WO2020127271A1 - Mems-sensor mit einer membran sowie verfahren zur herstellung eines mems-sensors - Google Patents

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ems
mems sensor
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Thomas Friedrich
Kerrin Doessel
Christoph Hermes
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • M EMS sensor with a membrane and method for producing an M EMS sensor
  • the invention relates to an M EMS sensor with a membrane.
  • the invention further relates to a method for producing an M EMS sensor.
  • the present invention is generally applicable to any MEMS sensors with a membrane, the present invention is described in relation to M EMS pressure sensors with a deflectably arranged membrane.
  • M EMS pressure sensors are used today in a variety of areas, for example in the field of automotive technology, where pressures must be recorded quickly and precisely, for example in the area of electronic stability control or in intake air management in vehicles or the like.
  • DE 10 2016 107 275 A1 has disclosed a method for carrying out a measurement using an M EMS device which comprises a plurality of M EMS sensors which have different resonance frequencies.
  • the method comprises applying an excitation signal to a first port of the M EMS device in such a way that each of the plurality of M EMS sensors is stimulated by the excitation signal.
  • the method further includes measuring a signal at a second port of the M EMS device and determining one measured value based on measuring the signal.
  • the M EMS device comprises several pressure lines with walls from the so-called "mainland" above which pressure-sensitive rectangular membranes are arranged.
  • ⁇ structure comprises a housing structure and a diaphragm plate, wherein the housing structure includes a planar base and side walls, wherein a first surface along the planar base is substantially, said side walls extend circumferentially away from the flat base, the membrane plate extending along a second surface on the side walls, the flat base, the side walls and the membrane plate being attached to one another such that the first surface, the second surface and the inner surfaces of the side walls form a hermetically sealed gap in a reference pressure, an upper edge of the inner surfaces of the side walls forming a periphery of a membrane having a length and a width in the direction of the second surface, the length extending in the direction of the longitudinal extension of the membrane and the width in one it is perpendicular to the direction of length in the direction of the second surface, the pressure sensor structure comprising a fixed electrode on the first surface and a membrane electrode on the second surface to detect changes in capacitance
  • the invention provides an M EMS sensor with a membrane, a base area of the membrane being delimited by a circumferential wall structure, and the base area having at least two partial areas, of which at least one of the partial areas is arranged to be deflectable, and the at least one two partial areas are separated from one another or delimited by at least one separation structure and the separation structure has at least one fluid passage for the passage of a fluid.
  • the invention provides a method of manufacturing an M EMS sensor, comprising the steps
  • fluid is to be understood in particular in the claims, preferably in the description, as a liquid and / or a gas mixture, in particular a gas.
  • Another advantage is the simple and inexpensive manufacture of various membrane shapes on a large, regularly shaped membrane surface that is easy to manufacture.
  • Another advantage is that the at least one fluid passage generally allows a larger back volume, that is to say a hermetically enclosed volume, to be used, which significantly improves the stability of the pressure enclosed therein, for example in terms of outgassing, and the stability to temperature changes or the like. Further features, advantages and further embodiments of the invention are described below or become apparent thereby.
  • the at least two subregions are arranged symmetrically to one another on the base area and in particular are of identical design. This enables simple production and arrangement of the at least two partial areas.
  • the separation structure comprises at least one stele.
  • the separation structure comprises a number of steles which are arranged at regular intervals, in particular at the same distance from one another. In this way, simple and inexpensive production can also be achieved with sufficient separation of the at least two partial areas.
  • the at least one stele is at least partially round and / or angular in cross section, preferably trapezoidal, triangular, square and / or oval. This means that the stelae can be manufactured in a flexible and simple manner.
  • the at least one stele has at least two sections which are designed differently.
  • a stele can thus also have different thicknesses and / or shapes, for example in the z direction / vertical direction.
  • the stele can in particular have one or more steps or the like or can be tapered in the z direction or the like.
  • At least two of the stelae have different diameters. This further improves the flexibility of the separation structure. For example, steles near a wall or wall structure can be made thinner because the wall is in this area additional support is used, whereas in the middle area they can be made stronger, i.e. thicker. In addition, changing the stelae can also influence the behavior to a certain extent, especially in the case of a deflectable membrane.
  • the at least two partial areas ⁇ are rectangular in shape. In this way, several sub-membranes can be provided in a simple manner from a square base area.
  • the wall structure and / or the separation structure is made from two different materials. This allowed ⁇ light flexible adaptation to different criteria, such as stability or the like.
  • the separation structure and / or the wall structure is made of membrane material and / or insulation material and / or electrically conductive material.
  • a MEMS manufacturing method can thus be used in a simple manner to produce the separation structure and wall structure.
  • a first electrode structure for forming a first capacitance and a second electrode structure for forming a second capacitance are arranged in at least one partial area, the two electrode structures being spaced apart from one another by means of the separation structure.
  • At least one of the at least two partial areas is designed as a reference capacitance. This makes it easy to provide a reference capacity through two different sub-areas. Further important features and advantages of the invention emerge from the subclaims, from the drawings, and from the associated description of the figures with reference to the drawings.
  • FIG. 1 shows a MEMS sensor in cross section according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a top view of a MEMS sensor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a top view and a cross section through part of a MEMS sensor according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 shows a method according to an embodiment of the present inven tion.
  • Figure 1 shows an M EMS sensor in cross section according to an embodiment of the present invention.
  • An M EMS sensor 1 is shown in detail in FIG. 1, which was produced in the following manner, for example: First, an oxide layer 3 was applied to a silicon wafer 2 in a first step. Optionally, the substrate 2 can be doped in order to improve the electrical shielding effect. Then a layer 4, in particular a membrane layer, made of silicon-rich nitride - SiRiN - was deposited and then structured together with the oxide layer 3, so that substrate contact was made possible. A lower electrode 5 was then produced by depositing polycrystalline silicon, which was then structured. The substrate contact is filled with conductive polycrystalline silicon. A lower, first sacrificial layer was then deposited in the form of an oxide layer 6 and then structured and in particular additionally planarized by chemical mechanical polishing.
  • a second oxide layer 7 was then deposited and structured in order to create stop structures.
  • Polycrystalline silicon 8 was then deposited and then patterned to produce an upper electrode 8.
  • a third oxide layer 9 was then deposited and planarized.
  • the membrane material 10 has been in the form of silicon-rich nitride ⁇ - deposited - sirin.
  • a fourth oxide layer 11 was then deposited and planarized by chemical-mechanical polishing in order to create an oxide filling in the posts or stelae 22 and the walls 23.
  • Final membrane material 12 was then deposited and structured together with the upper electrode layer 8 in order to obtain one or more etching accesses to the sacrificial layers 6, 7, 9.
  • the sacrificial layers 6, 7, 9 were then removed by gas phase etching or by means of a stiction-free wet release process and the membrane 10, 12 was exposed. It is advantageous if no metal surfaces have to be applied by the exemption process, so that undesired effects, for example formation of deposits on metal pads during gas phase etching or etching of metal pads in the wet release process, provided that no gold pads are used or the like, are avoided become.
  • a stress-adapted SiN layer 13 was then deposited at a correspondingly specified process pressure. This was then structured for contact pads.
  • a further thin polysilicon layer with a film thickness of approximately 100 nm can then optionally be deposited on the top of the SiN layer 13 and structured. This can optionally provide electrical shielding similar to the substrate 2.
  • a metal level was then deposited and then structured to produce contact pads 14. This essentially completes the manufacture of the M EMS sensor 1 with a deflectable membrane.
  • reference numerals 21a, 21b, 21c each have a pair of electrodes with upper and lower electrode in each sub-region A, B, C, corresponding with reference numerals 22 connecting ⁇ or elements pillars, and reference numeral 23 walls of the through clearing of the sacrificial layers produced cavity 30 denotes. Leading out of the electrical contact through the walls 23 is shown in FIG. 1 only for the lower electrode 5 to the right. In the area 24 to the right of the membrane 8, 10, contacting of the substrate 2 is made possible via the contact pads 14.
  • the following division into partial areas and / or partial shapes of the base area 41 can be provided for the membrane 40 in the case of a 350 ⁇ 350 ⁇ m base area 41.
  • Other sizes of the base area 41 are also possible.
  • the usable for the membrane 40 surface is reduced by about 30 pm based on the square base 41 because of additional expenses Interconnection ⁇ and separations between the partial membranes reduce the effective area for the diaphragm 40th
  • FIG. 2 shows a top view of an M EMS sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows an M-EMS sensor 1 is shown having a membrane 40 having a specific base quadrati ⁇ 41st Furthermore, four sub-areas A, B, C, D of the membrane 40 are shown, each of which is rectangular and deflectable.
  • the rectangular areas A, B, C, D are arranged in the interior of the square base area 41 and separated from one another within the base area 41 by punctiform pillars 22 arranged on lines.
  • the square base area 41 is delimited by extensive circumferential walls 23, which in particular, like the punctiform stelae 22, can consist of oxide-filled membrane material.
  • the punctiform stelae 22 can be round, angular and / or square in cross-section and can be arranged at intervals of between 10 pm and 50 pm parallel to the long side of the rectangular areas A, B, C, D.
  • openings or fluid passages 80 are made possible between the partial areas A, B, C, D, so that a fluid connection between the spaces below the respective partial areas A, B, C, D is made possible.
  • An electrode pair 21 is arranged in each case in the interior of the partial regions A, B, C, D.
  • FIG. 3 shows a top view and a cross section through part of an M EMS sensor according to an embodiment of the present invention.
  • a top view of a partial area A of a membrane 40 is shown in detail in FIG. 3, and a cross section is shown in the lower area of FIG.
  • the membrane 40 is spaced apart from a basic structure 2 'via a wall structure 23.
  • Basic structure 2 ', wall structure 23 and membrane 40 enclose a cavity 30.
  • a pair of electrodes 21a is arranged to form a first capacitance 50.
  • the pair of electrodes 21a is arranged essentially in the middle between the left and right part of the wall structure 23.
  • laterally vertical support structures are each arranged 22 are ⁇ .
  • a second electrode 21b disposed ⁇ few.
  • a second capacitance 60 for example a reference capacitance.
  • the dimensions 71, 72 of the subarea A are approximately 320 micrometers in length 72 and approximately 70-80 micrometers in width 71.
  • FIG. 4 shows M EMS sensors in accordance with embodiments of the present invention.
  • FIG. 4 various M EMS sensors 1 are shown in the middle of FIG. 4, each of which has a membrane 40 with a square base area 41, each membrane 40 each having four sub-membrane areas A, B, C, D.
  • pairs of electrodes are arranged on the underside of the membrane 40 and on the top of a basic structure 2 ', as shown in the sectional view on the left side of FIG. 4.
  • the four sub-membrane areas A, B, C, D each have a size of 320 pm ⁇ 72 pm and the distance between the sub-areas A, B, C, D is 10 pm.
  • the electrodes 101, 102 are now connected to one another as upper electrodes and the lower electrodes are connected to the electrodes 103, 104 according to the diagram shown on the right-hand side of FIG. 4, in particular via the four partial membrane regions A, B, C, D.
  • lower electrodes 103 , 104 in different sub-areas A, B, C, D and / or upper electrodes 101, 102 in different sub-areas A, B, C, D are interconnected to form capacitors and / or reference capacitors.
  • two reference capacitances and two variable capacitances are formed, the two variable capacitances - represented by an oblique arrow in each case - being formed by the two regions B and C in the middle of the membrane 40.
  • the upper electrode regions 101, 102 and lower electrode regions 103, 104 can overlap only partially. In such an embodiment, they can thus also be designed geometrically asymmetrically with respect to one another.
  • one of the advantages of such an interconnection shown is an electrical symmetrization of pressure-sensitive measuring capacitance and pressure-insensitive reference capacitance. In the case of an electrically asymmetrical design of the pressure-sensitive measuring capacitance and pressure-sensitive reference capacitance, these can be adapted to an evaluation circuit. It can also be used to enable geometric optimization with regard to stray electrical fields or electrical parasites.
  • Figure 5 shows a method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows a method for producing an M EMS sensor with the reference symbol of FIG. 1.
  • a membrane 40 is provided on a basic structure 2, 3, 4, the membrane 40 being spaced apart from the basic structure 2, 3, 4 via a wall structure 23.
  • a base 41 of the membrane 40 is provided with at least two partial areas A, B, C, D, at least one of the partial areas A, B, C, D being arranged so as to be deflectable.
  • a separating and or limiting is carried out in a third step S3a and / or S3b of the at least two partial areas by at least one separation ⁇ structure 22nd
  • a fourth step S4 at least one fluid passage 80 is provided for the passage of a fluid in the separation structure 22.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen MEMS-Sensor mit einer Membran, wobei eine Grundfläche der Membran mittels einer umlaufenden Wandstruktur begrenzt ist, und wobei die Grundfläche zumindest zwei Teilbereiche aufweist, wovon zumindest einer der Teilbereiche auslenkbar angeordnet ist, und wobei die zumindest zwei Teilbereiche mittels zumindest einer Trennungsstruktur voneinander getrennt oder durch diese begrenzt sind und wobei die Trennungsstruktur zumindest einen Fluiddurchgang zum Durchgang eines Fluids aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
M EMS-Sensor mit einer Membran sowie Verfahren zur Herstellung eines M EMS- Sensors
Tech nisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen M EMS-Sensor mit einer Membran.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines M EMS-Sensors.
Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige MEMS-Sensoren mit einer Membran anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf M EMS- Drucksensoren mit einer auslenkbar angeordneten Membran beschrieben.
Stand der Technik
M EMS-Drucksensoren werden heute in einer Vielzahl von Gebieten eingesetzt, beispielsweise im Bereich der Automobiltechnik, wo Drücke rasch und genau erfasst werden müssen, beispielsweise im Bereich der elektronischen Stabilitätskontrolle oder im Ansaugluftmanagement in Fahrzeugen oder dergleichen.
Aus der DE 10 2016 107 275 Al ist ein Verfahren zum Durchführen einer Messung unter Verwendung einer M EMS-Vorrichtung bekannt geworden, die mehrere M EMS- Sensoren umfasst, die verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen. Das Verfahren umfasst ein Anlegen eines Anregungssignals an einen ersten Port der M EMS- Vorrichtung dergestalt, dass jeder der mehreren M EMS-Sensoren durch das Anregungssignal stimuliert wird. Das Verfahren umfasst ferner ein Messen eines Signals an einem zweiten Port der M EMS-Vorrichtung und Bestimmen eines gemessenen Werts auf der Basis des Messens des Signals. Die M EMS-Vorrichtung umfasst mehrere Druckzeilen mit Wänden aus dem sogenannten„Festland“ über denen drucksensitive rechteckförmige Membranen angeordnet sind.
Aus der EP 2 994 733 Bl ist weiter eine mikroelektromechanische Drucksensor¬ struktur bekannt geworden, die eine Gehäusestruktur und eine Membranplatte umfasst, wobei die Gehäusestruktur eine ebenflächige Basis und Seitenwände umfasst, wobei eine erste Oberfläche im Wesentlichen entlang der ebenflächigen Basis verläuft, wobei die Seitenwände sich von der ebenflächigen Basis weg als Umfang erstrecken, wobei die Membranplatte entlang einer zweiten Oberfläche an den Seitenwänden verläuft, wobei die ebenflächige Basis, die Seitenwände und die Membranplatte so aneinander angebracht sind, dass die erste Oberfläche, die zweite Oberfläche und die Innenflächen der Seitenwände einen hermetisch geschlossenen Spalt in einem Referenzdruck bilden, wobei eine Oberkante der Innenflächen der Seitenwände einen Umfang einer Membran bildet, die eine Länge und eine Breite in Richtung der zweiten Oberfläche aufweist, wobei die Länge in Richtung der Längsausdehnung der Membran verläuft und die Breite in einer senkrecht zur Richtung der Länge stehenden Richtung in Richtung der zweiten Oberfläche verläuft, wobei die Drucksensorstruktur eine Festelektrode an der ersten Oberfläche und eine Membranelektrode an der zweiten Oberfläche umfasst, um Änderungen der Kapazität über den Spalt zu erfassen und wobei die Länge der Membran wenigstens das Dreifache der Breite der Membran beträgt und die Drucksensorstruktur eine oder mehrere Vertiefungen umfasst, die sich von der ersten Oberfläche aus in die ebenflächige Basis erstrecken, wobei die Vertiefungen in einem oder mehreren Vertiefungsbereichen an der ersten Oberfläche vorgesehen sind, wobei eine Position im Vertiefungsbereich einer Position in der zweiten Oberfläche entspricht, wenn eine die Positionen verbindende Linie senkrecht zur Ebene der ersten Oberfläche steht, wobei die Membran so ausgelegt ist, dass sie eine maximale Auslenkung aufweist, die einer maximal zulässigen Verdrängung der Membran im Betrieb entspricht und wobei Vertiefungsbereiche an Positionen vorgesehen sind, wo die Auslenkung der Membran an einer Entsprechungsposition kleiner als zwei Drittel der maximalen Auslenkung ist.
Offenbarung der Erfind ung In einer Ausführungsform stellt die Erfindung einen M EMS-Sensor mit einer Membran bereit, wobei eine Grundfläche der Membran mittels einer umlaufenden Wandstruktur begrenzt ist, und wobei die Grundfläche zumindest zwei Teilbereiche aufweist, wovon zumindest einer der Teilbereiche auslenkbar angeordnet ist, und wobei die zumindest zwei Teilbereiche mittels zumindest einer Trennungsstruktur voneinander getrennt oder durch diese begrenzt sind und wobei die Trennungsstruktur zumindest einen Fluiddurchgang zum Durchgang eines Fluids aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren der Herstellung eines M EMS-Sensors bereit, umfassend die Schritte
Bereitstellen einer Membran auf einer Grundstruktur, wobei die Membran über eine Wandstruktur von der Grundstruktur beabstandet wird, Bereitstellen einer Grundfläche der Membran mit zumindest zwei Teilbereichen, wobei zumindest einer der Teilbereiche auslenkbar angeordnet wird,
Trennen und/oder Begrenzen der zumindest zwei Teilbereiche mittels zumindest einer Trennungsstruktur, und
Bereitstellen von zumindest einen Fluiddurchgang zum Durchgang eines Fluids in der Trennungsstruktur.
Unter dem Begriff„Fluid“ ist insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung eine Flüssigkeit und/oder ein Gasgemisch, insbesondere ein Gas zu verstehen.
Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit die Flexibilität bei der Herstellung verschiedener Membranformen wesentlich erhöht wird. Ein weiterer Vorteil ist die einfache und kostengünstige Herstellung von verschiedenen Membranformen auf einer einfach herzustellenden, großen, regelmäßig geformten Membranfläche. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch den zumindest einen Fluiddurchgang grundsätzlich ein größeres Rückvolumen, also ein hermetisch eingeschlossenes Volumen, genutzt werden kann, was hinsichtlich der Stabilität des darin eingeschlossenen Drucks, zum Beispiel bezüglich Ausgasen als auch der Stabilität gegenüber Temperaturänderungen oder dergleichen wesentlich verbessert. Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die zumindest zwei Teilbereiche symmetrisch zueinander auf der Grundfläche angeordnet und insbesondere identisch ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung und Anordnung der zumindest zwei Teilbereiche.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Trennungsstruktur zumindest eine Stele. Mittels der zumindest einen Stele ist eine einfache Herstellung der Trennungsstruktur bei gleichzeitigem Bereitstellen eines Fluiddurchgangs möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Trennungsstruktur mehrere Stelen, welche in regelmäßigem Abstand, insbesondere im jeweils gleichen Abstand zueinander, angeordnet sind. Damit kann ebenfalls eine einfache und kostengünstige Herstellung bei gleichzeitig ausreichender Trennung der zumindest zwei Teilbereiche erreicht werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die zumindest eine Stele im Querschnitt zumindest teilweise rund und/oder eckig ausgebildet, vorzugsweise trapezförmig, dreieckig, quadratisch und/oder oval. Damit können die Stelen auf flexible und gleichzeitig einfache Weise hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die zumindest eine Stele zumindest zwei Abschnitte auf, die unterschiedlich ausgebildet sind. Damit kann eine Stele beispielsweise in z- Richtung/vertikaler Richtung auch verschiedene Dicken und/oder Formen aufweisen. Die Stele kann insbesondere ein oder mehrere Stufen oder dergleichen aufweisen oder in z-Richtung verjüngend oder dergleichen ausgebildet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weisen zumindest zwei der Stelen unterschiedlichen Durchmesser auf. Damit wird die Flexibilität der Trennungsstruktur weiter verbessert. So können beispielsweise Stelen in der Nähe einer Wand oder Wandstruktur dünner ausgeführt werden, da die Wand in diesem Bereich als zusätzliche Unterstützung dient, wohingegen sie im mittleren Bereich stärker, also dicker, ausgeführt werden können. Darüber hinaus kann durch Veränderung der Stelen auch das Verhalten, insbesondere bei einer auslenkbaren Membran ihr Schwingungsverhalten, in gewissem Maße beeinflusst werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die zumindest zwei Teil¬ bereiche rechteckig ausgebildet. Damit können auf einfache Weise aus einer quadratischen Grundfläche mehrere Teilmembranen bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Wandstruktur und/oder die Trennungsstruktur aus zwei unterschiedlichen Materialien hergestellt. Dies ermög¬ licht eine flexible Anpassung an unterschiedliche Kriterien, beispielsweise Stabilität oder dergleichen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Trennungsstruktur und/oder die Wandstruktur aus Membranmaterial und/oder Isolationsmaterial und/oder elektrisch leitendem Material hergestellt. Damit kann auf einfache Weise ein MEMS- Herstellungsverfahren benutzt werden, um Trennungsstruktur und Wandstruktur herzustellen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist in zumindest einem Teilbereich eine erste Elektrodenstruktur zur Bildung einer ersten Kapazität angeordnet und eine zweite Elektrodenstruktur zur Bildung einer zweiten Kapazität, wobei die beiden Elektrodenstrukturen mittels der Trennungsstruktur voneinander beabstandet sind. Damit lassen sich beispielsweise eine umlaufende Kapazität und eine innere Kapazität bereitstellen, die unterschiedliches Auslenkungsverhalten haben, weil insbesondere die Außenbereiche einer Membran, die mit der Wandstruktur oder insbesondere einem Festland verbunden sind, sich im allgemeinen weniger durchbiegen als Bereich in der Mitte der Membran. Somit lässt sich auf einfache Weise eine Referenzkapazität bereitstellen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest einer der zumindest zwei Teilbereiche als Referenzkapazität ausgebildet. Damit lässt sich auf einfache Weise eine Referenzkapazität durch zwei unterschiedliche Teilbereiche bereitstellen. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unter ansprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu er läuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich nungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
Kurze Beschreibu ng der Zeich nungen
Dabei zeigt in schematischer Form
Figur 1 einen MEMS-Sensor im Querschnitt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine Draufsicht auf einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 3 eine Draufsicht und einen Querschnitt durch einen Teil eines MEMS- Sensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 4 MEMS-Sensoren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfin dung; und
Figur 5 ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung. Ausführungsformen der Erfindu ng
Figur 1 zeigt einen M EMS-Sensor im Querschnitt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Im Detail ist in Figur 1 ein M EMS-Sensor 1 gezeigt, der beispielsweise auf folgende Weise hergestellt wurde: Zunächst wurde auf einem Siliziumwafer 2 in einem ersten Schritt eine Oxidschicht 3 aufgebracht. Optional kann dabei das Substrat 2 dotiert werden, um den elektrischen Abschirmungseffekt zu verbessern. Anschließend wurde eine Schicht 4, insbesondere eine Membranschicht, aus siliziumreichem Nitrid - SiRiN - abgeschieden und anschließend zusammen mit der Oxidschicht 3 strukturiert, sodass ein Substratkontakt ermöglicht wurde. Anschließend wurde eine untere Elektrode 5 hergestellt durch Abscheidung von polykristallinem Silizium, welches anschließend strukturiert wurde. Der Substratkontakt wird dabei mit leitendem polykristallinen Silizium aufgefüllt. Danach wurde eine untere, erste Opferschicht in Form eine Oxidschicht 6 abgeschieden und anschließend strukturiert und insbesondere zusätzlich planarisiert durch chemisch-mechanisches Polieren. Anschließend wurde eine zweite Oxidschicht 7 abgeschieden und strukturiert, um Anschlagsstrukturen anzulegen. Anschließend wurde polykristallines Silizium 8 abgeschieden und anschließend strukturiert, um eine obere Elektrode 8 herzustellen. Danach wurde eine dritte Oxidschicht 9 abgeschieden und planarisiert. Anschließend wurde eine Strukturierung für Posts, also Stützelemente in Form von Stelen 22 und für Wände 23, erstellt. Anschließend wurde Membranmaterial 10 in Form von silizium¬ reichem Nitrid - SiRiN - abgeschieden. Danach wurde eine vierte Oxidschicht 11 abgeschieden und durch chemisch-mechanisches Polieren planarisiert, um eine Oxidfüllung in den Posts beziehungsweise Stelen 22 und den Wänden 23 zu erstellen. Anschließend wurde abschließendes Membranmaterial 12 abgeschieden und strukturiert samt der oberen Elektrodenschicht 8, um einen oder mehrere Ätzzugänge zu den Opferschichten 6, 7, 9 zu erhalten. Danach wurden die Opferschichten 6, 7, 9 durch Gasphasenätzen oder mittels eines Stiction-free Nassrelease- Prozesses ausgeräumt und die Membran 10, 12 freigestellt. Vorteilhaft ist, wenn durch den Freistellungsprozess keine Metalloberflächen beaufschlagt werden müssen, sodass ungewollte Effekte, beispielsweise Belagsbildung auf Metallpads beim Gasphasenätzen oder Anätzen von Metallpads im Nassrelease- Prozess, sofern keine Goldpads verwendet werden oder dergleichen, vermieden werden. Anschließend wurde eine stressangepasste SiN-Schicht 13 abgeschieden bei einem entsprechend vorgegebenen Prozessdruck. Diese wurde anschließend strukturiert für Kontaktpads. Optional kann anschließend eine weitere dünne Polysiliziumschicht, mit circa 100 nm Filmdicke auf der Oberseite der SiN-Schicht 13 abgeschieden und strukturiert werden. Diese kann optional eine elektrische Schirmung ähnlich des Substrats 2 bereitstellen. Anschließend wurde eine Metallebene abgeschieden und anschließend zur Herstellung von Kontaktpads 14 strukturiert. Damit ist im Wesentlichen die Herstellung des M EMS-Sensors 1 mit einer auslenkbaren Membran abgeschlossen.
Hierbei werden mit Bezugszeichen 20 Anschlagstrukturen, mit Bezugszeichen 21a, 21b, 21c jeweils ein Elektrodenpaar mit unterer und oberer Elektrode in dem jeweiligen Teilbereich A, B, C, mit Bezugszeichen 22 entsprechende Verbindungs¬ elemente beziehungsweise Stelen, und mit Bezugszeichen 23 Wände des durch Ausräumen der Opferschichten hergestellten Hohlraums 30 bezeichnet. Das Herausführen des elektrischen Kontakts durch die Wände 23 ist in Fig. 1 nur für die untere Elektrode 5 nach rechts dargestellt. Im Bereich 24 rechts der Membran 8, 10 wird über die Kontaktpads 14 eine Kontaktierung des Substrats 2 ermöglicht.
Insgesamt können beispielsweise bei einer 350 x 350 pm Grundfläche 41 für die Membran 40 folgende Aufteilung in Teilbereiche und/oder Teilformen der Grundfläche 41 zur Verfügung gestellt werden. Andere Größen der Grundfläche 41 sind ebenso möglich.
1. Quadratische große Membran 40 mit bis zu 350 x 350 pm Seitenlänge
2. Mehrfache quadratische Teilmembranen mit Seitenlängen bis circa 160 x 160 pm.
Hier ist die für die Membran 40 nutzbare Fläche um circa 30 pm bezogen auf die quadratische Grundfläche 41 verringert, da zusätzlicher Verschaltungs¬ aufwand und Abtrennungen zwischen den Teilmembranen die nutzbare Fläche für die Membran 40 verringern.
3. Runde Membran 40 mit bis zu 350 pm Durchmesser
4. Mehrfache runde Teilmembranen mit Durchmessern bis circa 160 pm
5. Mehrfache rechteckige Teilmembranen mit Seitenlängen bis circa 320 pm und einem Seitenlängenverhältnisse größer 2:1. Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf einen M EMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Figur 2 ist ein M EMS-Sensor 1 gezeigt mit einer Membran 40, die eine quadrati¬ sche Grundfläche 41 aufweist. Weiterhin sind vier Teilbereiche A, B, C, D der Membran 40 gezeigt, die jeweils rechteckförmig und auslenkbar ausgebildet sind. Die rechteckförmigen Bereiche A, B, C, D sind im Inneren der quadratischen Grundfläche 41 angeordnet und voneinander innerhalb der Grundfläche 41 durch punktförmige, auf Linien angeordnete Stelen 22 abgetrennt. Die Abgrenzung der quadratischen Grundfläche 41 erfolgt durch ausgedehnte umlaufende Wände 23, die insbesondere wie auch die punktförmigen Stelen 22 aus oxidgefülltem Membranmaterial bestehen können. Die punktförmigen Stelen 22 können dabei rund, eckig und/oder quadratisch im Querschnitt sein und im Abstand jeweils zwischen 10 pm und 50 pm parallel zur Längsseite der rechteckförmigen Bereiche A, B, C, D angeordnet sein. Mittels der Stelen 22 werden zwischen den Teilbereichen A, B, C, D Öffnungen oder Fluiddurchgänge 80 ermöglicht, sodass eine Fluidverbindung zwischen den Räumen unterhalb der jeweiligen Teilbereiche A, B, C, D ermöglicht wird. Im Inneren der Teilbereiche A, B, C, D ist jeweils ein Elektrodenpaar 21 angeordnet.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht und einen Querschnitt durch einen Teil eines M EMS- Sensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Im Detail ist in Figur 3 im oberen Bereich eine Aufsicht auf einen Teilbereich A einer Membran 40 gezeigt, im unteren Bereich der Figur 3 ist ein Querschnitt gezeigt. Die Membran 40 wird über eine Wandstruktur 23 von einer Grundstruktur 2' beabstandet. Grundstruktur 2', Wandstruktur 23 und Membran 40 umschließen dabei einen Hohlraum 30. Auf der Oberseite der Grundstruktur 2' und auf der Unterseite der Membran 40 ist ein Elektrodenpaar 21a zur Bildung einer ersten Kapazität 50 angeordnet. Das Elektrodenpaar 21a wird dabei im Wesentlichen in der Mitte zwischen dem linken und rechten Teil der Wandstruktur 23 angeordnet. Zwischen dem ersten Elektrodenpaar 21a und dem linken beziehungsweise rechten Teil der Wandstruktur 23 sind jeweils seitlich vertikale Unterstützungsstrukturen 22 ange¬ ordnet. Zwischen den beiden Unterstützungsstrukturen 22 und dem jeweiligen linken beziehungsweise rechten Teil der Wandstruktur 23 sind auf der Oberseite der Grundstruktur 2' und der Unterseite der Membran 40 jeweils ein zweites Elektroden¬ paar 21b angeordnet. Hierdurch wird eine zweite Kapazität 60, beispielsweise eine Referenzkapazität, gebildet. Die Abmessungen 71, 72 des Teilbereichs A betragen hierbei circa 320 Mikrometer als Länge 72 und circa 70-80 Mikrometer als Breite 71.
Figur 4 zeigt M EMS-Sensoren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
In Figur 4 sind verschiedene M EMS-Sensoren 1 in der Mitte der Fig. 4 gezeigt, die jeweils eine Membran 40 mit einer quadratischen Grundfläche 41 aufweisen, wobei jede Membran 40 jeweils vier Teilmembranbereiche A, B, C, D aufweist. Hierbei sind jeweils Elektrodenpaare auf der Unterseite der Membran 40 und auf der Oberseite einer Grundstruktur 2' angeordnet, wie dies im Schnittbild auf der linken Seite der Fig. 4 dargestellt ist. Die vier Teilmembranbereiche A, B, C, D weisen jeweils eine Größe von 320 pm x 72 pm auf und der Abstand zwischen den Teilbereichen A, B, C, D beträgt 10 pm. Über die vier Teilmembranbereiche A, B, C, D werden nun die Elektroden 101, 102 als obere Elektroden miteinander verschaltet und als untere Elektroden die Elektroden 103, 104 gemäß dem gezeigten Schema auf der rechten Seite der Fig. 4. Insbesondere können untere Elektroden 103, 104 in unterschiedlichen Teilbereichen A, B, C, D und/oder obere Elektroden 101, 102 in unterschiedlichen Teilbereichen A, B, C, D miteinander verschaltet werden zur Bildung von Kapazitäten und/oder Referenzkapazitäten. In einer der Ausführungsformen der Fig. 4 werden zwei Referenzkapazitäten und zwei veränderliche Kapazitäten gebildet, wobei die zwei veränderlichen Kapazitäten - dargestellt durch jeweils einen schräg verlaufenden Pfeil - durch die beiden Bereiche B und C in der Mitte der Membran 40 gebildet werden.
Es ist ebenso möglich, dass sich obere Elektrodenbereiche 101, 102 und untere Elektrodenbereiche 103, 104 nur teilweise überlappen. Bei einer solchen Ausführungsform können diese somit auch geometrisch unsymmetrisch zueinander ausgeführt werden. Unter anderem ist einer der Vorteile einer solchen gezeigten Verschaltung eine elektrische Symmetrisierung von drucksensitiver Messkapazität und druckinsensitiver Referenzkapazität. Bei einer elektrisch unsymmetrischen Auslegung von drucksensitiver Messkapazität und druckinsensitiver Referenzkapazität können diese an eine Auswerteschaltung angepasst werden. Weiter kann damit auch eine geometrische Optimierung bezüglich elektrischer Streufelder oder elektrischer Parasiten ermöglicht werden.
Figur 5 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Figur 5 ist ein Verfahren zur Herstellung eines M EMS-Sensors gezeigt mit Bezugszeichen der Fig. 1.
Dabei erfolgt in einem ersten Schritt S1 ein Bereitstellen einer Membran 40 auf einer Grundstruktur 2, 3, 4, wobei die Membran 40 über eine Wandstruktur 23 von der Grundstruktur 2, 3, 4 beabstandet wird.
Weiter erfolgt in einem zweiten Schritt S2 ein Bereitstellen einer Grundfläche 41 der Membran 40 mit zumindest zwei Teilbereichen A, B, C, D, wobei zumindest einer der Teilbereiche A, B, C, D auslenkbar angeordnet wird.
Weiter erfolgt in einem dritten Schritt S3a und/oder S3b ein Trennen und oder Begrenzen der zumindest zwei Teilbereiche mittels zumindest einer Trennungs¬ struktur 22.
Weiter erfolgt in einem vierten Schritt S4 ein Bereitstellen von zumindest einen Fluiddurchgang 80 zum Durchgang eines Fluids in der Trennungsstruktur 22.
Insgesamt ermöglicht zumindest eine der Ausführungsformen der folgenden Erfindung folgende Merkmale und/oder folgende Vorteile:
• Verkettung von nahezu rechteckigen Einzelmembranen innerhalb einer quadratischen Membranfläche, wobei insbesondere ein Anstieg des Verhältnisses aus einer Kapazitätsanordnung zur Grundkapazität AC/Co bei einer Reduktion der Grundkapazität Co ermöglicht werden kann, was vorteilhaft ist.
• Verkettung von mehreckigen Einzelmembranen innerhalb einer quadratischen Grundfläche.
• Verkettung von nahezu rechteckigen Einzelmembranen innerhalb einer quadratischen Membranfläche beispielsweise trapezoid, mehreckig, oval mit Aspektverhältnissen von größer/gleich 2:1 bezüglich Kantenlänge zu -breite
• Abtrennung der Einzelmembranen durch oxidgefüllte Wände aus Membranmaterial.
• Abtrennung der Einzelmembranen durch oxidgefüllte punktförmigen Stelen aus Membranmaterial zum Beispiel rund, eckig, dreieckig, mehreckig oder dergleichen.
• Mechanische Verstärkung der drucksensitiven Referenzkapazitäten durch Stelen im inneren elektrisch aktiven Bereich der Membran
• Variable mechanische Verstärkung der drucksensitiven Messkapazitäten durch Stelen oder Wände.
• Variable mechanische Unterstützung von Membranen durch Stelen in runder, mehreckiger, quadratischer oder dreieckiger Geometrie.
• Variable mechanische Unterstützung von Membranen durch Stelen und Wänden mit variablen Durchmessern von 2 pm bis 20 pm.
• Umlaufende Kapazitäten mit einer anderen Nutzkapazität im Inneren und deren Trennung durch Unterstützungsstrukturen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele be schrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modi fizierbar.

Claims

A n s p r ü c h e
1. M EMS-Sensor (1) mit einer Membran (40), wobei
eine Grundfläche (41) der Membran (40) mittels einer umlaufenden Wandstruktur (23) begrenzt ist, und wobei
die Grundfläche (41) zumindest zwei Teilbereiche (A, B, C, D) aufweist, wovon zumindest einer der Teilbereiche (A, B, C, D) auslenkbar angeordnet ist, und wobei die zumindest zwei Teilbereiche (A, B, C, D) mittels zumindest einer Trennungs¬ struktur (22) voneinander getrennt oder durch diese begrenzt sind und wobei die Trennungsstruktur (22) zumindest einen Fluiddurchgang (80) zum Durchgang eines Fluids aufweist.
2. M EMS-Sensor gemäß Anspruch 1, wobei die zumindest zwei Teilbereiche (A, B, C, D) symmetrisch zueinander auf der Grundfläche (41) angeordnet sind, und insbesondere identisch ausgebildet sind.
3. M EMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 1-2, wobei die Trennungsstruktur (22) zumindest eine Stele umfasst.
4. M EMS-Sensor gemäß Anspruch 3, wobei die Trennungsstruktur (22) mehrere Stelen umfasst, welche in regelmäßigem Abstand, insbesondere in jeweils gleichem Abstand zueinander, angeordnet sind.
5. M EMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die zumindest eine Stele (22) im Querschnitt zumindest teilweise rund und/oder eckig ausgebildet ist, vorzugsweise trapezoid, dreieckig, quadratisch und/oder oval.
6. M EMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 3-5, wobei die zumindest eine Stele (22) zumindest zwei Abschnitte aufweist, die unterschiedlich ausgebildet sind.
7. M EMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 4-6, wobei zumindest zwei der Stelen (22) unterschiedlichen Durchmesser aufweisen.
8. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 1-7, wobei die zumindest zwei Teilbereiche (A, B, C, D) rechteckig ausgebildet sind.
9. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 1-8, wobei die Wandstruktur (23) und/oder die Trennungsstruktur (22) aus zwei unterschiedlichen Materialien hergestellt ist.
10. MEMS-Sensor gemäß Anspruch 9, wobei die Trennungsstruktur (22) und/ oder die Wandstruktur (23) aus Membranmaterial und/oder Isolationsmaterial und/oder elektrisch leitendem Material hergestellt sind.
11. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 1-10, wobei in zumindest einem Teilbereich (A, B, C, D) eine erste Elektrodenstruktur (21a) zur Bildung einer ersten Kapazität (50) und eine zweite Elektrodenstruktur (21b) zur Bildung einer zweiten Kapazität (60) angeordnet ist, wobei die beiden Elektrodenstrukturen (21a, 21b) mittels der Trennungsstruktur (22) voneinander beabstandet sind.
12. MEMS-Sensor gemäß Anspruch 11, wobei zumindest einer der zumindest zwei Teilbereiche (A, B, C, D) als Referenzkapazität ausgebildet ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Sensors (1), umfassend die Schritte
Bereitstellen (Sl) einer Membran (40) auf einer Grundstruktur (2, 3, 4), wobei die Membran (40) über eine Wandstruktur (23) von der Grund struktur (2, 3, 4) beabstandet wird,
Bereitstellen (S2) einer Grundfläche (41) der Membran (40) mit zumindest zwei Teilbereichen (A, B, C, D), wobei zumindest einer der Teilbereiche (A, B, C, D) auslenkbar angeordnet wird,
Trennen (S3a) und/oder Begrenzen (S3b) der zumindest zwei Teilbereiche mittels zumindest einer Trennungsstruktur (22), und
Bereitstellen (S4) von zumindest einen Fluiddurchgang (80) zum Durch gang eines Fluids in der Trennungsstruktur (22).
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