DE102020101457A1

DE102020101457A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE102020101457A1
Application number: DE102020101457.0A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Lemke
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2021-07-22

Abstract

Es ist ein Drucksensor mit einer möglichst großen Berstfestigkeit und/oder einer möglichst großen Überlastfestigkeit beschrieben, der eine Messmembran (1) aus Silizium oder einem anderen thermisch oxidierbaren Werkstoff und einen oder zwei jeweils auf einer der beiden einander gegenüberliegenden Seiten der Messmembran (1) angeordnete Grundkörper (5a, 5b) aufweist, wobei jeder Grundkörper (5a, 5b) jeweils unter Einschluss einer Druckkammer (3) über ein die in dem jeweiligen Grundkörper (5a, 5b) eingeschlossene Druckkammer (3) außenseitlich umgebendes Verbindungselement (21) mit der Messmembran (1) verbunden ist. Zur Erzielung einer möglichst langen Einsatzdauer und insb. auch einer einfachen Herstellbarkeit des Drucksensors besteht jedes Verbindungselement (21) jeweils aus einem Material, in dem Sauerstoff bei einer Temperatur von größer gleich 800 °C eine Sauerstoffdiffusionsrate von größer gleich 0,01 µm/h aufweist. Zusätzlich ist in mindestens einer der Druckkammern (3) eine durch ein thermisches Oxidationsverfahren erzeugte Oxidschicht (23) angeordnet, die einen ersten Schichtbereich (25) umfasst, der sich über einen an eine Innenkante des die jeweilige Druckkammer (3) umgebenden Verbindungselements (21) angrenzenden Membranoberflächenbereich erstreckt, und die einen an den ersten Schichtbereich (25) angrenzenden ersten Ausläufer (27) umfasst, der sich in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran (1) verlaufender Richtung in einen zwischen einem inneren Randbereich des die jeweilige Druckkammer (3) begrenzenden Verbindungselements (21) und der Messmembran (1) angeordneten Bereich des Drucksensors hinein erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einer Messmembran aus Silizium oder einem anderen thermisch oxidierbaren Werkstoff und einem oder zwei jeweils auf einer der beiden einander gegenüberliegenden Seiten der Messmembran angeordneten Grundkörpern, wobei jeder Grundkörper jeweils unter Einschluss einer Druckkammer über ein die in dem jeweiligen Grundkörper eingeschlossene Druckkammer außenseitlich umgebendes Verbindungselement mit der Messmembran verbunden ist, und
wobei durch jeden Grundkörper jeweils ein Kanal hindurch verläuft, über den die darin eingeschlossene Druckkammer mit einem Druck beaufschlagbar ist.
Derartige in der Fachwelt auch als MEMS-Sensoren bekannte Drucksensoren werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Drücken eingesetzt.
MEMS-Sensoren bezeichnen als Mikro-Elektromechanische Systeme ausgebildete Sensoren. MEMS-Sensoren werden 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 in der Halbleitertechnologie üblicher Weise verwendeten Werkstoffen, wie z.B. Silizium oder Werkstoffen auf Siliziumbasis, hergestellt.
In der DE 10 2017 109 971 A1 ist ein als Differenzdrucksensor ausgebildeter Drucksensor beschrieben, mit einer Messmembran aus Silizium und zwei jeweils auf einer der beiden einander gegenüberliegenden Seiten der Messmembran angeordneten Grundkörpern,
wobei jeder Grundkörper jeweils unter Einschluss einer Druckkammer über ein die in dem jeweiligen Grundkörper eingeschlossene Druckkammer außenseitlich umgebendes Verbindungselement, z.B. eine Verbindungsschicht aus Siliziumdioxid, mit der Messmembran verbunden ist, und
wobei durch jeden Grundkörper jeweils ein Kanal hindurch verläuft, über den die darin eingeschlossene Druckkammer mit einem Druck beaufschlagbar ist.
Bei diesem Differenzdrucksensor führt jede durch einen auf die Messmembran einwirkenden Differenzdruck bedingte Auslenkung der Messmembran in eine von einem der Verbindungselemente abgewandte Richtung dazu, dass auf einen membran-zugewandten inneren Randbereich dieses Verbindungselement, sowie auf eine Innenkannte einer die Messmembran mit diesem Verbindungselement verbindenden Fügung Zug- und Scherkräfte ausgeübt werden. Fügungen weisen gegenüber auf deren Innenkanten einwirkenden Zug- und Scherbelastungen eine deutlich geringere Beständigkeit auf als gegenüber senkrecht zur Fügefläche gerichteten Druckbelastungen, die über die gesamte Fügefläche der Fügung verteilt wirken. Insofern stellen insbesondere, z.B. durch eine Fehlbedienung verursachte, einseitige Überlasten, bei denen eine Seite der Messmembran mit einem hohen Druck beaufschlagt wird, dem kein auf die gegenüberliegende Seite der Messmembran einwirkender Gegendruck entgegenwirkt, eine extreme Belastung der Innenkanten der Fügungen dar.
Immer wiederkehrend auf die Innenkanten dieser Fügungen ausgeübte Zug- und Scherkräfte können auf Dauer zu einer fortschreitenden häufig auch als Delamination bezeichneten Ablösung des Verbindungselements vom Membranrand führen. Darüber hinaus können sie dazu führen, dass sich in den Fügepartnern, insb. in den Verbindungselementen, Risse bilden, die mit der Zeit anwachsen, oder dass in den Fügepartnern bereits bestehende Mikrorisse mit der Zeit vergrößert werden. Diese nachteiligen Auswirkungen führen zu mit der Zeit immer größer werdenden Veränderungen der Messeigenschaften und einer zunehmenden Reduktion der Berstfestigkeit und der Überlastfestigkeit des Drucksensors und begrenzen somit die maximale Einsatzdauer, über die hinweg der Drucksensor eingesetzt werden kann.
Diesem Problem wird gemäß der DE 10 2017 109 971 A1 dadurch begegnet, dass die Messmembran auf deren einander gegenüberliegenden Seiten jeweils in einem an die Innenkante der Fügung zwischen Messmembran und Verbindungselement angrenzenden Bereich eine Einkerbung aufweist. Diese Einkerbungen bewirken, dass auf eine in Richtung eines der Verbindungselemente gerichtete druckabhängige Auslenkung der Messmembran zurück zu führende Spannungsmaxima nicht mehr unmittelbar an der Innenkante der das jeweils andere Verbindungselement mit der Messmembran verbindenden Fügung auftreten. Stattdessen werden die Spannungsmaxima aufgrund der an die Innenkante dieser Fügung angrenzenden Einkerbung in axialer, d.h. parallel zur Flächennormale auf die Messmembran, verlaufender Richtung von der Innenkante weg ins Innere der Messmembran hinein und in radialer, d.h. senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran, verlaufender Richtung von der Innenkante weg nach außen verlagert.
Nachteilig ist hier jedoch, dass zur Erzielung einer in beide Auslenkungsrichtungen möglichst symmetrischen Auslenkbarkeit der Messmembran eine hochpräzise Positionierung und Dimensionierung der Einkerbungen erforderlich ist. Außerdem kann mit der im Bereich der Einkerbungen verringerten Membranstärke der Messmembran je nach Dimensionierung der Messmembran unter Umständen eine verringerte Überlastfestigkeit und/oder eine verringerte Berstfestigkeit dieser Drucksensoren verbunden sein.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Drucksensor mit einer möglichst großen Berstfestigkeit und/oder einer möglichst großen Überlastfestigkeit anzugeben, der über eine möglichst lange Einsatzdauer hinweg zu betrieben werden kann, wobei der Drucksensor vorzugsweise auf einfache Weise herstellbar ist.
Hierzu umfasst die Erfindung einen Drucksensor mit einer Messmembran aus Silizium oder einem anderen thermisch oxidierbaren Werkstoff und einem oder zwei jeweils auf einer der beiden einander gegenüberliegenden Seiten der Messmembran angeordneten Grundkörpern,
wobei jeder Grundkörper unter Einschluss einer Druckkammer über ein die in dem jeweiligen Grundkörper eingeschlossene Druckkammer außenseitlich umgebendes Verbindungselement mit der Messmembran verbunden ist, und
wobei durch jeden Grundkörper jeweils ein Kanal hindurch verläuft, über den die darin eingeschlossene Druckkammer mit einem Druck beaufschlagbar ist,
der sich dadurch auszeichnet, dass
jedes Verbindungselement jeweils aus einem Material besteht, in dem Sauerstoff bei einer Temperatur von größer gleich 800 °C oder in einem Temperaturbereich von 800°C bis 1200 °C eine Sauerstoffdiffusionsrate von größer gleich 0,01 µm/h aufweist
in der Druckkammer oder in mindestens einer der Druckkammern jeweils eine durch ein thermisches Oxidationsverfahren erzeugte Oxidschicht angeordnet ist, wobei jede Oxidschicht jeweils:

einen ersten Schichtbereich umfasst, der sich über einen an eine Innenkante des die jeweilige Druckkammer umgebenden Verbindungselements angrenzenden Membranoberflächenbereich erstreckt, und
einen an den ersten Schichtbereich angrenzenden ersten Ausläufer umfasst, der sich in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung in einen zwischen einem inneren Randbereich des die jeweilige Druckkammer begrenzenden Verbindungselements und der Messmembran angeordneten Bereich des Drucksensors hinein erstreckt.

Thermische Oxidationsverfahren werden in der Halbleitertechnik unter anderem in unter der englischen Abkürzung LOCOS für „local oxidation of silicon“ bekannten Verfahren zur elektrischen Isolation von Halbleiterelementen eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird ein Siliziumsubstrat unter Zwischenfügung einer dünnen Pufferschicht aus Siliziumdioxid mit einer Siliziumnitrid-Schicht maskiert und anschließend thermisch oxidiert. Dabei bildet sich aufgrund der unterschiedlichen Oxidationsgeschwindigkeiten von Silizium und Siliziumnitrid auf den nicht maskierten Substratoberflächen eine Oxidschicht aus. Bei diesem Verfahren lässt es sich aufgrund der während des thermischen Oxidationsverfahrens im Wesentlichen isotropen Sauerstoffdiffusion in Siliziumdioxid nicht verhindern, dass die Oxidschicht unter den Rand der Maskierung wächst. Die unter den Rand der Maskierung eindringenden, in der Halbleitertechnik aufgrund ihrer Querschnittsgeometrie auch als Vogelschnabel bezeichneten Oxidausläufer verursachen Druckspannungen, die bei Fortschreitender Oxidation zu einer Verbiegung der Ränder der Maskierung führen. Eine Ursache für diese Druckspannungen ist die mit der Umwandlung von Silizium in Siliziumoxid verbundene Volumenzunahme.
Dieser beim LOCOS-Verfahren als sehr nachteilig empfundene Effekt wird bei erfindungsgemäßen Drucksensoren gezielt eingesetzt, um in den jeweils einen der ersten Ausläufer umfassenden Verbindungsbereichen zwischen der Messmembran und einem der Grundkörper Druckspannungen zu induzieren. Diese Druckspannungen wirken im Messbetrieb durch eine Auslenkung der Messmembran in von dem jeweiligen Verbindungsbereich abgewandter Richtung auf die Innenkante der den Verbindungsbereich mit der Messmembran verbindenden Fügung, sowie ggfs. auch auf den inneren Randbereich des Verbindungselements ausgeübten Zug- und Scherbelastungen entgegen. Auf diese Weise schützen sie den Drucksensor vor durch diese Belastungen verursachten Mikrorissen und vor einer durch diese Belastungen verursachen Delamination der Messmembran.
Im Ergebnis wird durch die ersten Ausläufer folglich eine Verlängerung der Einsatzdauer und eine Verbesserung der Berstfestigkeit und der Überlastfestigkeit erfindungsgemäßer Drucksensoren erzielt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Oxidschichten erfindungsgemäßer Drucksensoren durch thermische Oxidation auf vergleichsweise einfache und kostengünstige Weise herstellbar sind.
Eine erste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Oxidschicht oder mindestens eine der Oxidschichten jeweils:

a) als eine durch ein trockenes thermisches Oxidationsverfahren oder ein Feuchtoxidationsverfahren erzeugte Oxidschicht ausgebildet ist, oder
b) als eine durch ein Feuchtoxidationsverfahren erzeugte Oxidschicht ausgebildet ist, wobei das an die jeweilige durch das Feuchtoxidationsverfahren erzeugte Oxidschicht angrenzende Verbindungselement aus einem Material besteht, in dem Sauerstoff bei einer Temperatur von größer gleich 800 °C oder in einem Temperaturbereich von 800°C bis 1200 °C eine Sauerstoffdiffusionsrate von größer gleich 0,1 µm/h oder von größer gleich 0,5 µm/h aufweist.

Eine zweite Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Verbindungselemente:

mindestens ein Verbindungselement aus Siliziumdioxid umfassen,
mindestens ein als Verbindungsschicht oder als Verbindungschicht aus Siliziumdioxid ausgebildetes Verbindungselement umfassen,
mindestens ein als Verbindungsschicht mit einer Schichtdicke von 0,5 µm bis 4 µm ausgebildetes Verbindungselemente umfassen, und/oder
mindestens ein durch einen membran-zugewandten, durch eine Fügung mit der Messmembran verbundenen Bereich eines äußeren Randes des jeweiligen Grundkörpers gebildetes Verbindungselement umfassen.

Eine dritte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
der oder mindestens einer der Grundkörper jeweils einen auf der membran-abgewandten Seite des den jeweiligen Grundkörper mit der Messmembran verbindenden Verbindungselements angeordneten, unmittelbar an dieses Verbindungselement und an die in dem jeweiligen Grundkörper eingeschlossene Druckkammer angrenzenden Grundkörperbereich aus einem thermisch oxidierbaren Material aufweist, und
die in der Druckkammer des jeweiligen Grundkörpers angeordnete Oxidschicht jeweils:

einen zweiten Schichtbereich umfasst, der sich über einen an das Verbindungselement angrenzenden, die Druckkammer begrenzenden Oberflächenbereich des Grundkörperbereichs erstreckt, und
einen an den zweiten Schichtbereich angrenzenden zweiten Ausläufer umfasst, der sich in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung in einen zwischen einem inneren Randbereich des die jeweilige Druckkammer begrenzenden Verbindungselements und dem Grundkörperbereich angeordneten Bereich des Drucksensors hinein erstreckt.

Eine Weiterbildung der dritten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
der Grundkörperbereich ein der Messmembran zugewandter, an die Druckkammer angrenzender Bereich des Grundkörpers ist, oder
der Grundkörperbereich oder mindestens einer der Grundkörperbereiche durch einen äußeren Bereich des oder eines der Grundkörper gebildet ist, der unmittelbar mit dem den jeweiligen Grundkörper mit der Messmembran verbindenden Verbindungselement verbunden ist und die in dem jeweiligen Grundkörper eingeschlossene Druckkammer begrenzt.
Eine vierte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
der oder mindestens einer der Grundkörper jeweils einen durch eine membran-zugewandte Lage des Grundkörpers hindurch bis zu einer auf der membran-abgewandten Seite der membran-zugewandten Lage angeordneten Isolationsschicht verlaufenden Isolationsgraben aufweist,
jede Isolationsschicht jeweils aus Siliziumdioxid besteht oder aus einem Material besteht, in dem Sauerstoff bei einer Temperatur von größer gleich 800 °C oder in einem Temperaturbereich von 800 °C bis 1200 °C eine Sauerstoffdiffusionsrate von größer gleich 0,01 µm/h, von größer gleich 0,1 µm/h oder von größer gleich 0,5 µm/h aufweist,
jeder Isolationsgraben einen Teilbereich der in dem jeweiligen Grundkörper eingeschlossenen Druckkammer bildet und die membran-zugewandte Lage in einen den Isolationsgraben außenseitlich umgebenden äußeren Bereich und einen von dem Isolationsgraben außenseitlich umgebenen inneren Bereich unterteilt,
die membran-zugewandte Lage dieser Grundkörper aus Silizium oder einem anderen thermisch oxidierbaren Material besteht, und
die in der in dem jeweiligen Grundkörper eingeschlossenen Druckkammer angeordnete Oxidschicht:

einen dritten Schichtbereich umfasst, der sich über einen an die Isolationsschicht angrenzenden, den Isolationsgraben begrenzenden Oberflächenbereich des äußeren Bereichs der membran-zugewandten Lage erstreckt,
einen an den dritten Schichtbereich angrenzenden dritten Ausläufer umfasst, der sich in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung in einen zwischen einem dem Isolationsgraben zugewandten Randbereich des äußeren Bereichs und der Isolationsschicht angeordneten Bereich des Drucksensors hinein erstreckt,
einen vierten Schichtbereich umfasst, der sich über einen an die Isolationsschicht angrenzenden, den Isolationsgraben begrenzenden Oberflächenbereich des inneren Bereichs der membran-zugewandten Lage erstreckt, und
einen an den vierten Schichtbereich angrenzenden vierten Ausläufer umfasst, der sich in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung in einen zwischen einem dem Isolationsgraben zugewandten Randbereich des inneren Bereichs der membran-zugewandten Lage und der Isolationsschicht angeordneten Bereich des Drucksensors hinein erstreckt.

Eine fünfte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
der erste Schichtbereich, der zweite Schichtbereich, der dritte Schichtbereich und/oder der vierte Schichtbereich mindestens einer der Oxidschichten jeweils eine Schichtdicke von 20 nm bis 500 nm aufweist, und/oder
der erste Ausläufer, der zweite Ausläufer, der dritte Ausläufer und/oder der vierte Ausläufer mindestens einer der Oxidschichten jeweils eine Schichtdicke aufweist, die ausgehend von einer Maximaldicke in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung kontinuierlich abnimmt, und/oder in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung eine radiale Breite von 20 nm bis 500 nm aufweist.
Eine sechste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
der Drucksensor mindestens eine jeweils auf einem an eine der Druckkammern angrenzenden Oberflächenbereich des Drucksensor angeordnete Maskierung aufweist,
jede Maskierung jeweils derart ausgebildet ist, dass sie während der Erzeugung der in dem jeweiligen Grundkörper angeordneten Oxidschicht verhindert, dass sich auf dem mit der jeweiligen Maskierung maskierten Oberflächenbereich des Drucksensors ein Schichtbereich der Oxidschicht ausbildet.
Eine Weiterbildung der sechsten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eine der Maskierungen jeweils:

eine Schichtdicke aufweist, die echt kleiner als eine Schichtdicke der Oxidschicht ist,
eine Schichtdicke von kleiner gleich 100 nm aufweist, und/oder
aus Siliziumnitrid besteht.

Eine weitere Weiterbildung der sechsten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Maskierungen mindestens eine jeweils auf einem der beiden einander gegenüberliegenden Oberflächenbereiche eines inneren Membranbereichs der Messmembran angeordnete Maskierung umfassen.
Eine weitere Weiterbildung der sechsten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Maskierungen mindestens eine Maskierung umfassen, die sich über Oberflächenbereiche des oder eines der Grundkörper erstreckt, die an einen in dem jeweiligen Grundkörper angeordneten Isolationsgraben angrenzen.
Eine weitere Weiterbildung der sechsten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Maskierungen mindestens eine Maskierung umfassen, die auf einem der Messmembran gegenüberliegend angeordneten, der Messmembran zugewandten Oberflächenbereich des oder eines der Grundkörper angeordnet ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Drucksensor als zwei Grundkörper aufweisender Differenzdrucksensor ausgebildet ist, in dessen beiden Druckkammern jeweils eine der Oxidschichten angeordnet ist.
Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors, das sich dadurch auszeichnet, dass
zunächst ein Vorprodukt erzeugt wird, dass den oder die jeweils mit der Messmembran verbundenen Grundkörper umfasst, und
die oder jede Oxidschicht jeweils durch ein thermisches Oxidationsverfahren, durch ein bei einer Prozesstemperatur von größer gleich 800°C oder im Bereich von 800° bis 1200 °C ausgeführtes Oxidationsverfahren und/oder durch ein als trockenes Oxidationsverfahren oder als Feuchtoxidationsverfahren ausgebildetes thermisches Oxidationsverfahren erzeugt wird, bei dem das Vorprodukt erwärmt und die in dem jeweiligen Grundkörper eingeschlossene Druckkammer über den durch den jeweiligen Grundkörper hindurch verlaufenden Kanal mit einer sauerstoffreichen Atmosphäre beaufschlagt wird.
Eine Weiterbildung des Verfahrens zur Herstellung eines Drucksensors gemäß der sechsten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass bei der Herstellung des Vorprodukts derart verfahren wird, dass jede Maskierung jeweils auf den zugehörige Oberflächenbereich aufgebracht wird, bevor der oder die Grundkörper mit der Messmembran verbunden werden.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Um Elemente mit zum Teil sehr unterschiedlicher Größe oder Schichtdicke darstellen zu können, wurde in den Figuren eine nichtmaßstabsgetreue Darstellung gewählt.

1 zeigt: einen als Relativdrucksensor ausgebildeten Drucksensor;
2 zeigt: einen als Differenzdrucksensor ausgebildeten Drucksensor;
3 zeigt: eine vergrößerte Ansicht eines ein Verbindungselement umfassenden Ausschnitts des Drucksensors von 2;
4 zeigt: eine vergrößerte Ansicht eines einen Isolationsgraben umfassenden Ausschnitts des Drucksensors von 2;
5 zeigt: eine Abwandlung eines die Messemembran umfassenden Ausschnitts des Drucksensors von 2; und
6 zeigt: eine Abwandlung des den Isolationsgraben umfassenden Ausschnitts des Drucksensors von 2.

1 und 2 zeigen jeweils ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors. Jeder dieser Drucksensoren umfasst jeweils eine Messmembran 1 aus Silizium oder einem anderen thermisch oxidierbaren Werkstoff, wie z.B. dotiertem Silizium. Des Weiteren umfassen sie jeweils einen oder zwei jeweils auf einer der beiden einander gegenüberliegenden Stirnseiten der Messmembran 1 angeordnete, unter Einschluss einer Druckkammer 3 mit der Messmembran 1 verbundene Grundkörper 5a, 5b. Dabei ist jede Druckkammer 3 jeweils über einen durch den oder einen der Grundkörper 5a, 5b hindurch verlaufenden Kanal 6 mit einem Druck p_rel, p1, p2 beaufschlagbar.
Der in 1 als Beispiel dargestellte Drucksensor ist als Relativdrucksensor ausgebildet, dessen Messmembran 1 außenseitig mit einem zu messenden Druck p und innenseitig mit einem der Druckkammer 3 über den durch den Grundkörper 5a hindurch verlaufenden Kanal 6 zuführbaren Referenzdruck pref, wie z.B. einem Atmosphärendruck, beaufschlagbar ist. Diese Druckbeaufschlagung führt zu einer dem durch die Differenz zwischen dem Druck p und dem Referenzdruck pref gegebenen Relativdruck entsprechenden Auslenkung der Messmembran 1. Bei diesen Drucksensoren tritt eine Auslenkung der Messmembran 1 in vom Grundkörper 5a abgewandter Richtung z.B. dann auf, wenn deren Außenseite mit einem Unterdruck beaufschlagt wird, oder der Referenzdruck pref, z.B. wegen einer Fehlbedienung, den auf die Außenseite der Messmembran 1 einwirkenden Druck p übersteigt.
Der in 2 als weiteres Beispiel dargestellte Drucksensor ist als Differenzdrucksensor zur messtechnischen Erfassung eines Differenzdrucks zwischen einem ersten und einem zweiten Druck p1, p2 ausgebildet, dessen Messmembran 1 zwischen den zu beiden Seiten der Messmembran 1 angeordneten Grundkörpern 5b angeordnet ist. Bei diesem Drucksensor ist jede der beiden unter der Messmembran 1 in einem der beiden Grundkörper 5b eingeschlossene Druckkammer 3 jeweils über den durch den jeweiligen Grundkörper 5b hindurch verlaufenden Kanal 6 mit einem der beiden Drücke p1, p2 beaufschlagbar. Diese Druckbeaufschlagung führt zu einer dem Differenzdruck entsprechenden Auslenkung der Messmembran 1, deren Auslenkungsrichtung jeweils davon abhängt, welcher der beiden Drücke p1, p2 den größeren Wert aufweist.
Genau wie aus dem Stand der Technik bekannte Drucksensoren können auch die Grundkörper 5a, 5b von erfindungsgemäßen Drucksensoren jeweils als einlagige Grundkörper 5a oder als mehrlagige Grundkörper 5b ausgebildet sein. So ist der in 1 als Beispiel dargestellte Grundkörper 5a z.B. als einlagiger, z.B. aus einem einzigen Siliziumwafer gefertigter Grundkörper 5a ausgebildet. Die in 2 als Beispiel dargestellten Grundkörper 5b sind als mehrlagige Grundkörper 5b ausgebildet, die jeweils eine membran-zugewandte Lage 7, eine auf einer membran-abgewandten Seite der membran-zugewandten Lage 7 angeordnete Isolationsschicht 9, sowie mindestens eine auf einer membran-abgewandten Seite der Isolationsschicht 9 angeordnete weitere Lage 11 umfassen.
Die Messmembranen 1 dieser Drucksensoren weisen vorzugsweise eine an einen Druckmessbereich des Drucksensors angepasste Membranstärke auf. Hierzu eignet sich je nach Druckmessbereich z.B. eine Membranstärke von 10 µm bis 30 µm. Zur Messung sehr hoher Drücke können aber auch Membranstärken von bis zu 100 µm oder sogar darüber vorgesehen werden.
Analog weisen auch die Grundkörper 5a, 5b in senkrecht zur Flächennormale verlaufender Richtung jeweils eine an den Druckmessbereich angepasste Bauhöhe auf. Diese Bauhöhe ist vorzugsweise deutlich größer als die Membranstärke und kann z.B. einen oder mehrere 100µm betragen. Dabei können die membran-zugewandten Lagen 7, sowie auch die weiteren Lagen 11 mehrlagiger Grundkörper 5b z.B. aus Silizium oder einen Werkstoff auf Siliziumbasis bestehen und/oder jeweils eine Schichtdicke von einem oder mehreren 100 µm aufweisen. Im Unterschied hierzu bestehen die Isolationsschichten 9 aus einem Isolator, wie z.B. Siliziumdioxid, und weisen üblicherweise Weise eine deutlich geringere Schichtdicke, z.B. eine Schichtdicke von 0,5 µm bis 4 µm, auf.
Genau wie aus dem Stand der Technik bekannte Drucksensoren umfassen auch erfindungsgemäße Drucksensoren vorzugsweise mindestens einen elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung der von dem zu messenden Druck abhängigen Auslenkung der Messmembran 1. Hierzu können aus dem Stand der Technik bekannte elektromechanische Wandler eingesetzt werden, über die die vom auf die Messmembran 1 einwirkenden Druck abhängige Auslenkung der Messmembran 1 mittels einer hier nicht dargestellten, an den Wandler anschließbaren bzw. angeschlossenen Messschaltung messtechnisch erfassbar und in ein vom zu messenden Druck abhängiges elektrisches Signal umwandelbar ist, das dann zur Anzeige und/oder zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung steht.
1 zeigt als Beispiel hierzu einen piezoresistiven Wandler, der auf der Außenseite der Messmembran 1 angeordnete piezoresistive Elemente 13, wie z.B. zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltete piezoresistive Elemente 13, umfasst, die derart angeordnet sind, dass sich deren elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der druckabhängigen Auslenkung der Messmembran 1 verändert.
2 zeigt als Beispiel hierzu einen kapazitiven Wandler, der mindestens einen Kondensator mit einer von der vom auf die Messmembran 1 einwirkenden Differenzdruck abhängigen Auslenkung der Messmembran 1 abhängigen Kapazität umfasst. Hierzu ist in mindestens einem der beiden Grundkörper 5b jeweils eine von der Messmembran 1 beabstandete Elektrode 15 integriert, die zusammen mit der als Gegenelektrode dienenden leitfähigen Messmembran 1 einen dieser Kondensatoren bildet. Bei dem in 2 als Beispiel darstellten Drucksensor umfasst die membran-zugewandte Lage 7 der Grundkörper 5b jeweils eine der beiden von der Messmembran 1 beabstandeten Elektroden 15. Diese Elektroden 15 sind durch einen inneren Bereich 16 der jeweiligen membran-zugewandten Lage 7 gebildet, der durch einen durch die membran-zugewandte Lage 7 hindurch bis zur Isolationsschicht 9 führenden Isolationsgraben 17 gegenüber einem mit der Messmembran 1 verbundenen äußeren Bereich 19 der jeweiligen membran-zugewandten Lage 7 elektrisch isoliert ist.
Alternativ können erfindungsgemäße Drucksensoren aber auch einen anderen Lagenaufbau, insb. eine andere Lagenabfolge und/oder eine andere Anzahl an Lagen aufweisen und/oder einen auf einem anderen Wandler-Prinzip basierenden elektromechanischen Wandler umfassen.
Unabhängig von der diesbezüglichen Ausgestaltung ist jeder Grundkörper 5a, 5b jeweils über ein Verbindungselement 21 mit der Messmembran 1 verbunden, das die in dem jeweiligen Grundkörper 5a, 5b eingeschlossene Druckkammer 3 außenseitlich allseitig umgibt. Jedes Verbindungselement 21 besteht jeweils aus einem Material, in dem Sauerstoff bei einer Temperatur von größer gleich 800 °C oder in einem Temperaturbereich von 800°C bis 1200 °C eine Sauerstoffdiffusionsrate von größer gleich 0,01 µm/h aufweist. Hierdurch ist sichergestellt, dass Sauerstoff bei zur Durchführung von thermischen Oxidationsverfahren üblicher Weise angesetzten Prozesstemperaturen durch die Verbindungselemente 21 hindurch diffundieren kann. Diese Prozesstemperaturen liegen üblicher Weise bei Temperaturen von größer gleich 800 °C, wobei sie üblicher Weise in einem Temperaturbereich von 800°C bis 1200 °C liegen. Als Material eignet sich insoweit insb. Siliziumdioxid. In Siliziumdioxid beträgt die Sauerstoffdiffusionsrate bei einer Prozesstemperatur in der Größenordnung von 1000 °C ungefähr 1 µm/h. Diese Verbindungselemente 21 sind vorzugsweise als Verbindungsschichten ausgebildet. Insoweit besonders gut geeignet sind als Verbindungschicht aus Siliziumdioxid ausgebildete Verbindungselemente 21. Alternativ sind aber auch als Verbindungschicht ausgebildete Verbindungselemente 21 aus einem anderen Material, in dem Sauerstoff bei einer Temperatur von größer gleich 800°C eine Sauerstoffdiffusionsrate von größer gleich 0,01 µm/h aufweist, einsetzbar.
Optional sind die Verbindungselemente 21 z.B. als zwischen Grundkörper 5a, 5b und Messmembran 1 angeordnete, sowohl mit dem jeweiligen Grundkörper 5a, 5b als auch mit der Messmembran 1 durch ein Fügeverfahren verbundene Schichten ausgebildet. Alternativ können sie aber auch als auf der Messmembran 1 erzeugte, mit dem Grundkörper 5a, 5b durch ein Fügeverfahren verbundene Verbindungselemente 21 oder als auf dem Grundkörper 5a, 5b erzeugte, mit der Messmembran 1 durch ein Fügeverfahren verbundene Verbindungselemente 21 ausgebildet sein, oder durch einen membran-zugewandten, durch ein Fügeverfahren mit der Messmembran 1 verbundenen Bereich eines äußeren Randes des jeweiligen Grundkörpers gebildet sein.
Erfindungsgemäße Drucksensoren zeichnen sich dadurch aus, dass in der Druckkammer 3 bzw. in mindestens einer der Druckkammern 3 jeweils eine durch ein thermisches Oxidationsverfahren erzeugte Oxidschicht 23 angeordnet ist. Wie aus 1 und der in 3 dargestellten Vergrößerung des in 2 eingekreisten, das Verbindungselement 21 umfassenden Ausschnitts A des Drucksensors von 2 ersichtlich umfasst jede dieser Oxidschichten 23 jeweils einen ersten Schichtbereich 25 und einen ersten Ausläufer 27. Der erste Schichtbereich 25 jeder Oxidschicht 23 erstreckt sich jeweils über einen Membranoberflächenbereich, der an eine Innenkante des die jeweilige Druckkammer 3 außenseitlich umgebenden Verbindungselements 21 angrenzt. Der erste Ausläufer 27 jeder Oxidschicht 23 grenzt an den ersten Schichtbereich 25 der jeweiligen Oxidschicht 23 an und erstreckt sich in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran 1 verlaufender Richtung in einen zwischen einem inneren Randbereich des die jeweilige Druckkammer 3 außenseitlich umgebenden Verbindungselements 21 und der Messmembran 1 angeordneten Bereich des Drucksensors hinein.
Bei Drucksensoren mit zwei jeweils über eines der beiden Verbindungselemente 21 mit der Messmembran 1 verbundenen Grundkörpern 5b ist vorzugsweise in jeder der beiden Druckkammern 3 jeweils eine solche, den ersten Schichtbereich 25 und den ersten Ausläufer 27 umfassende Oxidschicht 23 angeordnet. Das bietet den Vorteil einer in hohem Maße symmetrischen, beidseitig die durch die ersten Ausläufer 27 der beiden Oxidschichten 23 induzierten Druckspannungen aufweisenden Membraneinspannung der Messmembran 1.
Erfindungsgemäße Drucksensoren weisen die zuvor genannten Vorteile auf. Dabei können einzelne Komponenten dieser Drucksensoren optional unterschiedliche einzeln oder auch in Kombination miteinander einsetzbare Ausgestaltungen aufweisen. Einige derzeit als besonders vorteilhaft angesehene Ausgestaltungen sind nachfolgend am Beispiel der Figuren beschrieben.
Eine optionale Ausgestaltung besteht darin, dass der oder mindestens einer der Grundkörper 5a, 5b jeweils einen auf der membran-abgewandten Seite des den jeweiligen Grundkörper 5a, 5b mit der Messmembran 1 verbindenden Verbindungselements 21 angeordneten Grundkörperbereich 29a, 29b aufweist, der unmittelbar an das jeweilige Verbindungselement 21 und an die in dem Grundkörper 5a, 5b eingeschlossene Druckkammer 3 angrenzt und aus einem thermisch oxidierbaren Material besteht. Bei dieser Variante umfasst die in der Druckkammer 3 des jeweiligen Grundkörpers 5a, 5b angeordnete Oxidschicht 23 jeweils einen zweiten Schichtbereich 31 und einen zweiten Ausläufer 33. Der zweite Schichtbereich 31 erstreckt sich über einen an das Verbindungselement 21 angrenzenden, die Druckkammer 3 begrenzenden Oberflächenbereich des Grundkörperbereichs 29a, 29b. Der zweite Ausläufer 33 grenzt an den zweiten Schichtbereich 31 an und erstreckt sich in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran 1 verlaufender Richtung in einen zwischen einem inneren Randbereich des die jeweilige Druckkammer 3 umgebenden Verbindungselements 21 und dem Grundkörperbereich 29a, 29b angeordneten Bereich des Drucksensors hinein.
Bei dem in 1 dargestellten Drucksensor bildet ein der Messmembran 1 zugewandter, an die Druckkammer 3 angrenzender Bereich des Grundkörpers 5a einen solchen Grundkörperbereich 29a.
Grundkörperbereiche 29b der zuvor beschriebenen Art können aber auch durch einen äußeren Bereich 19 des oder eines der Grundkörper 5b gebildet sein, der unmittelbar mit dem den jeweiligen Grundkörper 5b mit der Messmembran 1 verbindenden Verbindungselement 21 verbunden ist und die in dem jeweiligen Grundkörper 5b eingeschlossene Druckkammer 3 außenseitlich umgibt. Ein Beispiel für einen solchen Grundkörperbereich 29b sind die äußeren Bereiche 19 der membran-zugewandten Lagen 7 der in 2 dargestellten Grundkörper 5b, die die hier jeweils einen Teilbereich der Druckkammer 3 bildenden Isolationsgräben 17 außenseitlich begrenzen.
Jeder dieser zweiten Ausläufer 33 verursacht Druckspannungen in einem den jeweiligen zweiten Ausläufer 33 umfassenden Bereich des Drucksensors. Diese Druckspannungen wirken im Messbetrieb durch eine Auslenkung der Messmembran 1 in von dem jeweiligen zweiten Ausläufer 33 abgewandter Richtung verursachten, über das an den jeweiligen zweiten Ausläufer 33 angrenzende Verbindungselement 21 auf diesen Bereich ausgeübten und/oder übertragenen Zug- und/oder Scherbelastungen entgegen. Hierdurch ist ein Schutz des jeweiligen Bereichs des Drucksensors vor durch diese Auslenkungen verursachten mechanischen Belastungen gegeben.
Eine weitere optionale Ausgestaltung ist in Verbindung mit erfindungsgemäßen Drucksensoren, wie z.B. dem in 2 dargestellten Drucksensor, einsetzbar, bei denen der oder mindestens einer der Grundkörper 5b jeweils den durch die membran-zugewandte Lage 7 des Grundkörpers 5b hindurch bis zu der auf der membran-abgewandten Seite der membran-zugewandten Lage 7 angeordneten Isolationsschicht 9 verlaufenden Isolationsgraben 17 aufweist. Bei diesen Grundkörpern 5b ist die membran-zugewandte Lage 7 durch den Isolationsgraben 17 in den den Isolationsgraben 17 außenseitlich umgebenden äußeren Bereich 19 und den von dem Isolationsgraben 17 außenseitlich umgebenen inneren Bereich 16 unterteilt. Entsprechend bildet jeder Isolationsgraben 17 jeweils einen Teilbereich der in dem jeweiligen Grundkörper 5b eingeschlossenen Druckkammer 3.
Bei diesen Drucksensoren führt eine Druckbeaufschlagung der oder einer der Druckkammern 3 mit einem eine vorgegebene Obergrenze übersteigenden Druck pref, p1, p2 zu einer dementsprechend hohen mechanischen Belastung oder sogar zu einer Verformung des Grundkörpers 5b. Dadurch werden die in diesem Grundkörper 5b unmittelbar an den durch den Isolationsgraben 17 freigelegten Bereich der Isolationsschicht 9 angrenzenden Verbindungsbereiche zwischen dem äußeren Bereich 19 der membran-zugewandten Lage 7 und der Isolationsschicht 9, sowie zwischen dem inneren Bereich 16 der membran-zugewandten Lage 7 und der Isolationsschicht 9 mechanischen Zug- und/oder Scherbelastungen ausgesetzt.
Diesem Problem wird optional vorzugsweise dadurch entgegengewirkt, dass die membran-zugewandte Lage 7 dieser Grundkörper 5b aus einem thermisch oxidierbaren Material, wie z.B. Silizium oder dotiertem Silizium, besteht, und die in der in dem jeweiligen Grundkörper 5b eingeschlossenen Druckkammer 3 angeordnete Oxidschicht 23 vier weitere Bereiche umfasst. 4 zeigt hierzu eine vergrößerte Darstellung des in 2 eingekreisten, den Isolationsgraben 17 umfassenden Ausschnitt B des Drucksensors von 2. Bei dieser Variante umfassen die vier weiteren Bereiche der jeweiligen Oxidschicht 23 jeweils:

a) einen dritten Schichtbereich 35, der sich über einen an die Isolationsschicht 9 angrenzenden, den Isolationsgraben 17 begrenzenden Oberflächenbereich des äußeren Bereichs 19 der membran-zugewandten Lage 7 erstreckt,
b) einen an den dritten Schichtbereich 35 angrenzenden dritten Ausläufer 37, der sich in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran 1 verlaufender Richtung in einen zwischen einem dem Isolationsgraben 17 zugewandten Randbereich des äußeren Bereichs 19 und der Isolationsschicht 9 angeordneten Bereich des Drucksensors hinein erstreckt,
c) einen vierten Schichtbereich 39, der sich über einen an die Isolationsschicht 9 angrenzenden, den Isolationsgraben 17 begrenzenden Oberflächenbereich des inneren Bereichs 16 der membran-zugewandten Lage 7 erstreckt, und
d) einen an den vierten Schichtbereich 39 angrenzenden vierten Ausläufer 41, der sich in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran 1 verlaufender Richtung in einen zwischen einem dem Isolationsgraben 17 zugewandten Randbereich des inneren Bereichs 16 der membran-zugewandten Lage 7 und der Isolationsschicht 9 angeordneten Bereich des Drucksensors hinein erstreckt.

Bei dieser Variante gelten die obigen Ausführungen zur Sauerstoffdiffusionsrate in dem Material der Verbindungselemente 21 analog auch für das Material des Isolationsschichten 9. Entsprechend bestehen die Isolationsschichten 9 vorzugsweise jeweils aus einem Material, wie z.B. Siliziumdioxid, in dem Sauerstoff bei einer Temperatur von größer gleich 800°C, insb. in einem Temperaturbereich von 800°C bis 1200°C eine Sauerstoffdiffusionsrate von größer gleich 0,01 µm/h aufweist.
Auch hier werden durch die dritten Ausläufer 37 und die vierten Ausläufer 41 jeweils Druckspannungen in einen den jeweiligen Ausläufer 37, 41 umfassenden Bereich des Drucksensors induziert, die den im Fall einer Druckbeaufschlagung der jeweiligen Druckkammer 7 mit einem die Obergrenze übersteigenden Druck pref, p1, p2 auf den jeweiligen Bereich ausgeübten mechanischen Zug- und/oder Scherbelastungen entgegenwirken. Entsprechend bewirken auch diese Druckspannungen eine Erhöhung der maximalen Einsatzdauer, der Überlastfestigkeit und der Berstfestigkeit des Drucksensors.
Erfindungsgemäße Drucksensoren werden vorzugsweise hergestellt, indem zunächst ein Vorprodukt erzeugt wird, dass den oder die mit der Messmembran 1 verbundenen Grundkörper 5a, 5b umfasst. Hierzu können Herstellungsverfahren zur Herstellung von Drucksensoren mit einem dem zu fertigenden erfindungsgemäßen Drucksensor entsprechenden Aufbau eingesetzt werden. Entsprechende Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt und daher hier nicht im Detail beschrieben. Diese Vorprodukte unterscheiden sich von den fertigen Drucksensoren im Wesentlichen nur durch das Fehlen der Oxidschichten 23.
Im Anschluss daran wird jede der jeweils in einer der Druckkammern 3 angeordneten Oxidschichten 23 jeweils durch ein thermisches Oxidationsverfahren erzeugt, bei dem das Vorprodukt erwärmt und die in dem jeweiligen Grundkörper 5a, 5b eingeschlossene Druckkammer 3 über den durch den jeweiligen Grundkörper 5a, 5b hindurch verlaufenden Kanal 6 mit einer sauerstoffreichen Atmosphäre beaufschlagt wird.
Bei jedem dieser Oxidationsverfahren bildet sich auf dem der sauerstoffreichen Atmosphäre ausgesetzten, an die Innenkante der jeweiligen Verbindungselement 21 angrenzenden Membranoberflächenbereich der Messmembran 1 der sich über diesen Oberflächenbereich erstreckende erste Schichtbereich 25 der Oxidschicht 23 aus. Zusätzlich führt die während dieser Oxidationsverfahren zwangsläufig auftretende im Wesentlichen isotrope Sauerstoffdiffusion in dem Verbindungselement 21 dazu, dass Sauerstoff in einen unter dem inneren Randbereich des Verbindungselements 21 eingeschlossenen Oberflächenbereich der Messmembran 1 eindringt, so dass auch dort Silizium der Messmembran 1 in Siliziumdioxid umgewandelt wird. Dieser Effekt, sowie die auch in dem dadurch neu gebildeten Siliziumdioxid stattfindende Sauerstoffdiffusion, führen dazu, dass sich unter dem inneren Randbereich des Verbindungselements 21 der erste Ausläufer 27 der Oxidschicht 23 ausbildet.
Als thermische Oxidationsverfahren eignen sich insb. bei einer Prozesstemperatur von größer gleich 800°C ausgeführte Oxidationsverfahren, wie z.B. bei einer Prozesstemperatur im Bereich von 800°C bis 1200°C ausgeführte thermische Oxidationsverfahren.
Als thermisches Oxidationsverfahren wird vorzugsweise ein Feuchtoxidationsverfahren eingesetzt. Alternativ sind aber auch trockene Oxidationsverfahren einsetzbar. Trockene Oxidationsverfahren führen im Vergleich zu Feuchtoxidationsverfahren zu einem langsameren Schichtwachstum und damit zu längeren Prozessdauern. Das führt dazu, dass mit trockenen Oxidationsverfahren erzeugte Oxidschichten regelmäßig eine höhere Schichtqualität aufweisen, als mit Feuchtoxidationsverfahren erzeugte schichten.
Unabhängig von der Wahl des thermischen Oxidationsverfahrens ist durch die für das Material der Verbindungselemente 21 für Temperaturen von größer gleich 800°C vorgegebene Untergrenze von 0,01 µm für die Sauerstoffdiffusionsrate gewährleistet, dass sich bei der Durchführung dieser Oxidationsverfahren zwangläufig erste Ausläufer 27 ausbilden. Dabei sind die Abmessungen der resultierenden ersten Ausläufer 27 und damit auch die hierdurch induzierten Druckspannungen umso größer, je größer die in der Regel von der Prozesstemperatur abhängige Sauerstoffdiffusionsrate von Sauerstoff in den Verbindungselementen 21 ist, und je länger die Prozessdauer ist.
Insoweit ist in Verbindung mit Feuchtoxidationsverfahren eine höhere Sauerstoffdiffusionsrate in dem Material der Verbindungselemente 21 vorteilhaft. Hierzu bestehen die in den fertigen Drucksensoren jeweils an eine der durch ein Feuchtoxidationsverfahren erzeugten Oxidschichten 23 angrenzenden Verbindungselemente 21 vorzugsweise jeweils aus einem Material, in dem Sauerstoff bei einer Temperatur von größer gleich 800 °C oder in einem Temperaturbereich von 800°C bis 1200 °C eine Sauerstoffdiffusionsrate von größer gleich 0,1 µm/h aufweist. Besonders vorteilhaft sind insoweit Verbindungselemente 21 aus Siliziumdioxid oder einem anderen Material, in dem Sauerstoff bei Temperaturen von größer gleich 800°C, insb. in einem Temperaturbereich von 800°C bis 1200°C, eine Sauerstoffdiffusionsrate von größer gleich 0,5 µm/h aufweist. Diese höhere Sauerstoffdiffusionsrate bietet den Vorteil, dass sich hierdurch bei gleicher Prozessdauer und/oder gleicher Schichtdicke der ersten Schichten 25 der Oxidschicht 23 der höheren Sauerstoffdiffusionsrate entsprechend größere erste Ausläufer 27 ausbilden. Letzteres bietet den Vorteil, dass auch die hierdurch induzierten Druckspannungen entsprechend größer sind.
Bei dem zuvor beschriebenen thermischen Oxidationsverfahren sind alle an die jeweilige Druckkammer 3 angrenzenden Innenflächen des Drucksensors der sauerstoffreichen Atmosphäre ausgesetzt. Das führt dazu, dass die hierdurch erzeugte Oxidschicht 23 bei entsprechender Ausgestaltung des jeweiligen Grundkörpers 5a, 5b zwangsläufig auch den zweiten Schichtbereich 31 und den daran angrenzenden zweiten Ausläufer 33 umfasst. Ebenso führt es bei entsprechender Ausgestaltung des jeweiligen Grundkörpers 5b dazu, dass die hierdurch erzeugte Oxidschicht 23 zwangsläufig auch den dritten Schichtbereich 35, den dritten Ausläufer 37, den vierten Schichtbereich 39 und den vierten Ausläufer 41 umfasst. Dabei erfolgt die Ausbildung der zweiten Ausläufer 33, der dritten Ausläufer 37 und der vierten Ausläufer 41 auf die zuvor anhand der ersten Ausläufer 27 beschriebenen Weise. Analog zu den obigen Ausführungen zu den Verbindungselementen 21 bestehen die Isolationsschichten 9 von die dritten Ausläufer 37 und die vierten Ausläufer 41 umfassenden Drucksensoren, insb. bei Verwendung eines Feuchtoxidationsverfahren zur Erzeugung der jeweiligen Oxidschicht 23, vorzugsweise jeweils aus einem Material, in dem Sauerstoff bei einer Temperatur von größer gleich 800 °C oder in einem Temperaturbereich von 800°C bis 1200 °C eine Sauerstoffdiffusionsrate von größer gleich 0,1 µm/h aufweist, wobei sie vorzugsweise aus Siliziumdioxid oder einem anderen Material bestehen, in dem Sauerstoff bei den vorgenannten Temperaturen sogar eine Sauerstoffdiffusionsrate von größer gleich 0,5 µm/h aufweist.
Durch thermische Oxidationsverfahren lassen sich bei entsprechender Vorgabe der Prozessdauer des Oxidationsprozesses und/oder der Prozesstemperatur, bei der der Oxidationsprozess erfolgt, je nach Oxidierbarkeit der zu oxidierenden Oberflächenbereiche Oxidschichten 23 erzeugen, deren erster Schichtbereich 25, sowie ggfs. auch deren zweiter Schichtbereich 31, sowie ggfs. auch deren dritter Schichtbereich 35 und deren vierter Schichtbereich 39 jeweils eine Schichtdicke von 20 nm bis 500 nm aufweisen. Im Vergleich hierzu können die Verbindungselemente 21, insb. die als Verbindungsschicht ausgebildeten Verbindungselemente 21, z.B. eine Schichtdicke von 0,5 µm bis 4 µm aufweisen.
Herstellungsbedingt weisen die ersten Ausläufer 27, sowie ggfs. auch die zweiten Ausläufer 33 und/oder die dritten Ausläufer 37 und die vierten Ausläufer 41 dieser Oxidschichten 23 jeweils eine Schichtdicke auf, die ausgehend von einer in deren unmittelbar an den daran angrenzenden ersten, zweiten, dritten oder vierten Schichtbereich 25, 31, 35, 39 angrenzenden Ausläuferbereich auftretenden Maximaldicke in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran 1 verlaufender Richtung kontinuierlich abnimmt. Dabei weisen die ersten, die zweiten, die dritten und/oder die vierten Ausläufer 27 z. B. eine der Schichtdicke des unmittelbar daran angrenzenden ersten, zweiten, dritten oder vierten Schichtbereich 25, 31, 35 39 entsprechende Maximaldicke, wie z.B. eine Maximaldicke von 20 nm bis 500 nm, auf. Alternativ oder zusätzlich hierzu weisen sie in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran 1 verlaufender Richtung z.B. eine radiale Breite von 20 nm bis 500 nm auf.
Optional kann bei der Herstellung erfindungsgemäßer Drucksensoren derart verfahren werden, dass auf mindestens einen im Drucksensor jeweils an die oder eine der Druckkammern 3 angrenzenden Oberflächenbereich des Drucksensor vor der Durchführung des thermischen Oxidationsverfahrens jeweils eine Maskierung 43a, 43b, 43c aufgebracht wird, die derart ausgebildet ist, dass sie verhindert, dass sich auf dem maskierten Oberflächenbereich ein Schichtbereich der Oxidschicht 23 ausbildet. Hierzu eignet sich insb. eine Maskierung 43a, 43b, 43c aus einem Material, dass an sauerstoffreicher Atmosphäre gar nicht oder nur deutlich langsamer oxidiert, als die Oberflächenbereiche des Drucksensors, über die sich die Oxidschicht 23 erstrecken soll. Ein Beispiel hierfür sind Maskierungen 43a, 43b, 43c aus Siliziumnitrid.
Bei dieser Verfahrensvariante werden die Maskierungen 43a, 43b, 43c vorzugsweise auf die zu maskierenden Oberflächenbereiche aufgebracht, bevor der oder die Grundkörper 5a, 5b, mit der Messmembran 1 verbunden werden. Hierzu können in der Halbleitertechnologie übliche Verfahren, wie z.B. Niederdruck chemische Gasphasenabscheidung (LPCVD) oder plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), eingesetzt werden. Zur Verhinderung einer Oxidschichtbildung auf den maskierten Bereichen genügt es bereits, wenn die Maskierungen 43a, 43b, 43c jeweils eine Schichtdicke aufweisen, die deutlich geringer als die Schichtdicke der Oxidschicht 23 ist. Entsprechend weisen die Maskierungen 43a, 43b, 43c vorzugsweise eine Schichtdicke auf, die echt kleiner als die Schichtdicke der Oxidschicht 23 ist. Alternativ oder zusätzlich hierzu weisen die Maskierungen 43a, 43b, 43c z.B. eine Schichtdicke von kleiner gleich 100 nm auf.
5 zeigt als ein Beispiel hierzu eine Abwandlung eines die Messmembran 1 umfassenden Ausschnitts des in 2 dargestellten Drucksensors, bei dem auf den einander gegenüberliegenden Oberflächenbereichen eines inneren Membranbereichs der Messmembran 1 jeweils eine Maskierung 43a angeordnet ist. An diese Maskierungen 43a grenzt außenseitlich allseitig jeweils der erste Schichtbereich 25 der nach der Maskierung in der jeweiligen Druckkammer 3 erzeugten Oxidschicht 23 an. Diese Variante bietet den Vorteil, dass die im Vergleich zur Oxidschicht 23 sehr dünnen Maskierungen 43a deutlich geringere, eine deutlich geringere Temperaturabhängigkeit aufweisende Auswirkungen auf die Auslenkbarkeit der Messmembran 1 haben, als ein an deren Stelle auf dem inneren Membranbereich angeordneter Schichtbereich der Oxidschicht 23. Optional kann natürlich auch der in 1 dargestellte Drucksensor auf dessen Membraninnenseite eine auf dem inneren Membranbereich angeordnete Maskierung 43a aufweisen.
6 zeigt als weitere Beispiele hierzu eine Abwandlung des den Isolationsgraben 17 umfassenden Ausschnitts des in 2 dargestellten Drucksensors, in dem zwei weitere Maskierungen 43b, 43c dargestellt sind. Eine der beiden Maskierungen 43b ist als auf den Isolationsgraben 17 begrenzende Oberflächenbereiche des Grundkörpers 5b aufgebrachte Maskierung 43b ausgebildet. Diese Maskierung 43b erstreckt sich über die den Isolationsgraben 17 begrenzenden Oberflächenbereiche des inneren Bereichs 16 und des äußeren Bereichs 19 der membran-zugewandten Lage 7, sowie auch über einen durch den Isolationsgraben 17 freigelegten Oberflächenbereich der Isolationsschicht 7. Diese Maskierung 43b verhindert die Ausbildung des dritten und vierten Schichtbereichs und der dritten und vierten Ausläufer. Diese auch hier im Vergleich zur Oxidschicht 23 vorzugsweise sehr dünne Maskierung 43b ist unter Umständen vorteilhaft, wenn die Isolationsgräben 17 eine vergleichsweise geringe Grabenbreite aufweisen.
Die andere in 6 dargestellte Maskierung 43c ist auf einem der Messmembran 1 gegenüberliegend angeordneten, der Messmembran 1 zugewandten Oberflächenbereich des Grundkörpers 5b angeordnet. In dem in 6 dargestellten Beispiel ist sie auf dem der Messmembran 1 zugewandten Oberflächenbereich des inneren Bereichs 16 der membran-zugewandten Lage 7 angeordnet. Genau wie die auf dem inneren Membranbereich angeordnete Maskierung 43a bietet auch diese Maskierung 43c aufgrund deren vergleichsweise geringen Schichtdicke den Vorteil, dass der die maximale Auslenkung der Messmembran 1 begrenzende Abstand zwischen der Messmembran 1 und dem inneren Bereich 16 der membran-zugewandten Lage 7, durch diese Maskierungen 43a, 43c nur in deutlich geringerem Maße verkleinert wird als durch auf diesen Oberflächenbereichen angeordnete Schichtbereiche der Oxidschicht 23.
Bezugszeichenliste

1: Messmembran
3: Druckkamer
5a: Grundkörper
5b: Grundkörper
6: Kanal
7: Membrane-zugewandte Lage
9: Isolationsschicht
11: Weitere Lage
13: Piezoresisitives Element
15: Elektrode
16: Innerer Bereich
17: Isolationsgraben
19: Äußerer Bereich
21: Verbindungelement
23: Oxidschicht
25: Erster Schichtbereich
27: Erster Ausläufer
29a: Grundkörperbereich
29b: Grundkörperbereich
31: Zweiter Schichtbereich
33: Zweiter Ausläufer
35: Drittter Schichtbereich
37: Dritter Ausläufer
39: Vierter Schichtbereich
41: Vierter Ausläufer
43a: Maskierung
43b: Maskierung
43c: Maskierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017109971 A1 [0004, 0007]

Claims

Drucksensor, mit einer Messmembran (1) aus Silizium oder einem anderen thermisch oxidierbaren Werkstoff und einem oder zwei jeweils auf einer der beiden einander gegenüberliegenden Seiten der Messmembran (1) angeordneten Grundkörpern (5a, 5b), wobei jeder Grundkörper (5a, 5b) jeweils unter Einschluss einer Druckkammer (3) über ein die in dem jeweiligen Grundkörper (5a, 5b) eingeschlossene Druckkammer (3) außenseitlich umgebendes Verbindungselement (21) mit der Messmembran (1) verbunden ist, und wobei durch jeden Grundkörper (5a, 5b) jeweils ein Kanal (6) hindurch verläuft, über den die darin eingeschlossene Druckkammer mit einem Druck (p_ref, p1, p2) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Verbindungselement (21) jeweils aus einem Material besteht, in dem Sauerstoff bei einer Temperatur von größer gleich 800 °C oder in einem Temperaturbereich von 800 °C bis 1200 °C eine Sauerstoffdiffusionsrate von größer gleich 0,01 µm/h aufweist, in der Druckkammer (3) oder in mindestens einer der Druckkammern (3) jeweils eine durch ein thermisches Oxidationsverfahren erzeugte Oxidschicht (23) angeordnet ist, wobei jede Oxidschicht (23) jeweils: einen ersten Schichtbereich (25) umfasst, der sich über einen an eine Innenkante des die jeweilige Druckkammer (3) umgebenden Verbindungselements (21) angrenzenden Membranoberflächenbereich erstreckt, und einen an den ersten Schichtbereich (25) angrenzenden ersten Ausläufer (27) umfasst, der sich in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran (1) verlaufender Richtung in einen zwischen einem inneren Randbereich des die jeweilige Druckkammer (3) begrenzenden Verbindungselements (21) und der Messmembran (1) angeordneten Bereich des Drucksensors hinein erstreckt.
Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschicht (23) oder mindestens einer der Oxidschichten (23) jeweils: a) als eine durch ein trockenes thermisches Oxidationsverfahren oder ein Feuchtoxidationsverfahren erzeugte Oxidschicht (23) ausgebildet ist, oder b) als eine durch ein Feuchtoxidationsverfahren erzeugte Oxidschicht (23) ausgebildet ist, wobei das an die jeweilige durch das Feuchtoxidationsverfahren erzeugte Oxidschicht (23) angrenzende Verbindungselement (21) aus einem Material besteht, in dem Sauerstoff bei einer Temperatur von größer gleich 800 °C oder in einem Temperaturbereich von 800°C bis 1200 °C eine Sauerstoffdiffusionsrate von größer gleich 0,1 µm/h oder von größer gleich 0,5 µm/h aufweist.
Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (21): mindestens ein Verbindungselement (21) aus Siliziumdioxid umfassen, mindestens ein als Verbindungsschicht oder als Verbindungschicht aus Siliziumdioxid ausgebildetes Verbindungselement (21) umfassen, mindestens ein als Verbindungsschicht mit einer Schichtdicke von 0,5 µm bis 4 µm ausgebildetes Verbindungselemente (21) umfassen, und/oder mindestens ein durch einen membran-zugewandten, durch eine Fügung mit der Messmembran (1) verbundenen Bereich eines äußeren Randes des jeweiligen Grundkörpers gebildetes Verbindungselement umfassen.
Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der oder mindestens einer der Grundkörper (5a, 5b) jeweils einen auf der membran-abgewandten Seite des den jeweiligen Grundkörper (5a) mit der Messmembran (1) verbindenden Verbindungselements (21) angeordneten, unmittelbar an dieses Verbindungselement (21) und an die in dem jeweiligen Grundkörper (5a, 5b) eingeschlossene Druckkammer (3) angrenzenden Grundkörperbereich (29a, 29b) aus einem thermisch oxidierbaren Material aufweist, und die in der Druckkammer (3) des jeweiligen Grundkörpers (5a, 5b) angeordnete Oxidschicht (23) jeweils: einen zweiten Schichtbereich (31) umfasst, der sich über einen an das Verbindungselement (23) angrenzenden, die Druckkammer (3) begrenzenden Oberflächenbereich des Grundkörperbereichs (29a, 29b) erstreckt, und einen an den zweiten Schichtbereich (25) angrenzenden zweiten Ausläufer (33) umfasst, der sich in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran (1) verlaufender Richtung in einen zwischen einem inneren Randbereich des die jeweilige Druckkammer (3) begrenzenden Verbindungselements (21) und dem Grundkörperbereich (29a, 29b) angeordneten Bereich des Drucksensors hinein erstreckt.
Drucksensor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörperbereich (29a) ein der Messmembran (1) zugewandter, an die Druckkammer (3) angrenzender Bereich des Grundkörpers (5a) ist, oder der Grundkörperbereich (29b) oder mindestens einer der Grundkörperbereiche (29b) durch einen äußeren Bereich (19) des oder eines der Grundkörper (5b) gebildet ist, der unmittelbar mit dem den jeweiligen Grundkörper (5b) mit der Messmembran (1) verbindenden Verbindungselement (21) verbunden ist und die in dem jeweiligen Grundkörper (5b) eingeschlossene Druckkammer (3) begrenzt.
Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der oder mindestens einer der Grundkörper (5b) jeweils einen durch eine membran-zugewandte Lage (7) des Grundkörpers (5b) hindurch bis zu einer auf der membran-abgewandten Seite der membran-zugewandten Lage (7) angeordneten Isolationsschicht (9) verlaufenden Isolationsgraben (17) aufweist, jede Isolationsschicht (9) jeweils aus Siliziumdioxid besteht oder aus einem Material besteht, in dem Sauerstoff bei einer Temperatur von größer gleich 800 °C oder in einem Temperaturbereich von 800 °C bis 1200 °C eine Sauerstoffdiffusionsrate von größer gleich 0,01 µm/h, von größer gleich 0,1 µm/h oder von größer gleich 0,5 µm/h aufweist, jeder Isolationsgraben (17) einen Teilbereich der in dem jeweiligen Grundkörper (5b) eingeschlossenen Druckkammer (3) bildet und die membran-zugewandte Lage (7) in einen den Isolationsgraben (17) außenseitlich umgebenden äußeren Bereich (19) und einen von dem Isolationsgraben (17) außenseitlich umgebenen inneren Bereich (16) unterteilt, die membran-zugewandte Lage (7) dieser Grundkörper (5b) aus Silizium oder einem anderen thermisch oxidierbaren Material besteht, und die in der in dem jeweiligen Grundkörper (5b) eingeschlossenen Druckkammer (3) angeordnete Oxidschicht (23): einen dritten Schichtbereich (35) umfasst, der sich über einen an die Isolationsschicht (9) angrenzenden, den Isolationsgraben (17) begrenzenden Oberflächenbereich des äußeren Bereichs (19) der membran-zugewandten Lage (7) erstreckt, einen an den dritten Schichtbereich (35) angrenzenden dritten Ausläufer (37) umfasst, der sich in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran (1) verlaufender Richtung in einen zwischen einem dem Isolationsgraben (17) zugewandten Randbereich des äußeren Bereichs (19) und der Isolationsschicht (9) angeordneten Bereich des Drucksensors hinein erstreckt, einen vierten Schichtbereich (39) umfasst, der sich über einen an die Isolationsschicht (9) angrenzenden, den Isolationsgraben (17) begrenzenden Oberflächenbereich des inneren Bereichs (16) der membran-zugewandten Lage (7) erstreckt, und einen an den vierten Schichtbereich (39) angrenzenden vierten Ausläufer (41) umfasst, der sich in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran (1) verlaufender Richtung in einen zwischen einem dem Isolationsgraben (17) zugewandten Randbereich des inneren Bereichs (16) der membran-zugewandten Lage (7) und der Isolationsschicht (9) angeordneten Bereich des Drucksensors hinein erstreckt.
Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schichtbereich (25), der zweite Schichtbereich (31), der dritte Schichtbereich (35) und/oder der vierte Schichtbereich (39) mindestens einer der Oxidschichten (23) jeweils eine Schichtdicke von 20 nm bis 500 nm aufweist, und/oder der erste Ausläufer (27), der zweite Ausläufer (33), der dritte Ausläufer (37) und/oder der vierte Ausläufer (41) mindestens einer der Oxidschichten (23) jeweils eine Schichtdicke aufweist, die ausgehend von einer Maximaldicke in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran (1) verlaufender Richtung kontinuierlich abnimmt, und/oder in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran (1) verlaufender Richtung eine radiale Breite von 20 nm bis 500 nm aufweist.
Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor mindestens eine jeweils auf einem an eine der Druckkammern (3) angrenzenden Oberflächenbereich des Drucksensor angeordnete Maskierung (43a, 43b, 43c) aufweist, jede Maskierung (43a, 43b, 43c) jeweils derart ausgebildet ist, dass sie während der Erzeugung der in dem jeweiligen Grundkörper (5b) angeordneten Oxidschicht (23) verhindert, dass sich auf dem mit der jeweiligen Maskierung (43a, 43b, 43c) maskierten Oberflächenbereich des Drucksensors ein Schichtbereich der Oxidschicht (23) ausbildet.
Drucksensor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Maskierungen (43a, 43b, 43c) jeweils: eine Schichtdicke aufweist, die echt kleiner als eine Schichtdicke der Oxidschicht (23) ist, eine Schichtdicke von kleiner gleich 100 nm aufweist, und/oder aus Siliziumnitrid besteht.
Drucksensor gemäß Anspruch 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungen (43a, 43b, 43c) mindestens eine jeweils auf einem der beiden einander gegenüberliegenden Oberflächenbereiche eines inneren Membranbereichs der Messmembran (1) angeordnete Maskierung (43a) umfassen.
Drucksensor gemäß Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungen (43a, 43b, 43c) mindestens eine Maskierung (43b) umfassen, die sich über Oberflächenbereiche des oder eines der Grundkörper (5b) erstreckt, die an einen in dem jeweiligen Grundkörper (5b) angeordneten Isolationsgraben (17) angrenzen.
Drucksensor gemäß Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungen (43a, 43b, 43c) mindestens eine Maskierung (43c) umfassen, die auf einem der Messmembran (1) gegenüberliegend angeordneten, der Messmembran (1) zugewandten Oberflächenbereich des oder eines der Grundkörper (5b) angeordnet ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor als zwei Grundkörper (5b) aufweisender Differenzdrucksensor ausgebildet ist, in dessen beiden Druckkammern (3) jeweils eine der Oxidschichten (23) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors gemäß Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Vorprodukt erzeugt wird, dass den oder die jeweils mit der Messmembran (1) verbundenen Grundkörper (5a, 5b) umfasst, und die oder jede Oxidschicht (23) jeweils durch ein thermisches Oxidationsverfahren, durch ein bei einer Prozesstemperatur von größer gleich 800°C oder im Bereich von 800° bis 1200 °C ausgeführtes Oxidationsverfahren und/oder durch ein als trockenes Oxidationsverfahren oder als Feuchtoxidationsverfahren ausgebildetes thermisches Oxidationsverfahren erzeugt wird, bei dem das Vorprodukt erwärmt und die in dem jeweiligen Grundkörper (5a, 5b) eingeschlossene Druckkammer (3) über den durch den jeweiligen Grundkörper (5a, 5b) hindurch verlaufenden Kanal (6) mit einer sauerstoffreichen Atmosphäre beaufschlagt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14, zur Herstellung eines Drucksensors gemäß Anspruch 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung des Vorprodukts derart verfahren wird, dass jede Maskierung (43a, 43b, 43c) jeweils auf den zugehörige Oberflächenbereich aufgebracht wird, bevor der oder die Grundkörper (5a, 5b) mit der Messmembran (1) verbunden werden.