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Die Erfindung betrifft eine Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung.
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Stand der Technik
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In der
DE 10 2014 214 532 B3 ist ein Bauteil mit einem MEMS-Bauelement und einer Kappenstruktur mit Medienanschlussöffnung beschrieben. An dem MEMS-Bauelement ist eine Drucksensierfläche ausgebildet, welche über die Medienanschlussöffnung so mit einer räumlichen Umgebung des Bauteils verbunden sein soll, dass ein in der räumlichen Umgebung vorliegender Druck auch an der Drucksensierfläche vorliegt. Außerdem soll mittels einer speziellen Ausbildung der Medienanschlussöffnung die Drucksensierfläche vor Fremdpartikeln und störenden Umwelteinflüssen geschützt sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für eine Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft flüssigkeitsdichte/wasserdichte Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtungen, bei welchen trotz ihrer Ausbildung mit dem mindestens einen Zugangskanal zur Sicherstellung eines Kontakts mit ihrer räumlichen Umgebung und/oder zur Sicherstellung eines Luft- und/oder Gasaustausches mit ihrer räumlichen Umgebung (zur Erfüllung ihrer Funktionen) ein Eindringen von einer Flüssigkeit/Wasser in die jeweilige Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung durch ihren mindestens einen Zugangskanal verlässlich verhindert ist. Die erfindungsgemäßen Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtungen sind damit gegenüber herkömmlichen Sensoren oder Schalldetektierern besser vor ihrer Umwelt geschützt. Insbesondere sind die erfindungsgemäßen Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtungen mit einem Schutzmechanismus ausgebildet, welcher ein Schließen/Abdichten ihres mindestens einen Zugangskanals auslöst, wann immer aufgrund eines Kontakts der jeweiligen Membranen mit Flüssigkeit/Wasser ein Eindringen von Flüssigkeit/Wasser in den mindestens einen Zugangskanal zu befürchten ist. Der jeweilige Schutzmechanismus kann als ein passiver Schließmechanismus bezeichnet werden, welcher ohne einen Flüssigkeitssensor, ohne eine Ansteuerung und ohne einen Aktor/Motor jederzeit funktioniert. Die mittels der vorliegenden Erfindung geschaffenen Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtungen sind deshalb vergleichsweise kostengünstig und relativ einfach herstellbar.
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Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die mittels der vorliegenden Erfindung geschaffenen Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtungen nicht nur vor „Spritzwasser“ geschützt sind, sondern „echt“ flüssigkeitsdicht/„echt“ wasserdicht ausgebildet sind. In der Regel ist selbst bei einem Hineinfallen der erfindungsgemäßen Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtungen in eine Flüssigkeit/Wasser ein Einsickern von Flüssigkeit/Wasser durch den mindestens einen Zugangskanal der jeweiligen Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung unterbunden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung ist die mindestens eine Membran so ausgebildet, dass, sofern die jeweilige Membranaußenseite oder Abdeckschicht unbenetzt ist, die jeweilige Membran in ihrer Ausgangstellung vorliegt und der mindestens eine zugeordnete Zugangskanal über mindestens einen Zwischenspalt zwischen der mindestens einen Kontaktfläche der in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden jeweiligen Membran und der mindestens einen zugeordneten Membrankontaktfläche an dem mindestens einen zugeordneten Zugangskanal offen gehalten ist. In diesem Fall kann eine Benetzung der jeweiligen Membranaußenseite oder Abdeckschicht ein Schließen des mindestens einen Zwischenspalts auslösen, wodurch der mindestens eine zugeordnete Zugangskanal flüssigkeitsdicht abgedichtet ist/wird.
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Beispielsweise kann die mindestens eine Membran jeweils mindestens eine von ihrer jeweiligen Membraninnenseite zu ihrer jeweiligen Membranaußenseite verlaufende Luft- und/oder Gasaustauschöffnung aufweisen. In diesem Fall kann die mindestens eine Kontaktfläche auf mindestens einem an der jeweiligen Membraninnenseite ausgebildeten und die jeweils zugeordnete Luft- und/oder Gasaustauschöffnung umrahmenden wasserundurchlässigen Dichtring liegen. Der mindestens eine Dichtring kann dann bei einer Benetzung der jeweiligen Membranaußenseite oder Abdeckschicht mit zumindest der Mindestflüssigkeitsmenge unter einer Verformung der jeweiligen Membran gegen die mindestens eine zugeordnete Membrankontaktfläche gedrückt sein/werden. Die hier beschriebenen Ausführungsform der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung stellt einerseits die gewünschte Transferierbarkeit von Luft und/oder dem mindestens einen Gas durch den mindestens einen Zugangskanal bei einem unbenetzten Vorliegen der jeweiligen Membranaußenseite oder Abdeckschicht sicher und gewährleistet andererseits eine verlässliche Abdichtung des mindestens einen Zugangskanals bei einer Benetzung der jeweiligen Membranaußenseite oder Abdeckschicht (mit Flüssigkeit/Wasser).
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Alternativ oder ergänzend kann die mindestens eine Membrankontaktfläche auch auf mindestens einem ringförmigen Vorsprung liegen, gegen welchen die mindestens eine zugeordnete Kontaktfläche, welche ihre jeweils zugeordnete Luft- und/oder Gasaustauschöffnung umrahmt, bei einer Benetzung der jeweiligen Membranaußenseite oder Abdeckschicht mit zumindest der Mindestflüssigkeitsmenge unter einer Verformung der jeweiligen Membran gedrückt ist/wird. Auch bei dieser Ausführungsform der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung ist bei Bedarf eine verlässliche Abdichtung des mindestens einen Zugangskanals gewährleistet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung ist die Abdeckschicht für Luft und/oder das mindestens eine Gas durchlässig und deckt die mindestens eine Luft- und/oder Gasaustauschöffnung der zugeordneten Membran ab. Eine derartige Abdeckschicht verhindert auch bei einer „leichten“ Benetzung der jeweiligen Abdeckschicht mit weniger als der Mindestflüssigkeitsmenge ein Eindringen von Flüssigkeit/Wasser in den mindestens einen Zugangskanal.
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Alternativ oder ergänzend kann die Abdeckschicht auch wasserabweisend sein. Auch dies trägt dazu bei, dass bereits bei einer „leichten“ Benetzung der Abdeckschicht das unerwünschte Eindringen von Flüssigkeit/Wasser in den mindestens einen Zugangskanal verhindert ist.
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Vorzugsweise ist die Sensiereinrichtung an und/oder in einem Sensorsubstrat ausgebildet, wobei die mindestens eine Membran an einer Außenseite eines Kappensubstrats ausgebildet ist und mindestens einen an der Außenseite liegenden Randbereich mindestens eines von der Außenseite zu einer weg gerichteten Innenseite des Kappensubstrats verlaufenden Kanals überspannt, und wobei das Kappensubstrat derart über eine luft- und wasserundurchlässige Verbindungsmasse mit dem Sensorsubstrat verbunden ist, dass mindestens ein an der Innenseite liegender Randbereich des mindestens einen Kanals und die sensitive Fläche an ein von dem Kappensubstrat, dem Sensorsubstrat und der luft- und wasserundurchlässige Verbindungsmasse umschlossenes Zwischenvolumen angrenzen und der mindestens eine Zugangskanal zumindest durch das Zwischenvolumen und den mindestens einen Kanal verläuft. Wie unten genauer erläutert wird, sind derartige Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtungen leicht herstellbar.
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Die Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung kann insbesondere ein Drucksensor, ein chemischer Nachweissensor, ein Feuchtigkeitssensor, ein Gassensor und/oder ein Mikrofon sein. Die jeweilige Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung ist damit vielseitig einsetzbar, wie beispielsweise in einem Mobiltelefon (Handy). Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele für die Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung nicht abschließend zu interpretieren sind.
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Auch ein Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für eine Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung schafft die vorausgehend beschriebenen Vorteile. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung weiterbildbar ist.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung;
- 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung;
- 4a bis 4d schematische Darstellungen zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung; und
- 5a bis 5c schematische Darstellungen zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung.
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Die in 1 schematisch dargestellte Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung weist eine Sensiereinrichtung 10 mit einer sensitiven Fläche 12 auf. Die Sensiereinrichtung 10 ist so ausgebildet, dass eine Änderung mindestens einer physikalischen Größe und/oder mindestens einer chemischen Konzentration an der sensitiven Fläche 12 eine Änderung eines von der Sensiereinrichtung 10 ausgegebenen oder an der Sensiereinrichtung 10 abgegriffenen Sensorsignals bewirkt. Beispielhaft ist in der Ausführungsform der 1 die Sensiereinrichtung 10 (als Drucksensier- oder Druckmesseinrichtung) mit einer Referenzkavität 14 (mit einem darin vorliegenden Referenzdruck oder Vakuum) und einer die Referenzkavität 14 abdeckenden drucksensitiven Membran 16 ausgebildet, wobei eine Änderung eines Drucks an der von der Referenzkavität 14 weg gerichteten sensitiven Fläche 12 der drucksensitiven Membran 16 (als der mindestens einen physikalischen Größe) eine Ein- oder Auswölbung der drucksensitiven Membran 16 bewirkt. Die in 1 dargestellte Ausbildung der Sensiereinrichtung 10 ist jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
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Mindestens ein Zugangskanal 18 ist in der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung derart ausgebildet, dass, zumindest solange der mindestens eine Zugangskanal 18 offen vorliegt, Luft- und/oder mindestens ein Gas durch den mindestens einen Zugangskanal 18 zwischen einer räumlichen Umgebung der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung und der sensitiven Fläche 12 transferierbar ist/transferiert wird. Der mindestens eine Zugangskanal 18 kann auch als mindestens ein Medienzugang bezeichnet werden. Außerdem ist mindestens eine zumindest teilweise wasserundurchlässige Membran 20 mit jeweils einer zu dem mindestens einen zugeordneten Zugangskanal 18 ausgerichteten Membraninnenseite 20a an und/oder in der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung ausgebildet. Eine Benetzung einer (von der Membraninnenseite 20a weg gerichteten) Membranaußenseite 20b der jeweiligen Membran 20 oder einer (direkt oder indirekt) an/auf/über der jeweiligen Membranaußenseite 20b liegenden Abdeckschicht mit zumindest einer Mindestflüssigkeitsmenge (von Flüssigkeit/Wasser) löst eine Verformung der jeweiligen Membran 20 aus. Auf diese Weise wird bei Benetzung der Membranaußenseite 20b oder Abdeckschicht mit zumindest einer Mindestflüssigkeitsmenge mindestens eine auf der jeweiligen Membraninnenseite 20a liegende Kontaktfläche/Kontaktierfläche 22 der jeweiligen Membran 20 unter Verformung der jeweiligen Membran 20 gegen mindestens eine zugeordnete Membrankontaktfläche/Membrankontaktierfläche 24 an dem mindestens einen zugeordneten Zugangskanal 18 gedrückt. Mittels eines auf diese Weise bewirkten Berührungskontakts der mindestens einen Kontaktfläche 22 (auf der jeweiligen Membraninnenseite 20a) mit der mindestens einen zugeordneten Membrankontaktfläche 24 (an dem mindestens einen zugeordneten Zugangskanal 18) ist/wird der mindestens eine zugeordnete Zugangskanal 18 flüssigkeitsdicht/wasserdicht abgedichtet.
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Die in 1 schematisch dargestellte Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung ist damit flüssigkeitsdicht/wasserdicht, so dass ein Eindringen von Flüssigkeit/Wasser durch den mindestens einen Zugangskanal 18 in die Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung nicht zu befürchten ist. Außerdem ist der erfindungsgemäße Schutzmechanismus der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung, welcher die Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung flüssigkeitsdicht/wasserdicht macht, lediglich mittels einer entsprechenden Ausbildung der mindestens einen Membran 20 realisiert. Die Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung ist deshalb vergleichsweise kostengünstig und relativ einfach herstellbar.
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1 zeigt die mindestens eine Membran 20 in ihrer Ausgangsstellung, in welcher sie zumindest dann vorliegt, wenn ihre jeweilige Membranaußenseite 20b oder Abdeckschicht (von Flüssigkeit/Wasser) unbenetzt ist. (Bei der Ausführungsform der 1 ist beispielhaft auf eine (direkt oder indirekt) an/auf/über der jeweiligen Membranaußenseite 20b liegende Abdeckschicht verzichtet.) Bei einem Vorliegen der mindestens einen Membran 20 in ihrer Ausgangsstellung ist der mindestens eine zugeordnete Zugangskanal 18 über mindestens einen offenen Zwischenspalt (bzw. einen Abstand a ungleich Null) zwischen der mindestens einen Kontaktfläche 22 (der in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden jeweiligen Membran 20) und der mindestens einen zugeordneten Membrankontaktfläche 24 (an dem mindestens einen zugeordneten Zugangskanal 18) offen gehalten. Zumindest bei einem Vorliegen der mindestens einen Membran 20 in ihrer Ausgangsstellung können Luft und/oder das mindestens eine Gas somit problemlos durch den mindestens einen offenen Zwischenspalt zwischen der mindestens einen Kontaktfläche 22 und der mindestens einen zugeordneten Membrankontaktfläche 24 strömen. Der mindestens eine Zwischenspalt zwischen der mindestens einen Kontaktfläche 22 (der in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden jeweiligen Membran 20) und der mindestens einen zugeordneten Membrankontaktfläche 24 (an dem mindestens einen zugeordneten Zugangskanal 18) wird spätestens ab Benetzung der jeweiligen Membranaußenseite 20b (oder Abdeckschicht) mit der Mindestflüssigkeitsmenge geschlossen. Spätestens ab Benetzung der jeweiligen Membranaußenseite 20b (oder Abdeckschicht) mit der Mindestflüssigkeitsmenge dichtet der Berührungskontakt der mindestens einen Kontaktfläche 22 mit der mindestens einen zugeordneten Membrankontaktfläche 24 den jeweiligen Zugangskanal 18 so flüssigkeitsdicht/wasserdicht ab, dass keine Flüssigkeit/kein Wasser durch den jeweiligen Zugangskanal 18 eindringen kann. Die mindestens eine Kontaktfläche 22 an der mindestens einen Membraninnenseite 20a und die mindestens eine zugeordnete Membrankontaktfläche 24 an dem mindestens einen Zugangskanal 18 werden deshalb in Weiteren auch als Dichtflächen 22 und 24 bezeichnet. Man kann bei einem Vorliegen des mindestens einen offenen Zwischenspalts (bzw. des Abstands a ungleich Null) zwischen den Dichtflächen 22 und 24 von mindestens einem offenen Zugangskanal 18 sprechen, während der Berührungskontakt zwischen den Dichtflächen 22 und 24 sicherstellt, dass der mindestens eine Zugangskanal 18 geschlossen ist.
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Die mindestens eine Membran 20 ist vorzugsweise eine Siliziummembran/Polysiliziummembran. Die mindestens eine Membran 20 ist derart elastisch/beweglich ausgebildet, dass sie mittels ihrer Verformung den Berührungskontakt zwischen den Dichtflächen 22 und 24, und damit ein Abdichten/Verschließen des mindestens einen Zugangskanals 18, sicher bewirkt, sobald die Membranaußenseite 20b (oder Abdeckschicht) der jeweiligen Membran 20 zumindest mit der Mindestflüssigkeitsmenge benetzt ist. Die Mindestflüssigkeitsmenge ist damit mittels einer Ausbildung der mindestens einen Membran 20 festlegbar. Vorzugsweise ist die mindestens eine Membran 20 auch derart ausgebildet, dass sie sich in ihre Ausgangsstellung wieder zurück verformt, sobald weniger als die Mindestflüssigkeitsmenge auf/an der jeweiligen Membranaußenseite 20b (oder Abdeckschicht) vorliegt oder sobald die jeweilige Membranaußenseite 20b (oder Abdeckschicht) wieder unbenetzt vorliegt.
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Die mindestens eine Membran 20 kann insbesondere mit einer relativ großflächigen Membranaußenseite 20b ausgebildet sein, so dass eine Benetzung der jeweiligen Membranaußenseite 20b (oder Abdeckschicht) mit Flüssigkeit/Wasser eine relativ große Kraft zur Verformung der jeweiligen Membran 20 verursacht. Die mindestens eine Kontaktfläche 22 (auf der jeweiligen Membraninnenseite 20a) und die mindestens eine zugeordnete Membrankontaktfläche 24 (an dem mindestens einen zugeordneten Zugangskanal 18) sind vorzugsweise vergleichsweise kleinflächig (z.B. mit einem Flächeninhalt der mindestens einen Kontaktfläche 22 oder der mindestens einen Membrankontaktfläche 24 deutlich unter einem Flächeninhalt der mindestens einen zugeordneten Membranaußenseite 20b). Die durch Benetzung der jeweiligen Membranaußenseite 20b (oder Abdeckschicht) mit zumindest der Mindestflüssigkeitsmenge verursachte Kraft bewirkt in diesem Fall einen vergleichsweise hohen Druck, mit welchem die zugeordneten Dichtfläche 22 und 24 gegeneinander gedrückt/verschlossen werden. Deshalb können bei einer relativ großflächigen Ausbildung der mindestens einen Membranaußenseite 20b und bei einer vergleichsweise kleinflächigen Ausbildung der Dichtflächen 22 und 24 selbst relativ steife Membranen 20 verformt und/oder vergleichsweise große Abstände a zwischen den Dichtflächen 22 und 24 geschlossen werden. Eine vergleichsweise steife Ausbildung der mindestens einen Membran 20 und/oder ein relativ großer Abstand a zwischen den Dichtflächen 22 und 24 bewirken bei der Verformung der jeweiligen Membran 20 eine relativ große Rückstellkraft, so dass ein „Verkleben“ der mindestens einen verformten Membran 20 nicht zu befürchten ist.
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Bei der in 1 schematisch dargestellten Ausführungsform weist die mindestens eine Membran 20 jeweils mindestens eine von ihrer jeweiligen Membraninnenseite 20a zu ihrer jeweiligen Membranaußenseite 20b verlaufende Luft- und/oder Gasaustauschöffnung 26 auf. Die mindestens eine Luft- und/oder Gasaustauschöffnung 26 kann auch als mindestens ein durch die mindestens eine Membran 20 verlaufender Teilabschnitt des mindestens einen Zugangskanals 18 bezeichnet werden. Die mindestens eine Kontaktfläche 22 liegt auf mindestens einem an der jeweiligen Membraninnenseite 20a ausgebildeten und die jeweils zugeordnete Luft- und/oder Gasaustauschöffnung 26 umrahmenden wasserundurchlässigen Dichtring 28. Vorzugsweise sind die mindestens eine Luft- und/oder Gasaustauschöffnung 26 und der sie umrahmende Dichtring 28 mittig in der jeweiligen Membran 20 ausgebildet. Der mindestens eine Dichtring 28 ist/wird bei einer Benetzung der jeweiligen Membranaußenseite 20b (oder Abdeckschicht) mit zumindest der Mindestflüssigkeitsmenge unter einer Verformung der jeweiligen Membran 20 gegen die mindestens eine zugeordnete Membrankontaktfläche 24 gedrückt. Der mindestens eine Dichtring 28 bewirkt damit eine verlässliche flüssigkeitsundurchlässige/wasserundurchlässige Abdichtung der mindestens einen zugeordneten Luft- und/oder Austauschöffnung 26.
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Beispielhaft ist bei der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung der 1 die Sensiereinrichtung 10 an und/oder in einem Sensorsubstrat 30 ausgebildet, während die mindestens eine Membran 20 an einer Außenseite eines Kappensubstrats 32 ausgebildet ist. Die mindestens eine Membran 20 überspannt mindestens einen an der Außenseite liegenden Randbereich mindestens eines von der Außenseite zu einer weg gerichteten Innenseite des Kappensubstrats 32 verlaufenden Kanals 34. Das Kappensubstrat 32 ist über eine luft- und wasserundurchlässige Verbindungsmasse 36 derart mit dem Sensorsubstrat 30 verbunden, dass mindestens ein an der Innenseite liegender Randbereich des mindestens einen Kanals 34 und die sensitive Fläche 12 an ein von dem Kappensubstrat 32, dem Sensorsubstrat 30 und der luft- und wasserundurchlässige Verbindungsmasse 36 umschlossenes Zwischenvolumen 38 angrenzen und der mindestens eine Zugangskanal 18 zumindest durch das Zwischenvolumen 38 und den mindestens einen Kanal 34 verläuft. Wie unten genauer erläutert ist, ist eine derartige Ausführungsform der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung relativ einfach herstellbar.
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Als optionale Weiterbildung kann die in 1 schematisch dargestellte Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung auch die (direkt oder indirekt) an/auf/über der Membranaußenseite 20b liegende Abdeckschicht aufweisen. Insbesondere kann die Abdeckschicht auch für Luft und/oder das mindestens eine (durch den mindestens einen Zugangskanal 18 transferierbare) Gas durchlässig sein und die mindestens eine Luft- und/oder Gasaustauschöffnung 26 der zugeordneten Membran 20 abdecken. Alternativ oder ergänzend kann die Abdeckschicht auch wasserabweisend sein. Optionaler Weise kann auch der mindestens eine Zugangskanal 18 zumindest teilweise mit einer wasserabweisenden Schicht beschichtet sein.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung.
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Im Unterschied zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform weist die in 2 schematisch dargestellte Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung die Abdeckschicht 40 an der jeweiligen Membranaußenseite 20b ihrer mindestens einen Membran 20 auf. Beispielhaft liegt die jeweilige Abdeckschicht 40 direkt auf der zugeordneten Membranaußenseite 20b. Alternativ kann jedoch auch mindestens eine Zwischenschicht zwischen der Membranaußenseite 20b und der jeweils zugeordneten Abdeckschicht 40 liegen.
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In der Ausführungsform der 2 ist die Abdeckschicht 40 für Luft und/oder das mindestens eine (durch den mindestens einen Zugangskanal 18 transferierbare) Gas durchlässig. Damit kann die mindestens eine Luft- und/oder Gasaustauschöffnung 26 der zugeordneten Membran 20 problemlos mit der jeweiligen Abdeckschicht 40 abgedeckt sein. Die für Luft und/oder das mindestens eine Gas durchlässige Abdeckschicht 40 ist typischerweise bis zu einem bestimmten Wasserdruck auch flüssigkeitsundurchlässig/ wasserundurchlässig. Die mindestens eine Membran 20 ist deshalb vorzugsweise so ausgebildet, dass bei dem jeweiligen Wasserdruck bereits eine (zum flüssigkeitsdichten/wasserdichten Abdichten des mindestens einen Zugangskanals 18 mittels des Berührungskontakts zwischen den Dichtflächen 22 und 24) ausreichende Benetzung der jeweiligen Abdeckschicht 40 vorliegt. Die für Luft und/oder das mindestens eine Gas durchlässige Abdeckschicht 40 kann beispielsweise eine Gore-Tex-Folie sein.
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Alternativ oder ergänzend zu der für Luft und/oder das mindestens eine Gas durchlässigen Abdeckschicht 40 kann die Abdeckschicht 40 auch wasserabweisend sein. (Sofern die wasserabweisende Abdeckschicht 40 jedoch für Luft und/oder das mindestens eine Gas undurchlässig ist, wird eine Freihaltung der mindestens einen Luft- und/oder Gasaustauschöffnung 26 bevorzugt.) Die Verwendung einer wasserabweisenden Abdeckschicht 40 unterbindet eine Benetzung der mindestens einen Membran 20 mit Flüssigkeit/Wasser und verhindert somit ein Eindringen von Flüssigkeit/Wasser durch den mindestens einen gebildeten Zugangskanal 18. Außerdem führt die wasserabweisende Abdeckschicht bei Kontakt mit einem Flüssigkeitsfilm/Wasserfilm zu einem schnelleren Druckaufbau, und damit zu einem frühzeitigeren Abdichten/Verschließen des mindestens einen Zugangskanals 18. Optionaler Weise kann auch der mindestens eine Zugangskanal 18 zumindest teilweise mit einer wasserabweisenden Schicht beschichtet sein.
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Bei der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung der 2 liegt außerdem die mindestens eine Membrankontaktfläche 24 auf mindestens einem ringförmigen Vorsprung 42, gegen welchen die mindestens eine zugeordnete Kontaktfläche 22, welche ihre jeweils zugeordnete Luft- und/oder Gasaustauschöffnung 26 umrahmt, bei einer Benetzung der jeweiligen Abdeckschicht 40 (bzw. Membranaußenseite 20b) mit zumindest der Mindestflüssigkeitsmenge unter einer Verformung der jeweiligen Membran 20 gedrückt ist/wird. Ergänzend kann die mindestens eine Kontaktfläche 22 an einem wasserundurchlässigen Dichtring 28 ausgebildet sein, um zu gewährleistet, dass die mindestens eine Membran 20 selbst bei einer starken Benetzung ihrer Abdeckschicht 40 (bzw. Membranaußenseite 20b) nur an genau definierten Punkten aufliegt und sich deshalb auch leicht wieder lösen und in ihre Ausgangsform zurückverformen lässt.
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Bezüglich weiterer Merkmale der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung der 2 wird auf die vorausgehend beschriebene Ausführungsform verwiesen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung.
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Die Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung der 3 ist, (z.B. mittels eines Klebers 44) auf einer anwendungsspezifizierten integrierten Auswerteschaltung 46 (ASIC, Application-Specific Integrated Circuit) montiert und in einem Gehäuse aus einer Leiterplatte 48 und einer Plastikmasse 50, mit welcher die Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung umgossen ist, verpackt. Über der mindestens einen Membran 20 ist eine Öffnung in der Plastikmasse 50 (beispielsweise durch ein Film-Mold-Verfahren) ausgebildet.
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Bezüglich weiterer Merkmale der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung der 3 wird auf die vorausgehend beschriebene Ausführungsform verwiesen.
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Die Merkmale der oben beschriebenen Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtungen können entsprechend auch an einem chemischen Nachweissensor, einem Feuchtigkeitssensor, einem Gassensor und/oder einem Mikrofon vorliegen.
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4a bis 4d zeigen schematische Darstellungen zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung.
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Bei dem im Weiteren beschriebenen Herstellungsverfahren wird zuerst eine erste Opferschicht 60, bevorzugt eine Oxidschicht/Siliziumoxidschicht, auf einer (späteren) Außenseite eines Kappenwafers/Kappensubstrats 32 aufgebracht und strukturiert. Anschließend wird eine zweite Opferschicht 62, beispielsweise eine weitere Oxidschicht/Siliziumoxidschicht, auf der ersten Opferschicht 60 und unabgedeckten Restflächen der Außenseite des Kappenwafers/Kappensubstrats 32 abgeschieden und strukturiert. Als Alternative zu der Verwendung der beiden Opferschichten 60 und 62 kann bei der Ausführung des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens auch nur eine einzige Opferschicht mit einer variierenden Schichtdicke verwendet werden. Anschließend wird die mindestens eine Membran 20, welche die zwei Opferschichten 60 und 62 (bzw. die einzige Opferschicht) abdeckt, gebildet. Wie in 4a erkennbar ist, legen eine Form und eine Schichtdicke der ersten Opferschicht 60 einen „Abdruck“ und eine Höhe eines an der jeweiligen Membraninnenseite 20a der mindestens einen Membran 20 ausgebildeten Dichtrings 28 fest, während eine Form und eine Schichtdicke der zweiten Opferschicht 62 eine Position und einen Abstand a eines (späteren) Zwischenspalts zwischen mindestens einer Kontaktfläche 22 und mindestens einer zugeordneten Membrankontaktfläche 24 festlegen.
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Als Ergänzung kann vor einer Bildung der Opferschichten 60 und 62 (bzw. der einzigen Opferschicht) in einem (späteren) Bereich der mindestens einen Membran 20 eine Vertiefung in die Außenseite des Kappenwafers/Kappensubstrats 32 strukturiert/geätzt werden, um ein Überstehen der mindestens einen Membran 20 zu vermeiden und um die mindestens eine Membran 20 während einer Weiterverarbeitung und in ihrer Anwendung zusätzlich zu schützen.
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Außerdem wird noch mindestens ein Kanal 34 von der Außenseite des Kappenwafers/Kappensubstrats 32 zu einer davon weg gerichteten Innenseite des Kappenwafers/Kappensubstrats 22 strukturiert/geätzt. Dabei können die Opferschichten 60 und 62 (bzw. die einzige Opferschicht) als Ätzstoppschichten genutzt werden. Optionaler Weise kann der Kappenwafer/das Kappensubstrat 32 anschließend verdünnt werden, beispielsweise mittels eines Schleifprozesses. Das Ergebnis ist in 4a gezeigt.
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4b zeigt das Ergebnis eines Opferschicht-Ätzverfahrens zum Entfernen der zwei Opferschichten 60 und 62 (bzw. der einzigen Opferschicht). Das Opferschicht-Ätzverfahren kann beispielsweise ein Ätzverfahren unter Verwendung von Fluorwasserstoffsäure (HF) sein.
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Bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren wird auch eine Sensiereinrichtung 10 mit einer sensitiven Fläche 12 derart ausgebildet, dass eine Änderung mindestens einer physikalischen Größe und/oder mindestens einer chemischen Konzentration an der sensitiven Fläche 12 eine Änderung eines von der Sensiereinrichtung 10 ausgegebenen oder an der Sensiereinrichtung 10 abgegriffenen Sensorsignals bewirkt. (4c zeigt ein Sensorsubstrat 30 mit der Sensiereinrichtung 10.) Das Kappensubstrat 32 wird über eine luft- und/oder wasserundurchlässige Verbindungsmasse 36 derart an dem Sensorsubstrat 30 befestigt, dass mindestens ein an der Innenseite liegender Randbereich des mindestens einen Kanals 34 und die sensitiven Fläche 12 an ein von dem Kappensubstrat 32, dem Sensorsubstrat 30 und der luft- und wasserundurchlässige Verbindungsmasse 36 umschlossenes Zwischenvolumen 38 angrenzen und der mindestens eine (spätere) Zugangskanal 18 zumindest durch das Zwischenvolumen 38 und den mindestens einen Kanal 34 verläuft. Beispielsweise wird das Kappensubstrat 32 auf dem Sensorsubstrat 30 festgebondet, zum Beispiel mittels eines Seal-Glass-Bremsverfahrens oder eines eutektischen Bondverfahrens. Alternativ kann auch eine Klebemasse oder eine Lötmasse als die luft- und wasserundurchlässige Verbindungsmasse 36 eingesetzt werden. 4c zeigt das an dem Sensorsubstrat 30 befestigte Kappensubstrat 32.
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Abschließend wird, wie in 4d schematisch dargestellt ist, noch die mindestens eine Luft- und/oder Gasaustauschöffnung 26 (von der Membranaußenseite 20b aus) durch die mindestens eine Membran 20 strukturiert. Vorzugsweise ist die jeweilige Membran 20 an einer Position der mindestens einen Luft- und/oder Gasaustauschöffnung 26 zuvor noch mit dem Kappensubstrat 32 verbunden, so dass die Verbindung zwischen der jeweiligen Membran 20 und dem Kappensubstrat 32 erst mittels der Strukturierung der mindestens einen Luft- und/oder Gasaustauschöffnung 26 gelöst wird. Damit bleibt die mindestens eine Membran 20 bis zu diesem Schritt versteift und ist somit langzeitig geschützt. Optionaler Weise kann anschließend noch eine (nicht dargestellte) Abdeckschicht (direkt oder indirekt) an/auf/über der jeweiligen Membranaußenseite 20b der mindestens einen Membran 20 abgeschieden werden.
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5a bis 5c zeigen schematische Darstellungen zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
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Bei einem Ausführen des hier beschriebenen Verfahrens wird zuerst mindestens ein Graben 70, vorzugsweise mindestens ein vergleichsweise schmaler und von einer zukünftigen Membranmitte nach außen führender Graben 70, in eine Außenseite eines Kappenwafers/Kappensubstrats 32 strukturiert/geätzt. Mittels einer Unterbrechung des mindestens einen Grabens 70 kann mindestens ein späterer ringförmiger Vorsprung 42 festgelegt werden. Der mindestens eine Graben 70 wird derart mit einer Opferschicht 72, wie beispielsweise einer Oxidschicht/Siliziumoxidschicht, (zumindest teilweise) aufgefüllt, dass auch Restflächen auf der Außenseite des Kappenwafers/Kappensubstrats 32 mitabgedeckt werden. Vorzugsweise verbleibt mindestens ein Zwischenhohlraum 74 zwischen mindestens einer Bodenfläche des mindestens einen Grabens 70 und der Opferschicht 72. Anschließend wird die mindestens eine Membran 20 auf der Opferschicht 72 abgeschieden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt kann die mindestens eine Luft- und/oder Gasaustauschöffnung 26 durch die mindestens eine Membran 20 strukturiert werden. Beispielsweise können mehrere Luft- und/oder Gasaustauschöffnungen 26 (vorzugsweise mit einem maximalen Durchmesser unter 5 µm) durch die mindestens eine Membran 20 geätzt werden. Mindestens ein Kanal 34 wird anschließend durch den Kappenwafer/das Kappensubstrat 32 strukturiert/geätzt, wobei die Opferschicht 72 als Ätzstoppschicht genutzt werden kann. Eine Dicke des Kappenwafers/Kappensubstrats 32 kann (beispielsweise mittels eines Schleifprozesses) reduziert werden. Das Ergebnis ist in 5a gezeigt.
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Anschließend wird das Kappensubstrat 32 über eine luft- und/oder wasserundurchlässige Verbindungsmasse 36 an einem Sensorsubstrat 30 (mit der Sensiereinrichtung 10) befestigt. Ein auf dem Sensorsubstrat 30 liegender Kontaktbereich 76 kann durch Entfernung eines Teilabschnitts des Kappensubstrats 32, beispielsweise mittels eines Sägeverfahrens, eines Ätzverfahrens oder eines Trenchverfahrens, freigestellt werden. 5b zeigt das Ergebnis.
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Wie in 5c gezeigt, wird die Opferschicht 72 danach mittels eines Opferschicht-Ätzverfahrens, beispielsweise mittels eines Ätzverfahrens unter Verwendung von Fluorwasserstoffsäure (HF), (teilweise) entfernt, wodurch die mindestens eine Membran 20 freigestellt und aktiviert wird. Die mindestens eine Membran 20 bleibt somit vergleichsweise lange geschützt. Optionaler Weise kann dann noch eine Abdeckschicht direkt oder indirekt auf die mindestens eine Membranaußenseite 20b aufgebracht werden.
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Alle oben beschriebenen Herstellungsverfahren bewirken ein Ausbilden mindestens eines Zugangskanals 18 derart in der jeweiligen Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung, dass (zumindest solange der mindestens eine Zugangskanal 18 offen vorliegt) Luft und/oder mindestens ein Gas durch den mindestens einen Zugangskanal 18 zwischen einer räumlichen Umgebung der Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung und der jeweiligen sensitiven Fläche 12 transferiert wird. Außerdem wird mindestens eine zumindest teilweise wasserundurchlässige Membran 20 mit jeweils einer zu dem mindestens einen zugeordneten Zugangskanal 18 ausgerichteten Membraninnenseite 20a derart ausgebildet, dass mindestens eine auf der jeweiligen Membransinnenseite 20a liegende Kontaktfläche 22 der jeweiligen Membran 20 bei einer Benetzung einer Membranaußenseite 20b der jeweiligen Membran 20 oder einer an der jeweiligen Membranaußenseite 20b liegenden Abdeckschicht 40 mit zumindest einer Mindestflüssigkeitsmenge unter einer Verformung der jeweiligen Membran 20 derart gegen mindestens eine zugeordnete Membrankontaktfläche 24 an dem mindestens einen zugeordneten Zugangskanal 18 gedrückt wird, dass der mindestens eine zugeordnete Zugangskanal 18 flüssigkeitsdicht abgedichtet wird.
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Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen Herstellungsverfahren als Wafer-Level-Herstellungsverfahren ausgeführt werden können. Beispielsweise kann die Sensiereinrichtung 10 vielfach an und/oder in einem Sensorwafer ausgebildet werden, und der Sensorwafer kann in eine Vielzahl von Sensorsubstraten 30 (jeweils mit der Sensiereinrichtung 10 und der sensitiven Fläche 12) unterteilt werden. Auch die mindestens eine Membran 20 kann vielfach an einer Außenseite eines Kappenwafers mit durchgehenden Kanälen 34 ausgebildet werden, und der Kappenwafer kann in eine Vielzahl von Kappensubstraten 32 (jeweils mit der mindestens einen Membran 20 an einer Außenseite des Kappensubstrats 32, welche jeweils mindestens einen an der Außenseite liegenden Randbereich mindestens eines von der Außenseite zu einer weg gerichteten Innenseite des Kappensubstrats 32 verlaufenden Kanal 34 überspannt) unterteilt werden. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtungen gleichzeitig und kostengünstiger hergestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014214532 B3 [0002]
