DE102019214414A1 - Mikromechanisches Bauteil für eine Druck- und Inertialsensorvorrichtung - Google Patents

Mikromechanisches Bauteil für eine Druck- und Inertialsensorvorrichtung Download PDF

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Lars Tebje
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mikromechanisches Bauteil für eine Druck- und Inertialsensorvorrichtung mit einem Substrat (10) mit einer Substratoberfläche (10a), einer aufgespannten Membran (12) mit einer zu der Substratoberfläche (10a) ausgerichteten Membraninnenseite (12a) und einer von der Substratoberfläche (10a) weg gerichteten Membranaußenseite (12b), wobei die Membraninnenseite (12a) an einem Innenvolumen (16) angrenzt, in welchem ein Referenzdruck (p0) eingeschlossen ist, und wobei die Membran (12) mittels einer Druckdifferenz zwischen einem auf ihrer Membranaußenseite (12b) vorherrschenden Druck (p) und dem Referenzdruck (p0) verwölbbar ist, und einer in dem Innenvolumen (16) angeordneten seismischen Masse (14), wobei eine an der Membraninnenseite (10a) hervorstehende und in das Innenvolumen (16) hineinragende Sensorelektrode (18) mittels einer Verwölbung der Membran (12) in Bezug zu dem Substrat (10) verstellbar ist. Ebenso betrifft die Erfindung eine Druck- und Inertialsensorvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine Druck- und Inertialsensorvorrichtung.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für eine Druck- und Inertialsensorvorrichtung und eine Druck- und Inertialsensorvorrichtung. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine Druck- und Inertialsensorvorrichtung.
  • Stand der Technik
  • In der DE 10 2006 024 671 A1 ist ein mikromechanisches Bauelement beschrieben, welches eine aufgespannte Membran umfasst, welche ein Innenvolumen zwischen einer Membraninnenseite der Membran und einem Träger derart luftdicht abdichtet, dass die Membran mittels einer Druckdifferenz zwischen einem auf einer von dem Träger weg gerichteten Membranaußenseite vorherrschenden Druck und einem in dem Innenvolumen vorherrschenden Referenzdruck verwölbbar ist. Außerdem ist eine seismische Masse in dem Innenvolumen angeordnet. Mittels einer aus der seismischen Masse und ebenfalls in dem Innenvolumen angeordneten starren Elektroden gebildeten Kapazität sollen Messungen von Beschleunigungen des mikromechanischen Bauelements möglich sein. Zusätzlich sollen mittels einer weiteren aus der Membran und der seismischen Masse oder der Membran und den starren Elektroden gebildeten Kapazität Messungen von Druck oder Schall möglich sein.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil für eine Druck- und Inertialsensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Druck- und Inertialsensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine Druck- und Inertialsensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft vorteilhafte Möglichkeiten zur gemeinsamen Integration einer Drucksensorstruktur und einer Inertialsensorstruktur auf/in einem Mikrochip. Die mittels der vorliegenden Erfindung geschaffenen Möglichkeiten zur gemeinsamen Integration einer Drucksensorstruktur und einer Inertialsensorstruktur ermöglichen eine besonders gute Ausnutzung einer Chipfläche des jeweiligen Mikrochips, wodurch eine Miniaturisierung einer Druck- und Inertialsensorvorrichtung erleichtert werden und Herstellungskosten bei der Herstellung einer Druck- und Inertialsensorvorrichtung reduziert werden können.
  • Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit dem vorausgehend beschriebenen Stand der Technik besteht darin, dass die Ausbildung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils mit einer an der Membraninnenseite seiner Membran hervorstehenden und in das Innenvolumen hineinragenden Sensorelektrode ein Zusammenwirken der Sensorelektrode mit einer direkt oder indirekt auf der Substratoberfläche seines Substrats befestigten Sensor-Gegenelektrode erlaubt. Somit entfällt die Notwendigkeit des vorausgehend beschriebenen Stands der Technik, die seismische Masse oder eine mit der seismischen Masse zusammenwirkende „starre Elektrode“ als Gegenelektrode für die Membran zu nutzen. Zusätzlich erlaubt die Ausbildung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils mit der an der Membraninnenseite hervorstehenden und in das Innenvolumen hineinragenden Sensorelektrode eine Anordnung der mit der Sensorelektrode zusammenwirkenden Sensor-Gegenelektrode in einem vergleichsweise geringen Abstand zu der Sensorelektrode direkt oder indirekt auf der Substratoberfläche. Das Zusammenwirken zwischen der Sensorelektrode und der Sensor-Gegenelektrode eignet sich deshalb zum Nachweisen oder Messen des auf der Membranaußenseite vorherrschenden Drucks mit einer vergleichsweise hohen Sensitivität, einer guten Messgenauigkeit und einer vernachlässigbar geringen Fehlerhäufigkeit.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist die seismische Masse aus mindestens einem Halbleitermaterial einer Halbleitermaterialschicht oder eines Halbleitermaterialschichtstapels gebildet, wobei die Sensorelektrode zumindest teilweise ebenfalls aus dem mindestens einen Halbleitermaterial der Halbleitermaterialschicht oder des Halbleitermaterialschichtstapels gebildet ist. Somit kann die Halbleitermaterialschicht oder der Halbleitermaterialschichtstapel als eine einzige mikromechanische Funktionsschicht sowohl zum Bilden der seismischen Masse als auch zum Bilden zumindest eines Teils der Sensorelektrode genutzt werden. Auch dies erleichtert eine Miniaturisierung der hier beschriebenen Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Als vorteilhafte Weiterbildung kann auch eine in dem Innenvolumen angeordnete und unabhängig von der seismischen Masse gebildete Referenzelektrode zusätzlich aus dem mindestens einen Halbleitermaterial der Halbleitermaterialschicht oder des Halbleitermaterialschichtstapels gebildet sein. Auch eine Integration der Referenzelektrode, deren Funktion unten noch genauer erläutert wird, in das Innenvolumen, trägt in diesem Fall nicht/kaum zu einer Steigerung der Ausdehnung der hier beschriebenen Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils bei.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist die seismische Masse über zumindest eine Federeinrichtung derart an der Substratoberfläche angebunden, dass die seismische Masse in eine Verstellbewegung mit einer entlang einer parallel zu der Substratoberfläche ausgerichteten Verstellachse ausgerichteten Bewegungskomponente versetzbar ist, wobei mindestens eine Massen-Gegenelektrode derart in dem Innenvolumen fest angeordnet ist, dass, sofern die seismische Masse in eine Verstellbewegung mit einer entlang der Verstellachse ausgerichteten Bewegungskomponente versetzt ist, ein jeweiliger Abstand der seismischen Masse zu der jeweiligen Massen-Gegenelektrode variiert. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils kann die seismische Masse somit verlässlich zum Nachweisen oder zum Detektieren einer Beschleunigung des mikromechanischen Bauteils mit zumindest einer entlang der Verstellachse ausgerichteten Beschleunigungskomponente eingesetzt werden.
  • Alternativ kann die seismische Masse auch eine Wippenstruktur umfassen, welche in eine Wippenbewegung um eine parallel zu der Substratoberfläche ausgerichtete Kippachse versetzbar ist, wobei eine erste Massen-Gegenelektrode und eine zweite Massen-Gegenelektrode derart direkt oder indirekt auf der Substratoberfläche befestigt sind, dass, sofern die Wippenstruktur der seismischen Masse in eine Wippenbewegung um die Kippachse versetzt ist, ein erster Abstand der Wippenstruktur zu der ersten Massen-Gegenelektrode und eine zweiter Abstand der Wippenstruktur zu der zweiten Massen-Gegenelektrode variieren. Die hier beschriebene Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils kann vorteilhaft zum verlässlichen Nachweisen oder Detektieren einer Beschleunigung des mikromechanischen Bauteils mit einer senkrecht zu der Substratoberfläche ausgerichteten Beschleunigungskomponente genutzt werden.
  • Insbesondere kann auch mindestens eine Referenz-Gegenelektrode zwischen der ersten Massen-Gegenelektrode und der zweiten Massen-Gegenelektrode direkt oder indirekt auf der Substratoberfläche befestigt sein. Wie unten genauer erläutert wird, kann die mindestens eine Referenz-Gegenelektrode in diesem Fall für Referenz-Messungen zur Steigerung einer Messgenauigkeit von mittels der Sensorelektrode und einer an der Substratoberfläche befestigten Sensor-Gegenelektrode ausgeführten Messungen des auf der Membranaußenseite vorherrschenden Drucks genutzt werden.
  • Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einer Druck- und Inertialsensorvorrichtung mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil gewährleistet. Unter der Druck- und Inertialsensorvorrichtung kann eine Sensorvorrichtung verstanden werden, welche sowohl Funktionen eines Drucksensors oder Schallsensors als auch Funktionen eines Inertialsensors, wie beispielsweise eines Beschleunigungssensors, eines Drehratensensors oder eines Drehbeschleunigungssensors, erfüllen kann.
  • Des Weiteren schafft auch ein Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für eine Druck- und Inertialsensorvorrichtung die oben beschriebenen Vorteile. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren so weitergebildet werden kann, dass alle oben beschriebenen Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils damit herstellbar sind.
  • Figurenliste
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
    • 1a und 1b eine Draufsicht und einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 1b einen Querschnitt entlang der Linie A-A' der 1a zeigt;
    • 2a und 2b eine Draufsicht und einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 2b einen Querschnitt entlang der Linie B-B' der 2a zeigt;
    • 3a bis 3c eine Draufsicht und Querschnitte einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 3b einen Querschnitt entlang der Linie C-C' der 3a und 3c einen Querschnitt entlang der Linie D-D' der 3a zeigen;
    • 4a und 4b eine Draufsicht und einen Querschnitt einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 4b einen Querschnitt entlang der Linie E-E' der 4a zeigt;
    • 5 einen Querschnitt einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
    • 6 einen Querschnitt einer sechsten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
    • 7 einen Querschnitt einer siebten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
    • 8 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für eine Druck- und Inertialsensorvorrichtung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1a und 1b zeigen eine Draufsicht und einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 1b einen Querschnitt entlang der Linie A-A' der 1a zeigt.
  • Das in 1a und 1b schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil umfasst ein Substrat 10 mit einer Substratoberfläche 10a, eine aufgespannte Membran 12 mit einer zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Membraninnenseite 12a und einer von der Substratoberfläche 10a weg gerichteten Membranaußenseite 12b und eine seismische Masse 14. Die Membraninnenseite 12a grenzt an einem Innenvolumen 16 an, in welchem ein Referenzdruck p0 eingeschlossen ist, welcher von einem an der Membranaußenseite 12b vorherrschenden Druck p abweichen kann. Die Membran 12 ist derart verformbar ausgebildet, dass die Membran 12 mittels einer Druckdifferenz zwischen dem auf ihrer Membranaußenseite 12b vorherrschenden Druck p und dem in dem Innenvolumen vorherrschenden Referenzdruck p0 verwölbbar ist/verwölbt wird. Außerdem ist die seismische Masse 14 in dem Innenvolumen 16 angeordnet.
  • Das mikromechanische Bauteil weist außerdem eine an der Membraninnenseite 12a hervorstehende und in das Innenvolumen 16 hineinragende Sensorelektrode 18 auf, welche mittels einer Verwölbung der Membran 12 in Bezug zu dem Substrat 10 verstellbar ist/verstellt wird. Die Sensorelektrode 18 kann wahlweise einstückig oder mehrteilig ausgebildet sein. Die an der Membraninnenseite 12a hervorstehende Sensorelektrode 18 erfüllt in beiden Fällen die Vorteile einer Versteifungsstruktur der Membran 12, wie insbesondere die Sicherverstellung einer vergleichsweise starken Verbiegung eines Randbereichs der Membran 12 bei einer Druckdifferenz an ihren Membranseiten 12a und 12b, wodurch eine Auslenkung eines von dem Randbereich umrahmten Mittelbereichs der Membran 12 gesteigert wird. Wie in 1b außerdem erkennbar ist, kann die an der Membraninnenseite 12a hervorstehende Sensorelektrode 18 vorteilhaft mit einer direkt oder indirekt an der Substratoberfläche 10a befestigten Sensor-Gegenelektrode 20 zusammenwirken, wobei gewährleistbar ist, dass die Sensorelektrode 18 bei einer Druckgleichheit an die Membranseiten 12a und 12b in einem vergleichsweise kleinen Abstand d18-20 zu der Sensor-Gegenelektrode 20 vorliegt. Die Ausbildung der an der Membraninnenseite 10a hervorstehenden Sensorelektrode 18 steigert deshalb auch eine Sensitivität bei mittels der Membran 12 ausgeführten Messungen des an der Membranaußenseite 12b vorherrschenden Drucks p. Die als mechanische Versteifungsstruktur dienende Sensorelektrode 18 gewährleistet zusätzlich eine geringe Nicht-Linearität zwischen einer Steigerung oder Reduzierung der Druckdifferenz an den Membranseiten 12a und 12b und einer entsprechenden Abnahme oder Zunahme des Abstands d18-20 , was eine Auswertung von mittels der Membran 12, der Sensorelektrode 18 und der Sensor-Gegenelektrode 20 ausgeführten Druckmessungen erleichtert. Für die Druckmessungen kann deshalb eine vergleichsweise einfach ausgebildete, kostengünstige und relativ wenig Bauraum benötigende Elektronik verwendet werden.
  • Auch die seismische Masse 14 kann zum Ausführen von Messungen genutzt werden. In der Ausführungsform der 1a und 1b ist die seismische Masse 14 über zumindest eine Federeinrichtung 22 derart an der Substratoberfläche 10a angebunden, dass die seismische Masse 14 in eine Verstellbewegung mit einer entlang einer parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Verstellachse 24 ausgerichteten Bewegungskomponente versetzbar ist. Insbesondere kann die seismische Masse 14 in eine entlang der Verstellachse 24 ausgerichtete Verstellbewegung versetzbar sein. Zusätzlich ist mindestens eine Massen-Gegenelektrode 26 derart in dem Innenvolumen 16 fest angeordnet, dass, sofern die seismische Masse 14 in eine Verstellbewegung mit der entlang der Verstellachse 24 ausgerichteten Bewegungskomponente versetzt ist, ein jeweiliger Abstand d14-26 der seismischen Masse 14 zu der jeweiligen Massen-Gegenelektrode 26 variiert. Die seismische Masse 14 und die mindestens eine Massen-Gegenelektrode 26 eignen sich somit besonders gut zum verlässlichen Nachweisen oder Messen einer Beschleunigung des mikromechanischen Bauteils entlang der parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Verstellachse 24.
  • Das hier beschriebene mikromechanische Bauteil eignet sich somit nicht nur zum Nachweisen und/oder Messen einer Druckdifferenz zwischen dem Referenzdruck p0 und dem auf der Membranaußenseite 12b vorherrschenden Druck p, sondern auch zum Nachweisen und/oder Messen einer Beschleunigung des mikromechanischen Bauteils entlang der Verstellachse 24. Zusätzlich kann bei dem mikromechanischen Bauteil die Membran 12 auch als „Dünnschichtverkappung“ für die seismische Masse 14 und die mindestens eine damit zusammenwirkende Massen-Gegenelektrode 26 genutzt werden, so dass diese Multifunktionalität der Membran 12 zum zusätzlichen Schutz der seismischen Masse 14 und der mindestens einen Massen-Gegenelektrode 26 dient. Ein weiterer Vorteil des mikromechanischen Bauteils ist die Integration seiner sensitiven Komponenten 12, 14, 18, 20 und 26 in ein vergleichsweise kleines Volumen, wodurch eine Miniaturisierung des mikromechanischen Bauteils erleichtert ist und Materialien bei der Herstellung des mikromechanischen Bauteils eingespart werden können.
  • Als weiterer Vorteil des hier beschriebenen mikromechanischen Bauteils ist nicht nur die seismische Masse 14 aus mindestens einem Halbleitermaterial einer Halbleitermaterialschicht 28 oder eines Halbleitermaterialschichtstapels gebildet, sondern auch die Sensorelektrode 18 zumindest teilweise ebenfalls aus dem mindestens einen Halbleitermaterial der Halbleitermaterialschicht 28 oder des Halbleitermaterialschichtstapels geformt. Wahlweise kann auch mindestens eine (in 1a und 1b nicht gezeigte) Anschlagstruktur für die seismische Masse 14 aus der Halbleiterschicht 28 oder dem Halbleiterschichtstapel gebildet sein.
  • Das hier beschriebene mikromechanische Bauteil ist deshalb mittels eines vergleichsweise geringen Arbeitsaufwands herstellbar. Beispielsweise kann zuerst eine Verdrahtungs- und Elektrodenmaterialschicht 30 direkt oder indirekt auf der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 abgeschieden werden. Aus der Verdrahtungs- und Elektrodenmaterialschicht 30 können anschließend sowohl die Sensor-Gegenelektrode 20 als auch Leitungen 32 des mikromechanischen Bauteils gebildet/strukturiert werden. Mittels einer Abscheidung der Verdrahtungs- und Elektrodenmaterialschicht 30 auf mindestens einer die Substratoberfläche 10a zumindest teilweise abdeckenden Isolierschicht 34 können außerdem die aus der Verdrahtungs- und Elektrodenmaterialschicht 30 geformten Strukturen 20 und 32 von dem Substrat 10 elektrisch isoliert werden. Anschließend kann die Halbleitermaterialschicht 28 oder der Halbleitermaterialschichtstapel auf einer die Substratoberfläche 10a, die mindestens eine Isolierschicht 34 und/oder die aus der Verdrahtungs- und Elektrodenmaterialschicht 30 gebildeten Strukturen 20 und 32 zumindest teilweise abdeckenden (in 1b nicht dargestellten) Opferschicht abgeschieden werden. Mittels einer Ausbildung von mindestens einer durch die Opferschicht durchgehenden Aussparung vor dem Abscheiden der Halbleitermaterialschicht 28 oder des Halbleitermaterialschichtstapels können spätere Verankerungen 36 der mindestens einen Federeinrichtung 22 und/oder der mindestens einen Massen-Gegenelektrode 26 an der Substratoberfläche 10a und/oder an den Leitungen 32 gebildet werden. Anschließend kann mittels eines Abscheidens einer Membranabschlussschicht 38 auf einer den hier beschriebenen Schichtaufbau zumindest teilweise abdeckenden weiteren Opferschicht, welche in 1b jedoch nicht dargestellt ist, die Membran 12 fertiggestellt werden. Mittels eines zumindest teilweisen Entfernens der Opferschichten kann anschließend der in 1b schematisch dargestellte Schichtaufbau gewonnen werden.
  • Die beweglichen Sensorkomponenten 12, 14 und 18 des mikromechanischen Bauteils können somit aus zwei Funktionsschichten 28 und 38 (Halbleitermaterialschicht 28 und Membranabschlussschicht 38) gebildet werden. Mittels der Verdrahtungs- und Elektrodenmaterialschicht 30 können außerdem alle außerhalb der zwei Funktionsschichten 28 und 38 liegenden festen elektronischen Strukturen 20 und 32 des mikromechanischen Bauteils gebildet werden. Damit sind vergleichsweise wenige Abscheideschritte zum Herstellen des hier beschriebenen mikromechanischen Bauteils notwendig. Als das mindestens eine Halbleitermaterial der Halbleitermaterialschicht 28 oder des Halbleitermaterialschichtstapels kann beispielsweise Silizium verwendet werden. Auch für die Membranabschlussschicht 38 kann Silizium abgeschieden werden. Das Material der Verdrahtungs- oder Elektrodenmaterialschicht 30 kann beispielsweise ein Metall oder dotiertes Silizium sein. Somit können auch vergleichsweise kostengünstige und leicht verarbeitbare Materialien zur Herstellung des mikromechanischen Bauteils genutzt werden. Die Opferschichten können beispielsweise aus Siliziumdioxid sein.
  • 2a und 2b zeigen eine Draufsicht und einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 2b einen Querschnitt entlang der Linie B-B' der 2a zeigt.
  • Das in 2a und 2b schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil ist eine Weiterbildung der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Dazu umfasst das mikromechanische Bauteil der 2a und 2b zusätzlich noch mindestens eine Referenz-Gegenelektrode 40, welche direkt oder indirekt auf der Substratoberfläche 10 befestigt ist. Vorzugsweise ist die mindestens eine Referenz-Gegenelektrode 40 in einem vergleichsweise kleinen Abstand d14-40 zu der in ihre Verstellbewegung mit zumindest einer entlang der Verstellachse 24 ausgerichteten Bewegungskomponente verstellbaren seismischen Masse 14 angeordnet. Mittels einer derartigen Anordnung der mindestens einen Referenz-Gegenelektrode 40 kann ausgenutzt werden, dass eine Beschleunigung des mikromechanischen Bauteils entlang der Verstellachse 24 (im Wesentlichen) keine Änderung des Abstands d14-40 zwischen der seismischen Masse 14 und der mindestens einen Referenz-Gegenelektrode 40 bewirkt.
  • Die mindestens eine Referenz-Gegenelektrode 40 ist vorteilhaft, um eine differentielle Auswertung zwischen der von der Sensorelektrode 18 und Sensor-Gegenelektrode 20 gebildeten veränderlichen Kapazität und der zwischen seismischer Masse 14 und Referenz-Gegenelektrode 40 gebildeten Kapazität, welche bei Druckänderungen unveränderlich ist, zu ermöglichen. Differentielle Kapazitätsmessungen sind generell vorteilhaft, um besonders einfache und hoch auflösende elektronische Auswertungschaltungen zu realisieren. Zudem hebt sich bei einer differentiellen Auswertung der von der Sensorelektrode 18 und Sensor-Gegenelektrode 20 und der von der seismischen Masse 14 und Referenz-Gegenelektrode 40 gebildeten Kapazitäten bei geeignet gewählter geometrischer Anordnung der Elektroden der Einfluss einer Verbiegung des Substrats 10 weitgehend auf. Somit kann verlässlich zwischen Änderungen des Abstands d18-20 , welche von einer Änderung des Drucks p verursacht sind, und Änderungen des Abstands d18-20 , welche auf eine Verbiegung des Substrats 10 zurückzuführen sind, unterschieden werden. Die mindestens eine Referenz-Gegenelektrode 40 kann aus der Verdrahtungs- und Elektrodenmaterialschicht 30 gebildet sein.
  • Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile des mikromechanischen Bauteils der 2a und 2b wird auf die vorausgehend erläuterte Ausführungsform verwiesen.
  • 3a bis 3c zeigen eine Draufsicht und Querschnitte einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 3b einen Querschnitt entlang der Linie C-C' der 3a und 3c einen Querschnitt entlang der Linie D-D' der 3a zeigen.
  • In der Ausführungsform der 3a bis 3c umfasst die seismische Masse 14 einen Wippenstruktur 42, welche in eine Wippenbewegung um eine parallel zu der Substratoberfläche 10 ausgerichtete Kippachse 44 versetzbar ist. Dazu ist die Wippenstruktur 42 mittels zweier sich entlang der Kippachse 44 erstreckender Torsionsfedern 46 an zwei Verankerungspunkten 36 angebunden. Unter der Wippenstruktur 42 kann eine Struktur mit einer bezüglich einer die Kippachse 44 umfassenden Schnittebene asymmetrischen Masseverteilung verstanden werden. Eine Beschleunigung des mikromechanischen Bauteils in eine senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ausgerichtete Beschleunigungsrichtung bewirkt somit entgegen gerichtete Bewegungen zwischen einem auf einer ersten Seite der Schnittebene liegenden ersten Wippenteil 42a der Wippenstruktur 42 und einem auf einer zweiten Seite der Schnittebene liegenden zweiten Wippenteil 42b der Wippenstruktur 42.
  • Eine erste Massen-Gegenelektrode 48a und eine zweite Massen-Gegenelektrode 48b sind derart direkt oder indirekt auf der Substratoberfläche 10a befestigt, dass, sofern die Wippenstruktur 42 der seismischen Masse 14 in eine Wippenbewegung um die Kippachse 44 versetzt ist, ein erster Abstand d42a -48a des ersten Wippenteils 42a der Wippenstruktur 42 zu der ersten Massen-Elektrode 48a und ein zweiter Abstand d42b-48b des zweiten Wippenteils 42b der Wippenstruktur 42 zu der zweiten Massen-Elektrode 48b jeweils variieren. Vorzugsweise sind die zwei Massen-Gegenelektroden 48a und 48b derart an der Wippenstruktur 42 angeordnet, dass, sofern eine Wippenbewegung der Wippenstruktur 42 um die Kippachse 44 eine Zunahme des ersten Abstands d42a -48a bewirkt, der zweite Abstand d42b-48b abnimmt und, sofern eine Wippenbewegung der Wippenstruktur 42 um die Kippachse 44 eine Abnahme des ersten Abstands d42a-48a bewirkt, der zweite Abstand d42b-48b zunimmt. Mittels einer Differenzbildung der mittels der Massen-Gegenelektroden 48a und 48b gewonnenen Signale kann eine besonders einfache und hoch auflösende elektronische Auswertungschaltung zur Messung der Kapazitätsänderungen realisiert werden. Zudem können auf eine Verbiegung des Substrats 10 zurückführbare „Fehlsignale“ automatisch herausgefiltert werden. Vorzugsweise liegt die erste Massen-Gegenelektrode 48a nahe an einem von der Schnittebene weg gerichteten Ende des ersten Wippenteils 42a, während die zweite Massen-Gegenelektrode 48b nahe an einem von der Schnittebene weg gerichteten Ende des zweiten Wippenteils 42b liegt.
  • Als vorteilhafte Weiterbildung kann noch mindestens eine Referenz-Gegenelektrode 40a und 40b zwischen der ersten Massen-Gegenelektrode 48a und der Schnittebene und/oder zwischen der zweiten Massen-Gegenelektrode 48b und der Schnittebene direkt oder indirekt an der Substratoberfläche 10a befestigt sein. Vorzugsweise ist mindestens eine erste Referenz-Gegenelektrode 40a zwischen der ersten Massen-Gegenelektrode 48a und der Schnittebene und mindestens eine zweite Referenz-Gegenelektrode 40b zwischen der zweiten Massen-Gegenelektrode 48b und der Schnittebene angeordnet. In diesem Fall werden Druckänderungen vorteilhaft differentiell mittels einer Änderung einer Differenz der von der Sensorelektrode 18 und der Sensor-Gegenelektrode 20 gebildeten ersten Kapazität und der von der seismischen Masse 14 und den Referenz-Gegenelektroden 40 gebildeten zweiten Kapazität gemessen. Auch die mindestens eine Referenz-Gegenelektrode 40a und 40b und/oder die zwei Massen-Gegenelektroden 48a und 48b können aus der Verdrahtungs- und Elektrodenmaterialschicht 30 gebildet sein.
  • Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile des mikromechanischen Bauteils der 3a bis 3c wird auf die oben beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
  • 4a und 4b zeigen eine Draufsicht und einen Querschnitt einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 4b einen Querschnitt entlang der Linie E-E' der 4a zeigt.
  • Das mikromechanische Bauteil der 4a und 4b umfasst als Alternative oder als Ergänzung zu der mindestens einen Referenz-Gegenelektrode 40a und 40b der vorausgehend beschriebenen Ausführungsform noch eine in dem Innenvolumen 16 angeordnete und unabhängig von der seismischen Masse 14 gebildete/verstellbare Referenzelektrode 50 mit einer der Referenzelektrode 50 zugeordneten (weiteren) Referenz-Gegenelektrode 40. Wie in 4b erkennbar ist, kann die in dem Innenvolumen 16 angeordnete und unabhängig von der seismischen Masse 14 gebildete/verstellbare Referenzelektrode 50 zusätzlich aus dem mindestens einen Halbleitermaterial der Halbleitermaterialschicht 28 oder des Halbleitermaterialschichtstapels gebildet sein. Die in einem Abstand d40 -50 zu der Referenzelektrode 50 angeordnete Referenz-Gegenelektrode 40 kann aus der Verdrahtungs- und Elektrodenmaterialschicht 30 gebildet sein. In diesem Fall werden Druckänderungen vorteilhaft differentiell mittels einer Änderung einer Differenz der von der Sensorelektrode 18 und der Sensor-Gegenelektrode 20 gebildeten ersten Kapazität und der von der Referenzelektrode 50 und den Referenz-Gegenelektroden 40 gebildeten zweiten Kapazität gemessen.
  • Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile des mikromechanischen Bauteils der 4a und 4b wird auf die oben beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
  • Es wird hier auch darauf hingewiesen, dass die seismische Masse 14 anstelle einer Wippenstruktur 42 auch eine Trampolinstruktur aufweisen kann. Die Trampolinstruktur bewegt sich dann bei einer Beschleunigung des mikromechanischen Bauteils in eine senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ausgerichtete Beschleunigungsrichtung mit einer senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Bewegungskomponente.
  • 5 zeigt einen Querschnitt einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Das in 5 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil ist eine Weiterbildung der Ausführungsform der 1a und 1b. Erkennbar ist, dass die Membran 12 an einer Rahmenstruktur 52 aufgespannt ist. Die Rahmenstruktur 52 kann zumindest teilweise aus dem mindestens einen Halbleitermaterial der Halbleitermaterialschicht 28 oder des Halbleitermaterialschichtstapels gebildet sein. Außerhalb der Rahmenstruktur 52 kann ein elektrischer Kontakt 54 ebenfalls zumindest teilweise aus dem mindestens einen Halbleitermaterial der Halbleitermaterialschicht 28 oder des Halbleitermaterialschichtstapels gebildet sein, welcher über einen Bond-Pad 56 elektrisch kontaktierbar ist. Aus der Verdrahtungs- und Elektrodenmaterialschicht 30 kann außerdem eine Leiterbahnzuführung 58 gebildet sein, über welche der außerhalb des Rahmenteils 52 gebildete elektrische Kontakt 54 an mindestens eine in dem Innenvolumen 16 liegende Komponente elektrisch angebunden ist.
  • Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile des mikromechanischen Bauteils der 5 wird auf die Ausführungsform der 1a und 1b verwiesen.
  • 6 zeigt einen Querschnitt einer sechsten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Das in 6 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil ist eine Weiterbildung der Ausführungsform der 5. Erkennbar ist, dass das mikromechanische Bauteil der 5 mittels einer Klebeschicht 60 auf einen Auswerte-ASIC 62 geklebt ist. Über mindestens einen Drahtbond 64 kann außerdem der jeweilige Bond-Pad 56 des mindestens einen elektrischen Kontakts 54 mit dem Auswerte-ASIC 62 elektrisch verbunden sein. Der Auswerte-ASIC 62 ist mittels einer weiteren Klebeschicht 66 an einem Trägerteil 68 festgeklebt, wobei das Trägerteil 68 und ein mit einer Druckzufuhröffnung 70 versehenes Deckelteil 72 das Gehäuse des mikromechanischen Bauteils bilden. Über mindestens einen (weiteren) Drahtbond 74 kann auch der Auswerte-ASIC 62 an mindestens einem Lötpad 76 des Trägerteils 68 elektrisch angebunden sein.
  • Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile des mikromechanischen Bauteils der 6 wird auf die Ausführungsformen der 11, 1b und 5 verwiesen.
  • 7 zeigt einen Querschnitt einer siebten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Auch das in 7 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil ist eine Weiterbildung der Ausführungsform der 5. Dazu sind mindestens ein Chip-to-Chip-Kontakt 78 und ein Bondrahmen 79 derart an einer von dem Substrat 10 weg gerichteten Seite des mikromechanischen Bauteils der 5 ausgebildet, dass das mikromechanische Bauteil der 5 über den mindestens einen Chip-to-Chip-Kontakt 78 und dem Bondrahmen 79 an einem Auswerte-ASIC 62 festgeklebt werden kann. Der mindestens eine Chip-to-Chip-Kontakt 78 und der Bondrahmen 79 sind derart angeordnet und ausgebildet, dass ein Druckzugang 80 zu der Membranaußenseite 12b der Membran 12 freigehalten bleibt. Mittels des mindestens einen Chip-to-Chip-Kontakts 78 ist eine elektrische Kontaktierung zwischen dem mikromechanischen Bauteil und dem Auswerte-ASIC 62 gewährleistet. Der Bondrahmen 79 sichert eine Hermetizität des mikromechanischen Bauteils. Zum Bilden des mindestens einen Chip-to-Chip-Kontakts 78 und des Bondrahmens 79 kann beispielsweise ein metallisches Bondverfahren verwendet werden, wie insbesondere ein eutektisches Bonden unter Verwendung von Aluminium und Germanium, ein SLID-(Solid Liquid Interdiffusion)Bonden unter Verwendung von Kupfer und Zinn, ein Direktbond-Verfahren oder ein Thermokompressionsbond-Verfahren.
  • Durch die hermetische Kapselung des mikromechanischen Bauteils der 7 sind Ausgaseffekte des Auswerte-ASIC 62, welcher in seinem Metall-Oxid-Schichtstapel häufig beträchtliche Mengen an Wasserstoffen und anderen Gasen gespeichert hat, für den Betrieb des mikromechanischen Bauteils irrelevant. Außerdem weist das mikromechanische Bauteil der 7 einen vergleichsweise kompakten und kostengünstigen Aufbau in Form eines „Chip-Scale-Packages“ auf. Mittels mindestens eines Lötballs 82 kann das mikromechanische Bauteil der 7 an einer weiteren Vorrichtung leicht angebunden werden.
  • Alle vorausgehend beschriebenen mikromechanischen Bauteile können vorteilhaft als Teil einer Druck- und Inertialsensorvorrichtung eingesetzt werden. Eine derartige Druck- und Inertialsensorvorrichtung kann sowohl als Drucksensor oder Schallsensor als auch als Inertialsensor, wie beispielsweise als Beschleunigungssensor, als Drehratensensor und/oder als Drehbeschleunigungssensor, eingesetzt werden, wobei mehrere der von den verschiedenen Sensortypen messbaren physikalischen Größen gleichzeitig gemessen werden können. Einsetzbar ist eine derartige Druck- und Inertialsensorvorrichtung beispielsweise in der Radreifensensorik, wo Druck- und Beschleunigungssignale häufig gleichzeitig zu messen sind. Ebenso kann eine derartige Druck- und Inertialsensorvorrichtung auch im Bereich der Consumer-Elektronik, wie zum Beispiel in Smartphones, erfolgreich eingesetzt werden. Da die Herstellung einer derartigen Druck- und Inertialsensorvorrichtung vergleichsweise kostengünstig ist und die fertige Druck- und Inertialsensorvorrichtung relativ kompakt ist, kann sie auch für eine Vielzahl von weiteren Verwendungszwecken erfolgreich eingesetzt werden.
  • 8 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für eine Druck- und Inertialsensorvorrichtung.
  • Mittels des im Weiteren beschriebenen Herstellungsverfahrens können alle oben erläuterten mikromechanischen Bauteile hergestellt werden. Eine Ausführbarkeit des Herstellungsverfahrens ist jedoch nicht auf das Herstellen dieser mikromechanischen Bauteile beschränkt.
  • In einem Verfahrensschritt S1 wird eine seismische Masse in einem späteren Innenvolumen angeordnet. Vorzugsweise wird dazu (noch vor einem Aufspannen einer nachfolgend beschriebenen Membran) eine Substratoberfläche eines Substrats und/oder mindestens eine die Substratoberfläche zumindest teilweise bedeckende Zwischenschicht zumindest teilweise mit einer Halbleitermaterialschicht oder einem Halbleitermaterialschichtstapel aus mindestens einem Halbleitermaterial abgedeckt und die seismische Masse aus dem mindestens einen Halbleitermaterial der Halbleitermaterialschicht oder des Halbleitermaterialschichtstapels gebildet. Die seismische Masse kann beispielsweise als eine in eine Wippenbewegung um eine parallel zu der Substratoberfläche ausgerichtete Kippachse versetzbare Wippenstruktur ausgebildet werden. Jedoch sind auch die anderen oben beschriebenen Beispiele von seismischen Massen in dem Verfahrensschritt S1 ausbildbar.
  • In einem Verfahrensschritt S2 wird eine Membran derart an dem Substrat mit der Substratoberfläche aufgespannt, dass eine Membraninnenseite der Membran zu der Substratoberfläche ausgerichtet und eine Membranaußenseite der Membran von der Substratoberfläche weg gerichtet werden und die Membraninnenseite an dem Innenvolumen angrenzt. Außerdem wird als Verfahrensschritt S3 die Membran mit einer an der Membraninnenseite hervorstehenden und in das Innenvolumen hineinragenden Sensorelektrode ausgebildet. Der Verfahrensschritt S3 kann jedoch gleichzeitig mit dem Verfahrensschritt S1 ausgeführt werden, indem die Sensorelektrode zumindest teilweise ebenfalls aus dem mindestens einen Halbleitermaterial der Halbleitermaterialschicht oder des Halbleitermaterialschichtstapels gebildet wird.
  • Als Verfahrensschritt S4 wird ein Referenzdruck in dem Innenvolumen derart eingeschlossen, dass die Membran bei einer Druckdifferenz zwischen einem auf ihrer Membranaußenseite vorherrschenden Druck und dem Referenzdruck verwölbt wird, wobei die Sensorelektrode bei einer Verwölbung der Membran in Bezug zu dem Substrat verstellt wird.
  • Auch ein Ausführen des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens schafft somit die oben beschriebenen Vorteile.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006024671 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Mikromechanisches Bauteil für eine Druck- und Inertialsensorvorrichtung mit: einem Substrat (10) mit einer Substratoberfläche (10a); einer aufgespannten Membran (12) mit einer zu der Substratoberfläche (10a) ausgerichteten Membraninnenseite (12a) und einer von der Substratoberfläche (10a) weg gerichteten Membranaußenseite (12b), wobei die Membraninnenseite (12a) an einem Innenvolumen (16) angrenzt, in welchem ein Referenzdruck (p0) eingeschlossen ist, und wobei die Membran (12) mittels einer Druckdifferenz zwischen einem auf ihrer Membranaußenseite (12b) vorherrschenden Druck (p) und dem Referenzdruck (p0) verwölbbar ist; und einer in dem Innenvolumen (16) angeordneten seismischen Masse (14); gekennzeichnet durch eine an der Membraninnenseite (10a) hervorstehende und in das Innenvolumen (16) hineinragende Sensorelektrode (18), welche mittels einer Verwölbung der Membran (12) in Bezug zu dem Substrat (10) verstellbar ist.
  2. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei die seismische Masse (14) aus mindestens einem Halbleitermaterial einer Halbleitermaterialschicht (28) oder eines Halbleitermaterialschichtstapels gebildet ist, und wobei die Sensorelektrode (18) zumindest teilweise ebenfalls aus dem mindestens einen Halbleitermaterial der Halbleitermaterialschicht (28) oder des Halbleitermaterialschichtstapels gebildet ist.
  3. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 2, wobei eine in dem Innenvolumen (16) angeordnete und unabhängig von der seismischen Masse (14) gebildete Referenzelektrode (50) zusätzlich aus dem mindestens einen Halbleitermaterial der Halbleitermaterialschicht (28) oder des Halbleitermaterialschichtstapels gebildet ist.
  4. Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die seismische Masse (14) über zumindest eine Federeinrichtung (22) derart an der Substratoberfläche (10) angebunden ist, dass die seismische Masse (14) in eine Verstellbewegung mit einer entlang einer parallel zu der Substratoberfläche (10a) verlaufenden Verstellachse (24) ausgerichteten Bewegungskomponente versetzbar ist, und wobei mindestens eine Massen-Gegenelektrode (26a und 26b) derart in dem Innenvolumen (16) fest angeordnet ist, dass, sofern die seismische Masse (14) in eine Verstellbewegung mit einer entlang der Verstellachse (24) ausgerichteten Bewegungskomponente versetzt ist, ein jeweiliger Abstand (d14-26) der seismischen Masse (14) zu der jeweiligen Massen-Gegenelektrode (26) variiert.
  5. Mikromechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die seismische Masse (14) eine Wippenstruktur (42) umfasst, welche in eine Wippenbewegung um eine parallel zu der Substratoberfläche (10) ausgerichtete Kippachse (44) versetzbar ist, und wobei eine erste Massen-Gegenelektrode (48a) und eine zweite Massen-Gegenelektrode (48b) derart direkt oder indirekt auf der Substratoberfläche (10a) befestigt sind, dass, sofern die Wippenstruktur (42) der seismische Masse (14) in eine Wippenbewegung um die Kippachse (44) versetzt ist, ein erster Abstand (d42a-48a) der Wippenstruktur (42) zu der ersten Massen-Gegenelektrode (48a) und eine zweiter Abstand (d42b-48b) der Wippenstruktur (42) zu der zweiten Massen-Gegenelektrode (48b) variieren.
  6. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 5, wobei mindestens eine Referenz-Gegenelektrode (40a, 40b) zwischen der ersten Massen-Gegenelektrode (48a) und der zweiten Massen-Gegenelektrode (48b) direkt oder indirekt auf der Substratoberfläche (10a) befestigt ist.
  7. Druck- und Inertialsensorvorrichtung mit einem mikromechanischen Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  8. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine Druck- und Inertialsensorvorrichtung mit den Schritten: Anordnen einer seismischen Masse (14) in einem späteren Innenvolumen (16) (S1); Aufspannen einer Membran (12) derart an einem Substrat (10) mit einer Substratoberfläche (10a), dass eine Membraninnenseite (12a) zu der Substratoberfläche (10a) ausgerichtet und eine Membranaußenseite (12b) von der Substratoberfläche (10a) weg gerichtet werden und die Membraninnenseite (12a) an dem Innenvolumen (16) angrenzt (S2); und Einschließen eines Referenzdrucks (p0) in dem Innenvolumen (16) derart, dass die Membran (12) bei einer Druckdifferenz zwischen einem auf ihrer Membranaußenseite (12b) vorherrschenden Druck (p) und dem Referenzdruck (p0) verwölbt wird (S4); dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (12) mit einer an der Membraninnenseite (12a) hervorstehenden und in das Innenvolumen (16) hineinragenden Sensorelektrode (18) derart ausgebildet wird, dass die Sensorelektrode (18) bei einer Verwölbung der Membran (12) in Bezug zu dem Substrat (10) verstellt wird (S3).
  9. Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei vor dem Aufspannen der Membran (12) die Substratoberfläche (10a) und/oder mindestens eine die Substratoberfläche (10a) zumindest teilweise bedeckende Zwischenschicht zumindest teilweise mit einer Halbleitermaterialschicht (28) oder einem Halbleitermaterialschichtstapel aus mindestens einem Halbleitermaterial abgedeckt wird, wobei die seismische Masse (14) aus dem mindestens einen Halbleitermaterial der Halbleitermaterialschicht (28) oder des Halbleitermaterialschichtstapels gebildet wird, und wobei die Sensorelektrode (18) zumindest teilweise ebenfalls aus dem mindestens einen Halbleitermaterial der Halbleitermaterialschicht (28) oder des Halbleitermaterialschichtstapels gebildet wird.
  10. Herstellungsverfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die seismische Masse (14) als eine in eine Wippenbewegung um eine parallel zu der Substratoberfläche (10a) ausgerichtete Kippachse (44) versetzbare Wippenstruktur (42) ausgebildet wird.
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