CH708708A1

CH708708A1 - Messelement zum Messen eines Drucks und Druckmesssensor.

Info

Publication number: CH708708A1
Application number: CH01699/13A
Authority: CH
Inventors: Claudio Cavalloni; Stéphane Kühne
Original assignee: Kistler Holding Ag
Priority date: 2013-10-03
Filing date: 2013-10-03
Publication date: 2015-04-15
Also published as: KR20160065109A; MX2016004234A; CA2924166A1; JP2019174478A; US20160231189A1; JP2016540192A; BR112016006523A2; MX360473B; CN105593657A; EP3052915A1; US9927316B2; JP6655211B2; WO2015048916A1

Abstract

Es wird ein MEMS-Chip (3) zum Messen eines Druckes in einem Druckraum (D), umfassend ein MEMS-Substrat und ein Trägersubstrat, die flächig entlang ihrer Längsachse (A) aufeinandergebondet sind, wobei der MEMS-Chip (3) einen messenden Bereich (4) mit elektromechanischen Messmitteln und einen über Leitungen (8) mit dem messenden Bereich (4) verbundenen Kontaktierungsbereich (6) mit Kontakten (16) aufweist, beschrieben, wobei die Durchführung in einen Druckraum vereinfacht ist und auf störungsanfällige Bondingdrähte verzichtet wird. Dies wird dadurch gelöst, dass der MEMS-Chip (3) stabförmig ausgestaltet ist, wobei der messende Bereich (4) und der Kontaktierungsbereich (6) in Richtung Längsachse (A) durch einen Durchführungsbereich (11) voneinander beabstandet sind, wobei der MEMS-Chip (3) zur druckdichten Anordnung in einer Durchführung geeignet ist, welche durch ein vollumfängliches Umhüllen der Oberfläche des Durchführungsbereichs (11) normal zur Längsachse (A) ausbildbar ist.

Description

Beschreibung Technisches Gebiet

[0001 ] Die vorliegende Erfindung beschreibt einen MEMS-Chip zum Messen eines Druckes in einem Druckraum, umfassend ein MEMS-Substrat und ein Trägersubstrat, die flächig entlang ihrer Längsachse aufeinander gebondet sind, wobei der MEMS-Chip einen messenden Bereich mit elektromechanischen Messmitteln und einen über Leitungen mit dem messenden Bereich verbundenen Kontaktierungsbereich mit Kontakten aufweist, wobei der messende Bereich dem Druckraum im Betriebszustand aussetzbar ist und Messsignale von den Kontakten abnehmbar sind, ein Messelement mit einem MEMS-Chip, Druckmesssensor, umfassend ein solches Messelement, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Messelementes.

Stand der Technik

[0002] MEMS-Chips (Micro-Electro-Mechanical Systems) vereinen Logikelemente und mikromechanische Strukturen auf einem Halbleiterchip und können elektrische und mechanische Informationen verarbeiten. Sie werden daher für Sensoren, Aktoren u. a. eingesetzt.

[0003] Bekannte Druckmesssensoren bzw. Druckmesselemente umfassen MEMS-Chips zum Messen eines Druckes in einem Druckraum auf, welche ein MEMS-Substrat und ein Trägersubstrat aufweisen, wobei beide Substrate flächig aufeinander gebondet sind. Die MEMS-Chips sind in der Regel quadratisch ausgestaltet und bilden einen Teil eines Messelementes. Die MEMS-Chips weisen mindestens einen messenden Bereich mit elektromechanischen Messmitteln auf, welcher in einem Druckraum einem Medium ausgesetzt wird. Über Leitungen werden die elektromechanischen Messmittel des messenden Bereichs mit einem Kontaktierungsbereich mit Kontakten verbunden. Die MEMS-Chips sind derart auf einer Durchführung angeordnet, dass das MEMS-Substrat und die darauf befindlichen elektromechanischen Messmittel in den Druckraum orientiert sind. Die Aufbau und Verbindungstechnik wird entsprechend als vertikal bezeichnet. Der MEMSChip in Form eines Verbundes aus zwei unterschiedlichen Substraten wird in oder auf eine Glasdurchführung verbaut und elektrisch angeschlossen. Die Glasdurchführung besteht im Allgemeinen aus einem Grundkörper aus Stahl, Glas, Keramik oder einem Verbund der letzteren drei mit einem kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten und verglasten elektrischen Durchführungen. Die Aufbau- und Verbindungstechnik wird durch Drahtbonden, eine Rückseitenkontaktierung durch das Substrat, zum Beispiel gemäss WO 2008/025 182 A2 oder mittels sogenannter Flip-Chip Technologie, zum Beispiel gemäss US 2012/0 247 219 A1 angeordnet resp. verbunden. Nachteilig beim Drahtbonden ist der hohe Platzbedarf der Bondierung. Die Bonddrähte verlaufen in der Nähe des messenden Bereiches des Messelementes und sind dem Medium in einem Druckraum ausgesetzt. Des Weiteren verlaufen Bonddrähte vom Messelement durch die Durchführung aus dem Druckraum heraus. Die Bonddrähte sind anfällig auf mechanische Einwirkungen bei Montage und im Einsatz. Der Auftrag einer Passivierung der Bonddrähte zum Schutz gegen Medien ist aufwändig. Die Rückseitenkontaktierung erfordert eine anspruchsvolle Verbindungstechnik zwischen MEMS-Chip und Glasdurchführung. Beim vertikalen Aufbau können aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten grosse thermomechanische Spannungen auftreten, die die Sensoren resp. deren temperaturabhängiges Verhalten negativ beeinflussen und die zu einem Versagen der elektrischen Kontaktierung führen können. Die verfügbaren Werkstoffe und Fertigungsverfahren sind ungeeignet für Hochtemperaturanwendungen, sodass noch keine für hohe Temperaturen und hohe Drücke im Langzeiteinsatz ausreichend geeignete, einfach herstellbare und einfach einbaubare Messelemente bzw. Druckmesssensoren erreicht wurden.

Darstellung der Erfindung

[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein MEMS-Chip, ein Messelement und einen Druckmesssensor zur Druckmessungen bei hoher Umgebungstemperatur, besonders über 200 °C, zu schaffen, wobei die Durchführung in einen Druckraum vereinfacht ist und auf störungsanfällige Bondingdrähte verzichtet wird. Der MEMS-Chip ist als Teil eines Messelementes einfach montierbar und problemlos in der Wand eines Druckraumes befestigbar.

[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein MEMS-Chip mit integrierten elektromechanischen Messmitteln und integrierten Leitungen offenbart, wobei der gesamte MEMS-Chip samt elektrischer Leitungen von einem Druckraum nach aussen druckdicht verschlossen führbar ist.

[0006] Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart. Mittels MEMS-Chip kann ein Messelement und daraus ein Drucksensor gebildet werden. Die Messmittel auf dem MEMS-Substrat sind von der Durchführung mechanisch entkoppelt.

[0007] Es ergibt sich ein kompakter Aufbau des MEMS-Chips und eines daraus gebildeten Messelementes, wobei als elektromechanische Messmittel eine Membran, eine Kavität abschliessend, verwendet wird, wobei die Auslenkung der Membran relativ zur Kavität zur Bestimmung des vorherrschenden Druckes verwendet wird. Durch Druckmessung mittels Membran, muss lediglich ein kleiner Teil des MEMS-Chips nach Bildung des Messelementes in einem messenden Bereich frei dem Druckraum und damit dem Medium ausgesetzt werden.

[0008] Medientrennung und Passivierung werden deutlich vereinfacht. Die Medientrennung beim eingebauten Messelement erfolgt im Bereich eines Halterings, der Teil des Messelementes ist.

2 [0009] Das erfindungsgemässe Messelement ist insbesondere für Hochtemperaturdrucksensoren im Automobilbau, in der Luftfahrt, für Gasturbinen, technische Prozesse in der Gas- und Ölförderung, Geothermie u. a. einsetzbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemässen MEMS-Chip in einer Aufsicht.

Fig. 2a zeigt einen Längsschnitt eines MEMS-Chips mit evakuierter Kavität geeignet zur Absolutdruckmessung, während

Fig. 2b einen Längsschnitt eines weiteren MEMS-Chips mit Kavität und Kanal geeignet zur Relativdruckmessung und

Fig. 2c einen Längsschnitt eines weiteren MEMS-Chips mit zwischen beiden Substraten angeordneten Leitungen zeigt.

Fig. 3a zeigt eine Aufsicht auf ein vollständiges Messelement mit MEMS-Chip und Haltering,

Fig. 3b zeigt eine Frontalansicht auf das Messelement gemäss Fig. 3a vom Kontaktierungsbereich, wie durch den Pfeil in Fig. 3a angedeutet und

Fig. 3c zeigt einen Teilschnitt durch einen Drucksensor, wobei ein Gehäuse das Messelement umschliesst und ein Verbindungskabel vom Kontaktierungsbereich aus dem Gehäuse heraus verlegt ist.

Fig. 4a zeigt einen Teilschnitt eines Messelementes mit einer Kavität und befestigtem Klemmkontakt, während

Fig. 4b einen Teilschnitt eines Messelementes mit einer Kavität, daran anschliessenden Kanal, sowie befestigtem

Klemmkontakt zeigt.

Beschreibung

[0011 ] Ein Teil des hier vorgestellte erfindungsgemässen Messelements zum Messen eines Drucks bei hohen Temperaturen, bevorzugt grösser als 200 °C, ist ein MEMS-Chip 3 wie in Fig. 1 dargestellt, welcher im Wesentlichen stabförmig ausgebildet ist. Der MEMS-Chip 3 umfasst im Bereich eines ersten Endes einen messenden Bereich 4 und im Bereich eines zweiten Endes einen Kontaktierungsbereich 6. Im messenden Bereich 4 auf einer längsseitigen Fläche des MEMS-Chips 3 sind elektromechanische Messmittel angeordnet. Diese elektromechanischen Messmittel umfassen hier eine Membran 7, welche mit mehreren Piezoresistiven Elementen 2 wirkverbunden ist, wobei eine Messbrücke 19 gebildet ist. Von der Messbrücke 19 sind mehrere Leitungen 8 vom messenden Bereich 4 bis zum Kontaktierungsbereich 6 entlang der längsseitigen Fläche des MEMS-Chips 3 verlaufend angeordnet. Die Leitungen 8 münden in eine Mehrzahl von Kontakten 16 im Kontaktierungsbereich 6. Im Benutzungszustand liegt der Kontaktierungsbereich 6 ausserhalb des Druckraumes, in welchem der Druck bestimmt werden soll.

[0012] In den Schnittansichten entlang der Längsachse A des MEMS-Chips 3 sind zwei Ausführungsformen des MEMSChips 3, 3X dargestellt. Beide MEMS-Chips 3, 3y sind jeweils vom einem MEMS-Substrat 30 und einem Trägersubstrat 31 gebildet. Der MEMS-Chip 3, 3<'>ist hier ein SOI-Si-Chip, der aus dem MEMS-Substrat 30, bevorzugt als SOI-Substrat

30 ausgeführt und dem Trägersubstrat 31 in Form eines Si-Trägersubstrats 31 gebildet ist. Es ist aber ebenfalls möglich das Trägersubstrat 31 aus Glas, insbesondere aus einem Borosilikatglas herzustellen.

[0013] Das MEMS-Substrat 30 und das Trägersubstrat 31 sind flächig entlang ihrer Längsachse A aufeinander gebondet angeordnet.

[0014] Beide MEMS-Chips 3, 3<'>weisen eine Kavität 5 im messenden Bereich 4 angeordnet auf, welche aus dem MEMSSubstrat 30 ausgespart bzw. aus diesem herausgeäzt ist. Die die Membran 7, sowie die piezoresistiven Elemente 2 sind durch Ätzen, Dotierung und/oder Beschichtung der Substrate 30, 31 mit bekannten Mitteln der Halbleitertechnik hergestellt.

[0015] Die Membran 7 bildet die Deckfläche der Kavität 5 und schliesst damit die Kavität druckdicht zur, dem Substrat

31 abgewandten Seite ab. Die Membran 7 ist in einer Ebene parallel zur Längsachse A des MEMS-Chips 3 verlaufend angeordnet. Die Bodenwand 50 der Kavität 5 ist von dem Trägersubstrat 31 gebildet. Da beide Substrate 30, 31 aufeinander druckdicht unlösbar verbunden sind, ist die Kavität 5 geschlossen. Die Bodenwand 50 ist im Vergleich zur Dicke der Membran 7 wesentlich grösser ausgestaltet. Die Wandstärke der Bodenwand 50 ist um ein Vielfaches grösser als die Dicke der Membran 7. Die Membran 7 mit der Messbrücke 19 ist bevorzugt als eine Dünnfilm-SOI-Membran mit Piezowiderständen 2 ausgebildet.

3 [0016] Um den Absolutdruck zu messen, ist in der abgeschlossenen Kavität 5 ein Vakuum gebildet. Bei der Produktion des MEMS-Chips 3 wird der Produktionsraum evakuiert hergestellt und es werden Mittel vorgesehen, damit das Vakuum langfristig gehalten wird.

[0017] In der Ausführung des MEMS-Chips 3<'>gemäss Fig. 2b ist die Kavität 5 nicht evakuiert, sondern mit einem Kanal 21 in Richtung Kontaktierungsbereich 6 verlaufend versehen, der durch eine Öffnung 210 zu Atmosphärenbedingungen geöffnet ist. Mit einem solchen Messelement 0 kann der Relativdruck bzw. Differenzdruck gemessen werden.

[0018] In der Ausführung des MEMS-Chips 3<">gemäss Fig. 2c sind die Leitungen 8 zwischen dem MEMS-Substrat 30 und dem daran gebondeten Trägersubstrat 31 geführt angeordnet. Die Leitungen 8 verbinden den messenden Bereich 4 mit dem Kontaktierungsbereich 6, wobei hier beispielhaft die Kontakte 16 aus dem Bereich zwischen den Substraten auf die Oberfläche des MEMS-Substrat 30 zur Kontaktierung geführt.

[0019] Die Membran 7 ist aus dem MEMS-Substrat 30 ausgeformt, wodurch ein Sackloch im MEMS-Substrat 30 gebildet ist. Das Sackloch im MEMS-Substrat 30 ist auf der, vom Trägersubstrat 31 abgewandten Seite der Membran 7 vorgesehen und weist vom Trägersubstrat 31 weg. Im Trägersubstrat 31 ist eine Kavität 5<'>eingeformt, welche von der Membran 7 abgeschlossen wird. Da MEMS-Substrat 30 und Trägersubstrat 31 aufeinander gebondet sind, kann auch die Kavität 5<'>ein Vakuum halten. Wird der in Fig. 2c gezeigte MEMS-chip 3<">teilweise in einen Druckraum eingeführt kann eine Auslenkung der Membran 7 in die Kavität 5<'>ragend, je nach herrschendem Druck erfolgen. Die auf der dem Trägersubstrat 31 zugewandten Seite des MEMS-Substrates 30 sind wiederum die piezoresistiven Elemente 2, sowie die hier nicht dargestellte Messbrücke 19 angeordnet. Die der Membran 7 gegenüberliegende Bodenwand 50 der Kavität 5<'>ist hier im Trägersubstrat 31 ausgebildet und ist um ein vielfaches dicker als die Membran 7 ausgeführt.

[0020] In Figur 3a ist das Messelement 0, umfassend den MEMS-Chip 3 mit dem messenden Bereich 4 und dem Kontaktierungsbereich 6 dargestellt, welcher hier in einem Haltering 1 , zwischen beiden Bereichen 4,6 platziert, angeordnet unlösbar druckdicht befestigt ist. Der Haltering 1 ist geschlossen ausgeführt und bildet dabei einen Teil der Durchführung des Messelementes 0. Der MEMS-Chip 3 ist in Richtung seiner Längsachse A durch den Haltering 1 geführt, sodass ein Teil des MEMS-Chips 3 innerhalb des Halteringes 1 liegt bzw. von diesem umhüllt ist. Im Beispiel hier ragen der messende Bereich 4 und der Kontaktierungsbereich 6 in unterschiedlichen Richtungen aus dem Haltering 1 heraus und der Haltering 1 umschliesst etwa den zentralen Bereich des MEMS-Chips 3.

[0021 ] Mit Blick auf den Kontaktierungsbereich 6 mit den Kontakten 16 des Messelements 0 in Figur 3b erkennt man den Haltering 1 , welcher den MEMS-Chip 3 vollständig umgibt.

[0022] Ein vollständiger Drucksensor S ist in Figur 3c dargestellt. Dieser wird von einem Messelement 0, umfassend den MEMS-Chip 3, den Haltering 1 , ein umschliessendes Gehäuse 9 und eine Verkabelung 10 gebildet. Das Gehäuse 9 erstreckt sich parallel zur Längsachse A des MEMS-Chips 3 und dient zum Schutz des Messelementes 0. Zwischen dem messenden Bereich 4 und dem Kontaktierungsbereich 6 ist der Haltering 1 , den MEMS-Chip 3 teilweise umschliessend, gehalten und das Messelement 0 mit dem Gehäuse 9 unlösbar verbunden, insbesondere ist das Messelement 0 am Haltering 1 mit dem Gehäuse 9 druckdicht verschweisst. Der Haltering 1 und das Gehäuse 9 sind dazu bevorzugt aus Stahl ausgeführt. Das Gehäuse 9 weist in einer Stirnseite mindestens eine Gehäuseöffnung 90 auf, durch welche das Messelement 0 im messenden Bereich 4 mit dem Medium in einem Druckraum in Kontakt bringbar ist. Bevorzugt wird eine Mehrzahl von Gehäuseöffnungen 90 aus der Stirnseitenwand des Gehäuses 9 ausgespart oder die Stirnseitenwand ist als Gitter ausgebildet.

[0023] Da nur der messende Bereich 4 des MEMS-Chips 3 dem Medium im Druckraum ausgesetzt wird, wird nur der entsprechende Abschnitt des Drucksensors S mit dem Druckraum in Verbindung gebracht. Zur Befestigung des Drucksensors S ist hier ein Aussengewinde 91 vorgesehen, mit welchem der Drucksensor S in eine Wand des Druckraumes einschraubbar ist. Damit der gesamte Drucksensor S dichtend einschraubbar ist, sind Dichtungsmittel vorgesehen, bevorzugt in Form einer Frontdichtung oder auch hinter dem Gewinde in Form einer Schulterdichtung ausgestaltet.

[0024] Eine Verkabelung 10 ist mit den Kontakten 16 am Kontaktierungsbereich 6 des Messelementes O verkabelt, wobei die Verkabelung 10 einen Teil des Drucksensors S bildet. Durch die Ausbildung des Drucksensors S mit Verkabelung 10, kann der Drucksensor S direkt beispielsweise in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors verbaut und eine Ausleseelektronik einfach ausserhalb des Druckraumes und vom messenden Bereich 4 ausreichend störungsfrei beabstandet angeschlossen werden. Je nach Kundenwunsch kann ein Drucksensor S mit verkapseltem Messelement 0 und passenden Verbindungsmitteln am Gehäuse 9, beispielsweise in Form eines Aussengewindes 91 , vollständig verkabelt und anschlussbereit hergestellt werden.

[0025] Zur Veranschaulichung der druckdichten Befestigung des Halteringes 1 am MEMS-Chip 3 dienen die Fig. 4a und 4b, welche jeweils einen Längsschnitt durch ein Messelement 0 mit MEMS-Chip 3 und eingeformter Kavität 5, sowie einen Längsschnitt durch ein Messelement 0 mit MEMS-Chip 3<'>eingeformter Kavität 5 und angrenzenden Kanal 21 zeigt. Ansonsten sind die Messelemente 0, 0<'>baugleich ausgeführt.

[0026] Wie in Fig. 4a erkennbar, ist der MEMS-Chip 3 mit einer Vergussmasse 20 in einem Haltering 1 eingegossen und damit mechanisch stabil gelagert. Die Vergussmasse 20 umgibt den MEMS-Chip 3 entlang des äusseren Umfangs in einem Durchführungsbereich 1 1 vollständig und dichtend. Die Vergussmasse 20 verbindet den MEMS-Chip 3 im Durchführungsbereich 1 1 unlösbar mit dem Haltering 1 , wobei Haltering 1 und Vergussmasse 20 eine teilweise Verkapselung

4 des MEMS-Chips 3 bilden. Der Durchführungsbereich 11 und damit die Vergussmasse 20 sind zwischen messendem Bereich 4 und Kontaktierungsbereich 6 entlang der Längsachse A angeordnet. Der Haltering 1 und die Vergussmasse 20 bilden damit eine druckdichte Durchführung, wobei anstelle befestigter nachteiliger Bondingdrähte hier der gesamte Körper des MEMS-Chips 3 durch den Haltering 1 durchgeführt und mit der Vergussmasse 20 befestigt wird.

[0027] Der Haltering 1 dient hier zur einfachen Handhabung des Messelementes 0, da das Messelement 0 einfach durch Kontakt mit dem Haltering 1 in einen Druckraum D einführbar ist, ohne das auf den messenden Bereich 4 eingewirkt wird. Das Messelement 0 kann direkt druckdicht an der Wand des Druckraumes D befestigt werden. Wenn ein Gehäuse 9, wie in Fig. 3c gezeigt am Haltering 1 befestigt wird, ist eine indirekte Befestigung des Halteringes 1 an der Wand des Druckraumes D über das Gehäuse 9 möglich.

[0028] Der Haltering 1 ist hier mit einer Verdickung 100 ausgeführt, welche als Anschlag bei der Befestigung des Gehäuses 9 am Haltering 1 oder der Fixierung des Halteringes 1 direkt an der Wand des Druckraumes D, dient. Das Messelement 0 kann einfach und gefahrlos am Haltering 1 gegriffen und in eine Bohrung in der Wand des Druckraumes D eingebracht und dort am Haltering 0 befestigt werden, wie in Fig. 4a gezeigt.

[0029] Der Haltering 1 ist hier nur unwesentlich länger in Richtung Längsachse A verlängert ausgestaltet, als der Durchführungsbereich 1 1 in dem die Vergussmasse 20 liegt. In weiteren Ausführungsformen kann der Haltering 1 über den Durchführungsbereich 1 1 deutlich in Richtung des messenden Bereiches 4 verlängert überragen, bzw. den gesamten messenden Bereich 4 überragen, womit der MEMS-Chip 3 zusätzlich geschützt wird.

[0030] Als Vergussmasse 20 kann eine elektrisch isolierende oder leitfähige Masse mit möglichst kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten, insbesondere Glas, Keramik oder ein Kleber eingesetzt werden.

[0031 ] Hier gezeigt ist die Anordnung der Leitungen 8 zwischen dem messenden Bereich 4 und den Kontakten 16 des Kontaktierungs-bereiches 6 auf der Oberfläche der längsseitigen Fläche des MEMS-Chips 3. Es ist aber ebenfalls möglich die Leitungen 8 im Inneren des MEMS-Chips 3 geführt anzuordnen, wodurch ein noch robusteres Messelement 0 erreichbar ist.

[0032] Um den MEMS-Chip 3 im messenden Bereich 4, welcher dem Medium des Druckraumes D bei hohen Temperaturen und hohen Drücken (phoch) ausgesetzt ist, zu schützen ist hier eine Passivierungsschicht 32, insbesondere eine Atomic Layer Deposition-Passivierungsschicht 32 angeordnet. Diese ALD-Passivierungsschicht 32 sollte auf empfindliche Oberflächen aufgebracht werden, die dem je nach Verwendungszweck aggressiven Medium ausgesetzt sind.

[0033] Da keine empfindlichen Bondingdrähte am Kontaktierungsbereich 6 angeordnet sind, kann hier ein Klemmkontakt 17 einfach und problemlos an der Atmosphärenseite des MEMS-Chips 3 mit den Kontakten 16 kontaktiert werden. Diese Klemmkontakte 17 können einfach zu einer Verkabelung führen, die hier nicht dargestellt ist.

[0034] Während das Messelement 0 gemäss Fig. 4a zur Messung des Absolutdruckes benutzt werden kann, kann das bis auf den Kanal 21 baugleich Messelement 0<'>gemäss Fig. 4b zur Differenzdruckmessung genutzt werden.

[0035] Um ein erfindungsgemässes Messelement 0 herzustellen, wird zuerst ein MEMS-Chip 3, umfassend einen Halbleitermaterialverbund aus einem MEMS-Substrat 30 und einem Trägersubstrat 31 hergestellt. Die Kontakte 16, die Leitungen 8, die Messbrücke 19, die piezoresistiven Elemente 2, sowie die Membran 7 sind bei der Substratherstellung bereits anzuordnen und die Halbleitersubstrate 30, 31 aufeinander zu fixieren. Anschliessend wird der MEMS-Chip 3 durch den Haltering 1 in Richtung der Längsachse A geführt und der Haltering 1 mittels Vergussmasse 20 an der Oberfläche des MEMS-Chips 3 vollumfänglich druckdicht fixiert, wobei der Spalt zwischen Oberfläche des MEMS-Chips 3 und Innenfläche des Halteringes 1 komplett ausgefüllt ist, wodurch eine druckdichte Befestigung resultiert. Die Vergussmasse 20 wird dabei im Durchführungsbereich 1 1 zwischen messendem Bereich 4 und Kontaktierungsbereich 6 angeordnet.

[0036] In den hier beschriebenen Fig. 1 , 3a und 3c sind die äusseren Kantenflächen des MEMS-Chips 3 gebrochen ausgeführt dargestellt. Eine derartige optionale Ausgestaltung der äusseren Kantenflächen des MEMS-Chips 3 ist eine Möglichkeit die Randspannungen, speziell auch im Bereich des Halteringes 1 zu reduzieren.

[0037] Es ist optional möglich eine Verstärkungselektronik am MEMS-Chip 3 an einer Position im Verlauf des MEMS-Chips 3 entlang der Längsrichtung A anzuordnen. Eine Anordnung in der Nähe des oder im messenden Bereich 4 wäre für optimale Signalstärke, Rausch- und Übersprechfreiheit am besten, ist aber nur mit entsprechenden bei hohen Temperaturen und Drücken einsetzbaren Elektronikbauteilen erreichbar. Die Anordnung der Verstärkungselektronik im Kontaktierungsbereich 6 und damit ausserhalb des Druckraumes ist die kostengünstigere Alternative.

[0038] Eine solche Verstärkungselektronik kann unterschiedlich ausgestaltet sein und umfasst im Wesentlichen einen Verstärker, der möglichst nahe am Ort der piezoresistiven Elemente 2 befindlich eine Verstärkung der aufgenommenen Signale durchführt. Neben der Signalverstärkung ist eine Rauschunterdrückung oder weitere Aufbereitung der gemessenen Signale, sowie durch einen zusätzlichen Analog-Digital Wandler eine Erzeugung digitaler Signale möglich.

Bezugszeichenliste

[0039]

S Druckmesssensor

5

Claims

0 Messelement 1 Haltering 100 Verdickung 2 Piezoresistive Elemente 3 MEMS-Chip 30 MEMS-Substrat/SOI-Substrat 31 Trägersubstrat/Si-Trägersubstrat 32 Passivierungsschicht 4 messender Bereich 5 Kavität 50 Bodenwand 6 Kontaktierungsbereich 7 Membran 8 Leitung 9 Gehäuse 90 Gehäuseöffnung 91 Aussengewinde 10 Verkabelung/Sensorkabel/äussere elektrische Zuleitung 11 Durchführungsbereich 16 Kontakt 17 Klemmkontakt 19 Messbrücke 20 Vergussmasse 21 Kanal 201 Öffnung A Längsachse D Druckraum Patentansprüche 1. Micro-Electro-Mechanical System Chip (MEMS-Chip) zum Messen eines Druckes in einem Druckraum (D), umfassend ein MEMS-Substrat (30) und ein Trägersubstrat (31), die flächig entlang ihrer Längsachse (A) aufeinander gebondet sind, wobei der MEMS-Chip (3, 3A) einen messenden Bereich (4) mit elektromechanischen Messmitteln und einen über Leitungen (8) mit dem messenden Bereich (4) verbundenen Kontaktierungsbereich (6) mit Kontakten (16) aufweist, wobei der messende Bereich (4) im Betriebszustand dem Druckraum (D) aussetzbar ist und Messsignale von den Kontakten (16) abnehmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-Chip (3, 3<'>, 3<">) stabförmig ausgestaltet ist, wobei der messende Bereich (4) und der Kontaktierungsbereich (6) in Richtung Längsachse (A) durch einen Durchführungsbereich (11) voneinander beabstandet sind, wobei der MEMS-Chip (3, 3<'>, 3<">) geeignet ist zur druckdichten Anordnung in einer Durchführung, welche durch ein vollumfängliches Umhüllen der Oberfläche des Durchführungsbereichs (11) normal zur Längsachse (A) ausbildbar ist. 6
2. Messelement umfassend einen MEMS-Chip (3, 3<'>, 3<">) nach Anspruch 1 , wobei die druckdichte Durchführung durch eine den Durchführungsbereich (1 1) des MEMS-Chips (3, 3<'>, 3<">) umgebende Vergussmasse (20) und einen, die Vergussmasse (20) umschliessenden Haltering (1 ) gebildet ist.
3. Messelement (0) nach Anspruch 2, wobei die elektromechanischen Messmittel aus piezoresistiven Elementen (2) eine Messbrücke (19) bilden und auf einer Membran (7) angeordnet sind, wobei die Membran (7) eine Kavität (5, 5<'>) im MEMS-Substrat (30) oder Trägersubstrat (31) ab-schliesst und eine, der Membran (7) beabstandet gegenüberliegende Bodenwand (50) der Kavität (5, 5<'>) von dem Trägersubstrat (31 ) gebildet ist.
4. Messelement (0) nach Anspruch 3, wobei die Membran (7) im Bereich einer Längsfläche aus dem MEMS-Substrat (30) ein Sackloch im MEMS-Substrat (30) bildend ausgeformt ist und die Seite des MEMS-Substrates (30) mit der Membran (7) dem Trägersubstrat (31 ) direkt zugewandt auf das Trägersubstrat (31 ) gebondet ist.
5. Messelement (0) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Dicke der Bodenwand (50) um ein Vielfaches grösser ist, als die Dicke der Membran (7).
6. Messelement (0) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Membran (7) bevorzugt als eine Dünnfilm-SOI-Membran (7) ausgebildet ist.
7. Messelement (0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, wobei das MEMS-Substrat (30) ein SOI-Substrat (30) und das Trägersubstrat (31 ) ein Si-Trägersubstrat ist.
8. Messelement (0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, wobei die Leitungen (8) zwischen dem messenden Bereich (4) und den Kontakten (16) auf der Oberfläche des MEMS-Chips (3) oder zwischen MEMS-Substrat (30) und Trägersubstrat (31 ) geführt sind.
9. Messelement (0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8, wobei die Vergussmasse (20) Glas, Lot oder ein Kleber ist.
10. Messelement (0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 9, wobei die Kavität (5) für Differenzdruckmessungen mit einem Kanal (21 ) verbunden ist, der sich in den Kontaktierungsbereich (6) erstreckt und dort eine Öffnung (201 ) aufweist.
1 1. Messelement (0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 10, wobei der MEMS-Chip (3, 3<'>) im messenden Bereich (4) mit einer Passivierungsschicht (32), bevorzugt mit einer Atomic Layer Deposition-Passivierungsschicht (32) umgeben ist.
12. Messelement (0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 1 1 , wobei der messende Bereich (4) und der Kontaktierungsbereich (6) zu verschiedenen Seiten aus dem Haltering (1 ) ragen.
13. Messelement (0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 12, wobei die Kontakte (16) mit einem Klemmkontakt (17) klemmend einfach verbindbar sind.
14. Messelement (0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 13, wobei der Haltering (1 ) über den mit Vergussmasse (20) versehenen Durchführungsbereich (1 1) entlang der Längsachse (A) in Richtung messender Bereich (4) überragt.
15. Druckmesssensor (S) umfassend ein Messelement (0) gemäss einem der Ansprüche 2 bis 14, wobei ein Gehäuse (9) unlösbar am Haltering (1 ) des Messelementes (0) druckdicht befestigt ist.
16. Druckmesssensor (S) gemäss Anspruch 15, wobei das Gehäuse (9) am Haltering (1 ) druckdicht angeschweisst ist.
17. Druckmesssensor (S) gemäss einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei ein Aussengewinde (91 ) am Gehäuse (9) zur druckdichten form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung mit einer Wand eines Druckraumes (D) angeordnet ist.
18. Druckmesssensor (S) gemäss einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei sich das Gehäuse (9) über den messenden Bereich (4) erstreckt und die Stirnseitenwand des Gehäuses (9) mindestens eine Gehäuseöffnung (90) aufweist o-der die Stirnseitenwand als Gitter ausgestaltet ist.
19. Verfahren zur Herstellung eines Messelementes gemäss einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der stabförmige MEMS-Chip (3, 3<'>, 3<">) durch den Haltering (1) in Richtung der Längsachse (A) des MEMS-Chips (3, 3<'>, 3<">) geführt wird und anschliessend ein Spalt zwischen dem Haltering (1 ) und dem MEMS-Chip (3, 3<'>, 3<">) im Durchführungsbereich (1 1 ) mit einer Vergussmasse (20) druckdicht ausgefüllt wird. 7