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Die
vorliegende Erfindung beschreibt eine mikromechanische Vorrichtung
zu Erfassung einer Druckgröße sowie
einem Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Mikromechanische
Drucksensoren bestehen oft, wie beispielhaft in der
DE 103 30 252 A1 dargestellt,
aus verschiedenen, miteinander verbundenen Bauelementen (z.B. Substrat,
Sockel, Gehäuse),
die unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Dabei kann es durch differierende thermische Ausdehnungen zu Wärmespannungen kommen,
die sich auf die Verbindungsstellen oder auch auf die funktionalen
Elemente eines Drucksensors wie Membran und/oder Dehnmessstreifen
negativ auswirken. Eine mögliche
Auswirkung besteht dabei in einer Verfälschung des Messsignals oder
einer erhöhten
Anfälligkeit
hinsichtlich mechanischer Zerstörung
des Drucksensors.
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Aus
der
DE 41 30 044 C2 ist
ein Halbleiter-Drucksensor mit einem Siliziumsubstrat, einer aus
dem Substrat gebildeten Membran, Dehnungsmessstreifen, sowie einer
mit dem Substrat verbundenen Basis bekannt. Dabei weisen das Substrat
und die Basis unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf. Um eine unerwünschte
Signalkomponente in den Dehnungsmessstreifen aufgrund unterschiedlicher
Wärmespannungen
im Substrat und in der Basis zu verhindern, wird eine achteckige
Membran in dem Substrat erzeugt, die eine gleichmäßige Verteilung
der Wärmespannung
in der Membran erzeugt.
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Eine
weitere Möglichkeit,
die Verfälschung des
Messsignals aufgrund von thermisch induzierten Wärmespannungen zu kompensieren,
wird in der Druckschrift H.A. Kayal et al., „Anwendungsspezifische intelligente
Sensoren", Elektronik
9/1988, S.112–117
aufgeführt.
Die Temperaturabhängigkeit des
Messsignals wird dabei mittels einer aufwendigen integrierten Schaltung
kompensiert.
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In
der WO 00/29824 bzw. in der
US 6,229,190
B1 werden Halbleiterelemente beschrieben, welche neben
der Membran und der Membraneinfassung Einschnitte aufweisen. Diese
Einschnitte dienen dazu, das Messsignal, welches von piezoresistiven
Elementen erfasst wird, zu maximieren, indem Randeffekte, die bei
der Einspannung der Membran zu beobachten sind, vermieden werden.
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Aus
der
DE 101 56 406
A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Drucksensor durch
einen Dehnungsmessstreifen (DMS) auf einem Verformungssensor realisiert
wird. Die Verbindung von DMS und Oberfläche des Verformungssensors
wird beispielhaft mittels niedrig schmelzendem Glas (Sealglas) oder
Epoxi-Kleber durchgeführt.
Weiter ist in einem Ausführungsbeispiel
dargestellt, dass der Verformungssensor einen Stahlkörper mit
endseitiger Membran und der Dehnungsmessstreifen einen Siliziumwafer
aufweist.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Erfindung beschreibt eine mikromechanische Vorrichtung zur Erfassung
einer Druckgröße bzw.
ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Drucksensors,
mit zwei Bauelementen, wobei ein erstes Bauelement eine erste Membran aus
einem ersten Material und ein zweites Bauelement aus einem zweiten
Material aufweist. Das zweite Bauelement ist dabei so gestaltet,
dass es einen dünnen
ersten Bereich und einen dicken zweiten Bereich besitzt. Das erste
und das zweite Bauelement sind über
die erste Membran und wenigstens einen Teil des ersten Bereichs
fest miteinander verbunden. Bei der Wahl des ersten und des zweiten
Materials ist vorgesehen, dass der Temperaturausdehnungskoeffizient
des ersten Materials größer als
der des zweiten Materials ist. Der Kern der Erfindung besteht dabei
darin, dass die Verbindung des ersten und des zweiten Bauelements
derart vorgesehen ist, dass sich eine laterale Ausdehnung der ersten
Membran, die sich auf Grund von Temperaturänderungen ergibt, ebenfalls
als laterale Ausdehnung auf den ersten Bereich des zweiten Bauelements überträgt.
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Mit
einem derartigen Aufbau einer mikromechanischen Vorrichtung zur
Erfassung einer Druckgröße kann
erreicht werden, dass eine Veränderung der
ersten Membran, die zur Erfassung des Drucks eines Mediums vorgesehen
ist, nahezu unverändert an
das zweite Bauelement, insbesondere an den ersten Bereich, weitergegeben
werden kann. Dabei kann sowohl eine Veränderung aufgrund einer vertikalen
Durchbiegung der Membran aufgrund von Druckänderungen als auch Veränderungen
aufgrund von thermischen Effekten weitergegeben werden. Somit wird
auf dem zweiten Bereich ein nahezu identisches Abbild des Zustands
der ersten Membran erzeugt.
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Vorteilhafterweise
wird die erste Membran des ersten Bauelements und der erste Bereich
des zweiten Bauelements mittels eines ersten Verbindungsmaterials
verbunden. Durch diese feste Verbindung wird erreicht, dass Bewegungen
der ersten Membran ohne nennenswerten Verlust auf den dünnen ersten
Bereich übertragen
werden.
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Weiterhin
kann durch Verwendung eines Klebers und/oder von Lot bzw. Sealglaslot
als erstes Verbindungsmaterial auf eine spezielle Oberflächenstruktur
der ersten Membran verzichtet werden, da das erste Verbindungsmaterial
die Membranoberfläche
gleichmäßig und
homogen bedecken kann. Darüber
hinaus ist vorgesehen, dass das erste Bauelement zusätzlich zur
ersten Membran einen Sockel aufweist. Mit Hilfe dieses Sockels kann
in einer weiteren Ausführungsform
eine weitere Verbindung mittels eines zweiten Verbindungsmaterials
zwischen dem Sockel und dem zweiten Bereich des zweiten Bauelements
hergestellt werden. Der Vorteil bei dieser zweiten Verbindung liegt
darin, dass die Auflagefläche
des zweiten Bauelements auf dem ersten Bauelement vergrößert wird.
Somit wird der Übergang vom
dünnen
ersten Bereich zum dicken zweiten Bereich des zweiten Bauelements
mechanisch entlastet. Als zweites Verbindungsmaterials ist duktiles
Material vorgesehen, welches ohne Belastung relativ weich und unter
Druckeinwirkung härter
wird. So kann auf der Oberfläche
des zweiten Bauelements nach der Verbindung des ersten mit dem zweiten Bauelement
ein Bonddraht aufgebracht werden, ohne dass es zu einem Bruch des
zweiten Bauelements kommt.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Bereich des zweiten
Bauelements weitestgehend durch ein dritten Bereich abgegrenzt wird. Dabei
kann vorgesehen sein, dass der dritte Bereich Entspannungsnuten
aufweist, die eine laterale Ausdehnung des Materials im ersten Bereich
von einer lateralen Ausdehnung des Materials im zweiten Bereich
abgrenzt. Dabei ist besonders vorgesehen, dass die laterale Ausdehnung
des Materials im ersten Bereich durch die erste Membran erzeugt
wird, die einen höheren
Temperaturausdehnungskoeffizienten als das Material des dünnen ersten
Bereichs aufweist.
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Vorteilhafterweise
enthält
das erste Bauelement als erstes Material Stahl, Keramik, Invar,
Kovar oder eine Eisen-Nickel-Legierung. Dabei kann in einer speziellen
Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass lediglich die
erste Membran aus einem Metall bzw. einem Stahl besteht. So können Stähle verwendet
werden, die besonders für
Drucksensormembranen geeignet sind. Denkbar ist hierbei, dass Edelstähle mit
besonderer Korrosionsbeständigkeit,
für Hochdruckanwendungen
Stähle
mit besonders hohe Zugspannung oder Legierungen mit an Silizium
angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden.
Darüber
hinaus ist vorgesehen, dass das zweite Bauelement aus einem Halbleitermaterial
besteht, wobei in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung das
zweite Bauelement aus Silizium oder einer Siliziumverbindungen besteht.
Weiterhin ist vorteilhaft, im dünnen
ersten Bereich eine zweite Membran zu erzeugen. Zur Erfassung der
Druckgröße ist vorgesehen,
dass das zweite Bauelement wenigstens einen piezoelektrischen Widerstand
enthält,
der in Abhängigkeit
der vertikalen Bewegung der ersten Membran eine Widerstandsänderung
erfährt.
Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der wenigstens eine piezoelektrische
Widerstand im oder auf dem ersten Bereich, insbesondere auf der
zweiten Membran, des zweiten Bauelements angeordnet ist. Weiterhin
ist vorgesehen, dass das zweite Bauelement wenigstens eine Leiterbahn
aufweist, mit der beispielsweise ein elektrisches Signal, welches
in Abhängigkeit
von einem an die erste Membran angelegten Druck erzeugt wird, an
eine Auswerteschaltung weitergeleitet wird. Vorteilhafterweise ist
auf dem zweiten Bauelement wenigstens ein Teil einer elektrische
Schaltung in einem vierten Bereich untergebracht, wobei die Schaltung
durch einen dritten Bereich vom zweiten Bereich abgegrenzt sein
kann und/oder zur Auswertung der Widerstandsänderung der Piezowiderstände bei
Erfassung der Druckgröße dienen
kann. Durch eine Abgrenzung der elektrischen Schaltung bzw. der
elektrischen Baugruppen mittels Entspannungsnuten können thermisch-
oder stressinduzierte mechanische Spannungen unterdrückt werden,
die eventuell eine Messwertverfälschung
erzeugen könnten.
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Vorteilhafterweise
sind die Entspannungsnuten auf bzw. in dem zweiten Bauelement derart
ausgestaltet, dass thermisch und/oder mechanisch induzierte laterale
Ausdehnungen wenigstens eines Teils des ersten Bereichs an den Entspannungsnuten
enden und nicht auf den zweiten Bereich übergreifen. Weiterhin können die Entspannungsnuten
partiell unterbrochen sein, um Leiterbahnen vom ersten Bereich in
den zweiten Bereich führen
zu können.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung weist der erste Bereich des zweiten
Bauelements Aussparungen auf. Diese Aussparungen können dabei
so gewählt
werden, dass vorgebbare Strukturen im ersten Bereich übrig bleiben,
die mit der ersten Membran verbunden sind. Vorteilhafterweise werden,
wie bereits erwähnt,
laterale Spannungen, beispielsweise durch eine thermische Ausdehnung
der ersten Membran, durch die feste Verbindung auf den ersten Bereich übertragen.
Durch die spezielle Ausgestaltung der vorgebbaren Strukturen ist
es jedoch möglich,
dass die induzierten lateralen Spannungen schon im ersten Bereich
kompensiert werden. So ist beispielsweise möglich, die vorgebbaren Strukturen als
dünne mäanderförmige Stege
auszubilden, über die
zugleich eine Verbindung zur ersten Membran hergestellt werden kann.
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Vorteilhafterweise
sind auf wenigstens einem Teil der vorgebbaren Strukturen piezoelektrische
Widerstände
vorgesehen, die zur Erfassung der Druckgröße verwendet werden können. Darüber hinaus
ist jedoch möglich,
dass die vorgebbaren Strukturen selber Messwiderstände darstellen.
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Darüber hinaus
ist die Ausgestaltung des Halbleiterchips in einen dünnen ersten
Bereich mit der Membran und einen dickeren zweiten Bereich am Rand
des Halbleitersubstrats bei einer entsprechenden Ausgestaltung der
Abmessungen im Rahmen der Justierung des Halbleiterchips auf das
Stahlsubstrat vorteilhaft.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
das erste und das zweite Bauelement vor der Verbindung mit dem ersten
Verbindungsmaterial separat prozessiert werden. Dies hat den Vorteil,
dass empfindliche Prozessschritte, die bei einem Bauelement notwendig
sind (z.B. Ätzen der
Kaverne, Erzeugen der Leiterbahnen und/oder der Schaltung), durchgeführt werden
können,
ohne durch Prozessschritte bei der Herstellung des anderen Bauelements
beeinträchtigt
zu werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw.
aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Zeichnungen
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In
der 1 ist ein Drucksensor aus einer Kombination verschiedener
Bauelemente als Stand der Technik dargestellt. 2 zeigt
eine Kombination eines Drucksensors aus einem Silizium- und einem Stahlsubstrat.
Ein gegenüber
der 2 modifizierter Drucksensor wird in 3 gezeigt. 4a stellt
die Aufsicht und 4b einen Querschnitt durch eine mögliche Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen Drucksensors
dar. Die 5a und 5b zeigen
anhand von Querschnitten unterschiedliche Ausdehnungsverhalten der
Halbleiter-/Stahlsubstrate. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung
ist in der Aufsicht 6a bzw. im Querschnitt 6b dargestellt.
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Ausführungsbeispiel
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Ein
in 1 dargestellter Sensoraufbau stellt den Stand
der Technik dar. Dabei ist ein Sensorchip 1 auf einer Glaszwischenschicht
bzw. einem Glassockel 2 aus natriumhaltigem Glas anodisch
gebondet. Der Glassockel 2 ist auf der Rückseite
metallisiert und auf einem Metallsockel 4 (bspw. einem TO8-Sockel)
mit Lot 3 befestigt. Der Sensorchip 1 aus dem
Stand der Technik kann dabei aus einer reinen Widerstandsbrücke mit
piezoresistiven Widerständen 6 oder
verbunden über
Leiterbahnen kombiniert mit einer Auswerteschaltung 7 bestehen,
die zusammen mit den Piezowiderständen 6 in einem Halbleiterprozess
auf dem Sensorchip 1 integriert werden. Die piezoresistiven
Widerstände 6 und/oder
die Auswerteschaltung 7 werden über mindestens einen entsprechenden
Bonddraht 8 zu einem Anschluss 5 weitergeführt, der
eine Weiterleitung der Messsignale zu Steuer- und Regeleinrichtungen
ermöglicht.
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Die
Membran wird bei dem in 1 dargestellten Drucksensor
nach dem Stand der Technik durch anisotropes Ätzen z.B. mit KOH oder TMAH hergestellt.
Bei einer Anwendung des Drucksensors im Bereich hoher Drücke kann
es bei dem geschilderten Sensoraufbau jedoch zu einer verkürzten Lebensdauer
kommen, da diese Bauweise lediglich für niedrige bis mittlere Druckbereiche
ausgelegt ist. Charakteristisch sind dabei beispielsweise kleine Übergangsradien
zwischen Kavernenflanke und Membran. Diese Übergangsradien sind vor allem
bei zeitgeätzten
Membranen besonders klein. Durch diese kleinen Übergangsradien ergeben sich
am Übergang
hohe mechanische Spannungen, die die Berstfestigkeit herabsetzen.
Weiterhin ergibt sich durch das anisotrope Ätzen eine typische Kaverne 9 mit
flachen Kavernenwände,
die Steigungen von 54° aufweisen.
Diese flachen Kavernenwänden
bieten dem angelegten Druck eine sehr große Angriffsfläche, auf die
das unter Druck stehende Medium Kraft auf den Siliziumchip 1 auswirken
kann. Gleichzeitig wird, wie in 1 dargestellt,
bei dem Ätzprozess
mit den flachen Kavernenwände
im Siliziumchip 1 auch die Bondfläche (Verbindungsfläche Silizium-Glas)
kleiner, wodurch die Flächenbelastung
noch erhöht
wird. Beide Punkte (große
Fläche
der Kavernenwände
und kleine Bondfläche)
führen
zu einer geringeren Berstfestigkeit. Die bei diesem Übergang
Silizium – Glas entstandene
Stufe (Bereich 13 in 1) führt bei Druckbelastungen
zu hohen mechanische Spannungen im Glas, welches ebenfalls die Berstfestigkeit vermindert.
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Wie
bereits geschildert, ist ein Drucksensor, wie er in 1 dargestellt
ist, nicht für
hohe Drücke geeignet,
da zwischen dem Siliziumchip 1 und dem Glassockel 2 aufgrund
des angreifenden Drucks und/oder aufgrund thermisch unterschiedlicher
Ausdehnungskoeffizienten hohe Spannungsdifferenzen auftreten können, die
den Anwendungsbereich des Drucksensors einschränken.
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Um
höhere
Drücke
erfassen zu können, kann
deshalb in einer besonderen Ausgestaltung eines Drucksensors ein
Halbleiterchip bzw. ein Halbleitersubstrat 201 auf ein
Stahlsubstrat 200 aufgebracht werden, wie es in 2 dargestellt
ist. Das Stahlsubstrat 200 weist dabei eine Stahlmembran 210 und
einen Hohlraum 260 auf. Auf die Stahlmembran 210 wird
ein Kleber bzw. Lot (z.B. Sealglas) aufgebracht, welches das Halbleitersubstrat 201 mit
dem Stahlsubstrat 200 verbindet. Aus der Darstellung der 2 ist
zu erkennen, dass das Halbleitersubstrat grob in zwei verschiedenen
Bereiche 240 und 250 eingeteilt werden kann. Dabei
wird ein dünner
Bereich 250 von einem dickeren Bereich 240 eingerahmt.
Dieser dünne
Bereich 250 bildet eine Art Membran, die mittels des Klebers
bzw. des Lots 220 fest mit der Stahlmembran 210 verbunden
wird. Durch ein vorzugsweise weiches zweites Verbindungsmaterial 230 wird
darüber
hinaus der dickere Bereich 240 des Halbleitersubstrats
ebenfalls mit dem Stahlsubstrat 200 verbunden. Da in diesem
Bereich des Halbleitersubstrats 201 jedoch optional integrierte
Schaltungen, beispielsweise zur Unterstützung der Auswertung der Druckmesssignale,
aufgebracht werden, die über
eine Bondverbindung beispielsweise mit Bonddraht (siehe 5, 7 und 8 in 1) elektrisch
weiterverbunden werden, ist vorgesehen, als zweites Verbindungsmaterial 230 ein
sog. duktiles Material zu verwenden, welches unter Druck hart wird,
ansonsten jedoch weich bleibt. Somit kann eine Übertragung von thermisch bedingten
lateralen Spannungen vom Sockel des Stahlsubstrats 200 auf den
dickeren zweiten Bereich des Halbleitersubstrats 201 vermieden
werden.
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Wird
das Medium, dessen Druck mit dem Drucksensor bestimmt werden soll,
in den Hohlraum 260 eingelassen, so verbiegt sich die Stahlmembran 210,
die Verbindungsschicht 220 und die Halbleitermembran im
Bereich 250 derart, dass Piezowiderstände 6 auf der Halbleitermembran
die Verbiegung elektrisch erfassen können. Die so erfasste Druckgröße kann
dann mittels Leiterbahnen zu elektrischen Schaltungen 7 oder
andersartigen Auswerteeinheiten weitergeleitet werden.
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Wird
als Halbleitersubstrat 201 beispielsweise Silizium verwendet,
so kann die Halbleitermembran im Bereich 250 wie bereits
erwähnt,
durch einen anisotropen Prozess erzeugt werden. Da dabei typische
schräge
Kavernenwände
entstehen, kann es dazu kommen, dass zwischen Kavernenwand und Stahlsubstrat 200 ein
Hohlraum 270 entsteht. Um unnötige Fehlerquellen bei der
Erfassung der Drücke
zu vermeiden ist deshalb vorzusehen, dass das Ausbringen des Halbleitersubstrats 201,
insbesondere des Siliziumsubstrats auf das Stahlsubstrat im Vakuum
erfolgt. Daneben kann jedoch auch das Anbringen von Entlüftungslöchern im
Stahlsubstrat oder das vorsehen von Aussparungen beim Aufbringen des
Verbindungsmaterials 230 eine entsprechende Lösung des
Problems darstellen.
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Die
Membran 210 und/oder das Substrat 200 können in
einer weiteren Ausführungsfom
der Erfindung z.B. auch aus Keramik, Invar oder Kovar (einer Eisen-Nickel-Legierung)
bestehen.
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Eine
etwas andere Ausgestaltung eines aus Halbleitersubstrat und Stahlsubstrat
kombinierten Drucksensors ist in 3 dargestellt.
Bei dem Halbleitersubstrat 301, wie er in 3 dargestellt
ist, wird zur Herstellung der Membran 370 das Halbleitermaterial
im Bereich 350 durch einen Trenchprozess erzeugt. Dabei
entstehen nahezu senkrechte Kavernenwände, die in Verbindung mit
ebenfalls senkrechten Wänden
des Stahlsubstrats 200 im Vergleich zum Ausführungsbeispiel
in 2 kleinere Hohlräume 310 entstehen
lassen. Darüber
hinaus wurde im Halbleitersubstrat 301 zwischen den Bereichen 340 und 350,
die den Bereichen 240 und 250 der 2 entsprechen,
ein weiterer Bereich 360 eingeführt, der Entlastungs- bzw.
Entspannungsnuten 300 aufweist. Die Entlastungsnuten 300 lassen
sich dabei ebenso wie die Membran 370 im Bereich 350 durch
bekannte Verfahren der Halbleitertechnologie herstellen. Bevorzugt
werden dabei anisotrope Plasmaätzprozesse wie
beispielsweise das Trenchätzen
eingesetzt.
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Problematisch
ist bei einem Drucksensor nach einem der 2 und 3,
dass sich die Temperaturausdehnungskoeffizienten (TK) des Materials des
Halbleitersubstrats 201 bzw. 301 sehr stark von dem
des Stahlsubstrats 201 unterscheiden können. Diese starken Unterschiede
beispielsweise von Silizium und Stahl führen zu hohen mechanischen
Spannungen im Bereich der Einspannung der Siliziummembran 370.
Dehnt sich die Stahlmembran 210 über die Temperatur aus, so
wird die sehr dünne
Siliziummembran 370, die über das Lot 220 starr
mit der Stahlmembran 210 verbunden ist, gezwungen, sich ebenfalls
auszudehnen. Aufgrund der elastischen Eigenschaften dünner Siliziumschichten
kann die Membran 370 im Bereich 350 diese Dehnungen nachfolgen.
Der Rand des Siliziumchips 301 ist jedoch viel dicker als
die Siliziummembran 370, so dass er sich durch den kleineren
TK weniger stark ausdehnt. Durch die unterschiedliche Ausdehnung entsteht
am Übergang
der Siliziummembran 370 zum Rand des Siliziumchips 301 eine
hohe mechanische Spannung, die zur Zerstörung der Membran führen kann.
Um dies zu vermeiden wird im erfindungsgemäßen Aufbau nach 3 im
Gegensatz zum Aufbau nach 2 eine Entlastungsnut
im Siliziumsubstrat 301 zur Unterdrückung von thermisch induzierten
Spannungen im Silizium verwendet. Diese Entlastungsnut ist dabei
vorzugsweise als Vertiefung im Silizium vorgesehen, die weitestgehend
den gesamten Membranbereich 350 umläuft.
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Üblicherweise
werden, wie in 4a gezeigt, auf der Halbleitermembran 400 piezoresistive Widerstände 430 aufgebracht,
die beispielsweise in Form einer Wheatstone-Brücke bei einer Verformung der
Membran 400 unterschiedliche Beiträge zur Ermittlung der Druckgröße liefern.
Um die piezoresistiven Widerstände 430 elektrisch
mit einer Auswerteschaltung zu verbinden, werden Leiterbahnen 450 , beispielsweise
durch typische mikromechanische Strukturierungsprozesse, auf die
Oberfläche
des Halbleitersubstrats 401 gebracht. Zur Führung der Leiterbahnen 450 über die
Oberfläche
des Halbleitersubstrats 401 ist dabei eine geschickte Anordnung der
Entlastungsnuten 420 und 440 notwendig. 4a zeigt
eine spezielle Ausgestaltung einer derartigen Anordnung mit einer
inneren Entlastungsnut 440 und einer äußeren Entlastungsnut 420,
zwischen denen die Leiterbahn 450 von dem Membranbereich 400 auf
den Schaltungsbereich 410 am Rand des Halbleitersubstrats 401 geführt werden
kann. Auf dem Schaltungsbereich 410 können Teile der Auswerteschaltung
oder sonstige integrierte Schaltungen 460 untergebracht
werden, die ebenfalls durch Entlastungsnuten 470 isoliert
werden können.
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In
einem Querschnitt entlang der Linie AA' durch die Anordnung in 4a kann
in 4b ein der 3 ähnlicher
Aufbau des Drucksensors gezeigt werden. Auf dem Stahlsubstrat 200 mit
der Stahlmembran 210 ist ein Halbleitersubstrat bzw. ein Halbleiterchip 401 mit
dem Membranbereich 400 über
ein Verbindungsmaterial 220 fest aufgebracht. Die Entlastungsnuten 420 und 440 sind
wie im markierten Bereich 465 dargestellt als Vertiefungen
im Halbleitersubstrat 401 eingebracht. Auch der Bereich der
optionalen Auswerteschaltung kann mit einer Stressentkopplung vor
mechanischem Einfluss geschützt
werden.
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In 5a wird
die Wirkungsweise der Entlastungsnuten bildlich dargestellt. Durch
die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten (TK) des
Stahls 200 und des Halbleitermaterials entsteht bei Ausdehnung
des Stahlmembran 210 ein thermisch eingekoppelter Stress
in der Halbleitermembran 500 in Richtung des Pfeils 525.
Da sich der Rand des Halbleitersubstrats 510 aufgrund des
gegenüber
dem Stahl geringeren Temperaturausdehnungskoeffizienten (TKStahl > TKHalbleiter(z.B. (Silizium)) weniger ausdehnt,
kann es zu Spannungsdifferenzen und zu einer Beschädigung der
Membran, besonders an der Membraneinfassung kommen. Durch die Entspannungsnuten 530 und 550 wird
die so erzeugte thermisch induzierte Spannung nicht auf den Rand des
Halbleitersubstrats 510 übertragen. Dies wird dadurch
verhindert, dass die Halbleitermembran 500 die Möglichkeit
hat, sich parallel zur Oberfläche
auszudehnen, wobei sich der Übergang 540 von
der Membran zur Entlastungsnut 530 verschiebt und so die
Dehnung kompensiert. Wird dagegen wie in Figur 5b gezeigt,
eine vertikale Dehnung der Halbleitermembran 500 erforderlich,
beispielsweise durch einen bestimmungsmäßigen Gebrauch der Stahlmembran 210 im
Rahmen einer Drucksensierung, so verbleibt der Übergang 540 in seiner
Position.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung ist in 6a dargestellt. Der Messwiderstand 600, der
vorzugsweise als piezoresistiver Widerstand vorgesehen ist, ist
als Siliziummäander
mit einem oder mehreren Schleifen ausgeführt. Solche Mäander können dadurch
hergestellt werden, dass zunächst eine
durch die Einrahmung 670 begrenzte Membran erzeugt wird,
die anschließend
mit entsprechender Strukturierung lokal durchgeätzt wird, bevorzugt mit anisotropen
Plasmaätzprozessen.
Dabei entstehen über
der Stahlmembran 210 liegende strukturierte Halterungen,
wie sie beispielhaft anhand 610, 630 und 660 in 6a dargestellt
werden, die den piezoresistiven Widerstand 600 tragen.
Es kann jedoch auch in einer besonderen Ausgestaltung vorgesehen sein,
die Halterungen direkt als piezoresistive Widerstände bzw.
als Messwiderstände
zu konzipieren. Zwischen den Halterungen 610, 630 und 660 ist
die Membran, die durch die Einrahmung 670 begrenzt wird
z.B. durch einen Trenchätzprozess
bis zum Stahlsubstrat 200 geöffnet. Dabei ist insbesondere vorgesehen,
dass die Wiederstandsstruktur 600 über der Stahlmembran 210 verläuft. Im
Querschnitt der 6b entlang der Linie BB' der 6a ist
zu erkennen, dass die Membran 640 keine durchgehend geschlossene
Oberfläche
aufweist.
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Ähnlich wie
mit den Spannungsentlastungsnuten 420 und 440 können mit
der Mäanderform 600 thermisch
induzierte Spannungen abgebaut werden. Darüber hinaus kann optional vorgesehen
sein, dass die Halterungen an Stegen 660 befestigt werden
können.
Eine Kombination von mäanderförmigen Widerständen und
Entlastungsnuten ist möglich,
wodurch die beste Entkopplung erreicht werden kann. Weiterhin ist
eine Ausgestaltung der Befestigungsstege als Mäander denkbar, wie es im Bereich 610 dargestellt wird.
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Neben
den in den 4a und 6b skizzierten
rechteckigen Membranen können
selbstverständlich
auch anders geformte Membranen für
die Darstellung der Erfindung genutzt werden. Weiterhin ist die
Ausgestaltung des Halbleiterchips in einen dünnen ersten Bereich mit der
Membran und einen dickeren zweiten Bereich am Rand des Halbleitersubstrats
bei einer entsprechenden Ausgestaltung der Abmessungen bei der Justierung
des Halbleiterchips auf das Stahlsubstrat vorteilhaft.