DE102004044138A1

DE102004044138A1 - Nadelförmiger Kraftsensor

Info

Publication number: DE102004044138A1
Application number: DE200410044138
Authority: DE
Inventors: Gert Lindemann; Gottfried Flik; Torsten Ohms; Oliver Stoll; Michael Knauss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2004-09-13
Publication date: 2006-03-30
Also published as: ITMI20051665A1; FR2875300A1

Abstract

Es wird ein nadelförmiger Kraftsensor mit einem Sensorelement vorgestellt, wobei das Sensorelement aus einem ersten Silizium-Substrat mit mindestens einem auf ersten dem Siliziumsubstrat ausgebildeten Piezoelement, dessen Kontaktierung über Metallleiterbahnen in Richtung der Nadelform zu entsprechenden, an dem Piezoelement gegenüberliegenden Ende des nadelförmigen Sensors angeordneten Kontaktpads geführt sind, einer über dem Piezoelement und den Metallleiterbahnen abgeschiedenen Schutzschicht, wobei das Piezoelement und die Kontaktpads in die Schutzschicht eingebracht sind, und einem auf der Schutzschicht aufgebondeten zweiten Silizium-Substrat besteht, wobei das zweite Silizium-Substrat die Kontaktpads frei lässt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1 und 14.

Auf dem Markt werden verschiedene Sensoren bspw. zur on-line Bestimmung des Brennraumdruckes angeboten. Diese Systeme stellen jedoch keine Serienprodukte dar und werden aus Kostengründen im allgemeinen nur für Prüf- und Messzwecke im Bereich der Diagnose oder Entwicklung eingesetzt.

Die Möglichkeit zur Bestimmung des Brennraumdruckes im normalen Fahrbetrieb eröffnet neue Möglichkeiten des Motormanagements. Von Motormanagement-Systemen auf Basis des Brennraumdruckes werden multiple Nutzen erwartet. Hier sind beispielsweise, die Reduzierung von Emissionen (hauptsächlich NO_x und Partikel beim Dieselmotor) zu nennen. Zudem ist eine on-line-Diagnose des Motors auch zur Erkennung und Vermeidung von Motorfehlern machbar.

Als Spezifikationen für potenzielle Brennraumdrucksensoren sind nur grobe Vorgaben vorhanden, die zudem stark von der Applikation abhängen. Aufgrund der räumlichen Enge am Zylinderkopf moderner 4-Ventil-Motoren ist entweder die Baugröße des Sensors stark limitiert oder eine Integration in bereits vorhandene Bauteile wie Glühkerze, Zündkerze oder Injektoren gefordert. Der zu detektierende Druckbereich liegt im Fall eines Dieselmotors bei maximal 250 bar (plus ca. 100 bar Überlastfähigkeit). An der Sensorspitze können Temperaturen von bis zu 600°C auftreten. Zur optimalen Nutzung eines solchen Sensors, wird zudem eine dynamische Auflösung bis 20 kHz gefordert. Die geforderte Genauigkeit des Sensors variiert zwischen 0.25 und 5% FS je nach zugehöriger Zielanwendung und Kundenforderung. Weiterhin existieren sehr strikte Forderungen nach möglichst geringen Kosten des Produktes. Diese werden nicht zuletzt die Marktfähigkeit des Produktes gegenüber Alternativlösungen bestimmen.

Derzeit am Markt existierende Sensoren arbeiten optisch. Die Verbiegung einer unter Druck stehenden Membran wird über die Veränderung der Intensität eines auf der Membranrückseite reflektierten Lichtstrahles faseroptisch bestimmt. Bei den Sensoren handelt es sich jedoch um Einzelanfertigungen und es bestehen noch offene Fragen bei der technischen Realisierung, insbesondere im Hinblick auf Stabilität und Zuverlässigkeit und der Serienfertigbarkeit.

Attraktiv sind Lösungen auf der Basis von piezoelektrischen Materialien unter Verwendung eines massiven Sensorelements, bspw. einer ferroelektrischen Keramik (PZT-Pressling) oder eines Quarz-Einkristalls. Die Curietemperatur sollte signifikant oberhalb der max. Einsatztemperatur liegen.

Bezüglich der Aufbautechnik eignen sich piezokeramische Sensorelemente gut zur Integration in vorhandene Bauteile, da sie der Innenform z.B. der Glühstiftkerze angepasst werden können. Solche Aufbautechniken lassen Kostenvorteile erwarten. Nachteile liegen in der Einschränkung des Temperaturbereichs und der reduzierten Lebensdauerstabilität bei mechanischer Vorspannung. Hinzu kommt, dass in einer kraftmessenden Anwendung die Messgenauigkeit hauptsächlich durch den Einbauort (z.B. hinterer Bereich der Glühstiftkerze) beeinflusst wird. Die Kraft wird hier zwangsläufig nur mit Verlusten durch Reibung und Kraftnebenschlüssen auf das Piezomaterial übertragen.

In diesem Zusammenhang wird offensichtlich, dass der Einfluss der Montage und des Aufbaus des Sensorelementes beträchtlichen Einfluss auf die Performance des Sensormoduls hat. Die Herausforderung liegt also im Design ausreichend empfindlicher Sensorelemente für eine kostengünstige Aufbau- und Verbindungstechnik mit geringen bzw. ausreichend gut abgleichbaren Quereinflüssen von Störgrößen auf das Sensorsignal und dessen Stabilität über Lebensdauer. Dies ist insbesondere bei den Einsatzbedingungen von Brennraumdrucksensoren zu beachten.

Die WO 92/01914 beschreibt einen Druckgeber zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftmaschinen, bei dem in einem Gehäuse ein aus einem piezoresistiven Werkstoff bestehendes Sensorelement und zwischen einer Membran und dem Sensorelement ein Stempel angeordnet ist, der den zu bestimmenden Druck auf das Sensorelement leitet. Dabei befindet sich das Sensorelement und ein Hybrid mit seinem Träger auf einem Gegenlager des Stempels.

Aus der WO 92/01912 ist ein solcher Druckgeber bekannt, bei dem mindestens das dem piezoresisitiven Element zugewandte Ende des Stempels aus einem relativ weichen Material besteht.

Diese Lösungen haben den Nachteil, dass solche Sensoren durch den Stempel sehr viel Platz verbrauchen. Außerdem ist die Stempelfertigung mit den notwendigen Toleranzen sehr kostenintensiv und erfordert eine genaue Justage.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine einfache und kostengünstige Lösung für Sensorelemente und zugehöriger Aufbau- und Verbindungstechnik zur Brennraumdruckmessung zur Verfügung stellen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Kraftsensor hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass er sehr wenig Platz verbraucht.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass im Falle der Verwendung von SOI-Substraten keine thermische Abkopplung notwendig ist.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die erfindungsgemäßen Sensorelemente in einer Batch-Fertigung sehr preiswert herzustellen sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1A bis 1C schematisch den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Sensors mit piezoresistivem Wandler;
2A bis 2C schematisch eine weitere Ausführungsform des Sensors in 1;
3A und 3B schematisch den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Sensors mit piezoelektrischem Wandler; und
4 schematisch die Anordnung erfindungsgemäßer Sensoren auf einem Wafer und den Vereinzelungsprozess.
Ausführungsbeispiele
Es können Sensorelemente mit piezoresistivem Si-Wandler und solche mit piezoelektrischem Si-Wandler hergestellt werden. Der Aufbau der beiden Varianten wird im folgenden beschrieben.
Sensorelement mit piezorestivem Wandler
Der Schichtaufbau ist in 1A gezeigt. Ausgangspunkt ist ein Siliziumsubstrat, insbesondere ein SOI (Silicon an Insulator)-Substrat 10. In der obersten Schicht 11 (Funktionsschicht) kann durch einen Trenchprozess mindestens ein Piezoelement 12, z.B. eine piezoelektrische Schicht oder ein Piezowiderstand, hergestellt werden. Eine typische Dicke der Schicht und damit der Piezoelemente ist etwa 1 μm. Die Piezoelemente 12 werden über Metallleiterbahnen 13 kontaktiert, welche in dem länglichen, nadelförmigen Sensordesign nach hinten, d.h., zu der den Piezoelementen abgewandten Seite, zu entsprechenden Kontaktpads 14 geführt werden. Anschließend wird eine Schutzschicht 15 (bspw. ein Schutzoxid wie SiO₂ oder dgl., oder SiC, SiN, etc.) über der Schicht 11 abgeschieden, um die Piezoelemente 12 und die Metallleiterbahnen 13 zu vergraben. Danach wird zur Darstellung eines Pre-Packages ein weiteres, vorstrukturiertes Silizium-Substrat 16 anodisch aufgebondet. Dieser „Kappen-Wafer" 16 muss an der Stelle der Kontaktpads, also jeweils am hinteren, d.h., dem den Piezoelementen abgewandten Ende der nadelförmigen Sensorelemente eine Öffnung aufweisen bzw. die Kontaktpads freilassen. Die Öffnung kann bspw. durch KOH-Ätzen oder einen Bulk-Trenchprozess über die gesamte Waferdicke hergestellt werden.
Die Sensornadeln werden durch einen Sägeprozess vereinzelt. Dadurch können sehr viele Sensoren aus einem Wafer hergestellt werden. Eine Aufsicht auf einen Ausschnitt eines Wafers 40 ist in 4 gezeigt. Die Sensoren 42 sind alternierend angeordnet, so dass der „Kappen"-Wafer durch die Löcher nicht zuviel an Stabilität verliert. Die Sägestrassen 44 sind rot markiert.
Da Silizium etwa gleich große piezoresistive Koeffizienten in longitudinaler und transversaler Richtung mit unterschiedlichen Vorzeichen besitzt, liefert es bei hydrostatischer Druckbeaufschlagung lediglich ein minimales Signal. Eine direkte Druckbeaufschlagung der Nadelspitze durch Kontakt zum Medium ist damit nicht sinnvoll.
Für eine vernünftige Signalausbeute, d.h., eine Signalausbeute, die deutlich über der von z.B. Dünnschichtsensoren liegt, ist daher eine Symmetriebrechung notwendig. Diese kann beispielsweise mit dem in den 2A und 2B gezeigten Aufbau erreicht werden.
Die Si-Nadel (Sensorelement) 20 ist dabei mit einem steifen Material 21, z.B. Sealglas, in ein Gehäuse 22, das bspw. aus Stahl besteht, eingegossen. Das Füllmaterial dient dabei zur Übertragung der Kraft. Die Symmetriebrechung wird durch eine entsprechende ringförmige lokale Abdünnung 23 des Stahlgehäuses 22 hergestellt. Dies kann entweder radial im Bereich der Piezowiderstände 12 geschehen (2A) oder aber durch Herstellen einer Membran 24 auf der Stirnseite 25 des Stahlgehäuses 22 (2B). Dadurch wird eine Vorzugsrichtung, bspw. für die Messung des Drucks p (vgl. Pfeile in 2B) geschaffen.
Im zweiten Fall wird die Nadelspitze 26 mit dem Piezoelement 22 möglichst nahe an der Stirnseite 25 des Gehäuses 22 platziert.
Eine hydrostatische Druckbeaufschlagung durch direkte Platzierung des sensitiven Bereiches (Piezoelement 12) im Medium, bspw. Benzin, Diesel oder Luft, ist, trotz der beschriebenen Eigenschaft von Silizium, mit der in 1C gezeigten Modifikation möglich, wobei 1C einen Schnitt entlang der Linie A-A der 1B darstellt. Dabei wird der Kappenwafer 16 über eine Rückseitenlithographie und einen Trenchprozess so strukturiert, dass im Bereich der Piezowiderstände 12 ein Stempel 17 entsteht. Dieser drückt direkt auf die Piezoelemente 12. Die eingeschlossene Kaverne 18 ist evakuiert (Absolutdrucksensor). Die Metallisierung 19 dient der Kontaktierung der Piezoelemente, im vorliegenden Fall der Piezowiderstände. Der Sensor selbst kann dann wie in 2C gezeigt aufgebaut werden. Die Si-Funktionsschicht 11 mit den Piezowiderständen 12 sollte hierbei eine (110) Orientierung aufweisen (max. Sensitivität bei Belastung senkrecht zur Chipoberfläche). Zur Medientrennung wird hier nur der Nadelschaft 27 in eine Durchführung 21 (Sealglas) eingeglast, während sich die Nadelspitze mit dem sensitiven Element direkt im Medium befindet. Die Kontaktierung erfolgt ebenfalls im hinteren Bereich, d.h., im Bereich hinter der Dichtfläche (Metalleinfassung) mittels Wirebonden oder Flexfolie.
Bei Verwendung aggressiver Medien kann die Sensorspitze entsprechend passiviert werden. Interessant sind hierfür zum Beispiel SiC- oder DLC-Schichten. Damit ist auch eine direkte Platzierung der Nadelspitze z.B. im Brennraumgas möglich. Der große Vorteil des Nadelsensordesigns ist, dass der sensitive Bereich inklusive Zuleitungen hermetisch abgeschlossen ist.
Sensorelement mit einem Wandler aus piezoelektrischer Dünnschicht
Dieser Schichtaufbau ist in 3A gezeigt. Als Grundsubstrat 30 wird hierbei reines Silizium verwendet. Auf dieses bzw. auf eine geeignet strukturierte Metallisierung wird die piezoelektrische Dünnschicht 31 abgeschieden. Hierfür können zum Beispiel Sputterverfahren für texturiertes (c-achsenorientiertes) ZnO, AlN verwendet werden. Letztere Materialklasse gehört zu den nicht ferroelektrischen Piezoelektrika und verliert ihre piezoelektrischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen nicht. Aufgrund der Anisotropie der Piezokoeffizienten liefern solche Schichten auch bei hydrostatischer Belastung ein Signal. Damit ist eine Platzierung der Nadelspitze im Medium (z.B. Brennraum) ohne weitere Strukturierungsprozesse möglich.
Die Dünnschicht wird einschließlich der evtl. vorhandenen Metallisierung bspw. in Oxid 32 eingebettet. Anschliessend wird wieder ein Kappenwafer 33 anodisch aufgebondet, so dass der sensitive Bereich inklusive den Zuleitungen 34 zu den Kontaktpads 35 hermetisch abgeschlossen ist. Die Vereinzelung erfolgt ebenfalls durch sägen, wie in 4 gezeigt. Allerdings sind hier auf jedem Sensor zwei (statt der eingezeichneten vier) Kontaktpads ausreichend.
Alternativ zur oben geschilderten (viele Prozessschritte umfassenden) Dünnschichtlösung können einkristalline piezoelektrische Materialien verwendet werden (3B), die z.B. als Langasit 36 in Form von hexagonalen Wafern vorliegen. Nach Abscheidung, Strukturierung und Passivierung metallischer Elektroden 37 auf der Vorder- oder/und Rückseite, können die in eine Stahldurchführung 38 eingegossenen Langasitwafer 36 z.B. durch Sägen in Nadelsensoren vereinzelt werden (3B). Die Passivierung erfolgt durch Beschichten mit einer Schutzschicht 39, insbesondere einem Schutzoxid wie SiO₂, oder SiC, SiN und dergleichen.
Zur Druckmessung in aggressiven Medien kann es notwendig sein, eine Medientrennung über ein Stahlgehäuse herzustellen. In diesem Falle kann ein Aufbau analog zum piezoresistiven Nadelsensorelement in den 2A und 2B verwendet werden. Da das piezoelektrische Nadelsensorelement auch bei hydrostatischer Druckbeaufschlagung Signale liefert, kann jedoch auf die radiale Einkerbung zur Symmetriebrechung bzw. die Schaffung einer Membran verzichtet werden. Vorteilhafterweise kann eine Symmetriebrechung durch lokales Abdünnen des Stahlgehäuses zur Unterdrückung von Querempfindlichkeiten (Montagespannungen, Störgrössen) eingesetzt werden.
Für nichtagressive Medien bietet die in 3B gezeigte Ausführungsform eine aufwandsreduzierte Montage- und Aufbaumöglichkeit.
Der erfindungsgemäße Sensor kann selbstverständlich nicht nur zur Druckbestimmung im Brennraum eingesetzt werden, sondern bspw. auch als Hoch- und Mitteldrucksensor bei der Dieseleinspritztechnik (Common Rail), der Benzindirekteinspritzung, bei Bremssystemen (ABS, ESP) und die Sensornadel alleine darüber hinaus bspw. als Kraftsensor, z.B. bei der Bestimmung der Sitzkraft, etc. dienen.

Claims

Nadelförmiger Kraftsensor (100) mit einem Sensorelement, bestehend aus einem ersten Silizium-Substrat (10) mit mindestens einem auf dem ersten Siliziumsubstrat (10) ausgebildeten Piezoelement (12), dessen Kontaktierungen über Metallleiterbahnen (13) in Richtung der Nadelform zu entsprechenden, am dem Piezoelement (12) gegenüberliegenden Ende des nadelförmigen Sensors angeordneten Kontaktpads (14) geführt sind, einer über dem Piezoelement (12) und den Metallleiterbahnen (13) abgeschiedenen Schutzschicht (15), wobei das Piezoelement (12) und die Kontaktpads (14) in die Schutzschicht (15) eingebracht sind, und einem auf die Schutzschicht (15) aufgebondeten zweiten Silizium-Substrat (16), wobei das zweite Silizium-Substrat (16) die Kontaktpads (14) frei lässt.
Nadelförmiger Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Silizium-Substrat ein Silicon-on-Insulator (SOI)-Substrat ist.
Nadelförmiger Kraftsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (15) insbesondere aus SiO₂, SiC oder SiN besteht.
Nadelförmiger Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement eine piezoelektrische Schicht ist.
Nadelförmiger Kraftsensor nach einem der Ansprüch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement ein Piezowiderstand ist.
Nadelförmiger Kraftsensor nach einem vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement mit einem steifen Material (21) in ein Gehäuse (22) eingegossen ist.
Nadelförmiger Kraftsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das steife Material (21) Sealglas ist und das Gehäuse (22) aus Stahl besteht.
Nadelförmiger Kraftsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (22) radial im Bereich des Piezoelements (12) lokal abgedünnt ist.
Nadelförmiger Kraftsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (22) auf der Stirnseite (25) des Sensorelements im Bereich des Piezoelements (12) lokal abgedünnt ist.
Nadelförmiger Kraftsensor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich der mittlere Teil des Sensorelements mit einem steifen Material (21) in ein Gehäuse (22) eingegossen ist und der Bereich um das Piezoelement (12) frei bleibt.
Nadelförmiger Kraftsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Silizium-Substrat (16) strukturiert ist.
Nadelförmiger Kraftsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Siliziumsubstrat (16) so strukturiert ist, dass im Bereich der Piezoelemente (12) ein Stempel (17) gebildet wird.
Verwendung eines nadelförmigen Kraftsensors nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als Mitteldrucksensor im Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine.
Nadelförmiger Kraftsensor (200) mit einem Sensorelement, bestehend aus einem einkristallinen, piezoelektrischen Trägermaterial (36), wobei auf beiden Längsseiten des Trägermaterials (36) metallische Elektroden (37) zur Detektierung der Kraft und am den Elektroden (37) gegenüberliegenden Ende des Sensorelements Kontaktpads (35) zur Kontaktierung des Sensorelements angebracht sind, die durch eine passivierende Schutzschicht (39) geschützt sind, und wobei die Elektroden (37) und die Kontakpads (35) durch in der passivierenden Schutzschicht (39) geführte Metallleiterbahnen (40) verbunden sind.
Nadelförmiger Kraftsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement eine piezoelektrische Schicht ist.
Nadelförmiger Kraftsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement ein Piezowiderstand ist.
Nadelförmiger Kraftsensor nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Teil des Sensorelements mit einem steifen Material (41) in eine Durchführung (38) eingegossen ist und der Bereich um die Elektroden (37) frei bleibt.
Nadelförmiger Kraftsensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das steife Material (41) Sealglas ist und die Durchführung (38) aus Stahl besteht.
Nadelförmiger Kraftsensor nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (39) aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus SiO₂, Nitrid, SiC und SiN besteht.
Verwendung eines nadelförmigen Kraftsensors nach einem der Ansprüche 14 bis 19 als Mitteldrucksensor im Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine.