DE102008054428A1

DE102008054428A1 - Aufbau eines Drucksensors

Info

Publication number: DE102008054428A1
Application number: DE102008054428A
Authority: DE
Inventors: Michaela Mitschke; Hubert Benzel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2010-06-10
Also published as: ITMI20092132A1; US8256299B2; IT1396644B1; US20100139409A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen mikromechanischen Drucksensor mit einer ersten und einer zweiten Membran, die in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat untergebracht sind sowie ein Selbsttestverfahren, mit dem die Funktionsfähigkeit des Drucksensors überprüft werden kann. Die beiden Membranen dienen dabei zur unabhängigen Druckerfassung eines oder mehrerer Medien in dem jeweils eine Druckgröße über die Verbiegung der jeweiligen Membran erfasst wird. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass eine Kappe über der ersten Membran einen Hohlraum definiert, der mit dem Hohlraum unter der zweiten Membran in Verbindung steht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor zur Erfassung des Drucks wenigstens eines Mediums sowie ein Selbsttestverfahren.
Aus der DE 10 2004 021 041 A1 ist ein Drucksensor bekannt, bei dem in einem gemeinsamen Substrat sowohl ein Absolut- als auch ein Differenzdrucksensor integriert ist.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beschreibt einen mikromechanischen Drucksensor mit einer ersten und einer zweiten Membran, die in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat untergebracht sind sowie ein Selbsttestverfahren, mit dem die Funktionsfähigkeit des Drucksensors überprüft werden kann. Die beiden Membranen dienen dabei zur unabhängigen Druckerfassung eines oder mehrerer Medien indem jeweils eine Druckgröße über die Verbiegung der jeweiligen Membran erfasst wird. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass eine Kappe über der ersten Membran einen Hohlraum definiert, der mit dem Hohlraum unter der zweiten Membran in Verbindung steht.
Durch eine derartige Verbindung beider Hohlräume kann mittels der anderen Membran sowohl die Dichtigkeit des Hohlraums als auch die Funktionsfähigkeit beider Membranen überprüft werden.
Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung des Drucksensors wenn die in Verbindung stehenden Hohlräume gegenüber der Umgebung komplett abgegrenzt sind. So ist beispielsweise denkbar, dass die beiden Hohlräume ein Vakuum oder einen definierten Druck aufweisen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zusätzlich Auswertemittel vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von der Durchbiegung einer oder beider Membranen Druckgrößen ermitteln. Um den Platzbedarf des mikromechanischen Drucksensors zu minimieren kann dabei vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teil der Auswertemittel in das Halbleitersubstrat in räumlicher Nähe zu den Membranen integriert ist.
Zur Erfassung des Drucks von zwei Medien kann vorgesehen sein, dass geeignete Zuleitungen von einer Seite des Halbleitersubstrats auf jeweils eine Membran führen. Darüber hinaus ist jedoch aus möglich, dass die Membranen auf verschiedenen Seiten des Halbleitersubstrats vorgesehen sind, so dass die Drücke von zwei Medien von unterschiedlichen Seiten auf das Halbleitersubstrat einwirken. Bevorzugt ist dabei die Anordnung der Membranen auf gegenüber liegenden Seiten des Halbleitersubstrats, da hierdurch ein leichterer Aufbau im Rahmen der Aufbau- und Verbindungstechnik ermöglicht wird.
Vorteilhafterweise wird die Kaverne, die der ersten Membran zugeordnet ist, mittels eines Ätzprozesses erzeugt, z. B. einem Trenchätzprozess oder einer KOH-Ätzung.
Der Selbsttest des Drucksensors, der beispielsweise auch in dem Auswertemittel direkt auf dem Halbleitersubstrat integriert werden kann, ermöglicht die Ableitung der Leckage der beiden Hohlräume aus der Druckgröße einer der beiden Membranen, wobei vorzugsweise die zweite Druckgröße der zweiten Membran herangezogen wird.
Besonders vorteilhaft ist, dass über die zweite Druckgröße eine Undichtigkeit des Hohlraums 170 erkannt werden kann. Darüber hinaus ist auch möglich, die Auswertung der ersten Druckgröße in Abhängigkeit von der zweiten Druckgröße durchzuführen, z. B. indem eine Anpassung erfolgt. Mit diesem Vorgehen kann eine Druckminderung im Hohlraum 170 über die zweite Druckgröße kompensiert werden.
Zeichnungen
In der 1 ist ein schematischer Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Drucksensors dargestellt. Die 2 zeigt dagegen eine Aufsicht auf den Drucksensor.
Ausführungsbeispiel
Der Aufbau eines Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 abgebildet. Dabei wird ein Halbleitersubstrat 100, beispielsweise aus Silizium, verwendet, in das mittels gängiger mikromechanischer Verfahren zwei Membranen 110 und 140 eingebracht werden.
Im Ausführungsbeispiel gemäß der 1 ist vorgesehen, die erste Membran 110 dadurch zu erzeugen, dass in das Substrat 100 von der Rückseite 155 mittels eines geeigneten Trenchätzverfahrens ein Trenchloch eingebracht wird, welches die spätere Kaverne 130 bildet. Durch die Verwendung einer vergrabenen Stoppschicht, beispielsweise in Form einer Oxidschicht, lassen sich hierbei auch sehr dünne Membranen herstellen. Alternativ ist auch möglich, die erste Membran 110 bzw. die Kaverne 130 mittels eines anderen gängigen Ätzverfahrens wie der KOH-Ätzung zu erzeugen.
Die zweite Membran 140 wird vorzugsweise mittels eines APSM Verfahrens erzeugt, wobei auch andere Ätzverfahren angewendet werden können, die eine geschlossenen Membran 140 über einen ersten Hohlraum 160 in dem Halbleitersubstrat 100 erzeugen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die zweite Membran 140 auf der Vorderseite 150 des Halbleitersubstrats 100 erzeugt. Dies ist jedoch nur eine besondere Ausgestaltung der Erfindung. So ist durchaus denkbar, die zweite Membran ebenfalls auf der Rückseite 155 zu erzeugen. In diesem Fall ist jedoch zur Erfassung der unterschiedlichen Drücke 210 und 220 notwendig, dass zwei separate Zuleitungen von der Rückseite 155 zu den Membranen 110 und 160 vorgesehen sein müssen.
Zur Erfassung der Drücke 210 und 220 sind in der ersten Membran 140 Piezowiderstände 115 und in der zweiten Membran 160 Piezowiderstände 145 vorgesehen. Die Auswertung der mit diesen Piezowiderständen erfassbaren Druckgrößen erfolgt in einer Auswerteschaltung 190, die in einer besonderen Ausführung der Erfindung direkt im Halbleitersubstrat 100 integriert ist. Alternativ kann diese Auswerteschaltung jedoch auch extern vorgesehen sein, wobei in diesem Fall entsprechende elektrische Verbindungen vorgehalten werden.
Optional kann das Halbleitersubstrat 100 mit den beiden Membranen 110 und 140 auf einem Glassockel 200 aufgebracht sein, in dem ein Zugang für das zu überwachende unter Druck 210 stehende Medium zur Kaverne 130 eingebracht ist.
Um aus dem Differenzdrucksensor, der durch den beiderseitigen Zugang der Medien an die Membran 110 gebildet wird, einen Absolutdrucksensor zu erzeugen, wird auf die Vorderseite 150 des Halbleitersubstrats 100 eine Kappe 120, insbesondere eine Sealglaskappe, aufgebracht, die die Membran 110 abdeckt. Mit dieser Kappe 120 wird über das Innenvolumen der Kappe 120 ein zweiter Hohlraum 170 oberhalb der ersten Membran 110 gebildet, so dass eine Durchbiegung der Membran 110 direkt als Maßstab für den an die Membran angelegten Druck 210 interpretiert werden kann.
Um eine Leckage in den beiden Hohlräumen 160 und 170 zu detektieren, ist ein Verbindungskanal 180 vorgesehen, der die beiden Hohlräume miteinander verbindet. Vorzugsweise ist dieser Verbindungskanal direkt in das Halbleitersubstrat 100 integriert (siehe hierzu den Querschnitt in 1 sowie die Aufsicht in 2). Die Integration des Verbindungskanals kann ebenfalls über die APSM Technologie erfolgen, so dass bereits vor dem Aufbringen der Kappe 120 auf das Halbleitersubstrat der vergrabene Kanal 180 gebildet wird. Gängige Verfahren hierzu sind u. a. in der DE 100 32 579 A1 bzw. DE 10 2004 043357 A1 beschrieben. Der Zugang des Hohlraums 170 zu dem vergrabenen Kanal kann mittels eines Trenchätzprozess erzeugt werden. In der Aufsicht in 2 wird anschaulich demonstriert, wie die Verbindung der beiden Hohlräume 160 und 170 über den vergrabenen Kanal vorgesehen ist.
Mittels des vorstehend beschriebenen Aufbaus kann das Sensorsignal des Absolutdrucksensors auf Plausibilität geprüft und in gewissen Grenzen kompensiert werden, falls die Hohlräume 160 und 170 undicht werden. So wird bei der Herstellung des Sensors, d. h. bei Aufbringen der Kappe 120 auf das Substrat 100 in die Hohlräume 160 und 170 ein Vakuum bzw. eine Atmosphäre mit einem sehr geringen Druck eingeschlossen. Mit Hilfe dieses vordefinierten Drucks im Hohlraum 170 lässt sich die Membran 110 als Absolutdrucksensor für den Druck 210 verwenden. Die Überprüfung des eingeschlossenen Drucks im Hohlraum 170 findet dabei über die Membran 140 statt. Mit Hilfe der Messeinrichtungen auf der Membran 140, z. B. Piezowiderstände auf deren Oberfläche, kann unmittelbar nach dem Aufbringen der Kappe 120 deren Dichtheit überprüft werden. Wird nämlich beim Anlegen eines äußeren Drucks 220 auf die Vorderseite 150 des Sensors keine Messsignaländerung der Membran 140 erkannt, muss auf eine Undichtigkeit der Kappe geschlossen werden, da sowohl der Druck im Hohlraum 170 und somit im Hohlraum 160 als auch der äußere Druck 220 übereinstimmen. Somit kann bereits unmittelbar nach dem Herstellungsprozess erkannt werden, ob der Sensor korrekt funktioniert.
Der vorgeschlagene Aufbau ist jedoch auch im laufenden Betrieb des Sensors von Vorteil. So kann nach dem ersten Funktionstest des Sensors ein Messwert der Messeinrichtung auf der Membran 140 abgespeichert werden, der bei einem für die Anwendung typischen Außendruck 220 auftreten sollte. Verändert sich nun während der Lebensdauer des Sensors dieser ursprüngliche Wert, so kann auf eine Undichtigkeit in der Kappe, der Kappenverbindung oder einer der Membranen 110 oder 140 geschlossen werden. Ändert sich der ursprüngliche Wert nur langsam, d. h. verringert sich der Ausgangswert nur in einem großen Zeitintervall, kann von einer kleinen Undichtigkeit ausgegangen werden. In diesem Fall kann die Abweichung vom Ausgangswert als Kalibrierungsgröße für den Messwert der Membran 110 verwendet werden. Auf diese Weise ist bei kleinen Rissen in der Membran 140 oder einer kleinen Undichtigkeit z. B. beim Kappenkleber noch für eine geraume Zeit eine genaue Erfassung des Drucks 210 möglich.
Darüber hinaus kann mit der vorliegenden Erfindung auch auf einen Riss in der Membran 110 geschlossen werden, falls das Signal der Messeinrichtung auf der Membran 110 abnimmt, während das Signal der Messeinrichtung auf der Membran 140 weiterhin Messwerte erzeugt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann auch vorgesehen sein, zusätzlich einen oder mehrere Temperaturelemente auf einer oder beiden Membranen aufzubringen. Diese Temperaturelemente dienen dazu, bei den erfassten Druckgrößen die an der jeweiligen Membran vorliegenden Temperatur zu kompensieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102004021041 A1 [0002]
- DE 10032579 A1 [0018]
- DE 102004043357 A1 [0018]

Claims

Drucksensor mit – einem Halbleitersubstrat (100) und – einer ersten Membran (110) und einer zweiten Membran (140) in dem Halbleitersubstrat (100), wobei vorgesehen ist, dass mittels der ersten Membran eine erste Druckgröße und mittels der zweiten Membran eine zweite Druckgröße erfasst wird, – einer Kaverne (130) unterhalb der ersten Membran und – einem ersten Hohlraum (160) unterhalb der zweiten Membran dadurch gekennzeichnet, dass eine Kappe (120) über der ersten Membran einen zweiten Hohlraum (170) bildet, wobei zwischen dem ersten und zweiten Hohlraum eine Verbindung (180) in dem Halbleitersubstrat vorgesehen ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Verbindung stehenden Hohlräume gegenüber der Umgebung abgekoppelt sind, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Hohlräume einen definierten Druck gegenüber der Umgebung aufweisen.
Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Auswertemittel (115, 145, 190) vorgesehen sind, die wenigstens eine Druckgröße in Abhängigkeit von der Durchbiegung einer der beiden Membranen erfassen.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Membranen von unterschiedlichen Seiten (150, 155) des Halbleitersubstrats mit einem Druck beaufschlagbar sind.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (130) mittels eines Ätzprozesses erzeugt worden ist, insbesondere mittels eines Trenchätzprozesses oder einer KOH-Ätzung.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung der ersten Druckgröße in Abhängigkeit von der zweiten Druckgröße vorgesehen ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die erste Druckgröße durch die zweite Druckgröße korrigiert wird.
Verfahren zur Erfassung eines Drucks in einem Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Auswertung der ersten Druckgröße in Abhängigkeit von der Erfassung der zweiten Druckgröße erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Druckgröße der zweiten Membran eine Leckage des zweiten Hohlraums abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet dass bei der Auswertung der ersten und/oder zweiten Druckgröße eine Temperatur berücksichtigt wird.