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Die Erfindung betrifft einen MEMS-Sensor mit einer Heizeinrichtung an einer Membranund ein entsprechendes Herstellungsverfahren mit einer Heizeinrichtung.
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Stand der Technik
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Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente mit einer Heizeinrichtung anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von Bauelementen mit Gassensoren auf Siliziumbasis mit einer Heizeinrichtung (Hotplate) erläutert.
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Mikro-Hotplates sind eine wichtige Komponente für mikromechanische Sensoren. Sie kommen bei Sensorprinzipien zum Einsatz, die eine erhöhte Temperatur für das Funktionsprinzip benötigen. Zu nennen sind hier in erster Linie Gassensoren mit chemischem Transducer-Prinzip: Die gewünschte chemische Reaktion findet noch nicht bei Raumtemperatur statt, sondern benötigt eine gewisse Aktivierungsenergie und damit eine erhöhte Betriebstemperatur. Klassische Sensoren dieses Typs sind z.B. MetalloxidGassensoren, die typischerweise zwischen 250°C und 400°C betrieben werden müssen.
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Neben chemischen Sensoren kommen Hotplates auch für Sensoren mit physikalischem Transducer-Prinzip zum Einsatz wie z.B. wie Wärmeleitfähigkeitssensoren, Pirani-Elemente (Vakuumsensoren) oder Massenflusssensoren.
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Mikro-Hotplates werden nach dem Stand der Technik entweder als geschlossene Membranen oder über aufgehängte Membranen hergestellt, wie z.B. in Micromachined metal oxide gas sensors: opportunities to improve sensor performance, Isolde Simon et al., Sensors and Actuators B 73 (2001), S. 1 - 26 beschrieben.
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Derartige Sensorelemente mit Mikro-Hotplates nach dem Stand der Technik weisen typischerweise laterale Dimensionen von größer 1 mm x 1 mm auf. Um den Anforderungen der Consumer Electronics, wie z.B. in Smartphones vorhanden, gerecht zu werden, wird derzeit eine Miniaturisierung der lateralen Dimensionen von kleiner als ∼ 1 mm x 1 mm angestrebt und gleichzeitig eine Reduzierung des Leistungsbedarfs gefordert. Neben den Herausforderungen an spezielle Heizerdesigns wird damit die Fläche, die zur Chipklebung zur Verfügung steht, immer kleiner und damit auch die Herausforderungen für ein fertigungstaugliche Aufbau-und Verbindungstechnik erhöht.
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Aufgehängte Membranen, wie sie z.B. mit Hilfe der OMM-Technik hergestellt werden, weisen hinsichtlich „Chip-handling“ und Klebung Vorteile auf, da Chips hierbei auf der Rückseite vollflächig geklebt werden können und damit die mögliche Klebefläche sehr viel größer ist als bei einer Membran, die über ein nasschemische Freistellung (mit z.B. KOH) oder eine Trockenätzung mit z.B. DRIE von hinten freigestellt wurde. Geschlossene Membranen - typischerweise stehen sie unter Zugspannung - haben jedoch Vorzüge hinsichtlich Robustheit und Kompatibilität mit verschieden Beschichtungsverfahren, so dass diese trotz der geringeren Klebefläche auch bei hochgradig miniaturisierten Systemen weiterhin ihre Existenzberechtigung behalten werden.
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Eine an Stegen aufgehängte Membran in OMM-Technik hat z.B. gegenüber einer geschlossenen Membran in Bulk-Mikromechanik die Eigenschaft, dass die Trägerstruktur in der Mitte empfindlich auf mechanische Beanspruchung wie z.B. Vibrationen oder Schock reagiert. Auch ist deren mechanische Stabilität hinsichtlich bestimmter Beschichtungsverfahren, wie z.B. dem Zeit-Druck Dispensen, nicht ausreichend. Bei geschlossenen Membranen in OMM-Technik kommt es herstellungsbedingt zu verschlossenen Kavernen an der Waferoberfläche. Abhängig vom Verschlussverfahren werden hier Drücke zwischen Atmosphärendruck und wenigen Millibar eingestellt. Erfolgt der Verschluss bei Atmosphärendruck, erwärmt sich das eingeschlossene Gas während des Betriebs und es kommt zu einer Verformung der Membran. Diese wiederum führt zu einer Veränderung von Widerständen auf der Membran und zu einer Beeinflussung der Sensorperformance. Erfolgt der Verschluss im Millibar Bereich, so wird die Membran durch den umgebenden Atmosphärendruck ausgelenkt. Diese Auslenkung hat jedoch negative Auswirkung für den Herstellprozess, da sich z.B. die Membran nicht in der gleichen Fokusebene befindet wie die Waferoberfläche und somit Abbildungsfehler im Lithografieprozess entstehen. In beiden Fällen muss besonderes Augenmerk auf das Aufbringverfahren des gassensitiven Materials gelegt werden, um mechanische Beschädigungen der Membranen sicher vermeiden zu können.
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Dadurch ist die Auswahl möglicher Verfahren für die Beschichtung eingeschränkt. In Frage kommen somit nur Verfahren, die die Struktur mechanisch nur gering belasten. Es können meist nur dünnschichtbasierte Schichten, z.B. mittels CVD-, PCD- oder Inkjet-Verfahren abgeschieden werden, eine oft wünschenswerte Beschichtung mit einem pastösen oder flüssigen Material z.B. durch ein Sprühverfahren, ein Bedruckungsverfahren über Zeit-Druck oder Transfer- oder Stempelverfahren scheiden aus.
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Ebenso sind z.B. größere Schichtdicken mit größerem Gewicht, bei an Stegen aufgehängten OMM-Membranen, als kritisch anzusehen, da sich insbesondere bei Vibration Beschädigungen an Aufhängungen einstellen können.
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3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer mikromechanischen Sensorvorrichtung zur Erläuterung der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Problematik.
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In 3 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Trägersubstrat, beispielsweise ein Keramik-Trägersubstrat oder eine Leiterplatte. Ein MEMS-Sensorsubstrat MC, welcher eine Vorderseite VS und eine Rückseite RS aufweist, ist mit einer Kleberschicht KL an seiner Rückseite RS auf das Trägersubstrat 1 geklebt
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Der MEMS-Sensorsubstrat MC weist eine Rückseitenkaverne K, welche sich von der Rückseite RS bis hin zur Vorderseite VS erstreckt. Die Seitenwand S' der Rückseitenkaverne K weist schräge Flanken auf, welche vom nasschemischen Ätzen (z.B. KOH) beim Herstellungsprozess herrühren.
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Auf der Vorderseite VS ist aus einer Funktionsschicht FS auf der Vorderseite VS des MEMS-Sensorsubstrats MC ein geschlossener Membranbereich M ausgebildet, der oberhalb der Rückseitenkaverne K angeordnet ist. Die Funktionsschicht FS und damit der Membranbereich M kann aus einer einzelnen Schicht, beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid bzw. aus einer Schichtenfolge, beispielsweise aus Siliziumoxid- und Siliziumnitridschichten, aufgebaut sein, in bzw. auf der sich zusätzliche Metallleiterbahnen befinden, die die Funktionen eines Heizers bzw. von Elektroden haben können.
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Integriert in den Membranbereich M ist in dessen Zentrum eine Heizeinrichtung HE, durch welche der Membranbereich M auf eine vorbestimmte Temperatur aufheizbar ist. Oberhalb der Heizeinrichtung HE ist in dem Membranbereich M ein Sensorbereich SB angeordnet, welcher beispielsweise einen auf Metalloxid basierten-Dickfilm oder auf Metalloxid basierten-Dünnfilm und darin eingebettete Elektroden aufweist, um somit beispielsweise eine Gassensorvorrichtung zu realisieren.
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Die Klebung der Kleberschicht KL ist nicht umlaufend (beispielsweise punktuell oder streifenförmig), d. h. bedeckt nicht die gesamte Rückseite RS, sodass das Gasvolumen innerhalb der Rückseitenkaverne K beim Heizbetrieb der Heizeinrichtung HE expandieren kann, also im Gasaustausch mit der Umgebung entstehen kann. Damit wird vermieden, dass der Membranbereich M beim Sensorbetrieb ständigen Druckwechseln unterworfen ist, welche einen Verschleiß des Membranbereichs M bedingen könnten.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 10.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt darin, dass der Membranbereich ein oder mehrere Druckausgleichlöcher für einen Druckausgleich der Rückseitenkaverne aufweist.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit, bei miniaturisiertem Sensorsubstrat eine vollständig oder im Wesentlichen ringförmig umlaufende Klebung zu schaffen und trotz einer derartigen ringförmigen Klebung einen hinreichenden Gasaustausch zu realisieren.
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Es kann somit vermieden werden, dass das Sensorsubstrat während notwendiger Ausheizschritte bei der Aufbau- und Verbindungstechnik aufgrund von Gasexpansionen verkippt und somit ein nachfolgender Drahtbondprozess nicht möglich ist. Des Weiteren können die Druckwechsel beim Heizbetrieb der Heizeinrichtung vermieden bzw. ausgeglichen werden.
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Weitere Vorteile sind eine hohe Fertigungssicherheit für weiterverarbeitende Schritte, Die Druckausgleichlöcher können so positioniert/dimensioniert werden, dass die vorteilhaften Eigenschaften einer eingespannten geschlossenen Membran gegenüber einer an Stegen aufgehängten Membran gewahrt bleiben. Für eine ausreichende Belüftung reichen bereits Löcher im Bereich von einigen µm Durchmesser.
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Ein robuster Klebeprozess kann trotz geringer Klebefläche (typische Sensorelementdimension lateral kleiner oder gleich 1 mm x 1 mm) erreicht werden.
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Der Gasaustausch ist für Vakuum- und Wärmeleitfähigkeitssensoren von besonderem Vorteil, da hier das Messprinzip darauf basiert, dass die Wärmeableitung eines Heizelementes mit der Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gases variiert. Ohne Belüftung kann nur das Gas oberhalb der Membran zur Messung beitragen, mit Belüftung trägt auch das Gas unterhalb zum Messsignal bei.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind das oder die Druckausgleichlöcher in unterschiedlicher Größe vorgesehen. Somit kann eine Optimierung hinsichtlich mechanischer Stabilität erreicht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind das oder die Druckausgleichlöcher in einem äußeren Randbereich des Membranbereichs außerhalb des Sensorbereichs und der Heizeinrichtung angeordnet. Damit wirken sich die Druckausgleichlöcher nicht auf die Sensorfunktion aus. Um eine möglichst hohe mechanische Stabilität der Membran sicherstellen zu können, werden die Löcher idealerweise in Bereichen der Membran eingebracht, welche ein Stressminimum besitzen oder sich in deren Nähe befinden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung verläuft die Seitenwand der Rückseitenkaverne in wesentlichen senkrecht zur Vorderseite. Dies ermöglicht eine weitere Miniaturisierung.
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Erfindungsgemäß ist die Rückseite mittels eines Kleberbereichs derart auf einem Trägersubstrat aufgeklebt, dass die Rückseitenkaverne an der Rückseite hermetisch verschlossen ist. Dies erhöht die Stabilität bei steigender Miniaturisierung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Rückseite mittels eines Kleberbereichs auf einem Trägersubstrat aufgeklebt, wobei ein Druckausgleichkanal für einen Druckausgleich der Rückseitenkaverne im Sensorsubstrat vorgesehen ist. Dies verbessert den Druckausgleich weiter, ohne die Stabilität zu reduzieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Rückseite mittels eines Kleberbereichs auf einem Trägersubstrat aufgeklebt, wobei ein Druckausgleichkanal für einen Druckausgleich der Rückseitenkaverne im Trägersubstrat vorgesehen ist. Dies verbessert den Druckausgleich noch weiter, ohne die Stabilität zu reduzieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Heizeinrichtung im Membranbereich eingebracht und der Sensorbereich oberhalb der Heizeinrichtung auf dem Membranbereich vorgesehen. So ist eine effiziente Heizfunktion gewährt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst der Sensorbereich einen Gassensorbereich oder einen Wärmeleitfähigkeitssensorbereich oder einen Infrarotsensorbereich oder einen Massenflusssensorbereich.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen das oder die Druckausgleichlöcher einen Durchmesser von 1 bis 50 µm, vorzugsweise 1 bis 10 µm, auf. Dies verringert den mechanischen Einfluss der Druckausgleichlöcher und reicht für die gewünschte Druckausgleichfunktion. Vorzugsweise befinden sich die Druckausgleichslöcher in Bereichen des Membranbereichs mit geringem mechanischem Stress und/oder befinden sich die Druckausgleichlöcher im Bereich der Heizeinrichtung und des Sensorbereichs.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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Es zeigen:
- 1a), b) schematische Darstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a) im Querschnitt und 1b) in Draufsicht;
- 2a), b) schematische Darstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 2a) in Draufsicht und 2b) in Seitenansicht; und
- 3 eine schematische Querschnittsansicht einer mikromechanischen Sensorvorrichtung zur Erläuterung der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Problematik.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1a), b) sind schematische Darstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a) im Querschnitt und 1b) in Draufsicht.
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In 1a), b) bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Trägersubstrat, beispielsweise ein Keramik-Trägersubstrat oder eine Leiterplatte. Ein MEMS-Sensorsubstrat MC, welcher eine Vorderseite VS und eine Rückseite RS aufweist, ist mit einer Kleberschicht KL an seiner Rückseite RS auf das Trägersubstrat 1 geklebt. Die Klebung der Kleberschicht KL ist umlaufend, was die Stabilität bei fortschreitender Miniaturisierung unterstützt.
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Der MEMS-Sensorsubstrat MC weist eine Rückseitenkaverne K, welche sich von der Rückseite RS bis hin zur Vorderseite VS erstreckt. Die Seitenwand S der Rückseitenkaverne K weist im Unterschied zur oben hinsichtlich 3 beschriebenen Rückseitenkaverne vertikale Flanken auf, welche von einem anisotropen Ätzen beim Herstellungsprozess herrühren. Dies unterstützt die Miniaturisierung. Dadurch dass die Seitenwand S eine gerade vertikale Form annimmt und im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des Membranbereichs M bzw. der Vorderseite VS verläuft, kann bei vorgegebener Größe des Membranbereichs eine möglichst kleine Sensorvorrichtung dargestellt werden.
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Eine besonders bevorzugte Möglichkeit ist hierfür die Anwendung eines Trockenätzprozesses (DRIE).
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Auf der Vorderseite VS ist aus einer Funktionsschicht FS auf der Vorderseite VS des MEMS-Sensorsubstrats MC ein geschlossener Membranbereich M ausgebildet, der oberhalb der Rückseitenkaverne K angeordnet ist. Der Funktionsschicht FS und damit der Membranbereich M kann aus einer einzelnen Schicht, beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid bzw. aus einer Schichtenfolge, beispielsweise aus Siliziumoxid- und Siliziumnitridschichten, aufgebaut sein, in bzw. auf der sich zusätzliche Metallleiterbahnen befinden, die die Funktionen eines Heizers bzw. von Elektroden haben können.
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Integriert in den Membranbereich M ist in dessen Zentrum eine Heizeinrichtung HE, durch welche der Membranbereich M auf eine vorbestimmte Temperatur aufheizbar ist. Oberhalb der Heizeinrichtung HE ist in dem Membranbereich M ein Sensorbereich SB angeordnet, welcher beispielsweise einen auf Metalloxid basierenden Dickfilm oder auf Metalloxid basierenden Dünnfilm auf Elektrodenstrukturen aufweist, um somit beispielsweise eine Gassensorvorrichtung zu realisieren.
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Im Unterschied zur MEMS-Sensorvorrichtung, welche im Zusammenhang mit 3 oben erläutert wurde, weist der Membranbereich M bei der ersten Ausführungsform Druckausgleichlöcher L1, L2, L3, L4, L5, L6 auf, welche im Randbereich des Membranbereichs M außerhalb der Heizeinrichtung HE und dem darüber angeordneten Sensorbereich SB angeordnet sind.
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Diese Druckausgleichslöcher weisen vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 1 und 50 µm, bevorzugt zwischen 1 und 10 µm auf. Bevorzugt werden die Druckausgleichlöcher L1 - L6 in Gebieten des Membranbereichs M angeordnet, welche geringen mechanischen Stress aufweisen. Neben dem Druckausgleicheffekt können die Druckausgleichslöcher auch die thermische Isolierung des Membranbereichs M verbessern.
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2a), b) sind schematische Darstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 2a) in Draufsicht und 2b) in Seitenansicht.
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Bei der zweiten Ausführungsform ist zusätzlich im Sensorsubstrat MC ein Druckausgleichkanal AK vorgesehen, welcher sich im auf das Trägersubstrat 1 aufgeklebten Zustand (hier nicht gezeigt) in einem freien Bereich der Kleberschicht KL befindet, so dass durch den Druckausgleichkanal AK ein zusätzlicher Druckausgleich möglich ist. Bei der zweiten Ausführungsform sind daher nur vier Druckausgleichlöcher L1, L3, L4, L6 vorgesehen. Je nach Gestaltung des Druckausgleichkanal AK kann auch auf die Druckausgleichlöcher L1, L3, L4, L6 verzichtet werden.
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Ansonsten ist die zweite Ausführungsform identisch zur ersten Ausführungsform.
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Bei einer weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsform kann zusätzlich oder alternativ zum Druckausgleichkanal AK im Sensorsubstrat MC ein Druckausgleichkanal im Trägersubstrat 1 unterhalb der Rückseitenkaverne K vorgesehen werden.
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Beim Herstellen der MEMS-Sensorvorrichtung gemäß der ersten bzw. der zweiten Ausführungsform können die Druckausgleichlöcher entweder durch einen Ätzprozess, beispielsweise einen Trockenätzprozess, oder durch einen Laserprozess hergestellt werden.
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Da es sich bei dem beschriebenen Herstellungsverfahren des Membranbereichs M um einen Freistellungsätzprozess von der Waferrückseite RS handelt, in dem eine unter dem Membranbereich M liegende Siliziumschicht mittels eines DRIE-Ätzprozesses entfernt wird, ist es vorteilhaft, wenn in einem Prozessschritt davor die Druckausgleichlöcher L1 - L6, bzw. L1 - L4 bereits in die Funktionsschicht FS und damit in den Membranbereich M eingebracht wurden. Im Zuge der Freistellung des Membranbereichs M werden diese geöffnet und ein Druckausgleich zwischen Vorder-und Rückseite des Membranbereichs M im späteren Sensorelement ermöglicht.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
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Neben den bei der ersten bzw. zweiten Ausführungsform dargestellten Positionen der Druckausgleichlöcher sind auch andere Realisierungsformen denkbar, z. B. eine andere Anzahl von Löcher/Lochformen oder auch eine schlitzförmige Ausbildung o.ä.
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Besonders bevorzugte Anwendungen für die erfindungsgemäße MEMS-Sensorvorrichtung sind generell alle Sensorvorrichtungen, die eine Membran aufweisen und eine Heizeinrichtung aufweisen, beispielsweise neben chemischen Gassensoren, wie Metalloxidgassensoren, Wärmeleitfähigkeitssensoren, Pirani-Elemente, Massenflusssensoren, wie Luftmassenmesser, Lambda-Sonden auf mikromechanischer Membran, Infrarot-Sensorvorrichtungen etc.