DE102008044098A1 - Sensor arrangement for differential pressure measurement, has micro-mechanical sensor element, where volume between separation membrane and measuring diaphragm is filled by incompressible transmission medium - Google Patents

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Abstract

The sensor arrangement has a micro-mechanical sensor element (10), where a measuring diaphragm (11) is formed at the front side of the sensor element. A hollow space (12) spans in a layer structure of the sensor element. An access channel (13) is closed with a separating membrane, where the volume between the separation membrane and the measuring diaphragm is filled by an incompressible transmission medium, such as oil, particularly silicone oil. A mono-crystalline silicon membrane acts as the measuring diaphragm. An independent claim is included for a method for manufacturing a sensor arrangement for differential pressure measurement.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Differenzdruckerfassung mit einem mikromechanischen Sensorelement. In der Vorderseite des Sensorelements ist mindestens eine Messmembran ausgebildet, die einen Hohlraum im Schichtaufbau des Sensorelements überspannt. Es ist ein erster Druckanschluss vorgesehen, über den die Vorderseite der Messmembran mit einem ersten Messdruck beaufschlagbar ist. Außerdem ist im Sensorelement mindestens ein Zugangskanal zu dem Hohlraum unter der Messmembran ausgebildet, über den die Rückseite der Messmembran mit einem zweiten Messdruck beaufschlagbar ist.The The invention relates to a sensor arrangement for differential pressure detection with a micromechanical sensor element. In the front of the Sensor element is formed at least one measuring membrane, the spans a cavity in the layer structure of the sensor element. It is provided a first pressure port through which the Front of the measuring diaphragm can be acted upon by a first measuring pressure is. In addition, at least one access channel in the sensor element formed to the cavity under the measuring membrane, via the back of the measuring membrane with a second measuring pressure can be acted upon.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Sensoranordnung.Of Furthermore, the invention relates to a method for producing a such sensor arrangement.

Es ist bekannt, zur Differenzdruckerfassung mikromechanische Sensorelemente mit einer Membran einzusetzen, die beidseitig mit einem Messdruck beaufschlagt wird. In der Regel ist die Membran in der Vorderseite des Sensorelements ausgebildet. Die rückseitige Druckbeaufschlagung erfolgt meist über einen engen Kanal, der mit bekannten Verfahren der Bulk-Mikromechanik, wie z. B. durch KOH-Ätzen oder Trenchen, in der Rückseite des Sensorelements erzeugt worden ist. Unter extremen Messbedingungen erweist sich dieser enge Kanal häufig als Schwachstelle. In aggressiven partikelhaltigen Messumgebungen setzen sich hier häufig Partikel ab, was die rückseitige Druckbeaufschlagung der Messmembran behindert. Bei entsprechenden Umgebungstemperaturen kann auch eine Vereisung des Kanals auftreten, was zu Messfehlern, einer Fehlfunktion und letztlich sogar zu einem Bruch der Membran führen kann. Um dies zu verhindern, werden derartige Sensorelemente in der Praxis mit einer aufwendigen Rückseitenvergelung versehen.It is known for differential pressure detection micromechanical sensor elements to be used with a membrane which acts on both sides with a measuring pressure becomes. In general, the membrane is in the front of the sensor element educated. The back pressure is applied mostly via a narrow channel, using known methods the bulk micromechanics, such. B. by KOH etching or Trenchen, generated in the back of the sensor element is. Under extreme conditions, this narrow channel proves itself often as a weak spot. In aggressive particle-containing Measuring environments often deposit particles here, which hinders the back pressure of the measuring membrane. At appropriate ambient temperatures can also icing of the channel, resulting in measurement errors, a malfunction and ultimately even lead to a rupture of the membrane. To this, too prevent such sensor elements in practice with a elaborate Rückwärtsvergelung provided.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 038 443 A1 wird eine Sensoranordnung beschrieben, die ein Sensorelement mit einer druckempfindlichen Messmembran umfasst. Dieses Sensorelement ist hier auf einem Träger montiert und zusammen mit dem Träger in ein Moldgehäuse eingebettet. Um den Einfluss von montage- und gehäusebedingten mechanischen Spannungen auf die Messmembran möglichst gering zu halten, ist das Sensorelement so auf dem Träger montiert, dass der aktive Bereich des Sensorelements, d. h. der Bereich, in dem die Messmembran ausgebildet ist, seitlich über den Träger hinausragt. Zudem ist im Moldgehäuse eine Öffnung ausgebildet, in die der aktive Bereich des Sensorelements hineinragt und über die auch die Druckbeaufschlagung der Messmembran erfolgt. Die bekannte Sensoranordnung hat sich in der Praxis insbesondere für Absolutdruckmessungen mit Sensorelementen bewährt, deren Membran in der Vorderseite des Sensorelements über einer rückseitig geschlossenen Kaverne ausgebildet ist.In the German Offenlegungsschrift DE 10 2005 038 443 A1 a sensor arrangement is described which comprises a sensor element with a pressure-sensitive measuring diaphragm. This sensor element is here mounted on a carrier and embedded together with the carrier in a mold housing. In order to minimize the influence of mounting and housing-related mechanical stresses on the measuring diaphragm, the sensor element is mounted on the carrier such that the active region of the sensor element, ie the region in which the measuring diaphragm is formed, protrudes laterally beyond the carrier , In addition, an opening is formed in the mold housing, into which the active region of the sensor element projects and via which the pressurization of the measuring membrane also takes place. The known sensor arrangement has been proven in practice, in particular for absolute pressure measurements with sensor elements whose membrane is formed in the front of the sensor element on a closed back cavern.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Sensoranordnung zur Differenzdruckerfassung vorgeschlagen, deren beide Druckanschlüsse medienresistent sind, so dass diese Sensoranordnung auch in partikelhaltigen aggressiven Messumgebungen eingesetzt werden kann.With The present invention provides a sensor arrangement for differential pressure detection proposed, the two pressure ports media resistant are so that this sensor array is also in particle-containing aggressive Measuring environments can be used.

Bei einer Sensoranordnung der eingangs genannten Art wird dies dadurch erreicht, dass der Zugangskanal mit einer Trennmembran verschlossen ist, dass das Volumen zwischen der Trennmembran und der Messmembran mit einem inkompressiblen Übertragungsmedium befüllt ist und dass ein zweiter Druckanschluss vorgesehen ist, über den die Trennmembran mit dem zweiten Messdruck beaufschlagbar ist.at a sensor arrangement of the type mentioned this is characterized achieved that the access channel is closed with a separation membrane, that the volume between the separation membrane and the measuring membrane with an incompressible transfer medium filled is and that a second pressure port is provided, over the separation membrane can be acted upon by the second measuring pressure.

Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass eine zweiseitige Druckbeaufschlagung einer einzigen Messmembran besonders genaue Differenzdruck messungen erlaubt, insbesondere auch bei kleinen Differenzdrücken zwischen sehr hohen Druckpotentialen. Des Weiteren ist erkannt worden, dass die Membranvorderseite materialbedingt und aufgrund ihrer flächigen Ausbildung eine hohe Medienresistenz aufweist, so dass in erster Linie die Medienresistenz des rückseitigen Druckanschlusses zu verbessern ist. Schließlich ist noch erkannt worden dass die Rückseite der Messmembran nicht unbedingt mit dem Messmedium in Kontakt treten muss, um mit dem entsprechenden Messdruck beaufschlagt zu werden. Davon ausgehend wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den rückseitigen Zugangskanal durch Vorlage einer Trennmembran zu schützen und deren Auslenkungen über ein inkompressibles Übertragungsmedium auf die Rückseite der Messmembran zu übertragen. Insbesondere wird dadurch verhindert, dass der Zugangskanal durch Partikel im Messmedium verstopft wird.According to the invention initially recognized that a two-sided pressurization a single measuring diaphragm very accurate differential pressure measurements allowed, especially for small differential pressures between very high pressure potentials. Furthermore, it has been recognized that the front of the membrane due to the material and because of their flat Training has a high media resistance, so that in the first Line the media resistance of the back pressure port is to be improved. Finally, it has been recognized that the back of the measuring membrane is not necessarily with the measuring medium must come into contact, charged with the appropriate measuring pressure to become. On this basis, the invention proposes the back access channel by presenting a separation membrane and their deflections via an incompressible transmission medium to transfer to the back of the measuring diaphragm. In particular, this prevents the access channel from passing through Particles in the medium to be clogged.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung umfasst das Sensorelement eine monokristalline Siliziummembran als Messmembran, in die Piezowiderstände zur Signalerfassung integriert sind. Zum einen sind Siliziumoberflächen selbst sehr medienresistent oder einfach mit einer medienresistenten Passivierung, beispielsweise mit Siliziumnitrid, zu versehen. Zum anderen weist monokristallines Silizium eine sehr hohe mechanische Festigkeit auf, was sich günstig auf die mechanischen Eigenschaften der Messmembran auswirkt. In monokristallinem Silizium lassen sich durch entsprechende Dotierung zudem Piezowiderstände mit einem sehr hohen K-Faktor realisieren, was zur Messempfindlichkeit des Sensorelements beiträgt.In an advantageous embodiment of the sensor arrangement according to the invention, the sensor element comprises a monocrystalline silicon membrane as a measuring membrane, in which piezoresistors for signal detection are integrated. On the one hand, silicon surfaces are themselves very media-resistant or simply provided with a media-resistant passivation, for example with silicon nitride. On the other hand, monocrystalline silicon has a very high mechanical strength, which has a favorable effect on the mechanical properties of the measuring membrane. In monocrystalline silicon can be By appropriate doping also piezoresistors with a very high K-factor realize, which contributes to the measurement sensitivity of the sensor element.

Wie bereits erwähnt, ist die Messmembran in der Vorderseite des Sensorelements über einem Hohlraum ausgebildet. Der Zugangskanal zu diesem Hohlraum kann in Bulk-Mikromechanik erzeugt werden. In diesem Fall geht der Zugangskanal von der Rückseite des Sensorelements aus und mündet in dem Hohlraum unter der Messmembran.As already mentioned, the measuring diaphragm is in the front the sensor element is formed over a cavity. Of the Access channel to this cavity can be generated in bulk micromechanics become. In this case, the access channel goes from the back of the sensor element and opens into the cavity below the measuring membrane.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Konzepts wird jedoch bevorzugt ein Sensorelement eingesetzt, dessen Zugangskanal zusammen mit der Messmembran und dem Hohlraum unter der Messmembran in Oberflächenmikromechanik (OMM) gefertigt wurde. Herstellungsbedingt verläuft der Zugangskanal in diesem Fall im wesentlichen parallel zur Vorderseite des Sensorelements und mündet seitlich in den Hohlraum unter der Messmembran. Die Verwendung eines solchen Sensorelements ist in mehrerlei Hinsicht von Vorteil. Zunächst lassen sich in OMM Messmembranen mit nahezu beliebiger Geometrie realisieren, was eine individuelle Auslegung der Messmembran für unterschiedlichste Anwendungen ermöglicht. Des Weiteren bietet die ausschließliche Verwendung von oberflächenmikromechanischen Prozessen bei der Herstellung des Sensorelements einen Kostenvorteil gegenüber Herstellungsverfahren, bei denen auch die Bauteilrückseite prozessiert werden muss. Und schließlich ermöglicht die Anordnung des Zugangskanals – und damit auch der Trennmembran – seitlich von der Messmembran die Realisierung einer besonders stressfreien Verpackung des Sensorelements, was sich positiv auf die Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung auswirkt. Diese Aufbau- und Verbindungstechnik wird nachfolgend noch näher erläutert.in the However, the scope of the inventive concept is preferably used a sensor element whose access channel together with the measuring membrane and the cavity under the measuring membrane in surface micromechanics (OMM) was manufactured. Due to manufacturing reasons, the Access channel in this case substantially parallel to the front of the sensor element and opens laterally into the cavity under the measuring membrane. The use of such a sensor element is beneficial in several ways. Let it go first realize measurement membranes with almost any geometry in OMM, What an individual interpretation of the measuring membrane for a wide variety of Applications allows. Furthermore, the exclusive offers Use of surface micromechanical processes in the production of the sensor element compared to a cost advantage Manufacturing process in which also the back of the component must be processed. And finally possible the arrangement of the access channel - and thus the separation membrane - side from the measuring membrane the realization of a particularly stress-free Packaging of the sensor element, which has a positive impact on reliability and measurement accuracy of the sensor arrangement according to the invention effect. This construction and connection technique is hereafter explained in more detail.

Das Übertragungsmedium der erfindungsgemäßen Sensoranordnung muss inkompressibel sein, um eine Differenzdruckerfassung an der Messmembran zu ermöglichen. Als besonders vorteilhaft erweist sich hierfür die Verwendung eines Öls, insbesondere eines Silikonöls. Damit lassen sich auch sehr feine, in einem Halbleitermaterial ausgebildete Kanäle gut befüllen, die im Falle des Erfindungsgegenstands zumindest einen Teil des Volumens zwischen der Trennmembran und der Messmembran bilden.The transmission medium The sensor arrangement according to the invention must be incompressible be to allow differential pressure detection on the measuring diaphragm. For this purpose, the use proves to be particularly advantageous an oil, in particular a silicone oil. In order to can also be very fine, formed in a semiconductor material channels well, which in the case of the subject invention at least a portion of the volume between the separation membrane and the measuring membrane form.

Wie bereits voranstehend angedeutet, gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Anordnung und Realisierung der Trennmembran. Dabei sind neben der Art des Sensorelements, und insbesondere der Anordnung und Ausbildung des Zugangskanals zum Hohlraum unter der Messmembran, auch die Verpackung des Sensorelements und die Realisierung der Druckanschlüsse zu berücksichtigen. Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen Varianten, bei denen die Trennmembran unabhängig von der Verpackung des Sensorelements realisiert ist, und Varianten, bei denen die Trennmembran mit Hilfe der Verpackung an das Sensorelement angebunden ist.As already indicated above, there are various possibilities for the arrangement and realization of the separation membrane. there are in addition to the nature of the sensor element, and in particular the arrangement and forming the access channel to the cavity below the measuring membrane, also the packaging of the sensor element and the realization of the To take into account pressure connections. in principle is to differentiate between variants in which the separation membrane realized independently of the packaging of the sensor element is, and variants in which the separation membrane with the help of the packaging is connected to the sensor element.

Bei Sensorelementen, deren Zugangskanal über eine Druckanschlussöffnung an eine Oberfläche des Sensorelements angeschlossen ist, kann die Trennmembran in vorteilhafter Weise in einem Kappenwafer ausgebildet sein, der druckdicht über der Druckanschlussöffnung des Zugangskanals montiert ist. Diese Variante ist gleichermaßen geeignet für den Fall, dass der Zugangskanal in Bulk-Mikromechanik erzeugt worden ist und von der Rückseite des Sensorelements ausgeht, wie für den Fall, dass der Zugangskanal in OMM erzeugt und zur Vorderseite des Sensorelements geöffnet worden ist. Die Realisierung der Trennmembran in einem Kappenwafer ist in mehrerlei Hinsicht von Vorteil. So lassen sich beispielsweise in einem Siliziumwafer einfach und kostengünstig Membranen mit sehr guten mechanischen Eigenschaften erzeugen, die zudem besonders medienresistent sind. Ein derartiger Kappenwafer kann einfach durch Bonden druckdicht mit dem Sensorelement verbunden werden. Sowohl diese Montage als auch das Befüllen des Volumens zwischen der Trennmembran und der Messmembran mit dem inkompressiblen Übertragungsmedium kann auf Waferebene, d. h. vor dem Vereinzeln der Sensorelemente erfolgen, was ebenfalls zu einer kostengünstigen Herstellung beiträgt.at Sensor elements whose access channel via a pressure port opening connected to a surface of the sensor element, For example, the separation membrane may advantageously be in a cap wafer be formed, the pressure-tight over the pressure port opening the access channel is mounted. This variant is alike suitable for the case where the access channel is generated in bulk micromechanics and starting from the back of the sensor element, as in the case that the access channel is generated in OMM and opened to the front of the sensor element is. The realization of the separation membrane in a cap wafer is beneficial in several respects. This can be, for example in a silicon wafer easy and inexpensive membranes with very good mechanical properties that are extra special are media-resistant. Such a cap wafer can easily through Bonding pressure-tight to be connected to the sensor element. Either this assembly as well as filling the volume between the separation membrane and the measuring membrane with the incompressible transmission medium can at wafer level, d. H. before the singulation of the sensor elements, which also contributes to a cost-effective production.

Im einfachsten Fall ist die Trennmembran in der Vorderseite des Kappenwafers ausgebildet und überspannt eine Kaverne in der Rückseite des Kappenwafers. Diese Struktur kann kostengünstig mit bekannten Verfahren der Rückseitenprozessierung, beispielsweise durch KOH-Ätzen oder Trenchen, erzeugt werden. Vorteilhafterweise wird ein solcher Kappenwafer dann mit seiner Vorderseite über der Druckanschlussöffnung des Zugangskanals montiert, so dass die Druckbeaufschlagung der Trennmembran über die Kaverne in der Rückseite des Kappenwafers erfolgt. Dadurch kann das Volumen zwischen Trennmembran und Messmembran möglichst klein gehalten werden.in the The simplest case is the separation membrane in the front of the cap wafer trained and spanned a cavern in the back of the cap wafer. This structure can be inexpensive with known Method of back-side processing, for example by KOH etching or trenches are generated. advantageously, For example, such a cap wafer will then overlap with its front side the pressure port opening of the access channel mounted so that the pressurization of the separation membrane over the Cavern in the back of the cap wafer takes place. Thereby The volume between the separation membrane and the measuring membrane can be as high as possible kept small.

In einer besonders vorteilhaften Variante umfasst die erfindungsgemäße Sensoranordnung ein in OMM gefertigtes Sensorelement, in dem auch die Trennmembran ausgebildet ist, und zwar neben der Messmembran in der Vorderseite des Sensorelements. In diesem Fall überspannt die Trennmembran einen zweiten Hohlraum im Schichtaufbau des Sensorelements, der über den Zugangskanal mit dem ersten Hohlraum unter der Messmembran verbunden ist. Das Volumen zwischen der Trennmembran und der Messmembran muss lediglich zum Befüllen mit dem Übertragungsmedium geöffnet werden. Der dafür erforderliche Ätzprozess ist sehr kurz, da sich die Einfüllöffnung nur über die Dicke einer Membran bzw. der Zugangskanalwandung erstreckt. Derartige Sensorelemente lassen sich sehr einfach und kostengünstig mit Standardverfahren der OMM herstellen. Als besonders vorteilhaft erweist sich auch das sehr geringe Volumen zwischen der Trennmembran und der Messmembran dieser Sensorelemente. Das Verhältnis dieses Vorlagevolumens zur Membranfläche ist hier so gering, dass störende Effekte einer temperaturbedingten Volumenänderung des Übertragungsmediums in der Regel vernachlässigt werden können.In a particularly advantageous variant, the sensor arrangement according to the invention comprises a sensor element produced in OMM, in which the separation membrane is also formed, specifically next to the measurement membrane in the front side of the sensor element. In this case, the separation membrane spans a second cavity in the layer structure of the sensor element, which connects via the access channel with the first cavity below the measuring membrane is. The volume between the separation membrane and the measuring membrane must be opened only for filling with the transmission medium. The etching process required for this is very short, since the filling opening extends only over the thickness of a membrane or the access channel wall. Such sensor elements can be produced very simply and inexpensively using standard methods of OMM. Particularly advantageous is also the very small volume between the separation membrane and the measuring membrane of these sensor elements. The ratio of this volume of the template to the membrane surface is so small that disturbing effects of a temperature-induced change in volume of the transmission medium can usually be neglected.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass eine Auslenkung der Trennmembran eine Rückstellkraft erzeugt, die über das Übertragungsmedium auf die Messmembran wirkt und ein Störsignal hervorruft. Außerdem wird bei Temperaturschwankungen bedingt durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Sensorelement, Trennmembran und Übertragungsmedium ein Druck im Übertragungsmedium aufgebaut, der möglichst vollständig durch eine entsprechende Auslenkung der Trennmembran abgefangen werden sollte, um nicht auf die Messmembran einzuwirken. Je leichter sich die Trennmembran auslenken lässt, um so geringer sind die Druckveränderungen im Übertragungsmedium und um so geringer sind auch die dadurch hervorgerufenen Störsignale an der Messmembran. Druckschwankungen im Übertragungsmedium können zudem durch äußeren mechanischen Stress, wie z. B. durch die Verpackung des Sensorelements, hervorgerufen werden. Auch die dadurch bedingten Messfehler können mit Hilfe einer „laschen” Trennmembran weitgehend reduziert werden.At It should be noted that a deflection of the separation membrane generates a restoring force via the transmission medium acts on the measuring diaphragm and causes a disturbing signal. Furthermore is due to temperature variations due to the different coefficient of thermal expansion of sensor element, separation membrane and transmission medium, a pressure in the transmission medium built as completely as possible by a appropriate deflection of the separation membrane should be intercepted, so as not to interfere with the measuring membrane. The lighter the separation membrane deflect, the lower the pressure changes in the transmission medium and the lower are also the caused by this interference signals to the measuring diaphragm. Pressure fluctuations in the transmission medium can In addition, by external mechanical stress, such. B. caused by the packaging of the sensor element. The resulting measurement errors can help with a "flap" separation membrane largely reduced become.

Eine Möglichkeit zur Realisierung einer dermaßen „laschen” Trennmembran besteht darin, die Trennmembran möglichst groß und dünn auszulegen, d. h. der Durchmesser bzw. die Kantenlänge der Trennmembran sollte deutlich größer und/oder die Dicke der Trennmembran sollte deutlich kleiner sein als die der Messmembran.A Possibility to realize such a "lax" separation membrane consists in the separation membrane as large as possible thin, d. H. the diameter or the edge length the separation membrane should be significantly larger and / or The thickness of the separation membrane should be much smaller than that the measuring membrane.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Trennmembran in Form einer mikromechanischen Wellmembran ausgebildet ist. Diese spezielle Ausführungsform einer Membran erzeugt besonders wenig Rückstellkräfte und kann deshalb ohne nennenswerte Druckveränderung im Übertragungsmedium ausgelenkt werden. Mikromechanische Wellmembranen lassen sich zudem einfach mit Verfahren der OMM erzeugen, die sich gut in den Herstellungsprozess eines Kappenwafers oder des Sensorelements integrieren lassen.From It is particularly advantageous if the separating membrane in the form of a micromechanical corrugated membrane is trained. This particular embodiment of a Membrane generates very little restoring force and can therefore deflected without significant pressure change in the transmission medium become. Micromechanical corrugated membranes are also easy to handle Produce with OMM procedures that work well in the manufacturing process a cap wafer or the sensor element can be integrated.

Die Medienresistenz der erfindungsgemäßen Sensoranordnung wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch verbessert, dass das Sensorelement zumindest abschnittsweise in ein Moldgehäuse eingebettet wird. Diese Art der Verpackung bietet zwar einen sehr guten Schutz gegen Umwelteinflüsse, kann aber auch mechanische Spannungen in der Messmembran verursachen, beispielsweise bedingt durch die AVT und unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des Sensorelements und des Moldmaterials.The Media resistance of the sensor arrangement according to the invention is improved in an advantageous embodiment in that the sensor element at least partially into a mold housing is embedded. Although this type of packaging offers a lot good protection against environmental influences, but can also be mechanical Cause stress in the measuring membrane, for example conditionally through the AVT and different thermal expansion coefficients the sensor element and the mold material.

Um derartige mechanische Spannungen in der Messmembran zu vermeiden, wird das Sensorelement in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung lediglich einseitig in das Moldgehäuse eingebettet, so dass der Abschnitt des Sensorelements, in dem die Messmembran ausgebildet ist, frei aus dem Moldgehäuse hinausragt oder frei in eine erste Druckanschlussöffnung des Moldgehäuses hineinragt. Diese AVT eignet sich insbesondere für in OMM gefertigte Sensorelemente. Durch die räumliche Entfernung des Montagebereichs vom Membranbereich kann der mechanische Stress gut abgebaut werden.Around to avoid such mechanical stresses in the measuring diaphragm becomes the sensor element in a preferred embodiment the sensor arrangement according to the invention only embedded on one side in the mold housing, leaving the section the sensor element in which the measuring membrane is formed, free protrudes from the mold housing or free in a first Pressure port opening of the mold housing protrudes. This AVT is particularly suitable for OMM Sensor elements. Due to the spatial distance of the mounting area From the membrane area, the mechanical stress can be broken down well.

Eine dritte Variante der erfindungsgemäßen Sensoranordnung nutzt das Moldgehäuse zur Montage der Trennmembran. In diesem Fall weist der Zugangskanal mindestens eine Druckanschlussöffnung in einer Oberfläche des Sensorelements auf. Dabei kann es sich um die Rückseite des Sensorelements handeln, wenn der Zugangskanal in Bulk-Mikromechanik realisiert wurde, oder auch um die Vorderseite des Sensorelements, wenn der Zugangskanal in OMM erzeugt wurde. In jedem Fall ist über der Druckanschlussöffnung des Zugangskanals eine Druckanschlussöffnung im Moldgehäuse ausgebildet, die durch die Trennmembran verschlossen wird. Vorzugsweise besteht die Trennmembran aus einem korrosionsbeständigen Metall, wie z. B. Edelstahl. Die Montage der Trennmembran kann hier einfach durch Kleben oder Löten erfolgen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Trennmembran direkt in die Moldmasse des Moldgehäuses einzubinden.A third variant of the sensor arrangement according to the invention uses the Mold housing for mounting the separation membrane. In In this case, the access channel has at least one pressure connection opening in a surface of the sensor element. It can be around the back of the sensor element when the access channel was realized in bulk micromechanics, or else around the front of the sensor element when the access channel in OMM was generated. In any case, is above the pressure port opening the access channel a pressure port opening in the housing housing formed, which is closed by the separation membrane. Preferably the separation membrane consists of a corrosion resistant Metal, such as. B. stainless steel. The assembly of the separation membrane can here simply by gluing or soldering done. Another possibility consists in the separation membrane directly into the molding compound of the mold housing integrate.

Aus den bereits voranstehend ausführlich erläuterten Gründen, sollte es sich bei der Trennmembran möglichst um eine „lasche” Membran handeln. Deshalb wird auch bei dieser Variante einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung bevorzugt eine möglichst große, dünne Membran mit wellenförmiger Ausprägung als Trennmembran verwendet.Out already explained in detail above Reasons, it should be as possible with the separation membrane to act as a "flap" membrane. That's why also in this variant of an inventive Sensor arrangement preferably the largest possible thin membrane with undulating shape used as a separation membrane.

Aus aufbautechnischen Gründen erweist es sich als vorteilhaft, das Sensorelement zusammen mit schaltungstechnischen Mitteln zur Signalauswertung auf einem Träger zu montieren und mit dem Träger in ein Moldgehäuse zu integrieren. Dadurch wird ein sehr robustes medienresistentes Sensormodul zur Differenzdruckerfassung geschaffen.For structural reasons, it proves to be advantageous to mount the sensor element together with circuitry means for signal evaluation on a support and to integrate with the carrier in a mold housing. This is a very robust media-resistant sensor module created for differential pressure detection.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 14 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren. Im Rahmen der Figurenbeschreibung werden insbesondere auch verschiedenen Varianten des beanspruchten Herstellungsverfahrens erläutert.As already discussed above, there are various ways to design the teaching of the present invention in an advantageous manner and further education. This is on the one hand to the independent Claims 1 and 14 subordinate claims and on the other hand to the following description of several embodiments the invention with reference to the figures. In the context of the description of the figures In particular, different variants of the claimed Production process explained.

1a bis 1d zeigen jeweils eine schematische Schnittdarstellung durch das Sensorelement einer ersten erfindungsgemäßen Sensoranordnung in unterschiedlichen Stadien des Herstellungsprozesses; 1a to 1d each show a schematic sectional view through the sensor element of a first sensor arrangement according to the invention in different stages of the manufacturing process;

2a bis 2c zeigen Schnittdarstellungen und eine Aufsicht auf das in den 1a bis 1d dargestellte Sensorelement nach der Verpackung in einem Moldgehäuse und versehen mit Druckanschlussplatten; 2a to 2c show sectional views and a view of that in the 1a to 1d shown sensor element after packaging in a mold housing and provided with pressure connection plates;

3 zeigt eine Aufsicht auf eine Variante der in den 2a und 2b dargestellten Sensoranordnung; 3 shows a plan view of a variant of the in the 2a and 2 B illustrated sensor arrangement;

4a bis 4c zeigen jeweils eine schematische Schnittdarstellung durch das Sensorelement einer zweiten erfindungsgemäßen Sensoranordnung in unterschiedlichen Stadien des Herstellungsprozesses; 4a to 4c each show a schematic sectional view through the sensor element of a second sensor arrangement according to the invention in different stages of the production process;

5a bis 5c zeigen ein Schnittdarstellungen und eine Aufsicht auf das in den 4a bis 4c dargestellte Sensorelement nach der Verpackung in einem Moldgehäuse und versehen mit Druckanschlussplatten; 5a to 5c show a sectional view and a view of that in the 4a to 4c shown sensor element after packaging in a mold housing and provided with pressure connection plates;

6a, 6b zeigen jeweils eine schematische Schnittdarstellung durch das Sensorelement einer dritten erfindungsgemäßen Sensoranordnung; 6a . 6b each show a schematic sectional view through the sensor element of a third sensor arrangement according to the invention;

7a, 7b zeigen eine Schnittdarstellung und eine Aufsicht auf das in den 6a, 6b dargestellte Sensorelement nach der Verpackung in einem Moldgehäuse; 7a . 7b show a sectional view and a view of the in the 6a . 6b illustrated sensor element after packaging in a mold housing;

8 zeigt eine Schnittdarstellung einer Variante der in den 7a und 7b dargestellten Sensoranordnung. 8th shows a sectional view of a variant of the in the 7a and 7b illustrated sensor arrangement.

Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention

Die 1a bis 1d veranschaulichen die Herstellung eines Sensorelements 10 zur Differenzdruckerfassung, dessen mikromechanische Sensorstruktur ausschließlich mit bekannten Verfahren der OMM in einem Halbleitersubstrat, beispielsweise in einem Siliziumsubstrat, erzeugt wird. Die Sensorstruktur umfasst eine Messmembran 11, die in der Vorderseite des Sensorelements 10 ausgebildet ist und einen Hohlraum 12 im Substrat 1 überspannt. Des Weiteren umfasst die Sensorstruktur einen Zugangskanal 13, der parallel zur Vorderseite des Sensorelements 10 ausgebildet ist und seitlich in den Hohlraum 12 unter der Messmembran 11 mündet. Die Auslenkungen der Messmembran 11 werden hier piezoresistiv erfasst. Dazu wurden Piezowiderstände 8 in die Membranoberfläche eingebracht. Außerdem wurden Teile einer Auswerteschaltung 9 in die Vorderseite des Sensorelements 10 integriert. Danach wurde die Vorderseite des Sensorelements 10 mit einer Passivierungsschicht 2 versehen.The 1a to 1d illustrate the manufacture of a sensor element 10 for differential pressure detection, whose micromechanical sensor structure is produced exclusively by known methods of the OMM in a semiconductor substrate, for example in a silicon substrate. The sensor structure comprises a measuring diaphragm 11 placed in the front of the sensor element 10 is formed and a cavity 12 in the substrate 1 spans. Furthermore, the sensor structure comprises an access channel 13 , which is parallel to the front of the sensor element 10 is formed and laterally into the cavity 12 under the measuring membrane 11 empties. The deflections of the measuring diaphragm 11 are detected piezoresistively here. These were piezoresistors 8th introduced into the membrane surface. In addition, parts of an evaluation circuit 9 in the front of the sensor element 10 integrated. After that, the front of the sensor element became 10 with a passivation layer 2 Mistake.

1a zeigt das Sensorelement 10 nach dem Aufbringen und Strukturieren einer Fotolackschicht 3, mit der die Position und Ausdehnung einer Druckanschlussöffnung 14 im Endbereich des Zugangskanals 13 definiert werden und auch die Position und Ausdehnung einer Einfüllöffnung 18, hier in einem Stichbereich des Zugangskanals 13. Der genaue Verlauf des Zugangskanals 13 und die Anordnung der Druckanschlussöffnung 14 sowie der Einfüllöffnung 18 werden besonders gut durch die in 2b dargestellte Aufsicht auf das Sensorelement 10 veranschaulicht. 1a shows the sensor element 10 after the application and structuring of a photoresist layer 3 , with the position and extent of a pressure port opening 14 in the end area of the access channel 13 be defined and also the position and extent of a filling opening 18 , here in a stitch area of the access channel 13 , The exact course of the access channel 13 and the arrangement of the pressure port opening 14 as well as the filling opening 18 be particularly good by the in 2 B illustrated plan view of the sensor element 10 illustrated.

Die so maskierte Oberfläche wurde einem Ätzprozess ausgesetzt, bei dem die Druckanschlussöffnung 14 und die Einfüllöffnung 18 in der Passivierungsschicht 2 und dem darunter liegenden Substrat 1 erzeugt wurden. Diese Strukturierung erfolgt vorzugsweise in einem Plasmaätzprozess oder durch Trenchätzen. Die Ätztiefe hängt dabei von der Dauer des Ätzvorgangs ab und stoppt nicht automatisch beim Erreichen des Zugangskanals 13. Im vorliegenden Fall reichte eine vergleichsweise kurze Ätzzeit aus, da nur die Dicke der Membran 11 durchätzt werden musste. Um sicherzustellen, dass die Druckanschlussöffnung 14 und die Einfüllöffnung 18 auch tatsächlich in den Zugangskanal 13 münden, wurde die Ätzdauer hier so gewählt, dass auch das Substrat 1 unterhalb des Zugangskanals 13 angeätzt wurde. 1b zeigt das Sensorelement 10 nach diesem Ätzprozess und nach dem Entfernen der Fotolackschicht 3.The thus masked surface was subjected to an etching process in which the pressure port opening 14 and the filling opening 18 in the passivation layer 2 and the underlying substrate 1 were generated. This structuring is preferably carried out in a plasma etching process or by trench etching. The etch depth depends on the duration of the etching process and does not stop automatically when reaching the access channel 13 , In the present case, a comparatively short etching time was sufficient since only the thickness of the membrane 11 had to be etched. To make sure the pressure port opening 14 and the filling opening 18 actually in the access channel 13 the etching time was chosen here so that the substrate 1 below the access channel 13 was etched. 1b shows the sensor element 10 after this etching process and after removing the photoresist layer 3 ,

Über der Druckanschlussöffnung 14 wurde nun ein Kappenwafer 4 mit einer Trennmembran 15 montiert. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Kappenwafer 4 um einen Siliziumwafer, in dessen Vorderseite, beispielsweise durch KOH-Ätzen der Rückseite, eine Membran 15 freigelegt wurde. Um ein möglichst kleines Volumen zwischen der Messmembran 11 und der Trennmembran 15 druckdicht abzuschließen, wurde der Kappenwafer 4 in Flip-Chip-Technik, d. h. Vorderseite gegen Vorderseite, mit dem Sensorelement 10 verbunden, beispielsweise durch Sealglas-Ronden. Dieser Aufbau ist in 1c dargestellt.Above the pressure connection opening 14 was now a cap wafer 4 with a separation membrane 15 assembled. In the exemplary embodiment illustrated here, the cap wafer is concerned 4 around a silicon wafer, in the front, for example by KOH etching the back, a membrane 15 was exposed. To keep the smallest possible volume between the measuring membrane 11 and the separation membrane 15 pressure-tight, became the cap wafer 4 in flip-chip technology, ie front to front, with the sensor element 10 connected, for example by Sealglas round blanks. This construction is in 1c shown.

Nach der Montage des Kappenwafers 4 wurde das Volumen zwischen der Messmembran 11 und der Trennmembran 15, hier der Hohlraum 12, der Zugangskanal 13, die Druckanschlussöffnung 14 und die Einfüllöffnung 18, über die Einfüllöffnung 18 mit einem inkompressiblen Übertragungsmedium 17, wie z. B. einem Öl, befüllt. Das Einfüllen erfolgt vorteilhafterweise im Vakuum, um zu vermeiden, dass Gas eingeschlossen wird. 1d zeigt das Sensorelement 10 mit dem Kappenwafer 4 nach dem Befüllen und Verschließen der Einfüllöffnung 18. Als Verschluss 19 kommen vorzugsweise Klebstoffe, wie Epoxydharze, UV-härtende Kunststoffe bzw. Gläser oder Materialien in Frage, die sich bei niedrigen Temperaturen im Bereich < 150°C abscheiden lassen, wie z. B. aufgedampfte Metalle. Alternativ kann auch ein inkompressibles Übertragungsmedium verwendet werden, das unter UV-Bestrahlung aushärtet bzw. polymerisiert. In die sem Fall kann durch die Anordnung der Einfüllöffnung 18 in einem Stichbereich des Zugangskanals 13 sichergestellt werden, dass eine Druckverbindung zwischen der Messmembran 11 und der Trennmembran 15 erhalten bleibt. Außerdem wird aufgrund der guten UV-Absorption von Siliziumsubstrat eine Aushärtung des Übertragungsmediums unter der Substratoberfläche verhindert.After mounting the cap wafer 4 was the volume between the measuring membrane 11 and the separation membrane 15 , here the cavity 12 , the access channel 13 , the pressure port opening 14 and the filling opening 18 , over the filling opening 18 with an incompressible transmission medium 17 , such as As an oil filled. The filling is advantageously carried out in vacuo, in order to avoid that gas is trapped. 1d shows the sensor element 10 with the cap wafer 4 after filling and closing the filling opening 18 , As a closure 19 are preferably adhesives, such as epoxy resins, UV-curing plastics or glasses or materials in question, which can be deposited at low temperatures in the range <150 ° C, such. B. vapor deposited metals. Alternatively, an incompressible transmission medium can be used which cures or polymerizes under UV irradiation. In the case, by the arrangement of the filling opening 18 in a stitch area of the access channel 13 be sure that a pressure connection between the measuring membrane 11 and the separation membrane 15 preserved. In addition, curing of the transfer medium under the substrate surface is prevented due to the good UV absorption of silicon substrate.

Das Sensorelement 10 sowie der Verbund zwischen Sensorelement 10 und Kappenwafer 4 können im Waferverbund gefertigt werden. Auch das Befüllen des Volumens zwischen Messmembran 11 und Trennmembran 15 mit einem inkompressiblen Übertragungsmedium 17 kann auf Waferebene erfolgen, so dass der voranstehend beschriebene Aufbau in einer kostengünstigen Massenproduktion gefertigt werden kann. Im Rahmen der Konfektionierung von Sensormodulen werden die Sensorelemente 10 mit den Kappenwafern 4 dann vereinzelt, um auf einen Träger, beispielsweise einen Leadframe, montiert und mit einem Moldgehäuse versehen zu werden.The sensor element 10 as well as the bond between sensor element 10 and cap wafers 4 can be manufactured in a wafer composite. Also the filling of the volume between the measuring membrane 11 and separation membrane 15 with an incompressible transmission medium 17 can be done at the wafer level, so that the above-described structure can be manufactured in a cost-effective mass production. As part of the assembly of sensor modules, the sensor elements 10 with the cap wafers 4 then singulated to be mounted on a support, such as a leadframe, and provided with a mold housing.

Ein solches Sensormodul 100 ist in den 2a und 2b dargestellt. Das Sensorelement 10 ist hier mittels einer Klebeschicht 102 auf einem Leadframe 101 montiert, und zwar so, dass sowohl der Bereich des Sensorelements 10, in dem die Messmembran 11 ausgebildet ist, als auch der Bereich, in dem die Druckanschlussöffnung 14 ausgebildet ist und der Kappenwafer 4 montiert ist, über den Leadframe 101 hinausragen. Der Aufbau aus Sensorelement 10 und Kappenwafer 4 ist zusammen mit dem Leadframe 101 in ein Moldgehäuse 103 eingebunden, in dem zwei Druckanschlussöffnungen 104 und 105 für die beiden zu vergleichenden Messdrücke ausgebildet sind. Bei der Druckanschlussöffnung 104 handelt es sich um eine Durchgangsöffnung im Moldgehäuse 103, in die der Bereich des Sensorelements 10 mit der Messmembran 11 hineinragt, so dass die Vorderseite der Messmembran 11 hier in unmittelbarem Kontakt zu einem ersten Messmedium steht und mit einem ersten Messdruck beaufschlagt wird. Durch die dargestellte einseitige Einbindung des Sensorelements 10 in das Moldgehäuse 103 kann der montagebedingte mechanische Stress im Bereich der Messmembran weitgehend reduziert werden. Im Unterschied dazu ist der Bereich des Sensorelements 10, in dem der Kappenwafer 4 montiert ist, zusammen mit dem Kappenwafer 4 in die Moldmasse des Moldgehäuses 103 eingebettet. Lediglich über der rückseitigen Kaverne 5 des Kappenwafers 4 ist eine Druckanschlussöffnung 105 ausgebildet, über die die Trennmembran 15 mit einem zwei ten Messdruck beaufschlagt wird. Dieser wird über die Deformation der Trennmembran 15 und das inkompressible Übertragungsmedium 17 auf die Messmembran 11 übertragen, so dass auf der Rückseite der Messmembran 11 der zweite Messdruck anliegt, ohne dass das zweite Messmedium mit der Messmembran 11 in Berührungskontakt kommt. Die Schnittansicht der 2a veranschaulicht das erfindungsgemäße Sensorkonzept besonders gut. Die unterschiedlichen Ausprägungen der beiden Druckanschlussöffnungen 104 und 105 im Moldgehäuse 103 sind sowohl in der Schnittansicht der 2a als auch in der Aufsicht der 2b gut zu erkennen. Ferner ist der 2b eine vorteilhafte Anordnung von Piezowiderständen 8 im Randbereich der quadratischen Messmembran 11 zu entnehmen. Die Piezowiderstände 8 sind vorteilhafterweise in einer Wheatstone'schen Widerstandsbrücke verschaltet. Um eine auf den Zugangskanal 13 zurückzuführende Stresseinkopplung in die Piezowiderstände 8 möglichst zu vermeiden, mündet dieser in maximaler Entfernung von den Piezowiderständen 8 in eine Ecke des Hohlraums 12 unter der Messmembran 11. Zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements 10 sind Bondpads 6 vorgesehen, die über Drahtbonds 7 mit Anschlüssen des Leadframes 101 verbunden sind.Such a sensor module 100 is in the 2a and 2 B shown. The sensor element 10 is here by means of an adhesive layer 102 on a leadframe 101 mounted, in such a way that both the area of the sensor element 10 in which the measuring membrane 11 is formed, as well as the area in which the pressure port opening 14 is formed and the cap wafer 4 is mounted over the leadframe 101 protrude. The structure of sensor element 10 and cap wafers 4 is together with the leadframe 101 in a mold housing 103 integrated, in which two pressure port openings 104 and 105 are formed for the two to be compared measuring pressures. At the pressure connection opening 104 it is a passage opening in the housing housing 103 into which the area of the sensor element 10 with the measuring membrane 11 protrudes, leaving the front of the measuring diaphragm 11 here in direct contact with a first measuring medium and is acted upon by a first measuring pressure. By the illustrated one-sided involvement of the sensor element 10 in the mold housing 103 the assembly-related mechanical stress in the area of the measuring membrane can be largely reduced. In contrast, the range of the sensor element 10 in which the cap wafer 4 is mounted, together with the cap wafer 4 into the molding compound of the mold housing 103 embedded. Only over the back cavern 5 of the cap wafer 4 is a pressure port opening 105 formed over which the separation membrane 15 is subjected to a second measuring pressure. This is about the deformation of the separation membrane 15 and the incompressible transmission medium 17 on the measuring membrane 11 transferred so that on the back of the measuring diaphragm 11 the second measuring pressure is present without the second measuring medium with the measuring diaphragm 11 comes in touching contact. The sectional view of 2a illustrates the sensor concept according to the invention particularly well. The different characteristics of the two pressure port openings 104 and 105 in the housing housing 103 are both in the sectional view of the 2a as well as in the supervision of 2 B clearly visible. Furthermore, the 2 B an advantageous arrangement of piezoresistors 8th in the edge area of the square measuring membrane 11 refer to. The piezoresistors 8th are advantageously interconnected in a Wheatstone resistance bridge. To one on the access channel 13 attributable stress involvement in the piezoresistors 8th as far as possible, this opens at a maximum distance from the piezoresistors 8th in a corner of the cavity 12 under the measuring membrane 11 , For electrical contacting of the sensor element 10 are bond pads 6 provided, via wire bonds 7 with leads of the leadframe 101 are connected.

Wie bereits erwähnt, ist das Sensorelement 10 durch die Einbindung in die Moldmasse des Moldgehäuses 103 mechanisch fixiert. Bei der Herstellung des Moldgehäuses 103 wird der Bereich des Sensorelements 10, in dem die Messmembran 11 ausgebildet ist, sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite durch Stempel in der Moldpresse freigehalten, um die Stresseinwirkung auf die Piezowiderstände 8 durch die Moldmasse zu minimieren. Dabei entsteht die Druckanschlussöffnung 104. Die Druckanschlussöffnung 105 über der Trennmembran 15 wird ebenfalls mit Hilfe eines Stempels in der Moldpresse erzeugt.As already mentioned, the sensor element is 10 by the integration into the molding compound of the mold housing 103 mechanically fixed. In the production of the mold housing 103 becomes the area of the sensor element 10 in which the measuring membrane 11 is formed, both on the front and on the back by punches in the Moldpresse kept to the stress on the piezoresistors 8th by minimizing the molding compound. This creates the pressure port opening 104 , The pressure connection opening 105 above the separation membrane 15 is also produced by means of a punch in the mold press.

Die Schnittdarstellung der 2c zeigt das Sensormodul 100 versehen mit einer oberen Anschlussplatte 106 und einer unteren Gegenplatte 107, die über Dichtungsplatten 108 und 109 druckdicht mit dem Moldgehäuse 103 verbunden sind. In der oberen Anschlussplatte 106 sind zwei Druckanschlussstutzen 111 und 112 ausgebildet. Der erste Druckanschlussstutzen 111 kommuniziert mit der ersten Druckanschlussöffnung 104 über der Messmembran 11, während der zweite Druckanschlussstutzen 112 in die Druckanschlussöffnung 105 über der Trennmembran 15 mündet. Die Abdichtung zwischen den Platten 106 und 107 und dem Moldgehäuse 103 kann alternativ auch mit Hilfe von O-Ringen oder durch Aufkleben oder Auflöten realisiert werden.The sectional view of the 2c shows the sensor module 100 provided with an upper connection plate 106 and a lower counter plate 107 that about sealing plates 108 and 109 pressure-tight with the housing 103 are connected. In the upper connection plate 106 are two pressure connection pieces 111 and 112 educated. The first pressure connection piece 111 communicates with the first pressure port opening 104 above the measuring membrane 11 while the second pressure port 112 in the pressure port opening 105 above the separation membrane 15 empties. The seal between the plates 106 and 107 and the mold housing 103 Alternatively, it can be realized with the aid of O-rings or by gluing or soldering on.

Die in 3 dargestellte Variante eines Sensormoduls 113 unterscheidet sich von dem in den 2a und 2b dargestellten Sensormodul 100 lediglich dadurch, dass auf dem Leadframe 101 zusätzlich zu dem Sensorelement 10 ein Auswerte-ASIC 114 angeordnet und in das Moldgehäuse 103 eingebunden ist. Das Sensorelement 10 ist über die Bondpads 6 und die Bonddrähte 7 mit dem Auswerte-ASIC 114 verbunden. Dieser lässt sich über entsprechende Anschlüsse im Leadframe 101 elektrisch kontaktieren.In the 3 illustrated variant of a sensor module 113 is different from the one in the 2a and 2 B illustrated sensor module 100 just by being on the leadframe 101 in addition to the sensor element 10 an evaluation ASIC 114 arranged and in the mold housing 103 is involved. The sensor element 10 is about the bondpads 6 and the bonding wires 7 with the evaluation ASIC 114 connected. This can be achieved via corresponding connections in the leadframe 101 contact electrically.

Die 4a bis 4c veranschaulichen die Herstellung und die Struktur eines weiteren Sensorelements 20 zur Differenzdruckerfassung, das in einer vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Sensoranordnung eingesetzt werden kann. Bei dieser Variante werden sowohl die Messmembran 21 mit dem Zugangskanal 23 zum Hohlraum 22 unter der Messmembran 21 als auch die Trennmembran 25 im Sensorelement 20 realisiert. Dabei kommen – wie schon bei dem in Verbindung mit den 1a bis 1d beschriebenen Herstellungsprozess – ausschließlich bekannte Verfahren der OMM zum Einsatz. So werden die Messmembran 21 und die Trennmembran 25 durch Abscheidung einer epitaktischen Schicht auf porös geätztem Silizium erzeugt. Dabei lagert sich das poröse Silizium derart um, dass ein Hohlraum unter der Epitaxieschicht entsteht. Bei entsprechendem Layout der porös geätzten Siliziumbereiche werden so nicht nur die Hohlräume 22 und 26 unter der Messmembran 21 und unter der Trennmembran 25 erzeugt, sondern auch der Zugangskanal 23, der diese beiden Hohlräume verbindet. Mit diesem Verfahren lassen sich zum einen Membranen beliebiger Größe und Form realisieren und zum anderen auch die Lage und der Verlauf des Zugangskanals 23 beliebig wählen.The 4a to 4c illustrate the manufacture and the structure of another sensor element 20 for differential pressure detection, which can be used in an advantageous variant of the sensor arrangement according to the invention. In this variant both the measuring membrane 21 with the access channel 23 to the cavity 22 under the measuring membrane 21 as well as the separation membrane 25 in the sensor element 20 realized. Here come - as already in connection with the 1a to 1d described manufacturing process - exclusively known methods of OMM used. This is how the measuring membrane works 21 and the separation membrane 25 produced by depositing an epitaxial layer on porous etched silicon. In this case, the porous silicon deposits in such a way that a cavity is formed under the epitaxial layer. With a corresponding layout of the porous etched silicon areas, not only the cavities become so 22 and 26 under the measuring membrane 21 and under the separation membrane 25 generated, but also the access channel 23 that connects these two cavities. On the one hand, this method can be used to realize membranes of any size and shape, and on the other hand also the position and the course of the access channel 23 choose arbitrarily.

Wie im Fall des Sensorelements 10 werden die Auslenkungen der Messmembran 21 mit Hilfe von Piezowiderständen 8 in die Membranoberfläche erfasst. In der Vorderseite des Sensorelements 20 sind außerdem Teile einer Auswerteschaltung 9 integriert. 4a zeigt das Sensorelement 20, nachdem die Vorderseite mit einer Passivierungsschicht 2 versehen wurde und nach dem Aufbringen und Strukturieren einer Fotolackschicht 3, mit der die Position und Ausdehnung einer Einfüllöffnung 28 in einem Stichbereich des Zugangskanals 23 defi niert werden. Der genaue Verlauf des Zugangskanals 23 und die Anordnung der Einfüllöffnung 28 werden besonders gut durch die in 5b dargestellte Aufsicht auf das Sensorelement 20 veranschaulicht.As in the case of the sensor element 10 become the deflections of the measuring membrane 21 with the help of piezoresistors 8th captured in the membrane surface. In the front of the sensor element 20 are also parts of an evaluation circuit 9 integrated. 4a shows the sensor element 20 After the front with a passivation layer 2 and after applying and patterning a photoresist layer 3 , with the position and extent of a filling opening 28 in a stitch area of the access channel 23 To be defined. The exact course of the access channel 23 and the arrangement of the filling opening 28 be particularly good by the in 5b illustrated plan view of the sensor element 20 illustrated.

Die so maskierte Oberfläche wurde einem Ätzprozess ausgesetzt, wie in Verbindung mit 1b beschrieben, bei dem die Einfüllöffnung 28 in der Passivierungsschicht 2 und dem darunter liegenden Substrat 1 erzeugt wurde. 4b zeigt das Sensorelement 20 nach diesem Ätzprozess und nach dem Entfernen der Fotolackschicht 3.The thus masked surface was subjected to an etching process, as in connection with 1b described in which the filling opening 28 in the passivation layer 2 and the underlying substrate 1 was generated. 4b shows the sensor element 20 after this etching process and after removing the photoresist layer 3 ,

Anschließend wurde das Volumen zwischen der Messmembran 21 und der Trennmembran 25 über die Einfüllöffnung 28 mit einem inkompressiblen Übertragungsmedium 27, wie z. B. Silikonöl, befüllt. Dieses Volumen besteht hier aus dem Hohlraum 22 unter der Messmembran 21, dem Zugangskanal 23 mit der Einfüllöffnung 28 und dem Hohlraum 26 unter der Trennmembran 25. 4c zeigt das Sensorelement 20, nachdem die Einfüllöffnung 28 mit einem Verschluss 29 versehen worden ist, so wie in Verbindung mit 1d erläutert. Mit dem voranstehend beschriebenen Herstellungsverfahren kann eine Vielzahl von Sensorelementen 20 im Waferverbund gefertigt werden und noch vor dem Vereinzeln mit einem inkompressiblen Übertragungsmedium 27 befüllt werden.Subsequently, the volume between the measuring membrane 21 and the separation membrane 25 over the filling opening 28 with an incompressible transmission medium 27 , such as As silicone oil, filled. This volume consists of the cavity here 22 under the measuring membrane 21 , the access channel 23 with the filling opening 28 and the cavity 26 under the separation membrane 25 , 4c shows the sensor element 20 after the filling hole 28 with a lock 29 has been provided, as in connection with 1d explained. With the manufacturing method described above, a plurality of sensor elements 20 be manufactured in a wafer composite and even before singulation with an incompressible transmission medium 27 be filled.

Zur Herstellung eines Sensormoduls 200, wie in den 5a und 5b dargestellt, wird das Sensorelement 20 mittels einer Klebeschicht 202 auf einem Leadframe 201 montiert, und zwar so, dass sowohl der Bereich mit der Messmembran 21 als auch der Bereich mit der Trennmembran 25 über den Leadframe 201 hinausragen. Das Sensorelement 20 wird dann zusammen mit dem Leadframe 201 in ein Moldgehäuse 203 eingebunden und dadurch mechanisch fixiert. Das Moldgehäuse 203 weist zwei Druckanschlussöffnungen 204 und 205 für die beiden zu vergleichenden Messdrücke auf, die im hier dargestellten Ausführungsbeispiel beide als Durchgangsöffnungen im Moldgehäuse 203 ausgebildet sind. Der Bereich des Sensorelements 20 mit der Messmembran 21 ragt in die erste Durchgangsöffnung 204 hinein, während der Bereich mit der Trennmembran 25 in die zweite Durchgangsöffnung 205 hineinragt. Die Durchgangsöffnungen 204 und 205 wurden bei der Herstellung des Moldgehäuses 203 erzeugt, indem die beiden Membranbereiche sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite durch Stempel in der Moldpresse freigehalten wurden. Durch diese Art der Einbindung des Sensorelements 20 in das Moldgehäuse 203 kann der montagebedingte mechanische Stress in beiden Membranbereichen weitgehend reduziert werden. Der Verschluss 29 der Einfüllöffnung 28 liegt hier im vermeldeten Bereich des Sensorelements 20 und wird so besonders gut geschützt.For the production of a sensor module 200 as in the 5a and 5b shown, the sensor element 20 by means of an adhesive layer 202 on a leadframe 201 mounted, in such a way that both the area with the measuring diaphragm 21 as well as the area with the separation membrane 25 over the leadframe 201 protrude. The sensor element 20 will be together with the leadframe 201 in a mold housing 203 integrated and thus mechanically fixed. The mold housing 203 has two pressure port openings 204 and 205 for the two to be compared measuring pressures, both in the illustrated embodiment as through holes in the housing housing 203 are formed. The area of the sensor element 20 with the measuring membrane 21 protrudes into the first passage opening 204 into it while the area with the separation membrane 25 in the second passage opening 205 protrudes. The passage openings 204 and 205 were used in the manufacture of the mold housing 203 produced by the two membrane areas were kept free both on the front and on the back by stamp in the Moldpresse. By this type of integration of the sensor element 20 in the Moldge housing 203 the assembly-related mechanical stress in both membrane areas can be largely reduced. The closure 29 the filling opening 28 lies here in the reported area of the sensor element 20 and is so well protected.

Die Vorderseite der Messmembran 21 wird über die erste Druckanschlussöffnung 204 mit einem ersten Messdruck beaufschlagt, wobei sie in unmittelbarem Kontakt zu dem ersten Messmedium steht. Ebenso wird die Trennmembran 25 über die zweite Druckanschlussöffnung 205 mit dem zweiten Messdruck beaufschlagt und steht in unmittelbarem Kontakt zum zweiten Messmedium. Der zweite Messdruck wird dann über die entsprechende Deformation der Trennmembran 25 und das inkompressible Übertragungsmedium 27 auf die Rückseite der Messmembran 21 übertragen, ohne dass das zweite Messmedium an die Rückseite der Messmembran 21 gelangt.The front of the measuring membrane 21 is via the first pressure port opening 204 acted upon by a first measuring pressure, wherein it is in direct contact with the first measuring medium. Likewise, the separation membrane 25 over the second pressure port opening 205 acted upon by the second measuring pressure and is in direct contact with the second measuring medium. The second measuring pressure is then on the corresponding deformation of the separation membrane 25 and the incompressible transmission medium 27 on the back of the measuring membrane 21 transferred without the second measuring medium to the back of the measuring diaphragm 21 arrives.

Die Schnittansicht der 5a veranschaulicht das erfindungsgemäße Sensorkonzept besonders gut. Die Ausprägung der beiden Druckanschlussöffnungen 204 und 205 als Durchgangsöffnungen im Moldgehäuse 203 sind sowohl in der Schnittansicht der 5a als auch in der Aufsicht der 5b gut zu erkennen. Ferner ist der 5b eine vorteilhafte Anordnung von Piezowiderständen 8 im Randbereich der quadratischen Messmembran 21 zu entnehmen. Die Piezowiderstände 8 sind vorteilhafterweise in einer Wheatstone'schen Widerstandsbrücke verschaltet.The sectional view of 5a illustrates the sensor concept according to the invention particularly well. The expression of the two pressure port openings 204 and 205 as through holes in the housing housing 203 are both in the sectional view of the 5a as well as in the supervision of 5b clearly visible. Furthermore, the 5b an advantageous arrangement of piezoresistors 8th in the edge area of the square measuring membrane 21 refer to. The piezoresistors 8th are advantageously interconnected in a Wheatstone resistance bridge.

Die Trennmembran 25 ist hier ebenfalls quadratisch aber wesentlich größer als die Messmembran 21 ausgelegt, um die Auswirkungen von Temperaturschwankungen auf das Messsignal zu vermindern. Da das Sensorelement 20, das Übertragungsmedium 27, der Leadframe 201 und das Moldgehäuse 203 aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten bestehen, verändert sich das Volumen des Übertragungsmediums mit der Temperatur. Diese Volumenänderung resultiert sowohl in einer Auslenkung der Trennmembran 25 als auch in einer Auslenkung der Messmembran 21, wodurch das Messsignal verfälscht wird. Bei dem hier dargestellten Sensormodul 200 bzw. bei dem Sensorelement 20 ist dieser Effekt bereits relativ klein, da das Verhältnis des Volumens zwischen Trennmembran 25 und Messmembran 21 zur Membrangröße bei einer Hohlraumtiefe von 1–10 μm relativ klein ist. Durch die deutlich größere Trennmembran 25 wird der Einfluss dieses Effekts noch weiter reduziert, da temperaturbedingte Volumenschwankungen des Übertragungsmediums 27 hier über eine schwache Auslenkung der größeren Trennmembran 25 abgefangen werden können, ohne einen zusätzlichen Druck im System zu erzeugen.The separation membrane 25 is also square here but much larger than the measuring membrane 21 designed to reduce the effects of temperature fluctuations on the measurement signal. Because the sensor element 20 , the transmission medium 27 , the leadframe 201 and the mold housing 203 consist of different materials with different coefficients of thermal expansion, the volume of the transfer medium changes with temperature. This change in volume results in both a deflection of the separation membrane 25 as well as in a deflection of the measuring diaphragm 21 , whereby the measuring signal is falsified. In the sensor module shown here 200 or at the sensor element 20 this effect is already relatively small, since the ratio of the volume between separation membrane 25 and measuring membrane 21 for membrane size at a cavity depth of 1-10 microns is relatively small. Due to the much larger separation membrane 25 the influence of this effect is even further reduced, since temperature-induced volume fluctuations of the transmission medium 27 here about a weak deflection of the larger separation membrane 25 can be intercepted without creating additional pressure in the system.

Der Zugangskanal 23 verbindet eine Ecke des Hohlraums 26 unter der Trennmembran 25 mit einer Ecke des Hohlraums 22 unter der Messmembran 21, so dass er sich in maximaler Entfernung von den Piezowiderständen 8 befindet. Zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements 20 sind Bondpads 6 vorgesehen, die über Drahtbonds 7 mit Anschlüssen des Leadframes 201 verbunden sind.The access channel 23 connects a corner of the cavity 26 under the separation membrane 25 with a corner of the cavity 22 under the measuring membrane 21 so that it is at maximum distance from the piezoresistors 8th located. For electrical contacting of the sensor element 20 are bond pads 6 provided, via wire bonds 7 with leads of the leadframe 201 are connected.

Die Schnittdarstellung der 5c zeigt das Sensormodul 200 versehen mit einer oberen Anschlussplatte 106 und einer unteren Gegenplatte 107, die über Dichtungsplatten 108 und 109 druckdicht mit dem Moldgehäuse 203 verbunden sind. In der oberen Anschlussplatte 106 sind zwei Druckanschlussstutzen 111 und 112 ausgebildet. Der erste Druckanschlussstutzen 111 kommuniziert mit der ersten Druckanschlussöffnung 204 über der Messmembran 21, während der zweite Druckanschlussstutzen 112 mit der Druckanschlussöffnung 205 über der Trennmembran 25 kommuniziert. Die Abdichtung zwischen den Platten 106 und 107 und dem Moldgehäuse 103 kann alternativ auch mit Hilfe von O-Ringen oder durch Aufkleben oder Auflöten realisiert werden.The sectional view of the 5c shows the sensor module 200 provided with an upper connection plate 106 and a lower counter plate 107 that about sealing plates 108 and 109 pressure-tight with the housing 203 are connected. In the upper connection plate 106 are two pressure connection pieces 111 and 112 educated. The first pressure connection piece 111 communicates with the first pressure port opening 204 above the measuring membrane 21 while the second pressure port 112 with the pressure connection opening 205 above the separation membrane 25 communicated. The seal between the plates 106 and 107 and the mold housing 103 Alternatively, it can be realized with the aid of O-rings or by gluing or soldering on.

Die 6a und 6b veranschaulichen die Herstellung eines Sensorelements 30 zur Differenzdruckerfassung für eine dritte Variante einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, bei der die Trennmembran 311 durch Einbindung in ein Moldgehäuse 303 an das Sensorelement 30 gekoppelt wird.The 6a and 6b illustrate the manufacture of a sensor element 30 for differential pressure detection for a third variant of a sensor arrangement according to the invention, in which the separation membrane 311 by integration into a mold housing 303 to the sensor element 30 is coupled.

Auch die Sensorstruktur des Sensorelements 30 wird ausschließlich mit bekannten Verfahren der OMM erzeugt. Sie umfasst eine Messmembran 31 über einem Hohlraum 32 im Substrat 1 und einen Zugangskanal 33, der parallel zur Vorderseite des Sensorelements 30 ausgebildet ist und seitlich in den Hohlraum 32 mündet. Zur Signalerfassung und -auswertung wurden Piezowiderstände 8 in die Membranoberfläche eingebracht und Teile einer Auswerteschaltung 9 in die Vorderseite des Sensorelements 30 integriert. Danach wurde die Vorderseite des Sensorelements 30 mit einer Passivierungsschicht 2 versehen. 6a zeigt das Sensorelement 30 nach dem Aufbringen und Strukturieren einer Fotolackschicht 3, mit der die Position und Ausdehnung einer Gitterstruktur als Druckanschlussöffnung 34 im Endbereich des Zugangskanals 33 definiert werden. Der genaue Verlauf des Zugangskanals 33 und die Anordnung der Druckanschlussöffnung 34 werden besonders gut durch die in 7b dargestellte Aufsicht auf das Sensorelement 30 veranschaulicht.Also, the sensor structure of the sensor element 30 is produced exclusively by known methods of OMM. It includes a measuring diaphragm 31 over a cavity 32 in the substrate 1 and an access channel 33 , which is parallel to the front of the sensor element 30 is formed and laterally into the cavity 32 empties. Piezoresistors were used for signal acquisition and evaluation 8th introduced into the membrane surface and parts of an evaluation circuit 9 in the front of the sensor element 30 integrated. After that, the front of the sensor element became 30 with a passivation layer 2 Mistake. 6a shows the sensor element 30 after the application and structuring of a photoresist layer 3 , with the position and extent of a grid structure as a pressure port opening 34 in the end area of the access channel 33 To be defined. The exact course of the access channel 33 and the arrangement of the pressure port opening 34 be particularly good by the in 7b illustrated plan view of the sensor element 30 illustrated.

Die so maskierte Oberfläche wurde einem Ätzprozess ausgesetzt, bei dem die gitterförmige Druckanschlussöffnung 34 in der Passivierungsschicht 2 und dem darunter liegenden Substrat 1 erzeugt wurde. 6b zeigt das Sensorelement 30 nach diesem Ätzprozess und nach dem Entfernen der Fotolackschicht 3.The thus masked surface was subjected to an etching process in which the grid-shaped pressure port opening 34 in the passivation layer 2 and the underlying substrate 1 was generated. 6b shows the sensor element 30 after this etching process and after removing the photoresist layer 3 ,

Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in Form des in den 7a und 7b dargestellten Sensormoduls 300 wurde das Sensorelement 30 mittels einer Klebeschicht 302 auf einem Leadframe 301 montiert, und zwar so, dass der Bereich mit der Messmembran 31 über den Leadframe 301 hinausragt. Das Sensorelement 30 wurde dann zusammen mit dem Leadframe 301 in ein Moldgehäuse 303 eingebunden und so mechanisch fixiert. Bei der Herstellung des Moldgehäuses 303 wurde der Bereich der Messmembran 31 sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite durch Stempel in der Moldpresse freigehalten, um eine Durchgangsöffnung im Moldgehäuse 303 als erste Druckanschlussöffnung 304 zu erzeugen. Da der Bereich des Sensorelements 30 mit der Messmembran 31 frei in diese Durchgangsöffnung 304 hineinragt, ist die montagebedingte Stresseinwirkung auf die Messmembran 31 mit den Piezowiderständen 8 minimal. Ebenfalls mit Hilfe von Stempeln in der Moldpresse wurden eine zweite Druckanschlussöffnung 305 über der gitterförmigen Druckanschlussöffnung 34 des Sensorelements 30 erzeugt. Außerdem wurde in der Rückseite des Moldgehäuses 303 eine Einfüllöffnung 310 ausgebildet, die mit der zweiten Druckanschlussöffnung 305 kommuniziert. Danach wurde die zweite Druckanschlussöffnung 305 mit einer Trennmembran 311 druckdicht verschlossen.For producing a sensor arrangement according to the invention in the form of in the 7a and 7b shown sensor module 300 became the sensor element 30 by means of an adhesive layer 302 on a leadframe 301 mounted, in such a way that the area with the measuring diaphragm 31 over the leadframe 301 protrudes. The sensor element 30 was then along with the leadframe 301 in a mold housing 303 integrated and thus mechanically fixed. In the production of the mold housing 303 became the area of the measuring membrane 31 both on the front and on the back by stamp in the Moldpresse kept to a through hole in the mold housing 303 as first pressure connection opening 304 to create. As the area of the sensor element 30 with the measuring membrane 31 free in this passage opening 304 protrudes, is the stress caused by the installation on the measuring diaphragm 31 with the piezoresistors 8th minimal. Also with the help of punches in the mold press were a second pressure port opening 305 above the grid-shaped pressure connection opening 34 of the sensor element 30 generated. It was also in the back of the mold housing 303 a filling opening 310 formed with the second pressure port opening 305 communicated. Thereafter, the second pressure port opening 305 with a separation membrane 311 sealed pressure-tight.

Die Trennmembran 311 besteht hier aus einem korrosionsbeständigen Material, wie z. B. Edelstahl, so dass sie sich auch für den Einsatz in einer hoch aggressiven und partikelhaltigen Messumgebung eignet. Sie wurde durch Kleben oder Löten mit der Moldmasse im Randbereich der Druckanschlussöffnung 305 verbunden. Die Verbindungsschicht ist in 7a mit 312 bezeichnet.The separation membrane 311 consists of a corrosion resistant material, such. As stainless steel, so that it is also suitable for use in a highly aggressive and particle-containing measurement environment. It was made by gluing or soldering with the molding compound in the edge region of the pressure connection opening 305 connected. The bonding layer is in 7a With 312 designated.

Im Gegensatz zu den in den 2 und 5 dargestellten Sensoranordnungen 100 und 200 ist das Verhältnis des Volumens zwischen Trennmembran 311 und Messmembran 31 zur Membrangröße hier relativ groß. Dementsprechend sind auch die temperaturbedingten Volumenschwankungen eines Übertragungsmediums in diesem Volumen relativ groß. Um die daraus resultierenden Auswirkungen auf das Messsignal zu reduzieren, ist die Trennmembran 311 deutlich größer als die Messmembran 31 und hat eine dünne wellenförmige Ausprägung, so dass sie sich leicht verformen kann, ohne einen Innendruck im Volumen zwischen der Trennmembran 311 und der Messmembran 31 zu erzeugen.Unlike in the 2 and 5 illustrated sensor arrangements 100 and 200 is the ratio of the volume between separation membrane 311 and measuring membrane 31 Here, the membrane size is relatively large. Accordingly, the temperature-related volume fluctuations of a transmission medium in this volume are relatively large. To reduce the resulting effects on the measurement signal, the separation membrane 311 significantly larger than the measuring membrane 31 and has a thin undulating shape so that it can easily deform without an internal pressure in the volume between the separation membrane 311 and the measuring membrane 31 to create.

Nach der Montage der Trennmembran 311 über der Druckanschlussöffnung 310 wurde das Volumen zwischen der Trennmembran 311 und der Messmembran 31 über die Einfüllöffnung 310 mit einem inkompressiblen Übertragungsmedium 37, wie z. B. Silikonöl, befüllt. Sowohl das Befüllung als auch das Verschließen der Einfüllöffnung 310 erfolgen vorteilhafterweise unter Vakuum, um einen Gaseinschluss zu vermeiden. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die Einfüllöffnung durch Einpressen einer Stahlkugel 313 in die Einfüllöffnung 310 verschlossen. Dazu kann aber beispielsweise auch ein Kleber verwendet werden.After mounting the separation membrane 311 above the pressure connection opening 310 was the volume between the separation membrane 311 and the measuring membrane 31 over the filling opening 310 with an incompressible transmission medium 37 , such as As silicone oil, filled. Both the filling and the closing of the filling opening 310 advantageously be carried out under vacuum to avoid gas entrapment. In the embodiment shown here, the filling opening was made by pressing a steel ball 313 in the filling hole 310 locked. But this can also be used, for example, an adhesive.

Insbesondere die Schnittansicht der 7a veranschaulicht, dass die Vorderseite der Messmembran 31, die in dem frei in die Durchgangsöffnung 304 hineinragenden Abschnitt des Sensorelements 30 ausgebildet ist, in unmittelbarem Kontakt zu einem ersten Messmedium steht und mit einem ersten Messdruck beaufschlagt wird. Ein zweites Messmedium wirkt auf die Trennmembran 311 ein, die so mit einem zweiten Messdruck beaufschlagt wird. Dieser wird über die Deformation der Trennmembran 311 und das inkompressible Übertragungsmedium 37 auf die Messmembran 31 übertragen, so dass auf der Rückseite der Messmembran 31 der zweite Messdruck anliegt, ohne dass das zweite Messmedium mit der Messmembran 31 in Berührungskontakt kommt. Sowohl in der Schnittansicht der 7a als auch in der Aufsicht der 7b ist zu erkennen, die elektrische Kontaktierung des Sensorelements 30 über Bondpads 6 erfolgt, die über Drahtbonds 7 mit Anschlüssen des Leadframes 301 verbunden sind.In particular, the sectional view of 7a illustrates that the front of the diaphragm 31 in the free in the through hole 304 protruding portion of the sensor element 30 is formed, is in direct contact with a first measuring medium and is acted upon by a first measuring pressure. A second measuring medium acts on the separating membrane 311 a, which is acted upon with a second measuring pressure. This is about the deformation of the separation membrane 311 and the incompressible transmission medium 37 on the measuring membrane 31 transferred so that on the back of the measuring diaphragm 31 the second measuring pressure is present without the second measuring medium with the measuring diaphragm 31 comes in touching contact. Both in the sectional view of 7a as well as in the supervision of 7b can be seen, the electrical contact of the sensor element 30 over bondpads 6 done via wire bonds 7 with leads of the leadframe 301 are connected.

Bei der in 8 dargestellte Variante eines Sensormoduls 315 ist im Unterschied zum Sensormodul 300 zusätzlich zum Sensorelement 30 ein Auswerte-ASIC 316 auf dem Leadframe 301 angeordnet und in das Moldgehäuse 303 eingebunden ist. Das Sensorelement 30 ist über Bondpads und Bonddrähte mit dem Auswerte-ASIC 316 verbunden. Dieser lässt sich über entsprechende Anschlüsse im Leadframe 301 elektrisch kontaktieren. Des Weiteren ist hier ein Druckanschlussstutzen 317 dargestellt, der über einen O-Ring druckdicht über der Trennmembran 311 montiert ist. Die Verbindung zu den beiden Messmedien kann ansonsten, wie in den 2c und 5c dargestellt, hergestellt werden.At the in 8th illustrated variant of a sensor module 315 is unlike the sensor module 300 in addition to the sensor element 30 an evaluation ASIC 316 on the leadframe 301 arranged and in the mold housing 303 is involved. The sensor element 30 is via bond pads and bonding wires with the evaluation ASIC 316 connected. This can be achieved via corresponding connections in the leadframe 301 contact electrically. Furthermore, here is a pressure connection piece 317 represented, via an O-ring pressure-tight over the separation membrane 311 is mounted. The connection to the two measuring media can otherwise, as in the 2c and 5c shown to be produced.

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  • - DE 102005038443 A1 [0004] - DE 102005038443 A1 [0004]

Claims (22)

Sensoranordnung zur Differenzdruckerfassung mit einem mikromechanischen Sensorelement (10), • wobei in der Vorderseite des Sensorelements (10) mindestens eine Messmembran (11) ausgebildet ist, die einen Hohlraum (12) im Schichtaufbau des Sensorelements (10) überspannt, • wobei ein erster Druckanschluss vorgesehen ist, über den die Vorderseite der Messmembran (11) mit einem ersten Messdruck beaufschlagbar ist, und • wobei im Schichtaufbau des Sensorelements (10) mindestens ein Zugangskanal (13) zu dem Hohlraum (12) unter der Messmembran (11) ausgebildet ist, über den die Rückseite der Messmembran (11) mit einem zweiten Messdruck beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugangskanal (13) mit einer Trennmembran (15) verschlossen ist, dass das Volumen zwischen der Trennmembran (15) und der Messmembran (11) mit einem inkompressiblen Übertragungsmedium (17) befüllt ist und dass ein zweiter Druckanschluss vorgesehen ist, über den die Trennmembran (15) mit dem zweiten Messdruck beaufschlagbar ist.Sensor arrangement for differential pressure detection with a micromechanical sensor element ( 10 ), Wherein in the front of the sensor element ( 10 ) at least one measuring membrane ( 11 ) is formed, which has a cavity ( 12 ) in the layer structure of the sensor element ( 10 ), wherein a first pressure port is provided, via which the front of the measuring diaphragm ( 11 ) can be acted upon with a first measuring pressure, and • wherein in the layer structure of the sensor element ( 10 ) at least one access channel ( 13 ) to the cavity ( 12 ) under the measuring membrane ( 11 ) is formed, via which the back of the measuring membrane ( 11 ) can be acted upon by a second measuring pressure, characterized in that the access channel ( 13 ) with a separating membrane ( 15 ) is closed, that the volume between the separation membrane ( 15 ) and the measuring membrane ( 11 ) with an incompressible transmission medium ( 17 ) is filled and that a second pressure port is provided, via which the separation membrane ( 15 ) can be acted upon by the second measuring pressure. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine monokristalline Siliziummembran als Messmembran (11) fungiert, in die Piezowiderstände (8) zur Signalerfassung integriert sind.Sensor arrangement according to claim 1, characterized in that a monocrystalline silicon membrane as a measuring membrane ( 11 ) into the piezoresistors ( 8th ) are integrated for signal acquisition. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugangskanal (13) im wesentlichen parallel zur Vorderseite des Sensorelements (10) verläuft und seitlich in den Hohlraum (12) unter der Messmembran (11) mündet.Sensor arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized in that the access channel ( 13 ) substantially parallel to the front of the sensor element ( 10 ) and laterally into the cavity ( 12 ) under the measuring membrane ( 11 ) opens. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öl, insbesondere ein Silikonöl, als inkompressibles Übertragungsmedium (17) fungiert.Sensor arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that an oil, in particular a silicone oil, as incompressible transmission medium ( 17 ) acts. Sensoranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugangskanal (13) mindestens eine Druckanschlussöffnung (14) in einer Oberfläche des Sensorelements (10) aufweist, dass die Trennmembran (15) in einem Kappenwafer (4) ausgebildet ist und dass der Kappenwafer (4) druckdicht über der Druckanschlussöffnung (14) des Zugangskanals (13) montiert ist.Sensor arrangement ( 100 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the access channel ( 13 ) at least one pressure port opening ( 14 ) in a surface of the sensor element ( 10 ), that the separation membrane ( 15 ) in a cap wafer ( 4 ) and that the cap wafer ( 4 ) pressure-tight over the pressure connection opening ( 14 ) of the access channel ( 13 ) is mounted. Sensoranordnung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmembran (15) in der Vorderseite des Kappenwafers (4) ausgebildet ist und eine Kaverne (5) in der Rückseite des Kappenwafers (4) überspannt und dass der Kappenwafer (4) mit seiner Vorderseite über der Druckanschlussöffnung (14) des Zugangskanals (13) montiert ist, so dass die Druckbeaufschlagung der Trennmembran (15) über die Kaverne (5) in der Rückseite des Kappenwafers (4) erfolgt.Sensor arrangement ( 100 ) according to claim 5, characterized in that the separating membrane ( 15 ) in the front of the cap wafer ( 4 ) and a cavern ( 5 ) in the back of the cap wafer ( 4 ) and that the cap wafer ( 4 ) with its front side above the pressure connection opening ( 14 ) of the access channel ( 13 ) is mounted, so that the pressurization of the separation membrane ( 15 ) over the cavern ( 5 ) in the back of the cap wafer ( 4 ) he follows. Sensoranordnung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmembran (25) neben der Messmembran (21) in der Vorderseite des Sensorelements (20) ausgebildet ist und einen zweiten Hohlraum (26) im Schichtaufbau des Sensorelements (20) überspannt und dass der Zugangskanal (23) den ersten Hohlraum (22) unter der Messmembran (21) mit dem zweiten Hohlraum (26) unter der Trennmembran (25) verbindet.Sensor arrangement ( 200 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the separating membrane ( 25 ) next to the measuring membrane ( 21 ) in the front of the sensor element ( 20 ) is formed and a second cavity ( 26 ) in the layer structure of the sensor element ( 20 ) and that the access channel ( 23 ) the first cavity ( 22 ) under the measuring membrane ( 21 ) with the second cavity ( 26 ) under the separation membrane ( 25 ) connects. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmembran (15; 25) in Form einer mikromechanischen Wellmembran ausgebildet ist.Sensor arrangement according to one of claims 5 to 7, characterized in that the separating membrane ( 15 ; 25 ) is formed in the form of a micromechanical corrugated membrane. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10) zumindest abschnittsweise in ein Moldgehäuse (103) eingebettet ist.Sensor arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the sensor element ( 10 ) at least in sections in a mold housing ( 103 ) is embedded. Sensoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10) lediglich einseitig in das Moldgehäuse (103) eingebettet ist, so dass der Abschnitt des Sensorelements (10), in dem die Messmemb ran (15) ausgebildet ist, frei aus dem Moldgehäuse hinausragt oder frei in eine erste Druckanschlussöffnung (104) des Moldgehäuses (103) hineinragt.Sensor arrangement according to claim 9, characterized in that the sensor element ( 10 ) only one side into the mold housing ( 103 ) is embedded so that the portion of the sensor element ( 10 ), in which the measuring membrane ( 15 ) is formed, protrudes freely from the mold housing or freely into a first pressure port opening ( 104 ) of the mold housing ( 103 ) protrudes. Sensoranordnung (300) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugangskanal (33) mindestens eine Druckanschlussöffnung (34) in einer Oberfläche des Sensorelements (30) aufweist und dass die Trennmembran (311) eine Druckanschlussöffnung (304) des Moldgehäuses (303) verschließt, die über der Druckanschlussöffnung (34) des Zugangskanals (33) ausgebildet ist.Sensor arrangement ( 300 ) according to one of claims 9 or 10, characterized in that the access channel ( 33 ) at least one pressure port opening ( 34 ) in a surface of the sensor element ( 30 ) and that the separation membrane ( 311 ) a pressure port opening ( 304 ) of the mold housing ( 303 ), which above the pressure port opening ( 34 ) of the access channel ( 33 ) is trained. Sensoranordnung (300) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmembran (311) als dünne Wellmembran aus einem korrosionsbeständigen Material, insbesondere aus Edelstahl, ausgebildet ist.Sensor arrangement ( 300 ) according to claim 11, characterized in that the separating membrane ( 311 ) is formed as a thin corrugated membrane made of a corrosion-resistant material, in particular stainless steel. Sensoranordnung (113) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10) und schaltungstechnische Mittel (114) zur Signalauswertung auf einem Träger (101) montiert sind und zusammen mit dem Träger (101) in das Moldgehäuse (103) integriert sind.Sensor arrangement ( 113 ) according to one of claims 9 to 12, characterized in that the sensor element ( 10 ) and circuitry ( 114 ) for signal evaluation on a carrier ( 101 ) and together with the carrier ( 101 ) in the mold housing ( 103 ) are integrated. Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung zur Differenzdruckerfassung mit einem mikromechanischen Sensorelement (10), • bei dem in der Vorderseite des Sensorelements (10) mindestens eine Messmembran (11) erzeugt wird, die einen Hohlraum (12) im Schichtaufbau des Sensorelements (10) überspannt, und • bei dem im Schichtaufbau des Sensorelements (10) mindestens ein Zugangskanal (13) zu dem Hohlraum (12) unter der Messmembran (11) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugangskanal (13) mit einer Trennmembran (15) verschlossen wird und dass das Volumen zwischen der Trennmembran (15) und der Messmembran (11) mit einem inkompressiblen Übertragungsmedium (17) befüllt und druckdicht verschlossen wird.Method for producing a sensor arrangement for differential pressure detection with a micromechanical sensor element ( 10 ) • in which in the front of the sensor element ( 10 ) at least one measuring membrane ( 11 ) is generated, which has a cavity ( 12 ) in the layer structure of the sensor element ( 10 ), and • in which in the layer structure of the sensor element ( 10 ) at least one access channel ( 13 ) to the cavity ( 12 ) under the measuring membrane ( 11 ), characterized in that the access channel ( 13 ) with a separating membrane ( 15 ) and that the volume between the separation membrane ( 15 ) and the measuring membrane ( 11 ) with an incompressible transmission medium ( 17 ) and sealed pressure-tight. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Oberfläche des Sensorelements (10) eine Druckanschlussöffnung (14) zu dem Zugangskanal (13) erzeugt wird, dass die Trennmembran (15) in einem Kappenwafer (4) ausgebildet wird und dass der Kappenwafer (4) druckdicht über der Druckanschlussöffnung (14) des Zugangskanals (13) montiert wird.A method according to claim 14, characterized in that in a surface of the sensor element ( 10 ) a pressure port opening ( 14 ) to the access channel ( 13 ) is generated, that the separation membrane ( 15 ) in a cap wafer ( 4 ) and that the cap wafer ( 4 ) pressure-tight over the pressure connection opening ( 14 ) of the access channel ( 13 ) is mounted. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmembran (15) in der Vorderseite des Kappenwafers (4) ausgebildet wird und eine Kaverne (5) in der Rückseite des Kappenwafers (4) überspannt und dass der Kappenwafer (4) mit seiner Vorderseite über der Druckanschlussöffnung (14) des Zugangskanals (13) montiert wird.Process according to claim 15, characterized in that the separation membrane ( 15 ) in the front of the cap wafer ( 4 ) and a cavern ( 5 ) in the back of the cap wafer ( 4 ) and that the cap wafer ( 4 ) with its front side above the pressure connection opening ( 14 ) of the access channel ( 13 ) is mounted. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmembran (25) neben der Messmembran (21) in der Vorderseite des Sensorelements (20) erzeugt wird, so dass die Trennmembran (25) einen zweiten Hohlraum (26) im Schichtaufbau des Sensorelements (20) überspannt und der Zugangskanal (23) den ersten Hohlraum (22) unter der Messmembran (21) mit dem zweiten Hohlraum (26) unter der Trennmembran (25) verbindet.Process according to claim 14, characterized in that the separating membrane ( 25 ) next to the measuring membrane ( 21 ) in the front of the sensor element ( 20 ) is generated so that the separation membrane ( 25 ) a second cavity ( 26 ) in the layer structure of the sensor element ( 20 ) and the access channel ( 23 ) the first cavity ( 22 ) under the measuring membrane ( 21 ) with the second cavity ( 26 ) under the separation membrane ( 25 ) connects. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmembran (15; 25) in Form einer mikromechanischen Wellmembran erzeugt wird.Method according to one of claims 15 to 17, characterized in that the separating membrane ( 15 ; 25 ) is produced in the form of a micromechanical corrugated membrane. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Oberfläche des Sensorelements (10; 20) im Bereich des Zugangskanals (13; 23) mindestens eine Einfüllöffnung (18; 28) erzeugt wird, dass das Volumen zwischen der Trennmembran (15; 25) und der Messmembran (11; 21) über die Einfüllöffnung (18; 28) mit dem Übertragungsmedium (17; 27) befüllt wird.Method according to one of claims 14 to 18, characterized in that in a surface of the sensor element ( 10 ; 20 ) in the region of the access channel ( 13 ; 23 ) at least one filling opening ( 18 ; 28 ) is generated, that the volume between the separation membrane ( 15 ; 25 ) and the measuring membrane ( 11 ; 21 ) via the filling opening ( 18 ; 28 ) with the transmission medium ( 17 ; 27 ) is filled. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfüllöffnung (18; 28) druckdicht verschlossen wird durch Klebstoffe, wie Epoxydharze und UV-härtende Kunststoffe, oder durch Gläsern, aufgedampfte Metalle oder auch mit Hilfe eines inkompressiblen Übertragungsmediums, das unter UV-Bestrahlung aushärtet.A method according to claim 19, characterized in that the filling opening ( 18 ; 28 ) is sealed pressure-tight by adhesives, such as epoxy resins and UV-curing plastics, or by glasses, vapor-deposited metals or with the aid of an incompressible transfer medium, which cures under UV irradiation. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Oberfläche des Sensorelements (30) mindestens eine Druckanschlussöffnung (34) zu dem Zugangskanal (33) erzeugt wird, dass das Sensorelement (30) zumindest abschnittsweise in ein Moldgehäuse (303) eingebettet wird, in dem eine Druckanschlussöffnung (305) über der Druckanschlussöffnung (34) des Zugangskanals (33) ausgebildet wird, und dass die Trennmembran (311) als druckdichter Verschluss dieser Druckanschlussöffnung (305) des Moldgehäuses (303) montiert wird.A method according to claim 14, characterized in that in a surface of the sensor element ( 30 ) at least one pressure port opening ( 34 ) to the access channel ( 33 ) is generated, that the sensor element ( 30 ) at least in sections in a mold housing ( 303 ) is embedded, in which a pressure port opening ( 305 ) above the pressure port opening ( 34 ) of the access channel ( 33 ) is formed, and that the separation membrane ( 311 ) as a pressure-tight closure of this pressure port opening ( 305 ) of the mold housing ( 303 ) is mounted. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öl, insbesondere ein Silikonöl, als inkompressibles Übertragungsmedium (17) verwendet wird und dass die Befüllung des Volumens zwischen Trennmembran und Messmembran unter Vakuum erfolgt.Method according to one of claims 14 to 21, characterized in that an oil, in particular a silicone oil, as incompressible transmission medium ( 17 ) is used and that the filling of the volume between separation membrane and measuring membrane takes place under vacuum.
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