WO2014026857A1 - Mems-bauelement und verfahren zur herstellung - Google Patents

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WO2014026857A1
WO2014026857A1 PCT/EP2013/066208 EP2013066208W WO2014026857A1 WO 2014026857 A1 WO2014026857 A1 WO 2014026857A1 EP 2013066208 W EP2013066208 W EP 2013066208W WO 2014026857 A1 WO2014026857 A1 WO 2014026857A1
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WO
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functional layer
valve flap
pressure
layer
opening
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Application number
PCT/EP2013/066208
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English (en)
French (fr)
Inventor
Pirmin Hermann Otto Rombach
Original Assignee
Epcos Ag
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Publication date
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/06—Influence generators
    • H02N1/08—Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0067—Mechanical properties
    • B81B3/0072—For controlling internal stress or strain in moving or flexible elements, e.g. stress compensating layers

Definitions

  • MEMS Device and Method of Production MEMS devices designed as sensors can be used to measure pressures and in particular for use as a microphone. Such MEMS sensors can after the
  • Capacitor principle work and then have an electrically conductive membrane and a spaced apart
  • the sensitivity of a MEMS microphone is determined, among other things, by the mechanical stability of its membrane. In order to detect even slight differences in pressure, it is endeavored to use thin and easily deflectable membranes. However, these have the disadvantage that they under the action of a high sound pressure or a rapid increase in pressure
  • the MEMS component is based on the idea that
  • a MEMS device has a crystalline base body which serves as a carrier for the MEMS structures and as a structurable material for further MEMS structures.
  • Basic body of the component has a recess.
  • a structured structure is arranged, which comprises one or more functional layers and which covers the recess.
  • Structure is structured an opening, its more effective Opening cross section varies depending on the pressure difference on both sides of the layer.
  • variable opening can be the function of a
  • a simple opening acting as a valve is realized with a valve flap which opens under the action of pressure or which opens depending on the magnitude of the applied pressure by a corresponding amount.
  • a simple implementation of such a flap valve succeeds by structuring a two-dimensional slot pattern in a layer of the structure covering the recess, here in the first functional layer. Through the slot pattern, a valve flap is formed. This is connected with a first end to the remaining first functional layer. At another end, the valve flap is freely structured, so that they act on one side of the layer
  • Pressure load can fold out of the plane of the layer with this freely structured end.
  • the valve flap is connected via a connecting web with the remaining functional layer. The width of the
  • the slot pattern follows the circumferential line of the valve flap, the valve flap being separated in three directions from the rest of the functional layer. At the first end, corresponding to the fourth direction, that cuts through
  • Valve flap the width of the valve flap is greater than the width of the connecting web, which connects the valve flap with the remaining surface area of the functional layer.
  • valve flaps that are rather elongated in shape
  • the slit pattern of the circumferential line over a much larger proportion, for example, more than 80%, more than 90%, or advantageously more than 95 ⁇ 6 of its length.
  • the slot pattern can be any circumferential line
  • valve flap At the first end, where the valve flap over the connecting webs with the remaining functional layer
  • the circumferential line is not by the interrupted here slot pattern but by the shortest
  • the circumferential line can also have one, two, three or four corners.
  • the slit pattern always follows the circumference of the
  • Connecting webs is formed. It is possible two or two provide more spaced apart connecting webs for one and the same valve flap. In this case, the slot pattern is repeatedly broken along the circumferential line of the valve flap and forms a corresponding number of connecting webs with the remaining functional layer.
  • valve flap takes place on both sides of the first functional layer. Thus, a faster opening of the valve formed by the valve flap takes place.
  • the slot pattern determines the size of the opening and thus the speed of the pressure compensation.
  • the size of the valve flap defined by the (outer) circumferential line determines the maximum cross-sectional area of the opening. The larger this cross-sectional area is, the faster pressure equalization can take place.
  • valve flaps it is also possible to provide a plurality of openings and thus a plurality of valve flaps in the layer. In this case, it is also possible different valve flaps with different surface, different valve flaps with different by the width of the or
  • the opening direction vary. This is achieved by arranging the axes along which the valve flap unfolds against each other at an angle. With multiple valve flaps with parallel axes, the opening direction of the valve flaps can vary by 180 °.
  • a suitable behavior can z. B. can be achieved when the first butterfly valves are provided with a small spring constant, but relatively small footprint, which open even at smaller pressure differences. As a rule, only larger pressure differences damage the
  • Membrane a rapid increase in the opening cross section of advantage, which is achieved with a larger valve flap area in the second valve flap, but each having a higher spring constant or a wider connecting web.
  • a perforated solid electrode is arranged in the structure as a further functional layer.
  • the membrane is the first
  • Functional layer that covers the recess and thereby includes a back volume in the recess.
  • a MEMS device can be used as a pressure sensor or microphone.
  • the perforated solid electrode can be closer in construction
  • Base body be arranged as the membrane. It is possible however, also that the solid electrode above the membrane, that is arranged on the side facing away from the body side of the membrane. In any case, the openwork indicates
  • Atmosphere a back pressure available, the deflection of the diaphragm and also the deflection of the valve flap
  • the membrane of the MEMS device can deflect depending on the pressure gradient to both sides. Even with an excessive deflection of the membrane to the outside, damage to the membrane may occur, which is due to the proposed
  • a recess covering first functional layer is structured an opening whose effective opening cross-section varies depending on the pressure difference on both sides of the layer, a faster pressure equalization is made possible with fast rising or falling outside pressures. This leads to the fact that although a dynamic behavior of z. B. formed as a membrane first functional layer remains possible, however, too strong tips are flattened. Slowly
  • Valve flap a maximum deflection of the diaphragm acting as a layer can be adjusted so that a Damage to the first or the other
  • a limit pressure P G above which the valve flap opens to a significant extent, can be over the
  • this value can be selected between 0.05 and 1.00 bar, between 0.1 and 0.8 bar, between 0.15 and 0.60 bar or between 0.2 and 0.5 bar.
  • the serving as a membrane functional layer can be a
  • Polysilicon layer include. Polysilicon can be adjusted electrically conductive by means of dopants. In this way, it is possible to form the membrane as an electrode of a capacitive MEMS device. The second electrode is formed by the likewise electrically conductive fixed electrode.
  • the membrane of the MEMS component may also be designed as a multilayer, of which the polysilicon layer forms a partial layer, preferably the middle partial layer of a symmetrical layer structure.
  • a partial layer of the membrane as a metal layer
  • a suitable layer structure for a membrane comprises one symmetrically between two silicon nitride layers
  • Valve flap is formed.
  • the device can therefore be produced without increased production costs and requires neither more complex nor additional process steps.
  • Figure 1A shows a known MEMS microphone in the schematic
  • Figure 1B shows the same microphone in plan view
  • Figure 2A shows an inventive MEMS device in plan view
  • FIG. 2B shows the same component in plan view
  • FIGS. 3A to 3H show various embodiments of FIG
  • Figure 1A shows a known from the prior art MEMS microphone in schematic cross section. Based on this figure, the basic operation of the device will be explained below. Except for the openings and the function of the structure and the function of the device according to the invention coincides with that of the known MEMS device described here.
  • the MEMS component has a crystalline basic body GK, in which a recess AN, preferably with vertical side walls, is structured. On the top of
  • Basic body GK is arranged here a plurality of functional layers comprehensive structure A.
  • This structure comprises a first functional layer MN, which is formed as a membrane, and a second functional layer, which is formed as a fixed electrode FE.
  • the two functional layers of the structure A cover the recess and are arranged at a distance and parallel to each other.
  • the first functional layer MN is formed as a membrane, and a fixed electrode FE.
  • the layer structure A may comprise further layers or functional layers, which serve in particular as spacers between the first and second functional layer and, for example, residues of
  • Such a device can be used as a microphone and operated, for example, as a capacitive device.
  • Functional layer FE set electrically conductive and form two capacitor electrodes whose electrical connection is not shown in the schematic figure.
  • the recess AN is closed on the underside of the main body GK with a back plate RP, which is produced together with the component or the part of a surface
  • the back plate RP may also be part of the body GK. In this way, a back volume is enclosed within the recess, which is used as a reference for the measurement of
  • External pressures or sound waves that produce pressure differences on both sides of the membrane can be used.
  • the pressure difference between the external pressure and the internal pressure within the back volume leads to a deflection of the membrane MN, whereby the distance to the fixed electrode FE changes and thus the capacitance of the capacitor.
  • This value can be used as a measure of the signal strength or the
  • Pressure difference can be used and over appropriate
  • Amplifier circuits are output as a usable signal. Pressure equalization is established via the opening OG, the time duration required for this being dependent on the size of the opening or on the cross-sectional area of the opening OG, which is constant in known MEMS components.
  • FIG. 1B shows the same MEMS component in plan view, in which provided for pressure equalization opening OG is shown better.
  • the membrane has a round here
  • membrane MN and fixed electrode FE are arranged preferably at a small distance from each other, large
  • Figure 2A shows a schematic cross section through a proposed MEMS device that addresses these problems
  • the MEMS device has a crystalline
  • Base body GK in which again a base body breaking through recess AN is provided.
  • the structure comprises at least a first functional layer MN.
  • the first functional layer is an opening OG
  • Structuring the opening OG acts like a valve, which the opening cross section of the opening OG in
  • Functional layer MN is applied, varies.
  • the device is in a situation where the pressure below the first functional layer MN is greater as above the first functional layer. This leads to a deflection of the valve flap as part of the first
  • Opening OG enlarged.
  • a dot-dash line shows a situation in which the pressure above the first functional layer MN is greater than the pressure below the first functional layer. This leads to a deflection of the movable functional layer downwards and thus also to an increase in the cross-sectional area of the opening OG.
  • the movable part is structured in the first functional layer by means of a slit pattern, by means of which a valve flap VK is defined.
  • FIG. 2B shows a simple possibility for structuring such a valve flap VK. The figure shows the in
  • FIG. 2A illustrated device in plan view.
  • the slit pattern SM breaks through the first functional layer MN along its entire length.
  • the slot pattern follows the
  • the slot pattern SM breaks through the first functional layer MN and thus already constitutes an opening OG, which forms a
  • the cross-sectional area of the opening OG can rise at most to the area enclosed by the outer circumferential line of the valve flap.
  • Such an enlarged opening leads at high acting pressure or pressure difference to a faster pressure equalization and thus to a reduction of the forces acting on the first functional layer MN forces. In this way, excessive deflection of the first functional layer MN due to excessively high pressures and thus damage thereof is avoided.
  • FIGS. 3A to 3H show, by way of example, possible different embodiments of the slot pattern or of the slot pattern
  • FIG. 3A shows a slot pattern defining a rectangular to square valve flap and a tie bar VS.
  • the width of the connecting web VS is preferably smaller than that side length of the quadrangular valve flap VK to which the connecting web VS is connected.
  • the connecting web VS is still defined on both sides by lines running parallel to the web, so that a length of the connecting web VS is also predetermined by the slot pattern.
  • FIG. 3B shows an embodiment of the slit pattern SM, in which the connecting web is defined only by a gap in the peripheral line.
  • the connecting web is defined only by a gap in the peripheral line.
  • the connecting web essentially determines the width of the connecting web VS the force which is required for the deflection of the valve flap from the layer plane.
  • Width of the connecting web is defined here by the distance that occupy the two ends of the slot pattern to each other. Along this distance they follow the
  • the connecting web VS therefore represents an interruption of the slot pattern.
  • FIG. 3B shows a similar arrangement, however, in which the slot pattern is interrupted twice, so that two
  • Connecting webs VS are formed. Both connecting webs are arranged at the same end of the valve flap or the slot pattern. However, it is also seen several connecting webs ⁇ on different sides of the slit pattern vorzu-.
  • Figure 3D shows virtually the same arrangement as Figure 3C, with only the connecting webs are provided on the opposite side of the slot pattern.
  • any other shapes can be provided.
  • Figure 3E shows an arrangement in which the first end over which the valve flap with the remaining
  • FIG. 3F shows a slot pattern which follows the same or a similar circumferential line, but in which, instead of two connecting webs, only one connecting web on the
  • Figure 3G shows a
  • connection web is provided at the rectangularly shaped first end, while the second end is rounded.
  • Figure 3H shows a slot pattern which follows a similar peripheral line as Figures 3E to 3G, but in which the connecting bar is provided at the rounded end. Compared to the slot pattern of Figure 3F, the width of the connecting web is reduced here.
  • MEMS devices according to the invention can be designed like FIG. 2A, having slot patterns as shown in FIGS. 3A to 3H.
  • Slot patterns are preferably arranged near the edge region of the first functional layer MN, but above the recess AN. However, it is also vorzu multiple slit pattern in the functional layer above the recess AN ⁇ see. Different slot patterns can be shaped differently, can define with their circumferential line differently sized valve flaps VK, can have different width connecting webs and thus have different response to pressure differences. However, it is also possible, in addition to the slot pattern SM, to provide conventional openings OG whose opening cross-section is invariable. In this way, the effective opening cross section of the openings OG can be better.
  • Slot pattern according to the invention can be used as overpressure or vacuum valve for any applications.
  • a preferred application is the MEMS device illustrated in FIG. 2A in a further embodiment in which it is expanded to a MEMS pressure sensor or a MEMS microphone. It can be provided in a known manner with a second functional layer similar to that in Figure 1A, the fixed electrode FE of the pressure sensor or
  • the MEMS component may have two fixed electrodes FE, wherein the second solid electrode FE then below the first functional layer serving as a membrane MN
  • Such a microphone can be operated differentially and allows to capture the measured value more accurately.
  • the first functional layer may have a multi-layered construction.
  • the polysilicon layer is embedded between two mechanically stable layers, for example, between two silicon nitride layers. It is also possible to provide the first functional layer formed as a membrane MN as a metallic layer.
  • the remaining functional layers of the structure A are preferably constructed of structurally stable and optionally electrically conductive layer materials.
  • the structure A via layer deposition processes on the base body GK, preferably in one process stage, before the recess AN is produced.
  • Substructures can be structured by different structuring steps between the individual layer depositions. It is also possible, however, several
  • the underside of the recess AN is covered by a back plate RP.
  • This can, similar to the structure A, be produced by appropriate Schichtabscheidungen. In this case, in a first
  • the proposed MEMS device has the advantage that it can be produced in a known manner without additional process complexity. While previously round or similarly shaped openings OG have been structured in the membrane, a slot pattern is now structured in their place, which can be produced without additional effort.
  • a received MEMS microphone has a lower lower one
  • Cut-off frequency LLF reduces the noise and therefore shows an improved signal-to-noise behavior.
  • the device has a normal mode of operation in which it behaves like a conventional MEMS microphone.
  • a limiting pressure P G the expansion according to the invention of the opening cross section of the openings OG is so great that it leads to a faster pressure equalization. This reduces the pressure difference on both sides of the membrane faster and therefore leads to a lower deflection of the membrane. This reduces the risk that the membrane or the adjacent solid electrode due to excessive deflection of the membrane
  • the invention is not limited to the embodiments or the figures.
  • the basic idea of the invention is based solely on providing a varying opening cross section in the membrane of a MEMS component as a function of the applied pressure.

Abstract

Es wird ein MEMS-Bauelement mit einem kristallinen Grundkörper (GK), einer Ausnehmung (AN) und einem diese Ausnehmung verschließenden strukturierten Aufbau (A) vorgeschlagen, bei dem in einer ersten Funktionsschicht (MN) eine Öffnung (OG) strukturiert ist, deren effektiver Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit von Druckunterschied beiderseits der ersten Funktionsschicht (MN) variiert.

Description

Beschreibung
MEMS-Bauelement und Verfahren zur Herstellung Zur Messung von Drucken und insbesondere zum Einsatz als Mikrofon können als Sensoren ausgebildete MEMS-Bauelemente eingesetzt werden. Solche MEMS-Sensoren können nach dem
Kondensatorprinzip arbeiten und weisen dann eine elektrisch leitfähige Membran und eine im Abstand dazu angeordnete
Festelektrode auf. Die aufgrund der Membranauslenkung
variierende Kapazität wird als Messwert erfasst.
Die Empfindlichkeit eines MEMS-Mikrofons wird unter anderem durch die mechanische Stabilität seiner Membran bestimmt. Um auch geringe Druckunterschiede nachzuweisen ist man bemüht, dünne und leicht auslenkbare Membranen einzusetzen. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie unter dem Einwirken eines hohen Schalldrucks oder eines schnellen Druckanstiegs
beschädigt werden können. Dabei können Membran und/oder
Festelektrode brechen und so das Mikrofon oder der
Drucksensor zerstört werden.
Eine Möglichkeit, die Empfindlichkeit gegen schnell
ansteigenden hohen Druck besser zu reduzieren liegt darin, eine Druckausgleichsöffnung in der Membran vorzusehen und diese ausreichend groß zu gestalten, damit sich zu hohe
Relativdrucke schneller abbauen können. Dies führt jedoch zu einer höheren unteren Grenzfrequenz LLF (Lower Limiting
Frequency) in der Mikrofonantwort. Dadurch erhöht sich das Rauschen (Noise) des Mikrofons und das Signal-Rausch- Verhältnis SNR wird reduziert. Damit wird auch das untere Frequenzband begrenzt und so die Empfindlichkeit für niedrige Frequenzen beeinträchtigt. Je höher aber der LLF-Wert eingestellt wird, desto niedriger ist das Risiko eines
Membran- oder Festelektrodenschadens während schneller
Druckanstiege oder hoher Druckunterschiede. Gleichzeitig wird aber die Performance des Sensors drastisch reduziert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein als Drucksensor oder Mikrofon einsetzbares MEMS-Bauelement anzugeben, dessen Membran auch gegen schnelle Anstiege hin zu hohen Schalldrucken besser standhält als bekannte Lösungen, ohne dabei die Performance des Sensors zu stark zu
verschlechtern. Eine Teilaufgabe besteht darin, ein solches Bauelement in einfacher Herstellungsweise zur Verfügung zu stellen . Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein MEMS-Bauelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
Dem MEMS-Bauelement liegt die Idee zugrunde, die
Druckausgleichsöffnung nicht permanent zu vergrößern, sondern so zu gestalten, dass sie variabel und in Abhängigkeit von ansteigenden Druckunterschieden ihren Öffnungsquerschnitt variiert . Ein MEMS-Bauelement weist einen kristallinen Grundkörper auf, der als Träger für die MEMS-Strukturen und als strukturierbares Material für weitere MEMS-Strukturen dient. Der
Grundkörper des Bauelements weist eine Ausnehmung auf. Auf dem Grundkörper ist ein strukturierter Aufbau angeordnet, der eine oder mehrere Funktionsschichten umfasst und der die Ausnehmung abdeckt. In der ersten Funktionsschicht des
Aufbaus ist eine Öffnung strukturiert, deren effektiver Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit vom Druckunterschied beiderseits der Schicht variiert.
Eine solche variable Öffnung kann die Funktion eines
Überdruckventils übernehmen.
Eine einfache als Ventil wirkende Öffnung wird mit einer Ventilklappe realisiert, die sich unter Einwirkung von Druck öffnet, oder die sich in Abhängigkeit von der Höhe des einwirkenden Drucks um einen entsprechenden Betrag öffnet.
Eine einfache Umsetzung eines solchen Klappenventils gelingt durch Strukturierung eines zweidimensionalen Schlitzmusters in einer die Ausnehmung abdeckenden Schicht des Aufbaus, hier in der ersten Funktionsschicht. Durch das Schlitzmuster bildet sich eine Ventilklappe aus. Diese ist mit einem ersten Ende mit der restlichen ersten Funktionsschicht verbunden. An einem anderen Ende ist die Ventilklappe frei strukturiert, sodass sie unter einseitig auf die Schicht einwirkender
Druckbelastung mit diesem frei strukturierten Ende aus der Ebene der Schicht herausklappen kann. Am ersten Ende ist die Ventilklappe über einen Verbindungssteg mit der restlichen Funktionsschicht verbunden. Dabei kann die Breite des
Verbindungsstegs so gewählt werden, dass eine geeignete
Federkonstante und damit ein gewünschtes Auslenkverhalten der Ventilklappe in Abhängigkeit vom Druckanstieg eingestellt wird .
Das Schlitzmuster folgt der Umfangslinie der Ventilklappe, wobei die Ventilklappe in drei Richtungen durchgehend von der restlichen Funktionsschicht getrennt ist. Am ersten Ende, entsprechend der vierten Richtung, durchtrennt das
Schlitzmuster die Schicht nur entlang eines Teils der
Umfangslinie, sodass das Schlitzmuster der Umfangslinie über mehr als 75 % ihrer Länge folgt. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass bei einer beispielsweise quadratischen
Ventilklappe die Breite der Ventilklappe größer ist als die Breite des Verbindungsstegs, der die Ventilklappe mit dem restlichen Flächenbereich der Funktionsschicht verbindet.
Bei Ventilklappen, die in der Form eher langgestreckt
ausgebildet sind, folgt das Schlitzmuster der Umfangslinie über einen wesentlich größeren Anteil von beispielsweise mehr als 80 %, mehr als 90 % oder vorteilhaft mehr als 95 ~6 seiner Länge. Dies führt dazu, dass die Breite des Verbindungsstegs und damit die Kraftkonstante, die der Auslenkung der
Ventilklappe entgegenwirkt, klein gehalten werden kann. Das Schlitzmuster kann eine beliebige Umfangslinie
definieren. Neben eckigen Grundformen für die Umfangslinie der Ventilklappe sind auch runde Umfangslinien oder teilweise gerundete Umfangslinien sowie Mischformen und andere Formen geeignet. Am ersten Ende, an dem die Ventilklappe über die Verbindungsstege mit der restlichen Funktionsschicht
verbunden ist, ist die Umfangslinie nicht durch das hier unterbrochene Schlitzmuster sondern durch die kürzeste
Verbindungslinie zwischen den Enden des Schlitzmusters definiert. Dementsprechend weist die Umfangslinie am ersten Ende der Ventilklappe zumindest im Bereich des
Verbindungsstegs eine gerade Kante auf. Ansonsten kann sie an beiden Enden teilweise oder ganz gerundet sein. Die
Umfangslinie kann jedoch auch eine, zwei, drei oder vier Ecken aufweisen.
Das Schlitzmuster folgt immer der Umfangslinie der
Ventilklappe bis auf den Bereich, der von den
Verbindungsstegen gebildet wird. Möglich ist es, zwei oder mehr im Abstand voneinander angeordnete Verbindungsstege für ein und dieselbe Ventilklappe vorzusehen. In diesem Fall ist das Schlitzmuster entlang der Umfangslinie der Ventilklappe mehrfach durchbrochen und bildet eine entsprechende Anzahl an Verbindungsstegen mit der übrigen Funktionsschicht aus.
Die Breite des oder der Verbindungsstege bestimmt in
Verbindung mit den Materialkonstanten der Schicht die Kraft, die zum Auslenken der Ventilklappe erforderlich ist. Eine kleinere Federkonstante bewirkt ein schnelleres Auslenken der Ventilklappe, das dann bereits bei niedrigeren
Druckunterschieden beiderseits der Ventilklappe bzw.
beiderseits der ersten Funktionsschicht erfolgt. Somit erfolgt ein schnelleres Öffnen des durch die Ventilklappe gebildeten Ventils.
Im nicht-ausgelenkten Zustand bestimmt das Schlitzmuster, also die in der Ebene der Funktionsschicht bemessene Fläche der Schlitze des Schlitzmusters die Größe der Öffnung und damit die Schnelligkeit des Druckausgleichs. Die Größe der durch die (äußere) Umfangslinie definierten Ventilklappe bestimmt dann die maximale Querschnittsfläche der Öffnung. Je größer diese Querschnittsfläche ist, desto schneller kann ein Druckausgleich stattfinden.
Möglich ist es jedoch auch, mehrere Öffnungen und damit mehrere Ventilklappen in der Schicht vorzusehen. In diesem Fall ist es auch möglich, unterschiedliche Ventilklappen mit unterschiedlicher Fläche, unterschiedliche Ventilklappen mit unterschiedlichem durch die Breite des oder der
Verbindungsstege bestimmten Federelement oder
unterschiedliche Ventilklappen mit unterschiedlich geformter Umfangslinie vorzusehen. Zusätzlich kann die Öffnungsrichtung variieren. Dies wird erreicht, indem die Achsen, entlang derer die Ventilklappe aufklappen, gegeneinander im Winkel angeordnet werden. Bei mehreren Ventilklappen mit parallelen Achsen kann die Öffnungsrichtung der Ventilklappen um 180° variieren.
Weisen die unterschiedlichen Ventilklappen unterschiedliche Federkonstanten auf, so kann das gesamte druckabhängige
Ansprechverhalten der Ventilklappen, also die Abhängigkeit des gesamten Öffnungsquerschnitts sämtlicher Ventilklappen von der Drucksteigerung in gewünschter Weise angepasst werden. Ein geeignetes Verhalten kann z. B. erreicht werden, wenn erste Ventilklappen mit kleiner Federkonstante, aber relativ geringer Grundfläche vorgesehen werden, die sich bereits bei kleineren Druckunterschieden öffnen. Da in der Regel erst größere Druckunterschiede Beschädigungen der
Membran hervorrufen können, ist eine schnelle Erhöhung des Öffnungsquerschnitts von Vorteil, was mit einer größeren Ventilklappenfläche bei zweiten Ventilklappen erzielt wird, die jedoch jeweils eine höhere Federkonstante bzw. einen breiteren Verbindungssteg aufweisen.
In einer Ausführung des MEMS-Bauelements ist die
Funktionsschicht mit der Öffnung elektrisch leitfähig
eingestellt und als Membran des Bauelements ausgebildet.
Parallel und im Abstand zur Funktionsschicht mit der Öffnung ist im Aufbau als weitere Funktionsschicht eine durchbrochene Festelektrode angeordnet. Die Membran ist dabei erste
Funktionsschicht, die die Ausnehmung abdeckt und dadurch in der Ausnehmung ein Rückvolumen einschließt. Ein solches MEMS- Bauelement ist als Drucksensor oder Mikrofon nutzbar. Die durchbrochene Festelektrode kann im Aufbau näher am
Grundkörper angeordnet sein als die Membran. Möglich ist es jedoch auch, dass die Festelektrode oberhalb der Membran, also auf der vom Grundkörper wegweisenden Seite der Membran angeordnet ist. In jedem Fall weist die durchbrochene
Festelektrode ein Lochmuster auf oder bildet ein Gitter aus, über das die Membran des MEMS-Bauelements mit der umgebenden Atmosphäre in Verbindung steht, sodass der in der Umgebung herrschende Druck auch an der Membran anliegt. Das
Rückvolumen stellt über seine darin eingeschlossene
Atmosphäre einen Gegendruck zur Verfügung, der der Auslenkung der Membran und auch der Auslenkung der Ventilklappe
entgegenwirkt .
Die Membran des MEMS-Bauelements kann in Abhängigkeit vom Druckgradienten nach beiden Seiten auslenken. Auch bei einer zu starken Auslenkung der Membran nach außen können Schäden an der Membran entstehen, die durch die vorgeschlagene
Ausgestaltung der Ventilklappe vermieden werden.
Mit dem vorgeschlagenen MEMS-Bauelement , in dessen die
Ausnehmung abdeckender erster Funktionsschicht eine Öffnung strukturiert ist, deren effektiver Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit vom Druckunterschied beiderseits der Schicht variiert, wird ein schnellerer Druckausgleich bei schnell ansteigenden oder abfallenden Außendrucken ermöglicht. Dies führt dazu, dass zwar ein dynamisches Verhalten der z. B. als Membran ausgebildeten ersten Funktionsschicht möglich bleibt, zu starke Spitzen jedoch abgeflacht werden. Langsam
ansteigende oder abfallende Drucke werden dann über die durch das Schlitzmuster zur Verfügung gestellte Öffnung abgebaut bzw. ausgeglichen. Über Größe und Federkonstante der
Ventilklappen kann eine maximale Auslenkung der als Membran fungierenden Schicht so eingestellt werden, dass eine Beschädigung der ersten oder auch der weiteren
Funktionsschicht unmöglich wird.
Ein Grenzdruck PG, oberhalb dessen die Ventilklappe in einem nennenswerten Ausmaß öffnet, lässt sich über die
Federkonstante der Ventilklappe einstellen. Ein solcher Grenzdruck kann dann in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung und deren gewünschter Empfindlichkeit nahezu beliebig eingestellt werden.
Für Mikrofonanwendungen kann dieser Wert zwischen 0,05 und 1,00 bar, zwischen 0,1 und 0,8 bar, zwischen 0,15 und 0,60 bar oder zwischen 0,2 und 0,5 bar gewählt werden.
Die als Membran dienende Funktionsschicht kann eine
Polysilizium-Schicht umfassen. Polysilizium kann mit Hilfe von Dotierstoffen elektrisch leitfähig eingestellt werden. Auf diese Weise gelingt es, die Membran als eine Elektrode eines kapazitiv arbeitenden MEMS-Bauelements auszubilden. Die zweite Elektrode wird von der ebenfalls elektrisch leitfähig eingestellten Festelektrode gebildet.
Die Membran des MEMS-Bauelements kann auch mehrschichtig ausgebildet sein, von denen die Polysilizium-Schicht eine Teilschicht, vorzugsweise die mittlere Teilschicht eines symmetrischen Schichtaufbaus , bildet. Möglich ist es jedoch auch, eine Teilschicht der Membran als Metallschicht
auszubilden, andere Teilschichten dagegen aus dielektrischen oder elektrisch isolierenden Materialien.
Ein geeigneter Schichtaufbau für eine Membran umfasst eine zwischen zwei Siliziumnitrid-Schichten symmetrisch
eingebettete Polysilizium-Schicht . Die Herstellung des vorgeschlagenen MEMS-Bauelements
erfordert genau wie die Herstellung bekannter MEMS- Bauelemente eine Strukturierung der Membran sowohl in der flächenmäßigen Ausdehnung, als auch eine Herstellung der Öffnung. Die Strukturierung wird dann im Unterschied zu bekannten MEMS-Bauelementen mit flächenhaften Öffnungen so ausgeführt, dass über ein geeignetes Schlitzmuster eine
Ventilklappe ausgebildet wird. Das Bauelement ist daher ohne erhöhten Fertigungsaufwand herstellbar und erfordert weder komplexere noch zusätzliche Verfahrensschritte.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei¬ spielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind nur schematisch und nicht maßstabsgetreu aus¬ gebildet, sodass sich weder absolute noch relative Maßangaben aus den Figuren entnehmen lassen. Gleiche oder gleich
wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Figur 1A zeigt ein bekanntes MEMS-Mikrofon im schematischen
Querschnitt,
Figur 1B zeigt das gleiche Mikrofon in der Draufsicht, Figur 2A zeigt ein erfindungsgemäßes MEMS-Bauelement im
schematischen Querschnitt,
Figur 2B zeigt das gleiche Bauelement in der Draufsicht, Figur 3A bis 3H zeigen verschiedene Ausführungen von
Schlitzmustern . Figur 1A zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes MEMS- Mikrofon im schematischen Querschnitt. Anhand dieser Figur wird im Folgenden die Grundfunktionsweise des Bauelements erläutert. Bis auf die Öffnungen und der Funktion stimmt der Aufbau und die Funktion des erfindungsgemäßen Bauelements mit der des hier beschriebenen bekannten MEMS Bauelements überein .
Das MEMS-Bauelement weist einen kristallinen Grundkörper GK auf, in dem eine Ausnehmung AN, vorzugsweise mit vertikalen Seitenwänden, strukturiert ist. Auf der Oberseite des
Grundkörpers GK ist ein hier mehrere Funktionsschichten umfassender Aufbau A angeordnet. Dieser Aufbau umfasst eine erste Funktionsschicht MN, die als Membran ausgebildet ist, und eine zweite Funktionsschicht, die als Festelektrode FE ausgebildet ist. Die beiden Funktionsschichten des Aufbaus A überdecken die Ausnehmung und sind im Abstand und parallel zueinander angeordnet. Die erste Funktionsschicht MN
überspannt die gesamte Ausnehmung und dichtet diese nach oben hin ab. Das dadurch eingeschlossene Rückvolumen ist dann lediglich durch eine kleine und z.B. runde Öffnung OG zum langsamen Druckaustausch mit der Atmosphäre oberhalb des MEMS-Bauelements verbunden. Im Bereich außerhalb der Ausnehmung AN kann der Schichtaufbau A weitere Schichten oder Funktionsschichten umfassen, die insbesondere als Abstandshalter zwischen erster und zweiter Funktionsschicht dienen und beispielsweise Reste von
Opferschichten darstellen können, mit deren Hilfe die
Strukturierung von freien Zwischenräumen zwischen
Funktionsschichten gelingt. Darüber hinaus dienen die
weiteren Schichten auch zur Verankerung der Funktionsschicht im Randbereich der späteren Membran und vorzugsweise im Randbereich der Ausnehmung auf der Oberfläche des Grundkörpers GK.
Ein solches Bauelement kann als Mikrofon eingesetzt werden und beispielsweise als kapazitives Bauelement betrieben werden. Dazu sind erste Funktionsschicht MN und zweite
Funktionsschicht FE elektrisch leitend eingestellt und bilden zwei Kondensatorelektroden, deren elektrischer Anschluss in der schematischen Figur nicht dargestellt ist.
Die Ausnehmung AN ist auf der Unterseite des Grundkörpers GK mit einer Rückplatte RP verschlossen, die zusammen mit dem Bauelement erzeugt ist oder die Teil einer Oberfläche
darstellt, auf der das MEMS-Bauelement montiert ist. Die Rückplatte RP kann auch Teil des Grundkörpers GK sein. Auf diese Weise wird innerhalb der Ausnehmung ein Rückvolumen eingeschlossen, welches als Referenz zur Messung von
Außendrücken oder von Schallwellen, die Druckunterschiede beiderseits der Membran erzeugen, verwendet werden kann. Der Druckunterschied zwischen Außendruck und dem Binnendruck innerhalb des Rückvolumens führt zu einer Auslenkung der Membran MN, wodurch sich der Abstand zur Festelektrode FE verändert und damit die Kapazität des Kondensators. Dieser Wert kann als Maß für die Signalstärke bzw. den
Druckunterschied verwendet werden und über entsprechende
Verstärkerschaltungen als nutzbares Signal ausgegeben werden. Über die Öffnung OG wird ein Druckausgleich hergestellt, wobei die dafür erforderliche Zeitdauer von der Größe der Öffnung bzw. von der Querschnittsfläche der Öffnung OG abhängig ist, die bei bekannten MEMS Bauelementen konstant ist .
Figur 1B zeigt das gleiche MEMS-Bauelement in der Draufsicht, in der die zum Druckausgleich vorgesehene Öffnung OG besser dargestellt ist. Die Membran weist hier eine runde
Grundfläche auf, ist jedoch nicht auf runde Formen
beschränkt, ebenso wenig wie der Grundkörper GK auf
viereckige Formen beschränkt ist.
Wenn Membran MN und Festelektrode FE in vorzugsweise geringem Abstand zueinander angeordnet sind, können große
Druckunterschiede, die an der Membran MN anliegen, zu einer so starken Auslenkung der Membran führen, dass diese an der Festelektrode anschlägt und so die Gefahr einer Zerstörung oder Beschädigung der Membran besteht.
Figur 2A zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein vorgeschlagenes MEMS-Bauelement , das diese Probleme
vermeidet. Das MEMS-Bauelement weist einen kristallinen
Grundkörper GK auf, in dem wieder eine den Grundkörper durchbrechende Ausnehmung AN vorgesehen ist. Auf der
Oberseite wird die Ausnehmung von einem Aufbau A abgedeckt. Der Aufbau umfasst zumindest eine erste Funktionsschicht MN. In der ersten Funktionsschicht ist eine Öffnung OG
vorgesehen, die zum Druckausgleich dient. Die insoweit als Teilstruktur aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung ist nun jedoch weiter so ausgestaltet, dass durch geeignete
Strukturierung der Öffnung OG diese wie ein Ventil wirkt, welches den Öffnungsquerschnitt der Öffnung OG in
Abhängigkeit vom Druckunterschied, der an der ersten
Funktionsschicht MN anliegt, variiert. In der Figur ist die Membran (die erste Funktionsschicht) im Grundzustand des Bauelements und bei normal großer Öffnung OG mit
durchgezogener Linie dargestellt. Mit gepunkteter Linie dargestellt ist das Bauelement in einer Situation, bei der der Druck unterhalb der ersten Funktionsschicht MN größer ist als oberhalb der ersten Funktionsschicht. Dies führt zu einer Auslenkung der Ventilklappe als ein Teil der ersten
Funktionsschicht derart, dass sich der Querschnitt der
Öffnung OG vergrößert. Mit strichpunktierter Linie ist eine Situation dargestellt, in der der Druck oberhalb der ersten Funktionsschicht MN größer ist als der Druck unterhalb der ersten Funktionsschicht. Dies führt zu einer Auslenkung der beweglichen Funktionsschicht nach unten und damit ebenfalls zu einer Vergrößerung der Querschnittsfläche der Öffnung OG.
Der bewegliche Teil ist in der ersten Funktionsschicht mit Hilfe eines Schlitzmusters strukturiert, mit dessen Hilfe eine Ventilklappe VK definiert ist. Figur 2B zeigt eine einfache Möglichkeit zur Strukturierung einer solchen Ventilklappe VK. Die Figur zeigt das in
Figur 2A dargestellte Bauelement in der Draufsicht. Das Schlitzmuster SM durchbricht entlang ihrer gesamten Länge die erste Funktionsschicht MN. Das Schlitzmuster folgt der
Umfangslinie der Ventilklappe VK bis auf einen
Verbindungssteg, mit dem die Ventilklappe mit der übrigen Fläche der ersten Funktionsschicht MN verbunden ist und bleibt. Die am zweiten Ende von Verbindungen zur
Funktionsschicht freie Ventilklappe kann nun aus der
Schichtebene herausklappen und bleibt dabei über den
Verbindungssteg mit der übrigen Funktionsschicht MN
verbunden .
Das Schlitzmuster SM durchbricht die erste Funktionsschicht MN und stellt damit bereits eine Öffnung OG dar, die einen
Druckausgleich mit einer bestimmten von der Größe der Öffnung abhängigen Geschwindigkeit zwischen den beiden Seiten der ersten Funktionsschicht herstellen kann. Bis zu einem Grenzdruck PG reicht der auf die Ventilklappe VK einwirkende Druck noch nicht aus, diese nennenswert aus der Schichtebene heraus zu bewegen. Bei einem einwirkenden effektiven Druck PE (bzw. Druckunterschied) oberhalb des Grenzdrucks PG reicht die auf die
Ventilklappe einwirkende Kraft aus, diese so auszulenken, dass sich der effektive Querschnitt der Öffnung OG merklich vergrößert. Je nach Grad der Auslenkung kann die Quer- schnittsfläche der Öffnung OG maximal bis zu der von der äußeren Umfangslinie der Ventilklappe eingeschlossenen Fläche ansteigen. Eine solche vergrößerte Öffnung führt bei hohem einwirkenden Druck bzw. Druckunterschied zu einem schnelleren Druckausgleich und damit zu einem Abbau der auf die erste Funktionsschicht MN einwirkenden Kräfte. Auf diese Weise wird eine zu starke Auslenkung der ersten Funktionsschicht MN durch zu hohe Drucke und damit deren Beschädigung vermieden.
Figuren 3A bis 3H zeigen beispielhaft mögliche unterschied- liehe Ausgestaltungen des Schlitzmusters bzw. der durch das
Schlitzmuster definierten Ventilklappe VK. Figur 3A zeigt ein Schlitzmuster, welches eine rechteckige bis quadratische Ventilklappe und einen Verbindungssteg VS definiert. Die Breite des Verbindungsstegs VS ist vorzugsweise geringer als diejenige Seitenlänge der viereckigen Ventilklappe VK, mit der der Verbindungssteg VS verbunden ist. In der Figur 3A ist der Verbindungssteg VS noch beidseitig durch parallel zum Steg verlaufende Linien definiert, sodass auch eine Länge des Verbindungsstegs VS durch das Schlitzmuster vorgegeben ist.
Figur 3B zeigt eine Ausführung des Schlitzmusters SM, bei der der Verbindungssteg nur durch eine Lücke in der Umfangslinie definiert ist. Auch hier bestimmt im Wesentlichen die Breite des Verbindungsstegs VS die Kraft, die zur Auslenkung der Ventilklappe aus der Schichtebene erforderlich ist. Die
Breite des Verbindungsstegs ist hier durch den Abstand definiert, den die beiden Enden des Schlitzmusters zueinander einnehmen. Entlang dieses Abstands folgen sie der
Umfangslinie der Ventilklappe nicht. Der Verbindungssteg VS stellt daher eine Unterbrechung des Schlitzmusters dar.
Figur 3B zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der das Schlitz- muster jedoch zweifach durchbrochen ist, sodass zwei
Verbindungsstege VS gebildet sind. Beide Verbindungsstege sind am selben Ende der Ventilklappe bzw. des Schlitzmusters angeordnet. Möglich ist es jedoch auch, mehrere Verbindungs¬ stege an unterschiedlichen Seiten des Schlitzmusters vorzu- sehen.
Figur 3D zeigt praktisch die gleiche Anordnung wie Figur 3C, wobei nur die Verbindungsstege auf der gegenüberliegenden Seite des Schlitzmusters vorgesehen sind.
Neben den rechteckigen Formen für ein Schlitzmuster bzw. für Umfangslinien der Ventilklappe können auch beliebige andere Formen vorgesehen werden. Beispielsweise ist es möglich, zumindest ein Ende der Umfangslinie zumindest teilweise abzurunden. Figur 3E zeigt eine Anordnung, bei der das erste Ende, über welches die Ventilklappe mit der restlichen
Funktionsschicht verbunden ist, abgerundet ist. Das gegen¬ überliegende Ende weist eine annähernd rechteckige Form auf. Figur 3F zeigt ein Schlitzmuster, welches derselben oder einer ähnlichen Umfangslinie folgt, bei der jedoch anstelle von zwei Verbindungsstegen nur ein Verbindungssteg am
abgerundeten Ende vorgesehen ist. Figur 3G zeigt eine
Umfangslinie ähnlich wie Figur 3F, bei der der Verbindungs- steg am rechteckig ausgebildeten ersten Ende vorgesehen ist, während das zweite Ende abgerundet ist. Figur 3H zeigt ein Schlitzmuster, welches einer ähnlichen Umfangslinie wie die Figuren 3E bis 3G folgt, bei dem jedoch der Verbindungssteg am abgerundeten Ende vorgesehen ist. Gegenüber dem Schlitzmuster von Figur 3F ist die Breite des Verbindungsstegs hier reduziert .
Erfindungsgemäße MEMS-Bauelemente können daher wie Figur 2A ausgebildet sein und dabei Schlitzmuster wie in den Figuren 3A bis 3H dargestellt aufweisen.
Die beispielsweise nach Figur 3A bis 3H ausgebildeten
Schlitzmuster sind vorzugsweise nahe des Randbereichs der ersten Funktionsschicht MN, aber oberhalb der Ausnehmung AN angeordnet. Möglich ist es jedoch auch, mehrere Schlitzmuster in der Funktionsschicht oberhalb der Ausnehmung AN vorzu¬ sehen. Unterschiedliche Schlitzmuster können unterschiedlich geformt sein, können mit ihrer Umfangslinie unterschiedlich große Ventilklappen VK definieren, können unterschiedlich breite Verbindungsstege aufweisen und damit unterschiedliches Ansprechverhalten auf Druckunterschiede aufweisen. Möglich ist es jedoch auch, neben dem Schlitzmuster SM noch herkömmliche Öffnungen OG vorzusehen, deren Öffnungsquerschnitt unveränderlich ist. Auf diese Weise lässt sich auch derjenige effektive Öffnungsquerschnitt der Öffnungen OG besser
einstellen, der ohne Druckunterschied bzw. bei nur ungefährlichen geringen Druckunterschieden unterhalb des Grenzdrucks PG beiderseits der ersten Funktionsschicht gegeben ist.
Ein wie in Figur 2A dargestelltes MEMS-Bauelement mit
erfindungsgemäßem Schlitzmuster kann als Überdruck- oder Unterdruckventil für beliebige Anwendungen eingesetzt werden. Eine bevorzugte Anwendung findet das in Figur 2A dargestellte MEMS-Bauelement jedoch in einer weiteren Ausgestaltung, bei der es zu einem MEMS-Drucksensor oder einem MEMS-Mikrofon erweitert ist. Dabei kann es ähnlich wie in Figur 1A in bekannter Weise mit einer zweiten Funktionsschicht versehen werden, die die Festelektrode FE des Drucksensors oder
Mikrofons darstellt. In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführung kann das MEMS-Bauelement zwei Festelektroden FE aufweisen, wobei die zweite Festelektrode FE dann unterhalb der als Membran MN dienenden ersten Funktionsschicht
angeordnet ist. Ein solches Mikrofon kann differenziell betrieben werden und erlaubt es, den Messwert genauer zu erfassen .
In einem MEMS-Drucksensor oder einem MEMS-Mikrofon ist die als Membran MN ausgebildete erste Funktionsschicht MN
vorzugsweise eine elektrisch leitfähig dotierte Polysilizium- Schicht. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität kann die erste Funktionsschicht eine Mehrschichtbauweise aufweisen. Vorzugsweise wird die Polysilizium-Schicht zwischen zwei mechanisch stabilen Schichten eingebettet, beispielsweise zwischen zwei Siliziumnitrid-Schichten. Möglich ist es auch, die als Membran MN ausgebildete erste Funktionsschicht als metallische Schicht vorzusehen.
Die übrigen Funktionsschichten des Aufbaus A sind vorzugsweise aus strukturstabilen und gegebenenfalls elektrisch leitenden Schichtmaterialien aufgebaut.
Überhaupt gelingt die Herstellung des Aufbaus A über Schicht- abscheidungsverfahren auf dem Grundkörper GK, vorzugsweise in einer Verfahrensstufe, bevor die Ausnehmung AN erzeugt ist. Durch unterschiedliche Strukturierungsschritte zwischen den einzelnen Schichtabscheidungen können Teilschichten strukturiert werden. Möglich ist es jedoch auch, mehrere
Funktionsschichten des Aufbaus gleichzeitig zu strukturieren. Hohlräume zwischen Funktionsschichten können erzeugt werden, indem dort Opfermaterial abgeschieden wird und erst in einem späteren Verfahrensschritt herausgelöst wird. Struktur¬ ierungsschritte gelingen vorzugsweise mittels chemischer oder physikalischer Ätzverfahren, wobei die Struktur über einen Resist vorgegeben werden kann. Möglich ist es jedoch auch, die Strukturierung durch ortsgenauen Materialabtrag direkt und ohne Resist-Maske vorzunehmen.
Beim Betrieb eines als Drucksensor oder Mikrofon ausgebildeten MEMS-Bauelements ist die Unterseite der Ausnehmung AN durch eine Rückplatte RP abgedeckt. Diese kann, ähnlich wie der Aufbau A, durch entsprechende Schichtabscheidungen erzeugt sein. In diesem Fall weist in einem ersten
Verfahrensschritt die Rückplatte Öffnungen auf, durch die hindurch die Ausnehmung AN mittels Ätzens erzeugt werden kann. In einem zweiten oder weiteren Verfahrensschritt werden die Öffnungen dann wieder verschlossen.
Möglich ist es jedoch auch, die Ausnehmung AN auf der Unterseite durch einen Chip als Rückplatte RP zu verschließen, vorzugsweise durch einem Halbleiterchip, auf dem das MEMS- Bauelement montiert ist. Möglich ist es jedoch auch, andere massive Trägermaterialien zum Verschluss des durch die
Ausnehmung gebildeten Hohlraums zu verwenden oder das MEMS Bauelement auf einer Leiterplatte so zu montieren, dass die Ausnehmung unten abgedichtet und das Rückvolumen
abgeschlossen ist. Das vorgeschlagene MEMS-Bauelement hat den Vorteil, dass es in bekannter Weise ohne zusätzlichen Verfahrensaufwand hergestellt werden kann. Während bisher runde oder ähnlich geformte Öffnungen OG in der Membran strukturiert wurden, wird nun an deren Stelle ein Schlitzmuster strukturiert, welches ohne zusätzlichen Aufwand herstellbar ist. Ein so erhaltenes MEMS-Mikrofon weist eine niedrigere untere
Grenzfrequenz LLF auf, reduziert das Rauschen und zeigt daher ein verbessertes Signal-Rausch-Verhalten.
Das Bauelement weist einen normalen Betriebsmodus auf, in dem es sich wie ein herkömmliches MEMS-Mikrofon verhält. Oberhalb eines Grenzdrucks PG ist die erfindungsgemäße Erweiterung des Öffnungsquerschnitts der Öffnungen OG so groß, dass sie zu einem schnelleren Druckausgleich führt. Dies vermindert den Druckunterschied beiderseits der Membran schneller und führt daher zu einem geringeren Auslenken der Membran. Dadurch wird das Risiko reduziert, dass die Membran oder die benachbarte Festelektrode durch zu starke Auslenkung der Membran
beschädigt wird.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele oder die Figuren beschränkt. Der Grundgedanke der Erfindung liegt allein darin begründet, ein in Abhängigkeit vom anliegenden Druck variierenden Öffnungsquerschnitt in der Membran eines MEMS-Bauelements vorzusehen. Bezugs zeichenliste
GK kristalliner Grundkörper
AN Ausnehmung
A strukturierter Aufbau
MN erste Funktionsschicht, Membran
OG Öffnung
Öffnungsquerschnitt der Öffnung
SM zweidimensionales Schlitzmuster
VK bewegliche Ventilklappe
FE Festelektrode
RP Rückplatte
PE effektiver Druck
PG Grenzdruck

Claims

P2012, 0752 WO N 1. August 2013 WO 2014/026857 PCT/EP2013/066208
- 21 -
Patentansprüche
1. MEMS Bauelement
mit einem kristallinen Grundkörper (GK) , der eine Ausnehmung (AN) aufweist
mit einem strukturierten Aufbau (A) auf dem
Grundkörper, der zumindest eine erste (MN) oder mehrere Funktionsschichten umfasst und die Ausnehmung abdeckt,
- bei dem in der ersten Funktionsschicht des Aufbaus im
Bereich über der Ausnehmung eine Öffnung (OG)
strukturiert ist, deren effektiver
Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit vom
Druckunterschied beiderseits der ersten
Funktionsschicht variiert.
2. MEMS Bauelement nach Anspruch 1,
bei dem die Öffnung (OG) durch ein die erste
Funktionsschicht durchbrechendes zweidimensionales Schlitzmuster (SM) gebildet ist,
bei dem das Schlitzmuster außerdem eine Ventilklappe (VK) definiert, die an zumindest einem ersten Ende über einen Verbindungssteg mit dem übrigen
Flächenanteil der ersten Funktionsschicht (MN)
verbunden ist und mit einem zweiten Ende frei
strukturiert ist
bei dem die Ventilklappe ab einer vorbestimmten einseitigen Druckbelastung aus der Schichtebene der ersten Funktionsschicht herausklappen und damit den Querschnitt der Öffnung (OG) vergrößern kann
bei dem die Ventilklappe (VK) an zumindest einem ersten Ende über einen Verbindungssteg mit der
übrigen Funktionsschicht (MN) verbunden ist und mit P2012, 0752 WO N 1. August 2013
WO 2014/026857 PCT/EP2013/066208
- 22 - einem zweiten Ende frei strukturiert ist und so aus der Schichtebene herausklappen kann.
MEMS Bauelement nach Anspruch 2,
Figure imgf000023_0001
bei dem die Ventilklappen (VK) so ausgebildet sind,
dass der Querschnitt der Öffnung (OG) solange auf die Fläche des zweidimensionalen Schlitzmusters (SM) , das die erste Funktionsschicht (MN) durchbricht, begrenzt ist, wie ein anliegender effektiver Druck PE, der dem Druckunterschied entspricht, geringer ist als einem vorgegebener Grenzdruck PG
bei dem bei einem realen auf das Bauelement
einwirkenden Druck PE mit PE > PG die Ventilklappe ausklappt,
bei dem der Grenzdruck PG so gewählt ist, dass eine Beschädigung des Bauelements bei einer Belastung mit dem Grenzdruck ausgeschlossen oder nicht zu erwarten ist . 4. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 2-3,
bei dem die Größe der Ventilklappe (VK) durch eine geschlossene Umfangslinie definiert ist
bei der die Schlitzmuster (SM) entlang der
Umfangslinie der Ventilklappe mehrfach durchbrochen unterbrochen ist, so dass die Ventilklappe am ersten Ende über zwei oder mehr voneinander im Abstand
voneinander angeordneter Verbindungsstege mit der dem übrigen Flächenanteil der ersten Funktionsschicht verbunden ist.
5. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 2-4
bei dem die Größe der Ventilklappe (VK) durch eine geschlossene Umfangslinie definiert ist P2012, 0752 WO N 1. August 2013 WO 2014/026857 PCT/EP2013/066208
- 23 - bei dem das Schlitzmuster (SM) der Umfangslinie zu mehr als 75%, mehr als 80%, mehr als 90% oder mehr als 95% ihrer Länge folgt,
wobei der zu 100% fehlende Anteil des Schlitzmusters an der Umfangslinie der Breite des Verbindungsstegs oder der Verbindungsstege entspricht.
6. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 2-5,
bei dem die Ventilklappe (VK) am ersten Ende, am zweiten Ende oder an beiden Enden eine gerundete Umfangslinie aufweist.
7. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 2-6,
bei dem die Umfangslinie zumindest eine Ecke aufweist. 8. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 2-7,
das mehr als eine Ventilklappe (VK) aufweist.
9. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 2-8,
bei dem unterschiedlich große Ventilklappen (VK) ausgebildet sind, deren Öffnungsquerschnitte unterschiedliche
Druckabhängigkeiten aufweisen.
10. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 1-9,
bei dem die erste Funktionsschicht (MN) mit der Öffnung (OG) elektrisch leitfähig ausgebildet ist und eine Membran des MEMS Bauelements darstellt,
bei dem der Aufbau parallel und im Abstand zur ersten Funktionsschicht (MN) mit der Öffnung (OG) als zweite Funktionsschicht eine durchbrochene Festelektrode (FE) aufweist
bei dem die Membran (MN) in der Ausnehmung (AN) ein Rückvolumen einschließt P2012, 0752 WO N 1. August 2013
WO 2014/026857 PCT/EP2013/066208
- 24 - das MEMS Bauelement als Drucksensor oder Mikrofon nutzbar ist.
11. MEMS Bauelement nach Anspruch 10,
bei dem die Membran (MN) eine Polysilizium-Schicht oder eine Metallschicht umfasst.
12. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 1-11,
bei dem die Ventilklappe (VK) in beide Richtungen aus der
Schichtebene der ersten Funktionsschicht (MN) herausklappe kann .
13. MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 3-12,
bei dem der Grenzdruck PG über eine Bemessung der Breite der Verbindungsstege auf einen Wert eingestellt ist, der zwischen 0,05 und 1,00 bar, zwischen 0,1 und 0,8 bar, zwischen 0,15 und 0,60 bar oder zwischen 0,2 und 0,5 bar liegt.
14. Verfahren zur Herstellung eines MEMS Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem auf dem Grundkörper (GK) der Aufbau (A) aus zumindest der ersten Funktionsschicht (MN)
aufgebracht und strukturiert wird
bei dem in zur Strukturierung der ersten
Funktionsschicht (MN) diese bezüglich ihrer
Grundfläche definiert wird und integriert zusammen mit der flächenmäßigen Strukturierung das
Schlitzmuster (SM) erzeugt wird
bei dem das Schlitzmuster der Umfangslinie der
Ventilklappe (VK) zu mehr als 75% ihrer Länge folgt bei dem im Grundkörper (GK) eine Ausnehmung (AN) erzeugt wird, die von der Funktionsschicht so
abgedeckt, dass darin ein Volumen eingeschlossen ist, P2012, 0752 WO N 1. August 2013 WO 2014/026857 PCT/EP2013/066208
- 25 - bei dem das Schlitzmuster (SM) im Bereich über der Ausnehmung erzeugt wird.
MEMS Bauelement nach Anspruch 14,
bei dem über der ersten Funktionsschicht (MN) nach deren Strukturierung ganzflächig eine Opferschicht aufgebracht wird
bei dem die Opferschicht nach der Erzeugung der Ausnehmung (AN) zumindest im Bereich über der
Ausnehmung vollständig herausgeätzt oder herausgelö wird .
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