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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dampfzelleneinrichtung für eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Dampfzelleneinrichtung für eine Sensorvorrichtung.
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Stand der Technik
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Quantensensoren können unter anderem in Atomuhren, Magnetometern, Gyroskopen, Quantenspeichern, Lichtquellen, oder weiteren Sensoreinheiten vorhanden sein, zur Präzisionsmessungen oder zur Bildgebung genutzt werden. Diese Quantensensoren können dabei auf einer Kontrolle eines präparierten atomaren Gases in einem abgeschlossenen Probenvolumen beruhen. Ein derartiges abgeschlossenes Probenvolumen kann in Dampfzellen eingefasst und realisiert sein, wobei in solchen Probevolumen beispielsweise Alkaliatome wie Kalium, Cäsium oder Rubidium gasförmig vorhanden sein können und unter einem definierten Druck stehen können.
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Übliche Dampfzellen enthalten meist einzelne Atome, etwa in geblasenen Glas-Dampfzellen. Aktuell kann die Miniaturisierung der Dampfzellen nun mit Hilfe von MEMS-Technologien realisiert werden.
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Ein Quantensensorsystem kann neben einer Dampfzelle auch einen optischen Aufbau zum Auslesen der Atome aufweisen, wobei die Quantensensoren auch mit Magnetfeldspulen, Heizsystemen oder Mikrowellenquellen ausgestatten sein können. Eine derartige Anwendung kann durch ein NMR-Gyroskop realisiert sein. Bei Magnetometern oder NMR-Gyroskopen ist die Anzahl der adressierten Achsen zum Auslesen der Alkaliatome relevant, wobei das optische Auslesen der Alkaliatome mit einem Laser in einer Raumrichtung möglich sein kann. Dies kann eine einfache und wohlbekannte Bearbeitungstechnologie von Silizium zur Herstellung der Kavität bieten. Des Weiteren kann ein hermetisches Verschließen der Kavität mit transparenten Kappen erfolgen, wozu sich Borosilikatglaswafer mit einem an Silizium angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten eignen können.
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Bei Quantensensoren mit Dampfzellen können Alkalimetallatomen von außen präpariert und per Laser ausgelesen werden. Die Erzeugung des Alkalimetallgases basiert auf der Zersetzung von Aziden wie beispielsweise CsN3 oder RbN3. Es hat sich bei der Herstellung von MEMS-Dampfzellen die photolytische Zersetzung mit UV-Licht als reproduzierbar erwiesen.
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Üblicherweise kann ein Bondverfahren zum hermetischen Verschließen der Ausnehmung angewandt werden. In üblichen Aufbauten kann vorrangig das anodische Bondverfahren eingesetzt werden. Das anodische Bondverfahren beruht auf lonenverschiebungen im Glaswafer, so dass speziell modifizierte Glaswafer, etwa Borosilikatglaswafer, eingesetzt werden können. Hierbei kann der Glaswafer in direkte Verbindung mit einem Siliziumwafer gebracht werden, und es kann dann auf weitere Bondmaterialien verzichtet werden.
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Bei der Dampfzellenherstellung kann jeweils ein Borosilikatglaswafer auf die Vorderseite und Rückseite eines Siliziumwafers gebondet werden. Borosilikatglaswafer können sich dadurch auszeichnen, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient an jenen von Silizium angepasst wurde, wodurch eine hohe mechanische Spannung oder ein Waferbruch im Glas-Silizium(Glas)-Schichtstapel vermieden oder zumindest die Gefahr dafür verringert werden kann.
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In der
US 7,292,031 B2 wird ein Dampfzellen-Waferstapel, bestehend aus Silizium, Pyrex-Glas und Silizium, genannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Dampfzelleneinrichtung für eine Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer Dampfzelleneinrichtung für eine Sensorvorrichtung nach Anspruch 11.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, eine Dampfzelleneinrichtung für eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Dampfzelleneinrichtung für eine Sensorvorrichtung anzugeben, wobei eine Wärmeleitung gegenüber einer Umgebung der Dampfzelleneinrichtung, etwa gegenüber einem Chipaufbau und/oder einer mechanischen Halterung, verringert werden kann. Bei der mechanischen Halterung kann es sich um ein sogenanntes Packagematerial zum Verbauen eines Dampfzellen-Chips in einem Sensorsystem handeln. Durch Minimierung der thermischen Leitfähigkeit zwischen dieser mechanischen Halterung und der Dampfzellekammer kann die Leistungsaufnahme für die Heizung der Dampfzellenkammer minimiert werden.
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Auf diese Weise kann weiterhin eine praktische Anwendbarkeit der Dampfzelleneinrichtung sowie eine Umsetzbarkeit eines zugehörigen Sensorsystems ermöglicht oder realisiert werden.
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Mit der Erfindung kann trotz minimierter Wärmeleitung zwischen Dampfzelle und mechanischen Halterung eine stabile mechanische Halterung erzielt werden.
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Es kann dabei ein möglichst homogener, und dabei niedriger Wärmeverlust in der Dampfzelle erzielt werden. Dabei können die Kammerwände der Dampfzelle überall eine identische Temperatur annehmen, etwa die Wände einer Randstruktur, so dass das Gas (Probesubstanz) innerhalb der Dampfzelle ebenfalls überall die identische Temperatur besitzen kann, zumindest im Rahmen von möglichen Toleranzen.
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Erfindungsgemäß umfasst die Dampfzelleneinrichtung für eine Sensorvorrichtung, eine Mittelstruktur, welche einen Probebereich zumindest teilweise lateral umläuft, wobei eine Probesubstanz in dem Probebereich eingefasst ist; eine Randstruktur, welche die Mittelstruktur zumindest bereichsweise lateral umläuft und lateral zur Mittelstruktur beabstandet ist, wobei die Randstruktur und die Mittelstruktur zumindest bereichsweise eine gleiche Höhe aufweisen; einen oberen Kappenwafer, welcher auf einer Oberseite der Mittelstruktur und auf einer Oberseite der Randstruktur angeordnet ist, dabei den Probebereich von einer Oberseite überdeckt und die Mittelstruktur und die Randstruktur miteinander verbindet; und einen Boden, welcher auf einer Unterseite der Mittelstruktur und auf einer Unterseite der Randstruktur angeordnet ist, dabei den Probebereich von einer Unterseite überdeckt und die Mittelstruktur und die Randstruktur miteinander verbindet, wobei der obere Kappenwafer und der Boden für eine erste Strahlung durchlässig sind.
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Die Mittelstruktur kann eine vertikale Seitenwand des Probebereichs sein, welche den Probebereich lateral, zumindest bereichsweise, umlaufen kann. Diese kann an allen Stellen eine gleiche vertikale Höhe aufweisen. Die vertikale Höhe kann dabei der Distanz zwischen dem oberen Kappenwafer und dem Boden entsprechen. Die Randstruktur kann eine gleiche Höhe an allen Stellen aufweisen oder davon teilweise abweichen. Die Randstruktur und die Mittelstruktur können das gleiche Material umfassen, oder verschieden sein. Lateral kann dabei nach außen hin, senkrecht zur Höhe gemeint sein.
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Der Wortlaut „Wafer“ kann hierbei alle anwendbaren Arten von Trägern, Platten, Balken oder Scheiben zur Ausformung der Dampfzelleneinrichtung umfassen, die zumindest für die oben genannte Strahlung durchlässig sein können. Die Ausnehmung kann sich vertikal vollständig durch den Grundwafer hindurch erstrecken. Die lateralen Richtungen können dabei einer Ebene der länglichen Haupterstreckungsrichtung des Grundwafers und des Bodens und der oberen Kappenwafers entsprechen.
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Mit der genannten Dampfzelleneinrichtung kann auch ein optischer Zugang für diese aus allen drei Raumrichtungen realisiert sein, insbesondere zur Probesubstanz in dem Probebereich, wodurch sich beispielsweise ein Gyroskop realisieren lässt, das die Messung der Drehraten um alle drei Drehachsen zugänglich machen kann.
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Es kann eine Erzeugung einer Probesubstanz in dem Probebereich erfolgen, vorteilhaft von einem Ausgangsmaterial, welches bestrahlt und oder erhitzt werden kann und dabei zur Probesubstanz verdampft, zersetzt oder umgewandelt werden kann. Diese Anfangssubstanz kann eine Quelle von Rb-Atomen (Rubidium) in der Dampfzelleneinrichtung bilden, etwa Rubidium-Azid (RbN3) aufweisen.
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Eine Dampfzelleneinrichtung muss meist für den Sensor-Betrieb auf eine erhöhte Temperatur gebracht werden. Dabei ist es für die restlichen Komponenten des Sensorsystems vorteilhaft, wenn der Wärmefluss von der Dampfzelleneinrichtung zu diesen Komponenten verringert werden kann.
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Eine Funktionalität des Sensors kann generell an eine hohe Homogenität der Gas-Temperatur gebunden sein, welche durch die Wärmeabfuhr der erfindungsgemäßen Dampfzelleneinrichtung verbessert werden kann.
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Durch die erfindungsgemäße Dampfzelleneinrichtung kann also eine möglichst geringe und möglichst homogene Wärmeleitung und gleichzeitig eine mechanisch robuste Halterung gegenüber einem Sensorsystem erzielt werden.
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Bei Anwendung eines Nebenbereichs kann somit eine Mehrkammer-Dampfzelle erzielt werden.
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Der obere Kappenwafer sowie der Boden können vollständig aus transparentem Material bestehen. Naheliegend sind die Materialien Saphir und Gläser wie Borosilikatglas, Quarzglas oder Silica und eine Kombination dieser Materialien im Waferstapel. Der obere Kappenwafer sowie der Boden können auch Silizium beinhalten. Der Dampfzellenwafer (oberer Kappenwafer und/oder Boden) kann aus einem, zwei oder drei Wafern (Silizium, Saphir, Borosilikatglas, Quarz, Silica) aufgebaut sein.
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Eine Breite der Kammerwände (der Mittelstruktur und der Nebenstruktur sowie des Verbindungskanals) und die der mechanischen Halterungen kann variabel oder konstant sein. Die Dampfzelleneinrichtung, etwa der obere Kappenwafer oder der Boden, kann mit einer elektrischen Heizvorrichtung versehen sein. Alternativ kann die Dampfzelleneinrichtung, etwa der obere Kappenwafer oder der Boden, mit einer Struktur zur Heizung über Absorption von extern eingestrahltem Licht versehen werden. Der obere Kappenwafer oder der Boden können mit Hilfe einer oder mehrerer Zwischenschicht(en) verbunden sein. Dabei können beim eutektischen Waferbonden, Thermokompressions-Waferbonden oder beim Waferbonden mit Klebstoffen beispielsweise metallische oder organische Zwischenschichten verwendet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Dampfzelleneinrichtung ist diese als mikroelektromechanisches Bauteil oder System ausgeprägt.
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Durch eine besonders kleinskalige Bauweise kann die Dampfzelleneinrichtung als MEMS-Bauteil ausgeformt sein, und beispielsweise in tragbaren Geräten zum Einsatz kommen, etwa in Mobiltelefonen oder im Automobilbereich.
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MEMS-Dampfzellen können aus drei bearbeiteten Wafern bestehen, die miteinander gebondet werden, etwa Borosilikatglas-Kappenwafer, Siliziumwafer, Borosilikatglas-Kappenwafer. Dieser Aufbau des Waferstapels lässt einerseits das Waferbonden mit geringer thermischer Fehlanpassung zu und erlaubt andererseits den optischen Zugang zu der Probesubstanz, etwa zu Alkaliatomen.
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Durch das anodische Bondverfahren kann Silizium für die Dampfzellenkavität verwendet werden. Um die Ausnehmung hermetisch abzuschließen bietet sich für Silizium ein Borosilikatglaswafer aufgrund des angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der notwendigen optischen Transmissionseigenschaften an.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Dampfzelleneinrichtung ist der Boden und/oder der obere Kappenwafer in einer vertikalen Raumrichtung für eine zweite Strahlung durchlässig.
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Hierbei kann „vertikal“ eine Richtung senkrecht zur planaren Erstreckungsrichtung des Bodens und des oberen Kappenwafers sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Dampfzelleneinrichtung ist der Boden und der obere Kappenwafer in einer vertikalen Raumrichtung für eine dritte Strahlung durchlässig.
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Die zweite Strahlung kann vorteilhaft zur Bearbeitung, etwa zur Aktivierung oder zum Verdampfen einer Probesubstanz genutzt werden, und dabei vorteilhaft nur aus einer Richtung durchlässig sein. Die erste Strahlung kann sichtbar sein, die zweite Strahlung im UV-Bereich und die dritte Strahlung im Infrarotbereich oder in anderer Reihenfolge.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Dampfzelleneinrichtung umfasst diese eine Nebenstruktur, die einen Nebenbereich zumindest bereichsweise lateral umgibt, wobei der Nebenbereich mit dem Probebereich verbunden ist und die Randstruktur die Nebenstruktur zumindest bereichsweise lateral umläuft und lateral zur Nebenstruktur beabstandet ist, wobei der obere Kappenwafer auf einer Oberseite der Nebenstruktur angeordnet ist und dabei den Nebenbereich von einer Oberseite überdeckt; und der Boden auf einer Unterseite der Nebenstruktur angeordnet ist und den Nebenbereich von einer Unterseite überdeckt.
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Die Nebenstruktur kann das gleiche Material umfassen, wie die Mittelstruktur oder die Randstruktur, oder verschieden dazu sein. Die Nebenstruktur kann eine vertikale Höhe aufweisen, gleich der Mittelstruktur, etwa überall gleich oder teilweise geringer. Die Dampfzelleneinrichtung kann vorteilhaft im Bereich der Quantentechnologien und -sensoren eingesetzt werden und derart ausgeformt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Dampfzelleneinrichtung liegt die erste Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich, die zweite Strahlung im ultravioletten Wellenlängenbereich und die dritte Strahlung im Infrarotbereich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Dampfzelleneinrichtung umfasst die Probesubstanz ein atomares Gas für eine gyroskopische Messung mit Laserlicht oder für eine Magnetfeldmessung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Dampfzelleneinrichtung umfasst diese eine Halterung, welche am oberen Kappenwafer und/oder am Boden und im Bereich der Randstruktur angeordnet ist, und mit welcher die Dampfzelleneinrichtung in der Sensorvorrichtung verbaubar ist.
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Die Halterung kann direkt mit den beiden Wafern in Kontakt stehen, oder über Klebepunkte mit den Wafern mechanisch verbunden sein. Dabei kann die Klebeverbindung wärmeisolierend sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Dampfzelleneinrichtung umfasst diese eine Verstrebung, welche die Mittelstruktur mit der Randstruktur verbindet und sich zumindest teilweise zwischen dem oberen Kappenwafer und dem Boden erstreckt.
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Zwischen der Randstruktur und der Mittelstruktur oder der Nebenstruktur kann mit schmalen Verstrebungen, etwa mit Verbindungsstegen, zwischen Dampfzelle und dem mechanisch festen Bereichen eine innere Stabilität weiter erhöht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Dampfzelleneinrichtung weist ein Zwischenraum lateral zwischen der Mittelstruktur und der Randstruktur ein Gas oder Vakuum auf. Dabei kann der Zwischenraum ohne verbindende Verstrebungen dazwischen ausgeführt sein.
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In der Dampfzelleneinrichtung kann durch die Trennung der Randstruktur und der Mittelstruktur eine geringere Wärmeleitung zu den Dampfzellenwänden und weiter zum Sensorsystem, etwa zum Package, erzielt werden. Die Wärmeleitung kann weiterhin dadurch verringert werden, da nur der obere Kappenwafer und der Boden die Randstruktur und die Mittelstruktur und/oder die Nebenstruktur mechanisch verbinden. Der Zwischenraum kann so mit einem wärmeisolierenden Gas oder Vakuum gefüllt sein und die Wärmeabfuhr nach außen (lateral) weiter verringern. Die Verstrebungen können eine mechanische Stabilität weiter erhöhen, eine Robustheit für die mechanische Halterung kann durch die Verstrebungen und/oder durch die Halterung selbst erhöht werden. Dabei kann durch die geringere Wärmeleitung eine geringere Leistungsaufnahme des Sensorsystems und eine Verbesserung der Sensorfunktion erzielt werden. Die Verringerung der Wärmeabgabe nach lateral außen kann zu einer besseren Homogenität der Temperaturverteilung in der Dampfzelleneinrichtung führen insbesondere innerhalb der Randstruktur, wodurch eine Verringerung von Temperatur-Inhomogenitäten des Dampfzellengases erzielt werden kann.
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Es kann eine Befüllung des Nebenbereichs oder des Probebereichs mit gelöstem RbN3 erfolgen. Bei Bestrahlung des RbN3 mit UV-Licht zersetzt sich das RbN3 in Rb und N2.
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In dem Probebereich und/oder in dem Nebenbereich kann auch ein Ausgangsmaterial in Pillenform eingebracht werden. Das Ausgangsmaterial kann beispielsweise eine Alkalimetallpille aufweisen. Es kann beispielsweise eine Pille als Quelle von Cs (Cäsium) für eine Dampfzelle als Kernkomponente einer hochgenauen Atomuhr verwendet werden. Die Pille kann in dem Nebenbereich eingeschlossen werden, welcher mit dem Probebereich, also mit der eigentlichen Sensor-Kavität, über einen Verbindungskanal verbunden sein kann. Da die Pille an sich nicht unbedingt transparent ist, kann der Nebenbereich als eine zweite Kavität für die Pille notwendig sein. Die Zersetzung kann über die Einstrahlung von sichtbarem Licht stattfinden. Analog kann neben dem verwendeten Cs auch Rb in Form einer Pille hergestellt werden. Die Pille kann auch Getter-Materialien, die ein parasitäres Restgas in der Dampfzelle binden können, beinhalten.
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In dem Probebereich und/oder in dem Nebenbereich kann auch ein Ausgangsmaterial in Form einer Paste, etwa einer Alkalimetallpaste eingebracht werden.
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Die Alkalimetallpaste kann dabei eine Weiterentwicklung der Pille darstellen. Ebenso wie die Pille, kann die Paste das Alkalimetall und auch Gettermaterialien beinhalten. Eine Paste kann vorteilhaft leichter verarbeitet werden und das benötigte Volumen kann auch deutlich kleiner sein als das für die Pille notwendige Volumen. Wenn die Paste nicht transparent ist, kann ebenso ein Nebenbereich in der Dampfzelleneinrichtung notwendig sein.
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Bei Anwendung der Dampfzelleneinrichtung in einem Sensorsystem kann es nötig sein, dass die Dampfzelle für den Sensor-Betrieb auf eine erhöhte Temperatur gebracht werden muss, was etwa durch eine elektrische Heizung realisiert werden kann. Eine zweite Möglichkeit stellt die Heizung mit Hilfe einer externen Lichtquelle und der Absorption des Lichtes im Dampfzellenvolumen dar.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Herstellen einer Dampfzelleneinrichtung für eine Sensorvorrichtung ein Bereitstellen eines Bodens und Anordnen einer Mittelstruktur auf dem Boden, welche einen Probebereich zumindest teilweise lateral umläuft, wobei eine Probesubstanz in dem Probebereich eingefasst wird; ein Anordnen einer Randstruktur auf dem Boden, welche die Mittelstruktur zumindest bereichsweise lateral umläuft und lateral zur Mittelstruktur beabstandet ist, wobei die Randstruktur und die Mittelstruktur zumindest bereichsweise eine gleiche Höhe aufweisen; ein Anordnen eines oberen Kappenwafers, welcher auf einer Oberseite der Mittelstruktur und auf einer Oberseite der Randstruktur angeordnet wird, dabei den Probebereich von einer Oberseite überdeckt und die Mittelstruktur und die Randstruktur miteinander verbindet, wobei der obere Kappenwafer und der Boden für eine erste Strahlung durchlässig sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird durch den Boden oder durch den oberen Kappenwafer eine zweite Strahlung durchgestrahlt und eine Anfangssubstanz zumindest teilweise zu der Probesubstanz umgewandelt.
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Das Verfahren kann sich vorteilhaft auch durch die bereits genannten Merkmale der Dampfzelleneinrichtung auszeichnen und umgekehrt.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Dampfzelleneinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3a - 3e eine Draufsicht auf eine Mittelstruktur und eine Randstruktur der Dampfzelleneinrichtung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
- 4a - 4e eine Draufsicht auf eine Mittelstruktur und eine Randstruktur der Dampfzelleneinrichtung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
- 5a - 5c eine Draufsicht auf eine Mittelstruktur und eine Randstruktur der Dampfzelleneinrichtung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
- 6 eine schematische Darstellung einer Dampfzelleneinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 7 eine schematische Darstellung einer Dampfzelleneinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 8 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Dampfzelleneinrichtung für eine Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Dampfzelleneinrichtung 10 für eine Sensorvorrichtung SV umfasst eine Mittelstruktur MS, welche einen Probebereich PB zumindest teilweise lateral umläuft, wobei eine Probesubstanz PS in dem Probebereich PB eingefasst ist; eine Randstruktur RS, welche die Mittelstruktur zumindest bereichsweise lateral umläuft und lateral zur Mittelstruktur MS beabstandet ist, wobei die Randstruktur RS und die Mittelstruktur MS zumindest bereichsweise eine gleiche Höhe aufweisen; einen oberen Kappenwafer OKW, welcher auf einer Oberseite OS-MS der Mittelstruktur MS und auf einer Oberseite OS-RS der Randstruktur RS angeordnet ist, dabei den Probebereich PB von einer Oberseite überdeckt und die Mittelstruktur MS und die Randstruktur RS miteinander verbindet; und einen Boden BD, welcher auf einer Unterseite US-MS der Mittelstruktur MS und auf einer Unterseite US-RS der Randstruktur RS angeordnet ist, dabei den Probebereich PB von einer Unterseite überdeckt und die Mittelstruktur MS und die Randstruktur RS miteinander verbindet, wobei der obere Kappenwafer OKW und der Boden BD für eine erste Strahlung ST1 durchlässig sind. Die Randstruktur RS kann ein sogenanntes Wafer-Festland darstellen.
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Die Halterung HA kann lateral an die Ränder des oberen Kappenwafers und des Bodens anschließen, diese zumindest bereichsweise überdeckend und in den Überdeckungsbereichen mit einer Klebestelle KL aneinander fixieren. Das Klebematerial der Klebestelle kann dabei eine geringe Wärmeleitfähigkeit haben, verglichen mit den restlichen Komponenten der Dampfzelleneinrichtung.
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Die erste Strahlung ST1 kann aus einer vertikalen Richtung R3 einfallen und in eben dieser Richtung durch den oberen Kappenwafer eintreten und durch den Boden wieder austreten, dabei den Probebereich PB mit der Probesubstanz PS passieren und mit den Atomen darin wechselwirken.
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Der Zwischenraum ZW zwischen der Mittelstruktur MS und der Randstruktur RS kann ein Vakuum oder Gas umfassen, welches die Wärmeabfuhr zur Randstruktur RS verringern kann.
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Die Halterung HA kann also eine mechanische Halterung der Dampfzelle für das Sensorsystem SV darstellen. Die Dampfzelle kann dabei den Kern eines optoelektronischen Sensorsystems SV darstellen. Die mechanische Halterung HA kann eine Fixierung der MEMS-Dampfzelle sein und zur Verminderung des Wärmeverlustes nach lateral außen hinwirken. Dadurch kann eine Kontaktfläche zwischen der Halterung HA und dem MEMS-Dampfzellenwafer (oberer Kappenwafer, Boden) möglichst gering sein. Ein großflächiger Kontakt mit dem fixierenden Package-Material kann somit verhindert oder verringert werden. Für die Halterung der Dampfzelle können wärmeisolierende, mit anderen Worten schwach wärmeleitende Materialien eingesetzt werden. Die mechanische Halterung kann zusätzlich über ein Kunststofffüllmaterial, beispielsweise Epoxidharz, verstärkt werden.
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Es kann ein transparenter (zumindest für die erste Strahlung) oberer Kappenwafer und/oder Boden, etwa aus Glas, verwendet werden, welcher eine thermisch leitfähige Verbindung von der Mittelstruktur MS zu der Halterung HA darstellen können.
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Der obere Kappenwafer und/oder der Boden können über eine Zwischenschicht mit der Mittelstruktur und/oder mit der Randstruktur gebondet werden.
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In den Probebereich kann ein Laserlicht durch den oberen Kappenwafer oder durch den Boden einfallen, mit der Probesubstanz wechselwirken, und dann über den Boden oder den oberen Kappenwafer wieder austreten. Der obere Kappenwafer und der Boden können dabei transparente Glaswafer sein.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Dampfzelleneinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die 2 zeigt eine Alternative der Halterung HA zur 1, bei welcher auf Klebematerialien verzichtet werden kann, wobei die Halterung HA der 2 als eine Klemmhalterung oder eine direkte Halterung ausgeformt sein kann. Diese kann direkt an den oberen Kappenwafer und den Boden im Bereich der Randstruktur anliegen, von der Oberseite und der Unterseite angeklemmt werden oder einfach unter einer mechanischen Spannung über die Höhe der Dampfzelle auf diese aufgeschoben werden. Ansonsten kann die Dampfzelleneinrichtung der 2 jener der 1 entsprechen.
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3a - 3e zeigen Draufsichten auf eine Mittelstruktur und eine Randstruktur der Dampfzelleneinrichtung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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Bei der Draufsicht kann es sich um eine Sicht von oben auf den transparenten oberen Kappenwafer OKW handeln oder auf eine Sicht von unten auf den transparenten Boden BD. Dabei sind die Mittelstruktur MS, die Randstruktur RS, der Probebereich PB, der Zwischenraum ZW und der Nebenbereich NB mit der Nebenstruktur NS zu sehen.
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Die 3a zeigt einen Nebenstruktur NS, die kreisrund sein kann, vom Probebereich und der Mittelstruktur MS beabstandet ist und durch einen Verbindungskanal VB mit dem Probebereich verbunden sein kann. Dazu kann der Verbindungskanal VB Seitenwände aufweisen, die in die Seitenwände der Nebenstruktur und der Mittelstruktur MS münden können. Die Form und Größe der Nebenstruktur und der Mittelstruktur sowie des Verbindungskanals können in allen Ausführungen der 3a - 3e gleich sein, es unterscheidet sich lediglich die Form der Randstruktur RS. In der 3a wird eine rechteckige, vorteilhaft quadratische Form der Randstruktur RS gezeigt, die den Innenbereich der Dampfzelle, als den Zwischenraum, lateral vollständig umlaufen kann.
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In der 3b wird die Randstruktur RS zum Zwischenraum hin als kreisförmig gezeigt, wobei am Rand der Dampfzelleneinrichtung die Randstruktur wieder mit einer quadratischen Form nach außen hin abschließen kann.
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Insbesondere kann in allen Ausführungsformen die Randstruktur RS in den Eckbereichen vorhanden sein, wo auch die Halterung angebracht sein kann. Die Randstruktur RS, die nur in den Eckbereichen verbleibt, ist in den 3d - 3e gezeigt, hierbei als Dreiecksform mit der Dreiecksspitze zur jeweiligen Ecke hin in 3c, eine gerade Randstruktur, welche den Konturen der Ecken bereichsweise folgt in 3d, und ein Kreissegment, welches die Ecken überdeckt in 3e.
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Durch eine derartige Randstruktur, beabstandet von der Mittelstruktur und der Nebenstruktur, kann die thermische Leitfähigkeit zwischen mechanisch stabilem Rahmen und der Dampfzellenwand (Mittelstruktur und Probebereich) möglichst geringgehalten werden. In dem dargestellten Fällen ergibt sich lediglich eine Verbindung über die Glaswafer des oberen Kappenwafers und des Bodens. Dieser thermische Kontakt kann weiter verringert werden, je weniger Ausdehnung die Randstruktur entlang des oberen Kappenwafers und des Bodens aufweist, so wie in den 3c - 3e.
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Die Dampfzelleneinrichtung kann als Chip an den Ecken mit der Randstruktur mechanisch stabil aufgebaut sein und die Halterung fixieren. Eine umlaufende Randstruktur kann allerdings eine höhere Robustheit beim Sägen / Vereinzeln der MEMS-Chips bieten.
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4a - 4e zeigen Draufsichten auf eine Mittelstruktur und eine Randstruktur der Dampfzelleneinrichtung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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Die Draufsichten der 4a - 4e können entsprechend den 3a - 3e eine Sicht von oben und durch den transparenten oberen Kappenwafer oder von unten und durch den transparenten Boden darstellen. Im Unterschied zu den 3a - 3e kann in den 4a - 4e der Nebenbereich mit der Nebenstruktur variieren. Dabei kann die Größe des Nebenbereichs und die Anzahl der Nebenbereiche mit umlaufenden Nebenstrukturen variieren. In den Ausführungen der 4a - 4e ist die Form der Randstruktur RS stets gleich, wobei diese allerdings auch im Sinne der 3a - 3e variieren kann.
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In der 4a ist eine Dampfzelleneinrichtung 10 mit einer Mittelstruktur MS, insbesondere einer kreisförmigen, gezeigt. Eine Nebenstruktur NS ist über einen Verbindungskanal VB mit der Mittelstruktur MS verbunden, wobei der Verbindungskanal VB angewinkelt sein kann. Die Randstruktur RS umgibt in rechteckiger Weise den Zwischenraum um die Nebenstruktur NS und um die Mittelstruktur in einem bestimmten Abstand.
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Die 4b zeigt eine Dampfzelleneinrichtung 10 ähnlich der 4a, mit dem Unterschied, dass der Verbindungskanal VB die Mittelstruktur MS kreisförmig und konzentrisch umgibt, wobei Unterbrechungen in der Wand der Mittelstruktur jeweils eine Verbindung mit dem Verbindungskanal herstellen. Des Weiteren schließt die Nebenstruktur als kreisförmige Struktur außen an den Verbindungskanal an, hierbei können sich die kreisförmigen Wände der Nebenstruktur und des Verbindungskanals in einem bestimmten Bereich direkt berühren und ineinander übergehen, wobei im Inneren des Berührungsbereiches dann eine Verbindungsöffnung zwischen dem Verbindungskanal und dem Nebenbereich NB vorhanden sein kann.
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Die 4c zeigt eine Dampfzelleneinrichtung 10 ähnlich der 4a, mit dem Unterschied, dass in der 4c vier Nebenstrukturen NS1, NS2, NS3 und NS4 vorhanden sind, die alle kreisförmig gebildet sind. Die erste Nebenstruktur NS1 ist mit einem ersten Verbindungskanal VB1 mit der Mittelstruktur MS verbunden, die zweite Nebenstruktur NS2 ist mit einem zweiten Verbindungskanal VB2 mit der Mittelstruktur MS verbunden, die dritte Nebenstruktur NS3 ist mit einem dritten Verbindungskanal VB3 mit der Mittelstruktur MS verbunden, und die vierte Nebenstruktur NS4 ist mit einem vierten Verbindungskanal VB4 mit der Mittelstruktur MS verbunden, wobei die vier Nebenstrukturen zueinander äquidistant um den Umlauf der Mittelstruktur angeordnet sein können.
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Die 4d zeigt eine Dampfzelleneinrichtung 10 ähnlich der 4b, mit dem Unterschied, dass in der 4d kein am Außenrand des Verbindungskanals zugesetzter Nebenbereich vorhanden ist. Dabei kann die innere Wand als Mittelstruktur und die äußere Kreiswand als Nebenstruktur bezeichnet sein und die Öffnungen in der Mittelstruktur den Verbindungskanal darstellen. Die Nebenstruktur kann die Mittelstruktur direkt und konzentrisch als Kreis umlaufen. Andererseits kann die Mittelstruktur jedoch auch einen äußeren Bereich MS und einen inneren Bereich I-MS aufweisen, ohne eine Nebenbereich (diese Version ist gezeigt), etwa zur Verstärkung der Wandstrukturen der Mittelstruktur.
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Die 4e zeigt eine Dampfzelleneinrichtung 10 ähnlich der 4c, mit dem Unterschied, dass nur zwei Nebenstrukturen NS1 und NS2 vorhanden sein können, welche jeweils mit einem Verbindungskanal (VB1, VB2) verbunden sind.
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So kann gemäß den 4a - 4e die Dampfzelleneinrichtung 10, die etwa das Alkaliatomgas beinhaltet, und die Nebenstruktur verschiedene vorteilhafte Formen annehmen.
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5a - 5c zeigen Draufsichten auf eine Mittelstruktur und eine Randstruktur der Dampfzelleneinrichtung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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Die Dampfzelleneinrichtung 10 kann eine oder mehrere Verstrebungen VE oder Stützstrukturen umfassen, welche die Mittelstruktur MS und/oder die Nebenstruktur mit der Randstruktur RS verbinden kann/können und sich zumindest teilweise zwischen dem oberen Kappenwafer OKW und dem Boden BD erstrecken kann/können. Derartige Verstrebungen oder Stützstrukturen können dazu dienen, die Chips (Dampfzelleneinrichtungen) mechanisch zu stabilisieren.
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Die 5a zeigt eine Sicht gemäß der 3a von oben oder unten, wobei sich eine Verstrebung VE zwischen der Nebenstruktur NS und der Randstruktur RS erstrecken kann. Dabei kann sich die Verstrebung VE von einem Kreisbogen der Nebenstruktur bis in die nächstliegende Ecke der Randstruktur RS erstrecken. Alternativ dazu könnte sich die Verstrebung auch an jeden möglichen anderen Punkt der Randstruktur erstrecken. Entlang der Diagonalen zwischen zwei gegenüberliegenden Ecken der Randstruktur kann sich eine weitere Verstrebung VE auch von der Mittelstruktur in eine Ecke der Randstruktur erstrecken, die der Ecke mit der Verstrebung von der Nebenstruktur entgegenliegen kann. Dabei kann eine Stabilität entlang der Diagonalen zwischen den Ecken vergrößert werden. Die 5c zeigt dieselbe Ausführung zur 5a mit dem Zusatz weiterer Verstrebungen, welche die beiden verbliebenen Ecken auf der zweiten Diagonalen miteinander und mit der Mittelstruktur verbinden.
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Die 5b zeigt eine ähnliche Ausführung zur 5a, mit dem Unterschied, dass anstatt der geradlinigen Verstrebungen eine kreisförmige Verstrebung VE vorhanden sein kann, welche die Breite und Länge der (quadratischen) Dampfzelle innerhalb der Randstruktur ausfüllen kann und sich bis an die Wände der Randstruktur erstrecken kann. Dabei kann die Verstrebung VE mit zumindest der Nebenstruktur in Kontakt stehen.
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Es ist dabei anzumerken, dass alle Kombinationen der dargestellten mechanischen Halterungen (Chipränder), Dampfzellenlayouts und Verstrebungen möglich sind.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer Dampfzelleneinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die 6 zeigt eine Sicht gemäß der 3a von oben oder unten, mit einem Nebenbereich NB, einem Probebereich PB, einer Mittelstruktur MS, einer Nebenstruktur, und einem Verbindungskanal VB dazwischen, wobei ein Zwischenraum ZW die Nebenstruktur und die Mittelstruktur sowie den Verbindungskanal umgibt und eine Randstruktur nach außen hin den Zwischenraum ZW umläuft. Das untere Bild zeigt eine Seitenansicht entlang der Diagonale aus dem oberen Bild. Hierbei ist zu sehen, dass der Verbindungskanal VB eine geringere Höhe aufweisen kann als die Nebenstruktur und die Mittelstruktur, welche sich beide auf vollständiger Höhe zwischen dem Boden und dem oberen Kappenwafer erstrecken können. Allgemein kann der Nebenbereich und/oder der Verbindungskanal VB eine andere Höhe aufweisen als die Dampfzellenkammer (Höhe zwischen dem oberen Kappenwafer und dem Boden) selbst. In der 6 ist ein Freiraum zwischen einer Oberseite des Nebenbereichs und des Verbindungskanals gezeigt, lediglich eine Außenseite der Nebenstruktur kann sich bis zum oberen Kappenwafer erstrecken. Der Nebenbereich und der Verbindungskanal können an der Oberseite offen oder geschlossen sein.
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7 zeigt eine schematische Darstellung einer Dampfzelleneinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Der oder Kappenwafer und/oder der Boden können strukturiert sein, um die Wärmeleitfähigkeit noch weiter zu reduzieren. Dies ist in der 7 gezeigt, wobei entlang eines länglichen Schnitts D aus dem unteren Bild (Draufsicht auf die Dampfzelleneinrichtung) die Seitenansicht der Dampfzelleneinrichtung 10 in dem oberen Bild der 7 gezeigt ist. Dabei kann der obere Kappenwafer OKW und der Boden BD im Bereich der Randstruktur RS vorhanden sein, und im Bereich der Mittelstruktur MS und über und unter dem Probebereich PB vorhanden sein. Die mechanische Verbindung zwischen der Mittelstruktur MS und der Randstruktur RS erfolgt lediglich über eine Verstrebung, die in den oberen Kappenwafer OKW oder den oberen Kappenwafer OKW und den Boden BD eingeprägt ist. Die Draufsicht des unteren Bildes veranschaulicht die Verstrebungen, die die MS mit der RS verbinden. Die Verbindung besteht nur durch die Glaswafer oben (OKW) oder oben und unten (OKW und BD) über einen dünnen Steg, also im Querschnitt (siehe Schnittlinie D) befindet sich keine Verbindungsstruktur / Verstrebung zwischen MS und RS.
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8 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Dampfzelleneinrichtung für eine Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren zum Herstellen einer Dampfzelleneinrichtung für eine Sensorvorrichtung erfolgt ein Bereitstellen Sla eines Bodens und Anordnen eines Grundwafers auf dem Boden, wobei eine zweite Bondschicht auf dem Boden ausgeformt wird und der Grundwafer auf dem Boden und der zweiten Bondschicht mit einem Bondverfahren angeordnet wird, wobei der Grundwafer zumindest eine Ausnehmung umfasst, oder Bereitstellen Slb eines Grundwafers mit einem Boden, wobei der Grundwafer zumindest eine Ausnehmung umfasst, und wobei der Boden die Ausnehmung von einer Unterseite vollständig abdeckt, wobei der Grundwafer die Ausnehmung lateral vollständig umläuft; ein Einbringen S2 einer Probesubstanz in die zumindest eine Ausnehmung; ein Anordnen S3 eines oberen Kappenwafers, welcher auf einer Oberseite des Grundwafers angeordnet wird und zumindest die Ausnehmung vollständig abdeckt, wobei eine erste Bondschicht auf dem Grundwafer ausgeformt wird und der obere Kappenwafer auf der ersten Bondschicht angeordnet wird und mit dem Grundwafer durch die erste Bondschicht mit einem Bondverfahren verbunden wird, wobei sich die erste Bondschicht zumindest bereichsweise bis zur Ausnehmung erstreckt und diese zumindest bereichsweise lateral umgibt, und wobei der Boden und der obere Kappenwafer für eine erste Strahlung durchlässig sind.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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