DE102020213772A1 - Mikromechanisches Bauelement - Google Patents

Abstract

Mikromechanisches Bauelement (100), aufweisend:- eine Membran (10); wobei- die Membran (10) im Bereich mindestens einer Ankerstruktur (13) und/oder im Bereich mindestens einer Verbindungsstruktur (14) wenigstens eine geometrisch definiert ausgebildete Verstärkungsstruktur (20) aufweist, mittels derer die Membran (10) definiert verstärkt ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements.
• Stand der Technik
• Bekannt sind mikromechanische Drucksensoren, bei denen eine Membran in einer Rahmenstruktur eingespannt ist, wobei diese Rahmenstruktur z.B. aus Silizium Bulk-Material (monokristalliner Si-Wafer) oder aber in OMM-Technik (Oberflächen-Mikromechanik) hergestellt werden kann. Bei Verwendung der OMM-Technik besteht der Rahmen in der Regel aus Polysilizium.
• Aus DE 10 2018 222 715 A1 ist ein Drucksensor bekannt, bei dem die Membraneinspannung nicht aus einem durchgehend umlaufenden Rahmen, sondern aus einzelnen Ankerstrukturen besteht.
• Insbesondere bei Niederdrucksensoren werden dünne und/oder große Membranen verwendet, um dadurch eine gute Mess-/Ansprechempfindlichkeit erreichen zu können. Damit diese Sensoren bei höheren Drücken (z.B. in einem Überlastfall) keinen Schaden nehmen, muss die Membran trotzdem eine hohe Stabilität aufweisen. Insbesondere an einem Einspannbereich der Membran oder an Kanten von Membranversteifungsstrukturen kann es im Überlastfall zu hohen Kräften kommen, die zu Rissen in der Membran führen können.
• Offenbarung der Erfindung
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein insbesondere betreffend eine Membran verbessertes mikromechanisches Bauelement bereitzustellen.
• Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Bauelement, aufweisend:
• - eine Membran; wobei
• - die Membran im Bereich mindestens einer Ankerstruktur und/oder im Bereich mindestens einer Verbindungsstruktur wenigstens eine geometrisch definiert ausgebildete Verstärkungsstruktur aufweist, mittels derer die Membran definiert verstärkt ist.
• Auf diese Weise kann die Membran insbesondere gegenüber hohen Druckbelastungen robuster sein, wodurch ein Stressverlauf innerhalb der Membran vorteilhaft minimiert sein kann. Im Ergebnis lassen sich auf diese Weise z.B. Risse bzw. Beschädigungen der Membran aufgrund von hoher Druckbelastung weitgehend vermeiden.
• Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements, aufweisend die Schritte:
• - Bereitstellen einer Membran; wobei
• - in der Membran im Bereich mindestens einer Ankerstruktur und/oder im Bereich mindestens einer Verbindungsstruktur wenigstens eine geometrisch definiert ausgebildete Verstärkungsstruktur ausgebildet wird, mittels derer die Membran definiert verstärkt ist.
• Bevorzugte Weiterbildungen des mikromechanischen Bauelements sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass die Verstärkungsstruktur über die mindestens eine Ankerstruktur und/oder über die mindestens eine Verbindungsstruktur definiert überlappend ausgebildet ist. Vorteilhaft kann auf diese Weise eine Verstärkungswirkung der Verstärkungsstruktur noch weiter verbessert sein.
• Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Bauelements zeichnen sich dadurch aus, dass laterale Abmessungen einer Erhebung der Verstärkungsstruktur gegenüber der restlichen Membran abhängig sind von einem Ausmaß der Überlappungsbereiche und/oder einer Dicke der Membran.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass die Verstärkungsstruktur oberhalb und unterhalb einer Oberfläche der Membran im Wesentlichen gleiche oder unterschiedliche laterale Abmessungen aufweist. Dadurch sind einzelne Bereiche der Verstärkungsstruktur spezifisch dimensioniert, wodurch eine Verstärkungswirkung der Verstärkungsstruktur noch weiter verbessert sein kann.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass die Verstärkungsstruktur integral aus einem Material ausgebildet ist. Auf diese Weise lässt sich die Verstärkungswirkung der Verstärkungsstruktur aufgrund von gut bekannten Materialeigenschaften sehr genau spezifizieren.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur wenigstens ein eingeschlossenes Zusatzelement umfasst. Auf diese Weise kann eine Verstärkungswirkung der Verstärkungsstruktur durch ein Zusammenwirken von zwei unterschiedlichen Materialien noch weiter verbessert sein.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass das wenigstens eine Zusatzelement im Bereich mindestens einer Ankerstruktur und/oder im Bereich mindestens einer Verbindungsstruktur angeordnet ist. Auch auf diese Weise kann die Verstärkungswirkung der Verstärkungsstruktur noch weiter optimiert sein.
• Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Bauelements zeichnen sich dadurch aus, dass die Verstärkungsstruktur aus wenigstens einem der folgenden Materialien ausgebildet ist: Si, Ge, SiO₂, Si₃N₄, GeO2, Ge3N4, SiC, Al₂O₃, siliziumreiches Siliziumnitrid. Vorteilhaft können dadurch unterschiedliche Materialien mit je eigenen Materialparametern zur Umsetzung der Verstärkungsstruktur genutzt werden, wodurch z.B. auch Herstellungsprozesse zur Bereitstellung Verstärkungsstruktur optimal eingesetzt 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.
• In den Figuren zeigt:
• 1 eine Querschnittsansicht eines konventionellen mikromechanischen Sensors;
• 2 eine Querschnittsansicht durch den konventionellen mikromechanischen Sensor von 1 mit einer Problematik von Rissbildung;
• 3 mehrere Ansichten von einer vorgeschlagenen Verstärkungsstruktur eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements im Einspannbereich der Membran;
• 4 weitere alternative Varianten der vorgeschlagenen Verstärkungsstruktur im Einspannbereich eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements;
• 5 weitere Varianten der vorgeschlagenen Verstärkungsstruktur im Einspannbereich eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements;
• 6 Draufsichten auf vorgeschlagene Verstärkungsstrukturen im Einspannbereich einer Membran eines mikromechanischen Bauelements;
• 7 Draufsichten auf vorgeschlagene Verstärkungsstrukturen im Einspannbereich einer Membran eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements;
• 8 Draufsichten auf vorgeschlagene Verstärkungsstrukturen im Einspannbereich eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements;
• 9 Varianten der vorgeschlagenen Verstärkungsstruktur im Versteifungsbereich einer Membran eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements; und
• 10 einen prinzipiellen Ablauf zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements.
• Beschreibung von Ausführungsformen
• Ein Kerngedanke der Erfindung besteht insbesondere darin, eine Membran eines mikromechanischen Bauelements im Einspannbereich und/oder im Bereich von Übergängen der Membran, wie z.B. Versteifungsstrukturen, gezielt derart zu verstärken, dass es im Überlastfall möglichst nicht zur Bildung von Rissen in der Membran kommt.
• Unter einer „Ankerstruktur“ im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung kann es sich um mehrere, voneinander separierte Anker- bzw. Verankerungsstrukturen oder um einen zusammenhängenden, einstückigen bzw. integralen Anker- bzw. Verankerungsbereich handeln. Diese Unterscheidung wird nachfolgend der Einfachheit halber nicht mehr vorgenommen.
• 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines prinzipiellen Aufbaus eines konventionellen mikromechanischen Bauelements 100 in Form eines kapazitiven mikromechanischen Drucksensors, wie er z.B. aus DE 10 2018 222 715 A1 bekannt ist. Man erkennt ein Substrat 1 (vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, z.B. ein Siliziumwafer) mit einem darauf angeordneten Schichtaufbau mit unter anderem einer Funktionsschicht 2 und einer oberen Opferschicht 3. Dabei wird eine Einspannung einer Membran 10 in Einspannbereichen 11 mit Hilfe einzelner, nebeneinander angeordneter, Ankerstrukturen realisiert. Eine Versteifung der Membran 10 in einem mittleren Versteifungsbereich 12 wird durch eine bzw. mehrere Stützstrukturen erreicht, die gemeinsam eine obere Elektrode 15 über einer unteren Elektrode 16 einer Nutzkapazität fixieren. Diese Stützstrukturen sind über Verbindungsstrukturen 14 mit der Membran 10 verbunden und bewirken auf diese Weise eine lokale Versteifung der Membran 10.
• 2 zeigt ein Szenario, in dem ein hoher mechanischer Druck F an die Membran 10 angelegt wird. Wird dieser Druck F zu hoch, kann es im ungünstigsten Fall zu Rissen im Einspannbereich 11 und/oder im Versteifungsbereich 12 der Membran 10 kommen. Mögliche Positionen derartiger Risse sind durch strichlierte Kreise angedeutet.
• Um derartige Risse in der Membran 10 vermeiden zu können, wird vorgeschlagen, den Einspannbereich 11 einer Membran 10, wie in den 3b) - 3d) gezeigt, definiert zu verstärken.
• 3a) zeigt eine Querschnittsansicht durch eine konventionelle Ankerstruktur 13 im Einspannbereich 11, wie sie z.B. aus DE 2018 222 715 A1 bekannt ist. Die Ankerstruktur 13 umfasst eine Funktionsschicht 2 (z.B. aus Polysilizium) und befindet sich in direktem Kontakt mit der Membran 10 bzw. der Membranschicht. Dabei ist die Funktionsschicht 2 eine untere Opferschicht 4 und eine obere Opferschicht 3 vollständig durchdringend innerhalb einer unteren Opferschicht 4 und in einer oberen Opferschicht 3 angeordnet. Um den Einspannbereich 11 verstärken zu können, werden, wie nachfolgend erläutert, verschiedene Möglichkeiten in Betracht gezogen.
• Zum Beispiel kann, wie in 3b) dargestellt, die Oberseite der Membran 10 mit einer zusätzlichen Schicht aufgedickt bzw. verstärkt werden, welche sich über die Ankerstruktur 13 hinaus erstrecken kann und dadurch eine Membranverstärkung im Bereich des Übergangs zwischen der Ankerstruktur 13 und der Membran 10 erzeugt. Vorzugsweise kann zur Herstellung dieser eine Schicht aus Polysilizium verwendet werden, um z.B. thermische Einflüsse auf die Sensorperformance gering zu halten und/oder eine gute chemische Ätzstabilität gegenüber einem Opferschichtätzmedium bereitzustellen. Besteht die Opferschicht 3 und die Opferschicht 4 z.B. aus SiO₂, sollte die Verstärkungsschicht eine möglichst hohe Ätzresistenz gegenüber einem Ätzmedium in Form von HF in flüssiger oder gasförmiger Form aufweisen. Wie mit Hilfe der nachfolgenden Gleichungen ausgedrückt wird, kann sich diese Verstärkung über den Bereich bzw. die Breite und Länge, d.h. die lateralen Abmessungen der Ankerstruktur 13 hinaus erstrecken, wobei jeweilige Überstände nicht unbedingt gleich dimensioniert sein müssen.
• Möglich sind nachfolgend angegebene geometrische Dimensionierungen der Verstärkungsstruktur 20, wobei unter dem Begriff „beliebig“ im Folgenden eine Bandbreite an geeigneten Dimensionierungsparametern im Zusammenhang mit möglichen Dimensionierungsparametern eines mikromechanischen Bauelements, wie z.B. den der geometrischen Abmessungen einer Membran, verstanden wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass z.B. eine Dicke der Membran 10 des mikromechanischen Bauelements 100 wenige 10nm bis mehrere 100µm betragen kann. $$\text{a},\text{c}>=0$$

  

  $$\text{a}=\text{c}$$

  

  $$\text{a}>\text{c}$$

  

  $$\text{a}<\text{c}$$

  

  $$\text{dV}=\text{beliebig}$$

  

  $$\text{dVU}<\text{dO}$$

  

  $$\text{dM}=\text{beliebig}$$

  

  $$\text{a}\text{'},\text{c}\text{'}>=0$$

  

  $$\text{a}\text{'}=\text{c}\text{'}$$

  

  $$\text{a}\text{'}>\text{c}\text{'}$$

  

  $$\text{a}\text{'}<\text{c}\text{'}$$

  

  $$\text{a}\text{'}=\text{a}$$

  

  $$\text{a}\text{'}>\text{a}$$

  

  $$\text{a}\text{'}<\text{a}$$

  

  $$\text{c}\text{'}=\text{c}$$

  

  $$\text{c}\text{'}>\text{c}$$

  

  $$\text{c}\text{'}<\text{c}$$

  
• In 3c) ist eine weitere Variante der Verstärkungsstruktur 20 dargestellt, bei der eine Membranverstärkung im Bereich des Übergangs zwischen der Ankerstruktur 13 und der Membran 10 realisiert sein kann. Auch hier kann die Verstärkungsschicht aus Silizium bestehen und sich über die Ankerstruktur 13 hinaus erstrecken. Auch in diesem Fall können Überstände mit den Breiten a und c unterschiedlich dimensioniert sein. Während die Dicke der Verstärkungsschicht in 3b) beliebig sein kann, so sollte sie bei der Variante in 3c) kleiner sein als die Dicke der obersten Opferschicht 3 (z.B. aus SiO2), welche sich zwischen der Membranschicht und der nächsten darunterliegenden Funktionsschicht 2 (z.B. aus Polysilizium) befindet.
• Eine Kombination aus den in den 3b) und 3c) dargestellten Varianten zeigt 3d). In diesem Fall sind Verstärkungsschichten im Bereich der Ankerstruktur 13 ober- und unterhalb der Membranschicht vorgesehen, welche alle unterschiedlich weit über die Ankerstruktur 13 hinausragen können. Die 3b') - 3d') zeigen die jeweiligen Varianten der Verstärkungsstruktur 20 nach dem Entfernen der Opferschichten 3, 4. Während bei den Varianten in den 3b) - 3d) die Verstärkung der Membraneinspannung durch Aufdicken mit einer Schicht gezeigt ist, gibt es auch prinzipiell die Möglichkeit, den Einspannbereich 11 mit Hilfe mehrerer Verstärkungsschichten zu stabilisieren. Hierdurch kann z.B. der Stress und der Stressverlauf im Einspannbereich 11 der Membran 10 beeinflusst und gezielt eingestellt werden.
• In den 4a) bis 4c) sind hierzu mögliche Varianten der vorgeschlagenen Verstärkungsstruktur 20 gezeigt. In 4a) wird z.B. eine Variante gezeigt, bei der ein Zusatzelement bzw. eine zusätzliche Schicht 5 im verstärkten Bereich der Membraneinspannung, wie er in 3b) gezeigt wird, integriert ist. Besteht der verstärkte Bereich vollständig aus Polysilizium, so sind das Zusatzelement 5 oder die zusätzlichen Schichten vollständig von Polysilizium umgeben. Die Dicke der ummantelnden Siliziumschicht kann dabei z.B. überall gleich, z.B. überall verschieden oder aber z.B. nur teilweise gleich sein. Die Breite des verstärkten Bereichs ergibt sich aus der Summe von Überhangsbreiten plus einer Breite der Ankerstruktur 13.
• Eine weitere Variante ergibt sich ausgehend von 3c). Hier wird eine Verstärkungsstruktur 20 bereitgestellt, welche sich im Einspannbereich 11 im Bereich der Ankerstruktur 13 in den Bereich unterhalb der Membran 10 erstreckt. In diese können wiederum eine oder mehrere zusätzliche Schichten integriert werden, welche analog zu dem zuvor Erläuterten von Silizium mit optional unterschiedlichen Schichtdicken umgeben sind.
• Eine Kombination der zuvor beschriebenen Varianten zeigt 4c). Die 4a') - 4c') zeigen wieder die jeweiligen Varianten der Verstärkungsstruktur 20 nach dem Entfernen der Opferschichten 3, 4.
• Mit Bezugnahme auf die in den 4a) bis 4c) dargestellten Parameter soll gelten können: $$\text{a}+\text{b}+\text{c}>\text{bZ}$$

  

  $$\text{dV}+\text{dM}>\text{dZ}$$

  

  $$\text{dV}+\text{dVu}+\text{dM}>\text{dZ}$$

  

  $$\text{a}\text{'},\text{c}\text{'}>0$$

  

  $$\text{a}\text{'}=\text{c}\text{'}$$

  

  $$\text{a}\text{'}>\text{c}\text{'}$$

  

  $$\text{a}\text{'}<\text{c}\text{'}$$

  

  $$\text{a}\text{'}=\text{a}$$

  

  $$\text{a}\text{'}>\text{a}$$

  

  $$\text{a}\text{'}<\text{a}$$

  

  $$\text{c}\text{'}=\text{c}$$

  

  $$\text{c}\text{'}>\text{c}$$

  

  $$\text{c}\text{'}<\text{c}$$

  
• In den 4a und 4b ist angedeutet, dass das Zusatzelement 5 im Wesentlichen oberhalb oder unterhalb der Membranoberfläche angeordnet sein kann.
• Dies trifft auch auf die Anordnungen der 5a) und 5b) zu, die zwei weitere Varianten zu 4c) zeigen, bei denen das Zusatzelement 5 im Wesentlichen oberhalb der Membranoberfläche (5a)) oder unterhalb der Membranoberfläche (5b)) angeordnet sein kann. Erkennbar ist in den 5a) und 5b) auch, dass zusätzliche Verstärkungsschichten ohne ein Zusatzelement 5 vorhanden sein können. Besteht das Zusatzelement bzw. die zusätzliche Schicht 5 aus einer gegenüber dem Opferschichtätzmedium resistenten Schicht oder Schichtsystem, so kann auch eine nur teilweise Ummantelung des Zusatzelements bzw. der zusätzlichen Schicht 5 mit Silizium in Betracht gezogen und auf eine vollständige Ummantelung verzichtet werden.
• Wie bereits erwähnt, wird die Membraneinspannung bei dem in DE 2018 222 715 A1 erwähnten kapazitiven Drucksensor über singuläre, im Wesentlichen benachbarte, Ankerstrukturen umgesetzt.
• 6a) zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der Membran 10 des in der DE 10 2018 222 715 A1 beschriebenen Einspannbereichs 11, wobei man erkennt, dass die Membraneinspannung an singulären Ankerstrukturen 13 realisiert ist.
• 6b) zeigt eine Draufsicht, bei der mehrere vorgeschlagene Verstärkungsstrukturen 20 nicht zusammenhängend nur im Bereich um singuläre Ankerstrukturen 13 umgesetzt werden. Hier gelten dann in der Ebene für beide Richtungen um die Ankerstrukturen 13 die gleichen Voraussetzungen bzw. Annahmen für die Verstärkungsstrukturen 20, wie sie oben im Zusammenhang mit den Varianten von 3a) - 3d) und 4a) - 4c) beschrieben wurden.
• 6c) zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Variante, bei der Verstärkungsstrukturen 20 von benachbarten Ankerstrukturen 13 zumindest teilweise ineinander übergehen und einen größeren zusammenhängenden Verstärkungsbereich ausbilden. Dieser kann, wie in 6c) gezeigt, im Bereich der Ankerstruktur 13 angeordnet sein, muss dort aber nicht unbedingt, so wie in 6c) gezeigt, symmetrisch ausgebildet sein.
• Alternativ kann sich der Verstärkungsbereich asymmetrisch von der Ankerstruktur 13 weg erstrecken, wie in 6d) angedeutet. Im Extremfall kann sich die Verstärkungsstruktur 20 in der ganzen Fläche außerhalb des Membranbereichs befinden. Dabei kann sich der Membranbereich z.B. bis Verstärkungsstruktur 20 oder bis zur Ankerstruktur 13 erstrecken oder die Ankerstruktur 13 umfassen.
• Die 7a) - 7c) sind korrespondierende Darstellungen zu den 6b) - 6d), in denen noch ein Zusatzelement bzw. eine zusätzliche Verstärkungsschicht 5 vorhanden sein kann. Weiterhin ist es auch denkbar, den Verlauf einer Verstärkungsstruktur 20 nicht geradlinig parallel zu einer Membraneinspannung auszubilden, sondern diesen konvex, konkav oder sonst wie spezifisch ausgebildet entlang einer Membranspannung auszubilden.
• In den 8a) - 8d) sind Beispiele für einen bauchartigen (konvexen) Verlauf einer Verstärkungsstruktur 20 entlang eines Einspannbereichs 11 gezeigt. In 8a) ist eine Variante erkennbar, bei der singuläre, nicht zusammenhängende, Verstärkungsstrukturen 20 einen konvexen Verlauf entlang einer Membranspannung realisieren, wohingegen in 8b) ein zusammenhängender Bereich erkennbar ist. Während in den 8a), 8b) die bauchartige Verstärkungsstruktur 20 entlang einer Membraneinspannung symmetrisch um die Ankerstrukturen 13 ausgebildet ist, können auch Varianten umgesetzt werden, bei denen sich die bauchartige Verstärkungsstruktur 20 zum Beispiel nur in den Membranbereich hinein erstreckt, wie in den 8c), 8d) erkennbar.
• In der Draufsicht von 8c) ist angedeutet, dass eine Kontur der Verstärkungsstruktur(en) 20 ausgehend von einer geradlinigen Anordnung der Ankerstruktur(en) 13 sich bauchförmig in den Membranbereich hinein erstrecken kann und ausgehend von der/den Ankerstruktur(en) 13 in den von der Membran weg gerichteten, umgebenden Membranbereich vollflächig ausgebildet sein kann.
• In der Draufsicht von 8d) ist angedeutet, dass Bereiche der Verstärkungsstruktur 20 asymmetrisch um die Ankerstruktur 13 ausgebildet sein können und einen parallelen und/oder einen nicht-parallelen Verlauf aufweisen können.
• Durch einen gekrümmten Verlauf einer Verstärkungsstruktur 20 im Bereich eines Einspannbereichs 11 kann dem Stressverlauf in einer Membranfläche Rechnung getragen werden und Bereiche einer Membraneinspannung, die mechanisch stärker belastet werden, entsprechend verstärkt werden bei gleichzeitiger Minimierung des Einflusses der Verstärkungsstruktur 20 auf die Membraneigenschaften.
• Die 9a) - 9e) zeigen eine Anwendung des zuvor Erläuterten auf den Versteifungsbereich 12 des in DE 10 2018 222 715 A1 beschriebenen Drucksensors im Bereich der Nutzkapazität.
• 9a) zeigt beispielhaft einen herkömmlichen Versteifungsbereich 12.
• In 9b) sind analog zu 3b) vorgeschlagene Verstärkungsstrukturen 20 erkennbar, welche sich nicht zusammenhängend im Bereich um Verbindungsstrukturen auf der Membran 10 befinden.
• 9c) zeigt das Analogon zu 3c), bei der sich die nicht zusammenhängenden Verstärkungsstrukturen 20 im Bereich um Verbindungsstrukturen unterhalb der Membran 10 befinden.
• 9d) zeigt eine Kombination aus den zuvor beschriebenen Varianten. 9e) zeigt eine Variante, bei der im Bereich von Verbindungsstrukturen 14 zumindest teilweise benachbarte Verstärkungsstrukturen 20 ineinander übergehen und eine größere zusammenhängende Verstärkungsfläche bilden. In diesem Beispiel gilt das für Verstärkungsstrukturen 20 oberhalb und unterhalb der Membranschicht. Dies ist aber ebenso möglich, wenn sich die Verstärkungsstruktur(en) nur oberhalb oder unterhalb der Membranschicht befinden.
• Mit Bezugnahme auf die in den 9a) bis 9e) dargestellten Parameter soll gelten können: $$\text{s},\text{u}>=0$$

  

  $$\text{s}=\text{u}$$

  

  $$\text{s}>\text{u}$$

  

  $$\text{s}<\text{u}$$

  

  $$\text{dV}=\text{beliebig}$$

  

  $$\text{dVu}<\text{dO}$$

  

  $$\text{dM}=\text{beliebig}$$

  

  $$\text{s}\text{'},\text{u}\text{'}>=0$$

  

  $$\text{s}\text{'}=\text{u}\text{'}$$

  

  $$\text{s}\text{'}>\text{u}\text{'}$$

  

  $$\text{s}\text{'}<\text{u}\text{'}$$

  

  $$\text{s}\text{'}=\text{s}$$

  

  $$\text{s}\text{'}>\text{s}$$

  

  $$\text{s}\text{'}<\text{s}$$

  

  $$\text{u}\text{'}=\text{u}$$

  

  $$\text{u}\text{'}>\text{u}$$

  

  $$\text{u}\text{'}<\text{u}$$

  
• Durch einen gekrümmten Verlauf einer Verstärkungsstruktur 20 im Versteifungsbereich 12 einer Membran 10 kann dem Stressverlauf in einer Membranfläche Rechnung getragen werden und Bereiche einer Membranversteifung, die stärker mechanisch belastet werden, entsprechend verstärkt werden bei gleichzeitiger Minimierung des Einflusses der Verstärkungsstruktur 20 auf die Membraneigenschaften. In den gezeigten Figuren sind die Verstärkungsschicht(en) und die zusätzliche Schicht(en) 5 der Einfachheit halber rechteckig gezeichnet. Prinzipiell können sie aber beliebige Formen annehmen, wie z.B. linsenförmig, ellipsenförmig, kelchförmig, sektschalenförmig, rechteckig bzw. quadratisch mit abgerundeten Ecken und Kanten, usw. sowie Kombinationen aus den genannten Formen.
• Die Verstärkungsstrukturen 20 und die zusätzlichen Verstärkungsschichten 5 können z.B. aus elektrisch leitenden, halb- oder nichtleitenden Materialien wie z.B. Si, Ge, SiO2, Si3N4, GeO2, Ge3N4, SiC, Al2O3, siliziumreiches Siliziumnitrid usw. sowie Kombinationen aus diesen Materialien ausgebildet sein. Zudem können diese Materialien gezielt mit Dotierstoffen versehen sein, wie sie z.B. in der Halbleitertechnik bekannt sind.
• 10 zeigt in prinzipieller Art und Weise einen möglichen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements 100.
• In einem Schritt 200 erfolgt ein Bereitstellen einer Membran 10.
• In einem Schritt 210 wird in der Membran 10 im Bereich mindestens einer Ankerstruktur 13 und/oder im Bereich mindestens einer Versteifungsstruktur 12 wenigstens eine geometrisch definiert ausgebildete Verstärkungsstruktur 20 ausgebildet, mittels derer die Membran 10 definiert verstärkt ist.
• Vorteilhaft sind für das mikromechanische Bauelement mehrere unterschiedliche Realisierungsformen denkbar, z.B. als ein kapazitiver Drucksensor, Mikrofon, piezoresistiver Drucksensor, usw.
• 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 102018222715 A1 [0003, 0021, 0036, 0045]
• DE 2018222715 A1 [0024, 0035]

Claims (9)

1. Mikromechanisches Bauelement (100), aufweisend: - eine Membran (10); wobei - die Membran (10) im Bereich mindestens einer Ankerstruktur (13) und/oder im Bereich mindestens einer Verbindungsstruktur (14) wenigstens eine geometrisch definiert ausgebildete Verstärkungsstruktur (20) aufweist, mittels derer die Membran (10) definiert verstärkt ist.
2. Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (20) über die mindestens eine Ankerstruktur (13) und/oder über die mindestens eine Verbindungsstruktur (14) definiert überlappend ausgebildet ist.
3. Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass laterale Abmessungen einer Erhebung der Verstärkungsstruktur (20) gegenüber der restlichen Membran (10) abhängig sind von einem Ausmaß der Überlappungsbereiche und/oder einer Dicke der Membran (10).
4. Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (20) oberhalb und unterhalb einer Oberfläche der Membran (10) im Wesentlichen gleiche oder unterschiedliche laterale Abmessungen aufweist.
5. Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (20) integral aus einem Material ausgebildet ist.
6. Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (20) wenigstens ein eingeschlossenes Zusatzelement (5) umfasst.
7. Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Zusatzelement (5) im Bereich mindestens einer Ankerstruktur (13) und/oder im Bereich mindestens einer Verbindungsstruktur (14) angeordnet ist.
8. Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (20) aus wenigstens einem der folgenden Materialien ausgebildet ist: Si, Ge, SiO₂, Si₃N₄, GeO2, Ge3N4, SiC, Al₂O₃, siliziumreiches Siliziumnitrid.
9. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements (100), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen einer Membran (10); wobei - in der Membran (10) im Bereich mindestens einer Ankerstruktur (13) und/oder im Bereich mindestens einer Verbindungsstruktur (14) wenigstens eine geometrisch definiert ausgebildete Verstärkungsstruktur (20) ausgebildet wird, mittels derer die Membran (10) definiert verstärkt ist.

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