DE102006002106B4

DE102006002106B4 - Mikromechanischer Sensor mit perforationsoptimierter Membran sowie ein geeignetes Hestellungsverfahren

Info

Publication number: DE102006002106B4
Application number: DE102006002106.1A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Krieg; Jochen Zöllin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2026-01-18
Also published as: DE102006002106A1

Abstract

Mikromechanischer Sensor mit – einer auslenkbaren Membran (20, 110) und – einem Gegenelement (30, 120), wobei – zwischen der Membran und dem Gegenelement ein Hohlraum angeordnet ist und – das Gegenelement Perforationsöffnungen (90, 95, 130, 132, 134) aufweist, wobei die Perforationsöffnungen in dem Gegenelement eine inhomogene Flächenverteilung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenverteilung der Perforationsöffnungen von der Membranauslenkung abhängt, wobei die inhomogene Flächenverteilung der Perforationsöffnungen an die verdrängte Luftmasse der bewegten Membran angepasst ist.

Description

Stand der Technik
Aus der WO 03/055271 A1 ist ein mikromechanischer Sensor mit einer Membran, einem Hohlraum und einem der Membran gegenüberliegenden Gegenelement bekannt, bei dem in dem Gegenelement Perforationsöffnungen eingebracht worden sind. Die Perforationsöffnungen weisen dabei eine homogene Ausgestaltung mit einem äquidistanten Abstand zueinander auf.
Die Schrift EP 1 441 561 A2 beschreibt die Herstellung eines mikromechanischen Mikrophons, bei dem die Perforationsöffnungen im Gegenelement ebenfalls äquidistant ausgeführt sind.
Aus der Schrift US 2002/0195673 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer perforierten Elektrode bekannt. Die perforierte Elektrode weist dabei im Rahmen der Herstellung einen Mitten- und Randbereich auf, die jeweils unterschiedliche, aber einheitliche Öffnungen mit äquidistanten Abständen aufweisen. Die im Randbereich angeordneten schlitzförmigen Öffnungen werden dabei im Laufe des Verfahrens verschlossen, um eine Stütze für die Kappe oder einem unterhalb der Elektrode befindlichem Substrat bereitzustellen. Die quadratischen Öffnungen im Mittenbereich weisen dabei alle die gleiche Größe sowie die gleichen Abstände voneinander auf.
In der Schrift DE 101 60 830 A1 ist ein mikromechanischer Sensor mit einer Gegenelektrode bekannt, bei der die dort verwendeten schlitzförmigen Perforationsöffnungen eine periodische und versetzte Anordnung aufweisen.
Weitere Ausgestaltungen von mikromechanischen Mikrofonen sind aus den Schriften US 2003/0021432 A1 sowie WO 01/14248 A2 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine Anpassung der Perforationsöffnungen eine Erhöhung der Sensorempfindlichkeit eines mikromechanischen Sensors zu erreichen.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beschreibt einen mikromechanischen Sensor mit einer Membran und einem Gegenelement sowie ein Herstellungsverfahren für einen solchen mikromechanischen Sensor. Dabei ist vorgesehen, dass in das Gegenelement Perforationsöffnungen eingebracht sind, um das Ausströmen eines Mediums aus einem Hohlraum zwischen Membran und Gegenelement zu ermöglich. Diese Perforationsöffnungen weisen erfindungsgemäß eine inhomogene Flächenverteilung in dem Gegenelement auf.
Durch die inhomogene Flächenverteilung kann eine Anpassung der Perforationsöffnungen an die von der beweglichen Membran verdrängte Luftmasse erreicht werden. Somit kann eine Kontrolle der viskosen Strömungsverluste im Hohlraum zwischen der Membran und dem Gegenelement erreicht werden. Durch die Anpassung der Perforationsöffnungen kann daher eine Erhöhung der Sensorempfindlichkeit erreicht werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Perforationsöffnungen in Abhängigkeit von der Auslenkung der Membran auf dem Gegenelement zu verteilen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Öffnungen im Bereich der größten Auslenkung der Membran (typischerweise in der Mitte der Membran) am größten und im Randbereich der Membran kleiner ausgestaltet sind. Dies hat den Vorteil, dass die in der Mitte der Membran zu verdrängende größere Luftmasse direkt durch das Gegenelement entweichen kann und nicht aufgrund eines Staudrucks zur Seite verdrängt wird.
Weiterhin ist vorgesehen, dass sowohl die Membran als auch das Gegenelement als Elektrode ausgeführt sind. Somit lässt sich die Bewegung der Membran durch eine Kapazitätsänderungen zwischen den beiden Elektroden feststellen. Diese Kapazitätsänderung ist beispielsweise mittels einer entsprechenden Ansteuerung bzw. Beschaltung der beiden Elektroden erfassbar. Die Kapazität des Sensors kann dabei durch eine Gestaltung der flächenmäßigen Verteilung der Perforationsöffnungen im Gegenelement maßgeblich mitbestimmt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, die Geometrie der Perforationsöffnungen auf dem Gegenelement zu variieren. So ist beispielsweise denkbar, die Größe (und somit den Flächenbedarf) und/oder die Form der Perforationsöffnungen unterschiedlich zu gestalten.
Darüber hinaus kann jedoch auch die Verteilung der Perforationsöffnungen auf dem Gegenelement variiert werden. Bei der Verteilung können die Abstände und/oder die Dichte der Perforationsöffnungen berücksichtigt werden.
Als weitere Variationsmöglichkeit bietet sich die absolute Anzahl der Perforationsöffnungen an, um eine Anpassung an die Bewegung der Membran zu erreichen.
Es bietet sich als besonders vorteilhaft an, die Verteilung und/oder die Geometrie der Perforationsöffnungen symmetrisch zu gestalten, insbesondere wenn die Membran ebenfalls eine Symmetrie aufweist. So lassen sich achsensymmetrische oder punktsymmetrische Verteilungen erzeugen, die an die Membran angepasst sind. Allgemein sind Symmetrien zu bevorzugen, die hinsichtlich der geometrischen Mitte des Gegenelements und/oder der Membran ausgerichtet sind, da davon ausgegangen wird, dass die Membran in der geometrischen Mitte die größte Auslenkung aufweist.
Durch die erfindungsgemäße Anpassung der Perforationsöffnungen an die Auslenkung der Membran kommt es zu einem geringeren Rückstau des durch die Membran verdrängten Mediums und somit zu einer geringeren Dämpfung der Membranbewegung. Dadurch lassen sich die Nichtlinearitäten, die Ihre Ursache in der durch die Dämpfung veränderten Membraneigenform haben, minimieren.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zeichnungen
1a zeigt das Strömungsverhalten bei der Auslenkung einer Membran bei einer äquidistanten Verteilung der Perforationsöffnungen, wohingegen 1b eine entsprechende Darstellung für eine inhomogene Verteilung zeigt. Die 2a und 2b zeigen schematisch eine mögliche Ausgestaltung der Verteilung der Perforationsöffnungen im Gegenelement in Aufsicht bzw. Querschnitt. In den 3a bis 3d sind hingegen beispielhaft weitere Ausgestaltungen möglicher Verteilungen bzw. Geometrien der Perforationsöffnungen gezeigt.
Ausführungsbeispiel
1a zeigt einen Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat 10, welches eine Membran 20 und ein Gegenelement 30 mit voneinander in äquidistanter Entfernung eingebrachten gleich großen Perforationsöffnungen 50 aufweist. Wird die Membran 20 beispielsweise durch eine Druckbeaufschlagung 200 ausgelenkt und in eine Position 25 gebracht, gerät das im Hohlraum zwischen der Membran 20 und dem Gegenelement 30 befindliche Medium unter Druck und entweicht über die Perforationsöffnungen 50. Sind die Perforationsöffnungen 50 nicht auf die Auslenkung der Membran abgestimmt, wird im Bereich 45, d. h. in der Mitte der Membran, mehr Medium verdrängt, als durch die entsprechende Perforationsöffnung entweichen kann. Dadurch wird ein Teil des Mediums zur Seite und zu anderen Perforationsöffnungen verdrängt. Da bei diesen seitlichen Perforationsöffnungen die Bewegung der Membran aufgrund deren Einfassung im Randbereich weniger stark ausgeprägt ist und somit weniger Medium verdrängt wird, kann das verdrängte Medium aus dem Bereich 45 durch die Perforationsöffnungen in den Bereichen 40 entweichen.
Die Verdrängung des Mediums aus dem Bereich 45 zu den Seitenbereichen 40 erzeugt ein temporäres Luftpolster unterhalb der Membran zwischen den Perforationsöffnungen 50, welches die Bewegung der Membran stärker als notwendig dämpft und somit deren Schwingungsverhalten (negativ) beeinflusst. Werden sowohl die Membran 20 als auch das Gegenelement 30 als Elektroden ausgebildet, um mittels der Membranbewegung Druckschwankungen beispielsweise in Form von akustischen Wellen zu erfassen, so kann diese Dämpfung wegen kleinerer Membranauslenkung zu einer Verringerung der Aufnahmeempfindlichkeit führen. Eine zu starke Dämpfung der Membran führt außerdem zu einem kleineren nutzbaren Frequenzbereich, da schnelle Schalldruckänderungen nicht mehr aufgelöst werden können.
Als Abhilfe für dieses Problem wird deshalb gemäß der vorliegenden Erfindung eine Anpassung der flächenmäßigen Verteilung der Perforationsöffnungen vorgenommen. Wie in 1b dargestellt, wird die Perforationsöffnung 95 im Bereich 75 der größten Membranbewegung gegenüber den Perforationsöffnungen 90 in den Randbereichen 70 vergrößert. Eine derartige Anpassung der Perforationsöffnungen an die Auslenkung der Membran ermöglicht eine unmittelbare Verdrängung des Mediums unterhalb der Membran durch die entsprechende Perforationsöffnung. Dabei werden deutlich geringere störende Luftpolster erzeugt.
Anhand der 2a und 2b ist ein erstes komplexeres Ausführungsbeispiel dargestellt. 2a zeigt dabei in Aufsicht eine erste Verteilung von runden Perforationsöffnungen 130 bis 136 in einem Gegenelement 120. Einen entsprechenden Querschnitt entlang AA zeigt dagegen die 1b. Der Querschnitt zeigt das Substrat 100, die Membran 110 und das Gegenelement 120. Im Vergleich zum einfachen Beispiel der 1b sind in der 2b eine Vielzahl von Perforationsöffnungen 130 bis 136 dargestellt, deren Größe sich ausgehend von der Mitte des runden Gegenelements 120 nach außen hin verringern, um eine Anpassung an die Auslenkung der Membran 115 zu erreichen. Gleichzeitig mit der Größe der Perforationsöffnungen kann sich auch deren Abstand, gerechnet von der Mitte der Öffnungen ändern. Insgesamt wird dadurch erreicht, dass das durch die ausgelenkte Membran 115 verdrängte Medium in den Bereichen 140 bis 146 durch die entsprechenden Perforationsöffnungen 103 bis 136 strömen kann, ohne seitlich zu anderen Öffnungen verdrängt zu werden.
In den 3a bis d sind weitere Ausgestaltungen bzw. Verteilungen der Perforationsöffnungen im Gegenelement aufgezeigt. Wie zu erkennen ist, kann neben der Form auch die Dichte einzelner Perforationsöffnungen auf einem Gegenelement variiert werden. In 3a ist eine einzelne Öffnung mit Fingern dargestellt, die sich im äußeren Bereich des Gegenelements 120 verjüngen. 3b zeigt die Kombination von verschiedenen Formen der Perforationsöffnungen. Ähnlich der 2a zeigt 3c eine symmetrische Verteilung gleichartiger Perforationsöffnungen, die im vorliegenden Fall rautenförmig gestaltet sind. Schlussendlich sei mit der 3d eine radialsymmetrische Verteilung von gleichartigen Öffnungen aufgezeigt, die jedoch eine unterschiedlich hohe Dichteverteilung auf dem Gegenelement aufweisen.
Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Ausgestaltung des Gegenelements mit Perforationsöffnungen, wie sie in den 2a bzw. 3a bis d gezeigt werden, nicht abschließend dargestellt ist. So sind neben anderen nicht gezeigten Verteilungen auch eckige oder ovale Grundelemente denkbar, bei denen die Perforationsöffnungen entsprechend verteilt werden können.
Weiterhin sei darauf verwiesen, dass sich die Aufnahme bzw. die Gestaltung der Öffnungen in das Gegenelement auch auf die Kapazität zwischen Membran und Gegenelement auswirken kann. Somit kann durch eine geeignete Gestaltung des Gegenelements eine vorgebbare Kapazität eingestellt werden.
Allgemein sei erwähnt, dass eine hohe Perforation des Gegenelements zu einer Verringerung der Sensorkapazität führt. Dadurch ist es notwendig, einen Kompromiss zwischen Linearität, Rauschen und hoher Empfindlichkeit (Sensorkapazitätsänderung) zu erhalten. Ist beispielsweise am Rand des Gegenelements eine geringere Perforationsgröße notwendig, so erhöht sich bei der variablen Perforierung die Kapazität des Sensors. Dadurch ist gegenüber einer homogenen Perforationsgrößenverteilung durch die Erhöhung der Kapazität eine weitere Empfindlichkeitssteigerung möglich.
Zur Herstellung der Perforationsöffnungen sei auf bekannten Verfahren verwiesen, wie beispielsweise durch die Schriften DE 102 21 660 A1 oder EP 1 441 561 A2 bereits bekannt sind. Darüber hinaus ist jedoch auch denkbar, die Perforationsöffnungen durch einen geeigneten Trenchätzprozess, wie in der DE 42 41 045 C1 oder DE 199 19 832 A1 beschrieben, von der der Membran 110 gegenüberliegenden Seite des Substrats 100 in das Gegenelement 120 einzubringen. Dabei kann beispielsweise im Rahmen eines zweistufigen Ätzprozesses zunächst die Ausnehmung 250 und daran anschließend mit oder ohne Maskierung die Öffnungen 130 bis 136 erzeugt werden.

Claims

Mikromechanischer Sensor mit – einer auslenkbaren Membran (20, 110) und – einem Gegenelement (30, 120), wobei – zwischen der Membran und dem Gegenelement ein Hohlraum angeordnet ist und – das Gegenelement Perforationsöffnungen (90, 95, 130, 132, 134) aufweist, wobei die Perforationsöffnungen in dem Gegenelement eine inhomogene Flächenverteilung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenverteilung der Perforationsöffnungen von der Membranauslenkung abhängt, wobei die inhomogene Flächenverteilung der Perforationsöffnungen an die verdrängte Luftmasse der bewegten Membran angepasst ist.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforationsöffnungen im Bereich der größten Auslenkung der Membran, insbesondere in der Mitte, am größten und im Randbereich kleiner ausgestaltet sind.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforationsöffnungen derart in dem Gegenelement verteilt sind, dass die durch die bewegliche Membran verdrängte Luftmasse, insbesondere in deren Mitte, direkt durch das Gegenelement entweichen kann, ohne aufgrund eines Staudrucks zur Seite verdrängt zu werden.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran und die Elektrode jeweils als Elektroden ausgeführt sind und eine Bewegung der Membran ein elektrisches Signal erzeugt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Kapazität zwischen den beiden Elektroden durch die flächenmäßige Verteilung der Perforationsöffnungen vorgegeben ist.
Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände oder die Dichte der Perforationsöffnungen auf dem Gegenelement variieren.
Mikromechanischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung und/oder die Geometrie der Perforationsöffnungen auf dem Gegenelement weitestgehend symmetrisch zu einer Achse oder einen Punkt in der Mitte des Gegenelements ist.
Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Perforationsöffnungen von der Mitte zum Rand hin kleiner werden.