DE102012107457B4

DE102012107457B4 - MEMS-Bauelement mit Membran und Verfahren zur Herstellung

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Publication number: DE102012107457B4
Application number: DE102012107457.7A
Authority: DE
Inventors: Pirmin Hermann Otto Rombach
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2032-08-15
Also published as: CN104540776A; WO2014026857A1; JP2015532038A; JP6042989B2; DE102012107457A1; CN104540776B; US9991822B2; US20150207435A1

Abstract

Es wird ein MEMS-Bauelement mit einem kristallinen Grundkörper (GK), einer Ausnehmung (AN) und einem diese Ausnehmung verschließenden strukturierten Aufbau (A) vorgeschlagen, bei dem in einer ersten Funktionsschicht (MN) eine Öffnung (OG) strukturiert ist, deren effektiver Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit von Druckunterschied beiderseits der ersten Funktionsschicht (MN) variiert.

Description

Zur Messung von Drücken und insbesondere zum Einsatz als Mikrofon können als Sensoren ausgebildete MEMS-Bauelemente eingesetzt werden. Solche MEMS-Sensoren können nach dem Kondensatorprinzip arbeiten und weisen dann eine elektrisch leitfähige Membran und eine im Abstand dazu angeordnete Festelektrode auf. Die aufgrund der Membranauslenkung variierende Kapazität wird als Messwert erfasst.
Die Empfindlichkeit eines MEMS-Mikrofons wird unter anderem durch die mechanische Stabilität seiner Membran bestimmt. Um auch geringe Druckunterschiede nachzuweisen ist man bemüht, dünne und leicht auslenkbare Membranen einzusetzen. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie unter dem Einwirken eines hohen Schalldrucks oder eines schnellen Druckanstiegs beschädigt werden können. Dabei können Membran und/oder Festelektrode brechen und so das Mikrofon oder der Drucksensor zerstört werden.
Eine Möglichkeit, die Empfindlichkeit gegen schnell ansteigenden hohen Druck besser zu reduzieren liegt darin, eine Druckausgleichsöffnung in der Membran vorzusehen und diese ausreichend groß zu gestalten, damit sich zu hohe Relativdrucke schneller abbauen können. Dies führt jedoch zu einer höheren unteren Grenzfrequenz LLF (Lower Limiting Frequency) in der Mikrofonantwort. Dadurch erhöht sich das Rauschen (Noise) des Mikrofons und das Signal-Rausch-Verhältnis SNR wird reduziert. Damit wird auch das untere Frequenzband begrenzt und so die Empfindlichkeit für niedrige Frequenzen beeinträchtigt. Je höher aber der LLF-Wert eingestellt wird, desto niedriger ist das Risiko eines Membran- oder Festelektrodenschadens während schneller Druckanstiege oder hoher Druckunterschiede. Gleichzeitig wird aber die Performance des Sensors drastisch reduziert.
Aus den Patentanmeldungen US 2010/0158280 A1, US 2008/0212409 A1 und US 2007/0007858 A1 sind MEMS-Bauelemente mit einer geschlitzten Membran bekannt. Aus der DE 11 2007 002 441 T5 ist ein MEMS-Bauelement bekannt, dessen gesamte Membran als Ventilklappe ausgebildet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein als Drucksensor oder Mikrofon einsetzbares MEMS-Bauelement anzugeben, dessen Membran auch gegen schnelle Anstiege hin zu hohen Schalldrucken besser standhält als bekannte Lösungen, ohne dabei die Performance des Sensors zu stark zu verschlechtern. Eine Teilaufgabe besteht darin, ein solches Bauelement in einfacher Herstellungsweise zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein MEMS-Bauelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
Dem MEMS-Bauelement liegt die Idee zugrunde, die Druckausgleichsöffnung nicht permanent zu vergrößern, sondern so zu gestalten, dass sie variabel und in Abhängigkeit von ansteigenden Druckunterschieden ihren Öffnungsquerschnitt variiert.
Ein MEMS-Bauelement weist einen kristallinen Grundkörper auf, der als Träger für die MEMS-Strukturen und als strukturierbares Material für weitere MEMS-Strukturen dient. Der Grundkörper des Bauelements weist eine Ausnehmung auf. Auf dem Grundkörper ist ein strukturierter Aufbau angeordnet, der eine oder mehrere Funktionsschichten umfasst und der die Ausnehmung abdeckt. In der ersten Funktionsschicht des Aufbaus ist eine Öffnung strukturiert, deren effektiver Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit vom Druckunterschied beiderseits der Schicht variiert.
Eine solche variable Öffnung kann die Funktion eines Überdruckventils übernehmen.
Eine einfache als Ventil wirkende Öffnung wird mit einer Ventilklappe realisiert, die sich unter Einwirkung von Druck öffnet, oder die sich in Abhängigkeit von der Höhe des einwirkenden Drucks um einen entsprechenden Betrag öffnet. Eine einfache Umsetzung eines solchen Klappenventils gelingt durch Strukturierung eines zweidimensionalen Schlitzmusters in einer die Ausnehmung abdeckenden Schicht des Aufbaus, hier in der ersten Funktionsschicht. Durch das Schlitzmuster bildet sich eine Ventilklappe aus. Diese ist mit einem ersten Ende mit der restlichen ersten Funktionsschicht verbunden. An einem anderen Ende ist die Ventilklappe frei strukturiert, sodass sie unter einseitig auf die Schicht einwirkender Druckbelastung mit diesem frei strukturierten Ende aus der Ebene der Schicht herausklappen kann. Am ersten Ende ist die Ventilklappe über einen Verbindungssteg mit der restlichen Funktionsschicht verbunden. Dabei kann die Breite des Verbindungsstegs so gewählt werden, dass eine geeignete Federkonstante und damit ein gewünschtes Auslenkverhalten der Ventilklappe in Abhängigkeit vom Druckanstieg eingestellt wird.
Das Schlitzmuster folgt der Umfangslinie der Ventilklappe, wobei die Ventilklappe in drei Richtungen durchgehend von der restlichen Funktionsschicht getrennt ist. Am ersten Ende, entsprechend der vierten Richtung, durchtrennt das Schlitzmuster die Schicht nur entlang eines Teils der Umfangslinie, sodass das Schlitzmuster der Umfangslinie über mehr als 75% ihrer Länge folgt. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass bei einer beispielsweise quadratischen Ventilklappe die Breite der Ventilklappe größer ist als die Breite des Verbindungsstegs, der die Ventilklappe mit dem restlichen Flächenbereich der Funktionsschicht verbindet.
Bei Ventilklappen, die in der Form eher langgestreckt ausgebildet sind, folgt das Schlitzmuster der Umfangslinie über einen wesentlich größeren Anteil von beispielsweise mehr als 80%, mehr als 90% oder vorteilhaft mehr als 95% seiner Länge. Dies führt dazu, dass die Breite des Verbindungsstegs und damit die Kraftkonstante, die der Auslenkung der Ventilklappe entgegenwirkt, klein gehalten werden kann.
Das Schlitzmuster kann eine beliebige Umfangslinie definieren. Neben eckigen Grundformen für die Umfangslinie der Ventilklappe sind auch runde Umfangslinien oder teilweise gerundete Umfangslinien sowie Mischformen und andere Formen geeignet. Am ersten Ende, an dem die Ventilklappe über die Verbindungsstege mit der restlichen Funktionsschicht verbunden ist, ist die Umfangslinie nicht durch das hier unterbrochene Schlitzmuster sondern durch die kürzeste Verbindungslinie zwischen den Enden des Schlitzmusters definiert. Dementsprechend weist die Umfangslinie am ersten Ende der Ventilklappe zumindest im Bereich des Verbindungsstegs eine gerade Kante auf. Ansonsten kann sie an beiden Enden teilweise oder ganz gerundet sein. Die Umfangslinie kann jedoch auch eine, zwei, drei oder vier Ecken aufweisen.
Das Schlitzmuster folgt immer der Umfangslinie der Ventilklappe bis auf den Bereich, der von den Verbindungsstegen gebildet wird. Möglich ist es, zwei oder mehr im Abstand voneinander angeordnete Verbindungsstege für ein und dieselbe Ventilklappe vorzusehen. In diesem Fall ist das Schlitzmuster entlang der Umfangslinie der Ventilklappe mehrfach durchbrochen und bildet eine entsprechende Anzahl an Verbindungsstegen mit der übrigen Funktionsschicht aus.
Die Breite des oder der Verbindungsstege bestimmt in Verbindung mit den Materialkonstanten der Schicht die Kraft, die zum Auslenken der Ventilklappe erforderlich ist. Eine kleinere Federkonstante bewirkt ein schnelleres Auslenken der Ventilklappe, das dann bereits bei niedrigeren Druckunterschieden beiderseits der Ventilklappe bzw. beiderseits der ersten Funktionsschicht erfolgt. Somit erfolgt ein schnelleres Öffnen des durch die Ventilklappe gebildeten Ventils.
Im nicht-ausgelenkten Zustand bestimmt das Schlitzmuster, also die in der Ebene der Funktionsschicht bemessene Fläche der Schlitze des Schlitzmusters die Größe der Öffnung und damit die Schnelligkeit des Druckausgleichs. Die Größe der durch die (äußere) Umfangslinie definierten Ventilklappe bestimmt dann die maximale Querschnittsfläche der Öffnung. Je größer diese Querschnittsfläche ist, desto schneller kann ein Druckausgleich stattfinden.
Möglich ist es jedoch auch, mehrere Öffnungen und damit mehrere Ventilklappen in der Schicht vorzusehen. In diesem Fall ist es auch möglich, unterschiedliche Ventilklappen mit unterschiedlicher Fläche, unterschiedliche Ventilklappen mit unterschiedlichem durch die Breite des oder der Verbindungsstege bestimmten Federelement oder unterschiedliche Ventilklappen mit unterschiedlich geformter Umfangslinie vorzusehen. Zusätzlich kann die Öffnungsrichtung variieren. Dies wird erreicht, indem die Achsen, entlang derer die Ventilklappe aufklappen, gegeneinander im Winkel angeordnet werden. Bei mehreren Ventilklappen mit parallelen Achsen kann die Öffnungsrichtung der Ventilklappen um 180° variieren.
Weisen die unterschiedlichen Ventilklappen unterschiedliche Federkonstanten auf, so kann das gesamte druckabhängige Ansprechverhalten der Ventilklappen, also die Abhängigkeit des gesamten Öffnungsquerschnitts sämtlicher Ventilklappen von der Drucksteigerung in gewünschter Weise angepasst werden. Ein geeignetes Verhalten kann z. B. erreicht werden, wenn erste Ventilklappen mit kleiner Federkonstante, aber relativ geringer Grundfläche vorgesehen werden, die sich bereits bei kleineren Druckunterschieden öffnen. Da in der Regel erst größere Druckunterschiede Beschädigungen der Membran hervorrufen können, ist eine schnelle Erhöhung des Öffnungsquerschnitts von Vorteil, was mit einer größeren Ventilklappenfläche bei zweiten Ventilklappen erzielt wird, die jedoch jeweils eine höhere Federkonstante bzw. einen breiteren Verbindungssteg aufweisen.
In einer Ausführung des MEMS-Bauelements ist die Funktionsschicht mit der Öffnung elektrisch leitfähig eingestellt und als Membran des Bauelements ausgebildet. Parallel und im Abstand zur Funktionsschicht mit der Öffnung ist im Aufbau als weitere Funktionsschicht eine durchbrochene Festelektrode angeordnet. Die Membran ist dabei erste Funktionsschicht, die die Ausnehmung abdeckt und dadurch in der Ausnehmung ein Rückvolumen einschließt. Ein solches MEMS-Bauelement ist als Drucksensor oder Mikrofon nutzbar. Die durchbrochene Festelektrode kann im Aufbau näher am Grundkörper angeordnet sein als die Membran. Möglich ist es jedoch auch, dass die Festelektrode oberhalb der Membran, also auf der vom Grundkörper wegweisenden Seite der Membran angeordnet ist. In jedem Fall weist die durchbrochene Festelektrode ein Lochmuster auf oder bildet ein Gitter aus, über das die Membran des MEMS-Bauelements mit der umgebenden Atmosphäre in Verbindung steht, sodass der in der Umgebung herrschende Druck auch an der Membran anliegt. Das Rückvolumen stellt über seine darin eingeschlossene Atmosphäre einen Gegendruck zur Verfügung, der der Auslenkung der Membran und auch der Auslenkung der Ventilklappe entgegenwirkt.
Die Membran des MEMS-Bauelements kann in Abhängigkeit vom Druckgradienten nach beiden Seiten auslenken. Auch bei einer zu starken Auslenkung der Membran nach außen können Schäden an der Membran entstehen, die durch die vorgeschlagene Ausgestaltung der Ventilklappe vermieden werden.
Mit dem vorgeschlagenen MEMS-Bauelement, in dessen die Ausnehmung abdeckender erster Funktionsschicht eine Öffnung strukturiert ist, deren effektiver Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit vom Druckunterschied beiderseits der Schicht variiert, wird ein schnellerer Druckausgleich bei schnell ansteigenden oder abfallenden Außendrucken ermöglicht. Dies führt dazu, dass zwar ein dynamisches Verhalten der z. B. als Membran ausgebildeten ersten Funktionsschicht möglich bleibt, zu starke Spitzen jedoch abgeflacht werden. Langsam ansteigende oder abfallende Drucke werden dann über die durch das Schlitzmuster zur Verfügung gestellte Öffnung abgebaut bzw. ausgeglichen. Über Größe und Federkonstante der Ventilklappen kann eine maximale Auslenkung der als Membran fungierenden Schicht so eingestellt werden, dass eine Beschädigung der ersten oder auch der weiteren Funktionsschicht unmöglich wird.
Ein Grenzdruck P_G, oberhalb dessen die Ventilklappe in einem nennenswerten Ausmaß öffnet, lässt sich über die Federkonstante der Ventilklappe einstellen. Ein solcher Grenzdruck kann dann in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung und deren gewünschter Empfindlichkeit nahezu beliebig eingestellt werden.
Für Mikrofonanwendungen kann dieser Wert zwischen 0,05 und 1,00 bar, zwischen 0,1 und 0,8 bar, zwischen 0,15 und 0,60 bar oder zwischen 0,2 und 0,5 bar gewählt werden.
Die als Membran dienende Funktionsschicht kann eine Polysilizium-Schicht umfassen. Polysilizium kann mit Hilfe von Dotierstoffen elektrisch leitfähig eingestellt werden. Auf diese Weise gelingt es, die Membran als eine Elektrode eines kapazitiv arbeitenden MEMS-Bauelements auszubilden. Die zweite Elektrode wird von der ebenfalls elektrisch leitfähig eingestellten Festelektrode gebildet.
Die Membran des MEMS-Bauelements kann auch mehrschichtig ausgebildet sein, von denen die Polysilizium-Schicht eine Teilschicht, vorzugsweise die mittlere Teilschicht eines symmetrischen Schichtaufbaus, bildet. Möglich ist es jedoch auch, eine Teilschicht der Membran als Metallschicht auszubilden, andere Teilschichten dagegen aus dielektrischen oder elektrisch isolierenden Materialien.
Ein geeigneter Schichtaufbau für eine Membran umfasst eine zwischen zwei Siliziumnitrid-Schichten symmetrisch eingebettete Polysilizium-Schicht.
Die Herstellung des vorgeschlagenen MEMS-Bauelements erfordert genau wie die Herstellung bekannter MEMS-Bauelemente eine Strukturierung der Membran sowohl in der flächenmäßigen Ausdehnung, als auch eine Herstellung der Öffnung. Die Strukturierung wird dann im Unterschied zu bekannten MEMS-Bauelementen mit flächenhaften Öffnungen so ausgeführt, dass über ein geeignetes Schlitzmuster eine Ventilklappe ausgebildet wird. Das Bauelement ist daher ohne erhöhten Fertigungsaufwand herstellbar und erfordert weder komplexere noch zusätzliche Verfahrensschritte.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgebildet, sodass sich weder absolute noch relative Maßangaben aus den Figuren entnehmen lassen. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1A zeigt ein bekanntes MEMS-Mikrofon im schematischen Querschnitt,
1B zeigt das gleiche Mikrofon in der Draufsicht,
2A zeigt ein erfindungsgemäßes MEMS-Bauelement im schematischen Querschnitt,
2B zeigt das gleiche Bauelement in der Draufsicht,
3A bis 3H zeigen verschiedene Ausführungen von Schlitzmustern.
1A zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes MEMS-Mikrofon im schematischen Querschnitt. Anhand dieser Figur wird im Folgenden die Grundfunktionsweise des Bauelements erläutert. Bis auf die Öffnungen und der Funktion stimmt der Aufbau und die Funktion des erfindungsgemäßen Bauelements mit der des hier beschriebenen bekannten MEMS Bauelements überein.
Das MEMS-Bauelement weist einen kristallinen Grundkörper GK auf, in dem eine Ausnehmung AN, vorzugsweise mit vertikalen Seitenwänden, strukturiert ist. Auf der Oberseite des Grundkörpers GK ist ein hier mehrere Funktionsschichten umfassender Aufbau A angeordnet. Dieser Aufbau umfasst eine erste Funktionsschicht MN, die als Membran ausgebildet ist, und eine zweite Funktionsschicht, die als Festelektrode FE ausgebildet ist. Die beiden Funktionsschichten des Aufbaus A überdecken die Ausnehmung und sind im Abstand und parallel zueinander angeordnet. Die erste Funktionsschicht MN überspannt die gesamte Ausnehmung und dichtet diese nach oben hin ab. Das dadurch eingeschlossene Rückvolumen ist dann lediglich durch eine kleine und z. B. runde Öffnung OG zum langsamen Druckaustausch mit der Atmosphäre oberhalb des MEMS-Bauelements verbunden.
Im Bereich außerhalb der Ausnehmung AN kann der Schichtaufbau A weitere Schichten oder Funktionsschichten umfassen, die insbesondere als Abstandshalter zwischen erster und zweiter Funktionsschicht dienen und beispielsweise Reste von Opferschichten darstellen können, mit deren Hilfe die Strukturierung von freien Zwischenräumen zwischen Funktionsschichten gelingt. Darüber hinaus dienen die weiteren Schichten auch zur Verankerung der Funktionsschicht im Randbereich der späteren Membran und vorzugsweise im Randbereich der Ausnehmung auf der Oberfläche des Grundkörpers GK.
Ein solches Bauelement kann als Mikrofon eingesetzt werden und beispielsweise als kapazitives Bauelement betrieben werden. Dazu sind erste Funktionsschicht MN und zweite Funktionsschicht FE elektrisch leitend eingestellt und bilden zwei Kondensatorelektroden, deren elektrischer Anschluss in der schematischen Figur nicht dargestellt ist.
Die Ausnehmung AN ist auf der Unterseite des Grundkörpers GK mit einer Rückplatte RP verschlossen, die zusammen mit dem Bauelement erzeugt ist oder die Teil einer Oberfläche darstellt, auf der das MEMS-Bauelement montiert ist. Die Rückplatte RP kann auch Teil des Grundkörpers GK sein. Auf diese Weise wird innerhalb der Ausnehmung ein Rückvolumen eingeschlossen, welches als Referenz zur Messung von Außendrücken oder von Schallwellen, die Druckunterschiede beiderseits der Membran erzeugen, verwendet werden kann. Der Druckunterschied zwischen Außendruck und dem Binnendruck innerhalb des Rückvolumens führt zu einer Auslenkung der Membran MN, wodurch sich der Abstand zur Festelektrode FE verändert und damit die Kapazität des Kondensators. Dieser Wert kann als Maß für die Signalstärke bzw. den Druckunterschied verwendet werden und über entsprechende Verstärkerschaltungen als nutzbares Signal ausgegeben werden. Über die Öffnung OG wird ein Druckausgleich hergestellt, wobei die dafür erforderliche Zeitdauer von der Größe der Öffnung bzw. von der Querschnittsfläche der Öffnung OG abhängig ist, die bei bekannten MEMS Bauelementen konstant ist.
1B zeigt das gleiche MEMS-Bauelement in der Draufsicht, in der die zum Druckausgleich vorgesehene Öffnung OG besser dargestellt ist. Die Membran weist hier eine runde Grundfläche auf, ist jedoch nicht auf runde Formen beschränkt, ebenso wenig wie der Grundkörper GK auf viereckige Formen beschränkt ist.
Wenn Membran MN und Festelektrode FE in vorzugsweise geringem Abstand zueinander angeordnet sind, können große Druckunterschiede, die an der Membran MN anliegen, zu einer so starken Auslenkung der Membran führen, dass diese an der Festelektrode anschlägt und so die Gefahr einer Zerstörung oder Beschädigung der Membran besteht.
2A zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein vorgeschlagenes MEMS-Bauelement, das diese Probleme vermeidet. Das MEMS-Bauelement weist einen kristallinen Grundkörper GK auf, in dem wieder eine den Grundkörper durchbrechende Ausnehmung AN vorgesehen ist. Auf der Oberseite wird die Ausnehmung von einem Aufbau A abgedeckt. Der Aufbau umfasst zumindest eine erste Funktionsschicht MN. In der ersten Funktionsschicht ist eine Öffnung OG vorgesehen, die zum Druckausgleich dient. Die insoweit als Teilstruktur aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung ist nun jedoch weiter so ausgestaltet, dass durch geeignete Strukturierung der Öffnung OG diese wie ein Ventil wirkt, welches den Öffnungsquerschnitt der Öffnung OG in Abhängigkeit vom Druckunterschied, der an der ersten Funktionsschicht MN anliegt, variiert. In der Figur ist die Membran (die erste Funktionsschicht) im Grundzustand des Bauelements und bei normal großer Öffnung OG mit durchgezogener Linie dargestellt. Mit gepunkteter Linie dargestellt ist das Bauelement in einer Situation, bei der der Druck unterhalb der ersten Funktionsschicht MN größer ist als oberhalb der ersten Funktionsschicht. Dies führt zu einer Auslenkung der Ventilklappe als ein Teil der ersten Funktionsschicht derart, dass sich der Querschnitt der Öffnung OG vergrößert. Mit strichpunktierter Linie ist eine Situation dargestellt, in der der Druck oberhalb der ersten Funktionsschicht MN größer ist als der Druck unterhalb der ersten Funktionsschicht. Dies führt zu einer Auslenkung der beweglichen Funktionsschicht nach unten und damit ebenfalls zu einer Vergrößerung der Querschnittsfläche der Öffnung OG.
Der bewegliche Teil ist in der ersten Funktionsschicht mit Hilfe eines Schlitzmusters strukturiert, mit dessen Hilfe eine Ventilklappe VK definiert ist.
2B zeigt eine einfache Möglichkeit zur Strukturierung einer solchen Ventilklappe VK. Die Figur zeigt das in 2A dargestellte Bauelement in der Draufsicht. Das Schlitzmuster SM durchbricht entlang ihrer gesamten Länge die erste Funktionsschicht MN. Das Schlitzmuster folgt der Umfangslinie der Ventilklappe VK bis auf einen Verbindungssteg, mit dem die Ventilklappe mit der übrigen Fläche der ersten Funktionsschicht MN verbunden ist und bleibt. Die am zweiten Ende von Verbindungen zur Funktionsschicht freie Ventilklappe kann nun aus der Schichtebene herausklappen und bleibt dabei über den Verbindungssteg mit der übrigen Funktionsschicht MN verbunden.
Das Schlitzmuster SM durchbricht die erste Funktionsschicht MN und stellt damit bereits eine Öffnung OG dar, die einen Druckausgleich mit einer bestimmten von der Größe der Öffnung abhängigen Geschwindigkeit zwischen den beiden Seiten der ersten Funktionsschicht herstellen kann. Bis zu einem Grenzdruck P_G reicht der auf die Ventilklappe VK einwirkende Druck noch nicht aus, diese nennenswert aus der Schichtebene heraus zu bewegen.
Bei einem einwirkenden effektiven Druck P_E (bzw. Druckunterschied) oberhalb des Grenzdrucks P_G reicht die auf die Ventilklappe einwirkende Kraft aus, diese so auszulenken, dass sich der effektive Querschnitt der Öffnung OG merklich vergrößert. Je nach Grad der Auslenkung kann die Querschnittsfläche der Öffnung OG maximal bis zu der von der äußeren Umfangslinie der Ventilklappe eingeschlossenen Fläche ansteigen. Eine solche vergrößerte Öffnung führt bei hohem einwirkenden Druck bzw. Druckunterschied zu einem schnelleren Druckausgleich und damit zu einem Abbau der auf die erste Funktionsschicht MN einwirkenden Kräfte. Auf diese Weise wird eine zu starke Auslenkung der ersten Funktionsschicht MN durch zu hohe Drucke und damit deren Beschädigung vermieden.
3A bis 3H zeigen beispielhaft mögliche unterschiedliche Ausgestaltungen des Schlitzmusters bzw. der durch das Schlitzmuster definierten Ventilklappe VK. 3A zeigt ein Schlitzmuster, welches eine rechteckige bis quadratische Ventilklappe und einen Verbindungssteg VS definiert. Die Breite des Verbindungsstegs VS ist vorzugsweise geringer als diejenige Seitenlänge der viereckigen Ventilklappe VK, mit der der Verbindungssteg VS verbunden ist. In der 3A ist der Verbindungssteg VS noch beidseitig durch parallel zum Steg verlaufende Linien definiert, sodass auch eine Länge des Verbindungsstegs VS durch das Schlitzmuster vorgegeben ist.
3B zeigt eine Ausführung des Schlitzmusters SM, bei der der Verbindungssteg nur durch eine Lücke in der Umfangslinie definiert ist. Auch hier bestimmt im Wesentlichen die Breite des Verbindungsstegs VS die Kraft, die zur Auslenkung der Ventilklappe aus der Schichtebene erforderlich ist. Die Breite des Verbindungsstegs ist hier durch den Abstand definiert, den die beiden Enden des Schlitzmusters zueinander einnehmen. Entlang dieses Abstands folgen sie der Umfangslinie der Ventilklappe nicht. Der Verbindungssteg VS stellt daher eine Unterbrechung des Schlitzmusters dar.
3B zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der das Schlitzmuster jedoch zweifach durchbrochen ist, sodass zwei Verbindungsstege VS gebildet sind. Beide Verbindungsstege sind am selben Ende der Ventilklappe bzw. des Schlitzmusters angeordnet. Möglich ist es jedoch auch, mehrere Verbindungsstege an unterschiedlichen Seiten des Schlitzmusters vorzusehen.
3D zeigt praktisch die gleiche Anordnung wie 3C, wobei nur die Verbindungsstege auf der gegenüberliegenden Seite des Schlitzmusters vorgesehen sind.
Neben den rechteckigen Formen für ein Schlitzmuster bzw. für Umfangslinien der Ventilklappe können auch beliebige andere Formen vorgesehen werden. Beispielsweise ist es möglich, zumindest ein Ende der Umfangslinie zumindest teilweise abzurunden. 3E zeigt eine Anordnung, bei der das erste Ende, über welches die Ventilklappe mit der restlichen Funktionsschicht verbunden ist, abgerundet ist. Das gegenüberliegende Ende weist eine annähernd rechteckige Form auf. 3F zeigt ein Schlitzmuster, welches derselben oder einer ähnlichen Umfangslinie folgt, bei der jedoch anstelle von zwei Verbindungsstegen nur ein Verbindungssteg am abgerundeten Ende vorgesehen ist. 3G zeigt eine Umfangslinie ähnlich wie 3F, bei der der Verbindungssteg am rechteckig ausgebildeten ersten Ende vorgesehen ist, während das zweite Ende abgerundet ist. 3H zeigt ein Schlitzmuster, welches einer ähnlichen Umfangslinie wie die 3E bis 3G folgt, bei dem jedoch der Verbindungssteg am abgerundeten Ende vorgesehen ist. Gegenüber dem Schlitzmuster von 3F ist die Breite des Verbindungsstegs hier reduziert.
Erfindungsgemäße MEMS-Bauelemente können daher wie 2A ausgebildet sein und dabei Schlitzmuster wie in den 3A bis 3H dargestellt aufweisen.
Die beispielsweise nach 3A bis 3H ausgebildeten Schlitzmuster sind vorzugsweise nahe des Randbereichs der ersten Funktionsschicht MN, aber oberhalb der Ausnehmung AN angeordnet. Möglich ist es jedoch auch, mehrere Schlitzmuster in der Funktionsschicht oberhalb der Ausnehmung AN vorzusehen. Unterschiedliche Schlitzmuster können unterschiedlich geformt sein, können mit ihrer Umfangslinie unterschiedlich große Ventilklappen VK definieren, können unterschiedlich breite Verbindungsstege aufweisen und damit unterschiedliches Ansprechverhalten auf Druckunterschiede aufweisen. Möglich ist es jedoch auch, neben dem Schlitzmuster SM noch herkömmliche Öffnungen OG vorzusehen, deren Öffnungsquerschnitt unveränderlich ist. Auf diese Weise lässt sich auch derjenige effektive Öffnungsquerschnitt der Öffnungen OG besser einstellen, der ohne Druckunterschied bzw. bei nur ungefährlichen geringen Druckunterschieden unterhalb des Grenzdrucks P_G beiderseits der ersten Funktionsschicht gegeben ist.
Ein wie in 2A dargestelltes MEMS-Bauelement mit erfindungsgemäßem Schlitzmuster kann als Überdruck- oder Unterdruckventil für beliebige Anwendungen eingesetzt werden.
Eine bevorzugte Anwendung findet das in 2A dargestellte MEMS-Bauelement jedoch in einer weiteren Ausgestaltung, bei der es zu einem MEMS-Drucksensor oder einem MEMS-Mikrofon erweitert ist. Dabei kann es ähnlich wie in 1A in bekannter Weise mit einer zweiten Funktionsschicht versehen werden, die die Festelektrode FE des Drucksensors oder Mikrofons darstellt. In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführung kann das MEMS-Bauelement zwei Festelektroden FE aufweisen, wobei die zweite Festelektrode FE dann unterhalb der als Membran MN dienenden ersten Funktionsschicht angeordnet ist. Ein solches Mikrofon kann differenziell betrieben werden und erlaubt es, den Messwert genauer zu erfassen.
In einem MEMS-Drucksensor oder einem MEMS-Mikrofon ist die als Membran MN ausgebildete erste Funktionsschicht MN vorzugsweise eine elektrisch leitfähig dotierte Polysilizium-Schicht. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität kann die erste Funktionsschicht eine Mehrschichtbauweise aufweisen. Vorzugsweise wird die Polysilizium-Schicht zwischen zwei mechanisch stabilen Schichten eingebettet, beispielsweise zwischen zwei Siliziumnitrid-Schichten. Möglich ist es auch, die als Membran MN ausgebildete erste Funktionsschicht als metallische Schicht vorzusehen.
Die übrigen Funktionsschichten des Aufbaus A sind vorzugsweise aus strukturstabilen und gegebenenfalls elektrisch leitenden Schichtmaterialien aufgebaut.
Überhaupt gelingt die Herstellung des Aufbaus A über Schichtabscheidungsverfahren auf dem Grundkörper GK, vorzugsweise in einer Verfahrensstufe, bevor die Ausnehmung AN erzeugt ist.
Durch unterschiedliche Strukturierungsschritte zwischen den einzelnen Schichtabscheidungen können Teilschichten strukturiert werden. Möglich ist es jedoch auch, mehrere Funktionsschichten des Aufbaus gleichzeitig zu strukturieren. Hohlräume zwischen Funktionsschichten können erzeugt werden, indem dort Opfermaterial abgeschieden wird und erst in einem späteren Verfahrensschritt herausgelöst wird. Strukturierungsschritte gelingen vorzugsweise mittels chemischer oder physikalischer Ätzverfahren, wobei die Struktur über einen Resist vorgegeben werden kann. Möglich ist es jedoch auch, die Strukturierung durch ortsgenauen Materialabtrag direkt und ohne Resist-Maske vorzunehmen.
Beim Betrieb eines als Drucksensor oder Mikrofon ausgebildeten MEMS-Bauelements ist die Unterseite der Ausnehmung AN durch eine Rückplatte RP abgedeckt. Diese kann, ähnlich wie der Aufbau A, durch entsprechende Schichtabscheidungen erzeugt sein. In diesem Fall weist in einem ersten Verfahrensschritt die Rückplatte Öffnungen auf, durch die hindurch die Ausnehmung AN mittels Ätzens erzeugt werden kann. In einem zweiten oder weiteren Verfahrensschritt werden die Öffnungen dann wieder verschlossen.
Möglich ist es jedoch auch, die Ausnehmung AN auf der Unterseite durch einen Chip als Rückplatte RP zu verschließen, vorzugsweise durch einem Halbleiterchip, auf dem das MEMS-Bauelement montiert ist. Möglich ist es jedoch auch, andere massive Trägermaterialien zum Verschluss des durch die Ausnehmung gebildeten Hohlraums zu verwenden oder das MEMS Bauelement auf einer Leiterplatte so zu montieren, dass die Ausnehmung unten abgedichtet und das Rückvolumen abgeschlossen ist.
Das vorgeschlagene MEMS-Bauelement hat den Vorteil, dass es in bekannter Weise ohne zusätzlichen Verfahrensaufwand hergestellt werden kann. Während bisher runde oder ähnlich geformte Öffnungen OG in der Membran strukturiert wurden, wird nun an deren Stelle ein Schlitzmuster strukturiert, welches ohne zusätzlichen Aufwand herstellbar ist. Ein so erhaltenes MEMS-Mikrofon weist eine niedrigere untere Grenzfrequenz LLF auf, reduziert das Rauschen und zeigt daher ein verbessertes Signal-Rausch-Verhalten.
Das Bauelement weist einen normalen Betriebsmodus auf, in dem es sich wie ein herkömmliches MEMS-Mikrofon verhält. Oberhalb eines Grenzdrucks P_G ist die erfindungsgemäße Erweiterung des Öffnungsquerschnitts der Öffnungen OG so groß, dass sie zu einem schnelleren Druckausgleich führt. Dies vermindert den Druckunterschied beiderseits der Membran schneller und führt daher zu einem geringeren Auslenken der Membran. Dadurch wird das Risiko reduziert, dass die Membran oder die benachbarte Festelektrode durch zu starke Auslenkung der Membran beschädigt wird.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele oder die Figuren beschränkt. Der Grundgedanke der Erfindung liegt allein darin begründet, ein in Abhängigkeit vom anliegenden Druck variierenden Öffnungsquerschnitt in der Membran eines MEMS-Bauelements vorzusehen.
Bezugszeichenliste

GK

kristalliner Grundkörper

AN

Ausnehmung

A

strukturierter Aufbau

MN

erste Funktionsschicht, Membran

OG

Öffnung Öffnungsquerschnitt der Öffnung

SM

zweidimensionales Schlitzmuster

VK

bewegliche Ventilklappe

FE

Festelektrode

RP

Rückplatte

P_E

effektiver Druck

P_G

Grenzdruck

Claims

MEMS Bauelement – mit einem kristallinen Grundkörper (GK), der eine Ausnehmung (AN) aufweist – mit einem strukturierten Aufbau (A) auf dem Grundkörper, der zumindest eine erste (MN) oder mehrere Funktionsschichten umfasst, die Ausnehmung abdeckt und als Membran ausgebildet ist, – bei dem in der ersten Funktionsschicht des Aufbaus im Bereich über der Ausnehmung eine Öffnung (OG) strukturiert ist, deren effektiver Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit vom Druckunterschied beiderseits der ersten Funktionsschicht variiert, – bei dem die Öffnung (OG) durch ein die erste Funktionsschicht durchbrechendes zweidimensionales Schlitzmuster (SM) gebildet ist, – bei dem das Schlitzmuster innerhalb der Membran eine Ventilklappe (VK) definiert, die an zumindest einem ersten Ende über einen Verbindungssteg mit dem verbleibenden Flächenanteil der Membran verbunden ist und das zweite Ende vom übrigen Flächenanteil getrennt ist – bei dem die Ventilklappe ab einer vorbestimmten einseitigen Druckbelastung aus der Schichtebene der ersten Funktionsschicht herausklappen und damit den Querschnitt der Öffnung (OG) vergrößern kann.
MEMS Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, – bei dem die Ventilklappe (VK) so ausgebildet ist, dass der Querschnitt der Öffnung (OG) solange auf die Fläche des zweidimensionalen Schlitzmusters (SM), das die erste Funktionsschicht (MN) durchbricht, begrenzt ist, wie ein anliegender effektiver Druck P_E, der dem Druckunterschied entspricht, geringer ist als ein vorgegebener Grenzdruck P_G – bei dem bei einem realen auf das Bauelement einwirkenden Druck P_E mit P_E ≥ P_G die Ventilklappe ausklappt, – bei dem der Grenzdruck P_G so gewählt ist, dass eine Beschädigung des Bauelements bei einer Belastung mit dem Grenzdruck ausgeschlossen oder nicht zu erwarten ist.
MEMS Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem die Größe der Ventilklappe (VK) durch eine geschlossene Umfangslinie definiert ist – bei der das Schlitzmuster (SM) entlang der Umfangslinie der Ventilklappe mehrfach durchbrochen unterbrochen ist, so dass die Ventilklappe am ersten Ende über zwei oder mehr voneinander im Abstand voneinander angeordneter Verbindungsstege mit dem übrigen Flächenanteil der ersten Funktionsschicht verbunden ist.
MEMS Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem die Größe der Ventilklappe (VK) durch eine geschlossene Umfangslinie definiert ist – bei dem das Schlitzmuster (SM) der Umfangslinie zu mehr als 75%, mehr als 80%, mehr als 90% oder mehr als 95% ihrer Länge folgt, – wobei der zu 100% fehlende Anteil des Schlitzmusters an der Umfangslinie der Breite des Verbindungsstegs oder der Verbindungsstege entspricht.
MEMS Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ventilklappe (VK) am ersten Ende, am zweiten Ende oder an beiden Enden eine gerundete Umfangslinie aufweist.
MEMS Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Umfangslinie zumindest eine Ecke aufweist.
MEMS Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das mehr als eine Ventilklappe (VK) aufweist.
MEMS Bauelement nach Anspruch 7, bei dem unterschiedlich große Ventilklappen (VK) ausgebildet sind, deren Öffnungsquerschnitte unterschiedliche Druckabhängigkeiten aufweisen.
MEMS Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem die erste Funktionsschicht (MN) mit der Öffnung (OG) elektrisch leitfähig ausgebildet ist und eine Membran des MEMS Bauelements darstellt, – bei dem der Aufbau parallel und im Abstand zur ersten Funktionsschicht (MN) mit der Öffnung (OG) als zweite Funktionsschicht eine durchbrochene Festelektrode (FE) aufweist – bei dem die Membran (MN) in der Ausnehmung (AN) ein Rückvolumen einschließt – das MEMS Bauelement als Drucksensor oder Mikrofon nutzbar ist.
MEMS Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Membran (MN) eine Polysilizium-Schicht oder eine Metallschicht umfasst.
MEMS Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ventilklappe (VK) in beide Richtungen aus der Schichtebene der ersten Funktionsschicht (MN) herausklappen kann.
MEMS Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 11, bei dem der Grenzdruck P_G über eine Bemessung der Breite der Verbindungsstege auf einen Wert eingestellt ist, der zwischen 0,05 und 1,00 bar, zwischen 0,1 und 0,8 bar, zwischen 0,15 und 0,60 bar oder zwischen 0,2 und 0,5 bar liegt.
Verfahren zur Herstellung eines MEMS Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem auf dem Grundkörper (GK) der Aufbau (A) aus zumindest der ersten Funktionsschicht (MN) aufgebracht und strukturiert wird – bei dem zur Strukturierung der ersten Funktionsschicht (MN) diese bezüglich ihrer Grundfläche definiert wird und integriert zusammen mit der flächenmäßigen Strukturierung das Schlitzmuster (SM) erzeugt wird – bei dem das Schlitzmuster der Umfangslinie der Ventilklappe (VK) zu mehr als 75% ihrer Länge folgt – bei dem im Grundkörper (GK) eine Ausnehmung (AN) erzeugt wird, die von der Funktionsschicht so abgedeckt, dass darin ein Volumen eingeschlossen ist, – bei dem das Schlitzmuster (SM) im Bereich über der Ausnehmung erzeugt wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, – bei dem über der ersten Funktionsschicht (MN) nach deren Strukturierung ganzflächig eine Opferschicht aufgebracht wird – bei dem die Opferschicht nach der Erzeugung der Ausnehmung (AN) zumindest im Bereich über der Ausnehmung vollständig herausgeätzt oder herausgelöst wird.