DE102015208612A1

DE102015208612A1 - Drucksensoreinrichtung mit hoher Sensitivität und hoher Genauigkeit

Info

Publication number: DE102015208612A1
Application number: DE102015208612.7A
Authority: DE
Inventors: Jen-Huang Albert Chiou; Shiuh-Hui Steven Chen
Original assignee: Continental Automotive Systems Inc
Current assignee: Vitesco Technologies USA LLC
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2015-11-19
Also published as: CN106092428B; US20150330856A1; GB201412246D0; US9651441B2; CN106092428A

Abstract

Die Spannungsausgabe von einem Niedrigdruck-MEMS-Sensor wird durch Erhöhen der Sensitivität des Sensors verstärkt. Die Sensitivität wird durch Ausdünnen der Membran der Niedrigdruck-Sensoreinrichtung durch ein Eckenausrunden verstärkt. Eine durch das Ausdünnen der Membran erhöhte Nicht-Linearität wird durch gleichzeitiges Erzeugen einer Kreuzversteifung an der unteren Seite der Membran reduziert. Ebenso können eine Kante, Befestigungsstellen und ein Versteifungspad hinzugefügt werden, um die dünnere Membran weiter zu versteifen und eine Druck-Nichtlinearität weiter zu reduzieren.

Description

Hintergrund
Festkörper-Mikrosystem(MEMS)-Drucksensoren sind gut bekannt. Beispielsweise offenbart US Patent Nummer 4,236,137 an Kurtz et al. einen Halbleiterdrucktransducer. US Patent Nummer 5,156,052 an Johnson et al. offenbart ebenso einen Festkörperdrucktransducer. US Patent Nummer 6,006,607 an Bryzek et al. offenbart einen Drucksensor, welcher eine piezoresistive Einrichtung verwendet. US Patent Nummern 5,178,016 und 6,093,579 offenbaren ebenfalls Festkörperdrucksensoren.
Ein gut bekanntes Problem hinsichtlich MEMS-Drucksensoren aus dem Stand der Technik, welche in einer dünnen Siliziummembran ausgebildete piezoresistive Einrichtungen verwenden, besteht in der Druck-Nichtlinearität bzw. PNL (PNL = Pressure Non-Linearity). Die PNL 3 ist eine Funktion der Auslenkung der Siliziummembran. Je größer die Membranauslenkung ist, desto größer ist das Ausmaß an ausgegebener Nichtlinearität, falls der Piezowiderstand als eine Spannung bzw. ein Strom detektiert und gemessen worden ist.
Eine ausgegebene Nichtlinearität wird bei Sensoren problematischer, welche niedrige Drücke, zum Beispiel Drücke unterhalb von 10 kPa, detektieren sollen. Da Niedrigdruck-Messeinrichtungen sehr dünne Siliziummembranen erfordern, tendiert die Membranauslenkung bei einer dünnen Membran dazu, die PNL bei Drucksensoren zu erschweren, welche zum Messen niedriger Drücke ausgelegt sind. Ein weiteres Problem im Hinblick auf dünne Siliziummembranen besteht darin, dass sie fragil sind. Eine große Herausforderung besteht darin, eine Membran zum Herabsetzen bzw. Reduzieren der PNL zu erzeugen, während eine Druckempfindlichkeit verbessert wird, und zwar ohne die Chipgröße für einen Niedrigdrucksensor zu erhöhen. Ein piezoresistiver Festkörper-Drucksensor, welcher bei niedrigen Drücken verwendet werden kann und welcher eine verbesserte Ausgabe-Linearität aufweist und robuster sowie empfindlicher als die Sensoren aus dem Stand der Technik ist, wäre eine Verbesserung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 und 2 sind perspektivische Ansichten eines Drucksensors;
3 ist eine Querschnittsansicht des in 1 und in 2 dargestellten Drucksensors;
4 zeigt die Topologie einer Wheatstoneschen Brückenschaltung;
5 ist eine perspektivische Ansicht eines Druckmesselementes mit hoher Empfindlichkeit, hoher Genauigkeit und mit einer dünnen Membran und einer Kreuzversteifung;
6-1 ist eine perspektivische Ansicht eines in 5 dargestellten Druckmesselements von unten;
6-2 ist eine Draufsicht auf die untere Seite einer alternativen Ausführungsform eines Druckmesselements;
7 ist eine Querschnittsansicht des in 5 und 6-1 gezeigten Druckmesselements;
8 ist eine Draufsicht auf die obere Seite eines Druckmesselements, welche eine verteilte Wheatstone-Brücke zeigt, welche aus Piezowiderständen gebildet ist, welche in der oberen Seite einer epitaktischen Schicht abgeschieden sind;
9 ist eine perspektivische Ansicht der unteren Seite einer bevorzugten Ausführungsform eines Druckmesselements;
10 ist eine Draufsicht auf die untere Seite des in 9 gezeigten Druckmesselements;
11 ist eine Querschnittsansicht eines Differentialdrucksensors;
12 ist eine Querschnittsansicht eines Oberseiten-Absolutdrucksensors;
13 ist eine Querschnittsansicht eines Rückseiten-Absolutdrucksensors;
14-1 bis 14-4 sind Draufsichten alternativer Ausführungsformen eines Messelements; und
15 ist ein Flussdiagramm, welches Schritte eines Verfahrens zum Bilden einer Drucksensoreinrichtung mit hoher Empfindlichkeit und hoher Genauigkeit unter Verwendung einer Kreuzversteifung zeigt.
Detaillierte Beschreibung
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Drucksensors 10 zur Verwendung in Automobilen und industriellen Druckmessanwendungen. 2 ist eine Seitenansicht des Drucksensors 10. 3 ist eine Querschnittsansicht des in 1 und 2 gezeigten Drucksensors 10.
In 1, 2 und 3 umfasst der Sensor 10 ein spritzgegossenes Plastikgehäuse 12, welches einen länglichen, hohlen Abdeckabschnitt 13 umfasst. Die Abdeckung 13 nimmt einen Stecker auf und schützt eine oder mehrere Leiterplatinen 24, welche durch das Plastikmaterial hindurchtreten, aus welchem das Gehäuse 12 hergestellt ist. Die Leiterplatine 24 stellt einen elektrischen Pfad in einer Ausnehmung 16 innerhalb des Gehäuses 12 bereit, wo ein durch Bezugszeichen 14 gekennzeichnetes Druckmesselement über einem durch ein Substrat 26 hindurch gebildetes Loch 18 mit Chipbefestigungs-Klebemittel befestigt ist. Das Loch 18 ist zusammen mit einem offenen Durchgang 30 eines Anschlusses 32 ausgerichtet. Eine Flüssigkeit oder ein Gas, deren Druck mit Hilfe des Druckmesselements 14 gemessen werden soll, kann durch den Durchgang 30 und das Loch 18 in dem Substrat 26 hindurchtreten und einen Druck auf eine Membran ausüben, aus welcher das Druckmesselement hergestellt ist.
Das Druckmesselement 14 ist ein Druckmesselement 14 vom Membran-Typ, welches innerhalb einer Ausnehmung 16 des Gehäuses 12 angeordnet ist. Ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) 18, welcher ebenfalls in der Ausnehmung 16 angeordnet ist, umfasst elektronische Komponenten zur Ausgabe einer Spannung, welche proportional zu Änderungen im Widerstand einer oder mehrerer „verteilter” in dem Druckmesselement 14 ausgebildeter piezoresistiver Komponenten ist und welche elektrisch miteinander zur Bildung eines Wheatstone-Brückenschaltkreises verbunden sind.
4 stellt die Topologie eines Wheatstone-Brückenschaltkreises 400 dar, welcher in dem Druckmesselement 14 verwendet wird. Der Schaltkreis 400 umfasst vier separate Piezowiderstände 402, 404, 406 und 408, welche miteinander verbunden sind, wobei sie auf eine „Ende-zu-Ende”-Art und Weise eine Schleife mit vier Knoten bilden, wo die vier Piezowiderstände miteinander verbunden sind. Die Piezowiderstände 402, 404, 406 und 408 werden durch Abscheiden eines P-Halbleitermaterials in die obere Oberfläche einer aus einer N-Typ epitaktischen Schicht (Epitaxieschicht) hergestellten dünnen Membran gebildet. Die Piezowiderstände 402, 404, 406 und 408 sind mit Leiterelementen verbunden. Die Leiterelemente werden durch Abscheiden eines P+ Halbleitermaterials in die obere Oberfläche der epitaktischen Schicht gebildet. Das P-Halbleitermaterial, welches einen Widerstand umfasst, ist auf einen kleinen Bereich beschränkt und somit örtlich begrenzt. Die Widerstände sind miteinander über Leiterelemente und Metallbahnen verbunden, welche auf die obere Oberfläche der Membran abgeschieden sind. Zwei diagonal gegenüberliegende Knoten 410, 412 werden als Eingabeanschlüsse betrachtet; die anderen zwei diagonal gegenüberliegenden Knoten 414, 416 werden als Ausgabeanschlüsse betrachtet.
Der Fachmann wird bevorzugen, dass der Betrag einer an die Eingabeanschlüsse 410, 412 angelegten Spannung durch das Verhältnis der Widerstandswerte der Piezowiderstände dividiert wird und an den Ausgabeanschlüssen 414, 416 ausgegeben wird. Da die Piezowiderstände 402, 404, 406 und 408 in einer dünnen Siliziummembran ausgebildet sind, welche sich bei Ausüben eines Druckes auf die Membran verbiegt bzw. auslenkt, wird sich die physische Größe, Gestalt und der elektrische Widerstand der Piezowiderstände 402, 404, 406 und 408 in Antwort auf durch auf die Membran ausgeübten Druck verursachte Membranauslenkung ändern.
Nochmals mit Bezug auf 3 umfasst der ASIC 18 einen Schaltkreis, welcher eine Spannung an die Eingabeanschlüsse 410, 412 anlegt und die Ausgabespannung an den Ausgabeanschlüssen 414, 416 misst. Der IC 18 erzeugt somit ein elektrisch messbares Ausgabesignal, welches sich in Antwort auf Änderungen hinsichtlich des Widerstandes von einem oder mehreren Widerständen ändert, welche in der dünnen Membran ausgebildet sind, welche das Messelement 14 umfasst. Wie am Besten in 3 zu erkennen ist, werden elektrische Signale von den elektronischen Komponenten innerhalb des ASIC 18 durch das Gehäuse 12 durch die Leiterplatine 24 geleitet, welche sich in die Abdeckung 13 hineinerstreckt, welche die Leiterplatine 24 umgibt.
Wie hierin verwendet wird, ist ein Rechteck ein Parallelogramm, dessen angrenzende Seiten rechte Winkel bilden. Ein Quadrat ist ein Rechteck, dessen Seiten gleich lang sind. Wie weiter unten beschrieben wird, wird das Druckmesselement 14 aus einer dünnen und im Wesentlichen quadratisch-förmigen Siliziummembran mit einer Kreuzversteifung gebildet, welche derart dimensioniert, geformt und angeordnet werden kann, um durch Steuerung einer Auslenkung der dünnen Membran eine Nichtlinearität zu reduzieren. Die Membran und die Kreuzversteifung sind zusammen ausgebildet, das heißt, zur selben Zeit, und zwar durch Ätzen von Material von einer Seite eines relativ dicken Siliziumsubstrats, bis eine epitaktische N-Typ Schicht erreicht ist, und dann durch Ätzen der epitaktischen Schicht, um die Membran und die Kreuzversteifung aus dem Material der epitaktischen Schicht zu bilden.
5 ist eine perspektivische Ansicht des Siliziumsubstrats 500, und zwar von oben betrachtet. 6-1 ist eine perspektivische Ansicht der unteren Seite des in 5 gezeigten Substrats 5. 7 ist eine Querschnittsansicht des Substrats 500 entlang der Abschnittslinien 7-7.
Die Dicke der Membran 606 liegt vorzugsweise zwischen etwa 2,5 μm und etwa 5,0 μm. Die Membran 606, welche eine Dicke innerhalb dieses Bereiches aufweist, verbiegt sich leicht bei Ausübung eines Druckes. Wie unten beschrieben wird und wie in den weiteren Figuren zu erkennen ist, begrenzt eine Kreuzversteifung, welche unter der Membran ausgebildet ist, eine Auslenkung der Membran und reduziert eine Nichtlinearität von Signalen, welche von einem Drucksensor ausgegeben werden, welcher unter Verwendung eines solchen Druckmesselementes konstruiert ist.
Nunmehr mit Bezug auf 5 umfasst das Druckmesselement 14 ein im Wesentlichen rechtwinkeliges Parallelepiped-förmiges Substrat 502, welches aus einkristallinem P-Typ Silizium hergestellt ist. Das Substrat 502 weist eine im Wesentlichen planare obere Seite 504 auf und eine gegenüberliegende im Wesentlichen planare unter Seite 506. Das Substrat 502 weist außerdem vier im Wesentlichen vertikale Seitenflächen oder Kanten 508, 510, 512 und 514 auf. Eine epitaktische Schicht 516, welche unter Verwendung herkömmlicher Prozesse hergestellt worden ist, wird auf der oberen Seite 504 des Substrats 502 gewachsen bzw. abgeschieden. Eine oder mehrere Passivierungsschichten 517, welche typischerweise aus Siliziumnitrid hergestellt sind, können über der epitaktischen Schicht 516 abgeschieden werden.
6-1 ist eine perspektivische Ansicht der unteren Seite 506 des in 5 gezeigten Substrats 502, das heißt, wenn das Substrat 502 von unten betrachtet wird. Das Substrat 502 weist einen Hohlraum 602 auf, welcher durch einen ersten Ätzschritt in die untere Seite 506 gebildet wird, was vorzugsweise sogenanntes reaktives Ionentiefätzen (DRIE = Deep Reactive Ion Etching) oder ein „Nass”-Ätzschritt ist, welcher unter Verwendung von Kaliumhydroxid (KOH) durchgeführt wird. Der erste Ätzschritt entfernt Substratmaterial auf der gesamten Strecke „nach unten” zu der epitaktischen Schicht 516 hin, welche auf der oberen Seite 504 des Substrats 502 gebildet ist. Mit anderen Worten, der erste Ätzschritt bildet einen Hohlraum 602 in der unteren Seite 506 des Substrats 502, welcher sich nach oben von der unteren Seite 506 des Substrats 502 hin zu der epitaktischen Schicht 516 erstreckt.
Nach Entfernung des P-Typ Einkristallsiliziums, welches das Substrat 502 bildet, zur Bildung des Hohlraumes 602 und zur Freilegung der epitaktischen Schicht 516, wird ein zweiter „Trocken”-Ätzschritt innerhalb des Hohlraumes 602 und gegen die untere Oberfläche 604 der epitaktischen schicht 516 durchgeführt. Der Trocken-Ätzschritt wird vorzugsweise unter Verwendung von „SF6” (Schwefelhexafluorid) durchgeführt, was dem Fachmann für Halbleiterherstellung gut bekannt ist. Der zweite Ätzschritt entfernt Material von der epitaktischen Schicht, um die epitaktische Schicht auszudünnen und somit eine sehr dünne Membran 606 zu bilden, welche ebenfalls eine Kreuzversteifung 608 aufweist, was am Besten in 6-1 zu erkennen ist, und in der Querschnittsansicht in 7 gezeigt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird nach dem Nass-Ätzschritt und vor dem Trocken-Ätzschritt ein Eckenrundungs-Ätzschritt durchgeführt. Der Eckenrundungs-Ätzschritt eliminiert bzw. reduziert wenigstens scharfe Ecken zwischen sich durchsetzenden Oberflächen, welche durch den Nass-Ätzschritt gebildet worden sind, und reduziert bzw. eliminiert somit Beanspruchungskonzentrationen an sich durchsetzenden Oberflächen.
Weiterhin mit Bezug auf 5, 6-1 und 7 umfasst die Kreuzversteifung 608 im Wesentlichen zwei feste Verstrebungen 608A und 608B, das heißt, dass beide Enden jeder Verstrebung 608A, 608B fixiert bzw. befestigt sind. Die Verstrebungen 608A, 608B unterstützen und versteifen die Membran 606, auf welche ein unter Druck stehendes Fluid, das heißt eine Flüssigkeit oder ein Gas, Druck ausübt. Die Kurzversteifung 608 unterstützt somit eine Last auf der Membran 606, welche über der Membran 606 verteilt ist.
Die Enden 609 der Verstrebungen 608A, 608B werden als „befestigt” bezeichnet, da die Verstrebungen 608A, 608B und ihre Enden 609 als Teil einer Kante (bzw. eines Randes) 618 ausgebildet sind, und außerdem als Teil der epitaktischen Schicht 516, welche sich um den Umfang der Membran 606 erstreckt.
Obwohl die Verstrebungen 608A, 608B durch Wegätzen der epitaktischen Schicht 516 gebildet werden, werden die Verstrebungen hierin trotzdem als miteinander an ihren entsprechenden Mittelpunkten 610 verbunden betrachtet und weisen rechte Winkel zueinander auf. Die Kreuzversteifung 608 wird hierin deshalb als eine komplexe befestigte Verstrebung betrachtet. Sie versteift die Membran 606, und reduziere somit bei Ausüben eines Drucks auf die Membran eine Auslenkung der Membran 606.
6-2 ist eine Draufsicht auf die untere Seite einer alternativen Ausführungsform eines Druckmesselements 500. Im Gegensatz zu der in 6-1 gezeigten epitaktischen Schicht 516, welche eine Kante 618 aufweist, welche sich um den Umfang der Membran herum erstreckt und diese unterstützt, weist die Kreuzversteifung 629 in 6-2, welche aus der epitaktischen Schicht 516 gebildet worden ist, keine Kante auf. Die Kreuzversteifung 629 erstreckt sich stattdessen vollständig über der Membran 607, und zwar dorthin, wo die „Arme” (d. h. Verstrebungen) der Kreuzversteifung befestigt sind, oder erstreckt sich von den geneigten Seitenwänden 620, 622, 624 und 626, welche den Hohlraum 603 umgeben, und welche während des ersten Ätzschrittes gebildet worden sind. Mit anderen Worten, das in 6-2 gezeigte Druckmesselement 600 umfasst ein Siliziumsubstrat 503, dessen unteren Seite 507 zur Bildung eines Hohlraumes 603 weggeätzt ist und eine epitaktische Schicht 516 freilegt. Die epitaktische Schicht 516 wird dann mit Hilfe von SF6 auf ein erforderliches Dickenmaß einer Kreuzversteifung 629 geätzt. Während ein Photolack (Photoresist) die Rückseite des geätzten Siliziumsubstrats bedeckt, und zwar mit dem Muster der Kreuzversteifung 629, stellt weiteres Ätzen mit SF6 zur Bildung der Kreuzversteifung 629 ohne eine Kannte eine Eckenaushöhlung (bzw. -rundung) bereit. Wie bei der in 6-1 gezeigten Ausführungsform versteift die in 6-2 gezeigte Kreuzversteifung 629 die Membran 607 und reduziert somit eine Auslenkung der Membran 607 bei Druckausübung.
In einer Ausführungsform ist das Messelement in der Lage, Drücke zwischen etwa 1,0 kPa und etwa 10,0 kPa zu messen. In jeder Ausführungsform wird die Festigkeit bzw. Steifheit der Kreuzversteifung durch ihre Abmessung als auch die Eigenschaften des Materials bestimmt, aus welchem die Kreuzversteifung hergestellt ist.
Die Abmessungen der Kreuzversteifung wurden analytisch und experimentell mit Hilfe einer sogenannten statistischen Versuchsplanung (DOE = Design of Experiments) bestimmt. Für eine Membran mit einer Dicke zwischen etwa 2,5 μm und etwa 5,0 μm sollte die Höhe der Kreuzversteifung 608 etwa zwischen 7,0 μm und etwa 10,0 μm liegen, und vorzugsweise etwa 8,5 μm betragen.
8 ist eine Draufsicht auf die obere Oberfläche 802 der epitaktischen Schicht 516. Die epitaktische Schicht ist im Wesentlichen quadratisch mit vier Seiten. Der Membranbereich bzw. Abschnitt 606 der epitaktischen Schicht 516 ist ebenfalls quadratisch. Dieser weist ebenfalls vier Seiten 804, 806, 808 und 810 auf.
Vier Piezowiderstände 812, 814, 816 und 818 sind in der oberen Oberfläche 802 und innerhalb des Membranbereiches 606 in kleinen, lokal begrenzten Bereichen ausgebildet, und zwar durch Abscheiden von P-Typ Halbleitermaterial in die N-Typ epitaktische Schicht 516. Wie in der Figur zu erkennen ist, sind die Piezowiderstände 812, 814, 816 und 818 an den Mittelpunkten 820 jeder Seite 804, 806, 808 und 810 des quadratisch-geformten Membranbereichs 606 angeordnet.
Die Piezowiderstände 812, 814, 816 und 818 werden als „verteilte” Komponenten bezeichnet, da sie nicht auf eine Seite bzw. Kante der Membran 606 beschränkt sind, sondern stattdessen voneinander separiert und entlang der Seiten 804, 806, 808 und 810 der quadratisch-geformten Membran 606 angeordnet sind.
Die Piezowiderstände sind mit Hilfe von Leiterelementen (d. h. leitfähigen Elementen) 824 miteinander verbunden, welche durch P+-leitfähiges Material gebildet werden, welches in die N-Typ epitaktische Schicht abgeschieden worden ist. Die P+-Leiterelemente 824 erstrecken sich von jedem Ende eines Piezowiderstands nach außen hin in Metallbahnen 826, welche für die Eingangs- und Ausgangs-Spannungen zur Bildung eines Wheatstone-Brücke-Schaltkreises mit Metallverbindungsstellen 830, 832, 834, 836 verbunden sind.
Zwei der P+-Verbinder sind mit Metallbahnen verbunden, welche sich davon zu Metallverbindungsstellen 830 und 832 erstrecken, an welche ein Eingangssignal angelegt werden kann. Zwei weitere P+-Typ Verbinder sind mit weiteren Metallbahnen 834, 836 verbunden, welche sich zu einem zweiten Paar von Metallverbindungsstellen erstrecken, von denen ein Ausgangssignal von der Wheatstone-Brücke abgegriffen werden kann.
9 ist eine perspektivische Ansicht der unteren Seite einer bevorzugten Ausführungsform eines Messelements 900. 10 ist eine Draufsicht auf die gleiche bevorzugte Ausführungsform eines Messelements 900.
Wie am Besten in 9 zu erkennen ist, werden die entgegengesetzten Enden 902 der zwei im Wesentlichen senkrechten Arme 904, 906, welche eine Kreuzversteifung 908 bilden, ausgebildet, und erstrecken sich von vier Kreuzversteifungsbefestigungspunkten 910. Mit anderen Worten, die Befestigungsstellen 910, die Kreuzversteifung 908 und die Kante 920 werden zusammen durch Ätzen einer epitaktischen Schicht 912 gebildet, welche auf der oberen Oberfläche 914 eines einkristallinen Siliziumsubstrats 916 abgeschieden ist, in welche ein Hohlraum 918 gemäß obiger Beschreibung eingeätzt worden ist.
Die Befestigungsstellen 910 sind im Wesentlichen Parallelepiped-förmige Blöcke und sind an einer Kante 920 angeordnet und erstrecken sich davon, wobei die Kante ebenso durch Ätzen der epitaktischen Schicht 912 gebildet worden ist. Die Befestigungsstellen 910 werden für eine Anordnung direkt unterhalb der Piezowiderstände (siehe 8) ausgebildet, welche in der oberen Oberfläche der epitaktischen Schicht 912 ausgebildet sind, welche in 9 bzw. 10 nicht dargestellt sind. Die Befestigungsstellen 910 weisen eine bestimmte Dicke auf, um einen Leckstrom vom P+-Typ und P–-Typ Material in die N-Typ epitaktische Schicht 912 über P-N-Verbindungen zu vermeiden.
Wie am Besten in 10 zu erkennen ist, ist die Kreuzversteifung 908 über die Befestigungsstellen 910 an der Kante 920 angebracht. Wie oben bereits erwähnt worden ist, ist die Kreuzversteifung 908 eine Verstrebung, welche eine durch Ausdünnen der epitaktischen Schicht 1012 gebildete Membran 924 unterstützt. Die Kreuzversteifung 1008 definiert vier Eckenausnehmungen 926.
Die Kante 920 unterstützt und versteift den Umfang der Membran 924. Die ausgedünnte epitaktische Schicht, welche den „Boden” (Unterseite) der Ausnehmungen 926 (bzw. „Gräben” oder Trenches) bildet, wird sich entsprechend einer Druckausübung auf die Ausnehmungen verbiegen, wobei sich dadurch die Gestalt bzw. Abmessungen der in der oberen Oberfläche der epitaktischen Schicht ausgebildeten Piezowiderstände ändern. Die Kreuzversteifung 908, welche eine die Membran unterstützende bzw. versteifende Verstrebung ist, reduziert die Auslenkung der Membran 924.
11 ist eine Querschnittsansicht eines Differentialdrucksensors 1100. Der Drucksensor 1100 kann von einem in 5 dargestellten Messelement 500 hergestellt werden, welches eine Kante 618 aufweist oder von einem in 6-2 dargestellten Messelement 600 ohne eine Kante hergestellt ist, bzw. kann von einem in 9 dargestellten Messelement 900 mit einer Kante und vier Befestigungsstellen hergestellt werden. In 11 wird ein erstes Substrat 1102, welches ein wie in 6-2 dargestelltes Messelement umfasst, in dein ersten Substrat 1102 ausgebildet, welches dann an einem zweiten Substrat 1108 angebracht und dadurch unterstützt wird. Das zweite Substrat 1108 besteht typischerweise aus Glas (Siliziumdioxid), kann jedoch auch aus Silizium hergestellt werden. Das zweite Substrat 1108 wird an der unteren Seite 1110 des ersten Substrats 1102 befestigt.
Durch das zweite Substrat hindurch ist ein Loch 1112 gebildet. Das Loch 1112 ist mit der in dem ersten Substrat 1102 ausgebildeten Membran 1114 ausgerichtet. Das Loch 1112 ist derart dimensioniert, geformt und angeordnet, um ein Fluid, das heißt eine Flüssigkeit oder ein Gas, in den in der unteren Seite 1110 des ersten Substrats 1102 ausgebildeten Hohlraum 1116 zu übertragen bzw. zu leiten. Das Fluid wird daher einen Druck auf die untere Seite der Membran 1114 ausüben. Die Auslenkung der Membran 1114 ist somit abhängig von der Differenz zwischen dem auf die obere Seite der Membran 1114 ausgeübten Druck, das heißt, dem Druck innerhalb des oberen Hohlraumes 1006, und dem auf die untere Seite der Membran ausgeübten Druck, das heißt, dem Druck innerhalb des Bodens oder dem unteren Hohlraum 1116.
Ein Ändern der Höhe 1120 und/oder der Breite 1122 einer die Membran 1114 unterstützenden Kreuzversteifung 1124 bestimmt die Auslenkung der Membran und der Kreuzversteifung 1124 in Abhängigkeit von einer Druckausübung auf diese und somit die Empfindlichkeit des Sensors. Ein Ändern der Abmessungen der Kreuzversteifung 1124 ermöglicht somit eine genaue Steuerung der Druckempfindlichkeit und Nichtlinearität. Die Abmessungen der Kante 618 in dem Messelement 500 oder der Kante 920 und der Befestigungspunkte 910 im Messelement 900 beeinflussen ebenfalls die Druckempfindlichkeit und Nichtlinearität.
12 ist eine Querschnittsansicht eines Absolutdrucksensors 1200. Der Absolutdrucksensor 1200 weist ein oberes bzw. erstes Substrat 1102 auf, welches das gleiche wie das in 11 dargestellte und oben beschriebene erste Substrat 1102 ist. Ein zweites Substrat 1202 ist an der unteren Seite 1110 des ersten Substrats 1102 angebracht. Das zweite Substrat 1202 weist kein Loch auf; es verschließt den Hohlraum 1116, welcher in die untere Seite 1110 des ersten Substrats 1120 ausgebildet ist.
Falls der Hohlraum 1116 bei Anbringen des zweiten Substrats 1202 evakuiert ist, dann wird ein auf die obere Seite 1103 des ersten Substrats 1102 ausgeübter Druck bzw. Vakuum die Membran 1114 zum Verbiegen (Auslenken) bringen, wodurch sich der Widerstand der in der Membran ausgebildeten Piezowiderstände ändert.
13 ist eine Querschnittsansicht eines Rückseiten-Absolutdruckmesselementes 1300. Eine auf die obere Seite 1103 des ersten Substrats 1102, welches in 11 dargestellt ist, aufgebrachte Abdeckung 1302 stellt oberhalb der Membran 1114 einen evakuierten Hohlraum 1304 bereit. Ein zweites Substrat 1306, welches auf die untere Seite 1110 des ersten Substrats 1102 aufgebracht ist, weist ein mit der Membran 1114 ausgerichtetes Loch 1308 auf, durch welches ein Fluid in den im ersten Substrat 1102 ausgebildeten Hohlraum 1116 gelangen kann. Das Loch 1308 ermöglicht, dass unter Druck stehende Fluide einen Druck auf die untere Seite bzw. Rückseite 1115 der Membran 1114 ausüben können. Die „Netto”-Auslenkung der Membran 1114 wird durch den Druck in dem oberen Hohlraum 1304 und dem unteren bzw. Rückseiten-Hohlraum 1116 bestimmt.
Experimente ergaben, dass die oben beschriebenen und in 3 bis 13 dargestellten Kreuzversteifungen ebenso mit einem zentral-angeordneten Membran-versteifenden Bereich (bzw. Pad) ausgebildet sein können. 14-1 bis 14-4 sind untere Ansichten von alternativen Ausführungsformen von Kreuzversteifungen. In 14-1 ist eine Kreuzversteifung 1402 ohne Befestigungsstellen ausgebildet, erstreckt sich jedoch von einem zentral-angeordneten quadratischen Pad 1404 nach außen zu einer Kante 1406, welche sich um den Umfang einer Membran 1408 erstreckt.
In 14-2 erstreckt sich die Kreuzversteifung 1402 von einem im Wesentlichen runden bzw. kreisförmigen Pad 1410 zur Kante 1406 hin.
In 14-3 erstreckt sich die Kreuzversteifung 1402 von Befestigungsstellen 1412, welche bei dem Mittelpunkt jeder Seite der Kante 1406 angeordnet sind, nach innen zu einem im Wesentlichen quadratischen Pad 1404 hin.
Schließlich ist in 14-4 der mittig-angeordnete Bereich (Pad) 1410 ebenfalls kreisförmig bzw. rund. Die Kreuzversteifungen 1402 erstrecken sich davon nach außen zu den Befestigungsstellen 1412.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Membrandicke zwischen etwa 2,5 μm und etwa 5 μm. Die Kreuzversteifung weist jedoch eine Dicke zwischen etwa 5,0 μm und etwa 10,0 μm auf, kann jedoch eine Dicke von bis zu 15,0 μm aufweisen.
Wie oben bereits erwähnt worden ist, sind die Versteifung und die Membran aus der gleichen epitaktischen Schicht hergestellt. In einer alternativen Ausführungsform kann die Versteifung jedoch auf die untere Seite der epitaktischen Schicht abgeschieden sein, und zwar unter Verwendung eines vom Material der Membran unterschiedlichen Materials.
15 ist ein Flussdiagramm, welches die Schritte des Verfahrens zum Bilden des oben beschriebenen Druckmesselements aufzeigt.
Bei einem ersten Verfahrensschritt 1502 wird eine epitaktische Schicht auf einer oberen Seite eines einkristallinen Siliziumsubstrats gebildet bzw. abgeschieden. Die Dicke der epitaktischen Schicht ist dünn, vorzugsweise weniger als etwa 20,0 μm.
Bei einem zweiten Verfahrensschritt 1405 wird die Unterseite der einkristallinen Siliziumschicht zum Definieren bzw. Bilden eines Hohlraumes geätzt. Der erste Ätzschritt entfernt jegliches Material der einkristallinen Schicht bis „hinunter” zu der epitaktischen Schicht, wodurch die untere Oberfläche der epitaktischen Schicht für einen nachfolgenden Ätzschritt freigelegt wird.
In einem dritten Verfahrensschritt 1506 wird an der epitaktischen Schicht ein zweiter Ätzschritt durchgeführt, um Material von der epitaktischen Schicht zu entfernen, um eine Kreuzversteifung, eine Kante oder Befestigungsstellen zu definieren, und, nach Bedarf, einen wie oben beschriebenen Versteifungsbereich (Pad).
In einer bevorzugten Ausführungsform wird optional ein Eckenrundungs-Ätzschritt 1505 durchgeführt, nachdem der Hohlraum in die Unterseite des ersten Substrats eingeätzt worden ist und vor dem Ätzen der epitaktischen Schicht. Der Eckenrundungs-Ätzschritt rundet im Wesentlichen innere Ecken ab und reduziert Beanspruchungskonzentrationen, welche sich ansonsten ohne den Eckenrundungs-Ätzschritt entwickeln würden.
Bei einem fünften Verfahrensschritt 1508 wird das Substrat mit der epitaktischen Schicht an einem zweiten Substrat angebracht, welches als eine Unterstützung für das erste Substrat betrachtet wird. Das zweite Substrat kann ein Durchgangsloch aufweisen, und zwar in Abhängigkeit davon, ob das resultierende Druckmesselement ein Differentialdrucksensor oder ein sogenannter Top Side-Absolutdrucksensor sein soll.
Schließlich wird bei Verfahrensschritt 1510 an der oberen Seite des ersten Substrats eine Abdeckung angebracht, um über der Membran einen evakuierten Hohlraum zu definieren.
Der Fachmann wird bevorzugen, dass eine wie oben beschriebene Kreuzversteifung eine dünne Membran unterstützt und somit eine Auslenkung der Membran steuert. Die Abmessungen (Höhe, Breite und Länge) der Kreuzversteifung können experimentell oder mit Hilfe eines Computermodells bestimmt werden, um eine Membran nach Bedarf zu versteifen. Eine Membran kann somit sehr dünn ausgeführt werden, in Kombination mit einer Kreuzversteitung, einer Kante und/oder Befestigungsstellen, um die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Membran zu erhöhen, wie es oben detaillierter dargelegt worden ist.
Die vorangegangene Beschreibung dient lediglich Zwecken der Darstellung. Der wahre Umfang der Erfindung ist in den folgenden Ansprüchen festgelegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4236137 [0001]
US 5156052 [0001]
US 6006607 [0001]
US 5178016 [0001]
US 6093579 [0001]

Claims

Druckmesselement, umfassend: ein erstes Substrat mit gegenüberliegenden oberen und unteren Seiten; eine Membran, welche in der unteren Seite des ersten Substrats ausgebildet ist, wobei die Membran gegenüberliegende obere und untere Seiten aufweist, wobei die obere Seite der Membran voneinander beabstandete Piezowiderstände umfasst, welche miteinander zur Bildung einer Wheatstone-Brücke gekoppelt sind; und eine Kreuzversteifung, welche als Teil der Membran auf der unteren Seite der Membran ausgebildet ist.
Druckmesselement nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein zweites Substrat, welches an der unteren Seite des ersten Substrats angebracht ist.
Druckmesselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend ein zweites Substrat, welches an der unteren Seite des ersten Substrats angebracht ist, wobei das zureite Substrat ein Loch aufweist, welches mit der Membran ausgerichtet ist und zum Übertragen eines Fluids hin zur unteren Seite der Membran ausgebildet ist.
Druckmesselement nach Anspruch 3, weiterhin umfassend eine Abdeckung, welche die obere Seite der Membran abdeckt und welche einen Hohlraum über der oberen Seite der Membran definiert.
Druckmesselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Kante, welche als Teil der unteren Seite der Membran ausgebildet ist und welche einen Umfangsbereich der unteren Seite der Membran unterstützt und versteift.
Druckmesselement nach Anspruch 5, wobei die Membran im Wesentlichen quadratisch ist und wobei die Kreuzversteifung erste und zweite im Wesentlichen senkrechte Verstrebungsabschnitte umfasst, welche sich zwischen der Kante erstrecken.
Druckmesselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: eine Kante, welche als Teil der unteren Seite der Membran ausgebildet ist und welche einen Umfangsabschnitt der unteren Seite der Membran unterstützt und versteift; eine Kreuzversteifung, welche erste und zweite im Wesentlichen senkrechte Verstrebungsabschnitte umfasst, welche als Teil der unteren Seite der Membran ausgebildet sind, wobei jeder Verstrebungsbereich erste und zweite gegenüberliegende Enden aufweist; und Befestigungsstellen, welche als Teil der unteren Seite der Membran ausgebildet sind und zwischen einem Ende eines Verstrebungsabschnittes und der Kante angeordnet sind.
Druckmesselement nach Anspruch 7, wobei die Piezowiderstände in der oberen Seite der Membran ausgebildet sind und über den als Teil der unteren Seite der Membran ausgebildeten Befestigungsstellen angeordnet sind.
Druckmesselement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, weiterhin umfassend ein Versteifungspad, welches als Teil der unteren Seite der Membran ausgebildet ist, und welches im Wesentlichen mittig auf der unteren Seite der Membran angeordnet ist, und wobei sich die Kreuzverstärkung von dem Versteifungspad hin zu der Kante erstreckt.
Druckmesselement nach Anspruch 9, wobei das Versteifungspad eine im Wesentlichen quadratische Form aufweist.
Druckmesselement nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Versteifungspad eine im Wesentlichen kreisförmige Form aufweist.
Druckmesselement nach einem der Ansprüche 7 bis 11, weiterhin umfassend ein Versteifungspad, welches als Teil der unteren Seite der Membran ausgebildet ist und welches im Wesentlichen mittig auf der unteren Seite der Membran angeordnet ist, und wobei sich die Kreuzversteifung von dem Versteifungspad zu den Befestigungsstellen erstreckt.
Druckmesselement nach Anspruch 12, wobei das Versteifungspad eine im Wesentlichen quadratische Form aufweist.
Druckmesselement nach Anspruch 12, wobei das Versteifungspad eine im Wesentlichen kreisförmige Form aufweist.
Druckmesselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Membran eine Dicke zwischen etwa 2,5 μm und etwa 5,0 μm aufweist und wobei die Kreuzversteifung eine unterschiedliche Dicke aufweist, welche zwischen etwa 5,0 μm und etwa 15,0 μm liegt.
Druckmesselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Versteifung aus einem Material hergestellt ist, welches von dem Material verschieden ist, aus welchem die Membran hergestellt ist.
Drucksensor, umfassend: ein Gehäuse mit einer Ausnehmung; und ein in der Ausnehmung angeordnetes Druckmesselement, wobei das Druckmesselement umfasst: ein erstes Substrat mit gegenüberliegenden oberen und unteren Seiten; eine in der unteren Seite des ersten Substrats ausgebildete Membran, wobei die Membran obere und untere gegenüberliegende Seiten aufweist, wobei die obere Seite der Membran voneinander beabstandete Piezowiderstände umfasst, welche zur Bildung einer Wheatstone-Brücke miteinander gekoppelt sind; und eine Kreuzversteifung, welche als Teil der Membran auf der unteren Seite der Membran ausgebildet ist.
Verfahren zum Bilden eines Druckmesselementes, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bilden einer Epitaxieschicht auf einer oberen Seite eines ersten Substrats, welches Silizium umfasst; Durchführen eines ersten Ätzschrittes auf einer unteren Seite des ersten Substrats, wobei der erst Ätzschritt einen Hohlraum in einer unteren Seite des ersten Substrats bildet, welcher sich nach oben in dem ersten Substrat hin zu der Epitaxieschicht erstreckt; und Durchführen eines zweiten Ätzschrittes an einem Abschnitt der Epitaxieschicht, welcher durch den Hohlraum freigelegt ist, wobei der zweite Ätzschritt Material von der Epitaxieschicht entfernt, um eine Kreuzversteifung und eine Membran zu definieren, welche aus dem gleichen Material gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin die folgenden Schritte umfassend: Durchführen eines Ätzschrittes zum Abrunden einer Ecke zwischen den ersten und zweiten Ätzschritten, wobei der Ätzschritt zum Abrunden einer Ecke einen Trocken-Ätzschritt umfasst, welcher innen liegende Ecken aushöhlt, welche mit Hilfe des ersten Ätzschrittes gebildet worden ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensschritte, wobei der Schritt des Durchführens eines zweiten Ätzens eine Membrandicke zwischen etwa 2,5 μm und 5,0 μm definiert und eine Kreuzversteifungsdicke zwischen etwa 5,0 μm und 15,0 μm definiert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, weiterhin umfassend den folgenden Schritt: Anbringen des ersten Substrats an einem zweiten Substrat, welches das erste Substrat unterstützt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, weiterhin umfassend den Schritt des Anbringens des ersten Substrats an einem zweiten Substrat mit einem mit der Membran ausgerichteten Loch, wobei das Loch ermöglicht, dass ein Fluid an der Membran angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 22, weiterhin umfassend den Schritt des Anbringens einer Abdeckung an der oberen Seite des ersten Substrats, wobei die Abdeckung einen Hohlraum über der oberen Seite der Membran definiert.