DE102017123431A1

DE102017123431A1 - Drucksensoren und Verfahren zum Bilden eines MEMS-Drucksensors

Info

Publication number: DE102017123431A1
Application number: DE102017123431.4A
Authority: DE
Inventors: Florian Brandl; Markus Eckinger; Dirk Hammerschmidt; Berhard Winkler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2017-10-09
Publication date: 2018-11-22
Also published as: DE102017123431A8

Abstract

Ein Drucksensor wird bereitgestellt. Der Drucksensor umfasst zumindest zwei Elektroden und eine integrierte Schaltung, die ausgebildet ist, um eine Kapazität zwischen den zumindest zwei Elektroden zu erfassen. Ferner umfasst der Drucksensor eine MEMS-Struktur, umfassend eine leitfähige oder dielektrische Membran, die ausgebildet ist, um sich abhängig von dem Druck relativ zu den zumindest zwei Elektroden zu bewegen.

Description

Gebiet
Beispiele beziehen sich auf eine Druckerfassung. Genauer gesagt beziehen sich Beispiele auf Drucksensoren und ein Verfahren zum Bilden eines MEMS-Drucksensors (MEMS; Micro Electro Mechanical System; mikroelektromechanisches System).
Hintergrund
Herkömmliche, an der Oberfläche mikro-bearbeitete Drucksensorzellen umfassen eine Membran, die aus Polysilizium hergestellt ist und einer Elektrode eines Kondensators bildet. Die andere Elektrode ist in das Silizium-Bulk implantiert. Unter Druck wird die Membran abgelenkt und erhöht die Kapazität der Struktur. Die Zellen sind üblicherweise verbunden, um Kondensatorarrays zu bilden, um die messbare Änderung der Kapazität auf einen Pegel zu erhöhen, der elektronisch mit einem ausreichenden Signal-zu-Rausch-Verhältnis messbar ist.
Alternativen sind mikro-bearbeitete Bulk-Drucksensoren, die Silizium-Bulk als Membran verwenden, die unter Druck abgelenkt wird. Diese Strukturen sind üblicherweise zwischen Glas-Wafer oder andere Silizium-Wafer gepackt, die den Druck-Port bilden, und im Fall eines Absolutdrucksensors einen evakuierten Hohlraum auf der anderen Seite. Die große Mehrheit dieser mikro-bearbeiteten Bulk-Drucksensoren verwenden Piezo-Widerstände, um die druckinduzierte Belastung in eine messbare elektrische Eigenschaft umzuwandeln. Auch eine kapazitive Umwandlung unter Verwendung von potentialfreien Zählerelektroden auf einer Glasstruktur, die auf die obere Oberfläche der integrierten Schaltung (IC; Integrated Circuit) gebondet ist, kann verwendet werden. Der Nachteil einer solchen Lösung ist der Bedarf nach einem riesigen Bereich auf der vorderen Seite der IC für das anodische Bonden zwischen Silizium und Glas.
Die Herstellung der obigen Sensorstrukturen kann kostspielig sein. Ferner können herkömmliche Drucksensoren basierend auf dem piezoelektrischen Effekt unter mehreren Nachteilen leiden. Zum Beispiel können piezoelektrische Sensorkonzepte schwer zu integrieren sein und empfindlich sein für Belastung. Somit kann ein Bedarf nach Drucksensoren bestehen, die reduzierte Herstellungskosten ermöglichen und diese Nachteile vermeiden.
Zusammenfassung
Ein solcher Bedarf kann durch hierin beschriebene Beispiele erfüllt werden.
Ein Beispiel bezieht sich auf einen Drucksensor. Drucksensor umfasst zumindest zwei Elektroden und eine integrierte Schaltung, die ausgebildet ist, um eine Kapazität zwischen den zumindest zwei Elektroden zu erfassen. Ferner umfasst der Drucksensor eine MEMS-Struktur, umfassend eine leitfähige oder dielektrische Membran, die ausgebildet ist, um sich abhängig von dem Druck relativ zu den zumindest zwei Elektroden zu bewegen.
Ein anderes Beispiel bezieht sich auf einen weiteren Drucksensor. Der Drucksensor umfasst ein Magnetsensorelement, das zum Erzeugen eines Signals basierend auf einem Magnetfeld ausgebildet ist, das durch das Magnetsensorelement erfasst wird. Ferner umfasst der Drucksensor eine MEMS-Struktur, umfassend eine Membran, die ausgebildet ist, um sich abhängig von dem Druck relativ zu dem Magnetsensorbauelement zu bewegen. Der Drucksensor umfasst zusätzlich ein Feld-beeinflussendes Element, das ausgebildet ist, um das Magnetfeld basierend auf einer Bewegung der Membran zu modifizieren, wobei das Feld-beeinflussende Element auf der Membran angeordnet ist.
Ein weiteres Beispiel bezieht sich auf ein Sensorbauelement umfassend ein Array aus einem der obigen Drucksensoren.
Ein wiederum weiteres Beispiel bezieht sich auf ein Verfahren zum Bilden eines MEMS-Drucksensors. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines ersten Substrats, das in einem ausgesparten Abschnitt eine Aussparung aufweist, und eine Membran, die durch die Aussparung geformt ist. Die Membran umfasst zumindest ein Feld-beeinflussendes Element. Ferner umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines zweiten Substrats umfassend ein Ausleseelement und eine Ausleseschaltung, gekoppelt mit dem Ausleseelement. Das Verfahren umfasst zusätzlich ein Bonden des ersten Substrats an das zweite Substrat derart, dass die Aussparung hermetisch abgedichtet ist, wodurch ein abgedichteter Hohlraum gebildet wird.
Figurenliste
Nachfolgend werden einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren ausschließlich beispielhaft und Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen

1 bis 13 unterschiedliche Beispiele von Drucksensoren darstellen; und
14 ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens zum Bilden eines MEMS-Drucksensors darstellt.

Detaillierte Beschreibung
Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Beispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
Während sich weitere Beispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, sind dementsprechend einige bestimmte Beispiele derselben in den Figuren gezeigt und werden nachfolgend ausführlich beschrieben. Allerdings beschränkt diese detaillierte Beschreibung weitere Beispiele nicht auf die beschriebenen bestimmten Formen. Weitere Beispiele können alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken, die in den Rahmen der Offenbarung fallen. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente, die bei einem Vergleich miteinander identisch oder in modifizierter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, die Elemente direkt, oder über ein oder mehrere Zwischenelemente, verbunden oder gekoppelt sein können. Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B sowie A und B. Eine alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen ist „zumindest eines von A und B“. Das Gleiche gilt für Kombinationen von mehr als 2 Elementen.
Die Terminologie, die hier zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendet wird, soll nicht begrenzend für weitere Beispiele sein. Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch Pluralelemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Wenn eine Funktion nachfolgend als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente und/oder Komponenten derselben präzisieren, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben ausschließen.
Sofern nicht anderweitig definiert, werden alle Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) hier in ihrer üblichen Bedeutung des Gebiets verwendet, zu dem Beispiele gehören.
1 stellt einen Drucksensor 100 dar. Der Drucksensor 100 umfasst zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 und eine integrierte Schaltung 120, die ausgebildet ist, um eine Kapazität zwischen den zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 zu erfassen. Ferner umfasst der Drucksensor 100 eine MEMS-Struktur 130, umfassend eine leitfähige oder dielektrische Membran 140, die ausgebildet ist, um sich abhängig von dem Druck P relativ zu den zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 zu bewegen.
Der Drucksensor 100 kann kosteneffektiver hergestellt werden als herkömmliche Drucksensoren, da die Membran 140 nicht als Elektrode benutzt wird - die zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2, die zum Messen des Drucks verwendet werden, sind getrennt von der MEMS-Struktur 130. Zum Beispiel können die zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 auf einer starren Region des Drucksensors 100 angeordnet sein. Die leitfähige oder dielektrische Membran 140 wird nur verwendet, um die Kapazität zwischen den zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 zu beeinflussen, ohne direkt durch die integrierte Schaltung erfasst oder mit dieser verbunden zu werden. Dementsprechend können die MEMS-Struktur 130 und der Halbleiterchip der MEMS-Struktur frei sein von elektronischen Komponenten (z. B. Elektroden, elektrischen Drähten, Transistoren) sein und können in einem reinen MEMS-Prozess hergestellt werden. Ferner hat die MEMS-Struktur 130 möglicherweise keine elektrische Verbindung mit der integrierten Schaltung 120. Da die leitfähige oder dielektrische Membran 140 sich relativ zu den zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 abhängig von dem Druck P bewegt, variiert die Kapazität zwischen den zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 abhängig von dem Druck P, d.h. der Position der Membran 140.
Die zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 können ausgebildet sein, um ein elektrisches Wechselfeld zu erzeugen. Dementsprechend kann die leitfähige oder dielektrische Membran 140 mit dem elektrischen Wechselfeld gekoppelt werden und somit die Kapazität zwischen den zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 beeinflussen, die durch die integrierte Schaltung 120 erfasst wird (z.B. durch Erfassen einer Strom- oder Spannungsabweichung).
Die zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 können bei einigen Beispielen von der Membran durch einen Hohlraum getrennt sein. Der Hohlraum kann ein evakuierter Hohlraum sein, derart, dass ein Absolutwert des Drucks P gemessen werden kann.
Der Drucksensor 100 kann einen integrierten Schaltungschip (nicht dargestellt) aufweisen, der die integrierte Schaltung 120 umfasst. Die integrierte Schaltung 120 ist ausgebildet, um den Druck P basierend auf der Kapazität zwischen den zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 zu berechnen.
Bei einigen Beispielen sind der integrierte Schaltungschip und die MEMS-Struktur 130 an gegenüberliegenden Seiten eines Trägersubstrats (nicht dargestellt) angebracht, derart, dass der evakuierte Hohlraum zwischen der Membran 140 und dem Trägersubstrat gebildet ist. Das Trägersubstrat ist aus einem Material hergestellt, das eine hermetische Abdichtung mit der MEMS-Struktur 130 an den Kontaktoberflächen sicherstellt. Das Trägersubstrat kann z.B. ein Zwischenwafer hergestellt aus Silizium, Keramik oder Glas sein.
Eine Metallschicht kann auf der Membran 140 und/oder einer Kontaktoberfläche der MEMS-Struktur 130 zum Kontaktieren des Trägersubstrats gebildet sein, um die Leitfähigkeit der Membran 140 zu verbessern und/oder das Bonden der MEMS-Struktur 130 an das Trägersubstrat zu unterstützen.
Die zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 können auf derselben Oberflächenseite des Trägersubstrats angeordnet sein. Zum Beispiel können die zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 auf derselben Oberflächenseite des Trägersubstrats angeordnet sein wie der integrierte Schaltungschip. Alternativ können die zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 und der integrierte Schaltungschip auf gegenüberliegenden Oberflächenseiten des Trägersubstrats angeordnet sein. Das heißt, die zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 können in dem Hohlraum zwischen der Membran 140 und dem Trägersubstrat angeordnet sein.
Wenn die zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 und der integrierte Schaltungschip auf gegenüberliegenden Oberflächenseiten des Trägersubstrats angeordnet sind, kann die integrierte Schaltung 120 z.B. mit den zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 durch Vias gekoppelt sein, die das Trägersubstrat durchdringen.
Bei einigen Beispielen ist das Trägersubstrat aus einem dielektrischen Material (z.B. Silizium oder Keramik) hergestellt und die zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 sind innerhalb des integrierten Schaltungschips angeordnet. Ferner sind die zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 zwischen Halbleiterschichten der integrierten Schaltung 120 und der MEMS-Struktur angeordnet. Zum Beispiel können die zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 auf einer Metallisierungsschicht der integrierten Schaltung 120 angeordnet sein. Dies kann es erlauben, jede Art von Technik zum Herstellen der integrierten Schaltung 120 zu verwenden, da die zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 auf den Halbleiterschichten der integrierten Schaltung 120 angeordnet sind. Aufgrund des Trägersubstrats aus dielektrischem Material wird eine ausreichende Kopplung der Membran 130 mit dem Wechselfeld der zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 sichergestellt. Um diese Kopplung weiter zu unterstützen, kann die integrierte Schaltung an das Trägersubstrat unter Verwendung eines dielektrischen Klebers geklebt werden.
Als eine Alternative können die MEMS-Struktur 130 und der integrierte Schaltungschip direkt aneinander angebracht sein, d.h. ohne ein Trägersubstrat dazwischen. Zum Beispiel kann die MEMS-Struktur 130 an eine Oberfläche des integrierten Schaltungschips derart angebracht sein, dass ein Hohlraum (z.B. ein evakuierter Hohlraum oder hermetisch abgedichteter Hohlraum) zwischen der Membran 130 und dem integrierten Schaltungschip gebildet ist.
Auf ähnliche Weise kann eine Metallschicht auf der Membran 130 und/oder einer Kontaktoberfläche der MEMS-Struktur 140 zum Kontaktieren des integrierten Schaltungschips gebildet sein, um die Leitfähigkeit der Membran 140 zu verbessern und/oder das Bonden der MEMS-Struktur 130 an den integrierten Schaltungschip zu unterstützen.
Die Metallschicht, die auf der Kontaktoberfläche der MEMS-Struktur gebildet ist, kann bei einigen Beispielen als eine der zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 dienen. Alternativ können die zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 unterschiedlich zu der Metallschicht sein.
Bei dem Drucksensor 100 können vertikale Distanzen zwischen der Membran 130 und den zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 kleiner sein als eine Distanz zwischen den zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2, so dass das elektrische Feld zwischen der Membran 130 und den zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 stärker ist als ein elektrisches Streufeld zwischen den zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 selbst.
Bei einigen Beispielen sind die integrierte Schaltung und die MEMS-Struktur 130 auf gegenüberliegenden Seiten eines Halbleitersubstrats des integrierten Schaltungschips angeordnet. D.h., die MEMS-Struktur 130 kann auf einer Rückseite des integrierten Schaltungschips angeordnet sein. Da die MEMS-Struktur 130 an die Rückseite des integrierten Schaltungschips gebondet ist, kann Chipfläche im Vergleich zu Lösungen gespart werden, bei denen die MEMS-Struktur 130 auf der Vorderseite des integrierten Schaltungschips angeordnet ist, d.h. bei denen die MEMS-Struktur 130 auf der integrierten Schaltung angeordnet ist.
Auch die integrierte Schaltung 120 und die zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 können auf gegenüberliegenden Oberflächenseiten des Halbleitersubstrats des integrierten Schaltungschips angeordnet sein. Die integrierte Schaltung 120 kann dann mit den zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 z.B. durch Vias gekoppelt werden, die das Halbleitersubstrat durchdringen.
Wie oben angezeigt ist, kann die MEMS-Struktur 130 auch auf der integrierten Schaltung 120 angeordnet sein, d.h. die integrierte Schaltung 120 kann zwischen der MEMS-Struktur 130 und dem Halbleitersubstrats des integrierten Schaltungschips angeordnet sein. Wenn die MEMS-Struktur 130 auf der integrierten Schaltung 120 angeordnet ist, kann der integrierte Schaltungschip eine Passivierungsschicht umfassen, die zwischen der integrierten Schaltung 120 und der MEMS-Struktur 130 angeordnet ist. Die zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 können auf der Passivierungsschicht gebildet sein.
Nachfolgend werden einige beispielhafte Implementierungen des obigen, allgemeinen Konzeptes in Verbindung mit 2a bis 9 beschrieben.
2a stellt einen Drucksensor 200 dar. Der Drucksensor 200 umfasst eine MEMS-Struktur 130, umfassend eine leitfähige oder dielektrische Membran 140. Die MEMS-Struktur 130 ist an eine erste Oberfläche einer dielektrischen Bodenplatte 250 (z.B. hergestellt aus Glas oder Keramik) angebracht (z.B. gebondet), die als ein Trägersubstrat dient. Die MEMS-Struktur 130 kann aus nichts anderem außer strukturiertem Silizium bestehen und umfasst die Membran 140, d.h. die MEMS-Struktur 130 kann frei von elektronischen Komponenten sein. Die MEMS-Struktur 140 kapselt ein Vakuum mit der dielektrischen Bodenplatte 250 ein. Ferner ist die Membran 140 einem Druck P ausgesetzt.
Ein integrierter Schaltungschip 260 ist an eine gegenüberliegende zweite Oberfläche der dielektrischen Bodenplatte 250 mithilfe eines dielektrischen Klebers 270 geklebt, um eine Belastungs-Entkopplung zwischen der MEMS-Struktur 130 und dem integrierten Schaltungschip 260 zu erreichen. Der integrierte Schaltungschip 260 umfasst eine integrierte Schaltung 120, die auf einem Halbleitersubstrat 265 des integrierten Schaltungschips 260 angeordnet ist. Die integrierte Schaltung 120 ist von außen durch Bonddrähte 266 und 267 kontaktiert.
Zwei Elektroden 110-1, 110-2 sind auf der oberen Metallschicht der integrierten Schaltung 120 angeordnet. Das heißt, die zwei Elektroden 110-1, 110-2 sind innerhalb des integrierten Schaltungschips 260 angeordnet und sind zwischen Halbleiterschichten der integrierten Schaltung 120 und der MEMS-Struktur 130 angeordnet. Die zwei Elektroden 110-1, 110-2 erzeugen ein elektrisches Wechselfeld.
Die Membran 140 bewegt sich relativ zu den zwei Elektroden 110-1, 110-2 abhängig von dem Druck P. Da die leitfähige Membran 140 mit dem elektrischen Wechselfeld koppelt, hängt die Kapazität zwischen zwei Elektroden 110-1, 110-2 von der Bewegung der Membran 140 und somit von dem Druck P ab. Das heißt, die zwei Elektroden 110-1, 110-2 erlauben das Auslesen der Membranablenkung aufgrund von dem Druck P. Die Kapazität zwischen den zwei Elektroden 110-1, 110-2 wird durch die integrierte Schaltung 120 erfasst (z.B. durch Erfassen einer Strom- oder Spannungsänderung), die den Druck P aus der erfassten Kapazität berechnet. Das heißt, die integrierte Schaltung 120 kann das Bestimmen des Drucks P ermöglichen, ohne mit der MEMS-Struktur 130 elektrisch (galvanisch) gekoppelt zu sein (d.h. die MEMS-Struktur 130 kann elektrisch/galvanisch von der integrierten Schaltung 120 isoliert sein).
Die Struktur des Druckbauelements 200 ermöglicht das Kleben einer MEMS-Struktur 130 an einen Chip/Die jeglicher integrierten Schaltungstechnik. Ferner sind keine Bond-Verbindungen zu der MEMS-Struktur 130 erforderlich, da das Auslesen über das elektrische Feld von der Seite der integrierten Schaltung 120 ausgeführt wird. Dementsprechend kann der Drucksensor 200 kosteneffektiv hergestellt werden, da die MEMS-Struktur 130 in einem reinen MEMS-Prozess hergestellt werden kann und einfach an die dielektrische Bodenplatte 250 geklebt werden kann. Auf ähnliche Weise kann der integrierte Schaltungschip 260 in jeglicher integrierten Schaltungstechnik ohne jegliche Modifikationen hergestellt und einfach an dielektrische Bodenplatte 250 geklebt werden.
Wie dargestellt in 2b, kann eine Schichtdicke der dielektrischen Bodenplatte 250, d.h. des Trägersubstrats, variieren. Anders ausgedrückt kann die dielektrische Bodenplatte 250 strukturiert sein. Zum Beispiel kann die Schichtdicke der dielektrischen Bodenplatte 250 in einer Region der dielektrischen Bodenplatte 250 zwischen der MEMS-Struktur 130 und zumindest einer der zwei Elektroden 110-1, 110-2 vergrößert sein. Anders ausgedrückt kann die Schichtdicke einer ersten Region der dielektrischen Bodenplatte 250, die zumindest einer der zwei Elektroden 110-1, 110-2 zugewandt ist, größer sein als die Schichtdicke einer zweiten Region der dielektrischen Bodenplatte 250, die den zwei Elektroden 110-1, 110-2 nicht zugewandt ist. Dies kann eine verbesserte Kopplung der Membran 140 mit dem elektrischen Wechselfeld ermöglichen. In 2B ist die Dicke der dielektrischen Bodenplatte 250 des Drucksensors 200' gleichermaßen erhöht, in einer Region der dielektrischen Bodenplatte 250 zwischen der MEMS-Struktur 130 und beider Elektroden 110-1, 110-2. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass auch andere Strukturen, die eine erhöhte Dicke in einer Region der dielektrischen Bodenplatte 250 zwischen der MEMS-Struktur 130 und zumindest einer der zwei Elektroden 110-1, 110-2 bereitstellen, verwendet werden können.
Optional kann eine Metallschicht auf der ersten Region der dielektrischen Bodenplatte 250 bereitgestellt sein. Dies kann eine weiter verbesserte Kopplung der Membran 140 mit dem elektrischen Wechselfeld ermöglichen.
Weiter ist in 2b ist ein Gehäuse 290 aus Formmaterial dargestellt. Das Gehäuse 290 kapselt den integrierten Schaltungschip 260 sowie die Bonddrähte 266 und 267 zumindest teilweise ein. Ferner stellt das Gehäuse 290 eine Formöffnung 295 bereit, sodass der Druck P die Membran 140 erreichen kann. Das Gehäuse 290 kann z.B. durch Film Assisted Molding (FAM; Folien-unterstütztes Pressen) hergestellt werden. Das Gehäuse 290 kann einen Schutz der Bonddrähte 266 und 267 ermöglichen, ohne die MEMS-Struktur 130 zu kontaktieren. Somit kann eine direkte Übertragung der Belastung von dem Gehäuse 290 auf die MEMS-Struktur 130 vermieden werden.
2c stellt ferner eine alternative Anordnung der zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 dar. 2c lässt einige Merkmale/Komponenten der Drucksensoren weg, die in 2a, 2b dargestellt sind, um die Anordnung der Elektroden 110-1, 110-2 relativ zu der MEMS-Struktur 130 hervorzuheben. Im Vergleich zu 2a und 2b sind die Elektroden 110-1, 110-2 weiter voneinander beabstandet, sodass das elektrische Feld zwischen jeder der Elektroden 110-1, 110-2 und der Membran 140 stärker ist als das elektrische Streufeld zwischen den Elektroden 110-1, 110-2. Wie dargestellt in 2c, können vertikale Distanzen (Distanz in einer Richtung orthogonal zu der Hauptoberfläche der Chips) zwischen der Membran 140 und den Elektroden 110-1, 110-2 kleiner sein als eine Distanz zwischen den zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2. Anders ausgedrückt kann die Distanz zwischen den Elektroden 110-1, 110-2 größer sein als die vertikale Distanz zwischen der Membran 140 und der Elektrodenoberfläche. Mit dieser Geometrie ist die Kapazität über dem Luftzwischenraum dominant im Vergleich zum Rest der Kopplungskapazität durch die dielektrische Bodenplatte 250 (z.B. Glas) und die direkte Streukapazität zwischen den Elektroden 110-1, 110-2.
In 2d ist ein weiter verbesserter Drucksensor 200' dargestellt. Der Drucksensor 200' ist identisch zu dem oben beschriebenen Drucksensor 200, außer dass der Drucksensor 200' zusätzliche Elektroden 110-3 und 110-4 aufweist.
Die zusätzlichen Elektroden 110-3 und 110-4 sind unter Randabschnitten 131, 132 der MEMS-Struktur 130 angeordnet, die die Membran 140 tragen. Das elektrische Wechselfeld, das durch die zusätzlichen Elektroden 110-3, 110-4 erzeugt wird, verursacht einen Strompfad 133 durch die MEMS-Struktur 130. Da die zusätzlichen Elektroden 110-3 und 110-4 unter Randabschnitten 131, 132 der MEMS-Struktur 130 angeordnet sind, wird die Kapazität zwischen den Elektroden nicht durch die Bewegung der Membran beeinflusst, d.h. durch den Druck P. Durch Messen der vom Druck unabhängigen Kapazität zwischen den zusätzlichen Elektroden 110-3 und 110-4 kann die Temperatur der MEMS-Struktur 130 bestimmt werden, da der Widerstandswert R der MEMS-Struktur 130 von ihrer Temperatur T abhängt. Dies kann es erlauben, die Temperatur der MEMS-Struktur 130 zu bestimmen, die selbst frei von elektronischen Komponenten ist und nicht elektrisch (galvanisch) mit der integrierten Schaltung 120 gekoppelt ist. Ferner können Einflüsse auf die Kapazität zwischen den Elektroden 110-1 und 110-2 aufgrund von Alterungseffekten des dielektrischen Klebers 270 (z.B. kann der Kleber 270 alterungsabhängigen Dickeabweichungen unterliegen) bestimmt werden.
Wie ferner in 2e bis 2h dargestellt ist, können unterschiedliche Anordnungen von gemultiplexten Elektroden verwendet werden, um mehrere Messungen zu extrahieren, die mehr oder weniger Druck- und Temperatur-abhängige Messungen umfassen. Durch die Verwendung linear unabhängiger Messungen kann der Einfluss von Temperatur und auch alterungsabhängiger Effekte des Klebers (z.B. Dickeabweichungen) aufgehoben werden und die Präzision der Druckmessung kann somit verbessert werden. Die in Verbindung mit 2e bis 2h beschriebene Technik kann das Bestimmen des Drucks unter Verwendung von Drucksensoren mit einer sehr einfachen Struktur (integrierte Schaltung, Elektroden und eine reine MEMS-Struktur, die frei von jeglichen elektronischen Komponenten ist) und ein einfaches Bonden der Sensorkomponenten ermöglichen (kein elektrisches Kontaktierender MEMS-Struktur erforderlich).
2e stellt eine erste Messanordnung dar. 2e lässt einige Merkmale/Komponenten der Drucksensoren weg, die in 2d dargestellt sind, um die Anordnung der Elektroden relativ zu der MEMS-Struktur hervorzuheben. In dem oberen Teil von 2e ist eine Draufsicht gegeben, wohingegen in dem unteren Teil von 2e eine Seitenansicht gegeben ist.
Die erste bis dritte Elektrode 110-1, 110-2 und 110-3 erzeugen das elektrische Wechselfeld bei dem Beispiel von 2e. Eine erste Elektrode 110-1 ist unter einer Mitte der Membran 140 angeordnet. Eine zweite Elektrode 110-2 und eine dritte Elektrode 110-3 sind auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Elektrode 110-1 angeordnet sind jeweils unter Randabschnitten 131, 132 der MEMS-Struktur 130 angeordnet, die die Membran 140 tragen. Anders ausgedrückt verwendet diese Anordnung Elektroden unter dem Rand des MEMS-Chips (z.B. hergestellt aus Silizium) und eine Elektrode in der Mitte. Die zweite und dritte Elektrode 110-2 und 110-3 können auch als zwei Teile einer einzelnen Elektrode verstanden werden. Der Zwischenraum zwischen der mittleren ersten Elektrode 110-1 und der Membran 140 wird durch die Ablenkung der Membran 140 verändert und induziert eine Druckempfindlichkeit.
Die integrierte Schaltung (nicht dargestellt) misst die Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 110-1, 110-2 sowie die Kapazität zwischen der ersten und der dritten Elektrode 110-1, 110-3. Dementsprechend sind die gemessenen Kapazitäten druckempfindlich. Das heißt, die integrierte Schaltung kann den Druck bestimmen, ohne elektrisch (galvanisch) mit der MEMS-Struktur 130 gekoppelt zu sein.
Eine zweite Messanordnung in 2f dargestellt. Bei dieser Messanordnung erzeugen nur die zweite und die dritte Elektrode 110-2, 110-3, die unter den Randabschnitten 131, 132 der MEMS-Struktur 130 platziert sind, das elektrische Wechselfeld. Die erste Elektrode 110-1 wird nicht benutzt. Dementsprechend wird ein Strompfad entlang der gesamten MEMS-Struktur 130 gebildet. D.h., bei dieser Messanordnung wird die Konnektivität des MEMS-Chips verwendet. Bei dem Beispiel von 2f wird der Einfluss der Ablenkungsmembran vollständig aus dem Kopplungspfad beseitigt, da die Leitfähigkeit durch das massive Bulk-Material der Seitenwände (Randabschnitte) der MEMS-Struktur 130 dominiert wird.
Die integrierte Schaltung (nicht dargestellt) misst die Kapazität zwischen der zweiten und der dritten Elektrode 110-2, 110-3. Die Messung kann zwei unterschiedliche Messeffekte abhängig von der Frequenz liefern. Bei niedrigen Frequenzen hängt die Messung im Wesentlichen von den Kapazitätsbeiträgen des Trägersubstrats 250 (z.B. ein gebondeter Glaswafer) und des Klebers (nicht dargestellt) ab. Dies kann verwendet werden, um Abweichungen der druckempfindlichen Messung (dargestellt in 2e) zu löschen, die durch Abweichungen im Lauf der Lebensdauer des Klebers verursacht werden können. Bei höheren Frequenzen (hängt von der RC-Zeitkonstante des Messkapazitäts-Kopplungspfads und dem Widerstandswert der MEMS-Struktur 130 von einer zu der anderen Seite ab) führt die Temperaturabhängigkeit der MEMS-Leitfähigkeit eine Phasenverschiebung zwischen einem alternierenden Spannungssignal angelegt zwischen der zweiten und dritten Elektrode 110-2 und 110-3 und dem resultierenden Stromfluss ein (oder umgekehrt). Durch Bereitstellen der MEMS-Struktur 130 mit einem geeigneten Widerstandswert (z.B. durch Dotieren von Siliziummaterial mit einer geeigneten Dotiermittelkonzentration) kann die Phasenverschiebung als Temperaturmessung verwendet werden.
Das heißt, die integrierte Schaltung (nicht dargestellt) kann den Druck mit erhöhter Präzision berechnen, basierend auf (einer Kombination aus) einer ersten Kapazität zwischen der zweiten Elektrode 110-2 und der dritten Elektrode 110-3, einer zweiten Kapazität zwischen der ersten Elektrode 110-1 und der zweiten Elektrode 110-2 und einer dritten Kapazität zwischen der ersten Elektrode 110-1 und der dritten Elektrode 110-3.
Alternativ kann eine Messung mit einer reduzierten Druckempfindlichkeit realisiert werden durch Verwenden von einer oder mehreren Referenzelektroden, die in Membranregionen angeordnet sind, die weniger abgelenkt werden als die Mittenregion, da sie näher am Rand sind. Dies ist mittels 2G und 2h dargestellt.
Im Vergleich zu 2e und 2f umfasst der Drucksensor, der in 2g dargestellt ist, zusätzliche vierte Elektroden. Bei dem Beispiel von 2g sind vier Elektroden 110-4-1, 110-4-2, 110-4-3 und 110-4-4 dargestellt. Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, dass jegliche andere Anzahl von vierten Elektroden verwendet werden kann. Zum Beispiel kann eine umlaufende vierte Elektrode verwendet werden.
Die zumindest eine vierte Elektrode ist zwischen der ersten Elektrode 110-1 und einer der zweiten und/oder der dritten Elektrode 110-2, 110-3 angeordnet. Minimale Distanzen der zumindest einen vierten Elektrode zu der zweiten und/oder der dritten Elektrode 110-2, 110-3 sind kleiner als eine minimale Distanz der zumindest einen vierten Elektrode zu der ersten Elektrode 110-1. Wie in 4 dargestellt ist, ist die minimale Distanz der vierten Elektroden 110-4-1, 110-4-2 zu der dritten Elektrode 110-3 sowie die minimale Distanz der vierten Elektroden 110-4-3 und 110-4-4 zu der zweiten Elektrode 110-2 kleiner als ihre minimalen Distanzen zu der ersten Elektrode 110-1.
Bei der hoch druckempfindlichen Anordnung von 2g jedoch erzeugen die erste bis dritte Elektrode 110-1, 110-2 und 110-3 das elektrische Wechselfeld. Die vier vierten Elektroden 110-4-1, 110-4-2, 110-4-3 und 110-4-4 werden nicht benutzt. Dementsprechend misst die integrierte Schaltung (nicht dargestellt) die Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 110-1, 110-2 sowie die Kapazität zwischen der ersten und der dritten Elektrode 110-1, 110-3. D.h., die gemessenen Kapazitäten sind wieder hoch druckempfindlich.
2h stellt eine andere vernachlässigbar druckempfindliche Messanordnung dar. Bei dieser Anordnung erzeugen die zweite Elektrode 110-2, die dritte Elektrode 110-3 und die vier vierten Elektroden 110-4-1, 110-4-2, 110-4-3 und 110-4-4 das elektrische Wechselfeld. Die erste Elektrode 110-1 wird nicht benutzt. Wiederum können die zweite und dritte Elektrode 110-2 und 110-3 auch als zwei Teile einer einzelnen Elektrode verstanden werden.
Dementsprechend misst die integrierte Schaltung (nicht dargestellt) die jeweiligen Kapazitäten zwischen der dritten Elektrode 110-3 und den vierten Elektroden 110-4-1 und 110-4-2 sowie die jeweiligen Kapazitäten zwischen der zweiten Elektrode 110-2 und den vierten Elektroden 110-4-3 und 110-4-4.
Die Messungen jedoch, die in Verbindung mit 2g und 2h beschrieben wurden, umfassen beide eine Temperaturabhängigkeit und unterschiedliche Druckabhängigkeiten. Das Verwenden einer Kombination beider Messungen (z.B. ein Polynom mit zwei Variablen) kann das Erzeugen eines druckkompensierten Signals für eine Temperaturmessung und nachfolgend eines temperaturkompensierten Signals für eine Druckmessung erlauben.
Das heißt, die integrierte Schaltung kann den Druck mit erhöhter Präzision berechnen, basierend auf (einer Kombination aus) einer ersten Kapazität zwischen der zweiten Elektrode 110-2 und der dritten Elektrode 110-3, der zweiten Kapazität zwischen der ersten Elektrode 110-1 und der zweiten Elektrode 110-2, den Kapazitäten zwischen der dritten Elektrode 110-3 und den vierten Elektroden 110-4-1 und 110-4-2 sowie den Kapazitäten zwischen der zweiten Elektrode 110-2 und den vierten Elektroden 110-4-3 und 110-4-4.
Wie oben erwähnt wurde, kann eine vierte Elektrode ausreichend zum Ausführen der Messungen sein, wie in Verbindung mit 2g und 2h beschrieben ist. Dementsprechend kann die integrierte Schaltung die jeweiligen Kapazitäten zwischen der zumindest einen vierten Elektrode und einer der zweiten und der dritten Elektrode 110-2, 110-3 messen. Ferner berechnet die integrierte Schaltung den Druck basierend auf (einer Kombination aus) einer ersten Kapazität zwischen der zweiten Elektrode 110-2 und der dritten Elektrode 110-3, der zweiten Kapazität zwischen der ersten Elektrode 110-1 und der zweiten Elektrode 110-2 und den jeweiligen vierten Kapazitäten zwischen der zumindest einen vierten Elektrode und einer der zweiten und der dritten Elektrode.
Um die Empfindlichkeit der Messungen im Hinblick auf den Druck zu erhöhen, können die summierten Kapazitäten zwischen den Elektroden, die für die druckempfindlichen Messungen verwendet werden, kleiner gewählt werden als die summierten Kapazitäten zwischen den Elektroden, die für die druckunempfindlichen Messungen verwendet werden. Zum Beispiel kann die Summe der jeweiligen Kapazitäten zwischen den vierten Elektroden 110-4-1, 100-4-2 und der dritten Elektrode 110-3 und den jeweiligen Kapazitäten zwischen den vierten Elektroden 110-4-3, 110-4-4 und der zweiten Elektrode 110-2 zumindest drei, vier oder fünf Mal höher sein als die Summe der jeweiligen Kapazitäten zwischen der ersten Elektrode 110-1 und einer der zweiten Elektrode 110-2 und der dritten Elektrode 110-3, wenn die Membran 140 in einer Ruheposition ist (d.h., die Membran ist nicht abgelenkt).
Die Messungen, die in Verbindung mit 2e bist 2h beschrieben wurden, können ferner kombiniert werden (d.h. die integrierte Schaltung kann die Druckberechnung basierend auf den Kapazitätswerten ausführen, die unter Verwendung der verschiedenen Messanordnungen gemessen wurden), um ein temperaturkompensiertes Drucksignal zu erzeugen, das ferner unempfindlich gegenüber Alterungsabweichungen des Klebers sein kann (was ein dominanter Alterungseffekt des Drucksensors sein kann).
D.h., 2e bis 2h beschreiben eine Technik, bei der elektrische Felder an einer mechanischen Sensorstruktur (ohne jegliche elektronische Vorrichtungen und hergestellt in einem reinen MEMS-Prozess) gemessen werden. Mehrere Messungen mit unterschiedlichen Elektrodenkonfigurationen können ausgeführt werden, um Druck-, Temperatur-, und Alterungs-Effekte zu trennen, die durch den Kleber zwischen der mechanischen Vorrichtung und der integrierten Schaltung zum Auslesen verursacht werden. Die in Verbindung mit 2e bis 2h beschriebene Technik kann das Bestimmen des Drucks unter Verwendung von Drucksensoren mit einer sehr einfachen Struktur (integrierte Schaltung, Elektroden und eine reine MEMS-Struktur, die frei von jeglichen elektronischen Komponenten ist) und eines einfachen Bondens der Sensorkomponenten ermöglichen (kein elektrisches Kontaktieren der MEMS-Struktur erforderlich).
Ein anderer Drucksensor 300 ist in 3 gezeigt. Der Drucksensor 300 umfasst eine MEMS-Struktur 130, umfassend eine leitfähige oder dielektrische Membran 140. Zum Beispiel kann die MEMS-Struktur 130 aus einem ablenkbaren, mikro-bearbeiteten Bulk-Wafer ohne jegliche Elektronik hergestellt sein, d.h. die MEMS-Struktur 130 kann nur das Bulk-Silizium, Metallisierung und Isolierung verwenden.
Die MEMS-Struktur 130 ist an einer Rückseitenoberfläche des integrierten Schaltungschips 360 derart angebracht, dass ein (evakuierter) Hohlraum zwischen der Membran 140 und dem integrierten Schaltungschip 360 gebildet ist. Da die MEMS-Struktur 130 an die Rückseite des integrierten Schaltungschips 360 gebondet ist, kann eine Verschwendung von Chipfläche vermieden werden.
Der integrierte Schaltungschip 360 umfasst eine integrierte Schaltung 120 an seiner Vorderseite. Somit sind die integrierte Schaltung 120 und die MEMS-Struktur 130 auf gegenüberliegenden Seiten eines Halbleitersubstrats 365 des integrierten Schaltungschips 360 angeordnet, wobei die MEMS-Struktur 130 auf einem separaten Chip liegt und an den integrierten Schaltungschip 360 angebracht ist. Die integrierte Schaltung 120 ist von außen durch Bonddrähte 366 und 367 kontaktiert.
Zwei Elektroden 110-1, 110-2 sind auf der Rückseitenoberfläche des integrierten Schaltungschips 360 angeordnet. Das heißt, die integrierte Schaltung 120 und zwei Elektroden 110-1, 110-2 sind auf gegenüberliegenden Seiten des integrierten Schaltungschips 360 angeordnet. Die integrierte Schaltung 120 ist mit den zwei Elektroden 110-1, 110-2 durch Vias 371, 372 gekoppelt, die das Halbleitersubstrat 365 durchdringen (z.B. Siliziumdurchkontaktierungen; through silicon via).
Wiederum bewegt sich die Membran relativ zu den zwei Elektroden 110-1, 110-2 abhängig von dem Druck P. Die zwei Elektroden 110-1, 110-2 an der Rückseite des integrierten Schaltungschips erzeugen ein elektrisches Wechselfeld, das durch die ablenkbare Membran 140 beeinflusst wird. Durch Messen der Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden 110-1, 110-2 aufgrund der Ablenkung der Membran 140 über die integrierte Schaltung 120 wird der Druck P durch die integrierte Schaltung 120 berechnet.
Auch die Struktur der Druckvorrichtung 300 erlaubt die Verwendung einer MEMS-Struktur 130 (MEMS-Wafer), die nicht von dem integrierten Schaltungschip 360 kontaktiert werden muss.
Die komplette, in 3 dargestellte Vorrichtung kann in ein Gehäuse gehäust sein, das eine Formöffnung bereitstellt, so dass der Druck P die Membran 140 erreichen kann. Zusätzlich können weitere tragende Glaswafer verwendet werden, um eine Entkopplung der Belastung bereitzustellen.
Eine Variation des Drucksensors 300 ist in 4 gezeigt. 4 stellt einen Drucksensor 400 dar, der ähnlich zu dem Drucksensor 300 ist. Der Drucksensor 400 ist jedoch mit einem Gehäuse auf Chip-Ebene mit Kugelbond-Verbindungen oder Lötkugeln 490 implementiert, die die Vorderseite des integrierten Schaltungschips 360 anstelle von Bonddrähten kontaktieren. Um die Schaltungen auf der Chip-Oberfläche zu schützen, d.h., um die integrierte Schaltung 120 zu schützen, kann eine zusätzliche Polyimid-Schicht (nicht dargestellt) bereitgestellt sein.
Im Vergleich zu dem Drucksensor 300 kann der Drucksensor 400 zusätzlich zwei Metallschichten 480 und 485 aufweisen. Eine Metallschicht 480 ist auf der Membran 130 gebildet, um die Leitfähigkeit der Membran 130 zu verbessern. Somit kann die Kopplung der Membran 130 mit dem elektrischen Wechselfeld der Elektroden 110-1, 110-2 verbessert werden. Die zweite Metallschicht 485 ist auf der Kontaktoberfläche der MEMS-Struktur 140 zum Kontaktieren des integrierten Schaltungschips 360 gebildet, um das Bonden der MEMS-Struktur 130 an den integrierten Schaltungschip zu unterstützen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Drucksensor 400 auch ohne die zusätzlichen Metallschichten 480 und 485 oder nur mit einer dieser Metallschichten gebildet sein kann.
Um Silizium-Durchkontaktierungen (through silicon vias) zu vermeiden, die ein nicht standardmäßiger Prozessschritt sind, kann der integrierte Schaltungschip auf an einen Zwischenwafer angebracht sein (z.B. hergestellt aus Silizium oder Glas), der keinerlei elektronische Komponenten enthält. Solche Drucksensoren werden nachfolgend im Hinblick auf 5 und 6 beschrieben.
5 stellt einen Drucksensor 500 dar. Der Drucksensor 500 umfasst eine MEMS-Struktur 130, umfassend eine leitfähige oder dielektrische Membran 140. Die MEMS-Struktur 130 ist an eine erste Oberfläche eines Trägersubstrats (z.B. hergestellt aus Glas, Keramik oder Silizium) angebracht (z.B. gebondet). Die MEMS-Struktur 130 besteht aus nichts außer strukturiertem Silizium und umfasst die Membran 140. Ein Hohlraum (z. B. evakuiert oder hermetisch abgedichtet) ist zwischen der Membran 140 und dem Trägersubstrat 550 gebildet. Ferner ist die Membran 140 einem Druck P ausgesetzt.
Ein integrierter Schaltungschip 260 ist an eine gegenüberliegende zweite Oberfläche des Trägersubstrats 550 angebracht. Der integrierte Schaltungschip 560 umfasst eine integrierte Schaltung 120, die auf einem Halbleitersubstrat 565 des integrierten Schaltungschips 560 angeordnet ist. Die integrierte Schaltung 120 ist von außen durch Bonddrähte 566 und 567 kontaktiert.
Zwei Elektroden 110-1, 110-2 sind auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats 550 angeordnet, d.h. auf derselben Oberflächenseite des Trägersubstrats 550. Die zwei Elektroden 110-1, 110-2 erzeugen ein elektrisches Wechselfeld.
Die integrierte Schaltung 120 ist mit den zwei Elektroden 110-1, 110-2 durch Vias 371, 372 gekoppelt, die das Trägersubstrat 550 durchdringen, und mit Drahtbonds 561, 562 zum Koppeln der integrierten Schaltung 120 mit den Vias 571, 572.
Ähnlich zu anderen Ausführungsbeispielen bewegt sich die Membran 140 relativ zu den zwei Elektroden 110-1, 110-2 abhängig von dem Druck P. Das elektrische Wechselfeld der zwei Elektroden 110-1, 110-2 wird durch die ablenkbare Membran 140 beeinflusst, derart, dass die Kapazität zwischen den Elektroden 110-1 verändert wird. Basierend auf der Änderung der Kapazität berechnet die integrierte Schaltung 120 den Druck P.
In 6 ist eine alternative Kopplung der integrierten Schaltung 120 mit den Elektroden 110-1, 110-2 dargestellt. Der Drucksensor 600, der in 6 dargestellt ist, ist ähnlich zu dem Drucksensor 500, die Drahtbonds 561, 562 zum Koppeln der integrierten Schaltung 120 mit den Vias 571, 572 sind jedoch durch Kugelbonds oder Lötkugeln 590 zum Kontaktieren der Vorderseite des integrierten Schaltungschips 360 (d.h. der integrierten Schaltung 120) mit den Vias 571, 572 ersetzt.
Eine Implementierung, bei der die MEMS-Struktur mit der Vorderseite des integrierten Schaltungschips gekoppelt ist, ist in 7 dargestellt. Der Drucksensor 700, der in 7 dargestellt ist, umfasst eine MEMS-Struktur 130, umfassend eine leitfähige oder dielektrische Membran 140. Ein integrierter Schaltungschip 760 umfasst eine integrierte Schaltung 120, die auf einem Halbleitersubstrat 765 des integrierten Schaltungschips 760 angeordnet ist.
Die MEMS-Struktur 130 ist an einer Vorderseitenoberfläche des integrierten Schaltungschips 760 derart angebracht, dass ein Hohlraum (z.B. evakuiert oder hermetisch abgedichtet) zwischen der Membran 140 und dem integrierten Schaltungschip 760 gebildet ist. Somit ist die integrierte Schaltung 120 zwischen der MEMS-Struktur 120 und dem Halbleitersubstrat 765 des integrierten Schaltungschips 760 angeordnet.
Zwei Elektroden 110-1, 110-2 sind auf der Vorderseitenoberfläche des integrierten Schaltungschips 760 angeordnet. Die zwei Elektroden 110-1, 110-2 erzeugen ein elektrisches Wechselfeld. Die Elektrode 110-2 ist als Metallschicht implementiert, die auf einer Kontaktoberfläche der MEMS-Struktur 130 zum Kontaktieren des integrierten Schaltungschips 760 gebildet ist. Die integrierte Schaltungsschicht 760 kann zusätzlich eine Oberflächen-Passivierungsschicht umfassen (nicht dargestellt), so dass die Elektroden 110-1, 110-2 auf der Passivierungsschicht gebildet sind.
Die integrierte Schaltung 120 ist mit den zwei Elektroden 110-1, 110-2 gekoppelt und erfasst die Kapazität zwischen den zwei Elektroden 110-1, 110-2, die durch die ablenkbare Membran 140 beeinflusst wird. Basierend auf der Änderung der Kapazität berechnet die integrierte Schaltung 120 den Druck P.
Eine laterale Erstreckung der MEMS-Struktur 130 (d.h. eine Erstreckung parallel zu der Vorderseitenoberfläche des integrierten Schaltungschips 760) kann kleiner sein als eine laterale Erstreckung des integrierten Schaltungschips 760, wie aus 7 zu sehen ist.
Weitere Details der Anordnung der Elektroden im Hinblick auf einander werden nachfolgend im Hinblick auf 8 und 9 erörtert. 8 stellt einen anderen Drucksensor 800 dar. Der Drucksensor 800, der in 8 dargestellt ist, umfasst eine MEMS-Struktur 130, umfassend eine leitfähige oder dielektrische Membran 140. Die MEMS-Struktur 130 ist an einen integrierten Schaltungschip oder ein Trägersubstrat 860 (z.B. wie bei den obigen Beispielen) derart angebracht, dass die zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2 von der Membran 140 durch einen (evakuierten) Hohlraum getrennt sind. Wiederum ist die Membran 140 ausgebildet, um sich abhängig von dem Druck P relativ zu den zwei Elektroden 110-1, 110-2 zu bewegen.
In 8 sind die Elektroden 110-1, 110-2 auf eine Weise angeordnet, sodass das elektrische Feld zwischen jeder der Elektroden 110-1, 110-2 und der Membran 140 stärker ist als das elektrische Streufeld zwischen den Elektroden 110-1, 110-2 selbst. Um dies zu erreichen, sind vertikale Distanzen (Distanz in einer Richtung orthogonal zu der Hauptoberfläche der Chips) zwischen der Membran 140 und den Elektroden 110-1, 110-2 kleiner als eine Distanz zwischen den zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2. Anders ausgedrückt ist die Distanz zwischen den Elektroden 110-1, 110-2 größer als die vertikale Distanz zwischen der Membran 140 und der Elektrodenoberfläche.
In 9 ist eine alternative Implementierung, bei der der MEMS-Chip galvanisch mittels des Wafer-Bond-Prozesses gekoppelt wird, dargestellt. Der Drucksensor 900, der in 9 dargestellt ist, ist ähnlich zu dem Drucksensor 800. Genauer gesagt sind die vertikalen Distanzen zwischen der Membran 130 und den zwei Elektroden 110-1, 110-2 kleiner als eine Distanz zwischen den zumindest zwei Elektroden 110-1, 110-2. Bei dem Drucksensor 900 jedoch ist die Elektrode 110-2 als Metallschicht implementiert, die auf einer Kontaktoberfläche der MEMS-Struktur 130 zum Kontaktieren des integrierten Schaltungschips oder Trägersubstrats 860 gebildet ist.
Bei jeglichem der obigen, beispielhaften Drucksensoren kann eine MEMS-Membran, die in einem reinen MEMS-Prozess hergestellt wird (eine primitive MEMS-Struktur, d.h. eine MEMS-Struktur ohne jegliche elektronische Vorrichtungen/elektronische Komponenten, wie beispielsweise Metalldrähte, Transistoren), verwendet werden, um einen kapazitiven Drucksensor zu bilden. Dementsprechend kann ein kostengünstiger Drucksensor erreicht werden.
10 stellt einen alternativen Drucksensor 1000 dar, der auf einer Magnetfelderfassung basiert. Der Drucksensor 1000 umfasst ein Magnetsensorelement 1010 (Hall-Sensor, magnetoresistiver Sensor, etc.), das zum Erzeugen eines Signals 1011 basierend auf einem Magnetfeld ausgebildet ist, das durch das Magnetsensorelement 1010 erfasst wird. Ferner umfasst der Drucksensor 1000 eine MEMS-Struktur 1020 umfassend eine Membran 1030, die ausgebildet ist, um sich abhängig von dem Druck P relativ zu dem Magnetsensorelement 1010 zu bewegen. Der Drucksensor 1000 umfasst zusätzlich ein Feld-beeinflussendes Element 1040, das ausgebildet ist, um das Magnetfeld basierend auf einer Bewegung der Membran 1030 zu modifizieren, wobei das Feld-beeinflussende Element 1040 auf der Membran angeordnet ist.
Da sich die Membran 1030 zusammen mit dem feld-beeinflussenden Element 1040 relativ zu dem Magnetsensorelement 1010 abhängig von dem Druck P bewegt, variiert das durch das Magnetsensorelement 1010 erfasste Magnetfeld abhängig von dem Druck P, d.h. der Position der Membran 1030. Aufgrund der Detektion der Änderungen des Magnetfeldes kann der Drucksensor 1000 somit das Messen des Drucks P mit hoher Auflösung erlauben. Zum Beispiel kann der Drucksensor 1000 ferner eine integrierte Schaltung aufweisen (nicht dargestellt), die zum Berechnen des Drucks P basierend auf dem Signal 1011 ausgebildet ist. Im Vergleich zu kapazitiven Messkonzepten können parasitäre Kapazitäten minimiert oder gar vermieden werden. Im Vergleich zu piezoelektrischen Messkonzepten können piezoresistive Belastungs-Effekte vermieden werden. Ferner kann die Belastungsempfindlichkeit im Vergleich zu anderen Sensorkonzepten reduziert werden, wenn der Drucksensor 1000 gehäust ist.
Das Feld-beeinflussende Element 1040 kann ausgebildet sein, um aktiv ein Magnetfeld zu erzeugen, ohne einen elektrischen Strom zu benötigen, oder um passiv ein vorhandenes Magnetfeld (z.B. das Erdmagnetfeld oder das Feld eines Back-Bias-Magneten) zu beeinflussen (z.B. in Wechselwirkung damit zu treten).
Zum Beispiel kann das Feld-beeinflussende Element 1040 eine Struktur eines magnetischen Materials aufweisen. Das magnetische Material kann ein hartmagnetisches Material, ein weichmagnetisches Material oder Kombinationen derselben sein. Alternativ oder zusätzlich weist das Feld-beeinflussende Element 1040 eine leitfähige Struktur auf, die ausgebildet ist, um einen elektrischen Strom zu leiten (z.B. einen oder mehrere leitfähige Pfade auf der Membran 1030).
Das Magnetsensorelement 1010 kann z.B. eine Hall-Effektregion aufweisen, um Änderungen des Magnetfeldes mittels des Hall-Effekts zu messen. Das Magnetsensorelement 1010 ist nicht auf das Messen von Änderungen des Magnetfeldes über den Hall-Effekt beschränkt. Im Allgemeinen kann jegliche Art von Magnetsensor zum Messen von Änderungen des Magnetfeldes verwendet werden.
Bei einigen Beispielen umfasst das Magnetsensorelement 1010 eine Hall-Effektregion einer polygonalen Form. Ferner sind elektrische Kontakte zum Bereitstellen des Signals 1011 von der Hall-Effektregion oder zum Bereitstellen elektrischer Versorgungssignale zu der Hall-Effektregion symmetrisch entlang des Umfangs der Hall-Effektregion angeordnet. Das Kontaktieren der Hall-Effektregion auf symmetrische Weise kann ein Minimieren des Restversatzes des Signals 1011 erlauben. Somit kann die Genauigkeit von Messänderungen des Magnetfeldes erhöht werden.
Ferner kann das Magnetsensorelement 1010 ausgebildet sein, um die Hall-Effektregion in einem Spinning-Schema zu betreiben. Bei einem Spinning-Schema wird die Versorgungs- oder Erfassungs-Rolle der elektrischen Kontaktregionen in mehreren Taktphasen verändert: Jede elektrische Kontaktregion stellt (liefert) ein elektrisches Signal an die Hall-Effektregion für eine ganzzahlige Zahl n von Taktphasen bereit und stellt ein elektrisches Signal von der Hall-Effektregion für dieselbe Zahl n von Taktphasen bereit (greift es ab). Zum Beispiel liefern bei einen Spinning-Current-Schema mit vier elektrischen Kontaktregionen eine erste und eine zweite der vier aktivierten elektrischen Kontaktregionen ein Stromsignal zu der Hall-Effektregion in einer ersten Taktphase, wohingegen eine dritte und eine vierte der vier elektrischen Kontaktregionen das elektrische Signal (d.h. ein Spannungssignal) von der Hall-Effektregion abgreifen. In einer zweiten Taktphase liefern die dritte und vierte der vier elektrischen Kontaktregionen das Stromsignal an die Hall-Effektregion, wohingegen die erste und die zweite der vier Kontaktregionen das elektrische Signal von der Hall-Effektregion 110 abgreifen. Auf ähnliche Weise, in dem Fall eines Spinning-Voltage-Schemas, wird ein Spannungssignal an die Hall-Effektregion anstelle eines Stromsignal geliefert, und ein Stromsignal wird von der Hall-Effektregion anstelle eines Spannungssignals abgegriffen. Der Restversatz des Signals 1011 kann somit weiter reduziert werden.
Bei einigen Beispielen umfasst der Drucksensor 1000 zusätzlich ein Permanentmagnetelement (nicht dargestellt). Das Permanentmagnetelement und das Feld-beeinflussende Element 1040 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Magnetsensorelements 1010 angeordnet. D.h., der Drucksensor 1000 kann zusätzlich einen Back-Bias-Magneten aufweisen. Das Permanentmagnetelement erzeugt ein konstantes Magnetfeld, das durch das Feld-beeinflussende Element 1040 beeinflusst wird. Die Störung des konstanten Magnetfeldes des Back-Bias-Magneten durch das Feld-beeinflussende Element 1040 aufgrund des Drucks P wird durch das Magnetsensorelement 1010 so detektiert, dass das Signal 1011 anzeigend für den Druck P ist.
Ähnlich zu den Drucksensoren, die in 2, 5 und 6 dargestellt sind, können das Magnetsensorelement 1010 und die MEMS-Struktur 1020 an gegenüberliegenden Seiten eines Trägersubstrats (nicht dargestellt, z.B. hergestellt aus Glas, Keramik oder Silizium) derart angebracht sein, dass ein (evakuierter) Hohlraum zwischen der Membran 1030 und dem Trägersubstrat gebildet ist.
Nachfolgend werden einige beispielhafte Implementierungen des obigen, allgemeinen Konzeptes in Verbindung mit 11 bis 13 beschrieben.
11 stellt einen Drucksensor 1100 dar, umfassend eine Membran 1030, die Teil einer MEMS-Struktur ist (die weiteren Elemente der MEMS-Struktur sind nicht dargestellt). Ferner umfasst der Drucksensor 1100 eine Hall-Effektregion1110, die als Magnetsensorelement dient. Die Membran 1030 bewegt sich abhängig von dem Druck P, dem sie ausgesetzt ist, relativ zu der Hall-Effektregion 1110. Ein leitfähiger Pfad 1140 ist auf der Membran 1030 gebildet, der als feld-beeinflussendes Element dient. Der leitfähige Pfad 1140 leitet einen Strom I_mag, so dass gemäß dem Ampere'sehen Gesetz ein Magnetfeld B erzeugt wird, das proportional zu dem Strom I_mag ist. Das erzeugte Magnetfeld B und das Erdmagnetfeld überlagern sich.
Ein Strom I_force wird an die Hall-Effektregion 1110 so angelegt, dass die Hall-Effektregion 1110 ein Spannungssignal erzeugt $U_{H a l l} \propto I_{f o r c e} \cdot B_{a b s}$
wobei B_abs die Überlagerung des erzeugten Magnetfeldes B und des Erdmagnetfeldes bezeichnet.
Da die Membran 1030 dem Druck P ausgesetzt ist, ändern sich die Position der Membran 1030 und somit der leitfähige Pfad 1140 relativ zu der Hall-Effektregion 1110 in Abhängigkeit von dem Druck P. Dementsprechend ändert sich auch die Stärke des erzeugten Magnetfeldes B in der Nähe der Hall-Effektregion 1110 in Abhängigkeit von dem Druck P. D.h., B_abs in Ausdruck (1) variiert abhängig von dem Druck P. Dementsprechend ist das Spannungssignal U_Hall proportional zu der Ablenkung der Membran 1030, d.h. dem Druck P. Dementsprechend kann eine integrierte Schaltung (nicht dargestellt) des Drucksensors 1100 den Druck P basierend auf dem Spannungssignal U_Hall berechnen.
Wie oben in Verbindung mit 10 angezeigt ist, kann die Hall-Effektregion 1110 von polygonaler Form sein und kann in einem Spinning-Schema betrieben werden. Ferner kann der Drucksensor 1100 ein Permanentmagnetelement (Back-Bias-Magnet) aufweisen, das ein konstantes Magnetfeld erzeugt, das durch das Magnetfeld B des leitfähigen Pfades 1140 beeinflusst wird.
Eine detailliertere Implementierung eines Drucksensors 1200 ist in 12 gezeigt. Der Drucksensor 1200 umfasst eine MEMS-Struktur 1020, umfassend eine Membran 1030. Die MEMS-Struktur 1020 ist an einen Sensorelementchip 1220 angebracht, der eine Hall-Effektregion 1210 aufweist, die als Magnetsensorelement dient. Zum Beispiel kann der Sensorelementchip 1220 auf Silizium basieren. Ein (evakuierter) Hohlraum ist zwischen der Membran 1030 und dem Sensorelementchip 1220 gebildet.
Wie für den Drucksensor 1100, dargestellt in 11, bewegt sich die Membran 1030 abhängig von dem Druck P, dem sie ausgesetzt ist, relativ zu der Hall-Effektregion 1210. Im Gegensatz zu dem Drucksensor 1100 umfasst der Drucksensor 1200 zwei parallele leitfähige Pfade 1240-1, 1240-2, die jeweils einen Strom I_in leiten. Wie in 12 angezeigt ist, können die leitfähigen Pfade 1240-1, 1240-2 den Strom I_in auf parallele Weise leiten (d.h. in dieselbe Richtung). Alternativ können die leitfähigen Pfade 1240-1, 1240-2 den Strom I_in auf antiparallele Weise leiten (d.h. in entgegengesetzten Richtungen). Es wird daraufhingewiesen, dass nicht nur zwei sondern jegliche Anzahl von leitfähigen Pfaden zum Leiten eines Stroms verwendet werden können.
Die leitfähigen Pfade 1240-1, 1240-2, die jeweils einen Strom I_in leiten, erzeugen ein Magnetfeld. Wiederum ändert sich die Stärke des erzeugten Magnetfeldes in der Nähe der Hall-Effektregion 1210 in Abhängigkeit von dem Druck P. Dementsprechend ist das Spannungssignal der Hall-Effekt-Region proportional zu der Ablenkung der Membran 1030, d.h. dem Druck P.
Auch die Hall-Effektregion 1210 kann von polygonaler Form sein und kann in einem Spinning-Schema betrieben werden. Ferner kann der Drucksensor 1200 ein Permanentmagnetelement (Back-Bias-Magnet) aufweisen, das ein konstantes Magnetfeld erzeugt, das durch das Magnetfeld der leitfähigen Pfade 1240-1, 1240-2 beeinflusst wird.
Zum Beispiel können die leitfähigen Pfade in den Drucksensoren 1100 und 1200 aus Polysilizium hergestellt sein. Im Allgemeinen erzeugen die Polystreifen ein Magnetfeld über den Strom Iin, der in Richtung der Hall-Plattenmitte (z-Richtung) gerichtet ist. Wenn die Membran unter Druck abgelenkt wird, gelangen die leitenden Polystreifen näher an die Hall-Sonde, so dass die Magnetfeldstärke in der Nähe der Hall-Sonde zunimmt. Das erzeugte Hall-Signal ist somit proportional zu der Ablenkung der Membran und somit proportional zu dem Druck.
Eine alternative Implementierung des Feld-beeinflussenden Elements ist in 13 gezeigt. 13 stellt einen Drucksensor 1300 dar, der eine Struktur 1340 aus magnetischem Material anstelle der leitfähigen Pfade aufweist.
Die Struktur 1340 aus magnetischem Material umfasst eine Mehrzahl von Säulen hergestellt aus magnetischem Material. Die durchschnittliche Erstreckung einer Säule entlang einer ersten Richtung ist zumindest 5, 10, 15, 20, 25, 50 oder 100 Mal größer als ihre durchschnittliche Erstreckung entlang einer zweiten Richtung und dritten Richtung, wobei die erste Richtung, die zweite Richtung und die dritte Richtung senkrecht zueinander sind. Anders ausgedrückt ist ein Durchmesser der Säule (viel) kleiner als ihre Höhe.
Die Säulen können aus einem hartmagnetischen Material, einem weichmagnetischen Material oder Kombinationen derselben hergestellt sein. Zum Beispiel können die Säulen aus NiFe oder FeCo sein. Bei dem Beispiel von 13 sind NiFe-Säulen dargestellt. Die NiFe-Säulen können z.B. unter Verwendung eines FUTEK-Prozesses magnetisiert werden (d.h. unter Verwendung eines Ofens umfassend eine Magnetfeldspule).
Die NiFe-Säulen erzeugen ein Magnetfeld, das in Richtung der Hall-Plattenmitte (z-Richtung) gerichtet ist. Wenn die Membran unter Druck abgelenkt wird, gelangen die NiFe-Säulen näher an die Hall-Sonde, so dass die Magnetfeldstärke in der Nähe der Hall-Sonde zunimmt. Das erzeugte Hall-Signal ist somit proportional zu der Ablenkung der Membran und somit proportional zu dem Druck.
Der Drucksensor 1300 kann zusätzlich ein Permanentmagnetelement (Back-Bias-Magnet) aufweisen, das ein konstantes Magnetfeld erzeugt, das durch das Magnetfeld der Struktur 1340 eines magnetischen Materials beeinflusst wird.
Obwohl die in 11 bis 13 dargestellten exemplarischen Drucksensoren entweder leitende Pfade oder eine Struktur eines magnetischen Materials aufweisen, kann ein Drucksensor gemäß dem vorgeschlagenen Konzept beides aufweisen. Zum Beispiel können ein oder mehrere leitende Pfade und eine Struktur eines magnetischen Materials auf gegenüberliegenden Seiten der Membran angeordnet sein. Zum Beispiel können die Drucksensoren 1100 und 1200, die in 11 und 12 dargestellt sind, zusätzlich eine Struktur eines magnetischen Materials auf der Unterseite der Membran 1030 aufweisen. Auch der Drucksensor 1300, der in 13 dargestellt ist, kann zusätzlich einen oder mehrere leitfähige Pfade zum Leiten eines Stroms auf der Unterseite der Membran 1030 aufweisen.
Wie aus den Drucksensoren 1000 bis 1300 ersichtlich ist, kann der Druck über die Änderung eines Magnetfeldes in der Nähe einer Hall-Sonde gemessen werden, die unter dem Hohlraum der Membranstruktur zum Detektieren des magnetischen Signals angeordnet ist. Die Druckmembran kann leitende Polystreifen und/oder magnetische Elemente aufweisen (z.B. NiFe, FeCo ...). Wenn sich der Druck ändert, ändert sich die Distanz der Membran und somit der leitenden Polystreifen und/oder der magnetischen Elemente zu der darunterliegenden Hall-Sonde. Dementsprechend ändert sich die Stärke des Magnetfeldes. Das erzeugte Hall-Signal ist somit proportional zu der Ablenkung der Membran und somit proportional zu dem Druck.
Zwei oder mehr der obigen Drucksensoren können kombiniert werden, um ein Array aus Drucksensoren zu bilden. Ein Sensorbauelement kann das Array aus Drucksensoren aufweisen.
Ein Beispiel eines Verfahrens 1400 zum Bilden eines MEMS-Drucksensors ist mittels eines Flussdiagramms in 14 dargestellt. Das Verfahren 1400 umfasst ein Bereitstellen 1402 a ersten (MEMS) Substrats, das in einem ausgesparten Abschnitt eine Aussparung aufweist, und eine Membran, die durch die Aussparung geformt ist. Die Membran umfasst zumindest ein Feld-beeinflussendes Element. Ferner umfasst das Verfahren 1400 das Bereitstellen 1404 eines zweiten Substrats umfassend ein Ausleseelement und eine Ausleseschaltung, gekoppelt mit dem Ausleseelement. Das Verfahren 1400 umfasst zusätzlich ein Bonden 1406 des ersten Substrats an das zweite Substrat derart, dass die Aussparung hermetisch abgedichtet ist, wodurch ein abgedichteter Hohlraum gebildet wird.
Mit dem Verfahren 1400 können Drucksensoren, wie oben beschrieben ist, auf kosteneffektive Weise hergestellt werden. Genauer gesagt kann das Verfahren 1400 das Herstellen von Drucksensoren basierend auf MEMS-Substraten (verwendet als erste Substrate) ohne jegliche Elektronik ermöglichen, d.h. MEMS-Substrate, die keine elektronischen Komponenten umfassen.
Bei einigen Beispielen hat das erste Substrat möglicherweise keine elektrische Verbindung mit dem zweiten Substrat nach dem Bonden. Anders ausgedrückt kann das erste Substrat galvanisch von dem zweiten Substrat isoliert sein.
Das Bonden 1406 des ersten Substrats an das zweite Substrat kann das direkte Bonden des ersten Substrats an das zweite Substrat aufweisen (z.B. direktes Bonden einer MEMS-Struktur an einen integrierten Schaltungschip) derart, dass das zweite Substrat die Aussparung hermetisch abdichtet, um den abgedichteten Hohlraums zu bilden. Alternativ kann das Bonden 1406 des ersten Substrats an das zweite Substrat das Bonden des ersten Substrats und des zweiten Substrats an gegenüberliegende Seiten eines Zwischensubstrats aufweisen (z.B. Bonden einer MEMS-Struktur und eines integrierten Schaltungschips an gegenüberliegende Seiten eines Trägersubstrats) derart, dass das Zwischensubstrat die Aussparung hermetisch abdichtet, um den abgedichteten Hohlraums zu bilden.
Wie vorangehend in Verbindung mit den vorgeschlagenen Drucksensoren beschrieben wurde, kann das Feld-beeinflussende Element ein elektrisches Feld-beeinflussendes Element (z.B. leitfähige oder dielektrische Membran, Metallisierung auf Membran) oder ein magnetisches Feld-beeinflussendes Element (z.B. ein magnetisches Material oder eine leitfähige Struktur, die einen elektrischen Strom leitet) sein.
Die Ausleseschaltung kann eine integrierte Schaltung sein, die mit dem Ausleseelement gekoppelt ist.
Weitere Details und Aspekte des Verfahrens werden in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einem oder mehreren der vorangehend beschriebenen Beispiele erwähnt (z.B. 1 bis 13). Das Verfahren kann ein oder mehrere zusätzliche optionale Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten des vorgeschlagenen Konzepts oder einem oder mehreren der nachfolgend beschriebenen Beispiele entsprechen.
Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorher detaillierten Beispiele und Figuren beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein gleiches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das andere Beispiel zusätzlich einzuführen.
Durch die Beschreibung und Zeichnungen werden nur die Grundsätze der Offenbarung dargestellt. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele grundsätzlich ausdrücklich nur Lehrzwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen. Alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Beispiele der Offenbarung sowie konkrete Beispiele derselben sollen deren Entsprechungen umfassen.
Es versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht explizit oder implizit anderweitig, z. B. aus technischen Gründen, angegeben ist. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Ferner kann bei einigen Beispielen ein einzelner Schritt, Funktion, Prozess oder Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen einschließen und/oder in dieselben aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.
Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier explizit vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.

Claims

Drucksensor (100), umfassend: zumindest zwei Elektroden (110-1, 110-2); eine integrierte Schaltung (120), die ausgebildet ist, um eine Kapazität zwischen den zumindest zwei Elektroden (110-1, 110-2) zu erfassen; und eine MEMS-Struktur (130), umfassend eine leitfähige oder dielektrische Membran (140), die ausgebildet ist, um sich abhängig von dem Druck relativ zu den zumindest zwei Elektroden (110-1, 110-2) zu bewegen.
Drucksensor gemäß Anspruch 1, wobei die zumindest zwei Elektroden (110-1, 110-2) von der Membran (140) durch einen evakuierten Hohlraum getrennt sind.
Drucksensor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest zwei Elektroden (110-1, 110-2) auf einer starren Region des Drucksensors angeordnet sind.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: einen integrierten Schaltungschip (260, 360, 560, 760) umfassend die integrierte Schaltung (120), wobei die integrierte Schaltung (120) ausgebildet ist, um den Druck basierend auf der Kapazität zwischen den zumindest zwei Elektroden (110-1, 110-2) zu berechnen.
Drucksensor gemäß Anspruch 4, wobei der integrierte Schaltungschip (260, 360, 560, 760) und die MEMS-Struktur (130) an gegenüberliegenden Seiten eines Trägersubstrats (250, 550) angebracht sind und wobei ein evakuierter Hohlraum zwischen der Membran (140) und dem Trägersubstrat (250, 550) gebildet ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 5, wobei die zumindest zwei Elektroden (110-1, 110-2) auf derselben Oberflächenseite des Trägersubstrats (250, 550) angeordnet sind.
Drucksensor gemäß Anspruch 6, wobei die integrierte Schaltung (120) mit den zumindest zwei Elektroden (110-1, 110-2) durch Vias gekoppelt ist, die das Trägersubstrat (550) durchdringen.
Drucksensor gemäß Anspruch 5, wobei das Trägersubstrat (550) aus dielektrischem Material hergestellt ist und wobei die zumindest zwei Elektroden (110-1, 110-2) innerhalb des integrierten Schaltungschips (260, 360, 560, 760) angeordnet sind und zwischen Halbleiterschichten der integrierten Schaltung (120) und der MEMS-Struktur angeordnet sind.
Drucksensor gemäß Anspruch 8, wobei der integrierte Schaltungschip (260, 360, 560, 760) an das Trägersubstrat (250, 550) geklebt ist, wobei eine erste Elektrode (110-1) unter einer Mitte der Membran (140) angeordnet ist und wobei eine zweite Elektrode (110-2) und eine dritte Elektrode (110-3) auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Elektrode (110-1) angeordnet sind und unter Randabschnitten (131, 132) der MEMS-Struktur (130) angeordnet sind, die die Membran (140) tragen.
Drucksensor gemäß Anspruch 9, wobei die integrierte Schaltung (120) ausgebildet ist, um den Druck basierend auf einer ersten Kapazität zwischen der zweiten Elektrode (110-2) und der dritten Elektrode (110-3), einer zweiten Kapazität zwischen der ersten Elektrode (110-1) und der zweiten Elektrode (110-2) und einer dritten Kapazität zwischen der ersten Elektrode (110-1) und der dritten Elektrode (110-3) zu berechnen.
Drucksensor gemäß Anspruch 10, wobei zumindest eine vierte Elektrode (110-4-1, 110-4-2, 110-4-3, 110-4-4) zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode (110-2) und/oder der dritten Elektrode (110-3) angeordnet ist, wobei minimale Distanzen der zumindest einen vierten Elektrode (110-4-1, 110-4-2, 110-4-3, 110-4-4) zu der zweiten Elektrode (110-2) und/oder der dritten Elektrode (110-3) kleiner sind als eine minimale Distanz der zumindest einen vierten Elektrode zu der ersten Elektrode (110-1).
Drucksensor gemäß Anspruch 11, wobei die integrierte Schaltung (120) ferner ausgebildet ist, um den Druck basierend auf vierten Kapazitäten zwischen der zumindest einen vierten Elektrode (110-4-1, 110-4-2, 110-4-3, 110-4-4) und einer der zweiten Elektrode (110-2) und der dritten Elektrode (110-3) zu berechnen.
Drucksensor gemäß Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei die Summe der jeweiligen Kapazitäten zwischen der zumindest einen vierten Elektrode (110-4-1, 110-4-2, 110-4-3, 110-4-4) und einer der zweiten Elektrode (110-2) und der dritten Elektrode (110-3) zumindest drei Mal höher ist als die Summe der jeweiligen Kapazitäten zwischen der ersten Elektrode (110-1) und einer der zweiten Elektrode (110-2) und der dritten Elektrode (110-3), wenn die Membran (140) in einer Ruheposition ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 4, wobei die MEMS-Struktur (130) an eine Oberfläche des integrierten Schaltungschips (260, 360, 560, 760) derart angebracht ist, dass ein evakuierter Hohlraum zwischen der Membran (140) und dem integrierten Schaltungschip (260, 360, 560, 760) gebildet ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 14, wobei eine Metallschicht auf der Membran (140) und/oder einer Kontaktoberfläche der MEMS-Struktur (130) zum Kontaktieren des integrierten Schaltungschips (260, 360, 560, 760) gebildet ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 15, wobei die Metallschicht, die auf der Kontaktoberfläche der MEMS-Struktur (130) gebildet ist, eine der zumindest zwei Elektroden (110-1, 110-2) ist.
Drucksensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei vertikale Distanzen zwischen der Membran (140) und den zumindest zwei Elektroden (110-1, 110-2) kleiner sind als eine Distanz zwischen den zumindest zwei Elektroden (110-1, 110-2).
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die integrierte Schaltung (120) und die MEMS-Struktur (130) auf gegenüberliegenden Seiten eines Halbleitersubstrats (365, 565) des integrierten Schaltungschips (260, 360, 560, 760) angeordnet sind.
Drucksensor gemäß Anspruch 18, wobei die integrierte Schaltung (120) und die zumindest zwei Elektroden (110-1, 110-2) auf gegenüberliegenden Seiten des Halbleitersubstrats (365) angeordnet sind und wobei die integrierte Schaltung (120) mit den zumindest zwei Elektroden (110-1, 110-2) durch Vias gekoppelt ist, die den integrierten Schaltungschip (260, 360, 560, 760) durchdringen.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die integrierte Schaltung (120) zwischen der MEMS-Struktur (130) und einem Halbleitersubstrat (265, 765) des integrierten Schaltungschips (260, 360, 560, 760) angeordnet ist.
Drucksensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die MEMS-Struktur (130) frei von elektronischen Komponenten ist und/oder wobei die MEMS-Struktur (130) keine elektrische Verbindung mit der integrierten Schaltung (120) aufweist.
Drucksensor (1000), umfassend: ein Magnetsensorelement (1010), das zum Erzeugen eines Signals (1011) basierend auf einem Magnetfeld ausgebildet ist, das durch das Magnetsensorelement (1010) erfasst wird; eine MEMS-Struktur (1020), umfassend eine Membran (1030), die ausgebildet ist, um sich abhängig von dem Druck relativ zu dem Magnetsensorbauelement (1010) zu bewegen; und ein Feld-beeinflussendes Element (1040), das ausgebildet ist, um das Magnetfeld basierend auf einer Bewegung der Membran (1030) zu modifizieren, wobei das Feld-beeinflussende Element (1040) auf der Membran (1030) angeordnet ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 22, wobei das Feld-beeinflussende Element (1040) eine Struktur eines Magnetmaterials aufweist.
Drucksensor gemäß Anspruch 22 oder Anspruch 23, wobei das Feld-beeinflussende Element (1040) eine leitfähige Struktur aufweist, die ausgebildet ist, um einen elektrischen Strom zu leiten.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei das Magnetsensorelement (1040) eine Hall-Effektregion einer polygonalen Form aufweist und wobei elektrische Kontakte zum Bereitstellen des Spannungssignals von der Hall-Effektregion oder zum Bereitstellen elektrischer Versorgungssignale an die Hall-Effektregion symmetrisch entlang des Umfangs der Hall-Effektregion angeordnet sind.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 22 bis 25, ferner umfassend: ein Permanentmagnetelement, wobei das Permanentmagnetelement und das Feld-beeinflussende Element (1040) auf gegenüberliegenden Seiten des Magnetsensorelements (1010) angeordnet sind.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 22 bis 26, ferner umfassend: eine integrierte Schaltung, die ausgebildet ist, um den Druck basierend auf dem Signal (1011) zu berechnen.
Sensorbauelement umfassend ein Array aus Drucksensoren (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, oder ein Array aus Drucksensoren (1000) gemäß einem der Ansprüche 22 bis 27.
Verfahren (1400) zum Bilden eines MEMS-Drucksensors, umfassend: Bereitstellen (1402) eines ersten Substrats, das in einem ausgesparten Abschnitt eine Aussparung aufweist, und eine Membran, die durch die Aussparung geformt ist, die Membran umfassend zumindest ein Feld-beeinflussendes Element; Bereitstellen (1404) eines zweiten Substrats umfassend ein Ausleseelement und eine Ausleseschaltung, gekoppelt mit dem Ausleseelement; und Bonden (1406) des ersten Substrats an das zweite Substrat derart, dass die Aussparung hermetisch abgedichtet ist, wodurch ein abgedichteter Hohlraum gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 29, wobei nach dem Bonden das erste Substrat keine elektrische Verbindung mit dem zweiten Substrat aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 29 oder Anspruch 30, wobei das Feld-beeinflussende Element ein elektrisches Feld-beeinflussendes Element oder ein magnetisches Feld-beeinflussendes Element ist.