DE102009000403A1 - Mirkomechanischer kapazitiver Drucksensor und Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen kapazitiven Drucksensors - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen kapazitiven Drucksensor mit einer auf einem Substrat angeordneten ersten Elektrode und einer relativ zur ersten Elektrode verlagerbaren, zweiten Elektrode, wobei die Elektroden (14, 16) einen Hohlraum (18) zumindest teilweise begrenzen. Es ist vorgesehen, dass die zweite Elektrode (16) mit einer Membran (22) mechanisch wirkverbunden ist und durch die Membran (22) im Wesentlichen parallel zu der ersten Elektrode (14) verlagerbar ist.
Description
- Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen kapazitiven Drucksensor und ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen kapazitiven Drucksensors.
- Stand der Technik
- Bei mikromechanischen kapazitiven Drucksensoren werden in einem Halbleitersubstrat mittels eines mikromechanischen Herstellungsverfahrens Elektroden zur Bildung eines Kondensators erzeugt. Hierbei wird eine der Elektroden derart erzeugt, dass sie gegenüber der anderen Elektrode beweglich ausgestaltet ist. Bekannt ist hierzu, diese Elektrode in einer Membran zu integrieren. Wird nun die Membran durch eine Druckbeaufschlagung durchgebogen, verändert sich der Abstand der beiden, Kondensatorplatten bildenden Elektroden und somit die Kapazität des Kondensators. Diese Veränderung kann im Rahmen eines Verstärkerbetriebes, bei dem der Verstärkungsfaktor von der Kapazität des Kondensators abhängt, ausgenutzt werden, um die Auslenkung der Membran auf einfache Weise kapazitiv zu erfassen. Ein derartiger mikromechanischer Drucksensor ist beispielsweise aus
EP 0 714 017 A1 bekannt. - Nachteilig bei derartigen mikromechanischen Drucksensoren ist, dass die Membran bei einer Druckbeaufschlagung flexibel durchgebogen wird, das heißt, bei einer Druckänderung wird die Membran in ihrer Mitte deutlich stärker als an ihren Rändern ausgelenkt. Hierdurch liegt eine auf die gesamte Kondensatorfläche bezogene nichtlineare Abstandsänderung vor, so dass ein Ausgangssignal eines derartigen Drucksensors in der Regel nicht linear ist.
- Aus der älteren deutschen Patentanmeldung
DE 10 2007 029 414.1 ist ein mikromechanischer kapazitiver Drucksensor bekannt, bei dem eine feststehende Elektrode und eine in einer Membran integrierte Elektrode seitlich aneinander vorbeibewegt werden. - Aus der älteren deutschen Patentanmeldung
DE 10 2008 002 668 ist ein weiterer mikromechanischer kapazitiver Drucksensor bekannt, bei dem ebenfalls zur Erzielung eines linearen Ausgangssignals eine feststehende Elektrode und eine in einer Membran integrierte Elektrode seitlich aneinander vorbeibewegbar sind. - Vorteile der Erfindung
- Der mikromechanische kapazitive Drucksensor mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen und das Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen kapazitiven Drucksensors mit den im Anspruch 8 genannten Merkmalen bieten den Vorteil, dass in einfacher Weise eine hohe Kapazitätsänderung bei kleinem Flächenbedarf mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden kann. Insbesondere werden Nichtlinearitäten im Ausgangssignal vermieden.
- Dadurch, dass die zweite Elektrode mit einer Membran mechanisch wirkverbunden ist und durch die Membran im Wesentlichen parallel zu der ersten Elektrode verlagerbar ist, kann die druckbedingte Durchbiegung der Membran in eine im Wesentlichen parallele Bewegung der mit der Membran verbundenen Elektrode zu der festen Elektrode umgesetzt werden.
- In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Elektrode an der Membran über wenigstens ein Kopplungselement angehängt ist, wobei das wenigstens eine Kopplungselement in einem Bereich der Membran mit dessen höchster Auslenkung angeordnet ist. Hierdurch wird eine sehr effektive, eine hohe Empfindlichkeit des Drucksensors hervorrufende Umsetzung der Durchbiegung der Membran in die Parallelbewegung der zweiten Elektrode zu der festen ersten Elektrode möglich.
- In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Elektrode über ein Kopplungselement mit der Membran in dessen geometrischen Mittelpunkt verbunden ist. Hierdurch wird eine große Empfindlichkeit des Drucksensors erzielt, da die Durchbiegung der Membran in dessen geometrischen Mittelpunkt bei der Druckbeaufschlagung zuerst auftritt und am größten ist.
- Ferner ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die zweite Elektrode über mehrere, ringförmige um den geometrischen Mittelpunkt der Membran angeordnete Kopplungselemente mit der Membran verbunden ist. Hierdurch wird eine sehr robuste Verbindung zwischen der zweiten Elektrode und der Membran erzielt. Insbesondere auch bei plötzlich starken Druckschwankungen kann so eine Linearität des Ausgangssignals des Drucksensors sichergestellt werden. Über die ringförmige Anbindung wird ein seitliches Auslenken des Elektrodenbereiches, und damit nicht paralleles Verlagern zur festen ersten Elektrode im Wesentlichen ausgeschlossen.
- Darüber hinaus ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das wenigstens eine Kopplungselement gleichzeitig der elektrischen Kontaktierung der zweiten Elektrode dient. Hierdurch wird der Aufbau des mikromechanischen kapazitiven Drucksensors insgesamt sehr einfach gehalten.
- Ferner ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Hohlraum gegenüber einer Umgebung druckdicht verschlossen ist und einen Referenzdruck aufweist. Hierdurch lässt sich ein Absolutdrucksensor mit großer Empfindlichkeit erzielen.
- Weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Insbesondere das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren bietet die Möglichkeit, mit an sich bekannten sicher und zuverlässig beherrschbaren Verfahrensschritten mikromechanische kapazitive Drucksensoren mit hoher Empfindlichkeit und geringem Platzbedarf herzustellen.
- Zeichnungen
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen kapazitiven Drucksensor im Ruhezustand; -
2 eine schematische Schnittdarstellung durch den Drucksensor im belasteten Zustand und -
3 –8 einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung eines mikromechanischen kapazitiven Drucksensors. - Beschreibung des Ausführungsbeispiels
-
1 zeigt eine Schnittdarstellung eines insgesamt mit10 bezeichneten mikromechanischen kapazitiven Drucksensors. Der Drucksensor10 umfasst ein Substrat12 , auf dem eine erste Elektrode14 angeordnet ist. Der Drucksensor10 umfasst ferner eine zweite Elektrode16 , die mit einer Membran verbunden ist. Hierzu ist die Membran22 über einen Hohlraum18 gespannt und durch eine den Hohlraum18 seitlich begrenzende Lagerschicht20 abgestützt. Die zweite Elektrode16 ist über ein Kopplungselement24 mit der Membran22 mechanisch und elektrisch leitend verbunden ist. Die Elektroden14 und16 sind über Kontakte26 beziehungsweise28 kontaktierbar. Im Hohlraum18 herrscht ein Referenzdruck PR. -
2 zeigt den Drucksensor10 während seines bestimmungsgemäßen Einsatzes. Liegt von außen an der Membran22 ein Druck P an, der größer als der im Hohlraum18 herrschende Referenzdruck PR ist, wird die zweite Membran22 durchgebogen. Hierdurch wird der Abstand zwischen der zweiten Elektrode16 und der ersten Elektrode14 verringert. Die Elektrode14 und die Elektrode16 sind plattenartig ausgebildet und bilden somit einen Plattenkondensator, dessen Kapazität durch den Abstand der Elektrode14 zu der Elektrode16 bestimmt wird. Durch Anlegen eines elektrischen Signals an die Kontakte26 und28 und entsprechende Auswertung des Signals kann die Kapazität des Kondensators gemessen werden und das Anliegen des Druckes P und eine Größe des Druckes P durch eine entsprechende Auswerteschaltung bestimmt werden. - Der Hohlraum
18 ist beispielsweise kreisförmig ausgebildet, das heißt, die Lagerschicht20 umgibt den Hohlraum18 ringförmig. Entsprechend ist die Membran22 kreisförmig ausgebildet. Im geometrischen Mittelpunkt30 der Membran22 in Bezug auf den Hohlraum18 ist das Kopplungselement24 angeordnet. Hierdurch wird erreicht, dass das Kopplungselement24 sich im Bereich der größten Durchbiegung der Membran22 befindet und somit schon bei geringen Druckänderungen des Druckes P in Bezug auf den Referenzdruck PR eine Annäherung der Elektrode16 an die Elektrode14 erfolgt. Hierdurch sind mit dem Drucksensor10 sehr hohe Empfindlichkeiten realisierbar. - Anhand der
3 bis8 wird die Herstellung des mikromechanischen kapazitiven Drucksensors10 verdeutlicht. - Wie
3 verdeutlicht, wird zunächst auf einen Siliziumwafer40 eine Polysiliziumschicht42 abgeschieden, innerhalb der durch Dotierung eine elektrisch leitfähige Schicht44 erzeugt wird, die die spätere Elektrode14 bildet. - Auf die Schicht
44 wird eine Oxidschicht46 , beispielsweise ein TEOS-Oxid (Tetraethylorthosilicat) abgeschieden. Im Bereich der späteren Kontaktierung der Elektrode14 wird die Oxidschicht46 strukturiert, das heißt, in diesem Bereich wird das Oxid46 gezielt entfernt.4 verdeutlicht dies durch die strukturierte Öffnung47 . - Wie
5 verdeutlicht, wird auf die Oxidschicht46 eine Polysiliziumschicht48 abgeschieden. Durch entsprechende Maskierung wird die Polysiliziumschicht48 in ihrer Größe so bemessen, dass diese der späteren Elektrode16 entspricht. Durch entsprechende Dotierung wird eine elektrische Leitfähigkeit der Polysiliziumschicht48 eingestellt. - In einer nicht dargestellten Variante kann die Polysiliziumschicht
48 mit einer Vielzahl von kleinen Durchgangslöchern strukturiert werden, die ein späteres Ätzen der Schicht46 begünstigen. Ferner kann vorgesehen sein, die Polysiliziumschicht48 durch eine Epipolyschicht aufzudicken. Hierdurch wird möglich, relativ große stabile spätere sensitive Schichten zu erzielen. - Während des Abscheidens der Polysiliziumschicht
48 wird gleichzeitig die in der Oxidschicht46 vorgesehene Öffnung47 zur Kontaktierung der Schicht44 mitgefüllt. -
6 zeigt, dass anschließend auf die Polysiliziumschicht48 beziehungsweise auf die Oxidschicht46 eine weitere Oxidschicht50 abgeschieden wird. In dieser Oxidschicht50 wird eine Öffnung52 bis auf die Polysiliziumschicht48 strukturiert. - Wie
7 verdeutlicht, wird anschließend auf die Oxidschicht50 eine weitere Polysiliziumschicht54 aufgebracht. Diese Polysiliziumschicht54 bildet die spätere Membran22 . Das Abscheiden des Polysiliziums erfolgt hierbei gleichzeitig in die Öffnung52 , so dass eine Verbindung zwischen der Polysiliziumschicht54 und der Polysiliziumschicht48 entsteht. Hier kann vorgesehen sein, zusätzlich eine Aufdickung mittels einer Epipolyschicht vorzunehmen. Die Polysiliziumschicht54 wird mit einer Vielzahl von Durchgangsöffnungen56 strukturiert. Diese Durchgangsöffnungen56 legen Zugänge zu der Oxidschicht50 beziehungsweise Oxidschicht46 frei. - Zusätzlich werden metallische Bereiche
58 und60 abgeschieden, die der späteren Kontaktierung der Elektroden14 beziehungsweise16 dienen. Eine weitere Durchgangsöffnung im Bereich62 in der Polysiliziumschicht54 dient der elektrischen Isolierung der Kontakte voneinander. - Schließlich werden, wie
8 verdeutlicht, mittels eines Ätzprozesses, beispielsweise eines Gasphasenätzverfahrens, die Oxidschichten46 beziehungsweise50 geätzt. Der Zugang erfolgt hierbei über die Öffnungen56 in der Polysiliziumschicht54 und die gegebenenfalls in der Polysiliziumschicht48 vorgesehenen weiteren Durchgangsöffnungen (Perforierung). Durch Ätzen der Oxidschichten46 beziehungsweise50 entsteht der Hohlraum18 , der seitlich von der Lagerschicht20 (ehemalige Bereiche der Oxidschichten46 und50 ) begrenzt ist. Die Oxidschichten46 und50 bilden somit so genannte Opferschichten. - Zur einen Seite wird der Hohlraum
18 durch die, die erste Elektrode14 bildende Polysiliziumschicht44 begrenzt. Da die Oxidschicht beiderseits der Polysiliziumschicht48 geätzt wird, entsteht der in den Hohlraum18 einkragende Elektrode16 , die über ein Koppelelement24 mit der Membran22 mechanisch und elektrisch leitend verbunden ist. - Die verbleibenden Öffnungen
56 werden anschließend verschlossen. Dies kann beispielsweise durch Abschalten eines Oxides, beispielsweise eines TEOS-Oxides (Tetraethylorthosilicat) erfolgen. Die verschlossenen Öffnungen56 sind in den1 und2 am fertigen Drucksensor10 verdeutlicht. Vor Verschließen der Öffnungen56 kann in den Hohlraum18 ein definierter Referenzdruck PR eingestellt werden. - 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
-
- - EP 0714017 A1 [0002]
- - DE 102007029414 [0004]
- - DE 102008002668 [0005]
Claims (9)
- Mikromechanischer kapazitiver Drucksensor mit einer auf einem Substrat angeordneten ersten Elektrode, und einer relativ zur ersten Elektrode verlagerbaren, zweiten Elektrode, wobei die Elektroden (
14 ,16 ) einen Hohlraum (18 ) zumindest teilweise begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (16 ) mit einer Membran (22 ) mechanisch wirkverbunden ist und durch die Membran (22 ) im Wesentlichen parallel zu der ersten Elektrode (14 ) verlagerbar ist. - Mikromechanischer kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (
16 ) an der Membran über wenigstens ein Kopplungselement (24 ) angehängt ist. - Mikromechanischer kapazitiver Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens ein Kopplungselement (
24 ) in einen Bereich der Membran (22 ) mit deren höchster Auslenkung angeordnet ist. - Mikromechanischer kapazitiver Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (
16 ) über das Kopplungselement (24 ) mit der Membran (22 ) in dessen geometrischen Mittelpunkt (30 ) verbunden ist. - Mikromechanischer kapazitiver Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (
16 ) über mehrere, ringförmig um den geometrischen Mittelpunkt (30 ) der Membran (22 ) angeordneten Kopplungselemente (24 ) mit der Membran (22 ) verbunden ist. - Mikromechanischer kapazitiver Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Kopp lungselement (
24 ) gleichzeitig der elektrischen Kontaktierung der zweiten Elektrode (16 ) dient. - Mikromechanischer kapazitiver Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (
18 ) gegenüber einer Umgebung druckdicht verschlossen ist und einen Referenzdruck (PR) aufweist. - Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen kapazitiven Drucksensors mit folgenden Schritten: – Erzeugen einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht (
44 ) auf einem Substrat (40 ), – Abscheiden einer Opferschicht (46 ) auf der elektrisch leitfähigen Schicht (44 ), – Abscheiden einer zweiten elektrisch leitfähigen Schicht (48 ) auf der Opferschicht (46 ), – Abscheiden einer weiteren Opferschicht (50 ) auf der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht (48 ), – Einbringen wenigstens einer Öffnung (52 ) in die zweite Opferschicht (50 ) bis zur zweiten elektrisch leitfähigen Schicht (48 ), – Abscheiden einer dritten elektrisch leitfähigen Schicht (54 ) auf die zweite Opferschicht (50 ) und in die Öffnung (52 ) der zweiten Opferschicht (50 ), – Einbringen von wenigstens einer Öffnung (56 ) in die dritte elektrisch leitfähige Schicht (54 ), – Ätzen der ersten und zweiten Opferschicht (46 ,50 ) durch die wenigstens eine Öffnung (56 ) zur Bildung eines Hohlraumes (18 ) zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (44 ) und der dritten elektrisch leitfähigen Schicht (54 ), – Verschließen der wenigstens einen Öffnung (56 ) und – Kontaktieren der ersten und dritten elektrisch leitfähigen Schichten (44 und54 ). - Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abscheiden der zweiten Opferschicht (
50 ) in die zweite elektrisch leitfähige Schicht (48 ) Durchgangsöffnungen eingebracht werden.
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Effective date: 20140801 |