DE102004021041A1

DE102004021041A1 - Kombinierter Absolutdruck- und Relativdrucksensor

Info

Publication number: DE102004021041A1
Application number: DE102004021041A
Authority: DE
Inventors: Heinz-Georg Vossenberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-04-29
Filing date: 2004-04-29
Publication date: 2005-11-24
Also published as: FR2869600B1; FR2869600A1; JP2005315890A; ITMI20050726A1; US20050241400A1; US7270011B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen mikromechanischen Sensor zur Erfassung wenigstens eines ersten Drucks eines ersten Mediums bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen mikromechanischen Sensors. Dabei ist vorgesehen, dass der mikromechanische Sensor wenigstens ein Substrat mit wenigstens zwei Sensorelementen aus einem vorzugsweise halbleitenden Material aufweist. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass das Substrat wenigstens ein erstes Sensorelement zur Erfassung einer Absolutdruckgröße des ersten Mediums und ein zweites Sensorelement zur Erfassung einer Relativdruckgröße des ersten Mediums aufweist.

Description

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Drucksensor bzw. von einem Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Drucksensors bei dem ein Substrat wenigstens zwei Sensorelemente zur Druckerfassung aufweist.

Aus der DE 42 27 893 A1 ist ein Differenzdrucksensor bekannt, welcher zwei Halbleitermembranen aufweist. Die Halbleitermembranen sind jeweils auf der Oberseite mit miteinander verschalteten piezoresisitven Widerständen versehen. Zum Schutz der empfindlichen Sensorelemente sind die Oberseiten der Halbleitermembranen in einer gemeinsamen Referenzkammer angeordnet, die hermetisch dich abgeschlossen werden kann.

Neben der Erfassung eines Differenzdrucks ist aus dem Stand der Technik auch die Erfassung eines Absolutdrucks mittels mikromechanischer Drucksensoren bekannt. So wird beispielsweise in der DE 100 32 579 A1 die Herstellung eines solchen Absolutdrucksensors beschrieben, bei der eine Kavität und eine über der Kavität liegende Membran durch unterschiedlich porösizierte Bereiche mit anschließender thermischer Behandlung erzeugt wird. Eine Erweiterung dieses Prinzips wird in der DE 101 38 759 A1 beschrieben, in der unterschiedlich dotierte Bereiche zur Erzeugung der Kavität und der Membran verwendet werden.

Ein Verfahren, mit dem sowohl ein Differenz- als auch ein Absolutdrucksensor hergestellt werden kann, ist aus der DE 100 32 579 A1 bekannt. Dabei wird zunächst in einem ersten Schritt in einem Halbleitersubstrat eine erste poröse Schicht gebildet, wobei in einem zweiten Schritt über eine externe Zugangsöffnung ein Hohlraum bzw. eine Kaverne unter oder aus der ersten porösen Schicht in dem Halbleitersubstrat gebildet wird.

Die Erfassung der Drucksignale eines mikromechanischen Drucksensors kann ganz allgemein sowohl über kapazitive dielektrische Schichten als auch über piezoresistive Widerstände auf der Membran erfolgen. Dabei kann vorgesehen sein, dass in unmittelbarer Nähe des zur Erfassung des Drucksignals erforderlichen Sensorelements eine Auswerteschaltung auf dem gleichen Substrat wie das Sensorelement aufgebracht ist.

Vorteile der Erfindung

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen mikromechanischen Sensor zur Erfassung wenigstens eines ersten Drucks eines ersten Mediums bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen mikromechanischen Sensors. Dabei ist vorgesehen, dass der mikromechanische Sensor wenigstens ein Substrat mit wenigstens zwei Sensorelementen aus einem vorzugsweise halbleitenden Material aufweist. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass das Substrat wenigstens ein erstes Sensorelement zur Erfassung einer Absolutdruckgröße des ersten Mediums und ein zweites Sensorelement zu Erfassung einer Relativdruckgröße des ersten Mediums aufweist.

Vorteilhafterweise kann mit einem integrierten Absolut-/Relativdrucksensor eine gegenüber einem einfachen Drucksensor erreichbare Funktionalitätserweiterung kombiniert mit einer Kostenreduktion bzw. einer Zuverlässigkeitserhöhung erreicht werden. So besteht bei sicherheitsrelevanten Anwendungen die Möglichkeit, Sicherheits-/Plausibilitätsüberprüfungen der erhaltenen Daten durchzuführen. Dabei werden am selben Ort sowohl die relativen als auch die absoluten Druckdaten aufgenommen. Eine Messwertverfälschung durch unterschiedliche Messorte und/oder Temperaturen tritt nicht auf, die beispielsweise bei getrennten Sensorelementen in einem Doppelgehäuse oder zwei separaten Gehäusen möglich wären. Durch die unmittelbare Nähe der beiden Sensorelemente kann die Erfassung der Druckgrößen mit derselben Temperatur zu einer größeren Genauigkeit der Messungen gegenüber einer "Zweichiplösung" beitragen. Somit kann die vorgeschlagene Integration zwei Einzelsensoren ersetzen. Dies erlaubt ein hohes Einsparungspotenzial sowohl räumlich in der Aufbau- und Verbindungstechnik als auch bei den Chipkosten. Somit ist im Vergleich zu einem Zweisensorsystem (eventuell auch mit zwei unterschiedlichen Gehäusen) eine deutliche Verbesserungen der Zuverlässigkeit des Systems gegeben.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Sensorelement, welches die Absolutdruckgröße erfasst, unabhängig von dem zweiten Sensorelement, welches die Relativdruckgröße erfasst, angesteuert werden kann. Selbstverständlich kann vorgesehen sein, dass auch die Relativdruckgröße unabhängig von der Absolutdruckgröße erfasst werden kann. Durch eine geeignete Zuordnung von Auswerteschaltungen kann eine Auswertung der erfassten Druckgrößen der beiden Sensorelemente ebenso unabhängig voneinander erfolgen.

Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass das Substrat, welches die beiden Sensorelemente aufweist, wenigstens einen Teil einer Schaltung besitzt. Die Schaltung bzw. der Teil der Schaltung ist zum Betrieb wenigstens eines der Sensorelemente und/oder zur Erfassung und/oder zur Auswertung wenigstens einer der Druckgrößen vorgesehen. Dabei kann in einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass jedem Sensorelement wenigstens ein Teil einer Schaltung zugeordnet werden kann, sodass die Erfassung und/oder die Auswertung der Druckgröße der beiden Sensorelemente unabhängig voneinander erfolgen kann.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Sensorelement wenigstens eine Membran und/oder eine Kaverne und/oder einen piezoelektrischen Widerstand und/oder eine dielektrische Schicht aufweist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Kaverne einen gegenüber dem Umgebungsdruck des ersten Mediums konstanten Druck, vorzugsweise ein Vakuum, aufweist.

Weiterhin kann für das zweite Sensorelement vorgesehen sein, dass dieses wenigstens eine Membran und/oder einen piezosensitiven Widerstand und/oder eine geöffnete Kaverne aufweist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Kaverne von der Rückseite des Substrats, d. h. von der der Membran gegenüberliegenden Seite des Substrats geöffnet wird. Vorteilhafterweise kann ebenso vorgesehen sein, dass die geöffnete Kaverne ein zweites Medium mit einem zweiten Druck aufweist. Somit kann beispielsweise erreicht werden, dass an der Membran, die an der Kaverne angrenzt, sowohl der erste Druck des ersten Mediums als auch der zweite Druck des zweiten Mediums anliegt. Die Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck kann dann durch die Lageänderung bzw. Verbiegung der Membran erfasst werden. Vorteilhafterweise geschieht dies dadurch, dass auf der Membran piezoresistiven Widerstände aufgebracht sind.

Vorteilhafterweise wird der Absolutdrucksensor mittels Herstellungsprozessen der Oberflächenmikromechanik (OMM) und der Relativdrucksensor mittels Herstellungsprozessen der Bulk-Mikromechanik (BMM) erzeugt. So ist beispielsweise denkbar, eine dielektrische Schicht durch selektives Dotieren des Halbleitersubstrats herzustellen. Auch eine Öffnung der Kaverne des zweiten Sensorelementes ist durch einen mikromechanischen Herstellungsprozess, wie beispielsweise einem Trenchenätzprozess oder einem anders gearteten Ätzprozess denkbar. Neben den Sensorelementen kann jedoch auch die Schaltung bzw. wenigstens ein Teil der Schaltung durch einen mikromechanischen Herstellungsprozess erzeugt werden.

Allgemein kann vorgesehen sein, die mikromechanischen Schritte der Herstellung der verschiedenen Sensorelemente bzw. der Schaltungsteile aufeinander abzustimmen, wobei einzelne Prozessschritte gleichzeitig oder nacheinander durchgeführt werden können.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnungen

Die einzige 1 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen kombinierten Absolut-/Relativdrucksensors.

Ausführungsbeispiel
In der 1 ist an einem konkreten Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße Kombination eines Absolutdrucksensors 120 mit einem Relativdrucksensor 110 dargestellt. Dabei sind die Sensorelemente, die zur Erfassung der beiden Druckgröße erforderlich sind, in bzw. auf einem gemeinsamen Substrate 100 erzeugt worden. Da bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist, einen Relativdrucksensor bzw. einen Differenzdrucksensor 110 ebenso wie einen Absolutdrucksensor 120 mittels mikromechanischer Herstellungsprozesse aus einem Halbleitersubstrats 100 zu erzeugen, soll in der folgenden Beschreibung lediglich auf die Besonderheiten bei der Kombination der beiden Drucksensoren eingegangen werden. Im übrigen sei für die allgemeine Herstellung eines Absolutdrucksensors bzw. eines Relativdrucksensors mittels mikromechanischer Herstellungsprozesse auf den eingangs erwähnten Stand der Technik verwiesen.
Der Relativdrucksensor 110 besteht, wie aus der 1 ersichtlich, aus einer Membran 165 und einer Kaverne 145, die vorzugsweise mittels Herstellungsprozessen der Bulk-Mikromechanik (BMM) erzeugt werden. Die Kaverne 145 ist dabei zur Rückseite 104 des Substrats 100 geöffnet. Eine derartige Öffnung, wie sie in 1 abgebildet ist, lässt sich mittels geeigneter mikromechanischer Ätzverfahren und/oder Trenchprozessen herstellen. Bei Verwendung eines KOH Ätzprozesses sind dabei schräge Flankenwinkel der Kaverne zu beobachten, wohingegen sich beim Trenchen steilere Kavernenwände, wie sie durch die gestrichelten Linien 190 angedeutet sind, ausbilden. Zur Druckerfassung bzw. zur Bildung einer Druckgröße sind auf der Membran 165 piezoresistive Widerstände 135 aufgebracht. Dabei können diese piezoresistiven Widerstände 135 sowohl innerhalb des Halbleitermaterials das Substrats 100 in der Membran 165 als auch durch ein weiteres Material auf der Vorderseite 102 und/oder auf der Rückseite 104 des Substrats 100 auf der Membran 165 hergestellt werden.
Um die Beschaltung der piezoresistiven Widerstände 135 bzw. die Auswertung der erfassten Druckgröße zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass auf dem Substrat 100 eine Schaltung 155 erzeugt wird. Diese Schaltung 155 kann sowohl in das Substrat 100 integriert als auch separat auf das Substrate 100 aufgebracht werden. Auch eine (Teil-)Integration der Schaltung auf den Membranbereich 165 ist denkbar. Ebenso ist denkbar, dass lediglich Anschlusselemente auf dem Substrat 100 zur Weiterleitung der durch die piezoresistiven Widerstände 135 erfassten Druckgröße an eine externe Auswerteschaltung vorgesehen sind.
Der Absolutdrucksensor 120 wird im Vergleich zum Relativdrucksensor 110 vorzugsweise durch einen Oberflächen-Mikromechanischen Herstellungsprozess (OMM) erzeugt. Dabei wird unterhalb einer Membran 160 eine Kaverne 140 im Substrat 100 erzeugt. Ebenso wie der Relativdrucksensor 110 kann die Membran 160 mit piezoresistiven Widerständen 130 ausgestattet sein.
Alternativ hierzu kann jedoch bei dem Absolutdrucksensor 120 eine Erfassung der Druckgröße mittels Kapazitätsmessungen erfolgen. Dazu ist erforderlich, dass die Membran 160 und eine Schicht 170, die der Membran 160 gegenüberliegt, dielektrische Eigenschaften aufweisen. Weiterhin ist bei diesem alternativen Messprinzipien notwendig, dass die dem Absolutdrucksensor 120 zugeordnete Auswerteschaltung 150 mit der dielektrischen Schicht 170 über eine separate Verbindungsleitung 180 verbunden ist.
Allgemein erfolgt die Druckmessung beim Relativdrucksensor 110 derart, dass von der Vorderseite 102 ein erstes Medium mit dem Druck p1 und von der Rückseite 104 der Membran ein zweites Medium mit dem Druck p2 anliegt. Dabei kann durchaus vorgesehen sein, dass das erste und das zweite Medium identisch sind, jedoch unterschiedlichem Druck aufweisen können. Durch eine Druckdifferenz (p1 ungleich p2) zwischen den beiden Drücken wird die Membran 165 zur Seite des geringeren Drucks gebogen. Gleichzeitig mit der Membran 165 verbiegen sich auch die piezoresistiven Widerstände 135 bzw. eine auf der Membran 165 befindliche piezoresisitive Widerstandsschaltung und erzeugen damit eine zur Verbiegung bzw. zur Druckdifferenz proportionale elektrische (Druck-)Größe. Diese elektrische Druckgröße kann dann im folgenden mittels der Auswerteschaltung 155 weiterverarbeitet werden.
Die Erfassung der Druckgröße mittels des Absolutdrucksensors 120 erfolgt in ähnlicher Weise, wobei die Kammer 140 jedoch einen bei der Herstellung des Drucksensors vordefinierten Druck p0 aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Kammer 140 durch die Membran 160 bzw. das Substrat 100 hermetisch von der Umgebung abgeschlossen wird. Dabei ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Kammer 140 z.B. ein Vakuum oder einen definierten Druck (z.B. unter Verwendung spezieller Funktionsgase) enthält. Wie bereits geschildert, können piezoelektrische Widerstände 130 auf der Membran 160 eine Druckgröße proportional zur Druckdifferenz zwischen dem Druck p1 des ersten Mediums auf der Vorderseite 102 der Membran 160 und dem Druck p0 in der Kammer 140 erzeugen. Die so erzeugte Druckgröße kann dann in einer dem Absolutdrucksensor 120 zugeordneten Auswerteschaltung 150 zur Weiterverarbeitung aufbereitet werden.
Alternativ zur Erfassung der Druckgröße mittels piezoresisitver Widerstände 130 bzw. piezoresisitver Widerstandsschichten in oder auf der Membran 160 kann auch eine Kapazitätsmessung in Abhängigkeit der Membranbiegung erfolgen. Dabei ist jedoch erforderlich, dass die Membran wenigstens eine leitfähige (Teil-)Schicht aufweist. Durch die druckabhängige Verbiegung der Membran kann dann in einer der Membran 160 gegenüberliegenden Schicht 170, die ebenfalls wenigstens eine leitfähige (Teil-)Schicht aufweist, eine Änderung der Kapazität festgestellt werden.
Eine Möglichkeit, eine entsprechende leitfähige (Teil-)Schicht sowohl in der Membran 160 als auch unterhalb der Kaverne 140 zu erzeugen besteht darin, das halbleitende Material des Substrats 100 geeignet zu dotieren.
Zur Herstellung eines kombinierten Absolutdruck-/Relativdrucksensors können die mikromechanischen Herstellungsprozesse, die zur Herstellung eines einzelnen Drucksensors notwendig sind, kombiniert werden. So ist beispielsweise denkbar, die Membran 160 und die Membran 165 innerhalb des gleichen Herstellungsschritts zu erzeugen. Ebenso können die piezoresistiven Widerstände 130 und 135 bzw. die Schaltungen 150 und 155 parallel hergestellt werden.

Claims

Mikromechanischer Sensor zur Erfassung wenigstens eines ersten Drucks eines ersten Mediums, wobei vorgesehen ist, dass – der mikromechanische Sensor wenigstens ein Substrat (100) aus einem vorzugsweise halbleitenden Material und – das Substrat (100) wenigstens zwei Sensorelemente (110, 120) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – ein erstes Sensorelement (120) eine Absolutdruckgröße und – ein zweites Sensorelement (110) eine Relativdruckgröße des ersten Mediums erfasst.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absolutdruckgröße und die Relativdruckgröße unabhängig voneinander erfassbar und/oder auswertbar sind, wobei insbesondere eine gemeinsame Auswertung der Druckgrößen vorgesehen ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sensorelement (120) wenigstens – eine Membran (160) und/oder – eine Kaverne (140) und/oder – einen piezoelektrischen Widerstand (130) und/oder – eine dielektrische Schicht (160, 170) aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Kaverne (140) einen gegenüber dem Umgebungsdruck des ersten Mediums vorgebbaren Druck, vorzugsweise ein Vakuum, aufweist.
Sensor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (100) und/oder wenigstens die eine Membran (160, 165) wenigstens einen Teil einer Schaltung (130, 135, 150, 155, 180) aufweist, wobei die Schaltung zur Erfassung und/oder Auswertung wenigstens einer der Druckgrößen vorgesehen ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sensorelement (110) wenigstens – eine Membran (165) und/oder – einen piezosensitiven Widerstand (135) und/oder – eine geöffnete Kaverne (145) aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass – die Öffnung der Kaverne (145) auf die der Membran (165) gegenüberliegende Seite (104) des Substrats (100) führt und/oder – die geöffnete Kaverne (145) ein zweites Medium mit einem zweiten Druck aufweist, wobei vorgesehen ist, dass die Relativdruckgröße den Differenzdruck zwischen dem ersten und dem zweiten Druck repräsentiert.
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Drucksensors, insbesondere eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zur Erfassung wenigstens eines ersten Drucks eines ersten Mediums, wobei in einem Substrat (100), welches vorzugsweise aus einem Halbleitermaterial besteht, wenigstens – ein erstes Sensorelement (120) zur Erfassung einer Absolutdruckgröße und – in zweites Sensorelement (110) zur Erfassung einer Relativdruckgröße erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sensorelement (120) und das zweite Sensorelement (110) räumlich getrennt voneinander auf dem Substrat (100) erzeugt werden, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Sensorelemente (110, 120) durch mikromechanische Prozesse erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des ersten Sensorelements (120) wenigstens die Erzeugung – einer Membran (160) und/oder – einer Kaverne (140) und/oder – eines piezoelektrischen Widerstands (130) und/oder – einer dielektrischen Schicht (160, 170) aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass in der Kaverne (140) ein gegenüber dem Umgebungsdruck des ersten Mediums vorgebbaren Druck zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass – wenigstens ein Teil einer Schaltung (130, 135, 150, 155, 180) auf dem Substrat (100) und/oder auf wenigstens einer Membran (160, 165) und – eine elektrische Verbindung von der Schaltung zu wenigstens einem der beiden Sensorelemente (110, 120) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des zweiten Sensorelements (110) wenigstens die Erzeugung – einer Membran (165) und/oder – eines piezosensitiven Widerstands (135) und/oder – einer geöffneten Kaverne (145) aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Kaverne (145) durch einen Trenchprozess oder einen Ätzprozess von der der Membran (165) gegenüberliegenden Seite (104) des Substrats (100) geöffnet wird.