DD285831A5 - Drucksensor fuer kleine druecke - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit biegesteifem Zentrum fuer die Messung sehr kleiner Druecke der aufgabengemaesz mit einer einheitlichen Membrandicke auskommt und auf zusaetzliche Biegefedern verzichtet. Erreicht wird das dadurch, dasz die Druckmembran zwischen Einspannungsrahmen des Halbleitersubstrates und biegesteifem Zentrum mindestens zwei Abschnitte mit einer Breite aufweist, die kleiner als die Abmessungen des biegesteifen Zentrums sind, und dasz die Bereiche zwischen diesen Abschnitten eine Breite aufweisen, die groeszer als die Breite der schmalen Abschnitte ist, wobei der groeszte Teil dieser Bereiche eine wesentlich groeszere Breite als die der schmalen Abschnitte aufweist. Die schmalen Abschnitte der Druckmembran enthalten Teile eines elektromechanischen Wandlers (z. B. piezoresistive Widerstaende, piezoelektrische Schichten) oder aber das biegesteife Zentrum ist Teil eines elektromechanischen Wandlers (z. B. Differentialkondensator). Fig. 1{Druckmeszgeraet; Drucksensor; kleiner Nenndruckbereich; Silizium; Membran; biegesteifes Zentrum; Piezowiderstaende; Membrangestaltung; einheitliche Membrandicke}

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von statischen und dynamischen Drücken in Gasen und Fluiden für kleine Nenndruckbereichs, vorzugsweise unterhalb von 1 kPa.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Druckwandler auf Halbleiterbasis realisieren vorzugsweise ein piezoresistives oder kapazitives Meßprinzip (S. K. CLARK, thindiaphragm pressure sensors. IEEE Transactions on Electron Devices ED-26 (1979) 12, S. 1887-1895). Dabei werden die Auslenkungen einer Druckmembrai ι oder infolge der Auslenkung in der Druckmembran hervorgerufene mechanische Spannungen oder Dehnungen in elektrische Ausgangssignale umgesetzt. Die Druckmembran wird dazu durch lokales Abdünnen eines Halbleitersubstrates, vorzugsweise aus Silizium, erzeugt, so daß sie monolithischer Bestandteil des Drucksensorchips ist. Übliche Ausführungen von Drucksensoren mit homogenen Druckmembranen weisen Verformungskörper auf, die Rechteck-(z.B. DD 137166), Quadrat-(z.B. DE 3538453, US 4400681),Kreis-(z.B. CD 133714, DE 2856708,US 4439752)oderAchteckform (z.B. DD 150376, DE 3345988) besitzen.

Für kleine Nenndruckbereiche wächst jedoch für alle Plattenformen der Linearitätsfehler stark an (H. M. HELM u. a.: Zur Nichtlinearität dünner Rechteck-Wandler-Platten. Feingerätetechnik 28 [1979]3, S. 126-129; A. LENK, U. MENZEL: Nichtlinearität dünner Kreisplatten als Wandler von Drücken in mechanische Spannungen und Ausschläge. Feingerätetechnik 30 [1981 ]2, S. 56-60; A. LENK, K. SÄGER: I Inearitätsfehler der mechanischen Spannung und des Ausschlages kreisringförmiger Druckmeßplatten. TU-lnformation 09-03-86. TU Dresden, Sektion Informationstechnik 1986). Das führt dazu, daß bei maximal zulässigem Linearitätsfehler die Empfindlichkeit piezoresistiver Drucksensoren unterhalb einer bestimmten Grenze mit kleiner werdendem Nenndruck abnimmt (J. BINDER u. a.: Silicon pressure sensors for the 2kPa to 40MPa range. Siemens Forschungsund Entwicklungsberichte 13 [198416, S. 294-302) und sich dadurch die entwertbezogenen Fehlerkennwerte proportional der Empfindlichkeitsverringerung vergrößern. Dieses Effekt kann durch besondere konstruktive Ausführungen von Halbleiterdruckwandlern für kleine Meßbereiche auf mehreren Wegen entgegengewirkt werden, bei denen das Auftreten von nichtlinearen Membran-Spannungen im Verformungskörper des Meßelementes erheblich verringert wird:

1. In der Druckmembran befindet sich ein biegesteifes Zentrum. Der mechanische Verformungskörper ist damit z. B. ein Quadrat-(US 4236137, SU 1303857) oder Kreisringmembran (US 3341794, SU 1408 263).

2. In der Druckmembran sind zwei biegesteife Zentren realisiert, wobei der Spalt zwischen beiden Bereichen als Biegefeder wirkt (US 4065970, SU 1404852).

3. Die Druckmembran ist an eine Biegefeder gekoppelt, deren elektromechanischen Wandlerelement, meistens piezoresistiv, ein druckproportionales Ausgangssignal erzeugt (DD 213758). Druckmembran und Biegefeder können monolithisch verbunden sein (DD 262307, US 4570498, SU 1210076).

Diese Varianten sind vorteilhaft im Druckbereich unter 1OkPa einsetzbar, führen jedoch für Nenndrücke von (0,1... 1 kPa) ebenfalls zum Ansteigen des Linearitätsfehlers bis in den Prczentbereich. Aus diesem Grund werden für den Druckbereich unterhalb von 100Pa, z.T. bereits unter 1 kPa, Drucksensoren mit biegesteifem Zentrum vorgeschlagen, deren Druckmembran kleine dickere Bereiche in Balkenform, die als Biegefedern wirken und die Nachgiebigkeit des Verformungskörpers bestimmen, und sehr dünne Bereiche, die nur zur Druckabdichtung dienen, besitzen (US 4570498). Druckmembran und biegesteifes Zentrum sind vorteilhafterweise wiederum quadratisch (H. REIMANN: New mechanical structures to achieve low pressure silicon sensors and accelerometer. Kongreßunterlagen zur Sensor 88. Nürnberg: AMA1988, S.265-280) oder kreisförmig (Y.MATSUOKA u.a.: Differential pressure/piessure ti ansmitters applied with semiconductor sensors. IEEE Transactions on Industrial Electronics IE-33 (198612, S. 152-157).

Diese Verformungskörper weisen gegenüber den homogenen Druckmembranen mit biegesteifem Zentrum eine wesentlich geringere Steifigkeit hinsichtlich des Ausschlages des biegesteifen Zentrums bei Druckbelastung auf, da der Beitrag der sehr dünnen Bereiche der Druckmembran gegenübor dem der Biegefederelemente zur Gesamtsteifigkeit sehr gering ist. Damit wird die Nennauslenkung bereits bei wesentlich kleineren Nenndrücken erreicht, ohne daß eine Erhöhung des Linearitätsfehlers eintritt (G.GERLACH: Die Berechnung der Linearitätsfehler piezoresistiver Druckaufnehmer mit analytischen Ansätzen. Forschungsbericht 20/87. TU Dresden, Sektion Informationstechnik. 1987).

Jedoch ergeben sich durch die unterschiedlichen Dicken der beiden Bereiche der Druckmembran Nachteile für die Herstellung des Verformungskörpers, die für Sensoren auf Halbleiter-, speziell auf Siliziumbasis üblicherweise durch naßchemisches Ätzen erfolgt (K.E. PETERSEN: Silicon as a mechanical material. Proceedings of the IEEE 70 (1982)5, S.420-457). Verfahrenstechnisch vorteilhaft ist die Abdünnung unter Ausnutzung von Ätzstoppmechanismen. Infolge der unterschiedlichen Tiefe der Einatmungen für die beiden Membranbereiche ist nur eine der Dicken reproduzierbar einstellbar, während dio andere Dicke nur durch Abbruch dos Ätzprozesses nacli einer vereinbarten Zeit möglich ist, so daß verfahrensbedingt erhebliche Dickentoleranzon auftreten können. Bei Verzicht auf Ätzstoppverfahren sind zur Herstellung der erforderlichen Verformungskörperstruktur mindestens zwei Ätzschritte erforderlich, wobei wiederum zwei getrennte Ätzmasken notwendig sind.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Verringerung des Hersteüungsaufwandes von Drucksensoren für sehr kleine Nenndruckbereiche.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drucksensor mit biegesteifem Zentrum für die Messung sehr kleiner Drücke zu schaffen, der ohne Biegefedern auskommt und dessen Druckmembran eine einheitliche Dicke aufwoist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Druckmembran zwischen Einspannrahmen des Halbleitersubstrates und biegesteifem Zentrum mindestens zwei Abschnitte mit einer Breite aufwoist, die wesentlich kleiner als die Abmessungen des biegesteifen Zentrums sind, und daß die Bereiche zwischen diesen Abschnitten eine Breite aufweisen, die größer als die Breite der schmalen Abschnitte ist, wobei der größte Teii dieser Bereiche eine wesentlich größere Breite als die der schmalen Abschnitte aufweist. Die schmalen Abschnitte der Druckmembran enthalten Teile eines elektromechanischen Wandlers (z.B. piezoresistive Widerstände, piezoelektrische Schichten) oder aber das biegesteife Zentrum ist Teil eines elektromechanischen Wandlers (z. B. Differentialkondensator). Da bei konstanter Dicke der Druckmembran die Bereiche mit großer Breite eine wesentlich kleinere Nachgiebigkeit hinsichtlich der Auslenkung des biegesteifen Zentrums durch den Meßdruck aufweisen als die schmalen Abschnitte wird die Gesamtnacligiebigkeit des Verformungskörpers im wesentlichen durch die Nachgiebigkeit der schmalen Teile der Druckmembran bestimmt. Damit wird die Nennauslenkung des biegesteifen Zentrums bei v/esentlich geringeren Nenndrücken erreicht, ohne daß sich die Membranspannungen in den schmalen Bereichen der Druckmembran erhöhen. In dem Verhältnis, wie sich der Anteil der schmalen Abschnitte der Druckmembran und damit auch bei gleichbleibendem Übertragungsfaktor und Linearitätsfehler der Nenndruckbereich.

Infolge der einheitlichen Dicke der Druckmembren ist ihre Herstellung in einem Ätzschritt unter Nutzung einer einzelnen Ätzmaske möglich. Durch die Anwendung eines Ätzstoppverfahrens kann die Dicke dsr Druckmembran homogen und reproduzierbar realisiert werden.

Ausführungsbeispiel ' Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dabei zeigen

Fig. 1 bis 3: Draufsicht und Querschnitte eines erfindungsgemäß ausgeführten piezoresistiven Drucksensors und Fig.4 bis 8: weitere Beispiele erfindungsgemäß ausgeführter Drucksensoren.

Gemäß Fig. 1 bis 3 besteht der Drucksensor aus einer Druckmembran 1, die monolithisch aus einem Halbleitersubstrat, das

vorzugsweise aus Silizium besteht, lokal abgedünnt ist, wobei der die Druckmeinbran 1 im Inneren enthaltene unabgedünnte

Teil des Halbleitersubstrates den Einspannungsrahmen 2 bildet. Die Druckmembran 1 weist eine im Rahmen dsr Toleranzen der Halbleitersubstrateigenschaften und des Abdünnprozesses

gleichmäßige Dicke auf. Im Inneren der Druckmembran 1 befindet sich ein biegesteifes Zentrum 3, mit einer Dicke h3, die gleichder Dicke h2 des Einspannungsrahmens 2, infolge eh.es zusätzlichen Ätzprozesses aber auch kleiner als die Dicke h2 des

Einspannungsrahmens 2 sein kann. Die Dicke h3 des biegesteifen Zentrums 3 ist jedoch immer wesentlich größer als die Dicke h1 der Druckmembran 1. Das biegesteife Zentrum weist bevorzugt bei Verwendung anisotropwirkender naßchemischer Ätzmittel zum Abdünnen der Druckmembran eine quadrat- oder rechteckähnliche Form bei Verwendung isotrop wirkender Ätzgemische bevortzugt Kreisform

auf(Fig.4).

Die Druckmembran 1 besitzt zwei schmale Abschnitte 1 a mit der breite b1 und zwei Bereiche 1 b mit einer Breite b2 > b1 oder

b21> b1. Das führt dazu, daß die Gesamtsteifigkeit der Druckmembran 1 im wesentlichen durch dii schmalen Abschnitte 1 abestimmt wird, da die Nachgiebigkeit (reziproke Steifigkeit) einer Steifenmembran proportional Jer dritten Potenz ihrer Breiteist. Die Gebiete 1 b großer Breite b2 haben damit nahezu nur druckabdichtende Wirkung.

In oder auf den schmalen Abschnitten 1 a der Druckmembran 1, in denen infolge des Meßdruckes ρ die größten mechanischen Spannungen bzw. Dehnungen wirken, sind piezoresistive Widerstände 4 angeordnet, die beispielsweise als Vollbrücke

geschaltet sein können, und die ein druckproportionales elektrisches Ausgangssignal erzeugen.

Durch Verringerung der Abmessungen der schmalen Abschnitte 1 a der Druckmembrar, 1 läßt sich die Steifigkeit des Verformungsköi'pers weiter reduzieren, so daß die Empfindlichkeit des Drucksensors erhöht wird bzw. bei konstant gehaltenem Linearitätsfehler und Übertragungsfaktor der Nenndruckbereich weiter verringert wird (Fig. 5 bis 7). Im allgemeinen kann die Druckmembran 1 so gestaltet werden, daß entweder der Einspannungsrahmen 2 oder das biegesteife Zentrum 3 eine

regelmäßige geometrische, z. B. quadratische, rechteckig oder kreisrunde Form besitzen (Fig. 5 und 6), es sind jedoch auchkonstruktive Lösungen möglich, bei denen die schmalen Abschnitte 1 a der Druckmembran 1 durch Zwingen 5 realisiert sind, die

Bestandteil des Einspannungsrahmens 2 bzw. des biegesteifen Zentrums 3 sind und deren Dicke aufweisen (Fig.7). Fig. 8 und Fig.9 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen die schmalen Abschnitte 1 a der Druckmembran 1 durch Ausnutzung der Unterätzung der konvexen Ecken 6 des biegesteifen Zentrums 3 kleine Längen besitzen. Dieser Anwendungsfall betrifft die

anisotrop wirkenden naßche^r.nschen Ätzmittel für Halbleitersubstrate, die bekanntermaßen an konvexen Ätzstrukturenschnellätzende Kristallflächen schaffen, die mit größerer Ätzrate abgetragen werden.

Die Druckpia,.ο 1 der Anordnung von Fig.9 besitzt daboi insgesamt vier räumlich getrennte schmale Abschnitte 1a. Durch eine Anzahl von mehr als zwei solcher schmalen Abschnitte 1 a, insbesondere bei symmetrischer Anordnung, werden Taumelbewegungen des biegesteifen Zentrums 3, die infolge der Dickentoleranz der Druckmembran bei dynamischer Druckeinwirkung entstehen können, weitestgehend vermieden. Für das anhand Fig. 1 beschriebene Ausführur.gsbeispiel wurden gute Ergebnisse mit der nachstehend beschriebene konkreten Ausführung erreicht. Das einkristalline Silizium-Ausgangssubstrat besitzt die Orientierung (100) und eine Dicke von h2 = h3 = 350pm.Das

quadratförmige biegesteife Zentrum 3 weist eine Kantenlänge von 5 mm auf und besitzt wie oben angegeben die gleiche Dickewie der Einspannrahmen 2. Die Breite b1 der schmalen Abschnitte 1 a beträgt 0,5 mm und die Breite b2 der Bereiche 1 b beträgt2mm. Die piezoresistiven Widerstände weisen einen spezifischen Widerstand von φ = 65πιΩ auf, haben eine Länge von 100μund eine Breite von 20Mm. Der Abstand der Widerstandsbahn vom Einspannrahmen 2 bzw. biegesteifen Zentrum 3 ist 25pm.

Bei der angegebenen Ausführung für einen Nenndruck von 500 Pa wurde ein Linearitätsfehler von 0,1 % sowie eine

Empfindlichkeit von -— = 0,5% ermittelt

R

Im vorliegenden Beispiel beträgt das für die Erfindung wesentliche Verhältnis von b2/b1 = 4. Unter der Formulierung b2 > b1 soll mindestens der Faktor 2, d.h.b2 2b1 verstanden werden, wogegen b2»>b1 bis in die Größenordnung von Faktor 50 gehen kann.

Claims (9)

1. Drucksensor aus Halbleitermaterial, bestehend aus einer drucksensitiven Druck membran, einem Einspannungsrahmen, der monolithisch die Druckmembran trägt, und einem biegesteifen Zentrum, das monolithisch von der Druckmembran umschlossen wird, und dessen Druckmembran Teile eines elektromagnetischen Wandlers enthält oder dessen biegesteifen Zentrum Bestandteil eines elektromechanischen Wandlers ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmembran aus mindestens zwei schmalen Abschnitten, deren Breite wesentlich kleiner ist als die Abmessungen des biegesteifen Zentrums sind und Bereiche, die diese schmalen Abschnitte verbinden und eine Breite aufweisen, die größer als die Breite der schmalen Abschnitte sind, besteht und daß die Druckmembran in allen Abschnitten eine gleichmäßige Dicke besitzt.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teil des Einspannungsrahmen und das biegesteifen Zentrum rechteckförmig sind, wobei die Rechtecke unterschiedliche Seitenverhältnisse aufweisen.

3. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das biegesteife Zentrum eine Kreisform und der innere Teil des Einspannungsrahmen eine Ellipsen- oder ellipsenähnliche Form besitzt.

4. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teil des Einspannungsrahmens Kreisform und das biegesteife Zentrum Ellipsen- oder ellipsenähnliche Form besitzt.

5. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teil des Einspannungsrahmens und des biegesteifen Zentrums Quadrat-, Rechteck-, Achteck- oder Kreisform besitzen und der Einspannrahmen und das biegesteife Zentrum Zwingen aufweisen, die die schmalen Abschnitte der Druckmembran bilden.

6. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teil des Einspannungsrahmens Rechteck- oder Quadratform besitzt, daß das biegesteife Zentrum eine aus einer Rechteck- oder Quadratform durch Unterätzung der konvexen Ecken erzeugte Form besitzt und die schmalen Abschnitte der Druckmembran durch die unterätzten konvexen Ecken des biegesteifen Zentrums in ihrer flächenmäßigen Ausdehnung begrenzt sind.

7. Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalen Abschnitte der Druckmembran durch unterätzte konvexe Ecken der Zwingen des Einspannungsrahmens oder des biegesteifen Zentrums oder des Einspannungsrahmens und des biegesteifen Zentrums in ihrer flächenmäßigen Ausdehnung begrenzt sind.

8. Drucksensor nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalen Abschnitte der Druckmembran als mechanoelektrische Wandler piezoresistive Widerstände enthält, oder sich auf ihnen piezoresistive Widerstände oder piezoelektrische Schichten befinden.

9. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das biegesteife Zentrum oder ein Teil des biegesteifen Zentrums die druckveränderliche Elektrode eines Kondensators ist.