DE102014114882A1

DE102014114882A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE102014114882A1
Application number: DE102014114882.7A
Authority: DE
Inventors: Anh Tuan Tham
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2014-10-14
Filing date: 2014-10-14
Publication date: 2016-04-14
Also published as: WO2016058744A1

Abstract

Es ist ein Drucksensor, mit einer mit einem Druck beaufschlagbaren und druckabhängig elastisch verformbaren Messmembran (1), einem mit einem äußeren Rand einer ersten Seite der Messmembran (1) verbundenen Glaskörper (3, 23, 41), einer im Glaskörper (3, 23, 41) unter der Messmembran (1) eingeschlossenen Druckkammer (5), und einem elektromechanischen Wandler, zur messtechnischen Erfassung einer druckabhängige Verformung der Messmembran (1), beschrieben, der einen verbesserten Schutz gegenüber dynamischen Überlasten aufweist, der dadurch bewirkt wird, dass die Messmembran (1) aus Metall, insb. aus Invar, Kovar, Molybdän oder Tantal, besteht, und Messmembran (1) und Glaskörper (3, 23, 41) durch eine Glas-Metall Fügung verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Drucksensoren, mit einer mit einem Druck beaufschlagbaren und druckabhängig elastisch verformbaren Messmembran, einem mit einem äußeren Rand einer ersten Seite der Messmembran verbundenen Glaskörper, einer im Glaskörper unter der Messmembran eingeschlossenen Druckkammer, und einem elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer druckabhängige Verformung der Messmembran, sowie Herstellungsverfahren zur Herstellung derartiger Drucksensoren.
Drucksensoren werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Drücken eingesetzt. Sie weisen regelmäßig eine mit einem Druck beaufschlagbare und druckabhängig elastisch verformbare Messmembran auf, die unter Einschluss einer Druckkammer auf einem die Messmembran tragenden Grundkörper angeordnet ist. Darüber hinaus umfassen sie einen elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung der druckabhängigen Verformung der Messmembran.
Drucksensoren mit einer unter Einschluss einer Druckkammer auf einem Grundkörper angeordneten Messmembran können als Absolutdrucksensoren ausgebildet werden, die einen Druck gegenüber Vakuum messen, indem die Druckkammer evakuiert wird. Alternativ können sie als Relativdrucksensoren ausgebildet werden, die einen Druck gegenüber einem der Druckkammer durch einen durch den Grundkörper hindurch führenden, in der Druckkammer mündenden Kanal zugeführten Referenzdruck, insb. einem Atmosphärendruck, messen. Darüber hinaus können sie als Differenzdrucksensoren ausgebildet werden, die eine Druckdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten Druck messen. Hierzu wird auf einer vom ersten Grundkörper abgewandten Seite der Messmembran ein identisch aufgebauter zweiter Grundkörper vorgesehen, und die Messmembran über einen durch den ersten Grundkörper hindurch führenden, in der ersten Druckkammer mündenden Kanal mit dem ersten, und über einen zweiten durch den zweiten Grundkörper hindurchführenden in der zweiten Druckkammer mündenden Kanal mit dem zweiten Druck beaufschlagt.
Bei Drucksensoren besteht die Gefahr, dass die Messmembran einer Überlast ausgesetzt wird. Dabei können auf die Messmembran einwirkende Drücke so groß werden, dass die Messmembran zu stark ausgelenkt und hierdurch beschädigt werden kann. Eine mögliche Maßnahme zum Schutz der Messmembran vor statischen Überlasten besteht darin, im Drucksensor unter der Messmembran ein Membranbett vorzusehen, das die Messmembran im Überlastfall abstützt. Hierzu weist das Membranbett vorzugsweise eine an die Biegelinie der Messmembran angepasste Geometrie auf, auf der die Messmembran im Überlastfall zur Auflage kommt.
In der US 3, 618,390 ist ein Differenzdrucksensor beschrieben, der zwei metallische Halbschalen umfasst. Zwischen den beiden Halbschalen ist eine metallische Messmembran vorgesehen, die zwischen die beiden Halbschalen eingespannt, und dort mit den beiden Halbschalen verschweißt ist. Die Innenräume der Halbschalen sind unter Freilassung eines durch die Messmembran in zwei Druckkammern unterteilten Teilbereichs mit Glas gefüllt. Dabei sind die der Messmembran zugewandten Seiten der Glasfüllungen derart abgeschliffen, dass die Glasfüllungen im Inneren der jeweiligen Halbschale ein konkaves Membranbett bildet, das dazu dient, die Messmembran im Überlastfall abzustützen. Diese Drucksensoren sind aufgrund des Herstellungsverfahrens deutlich größer als aus Halbleiter-Materialien hergestellte Drucksensor-Chips. Eine Miniaturisierung dieser metallisch gekapselten Drucksensoren ist nicht ohne weiteres möglich. Des Weiteren sind die Herstellungskosten dieser Drucksensoren vergleichsweise hoch, da die Halbschalen jeweils einzeln gefertigt, mit Glas vergossen, die Membranbetten geschliffen, und die Messmembranen jeweils zwischen zwei Halbschalen eingespannt und verschweißt werden müssen. Dabei können sich aufgrund der lokalen Einwirkung hoher Temperaturen beim Verschweißen der Messmembranen im Drucksensor Verspannungen ausbilden, die sich nachteilig auf die Messgenauigkeit auswirken.
Im Hinblick auf eine gegebenenfalls gewünschte Miniaturisierung und eine Reduktion der Herstellungskosten ist es vorteilhaft Drucksensoren unter Verwendung von aus der Halbleitertechnologie bekannten Prozessen im Waferverband herzustellen. Auch die Grundkörper dieser Drucksensoren können zum Schutz der Messmembran vor Überlast mit einem entsprechend ausgeformten Membranbett ausgestattet werden.
Da eine möglichst präzise und reproduzierbare Formgebung des Membranbetts in Grundkörpern aus Silizium technisch problematisch sein kann, sind Alternativlösungen entwickelt worden, bei denen der das Membranbett bildende Grundkörper aus Glas besteht. In der DE 10 2009 046 229 A1 und der DE 10 2011 084 457 A1 sind Drucksensoren mit einem ein Membranbett aufweisenden Glaskörper beschrieben. Sie werden hergestellt, indem eine dünne Glasscheibe auf einem mit einer Ausnehmung versehenen Träger angeordnet wird, und dort ein Temperaturprofil durchläuft, bei dem ein über der Ausnehmung im Träger befindlicher, nicht durch den Träger unterstützter Bereich der Glasscheibe aufgrund der Schwerkraft absinkt, und auf diese Weise die Formgebung eines Membranbetts erlangt. Die Messmembranen dieser Drucksensoren bestehen aus Halbleitermaterial, z.B. aus Silizium, und werden durch anodisches Bonden mit einem äußeren das Membranbett außenseitlich umschließenden planaren Rand des Glaskörpers verbunden.
Zur Herstellung der in der DE 10 2009 046 229 A1 beschriebenen Drucksensoren wird ein Träger aus Silizium verwendet, der sich während des zur Formung des Membranbetts durchlaufenen Temperaturverlaufs, dort wo die Glasscheibe auf ihm aufliegt, mit der Glasscheibe verbindet. Des Weiteren ist beschrieben, einen auf der von der Messmembran abgewandten Seite des Membranbetts im Träger verbleibender Hohlraum zur weiteren Abstützung des Membranbetts mit einer Glasfritte auszufüllen.
Zur Herstellung der in der DE 10 2011 084 457 A1 beschriebenen Drucksensoren wird ein Träger aus Graphit verwendet, der nach der Formung der Messmembranen wieder entfernt wird. Hier wird eine dem Membranbett gegenüberliegende Unterseite der Glasscheibe nach deren Erkalten eingeebnet.
Diese Drucksensoren sind klein und kostengünstig herstellbar und bieten zuverlässigen Schutz gegenüber statischen Überlasten. Im Hinblick auf dynamische Überlasten, bei denen die Messmembran sich zeitlich sehr schnell verändernden Druckbelastungen ausgesetzt ist, besteht jedoch das Problem, dass Messmembranen aus Halbleitern, wie Silizium, spröde sind, so dass bei dynamischer Druckbeaufschlagung Spannungsspitzen auftreten können, die zur Beschädigung der Messmembran führen können.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen kostengünstig herstellbaren Drucksensor mit verbessertem Schutz gegenüber dynamischen Überlasten, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung, anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Drucksensor, mit einer mit einem Druck beaufschlagbaren und druckabhängig elastisch verformbaren Messmembran, einem mit einem äußeren Rand einer ersten Seite der Messmembran verbundenen Glaskörper, einer im Glaskörper unter der Messmembran eingeschlossenen Druckkammer, und einem elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer druckabhängige Verformung der Messmembran, gelöst, dessen Messmembran aus Metall, insb. aus Invar, Kovar, Molybdän oder Tantal, besteht und durch eine Glas-Metall Fügung mit dem Glaskörper verbunden ist.
Gemäß einer ersten Weiterbildung ist auf einer von der Messmembran abgewandten Unterseite des Glaskörpers eine Grundplatte, insb. eine Grundplatte aus einem Halbleiter, insb. aus Silizium, oder aus einem Metall, insb. aus Invar, Kovar, Molybdän oder Tantal vorgesehen.
Gemäß einer Weiterbildung der ersten Weiterbildung ist der elektromechanische Wandler ein kapazitiver Wandler, der eine durch die metallische Messmembran gebildete Elektrode und eine durch die Grundplatte aus einem Halbleiter oder einem Metall gebildete Gegenelektrode umfasst.
Eine erste Variante der Erfindung sieht vor, dass

– der Glaskörper aus eingebranntem Glasfrit besteht, und
– die Glas-Metall Fügung zwischen dem Glaskörper und der Messmembran eine durch beim Einbrennen des Glasfrits aufschmelzendes Glasfrit gebildete Glas-Metall Fügung ist.

Eine Ausgestaltung eines Drucksensors gemäß der ersten Weiterbildung und der ersten Variante sieht vor, dass Glaskörper und Grundplatte durch eine beim Einbrennen des Glasfrits durch aufschmelzendes Glasfrit bewirkte Fügung miteinander verbunden sind.
Zweite Weiterbildungen des Drucksensors gemäß der ersten Variante sehen vor, dass

– der Glaskörper eine einteilige Glasfritte, insb. eine einteilige ein Membranbett aufweisende Glasfritte, ist, oder
– der Glaskörper eine zweiteilige Glasfritte ist,
– die eine scheibenförmige erste Glasfritte, insb. eine scheibenförmige erste Glasfritte mit darauf angeordneten ein Membranbett bildenden Stegen, umfasst, und
– die eine auf der ersten Glasfritte angeordnete ringförmige zweite Glasfritte, insb. eine zweite Glasfritte aus einem Glasfrit, das einen Schmelzpunkt aufweist, der unterhalb eines Erweichungspunkts des für die erste Glasfritte verwendeten Glasfrits liegt, umfasst.

Eine dritte Weiterbildung der ersten Variante sieht vor, dass

– der Glaskörper eine scheibenförmige erste Glasfritte und eine darauf angeordnete ringförmige zweite Glasfritte aufweist, und
– der elektromechanische Wandler eine auf die erste Glasfritte aufgebrachte, insb. aufgesputterte, Gegenelektrode umfasst, die zusammen mit der als Elektrode dienenden Messmembran einen Kondensator mit einer von einer druckabhängigen Verformung der Messmembran abhängigen Kapazität bildet.

Eine zweite Variante der Erfindung sieht vor, dass

– der Glaskörper ein aus einer Glasscheibe gefertigter Glaskörper ist, und die Glas-Metall Fügung zwischen Messmembran und Glaskörper eine Glaslötung ist, oder
– der Glaskörper aus ein aus einer Glasscheibe aus einem Alkali-Ionen enthaltenden Borosilikatglas gefertigter Glaskörper ist, die Messmembran aus einem mit dem Borsilikatglas des Glaskörpers durch anodisches Bonden verbindbaren Metall, insb. aus Invar oder Kovar, besteht, und die Glas-Metall Fügung zwischen Glaskörper und Messmembran eine durch anodisches Bonden bewirkte Fügung ist.

Eine Weiterbildung der ersten Weiterbildung sieht vor, dass

– der Glaskörper ein aus einer Glasscheibe gefertigter Glaskörper ist, und Grundplatte und Glaskörper durch eine Glaslötung verbunden sind, oder
– der Glaskörper ein aus einer Glasscheibe aus einem Alkali-Ionen enthaltenden Borosilikatglas gefertigter Glaskörper ist, die Grundplatte aus einem Halbleiter, insb. aus Silizium, oder aus einem mit dem Borsilikatglas des Glaskörpers durch anodisches Bonden verbindbaren Metall, insb. aus Invar oder Kovar, besteht, und Glaskörper und Grundplatte durch anodisches Bonden miteinander gefügt sind.

Eine weitere Weiterbildung sieht vor, dass

– der Glaskörper ein aus einer Glasscheibe gefertigter Glaskörper ist, in den mittels mikromechanischer Bearbeitung oder Heißprägung ein Membranbett eingebracht wurde, oder
– der Glaskörper ein aus einer Glasscheibe gefertigter Glaskörper ist, der ein Membranbett aufweist, das dadurch erzeugt wurde, dass die Glasscheibe auf einem Träger ein Temperaturprofil durchlaufen hat, bei dem ein vom Träger aufgrund einer im Träger vorgesehenen Ausnehmung nicht unterstützter Bereich der Glasscheibe aufgrund der Schwerkraft abgesunken ist.

Weiter umfasst die Erfindung einen erfindungsgemäßen Drucksensor, der als Differenzdrucksensor ausgebildet ist, indem ein mit einem äußeren Rand einer zweiten Seite der Messmembran verbundener zweiter Glaskörper vorgesehen ist, der identisch zu dem ersten Glaskörper ausgebildet ist.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren, insb. im Waferverband ausführbares Verfahren, zur Herstellung von Drucksensoren, insb. von Absolutdruck-, Relativdruck- oder Differenzdrucksensoren, gemäß der ersten Alternative der zweiten Weiterbildungen des Drucksensors gemäß der ersten Variante, das sich dadurch auszeichnet, dass

– eine Graphitscheibe, ein Wafer aus dem Material der Grundplatten, oder eine Metallplatte aus dem Material der Grundplatten mit mindestens einer Struktur aus Glasfrit bedruckt wird,
– eine Metallfolie aus dem Metall der Messmembranen auf die aufgedruckten Strukturen aufgelegt wird,
– die Glaskörper bildende Glasfritten durch Einbrennen der Strukturen erzeugt werden, und
– die Glas-Metall Fügungen durch beim Einbrennen der Strukturen aufschmelzendes Glasfrit bewirkt werden.

Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren, insb. im Waferverband ausführbares Verfahren, zur Herstellung von Drucksensoren, insb. von Absolutdruck-, Relativdruck- oder Differenzdrucksensoren, gemäß der zweiten Alternative der zweiten Weiterbildungen des Drucksensors gemäß der ersten Variante, das sich dadurch auszeichnet, dass

– eine Graphitscheibe, ein Wafer aus dem Material der Grundplatten oder eine Metallplatte aus dem Material der Grundplatten mit mindestens einer scheibenförmigen Struktur aus Glasfrit bedruckt wird, aus denen durch Einbrennen jeweils eine erste Glasfritte erzeugt wird,
– die ersten Glasfritten insb. mit stegförmigen Strukturen aus Glasfrit bedruckt, werden,
– eine Metallfolie aus dem Material der Messmembran mit ringförmigen Strukturen aus Glasfrit, insb. einem Glasfrit mit einem Schmelzpunkt, der unterhalb eines Erweichungspunkts des für die ersten Glasfritten verwendeten Glasfrits liegt, bedruckt werden, und die bedruckte Metallfolie derart auf die ersten Glasfritten aufgelegt wird, dass ringförmigen Strukturen passgenau auf den äußeren Rändern der ersten Glasfritten aufliegen, oder
– die ersten Glasfritten mit ringförmigen Strukturen aus Glasfrit, insb. einem Glasfrit mit einem Schmelzpunkt, der unterhalb eines Erweichungspunkts des für die ersten Glasfritten verwendeten Glasfrits liegt, bedruckt werden, und die Metallfolie auf die ringförmigen Strukturen aufgelegt wird, und
– aus den ringförmigen Strukturen durch Einbrennen die zweiten Glasfritten erzeugt werden.

Eine Weiterbildung des letztgenannten Verfahrens zur Herstellung von Drucksensoren gemäß der dritten Weiterbildung der ersten Variante sieht vor, dass

– anstelle der Graphitscheibe, des Wafer, oder der Metallplatte ein mit vorgefertigten jeweils einen Kontaktstift aufweisenden Durchkontaktierungen ausgestatteter Wafer oder eine mit jeweils einen Kontaktstift aufweisenden Durchkontaktierungen ausgestattet Metallplatte aus dem Material der Grundplatten eingesetzt wird,
– die Oberseiten der ersten Glasfritten soweit abgeschliffen werden, dass die Enden der Kontaktstifte frei liegen, und
– auf die ersten Glasfritten jeweils eine Gegenelektrode aufgebracht, insb. aufgesputtert, wird.

Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren, insb. ein im Waferverband ausführbares Verfahren, zur Herstellung von erfindungsgemäßen Drucksensoren, insb. von Absolutdruck-, Relativdruck- oder Differenzdrucksensoren, dass sich dadurch auszeichnet, dass

– eine mindestens einen Glaskörper enthaltende Glasscheibe gefertigt wird,
– die Metallfolie aus dem Material der Messmembranen auf die die Glaskörper enthaltende Glasscheibe aufgelegt wird, und a) die Glaskörper aus einem Borosilikatglas bestehen, die Messmembranen aus einem mit dem Borosilikatglas durch anodisches Bonden verbindbaren Metall bestehen, und die Glas-Metall Fügungen zwischen Messmembranen und Glaskörpern durch anodisches Bonden bewirkt werden, oder b) die Glas-Metall Fügungen zwischen Messmembranen und Glaskörpern Glaslötungen bewirkt werden.

Die erfindungsgemäßen Drucksensoren weisen den Vorteil auf, dass die Messmembranen aus Metall bestehen. Metall ist ein im Vergleich zu den für Messmembranen von im Waferverband herstellbaren Halbleiter-Drucksensoren im Stand der Technik verwendeten spröden Halbleitern, wie Silizium, wesentlich duktilerer Werkstoff. In einer metallischen Messmembran treten somit bei dynamischen Überlasten, bei denen die Messmembran zeitlich schnell veränderlichen darauf einwirkenden Drücken ausgesetzt ist, deutlich weniger Spannungsspitzen auf, und die auftretenden Spitzenspannungen sind deutlich geringer, als dies bei einer Messmembran aus einem spröderen Werkstoff, wie Silizium, der Fall ist. Dementsprechend weist der Drucksensor aufgrund der metallischen Messmembran eine höhere Überlastfestigkeit gegenüber dynamischen Überlasten auf.
Darüber hinaus weisen sie den Vorteil auf, dass für die Glas-Metall Fügung von Messmembran und Glaskörper keine Schweißung erforderlich ist. Durch einen Schweißvorgang bedingte thermische Verspannungen im Bereich der Messmembran werden somit vermieden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass erfindungsgemäße Drucksensoren kostengünstig im Waferverband herstellbar sind.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen vier Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt: einen Drucksensor mit einem einteiligen Glaskörper aus Glasfrit und einer metallischen Messmembran;
2 zeigt: einen Differenzdrucksensor mit einem einteiligen Glaskörper aus Glasfrit;
3 zeigt: Fertigungsschritte zur Herstellung von Drucksensoren gemäß 1;
4 zeigt: einen Drucksensor mit einem zweiteiligen Glaskörper aus Glasfrit und einer metallischen Messmembran;
5 zeigt: einen Differenzdrucksensor mit zweiteiligen Glaskörpern aus Glasfrit;
6 zeigt: Fertigungsschritte zur Herstellung von Drucksensoren gemäß 4;
7 zeigt: Fertigungsschritte zur Herstellung von Drucksensoren mit zweiteiligen Glaskörpern aus Glasfrit mit darauf aufgebrachten Gegenelektroden; und
8 zeigt: Fertigungsschritte eines alternativen Verfahrens zur Herstellung von Drucksensoren gemäß 1 mit aus einer Glasscheibe gefertigten Glaskörpern.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Relativdrucksensors. 2 zeigt einen analog aufgebauten Differenzdrucksensor. Die erfindungsgemäßen Drucksensoren umfassen eine im Messbetrieb von außen mit einem zu messenden Druck beaufschlagbare Messmembran 1, die sich in Abhängigkeit von dem darauf einwirkenden Druck elastisch verformt. Die Messmembran 1 ist auf einem Glaskörper 3 angeordnet. Dabei ist ein äußerer Rand einer ersten Seite der Messmembran 1 mit einem der Messmembran 1 zugewandten äußeren Rand des Glaskörpers 3 verbunden. Unter der Messmembran 1 ist im Glaskörper 3 eine durch eine Ausnehmung im Glaskörper 3 gebildete Druckkammer 5 eingeschlossen, die durch den Glaskörper 3 und die Messmembran 1 abgeschlossen ist.
Im Glaskörper 3 ist vorzugsweise ein Membranbett 7 zur Abstützung der Messmembran 1 im Falle einer von außen auf die Messmembran 1 einwirkenden Überlast vorgesehen. Das Membranbett 7 weist hierzu vorzugsweise eine der Biegelinie der Messmembran 1 entsprechende Formgebung auf.
Erfindungsgemäß besteht die Messmembran 1 aus einem Metall und Messmembran 1 und Glaskörper 3 sind durch eine den äußeren Rand der metallischen Messmembran 1 mit dem äußeren Rand des Grundkörpers 3 verbindende Glas-Metall Fügung verbunden.
Metall ist ein im Vergleich zu den für Messmembranen von im Waferband herstellbaren Halbleitersensoren verwendeten spröden Halbleitern, wie Silizium, wesentlich duktilerer Werkstoff. In einer metallischen Messmembran 1 treten somit bei dynamischen Überlasten, bei denen die Messmembran 1 zeitlich schnell veränderlichen darauf einwirkenden Drücken ausgesetzt ist, deutlich weniger Spannungsspitzen auf, und die auftretenden Spitzenspannungen sind deutlich geringer, als dies bei einer Messmembran aus einem spröderen Werkstoff, wie Silizium, der Fall wäre. Dementsprechend weist der Drucksensor aufgrund der metallischen Messmembran 1 eine höhere Überlastfestigkeit gegenüber dynamischen Überlasten auf. So kann eine erfindungsgemäße Messmembran 1 mit einem Durchmesser von 3 mm–5 mm und einer Dicke von 20 µm–30 µm dynamischen Überlasten standhalten, bei denen der auf die Messmembran 1 einwirkende Druck innerhalb kürzester Zeit, z.B. innerhalb von 3 bis 5 Millisekunden, auf einen hohen Überdruck, z.B. ein Überdruck von bis zu 250 bar, ansteigt.
Der Drucksensor weist einen elektromechanischen Wandler auf, der dazu dient die druckabhängige Verformung der Messmembran 1 messtechnisch zu erfassen, und in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
Vorzugsweise wird in dem erfindungsgemäßen Drucksensor hierzu ein kapazitiver Wandler eingesetzt, der mindestens einen durch eine Elektrode und eine Gegenelektrode gebildeten Kondensator aufweist. Elektrode und Gegenelektrode sind derart anzuordnen, dass sich die Kapazität des Kondensators ausgehend von einer durch den Elektrodenabstand in der Ausgangslage der Messmembran 1 gegebenen Grundkapazität in Abhängigkeit von einer druckabhängigen Durchbiegung der Messmembran 1 verändert. Dabei bietet die auf dem isolierenden Glaskörper 3 angeordnete metallische Messmembran 1 den Vorteil, dass sie über einen entsprechenden elektrischen Anschluss unmittelbar als Elektrode eingesetzt werden kann. Die Durchbiegung der Messmembran 1 kann dann anhand der Kapazität eines Kondensators erfasst werden, der die durch die Messmembran 1 gebildete Elektrode und eine parallel zur Ausgangslage der Messmembran 1 versetzt angeordnete starre Gegenelektrode umfasst.
Vorzugsweise wird hierzu auf der von der Messmembran 1 abgewandten Unterseite des Glaskörpers 3 eine durch eine Fügung mit dem Glaskörper 3 verbundene Grundplatte 9 vorgesehen, die als Gegenelektrode einsetzbar ist. Die Grundplatte 9 besteht hierzu vorzugsweise aus einem Halbleiter, insb. aus Silizium. Alternativ kann die Grundplatte 9 auch aus Metall bestehen. Die Verwendung von Messmembran 1 und Grundplatte 9 als Elektrode und Gegenelektrode bietet den Vorteil, dass abgesehen vom elektrischen Anschluss der beiden Elektroden an eine Elektronik, z. B. eine Kapazitätsmessschaltung, keine zusätzlichen Arbeitsschritte zur Realisierung des Wandlers erforderlich sind. Die Messmembran 1 ist durch den Glaskörper 3 gegenüber der Grundplatte 9 isoliert. Dementsprechend kann sie auch dann noch elektrisch isoliert gegenüber der Grundplatte 9 angeordnet und kontaktiert werden, wenn die Grundplatte 9 mittels einer elektrisch leitfähigen mechanischen Befestigung in einem Sensorgehäuse angeordnet wird, und somit auf dem elektrischen Potential des Sensorgehäuses liegt.
Darüber hinaus bietet die Grundplatte 9 den Vorteil, dass sie die Steifigkeit des die Messmembran 1 tragenden Grundkörpers erhöht, und somit zu einer Verbesserung der Überlastfestigkeit des Drucksensors gegenüber statischen Überlasten beiträgt. Zu diesem Zweck kann die Grundplatte 9 natürlich auch aus einem Isolator, z.B. aus Keramik, bestehen.
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung ist der Glaskörper 3 eine einteilige Glasfritte. 3 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel eines zur Herstellung eines solchen Drucksensors einsetzbaren Verfahrens, das die in den Teilbildern a) bis d) dargestellten Verfahrensschritte umfasst. Dabei werden vorzugsweise mehrere Drucksensoren parallel im Waferverbund gefertigt.
In einem ersten Verfahrensschritt a) wird ein Wafer 11 aus dem für die Grundplatten 9 vorgesehenen Material mit Strukturen 13 aus Glasfrit bedruckt. Für Grundplatten 9 aus Silizium wird hierzu ein Siliziumwafer verwendet. Für Grundplatten 9 aus Metall wird stattdessen eine Metallplatte eingesetzt. Zur Herstellung von Drucksensoren ohne Grundplatte 9 wird anstelle des Wafers 11 eine Graphitplatte eingesetzt, die anschließend wieder entfernt werden kann, da Graphit mit Glasfrit keine Bindung eingeht. Die aufgedruckten Strukturen 13 weisen eine Formgebung auf, die der Formgebung des Glaskörpers 3 entspricht. Vorzugsweise wird hierzu eine Formgebung vorgesehen, die ein der Biegelinie der Messmembran 7 entsprechend geformtes Membranbett 7 umfasst. Das Glasfrit wird, z.B. in Form einer Glaslotpaste, in vorgefertigte Druckformen eingebracht und auf dem Wafer 11 verpresst.
Entsprechende Glaslote werden z.B. von der Firma Ferro Electronic Materials angeboten. So kann zum Beispiel das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 3,4 10^–6 pro °C aufweisende unter den Bezeichnung CF 7584 von der Firma Ferro Electronic Materials angebotene Glaslot, oder das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4,9 10^–6 pro °C aufweisende unter der Bezeichnung EG 2807 von der Firma Ferro Electronic Materials angebotene Glaslot, verwendet werden.
Im nächsten Verfahrensschritt b) wird eine dünne Metallfolie 15 aus dem Material der Messmembran 1 planparallel zum Wafer 11 auf die aufgedruckten Strukturen 13 aufgelegt. Die Metallfolie 15 weist eine in Abhängigkeit vom Druckmessbereich des Drucksensors vorgegebene Dicke auf. Für einen in einem Druckmessbereich von 10 mbar einsetzbaren Drucksensor mit einem Membrandurchmesser von 5 mm eignet sich z.B. eine Metallfolie 15 mit einer Dicke in der Größenordnung von 30 µm.
Anschließend werden die Glaskörper 3 aus den Strukturen 13 aus Glasfrit gebrannt. Dabei wird durch das Aufschmelzen der dabei in unmittelbarem Kontakt zu dem Wafer 11 und der Metallfolie 15 stehenden Glasfrits eine Glas-Metall Fügung zwischen der den Glaskörper 3 bildenden Glasfritte und der die Messmembran 1 bildenden Metallfolie 15, sowie eine Fügung zwischen der den Glaskörper 3 bildenden Glasfritte und dem die Grundplatte 9 bildenden Wafer 11 bewirkt.
Beim Einbrennen des Glasfrits wird beispielsweise ein Temperaturprofil durchlaufen, bei dem die Strukturen 13 zunächst bei einer Trocknungstemperatur getrocknet, insb. von Lösungsmitteln befreit, werden, und dann z.B. bei einer oberhalb der Trocknungstemperatur liegenden Brenntemperatur gebrannt werden, wodurch sie von organischen Bestandteilen befreit werden. Anschließend wird bei einer oberhalb der Brenntemperatur liegenden Fügetemperatur ein Rekristallisationsprozess ausgelöst und die Glas-Metall Fügung zwischen der den Glaskörper 3 bildenden Glasfritte und der Metallfolie 15, sowie zwischen der Glasfritte und dem Wafer 13 bewirkt. Trocknungstemperatur, Brenntemperatur und Fügetemperatur sind entsprechend den zugehörigen Materialeigenschaften des Materials des Glasfrits vorzugeben.
Die Höhe der Strukturen 13 bzw. der daraus gebrannten Glaskörper 3 bestimmt den Abstand zwischen Messmembran 1 und Grundplatte 9. Je nach Wahl des verwendeten Glasfrits sind Abstände im Bereich von 10 µm bis 20 µm realisierbar. Dieser Abstand bestimmt die Grundkapazität des Kondensators. Die Grundkapazität kann somit in Abhängigkeit vom Druckmessbereich des Drucksensors, bzw. von Grundfläche und Dicke der Messmembran 1, durch eine entsprechende Wahl der Höhe der Strukturen 13 optimal angepasst werden. Dabei bieten die vergleichsweise geringen Abstände von 10 µm bis 20 µm den Vorteil einer entsprechend hohen Grundkapazität, und damit einer entsprechend hohen erzielbaren Messgenauigkeit.
Zur Herstellung von Relativdrucksensoren werden nach dem Abkühlen der Glasfritten in einem nächsten Arbeitsschritt c) Kanäle 17 präpariert, die jeweils von der Unterseite des Verbunds durch die Grundplatte 9 und den Glaskörper 3 aus eingebrannter Glasfritte hindurch in die Druckkammer 5 führen. Hierzu können mikromechanische Präparationsmethoden, wie z.B. das Ultraschallbohren, eingesetzt werden. Bei der Herstellung von Absolutdrucksensoren entfällt dieser Arbeitsschritt.
Abschließend werden die im Waferverband hergestellten Drucksensoren, z.B. durch Sägen entlang der in Verfahrensschritt d) dargestellten senkrechten Linien, vereinzelt.
Auf analoge Weise kann auch der in 2 dargestellte Differenzdrucksensor hergestellt werden. Dieser unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Relativdrucksensor lediglich dadurch, dass er zusätzlich zu dem im Relativdrucksensor bereits auf der ersten Seite der Messmembran 1 vorgesehenen Glaskörper 3 einen identisch aufgebauten zweiten Glaskörper 3 aufweist. Der zweite Glaskörper 3 weist einen planaren äußeren Rand auf, der mit einem äußeren Rand einer zweiten Seite der Messmembran 1 durch eine Glas-Metall Fügung verbundenen ist.
Auch erfindungsgemäße Differenzdrucksensoren werden vorzugsweise im Waferverband hergestellt. Dabei werden zwei Wafer 11 – wie in Verfahrensschritt a) dargestellt – mit den Strukturen 13 aus Glasfrit bedruckt, und unter Zwischenfügung der Metallfolie 15 derart aufeinander gestapelt, dass sich die Strukturen 15 zu beiden Seiten der Metallfolie 15 genau gegenüber liegen. Anschließend werden die aufgedruckten Strukturen 13 eingebrannt, wobei auch hier durch das aufschmelzende Glasfrit an den Auflageflächen eine Glas-Metall Fügung zwischen den die Glaskörper 3 bildenden Glasfritten und der die Messmembranen 1 bildenden Metallfolie 15, sowie eine Fügung zwischen den Glaskörpern 3 und dem die Grundplatten 9 bildenden Wafer 11 bewirkt wird.
Die Glas-Metall Fügung von Glaskörper 3 und Metallfolie 15 durch das beim Einbrennen der Glasfritten aufschmelzende Glasfrit bieten den Vorteil, dass das Metall der Messmembran 1 nahezu frei wählbar ist. Das gilt analog auch für das Material der Grundplatten 9. Zur Reduktion von fertigungsbedingten thermischen Verspannungen innerhalb des Drucksensors wird für die Messmembranen 1 vorzugsweise ein Metall eingesetzt, das einen an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Glaskörpers 3 angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Hierzu eignen sich insb. Invar, Kovar, Molybdän oder Tantal.
Genauso wird für die Grundplatten 9 vorzugsweise ein Material mit einem an die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Glaskörper 3 angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten eingesetzt. Hierzu eignen sich insb. neben dem bereits genannten Silizium auch die oben als Werkstoff für die Messmembranen 1 genannten Metalle Invar, Kovar, Molybdän oder Tantal.
Aufgrund der durch die Form des Membranbetts 7 mit bedingten Formgebung der Strukturen 13 können sowohl beim Bedrucken der Strukturen 13, sowie beim nachfolgenden Einbrennen der Glasfritten von der Wahl des Glaslots abhängige, mehr oder weniger große, fertigungsbedingte Toleranzen der Abmessungen der Glaskörper 3 und der darin integrierten Membranbetten 7 auftreten. Diese wirken sich sowohl auf die erzielbare Messgenauigkeit, als auch auf die Reproduzierbarkeit des Fertigungsprozesses aus.
Diese fertigungsbedingten Toleranzen können reduziert werden, in dem im Drucksensor ein aus zwei Glasfritten 19, 21 einfacherer Geometrie aufgebauter Glaskörper 23 eingesetzt wird. Hierzu ist der Glaskörper 23 vorzugsweise als zweiteilige Glasfritte ausgebildet, die eine scheibenförmige erste Glasfritte 19 und eine darauf angeordnete ringförmige zweite Glasfritte 21 aufweist. Die zweite Glasfritte 21 umschließt die Druckkammer 5 außenseitlich, und weist eine der Messmembran 1 zugewandte Stirnseite auf, die durch eine Glas-Metall Fügung mit der Messmembran 1 verbunden ist. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines entsprechenden Relativdrucksensors. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines entsprechenden Differenzdrucksensors. Letzterer unterscheidet sich von dem in 4 dargestellten Relativdrucksensor dadurch, dass zusätzlich zu dem auch im Relativdrucksensor auf der ersten Seite der Messmembran 1 vorgesehenen Glaskörper 23 auch auf der zweiten Seite der Messmembran 1 ein zweiter identisch aufgebauter zweiteiliger Glaskörper 23 vorgesehen ist. Der zweite Glaskörper 23 weist einen planaren, durch die membran-zugewandte Stirnseite von dessen zweiter Glasfritte 21 gebildeten, äußeren Rand auf, der mit einem äußeren Rand der zweiten Seite der Messmembran 1 durch eine Glas-Metall Fügung verbundenen ist.
Auch die zweiteiligen Glaskörper 23 sind vorzugsweise auf einer Grundplatte 9 aus einem Halbleiter oder aus Metall angeordnet, und weisen vorzugsweise ein Membranbett zur Abstützung der Messmembran 1 im Falle einer darauf einwirkenden Überlast auf. Diese Membranbetten werden vorzugsweise durch konzentrisch zueinander und zu einer parallel zur Flächennormalen auf die Messmembran 1 durch die Mitte der Messmembran 1 verlaufenden Sensorlängsachse auf den ersten Glasfritten 19 aufgebrachte Stege 25 gebildet, deren Höhe von der Sensormitte zum Sensorrand hin entsprechend der Biegelinie der Messmembran 1 zunimmt.
Ein vorzugsweise im Waferverband ausgeführtes Herstellungsverfahren zur Herstellung dieser Drucksensoren ist in 6 am Beispiel eines Relativdrucksensors dargestellt. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt a) ein Wafer 11 bzw. eine Metallscheibe aus dem Material der Grundplatten 9 mit der Formgebung der ersten Glasfritte 19 entsprechenden scheibenförmigen Strukturen 27 aus Glasfrit bedruckt, und die ersten Glasfritten 19 durch Einbrennen dieser Strukturen 27 erzeugt. Hierdurch wird zugleich eine Fügung zwischen den scheibenförmigen ersten Glasfritten 19 und dem die Grundplatten 9 bildenden Wafer 11 bewirkt. Für Drucksensoren ohne Grundplatte 9, wird auch hier anstelle des Wafers 11 ein Graphitträger eingesetzt, der nachfolgend wieder entfernt wird. Bei der Herstellung von Relativdrucksensoren werden nach dem Abkühlen der Glasfritten 19 in einem nächsten Arbeitsschritt b) auf die in Verbindung mit Arbeitsschritt c) von 3 beschriebene Weise Kanäle 17 präpariert. Die frühzeitige Präparierung der Kanäle 17 bietet den Vorteil, dass das dabei entfernte Material gut abtransportiert werden kann, und dass die Kanäle 17 in den nachfolgenden Arbeitsschritten als räumliche Bezugspunkte für die Ausrichtung der zu bearbeitenden Teile zur Verfügung stehen.
In einem nächsten Arbeitsgang c) werden die ersten Glasfritten 19 mit der Formgebung der Stege 27 entsprechenden stegförmigen Strukturen 29 aus Glasfrit bedruckt.
Parallel dazu oder nachfolgend wird die Metallfolie 15 aus dem Material der Messmembran 1 in Verfahrensschritt d) mit der Formgebung der zweiten Glasfritten 21 entsprechenden ringförmigen Strukturen 31 aus Glasfrit bedruckt. Alternativ können die ringförmigen Strukturen 31 auch auf den äußeren Rand der ersten Glasfritten 19 aufgedruckt werden.
Nachfolgend wird die bedruckte Metallfolie 15 in Verfahrensschritt e) derart auf den mit den ersten Glasfritten 19 und den stegförmigen Strukturen 29 versehenen Wafer 11 bzw. die damit versehene Metallscheibe aufgelegt, dass die ringförmigen Strukturen 31 passgenau auf den äußeren Rändern der vom Wafer 11 abgewandten Stirnseiten der ersten Glasfritten 19 aufliegen. Anschließend werden die Stege 25 und die zweiten Glasfritten 21 erzeugt, indem die stegförmigen Strukturen 29 und die ringförmigen Strukturen 31 in einem Brennvorgang eingebrannt werden. Hierdurch entsteht eine Fügung zwischen den aufeinander liegenden Glasfritten 19, 21, eine Glas-Metall Fügung zwischen den ringförmigen zweiten Glasfritten 21 und der darauf aufliegenden Metallfolie 15, sowie eine Fügung zwischen den Stegen 27 und den ersten Glasfritten 19. Abschließend werden die im Waferverband hergestellten Drucksensoren, z.B. durch Sägen entlang der in Verfahrensschritt f) dargestellten senkrechten Linien, vereinzelt.
Wird kein aus Stegen 25 aufgebautes Membranbett benötigt entfällt Verfahrensschritt c). In dem Fall kann die mit den Strukturen 31 bedruckte Metallfolie 15 unmittelbar auf den mit den Strukturen 27 bedruckten Wafer 11 aufgelegt, und beide Glasfritten 19, 21 in einem einzigen Brennvorgang gebrannt werden.
Auf analoge Weise können auch entsprechende Differenzdrucksensoren hergestellt werden. Auch die Herstellung der Differenzdrucksensoren erfolgt vorzugsweise im Waferverbund. Hierzu werden zwei Wafer 11 bzw. Metallscheiben auf die in Verfahrensschritt a) bis c) von 6 dargestellte Weise bearbeitet. Um eine möglichst stabile Fügung zwischen den Stegen 25 und den ersten Glasfritten 19 zu erzielen, werden die Stege 25 hier unmittelbar nach dem Bedrucken der gebrannten ersten Glasfritten 19 mit den stegförmigen Strukturen 29 gebrannt.
Im Anschluss daran werden die auf den beiden Wafern 11 angeordneten ersten Glasfritten 19 mit den ringförmigen Strukturen 31 bedruckt, und unter Zwischenfügung der Metallfolie 15 derart aufeinander gestapelt, dass sich die ringförmigen Strukturen 31 auf beiden Seiten der Metallfolie 15 genau gegenüber liegen. Im Anschluss daran werden die Strukturen 31 gebrannt. Um eine Beeinträchtigung der Fügungen zwischen den oberen ersten Glasfritten 19 und den daran über Kopf hängenden Stegen 25 zu vermeiden, wird für die ringförmigen Strukturen 31 bzw. die daraus zu brennenden zweiten Glasfritten 21 vorzugsweise ein Glasfrit verwendet, dessen Schmelzpunkt unterhalb des Erweichungspunkts des für die ersten Glasfritten 19 und die Stege 25 verwendeten Glasfrits liegt.
Je nach Wahl des verwendeten Glaslots sind zweiteilige Glaskörper 23 mit einer die Grundkapzität der durch die Messmembran 1 und die Grundplatten 9 gebildeten Kondensatoren festlegenden Gesamthöhe von 20 µm–40 µm realisierbar. Größere Grundkapazitäten lassen sich in Verbindung mit zweiteiligen Glaskörpern 23 dadurch erzielen, dass auf die der Messmembran 1 zugewandte Seite der ersten Glasfritten 19 jeweils eine Gegenelektrode 33 aufgebracht, z.B. aufgesputtert, wird. Die Gegenelektroden 33 bilden dann zusammen mit der jeweils gegenüberliegenden durch die Messmembran 1 gebildeten Elektrode einen Kondensator mit von der druckabhängigen Durchbiegung der Messmembran 1 abhängiger Kapazität.
Diese Gegenelektroden 33 müssen elektrisch kontaktiert werden. Hierzu wird als Ausgangspunkt des in 7 dargestellten Herstellungsverfahrens dieser Drucksensoren anstelle des in 6 verwendeten Wafers 11 vorzugsweise ein mit vorgefertigten Durchkontaktierungen 35 ausgestatteter Wafer 37 bzw. eine mit Durchkontaktierungen ausgestattet Metallplatte eingesetzt.
Die Durchkontaktierungen 35 umfassen jeweils einen elektrisch isoliert durch den Wafer 37 bzw. die Metallplatte hindurch geführten Kontaktstift 39, der zu beiden Seiten des Wafers 37 bzw. der Metallplatte heraus ragt. Das Herstellungsverfahren entspricht im Wesentlichen dem anhand von 6 erläuterten Verfahren, so dass nachfolgend lediglich sich durch die Gegenelektroden 33 ergebende Unterschiede erläutert sind. Auch hier werden die Wafer 37 in Verfahrensschritt a) mit den scheibenförmigen Strukturen 27 bedruckt, hieraus die ersten Glasfritten 19 gebrannt, und in Verfahrensschritt b) die ggfs. benötigten Kanäle 17 präpariert.
Im nachfolgenden Verfahrensschritt c) werden die Oberseiten der ersten Glasfritten 19 soweit abgeschliffen, dass die Enden der Kontaktstifte 39 frei liegen. Dies ist in 7 durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
Anschließend werden die Gegenelektroden 33 in Verfahrensschritt d) auf die Oberseiten der ersten Glasfritten 19 aufgebracht, z.B. ausgesputtert. Hierdurch wird zugleich eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Gegenelektroden 33 und den jeweils darunter befindlichen Kontaktstiften 39 bewirkt.
Im Anschluss daran wird das Verfahren auf die bereits anhand von 6 erläuterte Weise fortgesetzt, wobei alle oder zumindest eine oder mehrere der stegförmigen Strukturen 29 in Verfahrensschritt e) auf die Gegenelektrode 33 aufgedruckt werden. Bezüglich der nachfolgenden Verfahrensschritte e) bis h) wird auf die Beschreibung der entsprechenden Verfahrensschritte c)–f) von 6 verwiesen. Auch die Herstellung von mit Gegenelektroden 33 ausgestatten Differenzdrucksensoren erfolgt, abgesehen von den in Verbindung mit 7 erläuterten Unterschieden, auf die in Verbindung mit 6 beschrieben Weise.
Anstelle der aus gebranntem Glasfrit bestehenden Glaskörper 3 bzw. 23, können alternativ auch auf andere Weise gefertigte, mit der Messmembran 1 durch eine Glas-Metall Fügung verbunden Glaskörper 41 eingesetzt werden. Diese können z.B. den gleichen Aufbau aufweisen, wie die in 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele, so dass in 1 und 3 das Bezugszeichen der auf andere Weise gefertigten Glaskörper 41 als Alternative angegeben ist.
Im einfachsten Fall können als Glaskörper 41 aus einer Glasscheibe vorgefertigte Glaskörper eingesetzt werden, in die die Membranbetten 7 mittels mikromechanischer Bearbeitung oder Heißprägung eingebracht wurden. Diese Glaskörper weisen z.B. eine Dicke im Bereich von 100 µm bis 1000 µm auf. Vorzugsweise werden zur Herstellung dieser Glaskörper 41 jedoch die in der DE 10 2011 084 A1 und der DE 10 2009 046 229 A1 beschriebenen Verfahren eingesetzt.
8 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel eines zur Herstellung eines solchen Drucksensors einsetzbares Verfahren, das die in den Teilbildern a) bis g) dargestellten Verfahrensschritte umfasst. Dabei werden auch hier vorzugsweise mehrere Drucksensoren parallel im Waferverbund gefertigt.
Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt a) eine Glasscheibe 43 auf einen Träger 45 aus Graphit aufgelegt. Die Glasscheibe 43 weist eine Dicke von mehr als 200 µm, z.B. im Bereich von 800 µm, auf. Der Träger 45 weist unter allen Bereichen der Glasscheibe 43, die später die Membranbetten 7 bilden, Ausnehmungen 47 auf.
In einem nächsten Schritt b) werden die Membranbetten 7 dadurch geformt, dass Träger 45 und Glasscheibe 43 ein Temperaturprofil durchlaufen, bei dem vom Träger 45 aufgrund der darin vorgesehenen Ausnehmungen 47 nicht unterstützen Bereiche aufgrund der Schwerkraft absinken. Träger 45 und Glasscheibe 43 werden hierzu vorzugsweise unter Vakuum über einen Zeitraum auf eine über dem Erweichungspunkt des Glases liegende Prozesstemperatur aufgeheizt, und über einen weiteren Zeitraum auf dieser Prozesstemperatur gehalten. Dabei bildet sich in jedem dieser Bereiche eine Kontur aus, die im Wesentlichen der Biegelinie der Messmembran 1 entspricht, und nach einem Abkühlen der auf diese Weise geformten Glasscheibe 43 erhalten bleibt.
Im nachfolgenden Verfahrensschritt c) wird der Träger 45 entfernt und eine Unterseite der Glasscheibe 43 durch Entfernung der zu den die Membranbetten 7 bildenden Konturen komplementären Auswölbungen auf der Unterseite eingeebnet. Dies kann durch Schleifen, Polieren oder Läppen erfolgen.
In einem nächsten Arbeitsgang d) wird die vorgeformte unterseitig eingeebnete Glasscheibe 43 mit deren planaren Unterseite auf einen Wafer 11 aus dem für die Grundplatten 9 vorgesehenen Halbleitermaterial, insb. aus Silizium, aufgelegt. Für Grundplatten 9 aus Metall wird statt des Siliziumwafers eine Metallplatte eingesetzt.
Die flächige Fügung von Glasscheibe 43 und Wafer 11 bzw. Metallplatte erfolgt vorzugsweise durch anodisches Bonden. Um eine Fügung durch anodisches Bonden zu ermöglichen besteht die Glasscheibe 43, und damit auch die daraus gefertigten Grundkörper 41, aus einem Alkali-Ionen, insb. Natrium oder Kalium, enthaltenden Borosilikatglas. Besonders geeignete Borosilikatgläser sind beispielsweise unter dem Handelsnamen Pyrex von der Firma Cornin angebotene Gläser, unter den Handelsnamen Borofloat 33 und Foturan von der Firma Schott angebotene Gläser, sowie von der Firma Hoya unter der Bezeichnung SD-2 angebotene Gläser.
Das anodische Bonden von Borsilitkatglas und Silizium erfolgt vorzugsweise bei einer angelegten Spannung im Bereich von 900 V bis 1100 V. Dabei liegt die Bondtemperatur vorzugsweise zwischen 300°C und 500°C. Der Bondmechanismus beruht auf der chemischen Verbindung von O-Ionen mit Siliziumatomen, was zu entsprechenden SiO₂ Bonds zwischen Glas und Silizium führt. Die dadurch erzielte Bond-Verbindung ist ohne Zwischenschicht zwischen Glas und Silizium dicht und stoffschlüssig.
In Verbindung mit Grundplatten 9 aus Metall wird vorzugsweise eine Materialkombination vom Metall der Grundkörper 9 und dem Borosilikatglas des Glaskörpers 41 gewählt, die es erlaubt die Fügung von Grundkörpern 9 und Glaskörpern 41 durch anodisches Bonden zu bewirkten. Für das anodische Bonden in Verbindung mit den oben genannten Borosilikatgläsern eignen sich insb. Metalllegierungen wie z.B. Invar und Kovar. Entsprechende anodische Bondverfahren sind in dem 2004 in Sensors and Actuators A: Physical 114, Ausgabe 2–3, 543–549 veröffentlichten Artikel „“Bonding properties of metals anodically bonded to glass“ von Danick Briand, Patrick Weber und Nicolaas F. de Rooij beschrieben.
Zur Herstellung von Relativdrucksensoren werden, genau wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel in einem nächsten Verfahrensschritt e) Kanäle 17 präpariert, die jeweils durch die Grundplatte 9 und den Grundkörper 43 hindurch in die Druckkammer 5 führen.
Abschließend werden in Verfahrensschritt f) die Messmembranen 1 und die Glaskörper 41 gefügt. Hierzu wird eine Metallfolie 15 auf die Oberseite der geformten und unterseitig eingeebneten Glasscheibe 43 aufgelegt, und beide werden in den die Membranbetten 7 umgebenden Bereichen, in denen die Metallfolie 15 auf den die Membranbetten 7 umgebenden Bereichen der Glasscheibe 43 aufliegt, durch eine Glas-Metall Fügung miteinander verbunden.
Unabhängig davon, ob durch mikromechanische Bearbeitung oder Heißpressung von Glasscheiben oder durch das in den Verfahrensschritten a) bis c) beschriebene Verfahren hergestellte Glaskörper 41 eingesetzt werden, wird für Messmembranen 1 und Glaskörper 41 vorzugsweise eine Materialkombination vom Metall der Messmembranen 1 und dem Glas des Glaskörpers 41 gewählt, die es erlaubt die Fügung von Messmembran 1 und Glaskörper 41 durch anodisches Bonden zu bewirkten. Insoweit gelten die obigen Ausführungen zur Bondverbindung zwischen den Glaskörpern 41 und den metallischen Grundplatten 9 entsprechend. Anodische Bondverbindungen können insb. zwischen Glaskörpern 41 aus Borosilikatglas und Messmembranen 1 aus Invar oder Kovar bewirkt werden.
Alternativ kann die Glas-Metall Fügung von Messmembran 1 und Glaskörper 41, sowie die Fügung von Glaskörper 41 und Grundplatte 9 durch eine Glaslotverbindung bewirkt werden. Glaslotfügungen sind jedoch aufgrund des zwischen zu fügenden Glaslots im Hinblick auf die Abstände zwischen den zu fügenden Elemente weniger präzise ausführbar, als das anodische Bonden.
Werden, wie hier dargestellt, eine Vielzahl von Drucksensoren parallel im Waferverband gefertigt werden, folgt abschließend ein Vereinzeln der Drucksensoren, beispielsweise durch Sägen entlang der in Verfahrensschritt g) von 8 dargestellten vertikalen Linien.
Auch auf der Basis des anhand von 8 beschriebenen Herstellungsverfahren können Differenzdrucksensoren hergestellt werden, die den gleichen Grundaufbau aufweisen, wie der in 3 dargestellte Differenzdrucksensor.
Auch der Differenzdrucksensor wird vorzugsweise im Waferverband hergestellt. Hierzu werden zwei unterseitig eingeebnete Glasscheiben 43 unter Zwischenfügung der Metallfolie 15 derart aufeinander gestapelt, dass sich die Membranbetten 7 der beiden Glasscheiben 43 zu beiden Seiten der Metallfolie 15 genau gegenüber liegen. Beide Glasscheiben 43 dieses Stapels werden in einem Bondvorgang durch anodisches Bonden mit der Metallfolie 15 verbunden. Anschließend wird auf beide Außenseiten dieses Verbunds jeweils ein Wafer 11 aus dem Halbleitermaterial der Grundplatten 9 bzw. für metallische Grundplatten 9 eine Metallscheibe aufgebracht, und jeweils durch eine Glaslötung flächig mit der jeweiligen Glasscheibe 43 verbunden.
Wo aufgrund der gewählten Materialkombination der Materialien für Messmembran 1 und Grundkörper 43 eine Fügung der Glasscheiben 43 und der Metallfolie 15 durch anodisches Bonden nicht möglich ist, werden auch diese Fügungen durch flächige Glaslötungen bewirkt.
Bezugszeichenliste

1: Messmembran
3: Glaskörper
5: Druckkammer
7: Membranbettt
9: Glaskörper
11: Wafer
13: Struktur aus Glasfrit
15: Metallfolie
17: Kanal
19: erste Glasfritte
21: zweite Glasfritte
23: Glaskörper
25: Stege
27: Struktur aus Glasfrit
29: Struktur aus Glasfrit
31: Struktur aus Glasfrit
33: Gegenelektrode
35: Durchkontaktierung
37: Wafer
39: Kontaktstift
41: Glaskörper
43: Glasscheibe
45: Träger
47: Ausnehmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3618390 [0005]
DE 102009046229 A1 [0007, 0008, 0077]
DE 102011084457 A1 [0007, 0009]
DE 102011084 A1 [0077]

Claims

Drucksensor, mit – einer mit einem Druck beaufschlagbaren und druckabhängig elastisch verformbaren Messmembran (1), – einem mit einem äußeren Rand einer ersten Seite der Messmembran (1) verbundenen Glaskörper (3, 23, 41), – einer im Glaskörper (3, 23, 41) unter der Messmembran (1) eingeschlossenen Druckkammer (5), und – einem elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer druckabhängige Verformung der Messmembran (1), dadurch gekennzeichnet, dass – die Messmembran (1) aus Metall, insb. aus Invar, Kovar, Molybdän oder Tantal, besteht, und – Messmembran (1) und Glaskörper (3, 23, 41) durch eine Glas-Metall Fügung verbunden sind.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer von der Messmembran (1) abgewandten Unterseite des Glaskörpers (3, 23, 41) eine Grundplatte (9), insb. eine Grundplatte (9) aus einem Halbleiter, insb. aus Silizium, oder aus einem Metall, insb. aus Invar, Kovar, Molybdän oder Tantal vorgesehen ist.
Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass elektromechanische Wandler ein kapazitiver Wandler ist, der eine durch die metallische Messmembran (1) gebildete Elektrode und eine durch die Grundplatte (9) aus einem Halbleiter oder einem Metall gebildete Gegenelektrode umfasst.
Drucksensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – der Glaskörper (3, 23) aus eingebranntem Glasfrit besteht, und – die Glas-Metall Fügung zwischen dem Glaskörper (3) und der Messmembran (1) eine durch beim Einbrennen des Glasfrits aufschmelzendes Glasfrit gebildete Glas-Metall Fügung ist.
Drucksensor nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass Glaskörper (3, 23) und Grundplatte (9) durch eine beim Einbrennen des Glasfrits durch aufschmelzendes Glasfrit bewirkte Fügung miteinander verbunden sind.
Drucksensor nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass – der Glaskörper (3) eine einteilige Glasfritte, insb. eine einteilige ein Membranbett (7) aufweisende Glasfritte, ist, oder – der Glaskörper (23) eine zweiteilige Glasfritte ist, – die eine scheibenförmige erste Glasfritte (19), insb. eine scheibenförmige erste Glasfritte (19) mit darauf angeordneten ein Membranbett bildenden Stegen (25), umfasst, und – die eine auf der ersten Glasfritte (19) angeordnete ringförmige zweite Glasfritte (21), insb. eine zweite Glasfritte (21) aus einem Glasfrit, das einen Schmelzpunkt aufweist, der unterhalb eines Erweichungspunkts des für die erste Glasfritte (19) verwendeten Glasfrits liegt, umfasst.
Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – der Glaskörper (23) eine scheibenförmige erste Glasfritte (19) und eine darauf angeordnete ringförmige zweite Glasfritte (21) aufweist, und – der elektromechanische Wandler eine auf die erste Glasfritte (19) aufgebrachte, insb. aufgesputterte, Gegenelektrode (33) umfasst, die zusammen mit der als Elektrode dienenden Messmembran (1) einen Kondensator mit einer von einer druckabhängigen Verformung der Messmembran (1) abhängigen Kapazität bildet.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Glaskörper (41) ein aus einer Glasscheibe gefertigter Glaskörper ist, und die Glas-Metall Fügung zwischen Messmembran (1) und Glaskörper (41) eine Glaslötung ist, oder – der Glaskörper (41) ein aus einer Glasscheibe aus einem Alkali-Ionen enthaltenden Borosilikatglas gefertigter Glaskörper ist, die Messmembran (1) aus einem mit dem Borsilikatglas des Glaskörpers (41) durch anodisches Bonden verbindbaren Metall, insb. aus Invar oder Kovar, besteht, und die Glas-Metall Fügung zwischen Glaskörper (41) und Messmembran (1) eine durch anodisches Bonden bewirkte Fügung ist.
Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Glaskörper (41) ein aus einer Glasscheibe gefertigter Glaskörper ist, und Grundplatte (9) und Glaskörper (41) durch eine Glaslötung verbunden sind, oder – der Glaskörper (41) ein aus einer Glasscheibe aus einem Alkali-Ionen enthaltenden Borosilikatglas gefertigter Glaskörper (41) ist, die Grundplatte (9) aus einem Halbleiter, insb. aus Silizum, oder aus einem mit dem Borsilikatglas des Glaskörpers (41) durch anodisches Bonden verbindbaren Metall, insb. aus Invar oder Kovar, besteht, und Glaskörper (41) und Grundplatte (9) durch anodisches Bonden miteinander gefügt sind.
Drucksensor nach Anspruch 1, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass – der Glaskörper (41) ein aus einer Glasscheibe gefertigter Glaskörper ist, in den mittels mikromechanischer Bearbeitung oder Heißprägung ein Membranbett (7) eingebracht wurde, oder – der Glaskörper (41) ein aus einer Glasscheibe (43) gefertigter Glaskörper (41) ist, der ein Membranbett (7) aufweist, das dadurch erzeugt wurde, dass die Glasscheibe (43) auf einem Träger (45) ein Temperaturprofil durchlaufen hat, bei dem ein vom Träger (45) aufgrund einer im Träger (45) vorgesehenen Ausnehmung (47) nicht unterstützter Bereich der Glasscheibe (43) aufgrund der Schwerkraft abgesunken ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er als Differenzdrucksensor ausgebildet ist, indem ein mit einem äußeren Rand einer zweiten Seite der Messmembran (1) verbundener zweiter Glaskörper (3, 23, 41) vorgesehen ist, der identisch zu dem ersten Glaskörper (3, 23, 41) ausgebildet ist.
Verfahren, insb. im Waferverband ausführbares Verfahren, zur Herstellung von Drucksensoren, insb. von Absolutdruck-, Relativdruck- oder Differenzdrucksensoren, gemäß der ersten Alternative von Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Graphitscheibe, ein Wafer (11) aus dem Material der Grundplatten (9), oder eine Metallplatte aus dem Material der Grundplatten (9) mit mindestens einer Struktur (13) aus Glasfrit bedruckt wird, – eine Metallfolie (15) aus dem Metall der Messmembranen (1) auf die aufgedruckten Strukturen (13) aufgelegt wird, – die Glaskörper (3) bildende Glasfritten durch Einbrennen der Strukturen (13) erzeugt werden, und – die Glas-Metall Fügungen durch beim Einbrennen der Strukturen (13) aufschmelzendes Glasfrit bewirkt werden.
Verfahren, insb. im Waferverband ausführbares Verfahren, zur Herstellung von Drucksensoren, insb. von Absolutdruck-, Relativdruck- oder Differenzdrucksensoren, gemäß der zweiten Alternative von Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Graphitscheibe, ein Wafer (11) aus dem Material der Grundplatten (9) oder eine Metallplatte aus dem Material der Grundplatten (9) mit mindestens einer scheibenförmigen Struktur (27) aus Glasfrit bedruckt wird, aus denen durch Einbrennen jeweils eine erste Glasfritte (19) erzeugt wird, – die ersten Glasfritten (19) insb. mit stegförmigen Strukturen (29) aus Glasfrit bedruckt, werden, – eine Metallfolie (15) aus dem Material der Messmembran (1) mit ringförmigen Strukturen (31) aus Glasfrit, insb. einem Glasfrit mit einem Schmelzpunkt, der unterhalb eines Erweichungspunkts des für die ersten Glasfritten (19) verwendeten Glasfrits liegt, bedruckt werden, und die bedruckte Metallfolie (15) derart auf die ersten Glasfritten (19) aufgelegt wird, dass ringförmigen Strukturen (31) passgenau auf den äußeren Rändern der ersten Glasfritten (19) aufliegen, oder – die ersten Glasfritten (19) mit ringförmigen Strukturen (31) aus Glasfrit, insb. einem Glasfrit mit einem Schmelzpunkt, der unterhalb eines Erweichungspunkts des für die ersten Glasfritten (19) verwendeten Glasfrits liegt, bedruckt werden, und die Metallfolie (15) auf die ringförmigen Strukturen (31) aufgelegt wird, und – aus den ringförmigen Strukturen (31) durch Einbrennen die zweiten Glasfritten (21) erzeugt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 13, zur Herstellung von Drucksensoren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – anstelle der Graphitscheibe, des Wafer (11), oder der Metallplatte ein mit vorgefertigten jeweils einen Kontaktstift (41) aufweisenden Durchkontaktierungen (35) ausgestatteter Wafer (37) oder eine mit jeweils einen Kontaktstift aufweisenden Durchkontaktierungen ausgestattet Metallplatte aus dem Material der Grundplatten (9) eingesetzt wird, – die Oberseiten der ersten Glasfritten (19) soweit abgeschliffen werden, dass die Enden der Kontaktstifte (39) frei liegen, und – auf die ersten Glasfritten (19) jeweils eine Gegenelektrode (33) aufgebracht, insb. aufgesputtert, wird.
Verfahren, insb. im Waferverband ausführbares Verfahren, zur Herstellung von Drucksensoren, insb. von Absolutdruck-, Relativdruck- oder Differenzdrucksensoren, nach Anspruch 1, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass – eine mindestens einen Glaskörper (41) enthaltende Glasscheibe gefertigt wird, – die Metallfolie (15) aus dem Material der Messmembranen (1) auf die die Glaskörper (41) enthaltende Glasscheibe (43) aufgelegt wird, und a) die Glaskörper (41) aus einem Borosilikatglas bestehen, die Messmembranen (1) aus einem mit dem Borosilikatglas durch anodisches Bonden verbindbaren Metall bestehen, und die Glas-Metall Fügungen zwischen Messmembranen (1) und Glaskörpern (41) durch anodisches Bonden bewirkt werden, oder b) die Glas-Metall Fügungen zwischen Messmembranen (1) und Glaskörpern (41) Glaslötungen bewirkt werden.