DE102008055024A1

DE102008055024A1 - Halbleitermessmembran und Drucksensor mit einer solchen Messmembran

Info

Publication number: DE102008055024A1
Application number: DE200810055024
Authority: DE
Inventors: Dieter Stolze; Anh Tuan Tham; Ulrich Buder
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-07-01

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor, welcher aufweist eine Messmembran mit einem Membrankörper, der ein monokristallines Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, aufweist, und eine Deckschicht, welche ein polykristallines oder amorphes Material mit einer Bruchspannung von mehr als 14 GPa umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitermessmembran und einen Drucksensor mit einer solchen Halbleitermessmembran.
Halbleiterdrucksensoren sind etabliert, wobei insbesondere Silizium als Material für die Messmembranen dominiert. Dennoch ist Silizium aufgrund seiner vergleichsweise geringen Bruchspannung nicht ideal, weshalb Schutzmaßnahmen gegen statische und dynamische Überlasten vorzusehen sind. Diese können Überlastmembranen und Membranbetten zum Schutz vor statischen Überlasten und Drosseln zur Bedämpfung von dynamischen Druckschlägen umfassen. Solche Schutzmaßnahmen bedeuten jedoch immer einen zusätzlichen Aufwand. Es gibt daher Ansätze, derartige Schutzmaßnahmen in die Halbleiterdrucksensoren zu integrieren.
Noch besser wäre es jedoch, wenn die Messmembranen eine solche Festigkeit aufwiesen, dass derartige Schutzmaßnahmen verzichtbar sind.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor anzugeben, welcher eine Messmembran mit verbesserter Überlastfestigkeit aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.
Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst
eine Messmembran, mit
einem Membrankörper, der ein monokristallines Halbleitermaterial, insbesondere Silizium aufweist; und
mit mindestens einer Deckschicht, wobei die Deckschicht, ein polykristallines oder amorphes Material mit einer Bruchspannung von mehr als 14 GPa umfasst.
Das polykristalline oder amorphe Material der Deckschicht kann beispielsweise polykristallines Silizium, diamantähnlichen Kohlenstoff (DLC nach dem englischen Begriff diamond like carbon), nanokristallinen Diamant, Titannitrid, Titankarbid oder Siliziumkarbid aufweisen.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Messmembran eine Zwischenschicht die zwischen dem Membrankörper und der Deckschicht angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht SiO2 umfasst.
In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Stärke des Membrankörpers nicht weniger als 10 μm, insbesondere nicht weniger als 12 μm.
Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung beträgt die Stärke der Deckschicht nicht weniger als 0,5% der Stärke des Membrankörpers.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung beträgt die Stärke der Deckschicht nicht mehr als 5% der Stärke des Membrankörpers.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Messmembran mit einem im wesentlichen anisotropen Ätzprozess aus einem einkristallinen Siliziumsubstrat präpariert, wobei ggf. noch ein isotroper Ätzschritt gefolgt ist, um die bei der anisotropen Ätzung entstehenden Kanten zur Vermeidung von Kerbspannungen abzurunden.
Die isotrope Deckschicht kann beispielsweise mittels eines CVD-Verfahrens erzeugt werden.
Die Bruchspannung der Deckschicht kann weiterhin mehr als 15 GPa, insbesondere mehr als 16 GPa betragen.
Der Anmelder möchte bei der Auslegung des Patents nicht durch Theorien zur physikalischen Ursache des Effekts der Erfindung gebunden sein. Dennoch sei zur Plausibilisierung des Effekts die folgende Deutung gegeben.
Einkristallines Silizium ist insbesondere für piezoresistive Drucksensoren wegen der höheren Empfindlichkeit das gegenüber polykristallinem Silizium bevorzugte Material. Zudem erlaubt es aufgrund der anisotropen Ätzverfahren stabilere Prozesse. Dieser Vorteil ist unabhängig vom Wandlerprinzip, gilt also insbesondere auch für Drucksensoren mit einem kapazitiven Wandler. Andererseits können anisotrope Strukturen bei isotroper mechanischer Belastung zu reduzierter Festigkeit führen. Insoweit als aber ein Biegebruch einer Membran in einem Bereichen mit dem größten Abstand zur dehnungsneutralen Ebene einsetzt, kann es ausreichen, diesen Bereich, der naturgemäß mit der Oberfläche der Membran zusammenfällt, mit einer isotropen Struktur zu versehen und so die Schwächen der Anisotropie zu vermeiden.
Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
1: einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor.
Der Drucksensor 1, welcher hier ein Differenzdrucksensor ist, umfasst einen einkristallinen Siliziumchip 2 mit einer Stärke von etwa 400 μm, dessen Messmembran 3 auf eine Stärke von etwa 40 μm geätzt ist. Sie enthält piezoresistive Widerstandselemente in einer Vollbrückenanordnung zum Erfassen einer druckabhängigen Verformung.
Der Siliziumchip 2 ist in einem Gehäusekörper 4 angeordnet, und seine Messmembran 3 wird über Kanäle 5 und 6 mit einander entgegenwirkenden Drücken beaufschlagt. Die Membran weist beidseitig deckschichten mit isotropem, diamantähnlichem Kohlenstoff in einer Stärke von etwa 1,5 μm auf, um sie vor Überlastspitzen zu schützen.
Der Si-Chip ist zur Entkopplung vom Gehäusekörper 4 auf einem Körper 9 aus Borosilikatglas montiert.

Claims

Drucksensor, umfassend eine Messmembran, mit einem Membrankörper, der ein monokristallines Halbleitermaterial, insbesondere Silizium aufweist; und mit mindestens einer Deckschicht, wobei die Deckschicht, ein polykristallines oder amorphes Material mit einer Bruchspannung von mehr als 14 GPa umfasst.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei das polykristalline oder amorphe Material der Deckschicht diamantähnlichen Kohlenstoff, nanu-kristallinen Diamant, Titannitrid, Titancarbid oder Siliziumnitrid aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 1, oder 2, wobei die Messmembran eine Zwischenschicht aufweist, die zwischen dem Membrankörper und der Deckschicht angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht SiO2 umfasst.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Stärke des Membrankörpers nicht weniger als 10 μm, insbesondere nicht weniger als 15 μm beträgt.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Stärke der Deckschicht nicht weniger als 0,5% der Stärke des Membrankörpers beträgt.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Stärke der Deckschicht nicht mehr als 5% der Stärke des Membrankörpers beträgt.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Messmembran mit einem im wesentlichen anisotropen Ätzprozess aus einem einkristallinen Siliziumsubstrat präpariert ist.
Drucksensor nach Anspruch 8, wobei dem anisotropen Ätzen noch ein isotroper Ätzschritt gefolgt ist, um die bei der anisotropen Ätzung entstehenden Kanten abzurunden.
Drucksensor nach einem der Vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drucksensor ein Differenzdrucksensor ist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bruchspannung der Deckschicht mehr als 15 GPa, insbesondere mehr als 16 GPa beträgt.