DE102013113171A1 - Piezoresistive silicon differential pressure cell and method for its production - Google Patents

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Abstract

Eine Halbleiterdifferenzdruckmesszelle (1) umfasst eine Messmembran (10); einen ersten und zweiten Gegenkörper (20, 30); wobei die Messmembran (10) zwischen den Gegenkörpern (20, 30) angeordnet und mit beiden druckdicht verbunden ist, wobei zwischen der Messmembran und den Gegenkörpern (20, 30) jeweils eine Druckkammer (23, 33) ausgebildet ist, die über eine Öffnungen (24, 34) in den Gegenkörpern druckbeaufschlagbar sind, wobei die Gegenkörper hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften bezogen auf eine durch die Messmembran definierte Spiegelebene symmetrisch ist, wobei die Messmembran einen ersten piezoresistiven Wandler (12) zum Wandeln einer Auslenkung der Messmembran in ein elektrisches Signal aufweist, wobei die Messmembran einen zweiten Wandler (13) zum Wandeln eines Zustands der Messmembran in ein elektrisches Signal aufweist, wobei die Wandler auf gegenüberliegenden Seiten der Messmembran angeordnet sind.A semiconductor differential pressure measuring cell (1) comprises a measuring diaphragm (10); a first and second mating body (20, 30); wherein the measuring diaphragm (10) between the counter-bodies (20, 30) is arranged and connected to both pressure-tight, between the measuring diaphragm and the counter-bodies (20, 30) each having a pressure chamber (23, 33) is formed, which via an openings ( 24, 34) can be pressurized in the counter-bodies, the counter-bodies being symmetrical with respect to their mechanical properties relative to a mirror plane defined by the measuring diaphragm, the measuring diaphragm having a first piezoresistive transducer (12) for converting a deflection of the measuring diaphragm into an electrical signal, wherein the measuring diaphragm has a second transducer (13) for converting a state of the measuring diaphragm into an electrical signal, the transducers being arranged on opposite sides of the measuring diaphragm.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoresistive Differenzdruckmesszelle, ein Verfahren zu ihrer Herstellung.The present invention relates to a piezoresistive differential pressure measuring cell, a method for their preparation.

Gattungsgemäße Differenzdruckmesszellen umfassen implantierte piezoresistive Widerstände, die an einer ersten Oberfläche einer einkristallinen Silizium Messmembran gewöhnlich in einer Wheatstone-Brückenschaltung präpariert sind, wobei die Messmembran in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen ihren beiden Oberflächen druckabhängig ausgelenkt wird, was zu einer vom Differenzdruck abhängigen Verstimmung der Wheatstone-Brücke führt, die gewöhnlich als Diagonalspannung der Brücke detektiert wird.Generic differential pressure measuring cells comprise implanted piezoresistive resistors, which are usually prepared in a Wheatstone bridge circuit on a first surface of a monocrystalline silicon measuring diaphragm, the measuring diaphragm being deflected in dependence on a pressure difference between its two surfaces depending on the pressure difference. Bridge, which is usually detected as a diagonal voltage of the bridge.

Die Messmembran wird gewöhnlich durch einseitiges anisotropes Ätzen in einem Si-Wafer von einer der ersten Oberfläche abgewandten Seite des Wafers präpariert. Diese Präparation führt zu einer asymmetrischen Struktur, die beispielsweise eine Querempfindlichkeit zum statischen Druck bewirken kann.The measuring membrane is usually prepared by unilateral anisotropic etching in a Si wafer from a side of the wafer facing away from the first surface. This preparation leads to an asymmetric structure, which can cause, for example, a cross-sensitivity to static pressure.

Die Offenlegungsschrift DE 10 2006 062 222 A1 offenbart eine piezoresistive Differenzdruckmesszelle mit Kompensation des statischen Drucks. Hierzu ist einerseits eine erste Gruppe von piezoresistiven Widerstandselementen vorgesehen, deren Widerstandswerte vorwiegend von einer durch eine Druckdifferenz zwischen den auf beiden Seiten einer Messmembran anstehenden Mediendrücken verursachte Auslenkung der Messmembran abhängen, und andererseits mindestens ein weiteres Widerstandselement, dessen Widerstandswert von dem mittleren statischen Druck abhängt mit dem die Messmembran beaufschlagt wird. Auf diese Weise kann der statische Druck zumindest so genau bestimmt werden, dass eine Querempfindlichkeit der Differenzdruckmesszelle bezüglich des statischen Drucks kompensiert werden kann.The publication DE 10 2006 062 222 A1 discloses a piezoresistive differential pressure measuring cell with compensation of the static pressure. For this purpose, on the one hand a first group of piezoresistive resistance elements provided whose resistance values mainly depend on a caused by a pressure difference between the pending on both sides of a measuring membrane media deflection of the measuring membrane, and on the other hand, at least one further resistive element whose resistance value depends on the average static pressure applied to the measuring diaphragm. In this way, the static pressure can be determined at least so accurately that a cross-sensitivity of the differential pressure measuring cell with respect to the static pressure can be compensated.

Ein asymmetrischer Aufbau der Messzelle kann jedoch auch zu solchen Querempfindlichkeiten führen, die mit einem Kompensationsmodell nicht oder nicht vollständig beherrschbar sind. Die implantierten Widerstandselemente sowie metallische Leiterbahnen zum Kontaktieren der Widerstandselemente werden in der Regel mit einer Schutzschicht bedeckt. Dieser Schichtaufbau ist nicht symmetrisch bezüglich der Messmembran. Diese Asymmetrie kann z.B. Verspannungen in der Membran führen, die sich über Zeit und speziell durch Temperaturänderungen irreversibel verändern. Diese Änderungen können von einem Kompensationsmodell kaum automatisch korrigiert werden.However, an asymmetrical structure of the measuring cell can also lead to such cross-sensitivities that are not or not completely controllable with a compensation model. The implanted resistive elements and metallic interconnects for contacting the resistive elements are usually covered with a protective layer. This layer structure is not symmetrical with respect to the measuring membrane. This asymmetry can be e.g. Tension in the membrane lead, which irreversibly change over time and especially due to temperature changes. These changes can hardly be automatically corrected by a compensation model.

Die Nachteile eines asymmetrischen Sensors wurden in der Vergangenheit bereits durch symmetrische kapazitive Differenzdruckmesszellen aus Silizium gelindert, wie in der Patentanmeldung DE 10 2012 109 587 beschrieben ist. Diese kapazitiven Differenzdruckmesszellen sind allerdings empfindlich gegenüber isobarem statischem Druck, welcher die Übertragungsfunktion der Differenzdruckmesszelle beeinflusst.The disadvantages of an asymmetric sensor have already been alleviated in the past by symmetrical capacitive differential pressure measuring cells made of silicon, as in the patent application DE 10 2012 109 587 is described. However, these capacitive differential pressure cells are sensitive to isobaric static pressure which affects the transfer function of the differential pressure cell.

Differenzdruckmesszellen sind gewöhnlich darauf optimiert, geringe Druckdifferenzen p1 – p2 bei großen statischen Drucken p1, p2 zu messen. Hierbei ist es wichtig, die richtige Balance zwischen Empfindlichkeit und Überlastfestigkeit zu finden. So kann beispielsweise für den Messbereich der Druckdifferenz |p1 – p2| gelten |p1 – p2|/p1 < 1%. Wenn in einer Prozessanlage einer der Drücke p1, p2 entfällt, wird die Messzelle mit dem 100-fachen des Messbereichs belastet. Es sind Differenzdruckmessaufnehmer bekannt, die solchen Überlasten standhalten. Ein bewährter Schutz der empfindlichen Differenzdruckmesszellen beruht darauf, eine Überlastmembran zur Messzelle hydraulisch parallel zu schalten, wobei die Messzelle und die Überlastmembran über hydraulische Pfade mit den beiden Drücken p1, p2 zu beaufschlagen, und wobei die Drücke durch Trennmembranen in die hydraulischen Pfade eingeleitet werden. Eine Überlastmembran weist eine hinreichend große hydraulische Kapazität auf, um im Falle einer einseitigen Überlast das Volumen einer Übertragungsflüssigkeit in einem hydraulischen Pfad so weit aufzunehmen, dass die Trennmembran dieses hydraulischen Pfads an einem Membranbett zur Anlage kommt, so dass ein weiterer Anstieg des auf die Differenzdruckmesszelle wirkenden Differenzdrucks zuverlässig verhindert ist. Beispiele für Differenzdruckmessaufnehmer mit Überlastmembranen sind in EP 1 299 701 B1 , DE 10 2006 040 325 A1 und DE 10 2006 057 828 A1 offenbart.Differential pressure cells are usually optimized to measure small pressure differences p1-p2 at high static pressures p1, p2. It is important to find the right balance between sensitivity and overload resistance. For example, for the measuring range of the pressure difference | p1 - p2 | apply | p1 - p2 | / p1 <1%. If one of the pressures p1, p2 is omitted in a process plant, the measuring cell is loaded with 100 times the measuring range. Differential pressure transducers are known which withstand such overloads. Proven protection of the sensitive differential pressure cells is based on hydraulically switching an overload diaphragm to the measuring cell, whereby the measuring cell and the overload diaphragm are pressurized via hydraulic paths with the two pressures p1, p2 and the pressures are introduced into the hydraulic paths by separating diaphragms. An overload membrane has a sufficiently large hydraulic capacity to absorb in the event of a one-sided overload the volume of a transfer fluid in a hydraulic path so far that the separation membrane of this hydraulic path to a diaphragm bed comes into contact, so that a further increase in the differential pressure cell acting differential pressure is reliably prevented. Examples of differential pressure transducers with overload membranes are in EP 1 299 701 B1 . DE 10 2006 040 325 A1 and DE 10 2006 057 828 A1 disclosed.

Der Einsatz von Überlastmembranen führt jedoch zwingend zu größeren Volumenhüben der Übertragungsflüssigkeit und damit – bei gleicher Leistungsfähigkeit – zu größeren Trennmembranflächen, was größere Geräteabmessungen, und höhere Kosten zur Konsequenz hat. Außerdem wird die Messwerksdynamik durch die Überlastmembran und das größere Volumen der Übertragungsflüssigkeit negativ beeinflusst. Es sind daher insbesondere für kapazitive Differenzdrucksensoren Bemühungen bekannt, den Überlastschutz für die Messmembran durch Membranbetten zu realisieren. Hierbei soll sich die Messmembran bei Überschreiten eines Grenzwerts für einen einseitigen Überdruck zumindest in dem Maße an dem Membranbett abstützen, dass die Berstspannung der Messmembran auch bei einem weiteren Druckanstieg nicht erreicht wird.However, the use of overload membranes inevitably leads to larger volume strokes of the transfer fluid and thus - with the same performance - to larger separation membrane surfaces, which has larger device dimensions, and higher costs to the consequence. In addition, the dynamics of the measuring mechanism are adversely affected by the overload membrane and the larger volume of the transfer fluid. Therefore, efforts are particularly known for capacitive differential pressure sensors to realize the overload protection for the measuring membrane by membrane beds. In this case, the measuring membrane should be supported on exceeding a limit value for a one-sided overpressure at least to the extent to the membrane bed, that the bursting voltage of the measuring membrane is not reached even with a further increase in pressure.

Dafür sind insbesondere asphärische Membranbetten geeignet, welche die Biegelinie der Messmembran bei dem Grenzwert für den Überdruck approximieren. In particular aspherical membrane beds are suitable for this, which approximate the bending line of the measuring diaphragm at the limit value for the overpressure.

Die Patentschrift US 4 458 537 offenbart einen kapazitiven Differenzdrucksensor mit einem asphärischen Membranbett aus Glas, welches in eine Struktur koaxialer Ringe eingebracht ist, wobei die Höhen der Ringe eine Kontur bilden, welche der Biegelinie der Messmembran entspricht.The patent US 4,458,537 discloses a capacitive differential pressure sensor with an aspheric membrane bed of glass, which is placed in a structure of coaxial rings, wherein the heights of the rings form a contour which corresponds to the bending line of the measuring diaphragm.

Die Offenlegungsschrift DE 10 2009 046 229 A1 offenbart einen Drucksensor bzw. Differenzdrucksensor mit einem asphärischen Membranbett aus Glas, welches durch thermisches Einsinken geformt ist.The publication DE 10 2009 046 229 A1 discloses a pressure sensor or differential pressure sensor with an aspheric membrane bed made of glass, which is formed by thermal sinking.

Die Patentschrift US 7 360 431 B2 offenbart einen resistiven Drucksensor bzw. Differenzdrucksensor mit einem asphärischen Membranbett, welches in Silizium mittels Grauskalenlithographie präpariert ist.The patent US 7 360 431 B2 discloses a resistive pressure sensor or differential pressure sensor with an aspheric membrane bed prepared in silicon by grayscale lithography.

Die Offenlegungsschrift DE 10 2010 028 773 A1 offenbart einen Drucksensor bzw. Differenzdrucksensor mit einem asphärischen Membranbett, welches in Silizium mittels Laserablation, gefolgt von einem Oxidationsschritt und einem abschließenden Ätzen präpariert ist.The publication DE 10 2010 028 773 A1 discloses a pressure sensor or differential pressure sensor with an aspheric membrane bed prepared in silicon by laser ablation, followed by an oxidation step and a final etch.

JP10078366A offenbart einen resistiven Halbleiterdrucksensor mit einem gestuften Membranbett, welches in Silizium präpariert ist. JP10078366A discloses a resistive semiconductor pressure sensor having a stepped membrane bed prepared in silicon.

Die Patentschrift US 5 381 299 offenbart einen aus Silizium gefertigten kapazitiven Drucksensor mit einem gestuften Membranbett, welches die Biegelinie der Messmembran approximiert, wobei die Hüllkurve des Membranbetts im zentralen Bereich einen größeren Krümmungsradius aufweist als die Messmembran.The patent US 5,381,229 discloses a capacitive pressure sensor made of silicon with a stepped membrane bed, which approximates the bending line of the measuring membrane, wherein the envelope of the membrane bed in the central region has a larger radius of curvature than the measuring membrane.

Neben der einseitigen Überlast, kann auch eine symmetrische statische Druckbeaufschlagung eine Differenzdruckmesszelle beschädigen bzw. zerstören, insbesondere wenn die Berstfestigkeit einer Fügestelle zwischen Messmembran und Messzellenkörper überschritten wird. Um dem entgegenzuwirken, sind hydraulische Lagerungen der Messzelle bekannt, welche die Außenseite der Messzelle mit einem hinreichend hohen statischen Druck beaufschlagt wird, der den in die Messzelle eingeleiteten statischen Drücken entgegenwirkt. Einzelheiten hierzu sind beispielsweise in der Veröffentlichung US 2009 078 054 A und in dem Patent US 6,581,469 B2 offenbart. Diese hydraulische Lagerung erfordert jedoch einen erheblichen konstruktiven Aufwand.In addition to the one-sided overload, symmetrical static pressure can also damage or destroy a differential pressure measuring cell, especially if the bursting strength of a joint between measuring diaphragm and measuring cell body is exceeded. To counteract this, hydraulic bearings of the measuring cell are known, which is acted upon the outside of the measuring cell with a sufficiently high static pressure, which counteracts the introduced into the measuring cell static pressures. Details are for example in the publication US 2009 078 054 A and in the patent US 6,581,469 B2 disclosed. However, this hydraulic storage requires a considerable design effort.

Die Offenlegungsschrift DE 10 2011 006 517 A1 offenbart einen mikromechanischen Differenzdrucksensor, welcher eine keramische Kapsel um eine Halbleiterdifferenzdruckmesszelle aufweist, wodurch die Festigkeit gegenüber dem statischen Druck erhöht wird.The publication DE 10 2011 006 517 A1 discloses a micromechanical differential pressure sensor having a ceramic capsule around a semiconductor differential pressure cell, thereby increasing resistance to static pressure.

Dennoch besteht Bedarf daran, mikromechanische Differenzdrucksensoren weiter zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf die Validität der von ihnen bereitgestellten Messwerte.Nevertheless, there is a need to further improve micromechanical differential pressure sensors, particularly with regard to the validity of the measurements they provide.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte piezoresistiven Differenzdruckmesszelle und einen Differenzdrucksensor mit einer solchen Differenzdruckmesszelle bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Differenzdruckmesszelle gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 10.It is therefore the object of the present invention to provide an improved piezoresistive differential pressure measuring cell and a differential pressure sensor with such a differential pressure measuring cell. The object is achieved by the differential pressure measuring cell according to the independent claim 1 and the method according to the independent claim 10th

Die erfindungsgemäße Halbleiterdifferenzdruckmesszelle, umfasst eine Messmembran; einen ersten Gegenkörper; und einen zweiten Gegenkörper; wobei die Messmembran zwischen dem ersten Gegenkörper und dem zweiten Gegenkörper angeordnet und mit beiden Gegenkörpern druckdicht verbunden ist, wobei zwischen der Messmembran und dem ersten Gegenkörper eine erste Druckkammer ausgebildet ist, die über eine erste Öffnung in dem ersten Gegenkörper mit einem ersten Druck beaufschlagbar ist, wobei zwischen der Messmembran und dem zweiten Gegenkörper eine zweite Druckkammer ausgebildet ist, die über eine zweite Öffnung in dem zweiten Gegenkörper mit einem zweiten Druck beaufschlagbar ist, wobei der erste Gegenkörper hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften bezogen auf eine durch die Messmembran definierte Spiegelebene symmetrisch zum zweiten Gegenörper ist, wobei die Messmembran einen ersten piezoresistiven Wandler zum Wandeln einer Auslenkung der Messmembran in ein elektrisches Signal aufweist, wobei die Messmembran einen zweiten Wandler zum Wandeln eines Zustands der Messmembran in ein elektrisches Signal aufweist, wobei der erste Wandler auf einer ersten Seite Messmembran präpariert ist, welche der ersten Druckkammer zugewandt ist, wobei der zweite Wandler auf einer zweiten Seite der Messmembran angeordnet ist, die dem zweiten Druckkammer zugewandt ist.The semiconductor differential pressure measuring cell according to the invention comprises a measuring diaphragm; a first counter body; and a second counter body; wherein the measuring diaphragm is arranged between the first counter-body and the second counter-body and pressure-tightly connected to both counter-bodies, wherein between the measuring diaphragm and the first counter-body a first pressure chamber is formed, which is acted upon via a first opening in the first counter-body with a first pressure, wherein between the measuring diaphragm and the second counter body, a second pressure chamber is formed, which is acted upon via a second opening in the second counter body with a second pressure, wherein the first counter body with respect to its mechanical properties relative to a defined by the measuring diaphragm mirror plane symmetrical to the second counter body wherein the measuring diaphragm comprises a first piezoresistive transducer for converting a deflection of the measuring diaphragm into an electrical signal, wherein the measuring diaphragm has a second transducer for converting a state of the measuring diaphragm into an electrical signal, where wherein the first transducer on a first side measuring membrane is prepared, which faces the first pressure chamber, wherein the second transducer is arranged on a second side of the measuring diaphragm, which faces the second pressure chamber.

Der erfindungsgemäße Drucksensor ist im Ergebnis hinsichtlich seiner die Druckmessung bestimmenden Eigenschaften vollständig symmetrisch. D.h., die Auslenkung der Silizium-Membran ist für Drücke von beiden Seiten gleich. Infolgedessen ist das resultierende Messsignal ist also symmetrisch bezüglich eines Zustands, bei dem auf beiden Seiten der gleiche Druck herrscht. Ein solches Signal ist leichter zu kompensieren als das Signal eines unsymmetrischen Drucksensors.As a result, the pressure sensor according to the invention is completely symmetrical with respect to its properties determining the pressure measurement. That is, the deflection of the silicon diaphragm is the same for pressures from both sides. As a result, the resulting measurement signal is symmetrical with respect to a condition where the same pressure exists on both sides. Such a signal is easier to compensate than the signal from a single-ended pressure sensor.

Um zusätzlich die Messwerte validieren zu können, sind zwei Messwandler vorgesehen, welche die Messgröße redundant bzw. diversitär ermitteln. Anhand der Auswertung der Messergebnisse können Folgerungen über den Zustand des Sensors gezogen werden. An sich sind Diagnosestrategien bekannt, die auf redundanten bzw. diversitären Messungen beruhen. Um Differenzdrucksensoren mit zwei Wandlern auszustatten ist aber offensichtlich ein erhöhter Flächenbedarf auf der Messmembran erforderlich, um die Wandler positionieren zu können. Insofern als die Wandler auf die beiden Seiten der Messmembran verteilt angeordnet sind, braucht die Messmembranfläche trotz der Bereitstellung zweier Wandler nicht vergrößert zu werden. Dieser Vorteil ist erheblich, da bei Differenzdrucksensoren der statische Druck zu Spannungen in den Fügestellen zwischen Messmembran und Gegenkörpern führt, die in erster Näherung zur Membranfläche proportional sind.In order to be able to additionally validate the measured values, two transducers are provided which determine the measured variable redundantly or diversely. Based on the evaluation of the measurement results, conclusions can be drawn about the condition of the sensor. As such, diagnostic strategies are known which are based on redundant or diversified measurements. To equip differential pressure sensors with two transducers but obviously an increased space requirement on the measuring diaphragm is required to position the transducer can. Insofar as the transducers are arranged distributed on the two sides of the measuring diaphragm, the measuring diaphragm surface need not be enlarged, despite the provision of two transducers. This advantage is significant, since in differential pressure sensors, the static pressure leads to stresses in the joints between the measuring membrane and counter-bodies, which are proportional to the membrane surface in first approximation.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Wandler ein piezoresistiver Wandler, der zum Wandeln einer Auslenkung der Messmembran in ein elektrisches Signal genutzt wird.In a development of the invention, the second converter is a piezoresistive converter which is used to convert a deflection of the measuring diaphragm into an electrical signal.

In einer Weiterbildung der Erfindung weisen der erste Wandler eine erste Übertragungsfunktion U1(Δp) und der zweite Wandler eine zweite Übertragungsfunktion U2(Δp) auf, wobei gilt |(U1(Δp) – U2(–Δp))/(U1(Δp) + U2(–Δp))| < a, wenn |Δp| > 0,1 Δpmax, wobei Δpmax einen maximalen Differenzdruck bezeichnet für den der Messbereich der Halbleiterdruckmesszelle spezifiziert ist, wobei a = 10% insbesondere a = 4%, vorzugsweise a = 2%.In a development of the invention, the first converter has a first transfer function U1 (Δp) and the second converter has a second transfer function U2 (Δp), where | (U1 (Δp) - U2 (-Δp)) / (U1 (Δp) + U2 (-Δp)) | <a, if | Δp | > 0.1 Δp max , where Δp max denotes a maximum differential pressure for which the measuring range of the semiconductor pressure measuring cell is specified, where a = 10%, in particular a = 4%, preferably a = 2%.

In einer Weiterbildung der Erfindung weisen der erste Wandler eine erste Übertragungsfunktion U1(Δp) und der zweite Wandler eine zweite Übertragungsfunktion U2(Δp) auf, wobei gilt |(U1(Δp) – U2(–Δp))/(U1(Δp) + U2(–Δp))| > a, wenn |Δp| > 0,1 Δpmax, wobei Δpmax einen maximalen Differenzdruck bezeichnet für den der Messbereich der Halbleiterdruckmesszelle spezifiziert ist, wobei a = 10%.In a development of the invention, the first converter has a first transfer function U1 (Δp) and the second converter has a second transfer function U2 (Δp), where | (U1 (Δp) - U2 (-Δp)) / (U1 (Δp) + U2 (-Δp)) | > a, if | Δp | > 0.1 Δp max , where Δp max denotes a maximum differential pressure for which the measuring range of the semiconductor pressure measuring cell is specified, where a = 10%.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der erste bzw. der zweite Gegenkörper mit einem Stützkörper rückseitig abgestützt. In einer Weiterbildung der Erfindung ist bzw. sind der oder die Stützkörper jeweils mit dem gestützten Gegenkörper gefügt.In one development of the invention, the first or the second counter-body is supported on the back with a supporting body. In a development of the invention, the support body or bodies are respectively joined to the supported counterbody.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Wandler ein kapazitiver Wandler zum Wandeln einer Auslenkung der Messmembran in ein elektrisches Signal, wobei eine zweite Oberfläche der Messmembran, welche dem zweiten Gegenkörper zugewandt ist mindestens eine Membranelektrode aufweist, und wobei der zweite Gegenkörper mindestens eine Gegenkörperelektrode aufweist, wobei der zweite Wandler ein Signal bereitstellt, welches von der Kapazität zwischen der Membranelektrode und der Gegenkörperelektrode abhängt.In a development of the invention, the second converter is a capacitive converter for converting a displacement of the measuring diaphragm into an electrical signal, wherein a second surface of the measuring diaphragm which faces the second counterbody has at least one membrane electrode, and wherein the second counterbody has at least one counterelectrode electrode wherein the second transducer provides a signal which depends on the capacitance between the membrane electrode and the counter body electrode.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Differenzdruckmesszelle, insbesondere einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle, umfasst die folgenden Schritte:
Implantation von Messwiderständen und deren Zuleitung in einem ersten Wafer; Silizium-Direktbonden eines zweiten Wafers mit der ersten Seite des ersten Wafers, wobei der zweite Wafer Druckdurchführungen aufweist, die insbesondere mittels DRIE strukturiert sind; Abdünnen des ersten Wafers von einer zweiten Seite her, bis nur noch eine gewünschte Membrandicke vorhanden ist; Polieren der zweiten Seite des ersten Wafers; Implantation eines zweiten Satzes von Messwiderständen und deren Zuleitungen in den abgedünnten ersten Wafer von der zweiten Seite des ersten Wafers; Silizium-Direktbonden eines dritten Wafers mit der zweiten Seite des ersten Wafers, wobei der dritte Wafer Druckdurchführungen aufweist, die insbesondere mittels DRIE strukturiert sind; und Vereinzeln der Differenzdruckmesszellen.
The method according to the invention for producing a differential pressure measuring cell, in particular a pressure measuring cell according to the invention, comprises the following steps:
Implantation of measuring resistors and their supply in a first wafer; Direct silicon bonding of a second wafer to the first side of the first wafer, wherein the second wafer has pressure feedthroughs, which are structured in particular by means of DRIE; Thinning the first wafer from a second side until only a desired membrane thickness is left; Polishing the second side of the first wafer; Implanting a second set of sensing resistors and their leads into the thinned first wafer from the second side of the first wafer; Direct silicon bonding of a third wafer to the second side of the first wafer, wherein the third wafer has pressure feedthroughs, which in particular are structured by means of DRIE; and singulating the differential pressure cells.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin die elektrische Kontaktierung der Zuleitungen der Widerstandselemente, wobei die Kontaktierung insbesondere nach dem Silizium-Direktbonden des dritten Wafers mit der zweiten Seite des ersten Wafers und vor dem Vereinzeln der Differenzdruckmesszellen und insbesondere mittels der Through-Silicon-Via Technologie erfolgt.According to a development of the invention, the method furthermore comprises the electrical contacting of the supply lines of the resistance elements, wherein the contacting takes place in particular after the silicon direct bonding of the third wafer to the second side of the first wafer and before the separation of the differential pressure measuring cells and in particular by means of the through-silicon Via technology takes place.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren das Präparieren jeweils mindestens einer thermischen Oxidschicht auf einem der Fügepartner zwischen dem ersten Wafer und dem zweiten Wafer bzw. dem ersten Wafer und dem dritten Wafer, wobei die Oxidschicht die Fügestelle zwischen den Fügepartnern bildet.According to a development of the invention, the method comprises preparing in each case at least one thermal oxide layer on one of the joining partners between the first wafer and the second wafer or the first wafer and the third wafer, wherein the oxide layer forms the joint between the joining partners.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Oxidschicht auf einer Oberfläche des zweiten bzw. dritten Wafers präpariert, wobei insbesondere die Oxidschicht strukturiert wird um ein Membranbett zu bilden, an dem die Messmembran im Falle einer einseitigen Überlast anliegen kann.According to one development of the invention, the oxide layer is prepared on a surface of the second or third wafer, wherein in particular the oxide layer is patterned to form a membrane bed against which the measuring membrane can rest in the event of a one-sided overload.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Oxidschicht jeweils auf einer Oberfläche des ersten Wafers präpariert. According to one development of the invention, the oxide layer is prepared in each case on a surface of the first wafer.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird nach dem Implantieren der Widerstandselemente und der Zuleitungen eine Schutzschicht präpariert, welche insbesondere SiO2 oder Si3N4 umfasst.According to a development of the invention, after the implantation of the resistance elements and the supply lines, a protective layer is prepared, which in particular comprises SiO 2 or Si 3 N 4 .

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der erste Wafer einen SOI-Wafer.According to one development of the invention, the first wafer comprises an SOI wafer.

Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:The invention will now be explained with reference to the embodiments illustrated in the drawings. It shows:

1: Einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle; 1 : A schematic longitudinal section through a first embodiment of a pressure measuring cell according to the invention;

2: Einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle; und 2 : A schematic longitudinal section through a first embodiment of a pressure measuring cell according to the invention; and

3: Einen Folge von Verfahrensschritten eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 A sequence of method steps of a first embodiment of a method according to the invention.

Das in 1 dargestellte, erste Ausführungsbeispiel einer Druckmesszelle 1 umfasst eine Messmembran 10, einen ersten Gegenkörper 20, und einen zweiten Gegenkörper 30, wobei die Messmembranen und die beiden Gegenkörper insbesondere Silizium als Werkstoff aufweisen.This in 1 illustrated, the first embodiment of a pressure measuring cell 1 includes a measuring membrane 10 , a first counter-body 20 , and a second counter body 30 , wherein the measuring membranes and the two counter-body in particular have silicon as a material.

Die Messmembran 10 weist erste Widerstandselemente 12 in einer ersten wheatstoneschen Brückenschaltung auf einer ersten Seite der Messmembran, und zweite Widerstandselemente 13 in einer zweiten wheatstoneschen Brückenschaltung auf einer zweiten Seite der Messmembran auf. Die Messmembran 10 ist jeweils durch anodisches Bonden der ersten Seite mit einem ersten Gegenkörper 20 bzw. der zweiten Seite mit einem zweiten Gegenkörper 30 entlang umlaufender Fügestellen 22, 32 verbunden. Zwischen der ersten Seite der Messmembran und dem ersten Gegenkörper 20 eine erste Messkammer 23 gebildet. Die erste Messkammer 23 ist durch einen ersten Druckkanal 24, der sich durch den ersten Gegenkörper 20 erstreckt, mit einem ersten Druck beaufschlagbar. Zwischen der zweiten Seite der Messmembran und dem zweiten Gegenkörper 30 ist eine zweite Messkammer 33 gebildet ist, wobei die Messkammer 33 durch einen zweiten Druckkanal 24, der sich durch den zweiten Gegenkörper 30 erstreckt mit einem zweiten Druck beaufschlagbar.The measuring membrane 10 has first resistance elements 12 in a first wheatstone bridge circuit on a first side of the measuring diaphragm, and second resistive elements 13 in a second wheatstone bridge circuit on a second side of the measuring membrane. The measuring membrane 10 is in each case by anodic bonding of the first side with a first counter-body 20 or the second side with a second counter body 30 along circumferential joints 22 . 32 connected. Between the first side of the measuring diaphragm and the first counterbody 20 a first measuring chamber 23 educated. The first measuring chamber 23 is through a first pressure channel 24 that goes through the first mating body 20 extends, with a first pressure acted upon. Between the second side of the measuring diaphragm and the second counterbody 30 is a second measuring chamber 33 is formed, wherein the measuring chamber 33 through a second pressure channel 24 passing through the second mating body 30 extends acted upon by a second pressure.

Die Widerstandselemente der ersten und zweiten Brückenschaltung sind jeweils über hochdotierte Leiterbahnen auf beiden Seiten der Messmembran sowie mittels VIA-Technologie präparierten ersten Durchführungen 25 und zweiten Durchführungen 35 kontaktiert, wobei die elektrischen Durchführungen die Leiterbahnen im Bereich der durch anodisches Bonden präparierten Fügestellen 22, 32 zwischen der Messmembran 10 und den Gegenkörpern 20, 30 kontaktieren.The resistive elements of the first and second bridge circuits are in each case via highly doped conductor tracks on both sides of the measuring diaphragm as well as through VIA technology prepared first feedthroughs 25 and second bushings 35 contacted, wherein the electrical feedthroughs the tracks in the area prepared by anodic bonding joints 22 . 32 between the measuring membrane 10 and the counter bodies 20 . 30 to contact.

Die Messmembran 10 kann weiterhin auf beiden Seiten eine hier nicht näher dargestellte Schutzschicht aufweisen, welche insbesondere SiO2 oder Si3N4 umfasst.The measuring membrane 10 may further comprise on both sides of a protective layer not shown here, which in particular SiO 2 or Si 3 N 4 comprises.

Die Messmembran kann beispielsweise eine Stärke von 10 µm bis 250 µm aufweisen. Die jeweilige Membranstärke ist letztlich eine Funktion der auslenkbaren Membranfläche, des angestrebten Differenzdruckmessbereichs und der Höhe der Messkammern 23, 33 bzw. des Abstands zwischen Messmembran und Gegenkörpern. Dieser kann beispielsweise nicht mehr als 16 µm, insbesondere nicht mehr als 8 µm, und bevorzugt nicht mehr als 4 µm betragen.The measuring diaphragm can have, for example, a thickness of 10 μm to 250 μm. The respective membrane thickness is ultimately a function of the deflectable membrane area, the desired differential pressure measuring range and the height of the measuring chambers 23 . 33 or the distance between measuring diaphragm and counter-bodies. This may, for example, not more than 16 .mu.m, in particular not more than 8 .mu.m, and preferably not more than 4 microns.

Die von der Fügestelle umschlossene, auslenkbare Membranfläche beträgt beispielsweise nicht weniger als 0,5 mm2 und nicht mehr als 15 mm2, insbesondere nicht mehr als 5 mm2. Die Gegenkörper 20, 30 weisen eine Stärke von nicht weniger als 100 µm auf, insbesondere nicht weniger als 200 µm. Andererseits beträgt die Materialstärke der Gegenkörper beispielsweise nicht mehr als 800 µm, insbesondere nicht mehr als 400 µm.The deflectable membrane area enclosed by the joint is, for example, not less than 0.5 mm 2 and not more than 15 mm 2 , in particular not more than 5 mm 2 . The opposing bodies 20 . 30 have a thickness of not less than 100 microns, especially not less than 200 microns. On the other hand, the material thickness of the counter-body is, for example, not more than 800 μm, in particular not more than 400 μm.

Die Gegenkörper können weiterhin ein Membranbett mit einer Kontur aufweisen, an dem sich die Messmembran im Falle einer einseitigen Überlast abstützen kann. Ein solches Membranbett kann beispielsweise durch zeitgesteuertes Unterätzen einer auf den Gegenkörpern abgeschiedenen, maskierten Oxidschicht präpariert werden, wie in der noch unveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2012 109 587 beschrieben ist.The counter-bodies can furthermore have a membrane bed with a contour on which the measuring membrane can be supported in the event of a one-sided overload. Such a membrane bed can be prepared for example by time-controlled undercutting a deposited on the counter-bodies, masked oxide layer, as in the unpublished patent application DE 10 2012 109 587 is described.

Die Gegenkörper können rückseitig abgestützt bzw. versteift sein, oder die gesamte Druckmesszelle kann gekapselt sein, um höheren statischen Drücken standhalten zu können. Einzelheiten dazu sind in den Veröffentlichungen DE 10 2010 043 043 A1 , DE 2011 006 517 A1 , und in der noch unveröffentlichten Anmeldung DE 2012 113 033.7 offenbart.The counter-bodies can be supported on the back or stiffened, or the entire pressure measuring cell can be encapsulated in order to be able to withstand higher static pressures. Details are in the publications DE 10 2010 043 043 A1 . DE 2011 006 517 A1 , and in the still unpublished application DE 2012 113 033.7 disclosed.

Der Aufbau der Druckmesszelle 1 ist zumindest hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften symmetrisch, so dass sich Temperaturschwankungen oder Schwankungen eines in beiden Messkammern anliegenden statischen Drucks praktisch keine Verschiebung des Nullpunkts der Druckmesszelle bewirken.The structure of the pressure measuring cell 1 is symmetrical at least with regard to its mechanical properties, so that temperature fluctuations or fluctuations of a static pressure applied in both measuring chambers cause practically no displacement of the zero point of the pressure measuring cell.

Die beiden Wheatstoneschen Brücken können gleiche oder unterschiedliche Übertragungsfunktionen aufweisen. In jedem Falle ermöglichen sie eine Plausibilitätsprüfung und Überwachung der Messzelle durch Vergleichen der jeweiligen Messwerte.The two Wheatstone bridges may have the same or different transfer functions. In any case, they allow a plausibility check and monitoring of the measuring cell by comparing the respective measured values.

Insofern, als die beiden Wandler auf gegenüberliegenden Seiten der Messmembran angeordnet sind, kann die zusätzliche Brückenschaltungen ohne zusätzlichen Flächenbedarf realisiert werden, was einerseits die Kosten und andererseits die zur Membranfläche proportionale Belastung der Fügestellen 22, 32 zwischen der Messmembran 10 und den Gegenkörpern 20, 30 begrenzt.Insofar, as the two transducers are arranged on opposite sides of the measuring diaphragm, the additional bridge circuits can be realized without additional space requirement, which on the one hand the cost and on the other hand, the load proportional to the membrane surface of the joints 22 . 32 between the measuring membrane 10 and the counter bodies 20 . 30 limited.

Das in 2 dargestellte, zweite Ausführungsbeispiel einer Druckmesszelle 101 umfasst eine Messmembran 110, einen ersten Gegenkörper 120, und einen zweiten Gegenkörper 130, wobei die Messmembranen und die beiden Gegenkörper insbesondere Silizium als Werkstoff aufweisen.This in 2 illustrated, second embodiment of a pressure measuring cell 101 includes a measuring membrane 110 , a first counter-body 120 , and a second counter body 130 , wherein the measuring membranes and the two counter-body in particular have silicon as a material.

Die Messmembran 110 weist Widerstandselemente 112 in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung auf einer ersten Seite der Messmembran, und mindestens eine Membranelektrode 113 auf einer zweiten Seite der Messmembran 110 auf. Die Messmembran 110 ist jeweils durch anodisches Bonden der ersten Seite mit einem ersten Gegenkörper 120 bzw. der zweiten Seite mit einem zweiten Gegenkörper 130 entlang umlaufender Fügestellen 122, 132 verbunden. Zwischen der ersten Seite der Messmembran und dem ersten Gegenkörper 120 eine erste Messkammer 123 gebildet. Die erste Messkammer 123 ist durch einen ersten Druckkanal 124, der sich durch den ersten Gegenkörper 120 erstreckt, mit einem ersten Druck beaufschlagbar. Zwischen der zweiten Seite der Messmembran und dem zweiten Gegenkörper 130 ist eine zweite Messkammer 33 gebildet ist, wobei die Messkammer 133 durch einen zweiten Druckkanal 24, der sich durch den zweiten Gegenkörper 130 erstreckt mit einem zweiten Druck beaufschlagbar. Der zweite Gegenkörper 130 weist zudem eine der Messmembran 110 zugewandte Gegenkörperelektrode 114 auf, welche zusammen mit der Membranelektrode einen kapazitiven Druckmesswandler bildet.The measuring membrane 110 has resistance elements 112 in a Wheatstone bridge circuit on a first side of the measuring membrane, and at least one membrane electrode 113 on a second side of the measuring membrane 110 on. The measuring membrane 110 is in each case by anodic bonding of the first side with a first counter-body 120 or the second side with a second counter body 130 along circumferential joints 122 . 132 connected. Between the first side of the measuring diaphragm and the first counterbody 120 a first measuring chamber 123 educated. The first measuring chamber 123 is through a first pressure channel 124 that goes through the first mating body 120 extends, with a first pressure acted upon. Between the second side of the measuring diaphragm and the second counterbody 130 is a second measuring chamber 33 is formed, wherein the measuring chamber 133 through a second pressure channel 24 passing through the second mating body 130 extends acted upon by a second pressure. The second mating body 130 also has one of the measuring membrane 110 facing counter-body electrode 114 which together with the membrane electrode forms a capacitive pressure transducer.

Die Widerstandselemente 112 der Brückenschaltung sowie die Membranelektrode 113 sind jeweils über hochdotierte Leiterbahnen auf beiden Seiten der Messmembran sowie mittels VIA-Technologie präparierten ersten Durchführungen 125 und zweiten Durchführung 135 kontaktiert, wobei die elektrischen Durchführungen die Leiterbahnen im Bereich der durch anodisches Bonden präparierten Fügestellen 122, 132 zwischen der Messmembran 110 und den Gegenkörpern 120, 130 kontaktieren. Die Gegenkörperelektrode 114 ist ebenfalls über eine zweite, in VIA-Technologie präparierte Durchführung 135 kontaktiert, die sich durch den zweiten Gegenkörper 130 erstreckt.The resistance elements 112 the bridge circuit and the membrane electrode 113 Each of them has highly doped tracks on both sides of the measuring diaphragm as well as first bushings prepared by VIA technology 125 and second implementation 135 contacted, wherein the electrical feedthroughs the tracks in the area prepared by anodic bonding joints 122 . 132 between the measuring membrane 110 and the counter bodies 120 . 130 to contact. The counterbody electrode 114 is also via a second implementation prepared in VIA technology 135 contacted by the second mating body 130 extends.

Die Messmembran 110 kann weiterhin auf beiden Seiten eine hier nicht näher dargestellte Schutzschicht aufweisen, welche insbesondere SiO2 oder Si3N4 umfasst.The measuring membrane 110 may further comprise on both sides of a protective layer not shown here, which in particular SiO 2 or Si 3 N 4 comprises.

Hinsichtlich der Dimensionierung des Der Messmembran und der Gegenkörper, sowie einer ggf. vorzusehenden Abstützung bzw. Kapselung gelten die Erläuterungen zum ersten Ausführungsbei hier entsprechend.With regard to the dimensioning of the measuring diaphragm and the counter body, as well as any support or encapsulation to be provided, the explanations on the first embodiment apply here accordingly.

Der Aufbau der Druckmesszelle 101 ist zumindest hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften symmetrisch, so dass sich Temperaturschwankungen oder Schwankungen eines in beiden Messkammern anliegenden statischen Drucks praktisch keine Verschiebung des Nullpunkts der Druckmesszelle bewirken.The structure of the pressure measuring cell 101 is symmetrical at least with regard to its mechanical properties, so that temperature fluctuations or fluctuations of a static pressure applied in both measuring chambers cause practically no displacement of the zero point of the pressure measuring cell.

Die Differenzdruckmessung erfolgt bei diesem aus Führungsbeispiel mit der Wheatstoneschen Brückenschaltung der piezoresistiven Widerstandselemente 112. Bei moderaten statischen Drücken, die allenfalls vernachlässigbare Verformungen der Gegenkörper bewirken, entspricht der mittels des kapazitiven Druckmesswandlers ermittelte Messwert für die durch den Differenzdruck bedingte Auslenkung der Messmembran noch demjenigen, welcher von der Brückenschaltung ermittelt wird und ist insofern ebenfalls ein Maß für den Differenzdruck. Bei steigenden statischen Drücken tritt jedoch aufgrund einer Verformung der Gegenkörper Abweichungen zwischen dem den Messwerten der Wheatstoneschen Brückenschaltung, die im wesentlichen ausschließlich die Verformung der Messmembran erfasst, und den Messwerten des kapazitiven Druckmesswandlers auf. Anhand dieser Abweichungen kann neben dem Differenzdruck auch der statische Druck bestimmt werden. Dies ermöglicht zumindest Korrekturen der Differenzdruckbestimmung anhand des Signals der wheatstoneschen Brückenschaltung, falls deren Übertragungsfunktion vom statischen Druck abhängt.The differential pressure measurement takes place in this example from the management example with the Wheatstone bridge circuit of the piezoresistive resistor elements 112 , At moderate static pressures, which cause at most negligible deformations of the counter body, the measured by the capacitive pressure transducer measured value for the conditional by the differential pressure deflection of the measuring membrane still corresponds to that which is determined by the bridge circuit and is thus also a measure of the differential pressure. However, with increasing static pressures, deviations occur between the measured values of the Wheatstone bridge circuit, which essentially exclusively detects the deformation of the measuring diaphragm, and the measured values of the capacitive pressure transducer due to a deformation of the counter body. Based on these deviations, the static pressure can be determined in addition to the differential pressure. This allows at least corrections of the differential pressure determination based on the signal of the Wheatstone bridge circuit, if its transfer function depends on the static pressure.

Das in 3. dargestellte Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors umfasst die folgenden Schritte:

  • Implantation 210 von Messwiderständen und deren Zuleitung in einem ersten Wafer, welcher ein SOI Wafer ist, von einer ersten Seite des ersten Wafers;
  • • Optional kann eine in 3 nicht gesondert dargestellte Abscheidung einer ersten SiO2/Si3N4 Schutzschicht auf der ersten Seite des ersten Wafers erfolgen. Die Schichtstärke dieser Schutzschicht kann beispielsweise 2 µm betragen.
  • • Silizium-Direktbonden 220 eines zweiten Wafers mit der ersten Seite des ersten Wafers, wobei zur Vorbereitung des Silizium-Direkt-Bond Prozesseses zunächst eine erste thermische Oxidschicht für den Silizium-Direkt-Bond Prozess im Bereich der Fügestellen auf einer der Oberflächen der Fügepartner abzuscheiden ist, wobei der zweite Wafer Druckdurchführungen aufweist, die insbesondere mittels DRIE strukturiert sind;
  • Abdünnen 230 des ersten Wafers von einer zweiten Seite her, bis nur eine gewünschte Membrandicke vorhanden ist, wobei die gewünschte Membrandicke beispielsweise für ein Druckmesszelle mit einem Messbereich von +/–500 mbar beispielsweise 40 µm betragen kann, wenn die angestrebte laterale Dimension der Druckmesszelle etwa 2 mm beträgt, nach dem Abdünnen erfolgt ein Polieren der zweiten Seite des ersten Wafers;
  • Implantation 240 eines zweiten Satzes von Messwiderständen und deren Zuleitungen in den abgedünnten ersten Wafer von der zweiten Seite des ersten Wafers, um eine Druckmesszelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel herzustellen;
  • • Optional kann eine in 3 nicht gesondert dargestellte Abscheidung einer zweiten SiO2/Si3N4 Schutzschicht auf der zweiten Seite des ersten Wafers erfolgen;
  • • Silizium-Direktbonden 250 eines dritten Wafers mit der zweiten Seite des ersten Wafers, wobei zur Vorbereitung des Silizium-Direkt-Bond Prozesseses zunächst eine zweite thermische Oxidschicht für den Silizium-Direkt-Bond Prozess im Bereich der Fügestellen auf einer der Oberflächen der Fügepartner abzuscheiden ist, wobei der dritte Wafer Druckdurchführungen aufweist, die insbesondere mittels DRIE strukturiert sind;
  • Elektrische Kontaktierung 260 der Zuleitungen der Widerstandselemente, mittels Through-Silicon-Via Technologie; und
  • Vereinzeln 270 der Differenzdrucksensoren, beispielsweise mit einem Rastermaß von 2,2 mm.
This in 3 , illustrated embodiment of a method for producing a differential pressure sensor according to the invention comprises the following steps:
  • implantation 210 measuring resistors and their supply in a first wafer, which is an SOI wafer, from a first side of the first wafer;
  • • Optionally, an in 3 Separately shown deposition of a first SiO 2 / Si 3 N 4 protective layer on the first side of the first wafer done. The layer thickness of this protective layer may be, for example, 2 μm.
  • • silicon direct bonding 220 a second wafer having the first side of the first wafer, wherein in preparation for the silicon direct bond Processes first deposit a first thermal oxide layer for the silicon direct bonding process in the region of the joints on one of the surfaces of the joining partners, wherein the second wafer has Druckdurchführungen, which are structured in particular by means of DRIE;
  • • Thinning 230 of the first wafer from a second side until only a desired membrane thickness is present, wherein the desired membrane thickness, for example, for a pressure measuring cell with a measuring range of +/- 500 mbar may be 40 microns, for example, if the desired lateral dimension of the pressure measuring cell about 2 mm is, after thinning takes place a polishing of the second side of the first wafer;
  • • implantation 240 a second set of measuring resistors and their leads into the thinned first wafer from the second side of the first wafer to produce a pressure measuring cell according to the first embodiment;
  • • Optionally, an in 3 not separately shown deposition of a second SiO 2 / Si 3 N 4 protective layer on the second side of the first wafer take place;
  • • silicon direct bonding 250 a third wafer with the second side of the first wafer, wherein in preparation for the silicon direct bonding process, first a second thermal oxide layer for the silicon direct bonding process in the region of the joints on one of the surfaces of the joining partners is deposited, the third Wafer has pressure feedthroughs, which are structured in particular by means of DRIE;
  • Electrical contact 260 the leads of the resistive elements, via through silicon via technology; and
  • • Seperate 270 the differential pressure sensors, for example, with a pitch of 2.2 mm.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (14)

Halbleiterdifferenzdruckmesszelle (1), umfassend eine Messmembran (10); einen ersten Gegenkörper (20); und einen zweiten Gegenkörper (30); wobei die Messmembran (10) zwischen dem ersten Gegenkörper (20) und dem zweiten Gegenkörper (30) angeordnet und mit beiden Gegenkörpern druckdicht verbunden ist, wobei zwischen der Messmembran und dem ersten Gegenkörper (20) eine erste Druckkammer (23) ausgebildet ist, die über eine erste Öffnung (24) in dem ersten Gegenkörper mit einem ersten Druck beaufschlagbar ist, wobei zwischen der Messmembran (10) und dem zweiten Gegenkörper (30) eine zweite Druckkammer (33) ausgebildet ist, die über eine zweite Öffnung (34) in dem zweiten Gegenkörper mit einem zweiten Druck beaufschlagbar ist, wobei der erste Gegenkörper hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften bezogen auf eine durch die Messmembran definierte Spiegelebene symmetrisch zum zweiten Gegenkörper ist, wobei die Messmembran einen ersten piezoresistiven Wandler (12) zum Wandeln einer Auslenkung der Messmembran in ein elektrisches Signal aufweist, wobei die Messmembran einen zweiten Wandler (13) zum Wandeln eines Zustands der Messmembran in ein elektrisches Signal aufweist, wobei der erste Wandler auf einer ersten Seite Messmembran präpariert ist, welche der ersten Druckkammer zugewandt ist, wobei der zweite Wandler auf einer zweiten Seite der Messmembran angeordnet ist, die dem zweiten Druckkammer zugewandt ist.Semiconductor differential pressure measuring cell ( 1 ) comprising a measuring membrane ( 10 ); a first counter-body ( 20 ); and a second counter body ( 30 ); the measuring membrane ( 10 ) between the first counterbody ( 20 ) and the second counter body ( 30 ) and is pressure-tightly connected to both counter-bodies, wherein between the measuring diaphragm and the first counter-body ( 20 ) a first pressure chamber ( 23 ) is formed, which via a first opening ( 24 ) can be acted upon in the first counter-body with a first pressure, wherein between the measuring membrane ( 10 ) and the second counter body ( 30 ) a second pressure chamber ( 33 ) is formed, which via a second opening ( 34 ) is acted upon in the second counter-body with a second pressure, wherein the first counter body is in terms of its mechanical properties with respect to a defined by the measuring diaphragm mirror plane symmetrical to the second counter body, wherein the measuring diaphragm a first piezoresistive transducer ( 12 ) for converting a displacement of the measuring diaphragm into an electrical signal, wherein the measuring diaphragm comprises a second transducer ( 13 ) for converting a state of the measuring diaphragm into an electrical signal, wherein the first transducer is prepared on a first side measuring diaphragm facing the first pressure chamber, the second transducer being disposed on a second side of the measuring diaphragm facing the second pressure chamber is. Halbleiterdifferenzdruckmesszelle, nach Anspruch 1, wobei der zweite Wandler ein piezoresistiver Wandler ist zum Wandeln einer Auslenkung der Messmembran in ein elektrisches Signal.A semiconductor differential pressure measuring cell according to claim 1, wherein the second transducer is a piezoresistive transducer for converting a deflection of the measuring diaphragm into an electrical signal. Halbleiterdifferenzdruckmesszelle, nach Anspruch 2, wobei der erste Wandler eine erste Übertragungsfunktion U1(Δp) und der zweite Wandler eine zweite Übertragungsfunktion U2(Δp) aufweist, wobei gilt |(U1(Δp) – U2(–Δp))/(U1(Δp) + U2(–Δp))| < a, wenn |Δp| > 0,1 Δpmax, wobei Δpmax einen maximalen Differenzdruck bezeichnet für den der Messbereich der Halbleiterdruckmesszelle spezifiziert ist, wobei a = 10% insbesondere a = 4%, vorzugsweise a = 2%.Semiconductor differential pressure measuring cell, according to claim 2, wherein the first converter has a first transfer function U1 (.DELTA.p) and the second converter has a second transfer function U2 (.DELTA.p), wherein | (U1 (Δp) - U2 (-Δp)) / (U1 (Δp) + U2 (-Δp)) | <a, if | Δp | > 0.1 Δp max , where Δp max denotes a maximum differential pressure for which the measuring range of the semiconductor pressure measuring cell is specified, where a = 10%, in particular a = 4%, preferably a = 2%. Halbleiterdifferenzdruckmesszelle, nach Anspruch 2, wobei der erste Wandler eine erste Übertragungsfunktion U1(Δp) und der zweite Wandler eine zweite Übertragungsfunktion U2(Δp) aufweist, wobei gilt |(U1(Δp) – U2(–Δp))/(U1(Δp) + U2(–Δp))| > a, wenn |Δp| > 0,1 Δpmax, wobei Δpmax einen maximalen Differenzdruck bezeichnet für den der Messbereich der Halbleiterdruckmesszelle spezifiziert ist, wobei a = 10%. Semiconductor differential pressure measuring cell, according to claim 2, wherein the first converter has a first transfer function U1 (.DELTA.p) and the second converter has a second transfer function U2 (.DELTA.p), wherein | (U1 (Δp) - U2 (-Δp)) / (U1 (Δp) + U2 (-Δp)) | > a, if | Δp | > 0.1 Δp max , where Δp max denotes a maximum differential pressure for which the measuring range of the semiconductor pressure measuring cell is specified, where a = 10%. Halbleiterdifferenzdruckmesszelle, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und/oder der zweite Gegenkörper mit einem Stützkörper rückseitig abgestützt sind bzw. ist.Semiconductor differential pressure measuring cell, according to one of the preceding claims, wherein the first and / or the second counter body is supported with a support body on the rear side or is. Halbleiterdifferenzdruckmesszelle, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der oder die Stützkörper jeweils mit dem gestützten Gegenkörper gefügt ist bzw. sind.Semiconductor differential pressure measuring cell, according to one of the preceding claims, wherein the one or more supporting bodies is respectively joined to the supported counter body or are. Halbleiterdifferenzdruckmesszelle, nach Anspruch 1, wobei der zweite Wandler ein kapazitiver Wandler ist zum Wandeln einer Auslenkung der Messmembran in ein elektrisches Signal, wobei eine zweite Oberfläche der Messmembran, welche dem zweiten Gegenkörper zugewandt ist mindestens eine Membranelektrode aufweist, und wobei der zweite Gegenkörper mindestens eine Gegenkörperelektrode aufweist, wobei der zweite Wandler ein Signal bereitstellt, welches von der Kapazität zwischen der Membranelektrode und der Gegenkörperelektrode abhängt.A semiconductor differential pressure measuring cell according to claim 1, wherein the second transducer is a capacitive transducer for converting a deflection of the measuring diaphragm into an electrical signal, wherein a second surface of the measuring diaphragm facing the second counter-body has at least one membrane electrode, and wherein the second counter-body is at least one Counter body electrode, wherein the second transducer provides a signal which depends on the capacitance between the membrane electrode and the counter body electrode. Verfahren zum Herstellen einer Differenzdruckmesszelle, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: • Implantation von Messwiderständen und deren Zuleitung in einer ersten Seite eines ersten Wafers; • Silizium-Direktbonden eines zweiten Wafers mit der ersten Seite des ersten Wafers, wobei der zweite Wafer Druckdurchführungen aufweist, die insbesondere mittels DRIE strukturiert sind; • Abdünnen des ersten Wafers von einer zweiten Seite her, bis nur noch eine gewünschte Membrandicke vorhanden ist; • Polieren der zweiten Seite des ersten Wafers; • Implantation eines zweiten Satzes von Messwiderständen und deren Zuleitungen in den abgedünnten ersten Wafer von der zweiten Seite des ersten Wafers; • Silizium-Direktbonden eines dritten Wafers mit der zweiten Seite des ersten Wafers, wobei der dritte Wafer Druckdurchführungen aufweist, die insbesondere mittels DRIE strukturiert sind; und • Vereinzeln der Differenzdruckmesszellen.Method for producing a differential pressure measuring cell, in particular according to one of the preceding claims, comprising the following steps: Implantation of measuring resistors and their supply in a first side of a first wafer; Direct silicon bonding of a second wafer to the first side of the first wafer, wherein the second wafer has pressure feedthroughs, which are structured in particular by means of DRIE; Thinning the first wafer from a second side until only a desired membrane thickness is left; Polishing the second side of the first wafer; Implanting a second set of sensing resistors and their leads into the thinned first wafer from the second side of the first wafer; Direct silicon bonding of a third wafer to the second side of the first wafer, wherein the third wafer has pressure feedthroughs, which are structured in particular by means of DRIE; and • Separation of differential pressure cells. Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin umfassend die elektrische Kontaktierung der Zuleitungen der Widerstandselemente, wobei die Kontaktierung insbesondere nach dem Silizium-Direktbonden des dritten Wafers mit der zweiten Seite des ersten Wafers und vor dem Vereinzeln der Differenzdruckmesszellen und insbesondere mittels der Through-Silicon-Via Technologie erfolgt.The method of claim 8, further comprising the electrical contacting of the leads of the resistive elements, wherein the contacting in particular after the silicon direct bonding of the third wafer with the second side of the first wafer and before the separation of the differential pressure measuring cells and in particular by means of through silicon via technology. Verfahren nach einem der Ansprüche oder 9, weiterhin umfassend das Präparieren jeweils mindestens einer thermischen Oxidschicht auf einem der Fügepartner zwischen dem ersten Wafer und dem zweiten Wafer bzw. dem ersten Wafer und dem dritten Wafer, wobei die Oxidschicht die Fügestelle zwischen den Fügepartnern bildet.The method according to claim 9, further comprising preparing in each case at least one thermal oxide layer on one of the joining partners between the first wafer and the second wafer or the first wafer and the third wafer, wherein the oxide layer forms the joint between the joining partners. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Oxidschicht auf einer Oberfläche des zweiten bzw. dritten Wafers präpariert wird, und wobei insbesondere die Oxidschicht strukturiert wird um ein Membranbett zu bilden, an dem die Messmembran im Falle einer einseitigen Überlast anliegen kann.The method of claim 10, wherein the oxide layer is prepared on a surface of the second or third wafer, and wherein in particular the oxide layer is patterned to form a membrane bed, on which the measuring membrane can rest in the event of a one-sided overload. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Oxidschicht jeweils auf einer Oberfläche des ersten Wafers präpariert wird. The method of claim 10, wherein the oxide layer is respectively prepared on a surface of the first wafer. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei nach dem Implantieren der Widerstandselemente und der Zuleitungen eine Schutzschicht präpariert wird, welche insbesondere SiO2 oder Si3N4 umfasst.Method according to one of claims 8 to 12, wherein after the implantation of the resistive elements and the leads a protective layer is prepared, which in particular SiO 2 or Si 3 N 4 comprises. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der erste Wafer einen SOI-Wafer umfasst.The method of any one of claims 8 to 13, wherein the first wafer comprises an SOI wafer.
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