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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor sowie ein Verfahren
zu dessen Herstellung.
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Bei
einem kapazitiven Drucksensor werden in einem Halbleitersubstrat üblicherweise
mittels eines mikromechanischen Herstellungsverfahren Elektroden
zur Bildung eines Kondensators erzeugt. Dabei wird eine der Elektroden
derart erzeugt, dass sie gegenüber der anderen Elektrode
beweglich ausgestaltet ist. Typischerweise wird hierzu die Elektrode
in eine Membran integriert. Wird nun die Membran durch eine Druckbeaufschlagung
durchgebogen, verändert sich der Abstand der Kondensatorplatten und
somit die Kapazität des Kondensators. Diese Veränderung
kann im Rahmen eines Verstärkerbetriebs, bei dem der Verstärkungsfaktor
von der Kapazität des Kondensators abhängt, ausgenutzt
werden, um die Auslenkung der Membran auf einfache Weise kapazitiv
zu erfassen.
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Im
Vergleich zu Drucksensoren, die auf der Bildung eines Drucksignals
durch Piezowiderstände basieren, ist bei gängigen
kapazitiven Drucksensoren das Ausgangssignal in der Regel nicht
linear. Dies liegt u. a. daran, dass die Membran flexibel durchbogen
wird und somit eine auf die gesamte Kondensatorfläche bezogene
nichtlineare Abstandsänderung vorliegt. Eine mögliche
Abhilfe zur Ausschaltung der nichtlinearen Effekte stellt beispielsweise
die Verwendung von starren Elektroden dar.
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Ein
kapazitiver Drucksensor mit einer starren Elektrode ist beispielsweise
aus der
DE 10
2005 004 878 A1 bekannt, bei dem die obere Elektrode in
Form eines Stempels und die Gegenelektrode im Substrat ausgebildet
ist. Der so gebildete Kondensator weist ein streng druckproportionales
Verhalten der reziproken Kapazität auf, ohne dass Nichtlinearitäten
vorhanden wären. Es ist somit mit diesem kapazitiven Sensor
eine Druckerfassung ohne die sonst erforderliche Korrektur der Nichtlinearitäten
möglich.
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Vorteile der Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird ein kapazitiver Drucksensor sowie
eine Herstellung eines derartigen Drucksensors beschrieben. Dabei
besteht der kapazitive Drucksensor aus einer ersten Elektrode, die
in einer Membran integriert ist. Weiterhin ist eine zweite Elektrode
vorgesehen, die in einem der Membran gegenüber befindlichen
Gegenelement integriert ist. Der Kern der Erfindung besteht nun
darin, dass zur Erfassung des Drucksignals die erste Elektrode seitlich über
die zweite Elektrode bewegt wird.
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Durch
die starre Ausgestaltung der beiden Elektroden und der seitlichen
Bewegung der Elektroden zueinander kann vorteilhafterweise vermieden werden,
dass nichtlineare Effekte, die bei der Durchbiegung der Membran
auftreten, Auswirkungen auf die Abhängigkeit des angelegten
Drucks zum erzeugten Drucksignal haben.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen
der Membran und dem Gegenelement ein Hohlraum vorgesehen ist, wobei
die erste Elektrode als Ausstülpung der Membran in den Hohlraum
vorgesehen ist. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die
erste Elektrode einstückig mit der Membran ausgebildet
ist oder als selbständiges Element mit der Membran verbunden
ist.
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Vorteilhafterweise
ist die Ausstülpung bzw. die erste Elektrode als Stempel
ausgestaltet, die sich bei der Durchbiegung der Membran vertikal
in Richtung der zweiten Elektrode bewegt. Dabei ist insbesondere
vorgesehen, dass der Stempel derart ausgestaltet ist, dass er in
ein entsprechend gestaltetes Loch im Gegenelement passt und von
diesem bei der Auslenkung der Membran infolge eines Druckanstiegs
aufgenommen wird. Dabei ist jedoch zwischen dem Stempel und dem
Gegenelement ein ausreichender Abstand vorzusehen, so dass kein
mechanischer und/oder elektrischer Kontakt zwischen den beiden Elektroden
entstehen kann.
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Zur
Ausbildung der ersten Elektrode kann vorgesehen sein, um die Ausstülpung
herum eine elektrisch leitfähige Schicht anzuordnen. Vorteilhafterweise
umschließt dabei diese elektrisch leitfähige Schicht
die Ausstülpung komplett, wobei auch vorgesehen sein kann,
dass nur ein Teil mit dieser Schicht ausgestattet wird.
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Die
zweite Elektrode kann ebenfalls mittels einer elektrisch leitfähigen
Schicht erzeugt werden. Dabei wird diese Schicht im Gegenelement
ebenfalls weitestgehend ringförmig um das Loch bzw. die
Ausnehmung herum angeordnet.
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Eine
besondere Weiterbildung der Erfindung betrifft einen Relativdrucksensor,
bei dem sich im Ruhezustand des Sensors, d. h. ohne äußere
Einflüsse, die erste Elektrode bereits zum Teil in der
Ausnehmung des Gegenelements befindet. Dabei ist insbesondere vorgesehen,
dass sich eine Änderung der Lage der ersten Elektrode sowohl
in einer Erhöhung als auch in einer Erniedrigung der Kapazität
des Kondensators auswirken kann.
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Um
einen Absolutdrucksensor mit der vorliegenden Erfindung zu realisieren,
kann vorgesehen sein, den Hohlraum gegenüber der Umgebung
zu verschließen.
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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
den 1a bis 1c ist
eine erste Ausführung der Erfindung mit einem Stempel gezeigt, wohingegen
in den 2a und 2b ein
Ausführungsbeispiel mit mehreren Stempeln gezeigt wird. Die 3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Erfindung im Rahmen
eines Relativdrucksensor dargestellt wird.
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Ausführungsbeispiel
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Gemäß der 1 ist ein Querschnitt durch ein erstes
Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dabei wird
in einem Substrat 100 eine Ausnehmung 140 eingebracht,
die zur Bildung der zweiten Elektrode seitlich mit einer elektrisch
leitfähigen Schicht 160 versehen ist. Die Ausnehmung 140 ist dabei
derart ausgebildet, dass sie einen durch einen Hohlraum 130 beabstandeten
Anker 120 aufnehmen kann, der an einer Membran 110 befestigt
ist. Zur Realisierung der ersten Elektrode wird seitlich an dem Anker 120 ebenfalls
eine elektrisch leitfähige Schicht 150 erzeugt.
Die Kontaktierung der beiden Elektroden bzw. der beiden elektrisch
leitfähigen Schichten 150 und 160 kann über
spezielle Leiterbahnen im Substrat 100 bzw. in der Membran 110 erfolgen.
Optional kann hierbei vorgesehen sein, dass die Membran 110 mittels
einer zusätzlichen Isolationsschicht 170 elektrisch
vom Substrat 100 getrennt wird.
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In 1b ist
ein Querschnitt durch die Membran 110 entlang der Linie
AA' mit einer Aufsicht auf den Anker 150 dargestellt. Dabei
ist zu erkennen, dass in der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der
Anker 120 und die den Anker umgebende erste Elektrode in
Form der elektrisch leitfähigen Schicht 150 rund
bzw. als Ellipsoid ausgestaltet ist. Entsprechend kann die zweite
Elektrode 160 als runder oder ellipsoidenförmiger
Kapazitätsring am Rand der Ausnehmung 140 ausgebildet
sein.
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In
anderen Ausführungsformen kann der Anker jedoch auch jede
andere für diese Anwendung geeignete Form annehmen, wobei
dabei darauf zu achten ist, dass die Ausnehmung im Gegenelement entsprechend
angepasst wird, um die Abstände der beiden Elektroden möglichst
klein zu halten. Da der Abstand der Elektroden maßgeblichen
Einfluss auf die maximal erreichbare Kapazität hat, hat
dieser Abstand eine große Bedeutung, insbesondere die Einhaltung
eines konstanten Abstands bei der Bewegung der ersten Elektrode.
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Wie
in 1c dargestellt wird, wird die Membran 110 durchgebogen,
wenn auf den Drucksensor eine äußere Kraft in
Form eines Drucks 200 ausgeübt wird. Dabei taucht
der Anker 120 mit der ersten Elektrode 150 in
die Ausnehmung 140 mit der zweiten Elektrode 160 ein,
so dass die beiden Elektroden seitlich aneinander vorbei gleiten.
Beim Eintauchen des Ankers 150 in die Ausnehmung 140 verändert sich
die wirksame Fläche, die zur Bildung der Kapazität
C wirkt, wobei der Abstand zwischen der ersten Elektrode 150 und
der zweiten Elektrode 160 konstant gehalten wird. Je weiter
der Anker 120 in die Ausnehmung 140 eintaucht,
desto größer wird die wirksame Kapazitätsfläche.
Mit dieser vertikalen Bewegung der ersten Elektrode lässt
sich in einfacher Weise eine lineare Erhöhung der Kapazität
erzeugen.
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Zur
Erhöhung des Sensorsignals kann zum einen der Abstand der
beiden Elektroden sehr gering gehalten werden, um eine möglichst
große Kapazität, bzw. bei einer Bewegung der Membran
eine möglichst große Kapazitätsänderung
zu erhalten. Optional kann jedoch auch vorgesehen sein, die Kapazitätsfläche
bzw. das Signal mittels der Verwendung eines Ankers 220 bestehend
aus mehreren kleinen Ankern in Form eines Kapazitätsarrays 250 zu
erhöhen, wie es in 2a und
als Querschnitt durch die Membran 100 entlang der Linie
BB' in 2b dargestellt ist. Zur Aufnahme
des Kapazitätsarrays 250 sind im Gegenelement
des Substrats 100 entsprechende Ausnehmungen 240 vorgesehen,
die im Randbereich eine elektrisch leitfähige Schicht 260 zur
Bildung der zweiten Elektrode aufweisen. In dieser Ausführungsform
kann vorgesehen sein, dass das Kapazitätsarray 250 ebenfalls
eine elektrisch leitfähige Schicht aufweist oder vollständig
elektrisch leitfähig ausgestaltet sein kann.
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In
den Ausführungsformen gemäß der 1 und 2 kann
ein Druckausgleich zwischen dem Medium im Hohlraum 130 und
einem anderen Volumen durch die Ausnehmung 140 bzw. 240 vorgesehen sein.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, den Hohlraum 130 z.
B. durch eine zusätzliche Maßnahme im Rahmen der
Aufbau- und Verbindungstechnik abzuschließen und evtl.
zu evakuieren (siehe hierzu beispielhaft die 3).
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Eine
weitere Ausführungsform, bei der die Erfindung als Differenzdrucksensor
bzw. als Relativdrucksensor verwendet werden kann, soll anhand der 3 beschrieben
werden. Dabei wird die Membran 310 mit dem Anker 320 zum
Beispiel in Abhängigkeit vom dem geplanten Umgebungsdruck
derart vorgespannt, dass sich das Kapazitätsarray 350 bereits
zum Teil in der Ausnehmung 340 des Substrats 300 befindet.
Durch die Überlappung der elektrisch leitfähigen
Flächen der ersten Elektrode im Kapazitätsarray 350 und
der elektrisch leitfähigen Schicht 360 am Rand
der Ausnehmung 340 wird in diesem Zustand bereits ein Kapazitätssignal
erzeugt. Erhöht sich der auf die Membran 310 angelegt
Druck 200, so wird der Anker 320 und damit auch
das Kapazitätsarray 350 weiter in die Ausnehmung 340 hineinbewegt, so
dass eine größere aktive Fläche und damit
eine größere Kapazität erfasst wird.
Wird dagegen der Druck 200 verringert, so drängt
es die Membran 310 in die Ausgangslage, wodurch das Kapazitätsarray 350 sich
aus der Ausnehmung 340 herausbewegt. Die Folge ist eine
Reduzierung der aktiven Kondensatorfläche mit einem geringer
werdenden Kapazitätssignal. Durch eine Anpassung der Vorspannung an
den Umgebungsdruck kann der Drucksensor für verschiedene
Anwendungen speziell vorbereitet werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird in den Hohlraum ein
Fluid, z. B. ein Gas eingesperrt. Dies hat u. a. den Vorteil, dass über
die Einstellung eines gewünschten Drucks des Fluids im
Hohlraum die erste Elektrode vorgespannt werden kann bzw. die Lage
der ersten Elektrode bezüglich der zweiten Elektrode sehr
gut vorgegeben werden kann.
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Wie
bereits in den Ausführungsformen der 1 und 2 beschrieben, kann die Kontaktierung der beiden
Elektroden mittels nicht gezeigter Leiterbahnen innerhalb der Membran 310 und/oder
innerhalb des Substrats 300 erfolgen. Dabei kann auch vorgesehen
sein, die Membran 310 mittels einer speziellen Isolierschicht 370 elektrisch
vom Substrat 300 zu trennen. Zusätzlich kann ebenfalls
wie in der Ausführung gemäß der 1 vorgesehen, der Anker 320 nur
mit einer umlaufenden elektrischen Schicht und die Ausnehmung mit
einem einzigen Kapazitätsring versehen werden.
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Allgemein
wird die Empfindlichkeit des Sensors weitgehend durch die geometrischen
Parameter des Sensoraufbaus bestimmt. Hierzu gehören der Membrandurchmesser,
die Membrandicke, die Höhe der Kavität bzw. des
Hohlraums, die Eindringtiefe des Ankers in den Kapazitätsring
sowie die Dicke des Kapazitätsrings. Je nach Ausgestaltung
dieser Parameter kann somit die Empfindlichkeit und auch der Messbereich
des Drucksensors eingestellt werden.
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Zur
Herstellung des kapazitiven Drucksensors bzw. der ersten und der
zweiten Elektrode sind gängige mikromechanische Verfahren
vorgesehen. So ist beispielsweise denkbar, die Ausnehmungen 140, 240 oder 340,
den Hohlraum 130, die Membran 110 bzw. 310 sowie
des Ankers 120, 220 oder 320 mittels
nass- oder trockenchemischer Ätzverfahren (z. B. KOH-Ätzung,
Opferschichtätzung, Trenchverfahren) aus dem Substrat 100 bzw. 300 herauszustrukturieren.
Zur Erzeugung der Membran und/oder des Ankers ist jedoch auch ein
epitaktischer Prozess oder das Aufbringen eines separat erzeugten
Elements mittels eines Bondprozesses denkbar. Die elektrisch leitfähigen
Schichten der Elektroden können mittels einer entsprechenden
Dotierung bzw. dem Aufbringen einer leitfähigen Schicht,
beispielsweise einer Metallschicht erzeugt werden.
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Durch
eine geeignete Wahl der Herstellungsprozesse kann bei allen Ausführungsformen
die erste Elektrode einstückig mit der Membran ausgebildet oder
als separates Element an der Membran befestigt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0004]