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Die Anmeldung ist verwandt mit U.S. Patent 4,888,988
"Silicon Based Mass Airflow Sensor and its Fabrication
Method, erteilt am 26.12.1989; U.S. Patent 4,884,443
"Control and Detection Circuitry for Mass Airflow Sensors",
erteilt am 05.12.1989 und U.S. Patent 4,809,552
"Multidirectional Force-Sensing Transducer", erteilt am
07.03.1989, wobei der gesamte Inhalt dieser in einer Hand
befindlichen U.S. Patente ausdrücklich Bestandteil der
vorliegenden Anmeldung sein soll.
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Die Erfindung betrifft das technische Gebiet von Sensoren
auf Siliciumbasis einschließlich einer speziellen Sensor-
"Baueinheit" (d.h. eine autonome Struktur mit
Sensorelement(en) und Anschlußpunkt(en) (zur Verbindung mit
elektronischen Schaltungen)), bei der das Sensorelement von einer
"Membran" geschützt ist, die im wesentlichen aus einer
Siliciumschicht mit einem Ätz-Stopp-Dotierungsstoff
besteht. Die gleiche dotierte Siliciumschicht kann auch
erfindungsgemäß diskontinuierlich ausgebildet werden, so daß
die Anschlußpunkt(e) zur Verbindung mit
Elektronikschaltungen freiliegen. Die Unterbrechungen in der dotierten
Siliciumschicht ermöglichen also während der Herstellung
ein "Abätzen" der undotierten Siliciumbereiche der
Unterbrechungen, wodurch die vorher ausgebildeten metallischen
Anschlußpunkte freigelegt werden. Der Sensor wird
vorzugsweise mit einem Substrat hermetisch dicht verbunden,
das ähnliche thermische Eigenschaften wie Silicium hat
(beispielsweise Glas), so daß ein stabiler und dauerhafter
Sensor entsteht, der für automotive Anwendungen geeignet
ist.
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Heutzutage sind die meisten Fahrzeuge mit elektronischen
Regelungen versehen, deren Mikrocomputer eine große Anzahl
von Regelfunktionen ausführen. Beispielsweise optimieren
elektronische Regelungen den Kraftstoffbedarf und den
Motorbetrieb, erfüllen die an die Emission gestellten
Anforderungen und sorgen für Verbesserungen hinsichtlich
komfortabler und/oder sicherer Fahreigenschaften des Fahrzeugs
(beispielsweise Antiblockierbremssysteme,
Schlupfregelsysteme, Feder- und Dämpfereinstellsysteme usw.).
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Alle diese Fahrzeugregelsysteme sind von der Fähigkeit der
Regelschleife abhängig, genau die Regelgrößen des zu
regelnden Systems zu erfassen und ferner das gewünschte
Ansprechverhalten zu besitzen, um eine gute Regelung aus
zuführen. Im Zuge der Entwicklung komplizierter
elektronischer Regelsysteme hat sich ergeben, daß die Sensoren
leistungsbegrenzend sind, hauptsächlich hinsichtlich der
Unfähigkeit der Sensorherstellung, mit den Anforderungen
integrierter Regelsysteme für Fahrzeuge Schritt zu halten.
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Kürzlich hat sich jedoch eine "Mikrobearbeitung"-Technik
zum Herstellen dreidimensionaler Strukturen aus Silicium
als kosteneffektiv erwiesen, womit sich dauerhafte Sensoren
für die Fahrzeugindustrie von hoher Qualität (d.h. mit
ausreichender Empfindlichkeit) herstellen lassen (vgl. Lee
u.a. "Silicon Micromachining Technology for Automotive
Applications", SAE Publication No. SP655, Februar 1986,
Gesamtinhalt soll ausdrücklich hier als Offenbarung
einbezogen werden).
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U.K. Patentanmeldung GB-A-2 019 648 "Semiconductor Pressure
Transducer and Method of Assembly Thereof" offenbart einen
Halbleiter-Absolutdruck-Aufnehmer mit einer kreisförmigen
druckempfindlichen Siliciummembran auf einer Seite mit
diffusen Piezowiderständen und Leiterpfaden. U.S. Patent
4,516,148 "Semiconductor Device Having Improved Lead
Attachment" erläutert das Ausformen eines Grabens am Umfang
eines Halbleitersubstrats zum Anbringen von Kontakten. Der
Graben wird von einem Glassubstrat abgedeckt, das die
Schaltung verkapselt. Ein präverzinnter Draht wird in den
neu gebildeten Tunnel eingeführt und mit einer
darinliegenden Metallschicht verlötet.
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Erfindungsgemäß soll eine neuartige
Mikrobearbeitungstechnik verwendet werden, um ebenfalls neue Sensorformen
herzustellen, die in elektronischen Regelsystemen für Fahrzeuge
Verwendung finden.
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Erfindungsgemäß sind Sensoren auf Siliciumbasis und
Verfahren zur Sensorherstellung unter Zuhilfenahme der Silicium-
Mikrobearbeitungstechnik vorgesehen. Die erfindungsgemäßen
Sensoren bestehen allgemein aus einem Substrat, einem
Sensorelement und einer Schutzmembran, die das Sensorelement
am Substrat befestigt und abdeckt. Die Membran umschließt
den Sensor und schützt ihn so gegen die Umgebung. Die
Schutzmembran gemäß der Erfindung wird aus einer
Ätz-Stoppdotierten Siliciumschicht gebildet, die mit dem Substrat
versiegelt ist.
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Während der Herstellung wird die Ätz-Stopp-dotierte Schicht
auf der Fläche einer Mulde oder eines "Troges" in einem
Siliciumblock ausgebildet, wobei dieser ein Chip oder Wafer
des Typs sein kann, der üblicherweise bei der Herstellung
integrierter Schaltungen verwendet wird. Das Sensorelement
wird dann über der Ätz-Stopp-dotierten Schicht in der Mulde
gebildet (in dem unnötige Bereiche einer vorher
aufgebrachten metallisierten Schicht entfernt werden), und die
dotierte Schicht wird dann mit der Fläche eines Substrats
versiegelt (beispielsweise vorzugsweise ein Glassubstrat
mit ähnlichen thermischen Ausdehnungseigenschaften wie
Silicium). Das Sensorelement ist so "sandwiched" zwischen
der dotierten Schicht und dem Substrat. Das Sensorelement
ist vorzugsweise vom Substrat beabstandet, insbesondere
wenn die Erfindung als Massenluftstromsensor Verwendung
finden soll.
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Undotierte Bereiche des Siliciumblocks können dann abgeätzt
werden, so daß die Ätz-Stopp-dotierte Schicht als
Schutzmembran stehenbleibt, die das Sensorelement am Substrat
abdeckt und befestigt. Wenn also das Substrat, an dem die
dotierte Siliciumschicht befestigt wird, als Vorderseite
des Sensors betrachtet wird, dann erfolgt das Ätzen der
undotierten Siliciumbereiche auf der Rückseite des Sensors
(d.h. "Ätzen von rückwärts"). Auf diese Weise wird das
Sensorelement von dem Substrat und der schützenden Ätz-
Stopp-dotierten Siliciummembran eingeschlossen.
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Die vorbeschriebene Technik lädt sich auch dazu verwenden,
eine metallisierte Anschlußfläche(n) o.ä. freizulegen, um
den Anschluß des Sensors an die Elektronikschaltung des
zugehörigen Regelsystems zu erleichtern. Indem man also
einen Bereich der Mulde im Siliciumblock mit einem
Ätz-Stopp-Dotierungsstoff diskontinuierlich dotiert, - so daß
also ein undotierter Bereich der Mulde zwischen den
stehenbleibenden dotierenden Bereichen existiert, und/oder
definiert ist - und dann die Anschlußfläche(n) über diesen
diskontinuierlich dotierten Bereich(en) in der Mulde
ausbildet, kann die Anschlußfläche durch rückseitiges Abätzen
der undotierten Siliciumbereich(e) im Trog freigelegt
werden.
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Diese rückseitige Ätztechnik gemäß der Erfindung ist
insofern vorteilhaft, als das Sensorelement in einem Bereich
einer Mulde in einem Siliciumblock gebildet werden kann
(indem die Muldenfläche durchgehend mit einem Ätz-Stopp-
Dotierungsstoff dotiert worden ist), während eine
Anschlußfläche in einem anderen Bereich des gleichen (oder eines
unterschiedlichen) Troges im Siliciumblock gebildet werden
kann, indem die Muldenfläche diskontinuierlich mit einem
Ätz-Stopp-Dotierungsstoff dotiert worden ist. Nach dem
Abätzen der undotierten Siliciumbereiche in dem Block deckt
deshalb die Schutzmembran (die aus einer Ätz-Stopp
dotierten Sili-ciumschicht besteht) das Sensorelement ab
und befestigt es an dem einschließenden Substrat, während
ein "Fenster" in der Ätz-Stopp-dotierten Schicht
gleichzeitig gebildet wird und so die Anschlußfläche(n)
freilegt. Diese Ziele wie auch andere Ziele und Vorteile
der Erfindung ergeben sich für den aufmerksamen Leser
anhand der folgenden Einzelbeschrei-bung bevorzugter
beispielhafter Ausführungsformen. Im fol-genden wird auf
die Zeichnung eingegangen, in der gleiche Bezugszeichen in
allen Figuren gleiche Bauelemente bezeich-nen. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Draufsicht auf einen beispielhaften,
erfindungsgemäßen Sensor;
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Fig. 2 eine Schnittansicht des Sensors gemäß Fig. 1 längs
der Linie 2-2 und
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Fig. 3a in schematischer Abfolge bevorzugte
Verfahrensbis 3e schritte zum Herstellen des erfindungsgemäßen
Sensors, wobei Fig. 3e einen Schnitt durch den in
Fig. 1 dargestellten Sensor längs der Linie 3e-3e
darstellt.
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Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Sensors
10 gemäß der Erfindung in erheblicher Vergrößerung. Sensor
10 ist hier als Massenluftstromsensor dargestellt, so dar
die Sensorelemente 12 im Grunde elektrische
Heizwiderstandselemente sind, so dar der Massenstrom eines Fluids,
z.B. die Einlaßluft eines Motors, dadurch bestimmt werden
kann, dar man Änderungen der Wärmeübergangseigenschaften
der Elemente 12 mißt. Wenn sich also der Massenstrom eines
Fluids (z.B. der Einlaßluft) ändert, so ergibt sich eine
entsprechende Änderung der Wärmeübergangseigenschaften der
Elemente 12 und diese Änderung von einer Steuerschaltung
erfalt und in einen Massestromwert übertragen, der für das
gemessene Fluid repräsentativ ist. Diese Massenstromwerte
können dann von einem an Bord befindlichen (oder externen)
Mikrocomputer weiterverarbeitet werden, um beispielsweise
das Luft/Kraftstoff-Verhältnis für den Motor einzustellen.
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Die Erfindung eignet sich aber in gleichem Male für jede
Struktur von Sensoren auf Siliciumbasis, bei denen
Schutzfunktionen der Membran wünschenswert sind, wie Strukturen
mit dünner Membran, Brücken- oder Konsolenstrukturen. Die
Auswahl der Struktur des Sensors auf Siliciumbasis hängt
natürlich von dem zu messenden besonderen Parameter ab und
kann die Erfindung bei Sensoren auf Siliciumbasis
Verwendung finden, die beispielsweise Druck, Massenstrom,
Beschleunigung und/oder Drehmoment messen, um einige
Beispiele zu nennen.
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Der Sensor 10 besteht allgemein aus Sensorelementen 12, die
über elektrisch leitende Anschlußleitungen 18 mit
Anschlußflächen 16 verbunden sind. Obwohl die Leitpfade 12 und 18
in Fig. 1 nur als Linien schematisch dargestellt sind,
handelt es sich typischerweise um Metallschichten bestimmter
Dicke und Tiefe im Querschnitt. Der Sensor 10 besitzt auch
ein Substrat 20 (vorzugsweise aus einem Material, das die
gleichen thermischen Ausdehnungseigenschaften hat wie
Silicium), das elektrostatisch mit der dotierten
Siliciumschicht 22 verbunden ist (wird noch weiter beschrieben).
Ein für das Substrat 20 passendes Material ist
Borsilikatglas, vorzugsweise Corning 7740 Glas. Das Substrat 20 kann
auch aus einem Siliciumblock mit einer passenden
Glaszwischenschicht bestehen, die elektrostatisch mit dem
Siliciumblock des Substrats 20 und der dotierten
Siliciumschicht 22 verbunden ist.
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Wie Fig. 2 zeigt, besitzt die Schicht 22 einen Bereich 22a,
der vom Substrat 20 beabstandet ist, aber kontinuierlich
ein Sensorelement 12 abdeckt, wobei nur ein Sensorelement
12 in Fig. 2 sichtbar ist. Da damit das Sensorelement 12
innerhalb des Schichtbereichs 22a liegt, ist das Element 12
auch beabstandet vom Substrat 20. Auf diese Weise bedeckt
und befestigt die Schicht 22 mit Hilfe ihres Bereiches 22a
das Sensorelement 12 am Substrat 20, so dar Substrat
20/Bereich 22a das Sensorelement 12 einkapseln und damit
gegenüber der Umgebung abschirmen, in der der Sensor 10 zum
Einsatz kommt.
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Wie bereits erwähnt, wird die dotierte Schicht 22
elektrostatisch mit dem Substrat 20 verbunden. Dies ermöglicht es,
dar der Innenraum des Membranbereichs 22a (d.h. der Raum
zwischen dem Sensorelement 12 und dem Substrat 20)
evakuiert werden kann, um so die thermischen
Ansprecheigenschaften des Sensors 10 zu verbessern. In einigen
Anwendungsfällen jedoch (beispielsweise, wenn der
erfindungsgemäße Sensor zur Druck- und/oder Kraftmessung verwendet
werden soll) kann es nötig sein, dar der Innenraum des
Membranbereiches 22a auf einem dem Umgebungsdruck im
wesentlichen äquivalenten Druck ist. Diese Druckangleichung
läßt sich bequem mit einem Kanal durchführen (Bezugszeichen
25 in Fig. 2), der das Innere des Membranbereichs 22a mit
der äußeren Umgebung verbindet. Der Kanal 25 ist auch bei
Massenstromsensoren grober Baugröße vorteilhaft, wie sie in
der Zeichnung dargestellt sind, da der Druckausgleich dafür
sorgt, dar der Membranbereich 22a durch einen
Druckunterschied zwischen dem Inneren und dem Äußeren nicht Schaden
leidet.
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Die Schicht 22 kann ferner einen weiteren Bereich 22b nahe
der Anschlußfläche 16 aufweisen. Doch ist der Bereich 22b
diskontinuierlich darin, dar ein offener Bereich 22c ein
"Fenster" bildet, so dar der Sensor 10 elektrisch in eine
nicht dargestellte Regelschaltung über eine Anschlußfläche
16 verbunden werden kann. Der Bereich 22b umschließt
kontinuierlich den Umfang der Fläche 16 und bildet so einen
Rand 22d, um die Fahne 16 an dem Substrat 20 zu befestigen.
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Eine dielektrische Schicht 35, beispielsweise aus
Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid ist im Inneren der Bereiche 22a
und 22b (später beschrieben) gebildet, um eine strukturelle
Verstärkung zu liefern und damit die mechanische Festigkeit
der Bereiche 22a und 22b zu erhöhen.
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Die zum erfindungsgemäßen Herstellen des Sensors 10
benutzten Schritte sind schematisch in den Fig. 3a bis 3e
dargestellt.
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Zum Herstellen der erfindungsgemäßen Sensoren 10 wird eine
Oberfläche 32 eines Siliciumblocks 30 (entweder in
Chip- oder Waverform) zuerst in bekannter Weise geätzt, um eine
oder mehrere vertiefte Mulden zu bilden (in Fig. 3a mit 33,
34 bezeichnet). Die gewünschte Tiefe der Mulden 33, 34
bestimmt in einem hohen Grade die zur Anwendung kommende
Ätztechnik. Wenn also die Tiefe der Ausnehmungen 33 und/oder
34 kleiner ist als etwa 5 bis 10 um, so wird das Ätzen
vorzugsweise mit Hilfe einer Plasmaätzung (d.h. einer
trockenen Ätzung) durchgeführt, nachdem mit bekannten
fotolithographischen Verfahren das Muster der Vertiefungen
ausgebildet worden ist. Beträgt jedoch die Tiefe der Mulden 33
und/oder 34 mehr als etwa 10 um, so werden chemische
Ätzverfahren bevorzugt.
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Ein passender Ätz-Stopp-Dotierungsstoff (z.B. Bor) wird
dann in die Oberfläche 32 des Lochs 30 und in die
Vertiefungen 33, 34 eindiffundiert (Fig. 3a), um die
Ätz-Stoppdotierte Siliciumschicht 22 auszubilden. Die genauen Ränder
dieser kontinuierlich dotierten Fläche der Vertiefung 33
und der diskontinuierlich dotierten Oberfläche (d.h. die
Ausbildung des diskontinuierlichen Bereiches 22c) der
Vertiefung 34 lädt sich mit Hilfe von bekannten
fotolithographischen Bemusterungsverfahren erzielen. Die Schicht 22
(die im wesentlichen aus Silicium und dem
Ätz-Stopp-Dotierungsstoff besteht) wird somit auf der Oberfläche 32 und
damit auch auf den Oberflächen der Eintiefungen 33, 34
gebildet.
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Da die Schicht 22 auch als Ätz-Stopp-Schicht dient, ist es
nötig, dar der Dotierungsstoff in einer ausreichend hohen
Dichte in die Schicht 22 diffundiert wird. Benutzt man
beispielsweise Bor als Dotierungsstoff, so soll die
Dotierungsdichte vorzugsweise etwa 5 x 10¹&sup9; Atome/cm² betragen.
Die Tiefe, bis zu der der Dotierungsstoff diffundiert
werden soll (d.h. die Tiefe der Schicht 22), ist abhängig von
der endgültigen Größe des Sensors 10. Die Schicht 22 bei
den meisten Sensoren gemäß der Erfindung wird eine Dicke
von zwischen etwa 1 um bis etwa 10 um haben, wobei die
größere Schichtdicke zu Sensoren 10 größerer Baugröße
gehört bzw. umgekehrt. Hat der Sensor 10 in dem
Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 etwa 3 mm x 3 mm, so ist die
Dicke der Schicht 22 etwa 2 um.
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Dann wird Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid als
dielektrische Schicht 35 über der dotierten Oberfläche 32 und den
dotierten Flächen der Eintiefungen 33 und 34 des
Siliciumblocks 30 gemäß Fig. 3b aufgebracht. Die dielektrische
Schicht 35 dient als "Maske" für die Metallisierung, um die
Anschlußstücke 16 und Sensorelemente 12 zu bilden und
ferner in der Fertigstellung des Sensors 10 eine Tragstruktur
für den Membranbereich 22a (Fig. 2) zu bilden.
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Darauf erfolgt gemäß Fig. 3c das Platieren und die
Metallisierung der Anschlußstücke 16 und Sensorelemente 12. In
diesem Verfahrensschritt muß die dielektrische Schicht 35
in der Umgebung des Bereichs 22c in der Eintiefung 34
zunächst selektiv entfernt werden, was bequem mit einem
fotolithographischen Bemustern im Bereich 22c der Schicht 35
vollzogen werden kann, worauf dieser Bereich selektiv
weggeätzt wird. Eine metallisierte Schicht (in Fig. 3c als
gestrichelte Linie 37 dargestellt), wird dann über der
dielektrischen Schicht 35 ausgeformt, indem ein Metall (z.B.
Nickel oder Gold) mit den gewünschten thermischen
Eigenschaften und Widerstand durch Evaporieren gebildet wird.
Dann können die Anschlüsse im Bereich 22c der Eintiefung 34
mit Hilfe einer elektrochemischen Platierung hergestellt
werden. Vorzugsweise wird der Platierungsprozess
fortgesetzt, bis die Dicke des Anschlusses 16 ausreicht, dar er
das Substrat 20 kontaktiert (Fig. 3d). Diesbezüglich zeigt
Fig. 3c, dar der Anschluß 16 ausreichend dick ist, so dar
seine Oberfläche (d.h. in der in Fig. 3c ersichtlichen
Orientierung) im wesentlichen koplanar mit der Schicht 22
nach Entfernen der Schicht 35 liegt.
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Beim Formen des Anschlusses 16 in der Vertiefung 34 können
dann Teile der metalliserten Schicht 37, die nicht zu dem
Sensorelement 12 gehören, durch selektives chemisches Ätzen
entfernt werden. Dies läßt sich durch fotolithographisches
Bemustern des Sensorelements 12 der Schicht 37 leicht
durchführen, um dann unerwünschte Teile der Schicht 37 zu
entfernen.
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Fig. 3d zeigt den nächsten Schritt der erfindungsgemäßen
Sensorherstellung, bei dem ein Substrat 20 (beispielsweise
Glas, insbesondere vorzugsweise Borsilikatglas)
elektrostatisch mit der Oberfläche 32 des Siliciumblockes 30
versiegelt wird. Die elektrostatische Befestigung erfolgt
durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen dem
Substrat 20 und dem Siliciumblock 30 bei erhöhter Temperatur
(etwa 450ºC), um so eine enge hermetische Abdichtung und
Anbindung zu erzielen. Vor der elektrostatischen
Versiegelung müssen jedoch die dielektrischen Schichtabschnitte
über der Oberfläche 32 des Blockes 30 und der Teil der
dotierten Schicht 22 an der Oberfläche 32 mit Hilfe
chemischer Ätzverfahren entfernt werden. Letztlich können
undotierte Bereiche des Siliciumblocks 30 weggeätzt werden,
so dar nur die Ätz-Stopp-dotierte Schicht 22 als
Schutzmembran stehenbleibt, die das Sensorelement 12 abdeckt und
am Substrat 20 befestigt. In entsprechender Weise befestigt
auch die Schicht 22 den Anschluß 16 am Substrat 20. Das
heißt, die verbleibende diskontinuierliche Schicht 22 in
der Umgebung des Anschlusses 16 umringt diesen und bildet
einen Befestigungsrand 22d zur Befestigung des Anschlusses
16 am Substrat 20. Da jedoch der diskontinuierliche,
undotierte Bereich 22c der Vertiefung 34 zusammen mit dem
undotierten Siliciumbereich des Blockes 30 entfernt worden ist,
bleibt ein "Fenster", das den Anschluß 16 beim Entfernen
des undotierten Siliciumblockes 30 freigibt. Ferner bemerkt
man, dar diese Freilegung des Anschlusses 16 zusammen mit
dem Abätzen des undotierten Siliciumblockes 30 erfolgt.
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Obwohl die Schicht 22 hier als "Ätz-Stopp-dotierte Schicht
aus Silicium (und auch die sich ergebende Membran)
beschrieben worden ist, sollte verständlich sein, dar es sich
um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung handelt,
die aber nicht einschränkt. So kann sich die Erfindung
jedes passenden Herstellungsverfahrens und/oder Materials
bedienen, um die Schicht 22 zu formen (und die
resultierende Membran), wenn sie dem Ätzvorgang und/oder dem
Entfernen der ungewünschten Siliciumteile des Blockes 30
widersteht. Es sollte auch daran gedacht werden, dar das
Ätzen oder jedes andere Verfahren zum Entfernen des
Siliciums Verwendung finden kann, ohne dar man die Schicht 22
integral mit dem Siliciumblock 30 formt, solange die
geformte Schicht gegenüber dem nachfolgenden Entfernen der
unerwünschten Siliciumteile des Blockes 30 widersteht und
strukturell für die vorbeschriebenen Funktionen tauglich
ist. Es genügt zu sagen, daß der Konstrukteur des Sensors
jedmögliche Herstellung ins Auge fassen kann, um
funktionelle und strukturelle Äquivalente der Schicht 22 (und
der resultierenden Membran) gemäß den Erfindungsprinzipien
herzustellen.