DE102014118850A1

DE102014118850A1 - Drucksensor zur Messung eines Differenzdrucks und eines Systemdrucks

Info

Publication number: DE102014118850A1
Application number: DE102014118850.0A
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: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Es ist ein eine geringe Baugröße aufweisender Drucksensor zur Messung eines Differenzdrucks (∆p) und eines Systemdrucks, mit einem Sensorkörper (1), der eine von einem äußeren Rand (3) des Sensorkörpers (1) umgebene Messmembran (5) umfasst, deren erste Seite mit einem ersten Druck (p1) und deren zweite Seite mit einem zweiten Druck (p2) beaufschlagbar ist, und einem ersten elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer von einem auf die Messmembran (5) einwirkenden einer Differenz des ersten und des zweiten Drucks (p1, p2) entsprechenden Differenzdruck (∆p) abhängigen Durchbiegung der Messmembran (5), beschrieben, bei dem in der Messmembran (5) ein Hohlraum (17) eingeschlossen ist, und ein zweiter elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer von einem auf die Messmembran (5) einwirkenden Differenzdruck (∆p) und einem auf die Messmembran (5) einwirkenden Systemdruck (pstat) abhängigen Kompression des Hohlraums (17) vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor zur Messung eines Differenzdrucks und eines Systemdrucks, mit einem Sensorkörper, der eine von einem äußeren Rand des Sensorkörpers umgebene Messmembran umfasst, deren erste Seite mit einem ersten Druck und deren zweite Seite mit einem zweiten Druck beaufschlagbar ist, und einem ersten elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer von einem auf die Messmembran einwirkenden einer Differenz des ersten und des zweiten Drucks entsprechenden Differenzdruck abhängigen Durchbiegung der Messmembran.
Drucksensoren werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Drücken eingesetzt.
Hierzu werden z.B. als Halbleitersensoren oder Sensor-Chips bezeichnete Drucksensoren eingesetzt, die unter Verwendung von aus der Halbleitertechnologie bekannten Prozessen kostengünstig im Waferverband hergestellt werden können.
Drucksensoren zur Messung von Differenzdrücken umfassen regelmäßig eine Messmembran, deren erste Seite mit dem ersten Druck, und deren zweite Seite mit dem zweiten Druck beaufschlagt wird, und einen elektromechanischen Wandler, der eine vom auf die Messmembran einwirkenden Differenzdruck abhängige Durchbiegung der Messmembran messtechnisch erfasst, und in ein dem Differenzdruck entsprechendes elektrisches Messsignal umwandelt.
Dabei ist der zu messende Differenzdruck häufig einem deutlich größeren Systemdruck überlagert, der z.B. gleich dem kleineren der beiden Drücke ist, deren Differenz gemessen werden soll. Dabei besteht das Problem, dass sich die Messeigenschaften von Differenzdrucksensoren in Abhängigkeit vom auf den Sensor einwirkenden Systemdruck verändern. Dies führt zu vom Systemdruck abhängigen Messfehlern, die nur dann kompensiert werden können, wenn der Systemdruck entweder bekannt ist oder parallel zur Differenzdruckmessung messtechnisch erfasst werden kann.
In der DE 10 2007 014 468 A1 ist ein Drucksensor beschrieben, mit dem sowohl ein Differenzdruck zwischen einem ersten und einem zweiten Druck, als auch ein Systemdruck, dem der Differenzdruck überlagert ist, gemessen werden kann. Dieser Drucksensor umfasst einen Sensorkörper, der zwei nebeneinander angeordnete Teilbereiche aufweist, von denen einer als Differenzdrucksensor und der andere als Systemdrucksensor ausgebildet ist.
Der als Differenzdrucksensor ausgebildete Teilbereich des Sensorkörpers umfasst eine von einem äußeren Rand des Teilbereichs umgebene Differenzdruckmessmembran, deren erste Seite mit einem ersten Druck und deren zweite Seite mit einem zweiten Druck beaufschlagbar ist, und einen piezoresisitiven Wandler zur messtechnischen Erfassung einer von einem auf die Messmembran einwirkenden Differenzdruck, abhängigen Durchbiegung der Differenzdruckmessmembran.
Der als Systemdrucksensor ausgebildete Teilbereich des Sensorkörpers umfasst einen im Sensorkörper angeordneten von der Differenzdruckmessmembran beabstandeten Hohlraum, der nach außen durch eine mit dem ersten Druck beaufschlagbare Systemdruckmessmembran abgeschlossen ist. Der Sensorkörper umfasst einen Träger aus Silizium, eine auf dem Träger angeordnete Isolationsschicht aus Siliziumoxid, und eine auf der Isolationsschicht angeordnete Deckschicht aus Silizium. Zur Erzeugung des Hohlraums wird ein durch eine Öffnung in der Deckschicht ausgeführtes Ätzverfahren verwendet. Anschließend wird die Öffnung unter Vakuum durch Abscheidung von Schichten aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid verschlossen. Aus den Schichten wird ein die Öffnung verschließender Abstandshalter zwischen der Bodenfläche des Hohlraums und der Mitte der Systemdruckmessmembran aufgebaut, durch den die Systemdruckmessmembran zu einer steifen Ringmembran wird. Der Systemdrucksensor umfasst einen piezoresisitiven Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom auf die Systemdruckmessmembran einwirkenden ersten Druck abhängigen Durchbiegung der Systemdruckmessmembran.
Um die beiden Teilbereiche dieses Drucksensors nebeneinander anordnen zu können wird Platz benötigt, der einer Miniaturisierung dieser Drucksensoren entgegensteht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Drucksensor zur Messung eines Differenzdrucks und eines Systemdrucks anzugeben, der eine geringe Baugröße aufweist.
Hierzu umfasst die Erfindung einen Drucksensor zur Messung eines Differenzdrucks und eines Systemdrucks, mit

– einem Sensorkörper,
– der eine von einem äußeren Rand des Sensorkörpers umgebene Messmembran umfasst, deren erste Seite mit einem ersten Druck und deren zweite Seite mit einem zweiten Druck beaufschlagbar ist, und
– einem ersten elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer von einem auf die Messmembran einwirkenden einer Differenz des ersten und des zweiten Drucks entsprechenden Differenzdruck abhängigen Durchbiegung der Messmembran, der sich dadurch auszeichnet, dass
– in der Messmembran ein Hohlraum eingeschlossen ist, und
– ein zweiter elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer von einem auf die Messmembran einwirkenden Differenzdruck und einem auf die Messmembran einwirkenden Systemdruck abhängigen Kompression des Hohlraums vorgesehen ist.

Eine erste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– der Sensorkörper einen Träger, insb. einen Träger aus einem leitfähigen Material, insb. aus Silizium, insb. aus hochdotiertem, insb. positiv oder negativ dotiertem, Silizium, aufweist,
– auf dem Träger eine Isolationsschicht, insb. eine Siliziumdioxidschicht, angeordnet ist, und
– der Hohlraum eine in der Isolationsschicht vorgesehene Aussparung ist.

Eine erste Weiterbildung der ersten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Träger eine die Messmembran frei gebende Ausnehmung, insb. eine sich von einer von der Isolationsschicht abgewandten Seite des Trägers her bis zu einer auf der der Isolationsschicht zugewandten Seite des Trägers verbleibenden Trägerschicht des Trägers in den Träger hinein erstreckende Ausnehmung, aufweist.
Eine zweite Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Wandler ein piezoresistiver Wandler ist,

– der piezoresistive Elemente, insb. auf der Isolationsschicht angeordnete piezoresistive Elemente, umfasst, und
– die piezoresistiven Elemente auf einem äußeren, außerhalb des den Hohlraum umfassenden zentralen Bereichs der Messmembran liegenden Randbereich der Messmembran angeordnet sind.

Eine dritte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– der zweite elektromechanische Wandler ein kapazitiver Wandler ist,
– der zweite elektromechanische Wandler eine auf einer ersten Seite des Hohlraums angeordnet Elektrode und eine auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Hohlraums angeordnete Gegenelektrode umfasst, und
– Elektrode und Gegenelektrode derart mit der Messmembran verbunden oder darin integriert sind, dass sich deren Elektrodenabstand in Abhängigkeit von der Kompression des Hohlraums verändert.

Eine Weiterbildung eines Drucksensors gemäß der ersten und der dritten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Elektrode

– einen äußeren, auf der Isolationsschicht angeordneten Randbereich aufweist,
– sich über über den gesamten Hohlraum hinweg erstreckt, und
– der Hohlraum durch die Trägerschicht, die Isolationsschicht und die Elektrode nach außen abgeschlossen ist.

Eine Weiterbildung eines Drucksensors gemäß der ersten Weiterbildung der ersten Weiterbildung und der dritten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Gegenelektrode aus der an den Hohlraum angrenzenden Trägerschicht besteht, die aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.
Eine vierte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Drucksensors zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen Elektrode und Gegenelektrode ein Abstandshalter, insb. ein durch die Mitte des Hohlraums verlaufender Abstandshalter, aus einem elektrisch isolierenden Material, insb. aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, vorgesehen ist.
Eine weitere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Drucksensors zeichnet sich dadurch aus, dass eine an den ersten und den zweiten Wandler angeschlossene Messschaltung vorgesehen ist,

– die anhand eines über den ersten Wandler abgeleiteten vom Differenzdruck abhängigen ersten Messsignals den auf die Messmembran einwirkenden Differenzdruck bestimmt, und
– die anhand des Differenzdrucks und eines über den zweiten Wandler abgeleiteten vom Differenzdruck und vom Systemdruck abhängigen zweiten Messsignals den auf die Messemembran einwirkenden Systemdruck bestimmt.

Weiter umfasst die Erfindung ein erstes Verfahren zur Kompensation eines vom Systemdruck abhängigen Messfehlers eines Drucksensors gemäß der letztgenannten Weiterbildung, das sich dadurch auszeichnet, dass

– anhand des mit dem Drucksensor gemessenen Differenzdrucks, des mit dem Drucksensor gemessenen Systemdrucks und einer in einem Kalibrationsverfahren bestimmten Abhängigkeit des gemessenen Differenzdrucks vom Systemdruck ein hinsichtlich eines systemdruck-abhängigen Messfehlers korrigierter Differenzdruck bestimmt wird, und
– die Bestimmung des Systemdrucks anhand des korrigierten Differenzdrucks wiederholt wird, und ein darüber ermittelter korrigierter Systemdruck wiederum zur Korrektur des systemdruckabhängigen Messfehlers des gemessenen Differenzdrucks eingesetzt wird.

Weiter umfasst die Erfindung ein zweites Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors, das sich dadurch auszeichnet, dass

– in einer Deckschicht eines eine Trägerschicht, eine auf der Trägerschicht angeordnete Isolationsschicht und die auf der Isolationsschicht angeordnete Deckschicht aufweisenden Wafers, insb. eines SOI-Wafers, mittels eines Ätzverfahrens, insb. eines Trockenätzverfahrens, insb. durch Reaktives Ionenätzen, eine Öffnung erzeugt wird,
– mittels eines durch die Öffnung hindurch ausgeführten Ätzverfahrens, insb. einem Trockenätzverfahren, insb. eines mit gasförmiger Flusssäure ausgeführten Ätzverfahrens, der Hohlraum in der Isolationsschicht erzeugt wird,
– die Öffnung unter Vakuum verschlossen wird, und
– in der Trägerschicht des Wafers eine die Messmembran freigebende Ausnehmung erzeugt, insb. mittels eines Ziel-Ätzverfahren, insb. eines mit Kaliumhydroxid ausgeführten Ziel-Ätzverfahrens, erzeugt wird.

Eine Weiterbildung des zweiten Verfahrens sieht vor, dass die Öffnung mittels eines in die Öffnung eingebrachten Verschlusses, insb. eines in einem Drucksensor gemäß der vierten Weiterbildung den Abstandshalter zwischen Elektrode und Gegenelektrode bildenden Verschlusses, aus einem elektrisch isolierenden Material, insb. aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, insb. eines durch Abscheidung aus der Gasphase in die Öffnung eingebrachten Verschlusses, verschlossen wird.
Eine Ausgestaltung des zweiten Verfahrens zur Herstellung eines Drucksensors gemäß der zweiten Weiterbildung, sieht vor, dass aus der Deckschicht piezoresistive Elemente erzeugt werden.
Eine Weiterbildung des zweiten Verfahrens zur Herstellung eines Drucksensors gemäß der dritten Weiterbildung sieht vor, dass aus der Deckschicht die Elektrode erzeugt wird.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass für die messtechnische Erfassung des Systemdrucks aufgrund des in der Messmembran integrierten Hohlraums kein zusätzlicher Platzbedarf entsteht. Damit können erfindungsgemäße Drucksensoren eine extrem kleine Baugröße aufweisen.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt: eine Schnittzeichnung eines erfindungsgemäßen Drucksensors;
2 zeigt: eine Draufsicht auf den Drucksensor von 1;
3 zeigt: Verfahrensschritte zur Herstellung des Drucksensors von 1.
1 zeigt eine Schnittzeichnung eines erfindungsgemäßen Drucksensors zur Messung eines Differenzdrucks ∆p und eines Systemdrucks p_stat. Der Drucksensor umfasst einen Sensorkörper 1, der eine von einem äußeren Rand 3 des Sensorkörpers 1 umgebene Messmembran 5 umfasst, deren erste Seite mit einem ersten Druck p₁, und deren zweite Seite mit einem zweiten Druck p₂ beaufschlagbar ist. Diese Druckbeaufschlagung bewirkt eine vom zu messenden Differenzdruck ∆p = p₁ – p₂ abhängige Durchbiegung der Messmembran, wobei der Differenzdruck gleich einer Differenz der beiden auf die Messmembran 5 einwirkenden Drücke p₁, p₂ ist.
Der Sensorkörper 1 umfasst einen Träger 7, der vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. aus hochdotiertem Silizium besteht. Auf dem Träger 7 ist eine Isolationsschicht 9, z.B. eine Siliziumdioxidschicht (SiO₂), angeordnet. Die Isolationsschicht 9 weist zum Beispiel eine Schichtdicke im Bereich von 0,5 µm bis 2 µm auf.
Der Träger 7 weist auf dessen von der Isolationsschicht 9 abgewandten Seite eine Ausnehmung 11 auf, durch die der Sensorkörper 1 in den außenseitlich an die Ausnehmung 11 angrenzenden Rand 3 und einen inneren über die Ausnehmung 11 freiliegenden, die Messmembran 5 bildenden Bereich unterteilt ist. Die Ausnehmung 11 ist vorzugsweise mittig im Sensorkörper 1 angeordnet und reicht von einer von der Isolationsschicht 9 abgewandten Seite des Trägers 7 her bis zu einer auf der der Isolationsschicht 9 zugewandten Seite des Trägers 7 verbleibenden Trägerschicht 13 des Trägers 7 in den Träger 7 hinein. Der Träger 7 weist beispielsweise eine Schichtdicke in der Größenordnung von 300 µm bis 500 µm auf, und die verbleibende Trägerschicht 13 eine Schichtdicke in der Größenordnung von 10 µm bis 200 µm. Beide Schichtdicken werden in Abhängigkeit vom Druckmessbereich des Drucksensors vorgegeben, wobei umso größere Schichtdicken verwendet werden, je höher die vom Messbereich, für den der Drucksensor vorgesehen ist, abhängigen Druckbelastungen des Drucksensors sind.
Der Drucksensor umfasst einen ersten elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung der vom zu messenden Differenzdruck ∆p, abhängigen Durchbiegung der Messmembran 5. Der Wandler ist vorzugsweise ein piezoresistiver Wandler, der auf der von der Ausnehmung 11 abgewandten Seite der Messemembran 5 angeordnete piezoresistive Elemente 15 umfasst. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Drucksensor von 1, der vier piezoresistive Elemente 15 aufweist, die über einen äußeren in 2 als gestrichelter Kreis eingezeichneten Randbereich der Messmembran 5 verteilt angeordnet sind. Die Elemente 15 sind beispielsweise zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet und an eine hier nicht dargestellte Messschaltung angeschlossen, die anhand eines über die Wheatstone-Brücke abgeleiteten, von der Durchbiegung der Messmembran 5 abhängigen ersten Messsignals den zu messenden Differenzdruck ∆p bestimmt.
Erfindungsgemäß ist in der Messmembran 5 ein Hohlraum 17 eingeschlossen. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Hohlraum 17 durch eine Aussparung in der Isolationsschicht 9 gebildet. Der Hohlraum 17 ist mittig in der Messmembran 5 angeordnet, und vorzugsweise evakuiert. Der Hohlraum 17 weist beispielsweise eine kreisförmige Grundfläche auf, deren Durchmesser in Abhängigkeit vom Druckmessbereich vorgegeben wird. Dabei liegt der Durchmesser beispielsweise im Bereich von 0,2 mm bis 1 mm.
Der Drucksensor umfasst einen zweiten elektromechanischen Wandler, der dazu dient eine vom auf die Messmembran 5 einwirkenden Differenzdruck ∆p und einem auf die Messmembran 5 einwirkenden Systemdruck p_stat abhängige Kompression des Hohlraums 17 messtechnisch zu erfassen. Auch der zweite Wandler ist an die Messschaltung angeschlossen, und die Messschaltung leitet über den zweiten Wandler ein vom Differenzdruck ∆p und vom Systemdruck p_stat abhängiges zweites Messsignal ab.
Der zweite Wandler ist vorzugsweise ein kapazitiver Wandler, der einen durch eine auf einer ersten Seite des Hohlraums 17 angeordnet Elektrode 19 und eine auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweite Seite des Hohlraums 17 angeordnete Gegenelektrode 21 gebildeten Kondensator umfasst. Elektrode 19 und Gegenelektrode 21 sind derart mit der Messmembran 5 verbunden oder darin integriert, dass sich deren Elektrodenabstand in Abhängigkeit von der Kompression des Hohlraums 17 verändert.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Elektrode 19 auf der vom Träger 7 abgewandten ersten Seite des Hohlraums 17 angeordnet. Sie weist einen äußeren, auf der Isolationsschicht 9 angeordneten Randbereich auf, und erstreckt sich über den gesamten Hohlraum 17 hinweg. Sie schließt den Hohlraum 17 somit zu dieser Seite hin nach außen ab, und weist vorzugsweise eine Elektrodendicke von 5 µm bis 10 µm auf. Die Gegenelektrode 21 wird vorzugsweise durch die an den Hohlraum 17 angrenzende Trägerschicht 11 gebildet, die hierzu aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.
Um eine Beeinträchtigung der über den piezoresistiven Wandler erfolgenden messtechnischen Erfassung des Differenzdrucks ∆p durch den Hohlraum 17 zu vermeiden, ist der Hohlraum 17 auf einen zentralen Bereich der Messmembran 5 beschränkt, und die piezoresistiven Elemente 15 sind auf einem äußeren, außerhalb des den Hohlraum 17 umfassenden zentralen Bereichs der Messmembran 5 liegenden Randbereich der Messmembran 5 angeordnet.
Darüber hinaus ist zwischen Elektrode 19 und Gegenelektrode 21 vorzugsweise ein vorzugsweise durch die Mitte des Hohlraums 17 verlaufender Abstandshalter 23 aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. aus Siliziumdioxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄), vorgesehen, durch den Elektrode 19 und Gegenelektrode 21 zu steiferen Ringmembranen werden.
Elektrode 19 und Gegenelektrode 21 sind an die Messschaltung angeschlossen, die die vom Differenzdruck ∆p und vom Systemdruck p_stat abhängige Kapazität des Kondensators bestimmt, und anhand einer vorab in einem Kalibrationsverfahren bestimmten Abhängigkeit der Kapazität vom Differenzdruck ∆p und vom Systemdruck p_stat und des anhand des mittels des ersten Wandlers bestimmten Differenzdrucks ∆p den Systemdruck p_stat bestimmt, der dann zu einer weiteren Verarbeitung und/oder Anzeige zur Verfügung steht.
Anhand des auf diese Weise bestimmten Systemdrucks p_stat wird vorzugsweise eine Korrektur eines systemdruck-bedingten Messfehlers des gemessenen Differenzdrucks ∆p vorgenommen. Dabei wird in einem Kalibrationsverfahren die Abhängigkeit des gemessenen Differenzdrucks ∆p vom Systemdruck p_stat bestimmt, und der gemessene Differenzdruck ∆p anhand des gemessenen Systemdrucks p_stat korrigiert. Hierzu wird vorzugsweise ein iteratives Verfahren eingesetzt, bei dem die Bestimmung des Systemdrucks p_stat anhand des auf die beschriebene Weise ermittelten korrigierten Differenzdrucks wiederholt wird, und der darüber ermittelte korrigierte Systemdruck wiederum zur Korrektur des systemdruckabhängigen Messfehlers des gemessenen Differenzdrucks eingesetzt wird.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Drucksensoren wird ein Wafer eingesetzt, der eine Trägerschicht T, eine auf der Trägerschicht T angeordnete Isolationsschicht I, und eine auf der Isolationsschicht I angeordnete Deckschicht D aufweist. Hierzu eignen sich insb. SOI-Wafer mit einer Trägerschicht T aus hochdotiertem Silizium, einer Isolationsschicht I aus Siliziumoxid, und einer Deckschicht D aus hochdotiertem Silizium. Trägerschicht T und Deckschicht D können eine negative Dotierung aufweisen, die zum Beispiel durch eine Dotierung mit Phosphor erzielt werden kann, oder eine positive Dotierung aufweisen, die zum Beispiel durch eine Dotierung mit Bor erzielt werden kann. Aus dem Wafer werden die Sensorkörper 1 im Waferverband gefertigt, wobei aus der Trägerschicht T die Träger 7, aus der Isolationsschicht I die Isolationsschichten 9 und aus der Deckschicht D die piezoresistiven Elemente 15 und die Elektroden 19 gefertigt werden. 3 zeigt Verfahrensschritte eines im Waferverband ausführbaren Verfahrens zur Herstellung erfindungsgemäßer Drucksensoren am Beispiel eines einzelnen Drucksensors.
Dabei wird in Verfahrensschritt a) in der Deckschicht D eine Öffnung 25 erzeugt. Hierzu wird vorzugsweise ein Trockenätzverfahren, wie zum Beispiel das Reaktive Ionenätzen (RIE) eingesetzt.
Anschließend wird in Verfahrensschritt b) der Hohlraum 17 erzeugt, indem ein in der Mitte des Sensorkörpers 1 angeordneter Bereich der Isolationsschicht I mittels eines durch die Öffnung 25 hindurch erfolgenden Trockenätzverfahrens, insb. eines mit gasförmiger Flusssäure (HF) ausgeführten Ätzverfahrens entfernt wird.
Im Anschluss daran wird die Öffnung 25 in Verfahrensschritt c) unter Vakuum verschlossen. Hierzu wird in die Öffnung 23 ein Verschluss eingebracht. Das geschieht vorzugsweise, indem ein Verschlussmaterial durch Abscheidung aus der Gasphase im Bereich der Öffnung 25 abgeschieden wird. Der Verschluss wird vorzugsweise als Abstandshalter 23 ausgebildet. Hierzu wird der Abstandshalter 23 aus aufeinander abgeschiedenen Schichten aus einem elektrisch isolierenden Material, wie zum Beispiel Siliziumdioxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄) aufgebaut, die sich von einer der Öffnung 25 gegenüberliegenden Bodenfläche des Hohlraums 17 bis in die Öffnung 25 erstrecken, und diese vollständig verschließen. Bei Bedarf kann die Dichtheit des Verschlusses erhöht werden, indem der Verschluss anschließend bei einer Temperatur in der Größenordnung von 1400°C bis 1700°C getempert wird.
Im Anschluss daran werden in Verfahrensschritt d) aus der Deckschicht D die piezoresistiven Elemente 15 und die Elektrode 19 erzeugt. Hierzu können aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren eingesetzt werden. In Verbindung mit einer bereits hochdotierten Deckschicht D erfolgt dies unmittelbar durch eine entsprechende Strukturierung der Deckschicht D, bei der diese bis auf die die piezoresistiven Elemente 15 bildenden Bereiche und einen die Elektrode 19 bildenden Bereich entfernt wird. Die Strukturierung erfolgt beispielsweise mittels eines Trockenätzverfahrens, z. B. mittels Reaktivem Ionenätzen (RIE).
Nachfolgend wird in Verfahrensschritt e) eine Metallisierung auf die von der Trägerschicht T abgewandte Seite Oberseite aufgebracht, über die die elektrische Verschaltung der piezoresistiven Elemente 15 bewirkt wird und Kontaktpads 27 zur Kontaktierung der verschalteten piezoresistiven Elemente 15, sowie Kontaktpads 29 zur Kontaktierung der Elektrode 19 erzeugt werden. Für die Metallisierung wird vorzugsweise ein hochtemperaturbeständiges Metall, wie z.B. TiWAu, eingesetzt.
Abschließend wird in Verfahrensschritt f) aus der Trägerschicht T des Wafers der Träger 7 des Drucksensors erzeugt, indem die Ausnehmung 11 in der Trägerschicht T erzeugt wird. Die Ausnehmung 11 kann z.B. in einem, z.B. mit Kaliumhydroxid (KOH) ausgeführten Ziel-Ätzverfahren erzeugt werden, mit dem eine die Ausnehmung 11 bildende Grube in die Trägerschicht T geätzt wird.
Bezugszeichenliste

1: Sensorkörper
3: Rand
5: Messmembran
7: Träger
9: Isolationsschicht
11: Ausnehmung
13: Trägerschicht
15: piezoresistives Element
17: Hohlraum
19: Elektrode
21: Gegenelektrode
23: Abstandshalter
25: Öffnung
27: Kontaktpad
29: Kontaktpad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007014468 A1 [0006]

Claims

Drucksensor zur Messung eines Differenzdrucks (∆p) und eines Systemdrucks, mit – einem Sensorkörper (1), – der eine von einem äußeren Rand (3) des Sensorkörpers (1) umgebene Messmembran (5) umfasst, deren erste Seite mit einem ersten Druck (p₁) und deren zweite Seite mit einem zweiten Druck (p₂) beaufschlagbar ist, und – einem ersten elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer von einem auf die Messmembran (5) einwirkenden einer Differenz des ersten und des zweiten Drucks (p₁, p₂) entsprechenden Differenzdruck (∆p) abhängigen Durchbiegung der Messmembran (5), dadurch gekennzeichnet, dass – in der Messmembran (5) ein Hohlraum (17) eingeschlossen ist, und – ein zweiter elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer von einem auf die Messmembran (5) einwirkenden Differenzdruck (∆p) und einem auf die Messmembran (5) einwirkenden Systemdruck (p_stat) abhängigen Kompression des Hohlraums (17) vorgesehen ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Sensorkörper (1) einen Träger (7), insb. einen Träger (7) aus einem leitfähigen Material, insb. aus Silizium, insb. aus hochdotiertem, insb. positiv oder negativ dotiertem, Silizium, aufweist, – auf dem Träger (7) eine Isolationsschicht (9), insb. eine Siliziumdioxidschicht (SiO₂), angeordnet ist, und – der Hohlraum (17) eine in der Isolationsschicht (9) vorgesehene Aussparung ist.
Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (7) eine die Messmembran (5) frei gebende Ausnehmung (11), insb. eine sich von einer von der Isolationsschicht (9) abgewandten Seite des Trägers (7) her bis zu einer auf der der Isolationsschicht (9) zugewandten Seite des Trägers (7) verbleibenden Trägerschicht (13) des Trägers (7) in den Träger (7) hinein erstreckende Ausnehmung (11), aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wandler ein piezoresistver Wandler ist, – der piezoresistive Elemente (15), insb. auf der Isolationsschicht (9) angeordnete piezoresistive Elemente (15), umfasst, und – die piezoresistiven Elemente (15) auf einem äußeren, außerhalb des den Hohlraum (17) umfassenden zentralen Bereichs der Messmembran (5) liegenden Randbereich der Messmembran (5) angeordnet sind.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der zweite elektromechanische Wandler ein kapazitiver Wandler ist, – der zweite elektromechanische Wandler eine auf einer ersten Seite des Hohlraums (17) angeordnet Elektrode (19) und eine auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Hohlraums (17) angeordnete Gegenelektrode (21) umfasst, und – Elektrode (19) und Gegenelektrode (21) derart mit der Messmembran (5) verbunden oder darin integriert sind, dass sich deren Elektrodenabstand in Abhängigkeit von der Kompression des Hohlraums (17) verändert.
Drucksensor nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (19) – einen äußeren, auf der Isolationsschicht (9) angeordneten Randbereich aufweist, – sich über über den gesamten Hohlraum (17) hinweg erstreckt, und – der Hohlraum (17) durch die Trägerschicht (13), die Isolationsschicht (9) und die Elektrode (19) nach außen abgeschlossen ist.
Drucksensor nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (21) aus der an den Hohlraum (17) angrenzenden Trägerschicht (13) besteht, die aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Elektrode (19) und Gegenelektrode (21) ein Abstandshalter (23), insb. ein durch die Mitte des Hohlraums (17) verlaufender Abstandshalter (23), aus einem elektrisch isolierenden Material, insb. aus Siliziumdioxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄), vorgesehen ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine an den ersten und den zweiten Wandler angeschlossene Messschaltung vorgesehen ist, – die anhand eines über den ersten Wandler abgeleiteten vom Differenzdruck (∆p) abhängigen ersten Messsignals den auf die Messmembran (5) einwirkenden Differenzdruck (∆p) bestimmt, und – die anhand des Differenzdrucks (∆p) und eines über den zweiten Wandler abgeleiteten vom Differenzdruck (∆p) und vom Systemdruck (p_stat) abhängigen zweiten Messsignals den auf die Messemembran (5) einwirkenden Systemdruck (p_stat) bestimmt.
Verfahren zur Kompensation eines vom Systemdruck (p_stat) abhängigen Messfehlers eines Drucksensors gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass – anhand des mit dem Drucksensor gemessenen Differenzdrucks (∆p), des mit dem Drucksensor gemessenen Systemdrucks (p_stat) und einer in einem Kalibrationsverfahren bestimmten Abhängigkeit des gemessenen Differenzdrucks (∆p) vom Systemdruck (p_stat) ein hinsichtlich eines systemdruck-abhängigen Messfehlers korrigierter Differenzdruck bestimmt wird, und – die Bestimmung des Systemdrucks anhand des korrigierten Differenzdrucks wiederholt wird, und ein darüber ermittelter korrigierter Systemdruck wiederum zur Korrektur des systemdruckabhängigen Messfehlers des gemessenen Differenzdrucks eingesetzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – in einer Deckschicht (D) eines eine Trägerschicht (T), eine auf der Trägerschicht (T) angeordnete Isolationsschicht (I) und die auf der Isolationsschicht (I) angeordnete Deckschicht (D) aufweisenden Wafers, insb. eines SOI-Wafers, mittels eines Ätzverfahrens, insb. eines Trockenätzverfahrens, insb. durch Reaktives Ionenätzen (RIE), eine Öffnung (25) erzeugt wird, – mittels eines durch die Öffnung (25) hindurch ausgeführten Ätzverfahrens, insb. einem Trockenätzverfahren, insb. eines mit gasförmiger Flusssäure (HF) ausgeführten Ätzverfahrens, der Hohlraum (17) in der Isolationsschicht (I) erzeugt wird, – die Öffnung (25) unter Vakuum verschlossen wird, und – in der Trägerschicht (T) des Wafers eine die Messmembran (5) freigebende Ausnehmung (11) erzeugt, insb. mittels eines Ziel-Ätzverfahren, insb. eines mit Kaliumhydroxid (KOH) ausgeführten Ziel-Ätzverfahrens, erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (25) mittels eines in die Öffnung (25) eingebrachten Verschlusses, insb. eines in einem Drucksensor gemäß Anspruch 8 den Abstandshalter (23) zwischen Elektrode (19) und Gegenelektrode (21) bildenden Verschlusses aus einem elektrisch isolierenden Material, insb. aus Siliziumdioxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄), insb. eines durch Abscheidung aus der Gasphase in die Öffnung (25) eingebrachten Verschlusses, verschlossen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11 zur Herstellung eines Drucksensor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Deckschicht (D) piezoresistive Elemente (15) erzeugt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 11 zur Herstellung eines Drucksensors gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Deckschicht (D) die Elektrode (19) erzeugt wird.