DE102020200357A1 - Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor - Google Patents

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Abstract

Detektionseinrichtung (100) für einen mikromechanischen Kombinationssensor (200), aufweisend:- wenigstens eine erste Erfassungseinrichtung (10a, 10b) zum Erfassen einer ersten physikalischen Größe; und- wenigstens eine zweite Erfassungseinrichtung (20) zum Erfassen von radioaktiver Strahlung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor.
  • Stand der Technik
  • Mikrosystemtechnisch hergestellte (Luft)drucksensoren (MEMS-Drucksensoren) weisen üblicherweise eine Membran aus Silizium auf, die auf eine Änderung des Drucks auf die Membranoberfläche mit einer Auslenkung der Membran reagieren. Diese Auslenkung bzw. der dadurch verursachte mechanische Stress an der Membrankante kann mittels piezoresistiver Widerstände in ein elektrisches Signal überführt werden.
  • Aufgrund der Temperatur-Abhängigkeit des piezoresistiven Effekts sind üblicherweise Temperatursensoren auf dem MEMS angeordnet (z.B. pn-Diode, Widerstandsbrücke). Kapazitive Drucksensoren wandeln hingegen die Auslenkung der Membran nicht über den piezoresistiven Effekt, sondern die Änderung elektrischer Kapazitäten um. Auch hier sind meist Temperatursensoren auf dem MEMS integriert.
  • MEMS-Flussratensensoren heizen üblicherweise das Medium lokal auf und bestimmen entweder durch die Wärmeabfuhr oder durch Messen der Verzerrung des Temperaturfeldes (mittels mindestens eines Temperatursensors) die (Massen-)Flussrate. MEMS-Gas/Luftgütesensoren messen beispielsweise die Konzentration von VOCs (engl. volatile organic compounds), indem der Widerstand einer gassensitiven Schicht bei hohen Temperaturen gemessen wird. MEMS-Technologie ermöglicht eine Miniaturisierung solcher Sensoren mit sehr geringem Leistungsverbrauch durch Realisierung/Integration der sensitiven Schichten auf mikromechanisch hergestellten thermisch gut isolierenden Membranen.
  • Die Signale werden üblicherweise entweder mittels einer auf dem MEMS integrierten Schaltung oder einem separaten ASIC ausgewertet. PIN-Dioden sind Halbleiterbauelemente, die zur Detektion von Strahlung (sichtbar, UV, radioaktiv) genutzt werden, wobei ein p-dotierter Bereich und ein n-dotierter Bereich durch einen Bereich mit fast intrinsischer Ladungsträgerkonzentration getrennt ist, so dass eine weit ausgedehnte Raumladungszone entsteht. PIN-Dioden werden üblicherweise in Sperrrichtung betrieben. Ein eintreffendes Photon/Elektron/Alphateilchen generiert im intrinsischen Bereich der PIN-Diode elektrische Ladungsträger, so dass eine mit elektrischer Konstantspannung betriebene PIN-Diode einen elektrischen Strompuls aufweist, der durch eine geeignete Auswerteschaltung detektiert werden kann.
  • Externe Einflüsse, welche den Drucksensor unter mechanischen Stress (z.B. Verbiegung) setzen, sind zum Beispiel mechanische Verspannungen aufgrund eines Moldprozesses, ein Aufbau mit mehreren Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, Stress durch Lötverbindungen des aufgebauten Sensors auf einer externen Leiterplatte, usw.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor bereit zu stellen. Dabei soll eine Messung von radioaktiver Strahlung (Alpha-, Beta-, Gamma-Strahlung) sowie mindestens einer weiteren Eigenschaft eines umgebenden Mediums wie Druck (z.B. Luftdruck), Flussraten, Gaszusammensetzung, Luftgüte sowie optional eine Messung von Temperatur des Mediums mittels eines MEMS-Chips möglich sein.
  • Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor, aufweisend:
    • - wenigstens eine erste Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer ersten physikalischen Größe; und
    • - wenigstens eine zweite Erfassungseinrichtung zum Erfassen von radioaktiver Strahlung.
  • Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Detektionsrichtung mit unterschiedlichen Erfassungseinrichtungen für unterschiedliche physikalische Größen bereitgestellt, wobei eine der Erfassungseinrichtungen zur Erfassung von radioaktiver Strahlung vorgesehen ist. Im Falle einer Einbindung in einen piezoresistiven mikromechanischen Drucksensor gibt sich ein vorteilhaft ein Synergieeffekt, weil sich die Erfassungseinrichtung für radioaktive Strahlung mit wenigen zusätzlichen Dotierungsschritten, z. B. durch Ionenimplantation, realisieren lässt.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor, aufweisend die Schritte:
    • - Ausbilden wenigstens einer ersten Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer ersten physikalischen Größe; und
    • - Ausbilden wenigstens einer zweiten Erfassungseinrichtung zum Erfassen von radioaktiver Strahlung.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorgeschlagenen Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Erfassungseinrichtung eine PIN-Diode ist. Auf diese Weise wird eine an sich bekannte PIN-Diode vorteilhaft in einen mikromechanischen Kombinationssensor integriert. Beispielsweise ist dadurch bei einer Erfassung von Fluidparametern zusätzlich auch noch die Messung von radioaktiver Strahlung des Fluids möglich.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor sieht vor, dass die PIN-Diode auf einer mikromechanischen Membran oder neben einer mikromechanischen Membran angeordnet ist. Dadurch ergeben sich vorteilhaft unterschiedliche Realisierungskonzepte für die Erfassungseinrichtung für radioaktive Strahlung.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor ist dadurch gekennzeichnet, dass ein n-dotierter Bereich und ein p-dotierter Bereich der PIN-Diode im Wesentlichen gleichförmig ausgebildet sind. Dadurch ergibt sich eine möglichst großflächige Ausbildung der PIN-Diode, wodurch vorteilhaft möglichst viele Ladungsträgergenerationsereignisse aufgrund von radioaktiver Strahlung gezählt werden können.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor zeichnet sich dadurch aus, dass die Detektionseinrichtung so ausgebildet ist, dass kein sichtbares Licht auf den intrinsischen Bereich der PIN-Diode fallen kann. Vorteilhaft kann dadurch weitgehend vermieden werden, dass zusätzlich zur radioaktiven Strahlung auch noch sichtbares Licht und/oder UV-Licht gemessen werden kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor zeichnet sich dadurch aus, dass auf der Detektionseinrichtung eine Gelschicht angeordnet ist. Auf diese Weise wird ein weicher Schutz vor Flüssigkeitseintritt bereitgestellt, der zudem Kurzschlüsse zwischen Bonddrähten verhindern kann. Aufgrund einer spezifischen Auslegung der Dicke der Gelschicht kann die Sekundärstrahlung sehr nahe an der PIN-Diode auftreten, wodurch sich radioaktive Strahlung genau messen lässt.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gelschicht Partikel aufweist. Auf diese Weise wird vorteilhaft der Einfall von sichtbarem Licht und/oder UV-Strahlung auf die PIN-Diode verhindert.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor ist dadurch gekennzeichnet, dass der intrinsische Bereich der PIN-Diode unterhalb einer Metallschicht angeordnet ist, wobei ein Anschlusspfad der Metallschicht zumindest den intrinsischen Bereich der PIN-Diode überlappt, vorteilhafterweise zusätzlich die Übergangsbereiche des intrisischen zum p- und/oder n-dotiertem Bereich und/oder zusätzlich den kompletten p- oder n-dotierten Bereich. Auf diese Weise kann ein wirksamer Schutz vor sichtbarem Licht bereitgestellt werden, wodurch im Wesentlichen nur die radioaktive Strahlung gemessen wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor ist dadurch gekennzeichnet, dass die PIN-Diode als Avalanche-Dioden betreibbar ist, die nahe am Durchbruchbereich arbeitet. Auf diese Weise können vorteilhaft besonders große Strompuls aufgrund von radioaktiver Strahlung gemessen werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor ist dadurch gekennzeichnet, dass der mikromechanische Kombinationssensor ein Drucksensor, und/oder ein Flussratensensor und/oder ein Luftgütesensor und/oder ein Gassensor ist. Vorteilhaft kann die Detektionseinrichtung auf diese Weise für unterschiedliche mikromechanische Kombinationssensoren verwendet werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor ist dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei zweite Erfassungseinrichtungen aufweist. Zum Unterscheiden von Beta- und Gamma-Strahlung können in der Detektionseinrichtung zu diesem Zweck wenigstens zwei Erfassungseinrichtungen in Form von PIN-Dioden vorgesehen sein. Dabei kann eine der PIN-Dioden großteils von der Metallschicht bedeckt sein und die andere bzw. anderen PIN-Dioden nicht. Da Metall Beta-Strahlung stärker absorbiert als die Gelschicht, kann auf diese Weise zwischen Beta- und Gamma-Strahlung unterschieden werden. Dadurch ist vorteilhaft unterstützt, dass auch energieärmere Beta- und Gammastrahlung gemessen werden können.
  • Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
  • Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend den mikromechanischen Sensor in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und technischen Vorteilen des Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors ergeben und umgekehrt.
  • In den Figuren zeigt:
    • 1 eine Querschnittsansicht auf eine Ausführungsform der vorgeschlagenen Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor;
    • 2 eine Draufsicht auf eine Erfassungseinrichtung einer vorgeschlagenen Detektionseinrichtung;
    • 3 eine Querschnittsansicht auf eine Konfiguration eines mikromechanischen Kombinationssensors mit der vorgeschlagenen Detektionseinrichtung;
    • 4-6 Querschnittsansichten durch Ausführungsformen der vorgeschlagenen Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor; und
    • 7 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer vorgeschlagenen Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Bereitstellung eines verbesserten mikromechanischen Kombinationssensors, der auch radioaktive Strahlung messen kann.
  • Die Funktion der dabei benutzten Messmethode basiert auf der Funktion einer an sich bekannten PIN-Diode im Reverse-Bias Mode. Im Sperrbetrieb ist die PIN-Diode, abgesehen von einem elektrischen Leckstrom, nicht leitend. Gelangt hingegen ein Photon mit ausreichender Energie in die Verarmungszone der PIN-Diode, generiert dieses ein Elektronen-Loch Paar. Das elektrische Feld im Sperrbetrieb räumt die elektrischen Ladungen aus der Region und erzeugt auf diese Weise einen elektrischen Strom, der gemessen werden kann.
  • Eine Erweiterung stellt die Detektion über eine Avalanche-Diode dar, welche nahe am Durchbruchsbereich arbeitet, wobei in diesem Fall elektrische Versorgungsspannungen von einigen 100V verwendet werden. In diesem Betriebsmodus haben Elektron-Loch Paare, welche durch ein Photon generiert werden, eine große Menge an Energie durch das bestehende elektrische Feld. Dadurch werden mehr sekundäre Ladungsträger (Impact lonization, etc.) generiert. Hierdurch kann ein einzelnes Photon erkannt werden, was eine große Empfindlichkeit bedeutet. PIN-Dioden in Silizium können klassischerweise Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der Bandlücke, d.h. ca. 1100nm, detektieren. Somit ist die Detektion von Nahinfrarot, sichtbares Licht, UV-Strahlung bis zur radioaktiven Strahlung möglich.
  • Der allgemeine Aufbau der vorgeschlagenen Detektionseinrichtung für einen mikromechanischen Kombinationssensor kann gemäß einem bekannten piezoresistiven Drucksensor ausgebildet sein, wie er z.B. aus DE 10 2006 007 729 A1 bekannt und vereinfacht in 1 dargestellt ist. Zusätzlich bedarf es einer weiteren Maske, welche für einen zusätzlichen Ionenimplantationsschritt benötigt wird: Dieser definiert/realisiert ein n-dotiertes Gebiet 11a für die PIN-Diode, das von der Oberfläche bis hinunter zu einem n-dotierten Bereich 11b der PIN-Diode kontaktiert. Oberhalb des n-dotierten Bereichs 11b ist eine intrinsische Region 2 der PIN-Diode angeordnet und oberhalb dieser eine p-dotierte Wanne 12 mit entsprechender Kontaktdotierung in p+.
  • Spannt man nun die derart ausgebildet PIN-Diode elektrisch entsprechend vor, sodass diese im Sperrbetrieb operiert, wie in 1 anhand der exemplarisch dargestellten elektrischen Spannungspegel 5V und 0V dargestellt, verarmt die intrinsische Schicht 2.
  • Gelangt nun ein Photon in das intrinsische Gebiet 2, generiert es ein Elektronen-Loch Paar, wodurch mittels des elektrischen Feldes die Verarmungszone von den generierten Ladungsträgern freigeräumt wird. Auf diese Weise entsteht ein elektrischer Strom, welcher detektiert werden kann. Gebiete mit höherer Dotierkonzentrationen weisen einen bedeutend geringeren Widerstand als der Widerstand der intrinsischen Schicht 2 auf, was in einem qualitativen elektrischen Stromfluss S, wie er in 1 angedeutet ist, resultiert.
  • Somit entsteht ein Strompfad entlang des elektrischen Felds von einer auf 0V liegenden Metallschicht über den p-dotierten Bereich 12, den intrinsischen Bereich 2, den n-dotierten Bereich 11b und den n-dotierten Bereich 11a zu einem auf 5V liegenden Anschluss der Metallschicht 5. Dadurch wird eine hohe Empfindlichkeit der PIN-Diode ermöglicht.
  • Bei der epitaktischen Abscheidung des n-dotierten Siliziums zur Bildung der Membran und des intrinsischen Bereiches 2 der PIN-Diode sollte darauf geachtet werden, dass die n-Dotierkonzentration ausreichend niedrig ist, z.B. ein bis zwei Größenordnungen unterhalb der geringsten Konzentration die der p-dotierte Bereich 12 und die n-dotierten Bereiche 11a, 11b aufweisen.
  • Die Höhe des entstehenden elektrischen Strompuls ist dabei ein Indikator für die Strahlungsart bzw. deren Energie, wobei sich über eine Häufigkeit der Strompulse (Impulse pro Sekunde, engl. counts per seconds) auf einfache Weise die Intensität der radioaktiven Strahlung bestimmen lässt.
  • Erkennbar ist ferner ein schwach p-dotiertes Substrat 1, eine erste Isolationsschicht 3, eine zweite Isolationsschicht 4b und eine auf der Metallschicht 5 angeordnete Passivierungsschicht 6, die üblicherweise Silizium-Nitrid ist. Mittels der Isolationsschichten 3, 4b sollen auch elektrische Kurzschlüsse zwischen der Metallschicht 5 und den Halbleiterschichten verhindert werden.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der n-dotierte Bereich 11a mit der Metallschicht 5 verbunden ist. Dabei ist im intrinsischen Bereich 2 die n-Dotierung derart niedrig, dass dieser Bereich nur sehr wenige Ladungsträger bereitstellt, wodurch im intrinsischen Bereich 2 in der Regel fast kein elektrischer Strom fließen kann. Ferner regiert dieser Bereich bei einer Beaufschlagung mit radioaktiver Strahlung mit einer Bildung von Ladungsträgerpaaren (Elektronen-Loch-Paare), die bei Anliegen eines elektrischen Feldes abfließen können. Der intrinsische Bereich 2 trennt somit den n-dotierten Bereich 11a vom p-dotierten Bereich 12. In Kombination bilden diese drei Bereiche dadurch eine PIN-Diode.
  • Erkennbar sind ferner eine erste Erfassungseinrichtung 10a, die als eine Temperaturdiode ausgebildet ist und die die p-dotierten Bereiche 8, den n-dotierten Bereich 13, den n+-dotierten Bereich 13b und die p-dotierten Bereiche 12 umfasst.
  • Ferner erkennt man eine erste Erfassungseinrichtung 10b in Form einer Wheat-stone'schen Brückenschaltung mit vier piezoresistiven Widerständen (nicht dargestellt), die eine mechanische Auslenkung einer oberhalb einer Kavität 7 ausgebildeten Drucksensorembran misst.
  • Im Ergebnis ist auf diese Art die zweite Erfassungseinrichtung 20 neben der Membran eines piezoresistiven Drucksensors ausgebildet.
  • Erkennbar ist ferner rechts von der zweiten Erfassungseinrichtung 20 ein elektrischer Anschlussbereich (engl. bondland), mit dem Bonddrähte (nicht dargestellt) an die Detektionseinrichtung 100 angeschlossen werden können.
  • Eine Funktionsweise der PIN-Diode ist dabei wie folgt: Ein Anschluss der Metallschicht 5 befindet sich auf einem positiven elektrischen Spannungspotential (beispielsweise 5V) und kontaktiert über einen stark n-dotierten Bereich das n-dotierte Gebiet 11a. Ein (sehr kleiner) elektrischer Strom fließt dadurch vom n-dotierten Gebiet 11a durch den n-dotierten Bereich 11b durch den intrinsischen Bereich 2 zum p-dotierten Bereich 12, der mit einem auf 0V liegenden Anschluss der Metallschicht 5 verbunden ist. Unterhalb der Metallschicht 5 befindet sich ein stark p-dotierter Bereich 12a, der eine Ohm'sche Kontaktierung darstellt.
  • Wenn ein Gamma-Quant im intrinsischen Bereich 2 elektrische Ladungsträger generiert, können diese aufgrund des dort anliegenden elektrischen Felds abfließen und führen zu einem schnellen und starken Ansteigen des elektrischen Stromes durch die PIN-Diode. Eine Stromflussrichtung S durch die PIN-Diode 11a, 11b, 2, 12 ist durch Pfeile angedeutet. Auf diese Weise können mittels der PIN-Diode 11a, 11b, 2, 12 elektrische Strompulse aufgrund einer auf den zweiten Erfassungsbereich 20 einfallenden radioaktiven Strahlung gezählt werden.
  • 2 zeigt die Anordnung der dotierten Gebiete in einer Draufsicht. Gut zu erkennen ist, dass nur ein Bruchteil der Chipfläche von piezoresistiven Widerständen 13a in n-dotierten Bereichen 13 eingenommen wird, so dass der Großteil der Fläche für die PIN-Diode 11a, 11b, 2, 12 zu Verfügung steht. Man erkennt, dass der n-dotierte Bereich 11a den intrinsischen Bereich 2 vollständig umschließt. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Die umlaufende Anordnung bietet den Vorteil einer Entkopplung von anderen Bauteilen der Detektionseinrichtung 100 für einen mikromechanischen Kombinationssensor.
  • Im Unterschied zur Anordnung von 1 ist die PIN-Diode 11a, 11b, 2, 12 in der Konfiguration von 2 auf der Drucksensormembran angeordnet, wobei der besseren Übersichtlichkeit halber Durchkontaktierungen und Metallleiterbahnen der Piezowiderstände 13a nicht dargestellt sind. Eine Querschnittsansicht der Konfiguration von 2 zeigt 5.
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Einbaus eines mikromechanischen Kombinationssensors 200 mit der vorgeschlagenen Detektionseinrichtung 100 in einer SmartWatch. Erkennbar ist ein Gehäuse 130, das mittels eines Klebers 120 auf dem Substrat 1 befestigt ist. Man erkennt ferner einen direkten Flugweg von Alphastrahlung α (radioaktive Strahlung) auf eine Gelschicht 140, die die Detektionseinrichtung 100 samt zugeordneter Auswertungseinrichtung 110 (z.B. ASIC) bedeckt. Die bei der Kollision der Alphateilchen der Alphastrahlung α mit den Gel-Atomen der Gelschicht 140 entstehende Sekundärstrahlung trifft in einem ausreichenden Ausmaß auf die PIN-Diode der Detektionseinrichtung 100, da das Kollisionszentrum aufgrund der dünnen Gelschicht 140 nahe an der PIN-Diode liegt.
  • Erreicht wird dies durch die geringe Überdeckung der Detektionseinrichtung 100 mit der relativ dünnen und weichen Gelschicht 140, die in vorteilhafter Weise für Flüssigkeiten undurchlässig ist und dadurch Kurzschlüsse zwischen Bonddrähten verhindern kann. Alternativ und nicht in Figuren dargestellt ist es auch denkbar, die Auswertungseinrichtung 110 außerhalb der dargestellten Anordnung vorzusehen.
  • Zum Unterscheiden von Beta- und Gamma-Strahlung können in der Detektionseinrichtung 100 wenigstens zwei Erfassungseinrichtungen 10b in Form von PIN-Dioden vorgesehen sein. Dabei kann eine der PIN-Dioden großteils von der Metallschicht 5 bedeckt sein, was in der Konfiguration von 6 dargestellt ist und die andere bzw. anderen PIN-Dioden nicht. Da Metall Beta-Strahlung stärker absorbiert als die Gelschicht 140, kann auf diese Weise zwischen Beta- und Gamma-Strahlung unterschieden werden. Auch bei kapazitiven Drucksensoren sowie Massen- bzw. Flussratensensoren oder Gas/Luftgütesensoren lässt sich eine ähnliche Anordnung realisieren (nicht in Figuren dargestellt).
  • 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren Variante der vorgeschlagenen Detektionseinrichtung 100, bei der eine Führung des elektrischen Feldes unterhalb des intrinsischen Bereichs 2 alternativ ermöglicht wird. Zu diesem Zweck wird ein n+-dotierter Bereich 9 benutzt, der dieselbe Dotierungsart wie der n-dotierte Bereich 11a aufweist. Dargestellt ist eine Querschnittsansicht durch einen piezoresistiven Drucksensor mit einer PIN-Diode 11a, 9, 2, 12, die neben der Drucksensormembran der ersten Erfassungseinrichtung 10b angeordnet ist. In diesem Fall wurde die zweite, im Prozess vorhandene n-dotierte Implantation verwendet, um den vertikalen elektrischen Stromfluss lateral zum n-dotierten Bereich 11a zu realisieren.
  • 5 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine Detektionseinrichtung 100 eines piezoresistiven Drucksensors mit einer PIN-Diode 11a, 11b, 2, 12, die auf der Drucksensormembran angeordnet ist, wobei eine entsprechende Draufsicht in 2 dargestellt ist. Auf der Drucksensormembran ist neben den piezoresistiven Widerständen 13a noch Platz verfügbar, so dass die PIN-Diode ohne Vergrößern der Detektionseinrichtung 100 realisiert werden kann. Auf diese Weise werden die Erfassungsbereiche 10b, 20 der Detektionseinrichtung 100 „miteinander kombiniert“. Um möglichst viele elektrische Strompulse aufgrund von radioaktiver Strahlung zählen zu können, wird auf diese Weise eine möglichst große Fläche der PIN-Diode realisiert, die auf die radioaktive Strahlung maximal sensibel ist. Man erkennt in Zusammenschau mit der Draufsicht von 2, dass der n-dotierte Bereich 11a zusammen mit dem p-dotierten Bereich 12 der PIN-Diode eine maximale Flächenausdehnung aufweist.
  • Im intrinsischen Bereich 2 werden elektrische Ladungsträger nicht nur beim Auftreffen von „harter“ radioaktiver Strahlung generiert, sondern auch bei Auftreffen von Licht oder ultravioletter Strahlung (ähnlich dem technischen Prinzip einer Solarzelle). In der Regel wird mit Maßnahmen von Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) versucht, dies weitgehend zu verhindern.
  • 6 zeigt eine alternative Ausführungsform einer vorgeschlagenen Detektionseinrichtung 100, bei der eine solche Maßnahme nicht notwendig ist und bei der dennoch verhindert wird, dass Licht und/oder UV-Strahlung zum intrinsischen Bereich 2 dringt. Im Ergebnis wird der intrinsische Bereich 2 zu diesem Zweck vollständig unterhalb der Metallschicht 5 angeordnet, wobei die Metallschicht 5 inklusive 0V-Pad den n-dotierten Bereich 11a auch noch überlappt. Vorteilhafterweise überdeckt die Metallschicht 5 auch einen Anteil der Bereiche 11a, zumindest aber den Übergangsbereich von Bereich 11a zu Bereich 2.
  • Auf diese Weise wird ein piezoresistiver Drucksensor mit einer PIN-Diode unterhalb von Bondpads der Metallschicht 5 realisiert, wodurch zusätzlich Fläche für die PIN-Diode gewonnen werden kann. Aufgrund der Tatsache, dass in diesem Fall die PIN-Diode 11a, 11b, 2, 12 vollständig unter der Metallschicht 5 angeordnet ist, kann ein sichtbares, ultraviolettes, usw. Strahlungsspektrum weggefiltert und dadurch ausschließlich radioaktive Strahlung gemessen werden. Auf diese Weise kann auf eine Schwärzung der Gelschicht 140 mit Partikel, die üblicherweise vorgesehen sind, verzichtet werden. Im Ergebnis kann dadurch vorteilhaft erreicht werden, dass ausschließlich radioaktive Strahlung gezählt bzw. gemessen wird an Stelle von Licht und/oder UV-Strahlung.
  • Vorzugsweise weist ein mikromechanischer Kombinationssensor 200 mit der vorgeschlagenen Detektionseinrichtung 100 auch noch eine Anzeigeeinrichtung (z.B. ein Display) zum Anzeigen der erfassten und mittels der Auswertungseinrichtung 110 ausgewerteten physikalischen Größen.
  • Vorteilhaft ergibt sich im Falle eines piezoresistiven Drucksensors aufgrund der dort zahlreich erforderlichen Dotierschritte ein Synergieeffekt, so dass die vorgeschlagene Detektionseinrichtung 100 mit relativ geringem Zusatzaufwand realisiert werden kann.
  • Nicht in Figuren dargestellt ist eine Variante der vorgeschlagenen Detektionseinrichtung für einen kapazitiven Drucksensor. Denkbar wäre dort z.B. auch eine pPIN-Diode, die im Vergleich zur vorgehend beschriebenen PIN-Diode geänderte Dotierungsarten erfordert.
  • 7 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen Detektionseinrichtung 100 für einen mikromechanischen Kombinationssensor 200.
  • In einem Schritt 300 erfolgt ein Ausbilden wenigstens einer ersten Erfassungseinrichtung 10a, 10b zum Erfassen einer ersten physikalischen Größe.
  • In einem Schritt 310 wird ein Ausbilden wenigstens einer zweiten Erfassungseinrichtung 20 zum Erfassen von radioaktiver Strahlung durchgeführt.
  • Zusammenfassend wird eine Integration eines Detektors für radioaktive Strahlung in einen MEMS-Mediensensor vorgeschlagen, beispielsweise in Kombination mit einem Drucksensor oder in Kombination mit einem Flussratensensor oder in Kombination mit einem Gassensor oder in Kombination mit einem Luftgütesensor oder in Kombination mit einer Kombination der zuvor genannten Messgrößen.
  • Mit geringem Mehraufwand im Prozess (nur ein zusätzlicher Ionenimplantationsschritt) steht eine weitere Messgröße zu Verfügung mit folgenden möglichen Anwendungen:
    • - Detektion von radioaktiver Umgebungsstrahlung (z.B. per Smartphone oder SmartWatch oder SmartWearable)
    • - Detektion von radioaktiv belasteten Lebensmitteln, insbesondere mit Alphastrahlern (z.B. Polonium) z.B. per Smartphone oder SmartWatch
    • - Detektion von radioaktiven Unfällen
  • Ein MEMS-Drucksensor ist üblicherweise einer der wenigen Halbleiterbauelemente in einem Smartphone oder einer SmartWatch, der in so einer (hier vorteilhaften) exponierten Lage angeordnet ist.
  • Bei einem piezoresistiven Drucksensor sind üblicherweise weniger als 15% der Membran mit piezoresistiven Widerständen belegt. Die restliche Fläche kann komplett und ohne Nachteile für die vorgeschlagene Detektionseinrichtung verwendet werden. Auch Flächen unter und neben den Bondpads können genutzt werden.
  • Der Fachmann kann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen der Erfindung realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006007729 A1 [0028]

Claims (12)

  1. Detektionseinrichtung (100) für einen mikromechanischen Kombinationssensor (200), aufweisend: - wenigstens eine erste Erfassungseinrichtung (10a, 10b) zum Erfassen einer ersten physikalischen Größe; und - wenigstens eine zweite Erfassungseinrichtung (20) zum Erfassen von radioaktiver Strahlung.
  2. Detektionseinrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Erfassungseinrichtung (20) eine PIN-Diode ist.
  3. Detektionseinrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die PIN-Diode auf einer mikromechanischen Membran oder neben einer mikromechanischen Membran der Detektionseinrichtung (100) angeordnet ist.
  4. Detektionseinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein n-dotierter Bereich (11a) und ein p-dotierter Bereich (12) der PIN-Diode im Wesentlichen gleichförmig ausgebildet sind.
  5. Detektionseinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (100) ausgebildet ist, dass kein sichtbares Licht auf einen intrinsischen Bereich (2) der PIN-Diode fallen kann.
  6. Detektionseinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Detektionseinrichtung (100) eine Gelschicht (140) angeordnet ist.
  7. Detektionseinrichtung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelschicht (140) Partikel aufweist.
  8. Detektionseinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der intrinsische Bereich (2) der PIN-Diode unterhalb einer Metallschicht (5) angeordnet ist, wobei ein Anschlusspfad der Metallschicht zumindest den intrinsischen Bereich (2) der PIN-Diode überlappt, vorzugsweise zusätzlich die Übergangsbereiche des intrisischen zum p- und/oder n-dotiertem Bereich und/oder zusätzlich den kompletten p- oder n-dotierten Bereich.
  9. Detektionseinrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PIN-Diode als Avalanche-Diode betreibbar ist, die nahe am Durchbruchbereich arbeitet.
  10. Detektionseinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (100) für einen mikromechanische Kombinationssensor (100) in Form eines Drucksensors, und/oder eines Flussratensensors und/oder eines Luftgütesensors und/oder ein Gassensors verwendbar ist.
  11. Detektionseinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweisend mindestens zwei zweite Erfassungseinrichtungen (20).
  12. Verfahren zum Herstellen einer Detektionseinrichtung (100) für einen mikromechanischen Kombinationssensor (200), aufweisend die Schritte: - Ausbilden wenigstens einer ersten Erfassungseinrichtung (10a, 10b) zum Erfassen einer ersten physikalischen Größe; - Ausbilden wenigstens einer zweiten Erfassungseinrichtung (20) zum Erfassen von radioaktiver Strahlung.
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