DE102016111303A1

DE102016111303A1 - MEMS-Drucksensor

Info

Publication number: DE102016111303A1
Application number: DE102016111303.4A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Lemke; Rene Ziermann; Peter Klöfer
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2017-12-21

Abstract

Es ist ein kostengünstig im Waferverbund herstellbarer MEMS-Drucksensor (1, 11, 13, 15), insb. ein Absolut-, Relativ- oder Differenzdrucksensor, mit hoher Berst- und Überlastfestigkeit beschrieben, der mindestens einen Grundkörper (5, 5', 17, 17', 19, 21) und eine mit jedem Grundkörper (5, 5', 17, 17', 19, 21) jeweils unter Einschluss einer Druckkammer (3) verbundene, mit einem zu messenden Druck (p, Δp) beaufschlagbare, durch den darauf einwirkenden Druck (p, Δp) auslenkbare Messmembran (7), umfasst, der sich dadurch auszeichnet, dass die Messmembran (7) eine aus einem Titanwafer gefertigte Messmembran (7) ist und jeder Grundkörper (5, 5', 17, 17', 19, 21) mindestens eine aus einem Titanwafer gefertigte Lage umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft MEMS-Drucksensoren, insb. Absolut-, Relativ- oder Differenzdrucksensoren, mit mindestens einem Grundkörper und einer mit jedem Grundkörper jeweils unter Einschluss einer Druckkammer verbundenen, mit einem zu messenden Druck beaufschlagbaren, durch den darauf einwirkenden Druck auslenkbaren Messmembran.
Drucksensoren mit mindestens einem Grundkörper und einer unter Einschluss einer Druckkammer damit verbundenen Messmembran werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Drücken eingesetzt. Dort werden sie entsprechend der zu deren Herstellung verwendeten Verfahren regelmäßig in so-genannte klassische Sensoren und MEMS-Sensoren unterschieden.
MEMS-Drucksensoren sind als Mikro-Elektromechanische Systeme ausgebildete Sensoren, die regelmäßig unter Verwendung von in der Halbleitertechnologie üblichen Verfahren, wie z.B. Ätzprozessen, Oxidationsverfahren, Implantationsverfahren, Bondverfahren und/oder Beschichtungsverfahren, unter Verwendung von ein oder mehrlagigen Wafern aus Silizium oder Werkstoffen auf Siliziumbasis hergestellt werden. MEMS-Sensoren werden daher häufig auch als Halbleiter-Sensoren bezeichnet.
Beispiele hierfür sind die in der DE 103 93 941 B3 und der DE 38 27 138 A1 beschriebenen kapazitiven Differenzdrucksensoren, die jeweils eine zwischen zwei Grundkörpern angeordnete, mit jedem der Grundkörper jeweils unter Einschluss einer Druckkammer verbundene und über durch die Grundkörper hindurch verlaufende Druckzuleitungen mit einem Differenzdruck beaufschlagbare Messmembran aus Silizium aufweisen. Diese Grundkörper umfassen jeweils zwei Lagen aus Silizium, zwischen denen eine Isolationsschicht angeordnet ist. Die der Messmembran zugewandte Lage ist durch einen ringförmigen, bis zur Isolationsschicht führenden Graben in einen äußeren, mit der Messmembran verbundenen Rand und einen inneren, eine Elektrode bildenden Bereich unterteilt. Jede Elektrode bildet zusammen mit der Messmembran jeweils einen Kondensator mit einer von der druckabhängigen Auslenkung der Messmembran abhängigen Kapazität.
Von der Verwendung einlagiger, insgesamt als Elektrode dienender Grundkörper wird in der DE 38 27 138 A1 abgeraten, da entsprechende mit einer Messmembran aus Silizium ausgestattete Drucksensoren eine vergleichsweise geringe Messempfindlichkeit aufweisen.
MEMS-Drucksensoren bieten den Vorteil, dass sie im Waferverbund in größeren Stückzahlen vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden können. Sie sind jedoch mechanisch empfindlich und müssen am Einsatzort montiert und mit dem zu messenden Druck beaufschlagt werden. Hierzu werden sie regelmäßig auf einem bzw. zwischen zwei Stützkörpern montiert und in ein in der Regel metallisches Gehäuse eingesetzt, wo sie über vorgeschaltete Druckmittler mit dem zu messenden Druck beaufschlagt werden. Dabei gilt es durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Halbleitersensor, Stützkörper und/oder Gehäuse verursachte thermomechanische Spannungen, die sich auf die Druckempfindlichkeit der Messmembran auswirken können, zu vermeiden.
Klassische Sensoren weisen üblicher Weise deutlich größere Abmessungen auf als MEMS-Sensoren und sind in der Regel Einzelanfertigungen, die unter Verwendung von aus dem Maschinenbau, sowie der Metallverarbeitung üblichen Verfahren, wie Drehen, Fräsen, Schleifen und Schweißen hergestellt.
So sind beispielsweise in der US-A 3, 618,390 metallisch gekapselte Differenzdrucksensoren beschrieben, die eine zwischen zwei durch metallische Halbschalen gebildeten Grundkörpern eingespannte, mit den beiden Halbschalen verschweißte, metallische Messmembran aufweisen. Die Innenräume der Halbschalen sind unter Freilassung der darin unter der Messmembran eingeschlossenen Druckkammern mit Glas gefüllt.
Ein weiteres Beispiel eines klassischen Differenzdrucksensors ist in der am 29.01.2015 eingereichten, noch unveröffentlichten Deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 102015101323.1 beschrieben. Dieser umfasst eine Messmembran aus Titan, die zwischen zwei Grundkörpern aus Titan angeordnet ist. Dabei ist in jedem Grundkörper jeweils eine Druckkammer eingeschlossen, der über eine durch den Grundkörper hindurch führende Druckzuleitung unmittelbar ein unter Druck stehendes Medium zugeführt werden kann. Die Grundkörper umfassen jeweils ein durch eine die darin eingeschlossene Druckkammer begrenzende Mantelfläche gebildetes Membranbett. Eine Variante sieht vor, auf jedem Membranbett jeweils eine Isolationsschicht vorzusehen, auf der eine Elektrode angeordnet ist, die zusammen mit der als Gegenelektrode dienenden Messmembran einen Kondensator mit einer von der druckabhängigen Auslenkung der Messmembran abhängigen Kapazität bildet.
Klassische Drucksensoren, insb. metallische bzw. metallisch gekapselte Drucksensoren bieten den Vorteil, dass sie mechanisch deutlich stabiler sind als MEMS-Sensoren. Sie weisen daher regelmäßig eine größere Überlastfestigkeit und eine größere Berstfestigkeit auf als MEMS-Drucksensoren. Im Unterschied zu MEMS-Drucksensoren sind klassische Drucksensoren jedoch in der Regel vergleichsweise teure Einzelanfertigungen mit deren Herstellung ein deutlich höherer Material- und Fertigungsaufwand verbunden ist. So müssen die Halbschalen der in der US-A 3, 618,390 beschriebenen Differenzdrucksensoren jeweils einzeln hergestellt, mit Glas vergossen und die Membranbetten möglichst präzise geschliffen werden. Darüber hinaus müssen klassische Drucksensoren mit durch die Grundkörper hindurch verlaufenden Durchführungen für den elektrischen Anschluss des elektromechanischen Wandlers ausgestattet werden. Hierfür einsetzbare Glasdurchführungen mit ausreichender Dichtigkeit und Druckfestigkeit sind aufwendige Einzelanfertigungen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen kostengünstig herstellbaren Drucksensor mit hoher mechanischer Stabilität anzugeben.
Hierzu umfasst die Erfindung einen MEMS-Drucksensor, insb. Absolut-, Relativ- oder Differenzdrucksensor, mit mindestens einem Grundkörper und einer mit jedem Grundkörper jeweils unter Einschluss einer Druckkammer verbundenen, mit einem zu messenden Druck beaufschlagbaren, durch den darauf einwirkenden Druck auslenkbaren Messmembran, der sich dadurch auszeichnet, dass

– die Messmembran eine aus einem Titanwafer gefertigte Messmembran ist und
– jeder Grundkörper mindestens eine aus einem Titanwafer gefertigte Lage umfasst.

Eine erste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass jeder Grundkörper auf dessen von der Messmembran abwandten Stirnseite eine Oberflächenschicht aus Titan aufweist.
Eine Weiterbildung der ersten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass jede Oberflächenschicht auf einer im jeweiligen Grundkörper integrierten Isolationsschicht angeordnet ist.
Eine zweite Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– die Messmembran eine aus einem Titanwafer mit einer Waferdicke von 10 µm bis 1000 µm hergestellte Messmembran ist, und
– jeder Grundkörper entweder jeweils ein aus einem einzigen Titanwafer, insb. einem Titanwafer mit einer Waferdicke von 10 µm bis 1000 µm oder eine Waferdicke im Zentimeterbereich, gefertigter einlagiger Grundkörper ist oder jeweils ein aus Titanwafern hergestellter mehrlagiger Grundkörper ist, insb. ein mehrlagiger Grundkörper, dessen Lagen über eine dazwischen angeordnete Isolationsschicht miteinander verbunden sind, insb. ein Grundkörper, der mindestens eine aus einem Titanwafern, insb. einem Titanwafer mit einer Waferdicke von 10 µm bis 1000 µm, hergestellte innere Lage umfasst und der eine aus einem Titanwafern, insb. einem Titanwafer mit einer Waferdicke von 10 µm bis 1000 µm oder einer Waferdicke im Zentimeterbereich, hergestellte, membran-abgewandte äußere Lage umfasst.

Bevorzugte Ausgestaltungen zeichnen sich dadurch aus, dass

– jeder Grundkörper eine aus einem Titanwafer gefertigte Lage umfasst, deren äußerer Rand unmittelbar mit einem äußeren Rand der Messmembran verbunden ist, insb. durch Löten, Schweißen oder reaktives Bonden verbundenen ist, oder
– jeder Grundkörper eine aus einem Titanwafer gefertigte Lage umfasst, deren äußerer Rand unter Zwischenfügung einer Isolationsschicht, insb. einer Isolationsschicht aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid, insb. einer als Beschichtung, insb. durch Abscheidung aus der Gasphase, erzeugten Isolationsschicht, mit dem äußeren Rand der Messmembran verbunden ist, insb. durch Thermokompressionsbonden verbundenen ist.

Eine dritte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass jeder Grundkörper eine die darin eingeschlossene Druckkammer begrenzende Lage umfasst, in der ein einer Biegekontour der Messmembran nachempfundenes Membranbett, insb. ein durch ein Ätzverfahren, insb. ein reaktives Ionenätzverfahren, erzeugtes Membranbett, vorgesehen ist.
Eine erste Variante der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass auf einer Außenseite der Messmembran eine Isolationsschicht, insb. eine Isolationsschicht aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid, insb. eine als Beschichtung, insb. durch Abscheidung aus der Gasphase, erzeugte Isolationsschicht, vorgesehen ist, auf der pieozoresistive Elemente, insb. zu einer Widerstandsmessbrücke zusammengeschaltete piezoresistive Elemente, angeordnet sind.
Eine zweite Variante zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens einer der vorgesehenen Grundkörper eine einzige oder eine der Messmembran zugewandte als Elektrode dienende, einteilige Lage, insb. eine mit einem auf einer Außenseite der Lage angeordneten Elektrodenanschluss ausgestattete Lage, umfasst,

– die zusammen mit der Messmembran einen Kondensator mit einer von der vom auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängigen Auslenkung der Messmembran abhängigen Kapazität bildet, und
– deren äußerer Rand unter Zwischenfügung einer Isolationsschicht, insb. einer Isolationsschicht aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid, insb. einer als Beschichtung, insb. durch Abscheidung aus der Gasphase erzeugten Isolationsschicht, mit einem äußeren Rand der Messmembran verbunden ist, insb. durch Thermokompressionsbonden verbundenen ist.

Eine Weiterbildung der zweiten Variante zeichnet sich dadurch aus, dass der äußere, mit jedem Grundkörper verbundene Rand der Messmembran ein kreisringscheibenförmiger Bereich der Messmembran ist, insb. ein kreisringscheibenförmiger Bereich mit einer Kreisringbreite von größer gleich 100 µm, der einen durch den auf die Messmembran einwirkenden Druck auslenkbaren kreisscheibenförmigen Bereich der Messmembran, insb. einen kreisscheibenförmigen Bereich mit einem Durchmesser von bis zu 5 mm, insb. von 1 mm bis 5 mm, umgibt.
Eine dritte Variante zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein Grundkörper vorgesehen ist, der mit einer Elektrode, insb. einer über eine auf einer Isolationsschicht durch eine durch den Grundkörper hindurch führende, in der Druckkammer mündende Druckzuleitung nach außen geführte Verbindungsleitung mit einem auf der Isolationsschicht angeordneten Elektrodenanschluss verbundenen Elektrode, ausgestattet ist,

– die auf einer der Messmembran zugewandten Mantelfläche einer die Druckkammer begrenzenden Lage des jeweiligen Grundkörpers auf einer Isolationsschicht angeordnet ist, und
– die zusammen mit der Messmembran einen Kondensator mit einer von der druckabhängigen Auslenkung der Messmembran abhängigen Kapazität bildet.

Eine vierte Variante zeichnet sich dadurch aus, dass

– jeder Grundkörper jeweils zwei durch eine dazwischen angeordnete Isolationsschicht voneinander getrennte, jeweils aus einem Titanwafer gefertigte Lagen umfasst,
– in der membran-zugewandten Lage mindestens eines Grundkörpers ein durch die Lage hindurch bis zur Isolationsschicht führender zu einem Ring geschlossener Graben vorgesehen, der die membran-zugewandte Lage in einen inneren, eine Elektrode, insb. eine über eine auf einer Isolationsschicht durch eine durch den Grundkörper hindurch führende Druckzuleitung hindurch verlaufende Verbindungsleitung mit einem auf einer Außenseite des Grundkörpers angeordneten Elektrodenanschluss verbundene Elektrode, bildenden Bereich und einen davon getrennten äußeren, mit der Messmembran verbundenen Randbereich unterteilt, und
– jede Elektrode zusammen mit der Messmembran einen Kondensator mit einer von der druckabhängigen Auslenkung der Messmembran abhängigen Kapazität bildet.

Weiter umfasst die Erfindung eine Druckmesseinrichtung mit einem einen erfindungsgemäßen MEMS-Drucksensor umfassenden Verbund, die sich dadurch auszeichnet, dass

– der Verbund für jeden Grundkörper des MEMS-Drucksensors jeweils einen über eine Fügung, insb. eine Schweißung, mit einer membran-abgewandten Stirnseite des jeweiligen Grundkörpers verbundenen, den MEMS-Drucksensors tragenden Stützkörper umfasst,
– jeder Grundkörper auf dessen von der Messmembran abwandten Stirnseite jeweils eine Oberflächenschicht aus Titan aufweist, und
– jeder Stützkörper aus Titan besteht oder eine aus Titan bestehende dem MEMS-Drucksensor zugewandte Oberflächenschicht aufweist.

Eine Weiterbildung der Druckmesseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass

– jeder Stützkörper eine Isolationsschicht umfasst, auf der die über die Fügung mit dem zugehörigen Grundkörper verbundene, aus Titan bestehende Oberflächenschicht des Stützkörper angeordnet ist, und/oder
– jeder Grundkörper jeweils eine Isolationsschicht umfasst, auf der die über die Fügung mit dem zugehörigen Stützkörper verbundene, aus Titan bestehende Oberflächenschicht des Grundkörpers angeordnet ist.

Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer MEMS-Drucksensoren, dass sich dadurch auszeichnet, dass

– aus einem einzigen Titanwafer oder aus einem eine der Anzahl der Lagen der zu fertigenden Grundkörper entsprechenden Anzahl von jeweils über eine Isolationsschicht miteinander verbundenen Titanwafer umfassenden Verbund Grundkörper einschließlich der darin eingeschlossenen Druckkammern, insb. durch die Grundkörper hindurch verlaufende, in der Druckkammer mündende Druckzuleitungen umfassende Grundkörper, gefertigt werden, und
– die mit den Messmembranen zu verbindenden Lagen der vorgefertigten Grundkörper im Waferverbund mit einem die Messmembranen bildenden Titanwafer verbunden werden,
– wobei die äußeren Ränder dieser Lagen entweder unmittelbar, insb. durch Löten, Schweißen oder reaktives Bonden, oder unter Zwischenfügung einer Isolationsschicht, insb. einer als Beschichtung, insb. durch Abscheidung aus der Gasphase, auf einen der Titanwafer aufgebrachten Isolationsschicht, mit den äußeren Rändern der Messmembran verbunden, insb. durch Thermokompressionsbonden verbundenen, werden.

Eine Weiterbildung dieses Verfahrens zur Herstellung von MEMS-Drucksensoren gemäß der zweiten Variante zeichnet sich dadurch aus, dass die im Waferverbund gefertigten MEMS-Drucksensoren derart aus dem Verbund herausgelöst, insb. mittels eines Lasers herausgeschnitten oder mittels eines Stanzwerkzeugs herausgestanzt, werden, dass sie eine in der Draufsicht kreisförmige Grundfläche aufweisen.
Erfindungsgemäße aus Titanwafern gefertigte MEMS-Drucksensoren bieten den Vorteil, dass sie unter Verwendung von im Waferverbund ausführbaren Verfahren, wie z.B. Ätzverfahren, Beschichtungsverfahren, Metallisierungsverfahren und Fügeverfahren, z.B. Bondverfahren, auf kostengünstige Weise im Waferverbund herstellt werden können. Dabei weisen sie aufgrund der zu deren Herstellung verwendeten Titanwafer eine deutlich höhere mechanische Stabilität, insb. eine höhere Berstfestigkeit und eine höhere Überlastfestigkeit, auf, als aus Siliziumwafern gefertigte MEMS-Drucksensoren. Darüber hinaus bieten sie im Hinblick auf dynamische Überlasten, bei denen die Messmembran sich zeitlich sehr schnell verändernden Druckbelastungen ausgesetzt ist, den Vorteil, dass Titan deutlich weniger spröde ist als Halbleiter. Aus Titanwafern gefertigte Messmembranen sind somit deutlich besser in der Lage dynamischen Druckbeaufschlagungen und damit verbundenen Spannungsspitzen zu widerstehen, als Halbleitersensoren mit im Vergleich zu Titanmembranen relativ spröden Siliziummembranen.
Darüber hinaus bieten die aus Titanwafern gefertigten mikromechanischen Komponenten erfindungsgemäßer MEMS-Drucksensoren den Vorteil, dass sie sowohl mit im Waferverbund ausführbaren Fügeverfahren, wie z.B. Bondverfahren, mit weiteren aus Titanwafern gefertigten Sensorkomponenten, als auch mit aus der klassischen Metallverarbeitung bekannten Fügeverfahren, wie z.B. dem Laserstrahlschweißen, mit makromechanischen, metallischen, vorzugsweise Titan umfassenden Bauteilen verbunden werden können. Dabei bietet die Materialgleichheit im Bereich der Fügungen den Vorteil, dass an den Schnittstellen von der Mikrowelt zur Makrowelt identische Werkstoffe aneinander angrenzen. Hierdurch werden auf die Messmembran übertragbare, durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten bedingte thermomechanische Spannungen weitgehend vermieden.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen fünf Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Um Komponenten von teilweise sehr unterschiedlicher Baugröße darstellen zu können, wurde weitgehend auf eine maßstabsgetreue Darstellung verzichtet.
1 zeigt: einen Absolut- oder Relativdrucksensor;
2 zeigt: eine Draufsicht auf einen Differenzdrucksensor mit einlagigen, als Elektroden dienenden Grundkörpern;
3 zeigt: den MEMS-Drucksensor von 2 im Schnitt entlang der in 2 angezeigten Schnittlinie;
4 zeigt: einen Differenzdrucksensor mit einlagigen mit einer Elektroden ausgestatteten Grundkörpern;
5 zeigt: einen Differenzdrucksensor mit mehrlagigen Grundkörpern;
6–9 zeigen: Verfahren zur Herstellung der MEMS-Drucksensoren von 1, 3, 4 und 5;
10 zeigt: ein Druckmesseinrichtung mit zwei den Drucksensor von 3 tragenden Stützkörpern;
11 zeigt: eine Druckmesseinrichtung mit einem eine Abwandlung des Drucksensor von 1 tragenden Stützkörper;
12 zeigt: eine Absolut- oder Relativdruckmesseinrichtung; und
13 zeigt: eine Differenzdruckmesseinrichtung.
Die Erfindung betrifft MEMS-Drucksensoren, insb. Absolut-, Relativ- oder Differenzdrucksensoren, mit mindestens einem Grundkörper und einer mit jedem Grundkörper jeweils unter Einschluss einer Druckkammer verbundenen, mit einem zu messenden Druck beaufschlagbaren und durch den darauf einwirkenden Druck auslenkbaren Messmembran. Erfindungsgemäße MEMS-Drucksensoren zeichnen sich dadurch aus, dass deren Messmembranen aus einem Titanwafer gefertigte Messmembranen sind und deren Grundkörper jeweils mindestens eine aus einem Titanwafer gefertigte Lage umfassen.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen MEMS-Drucksensors 1 mit einer unter Einschluss einer Druckkammer 3 mit einem aus einem einzigen Titanwafer gefertigten, einlagigen Grundkörper 5 verbundenen, aus einem Titanwafer gefertigten Messmembran 7. Der MEMS-Drucksensors 1 kann als Absolutdrucksensor ausgebildet sein. In dem Fall ist die unter der Messmembran 7 eingeschlossene Druckkammer 3 evakuiert, so dass ein auf die Außenseite der Messmembran 7 einwirkender Druck p eine vom zu messenden Absolutdruck abhängige Auslenkung der Messmembran 3 bewirkt. Alternativ kann der MEMS-Drucksensor 1 eine durch den Grundkörper 5 hindurch verlaufende, in der Druckkammer 3 mündende, in 1 als Alternative gestrichelt eingezeichnete Druckzuleitung 9 umfassen, über die die Innenseite der Messmembran 7 mit einem Referenzdruck p_ref, z.B. einem Umgebungsdruck, beaufschlagbar ist, bezogen auf den der auf die Außenseite der Messmembran 7 einwirkende Druck p gemessen werden soll.
Die 2 bis 5 zeigen drei Ausführungsbeispiele von als Differenzdrucksensor ausgebildeten erfindungsgemäßen MEMS-Drucksensoren 11, 13, 15, die jeweils eine zwischen zwei aus Titanwafern gefertigten Grundkörpern 17, 19, 21 angeordnete, mit jedem der beiden Grundkörper 17, 19, 21 jeweils unter Einschluss einer Druckkammer 3 verbundene, aus einem Titanwafer gefertigte Messmembran 7 aufweisen. 2 zeigt eine Draufsicht auf den in 3 im Schnitt entlang der in 2 gezeigten Schnittlinie A-A' dargestellten Differenzdrucksensor. Die 4 und 5 zeigen jeweils Schnittzeichnungen der MEMS-Drucksensoren 13, 15 entlang einer Schnittlinie, die in der Draufsicht auf den jeweiligen Sensor einen der in 2 dargestellten Schnittlinie A-A' entsprechenden Verlauf aufweist. Bei Differenzdrucksensoren ist in den Grundkörpern 17, 19, 21 jeweils eine durch den Grundkörper 17, 19, 21 hindurch verlaufende, in der unter der Messmembran 7 eingeschlossenen Druckkammer 3 mündende Druckzuleitung 9 vorgesehen, über die die jeweilige Seite der Messmembran 7 mit einem der beiden Drücke p₁, p₂, deren Differenz dem zu messenden Differenzdruck p entspricht, beaufschlagbar ist.
Die Grundkörper 5, 17, 19 der in 1 bis 4 dargestellten MEMS-Drucksensoren 1, 11, 13 sind jeweils einlagige, aus einem einzigen Titanwafer gefertigte Grundkörper 5, 17, 19. Die Grundkörper 21 des in 5 dargestellten MEMS-Drucksensors 15 umfassen zwei, jeweils aus einem Titanwafer gefertigte Lagen 23, 25, die über eine zwischen den beiden Lagen 23, 25 angeordnete Isolationsschicht 27 miteinander verbunden sind.
Messmembran 7 und Grundkörper 5, 17, 19, 21 erfindungsgemäßer MEMS-Drucksensoren 1, 11, 13, 15 sind vorzugsweise im Waferverbund hergestellte Komponenten und besonders bevorzugt auch im Waferverbund miteinander verbundene Komponenten. Dabei werden in einem ersten Verfahrensabschnitt aus einem Titanwafer einlagige Grundkörper 5 bzw. aus einem eine der Anzahl der Lagen der zu fertigenden Grundkörper 21 entsprechenden Anzahl von über Isolationsschichten 27 miteinander verbundene Titanwafer umfassenden Verbund mehrlagige Grundkörper 21 einschließlich der darin eingeschlossenen Druckkammern 3, sowie der ggfs. vorzusehenden Druckzuleitungen 9 gefertigt. Dabei werden zur Herstellung der Messmembranen 7 je nach Druckmessbereich Titanwafer mit einer der Dicke der Messmembranen 7 entsprechenden Waferdicke von 10 µm bis 1000 µm eingesetzt. Zur Herstellung einlagiger Grundkörper 5, 17, 19 wird vorzugsweise ein Titanwafer mit einer Waferdicke von 300 µm bis zu mehreren Millimetern oder sogar im Zentimeterbereich eingesetzt. Bei der Herstellung mehrlagiger Grundkörper 21 werden zur Herstellung von deren inneren Lagen vorzugsweise Titanwafer mit einer Waferdicke von 10 µm bis 1000 µm eingesetzt, während zur Herstellung von deren membran-abgewandten äußeren Lagen Titanwafer mit einer Waferdicke von 10 µm bis 1000 µm oder sogar im Zentimeterbereich eingesetzt werden können.
In einem zweiten Verfahrensabschnitt werden die vorgefertigten Grundkörper 5, 17, 19, 21 über ein im Waferverbund ausgeführtes Fügeverfahren mit einem die Messmembranen 7 bildenden Titanwafer verbunden. Dabei werden die äußeren Ränder der einzigen bzw. der membran-zugewandten Lagen der Grundkörper 5, 17, 19, 21 entweder unmittelbar oder über zwischen deren äußeren Rändern und den äußeren Rändern der Messmembranen 7 angeordnete Isolationsschichten 29 miteinander verbunden. Eine unmittelbare Verbindung ist in 1 dargestellt. Über Isolationsschichten 29 ausgeführte Verbindungen sind in den 2 bis 5 dargestellt.
Die Isolationsschichten 29 bestehen z.B. aus Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃), und werden vorzugsweise als Beschichtung, vorzugsweise durch Abscheidung aus der Gasphase, im Waferverbund auf die entsprechenden Bereiche eines der beiden zu verbinden Titanwafer aufgebracht. Dabei weisen die Isolationsschichten 29 vorzugsweise eine Schichtdicke von 0,1 µm bis 2 µm auf.
Zur Fügung von unter Zwischenfügung von Isolationsschichten 29 mit einander zu verbindenden Messmembranen 7 und Grundkörpern 17, 19, 21 eignen sich z.B. Thermokompressionsbondverfahren. Dabei werden die Fügeflächen des Titanwafers und die Fügeflächen der auf den damit zu verbindenden Titanwafer aufgebrachten Isolationsschichten 29 vorzugweise jeweils mit einer Hilfsschicht, z.B. einer Goldschicht, beschichtet, die Fügepartner aufeinander angeordnet und unter Druck auf eine Fügetemperatur erwärmt.
Zur Fügung von unmittelbar mit einander zu verbindenden Titanwafern eignen sich z.B. Lötverfahren und Schweißverfahren, z.B. Wolfram-Inertgas-Schweißverfahren (WIG) oder Laserschweißverfahren, wie z.B. mit einem gepulsten Neodym-dotierten Yttrium Aluminium Granat Laser (Nd:YAG-Laser) ausgeführte Schweißverfahren. Alternativ können Bondverfahren, insb. unter Zwischenfügung einer Hilfsschicht, insb. einer Goldschicht, ausgeführte Thermokompressionsbondverfahren, sowie reaktive Bondverfahren eingesetzt werden. Beim reaktiven Bonden können unter anderem auch unter Zwischenfügung von reaktiven Mehrschichtsystemen ausgeführte Bondverfahren eingesetzt werden, bei denen auf einem oder beiden Fügepartnern ein Mehrschichtsystem aus aufeinander angeordneten Nano-Layern aus miteinander stark exotherm reagierenden Reaktionspartnern, wie z.B. Titan und Aluminium oder Titan und Silizium aufgebracht wird, das dann mittels einer Aktivierungsenergie zur Reaktion gebracht wird.
Erfindungsgemäße MEMS-Drucksensoren sind somit kostengünstig im Waferverbund herstellbar und weisen aufgrund deren aus Titanwafern gefertigten Messemembranen 7 und Grundkörpern 5, 17, 19, 21 eine hohe Berstfestigkeit und eine hohe Überlastfestigkeit, sowohl gegenüber statischen als auch gegenüber dynamischen Überlasten auf.
Die Überlastfestigkeit erfindungsgemäßer MEMS-Sensoren 1, 11, 13 kann noch weiter verbessert werden, in dem die Grundkörper 5, 17, 19 jeweils eine die darin eingeschlossene Druckkammer 3 begrenzende Lage umfassen, in der ein einer Biegekontour der Messmembran 7 nachempfundenes Membranbett 31 vorgesehen ist. Beispiele hierzu sind in den 1 bis 4 dargestellt. Diese Membranbetten 31 werden vorzugsweise hergestellt, indem zur Erzeugung der die Druckkammern 3 bildenden Ausnehmungen in dem jeweiligen Titanwafer ein Ätzverfahren eingesetzt wird, mit dem Ausnehmungen mit entsprechend der Biegekontour geformten Mantelflächen erzeugt werden können. Hierzu eignen sich insb. reaktive Ionenätzverfahren, wie sie beispielsweise in der US2007/0037170 A1 beschrieben sind.
Erfindungsgemäße MEMS-Drucksensoren können mit unterschiedlichen Arten elektromechanischer Wandler, wie z.B. kapazitiven oder piezoresistiven Wandlern, ausgestattet sein. Der in 1 als ein Beispiel dargestellte piezoresisitive Wandler umfasst eine auf der Außenseite der Messmembran 7 aufgebrachte Isolationsschicht 33, auf der pieozoresistive Elemente 35, z.B. zu einer Widerstandsmessbrücke zusammengeschaltete piezoresistive Elemente 35, angeordnet sind, über die die druckabhängige Auslenkung der Messmembran 7 erfasst und mittels einer an den Wandler anschließbaren Messschaltung E in ein den zu messenden Druck p wiedergebendes elektrisches Signal umgewandelt werden kann.
Bei der Herstellung der in 1 dargestellten MEMS-Drucksensoren 1 wird vorzugsweise auf die anhand von 6 dargestellte Weise derart Verfahren, dass in Verfahrensschritt a) aus einem Titanwafer Grundkörper 5 gefertigt werden, indem in dem durch Anwendung von zum Ätzen von Titan geeigneten Ätzverfahren die Druckkammern 3, sowie die ggfs. in den Grundkörpern 5 vorzusehenden Druckzuleitungen 9 bildende Ausnehmungen erzeugt werden. Zur Erzeugung der Druckzuleitungen 9 eignen sich z.B. anisotrope Ätzverfahren, wie z.B. das unter der Abkürzung MARIO (Metal Anisotropic Reaktive Ion Echting with Oxidation) bekannte Verfahren, sowie der im Journal of the Electrochemical Societey, 152 (52) C675–C685, im Jahr 2005 unter dem Titel ‘Inductively Coupled Plasma Echting of Bulk Titanium for MEMS Applications‘‚ erschienenen Veröffentlichung von E. R. Parker, B. J. Thibeault, M: F. Aimi, M. P. Rao und N. C. MacDonald beschriebene TIDE-Prozess. Mit diesen Verfahren können Ausnehmungen mit vergleichsweise hohem Aspektverhältnis erzeugt werden. Diese Verfahren können auch zur Erzeugung der Druckkammern 3 eingesetzt werden. Vorzugsweise werden hierzu jedoch die oben genannten reaktiven Ionenätzverfahren eingesetzt, mit denen in den die Druckkammern 3 begrenzenden Lagen der Biegekontur der Messemembran 7 entsprechende Membranbetten 31 erzeugt werden.
Anschließend wird ein zweiter, die Messmembranen 7 der Sensoren bildender Titanwafer auf die oben beschriebene Weise mit dem ersten Titanwafer verbunden. Verfahrensschritt b) zeigt hierzu eine unmittelbare Verbindung der Wafer. Verfahrensschritt b‘) zeigt als Alternative eine unter Zwischenfügung von in einem vorgeschalteten Beschichtungsverfahren auf den die Grundkörper 5 umfassenden oder den die Messmembranen 7 umfassenden Titanwafer aufgebrachten Isolationsschichten 29 ausgeführte Verbindung.
Danach werden in Verfahrensschritt c) die Isolationsschichten 33 auf die Außenseiten der Messmembranen 7 als vollflächige Beschichtung auf die Außenseite des die Messmembranen 7 umfassenden Titanwafers aufgebracht. Auch diese Isolationsschichten 33 bestehen z.B. aus Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃), und werden vorzugsweise durch Abscheidung aus der Gasphase erzeugt.
Anschließend werden in Verfahrensschritt d) die pieozoresistiven Elemente 35 auf den Isolationsschichten 33 erzeugt. Hierzu können zur Herstellung piezoresistiver Elemente auf Halbleitersensoren auf Siliziumbasis verwendete Verfahren eingesetzt werden. Entsprechende Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt und daher hier nicht im Detail beschrieben. Abschließend werden die im Waferverbund gefertigten Drucksensoren z.B. durch Sägen entlang der in 6 angezeigten Schnittlinien vereinzelt.
Der kapazitive Wandler des in 2 und 3 dargestellten MEMS-Drucksensors 11 umfasst mindestens einen, vorzugsweise zwei, jeweils durch die Messmembran 7 und die als Elektrode dienende, einteilige Lage eines der beiden einlagigen Grundkörper 17 gebildeten Kondensator. Jeder dieser Kondensatoren weist jeweils eine von der druckabhängigen Auslenkung der Messmembran 7 abhängige Kapazität auf, die mittels einer an den Wandler anschließbaren Messschaltung E erfasst und in ein den zu messenden Differenzdruck wiedergebendes elektrisches Signal umgewandelt werden kann. Diese Wandlerform kann analog auch in Verbindung mit mehrlagigen Grundkörpern eingesetzt werden, indem deren membran-zugewandte einteilige Lage als Elektrode genutzt wird. In beiden Fällen bewirken die Isolationsschichten 29 zwischen der Messmembran 7 und den Grundkörpern 17 eine elektrische Isolation der Messmembran 7 gegenüber der als Elektrode genutzten Lage des jeweiligen Grundkörpers 17.
Dabei ist jeder eine als Elektrode dienende Lage aufweisende Grundkörper 17 vorzugsweise mit einem Elektrodenanschluss 37 zur Kontaktierung der Elektrode ausgestattet und es ist mindestens ein Membrananschluss 39 zur Kontaktierung der durch Messmembran 7 gebildeten Gegenelektrode vorgesehen. Die Membran- und Elektrodenanschlüsse 37, 39 sind vorzugsweise als von einer Außenseite des Drucksensors 11 her zugängliche Anschlüsse ausgebildet. Dabei bieten die durch die einteilige Lage gebildeten Elektroden den Vorteil, dass die Elektrodenanschlüsse 37 unmittelbar auf einer Außenseite der Lage angeordnet werden können, ohne dass hierzu die Montage des MEMS-Drucksensors 11 behindernde, über membran-abgewandten Stirnseiten des Sensors verlaufende Verbindungsleitungen erforderlich sind. Dort können die Elektrodenanschlüsse 37 z.B. auf einer Mantelfläche einer zur membran-abgewandten Stirnseite des jeweiligen Grundkörpers 17 hin offenen, im äußeren Rand des jeweiligen Grundkörpers 17 vorgesehenen Aussparung 41 angeordnet sein, wo sie beispielsweise als Metallisierung auf die Außenseite der als Elektrode genutzten, einteiligen Lage aufgebracht sind.
Analog sind auch die Membrananschlüsse 39 vorzugsweise auf einer Mantelfläche einer zur membran-abgewandten Stirnseite des jeweiligen Grundkörpers 17 hin offenen, einen Randbereich der Messmembran 7 freigebenden Aussparung 43 im äußeren Rand des jeweiligen Grundkörpers 17 angeordnet. Dabei sind die Membrananschlüsse 39 vorzugsweise als Metallisierung auf eine auf die Mantelflächen der Aussparung 43 aufgebrachte, den jeweiligen Membrananschluss 39 gegenüber der Lage des Grundkörpers 17 isolierende Isolationsschicht 45 aufgebracht, die sich bis zu dem durch die Aussparung 43 frei gelegten Randbereich der Messmembran 7 erstreckt.
Die durch die Messmembran 7 und die Lage jeweils eines der beiden Grundkörper 15 gebildeten Kondensatoren umfassen jeweils einen inneren Kondensator mit einer vom auf die Messmembran 7 einwirkenden Druck abhängigen Kapazität, dessen Kondensatorflächen im Wesentlichen gleich der Kreisfläche des kreisscheibenförmigen, auslenkbaren Bereichs der Messmembran 7 sind, und einen äußeren Kondensator mit im Wesentlichen konstanter Kapazität, dessen Kondensatorflächen im Wesentlichen gleich der Fläche des mit den Lagen der Grundkörper 15 verbundenen äußeren Randes der Messmembran 7 sind. Aus dem Stand der Technik bekannten Halbleitersensoren auf Siliziumbasis weisen in der Regel eine in der Draufsicht quadratische Grundfläche auf. Im Unterschied hierzu, weist der in 2 und 3 dargestellte MEMS-Drucksensors 11 vorzugsweise eine in der Draufsicht kreisförmige Grundfläche auf. Dabei bietet die sehr hohe mechanische Stabilität von aus Titanwafern gefertigten Messmembranen 7 und Grundkörpern 17 den Vorteil, dass bereits eine vergleichsweise geringe Kreisringbreite b des mit den Lagen der Grundkörper 17 verbundenen kreisringscheibenförmigen Randes der Messmembran 7 ausreicht, um eine in ausreichendem Maße druckfeste Fügung zwischen der Messmembran 7 und den Grundkörpern 15 zu gewährleisten. Je größer die Fläche des kreisscheibenförmigen, auslenkbaren Bereichs der Messmembran 7 im Verhältnis zu der Fläche des starren äußeren kreisringscheibenförmigen Randes der Messmembran 7 ist, umso größer sind auch die durch die druckabhängige Auslenkung der Messmembran 7 bewirkten Kapazitätsänderungen im Vergleich zur Gesamtkapazität des jeweiligen Kondensators und dem entsprechend auch die mit dem Sensor erzielbare Messgenauigkeit. Dabei ist je nach Druckmessbereich bereits eine Kreisringbreite b von größer gleich 100 µm ausreichend, um eine druckfeste Einspannung einer Messmembran 7 mit einem auslenkbaren Bereich mit einem Durchmesser von bis zu 5 mm, vorzugsweise von 1 mm bis 5 mm, zwischen den beiden Grundkörpern 17 sicher zu stellen. Dabei bieten Messmembranen 7 aus Titan den Vorteil, dass sie weicher als vergleichbare Siliziummembranen und somit eine größere druckabhängige Auslenkung erfahren, was ebenfalls zur Erhöhung der Messempfindlichkeit beiträgt.
Auch bei der in 7 dargestellten Herstellung der in 2 und 3 dargestellten MEMS-Drucksensoren 11 werden in Verfahrensschritt a) aus einem Titanwafer durch Anwendung der o.g. Ätzverfahren Grundkörper 17 hergestellt. Dabei werden neben den die Druckzuleitungen 9 und die Druckkammern 3 bildenden Aussparungen vorzugsweise auch die am äußeren Rand der MEMS-Sensoren 11 vorzusehenden Aussparungen 41, 43 für die Membran- und Elektrodenanschlüsse 37, 39 erzeugt. Bei sehr dicken Grundkörpern 17 können entsprechend tiefe Aussparungen oder Ausnehmungen durch Bohren oder eine Kombination von Bohren und Ätzen erzeugt werden.
Danach werden in Verfahrensschritt b) auf der in den fertigen Sensoren den Messmembranen 7 zugewandte Seite des Titanwafers und den Mantelflächen der für die Membrananschlüsse 39 vorgesehenen Aussparungen 43 die Isolationsschichten 29, 45 erzeugt, z.B. durch Abscheidung aus der Gasphase aufgebracht. Im darauf folgenden Verfahrensschritt c) wird ein zweiter, die Messmembranen 7 der zu fertigenden Sensoren bildender Titanwafer auf die oben beschriebene Weise mit dem mit den Isolationsschichten 29 versehenen ersten Titanwafer verbunden. Anschließend werden in Verfahrensschritt d) die Elektrodenanschlüsse 37 und die Membrananschlüsse 39 auf die Grundkörper 15 aufgebracht. Parallel dazu oder im Anschluss wird ein zweiter Satz Grundkörper 15 anhand der Verfahrensschritte a) bis c) gefertigt, der dann mit dem am Ende von Verfahrensschritt d) bereit stehenden Verbund mit dem bereits zur Ausführung von Verfahrensschritt c) verwendeten Fügeverfahren verbunden und mit Elektroden- und Membrananschlüssen 37, 39 ausgestattet wird.
Abschließend werden die MEMS-Sensoren 15 aus dem Waferverband herausgelöst. Dabei werden MEMS-Sensoren 15 mit in der Draufsicht kreisförmiger Grundfläche vorzugsweise mittels eines Lasers aus dem Waferverbund herausgeschnitten oder mittels eines Stanzwerkzeugs aus dem Waferverbund herausgestanzt.
Der in 4 dargestellte MEMS-Drucksensor 15 unterscheidet sich von dem in den 2 und 3 darstellten MEMS-Drucksensor 11 dadurch, dass mindestens einer der beiden auch hier einlagigen Grundkörper 19, vorzugsweise beide Grundkörper 19 jeweils mit einer Elektrode 47 ausgestattet ist, die auf einer die Druckkammer 3 begrenzenden, der Messmembran 7 zugewandten Mantelfläche der einzigen bzw. der membran-zugewandten Lage des jeweiligen Grundkörpers 19 auf einer Isolationsschicht 49 angeordnet ist. Jede Elektrode 47 ist jeweils über eine auf einer Isolationsschicht 51 durch die Druckzuleitung 9 im jeweiligen Grundkörper 19 hindurch nach außen geführten Verbindungsleitung 53 mit einem auf der Isolationsschicht 51 angeordneten Elektrodenanschluss 37 verbunden. Dabei sind die Elektrodenanschlüsse 37 auch hier vorzugsweise in einer am Rand des MEMS-Drucksensors 13 im Grundkörper 19 vorgesehenen Aussparung 41 angeordnet. Die Elektroden 47 sind durch die Isolationsschichten 49, 51 elektrisch gegenüber den Grundkörpern 19 isoliert und bilden zusammen mit der als Gegenelektrode dienenden Messmembran 7 einen Kondensator mit einer von der vom Differenzdruck abhängigen Auslenkung der Messmembran 7 abhängigen Kapazität. Analog zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel ist auch hier mindestens ein Membrananschluss 39 vorgesehen, der beispielsweise identisch zu dem in 3 dargestellten Membrananschluss 39 ausgebildet und angeordnet sein kann. Im Unterschied zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel umfassen diese Kondensatoren keinen Teilkondensator mit konstanter Kapazität, so dass diese Drucksensoren ohne weiteres einen Randbereich mit größerer Randbreite b und/oder eine in der Draufsicht quadratische Grundfläche aufweisen können.
Bei der in 8 dargestellten Herstellung dieser MEMS-Drucksensoren 13 werden in Verfahrensschritt a) unter Verwendung der i.V.m. 7 genannten Verfahren die Grundkörper 19, einschließlich der Druckzuleitungen 9, der Druckkammern 3 und der Aussparungen 41, 43 für die Membran- und Elektrodenanschlüsse 37, 39 gefertigt. Anschließend werden in Verfahrensschritt b) alle im Waferverbund in diesem Stadium zugänglichen Oberflächen der Grundkörper 19 mit einer in den fertigen Sensoren die Isolationsschichten 29, 45, 49 und 51 bildenden Isolationsschicht beschichtet. In Verfahrensschritt c) werden die Elektroden 47, deren Verbindungsleitungen 53 und die Elektrodenanschlüsse 37 als Metallisierung auf die entsprechenden Oberflächen der Isolationsschicht aufgebracht. Nachfolgend wird der auf diese Weise vorbereitete Titanwafer in Verfahrensschritt d) mit einem die Messmembranen 7 bildenden Titanwafer verbunden und in Verfahrensschritt e) mit den vorzugsweise als Metallisierung aufgebrachten Membrananschlüssen 39 ausgestattet. Parallel hierzu oder im Anschluss daran wird ein zweite Satz Grundkörper 19 gemäß den Verfahrensschritten a) bis d) gefertigt, der dann in Verfahrensschritt f) mit dem am Ende von Verfahrensschritt e) zur Verfügung stehenden Verbund verbunden und im Anschluss mit Membrananschlüssen 39 ausgestattet wird. Abschließend werden die auf die Weise hergestellten MEMS-Drucksensoren 13 beispielsweise durch Sägen entlang der in 8 dargestellten Trennlinien vereinzelt.
Auch der in 5 dargestellte MEMS-Drucksensor 15 weist einen kapazitiven Wandler auf. Hierzu ist in der membran-zugewandte Lage 23 mindestens eines der beiden Grundkörper 21, vorzugsweise in beiden jeweils ein durch die Lage 23 hindurch bis zur Isolationsschicht 27 führender zu einem Ring geschlossener Graben 55 vorgesehen, der die membran-zugewandte Lagen 23 in einen inneren, als Elektrode 57 genutzten Bereich und einen davon getrennten äußeren, über die Isolationsschicht 29 mit der Messmembran 7 verbundenen Randbereich 59 unterteilt. Auch hier bildet jede der beiden Elektroden 57 zusammen mit der Messmembran 7 einen Kondensator mit einer vom auf die Messmembran 7 einwirkenden Differenzdruck abhängigen Kapazität. Die Elektroden 57 sind auch hier vorzugsweise über eine auf einer Isolationsschicht 51 durch die Druckzuleitung 9 hindurch verlaufenden Verbindungsleitung 53 mit einem auf einer Außenseite des Sensors angeordneten Elektrodenanschluss 37 verbunden und es ist mindestens ein leitend mit der Messmembran 7 verbundener Membrananschluss 39 vorgesehen.
Bei der in 9 dargestellten Herstellung dieser Drucksensoren wird vorzugsweise in Verfahrensschritt a) zunächst ein Titanwafer T mit einer Isolationsschicht I beschichtet, z.B. durch Abscheidung aus der Gasphase beschichtet, und mit einem zweiten ebenfalls mit einer Isolationsschicht I beschichteten Titanwafer T verbunden, z.B. durch Thermokompressionsbonden verbunden. Anschließend wird in Verfahrensschritt b) die äußere Isolationsschicht I bis auf die in den fertigen Sensoren die zwischen den Rändern der Messmembranen 7 und den Rändern 59 der membran-zugewandten Lagen 23 der Grundkörper 21 angeordneten Isolationsschichten 29 bildenden Bereiche entfernt. Letzteres kann z.B. mittels eines Trockenätzverfahrens oder einem nasschemischen Ätzverfahren erfolgen.
In Verfahrensschritt c) werden dann die durch die membran-zugewandten Lagen 23 hindurch verlaufenden Gräben 55, die Druckzuleitungen 9 und die Aussparungen 43 für die Membrananschlüsse 39 in den Grundkörpern 21 erzeugt. Hierzu werden vorzugsweise mehrstufige Ätzprozesse eingesetzt, mit denen die zu entfernenden Teilbereiche der Titanwafer mittels der oben genannten zum Ätzen von Titan geeigneten, anisotropen Ätzverfahren und die zu entfernenden Teilbereiche der zwischen den Titanwafern angeordneten Isolationsschicht durch ein zur selektiven Entfernung des Materials der Isolationsschicht geeignetes Ätzverfahren, wie z.B. dem reaktiven Ionenätzen (RIE) oder einem nasschemischen Ätzverfahren, entfernt werden.
In Verfahrensschritt d) werden auf die membran-abgewandten Stirnseiten der Grundkörper 21 und die Mantelflächen der Druckzuleitungen 9 unter Aussparung der die Elektroden 57 frei gebenden Teilbereiche die Isolationsschichten 51 aufgebracht. Anschließend wird der auf diese Weise vorgefertigte Verbund in Verfahrensschritt e) mit einem die Messmembranen 7 bildenden Titanwafer verbunden.
Parallel hierzu oder im Anschluss daran wird ein zweiter Satz Grundkörper 21 gemäß den Verfahrensschritten a) bis d) gefertigt, der dann in Verfahrensschritt f) mit dem am Ende von Verfahrensschritt e) zur Verfügung stehenden Verbund verbunden und in Verfahrensschritt g) mit den Membran- und Elektrodenanschlüssen 37, 39 ausgestattet wird.
Erfindungsgemäße MEMS-Drucksensoren 1, 11, 13, 15 umfassende Druckmesseinrichtungen umfassen vorzugsweise einen Verbund, der den jeweiligen MEMS-Drucksensor 1, 11, 13, 15 und für jeden Grundkörper 5, 17, 19, 21 des MEMS-Drucksensors 1, 11, 13, 15 jeweils einen über eine Fügung mit einer membran-abgewandten Stirnseite des jeweiligen Grundkörpers 5, 17, 19, 21 verbundenen, den MEMS-Drucksensors 1, 11, 13, 15 tragenden Stützkörper umfasst.
In Absolut- bzw. Relativdruckmesseinrichtungen umfasst ein solcher Verbund z.B. einen in 1 als eine mögliche Verwendungsvariante gestrichelt dargestellten sockelförmigen Stützkörper 61, auf dem der MEMS-Drucksensor 1 montiert ist. In Relativdruckmesseinrichtungen weist der Stützkörper 61 eine durch den Stützkörper 61 hindurch verlaufende Druckzuleitung 63 auf, die über die Druckzuleitung 9 im Grundkörper 5 mit der Druckkammer 3 verbunden ist. In Verbindung mit Differenzdrucksensoren umfasst ein solcher Verbund zwei Stützkörper 65, 67, die jeweils mit der membran-abgewandten Stirnseite eines der beiden Grundkörper 17, 17‘ verbunden sind. Diese umfassen jeweils eine durch den Stützkörper 65, 67 hindurch verlaufende, über die Druckzuleitung 9 im daran angrenzenden Grundkörper 17 mit der zugehörigen Druckkammer 3 verbundene Druckzuleitung 69. 10 zeigt einen solchen Verbund am Beispiel des in 2 und 3 dargestellten Differenzdrucksensors in einer durch die Aussparungen 41 für die Elektrodenanschlüsse 37 verlaufenden Schnittebene.
Hierzu werden vorzugsweise MEMS-Drucksensoren, wie z.B. die in den 1 bis 3 dargestellten Sensoren eingesetzt, deren aus Titanwafern gefertigten Grundkörper 5, 17 auf deren von der Messmembran 7 abwandten Stirnseiten jeweils eine Oberflächenschicht aus Titan aufweisen. In dem Fall bestehen auch die Stützkörper 61, 65, 67 vorzugsweise aus Titan oder weisen zumindest eine aus Titan bestehende dem MEMS-Drucksensor 1, 11 zugewandte Oberflächenschicht auf. Das bietet den Vorteil, dass die Fügeflächen von Grundkörper 5, 17 und Stützkörper 61, 65, 67 beide aus Titan bestehen und somit durch eine mechanisch extrem stabile und in hohem Maße druckfeste Fügung, wie z.B. eine Schweißung, miteinander verbunden werden können. Darüber hinaus bietet die Materialgleichheit der Fügepartner den Vorteil, dass im Bereich der Fügung keine durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten bedingte, über den Grundkörper 5, 17 auf die Messmembran 7 übertragbare Spannungen entstehen können, die sich nachteilig auf die Messgenauigkeit auswirken könnten.
Grundsätzlich besteht in Verbindung mit kapazitiven MEMS-Drucksensoren mit einlagigen Grundkörpern, deren einteilige Lage als Elektrode dient, die die Möglichkeit diese Elektroden aufgrund der elektrisch leitenden Fügungen zwischen der Lage und dem metallischen Stützkörper über einen mit dem Stützkörper verbundenen Elektrodenanschluss zu kontaktieren. Alternativ kann unabhängig von der Art des verwendeten elektromechanischen Wandlers ein hierzu komplementärer Ansatz verfolgt werden, bei dem die Grundkörper 5‘, 17‘ und/oder die Stützkörper 61, 67 jeweils mit einer den Wandler schützenden Isolationsschicht 71, 75 ausgestattet werden.
11 zeigt hierzu eine Abwandlung des in 1 dargestellten MEMS-Drucksensors 1, dessen Grundkörper 5‘ auf dessen membran-abgewandten Seite eine Isolationsschicht 71 aufweist, auf deren membran-abgewandten Seite eine aus einem Titanwafer gefertigte Oberflächenschicht 73 aus Titan vorgesehen ist. Diese Sensoren werden analog zu dem anhand von 6 beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellt, wobei als Ausgangspunkt für die Fertigung der Grundkörper 5‘ anstelle des in Verfahrensschritt a) gezeigten Titanwafers ein in 6a‘) dargestellter Verbund aus zwei über eine Isolationsschicht I miteinander verbundenen Titanwafern T verwendet wird.
Der in 6a‘) und in 7a‘) dargestellte Verbund kann analog kann auch zur Herstellung von Grundkörpern 17‘ einer entsprechenden, in der linken Hälfte von 10 gezeigten Abwandlung des in 2 und 3 dargestellten Differenzdrucksensors verwendet werden, dessen Grundkörper 17‘ ebenfalls eine Isolationsschicht 71 aufweisen, auf deren membran-abgewandten Seite eine aus einem Titanwafer gefertigte Oberflächenschicht 73 vorgesehen ist.
Ein Stützkörper 61, 67 mit einer darin integrierten Isolationsschicht 75, auf deren dem zugehörigen Grundkörper 5, 5‘, 17 zugewandten Seite eine Oberflächenschicht 77 aus Titan vorgesehen ist, ist in der rechten Hälfte von 10 dargestellt und in 11 als Option durch die dort gestrichelt dargestellte Isolationsschicht 75 veranschaulicht. Bei der Herstellung dieser Stützkörper 61, 67 werden der Stützkörperrumpf, die darauf anzuordnende Isolationsschicht 75 und die Oberflächenschicht 77 vorzugsweise als Einzelteile vorgefertigt, aufeinander angeordnet und, z.B. durch Kleben oder Aktivhartlöten, miteinander verbunden. Das bietet den Vorteil, dass im Stützkörper 61, 67 integrierte Isolationsschichten 75 eine deutlich größere Dicke, beispielsweise eine Dicke von mehreren Millimetern oder mehr, aufweisen können, als im MEMS-Drucksensor integrierte Isolationsschichten 71, deren Schichtdicke je nach Beschichtungsverfahren in der Regel kleiner gleich 5 µm ist.
12 zeigt als Beispiel eine Druckmesseinrichtung, in der der in 1 dargestellte Verbund auf einem Träger 79 montiert ist, der derart in ein Gehäuse 81 eingesetzt ist, dass der Träger 79 eine im Gehäuse 81 eingeschlossene, den MEMS-Drucksensor 1 außenseitlich allseitig umgebende Druckmesskammer 83 nach außen abschließt. Dabei wird die Druckmesskammer 83 und damit auch die Messmembran 7 vorzugsweise über eine der Druckmesskammer 83 vorgeschaltete Druckzufuhr, z.B. einen mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllten Druckmittler 85, mit dem vom MEMS-Drucksensor 1 zu erfassenden Druck p beaufschlagt.
13 zeigt als weiteres Beispiel eine Druckmesseinrichtung mit einem Gehäuse 87, in dem der in der rechten Hälfte von 10 dargestellte Verbund angeordnet ist. Bei dieser Druckmesseinrichtung ist den durch die Stützkörper 67 verlaufenden Druckzuleitungen 69 jeweils eine Druckzufuhr, z.B. ein mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllter Druckmittler 89, vorgeschaltet.
Bezugszeichenliste

1: MEMS-Drucksensor
3: Druckkammer
5: Grundkörper
7: Messmembran
9: Druckzuleitung
11: MEMS-Drucksensor
13: MEMS-Drucksensor
15: MEMS-Drucksensor
17: Grundkörper
19: Grundkörper
21: Grundkörper
23: Lage
25: Lage
27: Isolationsschicht
29: Isolationsschicht
31: Membranbett
33: Isolationsschicht
35: piezoresistives Element
37: Elektrodenanschluss
39: Membrananschluss
41: Aussparung
43: Aussparung
45: Isolationsschicht
47: Elektrode
49: Isolationsschicht
51: Isolationsschicht
53: Verbindungsleitung
55: Graben
57: Elektrode
59: Randbereich
61: Stützkörper
63: Druckzuleitung
65: Stützkörper
67: Stützköprer
69: Druckzuleitung
71: Isolationsschicht
73: Oberflächenschicht
75: Isolationsschicht
77: Oberflächenschicht
79: Träger
81: Gehäuse
83: Druckmesskammer
85: Druckmittler
87: Gehäuse
89: Druckmittler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10393941 B3 [0004]
DE 3827138 A1 [0004, 0005]
US 3618390 A [0008, 0010]
DE 102015101323 [0009]
US 2007/0037170 A1 [0050]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Journal of the Electrochemical Societey, 152 (52) C675–C685, im Jahr 2005 unter dem Titel ‘Inductively Coupled Plasma Echting of Bulk Titanium for MEMS Applications‘‚ erschienenen Veröffentlichung von E. R. Parker, B. J. Thibeault, M: F. Aimi, M. P. Rao und N. C. MacDonald beschriebene TIDE-Prozess. [0052]

Claims

MEMS-Drucksensor (1, 11, 13, 15), insb. Absolut-, Relativ- oder Differenzdrucksensor, mit – mindestens einem Grundkörper (5, 5', 17, 17', 19, 21) und – einer mit jedem Grundkörper (5, 5', 17, 17', 19, 21) jeweils unter Einschluss einer Druckkammer (3) verbundenen, mit einem zu messenden Druck (p, Δp) beaufschlagbaren, durch den darauf einwirkenden Druck (p, Δp) auslenkbaren Messmembran (7), dadurch gekennzeichnet, dass – die Messmembran (7) eine aus einem Titanwafer gefertigte Messmembran (7) ist, und – jeder Grundkörper (5, 5', 17, 17', 19, 21) mindestens eine aus einem Titanwafer gefertigte Lage umfasst.
MEMS-Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Grundkörper (5, 5', 17, 17') auf dessen von der Messmembran (7) abwandten Stirnseite eine Oberflächenschicht (73) aus Titan aufweist.
MEMS-Drucksensor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Oberflächenschicht (73) auf einer im jeweiligen Grundkörper (5', 17') integrierten Isolationsschicht (71) angeordnet ist.
MEMS-Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messmembran (7) eine aus einem Titanwafer mit einer Waferdicke von 10 µm bis 1000 µm hergestellte Messmembran (7) ist, und – jeder Grundkörper (5, 5', 17, 17', 19, 21) entweder jeweils ein aus einem einzigen Titanwafer, insb. einem Titanwafer mit einer Waferdicke von 10 µm bis 1000 µm oder eine Waferdicke im Zentimeterbereich, gefertigter einlagiger Grundkörper (5, 17, 19) ist oder jeweils ein aus Titanwafern hergestellter mehrlagiger Grundkörper (5', 17', 21) ist, insb. ein mehrlagiger Grundkörper (5', 17', 21), dessen Lagen (23, 25) über eine dazwischen angeordnete Isolationsschicht (27, 71) miteinander verbunden sind, insb. ein Grundkörper (5', 17', 21), der mindestens eine aus einem Titanwafern, insb. einem Titanwafer mit einer Waferdicke von 10 µm bis 1000 µm, hergestellte innere Lage umfasst und der eine aus einem Titanwafern, insb. einem Titanwafer mit einer Waferdicke von 10 µm bis 1000 µm oder einer Waferdicke im Zentimeterbereich, hergestellte, membran-abgewandte äußere Lage umfasst.
MEMS-Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – jeder Grundkörper (5, 5') eine aus einem Titanwafer gefertigte Lage umfasst, deren äußerer Rand unmittelbar mit einem äußeren Rand der Messmembran (7) verbunden ist, insb. durch Löten, Schweißen oder reaktives Bonden verbundenen ist, oder – jeder Grundkörper (17, 17', 19, 21) eine aus einem Titanwafer gefertigte Lage umfasst, deren äußerer Rand unter Zwischenfügung einer Isolationsschicht (29), insb. einer Isolationsschicht (29) aus Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃), insb. einer als Beschichtung, insb. durch Abscheidung aus der Gasphase, erzeugten Isolationsschicht (29), mit dem äußeren Rand der Messmembran (7) verbunden ist, insb. durch Thermokompressionsbonden verbundenen ist.
MEMS-Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Grundkörper (5, 5', 17, 17', 19) eine die darin eingeschlossene Druckkammer (3) begrenzende Lage umfasst, in der ein einer Biegekontour der Messmembran (7) nachempfundenes Membranbett (31), insb. ein durch ein Ätzverfahren, insb. ein reaktives Ionenätzverfahren, erzeugtes Membranbett (31), vorgesehen ist.
MEMS-Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Außenseite der Messmembran (7) eine Isolationsschicht (33), insb. eine Isolationsschicht (33) aus Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃), insb. eine als Beschichtung, insb. durch Abscheidung aus der Gasphase, erzeugte Isolationsschicht (33), vorgesehen ist, auf der pieozoresistive Elemente (35), insb. zu einer Widerstandsmessbrücke zusammengeschaltete piezoresistive Elemente (35), angeordnet sind.
MEMS-Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der vorgesehenen Grundkörper (17, 17') eine einzige oder eine der Messmembran (7) zugewandte als Elektrode dienende, einteilige Lage, insb. eine mit einem auf einer Außenseite der Lage angeordneten Elektrodenanschluss (37) ausgestattete Lage, umfasst, – die zusammen mit der Messmembran (7) einen Kondensator mit einer von der vom auf die Messmembran (7) einwirkenden Druck (Δp) abhängigen Auslenkung der Messmembran (7) abhängigen Kapazität bildet, und – deren äußerer Rand unter Zwischenfügung einer Isolationsschicht (29), insb. einer Isolationsschicht (29) aus Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃), insb. einer als Beschichtung, insb. durch Abscheidung aus der Gasphase, erzeugten Isolationsschicht (29), mit einem äußeren Rand der Messmembran (7) verbunden ist, insb. durch Thermokompressionsbonden verbundenen ist.
MEMS-Drucksensor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere, mit jedem Grundkörper (17, 17') verbundene Rand der Messmembran (7) ein kreisringscheibenförmiger Bereich der Messmembran (7) ist, insb. ein kreisringscheibenförmiger Bereich mit einer Kreisringbreite (b) von größer gleich 100 µm, der einen durch den auf die Messmembran (7) einwirkenden Druck auslenkbaren kreisscheibenförmigen Bereich der Messmembran (7), insb. einen kreisscheibenförmigen Bereich mit einem Durchmesser von bis zu 5 mm, insb. von 1 mm bis 5 mm, umgibt.
MEMS-Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Grundkörper (19) vorgesehen ist, der mit einer Elektrode (47), insb. einer über eine auf einer Isolationsschicht (51) durch eine durch den Grundkörper (19) hindurch führende, in der Druckkammer (3) mündende Druckzuleitung (9) nach außen geführte Verbindungsleitung (53) mit einem auf der Isolationsschicht (51) angeordneten Elektrodenanschluss (37) verbundenen Elektrode (47), ausgestattet ist, – die auf einer der Messmembran (7) zugewandten Mantelfläche einer die Druckkammer (3) begrenzenden Lage des jeweiligen Grundkörpers (19) auf einer Isolationsschicht (49) angeordnet ist, und – die zusammen mit der Messmembran (7) einen Kondensator mit einer von der druckabhängigen Auslenkung der Messmembran (7) abhängigen Kapazität bildet.
MEMS-Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – jeder Grundkörper (21) jeweils zwei durch eine dazwischen angeordnete Isolationsschicht (27) voneinander getrennte, jeweils aus einem Titanwafer gefertigte Lagen (23, 25) umfasst, – in der membran-zugewandten Lage (23) mindestens eines Grundkörpers (21) ein durch die Lage (23) hindurch bis zur Isolationsschicht (27) führender zu einem Ring geschlossener Graben (55) vorgesehen, der die membran-zugewandte Lage (23) in einen inneren, eine Elektrode (57), insb. eine über eine auf einer Isolationsschicht (51) durch eine durch den Grundkörper (21) hindurch führende Druckzuleitung (9) hindurch verlaufende Verbindungsleitung (53) mit einem auf einer Außenseite des Grundkörpers (21) angeordneten Elektrodenanschluss (37) verbundene Elektrode (57), bildenden Bereich und einen davon getrennten äußeren, mit der Messmembran (7) verbundenen Randbereich (59) unterteilt, und – jede Elektrode (57) zusammen mit der Messmembran (7) einen Kondensator mit einer von der druckabhängigen Auslenkung der Messmembran (7) abhängigen Kapazität bildet.
Druckmesseinrichtung mit einem einen MEMS-Drucksensor gemäß Anspruch 1 umfassenden Verbund, dadurch gekennzeichnet, dass – der Verbund für jeden Grundkörper (5, 5', 17, 17') des MEMS-Drucksensors (1, 11) jeweils einen über eine Fügung, insb. eine Schweißung, mit einer membran-abgewandten Stirnseite des jeweiligen Grundkörpers (5, 5', 17, 17') verbundenen, den MEMS-Drucksensors (1, 11) tragenden Stützkörper (61, 65, 67) umfasst, – jeder Grundkörper (5, 5', 17, 17') auf dessen von der Messmembran (7) abwandten Stirnseite jeweils eine Oberflächenschicht (73) aus Titan aufweist, und – jeder Stützkörper (61, 65, 67) aus Titan besteht oder eine aus Titan bestehende, dem MEMS-Drucksensor (1, 11) zugewandte Oberflächenschicht (77) aufweist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass – jeder Stützkörper (61, 67) eine Isolationsschicht (75) umfasst, auf der die über die Fügung mit dem zugehörigen Grundkörper (5, 5', 17) verbundene, aus Titan bestehende Oberflächenschicht (77) des Stützkörper (61, 67) angeordnet ist, und/oder – jeder Grundkörper (5', 17') jeweils eine Isolationsschicht (71) umfasst, auf der die über die Fügung mit dem zugehörigen Stützkörper (61, 65) verbundene, aus Titan bestehende Oberflächenschicht (73) des Grundkörpers (5', 17') angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung von MEMS-Drucksensoren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – aus einem einzigen Titanwafer oder aus einem eine der Anzahl der Lagen der zu fertigenden Grundkörper (21) entsprechenden Anzahl von jeweils über eine Isolationsschicht (27, 71) miteinander verbundenen Titanwafer umfassenden Verbund Grundkörper (5, 5', 17, 17', 19, 21) einschließlich der darin eingeschlossenen Druckkammern (3), insb. durch die Grundkörper (5, 5', 17, 17', 19, 21) hindurch verlaufende, in der Druckkammer (3) mündende Druckzuleitungen (9) umfassende Grundkörper (5, 5', 17, 17', 19, 21), gefertigt werden, und – die mit den Messmembranen (7) zu verbindenden Lagen der vorgefertigten Grundkörper (5, 5', 17, 17', 19, 21) im Waferverbund mit einem die Messmembranen (7) bildenden Titanwafer verbunden werden, – wobei die äußeren Ränder dieser Lagen entweder unmittelbar, insb. durch Löten, Schweißen oder reaktives Bonden, oder unter Zwischenfügung einer Isolationsschicht (29), insb. einer als Beschichtung, insb. durch Abscheidung aus der Gasphase, auf einen der Titanwafer aufgebrachten Isolationsschicht (29), mit den äußeren Rändern der Messmembran (7) verbunden, insb. durch Thermokompressionsbonden verbundenen, werden.
Verfahren gemäß Anspruch 14 zur Herstellung von MEMS-Drucksensoren (11) gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die im Waferverbund gefertigten MEMS-Drucksensoren (11) derart aus dem Verbund herausgelöst, insb. mittels eines Lasers herausgeschnitten oder mittels eines Stanzwerkzeugs herausgestanzt, werden, dass sie eine in der Draufsicht kreisförmige Grundfläche aufweisen.