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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Drucksensoranordnung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche
Drucksensoranordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist
aus der noch unveröffentlichten Patentanmeldung
DE 10 2007 012 060.7 eine
Sensoranordnung zur Druckmessung in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors
mit einem elektrisch leitenden Federelement und einem elektrisch
leitenden Gegenelement bekannt, wobei sich das Federelement und
das Gegenelement über einen Kontaktbereich in mechanischem
Kontakt befinden, wobei die Kontaktoberfläche des Federelements
ein anderes Krümmungsprofil aufweist als die Kontaktoberfläche
des Gegenelements, so dass eine Kraft- oder Druckeinwirkung, die
eine elastische Deformation des Federelements bewirkt, in einer
Größenveränderung des Kontaktbereichs
zwischen dem Federelement und dem Gegenelement resultiert. Eine
hochohmige Beschichtung auf einer der Kontaktoberflächen
bewirkt bei einer Größenveränderung des
Kontaktbereichs eine Veränderung eines elektrischen Widerstands
zwischen dem Federelement und dem Gegenelement, so dass die Kraft-
und/oder Druckeinwirkung über eine Messung des elektrischen
Widerstands bestimmbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Drucksensoranordnung und das
erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer
Drucksensoranordnung gemäß den nebengeordneten
Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik
den Vorteil, dass ein vergleichsweise störunempfindlicher
und präzise arbeitender Drucksensor mit einer vergleichsweise
hohen Temperaturstabilität deutlich kostengünstiger
und bauraumkompakter realisierbar ist. Durch die Verbindung zwischen
jeweils der Membran sowie der Zwischenschicht einerseits und dem
Substrat andererseits, insbesondere in Form einer stoffschlüssigen Verbindung
bzw. einer monolithischen Integration der Membran mit dem Substrat
in einem Halbleiterherstellungsprozess, wird insbesondere die Herstellung der
Drucksensoranordnung vergleichsweise einfach und kostengünstig
ermöglicht. Insbesondere die Herstellung der Drucksensoranordnung
in einem standardisierten Halbleiterherstellungsverfahren ermöglicht
eine besonders kostengünstige Herstellung mit vergleichsweise
hohen Stückzahlen. Ferner ist gegenüber dem Stand
der Technik eine unmittelbare Integration der erfindungsgemäßen
Drucksensoranordnung in einen Druckraum bzw. ein unmittelbares Beaufschlagen
der Membran mit dem zu vermessenden Medium möglich, so
dass die Systemintegration der erfindungsgemäßen
Drucksensoranordnung erheblich einfacher und kostengünstiger
realisierbar ist. Die erfindungsgemäße Drucksensoranordnung ist
insbesondere derart ausgebildet, dass bei dem niedrigsten zu messenden
Druck gerade ein Kontakt in Form einer Kontaktfläche zwischen
der Membran und der Elektrode vorzugsweise über die Zwischenschicht
hergestellt wird. Bei einer größeren Druckbeaufschlagung
der Membran wird diese in Richtung der Elektrode stärker
ausgelenkt und die Fläche der Kontaktfläche wird
größer. Eine Vergrößerung der Kontaktfläche
erzeugt eine Reduzierung des elektrischen Widerstands zwischen der
Membran und der Zwischenschicht. Diese Änderung des elektrischen Widerstands
in Abhängigkeit des Drucks ist beispielsweise in Form eines
elektrischen Spannungssignals messbar. Gleichzeitig ist dieser Drucksensor
in einem deutlich größeren Temperaturbereich nutzbar, als
Halbleiterdrucksensoren, welche auf einer reinen piezoresistiven
Methode zur Messung der Deformierung einer Druckmembran basieren.
Ferner weist die erfindungsgemäße Sensoranordnung
im Vergleich zu rein kapazitiven Methoden zur Messung der Deformierung
einer Druckmembran deutlich weniger Störeinflüsse,
wie beispielsweise durch parasitäre Kapazitäten
und einen deutlich reduzierten Schaltungsaufwand auf.
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Vorteilhaft
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen,
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Membran über
im Wesentlichen zur Haupterstreckungsebene senkrecht verlaufende
Stützbereiche mit dem Substrat verbunden ist, wobei die
Kontaktfläche parallel zur Haupterstreckungsebene im Wesentlichen
mittig zwischen den Stützbereichen ausgebildet ist, besonders
vorteilhaft wird somit die Membran ohne Druckbeaufschlagung mittels
der Stützbereiche von der Elektrode beabstandet, wobei
besonders vorteilhaft durch die Stützbereiche die Kaverne
zwischen der Membran und der Elektrode hermetisch abgedichtet ist
und zudem die Membran von dem Substrat aus kontaktierbar ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Zwischenschicht
auf dem Substrat angeordnet ist und dass zwischen der Membran und
der Zwischenschicht eine Kaverne ausgebildet ist, wobei vorzugsweise
in der Kaverne ein definierter Referenzdruck eingeschlossen ist.
Besonders vorteilhaft wird somit im Vergleich zum Stand der Technik
die Messung eines Absolutdrucks ermöglicht, ohne dass eine
zusätzliche Verkappung und/oder ein Gehäuse in
weiteren kostenverursachenden Herstellungsschritten hergestellt
werden müssen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Zwischenschicht vergleichsweise
hochohmig ist und insbesondere ein amorphes Siliziumcarbid umfasst,
so dass die Größe der Kontaktfläche vergleichsweise
einfach und stromsparend zu messen ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen
dem Substrat und der Zwischenschicht eine Elektrode angeordnet ist,
so dass der elektrische Widerstand zwischen der Membran und der
Zwischenschicht über die Elektrode abgreifbar ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Substrat,
die Elektrode, die Zwischenschicht und/oder die Membran ein Halbleitermaterial
und insbesondere Silizium umfasst, so dass besonders vorteilhaft
eine Herstellung des Drucksensors in einem vergleichsweise kostengünstigen
Standardhalbleiterherstellungsverfahren ermöglicht wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kontaktfläche
elektrisch leitfähig mit einer Auswerteschaltung, bevorzugt
mit einer Widerstandsmesschaltung und besonders bevorzugt mit einer
Wheatstone-Brückenschaltung verbunden ist. Besonders vorteilhaft
ist somit der Widerstand zwischen der Membran und der Elektrode
vergleichsweise leistungssparend und präzise messbar. Ferner
ist eine Wheatstone-Brückenschaltung vergleichsweise einfach,
bauraumkompakt und kostengünstig realisierbar.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Auswerteschaltung monolithisch
in das Substrat integriert ist und/oder dass die Auswerteschaltung
wenigstens einen Referenzwiderstand aufweist, welcher eine weitere
Kontaktfläche zwischen einer weiteren Membran und einer
weiteren Zwischenschicht umfasst. Besonders vorteilhaft umfasst
somit der Referenzwiderstand den gleichen Aufbau wie die Membran,
die Elektrode und/oder die Zwischenschicht, wobei zwischen der weiteren
Membran und der weiteren Zwischenschicht bzw. der weiteren Elektrode
keine Kaverne angeordnet ist und somit der Referenzwiderstand nicht
sensitiv auf Druckveränderungen reagiert. Besonders vorteilhaft
weist der Referenzwiderstand jedoch die gleiche Temperaturkennlinie
wie der Messwiderstand aus Membran, Zwischenschicht und Elektrode
auf, so dass eine Temperatursensitivität der erfindungsgemäßen
Drucksensoranordnung minimierbar ist.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung einer Drucksensoranordnung, wobei in einem zweiten
Herstellungsschritt auf dem Substrat die Elektrode angeordnet wird,
wobei in einem dritten Herstellungsschritt eine Zwischenschicht
auf der Elektrode angeordnet und insbesondere strukturiert wird,
wobei in einem sechsten Herstellungsschritt auf der Zwischenschicht
eine Opferschicht angeordnet wird, wobei in einem achten Herstellungsschritt
auf der Opferschicht die Membran angeordnet wird und wobei in elften
Herstellungsschritt die Opferschicht geätzt wird. Somit
wird besonders kostengünstig und mit Standardherstellungsverfahren
im Halbleiter- bzw. Mikromechanikbereich die Membran durch Anordnen der
Membranschicht auf der Opferschicht und die Kaverne durch anschließendes
Wegätzen der Opferschicht erzeugt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im elften
Herstellungsschritt eine bevorzugt hermetisch verschlossene Kaverne
zwischen der Membran und der Zwischenschicht hergestellt wird, wobei
besonders bevorzugt in der Kaverne ein vorbestimmter Referenzdruck
eingestellt wird, so dass sich mittels der erfindungsgemäße
Drucksensoranordnung besonders bevorzugt ein Absolutdruck messen
lässt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem
ersten Herstellungsschritt auf dem Substrat eine Isolationsschicht angeordnet
wird, wobei im zweiten Herstellungsschritt die Elektrode auf der
Isolationsschicht angeordnet wird, so dass die Elektrode von dem
Substrat in vorteilhafter Weise elektrisch isoliert ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem
fünften Herstellungsschritt die Elektrode und/oder in einem
siebten Herstellungsschritt die Opferschicht und/oder in einem neunten
Herstellungsschicht die Membran strukturiert werden, so dass sich
besonders vorteilhaft beliebige Geometrien der Elektrode, der Zwischenschicht
und/oder der Membran auf dem Substrat realisieren lassen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem
zehnten Herstellungsschritt eine Leitschicht und/oder eine Auswerteschaltung
auf dem Substrat, der Isolationsschicht, der Elektrode, der Zwischenschicht
und/oder der Membran angeordnet wird, so dass die Elektrode und
die Membran besonders einfach kontaktierbar und/oder mit einer Auswerteschaltung
zu verbinden sind.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Seitenansicht einer Drucksensoranordnung gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine
schematisch Seitenansicht einer Drucksensoranordnung unter Druckbeaufschlagung gemäß der
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 eine
schematische Seitenansicht eines Referenzwiderstands einer Drucksensoranordnung
gemäß der beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und
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4a bis 4l schematische
Vorläuferstrukturen zur Veranschaulichung eines Herstellungsverfahrens
gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung
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In
den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen
Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils
nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist
eine schematische Seitenansicht einer Drucksensoranordnung 1 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dargestellt, wobei die Drucksensoranordnung 1 ein Substrat 2,
eine Elektrode 3, eine Zwischenschicht 6 und eine
Membran 4 aufweist und wobei das Substrat 2, die
Elektrode 3, die Zwischenschicht 6 und die Membran 4 monolithisch
integriert sind. Die Elektrode 3 umfasst ein elektrisch
leitfähiges Material und ist flächig auf dem Substrat 1 angeordnet,
wobei optional zwischen dem Substrat 1 und der Elektrode 3 eine
Isolationsschicht 10 (siehe 4l) angeordnet ist.
Auf der Elektrode 3 ist die Zwischenschicht 6 angeordnet,
welche ein im Vergleich zur Elektrode 3 hochohmiges Material
umfasst. Das Substrat 1 weist eine Haupterstreckungsebene 100 auf,
wobei sowohl die Elektrode 3, als auch die Zwischenschicht 6 im Wesentlichen
parallel zur Haupterstreckungsebene 100 ausgerichtet sind.
Die Membran 4 ist mittels seitlichen Stützbereichen 4' mit
der Zwischenschicht 6 verbunden, wobei sich die seitlichen
Stützbereiche 4' im Wesentlichen senkrecht von der
Zwischenschicht 4 aus in eine von dem Substrat 1 abgewandte
Richtung erstrecken. Die Membran 4 ist zwischen den Stützbereichen 4' von
der Zwischenschicht 6 beabstandet angeordnet, wobei die
Membran 4 derart elastisch deformierbar ausgebildet ist,
dass bei dem kleinsten zu messenden Druck auf die Membran 4 die
Membran 4 senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung 100 in
Richtung der Zwischenschicht 6 durchgebogen wird und eine
Kontaktfläche 7 mit der Zwischenschicht 6 ausbildet.
Die Kontaktfläche 7 ist vorzugsweise parallel
zur Haupterstreckungsebene 100 mittig zwischen den Stützbereichen 4' angeordnet. Bei
einer Vergrößerung des Drucks auf die Membran 4 wird
die Membran 4 stärker in Richtung der Zwischenschicht 6 deformiert
und die Kontaktfläche 7 wird größer.
Die Membran 4 umfasst insbesondere ein elektrisch leitfähiges
Material. Ein elektrischer Widerstand zwischen der Membran 4 und
der Zwischenschicht 6 ist abhängig von der Größe
der Kontaktfläche 7 und somit abhängig
vom Druck, so dass mit einer Widerstandsmessschaltung, wie beispielsweise
einer Wheatstone-Brückenschaltung, ein Signal erzeugbar
ist, welches abhängig und/oder proportional zum Druck auf
die Membran ist. Zwischen der Membran 4 und der Zwischenschicht 6 ist
eine hermetisch abgeschlossene Kaverne 5 mit einem definierten
Kavernendruck ausgebildet, wodurch eine Absolutdruckmessung des
Drucks erlaubt wird, da die gemessene Auslenkung der Membran 4 von
der Druckdifferenz zwischen Druck und Kavernendruck abhängig
ist.
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In 2 ist
eine schematisch Seitenansicht einer Drucksensoranordnung 1 unter
Druckbeaufschlagung gemäß der beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die 2 im
Wesentlichen identisch der 1 ist, wobei
im Unterschied der Druck auf die Membran 4 größer
als der kleinste zu messende Druck ist und somit die Kontaktfläche 7 zwischen
Membran 4 und Zwischenschicht 6 größer
ist. Der elektrische Widerstand zwischen der Membran 4 und
der Zwischenschicht 6, welcher insbesondere umgekehrt proportional
zum Druck ist, wird dadurch kleiner.
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In 3 ist
eine schematische Seitenansicht eines Referenzwiderstands 8 einer
Drucksensoranordnung 1 gemäß der beispielhaften
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt,
wobei der Referenzwiderstand 8 identisch zum Aufbau von Substrat 1,
Elektrode 3, Zwischenschicht 6 und Membran 4 illustriert
in 1 ist, wobei der Referenzwiderstand 8 im
Unterschied jedoch keine Stützbereiche 4' aufweist
und nicht von der weiteren Zwischenschicht 6 des Referenzwiderstands 8 senkrecht
zur Haupterstreckungsebene 1 beabstandet ist, so dass eine
weitere Membran 14 des Referenzwiderstands 8 vollflächig
auf der weiteren Zwischenschicht 16 angeordnet ist und
somit eine weitere Kontaktfläche 17 erzeugt wird.
Die weitere Kontaktfläche 17 weist insbesondere
die gleiche Temperaturabhängigkeit wie die Anordnung aus
Membran 4, Zwischenschicht 6 und Elektrode 3 auf,
ohne eine Drucksensitivität aufzuweisen, da zwischen der
weiteren Membran 14 des Referenzwiderstands 8 und
der weiteren Zwischenschicht 16 keine Kaverne 5 ausgebildet
ist und daher die weitere Membran 14 nicht oder nur unwesentlich
senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 elastisch deformierbar
ist. Der Referenzwiderstand 8 oder eine Mehrzahl von Referenzwiderständen
werden als Referenzen zur Widerstandsmessung in der Wheatstone-Brückenschaltung
verwendet, so dass die Temperaturabhängigkeit von allen
Referenzwiderständen und dem Messwiderstand aus Membran 4,
Zwischenschicht 6 und Elektrode 3 vorzugsweise im
Wesentlichen gleich sind, so dass die Druckmessung vergleichsweise
temperaturunabhängig ist.
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In
den 4a bis 4l sind
schematische Vorläuferstrukturen zur Veranschaulichung
eines Herstellungsverfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei in einer beispielhaften
Reihenfolge nacheinander die Herstellungsschritt vom ersten bis
zum elften Herstellungsschritt durchgeführt werden, wobei
in 4a die Bereitstellung eines Substrat 2 illustriert
wird, wobei in 4b in einem ersten Herstellungsschritt
auf dem Substrat 2 eine Isolationsschicht 10 angeordnet
wird, wobei in 4c in einem zweiten Herstellungsschritt
auf der Isolationsschicht 10 eine Elektrode 3 aus
einem elektrisch leitfähigen Material angeordnet wird,
wobei in 4d in einem dritten auf der
Elektrode 3 eine Zwischenschicht 6 aus einem vergleichsweise
hochohmigen Material angeordnet wird, wobei in 4e in
einem vierten Herstellungsschritt die Zwischenschicht 6 strukturiert
wird, wobei in 4f in einem fünften
Herstellungsschritt die Elektrode 3 strukturiert wird,
wobei in 4g in einem sechsten Herstellungsschritt
eine Opferschicht 9 auf der Isolationsschicht 10,
der Elektrode 3 und der Zwischenschicht 6 angeordnet
wird, wobei in 4h in einem siebten Herstellungsschritt
die Opferschicht 9 strukturiert wird, wobei in 4i in
einem achten Herstellungsschritt auf der Isolationsschicht 10,
der Elektrode 3, der Zwischenschicht 6 und der
Opferschicht 9 eine Membranschicht zur Bildung der Membran 4 und
der seitlichen Stützbereiche 4' angeordnet wird,
wobei in 4j in einem neunten Herstellungsschritt
die Membranschicht bzw. die Membran 4 strukturiert wird,
wobei in 4k in einem zehnten Herstellungsschritt
eine Leitschicht 11 auf der Membranschicht bzw. der Membran 4 und der
Elektrode 3 zur Kontaktierung der Membran 4 und
der Elektrode 3 angeordnet wird und wobei in 4l in
einem abschließendem elften Herstellungsschritt die Opferschicht 9 weggeätzt
wird, so dass zwischen der Membran 4 und der Zwischenschicht 6 eine
Kaverne 5 erzeugt wird. Optional wird durch die vorangegangenen
Herstellungsschritte gleichzeitig wenigstens ein Referenzwiderstand
auf dem Substrat 2 hergestellt, wobei der im Bereich des
Referenzwiderstands keine Opferschicht 9 im sechsten Herstellungsschritt
angeordnet oder die Opferschicht 9 im siebten Herstellungsschritt
wieder entfernt wird. Ferner ist eine Integration einer Auswerteschaltung und
insbesondere von weiteren elektrischen, elektronischen und/oder
mikromechanischen Bauelementen auf dem Substrat in weiteren Herstellungsschritten
denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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