CN109416291A - 压力差传感器 - Google Patents

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CN109416291A CN201780042028.3A CN201780042028A CN109416291A CN 109416291 A CN109416291 A CN 109416291A CN 201780042028 A CN201780042028 A CN 201780042028A CN 109416291 A CN109416291 A CN 109416291A
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蒂莫·科博
本杰明·莱姆克
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Ndele J And Hauser European Two Cos
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Abstract

本发明涉及一种用于确定压力测量信号的压力差传感器，包括以下项目：基本上具有半导体材料的压力差测量单元，其能够被施加第一压力和第二压力，并且基于第一压力和第二压力之间的差使用电换能元件输出压力测量信号；优选地具有陶瓷或半导体材料的第一加强元件，利用第一接合层与压力差测量单元接合并具有第一管道，能够经由第一管道将第一压力施加到压力差测量单元；并且具有陶瓷或半导体材料的第二加强元件，利用第二接合层与压力差测量单元接合并具有第二管道，能够经由第二管道将第二压力施加到压力差测量单元；其中，第一接合层和/或第二接合层包括导电材料，优选金属材料，并且第一接合层和/或第二接合层除了用于压差测量单元分别与第一加强元件和第二加强元件的机械连接之外还用于实现电功能。

Description

压力差传感器
技术领域
本发明涉及一种用于确定压力测量信号的压力差传感器。
背景技术
压力差传感器被应用在工业测量技术中以便测量压力。它们包括压力差测量单元(经常也称为半导体传感器或传感器芯片)，其能够通过对未划分的晶片应用从半导体技术获知的工艺来生产。
此类压力差测量单元有规则地包括两个平台，在这两个平台之间布置有测量膜。在这种情况下，在两个平台中的每一个中在每种情况下设置了包封在测量膜下方的压力腔室。在测量操作中，测量膜的一侧经由两个平台之一中的通道被供应有第一压力，并且测量膜的另一侧经由第二平台中的通道被供应有第二压力。
通过供应有第一压力和第二压力，测量膜经历与压力差相关偏转，这能够使用各种测量系统来确定，以便得出压力测量信号。原则上，电阻、电感和电容方法可用于感测偏转。在电容压力差测量单元的情况下，这些有规则地具有导电测量膜，所述导电测量膜与集成在一个平台中的电极一起形成具有依赖于作用在测量膜上的压力的电容的电容器，此电容能够利用连接到电容器的测量系统被确定。
为了增加此类压力差测量单元的爆裂强度，它们被照例布置在两个机械上稳定的支撑件或加强体之间，支撑件或加强体中的每个被配备有压力传递线，该压力传递线的一端经由在平台中与支撑体邻接的流动通道与平台中包封的压力腔室连接，并且该压力传递线的另一端经由与此连接的压力供应被供应有两个压力中的一个。
为了在压力差测量单元与加强体之间实现尽可能稳定的机械连接，加强体经由金属接合方法与压力测量单元连接。用作金属接合方法的可以是例如从现有技术获知的方法。在这些接合方法的情况下不利的是在于需要导电接合层，这进而在评估压力差测量单元的压力测量信号的情况下导致不利的电效应。
发明内容
本发明的目的是为了提供压力差测量单元，其中，由于导电接合层而出现的缺点被最小化或者减少。
本发明的目的通过用于确定压力测量信号的压力差传感器来实现，所述压力差传感器包括：
基本上为半导体材料优选硅的压力差测量单元，其中，压力差测量单元可供应有第一压力和第二压力，并且在电换能器元件的帮助下，根据第一压力与第二压力之间的差输出压力测量信号；
优选地为陶瓷或半导体材料的第一加强元件，其中，第一加强元件利用第一接合层与压力差测量单元接合并具有第一管道，经由第一管道第一压力可供应给压力差测量单元；
优选地为陶瓷或半导体材料的第二加强元件，其中，第二加强元件利用第二接合层与压力差测量单元接合并具有第二管道，经由第二管道第二压力可供应给压力差测量单元；
其中，第一接合层和/或第二接合层包括导电材料优选金属材料，并且第一接合层和/或第二接合层除了用于压力差测量单元与第一加强元件和第二加强元件的机械连接之外还用于实现电功能。
根据本发明，因此，接合层或这些层的实际上不希望有的因此不利的电性质被利用以给出压力差传感器另一电功能。在此类电功能当中的特别是期望的功能，即给出压力差传感器有利用途的功能。例如，此类电功能能够是压力差传感器的两个组件的电连接。然而，另外将接合层用于压力差传感器的电屏蔽的使用是这种期望的电功能。
本发明的有利的进一步发展提供了，为了实现电功能第一接合层和/或第二接合层与电换能器元件的至少一个组件连接。
尤其地，进一步发展提供了压力差测量单元具有第一平台和第二平台，该第一平台和第二平台中的每一个均包括至少第一导电层以及第一绝缘层和第二绝缘层的层结构，
其中，第一平台和第二平台中的每一个均在周边边缘区域中经由第一绝缘层与测量膜紧密地连接，
其中，第一绝缘层在每种情况下被结构化为使得在每种情况下，在测量膜与第一导电层之间形成压力腔室，
其中，第一平台和第二平台中的每一个均分别经由第一接合部和第二接合部与第一加强元件和第二加强元件接合，所述第一接合部和第二接合部中的每一个均被分别施加在第一平台和第二平台的第二绝缘层(108)上，
其中，第一平台和第二平台中的每一个均具有通道，使得第一压力和第二压力分别可供应给其压力腔室，以便使得测量膜能够实现与压力相关的偏转，
其中，测量膜的与压力相关的偏转经由至少一个电容被记录，所述至少一个电容形成在作为第一电极的测量膜与第一导电层的作为第二电极的至少一个子区域之间，
其中，作为电换能器元件的组件的第二电极至少部分地通过第一接合部或第二接合部在每种情况下与电极端子电接触，使得第一接合部或第二接合部至少部分地用作电导体或导电连接。
附加地，进一步发展能够提供电极端子被布置在第一平台和第二平台的基本上垂直于测量膜延伸的外表面上，并且/或者电极端子是以在外表面上施加的导电电极端子层的形式被施加。
可替选的进一步发展能够提供电极端子是通过第一加强元件或第二加强元件的基本上垂直于测量膜延伸的外表面来实现的，并且/或者第一加强元件或第二加强元件包括半导体材料并且第一加强元件或第二加强元件的外表面形成电极端子。
有利的进一步发展进而能够提供层结构此外在每种情况下具有至少一个另外的绝缘层，该至少一个另外的绝缘层被优选地布置在第一导电层上，并且具有另外的导电层，该另外的导电层被优选地布置在第二绝缘层与另一绝缘层之间。
另一有利的进一步发展能够提供第一导电层被结构化为使得第二电极通过凹槽与第一电层的外边缘分离开，使得第二电极与外边缘电隔离。
此外，另一有利的进一步发展能够提供存在保护电路以用于设定电位并且至少将这种电位施加到另外的导电层和/或外边缘，其中，保护电路被实施为使得它分接第二电极的电极电位并且电位被设定为使得它基本上追踪电极电位。尤其地，进一步发展提供第一加强元件和第二加强元件包括半导体材料，并且保护电路此外被实施来将电位施加到第一加强元件和第二加强元件的导电子区域。
在附加有利的进一步发展的情况下，能够提供的是保护电路此外被实施为使得它不对第一接合层和/或第二接合层施加电位。
可替选的进一步发展提供至少一个组件是用于设定屏蔽电位并且至少将这种电位施加到第一接合层和/或第二接合层的保护电路，并且该保护电路被实施为使得它分接作为电换能器元件的组件的第二电极的电极电位并且屏蔽电位被设定为使得它基本上追踪电极电位，使得第一接合层和/或第二接合层用作用于压力差测量单元的电屏蔽层。
附图说明
现在将基于附图更详细地说明本发明，附图中的图如下示出：
图1示出作为压力差传感器的部分的平台的示意性视图，以便图示截面A-A'的位置，
图2示出根据图1的截面A-A'的压力差传感器的实施例的第一示例的截面视图，
图3示出根据图1的截面A-A'的压力差传感器的实施例的第二示例的截面视图，
图4示出根据图1的截面A-A'的压力差传感器的实施例的第三示例的截面视图。
具体实施方式
图1示出作为压力差传感器的部分的平台101的示意性视图。图1尤其用于指示附图中的其它图的定位方向。图2至图4的截面视图示出沿着图1的截面A-A'的本发明的压力差传感器的不同形式的实施例的层结构。截面基本上在中心穿过图1中所图示的平台。
原则上，本发明的压力差传感器包括基本上由半导体材料实施的压力差测量单元100。通常用作半导体材料的是硅，所述硅通过标准化工艺被适当地结构或者加工，所述标准化工艺是例如从半导体行业获知的。压力差测量单元100经由或者通过由金属材料组成的第一接合层116与第一加强元件118接合，并且经由或者通过同样地由金属材料组成的第二接合层117与第二加强元件119接合，以便避免在太大压力的情况下爆裂压力差测量单元100。
第一加强元件118和第二加强元件119例如能够由陶瓷组成。可替选地，第一加强元件118和第二加强元件119然而还能够由半导体材料制成。为了将第一加强元件118和第二加强元件119与压力差测量单元100接合，能够考虑所有接合方法，所述所有接合方法使得半导体材料(诸如硅)能够与陶瓷机械地连接，或者在给定情况下，也经由金属接合部与另一半导体材料连接。
压力差测量单元100包括具有在第一平台101与第二平台102之间布置的压敏的导电测量膜103的电气电容换能器元件，其中，测量膜103通过第一绝缘层104与第一平台101和第二平台102连接。为了使得测量膜103能够实现与压力相关的偏转，第一绝缘层104被结构化为使得在测量膜103与第一平台101和第二平台102的第一导电层105之间产生压力腔室113。以这种方式，测量膜103的第一侧能够经由第一平台101中的通道109被供应有第一压力p1并且测量膜103的第二侧经由第二平台102中的通道109被供应有第二压力p2。
此外，两个平台101、102在每种情况下包括至少一个导电层105优选地多个导电层105、107和至少两个绝缘层104、106的层结构。该层结构是优选地通过导电层105、107和绝缘层104、106交替地实施。通常，半导体材料(诸如例如硅)用作用于平台101、102的基本材料。优选地，在晶片复合材料中大量生产平台101、102，其中，为了结构化和/或加工插入了从半导体技术获知的晶片制造工艺。以这种方式，能够从基本材料制造或者制备氧化硅层，例如，作为绝缘层或电绝缘层。用作导电层的通常是基本上由高度掺杂的半导体材料组成的层。
在图2中所图示的实施例的示例中，每个平台101、102的层结构包括：第一外绝缘层104；第一导电层105，其被布置在第一外绝缘层104上，在第一导电层105上布置有另一内绝缘层110，在所述另一内绝缘层110上又布置有另一内导电层107；以及第二外绝缘层108，其被布置在附加内导电层107上。原则上，实施例的示例不依赖于层数。重要的仅是第一平台101和第二平台102具有在外部电绝缘的外第一绝缘层104和外第二绝缘层108。关于图1和图2中所图示的层结构，应当注意的是，这应该仅原则上显示构造而不按比例绘制。
附加地，两个平台101、102在每种情况下包括与测量膜103隔开的第二电极110，所述第二电极110与作为第一电极111的测量膜103一起在每种情况下形成视情况而定具有电容C1或电容C2的电容器。电容C1和电容C2根据测量膜103的依赖于作用在测量膜103上的压力的偏转而改变。第二电极110至少由面向膜的第一导电层105的子区域形成。为此，第一导电层105被结构化为使得第二电极110通过凹槽112与外边缘114分离开，使得第二电极110与第一导电层105的外边缘114电绝缘。
附加地，压力差传感器针对每个第二电极110在每种情况下包括电极端子115，所述电极端子115在每种情况下经由导电连接或电导体116与第二电极110连接。导电连接116优选地由相互互连的子区域或导体子区域具体实施。
根据本发明，电极端子115在这种情况下作为导电连接的至少一个子区域经由第一金属接合层116和第二金属接合层117与第二电极110电连接。这意味着第一接合层116和/或第二接合层117不仅用于压力差测量单元100与第一加强元件118和第二加强元件119的机械连接，而且还以导电连接的形式履行电功能。除了第一接合层116和/或第二接合层117之外，其它导电子区域(其被例如具体实施为涂覆金属化)能够用作导电连接的其它部分。
附加地，压力差传感器100包括膜端子120。因为测量膜103可从传感器的所有外侧接入，所以基本上能够通过现有技术的各种已知方法来实现此端子。优选地，膜端子120也被布置在垂直于测量膜103延伸的压力差传感器100的外表面尤其是测量膜103的外表面上。
然后经由电极端子115和膜端子120，能够测量两个电容器的电容C1和C2，以便确定压力测量信号，然后测量压力差。基本上，能够基于两个测量到的电容C1、C2中的任何一个确定压力差。优选地，差压力确定然而不是基于个别测量的电容而是替代地基于两个电容C1、C2的差分变化f而发生。差分变化f能够根据f＝k(1/C1-1/C2)被例如确定为常数k与电容C1的倒数和电容C2的倒数之差的乘积，并且对要测量的压力差有近似线性的依赖性。
在图2中所图示的本发明的实施例的第一示例中，电极端子115被布置在第一平台101和第二平台102的基本上垂直于测量膜103延伸的外表面上。为此设置在第一平台101和第二平台102的外表面上的是导电电极端子115，所述导电电极端子115是例如以金属化的形式生产的。优选地，电极端子115被实施在附加导电层107的外表面上，其中，电极绝缘层121(例如，氧化硅层)被设置在电极端子115与附加导电层107之间。
此外，根据本发明的实施例的第一示例的压力差传感器包括所谓的用于设定电位并且将该电位施加到任何导电层的保护电路。此类保护电路是从现有技术获知的并且例如在国际公开号为WO 2016/066306A1(US2017315008)的国际申请中进行了描述，其内容通过引用并入在这里。尤其地，参考针对WO 2016/066306 A1的图5的描述。
在实施例的第一示例中，保护电路例如经由相对应的电极端子115分接第二电极的电极电位，并且控制电位使得它基本上等于电极电位。保护电路被实施为使得电位被至少施加到另一导电层107。优选地，电位被施加到与第二电极110电绝缘的第一导电层105的外边缘114，并且/或者施加到除第二电极110之外的每个附加导电层。以这种方式，能够使因为在每种情况下不仅在测量膜103的与压力相关变形区域和与其相对位于的电极之间而且在电极与其环境之间并且在测量膜与其环境之间存在电容耦合而出现的寄生电容效应最小化。此外，在图2中的实施例的第一示例的情况下，在第一加强元件和/或第二加强元件包括半导体材料的情况下，电位也被施加到第一加强元件118和/或第二加强元件119的所有导电区域。
图3中的实施例的第二示例与图2中所图示的实施例不同的原因在于电极端子115不在第一平台101和第二平台102的外表面上，而是替代地在第一加强元件118和第二加强元件119的外表面上。此外，加强元件118、119优选地是半导体材料(诸如硅)，并且电极端子115是第一加强元件118和第二加强元件119的外表面。这提供在电极端子115与外表面之间不再需要更广泛的金属化等的优点。优选地，实施例的第二示例能够提供在加强体118、119上在压力差测量单元100远程端接时例如，以氧化硅层和/或导电层的形式，例如，以高度掺杂的半导体层的形式设置绝缘层。在设置另一导电层的情况下，这优选地经由保护电路被供应有电位，使得另外其电位追踪电极电位。
图4表示沿着图1的截面A-A'的压力差传感器的实施例的第三示例的截面视图。实施例的第三示例与本发明实施例的第一示例和第二示例基本上不同的原因在于第一接合层116和/或第二接合层117用作电屏蔽层，而不用作导电连接的部分。
为此，电路连接包括用于设定屏蔽电位并且至少将这种屏蔽电位施加到第一接合层和/或第二接合层的保护电路，使得第一接合层和/或第二接合层用作用于压力差测量单元100的电屏蔽层。保护电路被实施为使得它将第二电极的电极电位分接为电换能器元件的组件并且屏蔽电位被设定为使得它跟随电极电位，即在两个电位之间存在线性依赖性。关于这种保护电路的技术实施例，注意国际公开号为WO 2016/066306A1(US2017315008)的国际申请，其内容通过引用并入在这里。特别地，WO 2016/066306 A1的图5的内容以及其中的图的相关描述同样地通过引用并入。
附图标记的列表
100 压力差测量单元
101 第一平台
102 第二平台
103 测量膜
104 第一绝缘层
105 第一导电层
106 另一绝缘层
107 另一导电层
108 第二绝缘层
109 通道或管道
110 第二电极
111 第一电极
112 凹槽
113 压力腔室
114 第一导电层的边缘区域
115 电极端子
116 第一接合层
117 第二接合层
118 第一加强元件
119 第二加强元件
120 膜端子
121 电极绝缘层

Claims (13)

1.用于确定压力测量信号的压力差传感器，所述压力差传感器包括：
压力差测量单元(100)，所述压力差测量单元(100)基本上为半导体材料，优选硅，其中，所述压力差测量单元能够供应有第一压力和第二压力，并且在电换能器元件(103、104、105、106、107、108、110)帮助的情况下，根据所述第一压力与所述第二压力之间的差输出所述压力测量信号；
第一加强元件(118)，所述第一加强元件(118)优选地为陶瓷或半导体材料，其中，所述第一加强元件利用第一接合层(116)与所述压力差测量单元(100)接合并具有第一管道(109)，经由所述第一管道(109)所述第一压力能够供应给所述压力差测量单元(100)；
第二加强元件(119)，所述第二加强元件(119)优选地为陶瓷或半导体材料，其中，所述第二加强元件利用第二接合层(117)与所述压力差测量单元(100)接合并具有第二管道，经由所述第二管道所述第二压力能够供应给所述压力差测量单元(100)；
其中，所述第一接合层(116)和/或所述第二接合层(117)包括导电材料，优选金属材料，并且所述第一接合层(116)和/或所述第二接合层(117)除了用于所述压力差测量单元(100)与所述第一加强元件(118)和所述第二加强元件(119)的机械连接之外还用于实现电功能。
2.根据权利要求1所述的压力差传感器，其中为了实现所述电功能，所述第一接合层(116)和/或所述第二接合层(117)与所述电换能器元件(103、104、105、106、107、108、110)的至少一个组件连接。
3.根据权利要求2所述的压力差传感器，其中，所述压力差测量单元(100)具有第一平台(101)和第二平台(102)，其中的每一个均包括至少第一导电层(105)以及第一绝缘层(104)和第二绝缘层(106)的层结构，
其中，所述第一平台(101)和所述第二平台(102)中的每一个在周边边缘区域中经由所述第一绝缘层(104)与测量膜(103)紧密地连接，
其中，所述第一绝缘层(104)在每种情况下被结构化为使得在每种情况下，在所述测量膜(103)与所述第一导电层(105)之间形成压力腔室(113)，
其中，所述第一平台(101)和所述第二平台(102)中的每一个均分别经由第一接合部(116)和第二接合部(117)与所述第一加强元件(118)和所述第二加强元件(119)接合，所述第一接合部(116)和所述第二接合部(117)中的每一个均被分别施加在所述第一平台(101)和所述第二平台(102)的第二绝缘层(108)上，
其中，所述第一平台(101)和所述第二平台(102)中的每一个均具有通道(109)，使得所述第一压力和所述第二压力分别能够供应给其压力腔室(113)，以便使得能够实现所述测量膜(103)的与压力相关的偏转，
其中，所述测量膜(103)的与压力相关的偏转经由至少一个电容(C1,C2)被记录，所述至少一个电容(C1,C2)形成在作为第一电极的所述测量膜与第一导电层的作为第二电极的至少一个子区域之间，
其中，作为所述电换能器元件(103、104、105、106、107、108、110)的组件的所述第二电极(110)至少部分地通过所述第一接合部(116)或所述第二接合部(117)在每种情况下与电极端子(115)电接触，使得所述第一接合部(116)或所述第二接合部(117)至少部分地用作电导体或导电连接。
4.根据前一权利要求所述的压力差传感器，其中，所述电极端子(115)被布置在所述第一平台(101)和所述第二平台(102)的基本上垂直于所述测量膜(103)延伸的外表面上。
5.根据前一权利要求所述的压力差传感器，其中，所述电极端子(115)是以在所述外表面上生产的导电电极端子层特别是金属化电极端子层的形式实现的。
6.根据权利要求3所述的压力差传感器，其中，所述电极端子(115)是通过所述第一加强元件(118)或所述第二加强元件(119)的基本上垂直于所述测量膜(103)延伸的外表面来实现的。
7.根据前一权利要求所述的压力差传感器，其中，所述第一加强元件(118)或所述第二加强元件(119)包括半导体材料并且所述第一加强元件(118)或所述第二加强元件(119)的外表面形成所述电极端子(115)。
8.根据权利要求3至7中的任一项所述的压力差传感器，其中，所述层结构此外在每种情况下具有至少一个另外的绝缘层(106)，所述另外的绝缘层(106)被优选地布置在所述第一导电层(105)上，并且具有另外的导电层(107)，所述另外的导电层(107)被优选地布置在所述第二绝缘层(108)与所述另一绝缘层(106)之间。
9.根据权利要求3至8中的任一项所述的压力差传感器，其中，所述第一导电层(105)被结构化为使得所述第二电极(110)通过凹槽(112)与所述第一电层(105)的外边缘(114)分离开，使得所述第二电极(110)与所述外边缘(114)电绝缘。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的压力差传感器，还包括用于设定电位并且至少将这种电位施加到所述另外的导电层(107)和/或所述外边缘(114)的保护电路，其中，所述保护电路被实施为使得它分接所述第二电极(110)的电极电位并且所述电位被设定为使得它基本上追踪所述电极电位。
11.根据前一权利要求所述的压力差传感器，其中，所述第一加强元件(118)和所述第二加强元件(119)包括半导体材料，并且所述保护电路此外被实施来将所述电位施加到所述第一加强元件(118)和所述第二加强元件(119)的导电子区域。
12.根据权利要求10和/或11中的一项所述的压力差传感器，其中，所述保护电路此外被实施为使得它不对所述第一接合层(116)和/或所述第二接合层(117)施加电位。
13.根据权利要求2所述的压力差传感器，其中，所述至少一个组件是用于设定屏蔽电位并且至少将这种电位施加到所述第一接合层和/或所述第二接合层的保护电路，并且所述保护电路被实施为使得它分接作为电换能器元件(103、104、105、106、107、108、110)的组件的所述第二电极(110)的电极电位，并且所述屏蔽电位被设定为使得它基本上追踪所述电极电位，使得所述第一接合层(116)和/或所述第二接合层(117)用作用于所述压力差测量单元(100)的电屏蔽层。
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