DE102015120074A1

DE102015120074A1 - Kapazitiver Differenzdrucksensor und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102015120074A1
Application number: DE102015120074.0A
Authority: DE
Inventors: Timo Kober; Benjamin Lemke; Rafael Teipen; Rene Ziermann; Peter Nommensen
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG; HSG IMIT Institut fuer Mikro und Informationstechnik
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG; HSG IMIT Institut fuer Mikro und Informationstechnik
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2017-05-24

Abstract

Es ist ein Differenzdrucksensor mit einer zwischen einem ersten und einem zweiten Grundkörper (1a, 1b, 1c, 1d) angeordneten elektrisch leitfähigen Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d), deren erste Seite über eine in einer zwischen der Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) und dem ersten Grundkörper (1a, 1b, 1c, 1d) eingeschlossenen Druckkammer (7) mündenden Bohrung (5) mit einem ersten Druck (p1) und deren zweite Seite über eine in einer zwischen der Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) und dem zweiten Grundkörper (1a, 1b, 1c, 1d) eingeschlossenen Druckkammer (7) mündenden Bohrung (5) mit einem zweiten Druck (p2) beaufschlagbar ist und mindestens einer gegenüber der Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) elektrisch isolierten Elektrode (9), die zusammen mit der Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) einen Kondensator mit einer vom auf die Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) einwirkenden, die Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) auslenkenden Differenzdruck (Δp) abhängigen Kapazität bildet, beschrieben, der eine große maximale Einsatzdauer aufweist, die dadurch erzielt wird, dass die Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) einen auslenkbaren Membranbereich (11a, 11b, 11c, 11d) umfasst, der außenseitlich allseitig von einem biegesteifen, über eine erste Fügung (15), insb. eine Bondverbindung, mit einem äußeren Rand (17) des ersten Grundkörpers (1a, 1b, 1c, 1d) und über eine zweite Fügung (15), insb. eine Bondverbindung, mit einem äußeren Rand (17) des zweiten Grundkörpers (1a, 1b, 1c, 1d) verbundenen Membranrand (13) umgeben ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Differenzdrucksensor, mit

– einer zwischen einem ersten und einem zweiten Grundkörper angeordneten elektrisch leitfähigen Messmembran, deren erste Seite über eine in einer zwischen der Messmembran und dem ersten Grundkörper eingeschlossenen Druckkammer mündenden Bohrung mit einem ersten Druck und deren zweite Seite über eine in einer zwischen der Messmembran und dem zweiten Grundkörper eingeschlossenen Druckkammer mündenden Bohrung mit einem zweiten Druck beaufschlagbar ist und
– mindestens einer gegenüber der Messmembran elektrisch isolierten Elektrode, die zusammen mit der Messmembran einen Kondensator mit einer vom auf die Messmembran einwirkenden, die Messmembran auslenkenden Differenzdruck abhängigen Kapazität bildet.

Kapazitive Differenzdrucksensoren dieser Art werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Differenzdrücken eingesetzt.
Die eingangs aufgeführten Merkmale aufweisende Differenzdrucksensoren sind z.B. in der DE 103 93 943 B3 beschrieben. Die Messmembranen dieser Differenzdrucksensoren, sind als planare Scheibe ausgebildet, deren äußerer Rand über eine erste Fügung mit einem äußeren Rand des ersten Grundkörpers und über eine zweite Fügung mit einem äußeren Rand des zweiten Grundkörpers verbunden ist. Sie weisen eine an den Differenzdruckmessbereich des Differenzdrucksensors angepasste Membrandicke auf, die so bemessen ist, dass ein auf die Messmembran einwirkender Differenzdruck eine für eine messtechnische Erfassung ausreichend große Auslenkung der Messmembran bewirkt. Messmembranen weisen hierzu üblicher Weise eine Membrandicke in der Größenordnung von 10 µm bis 30 µm auf. Zur Messung sehr hoher Drücke können natürlich auch Messmembranen mit entsprechend größerer Membrandicke, z.B. Membrandicken von bis zu mehreren 100 µm, eingesetzt werden.
Aufgrund der Einspannung der Messmembran zwischen den äußeren Rändern der Grundkörper bilden sich bei diesen Sensoren bei jeder differenzdruck-abhängigen Auslenkung der Messmembran in einem unmittelbar an die inneren Ränder der Fügungen angrenzenden Bereich Spannungsmaxima aus. Diese Spannungskonzentrationen führen in Kombination mit der auch in diesem Bereich gegebenen druckabhängigen Verformbarkeit der Messmembran dazu, dass jede Auslenkung der Messmembran Zug- und Scherkräfte auf die inneren Ränder der Fügungen ausübt. Fügungen weisen gegenüber auf deren inneren Rand einwirkenden Zug- und Scherbelastungen eine deutlich geringere Beständigkeit auf als gegenüber senkrecht zur Fügefläche gerichteten Belastungen, die über die gesamte Fügefläche der Fügung verteilt wirken. Insofern stellen insbesondere, z.B. durch eine Fehlbedienung verursachte, einseitige Überlasten, bei denen eine Seite der Messmembran mit einem hohen Druck beaufschlagt wird, dem kein auf die gegenüberliegende Seite der Messmembran einwirkender Gegendruck entgegenwirkt, eine extreme Belastung der inneren Ränder der Fügungen dar.
Es ist möglich, die maximale Auslenkung der Messmembran und damit auch die dadurch auf die inneren Ränder der Fügungen ausgeübten Zug- und Scherkräfte zu begrenzen, in dem die Grundkörper der Differenzdrucksensoren mit Membranbetten, auf denen die Messmembran im Falle einer einseitigen Überlast zur Auflage kommt, ausgestattet werden.
Auch dann führen jedoch immer wiederkehrende auf die inneren Ränder der Fügungen einwirkende Zug- und Scherkräfte zu einer sukzessiven Schwächung der inneren Ränder der Fügungen, die sich mit der Zeit radial von innen nach außen ausbreitet. Dies führt auf Dauer zu einer Reduzierung der wirksamen Fügefläche, die wiederum zu einer Veränderung der Messeigenschaften des Drucksensors und zu einer reduzierten Berstfestigkeit führt. Beides führt letztendlich zu einer Beschränkung der maximalen Einsatzdauer dieser Differenzdrucksensoren.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen kapazitiven Differenzdrucksensor mit großer maximaler Einsatzdauer anzugeben.
Hierzu umfasst die Erfindung einen Differenzdrucksensor, mit

– einer zwischen einem ersten und einem zweiten Grundkörper angeordneten elektrisch leitfähigen Messmembran, deren erste Seite über eine in einer zwischen der Messmembran und dem ersten Grundkörper eingeschlossenen Druckkammer mündenden Bohrung mit einem ersten Druck und deren zweite Seite über eine in einer zwischen der Messmembran und dem zweiten Grundkörper eingeschlossenen Druckkammer mündenden Bohrung mit einem zweiten Druck beaufschlagbar ist und
– mindestens einer gegenüber der Messmembran elektrisch isolierten Elektrode, die zusammen mit der Messmembran einen Kondensator mit einer vom auf die Messmembran einwirkenden, die Messmembran auslenkenden Differenzdruck abhängigen Kapazität bildet, der sich dadurch auszeichnet, dass
– die Messmembran einen auslenkbaren Membranbereich umfasst, der außenseitlich allseitig von einem biegesteifen, über eine erste Fügung, insb. eine Bondverbindung, mit einem äußeren Rand des ersten Grundkörpers und über eine zweite Fügung, insb. eine Bondverbindung, mit einem äußeren Rand des zweiten Grundkörpers verbundenen Membranrand umgeben ist.

Eine erste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– die Messmembran aus Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis besteht und
– der biegesteife Membranrand eine Breite aufweist, die größer gleich dessen Dicke ist, insb. größer gleich dem dreifachen der Dicke des Membranrands, insb. größer gleich dem fünffachen der Dicke des Membranrands, ist, wobei die Dicke insb. eine in Abhängigkeit von einem Druckbereich, indem die Biegesteifigkeit gewährleistet sein soll, bemessene Dicke ist, die größer gleich einer Mindestdicke von 100 µm, insb. von 200 µm, ist.

Eine zweite Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der auslenkbare Membranbereich von der ersten und der zweiten Fügung beabstandet ist.
Eine dritte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– der biegesteife Membranrand einen sich ins Innere des Differenzdrucksensors hinein erstreckenden, zwischen den beiden Druckkammern angeordneten Bereich umfasst und/oder
– ein unmittelbar an den biegesteifen Membranrand angrenzender äußerer Rand des auslenkbaren Membranbereichs eine Dicke aufweist, die geringer als die Dicke des Membranrands ist, und in einer Ebene angeordnet ist, die zwischen den Ebenen der beiden Fügungen liegt.

Eine erste Variante der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der auslenkbare Membranbereich ein scheibenförmiger Bereich ist, der in einer Ebene angeordnet ist, die zwischen den Ebenen der beiden Fügungen liegt.
Eine Weiterbildung der ersten Variante zeichnet sich dadurch aus, dass sich die der Messmembran zugewandten Stirnseiten der Elektroden jeweils in einer Ebene befinden, die gegenüber einer Ebene der Fügung, über die der die jeweilige Elektrode tragende Grundkörper mit der Messmembran verbunden ist, in Richtung des auslenkbaren Membranbereichs versetzt ist.
Eine zweite Variante der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der auslenkbare Membranbereich einen zentralen Membranbereich, insb. einen als biegesteifes Zentrum, insb. als scheibenförmiges biegesteifes Zentrum, ausgebildeten zentralen Membranbereich, umfasst, der über einen verformbaren Übergangsbereich mit dem biegesteifen Membranrand verbunden ist.
Eine erste Weiterbildung der zweiten Variante zeichnet sich dadurch aus, dass der verformbare Übergangsbereich eine Dicke aufweist, die geringer als die Dicke des biegesteifen Membranrands ist, und in einer Ebene angeordnet ist, die zwischen den Ebenen der beiden Fügungen liegt.
Eine zweite Weiterbildung der zweiten Variante zeichnet sich dadurch aus, dass der Übergangsbereich zwei oder mehr Teilbereiche umfasst, wobei zueinander benachbarte Teilbereiche jeweils über einen dazwischen angeordneten Verbindungsbereich miteinander verbunden sind.
Eine Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– der äußere verformbaren Teilbereiche in einer Ebene angeordnet ist, die zwischen den Ebenen der beiden Fügungen liegt und/oder
– der Verbindungsbereich eine Dicke aufweist, die in der Größenordnung der Dicke des zentralen Membranbereichs der Membran liegt.

Eine dritte Weiterbildung der zweiten Variante zeichnet sich dadurch aus, dass der Übergangsbereich einen im Querschnitt gesehen senkrecht zur Ebene der Messmembran verlaufenden Teilbereich umfasst, an dessen dem ersten Grundkörper zugewandten Ende und an dessen dem zweiten Grundkörper zugewandten Ende jeweils ein parallel zur Ebene der Messmembran verlaufender Teilbereich des Übergangsbereichs anschließt.
Eine vierte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass

– die Grundkörper einteilige Grundkörper sind, insb. einteilige Grundkörper deren einzige Bohrung ein Aspektverhältnis in der Größenordnung von größer gleich 10, insb. von 10 bis 25 aufweist,
– mindestens ein Grundkörper, insb. beide Grundkörper, eine die zugehörige Druckkammer begrenzende, der Messmembran zugewandte, der Messmembran gegenüber liegende, von der Messmembran beabstandete Oberfläche aufweist,
– auf der eine Isolationsschicht, insb. eine Isolationsschicht aus Siliziumdioxid, aufgebracht ist und
– auf der die Elektrode als auf die Isolationsschicht aufgebrachte leitfähige Beschichtung, insb. als Beschichtung aus dotiertem Polysilizium, insb. mit Phosphor, Antimon oder Arsen n-dotiertem oder mit Bor oder Aluminium p-dotiertem Polysilizium, aufgebracht ist.

Eine Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– die Isolationsschichten als Teilbereich einer auf den jeweiligen Grundkörper aufgebrachten Isolationsschicht, insb. einer Isolationsschicht mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von 1 µm bis 5 µm, ausgebildet sind, die sich von der jeweiligen Oberfläche über eine Mantelfläche der Bohrung im Grundkörper bis zu einem auf einer Außenfläche des jeweiligen Grundkörpers für einen elektrischen Anschluss der jeweiligen Elektrode vorgesehenen Anschlussbereich erstreckt, und
– die Elektroden als Teilbereich einer leitfähigen Beschichtung, insb. einer Beschichtung mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von größer gleich 50 nm und kleiner gleich 1000 nm, insb. von größer gleich 150 nm und kleiner 250 nm, ausgebildet sind, die sich auf der Isolationsschicht von der Oberfläche über die Mantelfläche der Bohrung bis zu dem auf der Außenfläche des jeweiligen Grundkörpers vorgesehenen Anschlussbereich erstreckt.

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

– aus einem einlagigen Wafer, insb. einem p- oder n-dotierten Siliziumwafer, insb. einem Wafer, dessen Dicke gleich der Dicke des Membranrands ist, Messmembranen hergestellt werden, indem im Wafer der Formgebung der auslenkbaren Membranbereiche der herzustellenden Messmembranen entsprechende Aussparungen erzeugt, insb. mittels Ätzverfahren, insb. Reaktivem Ionentiefenätzen (DRIE) oder mit Kaliumhydroxid (KOH) ausgeführten Ätzverfahren, erzeugt werden,
– im Waferverbund gefertigte erste und zweite Grundkörper derart zu beiden Seiten der Messmembranen angeordnet werden, dass sich die Druckkammern der ersten und zweiten Grundkörper jeweils zu beiden Seiten der zugehörigen Messmembran gegenüber liegen, und
– die Fügungen zwischen den biegesteifen Membranrändern und den daran angrenzenden Stirnseiten der äußeren Bereiche der ersten und zweiten Grundkörper erzeugt werden, insb. durch ein Bond-Verfahren, insb. durch Silizium-Direkt-Bonden erzeugt werden.

Eine Weiterbildung dieses Verfahrens zur Herstellung von Differenzdrucksensoren gemäß der vierten Weiterbildung oder deren Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– die ersten und zweiten Grundkörper hergestellt werden, indem in einem einlagigen Wafer, insb. einem p- oder n-dotierten Siliziumwafer, die die Druckkammern bildenden Aussparungen und die in den Druckkammern mündenden Bohrungen erzeugt werden, insb. mittels Ätzverfahren, insb. Reaktivem Ionentiefenätzen (DRIE), erzeugt werden.
– die Isolationsschichten aufgebracht werden, insb. mittels eines Feuchtoxidationsverfahren, insb. eines Feuchtoxidationsverfahrens bei dem durch Oxidation und Strukturierung eine Siliziumoxidschicht auf den entsprechenden Oberflächen erzeugt wird, aufgebracht werden, und
– die Elektroden umfassende leitfähige Beschichtungen aufgebracht werden, insb. durch chemische Gasphasenabscheidung, insb. von dotiertem Polysilizium, und Strukturierung, aufgebracht werden.

Die erfindungsgemäßen Differenzdrucksensoren weisen den Vorteil auf, dass der biegesteife Membranrand der Messmembran bei einer vom Differenzdruck abhängigen Auslenkung des auslenkbaren Membranbereichs im Wesentlichen formstabil ist. Hierdurch wird erreicht, dass bei Auslenkungen des auslenkbaren Membranbereichs über den formstabilen Membranrand praktische keine die inneren Ränder der Fügungen verformenden Kräfte auf die Fügungen übertragen werden, die die mechanische Stabilität der Fügung auf Dauer beeinträchtigen könnten.
Ist zusätzlich eine Beabstandung der Fügungen vom auslenkbaren Membranbereich vorgesehen, so bietet das den zusätzlichen Vorteil, dass bei einer differenzdruck-abhängigen Auslenkung des auslenkbaren Membranbereichs entstehende Spannungskonzentrationen in einer durch die Beabstandung vorgegebenen Entfernung von den Fügungen auftreten.
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 Differenzdrucksensor mit einer Messmembran mit einem biegesteifen Membranrand und einem scheibenförmigen, auslenkbaren Membranbereich;
2 zeigt: einen Differenzdrucksensor mit einer Messmembran, die einen über einen planaren Übergangsbereich mit einem biegesteifen Membranrand verbundenen zentralen Membranbereich umfasst;
3 zeigt: einen Differenzdrucksensor mit einer Messmembran, die einen über einen zwei Gelenke bildenden Übergangsbereich mit einem biegesteifen Membranrand verbundenen zentralen Membranbereich umfasst;
4 zeigt: einen Differenzdrucksensor mit einer Messmembran, die einen über einen drei Teilbereiche aufweisenden Übergangsbereich mit einem biegesteifen Membranrand verbundenen zentraler Membranbereich umfasst;
5 zeigt: Verfahrensschritte zur Herstellung der Grundkörper des Differenzdrucksensors von 1;
6 zeigt: Verfahrensschritte zur Herstellung der Grundkörper der Differenzdrucksensoren von 2 bis 4; und
7 zeigt: bei der Herstellung der Messmembranen von 1 bis 4 zu entfernende Wafer Bereiche.
Die 1 bis 4 zeigen Schnittzeichnungen erfindungsgemäßer Differenzdrucksensoren. Um alle Elemente der Differenzdrucksensoren darstellen zu können, wurde in allen Figuren eine nicht-maßstabsgetreue Darstellung gewählt.
Die Differenzdrucksensoren umfassen jeweils einen ersten und einen zweiten Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d und eine zwischen den beiden Grundkörpern 1a, 1b, 1c, 1d angeordnete elektrisch leitfähige Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d. Die Messmembranen 3a, 3b, 3c, 3d bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, z. B. aus p- oder n-dotiertem Silizium. Zur Dotierung von Silizium eignet sich z.B. Bor, Aluminium oder Phosphor. Die Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d bestehen vorzugsweise ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise aus dem Material der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d.
Die ersten Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d umfassen jeweils eine Bohrung 5, die in einer zwischen der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d und dem ersten Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d eingeschlossenen Druckkammer 7 mündet und über die eine erste Seite der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d mit einem ersten Druck p₁ beaufschlagbar ist. Die zweiten Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d umfassen jeweils eine Bohrung 5, die in einer zwischen der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d und dem zweiten Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d eingeschlossenen Druckkammer 7 mündet und über die eine zweite Seite der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d mit einem zweiten Druck p₂ beaufschlagbar ist.
Die Differenzdrucksensoren umfassen jeweils mindestens eine gegenüber der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d elektrisch isolierte Elektrode 9, die zusammen mit der als Gegenelektrode hierzu dienenden Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d einen Kondensator bildet, der eine von einer vom auf die Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d einwirkenden Differenzdruck Δp zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p₁, p₂ abhängigen Auslenkung der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d abhängige Kapazität aufweist. Vorzugsweise ist jeder der beiden Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d mit einer solchen Elektrode 9 ausgestattet.
Die Messmembranen 3a, 3b, 3c, 3d weisen einen in Abhängigkeit von einem darauf einwirkenden Differenzdruck auslenkbaren Membranbereich 11a, 11b, 11c, 11d auf, der in den Figuren durch einen Doppelpfeil kenntlich gemacht ist. Erfindungsgemäß ist dieser Membranbereich 11a, 11b, 11c, 11d außenseitlich, allseitig von einem biegesteifen Membranrand 13 umgeben. Der Membranrand 13 ist über eine erste Fügung 15 mit einem äußeren Rand 17 des ersten Grundkörpers 1a, 1b, 1c, 1d und über eine zweite Fügung 15 mit einem äußeren Rand 17 des zweiten Grundkörpers 1a, 1b, 1c, 1d verbunden. Die Fügungen 15 sind beispielsweise Bondverbindungen, z.B. Silizium-Direkt-Bonds, und erstrecken sich jeweils über eine dem Membranrand 13 zugewandte Stirnfläche des äußeren Rands 17 des jeweiligen Grundkörpers 1a, 1b, 1c, 1d.
Die Biegesteifigkeit des Membranrands 13 wird vorzugsweise über dessen in Abhängigkeit von den mechanischen Eigenschaften des Materials der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d, insb. dessen Elastizitätsmodulen, vorgegebenen Abmessungen erzielt. Dabei werden die Abmessungen vorzugsweise in Abhängigkeit vom dem Druckbereich, indem die Biegesteifigkeit gewährleistet sein soll, bemessen. Besteht die Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d aus Silizium oder einem Material auf Siliziumbasis, so weist der Membranrand 13 eine senkrecht zur Ebene der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d verlaufende Mindestdicke von größer gleich 100 µm, vorzugsweise sogar größer gleich 200 µm auf. Um die Biegesteifigkeit bei sehr hohen Drücken, wie z.B. sehr hohen zu messenden Differenzdrücken und/oder sehr hohen möglicherweise auftretenden einseitigen oder beidseitigen Überlasten, sicher zu stellen, können aber auch deutliche größere Dicken des Membranrands 13, insb. Dicken von größer gleich 500 µm erforderlich sein. Im Hinblick auf eine einfache und kostengünstige Herstellung der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d weist der Membranrand 13 vorzugsweise eine Dicke auf, die gleich einer Dicke handelsüblicher Siliziumwafer ist. Siliziumwafer sind heute z.B. mit einer Waferdicke von 525 µm und bei entsprechend größerer Wafergröße auch mit einer Waferdicke von 725 µm als kostengünstiges Standardmaterial erhältlich.
Die parallel zur Ebene der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d verlaufende Breite des Membranrands 13 ist größer gleich, vorzugsweise größer, als dessen Dicke. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Breite größer gleich dem dreifachen, vorzugsweise sogar dem fünffachen der Dicke des Membranrands 13 ist. Durch die Biegesteifigkeit des Membranrands 13 wird erreicht, dass dieser bei differenzdruck-abhängigen Auslenkungen des auslenkbaren Membranbereichs 11a, 11b, 11c, 11d im Wesentlichen formstabil ist. Der Membranrand 13 erfährt somit praktisch keine durch die Auslenkungen des auslenkbaren Membranbereichs 11a, 11b, 11c, 11d verursachten Verformungen, die die inneren Ränder der mit dem Membranrand 13 verbundenen Fügungen 15 verformende Kräfte auf die Fügungen 15 ausüben würden.
Dieser Effekt wird vorzugsweise zusätzlich dadurch verstärkt, dass der auslenkbare Membranbereich 11a, 11b, 11c, 11d vom inneren Rand der ersten Fügung 15 und vom inneren Rand der zweiten Fügung 15 in senkrecht und/oder parallel zur Ebene der Messmembran 3a, 3c, 3d verlaufender Richtung beabstandet ist. Dabei bewirkt sowohl der in senkrecht zur Ebene der Messmembran 3a, 3c, 3d verlaufender Richtung als auch der alternativ oder zusätzlich vorgesehene in parallel zur Ebene der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d verlaufender Richtung bestehende Abstand eine Übergangszone, in der durch Auslenkungen des auslenkbaren Membranbereichs 11a, 11b, 11c, 11d erzeugte mechanische Spannungen abgebaut werden. Hierdurch wird eine zusätzliche mechanische Entkopplung der Fügungen 15 von den Bereichen der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d bewirkt, in denen bei einer Auslenkung des auslenkbaren Messmembranbereichs 11a, 11b, 11c, 11d Spannungskonzentrationen entstehen.
Der Abstand der Fügungen 15 vom auslenkbaren Membranbereich 11a, 11b, 11c, 11d in parallel zur Ebene der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d verlaufender Richtung wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass der biegesteife Membranrand 13 einen sich ins Innere des Differenzdrucksensors hinein erstreckenden, zwischen den beiden Druckkammern 7 angeordneten, in den Figuren durch eine gestrichelte Umrandung hervorgehobenen Bereich 19 umfasst. Diese optionale Maßnahme ist in allen Ausführungsbeispielen dargestellt. Alternativ könnten stattdessen Messmembranen eingesetzt werden, deren biegesteifer Membranrand bündig mit den inneren Rändern der Fügungen abschließt.
Der Abstand der Fügungen 15 vom auslenkbaren Membranbereich 11a, 11b, 11c in senkrecht zur Ebene der Messmembran 3a, 3b, 3c verlaufender Richtung wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass zumindest ein unmittelbar an den biegesteifen Membranrand 13 angrenzender äußerer Rand des auslenkbaren Membranbereichs 11a, 11b, 11c eine Dicke aufweist, die geringer als die Dicke des Membranrands 13 ist, und in einer Ebene angeordnet ist, die zwischen den Ebenen der beiden Fügungen 15 liegt. Diese Maßnahme ist bei den Differenzdrucksensoren von 1 bis 3 vorgesehen.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der auslenkbare Membranbereich 11a scheibenförmig und weist eine an den Druckmessbereich des Differenzdrucksensors angepasste Dicke, z.B. eine Dicke in der Größenordnung von größer gleich 10 µm und kleiner gleich einigen 100 µm auf, die deutlich geringer als die Dicke des biegesteifen Membranrands 13 ist. Bei dieser Ausführungsvariante werden die Elektroden 9 vorzugsweise derart angeordnet, dass deren der Messmembran 3a zugewandte Stirnseite in einer Ebene angeordnet ist, die gegenüber der Ebene der den äußeren Rand 17 des jeweiligen Grundkörpers 1a mit der Messmembran 3a verbindenden Fügung 15 in Richtung des auslenkbaren Membranbereichs 11a versetzt ist. Hierdurch verringert sich der Elektrodenabstand zwischen der jeweiligen Elektrode 9 und dem auslenkbaren Membranbereich 11a. Letzteres bewirkt eine Vergrößerung der zu messenden Kapazitäten und somit eine Erhöhung der erzielbaren Messgenauigkeit.
Anstelle des scheibenförmigen auslenkbaren Membranbereichs 11a können alternativ auch auslenkbare Membranbereiche 11b, 11c, 11d eingesetzt werden, die einen zentralen Membranbereich 21 umfassen, der über einen verformbaren Übergangsbereich 23, 25, 27 der Messmembran 3b, 3c, 3d mit dem biegesteifen Membranrand 13 verbunden ist. Beispiele hierzu sind in den 2 bis 4 dargestellt.
Dabei kann der zentrale Membranbereich 21 als druckabhängig verformbarer Bereich oder aber – wie hier dargestellt – als biegesteifes Zentrum ausgebildet sein.
Bei einem als biegesteifes Zentrum ausgebildeten zentralen Membranbereich 21 bewirkt ein auf die Messmembran 3b, 3c, 3d einwirkender Differenzdruck eine druckabhängige Verformung des Übergangsbereichs 23, 25, 27, sowie eine im Wesentlichen parallel zur Ebene der Messmembran 3b, 3c, 3d gerichtete Parallelverschiebung des zentralen Membranbereichs 21.
Das biegesteife Zentrum kann zum Beispiel scheibenförmig ausgebildet sein und weist in dem Fall vorzugsweise eine Dicke auf, die in der Größenordnung der Dicke des biegesteifen Membranrands 13 liegt, und vorzugsweise gleich dieser ist. Ein scheibenförmiges, biegesteifes Zentrum bietet den Vorteil, dass die der Messmembran 3b, 3c, 3d zugewandten, die Druckkammern 7 begrenzenden Stirnflächen der Elektroden 9 der Grundkörper 1b, 1c, 1d zugleich ein passend geformtes Membranbett bilden, an dem das biegesteife Zentrum im Falle einer einseitigen Überlast zur Auflage kommt. Dabei sind die mit einer Parallelverschiebung des biegesteifen Zentrums einhergehende Kapazitätsänderungen im Wesentlichen umgekehrt proportional zur Parallelverschiebung. Entsprechend weisen Differenzdrucksensoren mit scheibenförmigem, biegesteifem Zentrum größere Kapazitäten und eine linearere Abhängigkeit der Kapazitätsänderungen vom Differenzdruck auf, als Differenzdrucksensoren, deren zentraler Membranbereich bei gleicher Größe des zentralen Membranbereichs eine druckabhängige Durchbiegung erfährt.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 ist der Übergangsbereich 23 im Wesentlichen planar und weist eine Dicke auf, die geringer als die Dicke des biegesteifen Membranrands 13 ist. Dabei schließt der Übergangsbereich 23 vorzugsweise in einer Ebene an den Membranrand 13 an, die zwischen den Ebenen der beiden Fügungen 15 liegt. Entsprechend ist die vom Differenzdruck abhängige Parallelverschiebung des zentralen Membranbereiches 21, sowie die damit einhergehende Kapazitätsänderung der Kondensatoren umso größer, je geringer die Dicke des Übergangsbereichs 23 und je größer dessen Breite ist. Umgekehrt nimmt jedoch die wirksame Elektrodenfläche des zentralen Membranbereichs 21 bei gleicher Größe des auslenkbaren Bereichs 11b, 11c, 11d mit zunehmender Breite des Übergangsbereichs 23 ab. Hier ist folglich ein Optimum von Dicke und Breite des Übergangsbereichs 23 in Relation zur Fläche des zentralen Membranbereichs 21 zu finden, bei dem der Messeffekt möglichst groß ist. So kann die Messmembran 3b zur Messung von Differenzdrücken von bis zu 500 mbar z.B. ein biegesteifes Zentrum mit einer Dicke von 500 µm und einem Durchmesser von 1 mm in Verbindung mit einem Übergangsbereich 23 mit einer Breite von 500 µm und einer Dicke von 25 µm aufweisen.
Der Übergangsbereich 25 der in 3 dargestellten Messmembran 3c umfasst zwei konzentrische, verformbare Teilbereiche 29, die über einen zwischen den beiden verformbaren Teilbereichen 29 angeordneten Verbindungsbereich 31 des Übergangsbereichs 25 miteinander verbunden sind. Dabei weisen die beiden verformbaren Teilbereiche 29 jeweils eine Dicke auf, die geringer als die Dicke des biegesteifen Membranrands 13 ist. Um einen möglichst großen Abstand zwischen dem Übergangsbereich 23 und den Fügungen 15 zu erreichen, schließt der äußere verformbare Teilbereiche 29 vorzugsweise in einer Ebene an den Membranrand 13 an, die zwischen den Ebenen der beiden Fügungen 15 liegt.
Bei entsprechender Verkleinerung des zentralen Membranbereichs 21 können natürlich auch drei oder mehr konzentrische, verformbare Teilbereiche 29 vorgesehen werden, wobei benachbarte Teilbereiche 29 jeweils über einen dazwischen angeordneten Verbindungsbereich 31 miteinander verbunden sind.
Die Dicke des Verbindungsbereichs 31 ist größer als die Dicke der Teilbereiche 29 und liegt vorzugsweise in der Größenordnung der Dicke des zentralen Membranbereichs 21 der Messmembran 3c. Das bietet den Vorteil, dass der Verbindungsbereich 31 zur wirksamen Elektrodenfläche der Messmembran 3c beiträgt, und gleichzeitig die gesamte Breite des Übergangsbereichs 23 zur Erzielung einer möglichst großen differenzdruck-abhängigen Parallelverschiebung des zentralen Membranbereichs 21 zur Verfügung steht. Dabei wirken die beiden verformbaren Teilbereiche 29 wie zwei Gelenke, über die die vom Differenzdruck abhängige Verformung des auslenkbaren Membranbereichs 11c erfolgt. Zwei Gelenke bieten den Vorteil, dass sie in einer der Membranbiegekontur entsprechenden Weise in entgegengesetzte Drehrichtung ausgelenkt werden können und somit Spannungsspitzen reduziert werden.
Der Übergangsbereich 27 der in 4 dargestellten Messmembran 3d umfasst einen im Querschnitt gesehen senkrecht zur Ebene der Messmembran 3d verlaufenden Teilbereich 33, an dessen dem ersten Grundkörper 1d zugewandten Ende und an dessen dem zweiten Grundkörper 1d zugewandten Ende jeweils ein parallel zur Ebene der Messmembran 3d verlaufender Teilbereich 35, 37 des Übergangsbereichs 27 anschließt. Diese Formgebung bietet den Vorteil, dass sie bei gleicher Breite des Übergangsbereichs 27 eine größere Parallelverschiebung des zentralen Membranbereichs 21 ermöglicht als die in den 2 und 3 dargestellten Übergangsbereiche 23, 25.
Grundkörper und Elektroden erfindungsgemäßer Differenzdrucksensoren können z.B. auf die in der DE 103 93 943 B beschriebene Weise ausgebildet sein. In dem Fall umfassen die Grundkörper jeweils zwei leitfähige Schichten, z.B. Schichten aus einem Werkstoff auf Siliziumbasis, z.B. p- oder n-dotiertem Silizium, die durch eine zwischen den beiden leitfähigen Schichten angeordnete Isolationsschicht, z.B. eine Isolationsschicht aus Siliziumdioxid (SiO₂), voneinander getrennt sind. In dem Fall ist in den der Messmembran zugewandten leitfähigen Schichten jeweils mindestens ein bis zur Isolationsschicht führender, zu einem Ring geschlossener Graben vorgesehen, durch den die Schicht in einen vom Graben umschlossenen, als Elektrode dienenden inneren Bereich und einen den Graben außenseitlich umschließenden mit der Messmembran verbundenen äußeren Bereich unterteilt ist.
Alternativ können die Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d auf die hier dargestellte und in der noch unveröffentlichten Deutschen Patentanmeldung DE 10 2015 119272.1 vom 9.11.2015 beschriebenen Weise als einteilige Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d ausgebildet sein. Einteilige Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d weisen insb. in Bezug auf deren äußeren, über die Fügung 15 mit der Messmembran 3a, 3b, 3c 3d verbundenen Rand 17 eine höhere mechanische Stabilität auf als die vorgenannten, aus mehreren Schichten aufgebauten Grundkörper, was zur Erzielung einer dauerhaft hohen Berstfestigkeit vorteilhaft ist.
Grundsätzlich wäre es möglich, einteilige Grundkörper über eine den jeweiligen Grundkörper gegenüber der Messmembran isolierende Verbindungsschicht mit der Messmembran zu verbinden und dann unmittelbar als Elektrode einzusetzen. Die hierdurch erzielbare Messgenauigkeit wäre jedoch gering. Ursache hierfür ist, dass in diesem Fall die gesamte Fläche von Grundkörper und Messmembran als Kondensator-Elektrodenflächen wirken, wobei jedoch nur ein kleiner Teilbereich dieser Kondensator-Elektrodenflächen eine vom Differenzdruck abhängige Veränderung erfährt. Dieses Problem wird bei den erfindungsgemäßen Differenzdrucksensoren vorzugsweise auf die hier dargestellte und in der noch unveröffentlichten Deutschen Patentanmeldung DE 10 2015 119272.1 vom 9.11.2015 beschriebene Weise gelöst.
Die einteiligen Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d weisen jeweils eine die zugehörige Druckkammer 7 begrenzende, der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d zugewandte, der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d gegenüber liegende, von der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d beabstandete Oberfläche auf. Auf diesen Oberflächen ist jeweils eine Isolationsschicht 39 aufgebracht und die Elektroden 9 sind als auf die Isolationsschicht 39 aufgebrachte leitfähige Beschichtung ausgebildet.
Die auf den Oberflächen der Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d angeordneten Isolationsschichten 39 sind vorzugsweise jeweils als Teilbereich einer auf den jeweiligen Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d aufgebrachten Isolationsschicht 41 ausgebildet, die sich von der jeweiligen Oberfläche über eine Mantelfläche der Bohrung 5 im jeweiligen Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d bis zu einem auf einer Außenfläche des jeweiligen Grundkörpers 1a, 1b, 1c, 1d für einen elektrischen Anschluss der jeweiligen Elektrode 9 vorgesehenen Anschlussbereich erstreckt.
Analog sind die Elektroden 9 vorzugsweise jeweils als Teilbereich einer leitfähigen Beschichtung 43 ausgebildet, die sich auf der Isolationsschicht 41 von der Oberfläche über die Mantelfläche der Bohrung 5 bis zu dem auf der Außenfläche des jeweiligen Grundkörpers 1a, 1b, 1c, 1d vorgesehenen Anschlussbereich erstreckt. Dies bietet den Vorteil, dass für den elektrischen Anschluss der Elektroden 9 weder eine separate Anschlussleitung, noch eine zusätzliche durch den jeweiligen Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d verlaufende Ausnehmung oder Durchführung vorgesehen werden muss.
Die Isolationsschichten 41 bestehen z.B. aus Siliziumdioxid (SiO₂). Zur Erzielung einer ausreichenden elektrischen Isolation ist eine Schichtdicke der Isolationsschichten 41 in der Größenordnung von mehreren Atomlagen bereits ausreichend. Zur Reduktion parasitärer Kapazitäten wird jedoch vorzugsweise eine größere Schichtdicke, insb. eine Schichtdicke in der Größenordnung von 1 µm bis 5 µm vorgesehen.
Die die Elektroden 9 bildenden bzw. die die Elektroden 9 umfassenden leitfähigen Beschichtungen 43 bestehen z. B. aus dotiertem Polysilizium. Die Dotierung kann eine n-Dotierung, z.B. mit Phosphor, Antimon oder Arsen, oder eine p-Dotierung, z.B. mit Bor oder Aluminium, sein. Die Beschichtungen 43 weisen vorzugsweise eine Schichtdicke in der Größenordnung von größer gleich 50 nm und kleiner gleich 1000 nm auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen sie eine Schichtdicke von größer gleich 150 nm und kleiner 250 nm auf.
Auf beiden Grundkörpern 1a, 1b, 1c, 1d ist auf der jeweiligen leitfähigen Beschichtung 43 jeweils ein sich über den Anschlussbereich erstreckender Elektrodenanschluss 45, z.B. eine auf der jeweiligen Beschichtung 43 aufgebrachte Metallisierung, vorgesehen, auf der die Kontaktierung erfolgen kann. Zusätzlich ist mindestens ein Membrananschluss 47 vorgesehen, über den die Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d elektrisch anschließbar ist. Hierfür ist an einem äußeren Rand mindestens eines der beiden Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d eine einen Randbereich der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d freilegende Ausnehmung 49 vorgesehen. Als Membrananschlüsse 47 eignen sich Metallisierungen, z.B. aus Aluminium, die auf den durch die jeweilige Ausnehmung 49 frei liegenden Randbereich der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d aufgebracht werden, und sich von der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d über eine Mantelfläche der Ausnehmung 49 bis zu einem auf einer äußeren Mantelfläche des jeweiligen Grundkörpers 1a, 1b, 1c, 1d für den Anschluss der Messmembran 3a, 3b, 3c, 3d vorgesehenen Anschlussbereich erstrecken.
Erfindungsgemäße Differenzdrucksensoren sind auf einfache und kostengünstige Weise im Waferverbund herstellbar. Dabei werden die ersten und zweiten Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d jeweils aus einem einfachen, einlagigen Wafer, z.B. einem p- oder n-dotierten Siliziumwafer, hergestellt. 5 zeigt hierzu Verfahrensschritte a) bis c) zur Herstellung der in 1 dargestellten Grundkörper 1a. 6 zeigt hierzu Verfahrensschichte a) bis c) zur Herstellung der in 2–4 dargestellten im Wesentlichen baugleichen Grundkörper 1b, 1c, 1d.
In Verfahrensschritt a) von 5 und 6 werden jeweils die die Druckkammern 7 bildenden Aussparungen, die in den Druckkammern 7 mündenden Bohrungen 5 und die Ausnehmungen 49 für die Membrananschlüsse 47 erzeugt. Hierfür eignen sich z.B. Ätzverfahren, wie z.B. das Reaktive Ionentiefenätzen (DRIE), mit denen die in 5a und 6a durch eine gestrichelte Umrandung kenntlich gemachten Bereiche des Wafers entfernt werden.
Bei der Herstellung der in 1 dargestellten Grundkörper 1a wird auf deren im Sensor der Messmembran 3a zugewandten Seite ein zu einem Ring geschlossener Graben 51 erzeugt. Zusätzlich werden die äußeren Ränder 17 dieser Grundkörper 1a von deren im Sensor der Messmembran 3a zugewandten Seite her entsprechend dem gewünschten Versatz der Elektroden 9 gegenüber der Ebene der zugehörigen Fügung 15 in Richtung Messmembran 3a abgedünnt.
Bei der Herstellung der in den 2 bis 4 dargestellten Grundkörper 1b, 1c, 1d, wird stattdessen auf deren im Sensor der Messmembran 3b, 3c bzw. 3d zugewandten Seite eine im Wesentlichen scheibenförmige, die Druckkammer 7 bildende Ausnehmung erzeugt.
Im nachfolgenden Verfahrensschritt b) von 5 und 6 werden die Isolationsschichten 41 aufgebracht. Hierzu kann zum Beispiel ein Feuchtoxidationsverfahren eingesetzt werden, mit dem durch Oxidation und anschließende Strukturierung eine Siliziumoxidschicht auf den entsprechenden Oberflächen erzeugt wird.
Nachfolgend werden in Verfahrensschritt c) die leitfähigen Beschichtungen 43 auf die einzelnen Grundkörper 1a, 1b, 1c bzw. 1d aufgebracht. Das Aufbringen von leitfähigen Beschichtungen 43 aus dotiertem Polysilizium erfolgt z.B. durch eine vorzugsweise bei niedrigem Druck ausgeführte chemische Gasphasenabscheidung (LP-CVD) und Strukturierung. Im Unterschied zu in Sputterverfahren aufgebrachten Metallisierungen, deren Schichtdicke insb. in schwer zugänglichen Bereichen variieren kann, können die Isolationsschichten 41 und die leitfähigen Beschichtungen 43 auf die oben beschriebene Weise auch auf Mantelflächen von Ausnehmungen mit hohem Aspektverhältnis mit in allen Teilbereichen im Wesentlichen gleicher Schichtdicke erzeugt werden. Dies bietet den Vorteil, dass die für den elektrischen Anschluss der Elektroden 9 und vorzugsweise zugleich zur Druckbeaufschlagung genutzten Bohrungen 5 tiefer sein können und/oder eine geringere Grundfläche aufweisen können, als bei herkömmlichen Differenzdrucksensoren. Dabei sind Bohrungen 5 mit einem Aspektverhältnis in der Größenordnung von 10 bis 25 realisierbar, was bei Bohrungen 5 mit quadratischer Grundfläche einem Verhältnis der Tiefe der Bohrung 5 zur Seitenlänge der Grundfläche in dieser Größenordnung entspricht.
So können Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d mit einer Dicke in einer Größenordnung von 300 µm bis 500 µm beispielsweise Bohrungen 5 mit einer quadratischen Grundfläche mit einer Seitenlänge von größer gleich 20 µm aufweisen. Die Seitenlängen liegen z.B. im Bereich von 20 µm bis 100 µm, wobei sie vorzugsweise im Bereich von 20 µm bis 30 µm liegen. Aspektverhältnisse in der o.g. Größenordnung sind natürlich völlig analog auch in Verbindung mit Bohrungen 5 mit kreisförmiger Grundfläche realisierbar. Dicke Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d mit nur einer Bohrung 5 mit kleiner Grundfläche bieten den Vorteil einer extrem hohen Formstabilität, die ebenfalls zum Schutz der Fügungen 15 vor mechanischen Belastungen beiträgt.
Parallel hierzu oder im Anschluss werden die Messmembranen 3a, 3b, 3c bzw. 3d hergestellt. Hierzu wird vorzugsweise ein einfacher, einlagiger Wafer, z.B. ein p- oder n-dotierten Siliziumwafer, verwendet, dessen Dicke gleich der Dicke des Membranrands 13 ist. In diesem Wafer werden dann der Formgebung der auslenkbaren Membranbereiche 11a, 11b, 11c bzw. 11d der herzustellenden Messmembranen 3a, 3b, 3c bzw. 3d entsprechende Aussparungen erzeugt. Die dabei zu entfernenden Bereiche des Wafers sind in den 7a bis d dargestellt. Hierfür eignen sich z.B. Ätzverfahren, wie z.B. das Reaktive Ionentiefenätzen (DRIE) oder mit Kaliumhydroxid (KOH) ausgeführten Ätzverfahren.
Anschließend wird der die Messmembranen 3a, 3b, 3c bzw. 3d umfassende Wafer derart zwischen zwei gemäß den Verfahrensschritten a) bis c) von 5 bzw. 6 hergestellten Wafern angeordnet, dass sich die Druckkammern 7 der ersten und zweiten Grundkörper 1a, 1b, 1c bzw. 1d jeweils zu beiden Seiten der zugehörigen Messmembran 3a, 3b, 3c bzw. 3d gegenüber liegen. Im Anschluss werden die Fügungen 15 zwischen den biegesteifen Membranrändern 13 und den daran angrenzenden Stirnseiten der äußeren Ränder 17 der ersten und zweiten Grundkörper 1a, 1b, 1c, 1d verbunden. Dabei können Messmembran 3a, 3b, 3c bzw. 3d und Grundkörper 1a, 1b, 1c bzw. 1d entweder unmittelbar oder unter Zwischenfügung einer Verbindungschicht, z.B. einer Oxidschicht, durch ein Bond-Verfahren verbunden werden. Vorzugsweise werden die Fügungen 15 durch Silizium-Direkt-Bonden ohne Zwischenfügung einer Verbindungschicht hergestellt, da Silizium-Direkt-Bondungen eine höhere Festigkeit aufweisen.
Abschließend werden die Elektrodenanschlüsse 45 und die Membrananschlüsse 47 erzeugt, in dem sie z.B. als metallische Beschichtung aufgebracht, z.B. aufgesputtert werden, und die auf diese Weise hergestellten Differenzdrucksensoren durch Sägen entlang der Außenseiten der einzelnen Differenzdrucksensoren vereinzelt.
Bezugszeichenliste

1a–d: Grundkörper
3a–d: Messmembran
5: Bohrung
7: Druckkammer
9: Elektrode
11a–d: auslenkbarer Membranbereich
13: biegesteifer Membranrand
15: Fügung
17: äußerer Rand
19: Bereich
21: zentraler Membranbereich
23: Übergangsbereich
25: Übergangsbereich
27: Übergangsbereich
29: verformbarer Teilbereich
31: Verbindungsbereich
33: Teilbereich
35: Teilbereich
37: Teilbereich
39: Isolationsschicht
41: Isolationsschicht
43: leitfähige Beschichtung
45: Elektrodenanschluss
47: Membrananschluss
49: Ausnehmung
51: Graben

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10393943 B3 [0003]
DE 10393943 B [0053]
DE 102015119272 [0054, 0055]

Claims

Differenzdrucksensor, mit – einer zwischen einem ersten und einem zweiten Grundkörper (1a, 1b, 1c, 1d) angeordneten elektrisch leitfähigen Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d), deren erste Seite über eine in einer zwischen der Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) und dem ersten Grundkörper (1a, 1b, 1c, 1d) eingeschlossenen Druckkammer (7) mündenden Bohrung (5) mit einem ersten Druck (p₁) und deren zweite Seite über eine in einer zwischen der Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) und dem zweiten Grundkörper (1a, 1b, 1c, 1d) eingeschlossenen Druckkammer (7) mündenden Bohrung (5) mit einem zweiten Druck (p₂) beaufschlagbar ist und – mindestens einer gegenüber der Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) elektrisch isolierten Elektrode (9), die zusammen mit der Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) einen Kondensator mit einer vom auf die Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) einwirkenden, die Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) auslenkenden Differenzdruck (Δp) abhängigen Kapazität bildet, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) einen auslenkbaren Membranbereich (11a, 11b, 11c, 11d) umfasst, der außenseitlich allseitig von einem biegesteifen, über eine erste Fügung (15), insb. eine Bondverbindung, mit einem äußeren Rand (17) des ersten Grundkörpers (1a, 1b, 1c, 1d) und über eine zweite Fügung (15), insb. eine Bondverbindung, mit einem äußeren Rand (17) des zweiten Grundkörpers (1a, 1b, 1c, 1d) verbundenen Membranrand (13) umgeben ist.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) aus Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis besteht und – der biegesteife Membranrand (23) eine Breite aufweist, die größer gleich dessen Dicke ist, insb. größer gleich dem dreifachen der Dicke des Membranrands (13), insb. größer gleich dem fünffachen der Dicke des Membranrands (13), ist, wobei die Dicke insb. eine in Abhängigkeit von einem Druckbereich, indem die Biegesteifigkeit gewährleistet sein soll, bemessene Dicke ist, die größer gleich einer Mindestdicke von 100 µm, insb. von 200 µm, ist.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der auslenkbare Membranbereich (11a, 11b, 11c, 11d) von der ersten und der zweiten Fügung (15) beabstandet ist.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der biegesteife Membranrand (13) einen sich ins Innere des Differenzdrucksensors hinein erstreckenden, zwischen den beiden Druckkammern (7) angeordneten Bereich (19) umfasst und/oder – ein unmittelbar an den biegesteifen Membranrand (13) angrenzender äußerer Rand des auslenkbaren Membranbereichs (11a, 11b, 11c) eine Dicke aufweist, die geringer als die Dicke des Membranrands (13) ist, und in einer Ebene angeordnet ist, die zwischen den Ebenen der beiden Fügungen (15) liegt.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der auslenkbare Membranbereich (11a) ein scheibenförmiger Bereich ist, der in einer Ebene angeordnet ist, die zwischen den Ebenen der beiden Fügungen (15) liegt.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die der Messmembran (3a) zugewandten Stirnseiten der Elektroden (9) jeweils in einer Ebene befinden, die gegenüber einer Ebene der Fügung (15), über die der die jeweilige Elektrode (9) tragende Grundkörper (1a) mit der Messmembran (3a) verbunden ist, in Richtung des auslenkbaren Membranbereichs (11a) versetzt ist.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der auslenkbare Membranbereich (11b, 11c, 11d) einen zentralen Membranbereich (21), insb. einen als biegesteifes Zentrum, insb. als scheibenförmiges biegesteifes Zentrum, ausgebildeten zentralen Membranbereich (21), umfasst, der über einen verformbaren Übergangsbereich (23, 25, 27) mit dem biegesteifen Membranrand (13) verbunden ist.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der verformbare Übergangsbereich (23) eine Dicke aufweist, die geringer als die Dicke des biegesteifen Membranrands (13) ist, und in einer Ebene angeordnet ist, die zwischen den Ebenen der beiden Fügungen (15) liegt.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (25) zwei oder mehr Teilbereiche (29) umfasst, wobei zueinander benachbarte Teilbereiche (29) jeweils über einen dazwischen angeordneten Verbindungsbereich (31) miteinander verbunden sind.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass – der äußere verformbaren Teilbereiche (29) in einer Ebene angeordnet ist, die zwischen den Ebenen der beiden Fügungen (15) liegt und/oder – der Verbindungsbereich (31) eine Dicke aufweist, die in der Größenordnung der Dicke des zentralen Membranbereichs (21) der Membran (3c) liegt.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (27) einen im Querschnitt gesehen senkrecht zur Ebene der Messmembran (3d) verlaufenden Teilbereich (33) umfasst, an dessen dem ersten Grundkörper (1d) zugewandten Ende und an dessen dem zweiten Grundkörper (1d) zugewandten Ende jeweils ein parallel zur Ebene der Messmembran (3d) verlaufender Teilbereich (35, 37) des Übergangsbereichs (27) anschließt.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Grundkörper (1a, 1b, 1c, 1d) einteilige Grundkörper (1a, 1b, 1c, 1d) sind, insb. einteilige Grundkörper (1a, 1b, 1c, 1d) deren einzige Bohrung (5) ein Aspektverhältnis in der Größenordnung von größer gleich 10, insb. von 10 bis 25, aufweist, – mindestens ein Grundkörper (1a, 1b, 1c, 1d), insb. beide Grundkörper (1a, 1b, 1c, 1d), eine die zugehörige Druckkammer (7) begrenzende, der Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) zugewandte, der Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) gegenüber liegende, von der Messmembran (3a, 3b, 3c, 3d) beabstandete Oberfläche aufweist, – auf der eine Isolationsschicht (39), insb. eine Isolationsschicht (39) aus Siliziumdioxid (SiO₂), aufgebracht ist und – auf der die Elektrode (9) als auf die Isolationsschicht (39) aufgebrachte leitfähige Beschichtung, insb. als Beschichtung aus dotiertem Polysilizium, insb. mit Phosphor, Antimon oder Arsen n-dotiertem oder mit Bor oder Aluminium p-dotiertem Polysilizium, aufgebracht ist.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass – die Isolationsschichten (39) als Teilbereich einer auf den jeweiligen Grundkörper (1a, 1b, 1c, 1d) aufgebrachten Isolationsschicht (41), insb. einer Isolationsschicht (41) mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von 1 µm bis 5 µm, ausgebildet sind, die sich von der jeweiligen Oberfläche über eine Mantelfläche der Bohrung (5) im Grundkörper (1a, 1b, 1c, 1d) bis zu einem auf einer Außenfläche des jeweiligen Grundkörpers (1a, 1b, 1c, 1d) für einen elektrischen Anschluss der jeweiligen Elektrode (9) vorgesehenen Anschlussbereich erstreckt, und – die Elektroden (9) als Teilbereich einer leitfähigen Beschichtung (43), insb. einer Beschichtung (43) mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von größer gleich 50 nm und kleiner gleich 1000 nm, insb. von größer gleich 150 nm und kleiner 250 nm, ausgebildet sind, die sich auf der Isolationsschicht (41) von der Oberfläche über die Mantelfläche der Bohrung (5) bis zu dem auf der Außenfläche des jeweiligen Grundkörpers (1a, 1b, 1c, 1d) vorgesehenen Anschlussbereich erstreckt.
Verfahren zur Herstellung eines Differenzdrucksensors gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – aus einem einlagigen Wafer, insb. einem p- oder n-dotierten Siliziumwafer, insb. einem Wafer, dessen Dicke gleich der Dicke des Membranrands (13) ist, Messmembranen (3a, 3b, 3c bzw. 3d) hergestellt werden, indem im Wafer der Formgebung der auslenkbaren Membranbereiche (11a, 11b, 11c bzw. 11d) der herzustellenden Messmembranen (3a, 3b, 3c bzw. 3d) entsprechende Aussparungen erzeugt, insb. mittels Ätzverfahren, insb. Reaktivem Ionentiefenätzen (DRIE) oder mit Kaliumhydroxid (KOH) ausgeführten Ätzverfahren, erzeugt werden, – im Waferverbund gefertigte erste und zweite Grundkörper (1a, 1b, 1c bzw. 1d) derart zu beiden Seiten der Messmembranen (3a, 3b, 3c bzw. 3d) angeordnet werden, dass sich die Druckkammern (7) der ersten und zweiten Grundkörper (1a, 1b, 1c bzw. 1d) jeweils zu beiden Seiten der zugehörigen Messmembran (3a, 3b, 3c bzw. 3d) gegenüber liegen, und – die Fügungen (15) zwischen den biegesteifen Membranrändern (13) und den daran angrenzenden Stirnseiten der äußeren Bereiche (19) der ersten und zweiten Grundkörper (1a, 1b, 1c, 1d) erzeugt, insb. durch ein Bond-Verfahren, insb. durch Silizium-Direkt-Bonden, erzeugt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 14 zur Herstellung von Differenzdrucksensoren gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass – die ersten und zweiten Grundkörper (1a, 1b, 1c bzw. 1d) hergestellt werden, indem in einem einlagigen Wafer, insb. einem p- oder n-dotierten Siliziumwafer, die die Druckkammern (7) bildenden Aussparungen und die in den Druckkammern (7) mündenden Bohrungen (5) erzeugt werden, insb. mittels Ätzverfahren, insb. Reaktivem Ionentiefenätzen (DRIE), erzeugt werden. – die Isolationsschichten (41) aufgebracht werden, insb. mittels eines Feuchtoxidationsverfahren, insb. eines Feuchtoxidationsverfahrens bei dem durch Oxidation und Strukturierung eine Siliziumoxidschicht auf den entsprechenden Oberflächen erzeugt wird, aufgebracht werden, und – die Elektroden (9) umfassende leitfähige Beschichtungen (43) aufgebracht werden, insb. durch chemische Gasphasenabscheidung, insb. von dotiertem Polysilizium, und Strukturierung, aufgebracht werden.