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    Drucksensor (1) mit einem Substrat (471), einer Gegenstruktur (16), die auf dem Substrat (471) aufgebracht ist, einem Dielektrikum (481) auf der Gegenstruktur (16), einer Membran (11) auf dem Dielektrikum (481), wobei die Membran (11) oder die Gegenstruktur (16) durch einen angelegten Druck auslenkbar ist, einer Schutzstruktur (96), wobei die Schutzstruktur (96) von der Gegenstruktur (16) und der Membran (11) isoliert ist, wobei die Schutzstruktur (96) so bezüglich der Membran (11) oder der Gegenstruktur (16) angeordnet ist, daß sich eine Kapazität zwischen der Schutzstruktur und der Membran (11) oder der Schutzstruktur (96) und der Gegenstruktur (16) bildet, und mit einer Einrichtung zum Liefern eines Potentials an der Schutzstruktur (96), das sich von einem Potential an der Gegenstruktur (16) oder der Membran (11) unterscheidet.
    公开号:DE102004011144A1
    申请号:DE200410011144
    申请日:2004-03-08
    公开日:2005-10-06
    发明作者:Alfons Dehe
    申请人:Infineon Technologies AG；
    IPC主号:B81B3-00
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor und einVerfahren zum Betreiben eines Drucksensors.
    [0002] Immerhäufigerwerden in technischen GerätenDrucksensoren eingesetzt. Eine ihrer Aufgaben, wenn sie zum Beispielals Mikrophone ausgeführt sind,ist die Umsetzung eines akustischen Signals in ein elektrischesSignal. Die zunehmende Verbesserung der Verarbeitung der Sprachsignalein den Mikrophonen nachgelagerten Einrichtungen, wie z. B. digitaleSignalprozessoren, erfordert, daß auch die Eigenschaften derMikrophone verbessert werden, da die Qualität der Sprachübertragungimmer weiter zunimmt. Außerdemstellt die fortschreitende Miniaturisierung der Geräte, wiez. B. Mobiltelefone, auch die Anforderung, daß die Komponenten, wie z. B.die Mikrophone, die dort eingesetzt werden, ebenfalls in ihren Abmessungenreduziert werden. Daneben erfordert der zunehmende Kostendruck aufdiese Geräte,wie z. B. Mobiltelefone oder Gerätemit Spracherkennungssystemen, Herstellungsverfahren für Mikrophoneweiter zu vereinfachen. Entscheidender Vorteil von Si-Mikrophonenist deren Temperaturstabilität.Sie könnendaher mit automatischen Bestückungsautomatenaufgebaut werden und bei Temperaturen von 260°C reflow gelötet werden.
    [0003] Inihrer Veröffentlichung „CapacitiveMicrophone with lowstress polysilicon membrane and high-stress polysiliconbackplate" aus Sensorsaund Actuators (2000) beschreiben Altti Torkkeli et alteri ein Mikrophongemäß dem Standder Technik. Das Mikrophon besteht aus einer Niedrigstress-Polysilizium-Membran,die bereits bei einem geringen Schalldruck ausgelenkt wird, undeiner perforierten Hochstress-Membran,die erst bei einem hohen Schalldruck ausgelenkt wird. Beide Membranesind durch einen Luftspalt voneinander getrennt. Die Niedrigstress-Membranverändertihre Form bei einem zu messenden Schalldruck, während die Form der perforiertenHochstress-Membran sich nicht ändert.Hierdurch ändertsich die Kapazitätzwischen den beiden Membranen. Die elektrische Isolation der beidenMembrane voneinander wird durch eine Siliziumdioxid- oder eine Siliziumnitridschichterreicht.
    [0004] DieFirma Knowles Acoustics bietet auf Ihrer Webseite www.knowlesacoustic.com/html/sil mic.htmlMikrophone an, die unter Einsatz von Polysilizium-Schichten gefertigtwerden, und die in standarisierten Fertigungsverfahren mit Pick-and-Place Maschinen aufPlatinen montiert werden können.
    [0005] Auchdas Unternehmen Sonion bietet auf seiner Webseite www.sonion.comminiaturisierte Mikrophone an, deren Breite, Länge und Höhe jeweils geringer als 5mmsind.
    [0006] Nachteiligan den bekannten Mikrophonen ist die vergleichsweise hohe Kapazität zwischen Substratund Membran bzw. Gegenstruktur. Die Membranstruktur wird durch Schalldruckschwankungenausgelenkt, währenddie Gegenstruktur in ihrer Position verharrt und keine Auslenkungerfährt.Hierdurch ändertsich die Kapazitätzwischen den Elektroden. Gleichzeitig bleibt aber der Kapazitätsanteil, deraus den fest eingespannten Bereichen der Membranstruktur und derGegenstruktur untereinander und gegenüber dem Substrat herrührt, konstant.Die Kapazitätdes Mikrophons kann also durch eine Parallelschaltung zweier Kondensatorensymbolisiert werden, von denen ein erster Kondensator, der durch eineElektrodenflächezwischen den Randbereichsgrenzen gebildet wird, seine Kapazität in Abhängigkeitvon dem Schalldruck ändert.Ein zweiter Kondensator in dieser Parallelschaltung, der durch dieElektrodenflächelinks der Randbereichsgrenze und rechts der Randbereichsgrenze gebildetwird und durch die Kapazitätenzwischen den Elektroden und dem Substrat, ist von einer Intensität eineseinfallenden Schalls unabhängig.Die Gesamtkapazitätder Parallelschaltung variiert nur mit der Änderung der Kapazität des erstenKondensators. Die prozentuale Empfindlichkeit, also die Kapazitätsänderungbezogen auf die Gesamtkapazitätgeteilt durch eine Schalldruckänderung,ist daher aufgrund der hohen statischen Kapazität begrenzt. Ein kleines Verhältnis derKapazitätsänderungzur Gesamtkapazitätführt dazu,daß einhoher Aufwand zur Signalverarbeitung betrieben werden muß. Diesbedeutet wiederum, daß demeigentlichem Silizium-Mikrophon nachgelagerte Signalverarbeitungsstufenaufgrund des kleinen Verhältnissesaufwendig und damit teuer und chipflächenintensiv sind, was wiederumdie Preisreduktion bei der Massenherstellung des Mikrophonsystems ausSilizium-Mikrophon mit integrierter Auswerteschaltung einschränkt. Insbesonderesinkt das Signal zu Rauschverhältnismit abnehmender aktiver Kapazität.
    [0007] Dervorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensorzu schaffen, der preisgünstigintegrierbar ist, und ein Verfahren zum Betreiben des Drucksensors.
    [0008] DieseAufgabe wird durch einen Drucksensor gemäß Anspruch 1 und ein Verfahrengemäß Anspruch20 gelöst.
    [0009] Dievorliegende Erfindung schafft einen Drucksensor mit einem Substrat,einer Gegenstruktur, die auf dem Substrat aufgebracht ist, einemDielektrikum auf der Gegenstruktur, einer Membran auf dem Dielektrikum,wobei die Membran oder die Gegenstruktur durch einen angelegtenDruck auslenkbar ist, und einer Schutzstruktur, wobei die Schutzstrukturvon der Gegenstruktur und der Membran isoliert ist, und wobei dieSchutzstruktur so bezüglich derMembran oder der Gegenstruktur angeordnet ist, daß sich eineKapazitätzwischen der Schutzstruktur und der Membran oder der Schutzstrukturund der Gegenstruktur bildet, und mit einer Einrichtung zum Lieferneines Potentials an der Schutzstruktur, das sich von einem Potentialan der Gegenstruktur oder der Membran unterscheidet.
    [0010] DerKerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, zusätzlich zueiner Membran und einer Gegenstruktur eine Schutzstruktur anzubringen,die auf einem von einem Potential der Membran oder der Gegenstrukturabweichenden Potential liegt, und damit zur Ausblendung einer Komponente derstatischen Kapazitätdient. So wird die statische Kapazität auch durch die zwischen derMembran bzw. Gegenstruktur und dem Substrat anliegende Kapazität bestimmt.Die Kapazitätzwischen Membran bzw. Gegenstruktur und Substrat kann durch eine Reihenschaltungaus einer ersten Kapazitätzwischen der Membran bzw. Gegenstruktur und der Schutzstruktur undeiner zweiten Kapazitätzwischen Schutzstruktur und Substrat dargestellt werden. Durch einAusblenden der ersten Kapazitätwird die Gesamtkapazitätder Reihenschaltung reduziert.
    [0011] DerVorteil der Erfindung besteht in der besseren Empfindlichkeit desDrucksensors, die sich durch die dadurch erzielte Reduzierung derstatischen Kapazitätergibt. Diese verbesserte Empfindlichkeit führt zu einer Aufwandsreduzierungin den dem Mikrophon nachfolgenden Signalverarbeitungseinheiten.
    [0012] DieVorteile dieser Aufwandsreduzierung liegen in einer geringen Chipfläche desgesamten Ducksensorsystems, des Systems aus dem eigentlichen Drucksensorund der Schaltung zur Auswertung eines Drucksensorssignals, einerhöherenFertigungsausbeute und den damit verbundenen Kostenreduktionen für die Herstellungdes Drucksensorssystems.
    [0013] Durchdie erhöhteEmpfindlichkeit des Drucksensors ist auch der Aufwand für das Testen vondiesem geringer.
    [0014] Beieinem bevorzugten Ausführungsbeispiel hatdie Membran Durchlässe,so daß sienur auf einen dynamischen Druck nicht aber auf einen statischenDruck anspricht.
    [0015] BevorzugteAusführungsbeispieleder vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend aufdie beiliegenden Zeichnungen nähererläutert.Es zeigen:
    [0016] 1 eineschemtische Schnittdarstellung des Drucksensors gemäß einemAusführungsbeispielder vorliegenden Erfindung;
    [0017] 2a eineMembranstruktur eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegendenErfindung;
    [0018] 2b eineGegenstruktur eines Ausführungsbeispielsder vorliegenden Erfindung;
    [0019] 2c eineDraufsicht auf ein Mikrophon mit dargestellten Überlappungen;
    [0020] 3a einevergrößerte Darstellungder Membranstruktur des Ausführungsbeispielsunter 2a–c;
    [0021] 3b einevergrößerte Darstellungder Gegenstruktur des Ausführungsbeispielsunter 2a–c;
    [0022] 3c einevergrößerte Darstellungder Membranstruktur und der Gegenstruktur des Mikrophons des Ausführungsbeispielsunter 2a–c;
    [0023] 4 eineDarstellung des gesamten Mikrophonkörpers des Ausführungsbeispielsder vorliegenden Erfindung; und
    [0024] 5a–h ein Verfahrenzur Herstellung eines Ausführungsbeispieleseines Mikrophons gemäß der vorliegendenErfindung;
    [0025] 6 Ersatzschaltungeines Ausführungsbeispielsder vorliegenden Erfindung;
    [0026] 7 Erläuterungdes Mehrschichtenaufbaus und Ersatzschaltung in dem Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung;
    [0027] 8 Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung; und
    [0028] 9 Prinzipskizzeeines Ausführungsbeispielsder vorliegenden Erfindung.
    [0029] 8 zeigtein Ausführungsbeispieleines Drucksensors gemäß der vorliegendenErfindung. Zu erkennen ist ein Drucksensor 1. Dieser hateinen Membrananschluss 81, einen Gegenstrukturanschluss 91,einen Guardring 96, der hier nur schematisch gezeigt ist,und einen Guardringanschluss 101.
    [0030] Über dasDruckeinlassloch 377 dringt eine von außen kommende Druckänderung,die zu einer Auslenkung einer Membranstruktur 11, die später nocherläutertwird, führt,ein. Die Auslenkung der Membranstruktur 11 führt zu einerKapazitätsänderungder Kapazitätzwischen Membrananschluß 81 undGegenstrukturanschluss 91.
    [0031] Andem Gegenstrukturanschluss 91 und einem Masseanschluss 386 liegteine konstante Gleichspannung an. Der Spannungsteiler 396a, 396b führt zu einerEinstellung des Arbeitspunktes der Drucksensoranordnung, wobei dasPotential für denArbeitspunkt exakt zwischen den beiden Spannungsteilerwiderständen 396a, 396b abgegriffen wird.
    [0032] Eine Änderungder Kapazitätzwischen dem Gegenstrukturanschluss 91 und dem Membrananschluss 81 führt zu einer Änderungdes Stroms über denAusgangswiderstand 411 und damit zu einer Spannungsänderungan dem Membrananschluss 81. Diese Potentialänderungam Membranschluss 81 bewirkt eine Änderung der Eingangsspannungdes Impedanzwandler 376.
    [0033] Inder Beschaltung mit dem Serienwiderstand 374 fungiert derTransistor 376 als Impedanzwandler 376 und bildetzusammen mit dem Serienwiderstand 374 einen Spannungsteilerfür diean einem Gegenstrukturanschluss 91 und dem Massepotentialanschluss 386 anliegendeGesamtspannung. Eine Änderungdes Eingangspotentials des Impedanzwandlers 376, das aufdem Potential des Membrananschlusses 81 liegt, führt zu einer Änderungdes Stroms durch diesen, wodurch sich das Ausgangssignalpotential 401 ändert. Dersich änderndeStrom durch den Impedanzwandler 376 und den konstant bleibendenSerienwiderstand 374 führt nämlich zueiner Änderungdes Spannungsabfalls an dem konstanten Serienwiderstand 374 unddamit zu einer Änderungdes Potentials am Ausgang 401. Somit ist das Ausgangssignalpotential 401 vonder Kapazitätan dem Drucksensor 1 abhängig. Da das Ausgangssignalpotential 401 mitdem Guardringanschluss 101 elektrisch leitend verbundenist, liegt der Guardring 96 stets auf dem Potential desAusgangssignals 401.
    [0034] Entscheidendhierbei ist auch, daß derGuardring 96 von dem Membrananschluss 81 galvanischgetrennt ist. In dieser Schaltung ist die Spannung an dem Guardring 96 soeingestellt, daß sieder Spannung am Membrananschluss 81 entspricht.
    [0035] Auchder Transistor 431 fungiert als ein Impedanzwandler, der über denEingangswiderstand 421 und den Reihenwiderstand 451 eingestelltwird und erhältallerdings kein Signal. Typischerweise ist er dabei ähnlich wieder Impedanzwandler 376 eingestellt, so daß das Potentialan einem Referenzausgang 441 einem Gleichanteil des Ausgangssignalpotentials 401 entspricht.Ein Differenzsignal aus dem Ausgangssignalpotential 401 unddem Referenzsignal 441 entspricht somit einem in seinenoffset-Anteilen reduzierten Ausgangssignalpotential 401.Somit dient das Potential an dem Referenzausgang dazu den Gleichsignalanteilin dem Ausgangssignalpotential 401 zu kompensieren. DasDifferenzsignal des Ausgangssignalpotenti als 401 und desReferenzsignals 441 läßt sichleichter von nachfolgenden Signalverarbeitungseinheiten verarbeiten.
    [0036] Dadas Ausgangssignalpotential 401 auch an dem Guardring 96 anliegt,und in dieser Schaltung so eingestellt ist, daß es dem Potential an dem Membrananschluss 81 entspricht,liegt der Guardring 96 damit auf dem Potential der Membran 81.Somit dient der Guardring 96 als Schutzstruktur und unterstützt dieAusblendung einer statischen Kapazität der Membran gegen das Substrat.
    [0037] Gleichzeitigsind die Membranstrukturanschluss 81 und der Guardring 96 jedochgalvanisch voneinander getrennt.
    [0038] 6 erläutert eineErsatzschaltung eines Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung. Aufgeführt sind ein Drucksensorausschnitt 356 undeine entsprechende Ersatzschaltung 366. Der Drucksensorausschnittzeigt die Membran 11, die Gegenstruktur 16, denGuardring 96, den Gegenstrukturanschluss 91, denMembrananschluss 81 und den Guardringanschluss 101.
    [0039] DieErsatzschaltung umfaßteine Substratpotential 246, ein Gegenstrukturpotential 256,ein Guardringpotential 266, ein erstes Membranpotential 276,ein zweites Membranpotential 286 und ein drittes Membranpotential 296.Die jeweiligen Potentiale sind hierbei als Platten dargestellt.
    [0040] Zwischenden Potentialplatten 246, 256, 266, 276, 286, 296 tretenKapazitätenauf. So liegt zwischen der Massepotentialplatte 246 undder Gegenstruktur 256 die Gegenstrukturkapazität 306,zwischen dem Guardring 266 und der Masse 246 die Guardringkapazität 316 undzwischen dem Guardring 266 und der Membran 276 dieerste Membrankapazität 346.Außerdemtreten zwischen den Abgriffen 286, 296 an derWiderstandsschicht 66 und der Masse 246 die zweiteMembrankapazität 326 unddie druitte Membarnkapazität 336 auf.
    [0041] Durcheine Einrichtung zum Liefern eines Potentials einer Schutzstruktur 266,wobei die Schaltungseinrichtung in 8 erläutert ist,wird das Potential 266 des Guardrings 101 aufden selben Wert wie das Potential 276 der Membran 81 gehalten.
    [0042] Somittritt an der Kapazität 376 zwischender Membran 11 und dem Guardring 96 keine Spannung auf.Der Guardring 96, der die Gegenstruktur 16 umgibt,verringert eine Kapazitätzwischen einer Membran 11 und dem Substrat, das hier nichtgezeigt ist. Die Kapazitätzwischen der Substratplatte 246 und der Membranplatte 276,die ja in dieser Ersatzschaltung 366 die Potentiale symbolisieren,wird durch eine Reihenschaltung aus einer ersten Kapazität 316 zwischendem Guardring 96 und dem Substrat und einer zweiten Kapazität 346 zwischendem Guardring 96 und der Membran 11 gebildet.
    [0043] Wirdder Guardring 96 auf ein Potential der Membran 11 gebracht,so entspricht dies einer Ausblendung der Kapazität 346 und damit einerReduzierung der Gesamtkapazitätder Reihenschaltung aus der Kapazität 316 und der Kapazität 346,da ja die Gesamtkapazitäteiner Reihenschaltung durch den Kapazitätswert der kleineren Schaltungbestimmt ist.
    [0044] 7 zeigtein Ausführungsbeispieleines Drucksensors der vorliegenden Erfindung. Es umfaßt die Membranstruktur 11,die Gegenstruktur 16, den Membrananschluss 81,den Guardring 96, ein Substrat 471, ein Dielektrikum 481 undeine Isolationsschicht 491. 7 erläutert dieAnordnung der Elemente in einem Mehrschichtenaufbau und die zwischenden verschiedenen Schichten zustande kommenden Kapazitäten.
    [0045] DerMembranstrukturanschluss 81 ist durch die Isolationsschicht 491 vondem Guardring 96 elektrisch getrennt.
    [0046] Zwischender Membran 11 und der Gegenstruktur 16 liegtdie Drucksensorkapazität 501.Sie ist im wesentlichen von der Fläche der sich überlappendenMembran 11 und der Gegenstruktur 16, und dem Abstandder beiden Elektroden voneinander abhängig. Die Membranguardringkapazität 346 zwischen derMembran 11 und dem Guardring 96 entsteht durchdie sich überlappendenFlächenzwischen der Membran 11 und dem Guardring 96.Die Guardringkapazität 316 bautsich zwischen dem Substrat 471 und dem Guardring 96 auf,und die Gegenstrukturkapazität 306 entstehtzwischen der Flächedes Substrats 471 und der Fläche der Gegenstruktur 16.Die Anordnung in 7 kann wieder durch die in 6 gezeigteErsatzschaltung 366 symbolisiert werden.
    [0047] 9 erläutert einegrundsätzlicheFunktionsweise des Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung. Der Drucksensor ist an eine Gleichspannungsquelle 511 angeschlossen,und weist eine Kapazität 501 undeinen Gesamtwiderstand 541 auf.
    [0048] Durchdie Änderungender Kapazitätzwischen der Membran 11 und der Gegenstruktur 16 ergibtsich eine Wechselspannung, die durch die Wechselspannungsquelle 521 symbolisiertwird. Die Höheder Wechselspannungsamplitude ist dabei von der Auslenkung der Membran 11 abhängig.
    [0049] DerSpannungsabfall an dem Gesamtwiderstand 541 liegt an einemEingang eines nachgelagerten Impedanzwandlerelements 561 an,das häufig alsEinheitsverstärkermit einer Verstärkungkleiner als eins und vorzugsweise nahe eins ausgeführt ist, wobeidie typischen Werte 0.6 und 0.9 liegen. Der Ausgang des Impedanzwandlerelements 561 ist über dieparasitäreKapazität 551 desDrucksensors 1, die hauptsächlich durch die Membranguardringkapazität gebildetwird, an den Eingang des Impedanzwandlerelements rückgekoppelt.Durch eine Rückkopppelungdes Ausgangssignals auf die parasitäre Kapazität wird ein Umladen dieser unddamit eine Belastung des Signals reduziert. Zur zusätzlichenVerringerung der parasitärenKapazitätwerden Ausnehmungen in der Gegenstruktur 16 und der Membran 11 gebildet. DieSignalverarbeitungsschaltung 571 filtert das Ausgangssignalund verstärktes, bevor das Ausgangssignal an dem Ausgang 581 abgegriffenwird.
    [0050] 1 zeigtein Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung. Man erkennt einen Membranträger 6,die Membranstruktur 11, einen Luftpalt 15 zwischender Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16,eine linke Randbereichsgrenze 21 und eine rechte Randbereichsgrenze 26.Die Membranstruktur 11 ist rechts von der Randbereichsgrenze 26 festin den Membranträger 6 eingespanntund weist an der linken Randbereichsgrenze 21 eine Ausnehmungauf. Die Gegenstruktur 16 ist links von der Randbereichsgrenze 21 festin den Membranträger 6 eingespanntund weist an der rechten Randbereichsgrenze 26 eine Ausnehmungauf. Der Drucksensor gemäß einemAusführungsbeispielder vorliegenden Erfindung weist Ausnehmungen in der Membranstruktur 11 undder Gegenstruktur 16 in dem Randbereich der Membranstruktur,also links von der Randbereichsgrenze 21 und rechts vonder Randbereichsgrenze 26, auf. Somit überlappen sich die Membranstruktur 11 unddie Gegenstruktur 16 in dem Randbereich nicht. Hierdurchwird in der Parallelschaltung der Kapazität des Sensors und der parasitären Kapazität, die parasitäre Kapazität, die durchdie Überlappungder Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 indem Randbereich entsteht, eliminiert. Die Empfindlichkeit des Mikrophonkörpers 1,also die prozentuale Kapazitätsänderungder kapazitiven Anordnung bei einem auf der Membranstruktur auftreffenden Schallsteigt dadurch.
    [0051] Zusätzlich wird,was hier nicht gezeigt ist eine Schutzstruktur zwischen der Gegenstruktur 16 unddem Membranträger 6 umdie Gegenstruktur 16 herum angebracht. Diese wird von einerhier nicht gezeigten Einrichtung auf ein von der Gegenstruktur abweichendesPotential gebracht, was einen Teil der Kapazität zwischen dem Membranträger 6 undder Gegenstruktur 16 ausblendet.
    [0052] 2a zeigtein weiteres Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung, indem es die Struktur einer Membranin Frontalsicht darstellt. Man erkennt die Membranstruktur 11,eine Randbereichsgrenze 56, Ausnehmungen 61 inder Membranstruktur 11, eine Widerstandsschicht 66 undeinen Anschluß derMembranstruktur 67. Wie in den folgenden 2b und 2c erläutert wird,sind die Ausnehmungen 61 so angeordnet, daß die Überlappungenzwischen der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 vondem Ausführungsbeispieldieses Mikrophons außerhalbder kreisförmigenRandbereichsgrenze 56 reduziert sind.
    [0053] 2b erläutert dieAnordnung der Gegenstruktur 16. Man erkennt die Gegenstruktur 16,die Randbereichsgrenze 56, Ausnehmungen 76 derGegenstruktur 16, den Anschluss 91 für die Gegenstruktur 16,den Guardring 96, den Anschluss 101 für den Guardring 96 undeinen Kontakt 108 fürdie Membranstruktur 11 überden Vorladewiderstand 66. Die Ausnehmungen in der Gegenstruktur 16 sindso angeordnet, daß dieFlächenüberlappungmit der Membranstruktur 11 reduziert ist, was die parasitären Kapazitäten verringert.Der Guardring 96, der in der Gegenstrukturschicht angeordnetist, liegt auf einem von der Gegenstruktur 16 abweichendenPotential, und schirmt damit zusätzlichdie in dem Randbereich, also außerhalbdes Kreises 56, entstehende parasitäre Kapazität zwischen der Membranstruktur 11 und demSubstrat, das hier nicht gezeigtist, ab. Da der Guardring 96 inder selben Schicht liegt wie die Gegenstruktur 16, undmöglichstgut ausblenden soll, weist der Guardring 96 unterschiedlicheBreiten auf, eine geringe Breite in Bereichen, in denen er einem Stegder Gegenstruktur gegenüberliegtund eine großeBreite in Bereichen, in denen er einer Ausnehmung 76 derGegenstruktur 16 gegenüberliegt.
    [0054] 2c zeigteine Draufsicht auf die Membran, wobei jetzt ein schematischer Aufbaudes Mikrophons gemäß einemAusfüh rungsbeispielder vorliegenden Erfindung dargestellt wird, da jetzt sowohl die Membranstruktur 11 alsauch die Überlappungenmit Ausnehmungen 76 der Gegenstruktur 16 dargestellt werden.Diese Überlappungenwären zumTeil normalerweise nicht sichtbar, sollen aber zum besseren Verständnis dargestelltwerden. Man erkennt die Membranstruktur 11, die Randbereichsgrenze 56,die Ausnehmungen in der Membranstruktur 61, die Widerstandsschicht 66,Bereiche 77 der Membranstruktur 11, die den Ausnehmungen 76 derGegenstruktur 16 gegenüberliegen, den Gegenstrukturanschluß 91, den Guardring 96,den Guardringanschluß 101, einenKontakt 108 an der Widerstandsschicht 66 und einenMembrankontakt 110. Die Ausnehmungen in der Membranstruktur 61 unddie Bereiche 77 der Membranstruktur 11, die denAusnehmungen 56 in der Gegenstruktur 16 gegenüber liegen,sind so angeordnet, daß dieFlächenüberlappungenzwischen der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 im Vergleichzur Anordnung ohne Ausnehmungen reduziert sind. Der Guardring 96 liegtwiederum auf einem von der Gegenstruktur 16 abweichendenPotential und trägtsomit noch zusätzlichzur Abschirmung der parasitärenstatischen Kapazitätenbei. Insbesondere ist das Potential, auf das der Guardring 96 gebrachtwird zwischen dem Potential der Membranstruktur 11 undder Gegenstruktur 16 und vorzugsweise auf dem Membran-Potential.
    [0055] 3a zeigteine vergrößerte Darstellung derMembranstruktur 11 des Mikrophons 1, das auf demin 2a–cerläutertenAusführungsbeipielgemäß den Erkenntnissender vorliegenden Erfindung entworfen ist. Es zeigt die Membranstruktur 11,eine Steglänge 47 derMembranstruktur 11, die Randbereichsgrenze 56,die Ausnehmungen 61 in der Membranstruktur 11 undKorrugationsrillen 106. In diesem Ausführungsbeispiel sind 6 Korrugationsrillenin der Membranstruktur 11 eingebracht, jedoch könnte jede beliebigeandere Anzahl an Korrugationsrillen vorzugsweise zwischen 3 und20 in der Membranstruktur 11 vorhanden sein. Die Aufgabeder Korrugationsrillen ist es, die mechanische Spannung in der unter Zugstreß stehenden Membranschichtzu reduzieren. Damit sind insgesamt größere Auslenkungen möglich. Esbleibt aber nach wie vor bei einem Membranverhalten, wobei auchdie Biegelinie einer Membran erhalten bleibt. Die Ausnehmungen inder Membranstruktur 61 außerhalb der durch die Korrugationsrillenumschlossenen Flächehaben wiederum die Funktion, die Überlappung der Membranstruktur 11 mitder Gegenstruktur 16 in dem Randbereich der Membranstruktur 11 zureduzieren.
    [0056] In 3b isteine vergrößerte Darstellung derAnordnung der Gegenstruktur 16 aufgeführt. Man erkennt in der Darstellungeine Steglänge 48 derGegenstruktur 16, die Randbereichsgrenze 56, dieAusnehmungen 76 in der Gegenstruktur 16, den Anschluß für die Gegenstruktur 91,den Guardring 96, einen Gegenstrukturbereich 107,der einer Ausnehmung 61 in der Membranstruktur 11 gegenüberliegt, undeinen Gegenstrukturbereich 111, der einem Bereich der Membranstruktur 11 gegenüber liegt,in dem diese keine Ausnehmungen hat. Die Steglänge 48 der Gegenstruktur 16 erstrecktsich von der Randbereichsgrenze bis zu einem äußeren Ende des Stegs der Gegenstruktur 16.
    [0057] DerGuardring 96 liegt dabei auf einem von der Gegenstruktur 16 abweichendenPotential, was dazu führt,daß dasdaraus resultierende elektrische Feld zur Abschirmung der parasitären Kapazitäten in demRandbereich beiträgt.Auch die Ausnehmung 76 in der Gegenstruktur 16,die dem Bereich in der Membranstruktur 11 gegenüber liegen,in denen diese keine Ausnehmungen hat, tragen zur Reduzierung derparasitärenKapazitätenbei. Daneben zeigt diese Figur auch, daß in der Membranstruktur 11 in demRandbereich eine Ausnehmung ist, die einem Bereich der Gegenstruktur 16 gegenüber liegt,in dem diese keine Ausnehmung hat, da die Gegenstruktur 11 indiesem Bereich zur mechanischen Stabilisierung an dem Membranträger 6 eingespanntist.
    [0058] 3c zeigteine vergrößerte Gesamtansichtfrontal auf die Membranstruktur 11 und damit einen vergrößerten Ausschnitt auseinem Ausführungsbeispielgemäß der vorliegendenErfindung und erläutertwiederum die Überlappungenzwischen Membran 11 und Gegenstruktur 16. Diese Überlappungensind wiederum analog zu der Ansicht von 2c zumTeil eigentlich nicht sichtbar, jedoch aus Erläuterungszwecken dargestellt.Zu erkennen ist eine Überlappung 51 derMembranstruktur 11 mit der Gegenstruktur 16, dieAusnehmungen 61 in der Membranstruktur 11, einMembranbereich 77, der Ausnehmungen 76 in derGegenstruktur 16 gegenüberliegt,der Gegenstrukturanschluß 91,der Guardring 96 und die Korrugationsrillen 106.Der Membranbereich 77 der Ausnehmungen 76 in derGegenstruktur 16 gegenüberliegtsetzt sich aus zwei Bereichen zusammen, aus Bereichen 82,die dem Guardring 96 gegenüberliegen, und aus Bereichen 52,die dem Guardring 96 nicht gegenüberliegen. Die überlappendenFlächenzwischen der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 sindin den Randbereichen reduziert und die parasitären Kapazitäten, die ja vornehmlich indem Randbereich auftreten, werden zusätzlich über den vorzugsweise vorgesehenenGuardring 96 abgeschirmt. Die statische Kapazität bildet sichsomit nur zwischen den versetzt zueinander angeordneten Stegen derMembran- 11 und der Gegenstruktur 16 aus. Somitwird durch diese schrägeAnordnung der Kondensatorplatten die feste Kapazität auf 5% des ursprünglichenWerts einer Anordnung ohne Ausnehmung abgesenkt. Auch wird die mechanischeStabilitätder Anordnung mit Ausnehmungen in der Membran 11 und derGegenstruktur 16 gegenübereiner Anordnug ohne Ausnehmungen reduziert. Die Reduktion der Stabilität kann durcheine höhere Gegenstrukturschichtdickekompensiert werden.
    [0059] DieMembranstruktur 11 wird dabei über den gesamten Bereich ausgelenkt,auch überdie Korrugationsrillen hinaus an den Stegen. Die genaue Biegelinieweicht etwas von derjenigen einer Kreismembran ab. Die wesentlicheRolle der Korrugatiosrillen 106 liegt darin den vorhandenenSchicht-Zugstress in der Membranstruktur 11 zumindest teilweisezu relaxieren, wobei aber ein typisches Membranverhalten der Membranstruktur 11 weiterhinvorhanden ist.
    [0060] 4 zeigteine Gesamtansicht der in 2c gezeigtenAnordnung, wobei jetzt in dieser Gesamtanordnung auch die Korrugationsrillen 106 dargestelltsind, eine Widerstandskontaktierung 108, eine Guardringkontaktierung 109,eine Membrankontaktierung 110 und eine Substratkontaktierung 112. DieGesamtanordnung aus 2c mit den Kontaktierungen 108, 109, 110, 112 befindetsich in einem Mikrophonkörperrahmen 116.Die Substratkontaktierung 112 ist mit dem Anschluß 91 für die Gegenstruktur 16 leitendverbunden. Die Gegenstruktur 16 liegt damit auf dem selbenPotential wie ein Substrat des Mikrophons. Die Widerstandskontaktierung 108 ist über dieWiderstandsschicht 66 mit der Membranstruktur 11 leitendverbunden. Die Guardringkontaktierung 109 ist mit dem Guardring 96 leitendverbunden, währenddie Membrankontaktierung 110 an die Membranstruktur 1l angeschlossenist.
    [0061] 5a–h zeigenein Herstellungsverfahren füreinen Drucksensor nach einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegendenErfindung. 5a zeigt ein Substrat 146,auf dem eine Ätzstoppschicht 151 aufgebrachtwird, auf der wiederum die Gegenstrukturschicht 16 aufgebrachtwird. Diese Gegenstrukturschicht 16 umfaßt zu dieserPhase des Fertigungsprozesses auch noch die als Guardring auszuführende Schutzstruktur.In der Gegenstrukturschicht 16 werden Löcher 156 und Ausnehmungenzwischen dem Guardring 96 und der Gegenstruktur 16 freigeätzt.
    [0062] Anschließend wird,wie in 5b gezeigt, auf einem in 5a gezeigtenMehrschichtenaufbau eine Opferschicht 161 aufgebracht,wobei die Opferschicht auch eine Oberfläche des Mehrschichtenaufbausbedeckt, auf der bereits die Gegenstruktur aufgebracht ist. In einemweiteren Verfahrensschritt werden Ausnehmungen 166 für die Korrugationsrillen 106 freigeätzt. Während einemfolgenden Phototechnikschritt werden Ausnehmungen 171 für Anti-Sticking-Bumps 172 inder Opferschicht 161 freigeätzt, wobei (hier nicht gezeigt)diese Ausnehmungen 171 für Anti-Sticking-Bumps 172 auchin den Ausnehmungen 166 für die Korrugationsrillen 106 geätzt werdenkönnen.Anschließendwird, wie in 5c gezeigt, eine Membranstrukturschicht 11 aufder Opferoxidschicht 161 aufgebracht, so daß die Membranstruktur 11 auchdie Ausnehmungen 171 fürdie Anti-Sticking-Bumps 172 und die Ausnehmungen 166 für Korrugationsrillen 106 füllt, sodie daß dieAnti-Sticking-Bumps 172 unddie Korrugationsrillen 106 Teil der Membranstrukturschicht 11 sind.Danach wird die Membranstruktur 11 noch in einer geeignetenWeise strukturiert, damit ihre Abmessungen die weiteren Fertigungsschritteermöglichen.
    [0063] DieAnti-Sticking-Bumps 172 sind insbesondere spitze vorzugsweisepyramiden- oder nadelförmigeErhöhungenin der Membranstruktur 11. Bei einer zu starken Auslenkungder Membranstruktur 11 in Richtung der Gegenstruktur 16 berühren zuerstdie Anti-Sticking-Bumps 172 die Gegenstruktur 16.Sie dienen dazu, die Oberfläche,mit der sich die Membran- 11 und die Gegenstruktur 16 berühren geringzu halten, und damit ein Festhaften der Membranstruktur 11 ander Gegenstruktur 16 zu erschweren. Dies verringert dieWahrscheinlichkeit einer Zerstörung desMikrophons aufgrund von elektrischer Überspannung oder kondensierterFeuchte im Luftspalt, deren Verdampfen aufgrund der Oberflächenspannungzu einem Ankleben einer glatten Membran führen würde.
    [0064] Ineinem nachfolgenden Herstellungsschritt wird die Opferschicht 161 strukturiert,so daß sie,wie in diesem Ausführungsbeispieldargestellt, zum Teil bis an die Kante der Gegenstruktur 16 reicht,aber auch die Gegenstruktur 16 teilweise freigelegt wird. DieseFreilegung der Gegenstrukturschicht 16 ermöglicht eineKontaktierung von dieser mittels eines Kontaktlochs, das in denweiteren Schritten erzeugt wird.
    [0065] Danachwird auf den Mehrschichtenaufbau aus 5d eineZwischenoxidschicht 176 aufgebracht. In der Zwischenoxidschicht 176 werden Durchkontaktierungeneingebracht, eine fürein Membrankontaktloch 181, eine für ein Gegenstrukturkontaktloch 186 undjeweils eine fürden Substratanschluß undden Guardringanschluß,wobei die Durchkontaktierungen fürden Substratanschluß und denGuardringanschluß hiernicht gezeigt sind. Auf dem Zwischenoxid 176 werden elektrischeKontakte z. B. aus metallischen Materialien aufgebracht, so daß die Membrankontaktierung 110 entsteht,die mit dem Membrankontaktloch 181 leitend verbunden ist, undeine Gegenstrukturkontaktierung 112 entsteht, die mit demGegenstrukturkontaktloch 186 leitend verbunden ist.
    [0066] Ineinem weiteren Verfahrensschritt wird das Zwischenoxid 176 voneinem Teil der Membranstruktur 11 wieder entfernt um denin 5e dargestellten Mehrschichtenaufbau zu erhalten.
    [0067] DerMehrschichtenaufbau aus 5e wirdin dem nächstenFertigungsschritt mit einer Schutzpassivierungsschicht 211 aufder dem Substrat abgewandten Oberfläche überzogen. Danach wird die Schutzpassivierungsschicht 211 vonder Membranstruktur 11, in dem Bereich außerhalbdes Randbereichs und einem Teil des Randbereichs, von einem Teilder Membrankontaktierung 110 und von einem Teil der Gegenstrukturkontaktierung 112 entfernt. DiesesEntfernen der Schutzpassivierungsschicht 211 kann beispielsweisein einem maskierten Ätzprozeß erfolgen.Der so gewonnene Mehrschichtenaufbau ist in 5f gezeigt.
    [0068] Danachwerden Wafer, die die Chips umfassen, die den dargelegten Mehrschichtenaufbauaufweisen, gedünnt.Selbstverständlichkönnenauch einzelne Chips gedünntwerden, jedoch ist aus Kostengründendas Dünnenvon Wafern häufigvorteilhaft. Dies führtzu einer Reduzierung der Dicke des Substrats 146. Danachwird eine Maskierungsschicht 221 auf der der Membranstruktur 11 abgewandten Oberfläche desSubstrats 146 aufgebracht. In einem weiteren Phototechnikschnittwird die Maskierungsschicht 221, in den Bereichen, in denendas Substrat 146 freigeätztwerden soll, entfernt. Dieses Entfernen der Hartmaskenschicht 221 wirdhäufigebenfalls durch einen maskierten Ätzprozeß durchgeführt. Anschließend wirddas Substrat 146 von der Oberfläche aus, die zumindest teilweisemit der Hartmaske 221 bedeckt ist, in einem anisotropenTrockenätzungsverfahrenfreigeätzt,wobei dieser Freiätzungsprozeß auf der Ätzstoppschicht 151 angehaltenwird. Das Substrat 146 weist damit in einem nicht von derHartmaske 221 bedeckten Bereich eine Ausnehmung 226 auf,deren Tiefe bis zur Ätzstoppschicht 151 reicht.Der daraus resultierende Aufbau ist in 5g dargestellt.In der Regel reicht fürdie Ausnehmung des Substrats 226 eine Fotolackmaske. Der Ätzprozeß ist einanisotroper Trockenätzprozeß bzw. DRIE – deep reactiveion etch – oderauch der sogenannte Bosch-Prozeß.
    [0069] Ineinem nächstenFertigungsschritt wird die Ätzstoppschicht 151 innerhalbRandbereichsgrenzen 241 entfernt und anschließend auchdie Opferschicht 161 innerhalb der Randbereichsgrenzen 241 durch Löcher 231 inder Gegenstruktur 16 hindurch freigeätzt. Hierdurch entstehen Perforierungen 231 inder Gegenstruktur 16 und ein Luftspalt 236 zwischender Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16.Idealerweise sind die Ätzstoppschicht 151 unddie Opferschicht 161 in demselben Material ausgeführt, sodaß derVorgang des Freiätzensder Ätzstoppschicht 151 undder Opferschicht 161 innerhalb der Randbereichsgrenzen 241 zueinem einzigen Fertigungsschritt zusammengefaßt werden können. Anschließend wirdder dargestellte Mehrschichtenaufbau noch einem Trocknungsverfahrenunterzogen, bevor die einzelnen Chips, die die Mikrophonvorrichtung tragen,aus dem Wafer herausgesägtwerden. Dieser Verfahrensschritt wird auch als Vereinzelung bezeichnet.Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die in
    [0070] 5a–h durchgeführten Fertigungsschritte auchan einzelnen Chips durchgeführtwerden können,wodurch der Schritt der Vereinzelung vor dem Freiätzen ausgeführt würde. Dieresultierende Vorrichtung ist in 5h dargestellt.
    [0071] Inobigen Ausführungsbeispielenkann das Substrat 146 beispielsweise als Halbleitermaterial, wiez. B. Silizium ausgeführtsein. Die Ätzstoppschicht 151 kannbeispielsweise als Oxidschicht vorliegen. Die Gegenstruktur undMembranstruktur könnenvorzugsweise in demselben Material, aber auch in unterschiedlichenMaterialien ausgeführtsein, wobei die eingesetzten Materialien vorteilhafterweise gutleitend sind, wie z. B. metallische Schichten oder hochdotierteHalbleiterschichten wie beispielsweise Poly-Silizium. Die Opferschicht 161 kannin einem beliebigen isolierenden Material ausgeführt sein, wie vorteilhafterweisehäufigbei Halbleitersubstraten einem Oxid, wie z. B. Siliziumdioxid. Auchdie Zwischenoxidschicht 176 und die Passivierungsschicht 211 können inbeliebigen isolierenden Materialien ausgeführt sein wie vorteilhafterweisebei Halbleitersubstraten aus Oxiden oder Nitriden, wie z. B. beiSilizium Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid.
    [0072] Auchkann der in 4 dargestellte Aufbau einesDrucksensors bzw. Mikrophons gemäß der vorliegendenErfindung eine beliebige Form aufweisen, und die Zahl der Ausnehmungenbeliebig hoch sein. Sie liegt aber vorzugsweise unter Berücksichtigung dermomentan eingesetzten Strukturbreiten in der Halbleitertechnologieund der daraus resultierenden Abschätzungen für Abmessungen des Mikrophons zwischen3 und 20. Auch könnendie Ausnehmungen in beliebiger Form ausgeführt sein, vorteilhaft ist jedochdiese in bogenförmigeroder winkliger Form einzubringen. Eine in obigen Ausführungsbeispielenals Guardring implementierte Guardstruktur, die zur Abschirmungder Gegenstruktur 16 dient, ist ringförmig und in sich geschlossen,jedoch könntejede beliebige andere geometrische Form gewählt werden, die in sich auchnicht geschlossen sein kann.
    [0073] Inden obigen Ausführungsbeispielenist der Impedanzwandler 376 als Transistorschaltung ausgeführt. Alternativensind aber auch beliebige Schaltungen, die eine galvanische Trennungdes Guardringpotentials von dem Potential an dem Membrananschluss 81 implementieren,und gleichzeitig eine Anpassung des Guardringpotentials an den Wertdes Potentials der Membranstruktur durchführen. Auch der Invertierer 431 kannalternativ nicht als Transistor sondern als beliebige elektrischeSchaltung, die diese Funktion übernimmt,ausgeführtsein.
    [0074] Inobigen Ausführungsbeispielenist die Schutzstruktur als Guardring 96 ausgeführt undin der selben Schicht wie die Gegenstruktur 16 angeordnet.Alternativen sind beliebige Anordnungen der Schutzstruktur oderAusführungenin beliebigen Schichten in dem Drucksensor.
    [0075] ObigeAusführungsbeispielezeigen, daß ein Mikrophongemäß einemAusführungsbeispielder vorliegenden Erfindung die trockene Rückseitenätzung, wie die DRIE-Ätzung, nutzt,um minimale Chipflächenzu gewährleisten.Im Gegensatz zu einem elektrochemischen Ätzstoppverfahren, das in handelsüblichenChips des Unternehemens Infineon eingesetzt wird, stoppt die DRIE-Ätzung beispielsweise aufeiner Oxidschicht 151 und vereinfacht damit die Technologieenorm. Zu diesem Zweck wird eine Poly-Si-Membran 11 sowieeine perforierte Poly-Si-Gegenelektrode 16 z.B. eingesetzt. Damit die parasitärenKapazitätenminimal werden, kann auch die Gegenstruktur 16 beispielsweiseals netzförmigeMembran bzw. Elektrode ausgeformt werden. Hierbei können dannauch gleichzeitig durch eine geschickte Anordnung die Fußpunktkapazitäten beschränkt bzw. getrappedwerden. Die Anzahl der Phototechniken verringert sich durch dieseVorgehensweise gegenübereinem Ausführungsbeispieleines Mikrophons des Stands der Technik von 16 auf 10 Ebenen.
    [0076] Auchkönnenz. B. eine netzförmigePoly-Si-Membran und eine netzförmigePoly-Si-Gegenelektrode verdreht zueinander angeordnet werden, sodaß die Überlappungder Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 reduziertwird. Dies erlaubt z. B. bei einem Doppel-Poly-Membransystem eine gleichzeitigeSchirmung parasitärerKapazitätender Membranelektrode 11.
    [0077] ObigeAusführungsbeispielehaben gezeigt, daß dieMembran übereine beliebige Anzahl wie z. B. 15 Stege an der Opferschicht 161,die auf dem Substrat 146 aufgebracht ist, aufgehängt ist,vorzugsweise liegt die Anzahl der Stege zwischen 3 und 20. In denobigen Ausführungsbeispielender vorliegenden Erfindung hat die Gegenstruktur eine der Membran ähnlicheForm und ist in dem Randbereich, in dem die Ausnehmungen auftreten,mit Löchern perforiert.Vorteilhafterweise wird in derselben Schicht der Gegenstruktur 16 auchdie Guardstruktur festgelegt. Die Guardstruktur ist dabei häufig, besondersbei kreisförmigenMembran- 11 und/oder Gegenstrukturen 16, als Guardring 96 ausgeführt. Idealerweise überlappendann Membranstruktur 11 und Gegenstruktur 16 nurim aktiven Bereich, der innerhalb der Randbereichsgrenzen 21, 26, 56 liegt.Vorteilhafterweise setzen die Enden der Membranstege, also die Bereicheder Membranstruktur 11, die zwischen den Ausnehmungen inder Membranstruktur 11 liegen, in dem Bereich der Guardstruktur 96 auf, wobeizwischen der Guardstruktur 96 und der Membranstruktur 11 dieOpferschicht 161 liegt. Hierdurch werden die parasitären Kapazitäten in diesemAufbau deutlich reduziert.
    [0078] ObigeAusführungsbeispielegemäß der vorliegendenErfindung könnenin quadratischen Chips implementiert werden, die beispielsweiseeine Länge undeine Breite von 1,4 mm haben und eine Dicke von 0,4 mm. Der freieMembrandurchmesser könnte indieser Anordnung ca. 1 mm betragen. Dabei kann eine 250 nm dickePolysiliziummembran mit Anti-Sticking-Bumps 172 und sechsKorrugationsrillen 106 implementiert werden. Die Korrugationsrillenunterstützenwiederum das Auslenkverhalten des Mikrophons und erhöhen damitdie Empfindlichkeit. Die Membranstruktur 11 läßt sichin dieser Anordnung beispielsweise an 15 Stegen aufhängen, diemechanisch 15 Federn entsprechen. Der Membranstruktur 11 kanneine Gegenstruktur 16 aus 400 nm dickem Polysilizium gegenüberliegen,das vorteilhafterweise auch über15 Stege aufgehängtsein kann, was einem mechanischen Verhalten von 15 Federn entspricht.Die Durchmesser der Perforationslöcher 231 können beispielsweisebei 5 μmliegen und die Gegenstruktur 16 kann einen Perforationsgradvon ca. 30 % aufweisen, um eine vorteilhafte Durchführung desFertigungsverfahrens zu ermöglichen.Ein typischer Wert fürden Abstand zwischen der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 istin dieser Anordnung ca. 2 μm,was zugleich der Dicke der Opferschicht 151 entspricht.
    1 Drucksensor 6 Membranträger 11 Membranstruktur 15 Luftspalt 16 Gegenstruktur 21 linkeRandbereichsgrenze 26 rechteRandbereichsgrenze 47 Steglänge derMembranstruktur 48 Steglänge derGegenstruktur 51 Überlappungder Membranstruktur mit Gegenstruktur 52 Gegenstrukturausnehmungnicht gegenüberGuardring 56 Randbereichsgrenze 61 Ausnehmungenin der Membranstruktur 66 Widerstandsschicht 67 Anschluß der Membranstruktur 76 Ausnehmungenin der Gegenstruktur 77 MembranstrukturbereichgegenüberGegenstruktur 81 Anschluß für Membranstruktur 82 Gegenstrukturausnehmunggegenüber Guardring 91 Gegenstrukturanscluß 96 Guardring 101 Guardringanschluß 106 Korrugationsrille 107 GegenstrukturbereichgegenüberMembranausnehmung 108 Widerstandskontaktierung 109 Guardringkontaktierung 110 direkteMembrankontaktierung 111 Gegenstrukturbereichnicht gegenüber Membranausnehmung 112 Substratkontaktierung 146 Substrat 151 Ätzstoppschicht 156 Löcher inder Gegenstruktur 161 Opferschicht 166 Ausnehmungfür Korrugationsrille 171 Ausnehmungfür Anti-Sticking-Bump 172 Anti-Sticking-Bump 176 Zwischenoxid 181 Membrankontaktloch 186 Gegenstrukturkontaktloch 211 Schutzpassivierung 221 Maskierungsschicht 226 Substratausnehmung 231 Gegenstrukturperforierung 236 Luftspaltzwischen Membranstruktur und Gegenstruktur 241 Randbereichsgrenze 246 Substratpotential 256 Gegenstrukturpotential 266 Guardringpotential 276 erstesMembranpotential 286 zweitesMembranpotential 296 drittesMembranpotential 306 Gegenstrukturkapazität 316 Guardringkapazität 326 ersteErsatzschaltkapazität 336 zweiteErsatzschaltkapazität 346 Membranguardringkapazität 356 Drucksensor 366 Ersatzschaltung 374 Serienwiderstand 376 Impedanzwandler 377 Druckeinlaßloch 386 Masseanschluß 396a,b Spannungsteiler 401 Ausgangssignalpotential 411 Ausgangswiderstand 421 Eingangswiderstand 431 Transistor 441 Referenzsignal 451 Reihenwiderstand 461 Kondensator 471 Substrat 481 Dielektrikum 491 Isolationsschicht 501 Drucksensorkapazität 511 Gleichspannungsquelle 521 Wechselspannungsquelle 541 Gesamtwiderstand 551 parasitäre Kapazität 561 Impedanzwandlerelement 571 Signalverarbeitungsschaltung 581 Ausgangssignal
    权利要求:
    Claims (20)
    [1] Drucksensor (1) mit folgenden Merkmalen: einemSubstrat (471); einer Gegenstruktur (16),die auf dem Substrat (471) aufgebracht ist; einemDielektrikum (481) auf der Gegenstruktur (16); einerMembran (11) auf dem Dielektrikum (481), wobeidie Membran (11) oder die Gegenstruktur (16) durcheinen angelegten Druck auslenkbar ist; einer Schutzstruktur(96), wobei die Schutzstruktur (96) von der Gegenstruktur(16) und der Membran (11) isoliert ist, wobeidie Schutzstruktur (96) so bezüglich der Membran (11)oder der Gegenstruktur (16) angeordnet ist, daß sich eineKapazitätzwischen der Schutzstruktur und der Membran (11) oder der Schutzstruktur(96) und der Gegenstruktur (16) bildet; und einerEinrichtung (376) zum Liefern eines Potentials (266)an der Schutzstruktur (96), das sich von einem Potentialan der Gegenstruktur (16) oder der Membran (11)unterscheidet.
    [2] Drucksensor (1) gemäß Anspruch 1, der als ein Kondensatormikrophonausgeführtist.
    [3] Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 oder2, bei der sich die Membran (11) oder die Gegenstruktur(16) mit der Schutzstruktur (96) flächenmäßig überlappen.
    [4] Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis3, bei dem das Substrat (471) einen elektrisch leitendenBereich aufweist.
    [5] Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis4, bei dem der elektrisch leitende Bereich des Substrats (471)ein Massepotential (246) bildet, wobei ein Potential (266)einer Schutzstruktur (96), ein Potential (276, 286, 296)einer Membran (11) und ein Potential (252) einerGegenstruktur (16) auf das Massepotential (252)bezogen sind.
    [6] Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis5, bei dem das Substrat (471) von der Gegenstruktur 16 undder Membran (11) elektrisch isoliert ist.
    [7] Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis6, bei dem die Membran (11) oder die Gegenstruktur (16)eine elektrisch leitende Schicht umfaßt.
    [8] Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis7, bei dem die Schutzstruktur (96) in einem Mehrschichtenaufbauin einer selben Ebene wie die Membran (11) oder die Gegenstruktur(16) angeordnet ist.
    [9] Drucksensor (1) gemäß Anspruch 8, bei dem die Ausnehmungenin der Membran (11) oder der Gegenstruktur (16)Stege bilden und die Schutzstruktur (96) sich mit den Stegender nicht in der selben Ebene angeordneten Membran (11)oder Gegenstruktur (16) überlappt.
    [10] Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 8 oder9, bei dem die Schutzstruktur (96) von der in der selbenEbene des Mehrschichtenaufbaus angeordneten Membran (11)oder Gegenstruktur (16) durch eine Ausnehmung von der Membran(11) oder der Gegenstruktur (16) elektrisch isoliertist.
    [11] Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 8 bis10, bei dem der Mehrschichtenaufbau eine Schicht aufweist, die dieSchutzstruktur (96) und die Gegenstruktur (16)oder die Schutzstruktur (96) und die Membran (11)umfaßt.
    [12] Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis11, bei dem die Schutzstruktur (96) zumindest teilweisedie Membran (11) oder die Gegenstruktur (16) umgibt.
    [13] Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis12, bei dem ein elektrisches Potential einer Schutzstruktur (96)in einem Ruhezustand weniger als 50 % von dem Wert des Potentialsder Gegenstruktur oder der Membran abweicht.
    [14] Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis13, bei dem die Einrichtung 376 zum Liefern eines Potentialseiner Schutzstruktur 96 ein Potential an der Gegenstrukturoder der Membran (11) bestimmt und ein von dem Wert desPotentials abhängigesPotential an der Schutzstruktur (96) einstellt.
    [15] Drucksensor (1) gemäß Anspruch 14, bei dem dieEinrichtung zum Liefern eines Potentials an der Schutzstruktur (96)das Potential an der Schutzstruktur (96) so einstellt,daß einPotentialwert der Schutzstruktur (96) weniger als 10 vondem Wert des Potentials an der Membran (11) oder der Gegenstruktur(16) abweicht.
    [16] Drucksensor (1) gemäß Anspruch 15, bei dem dieSchutzstruktur (96) und die Membran (11) bzw.Gegenstruktur (16) galvanisch getrennt sind.
    [17] Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 14 bis16, bei dem die Einrichtung (376) zum Liefern eines Potentialsan der Schutzstruktur (96) einen Impedanzwandler (376)umfaßt,der übereinen Spannungsteiler das Potential auf der Schutzstruktur (96)einstellt.
    [18] Drucksensor (1) gemäß Anspruch 17, bei dem derImpedanzwandler (376) einen Transistor umfaßt, beidem an einem Eingang des Transistors ein von einem Potential derMembran oder der Gegenstruktur abhängiges Potential anliegt undan einem zweiten Eingang ein von dem Potential der Schutzstruktur(96) abhängigesPotential anliegt.
    [19] Drucksensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis18, bei dem Ausnehmungen in der Membran (11) oder der Gegenstruktur(16) Stege bilden, und eine Fläche der Schutzstruktur (96)sich mit den Stegen in der Membran (11) oder der Gegenstruktur (16) überlappt.
    [20] Verfahren zum Betreiben eines Drucksensors (1)mit: einem Substrat; einer Gegenstruktur (16),die auf dem Substrat (471) aufgebracht ist; EinemDielektrikum (481) auf der Gegenstruktur (16); einerMembran (11) auf dem Dielektrikum (481), wobeidie Membran (11) oder die Gegenstruktur (16) durcheinen angelegten Druck auslenkbar ist; und einer Schutzstruktur(96), die so bezüglichder Membran (11) angeordnet ist, daß sich eine Kapazität zwischender Schutzstruktur (96) und der Membran (11) oderder Schutzstruktur (96) und der Gegenstruktur (16)bildet; mit einem Schritt eines Anlegens eines Potentials an derSchutzstruktur, das sich von einem Potential der Gegenstruktur oderder Membran unterscheidet.
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    优先权:
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    US11/075,034| US7040173B2|2004-03-08|2005-03-08|Pressure sensor and method for operating a pressure sensor|
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