DE102009001892A1

DE102009001892A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE102009001892A1
Application number: DE102009001892A
Authority: DE
Inventors: Michael Philipps
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2010-09-30
Also published as: US8794077B2; EP2411781A1; US20120017690A1; WO2010108949A1

Abstract

Ein Drucksensor umfasst einen einkristallinen Membrankörper (1), welcher eine Messmembran (3) und einen die Messmembran umgebenden Randbereich (5) aufweist, wobei der Randbereich eine größere Materialstärke aufweist als die Messmembran (3) und wobei der Randbereich eine erste Montageoberfläche (7) aufweist, deren Oberflächen normal durch eine erste Hauptkristallachse gegeben ist; und einen einkristallinen Substratkörper (10), der hinsichtlich der Kristallstruktur das gleiche Halbleitermaterial aufweist wie der Membrankörper (1), wobei der Substratkörper (10) eine zweite Montageoberfläche (14) aufweist, deren Oberflächennormale parallel zur ersten Hauptkristallachse verläuft, wobei der Membrankörper mit dem Substratkörper durch Fügen der ersten Montageoberfläche mit der zweiten Montageoberfläche fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Orientierungen anderer Hauptkristallachsen von Membrankörper und Substratkörper jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere einen Drucksensor mit einem einkristallinen Membrankörper, welcher eine Messmembran und ein Messmembran umgebenden Randbereich aufweist, und einen einkristallinen Substratkörper, wobei der Membrankörper entlang einer Montagefläche des Randbereichs mit dem Substratkörper fest verbunden ist. Derartige Drucksensoren werden von der Anmelderin beispielsweise in Differenzdruckmessumformer unter der Bezeichnung „Deltabar” und in Druckmessumformern, die einen hydraulischen Druckmittler aufweisen, unter der Bezeichnung „Cerabar” hergestellt und vertrieben.
Der Membrankörper und der Substratkörper weisen insbesondere einkristallines Silizium als Basis für Material auf, wobei die miteinander zu verbindenden Montageoberflächen Normale aufweisen, welche jeweils durch die gleiche Hauptkristallachse gegeben sind, beispielsweise, eine <100>-Achse. Der Substratkörper und der Membrankörper werden durch eine eutektische Verbindung miteinander gefügt, welche eine Zwischenschicht aus Gold beinhaltet, die zur Bildung des Eutektikums erforderlich ist.
Alternativ hierzu ist eine Verbindung über so genanntes Fusionbonding möglich. Wenngleich die beschriebene Vorgehensweise und die gattungsgemäßen Drucksensoren zufrieden stellende Messergebnisse liefern, gibt es, dennoch Rückwirkungen zwischen dem Substratkörper und dem Membrankörper, die aufgrund der Einisotropie der mechanischen und elektrischen Materialparameter auftreten können. So ist Beispiel das Elastizitätsmodul von Silizium in 100 Richtung 130 GPa, in <110>-Richtung 169 GPa und in <111>-Richtung 188 GPa.
An der Grenzfläche zwischen den Montageflächen können aufgrund mangelnder lateraler Orientierung der Montageflächen zueinander trotz identischen Oberflächen normale erhebliche Sprünge in den richtungsabhängigen Kristalleigenschaften auftreten. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor bereitzustellen, welcher diese Nachteile überwindet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.
Der erfindungsgemäße Drucksensor, beispielsweise ein Halbleiterdrucksensor, umfasst einen einkristallinen Membrankörper, welcher eine Messmembran und einen die Messmembran umgebende Randbereich aufweist, wobei der Randbereich eine größere Materialstärke aufweist als die Messmembran, und wobei der Randbereich eine erste Montageoberfläche aufweist, deren Oberflächen normal durch einen erste Hauptkristallachse gegeben ist; und einen einkristallinen Substratkörper, der hinsichtlich der Kristallstruktur das gleiche Halbleitermaterial aufweist wie der Membrankörper, wobei der Substratkörper eine zweite Montageoberfläche aufweist, deren Oberflächennormale parallel zur ersten Hauptkristallachse verläuft, wobei der Membrankörper mit dem Substratkörper durch Fügen der ersten Montageoberfläche mit der zweiten Montageoberfläche fest verbunden ist, wobei erfindungsgemäß auch die Orientierungen anderer Hauptkristallachsen von Membrankörper und Substratkörper jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weisen der Membrankörper und der Substratkörper Si, SiC oder Saphir auf.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die erste Hauptkristallachse beispielsweise für eine Si eine <100>-, oder eine <111>-Achse.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die erste Montageoberfläche und die zweite Montageoberfläche mittels einer eutektischen Verbindung gefügt.
In einer alternativen Weiterbildung der Erfindung sind die erste Montageoberfläche und die zweite Montageoberfläche mittels Fusionsbinden (Englisch: Fusionbonding) gefügt, wobei die erste Montageoberfläche und die zweite Montageoberfläche insbesondere im Waferverband vor der Vereinzelung der Sensoren gefügt sind (Englisch: Fullwaferbonding).
Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung einen Wandler zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der Messmembran in ein elektrisches Signal, wobei der Wandler insbesondere ein (piezo-)resistiver oder ein kapazitiver Wandler sein kann.
Der erfindungsgemäße Drucksensor kann ein Absolutdrucksensor, ein Relativdrucksensor oder ein Differenzdrucksensor sein, wobei ein Absolutdrucksensor einen Mediendruck gegen Vakuum misst, ein Relativdrucksensor einen Mediendruck gegen Atmosphärendruck misst, und ein Differenzdrucksensor die Differenz zwischen einem ersten Mediendruck und einem zweiten Mediendruck misst.
Der erfindungsgemäße Drucksensor bietet die Vorteile, gegenüber dem Stand der Technik, dass einerseits die Wahrscheinlichkeit für Defekte zwischen Substratkörper und Membrankörper erheblich reduziert ist, und dass andererseits die anisotropen Materialeigenschaften in der Nähe der Montageflächen nicht mehr zum Eintrag von inhomogenen Verspannungen führen. Damit kann im Ergebnis die Langzeitstabilität und die Messgenauigkeit verbessert werden.
Ein erfindungsgemäßer Druckmessaufnehmer, umfasst einen erfindungsgemäßen Drucksensor und ein Gehäuse, welches in seinem Inneren eine Sensorkammer aufweist, in welcher der Drucksensor angeordnet ist, und mindestens einen hydraulischen Pfad, der sich von einer äußeren Oberfläche des Gehäuses in die Sensorkammer erstreckt, um eine Oberfläche der Messmembran mit einem zu messenden Druck zu beaufschlagen.
In einer Ausgestaltung des Druckmessaufnehmer ist eine Öffnung des hydraulischen Pfades in der äußeren Oberfläche des Gehäuses mit einer Trennmembran überdeckt, die entlang eines Randes druckdicht mit der äußeren Oberfläche des Gehäuses verbunden ist, und wobei das zwischen der Trennmembran und der Messmembran eingeschlossene Volumen des hydraulischen Pfades mit einer Übertragungsmedium, z. B. einer nicht kompressiblen Flüssigkeit gefüllt ist.
Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
1: eine Darstellung der Hauptkristallebenen eines Siliziumkristalls;
2: eine perspektivische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Membrankörpers und eines erfindungsgemäßen Substratkörpers; und
3: einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmer.
Als Hintergrundinformation zur vorliegenden Erfindung zeigt 1 die Hauptkristallebenen {100}, {110} und {111} eines Siliziumkristalls sowie deren Orientierung zueinander.
Wie in 2 dargestellt, umfasst ein Membrankörper 1 einkristallines Silizium. Er weist eine Messmembran 3 auf, welche in einer {100}-Ebene verläuft. Die Messmembran ist durch einen Ätz-Prozess in einem Siliziumkristall präpariert, wobei durch den Ätz-Prozess {111}-Ebenen gebildet werden, welche einen Randbereich 5 des Membrankörpers zur Messmembran 3 hin begrenzen. Parallel zur Messmembran, also auch mit {100}-Orientierung, verläuft eine erste Montagefläche 7. Senkrecht zur Fläche der Messmembran 3 und senkerecht zur Montageflächen verlaufen, jeweils senkrecht zueinander, {110} Ebenen, welche den Membrankörper seitlich begrenzen. Der Membrankörper 1 ist mit einem Substratkörper 10 zu fügen, welcher eine {100}-Ebene 12 und parallel dazu eine {100}-Ebene 14 aufweist, wobei letztere als zweite Montagefläche dient. Der Substratkörper ist seitlich ebenfalls durch {110}-Ebenen begrenzt. Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Drucksensors werden der Membrankörper 1 und Substratkörper 10 in der Weise zueinander orientiert, dass die erste Montagefläche an der zweiten Montagefläche anliegt, und dass die {110}-Ebenen von Membrankörper 1 und Substratkörper 10 jeweils parallel zueinander verlaufen. Mit dieser Orientierung werden der Membrankörper 1 und der Substratkörper 10 durch Fusionsbinden miteinander gefügt, wobei dies insbesondere im Waferverband geschieht, bevor die Drucksensoren durch Sägen der Wafer entlang der {110} Ebenen vereinzelt werden. Die Wafer weisen entsprechende Orientierungsmarken auf, welche die beschriebene Ausrichtung von Membrankörper und Substratkörper zueinander ermöglichen.
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmer, bei welchem ein erfindungsgemäßer Drucksensor, bestehend aus einem Membrankörper 1 und einem Substratkörper 10, die entlang der ersten Montageoberfläche 7 und der zweiten Montagefläche 14 miteinander gefügt sind, in einer Sensorkammer 22 in einem Metallgehäuse 20 angeordnet ist. Der dargestellte Druckmessaufnehmer ist ein Relativdruckmessaufnehmer, bei welchem eine Messmembran 3 des Hableiterdrucksensors über eine Kapillarleitung 24, die sich zu einer Oberfläche des Gehäuses 20 erstreckt, mit einem auf eine Trennmembran 26 einwirkenden Mediendruck beaufschlagt. Die Messmembran 26 ist mit einer umlaufenden Schweißnaht mit der Oberfläche des Gehäuses 20 verbunden, wobei das freie Volumen der Sensorkammer 22 und das unter der Trennmembran eingeschlossene Volumen mit einem Übertragungsmedium, z. B. einer nicht kompressiblen Flüssigkeit gefüllt ist. Durch das Gehäuse und durch den Substratkörper 10 erstreckt sich ein rückseitiger Kanal 28, über welche die Rückseite der Messmembran 3 mit dem Atmosphärendruck als Referenzdruck zu beaufschlagen ist. Der Substratkörper ist rückseitig mittels einer drucktragenden Fügung, beispielsweise einer Klebung 30, durch welche der Kanal 28 verläuft, in der Sensorkammer 22 fixiert.

Claims

Drucksensor, umfassend: einen einkristallinen Membrankörper (1), welcher eine Messmembran (3) und einen die Messmembran umgebende Randbereich (5) aufweist, wobei der Randbereich eine größere Materialstärke aufweist als die Messmembran (3), und wobei der Randbereich eine erste Montageoberfläche (7) aufweist, deren Oberflächennormale durch einen erste Hauptkristallachse gegeben ist; und einen einkristallinen Substratkörper (10), der hinsichtlich der Kristallstruktur das gleiche Halbleitermaterial aufweist wie der Membrankörper (1), wobei der Substratkörper (10) eine zweite Montageoberfläche (14) aufweist, deren Oberflächennormale parallel zur ersten Hauptkristallachse verläuft, wobei der Membrankörper mit dem Substratkörper durch Fügen der ersten Montageoberfläche mit der zweiten Montageoberfläche fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Orientierungen anderer Hauptkristallachsen von Membrankörper und Substratkörper jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Membrankörper und der Substratkörper Si, SiC oder Saphir aufweisen.
Drucksensor gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die erste Hauptkristallachse eine <100>-, <111>-Achse ist.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Montageoberfläche und die zweite Montageoberfläche mittels einer eutektischen Verbindung gefügt sind.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Montageoberfläche und die zweite Montageoberfläche mittels Fusionsbinden gefügt sind.
Drucksensor nach Anspruch 5, wobei die erste Montageoberfläche und die zweite Montageoberfläche im Waferverband gefügt sind.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Wandler zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der Messmembran in ein elektrisches Signal.
Drucksensor nach Anspruch 7, wobei der Wandler ein (piezo-)resistiver oder ein kapazitiver Wandler ist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drucksensor ein Absolutdrucksensor, ein Relativdrucksensor oder ein Differenzdrucksensor ist.
Druckmessaufnehmer, umfassend: einen Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und ein Gehäuse, welches in seinem inneren eine Sensorkammer aufweist, in welcher der Drucksensor angeordnet ist, und mindestens einen hydraulischen Pfad, der sich von einer äußeren Oberfläche des Gehäuses in die Sensorkammer erstreckt, um eine Oberfläche der Messmembran mit einem zu messenden Druck zu beaufschlagen.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 10, wobei eine Öffnung des hydraulischen Pfades in der äußeren Oberfläche des Gehäuses mit einer Trennmembran überdeckt ist, die entlang eines Randes druckdicht mit der äußeren Oberfläche des Gehäuses verbunden ist, und wobei das zwischen der Trennmembran und der Messmembran eingeschlossene Volumen des hydraulischen Pfades mit einem Übertragungsmedium gefüllt ist.