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Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Membransensor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Stand der Technik
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Bei mikromechanischen Membransensoren wird üblicherweise eine Membran oberhalb einer Ausnehmung oder Kaverne innerhalb einer Einfassung oder eines Rahmen vorgesehen. Mittels der dünnen Membran kann so eine thermische Entkopplung der Anregungs- und/oder Messelemente auf der Membran von dem Rahmen und/oder dem Substrat erreicht werden. Weiterhin kann mit der Membran eine Entkopplung der auf der Membran befindlichen Erfassungsmittel von mechanischem Stress des Rahmens erfolgen.
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Bei mikromechanischen Drucksensoren wird die Membran zur Erfassung eines an die Membran anliegenden Drucks eines Mediums verwendet. Hierbei erfassen beispielsweise Piezoelemente oder Elektroden die Durchbiegung der Membran.
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Bei der Verwendung eines Membransensors kann nicht verhindert werden, dass die Membran durch äußere Anregung im Betrieb zu Schwingungen angeregt wird. Diese Schwingungen können in den Erfassungsmitteln auf der Membran unerwünschte Sensorsignale erzeugen, die nicht den tatsächlich zu erfassenden Sensorgrößen entsprechen. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, die Membran gezielt an verschiedenen Stellen zu verdicken, um die Bewegung auf andere Stellen der Membran zu fokussieren. Die Schrift
DE 199 32 541 A1 zeigt ein Verfahren für eine derartige Verdickung der Membranmitte.
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Mit der vorliegenden Erfindung soll ein spezieller Aufbau eines Drucksensors beschrieben werden, bei der mit Hilfe einer gezielten Versteifung die Schwingung der Membran gedämpft wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein mikromechanischer Membransensor, zum Beispiel ein Drucksensor, sowie ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Membransensor beansprucht. Dabei ist vorgesehen, dass der Membransensor eine Membran besitzt, die von einem Rahmenelement gehalten wird. Das Rahmenelement ist ferner auf einem Substrat aufgebracht, wobei sich zwischen dem Substrat und der Membran eine Kaverne oder eine Ausnehmung befindet. Sowohl das Rahmenelement, die Membran als auch das Substrat besteht vorzugsweise aus einem Halbleiter, wobei zusätzlich zumindest eine lokale Dotierung vorgesehen ist. Optional kann auch vorgesehen sein, dass das verwendete Halbleitermaterial, zum Beispiel Polysilizium vollflächig dotiert ist. Dabei kann auch das Rahmenelement entsprechend vollflächig dotiert sein. Die Membran kann selber Erfassungselemente wie Piezowiderstände oder Temperatursensoren enthalten. Alternativ kann die Membran eine Elektrode aufweisen, die in Kombination mit einer weiteren Elektrode im Substrat oder auf dem Kavernenboden eine kapazitive Druckerfassung ermöglicht. Um die Membran gegen ungewollte Bewegungen und somit eine nicht gewünschte Erzeugung von Sensormesswerten zu dämpfen, ist wenigstens ein Versteifungselement vorgesehen, welches die Bewegung der Membran einschränkt. Durch wenigstens ein derartiges Versteifungselement kann erreicht werden, dass die Membran nicht mehr mit jeder beliebigen Frequenz angeregt werden kann, zum Beispiel durch Stöße oder andere mechanischen Anregungen. Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass die Membran eine erste und eine zweite Achse aufweist, wobei die erste Achse länger als die zweite Achse ist und das wenigstens eine Versteifungselement im Wesentlichen entlang der kürzeren zweiten Achse auf, in oder unter der Membran angeordnet ist.
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Durch eine Versteifung entlang der kurzen zweiten Achse wird ebenfalls die Anregung sowie die Schwingungen entlang der längeren ersten Achse behindert, insbesondere wenn mehrere Versteifungen nebeneinander in Richtung der längeren ersten Achse angeordnet sind. Da es bei der Membran entlang der längeren Achse zu deutlicheren Ausprägungen der Eigenschwingung beziehungsweise Schwingungsmoden kommen kann, ist eine Versteifung der Membran und somit Verhinderung zumindest eines Teils der Schwingungsmoden in dieser Richtung am effizientesten. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt darin, dass eine geringere Querempfindlichkeit für bestimmte Störfrequenzen oder Auslesefrequenzen der Erfassungsmittel erreicht werden kann. Dies wird erreicht, indem die Membran-Eigenmoden in für den Betrieb und insbesondere für die Erfassung unkritische Bereiche verschoben werden können, ohne dass ein Verlust an Sensitivität erfolgt. Konkret bedeutet dass, dass die Schwingungseigenschaften verändert werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Membran keine ovale oder rechteckige Form aufweist, so dass die erste und zweite Achse nicht im Wesentlichen senkrecht aufeinander ausgerichtet sein müssen. So kann die Membran auch die Form eines Parallelogramms aufweisen oder als gebogenen Form ausgebildet sein. Entsprechend kann die erste und die zweite Achse einen Winkel in einem Bereich von 20 bis 30 Grad, von 40 bis 50 Grad oder 75 bis 90 Grad einschließen Gerade durch eine nicht runde, ovale oder rechteckige Membrangestaltung können zusätzliche Eigenschwingungen vermieden werden. Besonders deutlich lässt sich das an einer um bis zu 270° gebogenen Membran zeigen, bei der die erste Achse einen ¾-Kreis repräsentiert.
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Mit dem wenigstens einen Versteifungselement kann zudem erreicht werden, dass die Eigenschwingung oder die Schwingungsmoden, mit der die Membran angeregt werden kann, in einen höheren und/oder niedrigeren Frequenzbereich verschoben werden, bei dem die Schwingung keinen Einfluss auf die Stabilität oder die Messewerterfassung der Membran ausüben kann.
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Das Versteifungselement kann in einer ersten Varianten im Wesentlich zentral in der Mitte der Membran angeordnet werden, zum Beispiel in Form von Stäben. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass dieses wenigstens erste Versteifungselement in, auf oder an der Membran angeordnet ist und keinen Kontakt zum Rahmenelement aufweist.
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Eine zweite Art von Versteifungselementen kann mit dem Rahmenelement verbunden sein und von diesem auf die Membran hineinragen. Dabei ist vorgesehen, dass wenigstens eines der zweiten Versteifungselemente seitlich der größten Auslegung einer Mode der Membran am Rand angebracht ist. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei gegenüberliegende zweite Verbindungselemente vom Rand in die Membran hineinragen, um eine gleichmäßige Dämpfung der Schwingung zu erreichen.
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Eine dritte Art von Versteifungselementen lässt sich mittels ringförmigen oder ovalen Verdickungen auf der Membran realisieren. Hierbei sind diese dritten Versteifungselemente zentral um die Mitte der Membran angeordnet. Ist die erste Achse um ein Vielfaches länger als die zweite Achse, kann vorgesehen sein, dass die ringförmige oder ovale Versteifung um ein Zentrum der Membran entlang der ersten Achse herum angeordnet ist, welches auf einem n-fachen Vielfachen der halben Länge der zweiten Achse liegt.
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Bei der Ausgestaltung der Versteifungselemente ist vorgesehen, dass sich wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Versteifungselement in Richtung der ersten Achse in ihrer Länge, Dicke und/oder Breite unterscheiden. Dabei kann vorgesehen sein, dass sich nur ein Teil der angeordneten Versteifungselemente in diesen Charakteristiken unterscheiden. Alternativ oder zusätzlich kann hier auch das Material der Versteifungselemente eine Rolle spielen. So können bei einer geeigneten Materialwahl ein oder mehrere zentrale Versteifungselemente eine stärkere Versteifung erzeugen als weiter außen liegende Versteifungselemente oder Versteifungselemente, die zwischen Modenbergen und Modentälern angeordnet sind.
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Optional kann auch vorgesehen sein, dass sich wenigstens ein Teil der Versteifungselemente in unterschiedlichen Abständen voneinander befinden, das heiß, dass ein Teil der Versteifungselemente nicht äquidistant auf oder an der Membran angeordnet ist.
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Generell soll mit den Versteifungselementen eine unerwünschte Schwingung verhindert werden. Durch die spezielle Ausgestaltung der Versteifungselemente sowie der Anordnung im Wesentlichen im Bereich der größten/maximalen Membranbewegungen kann dieses Ziel erreicht werden. Indem eine geeignete Anzahl, Größe oder Position für die Versteifungselemente gewählt wird, können eingekoppelte mechanische und/oder elektromagnetische Störungen gänzlich verhindert, abgemildert oder in andere Frequenzbereiche transferiert werden.
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Die Versteifungselemente können bei der Herstellung des Membransensors ebenfalls mittels mikromechanischer Verfahrensschritte erzeugt werden. Dabei können die Versteifungselemente einzeln oder gemeinsam als Teil der Membran oder separat aufgebracht werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 zeigt beispielhaft einen Aufbau eines mikromechanischen Membransensors. Mit der 2 wird eine rechteckige Membran eines Membransensors beschrieben, anhand dem die grundsätzliche Ausrichtung für die nachfolgenden Anordnungen der verschiedenen Versteifungselement in den 3a, 3b, 4, 5 und 6 gezeigt wird. Die 7a und 7b zeigen Membranformen, die von der klassischen runden, ovalen oder rechteckigen Form abweichen, bei denen jedoch ebenso eine Anwendung der vorliegenden Erfindung möglich ist.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist ein typischer Aufbau eines insbesondere mikromechanischen Sensors dargestellt, an dem zunächst die wesentlichen Elemente eines derartigen Aufbaus erklärt werden. Membransensoren und insbesondere Drucksensoren besitzen zur Erfassung eines physikalischen und/oder chemischen Messgröße eine Membran 130, die oberhalb einer Kaverne 140 angeordnet ist. Die Membran 130 ist dabei als separates Element seitlich an einem Rahmenelement 110 befestigt oder einstückig mit dem Rahmenelement 110 verbunden. Weiterhin kann die Membran 130 beweglich ausgestaltet sein, zum Beispiel zu Realisierung eines Drucksensors, bei dem die Membran 130 auf einen von außen anliegenden Druck reagiert, indem sie sich durchbiegt und so eine Sensorgröße erzeugt. Das Rahmenelement 110 ist weiterhin mittels Kontaktierungsbereichen 120 auf einem Substrat 100 befestigt, wobei das Rahmenelement 110 zusammen mit der Membran 130 und dem Substrat 100 die Kaverne 140 umschließt. Zur Einstellung der Steifigkeit der Membran 130 können in, auf oder unterhalb der Membran 130 Versteifungselemente 150 beziehungsweise 155 angebracht sein. Durch diese Versteifungselemente 150 und/oder 155 kann die Reaktion der Membran 130 auf einen äußeren anliegenden Druck beeinflusst werden. So kann beispielsweise die Membran 130 steifer ausgestaltet wird, so dass die Membran 130 sich erst bei einem höheren Druck nennenswert, das heißt im Extremfall bin zum Kavernenboden durchbiegt. Weiterhin können die Versteifungselemente 150 und 155 die Membran 130 stabilisieren, um mögliche Brüche zu vermeiden.
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In der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die zugrunde liegende Membran keine runde oder quadratische Grundfläche aufweist. Stattdessen wird von einer Membran 210 in einem Rahmenelement 200 ausgegangen, die wie in der 2 dargestellt länglich ausgestaltet ist, das heißt eine erste Achse 235 aufweist, die länger als die zweite Achse 245 ist. Statt einer rechteckigen Form wie in der 2 dargestellt, kann die Membran auch eine ovale Form, eine Parallelogramm-artige Form wie in 7a (siehe hierzu die lange erste Achse 350 sowie die kurze zweite Achse 340 der Membran 320) oder auch eine bogenförmige Struktur wie in 7b (siehe hierzu die lange erste Achse 450 sowie die kurze zweite Achse 440 der Membran 420) aufweisen. Bei derartigen langgestreckten Membranen kann es aufgrund von äußeren Einflüssen (Erschütterungen oder sonstigen thermischen oder elektromechanischen Anregungen) zu Schwingungen der Membran kommen, die anders geartet sind als bei symmetrischen Membranen. In der 3a ist ein Beispiel einer derartig langgestreckten rechteckigen Membran 220 dargestellt, welche in einem Rahmen 200 angeordnet ist. Wird die Membran 220 derart angeregt, dass sie in eine Eigenschwingung gerät, bilden sich charakteristische Eigenmoden aus, wie sie beispielhaft in der 3b dargestellt werden. Zu erkennen sind dabei zentrale Modenberge 300, Modentäler 310 sowie dazwischen liegenden Modennulldurchgänge 320. Um ungewollte und die Messgrößenerfassung negativ beeinflussende Schwingungen der Membran 220 zu verhindern, können Versteifungselemente 260 vorgesehen sein, die zentral nebeneinander entlang der langen ersten Achse 230 angeordnet sind und sich in Richtung der zweiten Achse 240 erstrecken. Darüber hinaus können auf dem Rahmen 200 am Übergang zur Membran 220 weitere Versteifungselemente 250 angeordnet sind, die ebenfalls Auswirkungen auf die Durchbiegung beziehungsweise Schwingungen der Membran 220 haben. Diese Versteifungselemente 250 können seitlich nebeneinander angeordnet sein, ohne dass sie sich berühren. Optional kann aber auch eine Verbindung aller oder eines Teils der Versteifungselemente 250 vorgesehen sein, zum Beispiel paarweise. Vorteilhafterweise sind die Versteifungselemente 250 zentral in Bezug auf die zweite Achse 240 angeordnet und überdecken zumindest einen wesentlichen Teil des Bereich auf der Membran 220 mit der maximalen Durchbiegung während der Eigenschwingungen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Versteifungselemente 250 wie in 3a dargestellt, über einen Großteil der Membran 220 durchgängig zentral nebeneinander in Richtung der ersten Achse 230 angeordnet sind. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Versteifungselemente 250 nur zentral im Bereich der Modenberge 300 und/oder Modentäler 310 angeordnet sind, das heißt, nicht im Bereich der Modennulldurchgänge 320.
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Eine weitere Möglichkeit, die Bewegungen bei der Anregung der Membran 220 zu dämpfen wird in 4 gezeigt. Hierbei werden gerade in den Membranbereichen, in denen bei den Eigenschwingungen die maximalen Auslenkungen auftreten, den Modenbergen 300 und Modentälern 310, die Membranversteifung intensiviert. Zu diesem Zweck haben Versteifungselemente einer ersten Art 265 in diesen Bereichen eine größere Ausdehnung in Richtung der zweiten Achse 240. Optional kann vorgesehen sein, dass die Versteifungen im Zentrum der Modenberge 300 und Modentäler 310 variabel seitlich bis zur Mitte ansteigend verlängert werden. Wie bereits zur Ausgestaltung der 3a ausgeführt, kann zwischen den so verlängerten ersten Versteifungselementen 265 in Richtung der zweiten Achse 240 zwischen den Modenbergen und Modentälern eine Reihe von nebeneinander liegenden (einheitlich) kürzeren Versteifungselementen 260 liegen. In einer alternativen Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass keine weiteren Versteifungselemente zwischen den Modenbergen und Modentälern angeordnet sind.
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Anhand der 5 wird eine weitere Möglichkeit gezeigt, die Membransteifigkeit zu verändern. Hierbei sind zweite Versteifungselement 255 am Randelement 250 angeordnet, die in die Membran 220 hineinragen. Diese zweiten Verbindungselement 255 können Teil des Rahmenelements 250 sein oder separat ausgestaltet sein. Vorteilhafterweise sind diese zweiten Verbindungselemente 255 seitlich der maximalen Auslenkungen der Membran bei Eigenmoden angeordnet, das heisst seitlich der Modenberge 300 und/oder Modentäler 310. Dabei können mehrere der zweiten Versteifungselemente seitlich am Übergang von der Membran 220 zum Rahmenelement 250 in Richtung der ersten Achse 230 angeordnet sein, insbesondere an beiden Seiten der länglichen Membran. Mit den so in die Membran 220 ragenden zweiten Versteifungselementen 255 wird die Auslenkung der Membran für die entsprechende Mode unterdrückt. Alternativ oder zusätzlich können die zweiten Versteifungselement 255 auch an der kurzen Seite des Übergangs von der Membran 220 zum Rahmenelement 250 mittig angeordnet sein. In einer weiteren Ausgestaltung kann die Verwendung der ersten und der zweiten Versteifungselemente 265 und 255 zusammen an der Membran 220 angeordnet sein.
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Eine weitere Möglichkeit, die unerwünschten Schwingungen zu unterdrücken, besteht darin, die Membran 220 mit entsprechenden dritten Versteifungselementen 270 um das Zentrum der Modenberge und/oder Modentäler auszustatten. Die dritten Versteifungselemente 270 können dabei als umlaufender Ring innerhalb der Membran 220 oder als separate Elemente auf oder unter der Membran 220 angeordnet sein.
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Generell sind alle vorstehenden Ausführungen der Versteifungselemente einzeln einsetzbar oder kombinierbar. Weiterhin können die Versteifungselemente unter oder auf der Membran angeordnet werden, zusammen mit dieser hergestellt oder in einem nachfolgenden insbesondere mikromechanischen Verfahren aufgebracht werden. Optional ist auch denkbar, die Versteifungselemente als Verdickung der Membran zu erzeugen.
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Bei allen Ausführungen ist denkbar, die Länge, die Dicke und/oder die Breite zu variieren, um eine Dämpfung der Membran zu erreichen, insbesondere gegenüber unerwünschten Schwingungen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, die Versteifungselemente in der Mitte der Membran und/oder eines Modenbergs-/Tals breiter oder dicker auszugestalten und diese Versteifungselemente vom Zentrum aus radial nach außen dünner werden zu lassen.
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In einer optionalen Ausgestaltung können separate Membranen erzeugt und im Rahmenelement aufgespannt werden, wobei jeweils aufeinander folgende Membran sich an ihrem Rand berühren, so dass eine Schwingung über alle Membranen weitergeleitet werden kann.
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In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die vorstehend ausgeführten Versteifungselemente derart auf der Membran oder am Randelement anzuordnen, dass im Wesentlichen ungerade Schwingungsmoden unterdrückt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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