DE10062637B4

DE10062637B4 - Differenzdrucksensor

Info

Publication number: DE10062637B4
Application number: DE10062637A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kolb; Wolfgang Werner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2020-12-16
Also published as: DE10062637A1

Abstract

Mikromechanischer Differenzdrucksensor zur Messung einer Druckdifferenz in zwei voneinander getrennten Räumen oder Medien mit:
– einem Substrat (1) mit zumindest einem durch oberflächenmikromechanische Verfahren an einer Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) angeordneten Hohlraum (3), der auf einer Seite von einer beweglichen Membran (4) begrenzt wird; wobei die beweglichen Membran (4) ausgehend von der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) mit einem ersten Druck beaufschlagt werden kann;
– zumindest einer Öffnung (12) in der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1), die mit einem zweiten Druck beaufschlagt werden kann;
– zumindest einem an der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) angeordneten Kanal (13), der den Hohlraum (3) mit der Öffnung (12) verbindet; und
– einer an der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) angeordneten Auswerteschaltung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanische Differenzdrucksensor zur Messung einer Druckdifferenz in zwei voneinander getrennten Räumen oder Medien.
Für Drucksensoren gibt es ein weites Anwendungsspektrum im Bereich der Industrie, Medizin, Haushalt und Verkehrswesen. Der Bedarf wird durch die zunehmende Automatisierung in der Industrie sowie durch die Implementierung neuer Funktionen in Kraftfahrzeugen stark zunehmen. Dieser Bedarf kann jedoch nur mit kostengünstigen Sensoren gedeckt werden. Die jeweiligen technischen Anwendungen erfordern hohe Genauigkeiten und eine hohe Flexibilität der Produkte.
Für viele Anwendungen von Drucksensoren ist dabei die Messung von Differenzdrücken, d. h. eines Unterschiedes zwischen den herrschenden Drücken in zwei voneinander getrennten Räumen oder Medien, von großer Bedeutung. Dabei ist es im allgemeinen nicht ausreichend, zwei Drücke p₁ und p₂ mit zwei separaten Drucksensoren absolut zu messen und die gewonnenen Meßwerte danach voneinander zu subtrahieren. Der Grund hierfür liegt in der zu geringen Meßgenauigkeit der allgemein zur Verfügung stehenden Absolutdruckmessvorrichtungen, die insbesondere bei großen Druckbereichen bzw. hohen Absolutdrücken aber kleinen Differenzdrücken nicht genügt, die Druckdifferenz Δp = p₂ – p₁ hinreichend genau zu liefern.
Die Messung eines Differenzdruckes Δp = p₂ – p₁ durch die Verwendung zweier unabhängiger Absolutdrucksensoren führt bei kleinen Differenzdrücken (bezogen auf den Messbereich des Absolutdrucksensoren) zu erheblichen Meßfehlern. Bei einem Meßfehler der Absolutdrucksensoren von z. B. 1% ergibt sich bei einem Differenzdruck Δp von z. B. 5% des Meßbereiches bereits ein Fehler von 28%.
Zur Lösung dieses Problems wurden Halbleiter-Differenzdrucksensoren vorgeschlagen, bei denen eine einzige druckempfindliche Membran von der einen Seite mit dem ersten Druck p1 und von der anderen Seite mit dem zweiten Druck p2 beaufschlagt wird. Folglich wird bei einer derartigen Anordnung die Membran entsprechend der Druckdifferenz Δp = P₂ – p₁ ausgelenkt und ermöglicht damit eine entsprechende Messung dieses Wertes. Die Meßgenauigkeit eines derartigen Differenzdrucksensors ist abhängig von der Auslegung des Sensors, d. h. der Membran, der Abtastung der Membranauslenkung und der elektrischen bzw. elektronischen Auswertung etc..
Bisher wurden derartige Halbleiter-Differenzdrucksensoren in einer sogenannten „Volumen-Mikromechanik-Technologie" (bulk micromachining) hergestellt, bei der das Substratmaterial unterhalb der Membran vollständig entfernt (z. B. durch Ätzen) werden muß. Die entsprechenden Produktionsprozesse sind jedoch im allgemeinen nicht kompatibel mit modernen CMOS- oder Bipolar-Halbleiterprozessen. Demzufolge ist es schwierig, zusätzlich zu der Drucksensorvorrichtung eine komplexe Auswerteschaltung direkt auf demselben Halbleiterchip zu integrieren.
Ein weiterer prinzipieller Nachteil der mit einer Volumen-Mikromechanik-Technologie hergestellten Differenzdrucksensoren besteht darin, daß diese Differenzdrucksensoren ausgesprochen empfindlich auf die Montage- bzw. Gehäusebedingungen reagieren. Gewöhnlich wird dieses Problem durch einen Wafer-Bond-Prozess, d. h. durch das Verbinden zweier Wafer gelöst, bei dem der Systemwafer, welcher die eigentliche Drucksensorvorrichtung trägt, mit einem Trägerwafer verbunden wird. Solche Trägerwafer können ihrerseits aus einem Halbleitermaterial oder aber auch aus thermisch angepaßten Gläsern oder Keramiken bestehen. Jeder Trägerwafer muß entweder vor oder nach dem Verbindungsprozeß mit dem Systemwafer strukturiert werden, damit eine Druckankopplung an die Membranunter seite erfolgen kann. Diese Strukturierung führt jedoch auch zu Justierproblemen, wenn sie vor dem Wafer-Bonden erfolgt. Erfolgt die Strukturierung dagegen nach dem Wafer-Bonden, so muß sie mit größter Vorsicht vorgenommen werden, da die empfindlichen Membranen sehr leicht beschädigt werden können, was entweder die Produktionsausbeute drastisch reduziert oder aber möglicherweise die Zuverlässigkeit und/oder Langzeitstabilität der Drucksensoren beeinträchtigen kann.
Die DE 197 50 131 A1 beschreibt eine mikromechanische Differenzdrucksensorvorrichtung, bei der auf einem Trägersubstrat zwei Absolutdruckmessvorrichtungen monolithisch integriert sind.
In US 5 375 473 A wird ein durch Volumen-Mikromechanik-Technologie hergestelltes Halbleiterdifferenzdruckmessgerät beschrieben, das aus einem Trägersubstrat und einem darauf aufgebrachten Siliziumsubstrat gebildet ist. Ebenso beschreibt die DE 198 26 317 A1 einen durch Volumen-Mikromechanik-Technologie hergestellten Halbleiterdrucksensor.
In der US 5 969 591 wird ein Differenzdrucksensorchip beschrieben, der einen in der Oberfläche eines Substrats gebildeten Hohlraum aufweist, ein den Hohlraum aufspannendes, verformbares Diaphragma und eine Druckpassage, die die Oberfläche des Substrats mit dem Hohlraum verbindet.
In „Sensors and Actuators", A 67 (1998), Seiten 211–214, wird ein Verfahren zur Integration oberflächenmikromechanisch hergestellter Drucksensorzellen in einen Standard-BiCMOS-Prozess beschrieben.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Differenzdrucksensor bereitzustellen, der die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet oder mindert. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Differenzdrucksensor bereitzustellen, der mit modernen CMOS- oder Bipolar-Halbleiterprozessen herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird von dem Differenzdrucksensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Erfindungsgemäß wird ein Differenzdrucksensor zur Messung einer Druckdifferenz in zwei voneinander getrennten Räumen oder Medien bereitgestellt. Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor umfaßt die Merkmale:

– ein Substrat mit zumindest einem an einer Hauptoberfläche des Substrats angeordneten Hohlraum, der auf einer Seite von einer beweglichen Membran begrenzt wird; wobei die beweglichen Membran ausgehend von der Hauptoberfläche des Substrats mit einem ersten Druck beaufschlagt werden kann;
– zumindest eine Öffnung in der Hauptoberfläche des Substrats, die mit einem zweiten Druck beaufschlagt werden kann;
– zumindest ein an der Hauptoberfläche des Substrats angeordneten Kanal, der den Hohlraum mit der Öffnung verbindet.

Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor besitzt den Vorteil, daß insbesondere bei großen Druckbereichen bzw. hohen Absolutdrücken auch kleine Differenzdrücke Δp = p₂ – p₁ hinreichend genau bestimmt werden können. Die hohe erzielbare Genauigkeit wird durch die Bildung des Differenzdrucks direkt an der beweglichen Membran gewährleistet. Daher kann der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor auf die Höhe des maximalen Differenzdrucks (z. B. 10⁴ Pa) ausgelegt werden während bei der Bestimmmung eines Differenzdrucks mit Hilfe von zwei Absolutdrucksensoren die beiden Absolutdrucksensoren jeweils auf den maximalen Absolutdruck (z. B. 10⁶ Pa) ausgelegt werden müssen.
Da sowohl der Hohlraum als auch der Kanal an der Oberfläche des Substrats angeordnet sind, können gängige Verfahren der Oberflächenmikromechanik eingesetzt werden, um den erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor herzustellen. Insbesondere können solche Verfahren der Oberflächenmikromechanik eingesetzt werden, die mit Standard CMOS- bzw. Bipolar-Prozessen kompatibel sind. Dementsprechend kann auf die bisher eingesetzten Verfahren der Volumen-Mikromechanik mit ihren Prozeß- bzw. Montage-Schwierigkeiten verzichtet werden.
Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor besitzt darüber hinaus den Vorteil, daß er mit weiteren Komponenten auf einem einzigen Substrat (Chip) integriert werden kann. Dabei weist der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor einen sehr geringen Flächenbedarf auf, da zur Bildung des Differenzdrucks nur eine einzige Membran benötigt wird. Daraus ergeben sich Vorteile hinsichtlich des Preises bzw. hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Fläche.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bilden die bewegliche Membran und die der Membran gegenüber liegende Seite des Hohlraums einen Kondensator. Die durch eine Druckdifferenz ausgelösten Kapazitätsänderungen werden somit als Maß für die Druckdifferenz ausgewertet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine an der Hauptoberfläche des Substrats angeordnete Auswerteschaltung vorgesehen. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die Auswerteschaltung einen Sigma/Delta-Signalwandler umfaßt. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn eine an der Hauptoberfläche des Substrats angeordnete Strom/Spannungsversorgung vorgesehen ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist auf der beweglichen Membran ein Stempel angeordnet. Durch einen Stempel wird der Bereich, über den sich der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor linear verhält, deutlich erweitert. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die bewegliche Membran aus Polysilizium aufgebaut ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine Druckanschlußeinheit vorgesehen, über die die bewegliche Membran und/oder die Öffnung mit dem ersten bzw. zweiten Druck beaufschlagt wird. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die Druckanschlußeinheit eine zylinderförmige Leitung aufweist, die auf die Hauptoberfläche des Substrats geklebt ist.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Hohlraum und der Kanal gleichzeitig mit Hilfe einer Opferschicht gebildet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren der Zeichnungen näher dargestellt. Es zeigen:
1 eine schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors,
2 eine schematische Aufsicht auf den Kanal und den Hohlraum aus 1,
3 eine schematische Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor, und
4 eine schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors.
1 zeigt eine schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors. Dabei zeigt 1 den Ausschnitt eines größeren Halbleiterchips 1 (Substrat), in dem die eigentliche Differenzdruckmessung vorgenommen wird. Dazu ist an der Hauptoberfläche 2 des Halbleiterchips 1 ein Hohlraum 3 angeordnet, der mit einer beweglichen Membran 4, einer isolierenden Schicht 5 und einer Siliziumschicht 6 gebildet wird. Dabei ist die isolierende Schicht 5 der übrig gebliebene Teil einer Opferschicht, die zur Herstellung des Hohlraums eingesetzt wird. Die Siliziumschicht 6 ist z. B. ein Siliziumsubstrat oder eine auf einem Siliziumsubstrat aufgebrachte Silizium-Epitaxieschicht.
In dieser Siliziumschicht 6 gegenüber der beweglichen Membran 4 ist ein dotiertes Gebiet, ein sogenannte "doped well", ausgebildet. Das Dotiergebiet ist beispielsweise mittels Implantation und/oder Diffusion hergestellt. Das Dotiergebiet bildet somit eine Elektrode des Kondensators, der durch den Hohlraum 3 gebildet ist. Die andere Elektrode des Kondensators wird durch die bewegliche Membran 4 gebildet, die in dem vorliegenden Beispiel aus dotiertem Polysilizium aufgebaut ist.
Über der beweglichen Membran 4 ist eine Isolationschicht 8 angeordnet, die im vorliegenden Beispiel aus Siliziumoxid aufgebaut ist. Je nach Herstellungsprozeß kann die Isolationschicht 8 auch aus mehreren Isolationsschichten bestehen. Weiterhin ist über der Isolationschicht 8 eine Passivierungsschicht 9 angeordnet, die im vorliegenden Beispiel aus Siliziumnitrid aufgebaut ist. Die Isolationschicht 8 sowie die Passivierungsschicht 9 wurden strukturiert, so daß über dem Randbereich der beweglichen Membran ein Graben 10, ein sogenannter „Kragen", und über dem zentralen Bereich der beweglichen Membran 4 ein Stempel 11 entsteht. Durch den Stempel 11 wird der Bereich, über den sich der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor linear verhält, deutlich erweitert. Gleichzeitig kann durch die Breite des Grabens 10 die Beweglichkeit der Membran 4 eingestellt werden. Ausgehend von der Hauptoberfläche des Halbleiterchips 1 (Substrat) kann die beweglichen Membran 4 somit mit einem ersten Druck beaufschlagt werden.
In der Hauptoberfläche 2 des Halbleiterchips 1 (Substrat) ist weiterhin eine Öffnung 12 vorgesehen, die mit einem zweiten Druck beaufschlagt werden kann. Die Öffnung 12 reicht von Hauptoberfläche 2 des Halbleiterchips 1 (Substrat) durch die Passivierungsschicht 9 sowie die Isolationschichten 8a bis 8c bis zu einem Kanal 13. Der Kanal 13 verbindet die Öffnung 12 mit dem Hohlraum 3, so daß die Unterseite der beweglichen Membran mit dem zweiten Druck beaufschlagt werden kann. Der Kanal 13 wurde dabei in der gleichen Opferschicht 5 erzeugt, die auch bei der Herstellung des Hohlraums eingesetzt wurde. Eine schematische Aufsicht auf den Kanal 13 und den Hohlraum 3 ist in 2 gezeigt.
Die bewegliche Membran 4 wird nun in Abhängigkeit des Differenzdrucks Δp = p₂ – p₁ entweder nach oben oder unten ausgelenkt, was sich in einer Kapazitätsänderung des durch die bewegliche Membran 4 und den dotierten Bereich 7 gebilde ten Kondensator widerspiegelt. Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor besitzt den Vorteil, daß insbesondere bei großen Druckbereichen bzw. hohen Absolutdrücken auch kleine Differenzdrücke Δp = p₂ – p₁ hinreichend genau bestimmt werden können. Die hohe erzielbare Genauigkeit wird durch die Bildung des Differenzdrucks direkt an der beweglichen Membran gewährleistet. Daher kann der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor auf die Höhe des maximalen Differenzdrucks (z. B. 10⁴ Pa) ausgelegt werden während bei der Bestimmmung eines Differenzdrucks mit Hilfe von zwei Absolutdrucksensoren die beiden Absolutdrucksensoren jeweils auf den maximalen Absolutdruck (z. B. 10⁶ Pa) ausgelegt werden müssen.
3 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor. Neben dem eigentlichen Druckmessbereich 14 sind auf dem erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor weiteren Komponenten, insbesondere eine Auswerteschaltung 15, eine Strom/Spannungsversorgung 16, eine Schaltung zur Erzeugung eines Zeitsignals 17, eine Kalibrationsschaltung 18 und eine Schnittstelle 19 vorgesehen. All diese weiteren Komponenten sind auf einem einzigen Substrat (Chip) integriert.
Da zur Erzeugung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor solche Verfahren der Oberflächenmikromechanik eingesetzt werden können, die mit Standard CMOS- bzw. Bipolar-Prozessen kompatibel sind, können diese weiteren Komponenten aus Standardkomponenten ausgewählt werden, wie sie in sogenannten „Librarys" gespeichert sind. Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor einen sehr geringen Flächenbedarf auf, da zur Bildung des Differenzdrucks nur eine einzige Membran benötigt wird. Dementsprechend kann mehr Chipfläche für die übrigen Komponenten, z. B. eine Auswerteschaltung und/oder eine Strom/Spannungs-versorgung, verwendet werden.
4 zeigt eine schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors. Dabei ist über der beweglichen Membran 4 und über der Öffnung 12 jeweils eine Druckanschlußeinheit 20, z. B. ein Kunststoffkamin oder ein Kunststoff-Schlauchanschluß als eine zylinderförmige Leitung, gasdicht auf Passivierungsschicht 9 geklebt. Mittels dieser Druckanschlußeinheiten 20 können auf einfache Weise die zu messenden Drücke getrennt voneinander der Membran 4 bzw. der Öffnung 12 zugeführt werden.

Claims

Mikromechanischer Differenzdrucksensor zur Messung einer Druckdifferenz in zwei voneinander getrennten Räumen oder Medien mit: – einem Substrat (1) mit zumindest einem durch oberflächenmikromechanische Verfahren an einer Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) angeordneten Hohlraum (3), der auf einer Seite von einer beweglichen Membran (4) begrenzt wird; wobei die beweglichen Membran (4) ausgehend von der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) mit einem ersten Druck beaufschlagt werden kann; – zumindest einer Öffnung (12) in der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1), die mit einem zweiten Druck beaufschlagt werden kann; – zumindest einem an der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) angeordneten Kanal (13), der den Hohlraum (3) mit der Öffnung (12) verbindet; und – einer an der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) angeordneten Auswerteschaltung.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Membran (4) und die der Membran (4) gegenüber liegende Seite des Hohlraums (3) einen Kondensator bilden.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (15) einen Sigma/Delta-Signalwandler umfaßt.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine an der Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) angeordnete Strom/Spannungsversorgung (16) vorgesehen ist.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der beweglichen Membran (4) ein Stempel (11) angeordnet ist.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Membran (4) aus Polysilizium aufgebaut ist.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Druckanschlußeinheit (20) vorgesehen ist, über die die bewegliche Membran (4) und/oder die Öffnung (12) mit dem ersten bzw. zweiten Druck beaufschlagt wird.
Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckanschlußeinheit (20) eine zylinderförmige Leitung aufweist, die auf die Hauptoberfläche (2) des Substrats (1) geklebt ist.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (3) und der Kanal (13) gleichzeitig mit Hilfe einer Opferschicht (5) gebildet werden.