Kapazität zwischen der ”Platte”, und es wird ein elektrisches Signal erzeugt.
  • MEMS, wie beispielsweise kapazitive MEMS, werden häufig in mobilen Elektronikgeräten wie z. B. Tablet-Computern oder Mobiltelefonen verwendet. In einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, Sensoren mit neuer oder erhöhter Funktionalität bereitzustellen, um zusätzliche oder verbesserte Funktionalität für das elektronische System wie beispielsweise einen Tablet-Computer oder ein Mobiltelefon bereitzustellen.
  • Zusammenfassung
  • Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Wandler eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS-Wandler) ein Substrat mit einem ersten Hohlraum, der durch das Substrat von einer Rückseite des Substrats hindurchtritt. Der MEMS-Wandler enthält außerdem eine perforierte erste Elektrodenplatte, die den ersten Hohlraum auf einer Oberseite des Substrats überlagert, eine zweite Elektrodenplatte, die den ersten Hohlraum auf der Oberseite des Substrats überlagert und von der perforierten ersten Elektrodenplatte durch ein Abstandsgebiet beabstandet ist, und ein gasempfindliches Material in dem Abstandsgebiet zwischen der perforierten ersten Elektrodenplatte und der zweiten Elektrodenplatte. Das gasempfindliche Material weist eine elektrische Eigenschaft auf, die von einer Konzentration eines Zielgases abhängig ist.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird jetzt auf die folgenden Beschreibungen zusammen mit den begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
  • 1 ein Systemblockdiagramm eines MEMS-Wandlersystems einer Ausführungsform darstellt;
  • 2a und 2b schematische Querschnittsansichten von MEMS-Gassensoren einer Ausführungsform darstellen;
  • 3a und 3b eine Draufsicht und Querschnittsansicht eines integrierten MEMS-Wandlers einer Ausführungsform darstellen;
  • 4a und 4b eine Draufsicht und Querschnittsansicht eines integrierten MEMS-Wandlers einer weiteren Ausführungsform darstellen;
  • 5a und 5b eine Draufsicht und Querschnittsansicht eines integrierten MEMS-Wandlers noch einer weiteren Ausführungsform darstellen;
  • 6a und 6b eine Draufsicht und Querschnittsansicht eines MEMS-Gassensors einer weiteren Ausführungsform darstellen;
  • 7 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Herstellungsprozesses zum Bilden eines MEMS-Wandlers darstellt; und
  • 8 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden eines MEMS-Wandlers darstellt.
  • Entsprechende Ziffern und Symbole in den unterschiedlichen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf entsprechende Teile, sofern nicht anders angegeben. Die Figuren sind so gezeichnet, um die relevanten Aspekte der Ausführungsformen deutlich darzustellen, und sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet.
  • Ausführliche Beschreibung anschaulicher Ausführungsformen
  • Das Herstellen und Verwenden verschiedener Ausführungsformen sind nachstehend in Einzelheiten diskutiert. Es ist jedoch zu verstehen, dass die verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen in einer großen Vielzahl spezifischer Kontexte anwendbar sind. Die diskutierten spezifischen Ausführungsformen sind lediglich anschaulich für die spezifischen Arten, verschiedene Ausführungsformen herzustellen und zu verwenden, und sollten nicht einschränkend gedeutet werden.
  • Die Beschreibung ist mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext erstellt, nämlich Gas-Wandler, und insbesondere MEMS-Feuchtesensoren. Einige der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen enthalten MEMS-Wandler, MEMS-Mikrofone, MEMS-Gassensoren, MEMS-Feuchtesensoren, integrierte MEMS-Mikrofon- und Feuchteabfühlsysteme, Schnittstellenschaltungen für MEMS-Wandlersysteme und integrierte Mehrfachwandlersysteme. In anderen Ausführungsformen können Aspekte auch auf andere Anwendungen angewandt sein, die irgendeinen Typ von Sensor oder Wandler gemäß irgendeiner in der Technik bekannten Weise beinhalten.
  • Da die Anzahl von verbundenen Vorrichtungen im täglichen Gebrauch durch rapide Miniaturisierung in der Technologie, Fortschritte in der mobilen Konnektivität und Verbesserungen in Energiemanagement und -effizienz zugenommen hat, hat der Bedarf für zusätzliche Funktionalität ebenfalls zugenommen. Ein Bereich zusätzlicher Funktionalität ist durch die Integration zusätzlicher Sensoren geschaffen. Mobile Vorrichtungen oder Vorrichtungen im Allgemeinen können mehreren Sensoren wie beispielsweise ein Mikrofon, einen Bildsensor, einen Beschleunigungsmesser und ein Gyroskop enthalten. Das Hinzufügen zusätzlicher Sensortypen kann in einigen Anwendungen vorteilhaft sein. In verschiedenen Anwendungen wie beispielsweise mobilen Vorrichtungen kann jedoch der Raum, der für zusätzliche Sensoren verfügbar ist, sowohl durch die physische Größe der Vorrichtung als auch die zusätzlichen Kosten der zusätzlichen Sensoren begrenzt sein. Somit stellt die Integration zusätzlicher Sensoren Möglichkeiten für Innovation dar.
  • Gemäß verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen ist ein kapazitiver MEMS-Gassensor bereitgestellt, der zur Integration geeignet ist. Ein Prozess zum Bilden beispielsweise eines MEMS-Mikrofons enthält Bilden einer perforierten Gegenelektrode und einer ablenkbaren Membran, die von der perforierten Gegenelektrode beabstandet ist, über einem Hohlraum in einem Substrat. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält ein ähnlicher Prozess zum Bilden eines MEMS-Gassensors mit einer ähnlichen Struktur Bilden einer ersten perforierten Elektrode und einer zweiten Elektrode, die von der perforierten Elektrode beabstandet ist, über einem Hohlraum in dem Substrat. In solchen Ausführungsformen ist der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode mit einem gasempfindlichen dielektrischen Material gefüllt. In speziellen Ausführungsformen ist das dielektrische Material gegen Feuchte empfindlich, und ein kapazitiver MEMS-Feuchtesensor wird produziert. In verschiedenen Ausführungsformen ist der kapazitive MEMS-Feuchtesensor in dasselbe Substrat wie ein MEMS-Mikrofon integriert. Die Schichten der Gegenelektrode und der Membran für das Mikrofon können gleichzeitig mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode für den Feuchtesensor gebildet werden. Somit enthalten verschiedene Ausführungsformen einen integrierten kapazitiven MEMS-Gassensor, z. B. einen Feuchtesensor, der die Funktionalität verschiedener Vorrichtungen steigern kann.
  • 1 stellt ein Systemblockdiagramm einer Ausführungsform eines MEMS-Wandlersystems 100 dar, das einen MEMS-Wandler 102, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC, application specific integrated circuit) 104 und einen Prozessor 106 enthält. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält ein MEMS-Wandler 102 einen Gassensor, der physikalische Signale aus Gasen in Kontakt mit dem MEMS-Wandler 102 in elektrische Signale wandelt, die durch die ASIC 104 ausgelesen und durch den Prozessor 106 verarbeitet werden können. In spezifischen Ausführungsformen enthält der Gassensor des MEMS-Wandlers 102 einen Feuchtesensor, der ein elektrisches Signal erzeugt, das sich auf die Feuchte der Umgebung des MEMS-Wandlers 102 bezieht.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der MEMS-Wandler 102 mehrere Sensoren enthalten, die auf demselben Halbleiterchip integriert sind. Spezifisch enthält der MEMS-Wandler 102 in einigen Ausführungsformen einen Schallwandler, d. h. ein Mikrofon oder einen Mikrolautsprecher, und einen Gassensor und kann außerdem in weiteren Ausführungsformen einen Temperatursensor enthalten (wie gezeigt). In einigen Ausführungsformen enthält der MEMS-Wandler 102 einen kapazitiven MEMS-Feuchtesensor und ein kapazitives MEMS-Mikrofon, die beide erste und zweite Abfühlelektroden enthalten, die aus denselben ersten bzw. zweiten Schichten in der Halbleiterstruktur gebildet sind. Somit führt in speziellen Ausführungsformen die Integration zu kleiner Größe der Vorrichtung und einfacher Herstellung.
  • In verschiedenen Ausführungsformen ist der MEMS-Wandler 102 mit der Umgebung durch Umgebungskopplung 108 gekoppelt. Beispielsweise kann eine Öffnung oder ein Durchlass, z. B. ein Schalldurchlass, in einer Vorrichtungsbaugruppe (nicht gezeigt) bereitgestellt sein, die das MEMS-Wandlersystem 100 enthält. In solchen Ausführungsformen stellt der Durchlass Umgebungskopplung 108 mit der Umgebung der Vorrichtungsbaugruppe, die das MEMS-Wandlersystem 100 enthält, bereit.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält die ASIC 104 einen Verstärker und eine Vorspannungsschaltung für eine Schnittstelle mit dem MEMS-Wandler 102. Die ASIC 104 kann in einigen Ausführungsformen außerdem einen Analog/Digital-Umsetzer (ADC, analog to digital converter) enthalten. In verschiedenen Ausführungsformen kann die ASIC 104 ferner zusätzliche Schaltungen enthalten, um verschiedene zusätzliche Funktionen auszuführen, die sich beispielsweise auf Schnittstellen, Vorspannung oder Verarbeiten von elektrischen Signalen beziehen. Ferner enthält der MEMS-Wandler 102 einen Aktuator, wie z. B. in einigen Ausführungsformen einen Mikrolautsprecher, und die ASIC 104 enthält Ansteuerschaltungen, um den Aktuator anzusteuern. In einigen Ausführungsformen ist die ASIC 104 auf demselben Halbleiterchip wie der MEMS-Wandler 102 gebildet. In anderen Ausführungsformen ist die ASIC 104 auf einem getrennten Halbleiterchip gebildet wie der MEMS-Wandler 102 und mit dem MEMS-Wandler 102 zusammen gepackt. Alternativ können die ASIC 104 und der MEMS-Wandler 102 auf getrennten Halbleiterchips gebildet und in getrennte Baugruppen gepackt sein.
  • In verschiedenen Ausführungsformen empfängt der Prozessor 106 elektronische Signale von der ASIC 104 basierend auf gewandelten Signalen aus dem MEMS-Wandler 102. In verschiedenen Ausführungsformen sind die elektronischen Signale, die an dem Prozessor 106 von der ASIC 104 empfangen werden, digitale Signale. In alternativen Ausführungsformen sind die elektronischen Signale analoge Signale. Der Prozessor 106 kann ein spezifischer Anwendungsprozessor, ein allgemeiner Mikroprozessor, eine feldprogrammierbare Gatteranordnung (FPGA, field programmable gate array) oder eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU, central processing unit) sein. In alternativen Ausführungsformen ist der Prozessor 106 aus diskreten digitalen Logikkomponenten gebildet. Der Prozessor 106 ist in verschiedenen Ausführungsformen an derselben Leiterplatte (PCB, printed circuit board) angebracht wie die Baugruppe, die die ASIC 104 und den MEMS-Wandler 102 enthält.
  • 2a und 2b stellen schematische Querschnittsansichten von MEMS-Gassensoren 110 und 111 einer Ausführungsform dar. Der MEMS-Gassensor 110 enthält das Substrat 112, die erste Elektrode 116, die zweite Elektrode 120 und gasempfindliches Material 122, die den Hohlraum 113 überlagern. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist das gasempfindliche Material 122 ein Dielektrikum, das für Feuchte empfindlich ist. In solchen Ausführungsformen ändert sich, wenn die Feuchte ansteigt oder abfällt, die Dielektrizitätskonstante des gasempfindlichen Materials 122 entsprechend. Basierend auf Änderungen der Dielektrizitätskonstanten ändert sich ebenfalls die Parallelplattenkapazität, die zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 120 gebildet ist. Solche Änderungen der Kapazität können durch eine Schnittstellenschaltung wie z. B. die ASIC 104, die mit der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 120 über Metallisierungsschichten (nicht gezeigt) gekoppelt ist, gemessen werden.
  • In verschiedenen Ausführungsformen ist gasempfindliches Material 122 in Kontakt mit der Umgebung des MEMS-Gassensors 110. Weil die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 120 gasempfindliches Material 122 von oben und unten einschließen, stellen Perforationen 134 in der ersten Elektrode 116 oder Perforationen 136 in der zweiten Elektrode 120 Öffnungen bereit, die gasempfindliches Material 122 zu der Umgebung freilegen. In solchen Ausführungsformen stellen die Perforationen 134 und Perforationen 136 Öffnungen bereit, um Umgebungssignale durch Umgebungskopplung 128 bzw. Umgebungskopplung 130 zu empfangen. Beispielsweise können die Umgebungskopplung 128 und die Umgebungskopplung 130 Durchlässe sein, die in der Baugruppe, die den MEMS-Gassensor 110 enthält, gebildet sind.
  • In verschiedenen Ausführungsformen ist nur eine aus der Umgebungskopplung 128 und den entsprechenden Perforationen 134 oder der Umgebungskopplung 130 und den entsprechenden Perforationen 136 enthalten. In solchen Ausführungsformen können die Umgebungskopplung 130 und die entsprechenden Perforationen 136 einer MEMS-Baugruppe mit oberem Durchlass entsprechen. Ähnlich können die Umgebungskopplung 128 und die entsprechenden Perforationen 134 einer MEMS-Baugruppe mit unterem Durchlass entsprechen. In solchen Ausführungsformen ist der Hohlraum 113 in dem Substrat 112 mit einem unteren Durchlass in der MEMS-Baugruppe gekoppelt. In alternativen Ausführungsformen sind sowohl die Umgebungskopplung 128 und die entsprechenden Perforationen 134 als auch die Umgebungskopplung 130 und die entsprechenden Perforationen 136 enthalten.
  • In verschiedenen Ausführungsformen ist die Strukturschicht 114 auf einer Oberseite des Substrats 112 gebildet und trennt die erste Elektrode 116 von dem Substrat 112. Ferner ist die Strukturschicht 118 oben auf der ersten Elektrode 116 gebildet und trennt die zweite Elektrode 120 von der ersten Elektrode 116. In verschiedenen Ausführungsformen ist gasempfindliches Material 122 oberhalb des Hohlraums 113 zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 120 strukturiert, während die Strukturschicht 118 oberhalb des Substrats 112 zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 120 strukturiert ist. In alternativen Ausführungsformen kann die Strukturschicht 118 entfernt sein, und gasempfindliches Material 122 kann sich oberhalb des Substrats 112 zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 120 erstrecken.
  • Gasempfindliches Material 122 ist basierend auf der Empfindlichkeit für eine spezielle Gaskonzentration ausgewählt. Insbesondere kann gasempfindliches Material 122 basierend auf Empfindlichkeit für Feuchte ausgewählt sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann gasempfindliches Material 122 zum Gebrauch in einem widerstands- oder kapazitätsbasierten Sensor ausgewählt sein und kann deshalb Materialien enthalten, die Widerstand oder dielektrische Werte basierend auf der beabsichtigten Gaskonzentration variieren. Einige resistive Materialien erfordern Betrieb bei einer höheren Temperatur, d. h. können ein Heizelement erfordern, um für Gaskonzentrationen empfindlich zu sein. In einigen Ausführungsformen können einige dielektrisch gasempfindliche Materialien eine Dielektrizitätskonstante aufweisen, die für eine Konzentration eines spezifischen Gases empfindlich oder zu ihr proportional ist, ohne Erwärmung auf höhere Temperaturen zu erfordern. In einigen Ausführungsformen kann gasempfindliches Material 122 ein polymerbasiertes Material sein, das die Kapazität, d. h. die Dielektrizitätskonstante, basierend auf Feuchte variiert, wie z. B. Polyimid, Polyester, Polymethylmethacrylat (PMMA), Benzocyclobuten (BCB), Polysulfate und Zelluloseazetatbutyrat. In anderen Ausführungsformen kann gasempfindliches Material 122 ein metall- oder halbleiterbasiertes Material sein, das die Kapazität, d. h. die Dielektrizitätskonstante, basierend auf Feuchte variiert, wie z. B. Aluminiumoxid, Titanoxid, Siliziumoxid, Siliziumcarbid oder poröses Silizium. In anderen Ausführungsformen kann gasempfindliches Material 122 ein Material sein, das den Widerstand basierend auf Feuchte variiert, wie z. B. Aluminiumoxid, Titanoxid oder verschiedene Spinelle, z. B. BaTiO3, ZnCr2O4, K2CrO4 und MgAl2O4.
  • In verschiedenen anderen Ausführungsformen kann gasempfindliches Material 122 so ausgewählt sein, dass es für andere Gaskonzentrationen empfindlich ist. In spezifischen Ausführungsformen kann gasempfindliches Material 122 ein Material sein, das die Kapazität, d. h. die Dielektrizitätskonstante, basierend auf Gaskonzentration variiert. In solchen Ausführungsformen kann gasempfindliches Material 122 ein ferroelektrisches Material zum Abfühlen von Wasserstoff sein; gasempfindliches Material 122 kann ein Fluoropolymer, CuO gemischt mit BaSnO3, SrTiO3, CaTiO3, ZnO oder BaTiO3 zum Abfühlen von Kohlendioxid sein; gasempfindliches Material 122 kann Zirkoniumoxid oder Iridiumoxid zum Abfühlen von Sauerstoff sein; gasempfindliches Material 122 kann ein Zinndioxid zum Abfühlen von Ethylen sein; oder gasempfindliches Material 122 kann poröses Siliziumcarbid oder Titanoxid zum Abfühlen von Ammoniak sein.
  • In noch weiteren spezifischen Ausführungsformen kann gasempfindliches Material 122 ein Material sein, das den Widerstand basierend auf Gaskonzentration variiert. In solchen Ausführungsformen kann gasempfindliches Material 122 ein palladiumbasiertes Material zum Abfühlen von Wasserstoff sein; gasempfindliches Material 122 kann In2Te3 zum Abfühlen von Kohlendioxid sein; gasempfindliches Material 122 kann Zirkoniumoxid oder ein Iridiumoxid zum Abfühlen von Sauerstoff sein; gasempfindliches Material 122 kann ein Zinndioxid zum Abfühlen von Ethylen sein; oder gasempfindliches Material 122 kann Zinndioxid, Wolframoxid, verschiedene Metalloxide, Polypyrrol oder Polyanilin zum Abfühlen von Ammoniak sein.
  • In speziellen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, dass gasempfindliches Material 122 aus einem Material gebildet ist, das als eine Flüssigkeit oder ein Gel verteilt sein kann. In solchen Ausführungsformen kann gasempfindliches Material nach der Herstellung auf ein Abfühlgebiet mit zwei Elektroden aufgebracht werden, um den MEMS-Gassensor zu bilden. In verschiedenen anderen Ausführungsformen kann gasempfindliches Material 122 aus Nanostrukturen, wie beispielsweise Nanodrähten, gebildet sein.
  • Gemäß einigen spezifischen alternativen Ausführungsformen kann gasempfindliches Material 122 einfach Luft sein. In solchen Ausführungsformen hängt die Dielektrizitätskonstante von Luft von der Feuchte ab, d. h. der Menge von Feuchtigkeit in der Luft. Somit kann die Kapazität zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 120 gemessen werden, um Änderungen der Dielektrizitätskonstante der Luft zu bestimmen und dadurch die Änderungen der Feuchte zu bestimmen.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 112 ein Einzelelementhalbleitersubstrat sein, wie z. B. Silizium, Germanium, Kohlenstoff oder Antimon. In anderen Ausführungsformen kann das Substrat 112 ein Silizium-auf-Isolator-Substrat (SOI-Substrat, silicon-on-insulator), ein III-V-Halbleitersubstrat oder ein II-VI-Halbleitersubstrat sein. In einigen Ausführungsformen kann das Substrat 112 Glas sein. In alternativen Ausführungsformen kann das Substrat 112 ein Polymersubstrat sein. In anderen alternativen Ausführungsformen kann das Substrat 112 ein Metallsubstrat sein.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 120 aus einem leitfähigen Material gebildet. In spezifischen Ausführungsformen sind die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 120 Polysilizium. In einigen Ausführungsformen sind die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 120 Aluminium, Gold oder Platin. In einer alternativen Ausführungsform sind die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 120 Kupfer. In noch einer weiteren Ausführungsform ist die erste Elektrode 116 Silizium-auf-Isolator (SOI). In anderen Ausführungsformen können die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 120 aus einem dotierten Halbleitermaterial gebildet sein. Die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 120 können auch aus einem Materialstapel gebildet sein, der isolierende Schichten enthält, die ein leitfähiges Material umgeben und einkapseln. Beispielsweise kann eine Polysiliziumschicht durch Siliziumnitrid eingekapselt sein, um die erste Elektrode 116 oder die zweite Elektrode 120 zu bilden.
  • In verschiedenen Ausführungsformen sind die Strukturschicht 114 und die Strukturschicht 118 isolierende Materialien. In einigen Ausführungsformen sind die Strukturschicht 114 und die Strukturschicht 118 ein Oxid, Nitrid oder Oxynitrid. In einer spezifischen Ausführungsform sind die Strukturschicht 114 und die Strukturschicht 118 Siliziumoxid. In einer weiteren spezifischen Ausführungsform sind die Strukturschicht 114 und die Strukturschicht 118 Siliziumnitrid.
  • 2b zeigt den MEMS-Gassensor 111, der das Substrat 112, die erste Elektrode 116, die zweite Elektrode 120, gasempfindliches Material 122, die dritte Elektrode 126 und gasempfindliches Material 132, die den Hohlraum 113 überlagern, enthält. Der MEMS-Gassensor 111 enthält Elemente, wie sie mit Bezug auf den MEMS-Gassensor 110 beschrieben sind, wobei die dritte Elektrode 126 und das gasempfindliche Material 132 hinzugefügt sind. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die dritte Elektrode 126 von der zweiten Elektrode 120 durch die Strukturschicht 124 beabstandet und enthält Perforationen 138. In solchen Ausführungsformen können eine oder beide aus der Umgebungskopplung 128 und der Umgebungskopplung 130 enthalten sein, um eine Umgebungskopplung zwischen der Umgebung und dem MEMS-Gassensor 111 von oben, von unten (durch den Hohlraum 113) oder beides bereitzustellen. Gasempfindliches Material 132 kann irgendeines der Materialien sein, die mit Bezug auf gasempfindliches Material 122 beschrieben sind, die dritte Elektrode 126 kann irgendeines der Materialien oder Strukturen sein, die mit Bezug auf die erste Elektrode 116 oder die zweite Elektrode 120 beschrieben sind, und die Strukturschicht 124 kann irgendeines der Materialien oder Strukturen sein, die mit Bezug auf die Strukturschicht 114 oder die Strukturschicht 118 beschrieben sind.
  • In verschiedenen Ausführungsformen können der MEMS-Gassensor 110 und der MEMS-Gassensor 111 aus Schichten gebildet sein, die mit einem kapazitiven Mikrofon mit Einzel- bzw. Doppel-Gegenelektrode kompatibel sind. In speziellen Ausführungsformen sind die Schichten des MEMS-Gassensors 110 und des MEMS-Gassensors 111 unter Verwendung derselben Verarbeitungsschritte und desselben Schichtstapels gebildet wie ein kapazitives Mikrofon mit Einzel- bzw. Doppel-Gegenelektrode, mit hinzugefügtem gasempfindlichem Material 122 oder gasempfindlichem Material 132, wie hier nachstehend weiter mit Bezug auf die anderen Figuren beschrieben ist.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können der MEMS-Gassensor 110 und der MEMS-Gassensor 111 ein integriertes Heizelement enthalten, das gasempfindliches Material 122 oder gasempfindliches Material 132 erwärmt. Beispielsweise wenn gasempfindliches Material 122 für Feuchte empfindlich ist und der MEMS-Gassensor 110 als ein Feuchtesensor arbeitet, kann das integrierte Heizelement gasempfindliches Material 122 erwärmen, um die Feuchtigkeit, die in gasempfindlichem Material 122 absorbiert ist, zu entfernen und den MEMS-Gassensor 110 zurückzusetzen. In spezifischen Ausführungsformen ist irgendeine aus der ersten Elektrode 116, der zweiten Elektrode 120 und der dritten Elektrode 126 als das integrierte Heizelement konfiguriert. In alternativen Ausführungsformen kann ein zusätzliches Heizelement (nicht gezeigt) auf dem Substrat 112 integriert und thermisch mit gasempfindlichem Material 122 oder gasempfindlichem Material 132 gekoppelt sein. In noch spezifischeren Ausführungsformen kann das Heizelement in physikalischem Kontakt mit gasempfindlichem Material 122 oder gasempfindlichem Material 132 sein. In einigen Ausführungsformen können die erste Elektrode 116, die zweite Elektrode 120 oder die dritte Elektrode 126 strukturierte Heizstrukturen oder Elemente (nicht gezeigt) in derselben Schicht der Vorrichtung aufweisen, die von der jeweiligen Elektrode elektrisch isoliert sind.
  • In verschiedenen Ausführungsformen tritt ein Belüftungsloch 115 durch die zweite Elektrode 120, die Strukturschicht 118 und die erste Elektrode 116 für den MEMS-Gassensor 110 oder die dritte Elektrode 126, Strukturschicht 124, zweite Elektrode 120, Strukturschicht 118 und erste Elektrode 116 für den MEMS-Gassensor 111 hindurch und kann als ein Zugang für beide Seiten auf die Medien dienen, die von jeder Seite durch Umgebungskopplung 128 oder Umgebungskopplung 130 herein kommen. In solchen Ausführungsformen kann das Belüftungsloch 115 ein einzelnes Belüftungsloch oder mehrere Belüftungslöcher in den Abfühl- und Strukturschichten sein, das einen Pfad um die Abfühlstruktur für die Medien, z. B. Gas, bereitstellt, um gasempfindliches Material 122 oder gasempfindliches Material 132 von beiden Richtungen zu kontaktieren, während sie nur eine aus der Umgebungskopplung 128 und der Umgebungskopplung 130 enthält. In einigen Ausführungsformen kann das Belüftungsloch 115 außerdem durch gasempfindliches Material 122 oder gasempfindliches Material 132 hindurchtreten. In noch weiteren Ausführungsformen kann das Belüftungsloch 115 in verschiedenen Schichten oder dem Substrat 112 in einigem Abstand von dem Gassensor oder dem Hohlraum 113 gebildet sein und kann immer noch einen Umgehungsbelüftungspfad bereitstellen.
  • 3a und 3b stellen eine Draufsicht und Querschnittsansicht eines integrierten MEMS-Wandlers 140 einer Ausführungsform dar, der den Gassensor 160 und das Mikrofon 162 enthält. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist der integrierte MEMS-Wandler 140 aus der oberen Elektrodenschicht 150 gebildet, die von der unteren Elektrodenschicht 146 durch die Strukturschicht 148 beabstandet ist. Untere Elektrodenschicht 146, Strukturschicht 148 und obere Elektrodenschicht 150 sind von dem Substrat 142 durch die Strukturschicht 144 beabstandet und sind gebildet, dass sie den Hohlraum 156 und den Hohlraum 158 überlagern. In solchen Ausführungsformen ist der Gassensor 160 ein kapazitiver oder mit Widerstand behafteter Gassensor, wie er hier vorstehend mit Bezug auf den MEMS-Gassensor 110 in 2a beschrieben ist.
  • In verschiedenen Ausführungsformen enthält der Gassensor 160 gasempfindliches Material 152 über dem Hohlraum 156, und das Mikrofon 162 enthält die ablenkbare Membran 164 und die perforierte Gegenelektrode 166 über dem Hohlraum 158. In solchen Ausführungsformen sind die ablenkbare Membran 164 und die perforierte Gegenelektrode 166 durch die Strukturschicht 148 beabstandet und durch einen Luftspalt über dem Hohlraum 158 getrennt. Die ablenkbare Membran 164 ist ein Teil der, oder gebildet durch die, oberen Elektrodenschicht 150, und die perforierte Gegenelektrode 166 ist ein Teil der, oder gebildet durch die, unteren Elektrodenschicht 146. Ähnlich bildet die obere Elektrodenschicht 150 die obere Elektrode für den Gassensor 160, und die unter Elektrodenschicht 146 bildet die untere Elektrode für den Gassensor 160.
  • In anderen Ausführungsformen kann das Mikrofon 162 alternativ ein Mikrolautsprecher sein. In einigen Ausführungsformen kann das Mikrofon 162 mit einer zweiten perforierten Gegenelektrode implementiert sein, und der Gassensor 160 kann außerdem mit einer dritten Elektrodenschicht implementiert sein, wie mit Bezug auf den MEMS-Gassensor 111 in 2b beschrieben ist. Obwohl Perforationen nur in der unteren Elektrodenschicht 146 gezeigt sind, können Perforationen in der oberen Elektrodenschicht 150 enthalten sein, abhängig von der Umgebungskopplung oder dem Durchlass (nicht gezeigt), wie hier vorstehend mit Bezug auf die Perforationen 134 und Perforationen 136 in 2a und 2b beschrieben ist. In verschiedenen Ausführungsformen können der Hohlraum 156 und der Hohlraum 158 derselbe Hohlraum oder getrennte Hohlräume im Substrat 142 sein. In solchen Ausführungsformen können der Hohlraum 156 und der Hohlraum 158 getrennt oder gleichzeitig gebildet sein.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen enthält der integrierte MEMS-Wandler 140 ferner das Temperaturabfühlelement 161. In solchen Ausführungsformen kann das Temperaturabfühlelement 11 in oder auf dem Substrat 142 oder irgendeiner der Schichten des integrierten MEMS-Wandlers 140 enthalten sein. Das Temperaturabfühlelement 161 kann aus irgendeinem der Materialien gebildet sein, die hier vorstehend mit Bezug auf die erste Elektrode 116 in 2a beschrieben sind. In solchen Ausführungsformen kann das Temperaturabfühlelement 161 implementiert sein wie in der ebenfalls angemeldeten US-Anmeldung Nr. 14/613,106, eingereicht am 3. Februar 2015, mit dem Titel ”System and Method for an Integrated Transducer and Temperature Sensor”, beschrieben ist, die hier vollständig mit aufgenommen ist.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der integrierte MEMS-Wandler 140 ein integriertes Heizelement enthalten, das gasempfindliches Material 152 erwärmt, wie ähnlich hier vorstehend mit Bezug auf den MEMS-Gassensor 110 und den MEMS-Gassensor 111 in den 2a und 2b beschrieben ist. In solchen Ausführungsformen kann das integrierte Heizelement unter Verwendung der oberen Elektrodenschicht 150 oder der unteren Elektrodenschicht 146 in dem Gebiet implementiert sein, wo jede Schicht in Kontakt mit gasempfindlichem Material 152 ist. In anderen alternativen Ausführungsformen kann eine getrennte integrierte Heizstruktur (nicht gezeigt) auf dem Substrat 142 zum Erwärmen von gasempfindlichem Material 152 enthalten sein, wie ähnlich hier vorstehend mit Bezug auf den MEMS-Gassensor 110 und den MEMS-Gassensor 111 in den 2a und 2b beschrieben ist.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind die Materialien, die für die Strukturen in 3a und 3b verwendet sind, dieselben, die mit Bezug auf die entsprechenden Strukturen in den 2a und 2b beschrieben sind. Insbesondere kann das Substrat 142 irgendeine/s der Materialien oder Strukturen enthalten, die mit Bezug auf das Substrat 112 beschrieben sind, die Strukturschicht 144 kann irgendeine/s der Materialien oder Strukturen enthalten, die mit Bezug auf die Strukturschicht 114 beschrieben sind, die untere Elektrodenschicht 146 kann irgendeine/s der Materialien oder Strukturen enthalten, die mit Bezug auf die erste Elektrode 116 beschrieben sind, die Strukturschicht 148 kann irgendeine/s der Materialien oder Strukturen enthalten, die mit Bezug auf die Strukturschicht 118 beschrieben sind, die obere Elektrodenschicht 150 kann irgendeine/s der Materialien oder Strukturen enthalten, die mit Bezug auf die zweite Elektrode 120 beschrieben sind, und gasempfindliches Material 152 kann irgendeine/s der Materialien oder Strukturen enthalten, die mit Bezug auf gasempfindliches Material 122 beschrieben sind. Ferner gilt die Beschreibung von Perforationen 134 und Perforationen 138 auch für Perforationen 154.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält der integrierte MEMS-Wandler 140 sowohl den Gassensor 160 als auch das Mikrofon 162 im Substrat 142. Sowohl können sowohl der Gassensor 160 als auch das Mikrofon 162 gleichzeitig unter Verwendung derselben Mikroherstellungsfolge, mit dem Hinzufügen von gasempfindlichem Material 152, gebildet werden und auf demselben Halbleiterchip integriert sein. In einigen Ausführungsformen ist das Temperaturabfühlelement 161 ebenfalls auf demselben Halbleiterchip integriert. Solche Ausführungsformen können Komponenten mit erhöhter Funktionalität und einem sehr kleinen Anstieg der Herstellungskosten und Komplexität enthalten.
  • 4a und 4b stellen eine Draufsicht und Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des integrierten MEMS-Wandlers 170 dar, die den Gassensor 172 und das Mikrofon 174 enthält. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist der integrierte MEMS-Wandler 170 aus der oberen Elektrodenschicht 150 gebildet, die von der unteren Elektrodenschicht 146 durch die Strukturschicht 148 getrennt ist, wie mit Bezug auf den integrierten MEMS-Wandler 140 in den 3a und 3b beschrieben ist.
  • Der Gassensor 172 ist ein kapazitiver oder resistiver Gassensor, wie ähnlich hier vorstehend mit Bezug auf den MEMS-Gassensor 110 und den Gassensor 160 in 2a und den 3a und 3b beschrieben ist; mit der Ausnahme, dass der Gassensor 172 in ein zentrales Gebiet des Mikrofons 174 integriert ist. In einigen Ausführungsformen enthält der integrierte MEMS-Wandler 170 das Temperaturabfühlelement 161, wie hier vorstehend mit Bezug auf 3a beschrieben ist. Das Mikrofon 174 kann in einigen Ausführungsformen ein Mikrolautsprecher sein. Der integrierte MEMS-Wandler 170 kann außerdem ein integriertes Heizelement enthalten, wie hier vorstehend mit Bezug auf den integrierten MEMS-Wandler 140 in den 3a und 3b beschrieben ist.
  • In solchen Ausführungsformen ist gasempfindliches Material 152 zwischen der oberen Elektrodenschicht 150 und der unteren Elektrodenschicht 146 in einem zentralen losgelösten Gebiet, das den Hohlraum 156 überlagert, gebildet. Ein Luftspalt trennt die obere Elektrodenschicht 150 und die unteren Elektrodenschicht 146 in einem Gebiet, das gasempfindliches Material 152 umgibt. Das Gebiet mit dem Luftspalt und ohne gasempfindliches Material 152 enthält einen ablenkbaren Membranabschnitt, der aus der oberen Elektrodenschicht 150 gebildet ist, und einen perforierten Gegenelektrodenabschnitt, der aus der unteren Elektrodenschicht 146 gebildet ist, die gemeinsam als Mikrofon 174 arbeiten. Somit bilden die obere Elektrodenschicht 150 und die untere Elektrodenschicht 146 die Abfühlelektroden sowohl für den Gassensor 172 als auch für das Mikrofon 174. In solchen Ausführungsformen treten Ablenkungen der oberen Elektrodenschicht 150, wie der ablenkbaren Membran für das Mikrofon 174, in dem Abschnitt auf, der gasempfindliches Material 152 umgibt, während das Gebiet unmittelbar oberhalb von gasempfindlichem Material 152 an gasempfindlichem Material 152 befestigt ist und nicht wesentlich abgelenkt wird.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind sowohl die obere Elektrodenschicht 150 als auch die untere Elektrodenschicht 146 in zwei getrennte Elektrodengebiete segmentiert, um Elektroden für sowohl das Mikrofon 174 als auch den Gassensor 172 in derselben Schicht bereitzustellen. Die Segmentierungsgebiete 176 stellen Segmentierung sowohl der oberen Elektrodenschicht 150 als auch der unteren Elektrodenschicht 146 bereit. In verschiedenen Ausführungsformen können Segmentierungsgebiete 176 aus einem isolierenden Material gebildet sein. In spezifischen Ausführungsformen sind Segmentierungsgebiete 176 aus einem Oxid, Nitrid oder Oxynitrid gebildet. In anderen Ausführungsformen sind Segmentierungsgebiete 176 lediglich durch Entfernen von Abschnitten der oberen Elektrodenschicht 150 und der unteren Elektrodenschicht 146 in Segmentierungsgebieten 176 gebildet. In einigen alternativen Ausführungsformen treten Segmentierungsgebiete 176 vollständig durch gasempfindliches Material 152 hindurch und können eine kontinuierliche Schicht bilden.
  • Ferner sind elektrische Verbindungen zu den zwei getrennten Elektrodengebieten sowohl der oberen Elektrodenschicht 150 als auch der unteren Elektrodenschicht 146 beispielsweise durch Metallisierung oder dotierte Halbleiter bereitgestellt (nicht gezeigt). Solche elektrischen Verbindungen enthalten im Allgemeinen zusätzliche Segmentierung oder Isolierung (nicht gezeigt), die auf oder in der oberen Elektrodenschicht 150 und der unteren Elektrodenschicht 146 gebildet ist, wie durch normale Fachleute leicht verstanden wird.
  • Die 5a und 5b stellen eine Draufsicht und Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des integrierten MEMS-Wandlers 180 dar, der den Gassensor 182 und das Mikrofon 184 enthält. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist der integrierte MEMS-Wandler 180 ähnlich dem integrierten MEMS-Wandler 170, der hier vorstehend mit Bezug auf die 4a und 4b beschrieben ist; mit der Ausnahme, dass der Gassensor 182 in ein peripheres Gebiet, das das Mikrofon 184 umgibt, integriert ist.
  • In solchen Ausführungsformen ist gasempfindliches Material 152 in dem peripheren Gebiet benachbart der Strukturschicht 148 zwischen der oberen Elektrodenschicht 150 und der unteren Elektrodenschicht 146 und oberhalb des Hohlraums 156 gebildet. Der zentrale Abschnitt der oberen Elektrodenschicht 150 bildet die ablenkbare Membran für das Mikrofon 184, und der zentrale Abschnitt der unteren Elektrodenschicht 146 bildet die perforierte Gegenelektrode für das Mikrofon 184. Ähnlich bilden das periphere Gebiet der oberen Elektrodenschicht 150 und das periphere Gebiet der unteren Elektrodenschicht 146 gemeinsam die obere bzw. untere Elektrode für den Gassensor 182. Wie mit Bezug auf 4b beschrieben trennen die Segmentierungsgebiete 176 in der oberen Elektrodenschicht 150 und der unteren Elektrodenschicht 146 die Abfühlelektroden für den Gassensor 182 von den Abfühlelektroden, Membran und Gegenelektrode für das Mikrofon 184. In einigen Ausführungsformen enthält der integrierte MEMS-Wandler 180 das Temperaturabfühlelement 161, wie hier vorstehend mit Bezug auf 3a beschrieben ist. Das Mikrofon 184 kann in einigen Ausführungsformen ein Mikrolautsprecher sein. Der integrierte MEMS-Wandler 180 kann außerdem ein integriertes Heizelement enthalten, wie hier vorstehend mit Bezug auf den integrierten MEMS-Wandler 140 in den 3a und 3b beschrieben ist.
  • Die 6a und 6b stellen eine Draufsicht und Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des MEMS-Gassensors 190 dar, der eine erste interdigitale Elektrode 192 und eine zweite interdigitale Elektrode 194 enthält. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen bilden die erste interdigitale Elektrode 192, die zweite interdigitale Elektrode 194 und die Membranschicht 196 gemeinsam eine strukturierte Membran, die interdigitale Elektroden aufweist, die mit gasempfindlichem Material 152 in den Lücken zwischen der ersten interdigitalen Elektrode 192 und der zweiten interdigitalen Elektrode 194 gefüllt ist. Wie ähnlich hier vorstehend beschrieben kann gasempfindliches Material 152 als Material mit einem Widerstandswert oder einer Dielektrizitätskonstante, der/die von einer spezifischen Gaskonzentration abhängt, implementiert sein. In solchen Ausführungsformen können die erste interdigitale Elektrode 192 und die zweite interdigitale Elektrode 194 als Elektroden für einen resistiven Gassensor oder einen kapazitiven Gassensor funktionieren. Weitere Beschreibung von interdigitalen Elektroden ist in der ebenfalls angemeldeten US-Anmeldung Nr. 13/743,306, eingereicht am 16. Januar 2013 und mit dem Titel ”Comb MEMS Device and Method of Making a Comb MEMS Device” enthalten, die hier durch Bezugnahme vollständig aufgenommen ist, und in der ebenfalls angemeldeten US-Anmeldung Nr. 13/947,823, eingereicht am 22. Juli 2013 und mit dem Titel ”MEMS Device”, die hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist. Verschiedene hier beschriebene Ausführungsformen können mit Herstellungstechniken für einen Kammantrieb oder einen MEMS-Sensor mit interdigitaler Elektrode kombiniert sein, um den MEMS-Gassensor 190 herzustellen. Der MEMS-Gassensor 190 kann außerdem ein integriertes Heizelement enthalten, wie hier vorstehend beispielsweise mit Bezug auf den integrierten MEMS-Wandler 140 in den 3a und 3b oder den MEMS-Gassensor 110 in 2a beschrieben ist.
  • In verschiedenen Ausführungsformen ist die Membranschicht 196 von dem Substrat 142 durch eine Strukturschicht 144 beabstandet. Die erste interdigitale Elektrode 192 und die zweite interdigitale Elektrode 194 können aus leitfähigen Materialien gebildet sein, wie z. B. hier vorstehend mit Bezug die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 120 in 2a beschrieben ist. Ferner sind die erste interdigitale Elektrode 192 und die zweite interdigitale 194 als Furchen oder Rippen gebildet, die sich durch die Membranschicht 196 und gasempfindliches Material 152 erstrecken. Die Membranschicht 196 kann aus einem isolierenden Material gebildet sein, wie z. B. einem Oxid, Nitrid oder Oxynitrid. In anderen Ausführungsformen ist die Membranschicht 196 aus demselben Material gebildet wie die erste interdigitale Elektrode 192 und die zweite interdigitale Elektrode 194, und zusätzliche Segmentierung der Isolation (nicht gezeigt) ist zwischen der ersten interdigitalen Elektrode 192 und der zweiten interdigitalen Elektrode 194 enthalten.
  • 7 stellt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Herstellungsprozesses 200 zum Bilden eines MEMS-Wandlers dar, wobei der Herstellungsprozess 200 die Schritt 202–222 enthält. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beginnt der Herstellungsprozess 200 in Schritt 202 mit einem Substrat. Das Substrat kann aus einem Halbleiter wie z. B. Silizium oder als ein weiteres Material wie beispielsweise ein Polymer gebildet sein. Eine Ätzstoppschicht wird in Schritt 204 auf dem Substrat gebildet. Die Ätzstoppschicht kann beispielsweise Siliziumoxid sein, das unter Verwendung von Tetraethylorthosilikat (TEOS) gebildet ist. In anderen Ausführungsformen kann die Ätzstoppschicht Siliziumnitrid sein.
  • In Schritt 206 wird eine erste Elektrodenschicht durch Bilden und Strukturieren von Schichten für die erste Elektrodenschicht gebildet. Schritt 206 kann Aufbringen einer einzelnen Schicht für die erste Elektrodenschicht oder von mehreren Schichten für die erste Elektrodenschicht enthalten. Als ein Beispiel für mehrere Schichten kann Schritt 206 Aufbringen einer isolierenden Schicht, wie z. B. SiN, Aufbringen einer leitenden Schicht, wie z. B. Polysilizium, Strukturieren der leitenden Schicht, Aufbringen einer weiteren isolierenden Schicht, wie z. B. SiN, und Strukturieren des resultierenden Schichtstapels enthalten. Strukturieren kann einen photolithographischen Prozess enthalten, um die erste Elektrodenschichtstruktur mit Perforationen zu produzieren. Als ein Beispiel einer einzelnen Schicht kann Schritt 206 Aufbringen einer leitenden Schicht, wie z. B. Polysilizium, und Strukturieren der leitenden Schicht enthalten. In verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Elektrodenschicht irgendeines der Materialien sein, die hier vorstehend mit Bezug auf die erste Elektrode 116 in 2a beschrieben sind. In einigen Ausführungsformen enthält Schritt 206 außerdem Bilden eines Temperaturabfühlelements in oder auf dem Substrat oder der ersten Elektrodenschicht, wie z. B. des Temperaturabfühlelements 161, das hier vorstehend mit Bezug die 3a und 3b beschrieben ist.
  • In anderen Ausführungsformen sind Strukturvariationen und Materialalternativen vorstellbar. In einigen alternativen Ausführungsformen kann die erste Elektrode aus irgendeiner Anzahl von Schichten, leitend oder isolierend, gebildet sein. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen die erste Elektrodenschicht Schichten aus Metallen, Halbleitern oder Dielektrika enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die erste Elektrodenschicht aus Silizium-auf-Isolator-(SOI-) oder Metall- oder dielektrischen Schichten gebildet sein.
  • In verschiedenen Ausführungsformen enthält Schritt 208 Bilden und Strukturieren eines Strukturmaterials, wie z. B. TEOS, und eines gasempfindlichen Materials. Bilden und Strukturieren von Schritt 208 wird ausgeführt, um einen Abstand für eine zweite Elektrodenschicht in einem Gebiet für ein MEMS-Mikrofon oder einen Mikrolautsprecher bereitzustellen und um das gasempfindliche Material in einem Gebiet für einen MEMS-Gassensor bereitzustellen. In verschiedenen Ausführungsformen können die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht Teil einer Gegenelektrode und einer Membran für das MEMS-Mikrofon oder den Mikrolautsprecher sein und außerdem Teil einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode für den MEMS-Gassensor sein, wie vorstehend mit Bezug auf die anderen Figuren beschrieben ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das gasempfindliche Material von Schritt 208 strukturiert sein, um irgendeinen der Gassensoren zu bilden, wie hier vorstehend mit Bezug auf die anderen Figuren beschrieben ist. Ferner kann das gasempfindliche Material von Schritt 208 irgendeines der Materialien enthalten, die mit Bezug auf gasempfindliches Material 122 in 2a beschrieben sind. Die Strukturschicht von Schritt 208 kann strukturiert sein, um Antihafthöcker für die zweite Elektrodenschicht zu bilden. Zusätzlich kann die in Schritt 208 gebildete Strukturschicht mehrere Schritte zum Aufbringen und einen Planarisierungsschritt wie z. B. ein chemisch-mechanisches Polieren (CMP, chemical mechanical polish) enthalten.
  • Schritt 210 enthält Bilden einer zweiten Elektrodenschicht und Strukturieren der zweiten Elektrodenschicht. Die zweite Elektrodenschicht kann beispielsweise aus Polysilizium gebildet sein. In anderen Ausführungsformen kann die zweite Elektrodenschicht aus anderen leitfähigen Materialien wie beispielsweise einem dotierten Halbleiter oder einem Metall gebildet sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Elektrodenschicht irgendeines der Materialien sein, die mit Bezug auf die zweite Elektrodenschicht 120 in 2a beschrieben sind. Strukturieren der zweiten Elektrodenschicht in Schritt 210 kann beispielsweise einen Photolithographieprozess enthalten, der die Formen oder Strukturen der zweiten Elektroden für sowohl einen MEMS-Gassensor als auch ein MEMS-Mikrofon definiert. Die zweite Elektrodenschicht kann Antihafthöcker in einem Gebiet für die Membran des Mikrofons basierend auf der in Schritt 208 gebildeten Struktur enthalten.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Schritt zum Bilden der zweiten Elektrodenschicht in Schritt 210 außerdem einen Schritt zum Bilden eines Temperaturabfühlelements enthalten, das in oder auf derselben Schicht wie die zweite Elektrodenschicht gebildet wird. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird nur ein Mikrofon mit einer einzelnen Gegenelektrode gebildet, und deshalb werden nur die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht gebildet. In solchen Ausführungsformen können Schritt 212 und Schritt 214 weggelassen werden.
  • In verschiedenen Ausführungsformen zum Bilden eines Mikrofons mit zweifacher Gegenelektrode enthält Schritt 212 Bilden und Strukturieren von zusätzlichem Strukturmaterial, wie z. B. TEOS, und eines gasempfindlichen Materials. Ähnlich zu Schritt 208 kann das Strukturmaterial in Schritt 212 gebildet und strukturiert werden, um eine dritte Elektrodenschicht, die eine zweite Gegenelektrode bilden kann, von der zweiten Elektrodenschicht in einem Gebiet für das MEMS-Mikrofon oder den Mikrolautsprecher zu beabstanden, und das gasempfindliche Material kann in einem Gebiet für den MEMS-Gassensor gebildet und strukturiert werden. Schritt 212 kann Aufbringen irgendeines der Materialien enthalten, die mit Bezug auf Schritt 208 beschrieben sind. Schritt 214 enthält Bilden und Strukturieren der Schichten der dritten Elektrodenschicht. In einigen Ausführungsformen enthält Bilden und Strukturieren in Schritt 214 beispielsweise Aufbringen von Schichten und photolithographisches Strukturieren. In verschiedenen Ausführungsformen kann Schritt 214 ähnliche Merkmale und Materialien enthalten, wie sie hier vorstehend mit Bezug auf die erste Elektrodenschicht, die in Schritt 206 gebildet wird, beschrieben sind, und dieselbe Beschreibung trifft zu. Somit kann in verschiedenen Ausführungsformen Schritt 214 außerdem Bilden eines Temperaturabfühlelements enthalten.
  • Folgend auf Schritt 214 enthält Schritt 216 Bilden und Strukturieren von zusätzlichem Strukturmaterial in verschiedenen Ausführungsformen. Das Strukturmaterial kann ein TEOS-Oxid sein. In einigen Ausführungsformen wird das Strukturmaterial als ein Opfermaterial oder ein Maskierungsmaterial für nachfolgende Ätz- oder Strukturierungsschritte aufgebracht. Schritt 218 enthält Bilden und Strukturieren von Kontaktstellen. Bilden und Strukturieren der Kontaktstellen in Schritt 218 kann Ätzen von Kontaktlöchern in den existierenden Schichten enthalten, um Öffnungen für die dritte Elektrodenschicht, die zweite Elektrodenschicht, die erste Elektrodenschicht, das Substrat und das Temperaturabfühlelement bereitzustellen. In einer spezifischen Ausführungsform kann das Temperaturabfühlelement zwei Öffnungen für zwei Kontaktstellen aufweisen, die an das Temperaturabfühlelement gekoppelt sind.
  • Nach dem Bilden der Öffnungen für jede Struktur bzw. Schicht können die Kontaktstellen gebildet werden durch Aufbringen eines leitfähigen Materials wie z. B. eines Metalls in die Öffnungen und Strukturieren des leitfähigen Materials, um getrennte Kontaktstellen zu bilden. Schritt 218 kann außerdem Bilden eines Temperaturabfühlelements in Metallisierungsschichten oder zwischen Kontaktstellen enthalten. Beispielsweise kann ein resistives Element mit einem temperaturabhängigen Widerstand zwischen zusätzlichen Kontaktstellen gebildet sein. In einer spezifischen Ausführungsform wird in Schritt 218 ein Platindraht zwischen den Kontaktstellen gebildet. In noch einer weiteren Ausführungsform kann Schritt 218 außerdem Bilden eines Rückkontakts zum Messen eines Ausbreitungswiderstands des Substrats enthalten.
  • In verschiedenen Ausführungsformen enthält Schritt 220 Ausführen eines Rückseitenätzens, wie z. B. eines Bosch-Ätzens. Das Rückseitenätzen bildet einen Hohlraum in dem Substrat, um einen Schalleingang für das hergestellte Mikrofon und den Temperatursensor zu bilden oder um einen Referenzhohlraum zu bilden. Schritt 222 enthält Ausführen eines Ablösungsätzens, um die Strukturmaterialen zu entfernen, die die erste Elektrodenschicht, die zweite Elektrodenschicht und die dritte Elektrodenschicht schützen und befestigen. Folgend dem Ablösungsätzen in Schritt 222 kann die Membran, die beispielsweise durch einen Abschnitt der zweiten Elektrodenschicht gebildet ist, des Mikrofons in einigen Ausführungsformen frei beweglich sein.
  • Der Herstellungsprozess 200 kann in spezifischen Ausführungsformen modifiziert sein, um nur eine einzige Gegenelektrode und Membran für das integrierte Mikrofon zu enthalten. Fachleute werden leicht erkennen, dass zahlreiche Modifikationen an der allgemeinen Herstellungsreihenfolge, die hier vorstehend beschrieben ist, vorgenommen werden können, um verschiedene Vorteile und Fachleuten bekannte Modifikationen bereitzustellen, während sie immer noch verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält. In einigen Ausführungsformen kann die Herstellungsreihenfolge 200 implementiert sein, um beispielsweise einen Mikrolautsprecher zu bilden, der eine ähnliche Struktur wie ein MEMS-Mikrofon mit einer einzelnen Gegenelektrode aufweist. In anderen Ausführungsformen kann die Herstellungsreihenfolge 200 implementiert sein, um nur einen Gassensor und kein integriertes Mikrofon zu bilden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Herstellungsreihenfolge 200 außerdem Bilden getrennter Heizelemente in Kontakt mit dem gasempfindlichen Material enthalten.
  • 8 stellt ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden 250 eines MEMS-Wandlers dar, wobei das Verfahren zum Bilden 250 die Schritte 252 bis 260 enthält. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält Schritt 252 Bilden einer ersten Elektrodenplatte auf einem Substrat. Schritt 254 enthält Bilden einer zweiten Elektrodenplatte beabstandet von der ersten Elektrodenplatte. Schritt 256 enthält Freilegen einer unteren Oberfläche der ersten Elektrodenplatte durch Ätzen eines Hohlraums in einer Rückseite des Substrats. Der Hohlraum kann mit einem Durchlass in einer Baugruppe für den MEMS-Wandler verbunden sein, wobei der Durchlass eine Öffnung oder Kopplung zu der Umgebung außerhalb der Baugruppe bereitstellt, die die Baugruppe umgibt.
  • In verschiedenen Ausführungsformen enthält Schritt 258 Ablösen der ersten Elektrodenplatte und der zweiten Elektrodenplatte. Nach dem Ablösen sind die erste Elektrodenplatte und die zweite Elektrodenplatte von unten in dem Hohlraum und von oben gelöst. In solchen Ausführungsformen können die erste Elektrodenplatte und die zweite Elektrodenplatte immer noch mit einem gasempfindlichen Material verbunden sein, das (in Schritt 260) zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenplatte gebildet ist, beispielsweise wie hier vorstehend mit Bezug auf die 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a und 6b beschrieben ist.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält Schritt 260 Bilden eines gasempfindlichen Materials auf der ersten Elektrodenplatte. In einigen Ausführungsformen ist das gasempfindliche Material ein gasempfindliches dielektrisches Material, das eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die in Bezug auf die Konzentration eines spezifischen Gases variiert. Beispielsweise weist das gasempfindliche dielektrische Material eine Dielektrizitätskonstante auf, die mit der Feuchte, d. h. der Konzentration von Wasserdampf in der Luft, variiert. Das gasempfindliche dielektrische Material kann stattdessen ein resistives Material sein, wie hier vorstehend mit Bezug auf die anderen Figuren beschrieben ist.
  • In weiteren Ausführungsformen kann das Verfahren zum Bilden 250 zusätzliche Schritte in unterschiedlichen Reihenfolgen enthalten. Beispielsweise kann das Verfahren zum Bilden 250 zusätzliche Schritte zum Bilden einer dritten Elektrodenplatte enthalten. In einigen Ausführungsformen wird ein Mikrofon während derselben Schritte 252–260 für den MEMS-Wandler gebildet. Somit werden ein Gassensor und ein Mikrofon gleichzeitig unter Verwendung derselben Elektrodenschichten gebildet. In noch weiteren Ausführungsformen wird außerdem ein Temperaturabfühlelement während des Verfahrens zum Bilden 250 gebildet.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann Schritt 260 am Ende des Verfahrens zum Bilden 250 als ein Nachverarbeitungsschritt ausgeführt werden. In solchen Ausführungsformen wird das gasempfindliche Material, wie ein dielektrisches oder resistives Material, verteilt, gedruckt oder auf das abgelöste MEMS-System aufgebracht. In einigen Ausführungsformen kann das gasempfindliche Material nur auf Abfühlbereiche aufgebracht werden, z. B. nicht auf einen Mikrofonabschnitt, wie hier vorstehend mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben ist. In anderen Ausführungsformen kann das gasempfindliche Material auf einen kapazitiven Plattensensor innerhalb spezifischer Gassensorabschnitte, die von Schallwandlerabschnitten getrennt sind, aufgebracht werden, wie hier vorstehend mit Bezug auf die 4 und 5 beschrieben ist. In noch weiteren Ausführungsformen kann das gasempfindliche Material auf interdigitale Elektroden aufgebracht werden, wie hier vorstehend mit Bezug auf 6 beschrieben ist. In solchen Ausführungsformen kann das Füllen mit gasempfindlichem Material in Nachverarbeitung angewandt werden, so dass Kapillarkräfte die Lücken zwischen interdigitalen Elektroden mit gasempfindlichem Material füllen und die aufgebrachte Menge von gasempfindlichem Material das Füllvolumen zwischen den Lücken begrenzt. In anderen Ausführungsformen wird Schritt 260 zwischen Schritt 252 und Schritt 254 ausgeführt und enthält Aufbringen des gasempfindlichen Materials oben auf die erste Elektrodenplatte vor dem Bilden der zweiten Elektrodenplatte.
  • Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Wandler eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS-Wandler) ein Substrat mit einem ersten Hohlraum, der durch das Substrat von einer Rückseite des Substrats hindurchtritt. Der MEMS-Wandler enthält außerdem eine perforierte erste Elektrodenplatte, die den ersten Hohlraum auf einer Oberseite des Substrats überlagert, eine zweite Elektrodenplatte, die den ersten Hohlraum auf der Oberseite des Substrats überlagert und von der perforierten ersten Elektrodenplatte durch ein Abstandsgebiet beabstandet ist, und ein gasempfindliches Material in dem Abstandsgebiet zwischen der perforierten ersten Elektrodenplatte und der zweiten Elektrodenplatte. Das gasempfindliche Material weist eine elektrische Eigenschaft auf, die von einer Konzentration eines Zielgases abhängig ist. Andere Ausführungsformen enthalten entsprechende Systeme und Einrichtungen, von denen jede/s konfiguriert ist, entsprechende Ausführungsformen von Verfahren auszuführen.
  • Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten: In verschiedenen Ausführungsformen enthält der MEMS-Wandler ferner einen MEMS-Schallwandler, der auf dem Substrat integriert ist, wobei der MEMS-Schallwandler eine perforierte Gegenelektrode, die einen zweiten Hohlraum in dem Substrat überlagert, und eine ablenkbare Membran, die den zweiten Hohlraum überlagert und von der perforierten Gegenelektrode beabstandet ist, enthält. In einigen Ausführungsformen ist die perforierte Gegenelektrode aus derselben Halbleiterschicht gebildet wie die perforierte erste Elektrodenplatte, und die ablenkbare Membran ist aus derselben Halbleiterschicht gebildet wie die zweite Elektrodenplatte. Der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum können derselbe Hohlraum sein, der durch das Substrat von einer Rückseite des Substrats hindurchtritt.
  • In verschiedenen Ausführungsformen enthält die perforierte erste Elektrodenplatte einen zentralen Abschnitt der perforierten Gegenelektrode, und die zweite Elektrodenplatte enthält einen zentralen Abschnitt der ablenkbaren Membran. In anderen Ausführungsformen enthält die perforierte erste Elektrodenplatte einen peripheren Abschnitt der perforierten Gegenelektrode, und die zweite Elektrodenplatte enthält einen peripheren Abschnitt der ablenkbaren Membran.
  • In verschiedenen Ausführungsformen ist das Zielgas Wasserdampf, und das gasempfindliche Material ist ein feuchteempfindliches Material. In spezifischen Ausführungsformen ist das feuchteempfindliche Material Polyimid. In anderen Ausführungsformen ist das Zielgas Kohlendioxid.
  • In verschiedenen Ausführungsformen enthält der MEMS-Wandler ferner eine perforierte dritte Elektrodenplatte, die den ersten Hohlraum auf der Oberseite des Substrats überlagert und von der zweiten Elektrodenplatte durch ein zusätzliches Abstandsgebiet beabstandet ist, und enthält außerdem ferner das gasempfindliche Material in dem zusätzlichen Abstandsgebiet zwischen der perforierten dritten Elektrodenplatte und der zweiten Elektrodenplatte. Die perforierte erste Elektrodenplatte kann an eine Umgebung über den ersten Hohlraum und einen Durchlass in einer Baugruppe, die den MEMS-Wandler enthält, gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen überlagert die perforierte erste Elektrodenplatte die zweite Elektrodenplatte und ist mit einer Umgebung durch einen oberen Durchlass in einer Baugruppe, die den MEMS-Wandler enthält, gekoppelt.
  • In verschiedenen Ausführungsformen enthält der MEMS-Wandler ferner ein Temperaturabfühlelement, das auf dem Substrat integriert ist. Der MEMS-Wandler kann ferner ein Heizelement in physikalischem Kontakt mit dem gasempfindlichen Material enthalten. In einigen Ausführungsformen enthält der MEMS-Wandler ferner eine Belüftungsöffnung, die die perforierte erste Elektrodenplatte und die zweite Elektrodenplatte umgeht und einen Belüftungspfad zwischen dem ersten Hohlraum und der Oberseite des Substrats bereitstellt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält das gasempfindliche Material ein gasempfindliches dielektrisches Material, das eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die von der Konzentration des Zielgases abhängig ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Sensors Bilden einer ersten Elektrodenplatte auf einem Substrat, Bilden einer zweiten Elektrodenplatte beabstandet von der ersten Elektrodenplatte, Freilegen einer unteren Oberfläche der ersten Elektrodenplatte durch Ätzen eines Hohlraums in eine Rückseite des Substrats, Ablösen der ersten Elektrodenplatte und der zweiten Elektrodenplatte und Bilden eines gasempfindlichen Materials zwischen der ersten Elektrodenplatte und der zweiten Elektrodenplatte. Andere Ausführungsformen enthalten entsprechende Systeme und Einrichtungen, von denen jede/s konfiguriert ist, entsprechende Ausführungsformen von Verfahren auszuführen.
  • Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten: In verschiedenen Ausführungsformen enthält Bilden des gasempfindlichen Materials Verteilen des gasempfindlichen Materials als eine Flüssigkeit in ein Gebiet zwischen der ersten Elektrodenplatte und der zweiten Elektrodenplatte nach dem Ablösen der ersten Elektrodenplatte und der zweiten Elektrodenplatte. Verteilen des gasempfindlichen Materials als eine Flüssigkeit kann Verteilen von Polyimid als eine Flüssigkeit enthalten. In anderen Ausführungsformen enthält Bilden des gasempfindlichen Materials Aufbringen des gasempfindlichen Materials auf die erste Elektrodenplatte vor dem Bilden der zweiten Elektrodenplatte.
  • In verschiedenen Ausführungsformen enthält das gasempfindliche Material ein gasempfindliches dielektrisches Material mit einer Dielektrizitätskonstante, die einer Konzentration eines Zielgases proportional ist. In einigen Ausführungsformen enthält Bilden der ersten Elektrodenplatte Bilden einer perforierten ersten Elektrodenplatte. Bilden der perforierten ersten Elektrodenplatte auf dem Substrat kann außerdem Bilden einer perforierten Gegenelektrode enthalten, Bilden des gasempfindlichen Materials kann Bilden des gasempfindlichen Materials in einem ersten Gebiet über der perforierten Gegenelektrode und Bilden eines Luftspalts in einem zweiten Gebiet über der perforierten Gegenelektrode enthalten, und Bilden der zweiten Elektrodenplatte auf dem gasempfindlichen Material kann ferner Bilden einer ablenkbaren Membran über dem Luftspalt in dem zweiten Gebiet enthalten. In einigen Ausführungsformen ist das erste Gebiet ein peripheres Gebiet, und das zweite Gebiet ist ein zentrales Gebiet. In anderen Ausführungsformen ist das zweite Gebiet ein peripheres Gebiet, und das erste Gebiet ist ein zentrales Gebiet.
  • In verschiedenen Ausführungsformen enthält das Verfahren ferner Bilden einer perforierten Gegenelektrode gleichzeitig mit dem Bilden der perforierten ersten Elektrodenplatte, wobei die perforierte Gegenelektrode und die perforierte erste Elektrodenplatte aus derselben Halbleiterschicht gebildet werden. In solchen Ausführungsformen enthält das Verfahren außerdem Bilden einer ablenkbaren Membran gleichzeitig mit dem Bilden der zweiten Elektrodenplatte, wobei die ablenkbare Membran und die zweite Elektrodenplatte aus derselben Halbleiterschicht gebildet werden und die ablenkbare Membran von der perforierten Gegenelektrode beabstandet ist. In einigen Ausführungsformen enthält das Verfahren ferner Bilden eines Heizelements, das mit dem gasempfindlichen Material thermisch gekoppelt ist. Das Verfahren kann ferner außerdem ferner Bilden eines Temperaturabfühlelements auf dem Substrat enthalten.
  • Gemäß einer Ausführungsform enthält ein MEMS-Wandler einen MEMS-Schallwandler, der eine perforierte Gegenelektrode, die ein Substrat überlagert, und eine Membran, die das Substrat überlagert und von der perforierten Gegenelektrode durch einen ersten Abstand beabstandet ist, enthält. Der MEMS-Wandler enthält ferner einen MEMS-Gassensor, der eine perforierte erste Elektrode, die das Substrat überlagert, eine zweite Elektrode, die das Substrat überlagert und von der perforierten ersten Elektrode durch einen zweiten Abstand beabstandet ist, und ein gasempfindliches Dielektrikum zwischen und in Kontakt mit der perforierten ersten Elektrode und der zweiten Elektrode enthält. Andere Ausführungsformen enthalten entsprechende Systeme und Einrichtungen, von denen jede/s konfiguriert ist, entsprechende Ausführungsformen von Verfahren auszuführen.
  • Implementierungen können eines oder mehrere aus den folgenden Merkmalen enthalten: In verschiedenen Ausführungsformen sind die perforierte Gegenelektrode und die perforierte erste Elektrode aus derselben Halbleiterschicht gebildet. Das Substrat kann einen Hohlraum enthalten, und die perforierte erste Elektrode, die zweite Elektrode und das gasempfindliche Dielektrikum überlagern den Hohlraum. In einigen Ausführungsformen enthält der MEMS-Wandler ferner ein Temperaturabfühlelement, das auf dem Substrat integriert ist. In weiteren Ausführungsformen enthält der MEMS-Wandler außerdem ein Heizelement in physikalischem Kontakt mit dem gasempfindlichen Dielektrikum.
  • In verschiedenen Ausführungsformen ist die perforierte erste Elektrode in einem zentralen Gebiet der perforierten Gegenelektrode gebildet, und die zweite Elektrode ist in einem zentralen Gebiet der Membran gebildet. In anderen Ausführungsformen ist die perforierte erste Elektrode in einem peripheren Gebiet der perforierten Gegenelektrode gebildet, und die zweite Elektrode ist in einem peripheren Gebiet der Membran gebildet.
  • Gemäß einigen hier beschriebenen Ausführungsformen können die Vorteile Hinzufügen von Funktionalität zu einem integrierten Produkt enthalten. Einige Ausführungsformen können einen Schallwandler und einen Gassensor enthalten, die in demselben Halbleiterchip mit gemeinsam verwendeten funktionalen Vorrichtungsschichten wie z. B. Elektrodenschichten gebildet sind. Solche Ausführungsformen können vorteilhafterweise keine zusätzlichen Masken oder nur eine einzige zusätzliche Maske während der Herstellungsreihenfolge enthalten, im Vergleich zu einer äquivalenten Mikrofonherstellungsreihenfolge. Ein weiterer Vorteil einiger Ausführungsformen kann integrierte Temperaturabfühlfunktionalität sein. Integration in einen einzigen Halbleiter kann außerdem vorteilhafterweise zu verbesserter Leistung und verringerten Kosten in einigen Ausführungsformen führen. Ein weiterer Vorteil einiger Ausführungsformen kann Bereitstellen von Umgebungskopplung für eine Gruppe von Sensoren durch ein/en einziges/n Loch oder Durchlass oder gemeinsam verwendete Löcher oder Durchlässe in einer einzigen Baugruppe enthalten. Solche Ausführungsformen können vorteilhafterweise die Leistung verbessern, die Austauschbarkeit von Sensorsystemen erhöhen und Konstruktionsbeschränkungen vereinfachen.
  • Obwohl diese Erfindung mit Bezug auf anschauliche Ausführungsformen beschrieben worden ist, soll diese Beschreibung nicht in einem einschränkenden Sinn gedeutet werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der anschaulichen Ausführungsformen und außerdem andere Ausführungsformen der Erfindung werden für Fachleute nach Referenzieren der Beschreibung offensichtlich. Deshalb sollen die beigefügten Ansprüche alle solchen Modifikationen und Ausführungsformen einschließen.

Claims (35)

  1. Wandler für mikroelektromechanische Systeme (MEMS-Wandler), der Folgendes umfasst: ein Substrat, das einen ersten Hohlraum umfasst, der durch das Substrat von einer Rückseite des Substrats hindurchtritt; eine perforierte erste Elektrodenplatte, die den ersten Hohlraum auf einer Oberseite des Substrats überlagert; eine zweite Elektrodenplatte, die den ersten Hohlraum auf der Oberseite des Substrats überlagert und von der perforierten ersten Elektrodenplatte durch ein Abstandsgebiet beabstandet ist; und ein gasempfindliches Material in dem Abstandsgebiet zwischen der perforierten ersten Elektrodenplatte und der zweiten Elektrodenplatte, wobei das gasempfindliche Material eine elektrische Eigenschaft aufweist, die von einer Konzentration eines Zielgases abhängig ist.
  2. MEMS-Wandler nach Anspruch 1, der ferner einen MEMS-Schallwandler umfasst, der auf dem Substrat integriert ist, wobei der MEMS-Schallwandler Folgendes umfasst: eine perforierte Gegenelektrode, die einen zweiten Hohlraum in dem Substrat überlagert; und eine ablenkbare Membran, die den zweiten Hohlraum überlagert und von der perforierten Gegenelektrode beabstandet ist.
  3. MEMS-Wandler nach Anspruch 2, wobei die perforierte Gegenelektrode aus derselben Halbleiterschicht wie die perforierte erste Elektrodenplatte gebildet ist; und die ablenkbare Membran aus derselben Halbleiterschicht wie die zweite Elektrodenplatte gebildet ist.
  4. MEMS-Wandler nach Anspruch 3, wobei der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum derselbe Hohlraum sind, der durch das Substrat von einer Rückseite des Substrats hindurchtritt.
  5. MEMS-Wandler nach Anspruch 4, wobei die perforierte erste Elektrodenplatte einen zentralen Abschnitt der perforierten Gegenelektrode umfasst und die zweite Elektrodenplatte einen zentralen Abschnitt der ablenkbaren Membran umfasst.
  6. MEMS-Wandler nach Anspruch 4, wobei die perforierte erste Elektrodenplatte einen peripheren Abschnitt der perforierten Gegenelektrode umfasst und die zweite Elektrodenplatte einen peripheren Abschnitt der ablenkbaren Membran umfasst.
  7. MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Zielgas Wasserdampf ist und das gasempfindliche Material ein feuchteempfindliches Material ist.
  8. MEMS-Wandler nach Anspruch 7, wobei das feuchteempfindliche Material Polyimid ist.
  9. MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Zielgas Kohlendioxid ist.
  10. MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der ferner Folgendes umfasst: eine perforierte dritte Elektrodenplatte, die den ersten Hohlraum auf der Oberseite des Substrats überlagert und von der zweiten Elektrodenplatte durch ein zusätzliches Abstandsgebiet beabstandet ist; und das gasempfindliche Material in dem zusätzlichen Abstandsgebiet zwischen der perforierten dritten Elektrodenplatte und der zweiten Elektrodenplatte.
  11. MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die perforierte erste Elektrodenplatte an eine Umgebung über den ersten Hohlraum und einen Durchlass in einer Baugruppe, die den MEMS-Wandler enthält, gekoppelt ist.
  12. MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die perforierte erste Elektrodenplatte die zweite Elektrodenplatte überlagert und mit einer Umgebung über einen oberen Durchlass in einer Baugruppe, die den MEMS-Wandler enthält, gekoppelt ist.
  13. MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, der ferner ein Temperaturabfühlelement enthält, das auf dem Substrat integriert ist.
  14. MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, der ferner ein Heizelement in physikalischem Kontakt mit dem gasempfindlichen Material enthält.
  15. MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, der ferner eine Belüftungsöffnung umfasst, die die perforierte erste Elektrodenplatte und die zweite Elektrodenplatte umgeht und einen Belüftungspfad zwischen dem ersten Hohlraum und der Oberseite des Substrats bereitstellt.
  16. MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das gasempfindliche Material ein gasempfindliches dielektrisches Material umfasst, das eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die von der Konzentration des Zielgases abhängig ist.
  17. Verfahren zum Herstellen eines Sensors eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS-Sensors), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bilden einer ersten Elektrodenplatte auf einem Substrat; Bilden einer zweiten Elektrodenplatte beabstandet von der ersten Elektrodenplatte; Freilegen einer unteren Oberfläche der ersten Elektrodenplatte durch Ätzen eines Hohlraums in einer Rückseite des Substrats; Ablösen der ersten Elektrodenplatte und der zweiten Elektrodenplatte; und Bilden eines gasempfindlichen Materials zwischen der ersten Elektrodenplatte und der zweiten Elektrodenplatte.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei Bilden des gasempfindlichen Materials Verteilen des gasempfindlichen Materials als eine Flüssigkeit in ein Gebiet zwischen der ersten Elektrodenplatte und der zweiten Elektrodenplatte nach dem Ablösen der ersten Elektrodenplatte und der zweiten Elektrodenplatte umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei Verteilen des gasempfindlichen Materials als eine Flüssigkeit Verteilen von Polyimid als eine Flüssigkeit umfasst.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei Bilden des gasempfindlichen Materials Aufbringen des gasempfindlichen Materials auf die erste Elektrodenplatte vor dem Bilden der zweiten Elektrodenplatte umfasst.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei das gasempfindliche Material ein gasempfindliches dielektrisches Material mit einer Dielektrizitätskonstante, die proportional zu einer Konzentration eines Zielgases ist, umfasst.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei Bilden der ersten Elektrodenplatte Bilden einer perforierten ersten Elektrodenplatte umfasst.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei Bilden der perforierten ersten Elektrodenplatte auf dem Substrat Bilden einer perforierten Gegenelektrode umfasst; Bilden des gasempfindlichen Materials Bilden des gasempfindlichen Materials in einem ersten Gebiet über der perforierten Gegenelektrode und Bilden eines Luftspalts in einem zweiten Gebiet über der perforierten Gegenelektrode umfasst; und Bilden der zweiten Elektrodenplatte auf dem gasempfindlichen Material ferner Bilden einer ablenkbaren Membran über dem Luftspalt in dem zweiten Gebiet umfasst.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das erste Gebiet ein peripheres Gebiet ist und das zweite Gebiet ein zentrales Gebiet ist.
  25. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das zweite Gebiet ein peripheres Gebiet ist und das erste Gebiet ein zentrales Gebiet ist.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, das ferner Folgendes umfasst: Bilden einer perforierten Gegenelektrode gleichzeitig mit dem Bilden der perforierten ersten Elektrodenplatte, wobei die perforierte Gegenelektrode und die perforierte erste Elektrodenplatte aus derselben Halbleiterschicht gebildet werden; und Bilden einer ablenkbaren Membran gleichzeitig mit dem Bilden der zweiten Elektrodenplatte, wobei die ablenkbare Membran und die zweite Elektrodenplatte aus derselben Halbleiterschicht gebildet werden, und die ablenkbare Membran von der perforierten Gegenelektrode beabstandet ist.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 26, das ferner Bilden eines Heizelements, das mit dem gasempfindlichen Material thermisch gekoppelt ist, umfasst.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 27, das ferner Bilden eines Temperaturabfühlelements auf dem Substrat umfasst.
  29. Wandler für mikroelektromechanische Systeme (MEMS-Wandler), der Folgendes umfasst: einen MEMS-Schallwandler, der Folgendes umfasst: eine perforierte Gegenelektrode, die ein Substrat überlagert, und eine Membran, die das Substrat überlagert und von der perforierten Gegenelektrode durch einen ersten Abstand beabstandet ist; und einen MEMS-Gassensor, der Folgendes umfasst: eine perforierte erste Elektrode, die das Substrat überlagert, eine zweite Elektrode, die das Substrat überlagert und von der perforierten ersten Elektrode durch einen zweiten Abstand beabstandet ist, und ein gasempfindliches Dielektrikum zwischen und in Kontakt mit der perforierten ersten Elektrode und der zweiten Elektrode.
  30. MEMS-Wandler nach Anspruch 29, wobei die perforierte Gegenelektrode und die perforierte erste Elektrode aus derselben Halbleiterschicht gebildet sind.
  31. MEMS-Wandler nach Anspruch 29 oder 30, wobei das Substrat einen Hohlraum umfasst und die perforierte erste Elektrode, die zweite Elektrode und das gasempfindliche Dielektrikum den Hohlraum überlagern.
  32. MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 29 bis 31, der ferner ein Temperaturabfühlelement enthält, das auf dem Substrat integriert ist.
  33. MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 29 bis 32, der ferner ein Heizelement in physikalischem Kontakt mit dem gasempfindlichen Dielektrikum enthält.
  34. MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 29 bis 33, wobei die perforierte erste Elektrode in einem zentralen Gebiet der perforierten Gegenelektrode gebildet ist; und die zweite Elektrode in einem zentralen Gebiet der Membran gebildet ist.
  35. MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 29 bis 33, wobei die perforierte erste Elektrode in einem peripheren Gebiet der perforierten Gegenelektrode gebildet ist; und die zweite Elektrode in einem peripheren Gebiet der Membran gebildet ist.
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