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Die Erfindung betrifft eine mikroelektromechanische Detektorvorrichtung, insbesondere einen mikroelektromechanischen Schockdetektor, sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Stand der Technik
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Typischerweise werden Sensorknoten, insbesondere Schockdetektoren, eingesetzt, um beispielsweise zerbrechliche Ware während des Transportes mittelbar in Bezug auf Erschütterungen oder Schock durch Herunterfallen während eines Transportes zu überprüfen. Derartige Sensorknoten zum Monitoring einer Lieferkette benötigen typischerweise externe Energiequellen und sind mit GSM (Global System for Mobile Communication) oder GPS(Global Positioning Positioning System)-Modulen ausgestattet. Durch dieses System ist es möglich, mittels Positionsbestimmung auch eine Messung beispielsweise der Beschleunigung, Temperatur oder Feuchte sowie eine Speicherung entsprechender Daten durchzuführen.
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Schockdetektoren können beispielsweise in zwei Glasreservoirs Flüssigkeiten vorhalten. Durch Überschreiten einer gewissen Beschleunigung – zum Beispiel Schock durch Herunterfallen – bricht eine Verbindung zwischen den beiden Glasreservoirs, so dass sich die Flüssigkeiten vermischen und ein Farbumschlag beobachtet werden kann.
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Die
EP 1 739 394 A1 betrifft einen Schockdetektor. Der Schockdetektor umfasst insbesondere eine optische Quelle und eine Auswerte- und Detektionseinheit.
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In
DE 100 31 569 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Vorrichtung beschrieben.
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In
US 2014/0134607 A1 ist ein mikroelektromechanischer Sensor beschrieben.
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In
DE 693 21 932 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen unter Verwendung einer vorgefertigten Photolackschicht beschrieben.
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In
US 2002/0113191 A1 ist eine mikroelektromechanische Vorrichtung zur Vibrationsstabilisation beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine mikroelektromechanische Detektorvorrichtung, insbesondere eine mikroelektromechanische Schockvorrichtung, nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 9.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt darin, eine mikroelektromechanische Detektorvorrichtung mit einer Fotolackstruktur weiterzuentwickeln. Die Fotolackstruktur ist insbesondere je nach Einsatzgebiet einfach strukturierbar und mittels einer Kamera mit Blitzvorrichtung leicht auswertbar.
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Die mikroelektromechanische Detektorvorrichtung umfasst ein Substrat mit einer auf dem Substrat angeordneten Fotolackstruktur, wobei die Fotolackstruktur derart ausgebildet ist, dass sie in das Substrat eintretendes Licht leitet, und wobei zwischen dem Substrat und der Fotolackstruktur zumindest bereichsweise ein Hohlraum ausgebildet ist, der durch einen schwingungsfähigen Bereich der Fotolackstruktur so überbrückt ist, dass in Abhängigkeit von einer Auslenkung des schwingungsfähigen Bereichs der schwingungsfähige Bereich bricht oder sich eine Transmissionseigenschaft ändert. Beispielsweise kann die Auslenkung des schwingungsfähigen Bereiches der Fotolackstruktur beim Herunterfallen einer Ware erfolgen, an dem die mikroelektromechanische Detektorvorrichtung angeordnet, aufgeklebt oder befestigt ist.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen der mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung mit den Schritten, wonach ein Substrat bereitgestellt wird. Auf dieses Substrat wird ein erster Fotolack abgeschieden. In einem nächsten Schritt wird der erste Fotolack strukturiert. Auf die strukturierte erste Fotolackschicht wird eine zweite Fotolackschicht abgeschieden, wobei die zweite Fotolackschicht die erste Fotolackschicht zumindest bereichsweise bedeckt. In einem letzten Schritt wird die zweite Fotolackschicht strukturiert und die erste Fotolackschicht derart entfernt, dass eine Fotolackstruktur mit einem Hohlraum und ein schwingungsfähiger Bereich ausgebildet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Substrat einen ersten optischen Zugang und einen zweiten optischen Zugang und der schwingungsfähige Bereich ist zwischen dem ersten optischen Zugang und dem zweiten optischen Zugang angeordnet. So lässt sich auf einfache Art und Weise in den schwingungsfähigen Bereich der Fotolackstruktur Licht einkoppeln.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind der erste optische Zugang und der zweite optische Zugang als optische Wellenleiter ausgebildet. So lässt sich im Wesentlichen ohne Transmissionsverlust ein in das Substrat eintretendes Licht in die Fotolackstruktur mit dem schwingungsfähigen Bereich einkoppeln.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst der schwingungsfähige Bereich Schwingungsärmchen und eine zwischen den Schwingungsärmchen angeordnete Schwungmasse. So lässt der schwingungsfähige Bereich insbesondere besonders sensitiv hinsichtlich einer beschleunigungsabhängigen Auslenkung einstellen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Substrat eine Vorderseite und eine der Vorderseite abgewandte Rückseite auf, wobei auf der Rückseite des Substrats eine lichtundurchlässige Beschichtung angeordnet ist. So lassen sich einfach Licht-Zugangsbereiche definieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die lichtundurchlässige Beschichtung auf der Rückseite des Substrats zwischen dem ersten optischen Zugang und dem zweiten optischen Zugang angeordnet. So lässt sich über die Rückseite des Substrats vordefiniert Licht in das beispielsweise transparente bzw. transluscente Substrat einkoppeln.
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Das hier beschriebene Substrat kann insbesondere eine Folie sein. Mit anderen Worten kann das hier beschriebene Substrat keine tragende Funktion aufweisen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Rückseite durchgehend die lichtundurchlässige Beschichtung auf. So lässt sich Licht auch durch die Vorderseite des lichtdurchlässigen Substrats einkoppeln, wobei das Licht durch die Fotolackstruktur leitbar ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der schwingungsfähige Bereich auf einer der dem Hohlraum zugewandten Seite Spuren eines chemischen Abtrags auf. Die Spuren des chemischen Abtrags weisen hierbei auf eine Opferschichtätzung hin, wodurch die hier beschriebene Fotolackstruktur einfach herstellbar ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die erste Fotolackschicht positiv entwickelt und die zweite Fotolackschicht negativ entwickelt. So lässt sich die Fotolackstruktur mittels Opferschichtätzen der ersten Fotolackschicht einfach herstellen, wobei der schwingungsfähige Bereich im Wesentlichen frei strukturierbar ist.
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Vorteilhafterweise ist es möglich, derartige mikroelektromechanische Detektorvorrichtungen mit unterschiedlichen schwingungsfähigen Bereichen bzw. Schwungmassen in Serie zu schalten, so dass eine Detektion unterschiedlicher Beschleunigungen bzw. Schocks in Abhängigkeit einer Auslenkung des schwingungsfähigen Bereichs ermöglicht wird, da diese Bereiche bei unterschiedlichen Beschleunigungswerten brechen oder ihre Transmissionseigenschaft ändern.
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Mit der hier beschriebenen mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung kann somit beispielsweise ein Warenzustand bestimmt werden, wobei in einem unbeschädigten Warenzustand der schwingungsfähige Bereich ein in das Substrat eintretende Licht leitet. Mit anderen Worten bricht die Fotolackstruktur oder ändert ihre Transmissionseigenschaft, wenn die Ware beispielsweise während des Transports herunterfällt oder sich seine Position durch einen äußeren Einfluss schlagartig verändert, so dass das Licht nicht oder im Wesentlichen nicht durch die Fotolackstruktur geleitet wird. Hierzu kann insbesondere ein Smartphone mit Kamera und Blitz dienen, wobei der durch die Fotolackstruktur geleitete oder nicht geleitete Blitz durch die Kamera detektiert oder eben nicht detektiert wird. So lässt sich auf einfache und kostengünstige Weise auf den Warenzustand zurückschließen.
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Die hier beschriebenen Merkmale für die mikroelektromechanische Detektorvorrichtung gelten auch für das entsprechende Herstellungsverfahren sowie umgekehrt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1A und 1B schematische Querschnittsansicht und entsprechende Aufsicht zur Erläuterung einer mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2A und 2B schematische Querschnittsansicht und entsprechende Aufsicht zur Erläuterung einer mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3A und 3B schematische Querschnittsansicht und entsprechende Aufsicht zur Erläuterung einer mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4A–4D schematische Querschnittsansichten und eine entsprechende Aufsicht (siehe 4B) zur Erläuterung einer Funktionsweise der mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung gemäß den 1A, 1B, 2A, 2B und 3A, 3B;
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5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Funktionsweise der mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung gemäß den 1A, 1B, 2A, 2B und 3A, 3B.
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6 schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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7A–7F schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1A ist eine schematische Querschnittsansicht und 1B eine entsprechende Aufsicht zur Erläuterung einer mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 bezeichnet Bezugszeichen 100 die mikroelektromechanische Detektorvorrichtung mit einem Substrat 10 und einer auf dem Substrat angeordneten Fotolackstruktur 20. Die Fotolackstruktur 20 ist derart auf dem Substrat 10 ausgebildet, dass sie in das Substrat 10 eintretendes Licht leitet. Das heißt, dass die Fotolackstruktur 20 der 1A als Lichtleiter für ein in das Substrat 10 eintretendes bzw. austretendes Licht fungiert.
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Wie in der 1A gezeigt, ist zwischen dem Substrat 10 und der Fotolackstruktur 20 zumindest bereichsweise ein Hohlraum H1 ausgebildet. Der Hohlraum H1 ist durch einen schwingungsfähigen Bereich 21 der Fotolackstruktur 20 so überbrückt, dass in Abhängigkeit von einer Auslenkung P1 (dargestellt durch den Doppelpfeil) des schwingungsfähigen Bereichs 21 der schwingungsfähige Bereich 21 bricht oder sich eine Transmissionseigenschaft des schwingungsfähigen Bereichs 21 ändert.
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Das in der 1A gezeigte Substrat 10 umfasst eine Vorderseite 11 und eine der Vorderseite 11 abgewandte Rückseite 12, wobei das Substrat 10 einen ersten optischen Zugang 13 und einen zweiten optischen Zugang 14 umfasst und der schwingungsfähige Bereich 21 zwischen dem ersten optischen Zugang 13 und dem zweiten optischen Zugang 14 angeordnet ist. Wie in 1A gezeigt befindet sich der Hohlraum H1 ebenfalls zwischen dem ersten optischen Zugang 13 und dem zweiten optischen Zugang 14 der Vorderseite 11 des Substrats 10. Das Substrat 10 weist auf der Rückseite 12 eine lichtundurchlässige Beschichtung 40 auf, wobei die lichtundurchlässige Beschichtung 40 zwischen dem ersten optischen Zugang 13 und dem zweiten optischen Zugang 14 angeordnet ist.
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Wie in 1B gezeigt, umfasst der schwingungsfähige Bereich 21 Schwingungsärmchen 22 und eine zwischen den Schwingungsärmchen 22 angeordnete Schwungmasse M1. Insbesondere kann die Schwungmasse M1 das Auslenken des schwingungsfähigen Bereichs 21 in Abhängigkeit einer Beschleunigung beeinflussen. Bei Überschreiten einer Beschleunigung oder Herunterfallen einer Ware wird die Schwungmasse M1 so ausgelenkt, dass die Schwingungsärmchen 22 brechen oder ihre Transmissionseigenschaft ändern.
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2A ist eine schematische Querschnittsansicht und 2B ist eine entsprechende Aufsicht zur Erläuterung einer mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die in 2A gezeigte schematische Querschnittsansicht sowie die in 2B gezeigte entsprechende Aufsicht der 2A basieren auf der in 1A und der in 1B gezeigten mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung mit dem Unterschied, dass die lichtundurchlässige Beschichtung 40 die Rückseite 12 des Substrats 10 vollständig bedeckt. So lässt sich in der zweiten Ausführungsform der mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung 100 das Licht mittels des ersten optischen Zugangs 13 und des zweiten optischen Zugangs 14 über die Vorderseite 11 des Substrats 10 einkoppeln. Das hier beschriebene Substrat umfasst insbesondere ein lichtdurchlässiges, transparentes oder transluzentes Material.
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Die 3A ist eine schematische Querschnittsansicht und die 3B eine entsprechende Aufsicht zur Erläuterung einer mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die in 3A gezeigte schematische Querschnittsansicht sowie die in 3B gezeigte entsprechende Aufsicht der 3A basieren auf der in 1A und der in 1B gezeigten mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung mit dem Unterschied, dass der erste optische Zugang 13 und der zweite optische Zugang 14 als optische Wellenleiter O1 ausgebildet sind. So lässt sich das in das Substrat einkoppelnde Licht weitestgehend ohne Transmissionsverlust in die Fotolackstruktur 20 mit dem schwingungsfähigen Bereich 21 einkoppeln.
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4A, 4C und 4D sind schematische Querschnittsansichten und 4B eine entsprechende Aufsicht der 4A zur Erläuterung einer Funktionsweise der mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung gemäß den oben genannten 1A, 1B, 2A, 2B und 3A, 3B.
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Die 4A und 4B basieren im Wesentlichen auf der in 1A und 1B gezeigten mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung 100 mit dem Unterschied, dass der schwingungsfähige Bereich durch eine Verjüngung zwischen dem ersten optischen Zugang 13 und dem zweiten optischen Zugang 14 ausgebildet ist. Wie in 4C gezeigt, erfolgt bei einer Beschleunigung der mikroelektromechanischen Vorrichtung 100 die Auslenkung P1 des schwingungsfähigen Bereichs 21 der Fotolackstruktur 20. Hierbei bricht der schwingungsfähige Bereich 21 im Bereich der Verjüngung, welcher sich oberhalb des Hohlraums H1 befindet. Wie in 4D durch die Pfeile gezeigt, ist der schwingungsfähige Bereich 21 der Fotolackstruktur 20 unterbrochen und das Leiten des Lichts (dargestellt durch die unidirektionalen Pfeile) von dem ersten optischen Zugang 13 zu dem zweiten optischen Zugang 14 ist nicht mehr möglich.
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5 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Funktionsweise der mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung gemäß den 1A, 1B, 2A, 2B und 3A, 3B.
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Mit der hier beschriebenen mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung 100 kann somit beispielsweise ein Warenzustand bestimmt werden, wobei in einem unbeschädigten Warenzustand der schwingungsfähige Bereich 21 das ein in das Substrat 10 eintretende Licht leitet. Mit anderen Worten bricht der schwingungsfähige Bereich 21 der Fotolackstruktur 20 oder ändert seine Transmissionseigenschaft, wenn die Ware beispielsweise während des Transports herunterfällt oder sich eine Position der Ware durch einen äußeren Einfluss schlagartig ändert, so dass das Licht nicht oder im Wesentlichen nicht durch den schwingungsfähigen Bereich 21 der Fotolackstruktur 20 geleitet wird. Hierzu kann insbesondere ein Smartphone S1 mit Kamera K1 und Blitz B1 dienen, wobei der durch die Fotolackstruktur geleitete oder nicht geleitete Blitz durch die Kamera detektiert oder eben nicht detektiert wird. So lässt sich auf einfache und kostengünstige Weise auf den Warenzustand zurückschließen.
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6 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In der 6 bezeichnet Bezugszeichen 100 die mikroelektromechanische Detektorvorrichtung 100, wobei die Fotolackstruktur 20 unterschiedlich große Hohlräume H1, H2, H3 überbrückt. Ferner umfasst das Substrat 10 der 6 vier optische Zugänge 13, 14, 15, 16. Beispielsweise sind die schwingungsfähigen Bereiche 21 der 6 unterschiedlich dimensioniert, insbesondere hinsichtlich der Schwungmasse M1, M2, M3 ausgebildet, so dass die Auslenkung P1 des schwingungsfähigen Bereichs 21 in Abhängigkeit unterschiedlicher Beschleunigungswerte erfolgt.
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7A bis 7F sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung.
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Wie in 7A illustriert wird ein Substrat 10 mit einer Vorderseite 11 und einer der Vorderseite 11 abgewandten Rückseite 12 bereitgestellt.
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Wie in 7B illustriert, wird eine erste Fotolackstruktur 50 auf die Vorderseite 11 des Substrats 10 abgeschieden.
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Wie in 7C illustriert wird die erste Fotolackstruktur 50 strukturiert.
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Wie in 7D illustriert, wird eine zweite Fotolackschicht 20' abgeschieden, wobei die zweite Fotolackschicht 20' die erste Fotolackschicht 50 zumindest bereichsweise bedeckt. Hinsichtlich einer Strukturierung der zweiten Fotolackschicht 20' wird auf die Aufsichtsdarstellungen der 1B, 2B bzw. 3B verwiesen.
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Wie in 7E illustriert, wird die zweite Fotolackschicht 20' strukturiert, wobei die erste Fotolackschicht 50 so entfernt wird, dass eine Fotolackstruktur 20 mit einem Hohlraum H1 und einem schwingungsfähigen Bereich 21 ausgebildet werden.
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Wie in 7F illustriert, wird die lichtundurchlässige Beschichtung 40 auf der Rückseite 12 des Substrats 10 angeordnet, wobei der erste optischen Zugang 13 und der zweite optische Zugang 14 ausgebildet werden.
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Bei dem in den 7A bis 7F illustrierten Verfahren zum Herstellen der mikroelektromechanischen Detektorvorrichtung 100 wird die erste Fotolackschicht 50 positiv entwickelt und die zweite Fotolackschicht 20' negativ entwickelt. Hierbei kann es sich bei der zweiten Fotolackschicht 20' z. B. um SU-8 handeln. Durch das negative Entwickeln der zweiten Fotolackschicht 20' ist diese robuster gegen ein Fotolackätzen mittels beispielsweise DMSO oder Aceton. Ferner kann die zweite Fotolackschicht 20' durch einen Aushärteschritt, beispielsweise Tempern, zusätzlich quervernetzt werden und insbesondere eine erhöhte chemische und mechanische Stabilität aufweisen. So lässt sich ein Opferschichtätzen der ersten Fotolackschicht einfach realisieren. Ferner können auf einfache Art und Weise unterschiedliche Geometrien des schwingungsfähigen Bereiches 21 mit Schwingungsärmchen 22 und zwischen den Schwingungsärmchen 22 angeordneten Schwungmassen M1 bereitgestellt werden (siehe 6).
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
