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Die vorliegende Erfindung betrifft einen MEMS-Sensor, insbesondere einen Differenzdrucksensor.
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MEMS-Sensoren im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Mikro-Elektromechanische Systeme, die zum Erfassen einer Messgröße vorgesehen sind, beispielsweise Differenzdruck, Relativdruck, Absolutdruck, Massedurchfluss, Volumendurchfluss, Dichte, Viskosität, Temperatur, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit oder Stoffzusammensetzungen.
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MEMS-Sensoren weisen gewöhnlich Strukturen auf, die mit Verfahren der Halbleiterprozesstechnik präpariert sind. Sie weisen also eine Lage oder mehrere miteinander verbundene Lagen auf, die durch Materialabtrag, Materialauftrag, Materialeintrag, oder auf sonstige Weise strukturiert und/oder in ihren Eigenschaften auf eine Funktion hin verändert sind.
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Die MEMS-Sensoren sind in aller Regel elektrisch zu kontaktieren und über elektrische Leiter an Verarbeitungsschaltungen anzuschließen. Insofern, als MEMS-Sensoren eine Schichtstruktur aufweisen, ist es üblich, Kontaktflächen an den Oberflächen der Schichten vorzusehen. Die elektrische Kontaktierung eines MEMS-Sensors kann beispielsweise mit den folgenden Methoden realisiert werden: Drahtbonden (Wedge-Wedge oder auch Ball-Wedge Bonden z. B. Gold-, Aluminiumdraht), Löten (z. B. Weichlot), und Kontaktieren mit Leitklebstoffen.
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Diese Methoden verbinden gewöhnlich metallische Kontaktpads auf der Chipoberfläche mit einer Leiterbahn auf einem leicht zugänglichen Substrat (z. B. einer Leiterplatte). Die Verfahren und Materialien unterscheiden sich in ihrem Entwicklungsaufwand und ihrer Zuverlässigkeit. Insbesondere das Drahtbonden und das Löten haben sich als besonders zuverlässig erwiesen.
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Problematisch ist es, wenn die Kontaktierung nicht mehr über die Oberflächen der Lagen des MEMS-Sensors möglich ist, beispielsweise, weil diese nicht mehr zugänglich sind. In diesem Fall muss eine seitliche Kontaktierung erfolgen, was nicht ohne weiteres mit den obigen Methoden vereinbar ist. Insbesondere das Drahtbonden und Löten stellen gewisse Mindestanforderungen an die Zugänglichkeit und Orientierung der Kontaktflächen. Eine ungünstige Orientierung kann sich insbesondere durch KOH-Ätzen ergeben, welches ein bevorzugtes Strukturierungsverfahren ist, aber den Nachteil hat, dass die {111}-Flächen, welche beim anisotropen KOH-Ätzen in einem (100)-Wafer stehen bleiben, gegenüber der {100}-Grundfläche um 54,74° geneigt sind und damit deutlich von einer rechtwinkligen Orientierung gegenüber der Grundfläche abweichen. Weiterhin sind mit KOH-Ätzen präparierte Öffnungen trichterförmig, was mit einem erhöhten Materialabtrag und damit einer erhöhten Schwächung der Wafer einhergeht.
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Leitkleben kann unter Umständen geeignet sein, um den Chip zu kontaktieren, wenn die Zugänglichkeit und Orientierung der Kontaktflächen nicht ideal ist, da Klebematerialien und -verfahren existieren, die eine spannungsarme Kopplung möglich machen. Leiterbahnen auf einem Substrat können per Leitklebstoff mit Kontaktflächen einer anderen Komponente verbunden werden. Dabei kann auch eine Kante ohne größere Probleme überwunden werden. Allerdings sind Leitkleber heterogene Systeme aus einer Klebstoffmatrix und leitfähigen Partikeln. Die leitfähigen Partikel, z. B. Metallpartikel, haben eine Größe, die nur um einen Faktor 20–100 kleiner ist als die typischen zu klebenden Kontaktfläche auf dem Chip. Dies kann die Zuverlässigkeit der Kontaktierung beeinträchtigen. Weiterhin wird auch ein Leitklebstoff mechanische Spannungen in das System einbringen, die sich über die Zeit ändern können und oftmals empfindlich auf Feuchtigkeit reagieren. Damit sind Klebungen zur Kontaktierung von MEMS-Sensoren nur eingeschränkt geeignet.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen MEMS-Sensor mit zuverlässiger seitlicher Kontaktierung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den MEMS-Sensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.
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Der erfindungsgemäße MEMS-Sensor zum Erfassen einer Messgröße umfasst:
einen Sensorkörper, welcher mindestens zwei in einer Verbindungsebene miteinander verbundene Lagen – insbesondere Siliziumlagen – aufweist, von denen mindestens eine, mittels eines Ätzverfahrens strukturiert ist,
wobei der MEMS-Sensor einen elektrischen Wandler zum Bereitstellen eines von der Messgröße abhängigen elektrischen Signals aufweist, wobei der Wandler die mindestens eine strukturierte Lage umfasst,
metallische elektrische Anschlussflächen, welche mit dem Wandler elektrisch verbunden sind, wobei der Wandler über die elektrischen Anschlussflächen kontaktierbar ist;
dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlussflächen an mindestens einer Seitenfläche des Sensorkörpers angeordnet sind, die im Wesentlichen senkrecht zu der Verbindungsebene verläuft.
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Die Verbindungsebenen verlaufen im wesentlichen parallel zu den Oberflächen der Wafer, aus deren Schichtfolge die erfindungsgemäßen MEMS-Sensoren, insbesondere im Waferverband zusammengesetzt sind.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Präparieren der mindestens einen Seitenfläche anisotropes Ätzen im Waferverband, insbesondere mittels DRIE oder KOH Ätzen in (110) Silizium Wafern.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Seitenfläche mindestens einen Vorsprung auf, welcher gegenüber einer durch die Kontaktflächen definierten Ebene hervor steht.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Vorsprung einen Rest eines Bodens eines durch das anisotrope Ätzen gebildeten Grabens, wobei der Boden des Grabens beim Vereinzeln der MEMS-Sensoren beabstandet von den Kontaktflächen durchtrennt wurde.
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Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Kontaktflächen durch den Trennvorgang, der häufig durch Sägen erfolgt, nicht beschädigt werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die mindestens eine Seitenfläche im Bereich der Kontaktflächen eine Metallisierung auf.
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Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor umfasst einen erfindungsgemäßen MEMS-Sensor, wobei der Sensorkörper mindestens drei Lagen umfasst, nämlich
eine erste Lage welche eine Messmembran aufweist, eine zweite Lage, welche einen ersten Gegenkörper aufweist, und eine dritte Lage, welche einen zweiten Gegenkörper aufweist,
wobei die Messmembran zwischen den Gegenköpern angeordnet und mit den beiden Gegenkörpern, jeweils unter Bildung einer Messkammer druckdicht verbunden ist, und wobei die Gegenkörper jeweils eine Gegenkörperöffnung aufweisen, durch welche – die Messkammern mit einem Druck beaufschlagbar sind, so dass die Messmembran in Abhängigkeit der Differenz zwischen den beiden Drücken auslenkbar ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Sensorkörper weiterhin mindestens eine vierte und fünfte Lage, wobei die erste, zweite und dritte Lage zwischen der vierten und fünften Lage angeordnet sind, wobei die vierte und fünfte Lage jeweils einen Stützkörper bilden, wobei die Stützkörper jeweils eine Stützkörperöffnung aufweisen, welche jeweils mit einer Gegenkörperöffnung kommunizieren, und wobei die Kontaktflächen zumindest an einer Seitenfläche der vierten und/oder fünften Lage gebildet sind.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Stützkörperöffnungen mittels anisotropen Ätzens, insbesondere KOH-Ätzens präpariert.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Wandler ein kapazitiver Wandler, wobei die Gegenkörper jeweils mindestens eine Gegenkörperelektrode aufweisen, wobei die mindestens eine Gegenkörperelektrode und ggf. eine Membranelektrode über jeweils eine Kontaktfläche kontaktierbar sind.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Gegenkörperelektroden über Metallisierungen mit den Kontaktflächen verbunden, die sich durch die Stützkörperöffnungen zu den Gegenkörperelektroden erstrecken.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Messmembran und/oder die Gegenkörper, und/oder die Stützkörper Silizium auf.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Differenzdrucksensor weiterhin zwei Versteifungskörper, welche insbesondere Glas, Silizium oder einen keramischen Werkstoff aufweisen, wobei die Versteifungskörper jeweils angrenzend an einen Stützkörper angeordnet und mit diesem druckfest verbunden sind, um die Berstfestigkeit des Differenzdrucksensors, insbesondere bei beidseitig gleicher Beaufschlagung mit einem statischen Druck; zu erhöhen, wobei sich durch die Versteifungskörper jeweils ein Versteifungskörperkanal erstreckt, der mit einer der Stützkörperöffnungen kommuniziert, um eine der Messkammern mit einem in den Versteifungskörper eingeleiteten Druck zu beaufschlagen.
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In einer Weiterbildung weisen die Versteifungskörper jeweils eine Materialstärke auf, welche mindestens gleich der Summe der Materialstärken der zwischen den Versteifungskörpern angeordneten Lagen ist, und vorzugsweise mindestens das Doppelte, insbesondere das Vierfache der Summe beträgt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Versteifungskörper Bondpads auf, welche insbesondere benachbart zu den Kontaktflächen angeordnet und mit letzteren über Bonddrähte verbunden sind.
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Im Ergebnis sind die erfindungsgemäßen Differenzdrucksensoren durch Drahtbonden an eine Verarbeitungsschaltung anschließbar. Damit ist die Zuverlässigkeit der Differenzdrucksensoren im Betrieb und die Ausbeute bei der Fertigung erheblich verbessert. Insofern als die veränderlichen Einflüsse einer Klebung anstelle der Bonddrähte auf den Differenzdrucksensor entfallen, sind auch die Messeigenschaften des Differenzdrucksensors verbessert.
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Schließlich bewirkt die Präparation der Kontaktflächen durch den DRIE Ätzprozess einen geringeren Materialabtrag, wodurch die mechanische Stabilität und Belastbarkeit der erfindungsgemäßen Differenzdrucksensoren gegenüber dem Stand der Technik, welche mit KOH geätzt sind, erheblich verbessert ist.
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Die Erfindung wird nun anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
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1a eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen MEMS-Sensors, insbesondere eines Differenzdrucksensors entlang der Linie A-A' aus 1b;
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1b eine Aufsicht auf das Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen MEMS-Sensors, insbesondere eines Differenzdrucksensors aus 1a;
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2a eine Schnittansicht eines MEMS-Sensors, insbesondere eines Differenzdrucksensors nach dem Stand der Technik entlang der Linie A-A' aus 2b;
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2b eine Aufsicht auf den MEMS-Sensors aus 2a;
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3a eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels von erfindungsgemäßen MEMS-Sensoren, insbesondere Differenzdrucksensoren im Waferverband entlang der gekennzeichneten Linie aus 3b;
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3b eine Aufsicht auf das Ausführungsbeispiel von erfindungsgemäßen MEMS-Sensoren im Waferverband aus 3a;
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4 eine räumliche Darstellung des Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen MEMS-Sensors, insbesondere eines Differenzdrucksensors aus 1a und 1b;
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5a eine Aufsicht auf eine Sensorbaugruppe mit dem Differenzdrucksensor aus 1a, 1b und 4 sowie montierten Versteifungskörpern;
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5b eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Sensorbaugruppe mit dem erfindungsgemäßen MEMS-Sensor aus 5a; und
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6 eine schematische Darstellung eines Differenzdruckmessumformers mit erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor.
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Ein herkömmlicher Entwurf eines Differenzdrucksensors 200 in Form eines MEMS-Sensors ist in 2a und 2b dargestellt. Hierbei zeigt 2a einen Schnitt entlang der in der Aufsicht in 2b dargestellten gestrichelten Linie. Der Differenzdrucksensor 200 umfasst einen Sensorkörper mit fünf Lagen Silizium, die jeweils durch eine isolierende Lage Siliziumoxid, 211, 213, 215, 217 voneinander elektrisch getrennt und miteinander mechanisch verbunden sind. Eine erste, mittlere Lage umfasst eine Messmembran 210, die zwischen einer zweiten und dritten Lage Silizium, welche jeweils einen Gegenkörper 212, 214 aufweisen, angeordnet ist. Die Messmembran 210 ist mit den beiden Gegenkörpern 212. 214, jeweils unter Bildung einer Messkammer 216, 218 druckdicht verbunden, wobei die Messkammer jeweils eine Höhe aufweist, die durch eine Materialstärke einer Siliziumoxidschicht 211, 213 zwischen der Messmembran und den Gegenkörpern definiert ist. Sie beträgt einige wenige μm, beispielsweise weniger als 5 μm, insbesondere weniger als 3 μm. Die Gegenkörper 212, 214 weisen jeweils eine Gegenkörperöffnung auf, durch welche die Messmembran 210 und die Messkammern 216, 218 jeweils mit einem Druck beaufschlagbar sind, so dass die Messmembran in Abhängigkeit der Differenz zwischen den beiden Drücken auslenkbar ist. Die Gegenkörper 212, 214 weisen jeweils mindestens eine Gegenkörperelektrode 230, 232 auf, welche insbesondere durch Dotieren des Gegenkörpermaterials präpariert sind.
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An die Gegenkörper schließen auf der membranabgewandten Seite Stützkörper 219, 221 an, welche mit den Gegenkörpern 212, 214 über eine Oxidschicht 215, 217 verbunden sind. Die Stützkörper umfassen (100)-Wafer, in welchen mittels anisotropen KOH-Ätzens Stützkörperöffnungen 224, 226 zum Kommunizieren mit den Druckkammern 216, 218 präpariert sind.
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Die Gegenkörperelektroden 230, 232 sind über Leiterbahnen 234, 236 kontaktiert, die an den Flanken der Stützkörperöffnungen 224, 226 entlang auf die Oberflächen 220, 222 der Stützkörper 219, 221 geführt sind. Theoretisch besteht die Möglichkeit, die Leiterbahnen 234, 236 auf KOH-Ätzflanken am Außenrand des Differenzdrucksensors zu führen, und dort Bondpads 238, 240 vorzusehen, jedoch wären solche Bondpads über Drahtbonder nicht zuverlässig kontaktierbar.
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Ein weiterer Nachteil des obigen Sensorentwurfs besteht darin, dass durch das anisotrope KOH-Ätzen die Durchmesser der Stützkörperöffnungen über das für die Druckeinleitung bzw. für die Präparation der Leiterbahnen erforderliche Maß ansteigen, und damit die Stützkörper schwächen. Dies beeinträchtigt die Überlastfestigkeit. Entsprechendes gilt für die Ätzflanken am äußeren Rand des Sensors.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors 100 in Form eines MEMS-Sensors ist in 1a und 1b dargestellt. Hierbei zeigt 1a einen Schnitt entlang der in der Aufsicht in 1b dargestellten gestrichelten Linie. Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor 100 umfasst einen Sensorkörper mit fünf Lagen Silizium, die jeweils durch eine isolierende Lage Siliziumoxid, 111, 113, 115, 117 voneinander elektrisch getrennt und miteinander mechanisch verbunden sind. Eine erste, mittlere Lage umfasst eine Messmembran 110, die zwischen einer zweiten und dritten Lage Silizium, welche jeweils einen Gegenkörper 112, 114 aufweisen, angeordnet ist. Die Messmembran 110 ist mit den beiden Gegenkörpern 112. 114, jeweils unter Bildung einer Messkammer 116, 118 druckdicht verbunden, wobei die Messkammer jeweils eine Höhe aufweist, die durch eine Materialstärke einer Siliziumoxidschicht 111, 113 zwischen der Messmembran und den Gegenkörpern definiert ist. Sie beträgt einige wenige um, beispielsweise weniger als 5 μm, insbesondere weniger als 3 μm. Die Gegenkörper 112, 114 weisen jeweils eine Gegenkörperöffnung auf, durch welche die Messmembran 110 und die Messkammern 116, 118 jeweils mit einem Druck beaufschlagbar sind, so dass die Messmembran in Abhängigkeit der Differenz zwischen den beiden Drücken auslenkbar ist. Die Gegenkörper 112, 114 weisen jeweils mindestens eine Gegenkörperelektrode 130, 132 auf, welche insbesondere durch Dotieren der Gegenkörperwafer präpariert sind. Die Gegenkörperelektroden 130, 132 sind durch Isolationsgräben 112a, 114a, die insbesondere mit einem DRIE-Prozess präpariert sind, seitlich begrenzt und von den Randbereichen der Gegenkörper isoliert, so dass die Fläche der Gegenkörperelektroden 130, 132 jeweils ausschließlich einem auslenkbaren Teil des ersten, mittleren Wafers 110, welcher die Messmembran bildet, zugewandt ist. Der Einfluss parasitärer Kapazitäten zwischen den miteinander verbundenen Randbereichen der Gegenkörper und der Messmembran auf die differenzdruckabhängigen Kapazitäten zwischen den Gegenkörperelektroden und der Messmembran sind damit weitgehend eliminiert.
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An die Gegenkörper schließen auf der membranabgewandten Seite Stützkörper 119, 121 an, welche mit den Gegenkörpern 112, 114 über eine Oxidschicht 115, 117 verbunden sind. Die Stützkörper umfassen (100)-Wafer in welchen mittels eines anisotropen DRIE-Prozesses Stützkörperöffnungen 124, 126 mit senkrechten Flanken zum Kommunizieren mit den Druckkammern 116, 118 präpariert sind. Gleichermaßen weist der Differenzdrucksensor senkrecht zu den Verbindungsebenen zwischen den Lagen verlaufende Seitenflächen auf, die ebenfalls mittels eines DRIE-Prozesses präpariert sind. Die Seitenflächen weisen jedoch Vorsprünge 150, 152 auf, welche beim DRIE-Prozess stehen geblieben sind. Die Vorsprünge dienen dazu, die Differenzdrucksensoren 100 im Waferverband bis zur Vereinzelung durch Sägen zusammenzuhalten und verschiedene Strukturierungsbereiche voneinander zu trennen. Außerdem stehen die Vorsprünge in einem solchen Maße gegenüber den geätzten Bereichen der Seitenflächen vor, dass letztere durch das Sägen beim Vereinzeln der Differenzdrucksensoren im Bereich der Vorsprünge 152 nicht beschädigt werden.
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Die Gegenkörperelektroden 130, 132 sind über Leiterbahnen 134, 136 kontaktiert, die an den Flanken der Stützkörperöffnungen 124, 126 entlang auf die Oberflächen 120, 122 der Stützkörper 119, 121 geführt sind. Die Leiterbahnen 134, 136 sind auf erste geätzte Bereiche der Seitenflächen des Differenzdrucksensors 100 geführt und münden dort in ersten Bondpads 138, 140, über welche die Gegenkörperelektroden 130, 134 kontaktiert werden können. Die ersten Bondpads 138, 140 und die Leiterbahnen 134, 136 können beispielsweise durch Metallisierung gebildet sein. Die ersten geätzten Bereiche der Seitenflächen, in denen die ersten Bondpads 138, 140 für die Kontaktierung der Membranelektroden angeordnet sind, weisen eine Ätztiefe auf, die sich nur bis zur Oxidschicht zwischen dem jeweiligen Gegenkörper und dem angrenzenden Stützkörper 119, 121 erstreckt, so dass die Bondpads an dieser Stelle keinen direkten galvanischen Kontakt zu den Gegenkörpern haben.
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Die Messmembran 110 eines Differenzdrucksensors weist mindestens eine Membranelektrode auf, welche insbesondere hoch dotiertes Silizium aufweist. Die Membranelektrode bzw. Membranelektroden werden vorzugsweise auf beiden Seiten über zweite Bondpads 142, 144 kontaktiert.
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Dazu weist die Seitenfläche des Differenzdrucksensors 100, welche in ersten geätzten Bereichen die Bondpads 138, 140 zur Kontaktierung der Gegenkörperelektroden trägt, weiterhin zweite geätzte Bereiche auf die von den ersten geätzten Bereichen durch Vorsprünge getrennt sind, wobei die zweiten geätzten Bereiche eine Ätztiefe aufweisen, die sich bis zur Messmembran erstreckt, so dass die zweiten Bondpads 142, 144, in direktem galvanischen Kontakt mit den Membranelektroden stehen. Ggf. können auch die durch die Isolationsgräben 112a 114a von den Gegenkörperelektroden abgetrennten Randbereiche der Gegenkörper auf diese Weise direkt galvanisch kontaktiert werden.
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Die ersten und zweiten Bondpads 138, 140, 142, 144 sind über Drahtbinder zuverlässig kontaktierbar, da sie senkrecht zu den Oberflächen 120, 124 des Differenzdrucksensors ausgerichtet sind.
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Der DRIE-Prozess ermöglicht, dass die Durchmesser der Stützkörperöffnungen nur das für die Druckeinleitung bzw. für die Präparation der Leiterbahnen erforderliche Maß aufweisen. Damit werden die Stützkörper 119, 121 nicht unnötig geschwächt, und die Überlastfestigkeit wird nicht beeinträchtigt. Entsprechendes gilt für die Seitenflächen des Differenzdrucksensors.
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4 zeigt eine räumliche Gesamtansicht des Differenzdrucksensors 100. Es sind die Messmembran 100, die Gegenkörper 112, 114, und die Stützkörper 119, 121 dargestellt, wobei hier die wesentlich dünneren Oxidschichten im Sinne der Übersicht weggelassen wurden, obwohl sie tatsächlich zwischen den vorgenannten Komponenten vorhanden sind. Es ist insbesondere dargestellt, wie eine Leiterbahn 134 aus der Stützkörperöffnung 124 in einer Oberfläche 120 eines Stützkörpers 119 des Differenzdrucksensors 100 herausgeführt und zu einem ersten Bondpad 138 in einem ersten geätzen Bereich geführt ist, wobei sich die Ätztiefe des ersten geätzten Bereichs bis zur Oxidschicht zwischen dem Stützkörper und dem Gegenkörper erstreckt. Ein Vorsprung 150 trennt den ersten geätzten Bereich von einem zweiten geätzten Bereich in dem ein zweites Bondpad 142 zum Kontaktieren der Messmembranelektrode vorgesehen ist, wobei sich der zweite geätzte Bereich bis zur Messmembran 110 erstreckt.
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Im unteren Bereich von 4 ist noch ein weiteres erstes Bondpad 140 zu erkennen, welches zum Kontaktieren der zweiten Gegenkörperelektrode des Differenzsensors 100 dient. Ebenfalls ist ein weiteres zweites Bondpad 144 erkennbar, welches einen zweiten elektrischen Kontakt zur Messmembran bildet. Zwischen den beiden Bondpads ist ein Vorsprung 152 zu erkennen, welcher die geätzten Bereiche, in denen die Bondpads angeordnet sind, voneinander trennt.
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Im Ergebnis liegen alle Bondpads zum Kontaktieren der Messmembran bzw. der Gegenkörperelektroden an einer Seitenfläche des Differenzdrucksensors 100, was die spätere Integration in einen Differenzdruckmessumformer erleichtert.
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Die gestrichelte Linie im Vordergrund von 4 definiert einerseits eine Spiegelebene zwischen einem Differenzdrucksensor und dem angrenzenden Differenzdrucksensor im Waferverband, und andererseits zeigt sie den Verlauf eines ersten Vereinzelungsschnitts zwischen benachbarten Differenzdrucksensoren, wobei alle Vereinzelungsschnitte senkrecht zur Oberfläche 120 des Differenzdrucksensors verlaufen.
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Die anderen Vereinzelungsschnitte verlaufen parallel bzw. senkrecht zum ersten Vereinzelungsschnitt entlang der Seitenflächen des Differenzdrucksensors 100. Auch die Ebenen der senkrecht zum ersten Vereinzelungsschnitt laufenden Vereinzelungsschnitte können Spiegelebenen zwischen benachbarten Differenzdrucksensoren im Waferverband sein.
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Das bis hier beschriebene Ausführungsbeispiel eines Differenzdrucksensors weist zwei Bondpads zur Kontaktierung der Messmembran auf. Damit ist einerseits eine Redundanz und andererseits eine vergleichende Überwachungsmöglichkeit für Änderungen der Übergangswiderstände zur Messmembran gegeben. Selbstverständlich reicht es zur Realisierung der vorliegenden Erfindung auch aus, die Messmembran mit nur einem Bondpad zu kontaktieren.
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Weitere Einzelheiten zum Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors und dessen Herstellung werden nun unter Bezugnahme auf 3a und 3b erläutert. 3a zeigt eine Schnittansicht von mehreren Differenzdrucksensoren 100 im Waferverband 1000, entlang der in der Aufsicht in 3b dargestellten geschlossenen, gestrichelten Linie. Die Schnittansicht beginnt an dem mit einem weißen Pfeil markierten Startpunkt. Es sind insgesamt vier Drucksensoren 100 dargestellt, die jeweils mit den Buchstaben A, B, C und D identifiziert sind. Insofern, als die Sensoren A und C in der Schnittansicht zweimal durchlaufen werden, erscheinen in 3a sechs Schnittbilder von Differenzdrucksensoren 100.
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Der Waferverband 1000 umfasst fünf Siliziumlagen 1110, 1112, 1114, 1119, 1121, die durch vier Siliziumoxidlagen 1111, 1113, 1115, 1117, die jeweils Stärken von einigen wenigen um aufweisen, miteinander verbunden sind. Eine mittlere Siliziumlage, die Messmembranlage 1110 bildet die Messmembranen 110, deren elektrische Leitfähigkeit durch hohe Dotierung erreicht wird. Die Messmembranlage 1110 weist, je nach angestrebtem Messbereich, eine einheitliche Stärke zwischen 10 μm und 500 μm, insbesondere bis 200 μm auf, beispielsweise 40 μm. Die Messmembranlage 1110 ist hoch dotiert um Membranelektroden zu bilden.
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Die Messmembranlage 1110 ist zwischen zwei Gegenkörperlagen 1112, 1114 angeordnet und mit diesen über eine Oxidlage 1111, 1113 mechanisch verbunden und durch die Oxidlage elektrisch isoliert. Die Gegenkörperlagen weisen eine einheitliche Stärke zwischen beispielsweise 10 μm und 300 μm auf.
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Auf der Messmembranlage 1110 abgewandten Außenseiten der Gegenkörperlagen 1112, 1114 sind Stützkörperlagen 1119, 1121 angeordnet, welche über Siliziumoxidlagen 1115, 1117 mit den Gegenkörperlagen verbunden sind.
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In den Stützkörperlagen sind Stützkörperöffnungen 124, 126 präpariert, welche mit Gegenkörperöffnungen kommunizieren, um einen Pfad zu bilden, über den die Messmembranen jeweils mit einem Druck beaufschlagbar sind.
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Die Gegenkörperlagen 1112, 1114 enthalten die Gegenkörper 112, 114 der Differenzdrucksensoren 100, welche hoch dotierte Gegenkörperelektroden umfassen.
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Zum Kontaktieren der Gegenkörperelektroden und der Membranelektroden sind, wie weiter oben diskutiert, an Seitenflächen der Differenzdrucksensoren geätzte Bereiche unterschiedlicher Tiefe präpariert, in denen Bondpads vorgesehen sind, welche mit den Elektroden galvanisch verbunden sind. Im Falle der Membranelektroden ist der Kontakt direkt, während er für die Gegenkörperelektroden über hier nicht dargestellte Leiterbahnen erfolgt, die entlang der Oberflächen der Stützkörperlagen und durch Stützkörperöffnungen 124, 146 verlaufen.
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Die Differenzdrucksensoren sind entlang von in der Aufsicht in 3b gezeigten Schnittlinien 1001, 1002, 1003 zu vereinzeln. Hierbei trennen die Schnittlinien 1001 und 1003 jeweils zwei Differenzdrucksensoren 100 voneinander, deren Bondpads einander zugewandt sind, während die Schnittlinie 1002 zwei Differenzdrucksensoren voneinander trennt, deren Bondpads einander abgewandt sind. In 3b sind die metallischen Leiterbahnen an der Oberseite der Differenzdrucksensoren im Sinne der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. In der Schnittansicht der 3a sind bei den Linien 1001-I und 1003-I jeweils erste Ansichten entlang der Schnittlinie 1001 gezeigt, bei denen die an die Schnittlinie angrenzenden Seitenflächen der Differenzdrucksensoren 100 im unteren Bereich der Abbildung einen ersten geätzten Bereich mit Bondpads zum Kontaktieren der Gegenkörperelektroden und im oberen Bereich der Abbildung einen zweiten geätzten Bereich mit Bondpads zum Kontaktieren der Messmembran aufweisen.
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In der Schnittansicht der 3a sind bei den Linien 1001-II und 1003-II jeweils zweite Ansichten entlang der Schnittlinie 1001 gezeigt, bei denen die an die Schnittlinie angrenzenden Seitenflächen der Differenzdrucksensoren 100 im oberen Bereich der Abbildung einen ersten geätzten Bereich mit Bondpads zum Kontaktieren der Gegenkörperelektroden und im unteren Bereich der Abbildung einen zweiten geätzten Bereich mit Bondpads zum Kontaktieren der Messmembran aufweisen.
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In der Schnittansicht der 3a sind bei den Linien 1002 gegenüberliegende Ansichten entlang der Schnittlinie 1002 gezeigt, bei denen die an die Schnittlinie angrenzenden Seitenflächen der Differenzdrucksensoren sowohl im oberen als auch im unteren Bereich der Abbildung durch die Stützkörperlage hindurch geätzte Bereich aufweist. Da an diesen Seitenflächen keine Kontaktierungen vorgesehen sind, ist keine weitere Strukturierung der an die Schnittlinie 1002 angrenzenden Seitenflächen erforderlich. Grundsätzlich kann an der Position der Vereinzelungslinien 1002 sogar auf jegliche Ätzung verzichtet werden da dort keine Beschädigung von Oberflächenstrukturen durch Sägen zu befürchten ist.
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Die Integration der erfindungsgemäßen Differenzdrucksensoren 100 in eine Sensorbaugruppe S wird nun anhand der 5a, 5b und 6 erläutert.
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Der Differenzdrucksensor 100 wird mit seinen Oberflächen 120, 122 zwischen elektrisch isolierenden Versteifungskörpern 160, 162, die insbesondere Silizium, Keramik oder Glas aufweisen, positioniert und mit diesen zu einer Sensorbaugruppe S gefügt.
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Eine Seitenfläche der Versteifungskörper 160, 162 weist jeweils metallische Versteifungskörperbondpads 161, 163 auf, die benachbart zu den Bondpads 138, 140, 142, 144 auf der Seitenfläche des Differenzdrucksensors positioniert und mit letzteren über Bonddrähte 165 elektrisch verbunden sind. Die elektrische Kontaktierung des Differenzdrucksensors 100 über die Bonddrähte 165 ist mechanisch stabil, bringt keine mechanischen Spannungen in den Chip ein, und ihre Eigenschaften über Zeit, Temperatur und weitere Umgebungsbedingungen ändern sich kaum.
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Durch die Versteifungskörper 160, 162, erstrecken sich – insbesondere gewinkelte – Druckkanäle 166, 168, deren drucksensorseitige Öffnungen mit den Stützkörperöffnungen 124, 126 fluchten, um den Differenzdrucksensor 100 jeweils mit einem Druck zu beaufschlagen
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Die Integration der Sensorbaugruppe S in einen Differenzdruckmessumformer 170 wird nun anhand der 6 erläutert. Die Sensorbaugruppe S ist in einem Sensorgehäuse 171 mit einem metallischen Gehäusekörper 173, welcher in seinem Innern eine Sensorkammer aufweist, angeordnet. Der Gehäusekörper weist zwei mit Trennmembranen 174, 175 verschlossene Prozessanschlussöffnungen auf, die über Kapillarleitungen 176, 177, welche die Sensorbaugruppe 160 tragen, mit den Druckkanälen 166, 168 der Versteifungskörper 160, 162 kommunizieren, um den Drucksensor jeweils mit einem an der jeweiligen Trennmembran 174, 175 anstehenden Druck zu beaufschlagen.
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In der Sensorkammer ist ebenfalls eine Sensorschaltung 180 angeordnet, welche mit dem Differenzdrucksensor über die Versteifungskörperbondpads 161, 163 elektrisch verbunden ist, um den Differenzdrucksensor zu speisen und dessen Kapazitäten zu ermitteln, sowie aufbereitete und vorzugsweise digitalisierte Zwischensignale, welche eine anstehende Druckdifferenz repräsentieren, an eine Hauptelektronik 184 auszugeben. Die Hauptelektronik ist in einem schirmenden Elektronikgehäuse 172 angeordnet, welches von dem Sensorgehäuse 171 getragen wird, wobei das Sensorgehäuse eine vorzugsweise druckfeste elektrische Durchführung 182 mit eingeglasten metallischen Kontakten aufweist, über welche die Sensorschaltung 180 mit der Hauptelektronik 184 kommuniziert und von letzterer gespeist wird. Die Hauptelektronik bereitet die Zwischensignale weiter auf und gibt einen Messwert, insbesondere über eine Zweidrahtleitung 186 an eine übergeordnete Einheit aus, von welcher der Differenzdruckmessumformer 170 über die Zweidrahtleitung 186 gespeist wird.
