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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckerfassungsvorrichtung mit verlängerter, flacher polygonförmiger Kavität, insbesondere eine auf einem mikromechanischen System (MEMS) basierende Druckerfassungsvorrichtung
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Druckerfassungsvorrichtungen, die auf einem mikroelektromechanischen System (MEMS) basieren, sind allgemein bekannt. Beispielsweise offenbart die
US 4 236 137 A einen Halbleiterdruckmessumformer. Ferner offenbaren die
US 5 178 016 A und die
US 6 093 579 A ebenfalls Halbleiterdrucksensoren. Die
US 8 881 596 B2 offenbart eine MEMS-Druckerfassungsvorrichtung, die hierin durch Bezugnahme in seiner Gänze aufgenommen ist.
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Bekanntermaßen „leiden“ MEMS-Druckerfassungsvorrichtungen unter einer Druck-Nichtlinearität oder „PNL“ (pressure nonlinearity). PNL ist eine Funktion einer Durchbiegung einer Silizium-Membran. Die Fähigkeit einer Membran, sich durchzubiegen, bestimmt allerdings auch die Fähigkeit der MEMS-Druckerfassungsvorrichtung zum Erfassen von Druckänderungen. Nimmt die Membrandurchbiegung zu, nimmt auch die Ausgangsnichtlinearität zu. Hierzu wird beispielsweise auf die
US 2015/0330856 A1 verwiesen, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gänze aufgenommen ist.
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Die Druckempfindlichkeit einer MEMS-Druckerfassungsvorrichtung wird problematischer, wenn sich die Membrangröße verringert. Kleinere Membranen und kleinere MEMS-Druckerfassungsvorrichtungen ermöglichen allerdings eine Reduzierung der Herstellungskosten sowohl für die MEMS-Druckerfassungsvorrichtung selbst als auch für das Gehäuse, in dem die MEMS-Druckerfassungsvorrichtung platziert werden soll. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der eine Verkleinerung der Matrizengröße einer MEMS-Druckerfassungsvorrichtung bei Vergrößerung der Empfindlichkeit und Verringerung der PNL erzielt werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Folglich ist eine Cavity-Silicon-On-Insulator-(CSOI)MEMS-(mikroelektromechanisches System) Druckerfassungsvorrichtung offenbart, die ein Silizium-Trägersubstrat, eine in einer Oberseite des Silizium-Trägersubstrats gebildete verlängerte, flache, polygonförmige Kavität, eine eingebettete Silizium-Dioxid-Schicht, deren Unterseite mit der Oberseite des Silizium-Trägersubstrats schmelzverbunden ist, eine auf der Silizium-Dioxid-Schicht gebildete Vorrichtungsschicht und zumindest vier Bondpads aufweist, die in einer Oberseite der Vorrichtungsschicht geformt und darauf angeordnet sind. Die zumindest vier Bondpads sind von der verlängerten, flachen, polygonförmigen Kavität beabstandet. Genauer gesagt sind die zumindest vier Bondpads von der verlängerten, flachen, polygonförmigen Kavität derart beabstandet, dass diese nicht mit der verlängerten, flachen, polygonförmigen Kavität in Verbindung stehen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die verlängerte, flache, polygonförmige Kavität eine von der Oberseite des Silizium-Trägersubstrats gemessene Tiefe auf, die zwischen ungefähr 5 µm bis ungefähr 30 µm beträgt.
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Ferner ist es bevorzugt, dass die eingebettete Silizium-Dioxid-Schicht eine Dicke zwischen ungefähr 0,1 µm und ungefähr 2,0 µm aufweist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen CSOI-MEMS-Druckerfassungsvorrichtung weist die Vorrichtungsschicht eine Dicke zwischen ungefähr 2,0 µm und ungefähr 5,0 µm aufweist.
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In vorteilhafter Weise umfasst die verlängerte, flache, polygonförmige Kavität zwei im Wesentlichen rechteckige Kavitäten, die im Wesentlichen die gleiche Tiefe haben und die sich an oder in der Nähe ihrer Mittelpunkte kreuzen.
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Dabei kann es bevorzugt sein, dass die CSOI-MEMS-Druckerfassungsvorrichtung ferner eine über der polygonförmigen Kavität angeordnete Membran aufweist, deren Form durch die Form der polygonförmigen Kavität definiert ist und deren Größe im Wesentlichen gleich der Größe der polygonförmigen Kavität ist.
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Ferner kann es dabei von Vorteil sein, wenn sich die beiden im Wesentlichen rechteckigen Kavitäten derart schneiden, dass diese einen im Wesentlichen rechteckigen gemeinsamen Teil der polygonförmigen Kavität bilden, wenn sich jede der beiden rechteckigen Kavitäten um vorbestimmte Längen in entgegengesetzte Richtungen über den gemeinsamen Teil hinaus jeweils nach außen erstreckt und wenn die vorbestimmten Längen jeweils Verlängerungen der im Wesentlichen rechteckigen Kavitäten über den gemeinsamen Teil hinaus definieren.
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In bevorzugter Weise ist die Membran mit Piezowiderständen versehen, die sich in der Membran oberhalb der Verlängerungen der rechteckigen Kavitäten angeordnet befinden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn sich die Piezowiderstände in der Membran oberhalb von Kanten der Verlängerungen der rechteckigen Kavitäten angeordnet befinden.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn das Material des Silizium-Trägersubstrats zwischen benachbarten Ecken der gekreuzten rechteckigen Kavitäten derart entfernt wird, dass konkave Radien gebildet werden bzw. verbleiben, die sich in die Kavität erstrecken.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen CSOI-MEMS-Druckerfassungsvorrichtung sind die beiden im Wesentlichen rechteckigen Kavitäten asymmetrisch.
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Vorzugsweise weist das Silizium-Trägersubstrat ein Durchgangsloch auf, das sich zur Differenzdruckerfassung von einer Unterseite des Silizium-Trägersubstrats durch das Silizium-Trägersubstrat zur verlängerten, flachen, polygonförmigen Kavität erstreckt.
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Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Drucksensors nach dem Stand der Technik zeigt, der eine MEMS-Druckerfassungsvorrichtung enthält,
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2 eine Querschnittsdarstellung des in 1 gezeigten Drucksensors zeigt,
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3 eine Querschnittsdarstellung einer MEMS-Druckerfassungsvorrichtung und einer benachbarten integrierten Schaltung im Inneren einer Kavität des in den 1 und 2 gezeigten Drucksensors zeigt,
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4 eine schematische Darstellung einer Wheatstone-Brückenschaltung zeigt,
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5 ein Diagramm zeigt, das eine idealisierte lineare Ausgangsspannung als eine Funktion der Eingangsspannung und des aufgebrachten Drucks darstellt und ebenso die Drucknichtlinearität und die Empfindlichkeit einer MEMS-Druckerfassungsvorrichtung darstellt,
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6 eine Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Cavity-Silicon-On-Insulator (CSOI) MEMS-Druckerfassungsvorrichtung zeigt,
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7A eine perspektivische Ansicht eines Silizium-Trägersubstrats zeigt, das das untere Substrat der in 6 gezeigten CSOI-MEMS-Druckerfassungsvorrichtung darstellt und das eine verlängerte, flache, polygonförmige Kavität auf seiner Oberseite aufweist,
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7B zwei rechteckige Kavitäten bzw. Ausnehmungen zeigt, die sich derart „schneiden“, dass sie eine verlängerte, flache, polygonförmige Kavität bzw. Ausnehmung bilden,
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8 eine Draufsicht auf eine „Vorrichtungsschicht“ der in 6 dargestellt CSOI-MEMS-Druckerfassungsvorrichtung zeigt, die Positionen von Bondpads und Piezowiderständen darstellt, die mit den Bondpads durch Leiterbahnen verbunden sind und von dotierten Bereichen auf der Vorrichtungsschicht gebildet werden,
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9 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Silizium-Trägersubstrats mit einer verlängerten, flachen, polygonförmigen Kavität zeigt, deren Ecken mit einem Radius bereitgestellt sind,
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10 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform einer Vorrichtungsschicht zeigt, die zur Verwendung mit der in der 9 gezeigten alternativen Ausführungsform der Silizium-Trägerschicht ausgebildet ist,
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11 eine Querschnittsansicht einer CSOI-MEMS-Druckerfassungsvorrichtung mit einem Durchgangsloch zeigt, das sich durch das Silizium-Trägersubstrat zur Innenseite der verlängerten, flachen, polygonförmigen Kavität erstreckt,
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12 eine perspektivische Ansicht eines Silizium-Trägersubstrats zeigt, dessen Querschnitt in 11 gezeigt ist,
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13 ein Diagramm zeigt, das den Bereich der Ausgangsspannung der in der Vorrichtungsschicht gebildeten Wheatstone-Brücke als eine Funktion der Verlängerung der polygonförmigen Kavität zeigt, und
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14 ein Ablaufdiagramm eine Verfahrens zum Herstellen einer erfindungsgemäßen CSOI-MEMS-Druckerfassungsvorrichtung zeigt.
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Die 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Drucksensors 100 nach dem Stand der Technik. Der Drucksensor 100 weist ein Kunststoffgehäuse auf, das im Allgemeinen durch die Referenznummer 102 identifiziert ist.
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Das Gehäuse 102 weist einen rechteckig geformten Korpus 104 auf, in dem sich eine MEMS-Druckerfassungsvorrichtung 204 befindet, wie sie in der 2 gezeigt ist. Fluiddruck (flüssig oder gasförmig) wird auf die MEMS-Druckerfassungsvorrichtung 204 über einen Anschluss 106 aufgebracht, der sich, wie gezeigt, von der Außenseite des Gehäuses 102 zu einer Kavität (nicht dargestellt) im Inneren des Gehäuses 102 erstreckt.
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Die MEMS-Druckerfassungsvorrichtung 204 im Gehäuse 102 übersetzt Änderungen im Fluiddruck in eine (elektrische) Spannung, die über elektrische Verbinder 108 bezogen wird, die sich im Inneren eines im Allgemeinen röhrenförmigen Anschlusses oder Durchgangswegs 110 befinden, der sich vom Gehäuse 102 nach außen erstreckt. Mit anderen Worten ausgedrückt erzeugt ein auf die MEMS-Druckerfassungsvorrichtung 204 im Inneren des Gehäuses 102 über den Anschluss 106 aufgebrachter Druck eine messbare Ausgangsspannung an den Verbindungsanschlüssen 108, die sich im Inneren eines offenen Endes des Durchgangswegs 110 des Gehäuses 102 befinden.
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Die 2 ist eine Querschnittsdarstellung des Drucksensors 100 der 1. Das in den Anschluss 106 gelangende Fluid 201 bringt einen Druck 202 auf die MEMS-Druckerfassungsvorrichtung 204 auf, die sich im Inneren einer Vertiefung 206 im Inneren des Gehäuses 102 befindet. Der Druck 202 und jegliche Änderung davon wird durch eine Spannungsänderung detektiert, die von einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) 208 gemessen wird, die mit der MEMS-Druckerfassungsvorrichtung 204 über dünne Bonddrähte 210 verbunden ist. Die elektrischen Signale, die Druckänderungen darstellen, werden von der ASIC 208 über andere Bonddrähte 212 zu einem Pin 214 übertragen, der sich in eine Kavität 216 erstreckt und über den Verbindungen zum Fahrzeug erfolgen können.
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3 ist eine vergrößerte Ansicht der Innenseite der Vertiefung 206, die die MEMS-Druckerfassungsvorrichtung 204, eine benachbarte ASIC 208 und Zwischenverbindungen genauer darstellt, die durch sich zwischen der MEMS-Druckerfassungsvorrichtung 204 und der ASIC 208 erstreckende Bonddrähte 210 bereitgestellt werden. Die MEMS-Druckerfassungsvorrichtung 204 und die ASIC 208 werden an einem Substrat 302 durch eine Klebeschicht 304 befestigt.
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Die MEMS-Druckerfassungsvorrichtung 204 weist typischerweise ein Glassubstrat 306 auf, auf dem sich ein Silizium-Substrat 308 befindet. Das Silizium-Substrat 308 wird, wie es in den oben aufgeführten und hierin durch Bezugnahme aufgenommenen Druckschriften beschrieben ist, verarbeitet und anodisch gebondet, um eine luftleere Kavität 310 bereitzustellen, auf der sich eine Membran 312 befindet.
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Die Membran 312 wird in örtlich begrenzten Bereichen unter Verwendung bekannter Prozesse zum Bilden von Piezowiderständen (in der 3 nicht dargestellt) „dotiert“. Die Piezowiderstände sind in einer Wheatstone-Brückentopologie miteinander verbunden. Membrandurchbiegungen bewirken, dass sich die Werte der Piezowiderstände ändern. Wenn sich diese Werte ändern, ändert sich entsprechend die Spannung, die von der Wheatstone-Brücke ausgegeben wird.
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Die 4 zeigt eine von Piezowiderständen gebildete Wheatstone-Brückenschaltung 400, die vier Piezowiderstände 402, 404, 406, 408 aufweist. Sie gelten hier als nahtlos und wie dargestellt miteinander verbunden.
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Zwei gegenüberliegende Knoten 410 und 412 gelten als Eingangsknoten. Eine Eingangsspannung über den Eingangsknoten 410 und 412 kann über die anderen gegenüberliegenden Ecken bzw. Knoten 414 und 416 hinweg gemessen werden, die als Ausgangsknoten gelten.
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Falls sich die Werte irgendeines der Widerstände der Wheatstone-Brückenschaltung 400 ändern, wie es geschieht, wenn sich die physikalische Größe der Widerstände mit der Membrandurchbiegung ändert, wird sich die Spannung an den Ausgangsknoten 414 und 416 ebenfalls ändern. Änderungen der Widerstände der Piezowiderstände, die in der Membran 312 einer MEMS-Druckerfassungsvorrichtung gebildet sind, können bewirken, dass sich eine Ausgangsspannung der Wheatstone-Brückenschaltung entsprechend ändert.
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Die 5 stellt ein Diagramm 500 dar, das eine idealisierte lineare Ausgangsspannung 502 als eine Funktion des Eingangsdrucks 504 auf eine MEMS-Druckerfassungsvorrichtung zeigt. Die 5 zeigt außerdem eine Darstellung einer tatsächlichen Ausgangsspannung 506 als eine Funktion des Eingangsdrucks 504. Wie der 5 zu entnehmen ist, ist die tatsächliche Ausgangsspannung 506 von einem MEMS-Druck nicht linear. Ein Gesamtmessbereich (Full Scale Span, FSS) 508 ist die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Spannungsausgaben V1 und V2, die beim niedrigsten Druck P1 und dem höchsten Druck P2 erfasst werden. Die Abweichung 507 ist der Wert, der durch Subtraktion einer idealisierten linearen Spannungsausgabe 502 von einer realen Ausgangsspannung 506 bei einem Druckpegel im Druckbereich von P1 bis P2 ermittelt wird. Die maximale Abweichung im Druckbereich wird als Δmax 507 definiert. Eine Drucknichtlinearität bzw. PNL 510 wird als Δmax 507 dividiert durch den Gesamtbereich (FSS) 508 definiert. Die PNL der MEMS-Druckerfassungsvorrichtung wird üblicherweise als Prozentsatz des Gesamtbereichs ausgedrückt. Es ist allgemein bekannt, dass sich die PNL 510 erhöht, wenn die Membrandurchbiegung zunimmt.
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Die Empfindlichkeit der MEMS-Druckerfassungsvorrichtung wird durch die Messbereichsspannung 508 dargestellt, die der Fachmann als die Differenz der Ausgangsspannungen V1 und V2 über einen Druckbereich P1 P2 hinweg erkennen werden.
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Die 6 zeigt eine Querschnittsansicht einer Cavity-Silicon-On-Insulator(CSOI)-MEMS-Druckerfassungsvorrichtung 600 im Querschnitt gezeigt. Die CSOI-MEMS-Druckerfassungsvorrichtung 600, die durch auf einem Isolator angebrachtes Silizium mit einer Kavität gekennzeichnet ist, weist eine „verlängerte, flache, polygonförmige Kavität (bzw. Ausnehmung)“ 602 auf, die in einer Oberseite 604 eines Trägersubstrats 606 gebildet ist, das aus einkristallinem Silizium hergestellt ist.
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Die Oberseite 604 des Silizium-Trägersubstrats 606 ist mit einer Unterseite 608 einer dünnen Silizium-Dioxid-Schicht 610 schmelzverbunden, was hierin als „eingebettet“ bezeichnet wird.
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Die eingebettete Silizium-Dioxid-Schicht 610 weist zwei gegenüberliegende Oberflächen oder Seiten auf, die hier willkürlich als obere und untere Oberflächen oder Seiten bezeichnet werden. Die Unterseite 608 ist mit der Oberseite 604 des Silizium-Trägersubstrats 606 schmelzverbunden.
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Die Oberseite 614 der eingebetteten Silizium-Dioxid-Schicht 610 wird durch Schmelzverbinden an einer dünnen Silizium-„Vorrichtungsschicht“ 616 befestigt. Die Vorrichtungsschicht 616 wird deshalb so genannt, weil diese in örtlich begrenzten Bereichen zum Bilden der Piezowiderstände 618 selektiv dotiert ist. Die Piezowiderstände, die in einer Wheatstone-Brückentopologie verschaltet bzw. verbunden sind, befinden sich bevorzugt in der Nähe der äußeren Kanten 620 der verlängerten, flachen polygonförmigen Kavität 602, wo die Durchbiegung der Vorrichtungsschicht 616 durch einen darauf aufgebrachten Druck die Verformung der Piezowiderstände 618 maximiert und somit die größte Änderung der Spannung bewirkt, die dann von der gebildeten Wheatstone-Brücke ausgegeben werden kann.
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Die 7A ist eine perspektivische Ansicht des Silizium-Trägersubstrats 606. Eine X- oder kreuzförmige Ausnehmung 602 ist in der Oberseite 604 zu erkennen. Diese Ausnehmung 602 gilt hierin deshalb als eine „verlängerte, flach, polygonförmige Kavität“ 602, da diese relativ flach ist, wenn sie von der Oberseite 604 gemessen wird, und „Verlängerungen“ aufweist, die sich von einer im Wesentlichen quadratischen Zentralausausnehmung weg nach außen erstrecken.
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Die Kavität bzw. Ausnehmung 602 weist eine Tiefe 622 auf, die sich von der Oberseite 604 des Substrats 606 nach unten bis zur im Wesentlichen ebenen Unterseite 710 der Kavität 602 bemisst (siehe 6). Die Tiefe 622 der Kavität 602 liegt vorzugsweise zwischen ungefähr 5 µm und ungefähr 30 µm. Die Kavität 602 ist somit relativ flach, zumindest im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Tiefen von Kavitäten von MEMS-Druckerfassungsvorrichtungen, die ungefähr 400 µm betragen.
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Die in der 6 gezeigte eingebettete Silizium-Dioxid-Schicht 610 trennt das Trägersubstrat 606 elektrisch von der Vorrichtungsschicht 616, fungiert aber auch als eine Versteifung für die Vorrichtungsschicht 616, weil diese an der Vorrichtungsschicht 616 befestigt ist. Die Silizium-Dioxid-Schicht 610 ist daher vorzugsweise dünn, vorzugsweise zwischen ungefähr 0,1 µm und ungefähr 2,0 µm. Um die Durchbiegung und somit die Empfindlichkeit zu maximieren, ist die Vorrichtungsschicht 616 ebenfalls dünn, vorzugsweise mit einer Stärke zwischen ungefähr 2,0 µm und ungefähr 5,0 µm.
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Die 7B zeigt die verlängerter, flache, polygonförmige Kavität 602, die vorzugsweise unter Verwendung von reaktivem Ionentiefätzen (Deep Reactive-Ion Etching, DRIE) gebildet wird, da DRIE im Stande ist, nahezu vertikale Seitenwandungen herzustellen und die Ätzgeschwindigkeit schneller ist als die des reaktiven Ionenätzens (Reactive-Ion Etching, RIE). Nassätzen, wie z. B, Kaliumhydroxid(KOH) Ätzen, kann ebenfalls verwendet werden, obwohl dabei die Kavitätswandungen etwas geneigt sein können, was aber die Matrizengröße ansonsten nicht sehr erhöht, weil die Kavität flach ist. Die Kavität 602 gilt hier als eine Form, die im Wesentlichen die gleiche ist wie zwei im Wesentlichen rechteckige Kavitäten 704 und 706 mit der im Wesentlichen gleichen Tiefe, die sich an oder in der Nähe ihrer Mittelpunkte 708 „kreuzen“ oder schneiden. Die gekreuzten rechteckigen Kavitäten 704, 706 definieren somit eine Form, die im Wesentlichen dem arabischen Buchstaben „X“ oder einem Kreuz (+) ähnelt bzw. an diese erinnert. Die Kavität 602 gilt hier auch als eine „polygonförmige“ Kavität, da ihre Form (in Draufsicht) im Wesentlichen ein Polygon ist, das allgemeinals eine geschlossene ebene Figur bekannt ist, die durch gerade Linien begrenzt wird. Die hier gezeigte und beanspruchte polygonförmige Kavität 602 weist eine Form auf, die zu den Formen von Kavitäten oder Aussparungen verschieden ist, die in MEMS-Druckerfassungsvorrichtung nach dem Stand der Technik verwendet werden.
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Die Kreuzung der zwei rechteckigen Kavitäten 704, 706 definiert einen im Wesentlichen quadratischen, mittig liegenden gemeinsamen Teil 710. Die rechteckigen Kavitäten 704 und 706 erstrecken sich außerdem jeweils vom quadratischen Teil 710 aus mit geringen Längen und in entgegengesetzte Richtungen 712, 714 und 716, 718 nach außen. Die sich über den quadratischen gemeinsamen Teil 710 erstreckenden Verlängerungen der rechteckigen Kavitäten sind vorbestimmt und sind in der 7B mit den Bezugsziffern 720 und 722 gekennzeichnet. Die Längen 720 und 722, um die sich die rechteckigen Kavitäten jenseits des quadratischen Teils 710 oder daran vorbei erstrecken, gelten hier als eine „Verlängerung“ der rechteckigen Kavitäten über den quadratischen gemeinsamen Teils 710 hinaus. Falls die Verlängerungen 720 und 722 gleich sind, ist das Kreuz symmetrisch. Falls nicht, ist das Kreuz asymmetrisch. Die Verlängerungen 720 und 722 weisen Kanten 724 auf, die die Enden der verlängerten, flachen, polygonförmigen Kavität 602 definieren.
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Die 8 zeigt eine Draufsicht auf die Vorrichtungsschicht 616. Die Vorrichtungsschicht 616 weist die Bondpads 800 auf, die durch Öffnen von dielektrischen Zwischenschichten (Interlevel Dielectric Layers, IDL) und Passivierschichten und durch Abscheiden von Metall, wie beispielsweise Aluminium, auf den örtlich begrenzten dotierten leitfähigen Flächen 801 der Vorrichtungsschicht 616 gebildet werden. Die leitfähigen Bondpads 800 werden mittels Leiterbahnen 804 mit den Piezowiderständen 802 und den leitfähigen Flächen 801 unterhalb den Bondpads 800 elektrisch verbunden. Sowohl die Piezowiderstände 802 als auch die leitfähigen Flächen 801 und die Leiterbahnen 804 werden durch Dotierung der oberen Oberfläche der Vorrichtungsschicht 616 unter Verwendung von Prozessen gebildet, die dem Fachmann allgemein bekannt sind.
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In der 8 kennzeichnet die gestrichelte Linie 810 eine Umrisslinie der verlängerten, flachen, polygonförmigen Kavität 602 auf der Oberseite des Trägersubstrats 606, die unterhalb der Vorrichtungsschicht 616 liegt. Die quadratische oder im Wesentlichen quadratische Linie 812 zeigt die Grenzen des im Wesentlichen quadratischen gemeinsamen Teils der Kavität 602.
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Die in der Vorrichtungsschicht 616 gebildeten Piezowiderstände 802 befinden sich in der Vorrichtungsschicht 616 oberhalb der Verlängerungen 722 der Kavität 602. Sie befinden sich für höchste Empfindlichkeit vorzugsweise in der Nähe der Kanten 724 der Verlängerungen.
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Eine oberhalb der verlängerten, flachen, polygonförmigen Kavität 602 angeordnete Membran 810 wird durch denjenigen Teil der Vorrichtungsschicht 616 definiert, der sich direkt über der Kavität 602 befindet. Die Membran 810 wird folglich auch von der gestrichelten Linie 810 angezeigt.
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Die 9 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Silizium-Trägersubstrats 900. Die Oberseite 902 des Silizium-Trägersubstrats 900 wird mit einer verlängerten, flachen, polygonförmigen Kavität 904 bereitgestellt, die sich von dem in der 7A gezeigten Trägersubstrat durch die Bildung von konkaven Radien 906 unterscheidet, wo sich die benachbarten Ecken 908 der gekreuzten rechteckigen Kavitäten befinden würden.
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Die 10 zeigt eine Draufsicht auf die Vorrichtungsschicht 1000, die über dem in der 9 gezeigten Trägersubstrat 900 gebildet wird. Wie bei der in der 8 gezeigten Vorrichtungsschicht werden die Piezowiderstände 1002 in der Nähe der Kanten 1004 der Verlängerungen 910 der Kavität 904 gebildet. Eine Computermodellierung der CSOI-MEMS-Druckerfassungsvorrichtung, die unter Verwendung des in der 9 gezeigten Substrats gebildet wurde, zeigte, dass sich der Spannungsbereich von ungefähr 87 Millivolt [mV] auf ungefähr 93 Millivolt [mV] erhöht hat. Die in den 9 und 10 gezeigte alternative Ausführungsform weist somit einen gewissen verbesserten maximalen Spannungsbereich auf.
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Die 11 zeigt eine Querschnittsdarstellung 1101 einer CSOI-MEMS-Druckerfassungsvorrichtung 1100, die zum Erfassen von Druckunterschieden ausgebildet ist. Die Membran 1101 besteht aus dem Teil einer Vorrichtungsschicht 1116 und einer eingebetteten Silizium-Dioxid-Schicht, die sich oberhalb einer verlängerten, flachen, polygonförmigen Kavität 1108 befinden. Die Vorrichtungsschicht 1116 und die eingebettete Silizium-Dioxid-Schicht befinden sich auf einer oberen Oberfläche 1110 eines Trägersubstrats 1102.
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Die Substratschicht 1102 wird mit einem Durchgangsloch 1104 bereitgestellt, das sich von der Unterseite 1106 des Trägersubstrats 1102 zur verlängerten, flachen, polygonförmigen Kavität 1108 erstreckt, die in der oberen Oberfläche 1110 des Trägersubstrats gebildet ist. Das Durchgangsloch 1104 ermöglicht es einem Fluid (flüssig oder gasförmig), Druck auf die Rückseite oder die Unterseite der Membran aufzubringen. Eine piezoresistive Wheatstone-Brückenschaltung 1112, die in der oberen Oberfläche 1114 der Vorrichtungsschicht 1116 gebildet ist, kann eine Ausgangsspannung erzeugen, die proportional zur Differenz der Drücke ist, die auf die Oberseite und die Unterseite der Membran 1101 aufgebracht werden bzw. darauf einwirken.
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Die 12 ist eine perspektivische Ansicht des Trägersubstrats 1102, das das untere Substrat der CSOI-MEMS-Druckerfassungsvorrichtung 1100 darstellt und das die Größe und Form der in der 11 gezeigten Membran 1101 aufweist. Eine verlängerte, flache, polygonförmige Kavität 1108 weist in der Nähe der Ecken konkave Radien 1204 auf, wo sich zwei rechteckige Kavitäten schneiden würden. Das Durchgangsloch 1104 erstreckt sich von der unteren Oberfläche 1106 in die Kavität 1108.
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Die 13 zeigt, dass die Abmessungen der Verlängerungen der rechteckigen Kavitäten zum Erzeugen eines maximalen Ausgangsspannungsbereichs optimiert werden können. Die Verlängerungen der rechteckigen Kavitäten sind, wie oben beschrieben wird, als die Längen über den gemeinsamen Teil hinaus definiert. Computermodellierungen zeigten, dass die Verlängerungen der Kavitäten um ungefähr 50 Mikrometer [µm] von einer quadratischen Membran von 200 Mikrometer [µm] × 200 Mikrometer [µm] den Ausgangsspannungsbereich auf ungefähr 87 Millivolt [mV] maximierten. Eine weitere Verlängerung erhöht den Bereich nicht, sondern reduziert den Bereich bei mehr Beschränkungen auf der schmalen Verlängerungsfläche. Außerdem verbessert eine Eckrundung den Bereich geringfügig um ungefähr 7 % auf ungefähr 94 Millivolt [mV].
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Die 14 zeigt ein Ablaufdiagram eines Verfahrens 1400 zum Herstellen einer oben beschriebenen und in den Zeichnungen näher gezeigten CSOI-MEMS-Druckerfassungsvorrichtungen. Das Verfahren 1400 umfasst das Züchten einer thermischen Oxidschicht auf einer Seite eines Silizium-Vorrichtungssubstrats 1402. Ein Silizium-Trägersubstrat wird im Schritt 1404 geätzt, vorzugsweise durch reaktives Ionentiefätzen (DRIE), da DRIE eine Kavität bildet, deren Seitenwandungen relativ vertikal bzw. gerade sind und die Ätzgeschwindigkeit schneller ist als beim reaktiven Ionenätzen (RIE).
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Nachdem das Silizium-Trägersubstrat zum Bilden einer verlängerten, flachen, polygonförmigen Kavität geätzt worden ist, wird das Trägersubstrat im Schritt 1406 mit dem Silizium-Vorrichtungssubstrat schmelzverbunden, wobei sich die thermische Oxidschicht dazwischen angeordnet befindet. Die thermische Oxidschicht gilt somit als zwischen dem Trägersubstrat und dem Silizium-Vorrichtungssubstrat, auf dem die Oxidschicht gezüchtet wurde, „eingebettet“.
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Nachdem das Silizium-Vorrichtungssubstrat und die eingebettete Oxidschicht an das Trägersubstrat gebondet worden sind, wird das Vorrichtungssubstrat im Schritt 1408 geätzt oder zu einer dünnen Schicht gestreckt, wobei daraufhin die Piezowiderstände, leitfähige Flächen, Leiterbahnen und Bondpads im Schritt 1410 auf der oberen Oberfläche der Vorrichtungsschicht gebildet werden.
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Der Fachmann wird erkennen, dass sämtliche hierein beschriebene Merkmale nicht in Kombination sondern getrennt voneinander offenbart sind. Die vorhergehende Beschreibung dient außerdem lediglich der Veranschaulichung. Der wahre Schutzbereich der Erfindung wird in den nachstehenden Ansprüchen dargelegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4236137 A [0002]
- US 5178016 A [0002]
- US 6093579 A [0002]
- US 8881596 B2 [0002]
- US 2015/0330856 A1 [0003]
