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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung und ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung mit zumindest einer chemischen oder elektrochemischen Detektiereinrichtung.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist ein reaktives lonentiefenätzverfahren bekannt, wie es beispielsweise in der
DE 42 41 045 Cl beschrieben ist. Unter dem reaktiven lonentiefenätzverfahren kann ein zweistufiger, alternierender Trockenätzprozess verstanden werden, bei welchem sich Ätz- und Passivierungsschritte abwechseln.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung mit zumindest einer chemischen oder elektrochemischen Detektiereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft Sensorvorrichtungen mit jeweils zumindest der chemischen oder elektrochemischen Detektiereinrichtung, welche aufgrund einer Form ihrer Detektieröffnung sich vorteilhaft zum Detektieren des mindestens einen zu detektierenden Materials eignet. Ein wesentlicher Vorteil der Form der die Zugangsöffnungen und die erste Kavität umfassenden Detektieröffnung ist ein in ihrem Inneren vorherrschender Kapillardruck, welcher einem Entweichen mindestens eines in die Detektieröffnung eingefüllten Nachweismaterials, welches z.B. zur spezifischen Wechselwirkung mit dem mindestens einen zu detektierenden Material verwendet wird, verlässlich verhindert. Der Kapillardruck kann selbst einem Verdampfen einer als das mindestens eine Nachweismaterial eingesetzten Flüssigkeit entgegenwirken. Ein weiterer Vorteil der Form der Detektieröffnung sind die vergleichsweise großflächig ausbildbaren Seitenwände der Zugangsöffnungen, welche beispielsweise zum Bilden von Elektroden genutzt werden können. Außerdem können die Zugangsöffnungen als Maske zum Abscheiden von kleinen Spots auf einem von der ersten Seite des Substrats weg gerichteten Boden der ersten Kavität genutzt werden. Die auf diese Weise gebildeten Spots können vor allem als Elektroden vorteilhaft für die chemische oder elektrochemische Detektiereinrichtung eingesetzt werden, da sie eine vergleichsweise geringe Kapazität haben, dafür jedoch einen relativ großen Radius zum „Einfangen“ des mindestens einen zu detektierenden Materials realisieren.
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Trotz ihrer vorteilhaften Form ist die die Zugangsöffnungen und die erste Kavität umfassende Detektieröffnung der chemischen oder elektrochemischen Detektiereinrichtung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung vergleichsweise einfach herstellbar. Auf eine vorteilhafte Möglichkeit zum Herstellen der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit der die vorteilhaft geformte Detektieröffnung aufweisenden chemischen oder elektrochemischen Detektiereinrichtung wird unten noch eingegangen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Sensorvorrichtung noch zumindest eine weitere an und/oder in dem Substrat ausgebildete Sensiereinrichtung, wobei benachbart zu der Sensiereinrichtung eine zweite Kavität in dem Substrat ausgebildet ist, in welcher durch die erste Seite des Substrats strukturierte Verbindungsöffnungen münden. Die zweite Kavität und die durch die erste Seite des Substrats strukturierten Verbindungsöffnungen realisieren eine mechanische Entkopplungsstruktur für die weitere Sensiereinrichtung gegen einen extern einwirkenden mechanischen Stress. Mittels der Ausbildung der mechanischen Entkopplungsstruktur kann einer Beeinflussung eines Betriebs der weiteren Sensiereinrichtung durch mechanischen Stress entgegengewirkt werden. Auf diese Weise können eine Nachweisgenauigkeit der weiteren Sensiereinrichtung gesteigert und eine Fehlerrate der weiteren Sensiereinrichtung gesenkt werden. Wie unten genauer erläutert wird, können außerdem die gleichen Verfahrensschritte zum Bilden der die Zugangsöffnungen und die erste Kavität umfassenden Detektieröffnung und zum gleichzeitigen Bilden der die Verbindungsöffnungen und die zweite Kavität umfassenden mechanischen Kopplungsstruktur genutzt werden. Das Ausbilden der mechanischen Entkopplungsstruktur ist somit bei dieser Ausführungsform der Sensorvorrichtung mit keinem zusätzlichen Arbeitsaufwand verbunden.
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Die weitere Detektieröffnung kann eine an einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite des Substrats liegende sensitive Fläche aufweisen und so ausgebildet sein, dass eine Änderung mindestens einer physikalischen Größe an der sensitiven Fläche eine Änderung eines von der Sensiereinrichtung ausgegebenen oder an der Sensiereinrichtung abgegriffenen zweiten Sensorsignals bewirkt. Diese Ausrichtung der sensitiven Fläche bewirkt einen zusätzlichen Schutz der sensitiven Fläche.
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Beispielsweise kann die weitere Sensiereinrichtung eine Druck- und/oder Schalldetektiereinrichtung sein, welche eine Membrankomponente aufweist, die eine in dem Substrat ausgebildete dritte Kavität so abdeckt, dass die Membrankomponente mittels einer Druckänderung an ihrer von der dritten Kavität weg gerichteten sensitiven Fläche als der Änderung der mindestens einen physikalischen Größe ein- oder auswölbbar ist. Aufgrund der Ausbildung der mechanischen Entkopplungsstruktur benachbart zu/nahe an der Druck- und/oder Schalldetektiereinrichtung ist deren Betrieb vor Stresseinwirkungen verlässlich geschützt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit der weiteren Sensiereinrichtung nicht auf eine Druck- und/oder Schalldetektiereinrichtung beschränkt ist.
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Problemlos kann das Substrat an einer Leiterplatte befestigt und/oder teilweise mit einem Verpackungsmaterial ummoldet sein. Selbst wenn die Sensorvorrichtung mit der in dem vorausgehenden Absatz beschriebenen Druck- und/oder Schalldetektiereinrichtung ausgebildet ist, muss aufgrund der zusätzlichen Ausbildung der mechanischen Entkopplungsstruktur kein Einwirken von mittels der Leiterplatte und/oder des Verpackungsmaterials auf das Substrat ausgeübten mechanischen Stresses auf die Druck- und/oder Schalldetektiereinrichtung befürchtet werden.
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Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für eine Sensorvorrichtung mit zumindest einer chemischen oder elektrochemischen Detektiereinrichtung bewirkt. Es wird darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen der Sensorvorrichtung weiterbildbar ist.
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Vorzugsweise wird als der anisotrope erste Ätzprozess ein reaktives lonentiefenätzen mit abwechselnden Ätz- und Passivierungsschichten ausgeführt. Der anisotrope erste Ätzprozess ist somit vergleichsweise einfach und kostengünstig ausführbar, wodurch die Zugangsöffnungen (und vorzugsweise zusätzlich die Verbindungsöffnungen) fast senkrecht zu der ersten Seite des Substrats geätzt werden. Somit können die Zugangsöffnungen (und vorzugsweise auch die Verbindungsöffnungen) mit einer vergleichsweise großen Tiefe (senkrecht zu der ersten Seite des Substrats) gegenüber einer relativ kleinen Breite (parallel zu der ersten Seite des Substrats) geätzt werden.
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Bevorzugter Weise wird als der isotrope zweite Ätzprozess ein reaktives lonentiefenätzen ohne Passivierungsschritte ausgeführt. Bei einem Wechsel von dem anisotropen ersten Ätzprozess auf den isotropen zweiten Ätzprozess kann insbesondere ein Passivier- und Sputteranteil des reaktiven lonentiefenätzens abgeschaltet werden. Damit ist auch der isotrope zweite Ätzprozess vergleichsweise einfach und kostengünstig ausführbar. Mittels des isotropen zweiten Ätzprozesses können die von der ersten Seite des Substrats weg gerichteten Enden der Zugangsöffnungen (und eventuell auch der Verbindungsöffnungen) so stark erweitert werden, dass die zwischen den Enden liegenden Substratbereiche entfernt werden und die erste Kavität (und eventuell auch die zweite Kavität) gebildet wird.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Sensorvorrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Sensorvorrichtung;
- 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Sensorvorrichtung;
- 4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Sensorvorrichtung;
- 5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der Sensorvorrichtung;
- 6 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform der Sensorvorrichtung; und
- 7 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine Sensorvorrichtung mit zumindest einer chemischen oder elektrochemischen Detektiereinrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Sensorvorrichtung.
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Die in 1 schematisch wiedergegebene Sensorvorrichtung hat ein Substrat 10 mit einer an und/oder in dem Substrat 10 ausgebildeten chemischen oder elektrochemischen Detektiereinrichtung 12. Die chemische oder elektrochemische Detektiereinrichtung 12 weist eine in das Substrat 10 strukturierte Detektieröffnung 14 auf, wobei die Detektieröffnung 14 durch eine erste Seite 10a des Substrats 10 strukturierte Zugangsöffnungen 16 und eine (in das erste Substrat 10 strukturierte) erste Kavität 18, in welche die Zugangsöffnungen 16 münden, umfasst. (Unter der Detektieröffnung 14 und der ersten Kavität 18 ist jeweils ein zusammenhängender Raum zu verstehen.)
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Die chemische oder elektrochemische Detektiereinrichtung 12 ist derart ausgebildet, dass ein Vorliegen mindestens eines zu detektierenden Materials/Stoffes in der Detektieröffnung 14 eine Änderung eines von der chemischen oder elektrochemischen Detektiereinrichtung 12 ausgegebenen oder an der chemischen oder elektrochemischen Detektiereinrichtung 12 abgegriffenen ersten Sensorsignals bewirkt. Die chemische oder elektrochemische Detektiereinrichtung 12 kann deshalb zum Nachweisen des mindestens einen zu detektierenden Materials/Stoffes und/oder zum Messen einer Konzentration des mindestens einen zu detektierenden Materials/Stoffes verwendet werden.
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Aufgrund der Ausbildung der Detektieröffnung 14 mit der (als zusammenhängender Raum ausgebildeten) ersten Kavität 18 und den Zugangsöffnungen 16 herrscht in der Detektieröffnung 14 ein Kapillardruck, welcher einem Entweichen mindestens eines Nachweismaterials 20, welches mit dem mindestens einen zu detektierenden Material/Stoff (spezifisch) wechselwirken kann, verhindert. In der Ausführungsform der 1 ist eine ionische Flüssigkeit 20 als das mindestens eine Nachweismaterial 20 in die Detektieröffnung 14 eingefüllt, wobei der Kapillardruck in der chemischen oder elektrochemischen Detektiereinrichtung 14 ein Herausfließen der ionischen Flüssigkeit 20 aus der Detektieröffnung 14 und selbst ein Verdampfen der ionischen Flüssigkeit 20 bei hohen Temperaturen (wie beispielsweise Löttemperaturen) verhindert.
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Die Zugangsöffnungen 16 können parallel zu der ersten Seite 10a des Substrats 10 runde, ovale, viereckige oder polygonale Querschnitte haben. Die Zugangsöffnungen 16 können auf der ersten Seite 10a des Substrats 10 auch schlitzförmig, mäandriert oder in Interdigitalstrukturen angelegt sein. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, um Volumen zur Verfügung zu stellen, in welches das mindestens eine Nachweismaterials 20, wie z.B. die ionische Flüssigkeit 20, bei einer starken Wärmeausdehnung (größer als eine Wärmeausdehnung des Substratmaterials des Substrats 10) sich ausdehnen/fließen kann, ohne dem System verloren zu gehen.
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Die an der ersten Seite 10a des Substrats 10 liegenden Ränder der Zugangsöffnungen 16 können in einer ersten Raumrichtung parallel zu der ersten Seite 10a des Substrats 10 eine gleiche erste (maximale/mittlere) Breite b und in einer zweiten Raumrichtung parallel zu der ersten Seite 10a des Substrats 10 und senkrecht zu der ersten Raumrichtung eine (nicht skizzierte) gleiche zweite (maximale/mittlere) Breite aufweisen. Wie unten noch erläutert wird, können die Ränder der Zugangsöffnungen 16 jedoch auch in der ersten Raumrichtung unterschiedliche erste (maximale/mittlere) Breiten und/oder in der zweiten Raumrichtung verschiedene zweite (maximale/mittlere) Breiten haben. Mittels der mindestens einen ersten (maximalen/mittleren) Breite b der Zugangsöffnungen 16 in der ersten Raumrichtung und der mindestens einen zweiten maximalen/mittleren) Breite b der Zugangsöffnungen 16 in der zweiten Raumrichtung kann insbesondere ein lokaler Abstand eines von der ersten Seite 10a des Substrats 10 weg gerichteten Bodenbereichs der ersten Kavität 18 variiert werden.
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In der Ausführungsform der 1 sind auch beispielhaft eine erste Elektrode 22 und eine zweite Elektrode 24 zum Abgreifen des ersten Sensorsignals an der chemischen oder elektrochemischen Detektiereinrichtung 12 ausgebildet. Beispielhaft sind die erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 24 an der ersten Seite 10a des Substrats 10 angeordnet. Bei einer Anordnung mindestens einer der Elektroden 22 und 24 an der ersten Seite 10a des Substrats 10 ist es vorteilhaft, wenn die jeweilige Elektrode 22 oder 24 nicht nur eine Teiloberfläche der ersten Seite 10a des Substrats 10, sondern auch mindestens eine Teiloberfläche von Seitenwänden der Zugangsöffnungen 16 abdeckt. Die Seitenwände der Zugangsöffnungen 16 können somit zur Steigerung einer Fläche mindestens einer der Elektroden 22 und 24 genutzt werden. Optionaler Weise können die Teiloberfläche der ersten Seite 10a des Substrats 10 und die mindestens eine Teiloberfläche der Seitenwände der Zugangsöffnungen 16 mit einer Isolierschicht/ elektrischen Passivierung beschichtet sein, auf welcher mindestens eine der Elektroden 22 und 24 ausgebildet sind.
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Die Sensorvorrichtung der 1 umfasst noch eine weitere an und/oder in dem Substrat 10 ausgebildete Sensiereinrichtung 26, wobei benachbart zu der Sensiereinrichtung 26 eine zweite Kavität 28 in dem Substrat 10 ausgebildet ist, in welcher durch die erste Seite 10a des Substrats 10 strukturierte Verbindungsöffnungen 30 münden. (Unter der zweiten Kavität 28 ist ein zusammenhängender Raum zu verstehen.) Die zweite Kavität 28 und die Verbindungsöffnungen 30 bilden eine Stressentkopplungsöffnung 32 (bzw. eine mechanische Entkopplungsstruktur), welche einen Schutz der Sensiereinrichtung 26 vor einem extern einwirkenden mechanischen Stress ermöglicht. Man kann dies auch damit umschreiben, dass die Stressentkopplungsöffnung 32 (aus der zweiten Kaverne 28 und den Verbindungsöffnungen 30) eine Stressentkopplung der Sensiereinrichtung 26 so bewirkt, dass kein/kaum ein mechanischer Stress auf die Sensiereinrichtung 26 einwirken kann. (Auch unter der Stressentkopplungsöffnung 32 ist ein zusammenhängender Raum zu verstehen.)
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Wie unten genauer ausgeführt wird, können zum Ausbilden der (die erste Kaverne 18 und die Zugangsöffnungen 16 umfassenden) Detektieröffnung 14 und der (die zweite Kaverne 28 und die Verbindungsöffnungen 30 umfassenden) Stressentkopplungsöffnung 32 die gleichen Verfahrensschritte verwendet werden. Deshalb ist auch die zusätzliche Ausbildung der Stressentkopplungsöffnung 32 an dem Substrat 10 (nahezu) ohne einen Mehraufwand möglich. Somit können zur Kosten- und Platzreduktion der Sensorvorrichtung zumindest die Einrichtungen 12 und 26 an und/oder in dem gleichen Substrat 10 ausgebildet werden. Trotz ihrer vielseitigen Einsetzbarkeit ist die Sensorvorrichtung deshalb leicht minimierbar. Die leichte Minimierbarkeit der Sensorvorrichtung trägt zusätzlich zur Steigerung ihrer Verwendbarkeit bei.
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Vorzugsweise weist die Sensiereinrichtung 26 eine an einer von der ersten Seite 10a weg gerichteten zweiten Seite 10b des Substrats 10 liegende sensitive Fläche 34 auf und ist so ausgebildet, dass eine Änderung mindestens einer physikalischen Größe an der sensitiven Fläche 34 eine Änderung eines von der Sensiereinrichtung 26 ausgegebenen oder an der Sensiereinrichtung 26 abgegriffenen zweiten Sensorsignals bewirkt. Die sensitive Fläche 34 liegt vorzugsweise auf einer von den Verbindungsöffnungen 30 weg gerichteten Seite der zweiten Kavität 28. Dies verbessert nicht nur eine Stressentkopplung der Sensiereinrichtung 26, sondern kann auch eine Herstellung der Sensiereinrichtung 26 erleichtern, wie unten noch erläutert wird.
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In der Ausführungsform der 1 ist die weitere Sensiereinrichtung 26 eine Druck- und/oder Schalldetektiereinrichtung 26. Während herkömmliche Druck- oder Schallsensoren in der Regel empfindlich gegenüber einem mechanischen Stress, insbesondere gegenüber einem mechanischen Stress aus einer Verpackung, sind, ist dieser Nachteil bei der Sensorvorrichtung der 1 mittels der Ausbildung der Stressentkopplungsöffnung 32 behoben. Die Stressentkopplungsöffnung 32 bewirkt insbesondere eine mechanische Entkopplung der Druck- und/oder Schalldetektiereinrichtung 26 ohne eine elektrische Anbindung der Druck- und/oder Schalldetektiereinrichtung 26 zu beeinflussen/erschweren. Beispielhaft weist die Druck- und/oder Schalldetektiereinrichtung 26 eine Membrankomponente 36 auf, welche eine in dem Substrat 10 ausgebildete dritte Kavität 38 so abdeckt, dass die Membrankomponente 36 mittels einer Druckänderung an ihrer von der dritten Kavität 38 weg gerichteten sensitiven Fläche 34 (als der Änderung der mindestens einen physikalischen Größe) ein- oder auswölbbar ist. Die dritte Kavität 38 liegt vorzugsweise zwischen der Membrankomponente 36 und der zweiten Kavität 28. In der dritten Kavität 38 kann ein Referenzdruck (bzw. ein Vakuum/nahezu ein Vakuum) eingestellt sein. Eine Ein- oder Auswölbung der Membranstruktur 36 kann z.B. mittels piezoresistiver Widerstände oder mittels eines kapazitiven Ausleseverfahrens festgestellt werden.
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In dem Beispiel der 1 ist das Substrat 10 an einer Leiterplatte 40 (z.B. einem ASIC/einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung; Application-specific Integrated Circuit) befestigt. Beispielsweise kann das Substrat 10 über mindestens eine (eutektische) Bondverbindung 42 an der Leiterplatte 40 festgebondet sein. Außerdem ist das Substrat 10 teilweise mit einem Verpackungsmaterial 44 ummoldet|umspritzt. Auch mindestens ein an dem Substrat 10 und/oder der Leiterplatte 40 angebundener Drahtbond 46 kann mit dem Verpackungsmaterial 44 ummoldet|umspritzt sein. An dem Substrat 10, beispielsweise auf seiner ersten Seite 10a, können Mold-Verankerungslöcher 48 ausgebildet sein, in welche das Verpackungsmaterial 44 beim Ummolden/Verspritzen des Substrats 10 zumindest teilweise eindringt. Beim Verpacken des Substrats 10 mit dem Verpackungsmaterial 44 können die Bereiche der ersten Seite 10a des Substrats 10 um die Öffnungen 16 und 30 freigehalten werden.
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Die Verpackung des Substrats 10 mit der Leiterplatte 40 und dem Verpackungsmaterial 44 ist relativ problemlos ausführbar, da aufgrund der Ausbildung der Stressentkopplungsöffnung 32 kein Einleiten von Stress aus der Verpackung in die (herkömmlicher Weise stressempfindliche) Sensiereinrichtung 26 zu befürchten ist.
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Außerdem weist die Sensorvorrichtung mindestens einen von der zweiten Seite 10b des Substrats 10 aus in das Substrat 10 strukturierten Verbindungsgraben 49, welcher in der zweiten Kavität 28 mündet, auf. Vorzugsweise ist die zweite Seite 10b des an der Leiterplatte 40 befestigten Substrats 10 zu der Leiterplatte 40 ausgerichtet, wobei über die Verbindungsöffnungen 30, die zweite Kavität 28 und den mindestens einen Verbindungsgraben 49 ein Druckzugangkanal zu der zu der Leiterplatte 40 ausgerichteten sensitiven Fläche 34 gewährleistet ist. Dies bewirkt einen zusätzlichen Schutz der sensitiven Fläche 34.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Sensorvorrichtung.
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Die Sensorvorrichtung der 2 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform darin, dass die erste Elektrode 22 an einem von der ersten Seite 10a des Substrats 10 weg gerichteten Bodenbereich der ersten Kavität 18 ausgebildet ist. Beispielsweise kann ein dotierter Bereich von der zweiten Seite 10b des Substrats 10 aus in das Substrat 10 eingebracht werden. Anschließend kann die erste Kavität 18 so tief geätzt werden, dass der als erste Elektrode 22 verwendete dotierte Bereich zumindest teilweise freigelegt wird.
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Bezüglich weiterer Merkmale der Sensorvorrichtung der 2 wird auf die zuvor beschriebene Ausführungsform verwiesen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Sensorvorrichtung.
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In dem Ausführungsbeispiel der 3 weisen die Ränder der Zugangsöffnungen 16 an der ersten Seite 10a des Substrats 10 in der (parallel zu der ersten Seite 10a des Substrats 10) ausgerichteten ersten Raumrichtung unterschiedliche erste Breiten b1 und b2 auf. Entsprechend können die Ränder der Zugangsöffnungen 16 auch in der (parallel zu der ersten Seite 10a des Substrats 10 und senkrecht zu der ersten Raumrichtung) ausgerichteten zweiten Raumrichtung unterschiedliche zweite Breiten haben. Mittels der Steigerung der ersten Breite b2 kann ein lokaler Abstand des von der ersten Seite 10a des Substrats 10 weg gerichteten Bodenbereichs der ersten Kavität 18 (bereichsweise) gezielt gesteigert werden. Dies kann insbesondere zum Freilegen der an der (von der ersten Seite 10a des Substrats 10 weg gerichteten) Bodenfläche der ersten Kavität 18 liegenden ersten Elektrode 22 genutzt werden.
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Bezüglich weiterer Merkmale der Sensorvorrichtung der 3 wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Sensorvorrichtung.
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Bei der Sensorvorrichtung der 4 sind die erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 24 auf der Leiterplatte 40 ausgebildet. Die erste Kavität 18 ist durch die zweite Seite 10b des Substrats 10 und durch eine zwischen dem Substrat 10 und der Leiterplatte 40 ausgebildete Bondverbindung 42 so tief geätzt, dass die Elektroden 22 und 24 teilweise freigelegt sind.
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Bezüglich weiterer Merkmale der Sensorvorrichtung der 4 wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der Sensorvorrichtung.
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Die Sensorvorrichtung der 5 weist ein zwischen der zweiten Seite 10b des Substrats 10 und der Leiterplatte 40 ausgebildetes, von der zweiten Seite 10b des Substrats 10 strukturiertes und von einer Bondverbindung 42 umrahmtes Zusatzvolumen 50 auf, welches zusammen mit der ersten Kavität 18 einen zusammenhängenden Raum bildet. Auch über ein derartiges Zusatzvolumen 50 können die auf der Leiterplatte 40 ausgebildeten Elektroden 22 und 24 mit dem mindestens einen Nachweismaterial 20, wie z.B. der ionischen Flüssigkeit 20, in Kontakt gebracht werden.
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Bezüglich weiterer Merkmale der Sensorvorrichtung der 5 wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform der Sensorvorrichtung.
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Die Sensorvorrichtung der 6 weist als Weiterbildung zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform noch einen Entlüftungsschacht 52 auf, welcher beabstandet von den Zugangsöffnungen 16 durch das Substrat 10 geätzt ist und an dem zwischen der zweiten Seite 10b des Substrats 10 und der Leiterplatte 40 liegenden Zusatzvolumen 50 mündet. Über den Entlüftungsschacht 52 kann Luft beim Einfüllen des mindestens einen Nachweismaterials 20/der ionischen Flüssigkeit 20 entweichen. Somit muss keine Luftblasenbildung in der Detektieröffnung 14 befürchtet werden.
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Zum Ätzen des Entlüftungsschachts 52 können die gleichen Ätzschritte wie zum Ausbilden der Detektieröffnung 14 (und evtl. auch der Stressentkopplungsöffnung 32) genutzt werden. Das Ausbilden des Entlüftungsschachts 52 ist somit mit keinem wesentlichen Mehraufwand an Arbeit verbunden. Auch die weiteren oben beschriebenen Sensorvorrichtungen können mit einer derartigen Entlüftungsschacht 52 ausgebildet sein.
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Bezüglich weiterer Merkmale der Sensorvorrichtung der 6 wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
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Alle oben beschriebenen Sensorvorrichtungen realisieren eine Integration der chemischen oder elektrochemischen Detektiereinrichtung 12 zusammen mit der stressentkoppelten Druck- und/oder Schalldetektiereinrichtung 26 in das gleiche Substrat 10. Alle oben beschriebenen Sensorvorrichtungen sind jeweils ein MEMS (mikroelektromechanisches Systems, Micro-Electro-Mechanical System), mittels welchem sowohl eine Druckmessung/Luftdruckmessen als auch chemischer Nachweis und/oder eine chemische Konzentrationsmessung möglich sind.
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Für die jeweilige chemische oder elektrochemische Detektiereinrichtung 12 der oben beschriebenen Sensorvorrichtungen kann auch eine spezifischere Sensitivität zum Nachweisen und/oder quantitativen Erfassen eines bestimmten Materials/Stoffes bewirkt werden durch Wahl des mindestens einen Metalls der zusammenwirkenden Elektroden 22 und 24 und/oder Bildung einer bezüglich des bestimmten Materials/Stoffes selektiven Gelschicht auf mindestens einer der zusammenwirkenden Elektroden 22 und 24. Die jeweilige chemische oder elektrochemische Detektiereinrichtung 12 der oben beschriebenen Sensorvorrichtungen kann auch zum Nachweisen und/oder quantitativen Erfassen mehrerer Materialien/Stoffe durch die Ausbildung von mehreren Paaren von zusammenwirkenden Elektroden 22 und 24 ausgebildet sein, wobei die unterschiedlichen Paare von zusammenwirkenden Elektroden 22 und 24 mittels der Wahl ihres mindestens einen Metalls und/oder mindestens einer selektiven Gelschicht unterschiedlich spezifiziert sind. Eine dritte Elektrode kann auch als Referenzelektrode für mindestens ein zusammenwirkendes Elektrodenpaar dienen.
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Alle oben beschriebenen Sensorvorrichtungen können als Weiterbildung auch mehrere entsprechend ausgebildete chemische oder elektrochemische Detektiereinrichtungen 12 haben, welche aufgrund von ihren voneinander getrennt ausgebildeten Detektieröffnungen 14 unabhängig voneinander mehrere Materialien/Stoffe nachweisen und/oder quantitativ erfassen können.
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7 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine Sensorvorrichtung mit zumindest einer chemischen oder elektrochemischen Detektiereinrichtung.
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Alle oben beschriebenen Sensorvorrichtungen können mittels des im Weiteren beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausführbarkeit des Herstellungsverfahrens nicht auf ein Herstellen einer der oben beschriebenen Sensorvorrichtungen beschränkt ist.
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Als Verfahrensschritt S1 wird ein anisotroper erster Ätzprozess ausgeführt, mittels welchem zumindest Zugangsöffnungen (für eine spätere Detektieröffnung der chemischen oder elektrochemischen Detektiereinrichtung) durch eine erste Seite eines Substrats geätzt werden. Als der anisotrope erste Ätzprozess/Verfahrensschritt S1 kann insbesondere ein reaktives lonentiefenätzen mit abwechselnden Ätzschritten Sla und Passiervierungsschritten S1b ausgeführt werden.
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Vorzugsweise wird bei einem Ausführen des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens auch noch zumindest eine weitere Sensiereinrichtung an und/oder in dem Substrat ausgebildet, wobei mittels des anisotropen ersten Ätzprozesses/Verfahrensschritts S1 noch zusätzliche Verbindungsöffnungen (für eine spätere Stressentkopplungsöffnung 32 der weiteren Sensiereinrichtung) durch die erste Seite des Substrats strukturiert werden. Ein Nutzen des anisotropen ersten Ätzprozesses/Verfahrensschritts S1 ist damit gesteigert.
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Als Verfahrensschritt S2 wird anschließend ein isotroper zweiter Ätzprozesses ausgeführt, mittels welchem das Substrat an den von der ersten Seite des Substrats weg gerichteten Enden der Zugangsöffnungen (durch die zuvor gebildeten Zugangsöffnungen) so geätzt wird, dass eine erste Kavität, in welcher die Zugangsöffnungen münden, gebildet wird. Als der isotrope zweite Ätzprozess/Verfahrensschritt S2 wird bevorzugter Weise ein reaktives lonentiefenätzen ohne Passiervierungsschritte ausgeführt. Vorzugsweise wird mittels des isotropen zweiten Ätzprozesses/Verfahrensschritts S2 das Substrat auch an den von der ersten Seite des Substrats weg gerichteten Enden der Verbindungsöffnungen (durch die zuvor gebildeten Verbindungsöffnungen) so geätzt, dass eine zweite Kavität benachbart zu der Sensiereinrichtung, in welcher die Verbindungsöffnungen münden, in dem Substrat gebildet wird. Das Ausbilden der zweiten Kavität ist somit ohne einen (wesentlichen) Zusatzaufwand an Arbeit möglich.
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In einem weiteren Verfahrensschritt S3, welcher teilweise auch vor den Verfahrensschritten S1 und S2 ausgeführt werden kann, wird die chemische oder elektrochemische Detektiereinrichtung derart an und/oder in dem Substrat ausgebildet, dass ein Vorliegen mindestens eines zu detektierenden Materials in der die Zugangsöffnungen und die erste Kavität umfassenden Detektieröffnung eine Änderung eines von der Detektiereinrichtung ausgegebenen oder an der Detektiereinrichtung abgegriffenen ersten Sensorsignals bewirkt.
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Als optionaler Verfahrensschritt S0 kann die weitere Sensiereinrichtung mit einer an einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite des Substrats liegenden sensitiven Fläche derart ausgebildet werden, dass eine Änderung mindestens einer physikalischen Größe an der sensitiven Fläche eine Änderung eines von der Sensiereinrichtung ausgegebenen oder an der Sensiereinrichtung abgegriffenen zweiten Sensorsignals bewirkt. Trotz der Nähe zwischen der (die Verbindungsöffnungen und die zweite Kavität umfassenden) Stressentkopplungsöffnung 32 und der Sensiereinrichtung muss somit keine Beschädigung der Sensiereinrichtung, insbesondere keine Beschädigung ihrer sensitiven Fläche während der Verfahrensschritte S1 und S2 befürchtet werden, dass die Verfahrensschritte S1 und S2 von der ersten Seite des Substrats aus ausgeführt werden. Der Verfahrensschritt S0 kann deshalb problemlos vor und/oder nach den Verfahrensschritten S1 und S2 ausgeführt werden. Die weitere Sensiereinrichtung wird z.B. als eine Druck- und/oder Schalldetektiereinrichtung ausgebildet mit einer in dem Substrat ausgebildeten dritten Kavität und einer die dritte Kavität abdeckenden Membrankomponente, welche so ausgebildet wird, dass die Membrankomponente bei einer Druckänderung an ihrer von der dritten Kavität weg gerichteten sensitiven Fläche (als der Änderung der mindestens einen physikalischen Größe) ein- oder ausgewölbt wird. Dabei kann auch von der zweiten Seite des Substrats aus ein Verbindungsgraben in das Substrat strukturiert werden, welcher (später) in der zweiten Kavität mündet.
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Als weiterer optionaler Verfahrensschritt S4 kann das das Substrat an einer Leiterplatte befestigt werden. Insbesondere kann dabei die zweite Seite des Substrats zu der Leiterplatte ausgerichtet werden, wobei über die Verbindungsöffnungen, die zweite Kavität und den Verbindungsgraben ein Druckzugangkanal zu der zu der Leiterplatte ausgerichteten sensitiven Fläche gewährleistet bleibt. Der Verfahrensschritt S4 kann vor und/oder nach den Verfahrensschritten S1 und S2 ausgeführt werden.
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Optionaler Weise kann abschließend das Substrat als Verfahrensschritt S5 teilweise mit einem Verpackungsmaterial ummoldet|umspritzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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