DE19736306A1 - Verfahren zur Herstellung von Drucksensoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Drucksensorelementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Drucksensorelemente der unterschiedlichsten Art sind bekannt. Aufgrund ihrer vielfältigen Einsatzmöglich­ keiten und ihrer Eignung für einen weiten Druckbe­ reich von beispielsweise 10 bis 2000 bar haben sich Drucksensorelemente mit einer Metallmembran und einer hierauf angeordneten resistiven Dünnschicht als be­ sonders geeignet erwiesen. Nachfolgend wird von einer resistiven Dünnschicht gesprochen, wobei klar ist, daß diese aus einer Mehrzahl einzelner Schichten un­ terschiedlicher Funktion besteht, die gemeinsam die resistive Dünnschicht ergeben. Diese Drucksensorele­ mente besitzen einen Grundkörper, der eine Meßöffnung aufweist, die von der Metallmembran (Boden der Meß­ öffnung) überspannt wird. Durch Beaufschlagen der Meßöffnung mit einem zu messenden Druck erfährt die Metallmembran und somit die auf der Metallmembran aufgebrachte resistive Dünnschicht eine Auslenkung, die über geeignete Auswertemittel detektierbar ist. Bekannt ist, derartige Drucksensorelemente in auf­ wendiger Einzelfertigung herzustellen. Hierbei werden die Grundkörper der Drucksensorelemente als Drehteile aus Metall gefertigt, diese mit einer Sacköffnung versehen, und anschließend wird die resistive Dünn­ schicht aufgebracht. Da diese Einzelfertigung sehr aufwendig ist, ist eine Herstellung in großen Stück­ zahlen nicht möglich.

Um eine effektivere Herstellung der Drucksensorele­ mente zu ermöglichen, ist bekannt, eine größere Anzahl von Drucksensorelementen, beispielsweise 50 bis 70 Stück, mit der sogenannten Carrier-Technik zu prozessieren. Hierzu werden die zuvor einzeln ge­ drehten und polierten, die Sacköffnungen aufweisenden Grundkörper in eine Trägerstruktur, beispielsweise ein Lochblech, eingesetzt und diese gemeinsam nach­ folgend mit der resistiven Dünnschicht versehen. Hierbei ist jedoch nachteilig, daß durch die Schicht­ abscheideprozesse zum Aufbringen der resistiven Dünn­ schicht gleichzeitig das Trägerelement verschmutzt wird, so daß vor Weiterverwendung des Trägerelementes dieses einer aufwendigen Reinigung unterzogen werden muß. Darüber hinaus ist nachteilig, daß die Träger­ elemente mit den Grundkörpern bestückt werden müssen und anschließend die fertig prozessierten Druck­ sensorelemente aus dem Trägerelement wieder entnommen werden müssen. Ein weiterer Nachteil ist, daß für die unterschiedlichen Prozesse, wie zum Beispiel Be­ schichten und Fotolithographie, auch unterschiedliche Carriersysteme benötigt werden. Die Genauigkeit der Carrier geht direkt in die geometrische Genauigkeit des Einzelelementes ein.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß sich in einfacher Weise gleichzeitig eine Viel­ zahl von Drucksensorelementen herstellen lassen. Da­ durch, daß gleichzeitig eine Vielzahl von Drucksen­ sorelementen in einem Nutzen (Mehrfachnutzen) von Grundkörpern hergestellt werden und dieser nach Auf­ bringen der resistiven Dünnschicht in die Drucksen­ sorelemente ergebende Grundkörper vereinzelt wird, ist es vorteilhaft möglich, ohne aufwendige zusätzli­ che Hilfsmittel die Drucksensorelemente mit hoher Ge­ nauigkeit herzustellen. Zusätzliche Arbeitsschritte wie das Einbringen in ein Trägerelement und das Ent­ nehmen hieraus entfallen vollkommen. Darüber hinaus lassen sich die Abscheideprozesse der resistiven Dünnschicht über einen großen Nutzen, der anschlie­ ßend zu den Drucksensorelementen vereinzelt wird, prozeßtechnisch sehr viel einfacher beherrschen. Die Vereinzelung der fertig prozessierten Drucksensorele­ mente kann mittels hochgenauer Techniken, vorzugs­ weise mittels Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden oder Drahterodieren erfolgen, so daß nach der Verein­ zelung eine weitere Bearbeitung der Drucksensorele­ mente nicht notwendig ist.

Durch Optimierung der Anordnung der Drucksensorele­ mente auf dem gemeinsamen Nutzen kann der zur Ver­ fügung stehende Platz größtmöglichst ausgenutzt wer­ den, so daß nach Vereinzeln der Drucksensorelemente nur ein minimaler Abfall verbleibt. Insgesamt lassen sich so sehr vorteilhaft in für eine Massenfertigung geeigneter Weise Drucksensorelemente in großer Anzahl mit gleichbleibend hoher Qualität erzeugen.

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

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei­ spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht und eine Schnittdarstellung durch ein einzelnes Drucksensorelement;

Fig. 2 eine Draufsicht und eine Schnittdarstellung durch einen Nutzen zur erfindungsgemäßen Herstellung der Drucksensorelemente;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Nutzen in einer weiteren Ausführungsvariante und

Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch einen Drucksensor (Drucksensorelement auf Druckanschluß).

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein Drucksensorelement 10 in einer Draufsicht und einer Schnittdarstellung. Das Druck­ sensorelement 10 besitzt einen Grundkörper 12, der beispielsweise kreisrund ausgebildet ist. Nach an­ deren - nicht dargestellten - Ausführungsbeispielen kann der Grundkörper 12 auch andere geometrische Formen aufweisen. Der Grundkörper 12 weist eine Meßöffnung 14 auf, die an einer Seite von einer Meß­ membran 16 begrenzt wird, so daß sich eine Sacköff­ nung ergibt. Die Meßmembran 16 wird von dem Boden der Meßöffnung 14 gebildet, so daß Grundkörper 12 und Meßmembran 16 einstückig ausgebildet sind. Auf der Meßmembran 16 wird eine resistive Dünnschicht in Form einer Wheatstone-Brücke 18 ausgebildet, wobei in der vorliegenden Beschreibung auf die durchzuführenden Schichtabscheideprozesse zur Erzielung der resistiven Dünnschicht nicht näher eingegangen werden soll. Die Grundkörper 12 bestehen üblicherweise aus einem hoch­ festen Edelstahl. Der Aufbau und die Funktionsweise des in Fig. 1 gezeigten Drucksensorelementes 10 sind allgemein bekannt.

In Fig. 4 ist beispielhaft der Einsatz eines Druck­ sensorelementes 10 verdeutlicht. Dieser wird auf einem Druckanschluß 20 angeordnet, der in einem Ge­ häuse 22 eine Durchgangsöffnung 24 aufweist, die mit einem zu messenden Medium, beispielsweise einem gas­ förmigen oder flüssigen Medium, in Verbindung steht. Die Durchgangsöffnung 24 wird durch das Drucksensor­ element 10 verschlossen, wobei der Grundkörper 12 auf einem Montageflansch 26 des Gehäuses 22 befestigt ist. Zur Erzielung einer hinreichend festen und sicheren Verbindung kann der Grundkörper 12 mit dem Flansch 22 verklebt, verschweißt, verlötet usw. sein, wobei sich die Fügetechnik nach den Qualitätsan­ sprüchen des mit dem Drucksensor 10 erzielten Meß­ ergebnisses richtet. Im Betrieb wird die Meßöffnung 14 über die Durchgangsöffnung 24 mit einem Druck beziehungsweise Unterdruck beaufschlagt, so daß die Meßmembran 16 eine Auslenkung erfährt. Diese Aus­ lenkung der Meßmembran 16 kann mittels bekannter Ver­ fahren, beispielsweise resistiv, (Wheatstone Brücke), ausgewertet werden. Die Auslenkung der Meßmembran 16 ist proportional den sich einstellenden Druckverhält­ nissen in der Meßöffnung 14, so daß auf den an­ liegenden Druck beziehungsweise Unterdruck geschlos­ sen werden kann.

Nachfolgend soll auf die erfindungsgemäße Herstellung der Drucksensorelemente 10 eingegangen werden. In Fig. 3 ist hierzu ein quadratischer Nutzen 28 gezeigt, der eine Kantenlänge a aufweist. Nach weiteren - nicht dargestellten - Ausführungsbeispielen kann der Nutzen 28 selbstverständlich auch eine andere geo­ metrische Form, beispielsweise eine rechteckige Form, kreisförmige Form, trapezförmige Form usw. besitzen. Im gezeigten Beispiel in Fig. 2 ist die Kantenlänge a größer gewählt als der zehnfache Durchmesser d eines Drucksensorelementes 10. Hierdurch finden auf dem Nutzen 28 insgesamt 100 Drucksensorelemente 10 Platz. Im Ausgangszustand liegt der Nutzen 28 als ebene Platte 30 aus Edelstahl mit einer Dicke·s vor. Die Platte 30 besitzt in einem vorgegebenen Raster 32 Sacköffnungen 34 (Meßöffnungen 14), so daß die Platte 30 quasi als einseitiges Lochblech vorliegt. Das Raster 32 der Sacköffnungen 34 ist so gewählt, daß der Abstand der Mittellinie benachbarter Sacköff­ nungen 34 geringfügig größer gewählt ist als der Durchmesser d der späteren Drucksensorelemente 10.

Auf der den Sacköffnungen 34 abgewandten Seite lie­ genden Oberfläche 36 der Platte 30 werden nachfolgend die an sich bekannten Prozeßschritte zur Strukturie­ rung einer resistiven Dünnschicht 18 durchgeführt. Hierzu erfolgt gegebenenfalls ein Polieren der Ober­ fläche 36, das anschließende Abscheiden einer Isola­ tionsschicht (in Dünnschicht- oder Dickschichttech­ nik), das Abscheiden einer resistiven Dünnschicht, beispielsweise Sputtern von Polysilizium oder Metal­ len, eine photolithographische Strukturierung, ein Abscheiden einer Kontaktschicht, eine eventuelle Strukturierung der Kontaktschicht und das anschlie­ ßende Aufbringen einer Passivierungsschicht. Das Er­ zeugen derartiger Schichtsysteme ist allgemein be­ kannt und soll deshalb nicht detailliert beschrieben werden.

Entscheidend ist, daß erfindungsgemäß vorgesehen ist, daß das Erzeugen des Schichtsystems über die gesamte Oberfläche 36 des Nutzens 28 erfolgt. Hierdurch bieten sich verfahrenstechnisch gegenüber dem Ab­ scheiden einer resistiven Dünnschicht 18 auf einem einzelnen Drucksensorelement 10 erhebliche Vorteile, da vor allem nur eine exakte Justierung pro Nutzen 28, nicht pro Sensorelement 10 wie sonst, erfolgen muß. Darüber hinaus ist das Abscheiden der einzelnen Schichten auf einem größeren, durchgehenden Nutzen 28 mit jeweils gleichmäßiger Stärke in einfacher Weise möglich, so daß sich Toleranzunterschiede zwischen den einzelnen Drucksensorelementen 10 reduzieren.

In der in Fig. 2 gezeigten Draufsicht ist die Lage der einzelnen Drucksensorelemente 10 jeweils angedeu­ tet. Entsprechend der gewählten Geometrie der Druck­ sensorelemente 10, beispielsweise entsprechend des Durchmessers d, erfolgt anschließend eine Vereinze­ lung aus dem Nutzen 28. Hierzu können hochpräzise Schneidtechniken, beispielsweise Laserschneiden, Drahterodieren oder Wasserstrahlschneiden, eingesetzt werden.

Insgesamt läßt sich also mittels einfacher Verfah­ rensschritte gleichzeitig eine Vielzahl von Druck­ sensorelementen 10 erzeugen, die sich durch hohe Ge­ nauigkeit und geringe Toleranzunterschiede auszeich­ nen. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in für eine Massenherstellung von beispielsweise mehreren Millionen Stück pro Jahr in einfacher Weise kosten­ günstig realisieren.

Durch die Vereinzelung des mit der resistiven Dünn­ schicht 18 versehenen Nutzens 28 zu den einzelnen Drucksensorelementen 10 erfolgt keine Verschmutzung von hilfsweise vorgesehenen Trägerelementen, so daß bei der Herstellung Hilfsverfahren, wie beispielswei­ se Bestücken der Trägerelemente, Entnehmen der ferti­ gen Drucksensorelemente 10, sowie Reinigen der Trä­ gerelemente vollkommen entfallen. Die nach Vereinze­ lung der Drucksensoren 10 verbleibenden Reste des Nutzens 28 können beispielsweise gesammelt, recycelt und einer anderen Verwendung zugeführt werden.

Durch Optimierung des Rasters 32, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, wobei gleiche Teile wie in Fig. 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert sind, läßt sich eine bessere Ausnutzung der Fläche des Nutzens 28 erreichen. Hierdurch verbleibt nach dem Vereinzeln der Drucksensorelemente 10 ein geringerer, nicht für die Herstellung der Druck­ sensorelemente 10 verwertbarer Rest des Nutzens 28. Gegenüber dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbei­ spiel läßt sich bei einem Nutzen 28 mit gleicher Kantenlänge a und Drucksensorelementen 10 mit gleichen Durchmessern d eine um zirka 5% höhere Pro­ duktausbeute aufgrund der höheren Packungsdichte er­ zielen. Der Nutzen 28 kann sehr vorteilhaft bei­ spielsweise mittels eines Metallspritzgußverfahrens (metal injection moulding) beziehungsweise eines Sinterverfahrens hergestellt werden. Hierdurch kann der Nutzen 28 ohne aufwendige Nebenverfahren, wie beispielsweise Zerspanen, hergestellt werden. Darüber hinaus ist mittels, dieser Verfahren eine einfache Formgebung mit hoher Genauigkeit bei gleichzeitig geringem Abfall möglich.

Ein besonders vorteilhaftes Verfahren wird nun anhand der Fig. 5 und 6 erläutert. In der Fig. 5 wird eine Rundstahlstange 100 gezeigt, deren Durchmesser im wesentlichen der Größe des benötigten Nutzen entspricht. Wesentlich an der Rundstahlstange 100 ist, daß sie bei der Herstellung nur in Längsrichtung gewalzt wurde, wie dies durch den Pfeil 101 angedeutet wird. Ein derartiges Walzen ist zur Formgebung der Rundstahlstange 100 erforderlich und kann weiterhin zur Beeinflussung der Eigenschaften des Stahlmaterials verwendet werden. Als Material für die Rundstahlstange 100 wird hier insbesondere an einen Edelstahl mit Federeigenschaften gedacht. Geeignet ist beispielsweise ein hochlegierter Edelstahl X 5 CrNiCuNb 17 4 mit der DIN-Werkstoffnummer 1.4542 oder 1.4548. Derartige Edelstahlmaterialien haben sich zur Herstellung von Drucksensoren bewährt. Durch Sägen senkrecht zur Längsrichtung der Rundstahlstange 100 werden dann einzelne Stahlsubstrate 103 gefertigt wie dies in der Fig. 6 gezeigt wird. Diese Einzelstahlsubstrate weisen beispielsweise eine Dicke von 5 mm auf. Zur Erzielung einer hohen Oberflächenqualität werden die einzelnen Edelstahlsubstrate dann geschliffen, geläppt und und poliert. Dabei werden beispielsweise Rauhtiefen von weniger als einem halben µm erreicht. Als Durchmesser für die Edelstahlsubstrate 103 werden zweckmäßigerweise übliche Abmessungen der Halbleitertechnik beispielsweise 4 Zoll oder 6 Zoll gewählt, so daß die Edelstahlsubstrate 103 mit den üblichen Vorrichtungen für die Siliziumwaferbearbeitung ebenfalls bearbeitet werden können. Durch Fräsen, Bohren, Erodieren Ätzen oder andere Bearbeitungsmethoden werden dann auf der Rückseite Sacköffnungen 34 eingebracht wie diese beispielsweise in der Fig. 2 im Querschnitt gezeigt wurden. Die weitere Bearbeitung erfolgt dann in üblichen Vorrichtungen zur Halbleiterbearbeitung. Es wird zunächst eine dünne Isolationsschicht, beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder dergleichen aufgebracht. Darauf folgt dann die Abscheidung einer resistiven Dünnschicht beispielsweise Polysilizium oder Metalldünnschichten. Es wird dann eine Fotolackschicht aufgebracht und durch eine Maske hindurch strukturiert. Die so strukturierte Fotolackschicht dient dann als Maske zur Strukturierung der resistiven Dünnschicht. Die Fotolackschicht wird dann entfernt und eine Metallschicht zur Kontaktierung der resistiven Dünnschicht wird aufgebracht. Durch einen weiteren Strukturierungsschritt mittels einer Fotolackschicht wird dann diese Metallschicht strukturiert. Anschließend wird noch eine Passivierungsschicht aufgebracht. Wesentlich ist hierbei, daß alle aus der Dünnschichttechnik oder Halbleitertechnik bekannten Vorrichtungen und Verfahren genutzt werden können, die parallel und gleichzeitig bei einer Vielzahl von Drucksensoren angewandt werden. Es können so eine Vielzahl von Drucksensoren parallel gefertigt werden. In einem nachfolgenden Schritt erfolgt dann ein Zerteilen des Edelstahlsubstrats, um die einzelnen Drucksensoren zu gewinnen, beispielsweise durch Drahterodieren. Dabei können beispielsweise computergesteuerte Drahterodiermaschinen verwendet werden, so daß das Herausteilen der einzelnen Drucksensoren aus dem Nutzen kostengünstig erfolgt.

Der Vorteil derartiger Stahlsubstrate 103, die aus einer Rundstahlstange 100 gewonnen wurde, die nur in Längsrichtung 101 gewalzt wurde, liegt darin, daß derartige Edelstahlsubstrate in sich besonders spannungsarm sind. In der Regel werden nämlich Stahlbleche, die im Handel erhältlich sind, parallel zur Oberfläche gewalzt. Dieses Walzen hinterläßt jedoch innere mechanische Spannungen im Material, welches bei den nachfolgenden Bearbeitungsschritten zu Verzügen und Verspannungen führt. Die inneren Spannungen in Stahlmembranen, die parallel zur Oberfläche gewalzt wurden, können dabei so groß sein, daß sie zu einer nennenswerten Verfälschung des Meßsignals eines so gefertigten Drucksensors führen. Dies wird durch die Verwendung von Stahlsubstraten 103, die aus einem längsgewalzten Rundstahl 100 gewonnen wurden, vermieden. Derartige Sensoren sind daher qualitativ besonders hochwertig. Neben einem Rundstahl können natürlich auch anderen Formen von längsgewalzten Stahlstangen verwendet werden, z. B. eine rechteckige Stahlstange.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Drucksensorele­ menten, die eine Metallmembran und eine darauf ange­ ordnete resistive Dünnschicht aufweisen, wobei in einen Grundkörper eine Sacköffnung eingebracht wird und auf einer der Sacköffnung abgewandten Seite des Grundkörpers die resistive Dünnschicht aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig eine Vielzahl von Drucksensorelementen (10) in einem Nutzen (28) hergestellt werden, wobei nach Aufbringen der resistiven Dünnschicht (18) auf den Nutzen (28) dieser zu den Drucksensorelementen (10) vereinzelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Nutzens (28) eine Platte (30) mit einer Vielzahl, von Sacköffnungen (34) versehen wird, die in einem Raster (32), das der späteren Ver­ einzelung zu den Drucksensorelementen (10) ent­ spricht, angeordnet sind.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Sacköffnungen (34) abgewandte Seite der Platte (30) liegende Ober­ fläche (36) komplett mit der resistiven Dünnschicht (18) versehen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vereinzelung der Drucksensorelemente (10) über eine hochpräzise Schneidtechnik, insbesondere ein Laserschneiden, Drahterodieren oder Wasserstrahlschneiden, erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutzen (28) mittels eines Metallspritzgußverfahrens oder Sinterverfahrens hergestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Nutzen (28) eine Stahlstange (100), insbesondere eine Rundstahlstange (100), vorgesehen wird, daß die Stahlstange (100) eine Längsachse (101) aufweist, daß die Stahlstange (100) nur in Längsrichtung (101) gewalzt wurde, und daß durch Zerteilen der Stahlstange (100) senkrecht zur Längsrichtung (101) Edelstahlsubstrate (103) gewonnen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Stahlmaterial ein Federstahl verwendet wird.