DE19723334A1 - Drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Drucksensoren der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Diese besitzen einen plättchenartigen Grundkörper, in den von einer Seite mittels Verfahren der Herstellung von Strukturen in Bulkmikromechanik eine Vertiefung eingebracht wird. Die Vertiefung wird so weit voran­ getrieben, daß an der entgegengesetzten Seite der Vertiefung eine dünne Membran verbleibt, die die Ver­ tiefung quasi überspannt. Der Grundkörper besteht üb­ licherweise aus Silizium, so daß die Vertiefung mit­ tels eines Ätzprozesses erzielt werden kann. Hierbei ergeben sich entlang der 111-Kristallebene des Sili­ ziums schräge Kanten, so daß eine trichterförmige Er­ weiterung der Vertiefung - aus Richtung der Membran betrachtet - erfolgt.

An der der Membran abgewandten Seite des Grundkörpers wird die Ausnehmung von einem Randbereich umschlos­ sen, der der späteren druckdichten Befestigung des Drucksensors an einem Sensorelement dient. Die ge­ samte Größe des Drucksensors wird demnach durch den die Ausnehmung umgebenden Rand, die Größe der Membran und die trichterförmige Erweiterung der Ausnehmung bestimmt. Für eine zuverlässige Funktion des Druck­ sensors während seines bestimmungsgemäßen Einsatzes sind bestimmte Mindestgrößen für die Membran und den die Ausnehmung umgebenden Randbereich vorgegeben, die mittels der bekannten Herstellungstechniken eingehal­ ten werden. Nachteilig bei den bekannten Drucksen­ soren ist, daß die trichterförmige Erweiterung der Ausnehmung zu einer zusätzlichen Vergrößerung des Drucksensors führt, die an sich funktionell nicht notwendig ist.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vor­ teil, daß seine Baugröße trotz Einhaltung der Min­ destmaße für die Membran und den die Ausnehmung um­ gebenden Randbereich minimiert werden kann. Dadurch, daß die Ausnehmung durch anisotropes Atzen des Grund­ körpers über eine definierte Ätzkante erfolgt, so daß sich die Vertiefung in Richtung der Membran zunächst über eine Größe der Membran erweitert und dann die Größe der Membran annimmt, ist es vorteilhaft mög­ lich, die effektive, auf die Grundfläche des Grund­ körpers projizierte Länge der Erweiterung der Ver­ tiefung zu minimieren. Hierdurch ergibt sich insge­ samt eine Verkürzung der Baulänge (Kantenlänge) des Grundkörpers, so daß der Drucksensor insgesamt klei­ ner ausgebildet werden kann. Neben den hiermit ver­ bundenen Material- und Gewichtseinsparungen sowie Kostenvorteilen, ergeben sich verbesserte Einsatzbe­ dingungen bei einer Notwendigkeit des Einsatzes be­ sonders kleiner Drucksensoren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merk­ malen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs­ beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis Fig. 3 Verfahrensschritte zur Herstellung des erfindungsgemäßen Drucksensors und

Fig. 4 und 5 den erfindungsgemäßen Drucksensor aufweisende Sensorelemente.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Grundkörper 10 gezeigt, der als Ausgangsobjekt für die Herstellung eines nachfolgend mit 12 bezeichneten Drucksensors dient. Der Grundkör­ per 10 besteht aus einem quaderförmigen Silizium­ plättchen mit bestimmten Kantenlängen in der Breite, in der Tiefe und in der Höhe. Bei der nachfolgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, daß die Herstel­ lung des Drucksensors 12 mittels eines Grundkörpers 10 erfolgt. Die kristallographische Ausrichtung ist die 100-Richtung, das heißt, ein Vector senkrecht zur Oberfläche ist parallel zu der 100-Richtung.

Nach weiteren Ausführungsbeispielen kann die Herstel­ lung der Drucksensoren 10 auch in einer Nutzenferti­ gung erfolgen, das heißt, nach Strukturierung der Drucksensoren 10 wird ein großer Wafer zu den einzel­ nen Drucksensoren vereinzelt.

An einer Unterseite 14 des Grundkörpers 10 wird eine wannenförmige Hilfsvertiefung 16 eingebracht (Fig. 2). Die Hilfsvertiefung 16 kann beispielsweise mit­ tels eines Trockenätzprozesses anisotrop eingeätzt werden. Hierzu wird die Unterseite 14 mit einer Mas­ kierung versehen. Die Maskierung kann beispielsweise eine dielektrische Schicht aus einem Oxid, einem Nitrid oder einer Kombination hiervon sein. Anschlie­ ßend kann die dielektrische Schicht mit einem Photo­ lack strukturiert werden, so daß die dielektrische Schicht im Bereich der späteren Hilfsvertiefung ent­ fernt werden kann. Durch die sich hierdurch ergebende Maskenöffnung wird die Hilfsvertiefung 16 anisotrop eingeätzt. Hierbei ergibt sich die Hilfsvertiefung 16 mit einer Tiefe d₃ und zur Unterseite 14 senkrechten oder nahezu senkrechten Seitenwänden. Durch das Ein­ bringen der Hilfsvertiefung 16 entsteht eine um­ laufende, definierte Kante 18. Für die weitere Struk­ turierung des Grundkörpers 10 kann die dielektrische Schicht auf der Unterseite 14 verbleiben, so daß diese gleichzeitig einen Schutz der Oberfläche wäh­ rend des nachfolgenden anisotropen Naßätzschrittes bildet. Die auf der dielektrischen Schicht aufge­ brachte Photolackschicht wird vor dem nachfolgenden Naßätzschritt entfernt.

Der Grundkörper 10 wird anschließend von der Unter­ seite 14 einem anisotropen Naßätzschritt unterworfen. Durch den Naßätzschritt, der beispielsweise mit einer Laugenlösung (KOH, TMAH) durchgeführt wird, wird die Oberfläche des aus Silizium bestehenden Grundkörpers 10 angegriffen und abgetragen. Hierbei stellen sich die bekannten anisotropen Ätzratenverhältnisse im Silizium ein (zum Beispiel: 111/100-Rate ≈ 1 : 20 bis 1 : 100). Hierdurch bilden sich unter einem bestimmten Winkel schräg verlaufende Ätzflächen (111-Ebenen) aus. Gemäß dem in Fig. 3 gezeigten Querschnitt durch den Grundkörper 10 erfolgt der anisotrope Naßätz­ angriff so lange, bis eine die entstehende Ausnehmung 20 überspannende Membran 22 mit einer Dicke d₂ ver­ bleibt. Infolge der vorab eingebrachten Ätzver­ tiefungen 16 erhält die Ausnehmung 20 in bezug auf die umlaufende Kante 18 einen Hinterschnitt 28. Ent­ sprechend der mittels der Hilfsvertiefung 16 einge­ stellten Tiefe d₃ ergibt sich der Verlauf der Ebenen 24 und 26 mit der Tiefe d₄. Die Größe des Hinter­ schnitts 28 ist gegeben durch die Größe d₄, die wie­ derum zirka 1/2 so groß ist wie d₃, (in den Fig. 2 und 3 erfolgte keine maßstäbliche Wiedergabe).

Durch die Ausbildung des Hinterschnitts 28 der Aus­ nehmung 20 ergibt sich, daß die Ausnehmung 20 ein relativ großes Volumen aufweist, das als Referenz­ volumen für einen auf die Membran 22 einwirkenden Druck dient. Gleichzeitig ist die der Membran 22 ab­ gewandte Öffnung 30 nur geringfügig größer als die Membran 22, so daß ein die Öffnung 30 umgebender Randbereich 32 an der Unterseite 14 relativ groß aus­ gebildet sein kann.

In der Fig. 3a ist der Drucksensor 12 gemäß Fig. 3 nochmals dargestellt, wobei hier auf die Größenver­ hältnisse detaillierter eingegangen werden soll.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in Fig. 3a die einzelnen Bezugszeichen weggelassen.

Die Kantenlänge l des Drucksensors 12 ergibt sich nach der Formel:

l = a + b' + c + b' + a.

Da der Drucksensor 12 symmetrisch aufgebaut ist, sind die Strecken jeweils nur einmal in Fig. 3a eingetra­ gen. Zusammengefaßt gilt für die Länge:

l = 2a + 2b' + c.

Die Länge a entspricht dem Randbereich 32 um die Öffnung 30 und gibt die zur Verfügung stehende Ver­ bindungsfläche des Drucksensors 12 mit einem Träger 34 (Fig. 4) zu einem Sensorelement 36 vor. Da die Verbindung zwischen dem Drucksensor 12 und dem Träger 34 druckdicht ausgeführt sein muß, beträgt die Länge a typisch 300-400 µm. Die Länge c entspricht der Grö­ ße der Membran 22 und ist durch den Nenndruckbereich des Drucksensors 12 festgelegt. Bei einer Dicke der Membran 22 d₂ von 18 µm beträgt die Membrangröße für einen 1 bar-Drucksensor 12 zum Beispiel c = 1000 µm.

Es ist also klar, daß die Mindestgrößen für die Länge a und die Länge c durch den Einsatz des Drucksensors 12 vorgegeben sind. Weiter geht die Länge b' in die Gesamtkantenlänge l des Drucksensors 12 ein.

Zur Verdeutlichung gegenüber dem Stand der Technik ist in der rechten Seite der Abb. 3a die Ebene 24 in Richtung der Unterseite 14 in einer gestrichel­ ten Linie verlängert dargestellt. Beim Stand der Technik, also ohne den Hinterschnitt 28, wäre die Öffnung 30 nicht durch die Kante 18 bestimmt, sondern durch den Schnittpunkt der Ebene 24 mit der Unter­ seite 14 des Drucksensors 12. Hierdurch wäre die Länge b, die der in die Unterseite 14 projizierten Ebene 24 entspricht, größer als die Länge b' bei einer Ausnehmung 20 mit Hinterschnitt 28 (linke Dar­ stellung Fig. 3a). Durch diese vergrößerte Länge b verschiebt sich die Länge a' um den entsprechenden Betrag b-b' nach außen. Da für die Länge a bezie­ hungsweise a' eine Mindestlänge von beispielsweise größer 300 µm erforderlich ist, ist die Kantenlänge l entsprechend größer. Mit der größeren Kantenlänge l baut auch gleichzeitig der Drucksensor 12 entspre­ chend größer.

Nachfolgend soll der Flächengewinn durch die Aus­ bildung des Hinterschnitts 28 für den Drucksensor 12 verdeutlicht werden. Der erfindungsgemäße Drucksensor 12 besitzt die Kantenlänge l und der Drucksensor ge­ mäß dem Stand der Technik die Kantenlänge l'.

Da gilt:

l' = 2a' + 2b + c und l = 2a + 2b' + c, wobei a' = a ist,

folgt:

Δl = l'-l = 2(b-b').

Für b' gilt:

b'= b-2f, wobei

ist.

Es wird ohne weiteres deutlich, daß durch eine Ver­ ringerung der Länge b zu der Länge b' und gleich­ bleibender Länge a und c sich die Kantenlänge l' zu der Kantenlänge l verringert. Da für die Fläche des Drucksensors 12 gilt: F = l.l beziehungsweise beim Stand der Technik: F' = l'.l', fällt die Fläche des Drucksensors 12 bei Hinterschnitt 28 entsprechend ge­ ringer aus. Somit wird insgesamt weniger Grundfläche eines Wafers zur Strukturierung des Drucksensors 12 benötigt. Der Drucksensor 12 selber weist hierdurch eine reduzierte Baugröße auf.

Anhand Fig. 4 wird die Komplettierung eines Sensor­ elementes 36 mit dem Drucksensor 12 verdeutlicht. Der Drucksensor 12 ist auf einem Träger 34 aufgebracht, wobei aufgrund der verringerten Kantenlänge l des Drucksensors 12 der Träger 34 ebenfalls entsprechend reduziert werden kann. Insgesamt wird damit der benö­ tigte Einbauraum für den Drucksensor 36 verringert. Der Träger 34 kann beispielsweise eine Durchgangs­ öffnung 38 aufweisen, die eine Verbindung zu der von der Membran 22 überspannten Ausnehmung 20 herstellt, so daß eine Relativdruckmessung mit dem Drucksensor 12 möglich ist. Ohne die Verbindung 38 wäre die Aus­ nehmung 20 ein abgeschlossener Hohlraum, der eine Absolutdruckmessung mit dem Drucksensor 12 gestattet.

In Fig. 4 ist angedeutet, daß der Drucksensor 12 im Bereich der Membran 22 Piezowiderstände 40 aufweist, die bei einer mechanischen Auslenkung der Membran 22 ihren Widerstand ändern. Diese Widerstandsänderung der Piezowiderstände 40 kann über hier angedeutete Anschlußpads 42 und innerhalb des Drucksensors 12 strukturierte Leiterbahnen 44 abgegriffen und ausge­ wertet werden. Die Strukturierung der Piezowider­ stände 40, der Anschlußpads 42 und der Leiterbahnen 44 kann entweder vor der Herstellung der Ausnehmung 20 oder danach erfolgen.

In der Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsvariante eines Sensorelementes 36 gezeigt. Hier ist der Träger 34 von einem dünnen Glas mit einer Dicke von bei­ spielsweise 1 mm gebildet. Die Ausnehmung 20 bildet somit einen abgeschlossenen Hohlraum, der eine Druck­ messung von auf die Membran 22 von - in der Darstel­ lung - oben einwirkende Drücke gestattet. Auch hier läßt sich durch die gefundene Bauform des Drucksen­ sors 12 eine Flächenreduzierung erreichen.

Claims (7)

1. Drucksensor mit einem Grundkörper, der eine über einer Ausnehmung angeordnete Membran aufweist, wobei die Membran durch rückwärtiges Strukturieren der Aus­ nehmung in dem Grundkörper erhalten wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausnehmung (20) einen Hinter­ schnitt (28) aufweist.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausnehmung (20) durch anisotropes Ätzen des Grundkörpers (10) über eine definierte Ätzkante (18) erfolgt.

3. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzkante (18) die maximale Öffnungsweite (30) der Ausnehmung (20) an der der Membran (22) abgewandten Seite (14) des Grundkörpers (10) vorgibt.

4. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzflanke (18) mittels einer Hilfsvertiefung (16) in den Grundkörper (10) definiert wird.

5. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hilfsvertiefung (16) durch ein anisotropes Ätzverfahren, das annähernd senkrecht zur Waferoberfläche (14) verlaufende Ätzflanken erzeugt, erhalten wird.

6. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Ätzverfahren ein Trockenätzverfahren ist.

7. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Tiefe (d₃) der Hilfsvertiefung (16) die Größe des Hinterschnitts (28) eingestellt wird.