DE102018111079A1

DE102018111079A1 - Mikromechanischer sensor und verfahren zum herstellen eines mikroelektromechanischen sensors

Info

Publication number: DE102018111079A1
Application number: DE102018111079.0A
Authority: DE
Inventors: Dirk Meinhold; Steffen Bieselt; Erhard Landgraf
Original assignee: Infineon Technologies Dresden GmbH and Co KG
Current assignee: Infineon Technologies Dresden GmbH and Co KG
Priority date: 2018-05-08
Filing date: 2018-05-08
Publication date: 2019-11-14
Anticipated expiration: 2038-05-09
Also published as: US10961116B2; CN110451451A; DE102018111079B4; CN110451451B; US20190345027A1

Abstract

Ein mikroelektromechanischer Sensor umfasst ein erstes Substrat (202), das ein Element (210) aufweist, das im Hinblick auf das erste Substrat (202) beweglich ist, und ein zweites Substrat (204), das eine erste Kontaktanschlussfläche (206; 506) und eine zweite Kontaktanschlussfläche (208; 508) aufweist. Das erste Substrat (202) ist derart an das zweite Substrat (204) gebondet, dass eine Bewegung des Elements (210) eine Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche (206; 506) und der zweiten Kontaktanschlussfläche (208; 508) verändert.

Description

Beispiele beziehen sich auf mikroelektromechanische Sensoren und Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Sensors.
HINTERGRUND
Mikroelektromechanische Sensoren umfassen üblicherweise ein mikroelektromechanisches Element, das unter Verwendung von Halbleiterprozessen strukturiert wird. Das mikroelektromechanische Element kann beispielsweise im Fall von Drucksensoren oder Mikrofonen eine Membran (Drucksensorfilament) sein. Beschleunigungssensoren können beispielsweise bewegliche träge Massen als ein mikroelektromechanisches Element umfassen. Üblicherweise dient das mikroelektromechanische Element als eine Elektrode, die relativ zu einer Gegenelektrode beweglich ist, sodass eine Kopplungsstärke zwischen den beiden Elektroden gemessen werden kann, um die relative Bewegung zwischen den beiden Elektroden zu bestimmen. Eine Koppelung kann z.B. kapazitiv oder induktiv sein. Die von dem mikroelektromechanischen Sensor zu erfassende physikalische Größe wird üblicherweise aus der Koppelung hergeleitet, die zwischen den zwei Elektroden gemessen wird. Um die Kopplung zu messen, müssen die Elektrode des mikroelektromechanischen Elements und die Gegenelektrode, die üblicherweise fest und nicht beweglich ist, kontaktiert werden. Dies kann zu einer erheblichen Konstruktionskomplexität hinsichtlich Entwurf und Technologie führen. Somit kann ein Bedarf danach bestehen, eine Komplexität bei dem Herstellen mikroelektromechanischer Sensoren zu reduzieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Sensors umfasst ein erstes Substrat, das ein Element aufweist, das im Hinblick auf das erste Substrat beweglich ist, und ein zweites Substrat, das eine erste Kontaktanschlussfläche und eine zweite Kontaktanschlussfläche aufweist. Das erste Substrat ist derart an das zweite Substrat gebondet, dass eine Bewegung des Elements eine Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche und der zweiten Kontaktanschlussfläche verändert. Ein Erzeugen des Elements, das im Hinblick auf das erste Substrat beweglich ist, während auf dem zweiten Substrat zwei feste Kontaktanschlussflächen vorhanden sind, kann es erlauben, ein direktes Kontaktieren des beweglichen mikroelektromechanischen Elements zu vermeiden, wenn das erste Substrat und das zweite Substrat mit einer relativen Ausrichtung aneinander gebondet sind, die dazu führt, dass eine Bewegung des Elements die Kopplung zwischen den zwei Kontaktanschlussflächen verändert. Dies kann zu einer erheblichen Verringerung der Entwurfs- und Herstellungskomplexität von mikroelektromechanischen Sensoren führen. Insbesondere kostspielige und empfindliche Bonden-Prozesse und Kontaktierungsschemas zwischen den zwei Substraten können vermieden werden, wie beispielsweise die Verwendung von Silizium-Durchkontaktierungen (TSV; through silicon vias) oder von Hybridbonden. Insbesondere wenn das erste und zweite Substrat durch unterschiedliche Prozesse erzeugt werden, können Einsparungen erheblich sein, da das erste Substrat, das das bewegliche Element bereitstellt, unabhängig von dem zweiten Substrat, das die Kontaktanschlussflächen und mögliche weitere Ausleseschaltungsanordnungen umfasst, entworfen und hergestellt werden kann. Während der Herstellung des mikroelektromechanischen Sensors muss möglicherweise kein elektrischer Kontakt für das Element zwischen den zwei Substraten hergestellt werden.
Ausführungsbeispiele von Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Sensors können eine Verringerung der Kosten und Komplexität bereitstellen. Ausführungsbeispiele von Verfahren weisen ein Erzeugen eines Elements innerhalb eines ersten Substrats auf, wobei das Element im Hinblick auf einen Körper des ersten Substrats beweglich ist. Das Verfahren umfasst ferner ein Bereitstellen einer ersten Kontaktanschlussfläche und einer zweiten Kontaktanschlussfläche auf einer Oberfläche eines zweiten Substrats. Gemäß den Ausführungsbeispielen ist das erste Substrat derart an das zweite Substrat gebondet, dass das Element der ersten und zweiten Kontaktanschlussfläche gegenüber eines Hohlraums zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat zugewandt ist.
Figurenliste
Nachfolgend werden einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren ausschließlich beispielhaft und Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, welchen gezeigt ist:

1 ein Beispiel für eine herkömmliche Implementierung;
2 ein Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Sensors;
3 ein Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Sensors, wobei eine Distanz zwischen einem beweglichen Element und einer Kontaktanschlussfläche variabel ist;
4 ein Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Sensors, wobei ein Überlappen zwischen einem beweglichen Element und einer Kontaktanschlussfläche variabel ist;
5 ein Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Sensors, der für differenzielle Ausleseschaltungsanordnungen geeignet ist;
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Sensors, der für eine Vollbrücken-Ausleseschaltung geeignet ist;
7 ein Ausführungsbeispiel einer Vollbrücken-Ausleseschaltung für das Ausführungsbeispiel von 6;
8 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Sensors;
9 zwei Ausführungsbeispiele eines mikroelektromechanischen Sensors, die es erlauben, das Potential des ersten Substrats zu steuern; und
10 zwei Ausführungsbeispiele eines mikroelektromechanischen Sensors, die es erlauben, eine Bewertungsschaltung innerhalb des zweiten Substrats von einer Rückseite des ersten Substrats aus zu kontaktieren.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Figuren können die Dickenabmessungen von Linien, Schichten und/oder Regionen der Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt 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 oder ähnliche 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, sofern dies nicht explizit oder implizit anderweitig angegeben ist. Eine alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen ist „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“. Das Gleiche gilt, mutatis mutandis, 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 schematisch ein Beispiel für eine herkömmliche Implementierung einer Elektrode 110 eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS; micro-electro-mechanical system) dar, das im Hinblick auf eine feste Gegenelektrode 120 beweglich ist. Bei dem in 1 dargestellten Beispiel wird eine kapazitive Kopplung zwischen der beweglichen Elektrode 110 und der festen Elektrode 120 ausgewertet, um auf eine relative Bewegung zwischen der beweglichen Elektrode 110 und der festen Elektrode 120 zu schließen. Die relative Bewegung kann beispielsweise ausgewertet werden, um ein Mikrofonsignal in einem MEMS-Mikrofon bereitzustellen oder um eine Beschleunigung in einem Trägheitssensor herzuleiten. Um die Kopplung zu bestimmen, werden sowohl die bewegliche Elektrode 110 als auch die feste Gegenelektrode 120 kontaktiert. Bei typischen Implementierungen wird die sich bewegende Elektrode 110 gemäß einem mikroelektromechanischen Prozess hergestellt. Ein mikroelektromechanischer Prozess (MEMS-Prozess) soll als jeglicher Prozess zu verstehen sein, der auch zum Strukturieren von Halbleitersubstraten, um eine mechanisch wirkende Struktur zu erzeugen, verwendet wird. Das Substrat der festen Elektrode 120 weist üblicherweise auch eine Signalbewertungsschaltungsanordnung auf, die die Ergebnisse der Messung der kapazitiven Kopplung weiter auswertet, um Informationen über eine von dem MEMS-Sensor bestimmte physikalische Größe herzuleiten. Beispielsweise kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC = Application Specific Integrated Circuit) oder ein feld-programmierbares Gate-Array (FPGA = Field-Programmable Gate Array) als Teil der Bewertungsschaltungsanordnung verwendet werden, um die Schwankung der kapazitiven Kopplung zu bewerten. Bei einer solchen Kombination werden das erste Substrat und das zweite Substrat unter Verwendung unterschiedlicher Prozesse erzeugt (z.B. ein MEMS-Prozess für das erste Substrat und ein komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter, CMOS (complementary metaloxid-semiconductor), für das zweite Substrat), sodass beide Substrate nicht gemeinsam erzeugt werden können, was eine kostspielige und komplexe Übertragung von elektrischen Kontakten von dem Substrat, das die beweglichen Elektrode 110 aufweist, auf das Substrat, das die feste Gegenelektrode 120 bereitstellt, erfordert. Es kann vorteilhaft sein, solche Zwischen-Substrat-Verbindungen bei mikroelektromechanischen Sensoren zu vermeiden.
2 stellt einen ersten Querschnitt eines Teils eines Ausführungsbeispiels eines mikroelektromechanischen Sensors dar, während 3 einen weiteren Querschnitt des mikroelektromechanischen Sensors sowie eine Draufsicht von sowohl dem ersten Substrat 202 als auch dem zweiten Substrat 204 darstellt. Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 weist das erste Substrat 202 ein Element 210 auf, das im Hinblick auf das erste Substrat 202 beweglich ist. Beispielsweise kann das Element 210 innerhalb des ersten Substrats 202 mittels mikroelektromechanischer Strukturierung erzeugt werden. Um im Hinblick auf das erste Substrat 202 beweglich zu sein, kann das Element 210 beispielsweise im Hinblick auf das erste Substrat 202 mittels einer Brücke 211 aus Halbleitermaterial, dielektrischem Material oder einer Kombination derselben drehbar befestigt sein. Die Brücke 211 kann während dem Ausheben des Elements 210 aus dem ersten Substrat 202 gemäß konventionellen Prozessen erzeugt werden. Die Brücke 211 von 2 ist nur als ein bestimmtes Beispiel dafür zu verstehen, wie eine relative Bewegung zwischen zumindest Teilen des Elements 210 und dem ersten Substrat 202 hergestellt werden kann, während das erste Substrat 202 noch eine Stützung für das Element 210 bereitstellt. Weitere Ausführungsbeispiele können beliebige andere Mechanismen oder Strukturen verwenden, die dazu führen, dass ein Element 210 im Hinblick auf das erste Substrat 202 beweglich ist. Beispielsweise können die Verbindungen mit dem Substrat, die das Scharnier bilden, sich auch nur in der Ebene des Elements erstrecken, um das Element mit dem Substrat seitlich zu verbinden. Ein Element 210, das im Hinblick auf das erste Substrat 202 beweglich ist, ist als ein Element zu verstehen, das zumindest einen Abschnitt aufweist, der eine relative Bewegung im Hinblick auf das erste Substrat 202 ausführt. Bei dem in den 2 und 3 dargestellten Beispiel führen die Abschnitte des Elements 210, die von der Brücke 211 beabstandet sind, eine relative Bewegung im Hinblick auf das erste Substrat 202 entlang einer vertikalen Richtung 214 aus.
Ein zweites Substrat 204 weist eine erste Kontaktanschlussfläche 206 und eine zweite Kontaktanschlussfläche 208 auf. Das erste Substrat 202 und das zweite Substrat 204 sind in einer so relativen Ausrichtung aneinander gebondet, dass eine Bewegung des Elements 210 eine Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche 206 und der zweiten Kontaktanschlussfläche 208 verändert. Wenn beispielsweise die Distanz zwischen dem Element 210 und den Kontaktanschlussflächen 206, 208 verringert ist, koppelt die erste Kontaktanschlussfläche 206 stärker an das Element 210 und auch die zweite Kontaktanschlussfläche 208 kann stärker an das Element 210 koppeln. Durch die duale, gegenseitige Kopplung koppelt die erste Kontaktanschlussfläche 206 via das Element 210 an die zweite Kontaktanschlussfläche 208, da das Element 210 sowohl der ersten Kontaktanschlussfläche 206 und der zweiten Kontaktanschlussfläche 208 gegenüber eines Hohlraums 230, der zwischen den Kontaktanschlussflächen und dem Element 210 ausgebildet ist, zugewandt ist. Aufgrund der Funktionalität der Kontaktanschlussflächen um die Kopplung zu messen, können die Kontaktanschlussflächen hierin auch als Elektroden bezeichnet werden. Durch die indirekte Kopplung zwischen den Kontaktanschlussflächen via das Element 210 kann ein direktes Verbinden des Elements 210 des ersten Substrats 202 mit einer Kontaktanschlussfläche des zweiten Substrats 204 vermieden werden, während gleichzeitig ein Bestimmen einer Bewegung oder Verschiebung des Elements 210 erlaubt ist.
Um eine gute indirekte Kopplung zu erreichen, weisen einige Ausführungsbeispiele eine leitfähige Oberfläche 212 an dem Element auf, wobei die leitfähige Oberfläche der ersten Kontaktanschlussfläche 206 und der zweiten Kontaktanschlussfläche 208 gegenüber des Hohlraums 230 zugewandt ist. Die kontaktierte leitfähige Oberfläche 212 kann die Ladungsträgermobilität erhöhen, um eine gute Antwort zu erlauben und um eine Empfindlichkeit gegenüber einer relativen Verschiebung des Elements 210 im Hinblick auf die Kontaktanschlussflächen 206 und 208 zu erhöhen. Die leitfähige Oberfläche 212 kann durch beliebige Prozesse erreicht werden, die zu leitfähigen Oberflächen gelangen, wie z.B. ein Implantieren von Dotierstoffen in ein Halbleitersubstrat oder ein Aufbringen einer Metallisierung oder ähnlichem Während das in den 2 und 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eine Konfiguration darstellt, bei der eine Bewegung des Elements 210 eine Distanz zwischen dem Element 210 und zumindest einer der ersten Kontaktanschlussfläche 206 und der zweiten Kontaktanschlussfläche 208 verändert, sind beliebige andere Konfigurationen umsetzbar, die im Falle einer Bewegung des Elements 210 zu einer Veränderung der Kopplung zwischen den zwei Kontaktanschlussflächen führen. Ein Beispiel, bei dem eine laterale Bewegung des Elements 210 eine Kopplung zwischen zwei Kontaktanschlussflächen ändert, wird anschließend Bezug nehmend auf das Ausführungsbeispiel von 4 beschrieben werden.
Das Ausführungsbeispiel der 2 und 3 erlaubt ein effizientes Fertigen eines mikroelektromechanischen Sensors, umfassend eine Signalbewertungsschaltungsanordnung 220, in das zweite Substrat 206, wie beispielsweise in 3 dargestellt ist. Die Signalbewertungsschaltungsanordnung 220 dient dazu, eine Veränderung der kapazitiven Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche 206 und der zweiten Kontaktanschlussfläche 208 zu messen und weiter einen Messwert für eine physikalische Größe basierend auf der gegenwärtig gemessenen Kopplung zu berechnen. Beispielsweise verändert bei einem Trägheitssensor die Beschleunigung des Sensorelements in die vertikale Richtung 214 die kapazitive Kopplung zwischen den Kontaktanschlussflächen, was es erlaubt, die angewendete Kraft oder Beschleunigung zu berechnen. Die Signalbewertungsschaltungsanordnung kann durch irgendeine herkömmliche Struktur implementiert sein, die es erlaubt, Berechnungen durchzuführen, wie zum Beispiel mittels einer ASIC oder eines FPGAs. Beispielsweise kann ein CMOS-Prozess verwendet werden, um die Signalbewertungsschaltungsanordnung 220 derart innerhalb des zweiten Substrats 204 zu erzeugen, dass die Signalbewertungsschaltungsanordnung 220 monolithisch innerhalb des zweiten Substrats 204 integriert ist.
Die Verwendung eines Ausführungsbeispiels eines mikroelektromechanischen Sensors kann es daher erlauben, das erste Substrat 202, das die elektromechanische Struktur umfasst, und das zweite Substrat 204, das eine Bewertungsschaltungsanordnung oder Logik umfasst, getrennt herzustellen und die Substrate einfach mittels herkömmlicher Wafer-Bonden-Prozesse miteinander zu verbinden, um zu einem funktionalen mikroelektromechanischen Sensor zu gelangen, ohne dass zusätzliche komplexe und kostspielige Bonden-Prozesse erforderlich sind, um das Element 210 elektrisch zu kontaktieren.
4 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Sensors dar, wobei ein Überlappen zwischen einem beweglichen Element 310a und zumindest einer Kontaktanschlussfläche variabel ist. Bei dem Ausführungsbeispiel von 4 weist das erste Substrat 302 ein Element 310a auf, das im Hinblick auf das erste Substrat 302 in eine laterale Richtung 314 beweglich ist, die senkrecht zu der vertikalen Richtung 214 ist. Wie in 4 dargestellt ist, sind die erste Elektrode 306a und die zweite Elektrode 308a auf der Oberfläche des zweiten Substrats 304 so bereitgestellt, dass eine laterale Bewegung des Elements 310a eine laterale Überlappung des Elements 310a mit zumindest einer der Kontaktanschlussflächen 306a und 308a verändert. Die laterale Überlappung kann bestimmt werden, indem die Fläche des Elements 310a auf die Kontaktanschlussflächen 306a, 306b in die vertikale Richtung projiziert wird. Die Veränderung der lateralen Überlappung verändert wiederum die Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche 306a und der zweiten Kontaktanschlussfläche 308a. Während das Ausführungsbeispiel von 4 darstellt, wie eine laterale Überlappung verändert wird, können weitere Ausführungsbeispiele auch implementiert sein, um eine vertikale Überlappung eines Elements mit zumindest einer von zwei Kontaktanschlussflächen zu verändern.
Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst ferner eine zweite Gruppe von Komponenten, umfassend ein Element 310b, eine erste Kontaktanschlussfläche 306b und eine zweite Kontaktanschlussfläche 308b. Da die Funktionalität identisch mit der Funktionalität der Gruppe ist, die das Element 310a, die erste Kontaktanschlussfläche 306a und die zweite Kontaktanschlussfläche 308a umfasst, wird eine weitere detaillierte Beschreibung der zweiten Gruppe von Komponenten weggelassen. Es ist jedoch wichtig darauf hinzuweisen, dass die Geometrie so gewählt ist, dass sich bei einer Anwendung einer Kraft, die verursacht, dass sich beide Elemente 310a und 310b in eine Richtung bewegen, eine Kopplung zwischen den Kontaktanschlussflächen 306a und 308a sich entgegengesetzt zu der Kopplung zwischen den Kontaktanschlussflächen 306b und 308b verändert. Eine solche Konfiguration kann dazu geeignet sein, direkt zusammen mit einem Verstärker in einer Halbbrückenkonfiguration verwendet zu werden, um die Veränderung der Kopplung beider Gruppen von zusammenwirkenden Elementen gleichzeitig zu erfassen. Ein bestimmtes Beispiel für eine solche Konfiguration wird nachfolgend Bezug nehmend auf 6 und 7 beschrieben.
5 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Sensors dar, der für eine differenzielle Ausleseschaltungsanordnung geeignet ist, wobei sich ein Element 410 in vertikaler Richtung bewegt, um eine Distanz zwischen dem Element und den Kontaktanschlussflächen zu verändern. Die mikroelektromechanische Struktur des Ausführungsbeispiels von 5 entspricht der mikroelektromechanischen Struktur des Ausführungsbeispiels von 2 und 3. Die Kontaktanschlussflächen sind jedoch unterschiedlich auf der Oberfläche des zweiten Substrats 404 angeordnet, um das differenzielle Auslesen intrinsisch zu unterstützen. Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst zwei Paare von entsprechenden Kontaktanschlussflächen, für die eine gegenseitige Kopplung separat bestimmt werden kann. Ein erstes Paar wird durch eine erste Kontaktanschlussfläche 406 und zweite Kontaktanschlussfläche 408 gebildet. Das zweite Paar wird durch die zweite Kontaktanschlussfläche 408 und die dritte Kontaktanschlussfläche 414 gebildet. Die zweite Kontaktanschlussfläche 408 wird zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche 406 und der dritten Kontaktanschlussfläche 414 gemeinsam verwendet. Daher erstreckt diese sich zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche 406 und der dritten Kontaktanschlussfläche 414 in die laterale Richtung. Die relative Bewegung des Elements 410 im Hinblick auf das erste Substrat 402 und die Kontaktanschlussflächen 406, 408 und 414 auf der Oberfläche des zweiten Substrats 404 wird wie bei dem Ausführungsbeispiel der 2 und 3 erreicht, was mittels eines Scharniers ist, das aus einer Brücke 411 aus Halbleitermaterial, dielektrischem Material oder einer Kombination derselben gebildet ist.
Ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel von 4 verändert sich die kapazitive Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche 406 und der zweiten Kontaktanschlussfläche 408 einerseits und der dritten Kontaktanschlussfläche 414 und der zweiten Kontaktanschlussfläche 408 andererseits in entgegengesetzte Richtungen. Als eine Alternative zu der Elektrodenkonfiguration von 5 kann die zweite Kontaktanschlussfläche 408 auch in zwei getrennte Kontaktanschlussflächen aufgeteilt werden, wobei jede Kontaktanschlussfläche verwendet wird, um eine Kopplung zwischen einer der ersten Kontaktanschlussfläche 406 und der dritten Kontaktanschlussfläche 414 zu bestimmen. Eine solche Konfiguration wird nachfolgend in dem Ausführungsbeispiel von 6 dargestellt.
Zusätzlich zu den Ausführungsbeispielen, die Bezug nehmend auf die 2 bis 4 beschrieben sind, umfasst das Ausführungsbeispiel von 5 eine erste elektrisch leitfähige Abschirmstruktur 416, die die erste Kontaktanschlussfläche 406 umgibt. Ferner umgibt eine zweite elektrisch leitfähige Abschirmstruktur 418 die dritte Kontaktanschlussfläche 414. Die Abschirmstrukturen können geerdet sein. Ein Verwenden einer Abschirmstruktur, die mindestens eine der zwei Kontaktanschlussflächen, deren indirekte gegenseitige Kopplung ausgewertet wird, umgibt, kann die direkte Kopplung zwischen den Kontaktanschlussflächen verringern, was die Zuverlässigkeit und Empfindlichkeit des mikroelektromechanischen Sensors erhöhen kann. Verwendete elektrisch leitfähige Abschirmstrukturen können eine Kontaktanschlussfläche innerhalb einer Ebene, d.h. auf der Oberfläche des zweiten Substrats 404, oder in drei Dimensionen umgeben, wobei eine Wanne innerhalb des zweiten Substrats 404 gebildet ist.
6 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Sensors, der für eine Vollbrücken-Ausleseschaltung geeignet ist, dar.
Der mechanische Aufbau entspricht dem Ausführungsbeispiel, das in den 2 - 4 und 5 dargestellt ist. Das Ausführungsbeispiel von 6 umfasst jedoch vier Paare von Kontaktanschlussflächen, deren indirekte gegenseitige Kopplung ausgewertet wird. Ein erstes Paar besteht aus einer ersten Kontaktanschlussfläche 506 und einer zweiten Kontaktanschlussfläche 508 auf einer Oberfläche eines zweiten Substrats 504, die dem ersten Substrat 502 zugewandt ist. Ein zweites Paar besteht aus der dritten Kontaktanschlussfläche 510 und der vierten Kontaktanschlussfläche 512, ein drittes Paar besteht aus einer fünften Kontaktanschlussfläche 514 und einer sechsten Kontaktanschlussfläche 516 und ein viertes Paar besteht aus einer siebten Kontaktanschlussfläche 518 und einer achten Kontaktanschlussfläche 520. Eine erste Abschirmstruktur 522 umgibt die erste Kontaktanschlussfläche 502 und die fünfte Kontaktanschlussfläche 514. Eine zweite Abschirmstruktur 524 umgibt die dritte Kontaktanschlussfläche 510 und die siebte Kontaktanschlussfläche 518. Anders als bei dem Ausführungsbeispiel von 5 umfasst das Element 530 vier separate elektrisch leitfähige Oberflächenabschnitte 532a bis 532d, wobei jeder jeweils indirekt ein Paar entsprechender Kontaktanschlussflächen koppelt. Bei Bewegung des Elements 530 ändert sich die Kopplung von zwei Paaren entsprechender Kontaktanschlussflächen in die entgegengesetzte Richtung. Insbesondere verändert sich eine Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche 506 und der zweiten Kontaktanschlussfläche 508 entgegengesetzt zu einer Kopplung zwischen der dritten Kontaktanschlussfläche 510 und der vierten Kontaktanschlussfläche 512. Auf ähnliche Weise ändert sich eine Kopplung zwischen der vierten Kontaktanschlussfläche 514 und der fünften Kontaktanschlussfläche 516 entgegengesetzt zu einer Kopplung zwischen der siebten Kontaktanschlussfläche 518 und der achten Kontaktanschlussfläche 520. Aufgrund dieser Eigenschaft ist die Konfiguration, die in dem Ausführungsbeispiel von 6 dargestellt ist, intrinsisch dazu geeignet, mittels einer Vollbrücken-Ausleseschaltung ausgelesen zu werden, wie sie beispielsweise in 7 dargestellt ist.
7 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Vollbrücken-Ausleseschaltung für das Ausführungsbeispiel von 6 dar. Für die Vollbrücken-Ausleseschaltung wird ein differenzieller Verstärker 610 verwendet. Die Vollbrücken-Ausleseschaltung ist im Wesentlichen eine Kombination von zwei Halbbrücken-Auslesungen. Eine einzelne Halbbrücken-Auslesung verwendet nur einen der differenziellen Eingänge des Verstärkers 610. Da entsprechende Paare von Kontaktanschlussflächen die Kopplung bei Bewegung des Elements 530 in unterschiedliche Richtungen verändern, sind diese entsprechenden Paare intrinsisch für die Verwendung in Halbbrückenausleseschaltungen geeignet. Eine erste Halbbrücke 630 verwendet die Kontaktanschlussflächen 506, 508, 510 und 512. Die erste Kontaktanschlussfläche 506 und die dritte Kontaktanschlussfläche 510 sind mit einem Eingangsanschluss des Verstärkers 610 gekoppelt. Die zweite Kontaktanschlussfläche 508 ist mit einer ersten Versorgungsspannung 620 gekoppelt, und die vierte Kontaktanschlussfläche 512 ist mit einer zweiten Versorgungsspannung 622 gekoppelt, um den Aufbau der Halbbrücke 630 zu vervollständigen. Eine zweite Halbbrücke 640 vervollständigt den Vollbrücken-Aufbau und verwendet die Kontaktanschlussflächen 510, 512, 514 und 516 in einer ähnlichen Weise. Eine Verwendung einer Halbbrückenauslesung oder einer Vollbrückenauslesung zusammen mit hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen kann eine Empfindlichkeit der Schaltung erhöhen und eine Robustheit gegenüber externen elektrischen Feldern oder anderen störenden Einflüssen erhöhen.
Während die vorangehenden Ausführungsbeispiele zwei bestimmte mechanische Konfigurationen darstellen, können weitere Ausführungsbeispiele auf alternativen Konfigurationen basieren. Beispielsweise kann das Element eine träge Masse aus Monosilizium (monokristallines Silizium) bilden, die durch oxidierte Venezia-Kanäle (venetia channels) isoliert ist. Das Element kann eine träge Masse aus Monosilizium bilden, das durch separate Mittel aufgehängt ist (Scharnier, das durch einen definierten Bereich aus Halbleitermaterial oder dielektrischem Material gebildet ist). Das Element kann eine träge Masse aus Monosilizium bilden, die nicht isoliert ist, aber in elektrischem Kontakt mit dem ersten Substrat ist. Das Element kann von dem ersten Substrat durch einen p-n-Übergang isoliert sein. Das Element kann eine träge Masse bilden, die durch einen EPI-Poly-Prozess hergestellt wird. Die erste und zweite Kontaktanschlussfläche (Elektroden) können als eine Kammstruktur für einen Aufbau strukturiert sein, der ein Auslesen in der Ebene unterstützt. Das Element kann eine dünne, isolierte Poly/Metallelektrode umfassen, die eine leitfähige Oberfläche bildet. Mehrere Kontaktanschlussflächen können in unterschiedlichen Distanzen zu dem Element (z.B. in unterschiedlichen BEOL-Ebenen) erzeugt werden, um unterschiedliche Auslesemöglichkeiten (z.B. für x/y und z-Sensoren) zu erlauben. Das erste Substrat kann auf einem vorbestimmten Potential (Spannung) gehalten werden.
Während die vorangehenden Figuren einige Ausführungsbeispiele mikromechanischer Sensoren darstellen, stellt 8 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Sensors dar. Ein Herstellen eines mikroelektromechanischen Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein Erzeugen eines Elements 802 innerhalb eines ersten Substrats auf, wobei das Element im Hinblick auf einen Körper des ersten Substrats beweglich ist. Das bewegliche Element innerhalb des ersten Substrats kann unter Verwendung von herkömmlichen mikroelektromechanischen Prozessen oder Halbleiterstrukturierungsprozessen erzeugt werden. Ein Erzeugen des Elements innerhalb des ersten Substrats kann beispielsweise einen Prozessablauf umfassen, der mindestens eines von Venezia-Prozessen (venetia processes), Implantaten, tiefen Grabenätzungen, Grabenätzmasken und (trockenem) Abstreifen umfasst.
Das Verfahren umfasst ferner ein Bereitstellen 804 einer ersten Kontaktanschlussfläche und einer zweiten Kontaktanschlussfläche auf einer Oberfläche eines zweiten Substrats. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann ein Bereitstellen der ersten Kontaktanschlussfläche und der zweiten Kontaktanschlussfläche optional ein Bilden einer Aussparung in einer Oberfläche des zweiten Substrats und ein Erzeugen der ersten Kontaktanschlussfläche und der zweiten Kontaktanschlussfläche innerhalb der Aussparung umfassen. Ein Bilden einer Aussparung kann es erlauben, die Distanz zwischen dem Element und den Kontaktanschlussflächen mittels eines Strukturierens des zweiten Substrats zusätzlich zu einem Strukturieren des ersten Substrats während der Erzeugung des Elements anzupassen. Die Kontaktanschlussflächen können unter Verwendung herkömmlicher Prozesse erzeugt werden, die zu Kontaktanschlussflächen führen, wie z.B. Implantieren oder Oberflächenmetallisierung. Ein Bereitstellen der ersten Kontaktanschlussfläche und einer zweiten Kontaktanschlussfläche kann beispielsweise einen Prozessablauf aufweisen, der zumindest eines von einem BEOL, um feste Elektrodenstrukturen (schließlich sogar in unterschiedlichen BEOL-Schichten) bereitzustellen, einem Aussparungsätzen, um einen Hohlraum und einen Bewegungsstopper zu bilden, und einem präzisen Definieren einer Distanz der festen ASIC-Kontaktanschlussflächen (Elektroden) zu dem MEMS-Element (Gegenelektrode) durch BEOL-Dünnschichtabscheidung, umfassen.
Das Verfahren umfasst ferner ein Bonden 806 des ersten Substrats an das zweite Substrat, derart, dass das Element der ersten und zweiten Kontaktanschlussfläche gegenüber eines Hohlraums zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat zugewandt ist. Mittels herkömmlicher Wafer-Bonden-Prozesse kann auf diese Weise eine mikroelektromechanische Struktur erzeugt werden, die Kontaktanschlussflächen umfasst, deren gegenseitige Kopplung empfindlich gegenüber einer Bewegung des Elements ist, ohne dass das Element direkt elektrisch kontaktiert werden muss, und um so dedizierte elektrisch leitende Kontakte zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat herzustellen. Ein Bonden 806 des ersten Substrats an das zweite Substrat kann, beispielsweise, einen Prozessablauf umfassen, der zumindest eines von Wafer-Direkt-Bonden (Wafer Direct Bonding), Dünnen des ersten Substrats (MEMS-Wafer), optional auch des zweiten Substrats (ASIC-Wafer), umfasst. Der Prozessablauf kann optional auch Reinigen/Ti/Al/Tempern umfassen, um eine Kontaktanschlussfläche zu bilden, um eine Ladung zu steuern. Der Prozessablauf kann optional auch eine BOSCH-Öffnung des zweiten Substrats (MEMS-Wafer) oberhalb der Kontaktanschlussflächen und ein Al- (oder Cu-) Deckschichtätzen umfassen, um Kontaktanschlussflächen zu öffnen.
Das Verfahren kann optional ferner ein Erzeugen einer Signalbewertungsschaltungsanordnung innerhalb des zweiten Substrats und ein Koppeln der ersten und zweiten Kontaktanschlussfläche mit einem Signaleingang der Signalbewertungsschaltungsanordnung umfassen, um monolithisch ein Verarbeiten zu umfassen, das einen Messwert herleitet, der einer physikalischen Größe aus der Veränderung der Kopplung zwischen den Kontaktanschlussflächen entspricht. Ein Umfassen einer Signalbewertungsschaltungsanordnung in dem zweiten Substrat kann bereits zu einem funktionsfähigen mikroelektromechanischen Sensor führen, nachdem das erste Substrat an das zweite Substrat gebondet (und schließlich vereinzelt) wurde.
9 stellt zwei weitere Ausführungsbeispiele eines mikroelektromechanischen Sensors dar, die es erlauben, das Potential des ersten Substrats zu steuern. Die Ausführungsbeispiele von 9 basieren auf dem Layout des Ausführungsbeispiels von 4 und nur die Unterschiede im Hinblick auf dieses Ausführungsbeispiel werden nachfolgend näher beschrieben.
Bei dem Ausführungsbeispiel, das in der oberen Grafik von 9 dargestellt ist, ist die Rückseite des ersten Substrats hochdotiert. Die Oberfläche 910 des ersten Substrats weist eine höhere Dotierungskonzentration auf als der Körper des Substrats, was es ermöglicht, den Körper elektrisch zu kontaktieren und sein Potential zu steuern. Als eine Alternative zu einem Verwenden der vollen Fläche der Rückseite (die Seite des ersten Substrats gegenüber der Oberfläche, die dem zweiten Substrat zugewandt ist), kann nur die Oberfläche in der Region der beweglichen Masse/des beweglichen Elements dotiert sein oder mehrere individuelle Regionen der Oberfläche können hochdotiert sein, um einen elektrischen Kontakt zu dem Körper herzustellen. Die hochdotierte Oberfläche kann mittels einer Kontaktanschlussfläche 920 einer Metallisierung kontaktiert werden. In dem Fall von mehreren getrennten, hochdotierten Regionen können mehrere Kontaktanschlussflächen verwendet werden.
Die untere Grafik von 9 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel dar, das es ermöglicht, den Körper des ersten Substrats zu kontaktieren, um sein Potential mittels einer Metallisierung 930 an der Rückseite des ersten Substrats zu steuern. Ein Verwenden einer Metallisierung kann zusätzlich einen Schirm gegen externe elektromagnetische Felder bereitstellen. Alternativ kann der Kontakt zu dem ersten Substrat durch beliebige andere Mittel hergestellt werden, wie beispielsweise durch eine TSV, einen Drahtbond oder einen Clip.
Die Fähigkeit zu haben, das Potenzial des Substrats zu steuern, erlaubt es möglicherweise, die parasitären Effekte und/oder das Lecken zwischen der sich bewegenden Masse und dem ersten Substrat zu steuern. Ferner kann eine ESD-Robustheit erhöht werden und externe EM-Felder können blockiert werden. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann ein Steuern des Potenzials des Substrats auch als ein zusätzliches Mittel zum Betätigen des beweglichen Elements dienen. Ein Verwenden einer Metallisierung kann letztendlich auch die Kosten für einen Metalldeckel eines Gehäuses, in dem das MEMS gehäust werden soll, vermeiden.
10 stellt zwei weitere Ausführungsbeispiele eines mikroelektromechanischen Sensors dar, der es erlaubt, eine Bewertungsschaltungsanordnung innerhalb des zweiten Substrats von einer Rückseite des ersten Substrats aus zu kontaktieren. Auch basieren die Ausführungsbeispiele von 10 auf dem Layout des Ausführungsbeispiels von 4 und nur die Unterschiede im Hinblick auf dieses Ausführungsbeispiel werden nachfolgend näher beschrieben.
Bei dem Ausführungsbeispiel der oberen Grafik von 10 werden eine erste TSV 1020 und eine zweite TSV 1030 verwendet, um das zweite Substrat direkt zu kontaktieren oder um die Anschlussflächen innerhalb des zweiten Substrats von der Rückseite des ersten Substrats aus zu kontaktieren, z.B. um Auslesekontakte für elektrische Schaltungsanordnungen (z.B. eine ASIC) herzustellen, die in das zweite Substrat integriert sind. Anders ausgedrückt erstreckt sich ein elektrisches Kontakt-Via (1040) von einer Oberfläche des ersten Substrats, die dem zweiten Substrat gegenüberliegend ist, bis zu einer Kontaktanschlussfläche in dem zweiten Substrat. Ferner dient eine Metallisierung 1010, die das bewegliche Element lateral abdeckt, dem beweglichen Element als ein elektromagnetischer Schirm, während es von dem Substrat isoliert ist. Die Metallisierung liegt auf einer Oberfläche des ersten Substrats vor, die gegenüber des zweiten Substrats ist. Die TSVs können beispielsweise Kupfer- oder Wolfram-TSVs sein, die von dem ersten Substrat und von dem zweiten Substrat isoliert sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel, das mittels der unteren Grafik von 10 dargestellt ist, wird die bewegliche Masse/das bewegliche Element auch mittels einer dritten TSV 1040 kontaktiert. Insbesondere wird eine hochdotierte Oberfläche des beweglichen Elements, die dem zweiten Substrat zugewandt ist, von der Rückseite des ersten Substrats aus von der dritten TSV 1040 kontaktiert. Anders ausgedrückt erstreckt sich ein elektrisches Kontakt-Via (1040) von der Oberfläche des ersten Substrats, die dem zweiten Substrat gegenüberliegend ist, bis zu dem beweglichen Element, insbesondere zu einer elektrisch leitenden Oberfläche des Elements. Die dritte TSV 1040 kann beispielsweise eine TSV aus Wolfram sein, die von dem ersten Substrat isoliert ist, um das Potential des beweglichen Elements im Hinblick auf das erste und zweite Substrat steuern zu können.
Ein Herstellen elektrischer Kontakte von der Rückseite des ersten Substrats aus kann es erlauben, Fläche für Kontaktanschlussflächen auf dem zweiten Substrat zu sparen. Dies kann von Interesse sein, wenn das zweite Substrat teurer ist als das erste Substrat oder wenn der Prozess zur Erzeugung von Kontaktanschlussflächen im zweiten Substrat kostspielig oder unzuverlässig ist, was der Fall sein kann, wenn das zweite Substrat eine ASIC bildet.
Die vorangehenden Ausführungsbeispiel wurden hauptsächlich im Hinblick auf die Erzeugung eines beweglichen Elements innerhalb eines mikroelektromechanischen Sensors erörtert, doch es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass mikroelektromechanische Sensoren, die solche Elemente umfassen, verwendet werden können, um mehrere Messwerte für beliebige physikalische Größen zu bestimmen. Beispielsweise können die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet werden, um Drucksensoren, Mikrofone, Beschleunigungssensoren, Gyroskope oder mikromechanische Aktuatoren, zum Beispiel Aktuatoren zum Erzeugen von Ultraschall, zu bilden. Für Beschleunigungssensoren und Gyroskope kann das im Hinblick auf das Substrat bewegliche Element auch als eine Prüfmasse bezeichnet werden, was betont, dass eine Masse des Elements zusammen mit der Ablenkung innerhalb eines FederMasse-Systems verwendet wird, um eine physikalische Größe zu bestimmen. Auf ähnliche Weise kann für Drucksensoren und Mikrofone das im Hinblick auf das Substrat bewegliche Element auch als eine Membran bezeichnet werden, was betont, dass eine Ablenkung des Elements verwendet wird, um die physikalische Größe zu bestimmen. Die Liste von Anwendungen soll nicht als vollständig verstanden werden, die hierin beschriebenen mikroelektromechanischen Strukturen können verwendet werden, um Sensoren für beliebige Umgebungsparameter oder physikalische Größen zu erzeugen.
Zusammenfassen umfasst ein erstes Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Sensors ein erstes Substrat, das ein Element aufweist, das im Hinblick auf das erste Substrat beweglich ist, und ein zweites Substrat, das eine erste Kontaktanschlussfläche und eine zweite Kontaktanschlussfläche aufweist. Das erste Substrat ist derart an das zweite Substrat gebondet, dass eine Bewegung des Elements eine Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche und der zweiten Kontaktanschlussfläche verändert. Ein Ausführungsbeispiel kann dazu dienen, eine Komplexität bei der Herstellung mikroelektromechanischer Sensoren zu reduzieren.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst der mikroelektromechanische Sensor ferner eine Signalbewertungsschaltungsanordnung, die mit der Kontaktanschlussfläche und mit der zweiten Kontaktanschlussfläche gekoppelt ist, wobei die Signalbewertungsschaltungsanordnung ausgebildet ist, einen Messwert basierend auf der Kopplung zwischen der Kontaktanschlussfläche und der zweiten Kontaktanschlussfläche zu berechnen.
Bei Ausführungsbeispiel 3 ist die Signalbewertungsschaltungsanordnung gemäß Ausführungsbeispiel 2 monolithisch innerhalb des zweiten Substrats integriert, was es ermöglichen kann, nach dem Aneinander-Bonden der zwei Substrate und schließlich nach optionaler, anschließender Vereinzelung, einen funktionsfähigen MEMS-Sensor bereitzustellen.
Bei Ausführungsbeispiel 4, bei dem mikroelektromechanischen Sensor gemäß Ausführungsbeispielen 1 bis 3, umfasst das Element eine leitfähige Oberfläche, die der ersten Kontaktanschlussfläche und der zweiten Kontaktanschlussfläche gegenüber eines Hohlraums zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat zugewandt ist. Ein Verwenden einer leitfähigen Oberfläche kann die Ladungsträgermobilität innerhalb des Elements verbessern und so die Empfindlichkeit des Sensors erhöhen.
Bei Ausführungsbeispiel 5, bei dem mikroelektromechanischen Sensor gemäß Ausführungsbeispielen 1 bis 4, verändert eine Bewegung des Elements zumindest eine einer lateralen Überlappung oder einer vertikalen Überlappung des Elements mit zumindest einer der ersten Kontaktanschlussfläche und der zweiten Kontaktanschlussfläche. Eine Veränderung der lateralen und vertikalen Überlappungen kann es erlauben, eine Bewegung in der Ebene zu implementieren, die es erlauben kann, gegenüber mehreren Richtungen empfindlich zu sein, ohne den Sensor extensiv zu verdicken.
Bei Ausführungsbeispiel 6, bei dem mikroelektromechanischen Sensor gemäß Ausführungsbeispielen 1 bis 4, verändert eine Bewegung des Elements eine Distanz zwischen dem Element und zumindest einer der ersten Kontaktanschlussfläche und der zweiten Kontaktanschlussfläche.
Bei Ausführungsbeispiel 7, bei dem mikroelektromechanischen Sensor gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 6, ist das Koppeln ein kapazitives Koppeln.
Bei Ausführungsbeispiel 8 umfasst der mikroelektromechanische Sensor gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 7 ferner zumindest eine einer ersten elektrisch leitfähigen Abschirmstruktur, die die erste Kontaktanschlussfläche umgibt und
einer zweiten elektrisch leitfähigen Abschirmstruktur, die die zweite Kontaktanschlussfläche umgibt. Das Verwenden einer Abschirmstruktur kann eine direkte Kopplung zwischen den Kontaktanschlussflächen verringern, was eine höhere Empfindlichkeit des Sensors bereitstellen kann.
Bei Ausführungsbeispiel 9 umfasst der mikroelektromechanische Sensor gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 8 ferner eine dritte Kontaktanschlussfläche und eine vierte Kontaktanschlussfläche innerhalb des zweiten Substrats, wobei eine Bewegung des Elements eine Kopplung zwischen der dritten Kontaktanschlussfläche und der vierten Kontaktanschlussfläche verändert, die entgegengesetzt zu der Veränderung einer Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche und der zweiten Kontaktanschlussfläche ist. Ein solcher Sensor kann intrinsisch ausgebildet sein, eine empfindliche und robuste Halbbrücken-Ausleseschaltung zu unterstützen.
Bei Ausführungsbeispiel 10 umfasst der mikroelektromechanische Sensor gemäß Ausführungsbeispiel 9 ferner einen Verstärker in einer Halbbrückenkonfiguration innerhalb einer Bewertungsschaltungsanordnung in dem zweiten Substrat,
wobei die erste Kontaktanschlussfläche und die dritte Kontaktanschlussfläche mit einem Eingangsanschluss des Verstärkers gekoppelt sind, wobei die zweite Kontaktanschlussfläche mit einer ersten Versorgungsspannung gekoppelt ist und die vierte Kontaktanschlussfläche mit einer zweiten Versorgungsspannung gekoppelt ist.
Bei Ausführungsbeispiel 11 entspricht der Messwert gemäß Ausführungsbeispiel 3 einem von Druck, Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit.
Ausführungsbeispiel 12 ist ein Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Sensors, umfassend ein Erzeugen eines Elements innerhalb eines ersten Substrats, wobei das Element im Hinblick auf einen Körper des ersten Substrats beweglich ist. Das Verfahren umfasst ferner ein Bereitstellen einer ersten Kontaktanschlussfläche und einer zweiten Kontaktanschlussfläche auf einer Oberfläche eines zweiten Substrats und ein Bonden des ersten Substrats an das zweite Substrat, derart, dass das Element der ersten und zweiten Kontaktanschlussfläche gegenüber eines Hohlraums zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat zugewandt ist. Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens kann dazu dienen, eine Komplexität bei der Herstellung mikroelektromechanischer Sensoren zu reduzieren.
Bei Ausführungsbeispiel 13 umfasst das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 12 ferner ein Bilden einer Aussparung in einer Oberfläche des zweiten Substrats und ein Erzeugen der ersten Kontaktanschlussfläche und der zweiten Kontaktanschlussfläche innerhalb der Aussparung. Ein Erzeugen einer Aussparung kann es erlauben, eine Distanz zwischen dem Element und den Kontaktanschlussflächen genau anzupassen.
Bei Ausführungsbeispiel 14 umfasst das Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen 12 oder 13 ferner ein Erzeugen einer Signalbewertungsschaltungsanordnung innerhalb des zweiten Substrats; und ein Koppeln der ersten und zweiten Kontaktanschlussfläche mit einem Signaleingang der Signalbewertungsschaltungsanordnung. Ein Vorhandensein einer Signalbewertungsschaltungsanordnung innerhalb des Substrats kann dazu führen, dass nach dem Aneinander-Bonden der zwei Substrate und schließlich nach optionaler, anschließender Vereinzelung, ein funktionsfähigen MEMS-Sensor erreicht ist.
Ausführungsbeispiel 15 ist ein mikroelektromechanischer Drucksensor, umfassend ein erstes Substrat, das eine Membran aufweist, die im Hinblick auf das erste Substrat beweglich ist, und ein zweites Substrat, das eine erste Kontaktanschlussfläche und eine zweite Kontaktanschlussfläche aufweist. Das erste Substrat ist derart an das zweite Substrat gebondet, dass eine Bewegung der Membran eine Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche und der zweiten Kontaktanschlussfläche verändert.
Ausführungsbeispiel 16 ist ein mikroelektromechanisches Mikrofon, umfassend ein erstes Substrat, das eine Membran aufweist, die im Hinblick auf das erste Substrat beweglich ist, und ein zweites Substrat, das eine erste Kontaktanschlussfläche und eine zweite Kontaktanschlussfläche aufweist. Das erste Substrat ist derart an das zweite Substrat gebondet, dass eine Bewegung der Membran eine Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche und der zweiten Kontaktanschlussfläche verändert.
Ausführungsbeispiel 17 ist ein mikroelektromechanischer Beschleunigungssensor, umfassend ein erstes Substrat, das eine Prüfmasse aufweist, die im Hinblick auf das erste Substrat beweglich ist, und ein zweites Substrat, das eine erste Kontaktanschlussfläche und eine zweite Kontaktanschlussfläche aufweist. Das erste Substrat ist derart an das zweite Substrat gebondet, dass eine Bewegung der Prüfmasse eine Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche und der zweiten Kontaktanschlussfläche verändert.
Ausführungsbeispiel 18 ist ein mikroelektromechanisches Gyroskop, umfassend ein erstes Substrat, das eine Prüfmasse aufweist, die im Hinblick auf das erste Substrat beweglich ist, und ein zweites Substrat, das eine erste Kontaktanschlussfläche und eine zweite Kontaktanschlussfläche aufweist. Das erste Substrat ist derart an das zweite Substrat gebondet, dass eine Bewegung der Prüfmasse eine Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche und der zweiten Kontaktanschlussfläche verändert.
Ausführungsbeispiel 19 ist ein mikroelektromechanischer Aktuator, wobei ein erstes Substrat eine Membran aufweist, die im Hinblick auf das erste Substrat beweglich ist, und ein zweites Substrat eine erste Kontaktanschlussfläche und eine zweite Kontaktanschlussfläche aufweist. Das erste Substrat ist derart an das zweite Substrat gebondet, dass eine Bewegung der Membran eine Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche und der zweiten Kontaktanschlussfläche verändert.
Bei Ausführungsbeispiel 20 ist der mikroelektromechanische Aktuator gemäß Anspruch 19 ausgebildet, Tonsignale zu erzeugen.
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 darstellenden Zwecken 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.
Ein als „Mittel für...“ bezeichneter Funktionsblock, der eine bestimmte Funktion ausführt, kann sich auf eine Schaltung beziehen, die zum Durchführen einer bestimmten Funktion ausgebildet ist. Somit kann ein „Mittel für etwas“ als ein „Mittel ausgebildet für oder geeignet für etwas“ implementiert sein, z. B. eine Vorrichtung oder eine Schaltung, die ausgebildet ist für oder geeignet ist für die jeweilige Aufgabe.
Funktionen verschiedener in den Figuren gezeigter Elemente einschließlich jeder als „Mittel“, „Mittel zum Bereitstellen eines Signals“, „Mittel zum Erzeugen eines Signals“, etc. bezeichneter Funktionsblöcke kann in Form dedizierter Hardware, z. B „eines Signalanbieters“, „einer Signalverarbeitungseinheit“, „eines Prozessors“, „einer Steuerung“ etc. sowie als Hardware fähig zum Ausführen von Software in Verbindung mit zugehöriger Software implementiert sein. Bei Bereitstellung durch einen Prozessor können die Funktionen durch einen einzelnen dedizierten Prozessor, durch einen einzelnen gemeinschaftlich verwendeten Prozessor oder durch eine Mehrzahl von individuellen Prozessoren bereitgestellt sein, von denen einige oder von denen alle gemeinschaftlich verwendet werden können. Allerdings ist der Begriff „Prozessor“ oder „Steuerung“ bei Weitem nicht auf ausschließlich zur Ausführung von Software fähige Hardware begrenzt sondern kann Digitalsignalprozessor-Hardware (DSP-Hardware; DSP = Digital Signal Processor), Netzprozessor, anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC = Application Specific Integrated Circuit), feldprogrammierbares Logik-Array (FPGA = Field Programmable Gate Array), Nurlesespeicher (ROM = Read Only Memory) zum Speichern von Software, Direktzugriffsspeicher (RAM = Random Access Memory) und nichtflüchtige Speichervorrichtung (storage) umfassen. Sonstige Hardware, herkömmliche und/oder kundenspezifische, kann auch eingeschlossen sein.
Ein Blockdiagramm kann zum Beispiel ein detailliertes Schaltdiagramm darstellen, das die Grundsätze der Offenbarung implementiert. Auf ähnliche Weise können ein Flussdiagramm, ein Ablaufdiagramm, ein Zustandsübergangsdiagramm, ein Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse, Operationen oder Schritte repräsentieren, die zum Beispiel im Wesentlichen in computerlesbarem Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor explizit gezeigt ist. In der Beschreibung oder in den Patentansprüchen offenbarte Verfahren können durch eine Vorrichtung implementiert werden, die ein Mittel zum Ausführen eines jeden der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist.
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

Ein mikroelektromechanischer Sensor, umfassend: ein erstes Substrat (202), umfassend ein Element (210), das im Hinblick auf das erste Substrat (202) beweglich ist; ein zweites Substrat (204), umfassend eine erste Kontaktanschlussfläche (206; 506) und eine zweite Kontaktanschlussfläche (208; 508); wobei das erste Substrat (202) derart an das zweite Substrat (204) gebondet ist, dass eine Bewegung des Elements (210) eine Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche (206; 506) und der zweiten Kontaktanschlussfläche (208; 508) verändert.
Der mikroelektromechanische Sensor gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: eine Signalbewertungsschaltungsanordnung (220), die mit der Kontaktanschlussfläche (206; 506) und mit der zweiten Kontaktanschlussfläche (208; 508) gekoppelt ist, wobei die Signalbewertungsschaltungsanordnung (220) ausgebildet ist, einen Messwert basierend auf der Kopplung zwischen der Kontaktanschlussfläche (206; 506) und der zweiten Kontaktanschlussfläche (208; 508) zu berechnen.
Der mikroelektromechanische Sensor gemäß Anspruch 2, wobei die Signalbewertungsschaltungsanordnung (220) monolithisch innerhalb des zweiten Substrats (204) integriert ist.
Der mikroelektromechanische Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Element (210) eine leitfähige Oberfläche (212) umfasst, die der ersten Kontaktanschlussfläche (206; 506) und der zweiten Kontaktanschlussfläche (208; 508) gegenüber eines Hohlraums (230) zwischen dem ersten Substrat (202) und dem zweiten Substrat (204) zugewandt ist.
Der mikroelektromechanische Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Bewegung des Elements (310a, 310b) zumindest eine einer lateralen Überlappung oder einer vertikalen Überlappung des Elements mit zumindest einer der ersten Kontaktanschlussfläche (306a, b) und der zweiten Kontaktanschlussfläche (308a, b) verändert.
Der mikroelektromechanische Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Bewegung des Elements (210) eine Distanz zwischen dem Element (210) und zumindest einer der ersten Kontaktanschlussfläche (206; 506) und der zweiten Kontaktanschlussfläche (208; 508) verändert.
Der mikroelektromechanische Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Koppeln ein kapazitives Koppeln ist.
Der mikroelektromechanische Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend zumindest eine einer ersten elektrisch leitfähigen Abschirmstruktur (416), die die erste Kontaktanschlussfläche (406) umgibt; und einer zweiten elektrisch leitfähigen Abschirmstruktur, die die zweite Kontaktanschlussfläche (408) umgibt.
Der mikroelektromechanische Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend: eine dritte Kontaktanschlussfläche (510) und eine vierte Kontaktanschlussfläche (512) innerhalb des zweiten Substrats; wobei eine Bewegung des Elements eine Kopplung zwischen der dritten Kontaktanschlussfläche (510) und der vierten Kontaktanschlussfläche (512) verändert, die entgegengesetzt zu der Veränderung einer Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche (506) und der zweiten Kontaktanschlussfläche (508) ist.
Der mikroelektromechanische Sensor gemäß Anspruch 9, ferner umfassend einen Verstärker (610) in einer Halbbrückenkonfiguration innerhalb einer Bewertungsschaltungsanordnung in dem zweiten Substrat (504), wobei die erste Kontaktanschlussfläche (506) und die dritte Kontaktanschlussfläche (510) mit einem Eingangsanschluss des Verstärkers (610) gekoppelt sind, wobei die zweite Kontaktanschlussfläche (508) mit einer ersten Versorgungsspannung gekoppelt ist und die vierte Kontaktanschlussfläche (512) mit einer zweiten Versorgungsspannung gekoppelt ist.
Der mikroelektromechanische Sensor gemäß Anspruch 3, wobei der Messwert einem von Druck, Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit entspricht.
Der mikroelektromechanische Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner umfassend: ein elektrisches Kontakt-Via (1040), das sich von einer Oberfläche des ersten Substrats (202), die dem zweiten Substrat (204) gegenüberliegend ist, bis zu dem beweglichen Element erstreckt.
Ein Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Sensors, umfassend: Erzeugen (802) eines Elements innerhalb eines ersten Substrats, wobei das Element im Hinblick auf einen Körper des ersten Substrats beweglich ist; Bereitstellen (804) einer ersten Kontaktanschlussfläche und einer zweiten Kontaktanschlussfläche auf einer Oberfläche eines zweiten Substrats; und Bonden (806) des ersten Substrats an das zweite Substrat, derart, dass das Element der ersten und zweiten Kontaktanschlussfläche gegenüber eines Hohlraums zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat zugewandt ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, ferner umfassend: Bilden einer Aussparung in einer Oberfläche des zweiten Substrats; und Erzeugen der ersten Kontaktanschlussfläche und der zweiten Kontaktanschlussfläche innerhalb der Aussparung.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, ferner umfassend: Erzeugen einer Signalbewertungsschaltungsanordnung innerhalb des zweiten Substrats; und Koppeln der ersten und zweiten Kontaktanschlussfläche mit einem Signaleingang der Signalbewertungsschaltungsanordnung.
Ein mikroelektromechanischer Drucksensor oder ein mikroelektromechanisches Mikrofon, umfassend: ein erstes Substrat (202), umfassend eine Membran (210), die im Hinblick auf das erste Substrat (202) beweglich ist; ein zweites Substrat (204), das eine erste Kontaktanschlussfläche (206; 506) und eine zweite Kontaktanschlussfläche (208; 508) umfasst; wobei das erste Substrat (202) derart an das zweite Substrat (204) gebondet ist, dass eine Bewegung der Membran (210) eine Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche (206; 506) und der zweiten Kontaktanschlussfläche (208; 508) verändert.
Ein mikroelektromechanischer Beschleunigungssensor, umfassend: ein erstes Substrat (202), umfassend eine Prüfmasse (210), die im Hinblick auf das erste Substrat (202) beweglich ist; ein zweites Substrat (204), das eine erste Kontaktanschlussfläche (206; 506) und eine zweite Kontaktanschlussfläche (208; 508) umfasst; wobei das erste Substrat (202) derart an das zweite Substrat (204) gebondet ist, dass eine Bewegung der Prüfmasse (210) eine Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche (206; 506) und der zweiten Kontaktanschlussfläche (208; 508) verändert.
Ein mikroelektromechanisches Gyroskop, umfassend: ein erstes Substrat (202), umfassend eine Prüfmasse (210), die im Hinblick auf das erste Substrat (202) beweglich ist; ein zweites Substrat (204), das eine erste Kontaktanschlussfläche (206; 506) und eine zweite Kontaktanschlussfläche (208; 508) umfasst; wobei das erste Substrat (202) derart an das zweite Substrat (204) gebondet ist, dass eine Bewegung der Prüfmasse (210) eine Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche (206; 506) und der zweiten Kontaktanschlussfläche (208; 508) verändert.
Ein mikroelektromechanischer Aktuator, umfassend: ein erstes Substrat (202), umfassend eine Membran (210), die im Hinblick auf das erste Substrat (202) beweglich ist; ein zweites Substrat (204), das eine erste Kontaktanschlussfläche (206; 506) und eine zweite Kontaktanschlussfläche (208; 508) umfasst; wobei das erste Substrat (202) derart an das zweite Substrat (204) gebondet ist, dass eine Bewegung der Membran (210) eine Kopplung zwischen der ersten Kontaktanschlussfläche (206; 506) und der zweiten Kontaktanschlussfläche (208; 508) verändert.
Der mikroelektromechanische Aktuator gemäß Anspruch 19, wobei die Membran (210) ausgebildet ist, Schallsignale zu erzeugen.