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Hintergrund
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Festkörper-Mikrosystem-(MEMS)Drucksensoren sind gut bekannt. Beispielsweise offenbart
US-Patentnummer 4,236,137 an Kurtz et al. einen Halbleiterdrucktransducer.
US-Patentnummer 5,156,052 an Johnson et al. offenbart ebenso einen Festkörper-Drucktransducer.
US-Patentnummer 6,006,607 an Bryzek et al. offenbart einen Drucksensor, der eine piezoresistive Vorrichtung verwendet.
US-Patentnummern 5,178,016 und
6,093,578 offenbaren ebenso Festkörper-Drucksensoren.
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Ein gut bekanntes Problem bei herkömmlichen MEMS-Drucksensoren, welche in einer dünnen Siliziummembran ausgebildete piezoresistive Vorrichtungen verwenden, besteht in ihrer Druck-Nichtlinearität bzw. PNL (pressure non-linearity). Die PNL ist eine Funktion der Auslenkung der Siliziummembran. Je größer die Membranauslenkung ist, desto größer ist das Ausmaß an ausgegebener Nichtlinearität, unabhängig davon, ob der Piezowiderstand als eine Spannung oder als ein Strom detektiert und gemessen wird.
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Eine Ausgabe-Nichtlinearität wird noch problematischer bei Sensoren, welche zur Detektion von niedrigen Drücken gedacht sind, zum Beispiel Drücke unterhalb von 10 kPa. Da Niedrigdruckmessvorrichtungen sehr dünne Siliziummembranen erfordern, neigt die Membranauslenkung bei einer dünnen Membran dazu, die PNL bei Drucksensoren zu verschlechtern, welche zur Messung von niedrigen Drücken konstruiert sind. Ein weiteres Problem bei dünnen Siliziummembranen besteht darin, dass sie fragil sind. Eine große Herausforderung besteht darin, zur Absenkung oder Reduzierung der PNL eine Membran zu erzeugen, während die Druckempfindlichkeit verbessert wird, ohne die Chipgröße für einen Niedrigdrucksensor zu erhöhen. Ein piezoresistiver Festkörper-Drucksensor, welcher bei niedrigen Drücken verwendbar ist und der eine verbesserte Ausgabelinearität aufweist und der robuster und empfindlicher ist als die des Standes der Technik, wäre eine Verbesserung.
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Kurze Zusammenfassung
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In Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung werden die von einem Niedrigdruck-MEMS-Sensor ausgegebenen Spannungen durch Erhöhen der Empfindlichkeit des Sensors erhöht. Die Empfindlichkeit wird durch ein Dünnermachen bzw. Ausdünnen der Membran der Niedrigdruck-Sensorvorrichtung erhöht. Eine durch das Ausdünnen der Membran erhöhte Nichtlinearität wird durch gleichzeitiges Erzeugen einer Kreuzversteifung auf der oberen Seite der Membran erzeugt. Ein Über-Ätzen der oberen Seite erhöht weiterhin die Empfindlichkeit.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 und 2 sind perspektivische Ansichten eines Drucksensors;
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3 ist eine Querschnittsansicht des in 1 und 2 gezeigten Drucksensors;
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4 zeigt die Topologie eines Wheatstone-Brückenschaltkreises;
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5 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Druckmesselements mit hoher Empfindlichkeit, hoher Genauigkeit und mit einer dünnen Membran sowie einer Oberseiten-Kreuzversteifung;
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6 ist eine perspektivische Ansicht der Unterseite eines in 5 gezeigten Druckmesselements;
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7 ist eine Querschnittsansicht des in 5 gezeigten Druckmesselements;
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8 ist eine perspektivische Ansicht der Oberseite einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines Druckmesselements mit einer Oberseiten-Kreuzversteifung und vier Ankern;
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9 ist eine Querschnittsansicht des in 10 dargestellten Druckmesselements;
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10 ist eine Draufsicht auf die Oberseite eines Druckmesselements mit einer Oberseiten-Kreuzversteifung und vier Ankern auf einer ungleichmäßig erweiterten Membran als eine verallgemeinerte bevorzugte Ausführungsform;
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11A ist eine perspektivische Ansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform eines Druckmesselements;
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11B ist eine perspektivische Ansicht einer vierten bevorzugten Ausführungsform eines Druckmesselements;
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12 ist eine Querschnittsansicht des in 11A gezeigten Druckmesselements;
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13 ist eine Querschnittsansicht eines Rückseiten-Absolutdrucksensors;
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14 ist eine Querschnittsansicht eines Differentialdrucksensors;
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15 ist ein Flussdiagramm, welches Schritte eines Verfahrens zum Bilden eines Druckmesselements mit einer Oberseiten-Kreuzversteifung zeigt;
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16 ist eine Querschnittsansicht des Druckmesselements mit einer Kreuzversteifung in der Oberseite und vertikalen Wänden in der Rückseite;
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17 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform mit einer Oberseiten-Versteifung und einer eingebetteten Kavität in dem unteren Substrat für eine Oberseiten-Absolutdruckmessung;
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18 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform mit einer Oberseiten-Versteifung und einer eingebetteten Kavität, der ein Durchgangsloch in dem unteren Substrat für eine Differentialdruckmessung verbindet; und
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19 ist eine Ausführungsform mit Schutzschichten in der Rückseitenkavität.
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Detaillierte Beschreibung
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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 Querschnittsdarstellung des in 1 und 2 gezeigten Drucksensors 10.
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In 1, 2 und 3 umfasst der Sensor 10 ein Spritzguss-Plastikgehäuse 12, welches einen länglichen, hohlen Ummantelungsabschnitt 13 umfasst. Die Ummantelung 13 schützt einen oder mehrere Leiterrahmen 24, die durch das Plastikmaterial hindurchtreten, aus dem das Gehäuse 12 gemacht ist. Der Leiterrahmen 24 stellt eine elektrische Verbindung in eine Tasche 16 innerhalb des Gehäuses 12 bereit, wo ein mit Bezugszeichen 14 gekennzeichnetes Druckmesselement mit einem Chipbefestigungs-Klebstoff über einen durch ein Substrat 26 hindurch gebildetes Loch 28 befestigt ist. Das Loch 18 ist mit einem offenen Durchgang 30 eines Anschlusses 32 ausgerichtet. Eine Flüssigkeit oder ein Gas, deren Druck mit dem Druckmesselement 14 gemessen werden soll, kann durch den Durchgang 30 und das Loch 18 in dem Substrat 26 hindurchtreten und Druck auf eine Membran (in 1 nicht sichtbar) ausüben, aus der das Druckmesselement hergestellt ist.
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Das Druckmesselement 14 mit einer dünnen Membran ist innerhalb einer Tasche 26 des Gehäuses 12 angeordnet. Ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) 18, der ebenfalls innerhalb der Tasche 16 angeordnet ist, umfasst elektronische Einrichtungen, um eine Spannung auszugeben, welche proportional zu Änderungen im Widerstand einer oder mehrerer „verteilter” piezoresistiver Einrichtungen ist, welche in dem Messelement 14 ausgebildet sind und welche elektrisch zur Bildung eines Wheatstone-Brückenschaltkreises miteinander verbunden sind.
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4 zeigt die Topologie eines Wheatstone-Brückenschaltkreises 400, der in dem Druckmesselement 14 verwendet wird. Der Schaltkreis 400 umfasst vier separate Piezowiderstände 402, 404, 406 und 408, welche miteinander verbunden sind, und zwar „Ende-an-Ende”, also hintereinander bzw. in Reihe, so dass eine Schleife mit vier Knoten gebildet wird, wo die vier Piezowiderstände zusammen verbunden sind. Die Piezowiderstände 402, 404, 406 und 408 sind durch Dotieren eines P– Halbleitermaterials in der oberen Fläche einer dünnen Membran gebildet, welche aus einer N-Typ-Epitaxieschicht hergestellt ist. Die Piezowiderstände 402, 404, 406 und 408 sind durch Verbinder miteinander verbunden, welche durch Dotieren von P+ Verbindern in die obere Fläche der N-Typ-Epitaxieschicht gebildet sind. Das P– Halbleitermaterial, welches einen Widerstand umfasst, ist auf einen kleinen Bereich begrenzt und somit in der N-Typ-Epitaxieschicht lokalisiert. Die Widerstände sind miteinander durch auf die obere Fläche der Membran dotierte Verbinder verbunden. Zwei diagonal gegenüberliegende Knoten 410, 412 werden als Eingangsanschlüsse betrachtet; die anderen zwei diagonal gegenüberliegenden Knoten 414, 416 werden als Ausgangsanschlüsse betrachtet.
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Der Fachmann wird erkennen, dass die Größe einer an den Eingangsanschlüssen 410, 412 angelegten Spannung durch das Verhältnis der Widerstandswerte der Piezowiderstände geteilt wird und an den Ausgangsanschlüssen 414, 416 ausgegeben wird. Da die Piezowiderstände 402, 404, 406 und 408 in einer dünnen Siliziummembran ausgebildet sind, welche bei Ausübung eines Drucks auf die Membran auslenkt, wird sich die physikalische Größe, Gestalt und der elektrische Widerstand der Piezowiderstände 402, 404, 406 und 408 in Antwort auf die durch den auf die Membran ausgeübten Druck verursachte Membranauslenkung ändern.
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Wiederum mit Bezug auf 3 umfasst der ASIC 18 eine Schaltung, welche an die Eingangsanschlüsse 410, 412 eine Spannung anlegt, und die Ausgabespannung an den Ausgangsanschlüssen 414, 416 misst. Der ASIC 18 erzeugt somit ein elektrisch messbares Ausgangssignal, welches sich in Antwort auf Änderungen im Widerstand eines oder mehrerer in der dünnen Membran des Messelements 14 ausgebildeter Widerstände ändert. Wie am Besten in 3 zu erkennen ist, werden elektrische Signale von den elektronischen Einrichtungen innerhalb des ASIC 18 durch das Gehäuse 12 über den Leiterrahmen 24 geleitet, welcher sich in die Ummantelung 13 hinein erstreckt, welche den Leiterrahmen 24 umgibt.
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Wie hierin verwendet ist ein Rechteck ein Parallelogramm, dessen angrenzende Seiten rechte Winkel bilden. Ein Quadrat ist ein Rechteck, dessen Seiten gleiche Längen aufweisen. Wie weiter unten beschrieben ist, ist ein Mikrosystem-(MEMS)Druckmesselement aus einem dünnen und im Wesentlichen quadratisch-geformten Siliziumsubstrat gebildet, welches eine dünne auf einer oberen Fläche des Substrats ausgebildete epitaktische Schicht aufweist. Der Wheatstone-Brückenschaltkreis 400 ist mit Piezowiderständen und Verbindern in der oberen Fläche der epitaktischen Schicht dotiert. Die Oberseite der epitaktischen Schicht wird dann zum Ausdünnen der Schicht und zum Bilden einer Kreuzversteifung auf der Oberseite der epitaktischen Schicht geätzt. Nicht sichtbare Passivierungsschichten werden dann auf der Oberseite der epitaktischen Schicht zum Schutz der Verschaltung abgeschieden. Ein Abschnitt der Unterseite des Substrats wird weggeätzt, um die Unterseite der epitaktischen Schicht zur Bildung einer Membran freizulegen. Die Abmessungen der Kreuzversteifung sind derart dimensioniert, gestaltet und angeordnet, um eine Nichtlinearität einer Signalausgabe aus einer in der epitaktischen Schicht ausgebildeten Wheatstone-Brücke zu reduzieren.
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5 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Druckmesselements 500, welches in einem Gehäuse wie dem in 1 bis 3 gezeigten verwendet werden kann, um einen Drucksensor mit hoher Empfindlichkeit, hoher Genauigkeit und reduzierter Nichtlinearität bereitzustellen. 5 zeigt die Oberseite 502 einer dünnen epitaktischen Schicht 504, welche auf der Oberseite des Substrats 501 gebildet ist.
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6 ist eine perspektivische Ansicht der Unterseite 508 des Druckmesselements 500. 6 zeigt eine in der Unterseite 508 des Substrats 501 ausgebildete Kavität 510, und zwar gebildet entweder durch einen herkömmlichen Kaliumhydroxid-(KOH)Ätzvorgang oder durch reaktives Ionentiefenätzen (DRIE = Deep Reactive Ion Etching).
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7 ist eine Querschnittsansicht des in 5 gezeigten Messelements 500, und zwar entlang der Abschnittslinien 7-7. Eine Kreuzversteifung 515 ist in der oberen Seite 502 ausgebildet, wund eine dünne Membran 512, mit t1 zur Kennzeichnung der Dicke, wurde durch Ätzen der Unterseite 508 des Substrats 501 gebildet.
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Wie am Besten in 6 und 7 zu erkennen ist, ist die Unterseite 508 des relativ dicken Siliziumsubstrats 501 weggeätzt, um einen im Wesentlichen quadratischen Abschnitt der Unterseite 511 der auf einer oberen Fläche 520 des Siliziumsubstrats 501 ausgebildeten epitaktischen Schicht 504 freizulegen. Der freigelegte Abschnitt der Unterseite 511 der epitaktischen Schicht 504 ist selbstverständlich im Wesentlichen planar. Nach der Freilegung wird die untere Seite 511 der epitaktischen Schicht nicht weiter geätzt, obwohl ein optionaler Ecken-Abrundungsätzschritt durchgeführt werden kann, um spitze Ecken zwischen sich durchsetzenden Oberflächen zu eliminieren oder wenigstens zu reduzieren und somit Beanspruchungskonzentrationen an sich durchsetzenden Oberflächen zu reduzieren oder zu eliminieren.
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Wie am Besten in 5 und 7 zu erkennen ist, stellt ein wahlweises Ätzen der Oberseite 502 der epitaktischen Schicht 504 vier im Wesentlichen quadratische und im Wesentlichen gleich große Quadranten 512 bereit, von denen jeder eine dünne Schicht des Materials ist, welches die epitaktische Schicht 504 umfasst. Die Quadranten 512 sind durch ein Epitaxieschichtmaterial definiert, welches entweder nicht geätzt ist oder welches lediglich partiell geätzt ist, das heißt Material der epitaktischen Schicht ist übrig gelassen, die Gestalt eines solchen Materials ist im Wesentlichen kreuzförmig (+) und in 5 mit Bezugszeichen 514 gekennzeichnet. Das kreuzförmige Material, welches nicht weggeätzt ist, fügt eine Steifigkeit zu dem Abschnitt der epitaktischen Schicht hinzu, welche weggeätzt ist, und wird deshalb hierin als eine kreuzförmige Versteifung oder einfach eine Kreuzversteifung 514 bezeichnet.
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Wahlweises Ätzen der Oberseite 502 der epitaktischen Schicht 504 zur Bildung der Kreuzversteifung 514 und ausgedünnten Quadranten 512 wird innerhalb eines lokalisierten und im Wesentlichen quadratisch-förmigen Abschnitts der Oberseite 502 der Schicht 504 durchgeführt, wobei der lokalisierte Abschnitt durch eine mit Bezugszeichen 516 gekennzeichnete unterbrochene Linie markiert ist.
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Wie in 7 zu erkennen ist, weist die Membran 512 eine Dicke t1 auf. Die Dicke beträgt vorzugsweise zwischen etwa 1,5 μm und etwa 5,0 μm. Bei Druckausübung lenkt die Membran daher leicht aus. Die Kreuzversteifung und die Dicke der epitaktischen Schicht sind vorzugsweise größer, das heißt zwischen etwa 5,0 μm und etwa 15,0 μm.
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Mikrosystem-(MEMS)Drucksensoren verwenden Piezowiderstände, welche in der eine Membran bildende epitaktische Schicht ausgebildet sind. Eine Auslenkung der Membran verursacht eine Änderung der Widerstandswerte. Eine nicht-lineare Auslenkung verursacht eine nicht-lineare Änderung des Widerstands. Eine Kreuzversteifung, welche in der oberen Fläche der Membran bereitgestellt ist, führt zu einer lineareren Spannungsausgabe in Antwort auf einen ausgeübten Druck. Wie in 5 zu erkennen ist, umfasst die Kreuzversteifung 514 zwei Stege, welche mit Bezugszeichen 514A und 514B gekennzeichnet sind. Die Stege 514A, 514B sind im Wesentlichen senkrecht zueinander und weisen entsprechende gegenüberliegende Enden 522A, 522B, 524A, 524B auf. Die „Enden” der Stege sind nicht weg-geätztes Material der epitaktischen Schicht 504. Die Enden der Stege sind deshalb mit der epitaktischen Schicht 504 verbunden bzw. an der Schicht 504 befestigt. Da die Steg-Enden 522A, 522B, 524A, 524B befestigt sind, werden die Stege 514A, 514B als an den Enden befestigte Stege oder beidendig-befestigte Stege bezeichnet. Die Stege 514A, 514B erstrecken sich nichtsdestoweniger weg von dem nicht-geätzten Abschnitt der epitaktischen Schicht 504.
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Die Stege 514A, 514B unterstützen und versteifen die Membran 512, auf die ein unter Druck stehendes Fluid, das heißt eine Flüssigkeit oder ein Gas, einen Druck ausübt. Da deren Auslenkung bzw. Ausdehnung (das heißt, die Ausdehnung einer Flüssigkeit oder eines Gases) naturgemäß linearer ist als die Auslenkung einer Membran, linearisieren die Stege die Auslenkung der Membran 512, und linearisieren somit eine Signalausgabe von einer Wheatstone-Brücke, welche aus Widerständen gebildet ist, die in die Enden der Stege dotiert sind, welche die Kreuzversteifung umfassen.
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Wie oben erwähnt worden ist, sind die Membran 512, welche vier im Wesentlichen quadratische Quadranten umfasst, und die Kreuzversteifung 514 innerhalb eines Abschnitts der Oberseite 502 der epitaktischen Schicht 504 gebildet, welche im Wesentlichen quadratisch ist und in 5 durch eine mit Bezugszeichen 516 gekennzeichnete unterbrochene Linie markiert ist. Der Bereich innerhalb der unterbrochenen Linie 516 ist mit Bezugszeichen 526 gekennzeichnet. Der quadratische Bereich 526 hat selbstverständlich vier „Seiten”, welche in 5 mit Bezugszeichen 528A bis 528D gekennzeichnet sind. Die kombinierten Längen der Seiten 528A bis 528D definieren einen Umfang des quadratischen Bereichs 526.
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Nunmehr mit Bezug auf 6 ist die Unterseite 511 der epitaktischen Schicht 504, welche durch den ersten Ätzvorgang freigelegt ist, ebenfalls im Wesentlichen quadratisch. Dieser quadratische Bereich ist in 6 mit Bezugszeichen 511 gekennzeichnet. Die Seiten dieses quadratischen Bereichs 511 sind mit Bezugszeichen 515A bis 515D gekennzeichnet. Die kombinierten Längen der Seiten 515A bis 515D definieren einen entsprechenden Umfang des quadratischen Bereichs 511 der Unterseite 511 der epitaktischen Schicht 504, welche durch Ätzen freigelegt ist.
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In der Ausführungsform des in 5 dargestellten Druckmesselements 500 kann die Größe des „ersten” quadratischen Bereichs 526 und die Größe des zweiten quadratischen Bereichs 513 im Wesentlichen gleich oder unterschiedlich sein, um eine Druckempfindlichkeit und eine Druck-Nichtlinearität einzustellen. Der Umfang des ersten Bereichs 526 und der Umfang des zweiten Bereichs 513 können deshalb im Wesentlichen gleich oder unterschiedlich sein.
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Eine Computermodellberechnung und experimentelle Daten zeigen, dass die Empfindlichkeit des in 5 bis 7 dargestellten Druckmesselements 500 deutlich verbessert sein kann und dass die Nichtlinearität noch weiter reduziert sein kann, falls der erste Bereich 526 und der erste Umfang jeweils größer sind als der zweite Bereich 513 und der zweite Umfang. Mit anderen Worten, eine Druckmesselementempfindlichkeit wird erhöht und eine Nichtlinearität erfüllt noch die Anforderung, wenn die Oberseite 502 der epitaktischen Schicht 504 mit einem erweiterten Ätzbereich oder einer „Überätzung” über den Umfang der Unterseite 511 der epitaktischen Schicht 504 bereitgestellt ist. Ein solches erweitertes Ätzen/eine solche Überätzung ist in 10 und 11A und 11B dargestellt.
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8 ist eine perspektivische Ansicht der Oberseite 802 einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines Druckmesselements 800, welches unter Verwendung der gleichen Schritte/Vorgänge gebildet worden ist, mit welchen das in 5 bis 7 gezeigte Druckmesselement gebildet worden ist. 9 ist eine Querschnittsansicht des in 8 mit Hilfe von Abschnittslinien 8-8 gezeigten Druckmesselements.
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Die Oberseite 802 einer epitaktischen Schicht 812 wird wahlweise geätzt, um vier ausgedünnte Quadranten zu bilden, welche eine Membran 804 umfassen, und um eine Kreuzversteifung 806 zu bilden, welche zwei im Wesentlichen orthogonale Stege 806A und 806B umfasst. Die Stege 806A, 806B weisen einen gemeinsamen Mittelpunkt 807 auf und erstrecken sich über die Membran 804 und Quadranten, wo sie auf Kreuzversteifungsanker 810 treffen bzw. sich damit verbinden.
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Die Kreuzversteifungsanker 810 und die Kreuzversteifungsstege 806A, 806B werden gleichzeitig gebildet durch wahlweises Ätzen der epitaktischen Schicht 812, welche auf der oberen Oberfläche eines einkristallinen Siliziumsubstrats 816 gebildet ist. Die Unterseite 814 des Substrats 816, nicht dargestellt, ist auf dieselbe Art und Weise geätzt wie die Unterseite 508 des in 5 bis 7 dargestellten Substrats.
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Die Anker 810 sind im Wesentlichen Parallelepiped-förmige Blöcke aus Epitaxieschichtmaterial, welches nach dem Ätzvorgang übrig gelassen ist, der die epitaktische Schicht zur Bildung der Membran 804 ausdünnt bzw. dünner macht. Die Stege 806A, 806B erstrecken sich von den Ankern 810 und bilden rechte Winkel zueinander.
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Piezowiderstände 822, aus welchen eine Wheatstone-Brücke hergestellt ist, sind in den Ankern 810 ausgebildet. Die Anker 810 und die Versteifungsstege 806A, 806B weisen eine Dicke t2 auf (siehe 9), welche derart gewählt ist, um einen Leckstrom von einem Übertritt von P+-Bereichen und P– Bereichen in die N-Typ-Epitaxieschicht 812 über P-N-Übergänge zu verhindern. 9 zeigt ein Beispiel mit einem größeren Oberseiten-Umfang 826 als dem Rückseiten-Umfang eines Quadrats 811 der Membran. Bezugszeichen 823 zeigt den horizontalen Abstand zwischen den Rändern der zwei Umfänge.
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Die Abmessungen der Kreuzversteifung 806 werden analytisch oder experimentell mit Hilfe von Versuchsplanungen (DOE = Design of Experiments) festgelegt. Für eine Membran 802 mit einer Dicke zwischen etwa 1,5 μm und etwa 5,0 μm sollte die Höhe bzw. Dicke t2 der Kreuzversteifung 806 zwischen etwa 7,0 μm und etwa 15,0 μm und vorzugsweise etwa 8,5 μm betragen.
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Wie bei dem in 5 bis 7 dargestellten Druckmesselement weist das in 8 und 9 gezeigte Druckmesselement 800 seine Membran 804 und Kreuzversteifung 806 auf, welche innerhalb eines Bereiches, Region oder Abschnitt der Oberseite der epitaktischen Schicht 812 gebildet sind, der im Wesentlichen quadratisch ist und in 8 durch eine mit Bezugszeichen 826 gekennzeichnete unterbrochene Linie markiert ist. Der quadratische Bereich 826 hat selbstverständlich vier „Seiten”, welche in 8 mit Bezugszeichen 826A bis 826D gekennzeichnet sind. Die kombinierten Längen der Seiten 828A bis 828D definieren einen entsprechenden Umfang des quadratischen Bereichs 826.
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Wie bei dem in 5 bis 7 gezeigten Druckmesselement ist die Unterseite 811 der epitaktischen Schicht 812, welche durch Ätzen der unteren Oberfläche 814 des Substrats 816 freigelegt ist, ebenfalls im Wesentlichen quadratisch. Dieser quadratische Bereich ist ebenfalls in 9 durch Bezugszeichen 811 gekennzeichnet. Der quadratische Bereich 811 der Unterseite der epitaktischen Schicht 812 hat selbstverständlich vier Seiten, deren kombinierte Längen einen entsprechenden Umfang des quadratischen Bereichs 811 der Unterseite der epitaktischen Schicht 812 definieren, die durch Ätzen freigelegt ist.
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Wie am Besten in 8 zu erkennen ist, kann der quadratische Bereich 826 der Membran 804, welche in der Oberseite 802 der epitaktischen Schicht 812 ausgebildet ist, und ihr entsprechender Umfang kleiner oder größer als der Bereich 811 und der entsprechende Umfang der Unterseite der epitaktischen Schicht 812 sein, die durch Ätzen der Unterseite des Substrats 816 freigelegt ist. Falls der Bereich 826 größer als der Bereich 811 ist, dann kann eine Druckempfindlichkeit auf Kosten der Druck-Nichtlinearität erhöht werden. Das Design kann derart optimiert werden, um eine Druckempfindlichkeit zu erhöhen, und zwar auf Kosten der Druck-Nichtlinearität durch weiteres Über-Ätzen der Oberseite der Membran und Erweitern der Kreuzversteifung 806 und der Anker. Die Gestalt eines Über-Ätz-Bereiches kann variiert werden. Ein Variieren des Über-Ätzens wird die Leistung eines Druckmesselements ändern. 10 ist eine Draufsicht auf ein Druckmesselement 1000, wobei eine dünne Membran mit einer Über-Ätzung gezeigt ist, welche ein ungleichmäßig geformtes Polygon ist. 10 zeigt außerdem die Stellen von vier Piezowiderständen 1002, welche in bestimmten Bereichen 1004 der oberen Oberfläche der Kreuzversteifungsanker 1008 ausgebildet sind, von welchen sich im Wesentlichen orthogonale Stege erstrecken, die eine Kreuzversteifung 1010 umfassen.
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Die Piezowiderstände 1002 sollen innerhalb eines quadratischen Bereiches 1012 liegen, und zwar innerhalb einer unterbrochenen Linie. Der quadratische Bereich 1012 umfasst vier ausgedünnte Quadranten einer Membran 1014.
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Der mit Bezugszeichen 1012 gekennzeichnete quadratische Bereich entspricht außerdem dem Umfang der Unterseite der epitaktischen Schicht und kennzeichnet diese, welche durch Ätzen der Unterseite eines Lithiumsubstrats freigelegt ist, auf welchem die epitaktische Schicht gebildet worden ist. Die Piezowiderstände 1002 sind in die Oberseite der epitaktischen Schicht und in den Ankern 1008 dotiert.
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Die Piezowiderstände 1002 werden hierin als „verteilte” Elemente bezeichnet, da sie nicht auf eine Seite oder einen Rand der Membran 1014 beschränkt sind. Sie sind stattdessen voneinander getrennt und entlang der Seiten 1028 des quadratischen Bereichs 1012 angeordnet.
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Die Piezowiderstände 1002 sind durch Verbinder 1030 miteinander verbunden, welche durch P+-leitfähiges Material gebildet sind, welches in die N-Typ-Epitaxieschicht eindotiert ist. Die P+-Verbinder 1030 erstrecken sich von jedem Ende eines Piezowiderstands 1002 zu Metallverbindungspads 1032A bis D. Die Verbindungspads 1032A bis D stellen Verbindungsanschlüsse für die Eingabe- und Ausgabe-Spannungen bereit, welche in einen Wheatstone-Brückenschaltkreis eingegeben und von diesem ausgegeben werden, welcher aus den Piezowiderständen 1002 gebildet ist. Der Verbindungspad 1032A ist der Vp-Verbindungspad mit einer Eingangsspannung bei 3 Volt. Der Verbindungspad 1032C ist der Vn-Verbindungspad, welcher auf Masse liegt. Der Verbindungspad 1032B ist der Sn-Verbindungspad und der Verbindungspad 1032D ist der Sp-Verbindungspad. Der Spannungsunterschied zwischen den Verbindungspads Sp und Sn ist eine Spannung in Antwort auf einen Druckunterschied zwischen der Oberseite und der Unterseite der Membran. Die Verbinder 1030 zum Verbinden von Vp mit Sp sind in etwa die gleichen wie die Verbinder 1030 zum Verbinden von Vp mit Sn. Außerdem sind die Verbinder 1030 zum Verbinden von Sp mit Vn in etwa die gleichen wie die Verbinder 1030 zum Verbinden von Sn mit Vn. Die hohe Symmetrie der Verbinder-Verschaltung reduziert durch die Umgebung hervorgerufene Effekte oder Signalrauschen.
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Weiterhin mit Bezug auf 10 sind vier ungleichmäßig geformte Bereiche 1040 durch unterbrochene Linien umgeben. Diese Bereiche sind „erweiterte Ätz-Bereiche” der oberen Oberfläche einer epitaktischen Schicht. Außerdem sind Teile der ungleichmäßig geformten Bereiche innerhalb des mit Bezugszeichen 1012 gekennzeichneten quadratischen Bereichs und somit direkt über dem Abschnitt der epitaktischen Schicht, die durch Ätzen der Unterseite eines Siliziumsubstrats freigelegt ist, auf welchem die epitaktische Schicht gebildet ist. Die erweiterten Ätz-Bereiche 1040 liegen außerhalb des quadratischen Bereichs 1012 und sind Bereiche der oberen Oberfläche der epitaktischen Schicht, welche „jenseits” oder außerhalb des Umfangs der Unterseite der epitaktischen Schicht geätzt sind, welche durch Ätzen durch die untere Seite eines Substrats freigelegt ist, auf welcher die epitaktische Schicht gebildet ist.
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Wie hierin verwendet wird, wird ein Polygon betrachtet als eine geschlossene und im Wesentlichen planare Figur, welche entweder durch gerade oder gekrümmte Linien begrenzt ist. Ein reguläres Polygon wird als Polygon betrachtet, dessen Seiten von gleicher Länge sind. Ein ungleichmäßiges oder irreguläres Polygon wird als ein Polygon betrachtet, dessen Seiten weder gleich sind noch die gleichen Innenwinkel aufweisen.
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Die irregulär-geformten Bereiche 1040, welche von den unterbrochenen Linien umschlossen sind, werden deshalb hierin als irreguläre Polygone bezeichnet. Die Unterseite der epitaktischen Schicht, welche durch Ätzen der Unterseite eines Siliziumsubstrats freigelegt ist, ist quadratisch und ist somit ein reguläres Polygon.
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11A ist eine perspektivische Ansicht der Oberseite 1102 einer bevorzugten Ausführungsform eines Druckmesselements 1100. 12 ist eine Querschnittsansicht des Druckmesselements 1100, welches in 11 gezeigt ist.
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Erweiterte Ätz-Bereiche 1104 einer epitaktischen Schicht 1105 weisen eine Form auf, die einem geschlossenen irregulären Polygon entspricht und welche ausgedünnte Quadraten einer Membran umfasst. Der erweiterte Ätz-Bereich eines der Quadranten ist von unterbrochenen Linien umgeben, welche mit Bezugszeichen 1151 bis 1162 gekennzeichnet sind.
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Die Querstege 1124, 1126, welche nach Ätzen der oberen Oberfläche zur Bildung einer Kreuzversteifung 1128 übrig bleiben, sind auf der Oberseite einer Membran angeordnet, welche von der Rückseite eines Substrats 1138 geätzt sind und nach hinten ausgebildet sind. Wie oben beschrieben worden ist, versteift die Kreuzversteifung 1028 die Membran. Die Querstege 1124, 1126, welche die Kreuzversteifung 1128 umfassen, erstrecken sich zwischen Ankern 1130, welche an jedem Ende der Querstege 1124 und 1126 angeordnet sind und welche ebenso epitaktisches Schichtmaterial sind, welches nach Ätzen der oberen Oberfläche zurückgelassen ist.
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Wie am Besten in 12 zu erkennen ist, erstrecken sich die erweiterten Ätz-Bereiche 1104 jenseits des Bereiches 1132 einer epitaktischen Schicht 1105, welche durch Wegätzen der Unterseite 1136 des Substrats 1138 freigelegt ist, auf welcher die epitaktische Schicht 1105 gebildet ist. Für einige Fälle könnte eine breitere Kreuzversteifung 1128 erforderlich sein, um zur Reduktion der Druck-Nichtlinearität die Membran zu versteifen. Wenn die Kreuzversteifung 1128 breiter als die Anker 1130 ist, dann verschwinden die Anker. Eine perspektivische Ansicht der Oberseite einer solchen Ausführungsform 1100B ist in 11B dargestellt, wobei Bezugszeichen 1104 übergeätzte Bereiche zeigt und Bezugszeichen 1012 ein Quadrat kennzeichnet, welches mit unterbrochenen Linien gezeichnet ist, um den Ort des Unterseitenumfangs einer ausgedehnten Membran zu zeigen.
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13 ist eine Querschnittsansicht eines durch ein Druckmesselement 1302 gebildeten Drucksensors 1300 mit einer ausgedünnten Membran 1304 und einer in der Oberseite 1308 einer epitaktischen Schicht 1310 gebildeten Kreuzversteifung 1306, wobei die epitaktische Schicht auf einem Siliziumsubstrat 1312 gebildet ist. Fluiddruck wird auf die Unterseite 1314 der epitaktischen Schicht 1310 durch einen Kanal bzw. Anschluss 1316 ausgeübt, welcher sich durch einen aus Glas oder Siliziumsubstrat hergestellten Sockel 1318 erstreckt und an welchem das Druckmesselement 1302 durch anodisches Bonden oder Schmelzbonden angebracht werden kann. Das Druckmesselement 1302 und der Sockel 1318 können auf einer Oberfläche innerhalb einer in einem Gehäuse ausgebildeten Tasche befestigt werden, wie zum Beispiel das in 1 bis 3 gezeigte Gehäuse.
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14 ist eine Querschnittsansicht eines Differentialdrucksensors 1400, welcher durch ein Druckmesselement 1402 mit einer ausgedünnten Membran 1404 und einer Kreuzversteifung 1406 gebildet ist, welche in der Oberseite 1408 einer epitaktischen Schicht 1410 ausgebildet ist, wobei die epitaktische Schicht auf einem Siliziumsubstrat 1412 gebildet ist. Ein erster Fluiddruck wird auf die Unterseite 1414 der epitaktischen Schicht 1410 durch einen Kanal oder Anschluss 1416 ausgeübt, welcher sich durch einen Sockel 1418 erstreckt, der aus Glas oder Siliziumsubstrat hergestellt ist. Der Sockel 1418 und das Druckmesselement 1402 sind miteinander mittels Verschmelzen oder anodischem Bonden verbunden. Eine Kappe 1420 mit einer Innenkavität 1422 umgibt ein Fluid oder ein Vakuum, welches selbstverständlich wenigstens einen gewissen Druck auf die Membran 1404 ausübt. Die Auslenkung der Membran 1404 ist somit abhängig von der Differenz zwischen dem Druck bzw. Vakuum innerhalb der Kavität 1422 und dem durch den Kanal 1416 ausgeübten Druck.
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15 ist ein Flussdiagramm, welches Schritte des Verfahrens zum Bilden des Drucksensors unter Verwendung eines MEMS-Druckmesselements mit einer Kreuzversteifung auf der Oberseite einer dünnen Membran zeigt.
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In einem ersten Schritt 1502 wird eine epitaktische Schicht auf einer Oberseite eines einkristallinen Siliziumsubstrats (das erste Substrat) unter Verwendung herkömmlicher Verfahren gebildet. Die Dicke der epitaktischen Schicht ist relativ dünn, vorzugsweise weniger als etwa 20 μm.
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In einem zweiten Schritt 1504 wird ein erster Ätzvorgang auf der Oberseite der epitaktischen Schicht durchgeführt, um wahlweise Material von der Oberseite der epitaktischen Schicht zur Bildung einer Kreuzversteifung zu entfernen.
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In einem dritten Schritt 1506 wird die Unterseite der einkristallinen Siliziumschicht geätzt, um eine Kavität zu definieren bzw. zu bilden. Der zweite Ätzschritt entfernt das gesamte einkristalline Schichtmaterial, um die Rückseite der auf dem Substrat gebildeten epitaktischen Schicht freizulegen. Der erste und der zweite Ätzschritt bilden eine Membran in dem ersten Substrat. In einer bevorzugten Ausführungsform wird optional ein dritter Ätzschritt, welcher hierin als ein Ecken-Abrundungsätzschritt 1507 bezeichnet wird, auf der Unterseite der Siliziumschicht durchgeführt, welcher innere Ecken abrundet, insbesondere dort, wo die epitaktische Schicht auf das Substrat trifft und dadurch Stresskonzentration reduziert, welche sich ansonsten ohne dem Ecken-Abrundungsätzen entwickeln würden.
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In einem fünften Schritt 1508 wird das Substrat mit der epitaktischen Schicht gebondet oder sonstwie auf bzw. an der Oberseite eines zweiten Substrats aus Glas oder Silizium befestigt, wobei dieses als ein Support für das erste Substrat betrachtet wird. Das zweite Substrat kann ein Durchgangsloch aufweisen, und zwar abhängig davon, ob das resultierende Druckmesselement ein Differentialdrucksensor oder ein Oberseiten-Absolutdrucksensor sein soll.
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Schließlich kann in Schritt 1510 eine Kappe an der Oberseite des ersten Substrats angebracht werden, um über der Membran eine evakuierte Kavität zu definieren.
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Bei jedem der oben beschriebenen Druckmesselemente wird das Siliziumsubstrat derart dargestellt, dass es einen Ätzvorgang auf der Unterseite des Substrats durchläuft, was geneigte oder schräge Seitenwände erzeugt. In 16 ist ein Druckmesselement 1600 mit einem Siliziumsubstrat dargestellt, dessen Unterseite geätzt ist, um eine epitaktische Schicht freizulegen, wobei allerdings die durch das Substrat hindurch gebildeten Seitenwände bzw. Seitenwand im Wesentlichen vertikal ist.
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In 16 ist ein Siliziumsubstrat 1602 mit einer als ein Isolator auf der Rückseite des Siliziumsubstrats 1602 gebildeten Siliziumdioxidschicht 1603 als ein „Silizium auf Isolator” (SOI)1601-Element auf einer Unterseite eines Siliziumsubstrats 1608 schmelzgebondet. Eine Oberseite 1610 des Siliziumsubstrats 1602 wird wie oben beschrieben zur Bildung einer Kreuzversteifung 1614 geätzt. Eine ausgedünnte Membran 1612 wird durch Ätzen einer unteren Oberfläche 1620 der Unterseite des Siliziumsubstrats 1608 gebildet. Das Drucksignal aufgrund der Auslenkung der Membran 1612, welche einem Druck ausgesetzt ist, ist aufgrund einer Kreuzversteifung 1614 linearer, welche durch den Oberseiten-Ätzvorgang zurückgelassen ist.
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Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen weist das Siliziumsubstrat 1608 in 16 eine untere Oberfläche 1620 auf, wobei die untere Oberfläche 1620 unter Verwendung eines reaktiven Ionentiefenätzen(DRIE)Verfahrens geätzt worden ist.
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Wie in 16 zu erkennen ist, bildet das DRIE-Verfahren ein Loch 1622 in der unteren Oberfläche 1620, welches sich vollständig durch das Substrat 1608 erstreckt, wie es bei einem KOH-Ätzschritt der Fall ist, wobei jedoch das DRIE-Ätzen ein Loch 1622 bereitstellt, dessen Seitenwand 1624 im Wesentlichen vertikal ist, im Gegensatz zu den geneigten Seitenwänden, die durch einen Natriumhydroxid(KOH)-Ätzvorgang gebildet worden sind. Die geneigten oder schrägen Seitenwände, welche aus einem KOH-Ätzschritt resultieren, sind in 6, 7, 12, 13 und 14 dargestellt und darin mit Bezugszeichen 1611 gekennzeichnet. Die vertikale oder fast-vertikale Seitenwand 1624, welche unter Verwendung von DRIE gebildet ist, ermöglicht den Grundriss eines Druckmesselements mit einem gewünschten zu reduzierenden Bereich, und zwar aufgrund des reduzierten Grundrisses des Substrats, welcher für eine DRIE-Ätzvorgang benötigt wird. Deshalb wird ein zweites wie in 13 und 14 gezeigtes Substrat zum Isolieren von Bauart-bedingter Beanspruchung (Stress) von der Unterseite her nicht weiter benötigt, falls das untere Siliziumsubstrat 1608 dick genug ist, um mit DRIE-Ätzen eine Kavität zur Bildung einer Membran zu erzeugen.
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Eine Oberseiten-Absolutdruckmesseinrichtung 1700 kann unter Verwendung eines wie oben beschriebenen SOI 1701 hergestellt und mit einem Unterseiten-Siliziumsubstrat oder einem Sockel 1711 mit einer wie in 17 dargestellten vergrabenen Kavität 1712 schmelzgebondet werden. Die Kreuzversteifung 1702 wird auf der Oberseite des SOI 1701 geätzt, und die Kavität 1712 wird auf der Oberseite des unteren Siliziumsubstrats 1711 geätzt. Das SOI 1701 und das untere Siliziumsubstrat werden in einem Vakuum oder einer Umgebung mit im Wesentlichen niedrigem Druck schmelzgebondet, um ein Oberseiten-Absolutmesselement mit einer dünnen Membran 1703 zu bilden, wobei die vergrabene Kavität 1712 wenigstens teilweise evakuiert ist.
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Wie in 18 dargestellt ist, kann eine Differentialdruckmesseinrichtung 1800 hergestellt werden durch Erzeugen eines Loches 1813 unter Verwendung von DRIE, um eine vergrabene Kavität 1812 einer Oberseiten-Absolutdruckmesseinrichtung 1700 zu erreichen, wie es in 17 dargestellt ist, so dass die Medien an der Unterseite die untere Oberfläche einer Membran 1803 erreichen können. Die Membran 1803 wird durch die Kavität 1812 eines unteren Siliziumsubstrats 1811 und eines SOI 1801 mit einer auf der Oberseite des SOI 1801 gebildeten Kreuzversteifung 1802 gebildet. Das Verfahren zur Herstellung einer Differentialdruckmesseinrichtung, wie es in 18 dargestellt ist, kann einen Vorteil gegenüber dem in 16 dargestellten Verfahren aufweisen, und zwar hinsichtlich einer genaueren Steuerung einer Membrandicke.
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Schließlich können Schutzschichten 1901, wie zum Beispiel plasmaverstärktes Siliziumoxid und Siliziumnitrid, auf einer Rückseiten-Kavität 1910 eines Druckmesselements 1900 mit einer Oberseiten-Kreuzversteifung 1902 und einer dünnen Membran 1903 abgeschieden werden, wie es in 19 dargestellt ist. 19 ist eine auf dem Kopf stehende Zeichnung der 7 einschließlich der Schutzschichten 1901 in der Kavität 1910. Dünne Maskierschichten werden zunächst der Reihe nach auf einer gesamten Rückseitenoberfläche 1904 angewendet, wobei dann ein Photoresist (nicht dargestellt) auf der Oberseite der dünnen Schichten aufgebracht wird. Durch Belichten des Photoresists durch eine Maske mit Licht, wie zum Beispiel UV-Licht, werden der Abschnitt des Photoresists außerhalb der Kavität und ein kleiner Abschnitt des Photoresists innerhalb von Ecken 1905 der Kavität entfernt, wobei ein gewollter Photoresist entwickelt wird. Der Abschnitt der dünnen Schichten ohne das abgedeckte entwickelte Photoresist wird dann weggeätzt, wobei der entwickelte Photoresist und die Schutzschichten in der Kavität 1910 verbleiben. Im letzten Schritt wird der Photoresist entfernt und die Schutzschichten 1901 sind innerhalb der Kavität 1910 freigelegt. Die Schutzschichten 1901 können ein Festhaften von Reststoffen in der Kavität 1910 des Druckmesselements verhindern und die Messgenauigkeit beeinflussen. Schutzschichten bzw. Passivierungsschichten, welche auf der Oberseite des Druckmesselements abgeschieden sind, um die Verschaltung zu schützen, sind dem Fachmann auf diesem Gebiet wohl bekannt. Deshalb werden Details hinsichtlich des weiteren Bearbeitens der Oberseiten-Schutzschichten nicht weiter erörtert.
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Der Fachmann wird erkennen, dass die nahezu-lineare Auslenkung einer oben beschriebenen Kreuzversteifung eine Auslenkung einer dünnen Membran unterstützen und somit steuern wird. Die Kreuzversteifungs-Abmessungen (Höhe, Breite und Länge) können experimentell oder mit Hilfe einer Computerberechnung bestimmt werden, um eine Membran wie gewünscht zu versteifen. Eine Membran kann somit sehr dünn gemacht werden, um ihre Empfindlichkeit und ihre Genauigkeit zu erhöhen.
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Die vorangegangene Beschreibung dient lediglich Zwecken der Darstellung. Der tatsächliche Umfang der Erfindung ist in den folgenden Ansprüchen enthalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4236137 [0001]
- US 5156052 [0001]
- US 6006607 [0001]
- US 5178016 [0001]
- US 6093578 [0001]
