WO2020126911A1 - Mikromechanisches bauteil und herstellungsverfahren für ein mikromechanisches bauteil - Google Patents

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WO2020126911A1
WO2020126911A1 PCT/EP2019/085101 EP2019085101W WO2020126911A1 WO 2020126911 A1 WO2020126911 A1 WO 2020126911A1 EP 2019085101 W EP2019085101 W EP 2019085101W WO 2020126911 A1 WO2020126911 A1 WO 2020126911A1
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WO
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element structure
membrane
edge element
cavity
support structures
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PCT/EP2019/085101
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Hans Artmann
Thomas Friedrich
Christoph Hermes
Peter Schmollngruber
Heribert Weber
Jochen Reinmuth
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a micromechanical component and a capacitive pressure sensor device.
  • the present invention also relates to a production method for a micromechanical component.
  • a capacitive pressure sensor which comprises a substrate and a membrane which spans a cavity lying between the membrane and a surface of the substrate.
  • the membrane is held at a distance from the bottom side of the cavity by means of at least one frame structure.
  • the present invention provides a micromechanical component with the features of claim 1, a capacitive pressure sensor device with the features of claim 9 and a manufacturing method for a
  • Micromechanical component with the features of claim 10.
  • the present invention provides support structures on a membrane inside of a membrane spanning a cavity with such an advantageous configuration of the support structures that when the membrane bulges into the cavity and / or when the membrane bulges out of the cavity, those that occur directly on the support structures in the membrane mechanical stresses are more widely distributed compared to the prior art.
  • Compared to conventional structures formed on the inside of a membrane there is therefore damage to the membrane, such as in particular Tear the membrane, less likely to fear.
  • the present invention therefore contributes to the creation of micromechanical components, or capacitive pressure sensor devices equipped therewith, which have a longer service life or a longer life than the prior art
  • the support structures extending from the inside of the membrane to the bottom of the cavity are each arranged adjacent to a self-supporting area of the membrane in such a way that in each of the support structures the adjacent self-supporting area is located on one of their at least one
  • Support structures in particular their first edge element structures, is the occurrence of a high local intensity of mechanical stresses, which could lead to damage to the membrane, with such an alignment of the support structures in the respective boundary region between each of the
  • At least one of the support structures extending from the inside of the membrane to the bottom of the cavity can be arranged adjacent to an outer region of the membrane such that, in the at least one support structure, the adjacent outer region lies on a side of its second edge element structure that is directed away from its at least one intermediate element structure. Also for mechanical tension
  • the conventionally very susceptible border area between the at least one support structure arranged in this way and the adjacent outer area is better protected against possible tearing of the membrane.
  • Membrane inside to the measuring electrode extending support structures and a second of the supporting structures extending from the inside of the membrane to the measuring electrode to be aligned so that their second edge element structures are aligned with each other, between their second edge element structures, a support wall structure extending from the bottom side of the cavity to the inside of the membrane is formed.
  • the support structures extending from the inside of the membrane to the measuring electrode can thus also be combined to form a comparatively large / large-area suspension of the measuring electrode.
  • At least one of the support structures has its at least one
  • Edge element structures can thus form a compact / one-piece overall structure.
  • the at least one support structure and the two associated edge element structures can also be spatially separated from one another.
  • its two intermediate element structures can be connected to its first edge element structure and to its second edge element structure such that its two
  • the frame element structure and the second frame element structure formed by the cavity frame can thus act as an attack surface for mechanical
  • Tensions are used to prevent damage / tearing of the membrane.
  • the cavity is preferably sealed so airtightly with a reference pressure present therein that the membrane is at least partially directed by a physical pressure away from the cavity
  • the outside of the membrane is deformable unlike the reference pressure, a counter electrode arranged on the bottom side of the cavity and the measuring electrode being electrically contactable such that a voltage present between the counter electrode and the measuring electrode can be tapped.
  • the micromechanical component described here can thus advantageously be used to measure the physical pressure prevailing on the outside of the membrane by taking into account the difference between the
  • a measured value with respect to the physical pressure is determined against the counter electrode and the measured electrode voltage.
  • Micromechanical component are also capacitive
  • Pressure sensor device with such a micromechanical component and evaluation electronics, which is designed, at least under
  • La to lc are schematic representations of a first embodiment of the micromechanical component;
  • FIGS. 2 to 15 show schematic representations of further embodiments of the micromechanical component;
  • 16 is a flowchart for explaining an embodiment of the
  • La to lc show schematic representations of a first embodiment of the micromechanical component.
  • the micromechanical component shown schematically in FIGS. 1 a to 1 c comprises a substrate 10 with a substrate surface 10 a.
  • the substrate 10 is preferably a semiconductor substrate, such as in particular a silicon substrate.
  • the substrate 10 instead of or as
  • Supplement to silicon can also comprise at least one further semiconductor material, at least one metal and / or at least one electrically insulating material.
  • the micromechanical component also has a membrane 12 which spans a cavity 14 located between the membrane 12 and the substrate surface 10a at a distance from a bottom side 14a of the cavity 14 facing away from the membrane 12.
  • the position of the cavity 14 between the membrane 12 and the substrate surface 10a need not be understood to mean that the bottom side 14a of the cavity 14 is directly adjacent to the substrate surface 10a.
  • at least one layer 16 and 18, at least partially covering the substrate surface 10a, such as, for example, at least one insulating layer 16 and 18, can also lie between the bottom side 14a of the cavity 14 and the substrate surface 10a of the substrate 10.
  • Insulating layer 16 and 18 can in particular be a silicon oxide layer and / or a (silicon-rich) silicon nitride layer.
  • the micromechanical component also has a plurality of support structures 20a and 20b, which each face the membrane 12 from the inside of a membrane 12a extend from the bottom side 14a of the cavity 14 and / or from the inside of the membrane 12a to a measuring electrode 28 suspended from the membrane 12.
  • the inside of the membrane 12a is to be understood as a side of the membrane 12 oriented toward the substrate 10.
  • the support structures 20a and 20b can
  • Membrane inner side 12a also a "virtual boundary plane", which is at a distance from a membrane outer side 12b directed away from the substrate 10, which is equal to a minimum layer thickness d m in the membrane 12 perpendicular to the substrate surface 10a.
  • the membrane 12 is held spaced from the bottom side 14a of the cavity 14 at least by means of the first support structures 20a extending from the inside 12a of the membrane 12 to the bottom 14a of the cavity 14.
  • the second extending from the inside of the membrane 12a to the measuring electrode 28
  • Support structures 20b serve for “electrode suspension”.
  • Support structures 20a and 20b are separately connected to the membrane 12. Likewise, each of the first support structures 20a is anchored separately on the bottom side 14a of the cavity 14 and each of the second support structures 20b is separately anchored on the
  • the cavity 14 is sealed airtight, for example.
  • a frame structure 22 which will not be discussed in more detail here, can seal the cavity 14 so that it is airtight so that a reference pressure po is enclosed in the cavity 14.
  • at least one self-supporting area 24 of the membrane 12 can therefore be deformed by means of a physical pressure p on the outside of the membrane 12b unlike the reference pressure po.
  • the deformation of at least the self-supporting area 24 of the membrane 12 due to the physical pressure p acting thereon not equal to the reference pressure po can be detected in that a tension is arranged between one on the bottom side 14a of the cavity 14
  • Counter electrode 26 and the measuring electrode 28 is tapped.
  • the counter electrode 26 and the measuring electrode 28 can be electrically contacted such that the voltage present between the counter electrode 26 and the measuring electrode 28 can be tapped.
  • a measured value with regard to the physical pressure prevailing on the membrane outer side 12b in each case p can be determined.
  • the micromechanical component of FIGS. 1 a to 1 c can thus advantageously be used as at least part of a capacitive pressure sensor device.
  • a capacitive pressure sensor device it should be noted that a
  • Pressure sensor devices is limited.
  • Electrode suspension boundary region 31 occur adjacent to each of the second support structures 20b. However, as will be explained in more detail below, the risk of damage to the membrane 12 due to
  • Formation of the support structures 20a and 20b can be significantly reduced.
  • each is the first and second
  • Support structures 20a and 20b each having a first edge element structure 32, a second edge element structure 34 and at least one intermediate element structure 36 arranged between the assigned first edge element structure 32 and the assigned second edge element structure 34.
  • 1c shows an example of one of the first support structures 20a
  • Substructures 32 to 36 of each first support structure 20a each extend from the inside of the membrane 12a of the membrane 12 to the bottom 14a of the cavity 14.
  • the second support structures 20b can also have the features described below, in which case the substructures 32 to 36 of each second support structure 20b each of the membrane inside 12a of the membrane 12 to the
  • a plane of symmetry 38 can be defined for each of the support structures 20a and 20b, with respect to which at least the first edge element structure 32 of the respective support structure 20a or 20b and the second edge element structure 34 of the respective support structure 20a or 20b are mirror-symmetrical.
  • the at least one intermediate element structure 36 can also be used
  • Plane of symmetry 38 can be mirror-symmetrical.
  • the plane of symmetry 38 intersects the bottom side 14a of the cavity 14 and the inside of the membrane 12a of the membrane 12.
  • the plane of symmetry 38 can in particular be oriented perpendicular to the substrate surface 10a of the substrate 10.
  • Plane of symmetry 38 and a second maximum extent a2 of its second edge element structure 34 perpendicular to its plane of symmetry 38 are each greater than the at least one respective maximum extent a3 of its at least one intermediate element structure 36 perpendicular to its plane of symmetry 38.
  • a line length is therefore one for each of the support structures 20a and 20b Limit of their contact area / anchoring area with the membrane 12 (on the inside of the membrane 12a) compared to the prior art is significantly extended due to the design of the support structures 20a and 20b described here.
  • Each of the support structures 20a and 20b thus offers mechanical stresses, which occur in the membrane 12 adjacent to the respective support structure 20a or 20b, significantly more “contact surface”, so that the mechanical
  • Dimensions a2 of the respective second edge element structure 34 of each of the support structures 20a and 20b are preferably in a range between 2 pm (micrometers) to 20 pm (micrometers).
  • the respective maximum extension a3 of the at least one intermediate element structure 36 of each of the support structures 20a and 20b can be, for example, in a range between 0.5 pm (micrometer) to 2 pm (micrometer).
  • the first support structures 20a are preferably arranged adjacent to the cantilevered area 24 of the membrane 12 in such a way that in each of the first support structures 20a the adjacent cantilevered area 24 lies on a side of its first edge element structure 32 that is directed away from its at least one intermediate element structure 36.
  • the comparatively large first maximum extension al of the first edge element structure 32 thus ensures a comparatively long end face / end face of the respective first support structure 20 a, which is aligned with the self-supporting area 24 of the membrane 12.
  • the mechanical stresses occurring in the respective “inner” boundary region 30a are thus distributed over a comparatively large “contact surface”, so that a local intensity of the mechanical stresses on the side of the first edge element structure 32 directed away from its at least one intermediate element structure 36 remains comparatively low.
  • At least one of the first support structures 20a is preferably also arranged adjacent to an outer region of the membrane 12, such as, for example, the membrane edge on the frame structure 22, in such a way that in the at least one first support structure 20a the adjacent outer region faces away from its at least one intermediate element structure 36 Side of its second edge element structure 34 lies. Because of its comparatively large second dimension a2 perpendicular to the plane of symmetry 38, the second edge element structure 34 also offers a comparatively large mechanical stress in the “outer” boundary region 30b between the outer region of the membrane 12 and the respective support element 20a
  • At least one of the first and second support structures 20 a and 20 b its at least one intermediate element structure 36 can be on its first edge element structure 32 and / or on its second
  • Edge element structure 34 may be connected.
  • the (only) intermediate element structure 36 is on both
  • Boundary element structures 32 and 34 connected.
  • the at least one intermediate element structure 36 and the two associated edge element structures 32 and 34 can also be formed separately from one another (see for example FIG. 2).
  • the respective first edge element structure 32 of the support structures 20 a and 20 b is in each case a cuboid extending perpendicular to the plane of symmetry 38 with the first maximum dimension al.
  • the respective second edge element structure 34 of the support structures 20a and 20b is in each case a cuboid extending perpendicular to the plane of symmetry 38 with the second maximum dimension a2.
  • Intermediate element structure 36 is a cuboid which extends along the plane of symmetry 38 and which is in relation to the plane of symmetry 38
  • the support structures 20a and 20b thus each have a cross section in the form of an “I” (capital letter I) in a plane aligned parallel to the substrate surface 10a of the substrate 10.
  • Embodiments of the micromechanical component Embodiments of the micromechanical component.
  • Micromechanical components have many of the features of the previously described embodiment. Therefore, only the differences between the micromechanical components of FIGS. 2 to 15 and the embodiment of FIGS. 1 a to 1 c will be discussed below. Unless otherwise described, the micromechanical components of FIGS. 2 to 15 can also have the features of the embodiment described above. In the case of the micromechanical component shown schematically by means of FIG. 2, the support structures 20a and 20b differ from those of the previously described embodiment only in that a respective first gap 40a between the (single) intermediate element structure 36 and the first
  • Edge element structure 32 of the same support structure 20a or 20b and a second gap 40b between the (single) intermediate element structure 36 and the second edge element structure 34 of the same support structure 20a or 20b is present.
  • the respective substructures 32 to 36 of each support structure 20a and 20b are thus designed individually / separately from one another.
  • At least one of the support structures 20a and 20b has its two intermediate element structures 36a and 36b at their first
  • Edge element structure 32 and on its second edge element structure 34 are identical to Edge element structure 32 and on its second edge element structure 34
  • the support structure 20a or 20b designed as a cavity frame 44 offers mechanical stresses even more “contact surface”, as a result of which a local intensity of the mechanical stresses occurring at the respective support structure 20a or 20b is significantly reduced.
  • the cavity frame 44 is preferably mirror-symmetrical with respect to the plane of symmetry 38.
  • Edge element structure 32 and its second edge element structure 34 frame the respective cavity 42, with at least two round outer edges 46.
  • the round outer edges 46 are formed on the side of their second edge element structure 34 which faces away from the intermediate element structures 36a and 36b.
  • the micromechanical component of FIG. 5 has at least one support structure 20a and 20b designed as a cavity frame 44, in which the round outer edges 46 are formed on the side of the first edge element structure 32 which is directed away from the intermediate element structures 36a and 36b.
  • At least one of the support structures 20a and 20b of the micromechanical component in FIG. 6 thus has a cross section in the form of a “rounded rectangle” in a plane aligned parallel to the substrate surface 10a of the substrate 10.
  • second support structures 20b are particularly suitable as second support structures 20b.
  • the second support structures 20b are preferably aligned such that the adjacent “outer” electrode suspension boundary region 31 on a side of its first that is directed away from its at least one intermediate element structure 36
  • Edge element structure 32 lies. Because of its comparatively large first dimension al perpendicular to the plane of symmetry 38, the first edge element structure 32 thus offers a comparatively large end face / end face to mechanical stress occurring in the “outer” electrode suspension limit region 31. Therefore, a local intensity of mechanical stresses occurring in the “outer” electrode suspension limit region 31 also remains comparatively low.
  • the second support structures 20b are each as
  • Substrate surface 10a aligned spatial direction within the
  • Plane of symmetry 38 has a length L36 which is significantly greater than the first maximum dimension al of its first edge element structure 32 perpendicular to its plane of symmetry 38 and the second maximum dimension a2 of its second Edge element structure 34 is perpendicular to its plane of symmetry 38.
  • the length L36 of the intermediate element structures 36a and 36b is parallel to that
  • Substrate surface 10a aligned spatial direction within the
  • the plane of symmetry 38 can be, for example, greater than or equal to 5 pm (micrometer), in particular greater than or equal to 10 pm (micrometer).
  • the support structure 20b shown schematically in FIG. 8 differs from that shown in FIG. 7 only in that one on the first
  • Edge element structure 32 connected first intermediate element structure 36a is spaced apart from second edge element structure 34 by a first gap 48a, while a second intermediate element structure 36b connected to second edge element structure 34 is separated by a second gap 48b from the first
  • Edge element structure 32 is spaced.
  • the support structures 20b shown in FIGS. 9 and 10 also each have a cross section in the form of an “I” (capital letter I) in a plane aligned parallel to the substrate surface 10a of the substrate 10. in the
  • the (single) intermediate element structure 36 has a length L36 in a spatial direction aligned parallel to the substrate surface 10a within the plane of symmetry 38, which length L36 is significantly greater than the first maximum extension al of the adjacent first edge element structure 32 perpendicular to their plane of symmetry 38 and the second maximum extent a2 of the adjacent second edge element structure 34 is perpendicular to their plane of symmetry 38.
  • Embodiment of FIG. 10 shows FIG. 9 a support structure 20b, in each of which a first gap 40a between the (single) intermediate element structure 36 and the first edge element structure 32 of the same support structure 20b and a second gap 40b between the (single) intermediate element structure 36 and the second edge element structure 34 of the same support structure 20b.
  • first edge element structure 32 and the second edge element structure 34 of each support structure 20a and 20b can also each be designed in the form of a (straight) prism.
  • an extension of the respective (straight) prism tapers perpendicular to the plane of symmetry 38 in the direction of the (single) intermediate element structure 36 of the respective support structure 20a or 20b.
  • a first gap 50a between the first edge element structure 32 and the (single) intermediate element structure 36 of the same support structure 20a or 20b and a second gap 50b between the second edge element structure 34 and the (single) intermediate element structure 36 of the same support structure 20a or 20b see FIG. 12).
  • the support structure 20b shown schematically by FIG. 13 has a first edge element structure 32 with a bulge on its side facing away from the (single) intermediate element structure 36 of the same support structure 20b.
  • the first edge element structure 32 thus comprises a cuboid with a spherical segment formed on the side facing away from the (single) intermediate element structure 36 of the same support structure 20b.
  • Edge element structure 32 is thus shaped in the form of a “nail head”. This shape of the first edge element structure 32 also contributes to an additional increase in its “contact surface” for mechanical stress and thus reduces the risk of the membrane 12 tearing directly on the respective support structure 20a or 20b.
  • the second edge element structure 34 of the same support structure 20a or 20b can also be designed in a "nail head-shaped" manner by the second edge element structure 34 having a cuboid with a spherical segment formed on the side directed away from the (single) intermediate element structure 36 of the same support structure 20a or 20b includes.
  • Edge element structures 32 and 34 can also be of the (only)
  • Intermediate element structure 36 of the same support structure 20a or 20b can be separated (by means of at least one gap).
  • Micromechanical components are at least one of the second support structures 20b and another of the second support structures 20b to each other
  • a support wall structure 52 extending from the bottom side 14a of the cavity 14 to the inside of the membrane 12a being formed between their second edge element structures.
  • the carrier wall structure 52 preferably has a parallel to the substrate surface 10a
  • the length L52 of the support wall structure 52 in the spatial direction aligned parallel to the substrate surface 10a within the plane of symmetry 38 can be, for example, greater than or equal to 10 pm (micrometers), in particular greater than or equal to 15 pm (micrometers).
  • the support wall structure 52 can optionally be connected to at least one of the adjacent support structure 20b (FIG. 14). Alternatively, a first gap 54a can also lie between the adjacent support structure 20b and the support wall structure 52 and a second gap 54b between the further adjacent support structure 20b and the support wall structure 52.
  • FIGS. 1 a to 1 c With regard to further properties and features of the micromechanical components schematically reproduced by means of FIGS. 2 to 15, reference is made to the embodiment of FIGS. 1 a to 1 c.
  • the shapes of the support structures 20a and 20b described above can also be “combined” with one another in such a way that a micromechanical component has different shapes of support structures 20a and 20b.
  • Diaphragm inside 12a compared to the prior art. This can also be described as an increase in the line length for the membrane contact.
  • Membrane contacting of the support elements 20 becomes a local intensity of the mechanical stresses at the limit of their
  • the support structures 20a and 20b can also have at least two intermediate element structures 36, 36a or 36b arranged in a row aligned along or parallel to the plane of symmetry 38.
  • the micromechanical components described above can each be used in a capacitive pressure sensor device.
  • the capacitive pressure sensor device additionally includes evaluation electronics, which is designed, at least taking into account the voltage tapped between the counterelectrode 26 and the measuring electrode 28, a measured value with respect to that on the membrane outer side 12b in each case
  • 16 shows a flowchart for explaining an embodiment of the production method for a micromechanical component.
  • the production method comprises at least one method step S1, in which a membrane is clamped on a substrate with a substrate surface in such a way that the membrane spaces a cavity lying between the membrane and the substrate surface away from one
  • Diaphragm facing the bottom of the cavity spanned.
  • Method step S2 a plurality of support structures are formed, each of which extends from an inside of the membrane to the bottom of the cavity and / or from the inside of the membrane to a measuring electrode suspended on the membrane.
  • Method step S2 can be carried out simultaneously or overlapping in time with method step S1.
  • Method step S2 can also take place before or after
  • Step S1 are carried out.
  • each of the support structures is formed with a first edge element structure, a second edge element structure and at least one intermediate element structure arranged between the assigned first edge element structure and the assigned second edge element structure in such a way that a plane of symmetry can be defined for each of the support structures, with respect to which at least the first Edge element structure of the respective support structure and the second edge element structure of the respective support structure is mirror-symmetrical.
  • the substructures of each of the support structures are each formed in such a way that in each of the support structures there is a first maximum extent of their first edge element structure perpendicular to their plane of symmetry and a second maximum extent of their second
  • Border element structure perpendicular to their plane of symmetry larger than that are at least a maximum extent of their at least one intermediate element structure perpendicular to their plane of symmetry.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil, dessen Membran (12) beabstandet von einer Bodenseite einer Kavität gehalten ist und Stützstrukturen (20a) an ihrer Membraninnenseite (12a) aufweist, wobei jede der Stützstrukturen (20a) je eine erste Randelementstruktur (32), je eine zweite Randelementstruktur (34) und je mindestens eine zwischen der zugeordneten ersten Randelementstruktur (32) und der zugeordneten zweiten Randelementstruktur (34) angeordnete Zwischenelementstruktur (36) aufweist, wobei für jede der Stützstrukturen (20a) jeweils eine Symmetrieebene (38) definierbar ist, bezüglich welcher zumindest die erste Randelementstruktur (32) der jeweiligen Stützstruktur (20a) und die zweite Randelementstruktur (34) der jeweiligen Stützstruktur (20a) spiegelsymmetrisch sind, und wobei bei jeder der Stützstrukturen (20a) eine erste maximale Ausdehnung (a1) ihrer ersten Randelementstruktur (32) senkrecht zu ihrer Symmetrieebene (38) und eine zweite maximale Ausdehnung (a2) ihrer zweiten Randelementstruktur(34) senkrecht zu ihrer Symmetrieebene (38) größer als die mindestens eine jeweilige maximale Ausdehnung (a3) ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur (36) senkrecht zu ihrer Symmetrieebene (38) sind.

Description

Beschreibung
Titel
Mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für ein
mikromechanisches Bauteil
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil und eine kapazitive Drucksensorvorrichtung. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
Stand der Technik
In der DE 10 2009 000 403 Al ist ein kapazitiver Drucksensor beschrieben, welcher ein Substrat und eine Membran, die eine zwischen der Membran und einer Oberfläche des Substrats liegende Kavität überspannt, umfasst. Die Membran ist mittels zumindest einer Rahmenstruktur beabstandet von der Bodenseite der Kavität gehalten.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine kapazitive Drucksensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Herstellungsverfahren für ein
mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft Stützstrukturen an einer Membraninnenseite einer eine Kavität überspannenden Membran mit einer derart vorteilhaften Ausbildung der Stützstrukturen, dass bei einer Einwölbung der Membran in die Kavität und/oder bei einer Auswölbung der Membran aus der Kavität die unmittelbar an den Stützstrukturen in der Membran auftretenden mechanische Spannungen im Vergleich mit dem Stand der Technik weitläufiger verteilt sind. Verglichen mit herkömmlichen an einer Membraninnenseite ausgebildeten Strukturen ist deshalb eine Beschädigung der Membran, wie insbesondere ein Reißen der Membran, seltener zu befürchten. Die vorliegende Erfindung trägt deshalb zur Schaffung von mikromechanischen Bauteilen, bzw. damit ausgestatteten kapazitiven Drucksensorvorrichtungen, bei, welche gegenüber dem Stand der Technik eine höhere Lebensdauer, bzw. eine höhere
Belastungsgrenze, haben.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils sind die sich von der Membraninnenseite zu der Bodenseite der Kavität erstreckenden Stützstrukturen jeweils derart benachbart zu einem freitragenden Bereich der Membran angeordnet, dass bei jeder der Stützstrukturen der benachbarte freitragende Bereich auf einer von ihrer mindestens einen
Zwischenelementstruktur weg gerichteten Seite ihrer ersten Randelementstruktur liegt. Aufgrund des vorteilhaften Designs/Layouts der sich von der
Membraninnenseite zu der Bodenseite der Kavität erstreckenden
Stützstrukturen, insbesondere ihrer ersten Randelementstrukturen, ist ein Auftreten einer hohen lokalen Intensität von mechanischen Spannungen, welche zur Beschädigung der Membran führen könnten, bei einer derartigen Ausrichtung der Stützstrukturen in dem jeweiligen Grenzbereich zwischen jeder der
Stützstrukturen und dem benachbarten freitragenden Bereich unterbunden.
Insbesondere kann mindestens eine der sich von der Membraninnenseite zu der Bodenseite der Kavität erstreckenden Stützstrukturen derart benachbart zu einem Außenbereich der Membran angeordnet sein, dass bei der mindestens einen Stützstruktur der benachbarte Außenbereich auf einer von ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur weg gerichteten Seite ihrer zweiten Randelementstruktur liegt. Auch der für mechanische Spannungen
herkömmlicherweise sehr anfällige Grenzbereich zwischen der mindestens einen so angeordneten Stützstruktur und dem benachbarten Außenbereich ist in diesem Fall besser vor einem möglichen Reißen der Membran geschützt.
Alternativ oder ergänzend können zumindest eine erste der sich von der
Membraninnenseite zu der Messelektrode erstreckenden Stützstrukturen und eine zweite der sich von der Membraninnenseite zu der Messelektrode erstreckenden Stützstrukturen so zueinander ausgerichtet sein, dass ihre zweiten Randelementstrukturen zueinander ausgerichtet sind, wobei zwischen ihren zweiten Randelementstrukturen eine sich von der Bodenseite der Kavität zu der Membraninnenseite erstreckende Trägerwandstruktur ausgebildet ist. Die sich von der Membraninnenseite zu der Messelektrode erstreckenden Stützstrukturen können somit auch zu einer vergleichsweise großen/großflächigen Aufhängung der Messelektrode kombiniert sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist bei mindestens einer der Stützstrukturen ihre mindestens eine
Zwischenelementstruktur an ihrer ersten Randelementstruktur und/oder an ihrer zweiten Randelementstruktur angebunden. Die mindestens eine
Zwischenelementstruktur und zumindest eine der zugeordneten
Randelementstrukturen können somit eine kompakte/einstückige Gesamtstruktur bilden. Alternativ können die mindestens eine Stützstruktur und die beiden zugeordneten Randelementstrukturen auch räumlich voneinander getrennt vorliegen.
Beispielsweise können bei mindestens einer der Stützstrukturen ihre zwei Zwischenelementstrukturen derart an ihrer ersten Randelementstruktur und an ihrer zweiten Randelementstruktur angebunden sein, dass ihre zwei
Zwischenelementstrukturen, ihre erste Randelementstruktur und ihre zweite Randelementstruktur einen sich von der Bodenseite der Kavität zu der
Membraninnenseite erstreckenden Hohlraum umrahmen. Ein "Gesamtumfang" der aus den zwei Zwischenelementstrukturen, der ersten
Rahmenelementstruktur und der zweiten Rahmenelementstruktur gebildeten Hohlraumumrahmung kann somit als Angriffsfläche von mechanischen
Spannungen dazu genutzt werden, eine Beschädigung/ein Reißen der Membran zu vermeiden.
Optionaler Weise kann die mindestens eine Stützstruktur, deren zwei
Zwischenelementstrukturen, deren erste Randelementstruktur und deren zweite Randelementstruktur den jeweiligen Hohlraum umrahmen, mit mindestens zwei runden Außenkanten ausgebildet sein. Ein lokales Auftreten von mechanischen Spannungen an einer spitzen Außenkante kann somit vermieden werden. Vorzugsweise ist die Kavität mit einem darin vorliegenden Referenzdruck so luftdicht abgedichtet ist, dass die Membran zumindest teilweise mittels eines physikalischen Drucks auf einer von der Kavität weg gerichteten
Membranaußenseite der Membran ungleich dem Referenzdruck verformbar ist, wobei eine auf der Bodenseite der Kavität angeordnete Gegenelektrode und die Messelektrode elektrisch derart kontaktierbar sind, dass eine zwischen der Gegenelektrode und der Messelektrode anliegende Spannung abgreifbar ist. Das hier beschriebene mikromechanische Bauteil kann somit vorteilhaft zur Messung des jeweils auf der Membranaußenseite vorherrschenden physikalischen Drucks eingesetzt werden, indem unter Berücksichtigung der zwischen der
Gegenelektrode und der Messelektrode abgegriffenen Spannung ein Messwert bezüglich des physikalischen Drucks festgelegt wird.
Die Vorteile des in dem vorausgehenden Absatz beschriebenen
mikromechanischen Bauteils sind auch bei einer kapazitiven
Drucksensorvorrichtung mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil und einer Auswerteelektronik, welche dazu ausgelegt ist, zumindest unter
Berücksichtigung der zwischen der Gegenelektrode und der Messelektrode abgegriffenen Spannung einen Messwert bezüglich des jeweils auf der
Membranaußenseite vorherrschenden physikalischen Drucks festzulegen und auszugeben, gewährleistet.
Des Weiteren schafft auch ein Ausführen eines korrespondierenden
Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil die oben erläuterten Vorteile. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das
Herstellungsverfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weitergebildet werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. la bis lc schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; Fig. 2 bis Fig. 15 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils; und
Fig. 16 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des
Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. la bis lc zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in Fig. la bis lc schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil umfasst ein Substrat 10 mit einer Substratoberfläche 10a. Das Substrat 10 ist vorzugsweise ein Halbleitersubstrat, wie insbesondere ein Siliziumsubstrat. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das Substrat 10 anstelle oder als
Ergänzung zu Silizium auch mindestens ein weiteres Halbleitermaterial, mindestens ein Metall und/oder mindestens ein elektrisch isolierendes Material umfassen kann.
Das mikromechanische Bauteil weist auch eine Membran 12 auf, welche eine zwischen der Membran 12 und der Substratoberfläche 10a liegende Kavität 14 beabstandet von einer von der Membran 12 weg gerichteten Bodenseite 14a der Kavität 14 überspannt. Unter der Lage der Kavität 14 zwischen der Membran 12 und der Substratoberfläche 10a muss jedoch nicht verstanden werden, dass die Bodenseite 14a der Kavität 14 direkt an die Substratoberfläche 10a angrenzt. Stattdessen kann noch mindestens eine die Substratoberfläche 10a zumindest teilweise abdeckende Schicht 16 und 18, wie beispielsweise mindestens eine Isolierschicht 16 und 18, zwischen der Bodenseite 14a der Kavität 14 und der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 liegen. Die mindestens eine
Isolierschicht 16 und 18 kann insbesondere eine Siliziumoxidschicht und/oder eine (siliziumreiche) Siliziumnitridschicht sein.
Das mikromechanische Bauteil weist auch mehrere Stützstrukturen 20a und 20b auf, welche sich jeweils von einer Membraninnenseite 12a der Membran 12 zu der Bodenseite 14a der Kavität 14 und/oder von der Membraninnenseite 12a zu einer an der Membran 12 aufgehängten Messelektrode 28 erstrecken. Unter der Membraninnenseite 12a ist eine zu dem Substrat 10 ausgerichtete Seite der Membran 12 zu verstehen. Die Stützstrukturen 20a und 20b können
insbesondere in die Membran 12 übergehen, sodass unter der
Membraninnenseite 12a auch eine "virtuelle Grenzebene", welche in einem Abstand zu einer von dem Substrat 10 weg gerichteten Membranaußenseite 12b liegt, welcher gleich einer minimalen Schichtdicke dmin der Membran 12 senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ist, verstanden werden. Die Membran 12 ist zumindest mittels der sich von der Membraninnenseite 12a der Membran 12 zu der Bodenseite 14a der Kavität 14 erstreckenden ersten Stützstrukturen 20a beabstandet von der Bodenseite 14a der Kavität 14 gehalten. Die sich von der Membraninnenseite 12a zu der Messelektrode 28 erstreckenden zweiten
Stützstrukturen 20b dienen zur„Elektrodenaufhängung“. Jede der
Stützstrukturen 20a und 20b ist separat mit der Membran 12 verbunden. Ebenso ist jede der ersten Stützstrukturen 20a separat an der Bodenseite 14a der Kavität 14 verankert und jede der zweiten Stützstrukturen 20b separat an der
Messelektrode 28 verankert.
In der Ausführungsform der Fig. la bis lc ist die Kavität 14 beispielhaft luftdicht abgedichtet. Dazu kann beispielsweise eine Rahmenstruktur 22, auf die hier nicht genauer eingegangen wird, die Kavität 14 so luftdicht abdichten, dass ein Referenzdruck po in der Kavität 14 eingeschlossen ist. Wie in Fig. lb erkennbar ist, ist deshalb zumindest ein freitragender Bereich 24 der Membran 12 mittels eines physikalischen Drucks p auf der Membranaußenseite 12b ungleich dem Referenzdruck po verformbar. Die Verformung zumindest des freitragenden Bereichs 24 der Membran 12 aufgrund des darauf einwirkenden physikalischen Drucks p ungleich dem Referenzdruck po ist detektierbar, indem eine Spannung zwischen einer auf der Bodenseite 14a der Kavität 14 angeordneten
Gegenelektrode 26 und der Messelektrode 28abgegriffen wird. Dazu sind die Gegenelektrode 26 und die Messelektrode 28 elektrisch derart kontaktierbar, dass die zwischen der Gegenelektrode 26 und der Messelektrode 28 anliegende Spannung abgegriffen werden kann. Anschließend kann zumindest unter Berücksichtigung der abgegriffenen Spannung ein Messwert bezüglich des jeweils auf der Membranaußenseite 12b vorherrschenden physikalischen Drucks p festgelegt werden. Das mikromechanische Bauteil der Fig. la bis lc kann somit vorteilhaft als zumindest Teil einer kapazitiven Drucksensorvorrichtung eingesetzt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine
Verwendbarkeit der anhand der hier beschriebenen und nachfolgenden Figuren ausgeführten mikromechanischen Bauteile nicht auf kapazitive
Drucksensorvorrichtungen beschränkt ist.
Wie in Fig. lb erkennbar ist, treten bei einer Verformung zumindest des freitragenden Bereichs 24 der Membran 12 mechanische Spannungen in dem jeweiligen„inneren“ Grenzbereich 30a zwischen jeder der ersten Stützstrukturen 20a und dem freitragenden Bereich 24 auf. Ebenso können bei einer Verformung zumindest des freitragenden Bereichs 24 der Membran 12 auch mechanische Spannungen in dem jeweiligen„äußeren“ Grenzbereich 30b zwischen jeder der ersten Stützstrukturen 20a und einem Außenbereich der Membran 12, wie beispielsweise einem Membranrand an der Rahmenstruktur 22, auftreten. Auch können bei einer Verformung zumindest des freitragenden Bereichs 24 der Membran 12 mechanische Spannungen in dem jeweiligen„äußeren“
Elektrodenaufhängungs-Grenzbereich 31 benachbart zu jeder der zweiten Stützstrukturen 20b auftreten. Wie nachfolgend jedoch genauer erläutert wird, kann das Risiko einer Beschädigung der Membran 12 aufgrund von
mechanischen Spannungen, insbesondere das Risiko eines Reißens der Membran 12 durch mechanische Spannungen, mittels einer vorteilhaften
Ausbildung der Stützstrukturen 20a und 20b signifikant reduziert werden.
Bei dem mikromechanischen Bauteil ist jede der ersten und zweiten
Stützstrukturen 20a und 20b mit je einer ersten Randelementstruktur 32, je einer zweiten Randelementstruktur 34 und je mindestens einer zwischen der zugeordneten ersten Randelementstruktur 32 und der zugeordneten zweiten Randelementstruktur 34 angeordneten Zwischenelementstruktur 36 ausgebildet. Fig. lc zeigt beispielhaft eine der ersten Stützstrukturen 20a, wobei die
Teilstrukturen 32 bis 36 jeder ersten Stützstruktur 20a sich jeweils von der Membraninnenseite 12a der Membran 12 zu der Bodenseite 14a der Kavität 14erstrecken. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass auch die zweiten Stützstrukturen 20b die im Weiteren beschriebenen Merkmale aufweisen können, wobei in diesem Fall die Teilstrukturen 32 bis 36 jeder zweiten Stützstruktur 20b sich jeweils von der Membraninnenseite 12a der Membran 12 zu der
Messelektrode 28 erstrecken.
Für jede der Stützstrukturen 20a und 20b ist jeweils eine Symmetrieebene 38 definierbar, bezüglich welcher zumindest die erste Randelementstruktur 32 der jeweiligen Stützstruktur 20a oder 20b und die zweite Randelementstruktur 34 der jeweiligen Stützstruktur 20a oder 20b spiegelsymmetrisch sind. Wahlweise kann auch die mindestens eine Zwischenelementstruktur 36 bezüglich der
Symmetrieebene 38 spiegelsymmetrisch ausgebildet sein. Die Symmetrieebene 38 schneidet die Bodenseite 14a der Kavität 14 und die Membraninnenseite 12a der Membran 12. Die Symmetrieebene 38 kann insbesondere senkrecht zu der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 ausgerichtet sein.
Außerdem sind bei jeder der Stützstrukturen 20a und 20b eine erste maximale Ausdehnung al ihrer ersten Randelementstruktur 32 senkrecht zu ihrer
Symmetrieebene 38 und eine zweite maximale Ausdehnung a2 ihrer zweiten Randelementstruktur 34 senkrecht zu ihrer Symmetrieebene 38 jeweils größer als die mindestens eine jeweilige maximale Ausdehnung a3 ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur 36 senkrecht zu ihrer Symmetrieebene 38. Bei jeder der Stützstrukturen 20a und 20b ist somit eine Linienlänge einer Grenze ihres Kontaktbereichs/Verankerungsbereichs mit der Membran 12 (an der Membraninnenseite 12a) gegenüber dem Stand der Technik aufgrund der hier beschriebenen Ausbildung der Stützstrukturen 20a und 20b deutlich verlängert. Jede der Stützstrukturen 20a und 20b bietet somit mechanischen Spannungen, welche in der Membran 12 benachbart zu der jeweiligen Stützstruktur 20a oder 20b auftreten, deutlich mehr "Angriffsfläche", sodass die mechanischen
Spannungen reduziert werden und damit seltener zu einer Beschädigung der Membran 12, insbesondere seltener zu einem Reißen der Membran 12, führen. Die erste maximale Ausdehnung al der jeweiligen ersten Randelementstruktur 32 jeder der Stützstrukturen 20a und 20b und/oder die zweite maximale
Ausdehnung a2 der jeweiligen zweiten Randelementstruktur 34 jeder der Stützstrukturen 20a und 20b liegen vorzugsweise in einem Bereich zwischen 2 pm (Mikrometer) bis 20 pm (Mikrometer). Die jeweilige maximale Ausdehnung a3 der mindestens einen Zwischenelementstruktur 36 jeder der Stützstrukturen 20a und 20b kann z.B. in einem Bereich zwischen 0,5 pm (Mikrometer) bis 2 pm (Mikrometer) liegen.
Bevorzugter Weise sind die ersten Stützstrukturen 20a jeweils derart benachbart zu dem freitragenden Bereich 24 der Membran 12 angeordnet, dass bei jeder der ersten Stützstrukturen 20a der benachbarte freitragende Bereich 24 auf einer von ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur 36 weg gerichteten Seite ihrer ersten Randelementstruktur 32 liegt. Die vergleichsweise große erste maximale Ausdehnung al der ersten Randelementstruktur 32 gewährleistet somit eine vergleichsweise lange Stirnseite/Stirnfläche der jeweiligen ersten Stützstruktur 20a, welche zu dem freitragenden Bereich 24 der Membran 12 ausgerichtet ist. Die in dem jeweiligen„inneren“ Grenzbereich 30a auftretenden mechanischen Spannungen verteilen sich somit auf eine vergleichsweise große„Angriffsfläche“, sodass eine lokale Intensität der mechanischen Spannungen an der von ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur 36 weg gerichteten Seite der ersten Randelementstruktur 32 vergleichsweise niedrig bleibt.
Vorzugsweise ist auch mindestens eine der ersten Stützstrukturen 20a derart benachbart zu einem Außenbereich der Membran 12, wie beispielsweise dem Membranrand an der Rahmenstruktur 22, angeordnet, dass bei der mindestens einen ersten Stützstruktur 20a der benachbarte Außenbereich auf einer vor ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur 36 weg gerichteten Seite ihrer zweiten Randelementstruktur 34 liegt. Auch die zweite Randelementstruktur 34 bietet somit aufgrund ihrer vergleichsweise großen zweiten Ausdehnung a2 senkrecht zu der Symmetrieebene 38 einem in dem„äußeren“ Grenzbereich 30b zwischen dem Außenbereich der Membran 12 und dem jeweiligen Stützelement 20a auftretenden mechanischen Stress eine vergleichsweise große
Stirnseite/Stirnfläche. Somit bleibt auch eine lokale Intensität von mechanischen Spannungen in dem„äußeren“ Grenzbereich 30b zwischen dem Außenbereich der Membran 12 und der mindestens einen Stützstruktur 20a vergleichsweise niedrig.
Auf eine vorteilhafte Orientierung der zweiten Stützstrukturen 20b wird unten noch eingegangen. Wie in Fig. lc erkennbar ist, kann bei mindestens einer der ersten und zweiten Stützstrukturen 20a und 20b ihre mindestens eine Zwischenelementstruktur 36 an ihrer ersten Randelementstruktur 32 und/oder an ihrer zweiten
Randelementstruktur 34 angebunden sein. Bei der Ausführungsform der Fig. la bis lc ist die (einzige) Zwischenelementstruktur 36 an beiden
Randelementstrukturen 32 und 34 angebunden. Alternativ können die mindestens eine Zwischenelementstruktur 36 und die zwei zugeordneten Randelementstrukturen 32 und 34 jedoch auch voneinander getrennt/vereinzelt ausgebildet sein (siehe beispielsweise Fig. 2). In der Ausführungsform der Fig. la bis lc ist die jeweilige erste Randelementstruktur 32 der Stützstrukturen 20a und 20b jeweils ein sich senkrecht zu der Symmetrieebene 38 mit der ersten maximalen Ausdehnung al erstreckender Quader. Entsprechend ist auch die jeweilige zweite Randelementstruktur 34 der Stützstrukturen 20a und 20b jeweils ein sich senkrecht zu der Symmetrieebene 38 mit der zweiten maximalen Ausdehnung a2 erstreckender Quader. Demgegenüber ist die (einzige)
Zwischenelementstruktur 36 ein sich entlang der Symmetrieebene 38 erstreckender Quader, welcher bezüglich der Symmetrieebene 38
spiegelsymmetrisch ist, und dessen maximale Ausdehnung a3 senkrecht zu der Symmetrieebene 38 deutlich kleiner als seine Ausdehnungen innerhalb der Symmetrieebene 38 ist. Die Stützstrukturen 20a und 20b weisen somit in einer parallel zu der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 ausgerichteten Ebene jeweils einen Querschnitt in Form eines„I“ (großer Buchstabe I) auf.
Fig. 2 bis Fig. 15 zeigen schematische Darstellungen weiterer
Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils.
Die mittels der Fig. 2 bis Fig. 15 schematisch wiedergegebenen
mikromechanischen Bauteile weisen viele der Merkmale der vorausgehend ausgeführten Ausführungsform auf. Im Weiteren wird deshalb nur auf die Unterschiede zwischen den mikromechanischen Bauteilen der Fig. 2 bis Fig. 15 und der Ausführungsform der Fig. la bis lc eingegangen. Sofern nicht gegenteilig beschriebenen, können die mikromechanischen Bauteile der Fig. 2 bis Fig. 15 auch die Merkmale der vorausgehend ausgeführten Ausführungsform aufweisen. Bei dem mittels der Fig. 2 schematisch wiedergegebenen mikromechanischen Bauteil unterscheiden sich die Stützstrukturen 20a und 20b von denen der zuvor beschriebenen Ausführungsform lediglich darin, dass jeweils ein erster Spalt 40a zwischen der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 und der ersten
Randelementstruktur 32 der gleichen Stützstruktur 20a oder 20b und ein zweiter Spalt 40b zwischen der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 und der zweiten Randelementstruktur 34 der gleichen Stützstruktur 20a oder 20b vorliegt. Die jeweiligen Teilstrukturen 32 bis 36 jeder Stützstruktur 20a und 20b sind somit vereinzelt/getrennt zueinander ausgebildet.
An dem mittels der Fig. 3 schematisch wiedergegebenen mikromechanischen Bauteil sind bei mindestens einer der Stützstrukturen 20a und 20b ihre zwei Zwischenelementstrukturen 36a und 36b derart an ihrer ersten
Randelementstruktur 32 und an ihrer zweiten Randelementstruktur 34
angebunden, dass ihre zwei Zwischenelementstrukturen 36a und 36b, ihre erste Randelementstruktur 32 und ihre zweite Randelementstruktur 34 einen sich von der Bodenseite 14a der Kavität 14 zu der Membraninnenseite 12a erstreckenden Hohlraum 42 umrahmen. Die Ausbildung der jeweiligen Stützstruktur 20a oder 20b als eine den jeweiligen Hohlraum 42 umrahmende Hohlraumumrahmung 44 trägt zur Steigerung der Linienlänge der Grenze ihres
Kontaktbereichs/Verankerungsbereichs an der Membran 12 bei. Entsprechend bietet die als Hohlraumumrahmung 44 ausgebildete Stützstruktur 20a oder 20b mechanischen Spannungen noch mehr„Angriffsfläche“, wodurch eine lokale Intensität der an der jeweiligen Stützstruktur 20a oder 20b auftretenden mechanischen Spannungen signifikant verringert ist. Vorzugsweise ist die Hohlraumumrahmung 44 spiegelsymmetrisch bezüglich der Symmetrieebene 38 ausgebildet.
Wie in Fig. 4 erkennbar ist, kann die mindestens eine Stützstruktur 20a oder 20b, deren zwei Zwischenelementstrukturen 36a und 36b, deren erste
Randelementstruktur 32 und deren zweite Randelementstruktur 34 den jeweiligen Hohlraum 42 umrahmen, mit mindestens zwei runden Außenkanten 46 ausgebildet sein. Beispielhaft sind bei dem mikromechanischen Bauteil der Fig. 4 die runden Außenkanten 46 an der von den Zwischenelementstrukturen 36a und 36b weg gerichteten Seite ihrer zweiten Randelementstruktur 34 ausgebildet. Demgegenüber weist das mikromechanische Bauteil der Fig. 5 mindestens eine als Hohlraumumrahmung 44 ausgebildete Stützstruktur 20a und 20b auf, bei welcher die runden Außenkanten 46 an der von den Zwischenelementstrukturen 36a und 36b weg gerichteten Seite der ersten Randelementstruktur 32 ausgebildet sind. Das mikromechanische Bauteil der Fig. 6 weist mindestens eine Stützstruktur 20a und 20b mit vier runden Außenkanten 46 auf, wobei je zwei runde Außenkanten 46 an der von den Zwischenelementstrukturen 36a und 36b weg gerichteten Seite der ersten Randelementstruktur 32 und an der von den Zwischenelementstrukturen 36a und 36b weg gerichteten Seite der zweiten Randelementstruktur 34 ausgebildet sind. Mindestens eine der Stützstrukturen 20a und 20b des mikromechanischen Bauteils der Fig. 6 weist somit in einer parallel zu der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 ausgerichteten Ebene einen Querschnitt in Form eines„abgerundeten Rechtecks“ auf.
Die im Weiteren beschriebenen Ausführungsformen eignen sich insbesondere als zweite Stützstrukturen 20b vorteilhaft. Vorzugsweise sind in diesem Fall die zweiten Stützstrukturen 20b derart ausgerichtet, dass der benachbarte„äußere“ Elektrodenaufhängungs-Grenzbereich 31 auf einer vor ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur 36 weg gerichteten Seite ihrer ersten
Randelementstruktur 32 liegt. Die erste Randelementstruktur 32 bietet somit aufgrund ihrer vergleichsweise großen ersten Ausdehnung al senkrecht zu der Symmetrieebene 38 einem in dem„äußeren“ Elektrodenaufhängungs- Grenzbereich 31 auftretenden mechanischen Stress eine vergleichsweise große Stirnseite/Stirnfläche. Deshalb bleibt auch eine lokale Intensität von in dem „äußeren“ Elektrodenaufhängungs-Grenzbereich 31 auftretenden mechanischen Spannungen vergleichsweise niedrig.
Bei dem mittels der Fig. 7 schematisch wiedergegebenen mikromechanischen Bauteil sind (zumindest) die zweiten Stützstrukturen 20b jeweils als
Hohlraumumrahmung 44 ausgebildet. Allerdings weisen die
Zwischenelementstrukturen 36a und 36b in einer parallel zu der
Substratoberfläche 10a ausgerichteten Raumrichtung innerhalb der
Symmetrieebene 38 eine Länge L36 auf, welche deutlich größer als die erste maximale Ausdehnung al ihrer ersten Randelementstruktur 32 senkrecht zu ihrer Symmetrieebene 38 und die zweite maximale Ausdehnung a2 ihrer zweiten Randelementstruktur 34 senkrecht zu ihrer Symmetrieebene 38 ist. Die Länge L36 der Zwischenelementstrukturen 36a und 36b in der parallel zu der
Substratoberfläche 10a ausgerichteten Raumrichtung innerhalb der
Symmetrieebene 38 kann beispielsweise größer-gleich 5 pm (Mikrometer), insbesondere größer-gleich 10 pm (Mikrometer), sein.
Die in Fig. 8 schematisch dargestellte Stützstruktur 20b unterscheidet sich von der in Fig. 7 gezeigten lediglich darin, dass eine an der ersten
Randelementstruktur 32 angebundene ersten Zwischenelementstruktur 36a um einen ersten Spalt 48a von der zweiten Randelementstruktur 34 beabstandet ist, während eine an der zweiten Randelementstruktur 34 angebundene zweite Zwischenelementstruktur 36b um einen zweiten Spalt 48b von der ersten
Randelementstruktur 32 beabstandet ist.
Auch die in Fig. 9 und 10 wiedergegebenen Stützstrukturen 20b weisen in einer parallel zu der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 ausgerichteten Ebene jeweils einen Querschnitt in Form eines„I“ (großer Buchstabe I) auf. Im
Unterschied zu den Ausführungsformen der Fig. lc und 2 hat die (einzige) Zwischenelementstruktur 36 in einer parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Raumrichtung innerhalb der Symmetrieebene 38 eine Länge L36, welche deutlich größer als die erste maximale Ausdehnung al der benachbarten ersten Randelementstruktur 32 senkrecht zu ihrer Symmetrieebene 38 und die zweite maximale Ausdehnung a2 der benachbarten zweiten Randelementstruktur 34 senkrecht zu ihrer Symmetrieebene 38 ist. Im Unterschied zu der
Ausführungsform der Fig. 10 zeigt Fig. 9 eine Stützstruktur 20b, bei welcher jeweils ein erster Spalt 40a zwischen der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 und der ersten Randelementstruktur 32 der gleichen Stützstruktur 20b und ein zweiter Spalt 40b zwischen der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 und der zweiten Randelementstruktur 34 der gleichen Stützstruktur 20b liegt.
Wie in Fig. 11 und 12 erkennbar ist, können die erste Randelementstruktur 32 und die zweite Randelementstruktur 34 jeder Stützstruktur 20a und 20b jeweils auch in Form eines (geraden) Prismas ausgebildet sein. In diesem Fall verjüngt sich eine Ausdehnung des jeweiligen (geraden) Prismas senkrecht zu der Symmetrieebene 38 in Richtung zu der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 der jeweiligen Stützstruktur 20a oder 20b. Optionaler Weise kann auch in diesem Fall ein erster Spalt 50a zwischen der ersten Randelementstruktur 32 und der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 der gleichen Stützstruktur 20a oder 20b und ein zweiter Spalt 50b zwischen der zweiten Randelementstruktur 34 und der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 der gleichen Stützstruktur 20a oder 20b ausgebildet sein (siehe Fig. 12).
Die mittels der Fig. 13 schematisch wiedergegebene Stützstruktur 20b hat eine erste Randelementstruktur 32 mit einer Auswölbung an ihrer von der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 der gleichen Stützstruktur 20b weg gerichteten Seite. Die erste Randelementstruktur 32 umfasst somit einen Quader mit einem an der von der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 der gleichen Stützstruktur 20b weg gerichteten Seite ausgebildeten Kugelsegment. Die erste
Randelementstruktur 32 ist somit "nagelkopfförmig" geformt. Auch diese Form der ersten Randelementstruktur 32 trägt zur zusätzlichen Steigerung ihrer „Angriffsfläche“ für mechanischen Stress bei und reduziert damit das Risiko eines Reißens der Membran 12 unmittelbar an der jeweiligen Stützstruktur 20a oder 20b. Optionaler Weise kann auch die zweite Randelementstruktur 34 der gleichen Stützstruktur 20a oder 20b derart "nagelkopfförmig" ausgebildet sein, indem die zweite Randelementstruktur 34 einen Quader mit einem an der von der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 der gleichen Stützstruktur 20a oder 20b weg gerichteten Seite ausgebildeten Kugelsegment umfasst. Die
Randelementstrukturen 32 und 34 können auch von der (einzigen)
Zwischenelementstruktur 36 der gleichen Stützstruktur 20a oder 20b (mittels mindestens eines Spalts) getrennt sein.
Bei den mittels der Fig. 14 und 15 schematisch wiedergegebenen
mikromechanischen Bauteilen sind zumindest eine der zweiten Stützstrukturen 20b und eine weitere der zweiten Stützstrukturen 20b so zueinander
ausgerichtet, dass ihre zweiten Randelementstrukturen 34 zueinander ausgerichtet sind, wobei zwischen ihren zweiten Randelementstrukturen eine sich von der Bodenseite 14a der Kavität 14 zu der Membraninnenseite 12a erstreckende Trägerwandstruktur 52 ausgebildet ist. Die Trägerwandstruktur 52 weist vorzugsweise in einer parallel zu der Substratoberfläche 10a
ausgerichteten Richtung innerhalb der Symmetrieebene 38 eine Länge L52 auf, welche deutlich größer als die erste maximale Ausdehnung al und die zweite maximale Ausdehnung a2 ist. Die Länge L52 der Trägerwandstruktur 52 in der parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Raumrichtung innerhalb der Symmetrieebene 38 kann beispielsweise größer-gleich 10 pm (Mikrometer), insbesondere größer-gleich 15 pm (Mikrometer), sein. Die Trägerwandstruktur 52 kann wahlweise an mindestens einer der benachbarte Stützstruktur 20b angebunden sein (Fig. 14). Alternativ kann auch ein erster Spalt 54a zwischen der benachbarten Stützstruktur 20b und der Trägerwandstruktur 52 und ein zweiter Spalt 54b zwischen der weiteren benachbarten Stützstruktur 20b und der Trägerwandstruktur 52 liegen.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale der mittels der Fig. 2 bis 15 schematisch wiedergegebenen mikromechanischen Bauteile wird auf die Ausführungsform der Fig. la bis lc verwiesen.
Die oben beschriebenen Formen der Stützstrukturen 20a und 20b können auch so miteinander„kombiniert“ werden, dass ein mikromechanisches Bauteil verschiedene Formen von Stützstrukturen 20a und 20b aufweist.
Alle oben beschriebenen Stützstrukturen 20a und 20b gewährleisten eine Vergrößerung ihrer Linienlänge der Grenze ihres
Kontaktbereichs/Verankerungsbereichs mit der Membran 12 (an der
Membraninnenseite 12a) gegenüber dem Stand der Technik. Man kann dies auch als eine Vergrößerung der Linienlänge für die Membrankontaktierung umschreiben. Durch die Vergrößerung der Linienlänge für die
Membrankontaktierung der Stützelemente 20 wird eine lokale Intensität der mechanischen Spannungen an der Grenze ihres
Kontaktbereichs/Verankerungsbereichs mit der Membran 12 reduziert. Auf diese Weise wird auch ein Risiko einer Rissbildung in der Membran 12 gegenüber dem Stand der Technik reduziert. Die Stützstrukturen 20a und 20b können auch mindestens zwei in einer entlang oder parallel zu der Symmetrieebene 38 ausgerichteten Reihe angeordnete Zwischenelementstrukturen 36, 36a oder 36b aufweisen.
Die oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile können jeweils in einer kapazitiven Drucksensorvorrichtung eingesetzt werden. Vorzugsweise umfasst die kapazitive Drucksensorvorrichtung zusätzlich eine Auswerteelektronik, welche dazu ausgelegt ist, zumindest unter Berücksichtigung der zwischen der Gegenelektrode 26 und der Messelektrode 28 abgegriffenen Spannung einen Messwert bezüglich des jeweils auf der Membranaußenseite 12b
vorherrschenden physikalischen Drucks p festzulegen und auszugeben.
Fig. 16 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Das Herstellungsverfahren umfasst zumindest einen Verfahrensschritt Sl, im welchem eine Membran an einem Substrat mit einer Substratoberfläche derart aufgespannt wird, dass die Membran eine zwischen der Membran und der Substratoberfläche liegende Kavität beabstandet von einer weg von der
Membran gerichteten Bodenseite der Kavität überspannt. In einem
Verfahrensschritt S2 werden mehrere Stützstrukturen gebildet, welche sich jeweils von einer Membraninnenseite der Membran zu der Bodenseite der Kavität und/oder von der Membraninnenseite zu einer an der Membran aufgehängten Messelektrode erstrecken. Der Verfahrensschritt S2 kann gleichzeitig oder zeitlich überlappend mit dem Verfahrensschritt Sl ausgeführt werden. Der Verfahrensschritt S2 kann auch vor oder nach dem
Verfahrensschritt Sl ausgeführt werden.
Außerdem wird jede der Stützstrukturen mit je einer ersten Randelementstruktur, je einer zweiten Randelementstruktur und je mindestens einer zwischen der zugeordneten ersten Randelementstruktur und der zugeordneten zweiten Randelementstruktur angeordneten Zwischenelementstruktur derart gebildet, dass für jede der Stützstrukturen jeweils eine Symmetrieebene definierbar ist, bezüglich welcher zumindest die erste Randelementstruktur der jeweiligen Stützstruktur und die zweite Randelementstruktur der jeweiligen Stützstruktur spiegelsymmetrisch ist. Des Weiteren werden die Teilstrukturen jeder der Stützstrukturen jeweils so gebildet, dass bei jeder der Stützstrukturen eine erste maximale Ausdehnung ihrer ersten Randelementstruktur senkrecht zu ihrer Symmetrieebene und eine zweite maximale Ausdehnung ihrer zweiten
Randelementstruktur senkrecht zu ihrer Symmetrieebene größer als die mindestens eine maximale Ausdehnung ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur senkrecht zu ihrer Symmetrieebene sind.

Claims

Anspruch
1. Mikromechanisches Bauteil mit: einem Substrat (10) mit einer Substratoberfläche (10a); einer Membran (12), welche eine zwischen der Membran (12) und der Substratoberfläche (10a) liegende Kavität (14) beabstandet von einer weg von der Membran (12) gerichteten Bodenseite (14a) der Kavität (14) überspannt; und mehreren Stützstrukturen (20a und 20b), welche sich jeweils von einer Membraninnenseite (12a) der Membran (12) zu der Bodenseite (14a) der Kavität (14) und/oder von der Membraninnenseite (12a) zu einer an der Membran (12) aufgehängten Messelektrode (28) erstrecken; dadurch gekennzeichnet, dass jede der Stützstrukturen (20a und 20b) je eine erste Randelementstruktur (32), je eine zweite Randelementstruktur (34) und je mindestens eine zwischen der zugeordneten ersten Randelementstruktur (32) und der zugeordneten zweiten Randelementstruktur (34) angeordnete
Zwischenelementstruktur (36, 36a, 36b) aufweist, wobei für jede der Stützstrukturen (20a und 20b) jeweils eine
Symmetrieebene (38) definierbar ist, bezüglich welcher zumindest die erste Randelementstruktur (32) der jeweiligen Stützstruktur (20a oder 20b) und die zweite Randelementstruktur (34) der jeweiligen Stützstruktur (20a oder 20b) spiegelsymmetrisch sind, und wobei bei jeder der Stützstrukturen (20a und 20b) eine erste maximale Ausdehnung (al) ihrer ersten Randelementstruktur (32) senkrecht zu ihrer Symmetrieebene (38) und eine zweite maximale Ausdehnung (a2) ihrer zweiten Randelementstruktur (34) senkrecht zu ihrer Symmetrieebene (38) größer als die mindestens eine jeweilige maximale Ausdehnung (a3) ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur (36, 36a, 36b) senkrecht zu ihrer Symmetrieebene (38) sind.
2. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei die sich von der
Membraninnenseite (12a) zu der Bodenseite (14a) der Kavität (14) erstreckenden Stützstrukturen (20a) jeweils derart benachbart zu einem freitragenden Bereich (24) der Membran (12) angeordnet sind, dass bei jeder der Stützstrukturen (20a) der benachbarte freitragende Bereich (24) auf einer von ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur (36, 36a, 36b) weg gerichteten Seite ihrer ersten Randelementstruktur (32) liegt.
3. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 2, wobei mindestens eine der sich von der Membraninnenseite (12a) zu der Bodenseite (14a) der Kavität (14) erstreckenden Stützstrukturen (20a) derart benachbart zu einem Außenbereich der Membran (12) angeordnet ist, dass bei der mindestens einen Stützstruktur (20a) der benachbarte Außenbereich auf einer von ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur (36, 36a, 36b) weg gerichteten Seite ihrer zweiten Randelementstruktur (34) liegt.
4. Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine erste der sich von der Membraninnenseite (12a) zu der Messelektrode (28) erstreckenden Stützstrukturen (20b) und eine zweite der sich von der Membraninnenseite (12a) zu der Messelektrode (28) erstreckenden Stützstrukturen (20b) so zueinander ausgerichtet sind, dass ihre zweiten Randelementstrukturen (34) zueinander ausgerichtet sind, wobei zwischen ihren zweiten Randelementstrukturen (34) eine sich von der Bodenseite (14a) der Kavität (14) zu der Membraninnenseite (12a) erstreckende Trägerwandstruktur (52) ausgebildet ist.
5. Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei mindestens einer der Stützstrukturen (20a und 20b) ihre mindestens eine Zwischenelementstruktur (36, 36a, 36b) an ihrer ersten Randelementstruktur (32) und/oder an ihrer zweiten Randelementstruktur (34) angebunden ist.
6. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 5, wobei bei mindestens einer der Stützstrukturen (20a und 20b) ihre zwei Zwischenelementstrukturen (36a, 36b) derart an ihrer ersten Randelementstruktur (32) und an ihrer zweiten Randelementstruktur (34) angebunden sind, dass ihre zwei Zwischenelementstrukturen (36a, 36b), ihre erste Randelementstruktur (32) und ihre zweite Randelementstruktur (34) einen sich von der Bodenseite (14a) der Kavität (14) zu der Membraninnenseite (12) erstreckenden Hohlraum (42) umrahmen.
7. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine Stützstruktur (20a und 20b), deren zwei Zwischenelementstrukturen (36a, 36b), deren erste Randelementstruktur (32) und deren zweite
Randelementstruktur (34) den jeweiligen Hohlraum (42) umrahmen, mit mindestens zwei runden Außenkanten (46) ausgebildet ist.
8. Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kavität (14) mit einem darin vorliegenden Referenzdruck (po) so luftdicht abgedichtet ist, dass die Membran (12) zumindest teilweise mittels eines physikalischen Drucks (p) auf einer von der Kavität (14) weg gerichteten Membranaußenseite (12b) der Membran (12) ungleich dem Referenzdruck (po) verformbar ist, und wobei eine auf der Bodenseite (14a) der Kavität (14) angeordnete Gegenelektrode (26) und die Messelektrode (28) elektrisch derart kontaktierbar sind, dass eine zwischen der
Gegenelektrode (26) und der Messelektrode (28) anliegende Spannung abgreifbar ist.
9. Kapazitive Drucksensorvorrichtung mit: einem mikromechanisches Bauteil gemäß Anspruch 8; und einer Auswerteelektronik, welche dazu ausgelegt ist, zumindest unter Berücksichtigung der zwischen der Gegenelektrode (26) und der
Messelektrode (28) abgegriffenen Spannung einen Messwert bezüglich des jeweils auf der Membranaußenseite (12b) vorherrschenden physikalischen Drucks (p) festzulegen und auszugeben.
10. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Schritten:
Aufspannen einer Membran (12) an einem Substrat (10) mit einer
Substratoberfläche (10a) derart, dass die Membran (12) eine zwischen der Membran (12) und der Substratoberfläche (10a) liegende Kavität (14) beabstandet von einer weg von der Membran (12) gerichteten Bodenseite (14a) der Kavität (14) überspannt, wobei mehrere Stützstrukturen (20a und 20b) welche sich jeweils von einer Membraninnenseite (12a) der Membran (12) zu der Bodenseite (14a) der Kavität (14) und/oder von der
Membraninnenseite (12a) zu einer an der Membran (12) aufgehängten Messelektrode (28) erstrecken, gebildet werden; dadurch gekennzeichnet, dass jede der Stützstrukturen (20a und 20b) mit je einer ersten
Randelementstruktur (32), je einer zweiten Randelementstruktur (34) und je mindestens einer zwischen der zugeordneten ersten Randelementstruktur (32) und der zugeordneten zweiten Randelementstruktur (34)
angeordneten Zwischenelementstruktur (36, 36a, 36b) derart gebildet wird, dass für jede der Stützstrukturen (20a und 20b) jeweils eine
Symmetrieebene (38) definierbar ist, bezüglich welcher zumindest die erste Randelementstruktur (32) der jeweiligen Stützstruktur (20a oder 20b) und die zweite Randelementstruktur (34) der jeweiligen Stützstruktur (20a oder 20b) spiegelsymmetrisch ist, und bei jeder der Stützstrukturen (20a und 20b) eine erste maximale Ausdehnung (al) ihrer ersten
Randelementstruktur (32) senkrecht zu ihrer Symmetrieebene (38) und eine zweite maximale Ausdehnung (a2) ihrer zweiten Randelementstruktur (34) senkrecht zu ihrer Symmetrieebene (38) größer als die mindestens eine maximale Ausdehnung (a3) ihrer mindestens einen
Zwischenelementstruktur (36, 36a, 36b) senkrecht zu ihrer
Symmetrieebene (38) sind.
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