DE102012215251A1

DE102012215251A1 - Micro-electro-mechanical systems component e.g. valve component, has anchorage structure setting counter-element under tensile stress so that deflections of counter-element counteract perpendicular to layer planes

Info

Publication number: DE102012215251A1
Application number: DE201210215251
Authority: DE
Inventors: Jochen Zoellin; Christoph Schelling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2013-03-21

Abstract

The component (10) has a fixed counter-element (14) is provided with through-holes (16) that are formed in the structure over a movable membrane (11). A sealing structure is formed between the membrane and the counter-element. The counter-element is connected to the substrate via an anchorage structure (18). The counter-element is connected to a substrate (1) via the anchorage structure, which sets the counter-element under tensile stress so that pressure or acceleration-induced deflections of the counter-element counteract perpendicular to layer planes. An independent claim is also included for a valve component.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein MEMS-Bauelement, dessen Bauelementstruktur in einem Schichtaufbau auf einem Substrat realisiert ist. Das MEMS-Bauelement umfasst eine auslenkbare Membran, die eine Öffnung in der Substratrückseite überspannt und mit mindestens einer auslenkbaren Elektrode einer Kondensatoranordnung versehen ist. Des Weiteren umfasst das MEMS-Bauelement ein feststehendes Gegenelement mit Durchgangsöffnungen, das im Schichtaufbau über der Membran angeordnet ist und als Träger für mindestens eine feststehende Elektrode der Kondensatoranordnung fungiert. Über dem Randbereich der Membran, zwischen Membran und Gegenelement ist eine Dichtstruktur ausgebildet.The invention relates to a MEMS component whose component structure is realized in a layer structure on a substrate. The MEMS device comprises a deflectable membrane which spans an opening in the back of the substrate and is provided with at least one deflectable electrode of a capacitor arrangement. Furthermore, the MEMS component comprises a fixed counter element with passage openings, which is arranged in the layer structure over the membrane and acts as a support for at least one fixed electrode of the capacitor arrangement. Over the edge region of the membrane, between the membrane and the counter element, a sealing structure is formed.

Derartige MEMS-Bauelemente können – je nach Auslegung der Bauelementstruktur – sowohl Aktorfunktionen als auch Sensorfunktionen übernehmen. So kann ein MEMS-Bauelement der hier in Rede stehenden Art beispielsweise als Ventilbauelement konzipiert werden, bei dem die Membran als Verschlusselement dient. In diesem Fall wird die Kondensatoranordnung zum gezielten Ansteuern bzw. Betätigen des Verschlusselements genutzt. Ein MEMS-Bauelement der hier in Rede stehenden Art kann aber auch als Drucksensor oder Mikrofonbauelement ausgelegt werden. In diesem Fall wird die Membran aufgrund der Druckeinwirkung ausgelenkt. Diese Membranauslenkungen können dann als Kapazitätsänderungen der Kondensatoranordnung erfasst werden.Such MEMS components can - depending on the design of the component structure - take over both actuator functions and sensor functions. Thus, a MEMS component of the type in question here can be designed, for example, as a valve component in which the membrane serves as a closure element. In this case, the capacitor arrangement is used for targeted activation or actuation of the closure element. However, a MEMS component of the type in question can also be designed as a pressure sensor or microphone component. In this case, the membrane is deflected due to the action of pressure. These membrane deflections can then be detected as capacitance changes of the capacitor arrangement.

In der US 6,535,460 B2 wird ein Mikrofonbauelement der eingangs genannten Art beschrieben. Der Aufbau dieses Mikrofonbauelements umfasst ein Substrat mit einer Durchgangsöffnung, die als Schallöffnung fungiert und von einer Membran überspannt wird. Über der Membran und von dieser beabstandet ist ein perforiertes Gegenelement angeordnet, das im Randbereich der Schallöffnung mit dem Substrat verbunden ist. Membran und Gegenelement bilden zusammen einen Mikrofonkondensator, wobei die Membran als bewegliche Elektrode fungiert, während das feststehende Gegenelement mit einer starren Gegenelektrode ausgestattet ist. Bei dem bekannten Mikrofonbauelement ist über dem Randbereich der Schallöffnung, an der der Membran zugewandten Unterseite des feststehenden Gegenelements eine ringförmige Auflagestruktur für die Membran ausgebildet, die der akustischen Abdichtung dient. Dazu wird die Membran elektrostatisch gegen die Auflagestruktur gezogen. In the US 6,535,460 B2 a microphone component of the type mentioned is described. The structure of this microphone component comprises a substrate with a passage opening, which acts as a sound opening and is covered by a membrane. A perforated counter element, which is connected to the substrate in the edge region of the sound opening, is arranged above the membrane and at a distance therefrom. Membrane and counter element together form a microphone capacitor, wherein the membrane acts as a movable electrode, while the fixed counter element is equipped with a rigid counter electrode. In the known microphone component, an annular support structure for the membrane, which serves for the acoustic seal, is formed over the edge region of the sound opening, on the underside of the fixed counter element facing the membrane. For this purpose, the membrane is electrostatically drawn against the support structure.

Als Träger der feststehenden Elektrode der Kondensatoranordnung sollte das Gegenelement eines MEMS-Bauelements der hier in Rede stehenden Art möglichst starr in den Schichtaufbau des Bauelements eingebunden sein bzw. an diesen angebunden sein. Dies gilt gleichermaßen für Aktor- wie auch für Sensoranwendungen, da die Lagefixierung der Gegenelektrode zur Membranelektrode sowohl Voraussetzung für eine gezielte Ansteuerung der Membran als auch für eine zuverlässige Signalerfassung ist. Außerdem beruht die Dichtwirkung der Dichtstruktur zwischen der Membran und dem Gegenelement zu einem großen Teil auf der Lagefixierung des Gegenelements. As a carrier of the fixed electrode of the capacitor arrangement, the counter element of a MEMS component of the type in question should be as rigidly bound as possible to the layer structure of the component or connected thereto. This applies equally to actuator as well as sensor applications, since the positional fixation of the counter electrode to the membrane electrode is both a prerequisite for a targeted control of the membrane and for a reliable signal acquisition. In addition, the sealing effect of the sealing structure between the membrane and the counter element is based to a large extent on the positional fixation of the counter element.

Das Gegenelement wird deshalb meist in einer relativ dicken Schicht des Schichtaufbaus ausgebildet, wie z.B. in einer Epi-Polysiliziumschicht. Dementsprechend trägt das Gegenelement bekannter MEMS-Bauelemente wesentlich zur Bauhöhe des Bauelements bei. Je dicker das Gegenelement ist, umso größer ist dann auch der fertigungstechnische Aufwand für die Strukturierung des Gegenelements. Bei einigen Anwendungen wirkt sich ein dickes Gegenelement zudem nachteilig auf die Funktion des Bauelements aus. So sollte beispielsweise das Gegenelement eines Mikrofonbauelements im Hinblick auf eine gute Rauschperformance möglichst dünn sein.The counter-element is therefore usually formed in a relatively thick layer of the layer structure, such as e.g. in an epi polysilicon layer. Accordingly, the counter element known MEMS devices contributes significantly to the height of the device. The thicker the counter-element is, the greater the manufacturing expense for the structuring of the counter-element. In some applications, a thick mating element also adversely affects the function of the device. For example, the counter element of a microphone component should be as thin as possible with regard to a good noise performance.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen zur Lagefixierung eines ggf. auch dünnen Gegenelements im Schichtaufbau eines MEMS-Bauelements der hier in Rede stehenden Art vorgeschlagen, die auch zur Dichtwirkung der Dichtstruktur zwischen der Membran und dem Gegenelement beitragen. The present invention proposes measures for fixing the position of a possibly also thin counter element in the layer structure of a MEMS component of the type in question, which also contribute to the sealing effect of the sealing structure between the membrane and the counter element.

Erfindungsgemäß ist das Gegenelement dazu über eine Verankerungsstruktur an das Substrat angebunden, die das Gegenelement unter Zugstress setzt und so druck- oder beschleunigungsbedingten Auslenkungen des Gegenelements senkrecht zu den Schichtebenen entgegenwirkt. Auf diese Weise lässt sich auch ein vergleichsweise dünnes Gegenelement zuverlässig in seiner Lage parallel zu den Schichtebenen stabilisieren. According to the invention, the counter element is connected to the substrate via an anchoring structure, which sets the counter element under tensile stress and thus counteracts pressure or acceleration-related deflections of the counter element perpendicular to the layer planes. In this way, even a comparatively thin counter element can be reliably stabilized in its position parallel to the layer planes.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Verankerungsstruktur mindestens eine im Randbereich des Gegenelements umlaufende Verankerungswand, die über mehrere im Wesentlichen radial bzw. senkrecht dazu angeordnete Stützwände stabilisiert wird. Diese Verankerungswand kann geschlossen sein oder auch mit Öffnungen versehen sein. Jedenfalls verleihen ihr die Stützwände die erforderliche Kippsteifigkeit. In a first embodiment of the invention, the anchoring structure comprises at least one circumferential anchoring wall in the edge region of the counter element, which is stabilized by a plurality of substantially radially or vertically arranged support walls. This anchoring wall may be closed or provided with openings. In any case, give her the supporting walls the necessary Kippsteifigkeit.

Eine besonders gute Lagestabilisierung des Gegenelements lässt sich mit einer Verankerungsstruktur erzielen, die mindestens zwei im Randbereich des Gegenelements umlaufende und im Wesentlichen konzentrisch bzw. parallel zueinander angeordnete Verankerungswände umfasst, wenn diese über mehrere Stützwände miteinander verbunden sind.A particularly good position stabilization of the counter element can be achieved with an anchoring structure, the at least two in the Includes peripheral edge of the counter-element encircling and substantially concentric or mutually parallel anchoring walls, if they are connected to each other via a plurality of support walls.

Wie bereits erwähnt, beruht nicht nur die kapazitive Ansteuerung bzw. Signalerfassung ganz maßgeblich auf der Lagestabilität des Gegenelements, sondern auch die Dichtwirkung der Dichtvorrichtung zwischen der Membran und dem Gegenelement.As already mentioned, not only the capacitive control or signal detection is very significantly based on the positional stability of the counter element, but also the sealing effect of the sealing device between the membrane and the counter element.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst diese Dichtstruktur mindestens ein von der Membran in Richtung Gegenelement abragendes erstes Dichtelement. Die Höhe dieses Dichtelements begrenzt die Membranauslenkung in Richtung Gegenelement und definiert so den Abstand zwischen Membran und Gegenelement. Vorteilhafterweise ist der mechanische Kontaktbereich auf dem Gegenelement aus einem elektrisch nicht-leitfähigen Material gebildet oder mit einem solchen Material beschichtet, um einen Kurzschluss zwischen den Elektroden der Kondensatoranordnung zu vermeiden. Ergänzend oder alternativ dazu kann aber auch das Dichtelement auf der Membran aus einem solchen nichtleitfähigen Material gebildet sein oder mit einem nicht-leitfähigen Bereich der Membran verbunden sein. In a preferred embodiment of the invention, this sealing structure comprises at least one first sealing element projecting from the membrane in the direction of the counter element. The height of this sealing element limits the diaphragm deflection in the direction of the counter element and thus defines the distance between the diaphragm and the counter element. Advantageously, the mechanical contact region is formed on the counter-element of an electrically non-conductive material or coated with such a material in order to avoid a short circuit between the electrodes of the capacitor arrangement. Additionally or alternatively, however, the sealing element may also be formed on the membrane of such a non-conductive material or be connected to a non-conductive region of the membrane.

Die Ausprägung der Dichtstruktur und insbesondere die Form, Anzahl und Anordnung der ersten Dichtelemente, die von der Membran in Richtung Gegenelement abragen, hängt wesentlich von der Funktion des MEMS-Bauelements und der gewünschten Dichtwirkung ab. The expression of the sealing structure and in particular the shape, number and arrangement of the first sealing elements, which project from the membrane in the direction of the counter element, depends essentially on the function of the MEMS component and the desired sealing effect.

So erweist es sich beispielsweise im Fall eines Ventilbauelements als vorteilhaft, wenn die Dichtstruktur mindestens ein erstes Dichtelement in Form einer geschlossenen umlaufenden Wandung umfasst. Sofern die Durchgangsöffnungen im Gegenelement innerhalb des so umschlossenen Bereichs angeordnet sind, kann der Strömungspfad zwischen der Öffnung im Substrat und diesen Durchgangsöffnungen im Gegenelement dann einfach durch Betätigen der Membran vollständig verschlossen oder geöffnet werden. For example, in the case of a valve component, it proves to be advantageous if the sealing structure comprises at least one first sealing element in the form of a closed circumferential wall. If the passage openings are arranged in the counter element within the region thus enclosed, then the flow path between the opening in the substrate and these passage openings in the counter element can then be completely closed or opened simply by actuating the membrane.

Im Unterschied dazu dient die Dichtstruktur im Fall eines Mikrofonbauelements nicht zwangsläufig einer vollständigen Unterbrechung des Strömungspfades, sondern der Realisierung eines langsamen Druckausgleichs zwischen Membranvorderseite und Membranrückseite. Eine Mikrofonmembran reagiert nämlich nicht nur auf Schalldruck, sondern auch auf Schwankungen des Umgebungsdrucks und auf luftströmungsbedingte Druckschwankungen, beispielsweise bei Wind. Derartige Störeinflüsse auf das Mikrofonsignal lassen sich durch einen langsamen Druckausgleich zwischen den beiden Seiten der Membran reduzieren. Dieser Druckausgleich findet über Strömungspfade zwischen den Durchgangsöffnungen im Gegenelement und der Schallöffnung im Substrat statt. Wie schnell ein solcher Druckausgleich erfolgt, hängt wesentlich vom Strömungswiderstand der Strömungspfade ab. Je kleiner der Strömungswiderstand ist, umso schneller vollzieht sich ein Druckausgleich zwischen Membranvorderseite und Membranrückseite und umso weniger Einfluss haben atmosphärische Druckschwankungen und Luftströmungen auf das Mikrofonsignal. Allerdings verringert sich auch die Mikrofonempfindlichkeit für niederfrequente akustische Signale. Der Strömungswiderstand beim Druckausgleich zwischen Membranvorderseite und Membranrückseite sollte also entsprechend dem angestrebten Frequenzbereich des Mikrofonbauelements eingestellt werden. In contrast, the sealing structure in the case of a microphone component is not necessarily a complete interruption of the flow path, but the realization of a slow pressure equalization between the membrane front side and the membrane rear side. Namely, a microphone diaphragm not only responds to sound pressure but also to variations in ambient pressure and to pressure fluctuations due to air flow, for example in the case of wind. Such interference on the microphone signal can be reduced by a slow pressure equalization between the two sides of the membrane. This pressure compensation takes place via flow paths between the passage openings in the counter element and the sound opening in the substrate. How quickly such pressure equalization takes place depends essentially on the flow resistance of the flow paths. The smaller the flow resistance, the faster pressure equalization takes place between the membrane front side and the membrane rear side and the less influence atmospheric pressure fluctuations and air currents have on the microphone signal. However, the microphone sensitivity for low-frequency acoustic signals is also reduced. The flow resistance during pressure equalization between the membrane front side and the membrane rear side should therefore be set in accordance with the desired frequency range of the microphone component.

In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Dichtstruktur mehrere gratartige und/oder säulenartige erste Dichtelemente umfasst, die in einer oder mehreren Aneinanderreihungen am Membranrand ggf. radial versetzt zueinander angeordnet sind. Da die Dichtelemente beim Druckausgleich zwischen Membranvorderseite und Membranrückseite umströmt werden müssen, kann die Länge des Strömungspfades hier einfach über Größe, Form, Anordnung und Anzahl der gratartigen oder säulenartigen Dichtelemente beeinflusst werden. Auf diese Weise lässt sich der Strömungswiderstand weitgehend unabhängig von der Chipfläche in einem relativ großen Bereich gezielt beeinflussen, um eine bestimmte Mikrofoncharakteristik zu realisieren. In this context, it proves to be advantageous if the sealing structure comprises a plurality of burr-like and / or columnar first sealing elements, which are optionally arranged radially offset from one another in one or more juxtapositions on the membrane edge. Since the sealing elements must be flowed around during pressure equalization between the membrane front side and the membrane rear side, the length of the flow path can here be influenced simply by size, shape, arrangement and number of the burr-like or columnar sealing elements. In this way, the flow resistance can be influenced largely independently of the chip area in a relatively large area in order to realize a specific microphone characteristic.

Sowohl die mechanische als auch die akustische Dichtwirkung des mindestens einen ersten Dichtelements kann noch verbessert werden, wenn es mit einer endseitig vergrößerten Anlagefläche für das Gegenelement ausgestattet ist. Dadurch wird nämlich nicht nur die mechanische Kontaktfläche zwischen Dichtelement und Gegenelement vergrößert sondern auch der Strömungspfad zwischen der Membran und den Durchgangsöffnungen im Gegenelement. Both the mechanical and the acoustic sealing effect of the at least one first sealing element can be improved if it is equipped with an end face enlarged contact surface for the counter element. As a result, not only the mechanical contact surface between the sealing element and the counter element but also the flow path between the membrane and the through holes in the counter element is increased.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Dichtstruktur zusätzlich zu dem mindestens einen von der Membran in Richtung Gegenelement abragenden ersten Dichtelement eine dazu komplementäre Begrenzungsstruktur. Dadurch kann die Dichtwirkung der Dichtstruktur deutlich verbessert werden. Je größer der Grad der Verzahnung zwischen dem ersten Dichtelement und der komplementären Begrenzungsstruktur ist, umso besser ist die Dichtwirkung. Um eine möglichst gleichmäßige Dichtwirkung unabhängig vom Grad der Membranauslenkung zu erzielen, sollten das erste Dichtelement und die Begrenzungsstruktur in möglichst allen Bewegungszuständen der Membran und demnach auch im Ruhezustand ineinander greifen. Des Weiteren kann die Begrenzungsstruktur als Überlastschutz für die laterale Bewegung der Membran ausgelegt und genutzt werden. In diesem Fall trägt die Begrenzungsstruktur auch zur Robustheit der gesamten Bauelementstruktur bei. In a particularly advantageous development of the invention, the sealing structure comprises, in addition to the at least one first sealing element projecting from the membrane in the direction of the counter element, a limiting structure complementary thereto. As a result, the sealing effect of the sealing structure can be significantly improved. The greater the degree of gearing between the first sealing element and the complementary limiting structure, the better the sealing effect. In order to achieve a uniform sealing effect, regardless of the degree of membrane deflection, should engage the first sealing element and the limiting structure in all possible states of movement of the membrane and thus also in the resting state. Furthermore, the limiting structure can be designed and used as overload protection for the lateral movement of the membrane. In this case, the limiting structure also contributes to the robustness of the entire component structure.

Die Begrenzungsstruktur wird in Form mindestens eines im Gegenelement ausgebildeten zweiten Dichtelements realisiert, wobei das Herstellungsverfahren und damit auch die Ausformung des zweiten Dichtelements wesentlich von der Art des Gegenelements und insbesondere von seiner Dicke abhängt. The delimiting structure is realized in the form of at least one second sealing element formed in the counter element, wherein the manufacturing method and thus also the shape of the second sealing element essentially depends on the type of counter element and in particular on its thickness.

In einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung, die unabhängig von der Dicke des Gegenelements ist, wird das mindestens eine zweite Dichtelement einfach in Form eines Strukturelements realisiert, das vom Gegenelement in Richtung Membran abragt. Sinnvollerweise sind das erste und das zweite Dichtelement versetzt zueinander angeordnet, so dass sie bei einer Auslenkung der Membran in Richtung Gegenelement aneinander vorbei geführt werden und die Membranauslenkung nicht beeinträchtigen, während Membranauslenkungen in der Membranebene durch das zweite Dichtelement begrenzt werden.In a first embodiment of the invention, which is independent of the thickness of the counter-element, the at least one second sealing element is simply realized in the form of a structural element which protrudes from the counter-element in the direction of the membrane. It makes sense for the first and second sealing elements to be offset relative to one another so that they are guided past one another when the diaphragm is deflected in the direction of the counter element and do not impair the diaphragm deflection, while diaphragm deflections in the diaphragm plane are limited by the second sealing element.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist das mindestens eine zweite Dichtelement in Form einer graben- oder sacklochartigen Ausnehmung im Gegenelement realisiert, was eine gewisse Mindestdicke des Gegenelements erfordert. Bei sehr dünnen Gegenelementen kann das mindestens eine zweite Dichtelement auch in Form einer von der Membran wegweisenden Ausstülpung des Gegenelements realisiert sein. Bei diesen Ausführungsformen wird das mindestens eine erste Dichtelement bei einer Auslenkung der Membran in Richtung Gegenelement in die komplementäre Ausnehmung oder Ausstülpung des Gegenelements eingeführt, ohne diese Membranauslenkung zu beeinträchtigen, während Membranauslenkungen in der Membranebene durch die Ausnehmung oder Ausstülpung im Gegenelement begrenzt werden.In a further advantageous embodiment of the invention, the at least one second sealing element is realized in the form of a trench or blind hole-like recess in the counter element, which requires a certain minimum thickness of the counter element. In the case of very thin counter-elements, the at least one second sealing element can also be realized in the form of a protuberance of the counter-element pointing away from the membrane. In these embodiments, the at least one first sealing element is introduced in a deflection of the membrane in the direction counter element in the complementary recess or protuberance of the counter element, without affecting this membrane deflection, while membrane deflections are limited in the membrane plane by the recess or protuberance in the counter element.

Mechanische Spannungen in der Bauelementstruktur können die Funktion eines MEMS-Bauelements der hier in Rede stehenden Art beeinträchtigen und sind daher möglichst zu vermeiden. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Membran über mindestens einen Biegebalken oder mindestens ein Federelement in den Schichtaufbau des MEMS-Bauelements eingebunden ist. Etwaige mechanische Spannungen in der Membranstruktur werden hier über die Membranaufhängung abgeleitet, so dass die Membran selbst weitgehend stressfrei ist. Der Biegebalken bzw. das Federelement können entweder mit dem Substrat verbunden sein oder auch mit dem Gegenelement. Mechanical stresses in the device structure may affect the function of a MEMS device of the type in question and are therefore to be avoided as much as possible. In this context, it proves to be advantageous if the membrane is integrated via at least one bending beam or at least one spring element in the layer structure of the MEMS device. Any mechanical stresses in the membrane structure are derived here via the membrane suspension, so that the membrane itself is largely stress-free. The bending beam or the spring element can either be connected to the substrate or else with the counter element.

Diese Art der Membranaufhängung bietet auch die Möglichkeit, einen einfachen substratseitigen Überlastschutz für die Membranstruktur zu realisieren. Dazu wird die Membranfläche so ausgelegt, dass sich die Membran zumindest bereichsweise bis über den Randbereich der Öffnung im Substrat hinaus erstreckt. In diesem Fall bildet also der Randbereich der Öffnung im Substrat einen substratseitigen Anschlag für die Membran.This type of membrane suspension also offers the possibility to realize a simple substrate-side overload protection for the membrane structure. For this purpose, the membrane surface is designed so that the membrane at least partially extends beyond the edge region of the opening in the substrate. In this case, therefore, the edge region of the opening in the substrate forms a substrate-side stop for the membrane.

Die voranstehend beschriebenen Varianten der Bauelementstruktur eines erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements können unter Verwendung von Halbleiterprozessen und Verfahren der Mikromechanik in einem Halbleiterschichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat erzeugt werden.The above-described variants of the component structure of a MEMS component according to the invention can be produced using semiconductor processes and methods of micromechanics in a semiconductor layer structure on a semiconductor substrate.

Es ist aber auch möglich, die Bauelementstruktur auf einem CMOS-Substrat zu realisieren. In diesem Fall werden die Membran und das mindestens eine erste Dichtelement im Backendstapel, insbesondere in den Metallebenen des Backendstapels, realisiert.However, it is also possible to realize the component structure on a CMOS substrate. In this case, the membrane and the at least one first sealing element are realized in the backend stack, in particular in the metal planes of the backend stack.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren. As already discussed above, there are various possibilities for embodying and developing the present invention in an advantageous manner. For this purpose, reference is made on the one hand to the claims subordinate to claim 1 and on the other hand to the following description of several embodiments of the invention with reference to FIGS.

1a zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch die Bauelementstruktur eines ersten erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements 10, 1a shows a schematic sectional view through the component structure of a first MEMS device according to the invention 10 .

1b zeigt eine Draufsicht auf das Gegenelement dieses Bauelements 10 und 1b shows a plan view of the counter element of this device 10 and

1c zeigt eine Draufsicht auf die Membran dieses Bauelements 10. 1c shows a plan view of the membrane of this device 10 ,

2a zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch die Bauelementstruktur eines zweiten erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements 20, 2a shows a schematic sectional view through the component structure of a second MEMS device according to the invention 20 .

2b zeigt eine Draufsicht auf das Gegenelement dieses Bauelements 20, und 2 B shows a plan view of the counter element of this device 20 , and

2c zeigt eine Draufsicht auf die Membran dieses Bauelements 20. 2c shows a plan view of the membrane of this device 20 ,

3a zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch die Bauelementstruktur eines dritten erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements 30 und 3a shows a schematic sectional view through the component structure of a third inventive MEMS device 30 and

3b zeigt eine Draufsicht auf das Gegenelement 34 dieses Bauelements 30. 3b shows a plan view of the counter element 34 this device 30 ,

4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch die Bauelementstruktur eines vierten erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements 40 die in einem CMOS-Substrat realisiert ist. 4 shows a schematic sectional view through the component structure of a fourth MEMS device according to the invention 40 which is implemented in a CMOS substrate.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Die Bauelementstruktur des in den 1a bis 1c dargestellten MEMS-Bauelements 10 ist in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat 1 realisiert, was insbesondere durch 1a veranschaulicht wird. The component structure of the in the 1a to 1c represented MEMS device 10 is in a layer structure on a semiconductor substrate 1 realized, especially by 1a is illustrated.

Sie umfasst eine Membran 11, die eine Öffnung 12 in der Substratrückseite überspannt. Die Membran 11 ist mit einer Elektrode 13 ausgestattet, die zusammen mit der Membran 11 aus der in 1a dargestellten Ruhelage auslenkbar ist. Da sich die Membran 11 hier bis über den Randbereich der Öffnung 12 hinaus erstreckt, wird die Membranauslenkung substratseitig durch den Randbereich der Öffnung 12 begrenzt. Der Randbereich der Öffnung 12 fungiert hier also als Anschlag für die Membran 11 und bildet so einen substratseitigen Überlastschutz für die Bauelementstruktur. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Elektrode 13 auf der der Öffnung 12 zugewandten Unterseite der Membran 11 angeordnet. Ebenso könnte die Membranelektrode 13 aber auch auf der Oberseite der Membran 11 angeordnet sein.It includes a membrane 11 that have an opening 12 spans in the back of the substrate. The membrane 11 is with an electrode 13 equipped with the membrane 11 from the in 1a shown rest position is deflectable. Because the membrane 11 here over the edge of the opening 12 extends beyond the diaphragm deflection substrate side through the edge region of the opening 12 limited. The edge area of the opening 12 So here acts as a stop for the membrane 11 and thus forms a substrate-side overload protection for the component structure. In the present embodiment, the electrode 13 on the opening 12 facing bottom of the membrane 11 arranged. Likewise, the membrane electrode could 13 but also on the top of the membrane 11 be arranged.

Des Weiteren umfasst die Bauelementstruktur des MEMS-Bauelements 10 ein feststehendes Gegenelement 14, das im Schichtaufbau über der Membran 11 angeordnet ist. Im Mittelbereich des Gegenelements 14 sind Durchgangsöffnungen 16 ausgebildet. Auf der der Membran 11 zugewandten Unterseite des Gegenelements 14 ist eine feststehende Elektrode 15 angeordnet, die zusammen mit der auslenkbaren Membranelektrode 13 eine Kondensatoranordnung bildet. Alternativ dazu könnte die feststehende Gegenelektrode 15 aber auch auf der der Membran abgewandten Oberseite des Gegenelements 14 angeordnet sein. Je nach Funktion des MEMS-Bauelements 10 kann diese Furthermore, the component structure of the MEMS component comprises 10 a fixed counter element 14 that in layer construction over the membrane 11 is arranged. In the middle region of the counter element 14 are through holes 16 educated. On the membrane 11 facing bottom of the counter element 14 is a fixed electrode 15 arranged, together with the deflectable membrane electrode 13 forms a capacitor arrangement. Alternatively, the fixed counter electrode could 15 but also on the side facing away from the membrane top of the mating element 14 be arranged. Depending on the function of the MEMS device 10 can this

Kondensatoranordnung entweder zum Ansteuern und Betätigen der Membran 11 genutzt werden oder zum Erfassen von Auslenkungen der Membran 11 in Form einer Kapazitätsänderung der Kondensatoranordnung.Capacitor arrangement either for driving and operating the membrane 11 be used or for detecting deflections of the membrane 11 in the form of a capacitance change of the capacitor arrangement.

Die Bauelementstruktur des MEMS-Bauelements 10 umfasst ferner eine Dichtstruktur zwischen der Membran 11 und dem Gegenelement 14, die über dem Randbereich der Membran 11 ausgebildet ist. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel dienen säulenartige Dichtelemente 171 als Dichtstruktur. Diese Dichtelemente 171 ragen von der Membran 11 in Richtung Gegenelement 14 ab und weisen endseitig eine vergrößerte Anlagefläche 170 für das Gegenelement 14 auf. Die Anordnung der Dichtelemente 171 im Randbereich der Membran 11 wird nachfolgend in Verbindung mit 1c näher erläutert.The device structure of the MEMS device 10 further comprises a sealing structure between the membrane 11 and the counter element 14 that over the edge of the membrane 11 is trained. In the illustrated embodiment, columnar sealing elements serve 171 as a sealing structure. These sealing elements 171 protrude from the membrane 11 towards counter element 14 From and end have an enlarged contact surface 170 for the counter element 14 on. The arrangement of the sealing elements 171 in the edge region of the membrane 11 will be described below in connection with 1c explained in more detail.

Erfindungsgemäß ist das relativ dünne Gegenelement 14 des MEMS-Bauelements 10 über eine Verankerungsstruktur 18 an das Substrat 1 angebunden, so dass das Gegenelement 14 unter einem lagestabilisierenden Zugstress steht. Der Aufbau der Verankerungsstruktur 18 wird insbesondere durch 1b veranschaulicht. Sie umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Verankerungswände 181 und 182, die im Randbereich des kreisrunden Gegenelements 14 umlaufend und zueinander konzentrisch angeordnet sind. Diese kreisförmigen Verankerungswände 181 und 182 sind über mehrere radial orientierte Stützwände 183 miteinander verbunden, die den Verankerungswänden 181 und 182 eine gewisse Kippsteifigkeit verleihen. According to the invention, the relatively thin counter element 14 of the MEMS device 10 via an anchoring structure 18 to the substrate 1 Tied, so that the counter element 14 is under a position-stabilizing tensile stress. The structure of the anchoring structure 18 is especially by 1b illustrated. It comprises two anchoring walls in the present embodiment 181 and 182 , which are in the edge area of the circular counter element 14 are arranged circumferentially and concentrically with each other. These circular anchoring walls 181 and 182 are over several radially oriented retaining walls 183 connected to each other, the anchoring walls 181 and 182 give a certain tilting stiffness.

1b veranschaulicht außerdem die rasterförmige Anordnung der Durchgangsöffnungen 16 im Mittelbereich des Gegenelements 14, über den sich auch die Gegenelektrode 15 der Kondensatoranordnung erstreckt. 1b also illustrates the grid-shaped arrangement of the through holes 16 in the central region of the counter element 14 , over which also the counter electrode 15 the capacitor arrangement extends.

Wie das Gegenelement 14 so ist auch die Membran 11 des MEMS-Bauelements 10 kreisförmig, was insbesondere durch 1c veranschaulicht wird. Die Membran 11 ist hier lediglich über einen Biegebalken 19 an den Schichtaufbau der Bauelementstruktur angebunden, so dass sie weitgehend frei von mechanischen Spannungen ist. Die ebenfalls kreisrunde Membranelektrode 13 ist im Mittelbereich der Membran 11 angeordnet, während der Randbereich 111 der Membran 11 nicht leitfähig ist. Die elektrische Anschlussleitung 131 der Membranelektrode 13 verläuft über den Biegebalken 19 nach außen. Die säulenartigen Dichtelemente 171 sind im nicht leitfähigen Randbereich 111 der Membran 11 angeordnet, und zwar auf zwei konzentrischen Kreislinien, radial versetzt zueinander, so dass sie einen relativ großen Strömungswiderstand bilden. Die Dichtelemente 171 sind hier in Form von Ausstülpungen in der Membranstruktur in Richtung Gegenelement 14 realisiert. Da keine elektrische Verbindung zwischen den Dichtelementen 171 und der Membranelektrode 13 besteht, kann es selbst im Berührungsfall nicht zu einem Kurzschluss der Kondensatoranordnung kommen. Like the counter element 14 so is the membrane 11 of the MEMS device 10 circular, which in particular by 1c is illustrated. The membrane 11 Here is just a bending beam 19 connected to the layer structure of the component structure, so that it is largely free of mechanical stresses. The also circular membrane electrode 13 is in the middle region of the membrane 11 arranged while the border area 111 the membrane 11 is not conductive. The electrical connection cable 131 the membrane electrode 13 runs over the bending beam 19 outward. The columnar sealing elements 171 are in non-conductive border area 111 the membrane 11 arranged, on two concentric circular lines, radially offset from each other so that they form a relatively large flow resistance. The sealing elements 171 are here in the form of protuberances in the membrane structure in the direction counter element 14 realized. Because no electrical connection between the sealing elements 171 and the membrane electrode 13 exists, it can not come even in the case of contact to a short circuit of the capacitor arrangement.

Die Bauelementstruktur des MEMS-Bauelements 10 eignet sich insbesondere für Mikrofonanwendungen. So wirkt sich das relativ dünne aber dennoch in seiner Lage stabile Gegenelement 14 günstig auf die Rauschperformance aus. Außerdem begünstigt die weitgehend spannungsfreie Aufhängung der Membran 11 ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis ebenso wie die akustische Dichtwirkung der Dichtelemente 171. The device structure of the MEMS device 10 is particularly suitable for microphone applications. So affects the relatively thin but still stable in its position counter element 14 favorable to the noise performance. In addition, the largely stress-free suspension of the membrane favors 11 a high signal-to-noise ratio as well as the acoustic sealing effect of the sealing elements 171 ,

Auch die Bauelementstruktur des in den 2a bis 2c dargestellten MEMS-Bauelements 20 ist in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat 1 realisiert und umfasst eine kreisrunde Membran 21, die eine Öffnung 22 in der Substratrückseite überspannt, sowie ein feststehendes Gegenelement 24, das im Schichtaufbau über der Membran 21 angeordnet ist. Die Membran 21 ist – wie auch die Membran 11 des MEMS-Bauelements 10 – über einen Biegebalken 29 in den Schichtaufbau der Bauelementstruktur eingebunden und erstreckt sich bis über den Randbereich der Öffnung 22 hinaus, so dass die Membranauslenkung substratseitig durch den Randbereich der Öffnung 22 begrenzt wird.Also, the component structure of the in the 2a to 2c represented MEMS device 20 is in a layer structure on a semiconductor substrate 1 realized and includes a circular membrane 21 that have an opening 22 spans in the substrate back, as well as a fixed counter element 24 that in layer construction over the membrane 21 is arranged. The membrane 21 is - as well as the membrane 11 of the MEMS device 10 - over a bending beam 29 integrated into the layer structure of the component structure and extends beyond the edge region of the opening 22 in addition, so that the diaphragm deflection on the substrate side by the edge region of the opening 22 is limited.

Im Fall des MEMS-Bauelements 20 besteht die Membran 21 allerdings insgesamt aus einem leitfähigen Material und fungiert dementsprechend auch insgesamt als auslenkbare Elektrode einer Kondensatoranordnung. Die feststehende Gegenelektrode 25 dieser Kondensatoranordnung überdeckt den Mittelbereich des Gegenelements 24, wo auch Durchgangsöffnungen 26 ausgebildet sind. Die Anbindung des relativ dünnen Gegenelements 24 an das Substrat 1 über eine Verankerungsstruktur 28 wird insbesondere durch 2b veranschaulicht. Die Verankerungsstruktur 28 besteht im Wesentlichen aus einer kreisringförmigen Verankerungswand 281, die im Randbereich des kreisrunden Gegenelements 24 umlaufend angeordnet ist und über mehrere radial nach außen orientierte Stützwände 283 abgestützt wird. In the case of the MEMS device 20 is the membrane 21 However, a total of a conductive material and acts accordingly as a total deflectable electrode of a capacitor array. The fixed counter electrode 25 This capacitor arrangement covers the middle region of the counter element 24 , where also passage openings 26 are formed. The connection of the relatively thin counter element 24 to the substrate 1 via an anchoring structure 28 is especially by 2 B illustrated. The anchoring structure 28 consists essentially of an annular anchoring wall 281 , which are in the edge area of the circular counter element 24 is arranged circumferentially and via a plurality of radially outwardly oriented support walls 283 is supported.

Auch das MEMS-Bauelement 20 umfasst eine Dichtstruktur zwischen der Membran 21 und dem Gegenelement 24, die über dem Randbereich der Membran 21 ausgebildet ist. Im Fall des MEMS-Bauelements 20 umfasst diese Dichtstruktur ein erstes Dichtelement 271 und eine dazu komplementäre Begrenzungsstruktur 272. Als erstes Dichtelement 271 dient eine geschlossene kreisrunde Wandung, die im Randbereich der Membran 21 ausgebildet ist und in Richtung Gegenelement 24 von dieser abragt. Dies wird insbesondere durch 2b veranschaulicht. Die komplementäre Begrenzungsstruktur 272 umfasst zwei kreisrunde geschlossene Wandungen, die im Randbereich des Gegenelements 24 ausgebildet sind und in Richtung Membran 21 von diesem abragen. Alle drei Wandungen 271 und 272 sind konzentrisch zueinander angeordnet, wobei die eine Wandung 272 innerhalb des Dichtelements 271 angeordnet ist und die andere außerhalb des Dichtelements 271. 2a veranschaulicht, dass das Dichtelement 271 und die komplementäre Begrenzungsstruktur 272 auch im Ruhezustand der Membran 21 ineinandergreifen. Der Randbereich 241 des Gegenelements 24 mit der komplementären Begrenzungsstruktur 272 ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material gefertigt, so dass keine elektrische Verbindung zur Gegenelektrode 25 besteht. Dadurch wird auch im Fall eines mechanischen Kontakts zwischen den Dichtelementen 271, 272 und dem jeweils gegenüberliegenden Strukturelement ein Kurzschluss der Kondensatoranordnung verhindert. Also the MEMS device 20 includes a sealing structure between the membrane 21 and the counter element 24 that over the edge of the membrane 21 is trained. In the case of the MEMS device 20 this sealing structure comprises a first sealing element 271 and a complementary boundary structure 272 , As the first sealing element 271 serves a closed circular wall, which is in the edge area of the membrane 21 is formed and towards the counter element 24 protrudes from this. This is especially through 2 B illustrated. The complementary boundary structure 272 comprises two circular closed walls, which are in the edge region of the counter element 24 are formed and towards the membrane 21 protrude from this. All three walls 271 and 272 are arranged concentrically to one another, wherein the one wall 272 within the sealing element 271 is arranged and the other outside of the sealing element 271 , 2a illustrates that the sealing element 271 and the complementary bounding structure 272 even in the resting state of the membrane 21 mesh. The border area 241 of the counter element 24 with the complementary boundary structure 272 is made of an electrically non-conductive material, so that no electrical connection to the counter electrode 25 consists. As a result, even in the case of a mechanical contact between the sealing elements 271 . 272 and the respectively opposite structural element prevents a short circuit of the capacitor arrangement.

Die Bauelementstruktur des MEMS-Bauelements 20 kann beispielsweise als Ventil verwendet werden. In diesem Fall dient die Membran 21 als Verschlusselement, das mit Hilfe der Kondensatoranordnung betätigt wird, um den Durchfluss zwischen Rückseitenöffnung 22 und den Durchgangsöffnungen 26 im Gegenelement 24 zu steuern. Das relativ dünne aber dennoch in seiner Lage stabile Gegenelement 24 in Verbindung mit der weitgehend spannungsfreien Aufhängung der Membran 21 begünstigt eine exakte Ansteuerung der Verschlussmembran 21. Außerdem lässt sich mit der voranstehend beschriebenen Dichtstruktur 271, 272 eine sehr gute Verschluss- bzw. Dichtwirkung erzielen. The device structure of the MEMS device 20 can be used as a valve, for example. In this case, the membrane is used 21 as a closure element, which is actuated by means of the capacitor arrangement to the flow between the rear side opening 22 and the passage openings 26 in the counter element 24 to control. The relatively thin but still stable in its position counter element 24 in connection with the largely tension-free suspension of the membrane 21 favors a precise control of the sealing membrane 21 , In addition, can be with the above-described sealing structure 271 . 272 achieve a very good sealing or sealing effect.

Das in 3a dargestellte MEMS-Bauelement 30 ist ebenfalls in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat 1 realisiert. Es umfasst eine kreisrunde Membran 31, die eine Öffnung 32 in der Substratrückseite überspannt, sowie ein feststehendes Gegenelement 34 mit Durchgangsöffnungen 36, das im Schichtaufbau über der Membran 31 angeordnet ist. Die Membran 31, die sich bis über den Randbereich der Öffnung 32 hinaus erstreckt, ist über mehrere Federelemente 39 in den Schichtaufbau der Bauelementstruktur eingebunden. Die Federelemente 39 sind hier mit dem Gegenelement 34 verbunden, können aber ebenso gut auch mit dem Substrat 1 verbunden sein. Im Mittelbereich der Membran 31 befindet sich eine Elektrode 33, die zusammen mit einer Elektrode 35 auf dem Mittelbereich des Gegenelements 34 eine Kondensatoranordnung bildet. Die Anbindung des relativ dünnen Gegenelements 34 an das Substrat 1 über eine Verankerungsstruktur 38, die das Gegenelement 34 in seiner Lage parallel zu den Schichtebenen des Bauelementaufbaus stabilisiert, wird insbesondere durch 3b veranschaulicht. Die Verankerungsstruktur 38 wird hier durch eine am Umfang des Gegenelements 34 umlaufende Verankerungswand 38 gebildet, bei der sich kreissegmentförmige Wandabschnitte 381, 382 und radial nach außen bzw. innen orientierte Wandabschnitte 383 abwechseln. Diese alternierende Aneinanderreihung von kreissegmentförmigen und radial orientierten Wandabschnitten verleiht der Verankerungswand 38 die erforderliche Kippsteifigkeit und setzt das Gegenelement 34 insgesamt unter einen Zugstress parallel zu den Schichtebenen.This in 3a illustrated MEMS device 30 is also in a layered construction on a semiconductor substrate 1 realized. It includes a circular membrane 31 that have an opening 32 spans in the substrate back, as well as a fixed counter element 34 with passage openings 36 that in layer construction over the membrane 31 is arranged. The membrane 31 that extends up over the edge of the opening 32 extends beyond is several spring elements 39 involved in the layer structure of the component structure. The spring elements 39 are here with the counter element 34 but can also work well with the substrate 1 be connected. In the middle region of the membrane 31 there is an electrode 33 that together with an electrode 35 on the central region of the counter element 34 forms a capacitor arrangement. The connection of the relatively thin counter element 34 to the substrate 1 via an anchoring structure 38 that is the counter element 34 stabilized in its position parallel to the layer planes of the component structure, in particular by 3b illustrated. The anchoring structure 38 is here by a on the circumference of the counter element 34 circumferential anchoring wall 38 formed in which circular segment-shaped wall sections 381 . 382 and radially outwardly or inwardly oriented wall sections 383 alternate. This alternating juxtaposition of circular segment-shaped and radially oriented wall sections gives the anchoring wall 38 the required tilting rigidity and sets the counter element 34 overall under a tensile stress parallel to the layer planes.

Die Dichtstruktur des MEMS-Bauelements 30 zwischen der Membran 31 und dem Gegenelement 34 umfasst erste Dichtelemente 371 in Form von gratartigen Ausstülpungen, die im Randbereich der Membran 31 aneinandergereiht sind und in Richtung Gegenelement 34 von dieser abragen. Im Gegenelement 34 ist eine zu den Dichtelementen 371 komplementäre Begrenzungsstruktur 372 in Form von Ausstülpungen ausgebildet. 3 veranschaulicht, dass die ersten Dichtelemente 371 auch im Ruhezustand der Membran 31 in die komplementäre Begrenzungsstruktur 372 des Gegenelements 34 hineinragen. The sealing structure of the MEMS device 30 between the membrane 31 and the counter element 34 includes first sealing elements 371 in the form of burr-like protuberances, in the edge region of the membrane 31 strung together and towards the counter element 34 protrude from this. In the counter element 34 is one to the sealing elements 371 complementary boundary structure 372 formed in the form of protuberances. 3 illustrates that the first sealing elements 371 even in the resting state of the membrane 31 into the complementary boundary structure 372 of the counter element 34 protrude.

Die Bauelementstruktur des in 4 dargestellten MEMS-Bauelements 40 ist zwar ebenfalls in einem Schichtaufbau auf einem Substrat 1 realisiert, allerdings handelt es sich bei dem Schichtaufbau um den Backendstapel eines CMOS-Substrats. The component structure of in 4 represented MEMS device 40 Although also in a layer structure on a substrate 1 realized, however, the layer structure is the back-end stack of a CMOS substrate.

Auch hier überspannt die Membran 41 eine Öffnung 42 in der Substratrückseite. Die gesamte Membranstruktur mit der Membran 41 und ersten Dichtelementen 47 wird durch die Metallebenen des Backendstapels und entsprechend angeordnete Durchkontakte zwischen diesen Metallebenen begrenzt. So wird die Membran 41 im Wesentlichen durch zwei übereinanderliegende Metallebenen 411, 412 definiert, die auch als Membranelektrode fungieren. Die Form der ersten Dichtelemente 47, die von der Membran 41 abragen, wird im Wesentlichen durch die Anordnung und Auslegung der Durchkontakte 413 zwischen den Metallebenen des Backendstapels bestimmt. Das relativ dünne feststehende Gegenelement 44 mit der Gegenelektrode 45 und Durchgangsöffnungen 46 ist in weiteren Schichten auf dem Backendstapel ausgebildet. Das Gegenelement 44 kann hier ebenfalls über eine Verankerungsstruktur an das Substrat 1 bzw. den Backendstapel angebunden werden, wie sie bereits in Verbindung mit 1b beschrieben und erläutert worden ist. Again, the membrane spans 41 an opening 42 in the substrate back. The entire membrane structure with the membrane 41 and first sealing elements 47 is limited by the metal levels of the backend stack and correspondingly arranged vias between these metal levels. This is how the membrane becomes 41 essentially by two superposed metal layers 411 . 412 defined, which also act as a membrane electrode. The shape of the first sealing elements 47 coming from the membrane 41 Abrasive, is essentially due to the arrangement and design of the vias 413 determined between the metal levels of the backend stack. The relatively thin fixed counter element 44 with the counter electrode 45 and passage openings 46 is formed in further layers on the backend stack. The counter element 44 can also be attached to the substrate via an anchoring structure 1 or the backend stack are tied, as already in connection with 1b has been described and explained.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6535460 B2 [0003] US 6535460 B2 [0003]

Claims

MEMS-Bauelement (10), dessen Bauelementstruktur in einem Schichtaufbau auf einem Substrat (1) realisiert ist, • mit einer auslenkbaren Membran (11), die eine Öffnung (12) in der Substratrückseite überspannt und mit mindestens einer auslenkbaren Elektrode (13) einer Kondensatoranordnung versehen ist, • mit einem feststehenden Gegenelement (14) mit Durchgangsöffnungen (16), das im Schichtaufbau über der Membran (11) angeordnet ist und als Träger für mindestens eine feststehende Elektrode (15) der Kondensatoranordnung fungiert, und • mit einer Dichtstruktur zwischen der Membran (11) und dem Gegenelement (14), die über dem Randbereich der Membran (11) ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelement (14) über eine Verankerungsstruktur (18) an das Substrat (1) angebunden ist, die das Gegenelement (14) unter Zugstress setzt und druck- oder beschleunigungsbedingten Auslenkungen des Gegenelements (14) senkrecht zu den Schichtebenen entgegenwirkt.MEMS device ( 10 ), whose component structure in a layer structure on a substrate ( 1 ) is realized, with a deflectable membrane ( 11 ), which has an opening ( 12 ) spanned in the substrate back and with at least one deflectable electrode ( 13 ) is provided with a capacitor arrangement, • with a fixed counter element ( 14 ) with passage openings ( 16 ), which in the layer structure over the membrane ( 11 ) and as a support for at least one fixed electrode ( 15 ) of the capacitor arrangement, and • having a sealing structure between the membrane ( 11 ) and the counter element ( 14 ), which over the edge region of the membrane ( 11 ) is trained; characterized in that the counter element ( 14 ) via an anchoring structure ( 18 ) to the substrate ( 1 ), which is the counter element ( 14 ) under tensile stress sets and pressure or acceleration-related deflections of the counter element ( 14 ) counteracts perpendicular to the layer planes.

MEMS-Bauelement (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verankerungsstruktur (28) mindestens eine im Randbereich des Gegenelements (24) umlaufende Verankerungswand (281) umfasst, die über mehrere im Wesentlichen radial bzw. senkrecht dazu angeordnete Stützwände (283) stabilisiert wird.MEMS device ( 20 ) according to claim 1, characterized in that the anchoring structure ( 28 ) at least one in the edge region of the counter element ( 24 ) circumferential anchoring wall ( 281 ) arranged over a plurality of substantially radially or perpendicular thereto arranged support walls ( 283 ) is stabilized.

MEMS-Bauelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verankerungsstruktur (18) mindestens zwei im Randbereich des Gegenelements (14) umlaufende und im Wesentlichen konzentrisch bzw. parallel zueinander angeordnete Verankerungswände (181, 182) umfasst, die über mehrere Stützwände (183) miteinander verbunden sind. MEMS device ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the anchoring structure ( 18 ) at least two in the edge region of the counter element ( 14 ) circumferential and substantially concentric or parallel to each other anchoring walls ( 181 . 182 ), which has several retaining walls ( 183 ) are interconnected.

MEMS-Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtstruktur mindestens ein von der Membran in Richtung Gegenelement (14) abragendes erstes Dichtelement (171) umfasst.MEMS device ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sealing structure at least one of the membrane in the direction counter element ( 14 ) protruding first sealing element ( 171 ).

MEMS-Bauelement (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtstruktur mindestens ein erstes Dichtelement (271) in Form einer geschlossenen umlaufenden Wandung umfasst.MEMS device ( 20 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sealing structure at least a first sealing element ( 271 ) in the form of a closed circumferential wall.

MEMS-Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtstruktur mehrere gratartige und/oder säulenartige erste Dichtelemente (171) umfasst, die in einer oder mehreren Aneinanderreihungen am Membranrand ggf. radial versetzt zueinander angeordnet sind.MEMS device ( 10 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sealing structure a plurality of burr-like and / or columnar first sealing elements ( 171 ), which are arranged in one or more juxtapositions on the edge of the membrane optionally radially offset from one another.

MEMS-Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Dichtelement (171) eine endseitig vergrößerte Anlagefläche (170) für das Gegenelement (14) aufweist. MEMS device ( 10 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the at least one first sealing element ( 171 ) an end enlarged contact surface ( 170 ) for the counter element ( 14 ) having.

MEMS-Bauelement (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtstruktur mindestens ein im Gegenelement (24) ausgebildetes zweites Dichtelement (272) in Form einer zum ersten Dichtelement (271) komplementären Begrenzungsstruktur (272) umfasst.MEMS device ( 20 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the sealing structure at least one in the counter element ( 24 ) formed second sealing element ( 272 ) in the form of a first sealing element ( 271 ) complementary boundary structure ( 272 ).

MEMS-Bauelement (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zweite Dichtelement (272) in Form eines vom Gegenelement (24) in Richtung Membran (21) abragenden Strukturelements realisiert ist.MEMS device ( 20 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the at least one second sealing element ( 272 ) in the form of a counter element ( 24 ) towards the membrane ( 21 ) projecting structural element is realized.

MEMS-Bauelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zweite Dichtelement (372) in Form einer graben- oder sacklochartigen Ausnehmung im Gegenelement oder einer von der Membran wegweisenden Ausstülpung (372) des Gegenelements (34) realisiert ist.MEMS device ( 30 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the at least one second sealing element ( 372 ) in the form of a trench or blind hole-like recess in the counter element or a protuberance pointing away from the membrane (US Pat. 372 ) of the counter element ( 34 ) is realized.

MEMS-Bauelement (10; 30) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (11) über mindestens einen Biegebalken (19) oder mindestens ein Federelement (39) in den Schichtaufbau des MEMS-Bauelements (10; 30) eingebunden ist.MEMS device ( 10 ; 30 ) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the membrane ( 11 ) via at least one bending beam ( 19 ) or at least one spring element ( 39 ) in the layer structure of the MEMS device ( 10 ; 30 ) is involved.

MEMS-Bauelement (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Membran (11) zumindest bereichsweise bis über den Randbereich der Öffnung (12) im Substrat (1) hinaus erstreckt.MEMS device ( 10 ) according to claim 11, characterized in that the membrane ( 11 ) at least partially over the edge region of the opening ( 12 ) in the substrate ( 1 ) extends.

MEMS-Bauelement (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelementstruktur auf einem CMOS-Substrat (1) realisiert ist, wobei die Membran (41) und das mindestens eine erste Dichtelement (47) im Backendstapel, insbesondere in den Metallebenen des Backendstapels realisiert sind.MEMS device ( 40 ) according to one of claims 1 to 12, characterized in that the component structure on a CMOS substrate ( 1 ) is realized, wherein the membrane ( 41 ) and the at least one first sealing element ( 47 ) are implemented in the backend stack, in particular in the metal levels of the backend stack.

Ventil-Bauelement (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Membran (21) als Verschlusselement dient und die Kondensatoranordnung zum Ansteuern der Membran (21) genutzt wird.Valve component ( 20 ) according to any one of claims 1 to 13, wherein the membrane ( 21 ) serves as a closure element and the capacitor arrangement for driving the membrane ( 21 ) is being used.

Mikrofon-Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Kondensatoranordnung zur Signalerfassung dient.Microphone component ( 10 ) according to one of claims 1 to 13, wherein the capacitor arrangement is used for signal detection.