DE102018200190B4

DE102018200190B4 - Mikroelektromechanisches System mit Filterstruktur

Info

Publication number: DE102018200190B4
Application number: DE102018200190.1A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Klein
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2018-01-08
Filing date: 2018-01-08
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2038-01-09
Also published as: DE102018200190A1; US20190215587A1; KR20190084876A; US10536760B2; CN110015633A

Abstract

Ein mikroelektromechanisches System umfasst ein Gehäuse mit einer Zugangsöffnung und eine Schallwandlerstruktur mit einer Membran und einer Rückplattenstruktur, wobei die Schallwandlerstruktur mit der Zugangsöffnung gekoppelt ist. Das mikroelektromechanische System umfasst eine Filterstruktur, die zwischen der Zugangsöffnung und der Schallwandlerstruktur angeordnet ist, und die ein Filtermaterial und zumindest ein Vorspannungselement aufweist, das mechanisch mit dem Filtermaterial verbunden ist, wobei das zumindest eine Vorspannungselement ausgebildet ist, um eine mechanische Spannung in dem Filtermaterial zu erzeugen, um eine Biegeverformung der Filterstruktur in eine Richtung weg von der Rückplattenstruktur bereitzustellen.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein mikroelektromechanisches System, insbesondere ein mikroelektromechanisches System mit einer Schallwandlerstruktur. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf ein MEMS mit einer integrierten Filterstruktur. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) können in Halbleitertechnologie gefertigt sein und/oder Halbleitermaterialien umfassen. Hierzu gehören beispielsweise Schichten oder Wafer umfassend ein Siliziummaterial, ein Galliumarsenid-Material und/oder ein anderes Halbleitermaterial. MEMS-Strukturen können Schichtfolgen aufweisen, die elektrisch leitende, elektrisch halbleitende und/oder elektrisch schlecht leitende bzw. isolierende Schichten umfassen, um eine entsprechende MEMS-Funktionalität bereitzustellen. Manche MEMS-Strukturen können Schallwandlerstrukturen aufweisen, die beispielsweise eine auslenkbare oder bewegliche Membran umfassen können. Basierend auf einem elektrischen Signal kann die Membran ausgelenkt werden, um ein akustisches Signal bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann basierend auf einem akustischen Signal eine Auslenkung der Membran erfolgen, woraufhin ein elektrisches Signal bereitstellbar ist.
In DE 10 2016 109 101 A1 sind Vorrichtungen für ein mikroelektromechanisches System beschrieben, die einen Träger, eine mit dem Träger gekoppelte Partikelfilterstruktur und ein Gitter umfassen.
In US 2012/0237073 A1 ist ein MEMS-Mikrophon beschrieben, das ein Package-Substrat mit einem hierdurch verlaufenden akustischen Pfad aufweist, der ein Inneres der Vorrichtung öffnet.
In EP 2 566 183A1 ist ein MEMS-Mikrophon mit einem eingebauten textilen Schutz beschrieben, wobei ein geöffneter Mikrophonkörper eine Öffnung mit dem textilen Schutz aufweist.
In JP 2008-271426 A ist ein akustischer Sensor beschrieben, der einen auf einer elektrostatischen Kapazität basierenden akustischen Sensorchip und eine Platine aufweist. Schalllöcher sind in einer Dickenrichtung angeordnet.
Wünschenswert wären MEMS mit einer zuverlässig betreibbaren Schallwandlerstruktur.
Ausführungsbeispiele schaffen ein mikroelektromechanisches System mit einem Gehäuse, das eine Zugangsöffnung aufweist. Das mikroelektromechanische System umfasst ferner eine Schallwandlerstruktur mit einer Membranstruktur und einer Rückplattenstruktur. Die Schallwandlerstruktur ist mit der Zugangsöffnung gekoppelt, beispielsweise akustisch gekoppelt. Das mikroelektromechanische System umfasst eine Filterstruktur, die zwischen der Zugangsöffnung und der Schallwandlerstruktur angeordnet ist, und die ein Filtermaterial und zumindest ein Vorspannungselement umfasst, das mechanisch mit dem Filtermaterial verbunden ist, wobei das zumindest eine Vorspannungselement ausgebildet ist, um eine mechanische Spannung in dem Filtermaterial zu erzeugen, um eine Biegeverformung der Filterstruktur in eine Richtung weg von der Rückplattenstruktur bereitzustellen. Die Filterstruktur ermöglicht ein Abhalten von Wasser, Fremdkörpern und/oder Partikeln, so dass diese aus der Zugangsöffnung in geringem Umfang oder nicht an die Schallwandlerstruktur herangelangen, während die Beabstandung der Filterstruktur mittels des Vorspannungselementes ermöglicht, so dass eine geringe akustische Dämpfung erhalten wird, so dass insgesamt ein zuverlässiger Betrieb der Schallwandlerstruktur erhalten werden kann.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild eines mikroelektromechanischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2a eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem ein Gehäuse durch einen Gehäusedeckel und eine Gehäuseplatte gebildet wird;
2b eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS aus 2a, bei dem ein Vorspannungselement wirksam ist, um die Filterstruktur auszulenken;
3a eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das verglichen mit dem MEMS aus 2a eine veränderte Schallwandlerstruktur aufweist;
3b einen ausgelenkten Zustand einer Filterstrukturaus 3a gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4a-h schematische Seitenschnittansichten unterschiedlicher Konfigurationen von Filterstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen;
5a eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Zugangsöffnung einem Gehäusedeckel aufweist;
5b eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS aus 5a in einem ausgelenkten Zustand der Filterstruktur;
6 eine schematische Seitenschnittansicht eines Ausschnitts eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7a-b schematische Seitenschnittansichten von MEMS gemäß Ausführungsbeispielen, bei denen ein Ätzprozess zu unterschiedlichen Ergebnissen führt, gemäß Ausführungsbeispielen;
8 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem Rückplattenstrukturen Anti-Sticking Elemente aufweisen;
9 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel bei dem die Filterstruktur eine Korrugation aufweist;
10 eine schematische Seitenschnittansicht eines Teils eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das als Single Backplate Konfiguration gebildet ist;
11 eine schematische Seitenschnittansicht eines Teils eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das gegenüber dem MEMS aus 10 Anti-Sticking Elemente an der Membranstruktur aufweist;
12 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das gegenüber dem MEMS aus 11 dahin gehend modifiziert ist, dass an Bereichen gegenüberliegend der Anti-Sticking Elemente Isolationselemente angeordnet sind;
13a eine schematische Darstellung einer Rückplattenstruktur und einer Filterstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel;
13b eine schematische Aufsicht auf eine übereinander liegend implementierte Anordnung der Rückplattenstruktur und der Filterstruktur aus 13a;
13c eine Detailansicht der Lochstruktur des Filterstruktur aus 13b;
13d eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt des Filtermaterials aus 13b; und
14a-c schematische Verläufe von beispielhaften Auslenkungen des Filtermaterials mit unterschiedlichen Konfigurationen des Herstellungsprozesses gemäß Ausführungsbeispielen.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf mikroelektromechanische Systeme oder Strukturen (MEMS), die eine Schallwandlerstruktur umfassen. MEMS-Schallwandler können beispielsweise als Lautsprecher und/oder Mikrophon gebildet sein, die ausgebildet sind, um basierend auf einem elektrischen Ansteuersignal eine Bewegung eines beweglichen Elements, d. h. einer Membran, zu bewirken, so dass ein Fluid durch die Bewegung der Membran bewegt wird, so dass ein Schalldruckpegel in dem Fluid erzeugt wird. Gegenüber der vorangehend beschriebenen Lautsprecher-Konfiguration kann in einer Mikrophon-Konfiguration eine Bewegung in dem Fluid zu einer Auslenkung der Membran führen, die durch ein veränderliches elektrisches Potenzial und/oder eine veränderliche elektrische Kapazität feststellbar ist, so dass ein elektrisches Signal basierend auf einer Fluidbewegung erhalten werden kann.
MEMS-Schallwandler können in Halbleitertechnologie gefertigt sein und/oder Halbleitermaterialien umfassen. In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen können Rückplattenelektroden oder Rückplattenstrukturen der Schallwandlerstruktur mit einer gegenüber der Rückplattenstruktur auslenkbaren Membran einen Stapel bilden, wobei die Rückplattenelektrode und die Membran beispielsweise über ein Substrat an jeweiligen Randbereichen gehalten werden. Bei dem Substrat kann es sich beispielsweise um ein amorphes, polykristallines oder kristallines Halbleitermaterial handeln, etwa Silizium.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines mikroelektromechanischen Systems 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das mikroelektromechanische System (MEMS) 10 umfasst ein Gehäuse 12, das eine Zugangsöffnung 14 aufweist. Die Zugangsöffnung kann als Lufteinlass oder Schalleinlass bzw. Luftauslass oder Schallauslass wirken. Das MEMS 10 umfasst eine Schallwandlerstruktur 16, die eine Membranstruktur 18 und eine Rückplattenstruktur 22 umfasst. Bei dem Gehäuse 12 kann es sich um eine unvollständig geschlossene Struktur handeln, die beispielsweise konfiguriert sein kann, um ein Herantreten eines Fluidstroms und/oder einen akustischen Kurzschluss mit einer Umgebung des MEMS 10 zu erschweren oder zu verhindern. Das Gehäuse 12 kann aus Halbleitermaterial, Kunststoff und/oder Metall gebildet sein und kann ganz oder teilweise auch aus einer Vergussmasse gebildet sein.
Die Membranstruktur 18 und/oder die Rückplattenstruktur 22 können elektrisch leitfähige Materialien umfassen, so dass beispielsweise basierend auf einer kapazitiven Auswertung der Membranstruktur 18 und der Rückplattenstruktur 22 eine Bewegung der Membranstruktur 18 gegenüber der Rückplattenstruktur 22 feststellbar sein kann. Elektrisch leitfähige Materialien können beispielsweise ein Teilmaterial, beispielsweise Gold, Kupfer, Silber, Aluminium oder dergleichen und/oder ein dotiertes Halbleitermaterial sein.
Die Schallwandlerstruktur 16 kann mit der Zugangsöffnung 14 gekoppelt sein, so dass ein Fluidstrom 24, der als statische, quasistatische oder dynamische Variation in einem Fluiddruck oder Schalldruckpegel verstanden werden kann, durch die Zugangsöffnung 14 hin zu der Schallwandlerstruktur 16 zu gelangen kann. Der Fluidstrom 24 kann mit einer Auslenkung der Membranstruktur 18 kausal zusammenhängen, insbesondere bei einem Betrieb der Schallwandlerstruktur 16 als Mikrophon und/oder Lautsprecher.
Das MEMS 10 umfasst eine Filterstruktur 26, die zwischen der Zugangsöffnung 14 und der Schallwandlerstruktur 16 angeordnet ist. Die Filterstruktur 26 umfasst ein Filtermaterial 28 und zumindest ein Vorspannungselement 32, das mechanisch mit dem Filtermaterial 28 verbunden ist. Das Vorspannungselement 32 ist ausgebildet, um eine mechanische Spannung in dem Filtermaterial 28 zu erzeugen, um eine Biegeverformung der Filterstruktur 26 in eine Richtung weg von der Rückplattenstruktur 22 bereitzustellen. Die mechanische Verbindung zwischen dem Filtermaterial 28 und dem Vorspannungselement 32 kann bspw. durch eine mechanische Anhaftung erhalten werden, etwa unter Verwendung von Klebstoffen, kann aber auch durch ein Aufwachsen einer Materialschicht des Vorspannungselementes an einer Schicht des Filtermaterials oder umgekehrt erhalten werden.
Das Filtermaterial 28 kann ausgebildet sein, um eine Barriere für Teile des Fluidstroms 24 darzustellen, beispielsweise, Partikel und/oder Flüssigkeiten. Hierfür kann die Filterstruktur 26 bzw. das Filtermaterial 28 eine Lochstruktur aufweisen, deren Löcher eine entsprechend geringe Öffnungsgröße aufweisen, beispielsweise einen Durchmesser. Dies ermöglicht den Durchstrom des Fluidstroms 24 unter Abhaltung entsprechender Bestandteile des Fluidstroms 24.
Die Biegeverformung des Filtermaterials 28 ermöglicht den Erhalt eines Abstandes 34 bezogen auf einen unausgelenkten Zustand des Filtermaterials 28. Der Abstand 34 kann sich dabei auf eine erhaltene Auslenkung des Filtermaterials 28 in einem Mittenbereich der Filterstruktur 26 beziehen, während das Filtermaterial 28 in einem Randbereich beispielsweise fest eingespannt sein kann und dort zwar Materialdehnungen aufweisen kann, jedoch unter Umständen zumindest lokal keine Auslenkung aufweist. Durch den Abstand 34 wird es ermöglicht, dass eine akustische Dämpfung der Filterstruktur 26 bezüglich der Schallwandlerstruktur 16 gering ist, eine gute Filtereigenschaft erreicht wird und gleichzeitig eine räumliche Nähe zwischen Filterstruktur 26 und Schallwandlerstruktur 16 erhalten werden kann, beispielsweise, indem manche, einige oder sämtliche der Schichten umfassend die Membranstruktur 18, die Rückplattenstruktur 22 und/oder das Filtermaterial 28 aus einem gleichen Stapel gebildet werden.
Obwohl die 1 so dargestellt ist, dass die Rückplattenstruktur 22 zwischen dem Filtermaterial 28 und der Membranstruktur 18 angeordnet ist, ist es ohne Einschränkung in den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich, dass die Membranstruktur 18 zwischen der Rückplattenstruktur 22 und dem Filtermaterial 28 angeordnet ist.
In anderen Worten schützt die Filterstruktur 28 ein Sensorelement, beispielsweise die Schallwandlerstruktur 16 vor Umwelteinflüssen, beispielsweise Partikel und/oder Wasser.
Ausführungsbeispiele ermöglichen einen Schutz der Sensorstruktur durch eine integrierte Filterstruktur. Damit können Gesamtkosten, ein Verarbeitungsaufwand und/oder Bauraum gering gehalten werden oder reduziert werden. Die Schutzstruktur, das bedeutet die Filterstruktur 28 kann als eine gitterförmig ausgelegte Schicht implementiert werden. Je kleiner deren Löcher ausgeführt werden, desto besser und höher kann eine Filterwirkung der Filterstruktur 28 gegen Partikel und/oder Wasser erhalten werden. Gleichzeitig können jedoch Einflüsse auf die Störeigenschaften, beispielsweise durch eine Reduzierung des Signal-Rausch-Verhältnisses (signal to noise ratio - SNR) eines Mikrophons erhalten werden, was durch die Rückplattenstruktur 22, bspw. durch eine Erhöhung der Größe der Löcher zumindest teilweise ausgeglichen werden kann.
2a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 20₁ , bei dem das Gehäuse 12 durch einen Gehäusedeckel 12a und eine Gehäuseplatte 12b gebildet wird. Die Gehäuseplatte 12b kann beispielsweise ein Trägersubstrat für elektrische Leitungen sein oder diese Leitungen umfassen, etwa indem die Gehäuseplatte 12b als Platine oder dergleichen gebildet ist.
Die Zugangsöffnung 14 kann beispielsweise in der Gehäuseplatte 12b angeordnet sein. Neben einer Schallwandlerstruktur 16₁ , die beispielsweise als Schallwandlerstruktur mit doppelter Rückplattenkonfiguration (Double Backplate) implementiert sein kann, bei der die Membranstruktur 18 zwischen zwei Membranstrukturen 22a und 22b angeordnet sein kann, können weitere Elemente innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet sein. Beispielsweise kann innerhalb des Gehäuses 12 ein Substrat 42, das die Schallwandlerstruktur 16₁ von der Zugangsöffnung 14 beabstandet, d. h. zwischen der Zugangsöffnung 14 und der Schallwandlerstruktur 16₁ , angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann innerhalb des Gehäuses 12 auch eine Ansteuerschaltung 44 angeordnet sein, die mit der Schallwandlerstruktur 16₁ elektrisch gekoppelt ist und ausgebildet sein kann, um eine Funktionalität derselben bereitzustellen. Die Ansteuerschaltung 44 kann einen Verstärker umfassen, der von der Schallwandlerstruktur 16₁ empfangene elektrische Signale und/oder dorthin zu liefernde Signale elektrisch verstärkt.
Die Filterstruktur 26 kann als integriertes Filterelement bezüglich des MEMS 20₁ verstanden werden. Gemäß der Darstellung in 2a ist das Vorspannungselement der Filterstruktur 26 in geringem Maße aktiv oder inaktiv, das bedeutet, die 2a zeigt das MEMS 20₁ in einem Zustand, in dem das Filtermaterial unausgelenkt ist.
2b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS 20₁ , bei dem das Vorspannungselement wirksam ist, so dass die Filterstruktur 26 bzw. das Filtermaterial ausgelenkt ist, um einen verglichen mit der Darstellung in 2a vergrößerten Abstand zu der Rückplattenstruktur 22 b, zu der Rückplattenstruktur 22a und/oder der Membranstruktur 18 aufzuweisen.
3a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 20₂ , das verglichen mit dem MEMS 20₁ eine veränderte Schallwandlerstruktur 16₂ aufweist. Die Schallwandlerstruktur 16₂ weist eine Einzel-Rückplattenkonfiguration (Single Backplate) auf, bei der die Membranstruktur 18 gegenüber einer einzelnen Rückplattenstruktur 22 auslenkbar sein kann. Die Rückplattenstruktur 22 kann beispielsweise so angeordnet sein, dass die Membranstruktur 18 zwischen der Rückplattenstruktur 22 und der Filterstruktur 26 angeordnet ist. Alternativ ist es ebenfalls möglich, dass die Rückplattenstruktur 22 zwischen der Membranstruktur 18 und der Filterstruktur 26 angeordnet ist. Ohne dass die Worte „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, „vorne“ und „hinten“ in hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen einschränkende Wirkung entfallen sollen, kann das MEMS 20₂ so beschrieben werden, dass die Schallwandlerstruktur 16₂ über der Zugangsöffnung 14 angeordnet ist, so dass die Membranstruktur 18 über die Zugangsöffnung 14 mit einer Umgebung des MEMS 20₂ fluidisch gekoppelt ist.
Während 3a vergleichbar mit der 2a einen unausgelenkten Zustand der Filterstruktur 26 zeigt, zeigt 3b einen ausgelenkten Zustand der Filterstruktur 26, bei der die Filterstruktur 26 so ausgelenkt ist, dass sie verglichen mit 3a einen größeren Abstand zu der Membranstruktur 18 und/oder der Rückplattenstruktur 22 aufweist. Der ausgelenkte Zustand des Filtermaterials kann durch wirksame Vorspannungselemente erhalten werden.
Anhand der 4a bis 4h wird nachfolgend Bezug genommen auf die Auslenkung der Filterstruktur 26 bzw. des Filtermaterials 28, das an einem Substrat 46, bspw. einem Halbleitersubstrat aufgehängt oder eingespannt sein kann.
4a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht der Filterstruktur in einer ersten Konfiguration 26a, bei der das Filtermaterial 28 eine Vielzahl von Löchern 36_i aufweist, durch die der Fluidstrom hindurch wandern kann. Mit dem Filtermaterial 28 fest verbunden sind beispielsweise zwei Vorspannungselemente 32₁ und 32₂ , wobei auch eine beliebige andere Anzahl von Vorspannungselementen verwendet werden kann, beispielsweise ein, drei oder mehr, vier oder mehr, fünf oder mehr, zehn oder mehr, beispielsweise 15. Beispielsweise kann das Filtermaterial 28 eine umlaufend mit einem Substrat fest verbundene Struktur sein, so dass ein einzelnes Vorspannungselement 32 ebenfalls als umlaufendes Element angeordnet sein kann. Alternativ kann auch eine höhere Anzahl verwendet werden.
Die Vorspannungselemente 32₁ und 32₂ können mit dem Filtermaterial 28 mechanisch fest verbunden sein und ausgebildet sein, um eine mechanische Spannung in dem Filtermaterial 28 zu erzeugen. Dies kann beispielsweise durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eines der Vorspannungselemente 32₁ und/oder 32₂ auf andere Art und Weise konfiguriert sein, um eine mechanische Spannung in dem Filtermaterial 28 zu erzeugen. Beispielsweise kann eine Haupterstreckungsrichtung des Filtermaterials 28 parallel zu einer x-Richtung sein, wobei eine Oberflächennormale des Filtermaterials 28 senkrecht hierzu und parallel zu einer y-Richtung angeordnet sein kann. Die Vorspannungselemente 32₁ und/oder 32₂ können beispielsweise ausgebildet sein, um sich gegenüber dem Filtermaterial 28 entlang der x-Richtung auszudehnen, um die mechanische Spannung in dem Filtermaterial 28 zu erzeugen. Beispielsweise können die Vorspannungselemente 32₁ und 32₂ gleichzeitig mit dem Filtermaterial 28 erzeugt oder prozessiert werden, so dass beide eine gleiche Temperatur aufweisen, während ein im Wesentlichen spannungsfreier Zustand zwischen dem Filtermaterial 28 und den Vorspannungselementen 32₁ und 32₂ vorherrscht. Durch Erwärmen und/oder Abkühlen des Stapels auf eine andere Temperatur können sich das Filtermaterial 28 und ein Material der Vorspannungselemente 32₁ und/oder 32₂ unterschiedlich ausdehnen, so dass beispielsweise die Vorspannungselemente 32₁ und 32₂ sich gegenüber dem Filtermaterial 28 vergrößern und basierend auf der mechanischen Verbindung zu dem Filtermaterial 28 die mechanische Spannung erzeugen.
Beispielsweise kann das Filtermaterial 28 ein Siliziummaterial sein und ein Material der Vorspannungselemente 32₁ und/oder 32₂ ein Siliziumnitridmaterial umfassen, beispielsweise Siliziumnitrid (SiN) oder Siliziumoxinitrid (SiON). Beispielsweise kann das Filtermaterial ein polykristallines Siliziummaterial aufweisen und die Vorspannungselemente 32₁ und/oder 32₂ das Nitridmaterial aufweisen.
4b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des ausgelenkten Zustandes der Filterstruktur 26a, bei der basierend auf der mechanischen Spannung die Auslenkung des Filtermaterials 28 erhalten wird, so dass der Abstand 34 zu einer nicht dargestellten Rückplattenstruktur erhalten wird. Der Abstand 34 kann als Auslenkung des Filtermaterials 28 gegenüber einem unausgelenkten Zustand, der beispielsweise durch eine gestrichelte Linie 38 angedeutet ist, verstanden werden.
4c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht der Filterstruktur in einer zweiten Konfiguration 26b, bei der die Vorspannungselemente 32₁ und 32₂ verglichen mit der ersten Konfiguration 26a ausgebildet sind, um sich gegenüber dem Filtermaterial 28 zu kontrahieren, so dass die mechanische Spannung basierend auf der Kontraktion der Vorspannungselemente 32₁ und 32₂ erhalten werden kann.
Während die Orte der Anordnung der Vorspannungselemente 32₁ und/oder 32₂ verglichen mit der 4a gleich oder vergleichbar sein können, ermöglicht eine Kontraktion der Vorspannungselemente 32₁ und/oder 32₂ eine Auslenkung des Filtermaterials 28 und den Abstand 34 entlang der positiven y-Richtung, während die Auslenkung gemäß 4b entlang der negativen y-Richtung erfolgen kann.
Die Konfiguration 26b kann beispielsweise erhalten werden, indem ein Referenzzustand oder spannungsfreier Zustand beispielsweise auf eine Temperatur bezogen ist, die niedriger ist als eine Temperatur, in welcher der Auslenkzustand erhalten wird, das bedeutet, dass sich das Filtermaterial 28 und das oder die Vorspannungselemente 32₁ und/oder 32₂ erwärmen, um die Auslenkung bereitzustellen.
Obwohl die Konfigurationen 26a und 26b so beschrieben sind, dass die Vorspannungselemente 32₁ und/oder 32₂ in einem Randbereich des Filtermaterials 28 angeordnet sind, sind auch andere Orte möglich. Hierbei bieten sich die Orte größter Materialdehnung an, da diese zu einer hohen Auslenkung des Filtermaterials 28 führen können. Ist das Filtermaterial 28 beispielsweise in den Randbereichen fest eingespannt, so können Orte großer mechanischer Dehnung benachbart hierzu angeordnet sein. Die Konfigurationen 26a und 26b sind so dargestellt, dass ein möglicherweise einzelner Schwingungsbau des Filtermaterials 28 erhalten wird, der in einem Mittenbereich der Filterstruktur 28 angeordnet sein kann. Es versteht sich, dass auch andere Biegelinien erzeugt werden können, beispielsweise mit einer höheren Anzahl von Auslenkmaxima. Dies führt auch zu einer höheren Anzahl von Orten mit großer oder größter Dehnung im Filtermaterial 28, was die Auswahl der Anbringungsorte der Vorspannungselemente 32₁ und/oder 32₂ oder anderer Vorspannungselemente beeinflussen kann.
Alternativ zu Orten großer oder maximaler Dehnung können auch Orte mit anderen Eigenschaften gewählt werden, beispielsweise Orte mit einer großen oder maximalen Amplitude des Abstandes 34.
4d zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des ausgelenkten Zustandes der Filterstruktur 26b, bei der basierend auf der mechanischen Spannung die Auslenkung des Filtermaterials 28 erhalten wird.
4e zeigt eine schematische Seitenschnittansicht der Filterstruktur in einer dritten Konfiguration 26c, bei der ein möglicherweise einzelnes Vorspannungselement 32 in einem Mittenbereich des Filtermaterials 28 angeordnet ist und konfiguriert ist, um sich gegenüber dem Filtermaterial auszudehnen, wie es im Zusammenhang mit der 4a beschrieben ist. Ein mögliches Vorspannungselement kann unter Verwendung von TEOS (Tetraethylorthosilicat) erhalten werden, wobei auch andere, insbesondere mit Ätzprozessen wie einem HF-Ätzprozess (HF = Fluourwasserstoff; Flusssäure) kompatible Materialien verwendet werden können.
4f zeigt eine schematische Seitenschnittansicht der Konfiguration 26c in dem ausgelenkten Zustand, bei der der Abstand 34 gegenüber dem Referenzzustand erhalten ist.
4g zeigt eine schematische Seitenschnittansicht der Filterstruktur in einer vierten Konfiguration 26d, bei der das Vorspannungselement 32 verglichen mit der Konfiguration 26c ausgebildet ist, um sich gegenüber dem Filtermaterial 28 zu kontrahieren, um die mechanische Spannung bereitzustellen.
4h zeigt eine schematische Seitenschnittansicht der Filterstruktur aus 4g in der vierten Konfiguration 26d, bei der das Filtermaterial 28 basierend auf der erhaltenen mechanischen Spannung ausgelenkt ist, um gegenüber dem durch die Linie 38 angedeuteten Referenzzustand den Abstand 34 bereitzustellen.
Die 4a bis 4h verdeutlichen, dass mit einer unterschiedlichen Anzahl und/oder unterschiedlichen Orten der Anbringung von zumindest einem mechanischen Vorspannungselemente eine Auslenkung des Filtermaterials 28 erhalten werden kann. Die mechanische Vorspannung kann durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten bezüglich eines gemeinsamen Referenzzustands, der möglicherweise aber nicht notwendigerweise einen Temperaturbereich während der Herstellung beschreibt, erhalten werden. Alternativ zu diesem Konzept kann auch eine Aktuierung genutzt werden, um die mechanische Spannung zu erhalten, beispielsweise durch Anlegen einer Temperatur, einer mittels eines Aktuators erzeugten Kraft oder dergleichen.
5a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 20₃ , das verglichen mit dem MEMS 20₁ und 20₂ die Zugangsöffnung 14 in dem Gehäusedeckel 12a aufweist, das bedeutet, der Fluidstrom 24 kann von einer beispielsweise als Oberseite bezeichneten Richtung hin zu einer Schallwandlerstruktur 16₃ gelangen. Die Schallwandlerstruktur 16₃ kann als Single Backplate oder Dual Backplate Konfiguration gebildet sein. Im Falle einer Single Backplate Konfiguration kann die Schallwandlerstruktur 16₃ die Rückplattenstruktur 22 bezogen auf die Membranstruktur 18 näher zu der Zugangsöffnung 14 oder näher zu der Gehäuseplatte 12b aufweisen. Die 5a zeigt das MEMS 20₃ in einem unausgelenkten Zustand der Filterstruktur 26.
5b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS 20₃ in einem ausgelenkten Zustand der Filterstruktur 26. Die Filterstruktur 26 ist dabei so ausgelenkt, dass sich der Abstand gegenüber der Rückplattenstruktur 22 und/oder der Membranstruktur 18 vergrößert.
Die Merkmale, die im Zusammenhang mit dem MEMS 20₁ , 20₂ und 20₃ beschrieben wurden, sind beliebig miteinander kombinierbar. Insbesondere kann eine Konfiguration des Gehäuses, eine Position der Zugangsöffnung 14 darin sowie eine Konfiguration der Schallwandlerstruktur im Hinblick auf Single Backplate und Dual Backplate sowie eine Orientierung der Rückplattenstruktur im Falle einer Single Backplate Konfiguration beliebig austauschbar sein.
6 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines Ausschnitts eines MEMS 50 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Beispielsweise ist lediglich ein seitlicher Ausschnitt des MEMS 50 gezeigt, das bedeutet, zu einem rechten Bildrand hin können sich die dargestellten Strukturen verlängern. Ferner ist das MEMS 50 beispielsweise so gebildet, dass die Membranstruktur 18 zwischen zwei Rückplattenstrukturen 22a und 22b angeordnet ist.
Das MEMS 50 kann beispielsweise aus einem Schichtstapel gebildet sein, das eine Vielzahl von Schichten aufweist und aus dem die Rückplattenstrukturen 22a und 22b sowie die Membranstruktur 18 in einem Mittenbereich freigelegt werden, etwas durch einen chemischen oder mechanischen Ätzprozess, um die Funktionalität des MEMS 50 zu ermöglichen. Beispielsweise können die Rückplattenstrukturen 22a und 22b sowie die Membranstruktur 18 in dem Randbereich von dem Halbleitersubstrat 46 gehalten sein, das bedeutet, daran fest eingespannt sein, wobei das Halbleitersubstrat 46 mehrere Schichten 46₁ bis 46₄ aufweisen kann. Alternativ kann das Halbleitersubstrat auch mit einer einzelnen Schicht, mit zwei oder mehr Schichten, drei oder mehr Schichten oder fünf oder mehr Schichten gebildet sein, beispielsweise zehn, 20 oder sogar mehr.
Das Substratmaterial 46 kann beispielsweise ein Halbleitermaterial ein oder umfassen, etwa Silizium. Das Halbleitermaterial kann beispielsweise unter Verwendung von TEOS (Tetraethylorthosilicat) erhalten werden. Ein so entstehendes Material der Halbleitersubstratschichten 46 bis 46_i kann elektrisch isolierend sein und beispielsweise ein Siliziumoxidmaterial umfassen und daraus gebildet sein. Die Verwendung von Nitrid als Isolationsmaterial der Schichten 52₁ bis 52₄ ermöglicht die Entlastung von Belastungspunkten 74₁ und/oder 74₂ , die bei einer Bewegung der entsprechenden Struktur Schäden in dem Halbleitermaterial der Schicht 28 oder 48 hervorrufen könnten. In anderen Worten sind Hotspots (Belastungspunkte) 74 durch zugfestes SiN geschützt. Das Isolationsmaterial kann als SiN Taper angeordnet werden, wobei die Verwendung von Siliziumnitridmaterial eine große Auslenkung des Filtermaterials 28 ermöglichen kann, da es eine hohe Zugspannung in dem Siliziummaterial bereitstellen kann.
Die Rückplattenstrukturen 22a und 22b sowie die Membranstruktur 18 können elektrisch leitfähig sein, so dass eine Bewegung der Membranstruktur 18 gegenüber der Rückplattenstrukturen 22a und/oder 22b durch Auswerten von elektrischen Potenzialen oder Kapazitätswerten detektierbar ist bzw. durch Anlegen von elektrischen Potenzialen oder Ladungsträgern eine Bewegung der Membran 18 erhalten werden kann. Die Rückplattenstrukturen 22a und/oder 22b können, verglichen mit der Membranstruktur 18, in einem geringen Maß auslenkbar sein. Bspw. kann in Reaktion auf eine vergleichbar große Kraft, die auf die Membranstruktur 18 und die Rückplattenstrukturen wirkt, eine Weglänge einer Auslenkung der Rückplattenstrukturen um einen Faktor von kleiner 0,1, kleiner 0,05 oder kleiner 0,01 kleiner sein.
Beispielsweise können die Rückplattenstrukturen 22a und 22b selbst als mehrschichtige Elemente gebildet sein und beispielsweise eine elektrisch leitende Schicht 48 umfassen, die von ein oder mehreren isolierenden Schichten 52₁ und/oder 52₂ an einer oder beiden Hauptseiten bedeckt ist, um bei einem mechanischen Kontakt mit einer weiteren elektrisch aktiven Struktur einen Kurzschluss zu vermeiden. Ebenso kann die Rückplattenstruktur 22b eine elektrisch leitfähige Schicht 48₂ umfassen, die beispielsweise beidseitig mit einer elektrisch isolierenden Schicht 52₃ bzw. 52₄ bedeckt ist.
Die elektrisch leitfähigen Schichten 48₁ und/oder 48₂ können ein dotiertes Halbleitermaterial umfassen und/oder ein Metallmaterial. Die isolierenden Schichten 52₁ bis 52₄ können beispielsweise ein Oxidmaterial oder ein Nitridmaterial umfassten, beispielsweise Siliziumnitrid oder Siliziumoxinitrid.
Die Membranstruktur 18 kann beispielsweise als elektrisch leitfähige Schicht 48₃ gebildet sein. Optional kann die Membranstruktur 18 auch einseitig oder beidseitig zumindest stellenweise von einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt sein, wobei die elektrische Isolierung zu den Rückplattenstrukturen bevorzugt an den Rückplattenstrukturen selbst angeordnet wird, um eine geringe Masse der Membranstruktur 18 zu ermöglichen.
Der Schichtstapel bzw. das MEMS 50 kann die Filterstruktur 26 umfassen, die beispielsweise als Bimorphstruktur gebildet ist. Das bedeutet, in einem Vorspannbereich 54, der beispielsweise in einem Randbereich des MEMS 50 angeordnet ist, ist das Filtermaterial 28 mit dem Vorspannungselement 32 zumindest stellenweise oder vollständig bedeckt. Das Filtermaterial 28 kann dabei elektrisch leitfähig gebildet sein und beispielsweise dasselbe Material umfassen wie die leitfähigen Schichten 48₁ und/oder 48₂ und/oder ein Membranmaterial der Membranstruktur 18, das bedeutet, der Schicht 48₃ . Das Vorspannungselement 32 kann an einer der Rückplattenstruktur 22b abgewandten Seite des Filtermaterials 28 angeordnet sein.
Beispielsweise ist das MEMS 50 konfiguriert, dass die Rückplattenstruktur 22b zwischen der Zugangsöffnung 14 und der Membranstruktur 18 angeordnet ist. Eine derartige Konfiguration kann dazu führen, dass Partikel 56₁ und/oder 56₂ des Fluids 24 an die Rückplattenstruktur 22b heranreichen könnten, während die Rückplattenstruktur 22a in einem geringeren Maß oder in keinem Umfang mit Partikeln beaufschlagt wird. Die Filterstruktur 26 kann nun dazu genutzt werden, um die Partikel 56₁ und/oder 56₂ von der Rückplattenstruktur 22b abzuhalten. Dies ermöglicht, dass Öffnungen oder Löcher 58 der Rückplattenstruktur vergleichsweise groß gebildet werden können, da sie von einem Funktionserfordernis des Partikelabhaltens zumindest teilweise befreit sind. Diese Funktion kann von der Filterstruktur 26 bereitgestellt werden, so dass Öffnungen oder Löcher 62 der Filterstruktur 26 mit einer geringeren Abmessung gebildet sein können als die Löcher 58. Hieraus kann sich ergeben, dass die Filterstruktur 28 ein akustisches Verhalten der Schallwandlervorrichtung beeinflusst. Gleichzeitig können bekannte Prozessparameter beibehalten werden, insbesondere Schichtdicken des Substrats 46.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt ein Durchmesser oder eine vergleichbare Abmessung der Öffnungen 62, die die Partikelgröße bestimmt, für die die Filterstruktur 26 mechanisch undurchlässig ist, eine Abmessung, die kleiner ist als der Abstand 34, so dass durch die Filterstruktur 26 hindurchtretende Partikel klein genug sind, um einen gleichzeitigen Kontakt mit der Filterstruktur 26 und der Rückplattenstruktur 22b zu verhindern. Die Größe der Löcher 62 kann so gewählt sein, dass Partikel, die durch die Löcher 62 passen, zu keiner wesentlichen Beeinträchtigung führen, wenn sie in einem Bereich zwischen der Rückplatte 22b und der Membranstruktur 18 gelangen.
So kann beispielsweise eine Schichtdicke 64 der Substratschicht 46₃ zwischen der Rückplattenstruktur 22b und der Filterstruktur 26 mit einem entsprechend korrespondierenden Abstand zwischen der Rückplattenstruktur 22b und der Filterstruktur 26 in dem Randbereich gering sein und beispielsweise einen Wert von zumindest 0,5 µm und höchstens 3 µm, zumindest 1 µm und höchstens 2,5 µm oder zumindest 1,5 µm und höchstens 2,2 µm aufweisen, beispielsweise 2 µm. Der Abstand 34 kann basierend auf dem Vorspannungselement 32 zumindest 6 µm aufweisen, zumindest 8 µm aufweisen oder zumindest 10 µm. Der Abstand 34 kann als Vergrößerung des durch die Schichtdicke 64 bereitgestellten Abstands verstanden werden und kann bspw. zumindest einen doppelten Wert aufweisen wie die Schichtdicke 64, zumindest einen Wert von 2,5, zumindest einen Wert von 3 oder sogar mehr, bspw. 5. Die Auslenkung durch das Vorspannungselement ermöglicht den Erhalt eines hohen Abstandes 34 unter Vermeidung eines Abscheidens entsprechend hoher Schichtdicken am Rand. Anders ausgedrückt kann die Rückplattenstruktur 22b in dem Randbereich 68 der Rückplattenstruktur 22b den Abstand 64 zu der Filterstruktur 26 aufweisen und in dem Mittenbereich 66 den Abstand 34. Der Abstand 34 kann einen Wert von zumindest einem zweifachen Wert, zumindest einem dreifachen Wert, zumindest einem vierfachen Wert aber auch von zumindest einem fünffachen Wert aufweisen und beispielsweise einen Wert von zumindest 6 µm, zumindest 8 µm oder zumindest 10 µm betragen.
Der Mittenbereich 66 kann dabei als Bereich der Membranstruktur 18 verstanden werden, der für eine Auslenkung derselben konfiguriert ist. Der Randbereich 68 kann als Einspannungsbereich oder haltender Bereich verstanden werden, in welchem eine Verankerung der jeweiligen Schichten erfolgen kann und/oder der von einer Freilegung der einzelnen Teilstrukturen 22a, 18, 22b und 26 verbleibt.
Eine Grundschicht 72 des Schichtstapels kann beispielsweise eine Siliziumschicht sein, beispielsweise der Rest eines Silizium-Wafers, auf welchem die weiteren Schichten erzeugt oder angeordnet wurden. Das Siliziummaterial der Grundschicht 72 kann beispielsweise vergleichsweise empfindlich gegenüber einer Ätzung sein, wenn eine Ätzempfindlichkeit des Halbleitersubstrats 46 vergleichsweise herangezogen wird. Beispielsweise kann eine Freilegung der einzelnen Schichten aus einer Richtung erfolgen, in der die Zugangsöffnung 14 angeordnet ist, so dass die Schichten 46₁ , 46₂ , 46₃ und 46₄ in der genannten Reihenfolge eine zunehmend längere Verweildauer in einem Ätzmaterial aufweisen können. Deshalb können diese Schichten in der genannten Reihenfolge einen zunehmenden Abtrag erfahren, so dass das zwischen der Rückplattenstruktur 22b und der Filterstruktur 26 in dem Randbereich 68 angeordnete Isolationsmaterial des Substrats 46 im Bereich der Filterstruktur 26 im höheren Maße abgetragen ist, so dass die Filterstruktur in einem flächenmäßig höheren Ausmaß von dem Isolatormaterial des Halbleitersubstrats 46 freigelegt ist als die Rückplattenstruktur 22b. Das kann auch bedeuten, dass das Isolatormaterial eine der Rückplattenstruktur 22b zugewandte Seite der Filterstruktur 26 flächenmäßig in einem höheren Ausmaß bedeckt als eine der Rückplattenstruktur 22b abgewandte Seite. Wird eine Konfiguration der Schichtfolgen verändert, beispielsweise dass die Filterstruktur 26 benachbart zu der Rückplattenstruktur 22a angeordnet ist, so kann das Isolationsmaterial die der Rückplattenstruktur zugewandte Seite der Filterstruktur auch in einem geringeren Ausmaß bedecken als die der Rückplattenstruktur abgewandte Seite. Dies kann vereinfacht so verstanden werden, dass das haltende Oxid der Schichten 46 in beiden Seiten in einem jeweils höheren Umfang abgetragen werden kann.
Die Filterstruktur 26 kann dabei so gebildet sein, dass die Filterstruktur 26 für Partikel 56 mit einem bestimmten Partikeldurchmesser und darüber mechanisch undurchlässig ist. Beispielsweise kann die Filterstruktur 26 gebildet sein, dass diese für Partikel mit einem Durchmesser von zumindest 6,5 µm, zumindest 6 µm oder zumindest 5,5 µm mechanisch undurchlässig ist.
Wie es anhand der 7a und 7b dargestellt ist, kann die Amplitude des Abstands 34 von einem Ausmaß oder Umfang der Bedeckung des Filtermaterials 28 mit dem Isolationsmaterial des Halbleitersubstrats 46₃ zumindest teilweise bestimmt sein, wobei diejenige Seite des Filtermaterials in Betracht gezogen werden kann, die dem Vorspannungselement 32 abgewandt ist. Beispielsweise kann dies für das MEMS 50 durch die Schicht 46₃ erfüllt sein. In einem Bereich 76, in dem die Filterstruktur gegenüberliegend dem Vorspannungselement 32 von dem Halbleitersubstrat 46 bedeckt ist, kann eine Auslenkung des Filtermaterials 28 durch das Vorspannungselement 32 reduziert oder verhindert sein. Außerhalb des Bereichs 76 zu dem Mittenbereich hin kann das Vorspannungselement 32 eine Auslenkung des Filtermaterials 28 erzeugen, um im Mittenbereich den Abstand 34 zu der Rückplattenstruktur 22a zu erzeugen. Dies ermöglicht, dass die Weite des freigestellten bimorphen Bereichs, das bedeutet, eine Ausdehnung eines Bereichs 78, innerhalb dessen sich die Filterstruktur verformen kann und innerhalb dessen das Verformungselement 32 angeordnet ist, unabhängig von einer Position einer Bosch-Kavität sein kann, die beispielsweise diejenigen Bereiche bezeichnen kann, innerhalb der die Grundschicht 72 entfernt wird. Ein Unterschied 82 zwischen dem Abtrag der Grundschicht 72 bei einem in einem ersten Zyklus gefertigten MEMS 50a und einem in einem zweiten Zyklus gefertigten MEMS 50b bzw. ein Unterschied zwischen zwei gleichzeitig gefertigten MEMS 50a und 50b kann dabei einen Wert von bis zu ± 20 µm zueinander aufweisen und mithin eine geringe Präzision bereitstellen. Ausführungseispiele ermöglichen eine zumindest teilweise Unabhängigkeit von diesem Parameter, da die Auslenkung der Filterstruktur 26 von einem Abtrag des Halbleitermaterials 46 bestimmt ist, was mit einer hohen Präzision abgetragen werden kann, etwa durch einen Ätzprozess. Dies kann eine exakte Einstellung des Abstandes 34 und damit eine hohe Reproduzierbarkeit ermöglichen.
8 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 70 in Übereinstimmung mit hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen, bei dem die Rückplattenstrukturen 22a und 22b Erhöhungselemente (Anti-Sticking Elemente) 84 aufweisen. Die Anti-Sticking Elemente 84₁ und 84₂ der Rückplattenstruktur 22a können dabei in Richtung der Membranstruktur 18 gerichtet sein. Die Anti-Sticking Elemente 84₃ und 84₄ können in Richtung der Filterstruktur 26 gerichtet sein. Optional kann die Membranstruktur 18 ebenfalls Anti-Sticking Elemente 84₅ und/oder 84₆ aufweisen, die in einem Bereich zwischen der Membranstruktur 18 und der Rückplattenstruktur 22b hineinragen. Anti-Sticking Elemente 84 ermöglichen, dass bei einem mechanischen Anschlagen zweier benachbarter Elemente ein flächiger Kontakt dieser Elemente vermieden wird und stattdessen der Kontakt hauptsächlich in einem Bereich der Anti-Sticking Elemente 84 erfolgt, so dass ein Anhaften verhindert ist. Die Membranstruktur 18 ist beispielsweise entlang der y-Richtung beweglich und kann konfiguriert sein, um während der Herstellung und/oder des Betriebs mit den Rückplattenstrukturen 22a und 22 in mechanischem Kontakt zu treten. Ein Anhaften (sticking) kann durch die Anti-Sticking Elemente 84 reduziert oder verhindert sein. Wie es im Zusammenhang mit dem MEMS 70 gezeigt ist, können Anti-Sticking Elemente in sämtliche Zwischenbereiche zwischen den Elementen 22a und 18, 18 und 22b und 22b und 26 hineinragen. Ein Ort der Anbringung der Anti-Sticking Elemente kann dabei beispielsweise von einer Schichtfolge zumindest beeinflusst sein, die für die Herstellung des MEMS verwendet wird. Beispielsweise können die Anti-Sticking Elemente 84 ähnlich einem Stalaktits so gebildet sein, dass sie in einer später oder oben abgeschiedenen Schicht eingebracht werden und (zumindest während der Herstellung) nach unten weisen. Das bedeutet, dass die Anti-Sticking Elemente 84₃ und 84₄ an der Rückplattenstruktur 22b und/oder der Filterstruktur 26 angeordnet sein können. Alternativ oder zusätzlich können die Anti-Sticking Elemente an einer beliebigen Struktur angeordnet werden.
Die Filterstruktur 26 kann auf ein gleiches Potenzial gebracht werden, wie die Rückplattenstruktur 22b. Dies ermöglicht die Reduzierung oder Verhinderung parasitärer Effekte, gemäß deren die Filterstruktur 26 kapazitiv mit der Membranstruktur 18 wirkt. Ungeachtet dessen kann eine elektrische Isolierung zwischen der Rückplattenstruktur 22b und der Filterstruktur 26 angeordnet sein und beispielsweise durch die Isolationsschichten 52₂ und 52₄ implementiert sein, die auch über die Anti-Sticking Elemente 84 gebildet sind. Die elektrische Isolierung ermöglicht die Vermeidung eines Kurzschlusses, der trotz desselben Potentials ungewollt sein kann. Obwohl das Filtermaterial auch als elektrisch unkontaktiert (floating) ausgeführt sein kann, kann es alternativ auch auf ein gleiches oder ähnliches Potenzial gelegt werden, wie beispielsweise die Membranstruktur 18.
Obwohl lediglich zwei Anti-Sticking Elemente die Struktur 22a, 18 und 22b dargestellt sind, wird darauf hingewiesen, dass Anti-Sticking Elemente in einer hohen Anzahl angeordnet werden können, z. B. jeweils mit mehr als zwei, mehr als fünf, mehr als zehn, mehr als 50 oder mehr als 100.
9 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 80 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ähnlich gebildet sein kann, wie das MEMS 70, wobei die Anordnung der Anti-Sticking Elemente 84 optional ist und auch entfallen kann. Die Filterstruktur weist eine Korrugation oder Wellung 86 auf, die ein oder mehrere Wegverlängerungen 88₁ und/oder 88₂ umfassen kann, die ausgebildet sind, um im Zuge der Auslenkung der Filterstruktur 26 entlang der y-Richtung eine Wegverlängerung senkrecht hierzu, etwa entlang der x-Richtung bereitzustellen. Ein Umfang der Wegverlängerung kann hierbei so eingestellt werden, dass er zumindest die zusätzliche Ausdehnung bereitstellt, die durch die Auslenkung der Filterstruktur 26 in Anspruch genommen werden kann, wobei hierbei Toleranzbereiche von ± 50 %, ± 30 %, oder ± 10 % zur Anwendung kommen können. Bspw. kann die zusätzliche Auslenkung bei einem beispielhaften Membran-Radius von 400µm und einer Auslenkung von 8µm als ein neuer Membran-Radius ergeben aus $\sqrt{400^{2} + 8^{2}} = 400,08$
Somit kann eine zustzliche Weglänge von 0,08 µm bereitgestellt werden, wobei diese zusätzliche Wwglänge mit oben erläuterten Toleranzen beaufschlagt werden kann. Ein Auslegungskriterium kann darin bestehen, dass die Korrugation die Filterschicht weicher und damit dehnbarer macht. Je mehr Auslenkung im späteren Betrieb bereitgestellt werden kann oder soll, desto mehr Länge/Ausdehnung kann durch die Korrugation bereitgestellt werden. Basierend auf einer Geometrie der Filterstruktur 26 und basierend auf einer Auslenkung des Filtermaterials zum Herstellen des Abstandes 34 kann die Korrugation eine Wegverlängerung mit einem Wert von beispielsweise zumindest 0,1 µm, zumindest 0,2 µm, zumindest 1 µm, zumindest 2 µm oder einem anderen, geometrieabhängigen Wert bereitstellen.
Die Korrugation 86 kann dem gemäß als Längenausgleich fungieren, der die durch die Auslenkung der Filterstruktur in Anspruch genommene Weglänge bereitstellt. Die Korrugation 86 kann wie eine Feder wirken, die entlang der x-Richtung senkrecht zu der Auslenkrichtung weich gebildet ist.
In anderen Worten kann die Korrugation wie eine Feder wirken, deren Elastizität hoch und deren Steifigkeit zumindest entlang der x-Richtung gering ist, um die Auslenkung des Filtermaterials 28 zu erhöhen oder zu ermöglichen.
10 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines Teils eines MEMS 90 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das als Single Backplate Konfiguration gebildet ist, bei dem die Filterstruktur 26 so angeordnet ist, dass die Membranstruktur 18 zwischen der Rückplattenstruktur 22 und der Filterstruktur 26 angeordnet ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Konfiguration in Übereinstimmung mit dem MEMS 20₂ handeln. Die Rückplattenstruktur 22 kann ein oder mehrere Anti-Sticking Elemente 84 aufweisen. Die Membranstruktur 18 und/oder die Filterstruktur 26 können beispielsweise in Abwesenheit von Anti-Sticking Elemente gebildet sein.
11 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines Teils eines MEMS 100, das gegenüber dem MEMS 90 auch Anti-Sticking Elemente 84₂ und 84₃ an der Membranstruktur 18 aufweist, die in einem Bereich zwischen der Membranstruktur 18 und der Filterstruktur 26 hineinragen. Bezüglich der MEMS 90 und 100 kann die Zugangsöffnung des Gehäuses beispielsweise benachbart zu der Filterstruktur 26 angeordnet sein. Alternative Ausführungsbeispiele sehen vor, dass die Rückplattenstruktur 22 zwischen der Membranstruktur 18 und der Filterstruktur 26 angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es vorstellbar, dass die Filterstruktur 26 so angeordnet wird, dass sie an einer der Membranstruktur 18 abgewandten Seite der Filterstruktur 22 angeordnet ist. Beispielsweise kann die Filterstruktur in Bildrichtung oben angeordnet sein und optional beispielsweise Anti-Sticking Elemente aufweisen.
12 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das gegenüber dem MEMS 100 dahin gehend modifiziert ist, dass an der Filterstruktur 26 in Bereichen, die mit der Membranstruktur 18, insbesondere der Anti-Sticking Elemente 84₂ und 84₃ derselben in mechanischem Kontakt treten können, Isolationselemente 92₁ und 92₂ angeordnet sind, die beispielsweise ein gleiches oder ähnliches Material aufweisen, wie das Vorspannungselement 32. Das bedeutet, das Isolationsmaterial der Isolationselemente 92 kann ein Siliziumnitridmaterial aufweisen. Ebenso wie es beispielsweise im Zusammenhang mit dem MEMS 70 beschrieben ist, definieren beispielsweise Anti-Sticking Elemente der Rückplattenstruktur 22b bzw. der Membranstruktur 18 Kontaktbereiche der Filterstruktur 26, in denen ein mechanischer Kontakt mit der Rückplattenstruktur bzw. Membranstruktur erfolgen kann. Zumindest in den Kontaktbereichen kann das Isolationsmaterial angeordnet sein, beispielsweise durch Isolationselemente 92 oder durch eine Beschichtung der Anti-Sticking Elemente mit einer Schicht 52. Die Isolationselemente 92 können auch als eine Landefläche (landing pad) verstanden werden, die insgesamt eine Fläche von höchstens 2 % der Filterstruktur, höchstens 1,5 % oder höchstens 1 % der Filterstruktur einnehmen.
13a zeigt eine schematische Darstellung einer Rückplattenstruktur und einer Filterstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Rückplattenstruktur 22 und die Filterstruktur 28 können beide jeweils als Lochstruktur mit einer Vielzahl von Löchern 62 bzw. 58 gebildet sein. Gemäß einer Ausführungsform können die Löcher 62 und/oder 58 als Hexagone gebildet sein, wobei auch andere Formen, beispielsweise Dreiecke, Vierecke, Fünfecke, Siebenecke oder andere beliebige n-Ecke und/oder unregelmäßige Polygone bis hin zu runden oder ovalen Öffnungen implementierbar sind. Die Löcher 58 können dabei eine Öffnung 94 aufweisen, die beispielsweise eine Größe bestimmt, die Partikel aufweisen können, unterhalb derer sie die Filterstruktur 28 passieren können. In ähnlicher Weise können die Löcher 62 der Rückplattenstruktur 22 Öffnungen 96 bzw. Größe der Löcher 62 aufweisen, die eine entsprechende Partikelgröße bestimmt, bis zu der Partikel die Rückplattenstruktur 22 passieren können. Zwischen benachbarten Löchern 58 können Stege 98 angeordnet sein, die eine axiale Erstreckungslänge aufweisen können und eine laterale Erstreckung aufweisen können, die vereinfacht auch als Breite bezeichnet werden kann. Die axiale Länge des Stegs 98 kann dabei in Übereinstimmung mit der Öffnungsgröße 94 gewählt sein. Eine Stegbreite der Stege 98 kann dabei einen Wert von zumindest 1 µm und höchstens 7 µm, zumindest 1,7 µm und höchstens 5 µm oder zumindest 1,2 µm und höchstens 2 µm aufweisen, beispielsweise 1,4 µm. Die Öffnungen 94, die auch als Filterlöcher verstanden werden können, können dabei kleiner sein als die Öffnungen 62, die auch als Rückplattenlöcher verstanden werden können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Filterstruktur eine akustische Dämpfung von durch die Zugangsöffnung gesendeten oder empfangenen Schall von höchstens 2 dB, höchstens 1,6 dB oder höchstens 1,2 dB auf, etwa 1,0 dB. Anders ausgedrückt kann ein Rückplattenmaterial der Rückplattenstruktur 22 die Rückplattenlöcher 62 aufweisen, deren Abmessung 96 größer ist als die Abmessung 94 der Filterlöcher 58. Stege 102 der Rückplattenstruktur können dabei gleich oder zumindest ähnlich gebildet sein wie die Stege 98 der Filterstruktur.
13b zeigt eine schematische Aufsicht auf eine übereinander liegend implementierte Anordnung der Rückplattenstruktur 22 und der Filterstruktur 28. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Rückplattenstruktur 22 und/oder das Filtermaterial 28 der Filterstruktur 26 als Lochstruktur gebildet. Die Löcher der Lochstrukturen können eine beliebige Geometrie aufweisen, bspw. elliptisch, rund, polygon oder gemäß einer Freiformfläche. Obwohl die Rückplattenstruktur 22 und die Filterstruktur 26 so dargestellt sind, dass sie beide sechseckige Löcher aufweisen, kann zumindest eine der beiden Strukturen hiervon verschieden sein. Neben von einander verschiedenen Öffnungsgrößen können auch von einander verschiedene Geometrien der Rückplattenstruktur 22 und der Filterstruktur 22 implementiert werden.
Die Rückplattenstruktur kann bspw. in positiver y-Richtung ausgehend von der Filterstruktur 28 angeordnet sein, so dass der Fluidstrom, der zuerst die Filterstruktur 28 passiert und anschließend an die Rückplattenstruktur 22 gelangt, bezüglich Partikel bereinigt wird, die durch die Filterlöcher 58 nicht hindurch gelangen. Das ermöglicht, dass im Vergleich mit bekannten Rückplattenstrukturen die Rückplattenlöcher 62 größer ausfallen können und deshalb eine geringere akustische Dämpfung aufweisen können, was der Kompensation einer vermeintlich zusätzlichen akustischen Dämpfung durch die Filterstruktur 28 entgegenwirken kann. Beispielsweise kann die Öffnung 96 einen Wert von zumindest 10 µm, zumindest 12 µm oder zumindest 14 µm betragen oder auch größer sein. Dies ermöglicht eine Rückplatten-Transparenz, das bedeutet, ein Flächenanteil der Öffnungen an der Gesamtfläche, von zumindest 50 %, zumindest 60 % oder gar zumindest 70 % oder mehr.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Rückplattenstruktur 22 und die Filterstruktur 28 dabei so versetzt zueinander angeordnet, dass sowohl die Stege 98 sowie deren Verbindungsstellen als auch die Stege 102 sowie deren Verbindungsstellen bei einer Auslenkung der Rückplattenstruktur 22 und/oder der Filterstruktur 28 derart, dass ein Kontakt zwischen beiden Strukturen stattfindet, höchstens in einem geringen Umfang parallel oder deckungsgleich zueinander liegen, um so einen großflächigen Kontakt zu vermeiden. In großem oder vollständigem Umfang findet ein Kontakt zwischen der Rückplattenstruktur 22 und der Filterstruktur 28 im Bereich der Stege 98 und 102 statt, während er im Bereich der Verbindungsstellen oder Kreuzungsorte vermieden ist.
Wie es anhand von 13c weiter beschrieben ist, weisen die Stege 98 jeweils Verbindungsstellen 104 auf, an denen eine jeweilige Anzahl, beispielsweise drei Stege 98 zusammentreffen. In ähnlicher Weise können die Stege 102 an Verbindungsstellen 106 zusammentreffen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind nun die Filterstruktur 28 und die Rückplattenstruktur 22 so gegeneinander versetzt angeordnet, dass im Kontaktfall höchstens 10 %, höchstens 8 % oder höchstens 5 % der vorhandenen Stege 104 den Verbindungsstellen 106 gegenüberliegend angeordnet ist und miteinander in Kontakt kommt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt keine der Kreuzungen und Verbindungsstellen 104 und 106 im Kontaktfall aufeinander. Dies ermöglicht die Vermeidung von Anti-Sticking Elemente, da bereits durch den Versatz der Kreuzungspunkte zueinander lediglich unterschiedliche Stege einander kreuzen.
Eine Abmessung der Filterstruktur 28 entlang der y-Richtung kann beispielsweise einen Wert von zumindest 0,5 µm und höchstens 5 µm, von zumindest 1 µm und höchstens 4 µm) oder von zumindest 1,5 µm und höchstens 2,5 µm betragen, beispielsweise 2 µm. eine Abmessung der Filterstruktur entlang der x-Richtung oder der z-Richtung kann beispielsweise einen Bereich von zumindest 10 µm und höchstens 2000 µm, zumindest 100 µm und höchstens 1800 µm oder von zumindest 600 µm und höchstens 1500 µm aufweisen, beispielsweise 700 µm, kann aber auch beliebige andere und insbesondere höhere Werte aufweisen.
13d zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt des Filtermaterials 28, das die Öffnungen 62 aufweist, die die Abmessung 96 aufweisen können. Das Filtermaterial 28 weist die Stege 98 mit einer lateralen Abmessung, einer Stegbreite 108 auf, die die oben genannten Werte von zumindest 1 µm und höchstens 7 µm, zumindest 1,7 µm und höchstens 5 µm oder zumindest 1,2 µm und höchstens 2 µm aufweisen, beispielsweise 1,4 µm aufweisen können.
Die 14a bis 14c zeigen schematische Verläufe von beispielhaften Auslenkungen des Filtermaterials mit unterschiedlichen Konfigurationen des Herstellungsprozesses und/oder der Auslegung des Vorspannungselementes. 14a zeigt Einflüsse eines erzeugten Stresses, das bedeutet, einer erzeugten Spannung, in dem Filtermaterial. Eine Kurve 112₁ zeigt einen Referenzzustand, bei dem beispielsweise eine Zugspannung erzeugt wird, das bedeutet, das Vorspannungselement erzeugt eine Zugspannung in der Grenzschicht zwischen dem Vorspannungselement und dem Filtermaterial. Die Kurven 112₂ , 112₃ , 112₄ und 112₅ zeigen Variationen in der erzeugten Spannung, wobei die Kurve 112₂ eine Druckspannung von 0 MPa erzeugt, die Kurve 112₃ eine geringe Druckspannung von beispielsweise 10 MPa, die Kurve 112₄ eine Druckspannung von 50 MPa und die Kurve 112₅ eine Druckspannung von 100 MPa repräsentiert. Es ist erkennbar, dass mit zunehmender Druckspannung, die in dem Filtermaterial erzeugt wird, eine zunehmende Auslenkung der Filterstruktur erhalten werden kann. Für die Kurve 112₅ sind in den 14b und 14c Variationen in weiteren Parametern gezeigt. So zeigt 14b eine Variation einer Abmessung L, die beispielsweise auch in 6 dargestellt ist, und die angibt, wie weit sich das Vorspannungselement 32 vor einem Randbereich der Filterstruktur 28 ausgehend hin zu einem Mittenbereich der Filterstruktur erstreckt, das bedeutet, ein Zusammenziehen des Vorspannungselementes vom Rand ausgehend. Kurven 114₁ , 114₂ und 114₃ zeigen eine jeweilige Variation in der Auslenkung entlang der Richtung y bei einer Veränderung der Abmessung L, wobei die Kurve 114₁ eine Abmessung L von beispielsweise 30 µm zeigen kann, die Kurve 114₂ eine Abmessung L von 10 µm und die Abmessung 114₃ von L gleich 3 µm. Es zeigt sich, dass mit zunehmender Abmessung L eine abnehmende Auslenkung entlang der y-Richtung erhalten wird. Ferner kann die Biegekurve bei zunehmender Abmessung L steiler werden, was beispielsweise an dem fast knickartigen Verlauf der Kurve 114₁ deutlich wird. Obwohl die Kurve 114₃ die größte Auslenkung entlang der y-Richtung ermöglichen kann, kann durch die geringe Abmessung L möglicherweise ein geringes Maß an Kraft in das Filtermaterial eingebracht werden, was zu einer sogenannten weichen Verformung führen kann, so dass in manchen Betriebsbedingungen eine Rückverformung der Filterstruktur durch die Betriebsbedingungen erfolgen könnte. Deshalb kann ein Kompromiss beispielsweise darin bestehen, eine Auslenkung geringer als das Maximum zu wählen und hierfür jedoch eine stabile Auslenkung zu erhalten, wobei gleichzeitig Knicke im Biegeverlauf vermieden werden können, wie es beispielsweise die Abmessung L = 10 µm ermöglichen kann.
14c zeigt im Zusammenhang mit der Kurve 112₅ eine Variation in einer Schichtdicke des Vorspannungselementes entlang der y-Richtung. Kurven 116₁ , 116₂ und 116₃ zeigen beispielhaft Variationen in der Auslenkung entlang der y-Richtung für unterschiedliche Schichtdicken des Vorspannungselementes entlang der y-Richtung, wobei die Kurve 116₁ eine Abmessung D von 140 nm, die Kurve 116₂ eine Abmessung D von 70 nm und die Kurve 116₃ eine Abmessung/Dicke D von 30 nm angibt. Es zeigt sich, dass mit abnehmender Dicke des Vorspannungselementes eine zunehmende Auslenkung entlang der y-Richtung erhalten werden kann. Eine geringe Materialdicke kann eine geringe Steifigkeit bereitstellen, während eine zunehmende Materialdicke zusätzliche Stabilität bieten kann, so dass sich auch hier Kompromisse anbieten.
Der insgesamt erhaltene Abstand zwischen den Strukturen kann dabei basierend auf der erhaltenen akustischen Beeinflussung gewählt werden, das bedeutet, ein Abstand, der so gering wie möglich ist und gleichzeitig einen gerade noch akzeptierbaren akustischen Einfluss ausübt. Aufbauend hierauf können die Abmessungen der Filterstruktur so gewählt werden, dass eine möglichst hohe Robustheit und ein möglichst einfaches Prozessieren erhalten werden kann.
Ein Aspekt der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele umfasst die Idee, die Filterschicht vom Sensor durch eine bimorphe Schichtstruktur deutlich gegenüber der Schichtdicke der Isolationsschicht (Schicht 46) auszulenken. Dieses Konzept kann für eine Vielzahl von Halbleitersensoren verwendet werden. Eine Erhöhung oder Optimierung der Filterwirkung kann durch einen hohen Abstand der Filterschicht vom Sensor erhalten werden. Hierfür kann beispielsweise eine Erhöhung der Dicke der Isolationsschicht zwischen Filterschicht und Sensor erhalten werden, beispielsweise der Schicht 46₃ in 6. Alternativ oder zusätzlich kann eine hohe Auslenkung der Filterschicht genutzt werden, beispielsweise durch eine bimorphe Schichtstruktur zwischen Filtermaterial und Vorspannungselement, um Auslenkungen, das bedeutet, einem Abstand 34, von 10 µm und mehr zu erhalten. Die bimorphe Struktur kann Schichtfolgen mit unterschiedlichen Spannungen nutzen, beispielsweise eine SiN/Si-Schichtfolge, bei der das SiN in etwa 1,2 GPa Zugspannung aufweisen kann und Si ca. 100 MPa Zug- bis 100 MPa Druckspannung.
Durch das Anordnen der zusätzlichen Filterstruktur gegenüber der Rückplattenstruktur kann eine Reduktion der Lochgröße in der Filterschicht erfolgen, womit jedoch zusätzliche Einflüsse auf das akustische Verhalten und damit auf die Sensoreigenschaften erhalten werden können, beispielsweise eine SNR-Reduzierung. Obwohl das Anordnen der Filterstruktur mit Zusatzaufwand zur Herstellung des Sensors einhergeht, etwa durch Abscheidung der bimorphen Filterschicht und deren Strukturierung, durch eine Planarisierung der Oberfläche nach der Filterschicht-Strukturierung, durch eine Abscheidung der Isolationsschicht zwischen der Filterschicht und den Sensorschichten, durch eine erhöhte Zeit zur Freistellung der Schichten und/oder durch das Herstellen von Anti-Sticking Elementen für die Filterschicht, etwa an der Unterseite der unteren Gegenelektrode, werden deutliche Vorteile erhalten, da die Partikel von der Schallwandlereinrichtung ferngehalten werden können. Als Materialien bietet sich halbleiterbasierte Materialen für das Filtermaterial an, bspw. Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxinitrid. Eine Isolation der Filterschicht zur unteren Gegenelektrode ist beispielsweise bei Double-Backplate Konfigurationen durch SiN der Gegenelektrode gegeben. Ohne Filterschicht wirkt die untere Gegenelektrode während des Herstellungsprozesses als Partikelfilter. Mit Verwendung der Filterschicht entfällt diese Anforderung, daher können unter Ausnutzung der Ausführungsbeispiele die Gegenelektroden mit größerem Lochdurchmesser und damit mit einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis hergestellt werden. Beispielsweise kann eine Erhöhung der Lochdurchmesser von 7 µm auf 10 µm einen SNR-Gewinn von +0,4 dB ermöglichen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Mikroelektromechanisches System (10; 20; 50, 70; 80; 100; 110) mit: einem Gehäuse (12), das eine Zugangsöffnung (14) aufweist; einer Schallwandlerstruktur (16) mit einer Membranstruktur und einer Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b), wobei die Schallwandlerstruktur (16) mit der Zugangsöffnung (14) gekoppelt ist; einer Filterstruktur (26), die zwischen der Zugangsöffnung (14) und der Schallwandlerstruktur (16) angeordnet ist, und die ein Filtermaterial (28) und zumindest ein Vorspannungselement (32) umfasst, das mechanisch mit dem Filtermaterial (28) verbunden ist, wobei das zumindest eine Vorspannungselement (32) ausgebildet ist, um eine mechanische Spannung in dem Filtermaterial (28) zu erzeugen, um eine Biegeverformung der Filterstruktur (26) in eine Richtung weg von der Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) bereitzustellen.
Mikroelektromechanisches System gemäß Anspruch 1, bei dem die Filterstruktur (26) zwischen der Zugangsöffnung (14) und der Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System gemäß Anspruch 2, bei der die Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) zwischen der Membranstruktur (18) und der Filterstruktur (26) angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Filtermaterial (28) und ein Rückplattenmaterial der Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) gleich ist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Filtermaterial (28) Filterlöcher (62) mit einer ersten Lochabmessung (96) aufweist, und bei der ein Rückplattenmaterial der Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) Rückplattenlöcher (58) mit einer zweiten Lochabmessung (94) aufweist, die größer ist, als die erste Lochabmessung.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Filterstruktur (26) eine erste Lochstruktur mit einer Vielzahl von Löchern (62) ist, die durch eine Vielzahl von ersten Stegen (98) beabstandet sind, und bei der die Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) eine zweite Lochstruktur mit einer Vielzahl von zweiten Löchern(58) ist, die durch eine Vielzahl von zweiten Stegen (102) beabstandet sind, wobei die erste Lochstruktur und die zweiten Lochstruktur gegenüberliegend und so angeordnet sind, dass höchstens 10 % von ersten Verbindungsstellen (104) zwischen ersten Stegen (98) gegenüberliegend von zweiten Verbindungsstellen (106) zwischen zweiten Stegen (102) einander gegenüberliegen.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Filterstruktur (26) eine Lochstruktur mit einer Vielzahl von Löchern (62) ist, die durch eine Vielzahl von Stegen (98) beabstandet sind, wobei eine Stegbreite (108) der Stege (98) einen Wert von zumindest 1 µm und höchstens 7 µm aufweist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Filterstruktur (26) für Partikel (56) mit einem Partikeldurchmesser von zumindest 6,5 µm mechanisch undurchlässig ist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) in dem Randbereich der Rückplattenstruktur einen ersten Abstand (64) zu der Filterstruktur (26) aufweist und in einem Mittenbereich einen zweiten Abstand (34) aufweist, der zumindest einen zweifachen Wert des ersten Abstandes (64) aufweist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) in dem Randbereich der Rückplattenstruktur einen Abstand (64) zu der Filterstruktur (26) von höchstens 3 µm aufweist und in einem Mittenbereich einen Abstand (34) von zumindest 6 µm aufweist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) und die Filterstruktur (26) in einem Randbereich fest eingespannt sind und zwischen der Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) und der Filterstruktur (26) ein Isolationsmaterial (46) angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System gemäß Anspruch 11, bei dem die Filterstruktur (26) in einem flächenmäßig höheren Ausmaß von dem Isolatormaterial (46) freigelegt ist als die Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b).
Mikroelektromechanisches System gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem das Isolatormaterial (46) eine der Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) zugewandte Seite der Filterstruktur (26) flächenmäßig in einem geringeren Ausmaß bedeckt als eine der Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) abgewandte Seite.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Vorspannungselement (32) in einem Filterrandbereich der Filterstruktur (26) angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Filtermaterial (28) ein polykristallines Siliziummaterial aufweist und bei dem das Vorspannungselement (32) ein Nitridmaterial aufweist und an einer der Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) abgewandten Seite des Filtermaterials angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) oder die Filterstruktur (26) Anti-Sticking Elemente (84) aufweisen, die in einen Bereich zwischen der Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) und der Filterstruktur (26) hineinragen.
Mikroelektromechanisches System gemäß Anspruch 16, bei dem die Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) die Anti-Sticking Elemente (84) aufweist, wobei in einem Bereich gegenüberliegend der Anti-Sticking Elemente ein Isolationsmaterial (92) an der Filterstruktur (26) angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Filterstruktur (26) eine Korrugation (86) aufweist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Rückplattenstruktur eine erste Rückplattenstruktur (22a) ist, und das System eine zweite Rückplattenstruktur (22b) aufweist, wobei die Membranstruktur (18) zwischen der ersten Rückplattenstruktur (22a) und der zweiten Rückplattenstruktur (22b) angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Filterstruktur (26) Kontaktbereiche aufweist, die ausgebildet sind, um mit der Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) in Kontakt zu kommen, wobei zwischen der Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) und der Filterstruktur (26) in den Kontaktbereichen ein Isolationsmaterial (92) angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Filterstruktur (26) ausgebildet ist, um einen Durchtritt von Partikeln (56) und/oder Flüssigkeit hin zu der Rückplattenstruktur (22; 22a, 22b) zu reduzieren.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das als Mikrophon oder Lautsprecher gebildet ist.
Mikroelektromechanisches System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Filterstruktur (26) eine akustische Dämpfung von durch die Zugangsöffnung (14) gesendetem oder empfangenem Schall von höchstens 2 dB aufweist.