DE102018119943A1 - pressure sensor - Google Patents

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DE102018119943A1
DE102018119943A1 DE102018119943.0A DE102018119943A DE102018119943A1 DE 102018119943 A1 DE102018119943 A1 DE 102018119943A1 DE 102018119943 A DE102018119943 A DE 102018119943A DE 102018119943 A1 DE102018119943 A1 DE 102018119943A1
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measuring membrane
pressure
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Timo Kober
René Ziermann
Benjamin Lemke
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Abstract

Drucksensor umfassend:der eine unter Einschluss einer ersten Druckkammer (1) auf einem ersten Grundkörper (3) angeordnete elektrische leitfähige Messmembran (5) umfasst, wobei ein der Messmembran (5) zugewandter Oberflächenabschnitt des ersten Grundkörpers (3) beabstandet von der Messmembran angeordnet ist, so dass die Messmembran (5) in Richtung des ersten Grundkörpers (3) auslenkbar ist,wobei sich in dem Bereich des Oberflächenabschnitts zumindest ein wenigstens teilweise mit einem Feststoff gefüllter erster Isolationsgraben (20) in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung zur Messmembran (5) vollständig durch den ersten Grundkörper (3) hindurch erstreckt, der einen als erste Elektrode (11) dienenden im Wesentlichen innenliegenden Teil des ersten Grundkörpers (3) von einem im Wesentlichen äußeren Teil des ersten Grundkörpers (3) elektrisch isoliert, so dass der als erste Elektrode (11) dienende innenliegende Teil und die elektrisch leitfähige Messmembran (5) eine in Abhängigkeit einer druckabhängigen Auslenkung der Messmembran (5) veränderliche erste Kapazität zum Ermitteln einer Druckmessgröße bilden.Pressure sensor comprising: which includes an electrically conductive measuring membrane (5) arranged on a first base body (3), including a first pressure chamber (1), a surface section of the first base body (3) facing the measuring membrane (5) being arranged spaced apart from the measuring membrane , so that the measuring membrane (5) can be deflected in the direction of the first base body (3), with at least one first isolation trench (20) at least partially filled with a solid in the area of the surface section in a substantially vertical direction to the measuring membrane (5) extends completely through the first base body (3), which electrically insulates an essentially inner part of the first base body (3) serving as the first electrode (11) from an essentially outer part of the first base body (3), so that it is the first Electrode (11) serving internal part and the electrically conductive measuring membrane (5) one in Ab dependence of a pressure-dependent deflection of the measuring membrane (5) form a variable first capacity for determining a pressure measurement variable.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor
der eine unter Einschluss einer ersten Druckkammer auf einem ersten Grundkörper angeordnete elektrische leitfähige Messmembran umfasst, die in einem Randbereich mit dem ersten Grundkörper druckdicht gefügt ist und deren dem ersten Grundkörper zugewandte Seite über eine durch den ersten Grundkörper hindurch verlaufende, in der ersten Druckkammer mündende Druckzuleitung mit einem ersten Druck beaufschlagbar ist, und deren vom ersten Grundkörper abgewandte Seite mit einem zweiten Druck beaufschlagbar ist,
wobei der Drucksensor ferner derartig ausgebildet ist, dass ein der Messmembran zugewandter Oberflächenabschnitt des ersten Grundkörpers beabstandet von der Messmembran angeordnet ist, so dass die Messmembran in Richtung des ersten Grundkörpers auslenkbar ist,The present invention relates to a pressure sensor
which includes an electrically conductive measuring membrane arranged on a first base body, including a first pressure chamber, which is joined in a pressure-tight manner in an edge region to the first base body and whose side facing the first base body via a pressure feed line running through the first base body and opening into the first pressure chamber can be acted upon with a first pressure, and its side facing away from the first base body can be acted upon with a second pressure,
wherein the pressure sensor is also designed such that a surface section of the first base body facing the measurement membrane is arranged at a distance from the measurement membrane, so that the measurement membrane can be deflected in the direction of the first base body,

Derartige Drucksensoren werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Drücken eingesetzt.Such pressure sensors are used in industrial measurement technology to measure pressures.

Drucksensoren der eingangs genannten Art umfassen als Referenzdrucksensoren und als Differenzdrucksensoren ausgebildete Drucksensoren. Diese Drucksensoren können z.B. als häufig auch als Halbleitersensoren, Sensor-Chips oder MEMS-Sensoren bezeichnete Drucksensoren ausgebildet sein, die unter Verwendung von aus der Halbleitertechnologie bekannten Prozessen hergestellt werden.Pressure sensors of the type mentioned initially include pressure sensors designed as reference pressure sensors and differential pressure sensors. These pressure sensors can e.g. can also be designed as pressure sensors, often also referred to as semiconductor sensors, sensor chips or MEMS sensors, which are produced using processes known from semiconductor technology.

MEMS-Sensoren sind Mikro-Elektromechanische Systeme, die zur messtechnischen Erfassung einer Messgröße, z.B. eines Drucks, eines Masse- oder eines Volumendurchflusses, einer Dichte, einer Viskosität, einer Temperatur, eines pH-Werts oder einer elektrischen Leitfähigkeit eingesetzt werden.MEMS sensors are micro-electromechanical systems that are used to record a measured variable, e.g. a pressure, a mass or a volume flow, a density, a viscosity, a temperature, a pH or an electrical conductivity.

MEMS-Sensoren werden regelmäßig aus aufeinander angeordneten Schichten, insb. Siliziumschichten, aufgebaut, und unter Verwendung von in der Halbleitertechnologie üblichen Verfahren, wie z.B. Ätzprozessen, Oxidationsverfahren, Implantationsverfahren, Bondverfahren und/oder Beschichtungsverfahren hergestellt. Dabei werden die einzelnen Schichten, sowie ggfs. zwischen benachbarten Schichten vorgesehene Verbindungsschichten, z.B. Isolationsschichten, entsprechend der ihnen im Sensor zukommenden Funktion präpariert bzw. strukturiert.MEMS sensors are regularly built up from layers arranged on top of one another, in particular silicon layers, and using methods customary in semiconductor technology, such as e.g. Etching processes, oxidation processes, implantation processes, bonding processes and / or coating processes. The individual layers, as well as connection layers provided between adjacent layers, e.g. Isolation layers, prepared or structured according to the function assigned to them in the sensor.

Beispielsweise ist in der DE 103 93 943 B3 und der DE 10 2015 103485 A1 jeweils ein kapazitiver Differenzdrucksensor beschrieben, der eine zwischen einem ersten und einem zweiten Grundkörper angeordnete, mit jedem der Grundkörper jeweils unter Einschluss einer Druckkammer druckdicht verbundene Messmembran umfasst. Die Messmembran ist mit der dem ersten Grundkörper zugewandten Seite über eine durch den ersten Grundkörper hindurch verlaufende Druckzuleitung mit einem ersten Druck beaufschlagbar, und mit der dem zweiten Grundkörper zugewandte Seite über eine durch den zweiten Grundkörper hindurch verlaufende Druckzuleitung mit einem zweiten Druck beaufschlagbar.For example, in the DE 103 93 943 B3 and the DE 10 2015 103485 A1 In each case, a capacitive differential pressure sensor is described, which comprises a measuring membrane arranged between a first and a second base body and connected pressure-tight to each of the base bodies, each including a pressure chamber. A first pressure can be applied to the measuring membrane with the side facing the first base body via a pressure feed line running through the first base body, and a second pressure can be applied to the side facing the second base body via a pressure feed line running through the second base body.

Die Messmembran ist in Form einer ersten Schicht, insbes. Siliziumschicht, ausgebildet, und zwischen den zwei Grundkörpern angeordnet. Jeder Grundkörper umfasst zwei außenseitig liegende elektrisch leitfähige Schichten, die durch eine innenliegende Isolationsschicht elektrisch voneinander getrennt sind, wobei jeweils eine der beiden elektrisch leitfähigen Schichten der beiden Grundkörper im gefügten Zustand zur Messmembran hin orientiert ist. Die zur Messmembran hin orientierten elektrisch leitfähigen Schichten weisen jeweils eine randseitig umlaufende Ausnehmung auf, die als Isolationsgraben dienen, um einen allseitig außenseitlich umgebenden äußeren Bereich von einem inneren Bereich zu unterteilen. Die inneren Bereiche dienen als Elektroden und sind jeweils durch eine mit dem Isolationsgraben verbundenen weiteren Ausnehmung in der inneren Schicht von der Messmembran beabstandet. Jede Elektrode bildet zusammen mit der als Gegenelektrode dienenden ersten Schicht einen Kondensator mit einer vom auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängigen Kapazität. The measuring membrane is in the form of a first layer, in particular a silicon layer, and is arranged between the two base bodies. Each base body comprises two electrically conductive layers on the outside, which are electrically separated from one another by an inner insulation layer, one of the two electrically conductive layers of the two base bodies being oriented toward the measuring membrane in the joined state. The electrically conductive layers oriented towards the measuring membrane each have a peripheral circumferential recess, which serve as an isolation trench in order to divide an outer region surrounding an outer region on all sides from an inner region. The inner areas serve as electrodes and are each spaced from the measuring membrane by a further recess in the inner layer connected to the isolation trench. Each electrode, together with the first layer serving as counterelectrode, forms a capacitor with a capacitance which is dependent on the pressure acting on the measuring membrane.

Derartige Differenzdrucksensor sind regelmäßig thermischen Belastungen aufgrund von Temperaturänderungen ausgesetzt, die zu inneren mechanischen Spannungen führen. Thermisch induzierte mechanische Spannungen treten dabei insbesondere an Stellen bzw. Grenzflächen auf, bei denen unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufeinandertreffen. Eine solche Grenzfläche stellt bei den in der DE 103 93 943 B3 und der DE 10 2015 103485 A1 beschriebenen kapazitiven Differenzdrucksensoren beispielsweise die Grenzfläche zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und der Isolationsschicht dar, sodass an dieser Stelle vermehrt Risse auftreten. Zusätzlich kommt bei den dort beschriebenen Drucksensoren hinzu, dass aufgrund der kantigen Formgebung im Bereich der Ausnehmungen besonders hohe mechanische Belastungen auftreten, da sich an harten Kanten sogenannte Kerbspannungen konzentrieren, die das Risiko von an dieser Stelle auftretenden Spannungsrisse oder sogar Spannungsbrüchen deutlcih erhöht.Such differential pressure sensors are regularly exposed to thermal loads due to temperature changes that lead to internal mechanical stresses. Thermally induced mechanical stresses occur in particular at locations or interfaces where different materials with different coefficients of thermal expansion meet. Such an interface represents in the DE 103 93 943 B3 and the DE 10 2015 103485 A1 described capacitive differential pressure sensors, for example, the interface between the electrically conductive layer and the insulation layer, so that cracks occur more frequently at this point. In addition, with the pressure sensors described there, there is particularly high mechanical loads due to the angular shape in the area of the recesses, since so-called notch stresses concentrate on hard edges, which significantly increases the risk of stress cracks occurring at this point or even stress fractures.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Drucksensor robusteren sowie einfacher herzustellenden und/oder kostengünstigeren Drucksensor bereitzustellen.The invention is therefore based on the object of being more robust and simpler than the pressure sensor known from the prior art to provide and / or provide less expensive pressure sensor.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß Patentanspruch 1.The object is achieved by the pressure sensor according to claim 1.

Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst:

  • der eine unter Einschluss einer ersten Druckkammer auf einem ersten Grundkörper angeordnete elektrische leitfähige Messmembran umfasst, die in einem Randbereich mit dem ersten Grundkörper druckdicht gefügt ist und deren dem ersten Grundkörper zugewandte Seite über eine durch den ersten Grundkörper hindurch verlaufende, in der ersten Druckkammer mündende Druckzuleitung mit einem ersten Druck beaufschlagbar ist, und deren vom ersten Grundkörper abgewandte Seite mit einem zweiten Druck beaufschlagbar ist,
  • wobei der Drucksensor ferner derartig ausgebildet ist, dass ein der Messmembran zugewandter Oberflächenabschnitt des ersten Grundkörpers beabstandet von der Messmembran angeordnet ist, so dass die Messmembran in Richtung des ersten Grundkörpers auslenkbar ist,
  • wobei sich in dem Bereich des Oberflächenabschnitts zumindest ein wenigstens teilweise mit einem Feststoff gefüllter erster Isolationsgraben in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung zur Messmembran vollständig durch den ersten Grundkörper hindurch erstreckt, der einen als erste Elektrode dienenden im Wesentlichen innenliegenden Teil des ersten Grundkörpers von einem im Wesentlichen äußeren Teil des ersten Grundkörpers elektrisch isoliert, so dass der als erste Elektrode dienende innenliegende Teil und die elektrisch leitfähige Messmembran eine in Abhängigkeit einer druckabhängigen Auslenkung der Messmembran veränderliche erste Kapazität zum Ermitteln einer Druckmessgröße bilden.
The pressure sensor according to the invention comprises:
  • which includes an electrically conductive measuring membrane arranged on a first base body, including a first pressure chamber, which is joined in a pressure-tight manner in an edge region to the first base body and whose side facing the first base body via a pressure feed line running through the first base body and opening into the first pressure chamber can be acted upon with a first pressure, and its side facing away from the first base body can be acted upon with a second pressure,
  • wherein the pressure sensor is also designed such that a surface section of the first base body facing the measurement membrane is arranged at a distance from the measurement membrane, so that the measurement membrane can be deflected in the direction of the first base body,
  • wherein, in the region of the surface section, at least one first isolation trench, which is at least partially filled with a solid, extends completely in a substantially vertical direction to the measuring membrane through the first base body, which essentially extends from an essentially inner part of the first base body serving as the first electrode The outer part of the first base body is electrically insulated, so that the inner part serving as the first electrode and the electrically conductive measuring membrane form a first capacitance, which is variable as a function of a pressure-dependent deflection of the measuring membrane, for determining a pressure measurement variable.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass auf einer dem ersten Grundkörper gegenüberliegenden Seite der Messmembran ein zweiter Grundkörper angeordnet ist, in dem unter der Messmembran eine zweite Druckkammer eingeschlossen ist, die über eine durch den zweiten Grundkörper hindurch verlaufende, in der zweiten Druckkammer mündende Druckzuleitung mit dem zweiten Druck beaufschlagbar ist, wobei der Drucksensor ferner derartig ausgebildet ist, dass ein der Messmembran zugewandter Oberflächenabschnitt des zweiten Grundkörpers beabstandet von der Messmembran angeordnet ist, so dass die Messmembran in Richtung des zweiten Grundkörpers auslenkbar ist, wobei sich in dem Bereich des Oberflächenabschnitts des zweiten Grundkörpers zumindest ein wenigstens teilweise mit einem Feststoff gefüllter zweiter Isolationsgraben in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung zur Messmembran vollständig durch den zweiten Grundkörper hindurch erstreckt, der einen als zweite Elektrode dienenden innenliegenden Teil des zweiten Grundkörpers von einem äußeren Teil des zweiten Grundkörpers elektrisch isoliert, so dass der als zweite Elektrode dienende innenliegende Teil und die elektrisch leitfähige Messmembran eine in Abhängigkeit der druckabhängigen Auslenkung der Messmembran veränderliche zweite Kapazität zum Ermitteln der Druckmessgröße bilden.An advantageous embodiment provides that a second base body is arranged on a side of the measurement membrane opposite the first base body, in which a second pressure chamber is enclosed under the measurement membrane, which also includes a pressure supply line running through the second base body and opening into the second pressure chamber can be acted upon by the second pressure, the pressure sensor also being designed such that a surface section of the second base body facing the measurement membrane is arranged at a distance from the measurement membrane, so that the measurement membrane can be deflected in the direction of the second base body, wherein in the region of the surface section of the second base body extends at least one second insulation trench at least partially filled with a solid in a substantially vertical direction to the measuring membrane completely through the second base body, which serves as a second electrode n the inner part of the second base body is electrically insulated from an outer part of the second base body, so that the inner part serving as the second electrode and the electrically conductive measuring membrane form a second capacitance which is variable as a function of the pressure-dependent deflection of the measuring membrane to determine the pressure measurement variable.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Feststoff Siliziumoxid und Polysilizium aufweist und vorzugsweise der erste und/oder zweite Isolationsgraben zumindest eine, insbesondere 0,5 - 2 µm dünne Schicht Siliziumoxid aufweist und der erste und/oder zweite Isolationsgraben ferner mit Polysilizium ausgefüllt ist.A further advantageous embodiment provides that the solid has silicon oxide and polysilicon and preferably the first and / or second isolation trench has at least one, in particular 0.5-2 μm thin layer of silicon oxide and the first and / or second isolation trench is further filled with polysilicon ,

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass zur elektrischen Kontaktierung der ersten und/oder zweiten Elektrode zumindest jeweils ein metallischer Elektrodenanschluss auf der von der Messmembran abgewandten Seite des ersten und/oder zweiten Grundkörpers aufgebracht ist, so dass der Elektrodenanschluss bzw. die Elektrodenanschlüsse die erste bzw. zweite Elektrode unmittelbar, d.h. insbesondere ohne weitere Zwischenschichten, elektrisch kontaktieren. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass der Elektrodenanschluss bzw. die Elektrodenanschlüsse auf dem innenliegenden Teil des ersten und/oder zweiten Grundkörpers angeordnet ist und/oder dass der Elektrodenanschluss bzw. die Elektrodenanschlüsse auf einem Steg, der sich von dem innenliegenden Teil des ersten und/oder zweiten Grundkörpers zu einer äußeren Kante des ersten und/oder zweiten Grundkörpers erstreckt und der ferner durch den ersten und/oder zweiten Isolationsgraben von dem äußeren Teil des ersten bzw. zweiten Grundkörpers elektrisch isoliert ist, angeordnet ist, so dass die elektrische Kontaktierung der ersten und/oder zweiten Elektrode im Bereich der äußeren Kante möglich ist.A further advantageous embodiment provides that for the electrical contacting of the first and / or second electrode, at least one metallic electrode connection is applied to the side of the first and / or second base body facing away from the measuring membrane, so that the electrode connection or the electrode connections is the first or second electrode directly, ie contact electrically, in particular without further intermediate layers. In particular, the configuration can provide that the electrode connection or the electrode connections is arranged on the inner part of the first and / or second base body and / or that the electrode connection or the electrode connections are arranged on a web which extends from the inner part of the first and / or or second base body extends to an outer edge of the first and / or second base body and which is further electrically insulated from the outer part of the first and second base body by the first and / or second isolation trench, so that the electrical contacting of the first and / or second electrode in the area of the outer edge is possible.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass zur elektrischen Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Messmembran zumindest ein metallischer Membrananschluss auf von der Messmembran abgewandten Seite des ersten und/oder zweiten Grundkörpers in dem äußeren Teil des ersten und/oder zweiten Grundkörpers aufgebracht ist, wobei der Membrananschluss über eine elektrisch leitende Membranverbindung, welche sich vorzugsweise im Wesentlichen in vertikaler Richtung zur Messmembran vollständig durch den ersten oder zweiten Grundkörper hindurch bis zu der Messmembran erstreckt, mit der Messmembran elektrisch verbunden ist.A further advantageous embodiment provides that, for the electrical contacting of the electrically conductive measuring membrane, at least one metallic membrane connection is applied to the side of the first and / or second base body facing away from the measuring membrane in the outer part of the first and / or second base body, the membrane connection being provided an electrically conductive membrane connection, which preferably extends essentially in the vertical direction to the measuring membrane completely through the first or second base body to the measuring membrane, is electrically connected to the measuring membrane.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung umfasst ferner eine Guard-Schaltung zum Einstellen und/oder Anlegen jeweils eines vorbestimmten Spannungspotentials an den Feststoff, insbesondere an das Polysilizium des Isolationsgrabens bzw. der Isolationsgräben. A further advantageous embodiment also includes a guard circuit for setting and / or applying a predetermined voltage potential to the solid, in particular to the polysilicon of the isolation trench or the isolation trenches.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung umfasst zumindest eine in den ersten und/oder zweiten Grundkörper eingebrachte Entspannungskerbe, um interne mechanische Spannungen zu reduzieren. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die zumindest eine Entspannungskerbe in einem sich zwischen einem Radius der Messmembran und einem Radius des ersten oder des zweiten Isolationsgrabens lateral erstreckenden Bereich in den ersten und/oder zweiten Grundkörper eingebracht ist, wobei die zumindest eine Entspannungskerbe vorzugsweise an den Randbereich angrenzt. Eine hierzu alternative Ausgestaltung sieht vor, dass die eingebrachte Entspannungskerbe durch den ersten und/oder zweiten Isolationsgraben gebildet wird und der erste und/oder zweite Isolationsgraben hierzu nur teilweise mit dem Feststoff befüllt ist.A further advantageous embodiment comprises at least one relaxation notch made in the first and / or second base body in order to reduce internal mechanical stresses. In particular, the embodiment can provide for the at least one relaxation notch to be introduced into the first and / or second base body in a region which extends laterally between a radius of the measuring membrane and a radius of the first or the second isolation trench, the at least one relaxation notch preferably being applied to the Border area. An alternative embodiment provides for the relaxation notch to be formed by the first and / or second isolation trench and for this purpose the first and / or second isolation trench is only partially filled with the solid.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

  • 1: einen Längsschnitt eines aus dem Stand der Technik bekannten Differenzdrucksensors,
  • 2: einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Differenzdrucksensors, und
  • 3: eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Differenzdrucksensors.
The invention is illustrated by the following drawings. It shows:
  • 1 a longitudinal section of a differential pressure sensor known from the prior art,
  • 2 : a longitudinal section through an embodiment of a differential pressure sensor, and
  • 3 : A top view of the embodiment of the differential pressure sensor according to the invention.

1 zeigt einen Längsschnitt eines aus dem Stand der Technik bekannten Differenzdrucksensors, der eine unter Einschluss einer ersten Druckkammer 1 auf einem ersten Grundkörper 3 angeordnete Messmembran 5 umfasst. Die dem ersten Grundkörper 3 zugewandte Seite der Messmembran 5 ist über eine durch den ersten Grundkörper 3 hindurch verlaufende, in der ersten Druckkammer 1 mündende Druckzuleitung 7 mit einem ersten Druck p1 beaufschlagbar. Zusätzlich umfasst der Differenzdrucksensor einen auf einer dem ersten Grundkörper 3 gegenüberliegenden Seite der Messmembran 5 angeordneten zweiten Grundkörper 3. Im zweiten Grundkörper 3 ist unter der Messmembran 5 eine zweite Druckkammer 1 eingeschlossen, die über eine durch den zweiten Grundkörper 3 hindurch verlaufende, in der zweiten Druckkammer 1 mündende Druckzuleitung 7 mit dem zweiten Druck p2 beaufschlagbar ist. 1 shows a longitudinal section of a differential pressure sensor known from the prior art, the one including a first pressure chamber 1 on a first base 3 arranged measuring membrane 5 includes. The first basic body 3 facing side of the measuring membrane 5 is over one through the first body 3 running through in the first pressure chamber 1 outlet pressure line 7 with a first press p1 acted upon. In addition, the differential pressure sensor includes one on the first base body 3 opposite side of the measuring membrane 5 arranged second base body 3 , In the second body 3 is under the measuring membrane 5 a second pressure chamber 1 enclosed by one through the second body 3 running through in the second pressure chamber 1 outlet pressure line 7 with the second print p2 is acted upon.

Der Drucksensor umfasst jeweils einen elektromechanischen Wandler, um die von der Differenz des ersten und des zweiten Drucks p1, p2 abhängige Durchbiegung der Messmembran 5 in eine elektrische Größe zu wandeln. Diese elektrische Größe kann mittels einer an den Wandler anzuschließenden, in 1 nicht dargestellten, Messelektronik messtechnisch erfasst und in ein von dem zu messenden Druck abhängiges elektrisches Signal umgewandelt werden, das dann zur Anzeige gebracht, als Messsignal ausgegeben und/oder für eine weitere Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung gestellt werden kann. Für gewöhnlich wird ein kapazitiver Wandler eingesetzt.The pressure sensor in each case comprises an electromechanical transducer to measure the difference between the first and the second pressure p1 . p2 dependent deflection of the measuring membrane 5 to convert into an electrical quantity. This electrical variable can be connected to the converter in 1 Measuring electronics (not shown) are measured and converted into an electrical signal dependent on the pressure to be measured, which can then be displayed, output as a measuring signal and / or made available for further processing and / or evaluation. A capacitive converter is usually used.

Hierfür umfasst der in 1 dargestellte Differenzdrucksensor einen kapazitiven Wandler, der eine im ersten Grundkörper 3 integrierte Elektrode 11 umfasst, die zusammen mit der leitfähigen Messmembran 5 einen Kondensator mit einer von der Durchbiegung der Messmembran 5 abhängigen Kapazität bildet. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann auch der zweite Grundkörper 3 eine im zweiten Grundkörper 3 integrierte Elektrode 11 umfassen, die zusammen mit der leitfähigen Messmembran 5 einen Kondensator mit einer von der Durchbiegung der Messmembran 5 abhängigen Kapazität bildet.For this, the in 1 Differential pressure sensor shown a capacitive converter, the one in the first body 3 integrated electrode 11 includes that together with the conductive measuring membrane 5 a capacitor with one of the deflection of the measuring membrane 5 dependent capacity forms. As an alternative or in addition to this, the second base body can also be used 3 one in the second body 3 integrated electrode 11 include that together with the conductive measuring membrane 5 a capacitor with one of the deflection of the measuring membrane 5 dependent capacity forms.

Der erste Druck p1 und der zweite Druck p2 werden jeweils durch ein unter dem jeweiligen Druck stehendes Medium zugeführt. So kann die Druckbeaufschlagung der beiden Druckkammern 1 des Differenzdrucksensors jeweils mittels eines an die jeweilige Druckzuleitung 7 angeschlossenen, mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit befüllten Druckmittlers erfolgen.The first print p1 and the second print p2 are fed through a medium under the respective pressure. So the pressurization of the two pressure chambers 1 of the differential pressure sensor in each case by means of a to the respective pressure feed line 7 connected diaphragm seal filled with a pressure-transmitting liquid.

Bei dem in 1 dargestellten Drucksensor wird der zur gegenseitigen Isolation erforderliche Abstand zwischen der Messmembran 5 und den in den Grundkörpern 3 integrierten Elektroden 11 dadurch erzielt, dass die Elektroden 11 eine geringere Schichtdicke aufweisen als der mit der Messmembran 5 verbundene Randbereich 21. Ergänzend oder alternativ kann der Abstand aber auch dadurch erzielt werden, dass zwischen der Messmembran 5 und dem damit verbundenen Randbereich 21 der jeweiligen membran-zugewandten Schicht 13 jeweils eine, ebenfalls in 1 dargestellte, Isolationsschicht 23 angeordnet ist.At the in 1 The pressure sensor shown is the distance between the measuring diaphragm required for mutual insulation 5 and that in the basic bodies 3 integrated electrodes 11 achieved by the electrodes 11 have a smaller layer thickness than that with the measuring membrane 5 connected edge area 21 , Additionally or alternatively, the distance can also be achieved by the fact that between the measuring membrane 5 and the associated border area 21 the respective membrane-facing layer 13 one each, also in 1 shown insulation layer 23 is arranged.

Alternativ können die Grundkörper jeweils einen anderen Schichtaufbau aufweisen, eine oder mehrere anders ausgestaltete Elektroden umfassen und/oder einen auf einem anderen Wandlerprinzip basierenden Wandler umfassen.Alternatively, the base bodies can each have a different layer structure, comprise one or more differently designed electrodes and / or comprise a converter based on a different converter principle.

Die Grundkörper 3 weisen ferner jeweils eine der Messmembran 5 zugewandte, im Wesentlichen planare Oberfläche 27 auf, deren Abstand zur Messmembran 5 derart bemessen ist, dass sich die Oberfläche 27 in einem Gleichgewichtszustand, bei dem die auf die beiden Seiten der Messmembran einwirkenden Drücke p1, p2 im Wesentlichen gleich groß sind, in einem Gleichgewichtsabstand von der Messmembran 5 befindet, der echt größer als ein maximaler, innerhalb eines für den Drucksensor vorgegebenen Druckmessbereichs auftretender erster Membranhub der Messmembran 5 ist, bei dem die Messmembran 5 in Richtung des ersten Grundkörpers 3 ausgelenkt wird. Der maximale erste Membranhub liegt bei einer Druckbeaufschlagung vor, bei der auf die Messmembran 5 ein einer ersten Messbereichsgrenze des Druckmessbereichs entsprechender Druck einwirkt, durch den die Messmembran 5 in Richtung des ersten Grundkörpers 3 ausgelenkt wird. Mit Membranhub wird vorliegend die axiale Auslenkung der Messmembranmitte aus deren Position im Gleichgewichtszustand entlang einer parallel zur Flächennormale auf die Messmembran durch die Membranmitte hindurch verlaufende Längsachse des Drucksensors bezeichnet.The basic body 3 also each have one of the measuring membrane 5 facing, essentially planar surface 27 on whose distance to the measuring membrane 5 is such that the surface 27 in a state of equilibrium, in which the pressures acting on the two sides of the measuring membrane p1 . p2 are essentially the same size, at an equilibrium distance from the measuring membrane 5 is located, which is really larger than a maximum first membrane stroke of the measuring membrane occurring within a pressure measuring range predetermined for the pressure sensor 5 is where the measuring membrane 5 towards the first body 3 is deflected. The maximum first diaphragm stroke is when pressure is applied to the measuring diaphragm 5 a pressure corresponding to a first measuring range limit of the pressure measuring range acts through which the measuring membrane 5 towards the first body 3 is deflected. In the present case, the membrane stroke denotes the axial deflection of the center of the measuring membrane from its position in the state of equilibrium along a longitudinal axis of the pressure sensor running parallel to the surface normal to the measuring membrane through the center of the membrane.

Der Gleichgewichtsabstand zwischen der Messmembran 5 und der Oberfläche 27 des ersten Grundkörpers 3 und/oder der Gleichgewichtsabstand zwischen der Messmembran 5 und der Oberfläche 27 des zweiten Grundkörpers 3 kann z.B. im Mikrometerbereich liegen, z.B. im Bereich von 0,5 µm bis 4 µm oder im Bereich von 1 µm bis 4 µm.The equilibrium distance between the measuring membrane 5 and the surface 27 of the first body 3 and / or the equilibrium distance between the measuring membrane 5 and the surface 27 of the second body 3 can be, for example, in the micrometer range, for example in the range from 0.5 µm to 4 µm or in the range from 1 µm to 4 µm.

Die Grundkörper 3 des aus dem Stand der Technik bekannten Differenzdrucksensors sind auf die in 1 dargestellte Weise ausgebildet. Hierbei weisen die Grundkörper 3 jeweils zwei sich im Wesentlichen parallel zur planaren Oberfläche 27 der Grundköper durch diesen erstreckende elektrisch leitfähige Schichten 13, 15 und jeweils eine zwischen den beiden Schichten 13, 15 angeordnete, die beiden Schichten 13, 15 elektrisch gegeneinander isolierende, sich ebenfalls im Wesentlichen parallel zur planaren Oberfläche 27 der Grundköper 3 durch diesen erstreckende, Isolationsschicht 17 auf. Für gewöhnlich werden derartige aufgebaute Grundköper in Form von sogenannten Silicon-on-Insulater-Wafern (SOI-Wafern) bereitgestellt und entsprechend der gewünschten Ausgestaltung mit in der Halbleiter- und/oder Mikrosystemtechnik bekannten Bearbeitungsverfahren prozessiert.The basic body 3 of the differential pressure sensor known from the prior art are based on the in 1 shown way trained. Here, the base body 3 two each essentially parallel to the planar surface 27 the basic body through this extending electrically conductive layers 13 . 15 and one between each of the two layers 13 . 15 arranged, the two layers 13 . 15 electrically insulating from each other, also essentially parallel to the planar surface 27 the basic body 3 through this extending insulation layer 17 on. Such basic structures are usually provided in the form of so-called silicon-on-insulator wafers (SOI wafers) and processed in accordance with the desired configuration using processing methods known in semiconductor and / or microsystem technology.

In der membran-zugewandten elektrisch leitfähigen Schicht 13 des ersten und des zweiten Grundkörpers 3 ist jeweils ein durch die jeweilige Schicht 13 hindurch bis zur Isolationsschicht 17 verlaufender ungefüllter Isolationsgraben 19 vorgesehen, der die membran-zugewandte Schicht 13 in einen inneren die Elektrode 11 bildenden Bereich und einen äußeren, den inneren Bereich außenseitlich allseitig umgebenden und von diesem elektrische isolierten, mit der Messmembran 5 verbundenen Randbereich 21 unterteilt.In the membrane-facing electrically conductive layer 13 of the first and the second body 3 is one by the respective layer 13 through to the insulation layer 17 running unfilled isolation trench 19 provided the layer facing the membrane 13 the electrode inside 11 forming area and an outer, surrounding the inner area on the outside on all sides and electrically isolated therefrom, with the measuring membrane 5 connected edge area 21 divided.

Zur elektrischen Kontaktierung der innen liegenden Elektroden 11 sind bei den aus dem Stand der Technik bekannten Differenzdrucksensoren die ersten Grundkörper mit einer Kontaktierungsleitung 43 versehen. Die Kontaktierungsleitungen 43 sind für gewöhnlich durch eine strukturierte Metallschicht mittels eines in der Halbleiter- und/oder Mikrosystemtechnik bekannten Sputterverfahrens auf eine Oberfläche der Grundkörper aufgebracht bzw. abgeschieden. Zur elektrischen Kontaktierung der innen liegenden Elektroden weisen diese jeweils eine an einem zur Druckleitung zugewandten Randbereich freigelegte Kontaktfläche auf, die jeweils durch die durch die membran-abgewandte Schicht 15 und die daran angrenzende Isolationsschicht 17 hindurch verlaufende Kontaktierungsleitung elektrisch verbunden sind. In 1 sind die Kontaktierungsleitungen lediglich exemplarisch von der innen liegenden Elektrode nach außen geführt, ohne dass die Kontaktierungsleitungen zu speziellen, insbesondere an einer Seitenfläche des Differenzdrucksensors befindlichem Kontaktierungsflächen bzw. Bondstellen geführt sind. Nachteilig an der aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Kontaktierung der innen liegenden Elektroden ist, dass aufgrund der Öffnungen der Druckzuleitungen 7 durch das Sputterverfahren das Metall auch teilweise auf der Messmembran abgeschieden wird. Ferner benötigt eine derartige elektrische Kontaktierung ein aufwendiges 3D Lithographie Verfahren, in dem die inneren Ränder der innen liegenden Elektroden 11, die die die Kontaktierungsleitung mit der Elektrode verbinden, freigelegt werden.For electrical contacting of the internal electrodes 11 are in the differential pressure sensors known from the prior art, the first base body with a contact line 43 Mistake. The contact lines 43 are usually applied or deposited on a surface of the base body by means of a structured metal layer by means of a sputtering process known in semiconductor and / or microsystem technology. For the electrical contacting of the internal electrodes, they each have an exposed contact area on an edge area facing the pressure line, each through the contact layer facing away from the membrane 15 and the adjacent insulation layer 17 through contacting line are electrically connected. In 1 the contacting lines are only led outward as an example from the inside electrode, without the contacting lines being led to special contacting areas or bonding sites, in particular located on a side face of the differential pressure sensor. A disadvantage of the electrical contacting of the internal electrodes known from the prior art is that due to the openings of the pressure supply lines 7 the metal is partly deposited on the measuring membrane by the sputtering process. Furthermore, such electrical contacting requires a complex 3D lithography process in which the inner edges of the internal electrodes 11 , which connect the contacting line to the electrode, are exposed.

2 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Aufbau eines kapazitiven Differenzdrucksensors, der ebenfalls eine unter Einschluss einer ersten Druckkammer 1 auf einem ersten Grundkörper 3 angeordnete Messmembran 5 und einen auf einer dem ersten Grundkörper 3 gegenüberliegenden Seite der Messmembran 5 angeordneten zweiten Grundkörper 3 umfasst. Die dem ersten Grundkörper 3 zugewandte Seite der Messmembran 5 ist ebenfalls über eine durch den ersten Grundkörper 3 hindurch verlaufende, in der ersten Druckkammer 1 mündenden Druckzuleitung 7 mit einem ersten Druck p1 und die dem zweiten Grundkörper 3 zugewandte Seite der Messmembran 5 über eine durch den zweiten Grundkörper 3 hindurch verlaufende, in der zweiten Druckkammer 1 mündenden Druckzuleitung 7 mit einem zweiten Druck p2 beaufschlagbar. 2 shows a longitudinal section through an inventive construction of a capacitive differential pressure sensor, which also includes a first pressure chamber 1 on a first base 3 arranged measuring membrane 5 and one on the first base body 3 opposite side of the measuring membrane 5 arranged second base body 3 includes. The first basic body 3 facing side of the measuring membrane 5 is also over one through the first body 3 running through in the first pressure chamber 1 mouth pressure line 7 with a first press p1 and the second basic body 3 facing side of the measuring membrane 5 over one through the second body 3 running through in the second pressure chamber 1 mouth pressure line 7 with a second press p2 acted upon.

Die Messmembran 5 ist ebenfalls in Form einer elektrisch leitfähigen Schicht ausgebildet, die bspw. ein Halbleitermaterial, insbesondere ein Silizium aufweist. Vorzugsweise ist die Messmembran 5 aus einem Silizium-Wafer hergestellt, der auf eine, einen gewünschten Druckmessbereich notwendige Dicke präpariert, insbesondere gedünnt wird. Die Messmembran 5 kann in Abhängigkeit von dem Druckmessbereich vorgegebene Membranstärke von beispielsweise 5 µm bis 500 µm und/oder eine durch den darauf einwirkenden Druck auslenkbare, z.B. kreisscheibenförmige, rechteckförmige oder quadratische, Membranfläche von 0,1 mm2 bis 20 mm2 aufweisen. Dabei können die auslenkbaren Membranflächen von unterschiedlichen Drucksensoren verschieden groß sein. So können derartige kapazitive Differenzdrucksensoren z.B. eine auslenkbare Membranfläche von größer gleich 1 mm2, z.B. von 1 mm2 bis 10 mm2, aufweisen.The measuring membrane 5 is also formed in the form of an electrically conductive layer which, for example, has a semiconductor material, in particular a silicon. The measuring membrane is preferred 5 made from a silicon wafer, which is prepared, in particular thinned, to a thickness necessary for a desired pressure measuring range. The measuring membrane 5 can, depending on the pressure measuring range, predetermined membrane thickness of, for example, 5 µm to 500 µm and / or through the pressure acting thereon can be deflected, for example circular disk-shaped, rectangular or square, membrane area from 0.1 mm2 to 20 mm2. The deflectable membrane surfaces of different pressure sensors can be of different sizes. Capacitive differential pressure sensors of this type can have, for example, a deflectable membrane area of greater than or equal to 1 mm 2, for example from 1 mm 2 to 10 mm 2.

Die Druckzuleitungen 7 weisen eine Querschnittsfläche auf, die z.B. kreisförmig, rechteckig oder quadratisch sein kann und/oder z.B. eine Größe von 100 µm2 bis 250000 µm2 aufweist. Diese vergleichsweise großen Querschnittsflächen bieten den Vorteil, dass die Druckzuleitungen 7 einen entsprechend geringen Strömungswiderstand aufweisen, so dass das zur Druckbeaufschlagung der Messmembran 5 verwendete Medium, insb. bei zeitlich sehr schnell erfolgenden Änderungen des zu messenden Drucks, praktisch ungehindert durch die Druckzuleitungen 7 hindurch strömen kann.The pressure lines 7 have a cross-sectional area, which can be, for example, circular, rectangular or square and / or have a size of 100 µm2 to 250,000 µm2, for example. These comparatively large cross-sectional areas offer the advantage that the pressure supply lines 7 have a correspondingly low flow resistance, so that this is for pressurizing the measuring membrane 5 Medium used, especially when the pressure to be measured changes very quickly, practically unhindered by the pressure supply lines 7 can flow through.

Zur Ermittlung einer Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p1 und p2 weist der Differenzdrucksensor ebenfalls einen kapazitiven Wandler auf, der zumindest einen Kondensator, bestehend aus der elektrisch leitfähigen Messmembran 5 und wenigstens einer Elektrode 11 einer der beiden Grundkörper 3, umfasst. Ergänzend kann der kapazitive Wandler, wie in 2 dargestellt, einen zweiten Kondensator aufweisen, der aus der elektrisch leitfähigen Messmembran 5 und einer weiteren Elektrode 11 des anderen Grundkörpers 3 gebildet wird.To determine a pressure difference between the first and the second pressure p1 and p2 the differential pressure sensor also has a capacitive transducer which has at least one capacitor consisting of the electrically conductive measuring membrane 5 and at least one electrode 11 one of the two basic bodies 3 , includes. In addition, the capacitive converter, as in 2 shown, have a second capacitor, which consists of the electrically conductive measuring membrane 5 and another electrode 11 of the other main body 3 is formed.

Im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Differenzdrucksensor wird die aus dem Grundkörper herauspräparierte Elektrode bzw. die Elektroden allerdings nicht durch eine sich im Wesentlichen parallel zu einer planaren Oberfläche des Grundkörpers verlaufende, durch den Grundkörper hindurch erstreckende Isolationsschicht und zusätzlich einem sich im Wesentlichen dazu vertikal erstreckenden ungefüllten Isolationsgraben begrenzt. Vielmehr ist die Elektrode bzw. sind die Elektroden erfindungsgemäß derartig ausgebildet, dass ein umlaufender sich im Wesentlichen vertikal durch den Grundkörper erstreckender mit einem Feststoff als Isolationsmaterial befüllter Isolationsgraben einen inneren Bereich, der die innere Elektrode umfasst, von einem äußeren Bereich, trennt. Der Isolationsgraben ist im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Drucksensoren zumindest teilweise mit einem Feststoff als Isolationsmaterial gefüllt. Der Feststoff kann beispielweise eine Siliziumoxidschicht und Polysilizium aufweisen. Hierbei kleidet die Siliziumoxidschicht den Isolationsgraben aus und der restliche Bereich ist zumindest teilweise mit Polysilizium aufgefüllt.In contrast to the differential pressure sensor known from the prior art, the electrode or the electrodes prepared from the base body is not, however, provided by an insulation layer which extends essentially parallel to a planar surface of the base body and extends through the base body and additionally an essentially bounded vertically extending unfilled isolation trench. Rather, the electrode or the electrodes are designed according to the invention in such a way that a circumferential insulation trench, which extends essentially vertically through the base body and is filled with a solid as insulation material, separates an inner region, which comprises the inner electrode, from an outer region. In contrast to the pressure sensors known from the prior art, the isolation trench is at least partially filled with a solid as the isolation material. The solid can have, for example, a silicon oxide layer and polysilicon. Here, the silicon oxide layer lines the isolation trench and the remaining area is at least partially filled with polysilicon.

Die Grundkörper 3 sind vorzugsweise aus einer einzigen Halbleiterschicht, bspw. einer Siliziumschicht, ausgebildet. Als Grundköper 3 kann hierbei beispielsweise ein einfacher Silizium-Wafer dienen, in den entsprechende Isolationsgräben eingebracht sind bzw. werden.The basic body 3 are preferably formed from a single semiconductor layer, for example a silicon layer. As basic body 3 For example, a simple silicon wafer can be used, in which corresponding isolation trenches are or are introduced.

Der zur gegenseitigen Isolation erforderliche Abstand zwischen der Messmembran 5 und den in den Grundkörpern 3 kann wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Drucksensoren entweder dadurch erzielt werden, dass die Elektroden 11 eine geringere Schichtdicke aufweisen als der mit der Messmembran 5 verbundene Randbereich 21. Ergänzend oder alternativ kann, wie in 2 dargestellt, zwischen der Messmembran 5 und dem damit verbundenen Randbereich 21 der jeweiligen membran-zugewandten Schicht 13 jeweils eine, vorzugsweise ein Siliziumoxid aufweisende Isolationsschicht 23 angeordnet sein.The distance between the measuring membrane required for mutual insulation 5 and that in the basic bodies 3 can be achieved, as in the case of the pressure sensors known from the prior art, either by the electrodes 11 have a smaller layer thickness than that with the measuring membrane 5 connected edge area 21 , Additionally or alternatively, as in 2 shown between the measuring membrane 5 and the associated border area 21 the respective membrane-facing layer 13 one insulation layer each, preferably having a silicon oxide 23 be arranged.

Aufgrund des in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Aufbaus des Drucksensors ist es ferner möglich, dass der befüllte Isolationsgraben derartig bemessen ist, dass sein Radius rIso unabhängig von dem Radius der Messmembran rMess variiert werden kann. Insbesondere kann der Radius des Isolationsgrabens, wie in 3 dargestellt, echt kleiner sein als der Radius der Messmembran rMess . Dies bietet den Vorteil, dass der befüllte Isolationsgraben an einer Stelle platziert werden kann, die hinsichtlich mechanischer Belastung nicht kritisch ist. Somit kann die Stelle der höchsten Belastung direkt an der Kante am Membranrand bspw. stabiles, monokristallines Silizium aufweisen, um hohe Stabilität zu gewährleisten, und der befüllte Isolationsgraben nach Innen versetzt angeordnet sein.Because of the in 2 illustrated construction of the pressure sensor according to the invention, it is also possible that the filled isolation trench is dimensioned such that its radius r Iso regardless of the radius of the measuring membrane r meas can be varied. In particular, the radius of the isolation trench, as in 3 shown to be really smaller than the radius of the measuring membrane r meas , This has the advantage that the filled isolation trench can be placed at a location that is not critical with regard to mechanical stress. Thus, the location of the highest load can have, for example, stable, monocrystalline silicon directly on the edge of the membrane edge, in order to ensure high stability, and the filled isolation trench can be arranged offset to the inside.

Ergänzend dazu kann in dem Bereich der sich lateral zwischen dem Radius der Messmembran rMess und dem Radius der Isolationsgraben rIso erstreckt und vorzugsweise an den Randbereich 21 angrenzt, eine Entspannungskerbe 24 in dem Grundkörper am Übergang zur Isolationsschicht 23 vorgesehen sein, um die internen mechanischen Spannungen weiter zu reduzieren. Es versteht sich von selbst, dass die oder der Grundkörper an jedem Übergang zu der Isolationsschicht 23 jeweils eine Entspannungskerbe aufweisen können.In addition, the area between the radius of the measuring membrane can be lateral r meas and the radius of the isolation trench r Iso extends and preferably to the edge area 21 adjacent, a relaxation notch 24 in the base body at the transition to the insulation layer 23 be provided to further reduce the internal mechanical stresses. It goes without saying that the base body or bodies at each transition to the insulation layer 23 can each have a relaxation notch.

Hinsichtlich der elektrischen Kontaktierung der innen liegenden Elektroden bedarf es bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Drucksensoren auch nicht mehr einem aufwendigen 3D Lithographie Verfahren, sondern lediglich der Abscheidung eines, bspw. metallischen Elektrodenanschlusses 43 auf der Oberfläche der Elektrode 11. Die Elektrode kann hierfür, wie in 3 dargestellt, mit einem Steg 26, der ebenfalls durch den befüllten Isolationsgraben 23 von dem nicht Elektrodenbereich isoliert ist, zur elektrischen Kontaktierung nach außen, d.h. zum Randbereich des Drucksensors, geführt sein. Zur elektrischen Kontaktierung der Messmembran 5 kann ein Membrananschluss 42 auf einer der der Messmembran abgewandten Oberfläche der beiden Grundkörper 3 vorgesehen sein. Vorzugsweise ist der Membrananschluss in dem Randbereich 21, in dem der Grundkörper mit der Messmembran 5 gefügt ist, angeordnet und mittels einer elektrisch leitenden Membranverbindung 41 durch den Grundkörper und ggfl. die Isolationsschicht hindurch zur Messmembran 5 hin kontaktiert. Alternativ kann die Messmembran 5 auch über einen seitlichen Membranschluss elektrisch kontaktiert werden.With regard to the electrical contacting of the internal electrodes, the embodiment of the pressure sensors according to the invention also no longer requires a complex process 3D Lithography process, but only the deposition of, for example, a metallic electrode connection 43 on the surface of the electrode 11 , The electrode can, as in 3 shown with a web 26 , which is also through the filled isolation trench 23 from the non-electrode area is insulated, for electrical contact to the outside, ie to the edge region of the pressure sensor. For electrical contacting of the measuring membrane 5 can be a membrane connector 42 on a surface of the two base bodies facing away from the measuring membrane 3 be provided. The membrane connection is preferably in the edge region 21 , in which the base body with the measuring membrane 5 is assembled, arranged and by means of an electrically conductive membrane connection 41 through the base body and if necessary. the insulation layer to the measuring membrane 5 contacted there. Alternatively, the measuring membrane 5 can also be electrically contacted via a lateral membrane connection.

Ferner kann der Feststoff mit dem der Isolationsgraben befüllt ist auf ein vorbestimmtes Potential gelegt werden. Hierfür kann eine entsprechende Guard-Schaltung 22 zum Einstellen und/oder Anlegen des Potentials an den Feststoff des Isolationsgrabens vorgesehen sein, wobei die Guard-Schaltung 22 mit dem Feststoff, insbesondere der Polysiliziumschicht durch eine elektrisch leitende Verbindung 25, bspw. eine strukturierte Metallisierungsschicht, entsprechend elektrisch kontaktiert ist. Um parasitäre Kapazitätseffekte zu vermeiden, kann das Potential aktiv dem Potential der Elektrode durch die Guard-Schaltung nachgeführt werden, so dass im Wesentlichen kein Spannungsabfall zwischen Elektrode und Isolationsgraben existiert.Furthermore, the solid with which the isolation trench is filled can be placed at a predetermined potential. A corresponding guard circuit can be used for this 22 be provided for setting and / or applying the potential to the solid of the isolation trench, the guard circuit 22 with the solid, in particular the polysilicon layer by an electrically conductive connection 25 , for example a structured metallization layer, is correspondingly electrically contacted. In order to avoid parasitic capacitance effects, the potential can actively track the potential of the electrode through the guard circuit, so that there is essentially no voltage drop between the electrode and the isolation trench.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Druckkammerpressure chamber
33
Grundkörperbody
55
Messmembranmeasuring membrane
77
Druckzuleitungpressure supply line
99
Sensorelementsensor element
1111
Elektrodeelectrode
1313
membran-zugewandte Schichtmembrane-facing layer
1515
membran-abgewandte Schichtmembrane facing away from the membrane
1717
Isolationsschichtinsulation layer
1919
Ungefüllter IsolationsgrabenUnfilled isolation trench
2020
mit Feststoff befüllter IsolationsgrabenIsolation trench filled with solid
2121
Randbereich, in dem der Grundkörper mit der Messmembran gefügt istEdge area in which the base body is joined to the measuring membrane
2222
Guard-SchaltungGuard circuit
2323
Isolationsschichtinsulation layer
2424
Entspannungskerberelaxation notch
2525
elektrisch leitende Verbindungelectrically conductive connection
2626
Steg zur elektrische Kontaktierung der MessmembranWeb for electrical contacting of the measuring membrane
2727
Oberflächesurface
4141
elektrisch leitende Membranverbindungelectrically conductive membrane connection
4242
Membrananschlussdiaphragm connection
4343
Elektrodenanschlusselectrode connection
rMess r meas
Radius MessmembranRadius measuring membrane
rIso r Iso
Radius IsolationsgrabenRadius isolation trench

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 10393943 B3 [0006, 0008]DE 10393943 B3 [0006, 0008]
  • DE 102015103485 A1 [0006, 0008]DE 102015103485 A1 [0006, 0008]

Claims (11)

Drucksensor umfassend: der eine unter Einschluss einer ersten Druckkammer (1) auf einem ersten Grundkörper (3) angeordnete elektrische leitfähige Messmembran (5) umfasst, die in einem Randbereich (21) mit dem ersten Grundkörper druckdicht gefügt ist und deren dem ersten Grundkörper (3) zugewandte Seite über eine durch den ersten Grundkörper (3) hindurch verlaufende, in der ersten Druckkammer (1) mündende Druckzuleitung (7) mit einem ersten Druck (p1) beaufschlagbar ist, und deren vom ersten Grundkörper (3) abgewandte Seite mit einem zweiten Druck (p2) beaufschlagbar ist, wobei der Drucksensor ferner derartig ausgebildet ist, dass ein der Messmembran (5) zugewandter Oberflächenabschnitt des ersten Grundkörpers (3) beabstandet von der Messmembran angeordnet ist, so dass die Messmembran (5) in Richtung des ersten Grundkörpers (3) auslenkbar ist, wobei sich in dem Bereich des Oberflächenabschnitts zumindest ein wenigstens teilweise mit einem Feststoff gefüllter erster Isolationsgraben (20) in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung zur Messmembran (5) vollständig durch den ersten Grundkörper (3) hindurch erstreckt, der einen als erste Elektrode (11) dienenden im Wesentlichen innenliegenden Teil des ersten Grundkörpers (3) von einem im Wesentlichen äußeren Teil des ersten Grundkörpers (3) elektrisch isoliert, so dass der als erste Elektrode (11) dienende innenliegende Teil und die elektrisch leitfähige Messmembran (5) eine in Abhängigkeit einer druckabhängigen Auslenkung der Messmembran (5) veränderliche erste Kapazität zum Ermitteln einer Druckmessgröße bilden.Pressure sensor comprehensive: which includes an electrically conductive measuring membrane (5) arranged on a first base body (3), including a first pressure chamber (1), which is joined to the first base body in a pressure-tight manner in an edge region (21) and whose side facing the first base body (3) A first pressure (p1) can be applied via a pressure supply line (7) running through the first base body (3) and opening into the first pressure chamber (1), and its side facing away from the first base body (3) can be subjected to a second pressure (p2 ) can be acted upon, wherein the pressure sensor is also designed such that a surface section of the first base body (3) facing the measurement membrane (5) is arranged at a distance from the measurement membrane, so that the measurement membrane (5) can be deflected in the direction of the first base body (3), wherein in the region of the surface section at least one first isolation trench (20) at least partially filled with a solid extends in a substantially vertical direction to the measuring membrane (5) completely through the first base body (3), which is a first electrode (11) serving the essentially inner part of the first base body (3) from an essentially outer part of the first base body (3), so that the inner part serving as the first electrode (11) and the electrically conductive measuring membrane (5) depending on a pressure-dependent deflection of the measuring membrane (5) form a variable first capacity for determining a pressure measurement variable. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei auf einer dem ersten Grundkörper (3) gegenüberliegenden Seite der Messmembran (5) ein zweiter Grundkörper (3) angeordnet ist, in dem unter der Messmembran (5) eine zweite Druckkammer (1) eingeschlossen ist, die über eine durch den zweiten Grundkörper (3) hindurch verlaufende, in der zweiten Druckkammer (1) mündende Druckzuleitung (7) mit dem zweiten Druck (p2) beaufschlagbar ist, wobei der Drucksensor ferner derartig ausgebildet ist, dass ein der Messmembran zugewandter Oberflächenabschnitt des zweiten Grundkörpers (3) beabstandet von der Messmembran angeordnet ist, so dass die Messmembran in Richtung des zweiten Grundkörpers auslenkbar ist, wobei sich in dem Bereich des Oberflächenabschnitts des zweiten Grundkörpers (3) zumindest ein wenigstens teilweise mit einem Feststoff gefüllter zweiter Isolationsgraben (20) in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung zur Messmembran (5) vollständig durch den zweiten Grundkörper (3) hindurch erstreckt, der einen als zweite Elektrode (11) dienenden innenliegenden Teil des zweiten Grundkörpers (3) von einem äußeren Teil des zweiten Grundkörpers (3) elektrisch isoliert, so dass der als zweite Elektrode (11) dienende innenliegende Teil und die elektrisch leitfähige Messmembran (5) eine in Abhängigkeit der druckabhängigen Auslenkung der Messmembran veränderliche zweite Kapazität zum Ermitteln der Druckmessgröße bilden.Pressure sensor after Claim 1 , A second base body (3) is arranged on a side of the measuring membrane (5) opposite the first base body (3), in which a second pressure chamber (1) is enclosed under the measuring membrane (5), said pressure chamber (1) passing through the second base body (3) running through, in the second pressure chamber (1) opening pressure supply line (7) can be acted upon by the second pressure (p2), the pressure sensor being further designed such that a surface section of the second base body (3) facing the measuring membrane is spaced from the measuring membrane is arranged so that the measuring membrane can be deflected in the direction of the second base body, wherein in the region of the surface section of the second base body (3) at least one second isolation trench (20) at least partially filled with a solid material is directed in a substantially vertical direction Measuring membrane (5) extends completely through the second base body (3), one as the second Electrode (11) serving the inner part of the second base body (3) from an outer part of the second base body (3), so that the inner part serving as the second electrode (11) and the electrically conductive measuring membrane (5) a depending on the pressure-dependent deflection of the measuring membrane to form a variable second capacity for determining the pressure measurement variable. Drucksensor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Feststoff Siliziumoxid und Polysilizium aufweist und vorzugsweise der erste und/oder zweite Isolationsgraben zumindest eine, insbesondere 0,5 - 2 µm dünne Siliziumoxidschicht aufweist und der erste und/oder zweite Isolationsgraben ferner mit Polysilizium ausgefüllt ist.Pressure sensor according to at least one of the preceding claims, wherein the solid has silicon oxide and polysilicon and preferably the first and / or second isolation trench has at least one, in particular 0.5-2 .mu.m thin silicon oxide layer and the first and / or second isolation trench is further filled with polysilicon , Drucksensor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur elektrischen Kontaktierung der ersten und/oder zweiten Elektrode (11) zumindest jeweils ein metallischer Elektrodenanschluss (43) auf von der Messmembran (5) abgewandten Seite des ersten und/oder zweiten Grundkörpers (3) aufgebracht ist, so dass der Elektrodenanschluss bzw. die Elektrodenanschlüsse die erste bzw. zweite Elektrode unmittelbar, d.h. insbesondere ohne weitere Zwischenschichten, elektrisch kontaktieren.Pressure sensor according to at least one of the preceding claims, wherein for the electrical contacting of the first and / or second electrode (11) at least one metallic electrode connection (43) is applied in each case to the side of the first and / or second base body (3) facing away from the measuring membrane (5) is such that the electrode connection or the electrode connections directly, ie contact electrically, in particular without further intermediate layers. Drucksensor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Elektrodenanschluss bzw. die Elektrodenanschlüsse (43) auf dem innenliegenden Teil des ersten und/oder zweiten Grundkörpers (3) angeordnet ist.Pressure sensor according to the preceding claim, wherein the electrode connection or the electrode connections (43) is arranged on the inner part of the first and / or second base body (3). Drucksensor nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Elektrodenanschluss bzw. die Elektrodenanschlüsse (43) auf einem Steg (26), der sich von dem innenliegenden Teil des ersten und/oder zweiten Grundkörpers zu einer äußeren Kante des ersten und/oder zweiten Grundkörpers (3) erstreckt und der ferner durch den ersten und/oder zweiten Isolationsgraben (20) von dem äußeren Teil des ersten bzw. zweiten Grundkörpers (3) elektrisch isoliert ist, angeordnet ist, so dass die elektrische Kontaktierung der ersten und/oder zweiten Elektrode (11) im Bereich der äußeren Kante möglich ist.Pressure sensor after Claim 4 or 5 , wherein the electrode connection or the electrode connections (43) on a web (26) which extends from the inner part of the first and / or second base body to an outer edge of the first and / or second base body (3) and which further extends through the first and / or second insulation trench (20) is electrically insulated from the outer part of the first or second base body (3), so that the electrical contacting of the first and / or second electrode (11) is in the region of the outer edge is possible. Drucksensor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur elektrischen Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Messmembran (5) zumindest ein metallischer Membrananschluss (43) auf von der Messmembran (5) abgewandten Seite des ersten und/oder zweiten Grundkörpers (3) in dem äußeren Teil des ersten und/oder zweiten Grundkörpers aufgebracht ist, wobei der Membrananschluss (43) über eine elektrisch leitende Membranverbindung (41), welche sich vorzugsweise im Wesentlichen in vertikaler Richtung zur Messmembran (5) vollständig durch den ersten oder zweiten Grundkörper (3) hindurch bis zu der Messmembran (5) erstreckt, mit der Messmembran elektrisch verbunden ist.Pressure sensor according to at least one of the preceding claims, wherein for the electrical contacting of the electrically conductive measuring membrane (5) at least one metallic membrane connection (43) on the side of the first and / or second base body (3) facing away from the measuring membrane (5) in the outer part of the First and / or second base body is applied, the membrane connection (43) via an electrically conductive membrane connection (41), which preferably extends essentially in the vertical direction to the measuring membrane (5) completely through the first or second base body (3) the measuring membrane (5) extends, is electrically connected to the measuring membrane. Drucksensor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Guard-Schaltung (22) zum Einstellen und/oder Anlegen jeweils eines vorbestimmten Spannungspotentials an den Feststoff, insbesondere an das Polysilizium des Isolationsgrabens bzw. der Isolationsgräben.Pressure sensor according to at least one of the preceding claims, further comprising a guard circuit (22) for setting and / or applying in each case a predetermined voltage potential to the solid, in particular to the polysilicon of the isolation trench or the isolation trenches. Drucksensor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest eine in den ersten und/oder zweiten Grundkörper (3) eingebrachte Entspannungskerbe (24), um interne mechanische Spannungen zu reduzieren.Pressure sensor according to at least one of the preceding claims, comprising at least one relaxation notch (24) made in the first and / or second base body (3) in order to reduce internal mechanical stresses. Drucksensor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zumindest eine Entspannungskerbe (24) in einem sich zwischen einem Radius der Messmembran (rMess) und einem Radius des ersten oder des zweiten Isolationsgrabens (riso) lateral erstreckenden Bereich in den ersten und/oder zweiten Grundkörper (3) eingebracht ist, wobei die zumindest eine Entspannungskerbe (24) vorzugsweise an den Randbereich (21) angrenzt.Pressure sensor according to the preceding claim, wherein the at least one relaxation notch (24) extends laterally into an area between a radius of the measuring membrane (r measuring ) and a radius of the first or second isolation trench (riso) in the first and / or second basic body ( 3) is introduced, the at least one relaxation notch (24) preferably adjoining the edge region (21). Drucksensor nach Anspruch 9, wobei die eingebrachte Entspannungskerbe (24) durch den ersten und/oder zweiten Isolationsgraben gebildet wird und der erste und/oder zweite Isolationsgraben (20) hierzu nur teilweise mit dem Feststoff befüllt ist.Pressure sensor after Claim 9 , wherein the relaxation notch (24) is formed by the first and / or second isolation trench and the first and / or second isolation trench (20) is only partially filled with the solid for this purpose.
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