WO2014086884A1 - Mems-sensor zur detektion von umgebungsparametern - Google Patents

Mems-sensor zur detektion von umgebungsparametern Download PDF

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WO2014086884A1
WO2014086884A1 PCT/EP2013/075577 EP2013075577W WO2014086884A1 WO 2014086884 A1 WO2014086884 A1 WO 2014086884A1 EP 2013075577 W EP2013075577 W EP 2013075577W WO 2014086884 A1 WO2014086884 A1 WO 2014086884A1
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wafer
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plate element
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PCT/EP2013/075577
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José Luis SÁNCHEZ DE ROJAS ALDAVERO
Nicole DÖRR
Martin Kucera
Achim Bittner
Ulrich Schmid
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Technische Universität Wien
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    • B81C2201/0111—Bulk micromachining
    • B81C2201/0115—Porous silicon

Definitions

  • MEMS sensor for the detection of environmental parameters
  • the invention relates to a microtechnically produced from a wafer component for the detection of environmental parameters with a swinging in a plane plane plate member.
  • the invention further relates to a method for producing a micro-technically produced from a wafer component for the detection of environmental parameters with a swinging in a plane at least one beam suspended
  • a suspended plate viscosity sensor featuring in-plane vibration and piezoresistive readout discloses a MEMS sensor (MEMS stands for “microelectromechanical System ”) for measuring the viscosity of a measuring medium and its
  • This known MEMS sensor is a micro-technically produced from a wafer component having a plate member which is suspended with four arranged at the corners of the plate member beam in the plane of the plate swinging.
  • a drive circuit of the device impresses an alternating current in the kHz frequency range into the mutually parallel bars, so that with the aid of an additionally arranged magnetic field the Lorenz force oscillates the plate element in the plate plane (i.e., parallel to the wafer surface).
  • Measuring medium surrounds the plate element and depending on the viscosity or toughness of the medium to be measured, the vibration of the plate member is more or less damped.
  • Bridge circuit are interconnected. The vibration amplitude and resonant frequency of the plate element measured with the bridge circuit enables
  • the known MEMS sensor has the disadvantage that the space requirement of the component on the wafer in the production is relatively large, which affects the manufacturing cost. Furthermore, the use of the Lorentz force for vibrational excitation is to be assessed as disadvantageous because an additional magnetic or coil element must be arranged outside the component, which makes system integration in a given, technical system for controlling media parameters extremely difficult and expensive. Furthermore, the piezoresistive coefficients in silicon are strongly temperature-dependent, so that a very precise temperature measurement must be available in the area of the component.
  • Penetrate measuring medium and make the measurement of complex measuring media such as emulsions, suspensions or blood difficult or completely impossible.
  • the invention has for its object a component for the detection of
  • this task is solved in such a device in that the plate element is arranged with its plate plane substantially perpendicular to the wafer surface of the wafer.
  • the plate element preferably with a piezoelectric actuator element, implemented in
  • Thin-film technology is set in resonance so that at the same time the vibration state (amplitude and resonance frequency) is detected by an impedance change in order to ensure the most compact embodiment of the MEMS sensor.
  • this task is solved in such a method in that the plate element with its plate plane substantially perpendicular to
  • Wafer surface of the wafer is etched out.
  • the width of the plate element is thus determined essentially by the thickness of the wafer and the length of the Plate element is advantageously chosen so that a sufficient surface of the plate member is available for the particular application of the MEMS sensor.
  • a very accurate geometric dimensioning of the respective gap distance between the plate surface and the silicon frame is possible, so that the gradient of the shear can be very controlled and individually tuned to the medium to be examined in order to perform extremely precise viscosity and density measurements.
  • the bottom is open and only by an accurate and thus technically complex positioning and fixing of the cover element to the top side, a similar effect can be achieved.
  • FIG. 1 shows a wafer with several components.
  • FIG. 2 shows the plate element of a component which is suspended swinging with only one beam and can be set into oscillation by an actuator in one
  • Figure 3 shows the plate member of another device, which is suspended swinging with two beams and can be set by two actuators in vibration, in a sectional view.
  • FIG. 4 shows a sectional view of the plate element of a further component, which is suspended swinging by three beams and can be set in vibration by two actuators.
  • FIG. 5 shows a sectional view of the plate element of a further component, which is suspended swinging with four beams and can be set in vibration by four actuators.
  • FIG. 6 shows a part of a wafer in a side sectional view in a first method step of the production method for producing the component according to FIG. 5.
  • Figure 7 shows a part of a wafer in a side sectional view in a second Process step of the manufacturing process for the production of the device according to FIG. 5.
  • Figure 8 shows a part of a wafer in a side sectional view and a
  • Figure 9 shows a part of a wafer in a side sectional view and a
  • Figure 10 shows a part of a wafer in a side sectional view and a
  • FIG. 11 shows a part of a wafer in a plan view sectional view according to a further exemplary embodiment of the invention, in which a larger measuring chamber is provided for modifying the gradient of the shear wave in the component.
  • FIG. 1 shows a wafer 1 on which a multiplicity of components 2 have been produced, which have already been isolated in the illustration in FIG. 1 and partially removed from the wafer 1.
  • the wafer 1 is disk-shaped and has upper and lower wafer surfaces 3 parallel to each other.
  • Each isolated from the wafer 1 device 2 in turn has an upper device surface 4 and a lower device surface 5, which are parallel to each other and a part of the
  • Wafer surfaces 3 correspond. The manufacturing process for the production of the components 2 will be discussed in more detail below.
  • the devices 2 are configured to measure environmental parameters of the devices 2 via an opening of the package for delivery of a measurement medium after a packaging operation as MEMS sensors with integrated circuitry (not shown) having a micro-mechanical structure.
  • the components 2 can be used for example for measuring the viscosity of the measuring medium.
  • FIG. 2 shows a part of the component 2 according to a first exemplary embodiment of the invention in a side sectional view in which the upper one Component surface 4 and the lower device surface 5 and thus lying between the thickness of the wafer 1 can be seen.
  • the component 2 has a plate element 6, which is suspended swinging with only one beam 7. This can do that
  • Vibrations S 1 vibrations in a plate plane 9 and vibrations may include perpendicular thereto.
  • the beam 7 is formed by a dielectric layer 8, which in the
  • Piezoelectric elements 10 of this type are known to the person skilled in the art and can be formed, for example, from the following materials: aluminum nitride; PZT; ZnO.
  • the piezoelectric element 10 has connection contacts, not shown in FIG. 1, to which a drive circuit can be connected, from which an electrical drive signal in the kHz frequency range is output to the connection contacts.
  • An einsignais is chosen so that the formed from at least the plate member 2 and the piezoelectric element 10 vibration system is excited in resonance. This resonant control allows sufficiently large vibration amplitudes to allow measurements on the measuring medium.
  • the drive circuit may be partially or entirely implemented as an integrated circuit in the device 2 or connected as an external circuit to the integrated circuit.
  • the component 2 further has a measuring space 11 which is provided as a cavity around the plate element 6 and in which the plate element 6 can oscillate freely.
  • the measuring medium is introduced into the measuring chamber 11, which will be discussed in more detail below.
  • a measuring circuit (not shown in FIG. 2) is provided, which is likewise connected to connection contacts of the piezoelement 10.
  • the measuring circuit uses the piezoelectric properties of the piezoelectric element 10 in order to determine the basis of the.
  • the measuring circuit compares the measured Vibration amplitude and the measured oscillation frequency of the resonance peak in the empty measuring chamber 11 freely oscillating plate member 6 with the measured
  • the shearing forces of the plate element 6 in the measuring medium result in a damping of the oscillation, in particular the oscillation amplitude accompanied by a broadening of the resonance sharpness and a frequency shift of the resonant oscillations of the plate element 6.
  • This comparison of the measured values allows to infer the viscosity and density of the medium to be measured.
  • a corresponding measured value is output by the evaluation electronics.
  • the device 2 is shown according to a second embodiment of the invention in a side sectional view.
  • the component 2 according to FIG. 3 differs from the component 2 according to FIG. 2 in that it is connected to the upper one
  • Plate element 6 is based in the measuring medium, exactly these vibrations S2 of the plate member 6 in the plate plane 9 are relevant for the measurement and to prevent the vibrations transverse to the plate plane 9 as far as possible.
  • the component 2 has a second piezoelectric element 13, which is likewise connected to the drive circuit and to the measuring circuit.
  • the second piezoelectric element 13 is a larger resonant
  • the device 2 is shown according to a third embodiment of the invention in a side sectional view.
  • the component 2 according to FIG. 4 differs from the component 2 according to FIG. 3 in that it is connected to the lower one
  • the device 2 according to a fourth and preferred embodiment of the invention shown in a side sectional view.
  • the component 2 according to FIG. 5 differs from the component 2 according to FIG. 4 in that a further fourth beam 15 is provided on the lower component surface 5.
  • piezoelectric elements 16 and 17 are also provided in the region of the third beam 14 and the fourth beam 15. All four piezo elements 10, 13, 16 and 17 are combined
  • Actuator sensors designed and ensure a resonant vibration with high vibration amplitude and a reliable and accurate measurement.
  • Embodiments of the invention is that the plate elements 6 are substantially perpendicular to the wafer surface 3 of the wafer 1 and thus perpendicular to the upper device surface 4 and the lower device surface 5.
  • the plate elements 6 are substantially perpendicular to the wafer surface 3 of the wafer 1 and thus perpendicular to the upper device surface 4 and the lower device surface 5.
  • the measuring chamber can be arranged, which, however, oscillates in phase opposition to the first, in order to increase the shear rate between the vibrating plate elements.
  • Method step is applied to the silicon of the wafer 1, a dielectric Lay er 18 on the upper and lower wafer surface 3.
  • the dielectric layer 18 is structured by a lithography step and a subsequent etching step. These remaining free areas of the wafer 1 also correspond to those areas in which bars can later be provided, but need not.
  • the wafer 1 is porosized over its entire thickness in the region of the recess of the dielectric layer 18 with the application of an electric field and hydrofluoric acid in an electrochemical cell.
  • a so-called. "Metal-assisted" etching process can be used to locally Porous silicon.
  • the person skilled in such a method step for the porosification of silicon is known, which is why not discussed here in detail.
  • These areas 19 with porosified silicon can also be etched out under further layers already applied to the wafer 1 at a later method step, whereupon
  • the dielectric layer 18 is removed from the upper and lower wafer surfaces 3.
  • a further dielectric layer 20 is applied in those areas where beams are to support the plate member 2. Since, in the manufacturing method according to FIGS. 6 to 10, the component 2 according to FIG. 5 is manufactured with the four beams 7, 12, 14 and 15, the further dielectric layer 20 is applied to both the lower and the upper wafer surface 3.
  • FIG. 8 shows on the right a top view sectional view of the part of the wafer 1 which will form the component 2 after completion of the production process.
  • the piezoelements 10 and 13 in thin-film technology are in the area of the bars 7 and 12 on the upper one
  • Wafer surface 3 produced.
  • the person skilled in the production of piezoelectric elements 10 in thin-film technology is known, which is why not discussed in detail.
  • the piezoelements 16 and 17 in thin-film technology are in the region of the bars 14 and 15 on the lower side
  • the porosified silicon is etched out selectively to the dense, nonporous silicon from the regions 19 with a common etchant for Si, preferably with a KOH etching process.
  • a common etchant for Si preferably with a KOH etching process.
  • the manufacturing method described above has the advantage that the selective etching rate between porous Si and dense bulk silicon allows the measuring chamber to be defined at the beginning of the manufacturing process. Nevertheless, due to the porous structure of Si, it is possible to provide these regions with thin-film structures, in particular on the component bottom side, which is the case in a conventional, e.g.
  • Wafer surface 3 ago be etched forth.
  • a mechanical guidance of the plate element with beam elements, arranged on the underside of the component, would be very difficult to realize.
  • FIG. 11 shows a part of the wafer 1 in a top view sectional view according to a further exemplary embodiment of the invention, in which a larger measuring chamber 11 is provided in the component 2.
  • the measuring chamber 11 may also be asymmetrically formed around the plate member 6 with respect to the distance to the silicon frame.
  • the measuring chamber 11 of the MEMS sensor can be adapted to different measuring media for the expected shear forces.
  • the following measuring media, in particular liquid, with respect to certain physical parameters can be measured: highly stressed lubricants, blood, emulsions, suspensions.
  • typical dimensions of the device 2 may be determined as follows.
  • the gap width of the measuring chamber 11 around the plate element 6 can be greater than 30 ⁇ , depending on the thickness of the wafer 1, are selected. It would also be possible a further element moved relative to the plate element 6 into the measuring chamber 11
  • the width of the plate element 6 can be selected, for example, greater than 50 ⁇ depending on the thickness of the wafer 1.
  • the thickness of the wafer 1 can be set, for example, in the range of 300 ⁇ to ⁇ .
  • the bars 7, 12, 14 and 15 could be formed by a width of 50 ⁇ and a thickness of 1.5 ⁇ the dielectric layer 20.
  • the Q-factor of the resonant circuit is typically less than 50, whereby with the piezoelectric elements 10 a
  • Vibration amplitude of the plate member 6 of several nanometers per the Piezo elements 10 applied voltage of the electrical drive signal can be realized. This piezoelectrically generated oscillation amplitude is completely sufficient for measuring the shear forces of the measuring medium.
  • the components 2 can also be designed to measure the density of the measuring medium or as a microbalance, if they are selectively located on the
  • Components surface accumulate from the medium to be examined or selectively removed by the surrounding medium by an etching process or by corrosion. This mass change is then detected by a change in the resonance frequency or the resonance sharpness. The measurement of other environmental parameters of measuring media is also possible.
  • Wafers consist for example of silicon, but may also consist of germanium, gallium arsenide or other materials known to those skilled in the art.
  • the plate member is excited by one or more piezo elements to vibrate. But it would be other known in MEMS technology drive elements for exciting vibrations of the plate member.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikrotechnisch aus einem Wafer (1) hergestelltes Bauelement (2) zur Detektion von Umgebungsparametern mit einem in einer Plattenebene (9) schwingend aufgehängten Plattenelement (6), wobei das Plattenelement (6) mit seiner Plattenebene (9) im Wesentlichen senkrecht zur Waferoberfläche (3) des Wafers (1) angeordnet ist.

Description

MEMS-Sensor zur Detektion von Umgebungsparametern
Die Erfindung betrifft ein mikrotechnisch aus einem Wafer hergestelltes Bauelement zur Detektion von Umgebungsparametern mit einem in einer Plattenebene schwingend aufgehängten Plattenelement.
Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zur Herstellung eines mikrotechnisch aus einem Wafer hergestellten Bauelements zur Detektion von Umgebungsparametern mit einem in einer Plattenebene an zumindest einem Balken schwingend aufgehängten
Plattenelement, das bei einem Ätzprozess des Wafers aus dem Bauelement freigeätzt wird.
Das Dokument C.Riesch, E.K. Reichel, A.Jachimowicz, J.Schalko, P.Hudek, B.Jakoby and F.Keplinger„A suspended plate viscosity sensor featuring in-plane Vibration and piezoresistive readout" offenbart einen MEMS-Sensor (MEMS steht für„micro electro- mechanical System") zur Messung der Viskosität eines Messmediums und dessen
Herstellungsverfahren. Dieser bekannte MEMS-Sensor ist ein mikrotechnisch aus einem Wafer hergestelltes Bauelement, das ein Plattenelement aufweist, welches mit vier an den Ecken des Plattenelements angeordneten Balken in der Plattenebene schwingend aufgehängt ist. Eine Ansteuerschaltung des Bauelements prägt in die jeweils zueinander parallel verlaufenden Balken einen Wechselstrom im kHz-Frequenzbereich ein, sodass mit Hilfe eines zusätzlich angeordneten Magnetfeldes die Lorenzkraft das Plattenelement in der Plattenebene (d.h. parallel zur Waferoberfläche) in Schwingungen versetzt. Das
Messmedium umgibt das Plattenelement und je nach Viskosität beziehungsweise Zähigkeit des Messmediums wird die Schwingung des Plattenelements mehr oder weniger bedämpft. Über die Verschiebung der Resonanzfrequenz, sowie der Änderung der Resonanzschärfe ist ferner eine Aussage über Änderungen in der Dichte des flüssigen Mediums möglich, sodass zwei zentrale Materialparameter des umgebenden Mediums bestimmt werden können.
Bei dem bekannten MEMS-Sensor weisen zwei der vier Balken piezoresistive Elemente auf, die mit zwei weiteren ohmschen Widerständen zu einer Wheatstonschen
Brückenschaltung zusammengeschaltet sind. Die mit der Brückenschaltung gemessene Schwingungsamplitude und Resonanzfrequenz des Plattenelements ermöglicht
Rückschlüsse auf die Viskosität und die Dichte des Messmediums.
Der bekannte MEMS-Sensor weist den Nachteil auf, dass der Platzbedarf des Bauelements auf dem Wafer bei der Herstellung relativ groß ist, was sich auf die Herstellungskosten auswirkt. Weiters ist die Verwendung der Lorentzkraft zur Schwingungsanregung als nachteilig zu beurteilen, weil außerhalb des Bauelementes ein zusätzliches Magnet- oder Spulenelement angeordnet sein muss, was eine Systemintegration in ein gegebenes, technisches System zur Kontrolle von Medienparametern äußerst schwierig und aufwändig macht. Ferner sind die piezoresistiven Koeffizienten in Silizium stark temperaturabhängig, sodass im Bereich des Bauelementes eine sehr präzise Temperaturmessung verfügbar sein muss.
Dem Fachmann sind weitere Sensoren zu Messung der Viskosität eines Messmediums bekannt, die auf Scherschwingungen von Quarz-Kristallplättchen basieren. Die hierbei zur Anwendung kommenden Frequenzen liegen allerdings im MHz-Frequenzbereich, was zur Folge hat, das die Schwingungen der Quarz-Kristallplättchen nicht sehr tief in das
Messmedium eindringen und die Messung von komplexen Messmedien wie beispielsweise Emulsionen, Suspensionen oder Blut erschweren oder gänzlich unmöglich machen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Bauelement zur Detektion von
Umgebungsparametern sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements zu schaffen, bei dem die vorstehend angeführten Nachteile vermieden sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabestellung bei einem solchen Bauelement dadurch gelöst, dass das Plattenelement mit seiner Plattenebene im Wesentlichen senkrecht zur Waferoberfläche des Wafers angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn das Plattenelement bevorzugt mit einem piezoelektrischen Aktorelement, umgesetzt in
Dünnschichttechnik, in Resonanz versetzt wird, sodass durch eine Impedanzänderung zugleich der Schwingungszustand (Amplitude und Resonanzfrequenz) erfasst wird, um eine möglichst kompakte Ausführungsform des MEMS-Sensors zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabestellung bei einem solchen Verfahren dadurch gelöst, dass das Plattenelement mit seiner Plattenebene im Wesentlichen senkrecht zur
Waferoberfläche des Wafers herausgeätzt wird.
Hierdurch ist der Vorteil erhalten, dass der Platzbedarf des Bauelements auf dem Wafer wesentlich geringer ist und das einzelne Bauelement beziehungsweise der einzelne MEMS- Sensor wesentlich kostengünstiger herstellbar ist. Die Breite des Plattenelements ist folglich im Wesentlichen durch die Dicke des Wafers vorgegeben und die Länge des Plattenelements wird vorteilhafterweise so gewählt, dass für die jeweilige Anwendung des MEMS-Sensors eine ausreichende Oberfläche des Plattenelements zur Verfügung steht. In dieser Ausführungsform ist eine sehr genaue geometrische Dimensionierung des jeweiligen Spaltabstandes zwischen der Plattenoberfläche und des Siliziumrahmens möglich, sodass der Gradient der Scherung sehr kontrolliert und individuell auf das zu untersuchende Medium abgestimmt werden kann, um äußerst präzise Viskositäts- und Dichtemessungen durchzuführen. Im Fall der Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik von C. Riesch et al. ist die Unterseite offen und nur durch eine genaue und damit technisch aufwändige Positionierung und Fixierung des Deckelelementes kann zur Oberseite hin ein ähnlicher Effekt erzielt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungs gemäßen Bauelements und dessen Herstellungsverfahrens werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen Wafer mit mehreren Bauelementen.
Figur 2 zeigt das Plattenelement eines Bauelements, das mit nur einem Balken schwingend aufgehängt und durch einen Aktuator in Schwingungen versetzbar ist, in einer
Schnittdarstellung .
Figur 3 zeigt das Plattenelement eines anderen Bauelements, das mit zwei Balken schwingend aufgehängt und durch zwei Aktuatoren in Schwingungen versetzbar ist, in einer Schnittdarstellung .
Figur 4 zeigt das Plattenelement eines weiteren Bauelements, das mit drei Balken schwingend aufgehängt und durch zwei Aktuatoren in Schwingungen versetzbar ist, in einer Schnittdarstellung .
Figur 5 zeigt das Plattenelement eines weiteren Bauelements, das mit vier Balken schwingend aufgehängt und durch vier Aktuatoren in Schwingungen versetzbar ist, in einer Schnittdarstellung .
Figur 6 zeigt einen Teil eines Wafers in einer Seiten-Schnittdarstellung bei einem ersten Verfahrens schritt des Herstellungsverfahrens zur Herstellung des Bauelements gemäß Figur 5.
Figur 7 zeigt einen Teil eines Wafers in einer Seiten-Schnittdarstellung bei einem zweiten Verfahrens schritt des Herstellungsverfahrens zur Herstellung des Bauelements gemäß Figur 5.
Figur 8 zeigt einen Teil eines Wafers in einer Seiten-Schnittdarstellung und einer
Draufsicht-Schnittdarstellung bei einem dritten Verfahrensschritt des
Herstellungsverfahrens zur Herstellung des Bauelements gemäß Figur 5.
Figur 9 zeigt einen Teil eines Wafers in einer Seiten-Schnittdarstellung und einer
Draufsicht-Schnittdarstellung bei einem vierten Verfahrensschritt des
Herstellungsverfahrens zur Herstellung des Bauelements gemäß Figur 5.
Figur 10 zeigt einen Teil eines Wafers in einer Seiten-Schnittdarstellung und einer
Draufsicht-Schnittdarstellung bei einem fünften Verfahrens schritt des
Herstellungsverfahrens zur Herstellung des Bauelements gemäß Figur 5.
Figur 11 zeigt einen Teil eines Wafers in einer Draufsicht-Schnittdarstellung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine größere Messkammer zur Modifikation des Gradienten der Scherwelle in dem Bauelement vorgesehen ist.
Figur 1 zeigt einen Wafer 1 auf dem eine Vielzahl von Bauelementen 2 hergestellt wurden, die in der Darstellung in Figur 1 bereits vereinzelt und teilweise von dem Wafer 1 abgenommen wurden. Der Wafer 1 ist scheibenförmig ausgebildet und weist eine obere und eine untere Waferoberfläche 3 auf, die zueinander parallel sind. Jedes von dem Wafer 1 vereinzelte Bauelement 2 weist seinerseits eine obere Bauelementoberfläche 4 und eine untere Bauelementoberfläche 5 auf, die zueinander parallel und einem Teil der
Waferoberflächen 3 entsprechen. Auf das Herstellungsverfahren zur Herstellung der Bauelemente 2 ist in weiterer Folge noch näher eingegangen.
Die Bauelemente 2 sind derart aufgebaut, um nach einem Packaging-Vorgang als MEMS- Sensoren mit integriertem Schaltkreis (nicht gezeigt) mit einer mikro-mechanischen Struktur Umgebungsparameter der Bauelemente 2 über eine Öffnung des Packages zur Zuführung eines Messmediums zu messen. Die Bauelemente 2 können beispielsweise zur Messung der Viskosität des Messmediums verwendet werden.
In Figur 2 ist ein Teil des Bauelements 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seiten-Schnittdarstellung dargestellt, in der die obere Bauelementoberfläche 4 und die untere Bauelementoberfläche 5 und dazwischen liegend somit die Dicke des Wafers 1 zu sehen ist. Das Bauelement 2 weist ein Plattenelement 6 auf, das mit nur einem Balken 7 schwingend aufgehängt ist. Hierdurch kann das
Plattenelement 6 Schwingungen Sl um den einen Balken 7 ausführen, wobei die
Schwingungen S 1 Schwingungen in einer Plattenebene 9 und Schwingungen senkrecht dazu beinhalten können.
Der Balken 7 ist durch einen dielektrischen Layer 8 gebildet, der bei dem
Herstellungsverfahren des Wafers 1 durch eine Siliziumnitrid-Schicht erzeugt wurde, worauf nachfolgend näher eingegangen ist. Im Bereich des Balkens 7 wurde bei der Herstellung ein Piezoelement 10 in Dünnfilmtechnologie vorgesehen. Solche Piezoelemente 10 sind dem Fachmann bekannt und können beispielweise aus folgenden Materialien gebildet werden: Aluminiumnitrid; PZT; ZnO.
Das Piezoelement 10 weist in der Figur 1 nicht dargestellte Anschlusskontakte auf, an die eine Ansteuerschaltung anschließbar ist, von der ein elektrisches Ansteuersignal im kHz- Frequenzbereich an die Anschlusskontakte abgegeben wird. Die Frequenz des
Ansteuersignais ist hierbei so gewählt, dass das aus zumindest dem Plattenelement 2 und dem Piezoelement 10 gebildete Schwingungs System in Resonanz angeregt wird. Diese resonante Ansteuerung ermöglicht ausreichend große Schwingungsamplituden, um die Messungen an dem Messmedium zu ermöglichen. Die Ansteuerschaltung kann teilweise oder zur Gänze als integrierte Schaltung in dem Bauelement 2 realisiert sein oder aber als externe Schaltung an den integrierten Schaltkreis angeschlossen werden.
Das Bauelement 2 weist weiters einen Messraum 11 auf, der als Hohlraum rund um das Plattenelement 6 vorgesehen ist und in dem das Plattenelement 6 frei schwingen kann. Zur Vorbereitung der Messung der Viskosität des Messmediums wird das Messmedium in den Messraum 11 eingebracht, worauf nachfolgend noch näher eingegangen ist.
Weiters ist eine in der Figur 2 nicht dargestellte Messschaltung vorgesehen, die ebenfalls an Anschlusskontakte des Piezoelements 10 angeschlossen ist. Die Messschaltung nutzt die piezoelektrischen Eigenschaften des Piezoelements 10, um anhand des durch die
Verbiegung des Piezoelements 10 hervorgerufene Impedanzänderung in dem Piezoelements 10 auf die tatsächlichen Schwingungszustand des Plattenelements 6 in dem Messmedium rückzuschließen. Die Messschaltung vergleicht hierauf die gemessene Schwingungsamplitude und die gemessene Schwingungsfrequenz des Resonanzpeaks in der leeren Messkammer 11 frei schwingenden Plattenelements 6 mit der gemessenen
Schwingungsamplitude und der gemessenen Schwingungsfrequenz des in dem
Messmedium schwingenden Plattenelements 6. Durch die Scherkräfte des Plattenelements 6 in dem Messmedium kommt es zu einer Dämpfung der Schwingung, insbesondere der Schwingungsamplitude einhergehend mit einer Verbreiterung der Resonanzschärfe und zu einer Frequenzverschiebung der resonanten Schwingungen des Plattenelements 6. Dieser Vergleich der Messwerte (Amplitude, Resonanzschärfe, Resonanzfrequenz) ermöglicht auf die Viskosität und die Dichte des Messmediums rückzuschließen. Ein entsprechender Messwert wird durch die Auswerteelektronik ausgegeben.
In Figur 3 ist das Bauelement 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seiten-Schnittdarstellung dargestellt. Das Bauelement 2 gemäß Figur 3 unterscheidet sich von dem Bauelement 2 gemäß Figur 2 dadurch, dass an der oberen
Bauelementenoberfläche 4 ein zweiter Balken 12 vorgesehen ist. Hierdurch ist der Vorteil erhalten, dass die Schwingungen S2 des Plattenelements 6 besser in der Plattenebene 9 geführt werden. Da die Viskositätsmessung auf der Messung der Scherkräfte des
Plattenelements 6 in dem Messmedium beruht, sind genau diese Schwingungen S2 des Plattenelements 6 in der Plattenebene 9 relevant für die Messung und die Schwingungen quer zur Plattenebene 9 nach Möglichkeit zu unterbinden.
Das Bauelement 2 weist im Bereich des zweiten Balkens 12 ein zweites Piezoelement 13 auf, das ebenfalls mit der Ansteuerschaltung und mit der Messschaltung verbunden ist. Durch das Vorsehen des zweiten Piezoelements 13 wird eine größere resonante
Schwingungsamplitude erzielt und es kann eine genauere beziehungsweise zuverlässigere Messung durchgeführt werden.
In Figur 4 ist das Bauelement 2 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seiten-Schnittdarstellung dargestellt. Das Bauelement 2 gemäß Figur 4 unterscheidet sich von dem Bauelement 2 gemäß Figur 3 dadurch, dass an der unteren
Bauelementenoberfläche 5 ein dritter Balken 14 vorgesehen ist. Hierdurch ist der Vorteil erhalten, dass die Schwingungen S3 des Plattenelements 6 noch besser in der Plattenebene 9 geführt werden.
In Figur 5 ist das Bauelement 2 gemäß einem vierten und bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seiten-Schnittdarstellung dargestellt. Das Bauelement 2 gemäß Figur 5 unterscheidet sich von dem Bauelement 2 gemäß Figur 4 dadurch, dass an der unteren Bauelementenoberfläche 5 ein weiterer vierter Balken 15 vorgesehen ist. Zusätzlich sind auch in dem Bereich des dritten Balkens 14 und des vierten Balkens 15 Piezoelemente 16 und 17 vorgesehen. Alle vier Piezoelemente 10, 13, 16 und 17 sind als kombinierte
Aktuator-Sensoren ausgebildet und gewährleisten eine resonante Schwingung mit großer Schwingungsamplitude und eine zuverlässige und genauer Messung.
Besonders vorteilhaft an allen vier in den Figuren 2 bis 5 dargestellten
Ausführungsbeispielen der Erfindung ist, dass die Plattenelemente 6 im Wesentlichen senkrecht zu der Waferoberfläche 3 des Wafers 1 und somit senkrecht zu der oberen Bauelementenoberfläche 4 und der unteren Bauelementenoberfläche 5 stehen. Hierdurch ist nur relativ wenig Fläche des Wafers 1 je Bauelement 2 nötig, weshalb auf einem Wafer 1 eine viel größere Anzahl an Bauelementen 2 hergestellt werden kann. Dies senkt die Herstellungskosten der Bauelemente 2. Ferner ist es in klassischer Dünnschichttechnologie mit piezoelektrischen Schichten technologisch einfacher, eine Schwingung aus der
Oberfläche heraus (out of plane) anzuregen als parallel (in plane). Zudem kann als weitere Ausführungsform ein zweites,„out of plane" schwingendes Plattenelement in der
Messkammer angeordnet werden, das jedoch gegenphasig zum ersten schwingt, um die Scherrate zwischen den schwingenden Plattenelementen zu erhöhen.
Im Folgenden ist anhand der Figuren 6 bis 10 ist auf das Verfahren zur Herstellung der Bauelemente 2 näher eingegangen. Bei einem in Figur 6 dargestellten ersten
Verfahrens schritt wird auf das Silizium des Wafers 1 ein dielektrischer Lay er 18 auf die obere und die untere Waferoberfläche 3 aufgebracht. In jenen Bereichen des Wafers 1, in denen ein Hohlraum für die das Plattenelement 2 umgebende Messkammer 11 entstehen soll, wird der dielektrische Layer 18 durch einen Lithographie- und einem nachfolgenden Ätzschritt strukturiert. Diese freibleibenden Bereiche des Wafers 1 entsprechen auch jenen Bereichen, in denen später Balken vorgesehen sein können, aber nicht müssen.
Bei einem in Figur 7 dargestellten zweiten Verfahrensschritt wird der Wafer 1 über seine gesamte Dicke im Bereich der Aussparung des dielektrischen Layers 18 unter Aufbringung eines elektrischen Feldes und Flusssäure in einer elektrochemischen Zelle porosiziert. Alternativ kann auch ein sog.„Metal-assisted" Ätzprozess zum Einsatz kommen, um lokal Silizium zu porösizieren. Dem Fachmann ist ein solcher Verfahrens schritt zur Porosizierung von Silizium bekannt, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen ist. Diese Bereiche 19 mit porosiziertem Silizium können bei einem späteren Verfahrensschritt auch unter bereits auf den Wafer 1 aufgebrachten weiteren Schichten herausgeätzt werden, worauf
nachfolgend eingegangen ist. Zum Abschuss dieses zweiten Verfahrensschrittes wird der dielektrische Layer 18 von der oberen und der unteren Waferoberfläche 3 entfernt.
Bei einem in Figur 8 dargestellten dritten Verfahrens schritt wird in jenen Bereichen, in denen Balken das Plattenelement 2 tragen sollen ein weiterer dielektrischer Layer 20 aufgebracht. Da bei dem Herstellungsverfahren gemäß der Figuren 6 bis 10 das Bauelement 2 gemäß Figur 5 mit den vier Balken 7, 12, 14 und 15 hergestellt wird, wird sowohl auf der unteren als auch auf der oberen Waferoberfläche 3 der weitere dielektrische Layer 20 aufgebracht. In Figur 8 rechts ist eine Draufsicht-Schnittdarstellung des Teils des Wafers 1 dargestellt, der nach dem Abschluss des Herstellungsverfahrens das Bauelement 2 bilden wird.
Bei einem in Figur 9 dargestellten vierten Verfahrensschritt werden die Piezoelemente 10 und 13 in Dünnfilmtechnologie im Bereich der Balken 7 und 12 auf der oberen
Waferoberfläche 3 hergestellt. Dem Fachmann ist die Herstellung von Piezoelementen 10 in Dünnschichttechnologie bekannt, weshalb hierauf nicht näher eingegangen ist.
Bei einem in Figur 10 dargestellten fünften Verfahrensschritt werden die Piezoelemente 16 und 17 in Dünnfilmtechnologie im Bereich der Balken 14 und 15 auf der unteren
Waferoberfläche 3 hergestellt. Anschließend wird das porosizierte Silizium selektiv zum dichten, unporösizierten Silizium aus den Bereichen 19 mit einem gängigen Ätzmittel für Si, bevorzugt mit einem KOH Ätzprozess herausgeätzt. Hierdurch wird die Messkammer 11 geschaffen und das Plattenelement 2 auf den Balken 7, 12, 14 und 15 schwingende freigestellt.
Das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren hat den Vorteil, dass durch die selektive Ätzrate zwischen porösem Si und dichtem Bulk-Silizium die Messkammer zu Beginn des Herstellungsprozesses definiert werden kann. Trotzdem ist es auf Grund der porösen Struktur des Si möglich, diese Bereich insbesondere an der Bauelementeunterseite mit Dünnschichtstrukturen zu versehen, was bei einer konventionellen, z.B.
trockenchemischen Ätzung nach der Definition der Messkammer nicht mehr möglich wäre. Es kann erwähnt werden, dass zur Herstellung des Bauelements 2 gemäß den Figuren 2 und 3 mit Balken auf nur einer Waferoberfläche 3 auch ein Herstellungsverfahren ohne den zweiten Verfahrenschritt des Porosizierens durchgeführt werden könnte. In diesem Fall könnte der Bereich der Messkammer 11 von der den Balken gegenüberliegenden
Waferoberfläche 3 her freigeätzt werden. Eine mechanische Führung des Plattenelementes mit Balkenelementen, angeordnet auf der Unterseite des Bauelementes, wäre jedoch nur sehr schwer realisierbar.
Figur 11 zeigt einen Teil des Wafers 1 in einer Draufsicht-Schnittdarstellung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine größere Messkammer 11 in dem Bauelement 2 vorgesehen ist. Die Messkammer 11 kann auch unsymmetrisch um das Plattenelement 6 in Bezug auf den Abstand zum Siliziumrahmen ausgebildet sein.
Hierdurch kann die Messkammer 11 des MEMS-Sensors für die zu erwartenden Scherkräfte an unterschiedliche Messmedien angepasst werden. Mit dem erfindungsgemäßen MEMS- Sensor können beispielsweise folgende Messmedien, insbesondere flüssige, bezüglich bestimmter physikalischer Parameter vermessen werden: hochbeanspruchte Schmierstoffe, Blut, Emulsionen, Suspensionen.
Typische Dimensionen des Bauelements 2 könne beispielsweise wie folgt festgelegt werden. Die Spaltbreite der Messkammer 11 um das Plattenelement 6 kann größer als 30μιη, abhängig von der Dicke des Wafers 1, gewählt werden. Auch wäre es möglich ein relativ zum Plattenelement 6 bewegtes weiteres Element in die Messkammer 11
einzubringen, um den MEMS-Sensor bezüglich der zu erwartenden Scherkräfte bei der Messung zu optimieren.
Die Breite des Plattenelements 6 kann abhängig von der Dicke des Wafers 1 beispielsweise größer als 50μιη gewählt werden. Die Dicke des Wafers 1 kann beispielsweise im Bereich von 300μιη bis ΙΟΟΟμιη festgelegt werden. Die Balken 7, 12, 14 und 15 könnten durch eine Breite von 50μιη und eine Dicke von 1.5μιη des dielektrischen Layers 20 gebildet werden. Bei einer Länge des Plattenelements von 400μιη und einer Länge der Balken von 50μιη ergibt sich für einen Balken ohne seismische Masse eine Resonanz der
Schwingungsfrequenz im kHz-Bereich. Der Q-Faktor des Resonanzkreises beträgt typischischerweise kleiner 50, wodurch mit den Piezoelementen 10 eine
Schwingungsamplitude des Plattenelements 6 von mehreren Nanometern pro an die Piezoelemente 10 angelegtem Volt des elektrischen Ansteuerungssignals realisiert werden kann. Diese piezoelektrisch erzeugte Schwingungsamplitude reicht vollkommen zur Messung der Scherkräfte des Messmediums aus.
Ebenso können die Bauelemente 2 aber auch zur Messung der Dichte des Messmediums oder als Mikrowaage ausgebildet werden, wenn sich selektiv auf der
Bauelementeoberfläche Anteile aus dem zu untersuchenden Medium anlagern oder durch das umgebende Medium selektiv durch einen Ätzvorgang oder durch Korrosion abgetragen werden. Diese Masseänderung wird dann durch eine Änderung in der Resonanzfrequenz bzw. der Resonanzschärfe erfasst. Die Messung weiterer anderer Umgebungsparameter von Messmedien ist ebenfalls möglich.
Der Begriff eines Wafers ist dem Fachmann allgemein bekannt. Wafer bestehen beispielsweise aus Silizium, können aber auch aus Germanium, Galliumarsenid oder anderen dem Fachmann bekannten Materialien bestehen.
Gemäß vorstehendem Ausführungsbeispiel wird das Plattenelement durch ein oder mehrere Piezoelemente zum Schwingen angeregt. Es wären aber auch andere in der MEMS- Technologie bekannte Antriebselemente zum Anregen von Schwingungen des
Plattenelements möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Mikrotechnisch aus einem Wafer (1) hergestelltes Bauelement (2) zur Detektion von Umgebungsparametern mit einem in einer Plattenebene (9) schwingend aufgehängten Plattenelement (6), dadurch gekennzeichnet, dass
das Plattenelement (6) mit seiner Plattenebene (9) im Wesentlichen senkrecht zur
Waferoberfläche (3) des Wafers (1) angeordnet ist.
2. Bauelement (2) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenelement (6) an zumindest einem Balken (7) und insbesondere an zwei an der Waferoberfläche (3) realisierten Balken (7, 12) schwingend in dem Bauelement (2) aufgehängt ist.
3. Bauelement (2) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenelement (2) an zumindest einem weiteren Balken (14) und insbesondere an zwei weiteren an der gegenüberliegenden Waferoberfläche (3) realisierten Balken (14, 15) schwingende in dem Bauelement (2) aufgehängt ist.
4. Bauelement (2) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Balken (7, 12, 14, 15) aus einem dielektrischen Layer (20) und insbesondere aus Siliziumnitrid hergestellt ist.
5. Bauelement (2) gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Piezoelement (10, 13, 16, 17) vorgesehen ist, um das Plattenelement (2) piezoelektrisch in Schwingungen zu versetzen.
6. Bauelement (2) gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (2) zumindest eine Öffnung zur Zuführung eines Messmediums in einen das Plattenelement (6) umgebenden Messraum (11) aufweist.
7. Bauelement (2) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum (11) bei einem Porosizierungsprozess in Kombination mit einem nasschemischen Ätzprozess hoher Selektivität hergestellt wurde.
8. Bauelement (2) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuerschaltung vorgesehen ist, die zum Ansteuern des zumindest einen Piezoelements (10, 13, 16, 17) in eine resonante Schwingung des aus dem zumindest einen Piezoelement (10, 13, 16, 17) und dem Plattenelement (6) gebildeten Schwingungssystems ausgebildet ist und, dass eine Messschaltung vorgesehen ist, die anhand der durch die Scherkräfte des Plattenelements (6) in dem Messmedium bedingten Verstimmung der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems und/oder Dämpfung der Schwingungsamplitude zur Ermittlung eines die Viskosität des Messmediums kennzeichnenden Viskositätskennzahl ausgebildet ist.
9. Bauelement (2) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites
Plattenelement vorgesehen ist und, dass die Ansteuerschaltung zum Ansteuern zumindest einen weiteren Piezoelements in eine resonante Schwingung des aus dem weiteren
Piezoelement und dem zweiten Plattenelement gebildeten weiteren Schwingungs Systems ausgebildet ist, wobei das Schwingungs System und das weitere Schwingungssystem zu gegenphasigen Schwingungen angeregt werden.
10. Bauelement (2) gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ansteuerschaltung und die Messschaltung zum Ansteuern des zumindest eine
Piezoelements (10, 13, 16, 17) als kombinierten Aktuator-Sensor ausgebildet sind.
11. Verwendung eines Bauelements (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (2) zur Viskositätsmessung und/oder zur
Dichtemessung des Messmediums und/oder als Mikrowaage verwendet wird.
12. Verfahren zur Herstellung eines mikro technisch aus einem Wafer (1) hergestellten Bauelements (2) zur Detektion von Umgebungsparametern mit einem in einer Plattenebene (9) an zumindest einem Balken (7, 12, 14, 15) schwingend aufgehängten Plattenelement (6), das bei einem Ätzprozess des Wafers (1) aus dem Bauelement (2) freigeätzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
das Plattenelement (6) mit seiner Plattenebene (9) im Wesentlichen senkrecht zur
Waferoberfläche (3) des Wafers (1) herausgeätzt wird.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Plattenelements (6) und des zumindest einen Balken (7, 12, 14, 15) folgende
Verfahrens schritte durchgeführt werden:
• Aufbringen eines dielektrischen Layers (18) auf die Waferoberflächen, welche
dielektrischen Layer (18) an den Rändern des herzustellenden Plattenelements (6) im Bereich der herzustellenden Balken (7, 12, 14, 15) ausgespart sind;
• Porosizieren des Wafers (1) über seine gesamte Dicke in Bereichen an denen die dielektrischen Layer (18) ausgespart sind unter Einwirkung eines elektrischen HF- Feldes; • Entfernen des dielektrischen Layers (18) von den Waferoberflächen (3);
• Aufbringen eines weiteren dielektrischen Layers (20) im Bereich der
herzustellenden Balken (7, 12, 14, 15);
• Herstellen des Plattenelements (6) und freistellen der Balken (7, 12, 14, 15) durch Entfernen des porosizierten Siliziums (19) bei einem KOH Ätzprozess.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung von Aktuatoren zur Anregung einer Schwingung des Plattenelements (6) folgender
Verfahrens schritt durchgeführt wird:
• Aufbringen eines Piezoelements (10, 13, 16, 17) in Dünnflimtechnologie auf dem weiteren dielektrischen Layer (20) im Bereich der herzustellenden Balken (7, 12, 14, 15) bevor die Balken (7, 12, 14, 15) durch den KOH Ätzprozess freigestellt werden.
15. Wafer (1), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Bauelemente (2) gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 10 vorgesehen ist.
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