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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Drucksensorelementen.
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Drucksensorelemente
der unterschiedlichsten Art sind bekannt. Aufgrund ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten
und ihrer Eignung für
einen weiten Druckbereich von beispielsweise 10 bis 2000 bar haben
sich Drucksensorelemente mit einer Metallmembran und einer hierauf
angeordneten resistiven Dünnschicht
als besonders geeignet erwiesen. Nachfolgend wird von einer resistiven
Dünnschicht gesprochen,
wobei klar ist, daß diese
aus einer Mehrzahl einzelner Schichten unterschiedlicher Funktion besteht,
die gemeinsam die resistive Dünnschicht
ergeben. Diese Drucksensorelemente besitzen einen Grundkörper, der
eine Meßöffnung aufweist,
die von der Metallmembran (Boden der Meßöffnung) 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 aufwendiger Einzelfertigung herzustellen.
Hierbei werden die Grundkörper
der Drucksensorelemente als Drehteile aus Metall gefertigt, diese
mit einer Sacköffnung
versehen, und anschließend
wird die resistive Dünnschicht
aufgebracht. Da diese Einzelfertigung sehr aufwendig ist, ist eine
Herstellung in großen Stückzahlen
nicht möglich.
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Um
eine effektivere Herstellung der Drucksensorelemente 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 gedrehten und polierten, die Sacköffnungen aufweisenden Grundkörper in
eine Trägerstruktur,
beispielsweise ein Lochblech, eingesetzt und diese gemeinsam nachfolgend
mit der resistiven Dünnschicht
versehen. Hierbei ist jedoch nachteilig, daß durch die Schichtabscheideprozesse
zum Aufbringen der resistiven Dünnschicht
gleichzeitig das Trägerelement
verschmutzt wird, so daß vor
Weiterverwendung des Trägerelementes
dieses einer aufwendigen Reinigung unterzogen werden muß. Darüber hinaus
ist nachteilig, daß die
Trägerelemente
mit den Grundkörpern
bestückt
werden müssen
und anschließend
die fertig prozessierten Drucksensorelemente aus dem Trägerelement
wieder entnommen werden müssen.
Ein weiterer Nachteil ist, dass für die unterschiedlichen Prozesse,
wie zum Beispiel Beschichten und Fotolithographie, auch unterschiedliche
Carriersysteme benötigt
werden. Die Genauigkeit der Carrier geht direkt in die geometrische
Genauigkeit des Einzelelements ein.
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Aus
der
JP 1-29 94 32(A) in
Pat. Abstr. of JP, P-1009 Feb. 20, 1990 Vol. 13/No. 92 und der
DE 39 19 059 C2 sind
Drucksensorelemente bekannt, bei denen in einem metallischen Grundkörper Sacköffnungen
eingebracht werden und auf der abgewandten Seite resistive Dünnschichtelemente
aufgebracht werden. Aus der
DE
43 21 804 A1 , der
JP
1-18 74 26(A) in
Pat. Abstr. of JP, P-950 Oct. 27, 1998 Vol. 13/No. 475 und H. A.
Kayal et al., Anwendungsspezifische intelligente Sensoren, Elektronik
9/29.4.1988, S. 112–117
sind Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung einer Vielzahl von
Drucksensorelementen in einem Nutzen bekannt. Dabei werden resistive
Dünnschichtelementen
auf den Nutzen aufgebracht, der später vereinzelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren
mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den
Vorteil einer besonders einfachen Herstellung von qualitativ hochwertigen Drucksensorelementen.
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Das
Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merk malen bietet weiterhin
den Vorteil, dass sich in einfacher Weise gleichzeitig eine Vielzahl
von Drucksensorelementen herstellen lassen. Dadurch, dass gleichzeitig
eine Vielzahl von Drucksensorelementen in einem Nutzen (Mehrfachnutzen) von
Grundkörpern
hergestellt werden und dieser nach Aufbringen der resistiven Dünnschicht
in die Drucksensorelemente ergebende Grundkörper vereinzelt wird, ist es
vorteilhaft möglich,
ohne aufwendige zusätzliche
Hilfsmittel die Drucksensorelemente mit hoher Genauigkeit herzustellen.
Zusätzliche
Arbeitsschritte wie das Einbringen in ein Trägerelement und das Entnehmen
hieraus entfallen vollkommen. Darüber hinaus lassen sich die
Abscheideprozesse der resistiven Dünnschicht über einen großen Nutzen,
der anschließend
zu den Drucksensorelementen vereinzelt wird, prozeßtechnisch
sehr viel einfacher beherrschen. Die Vereinzelung der fertig prozessierten
Drucksensorelemente kann mittels hochgenauer Techniken, vorzugsweise
mittels Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden oder Drahterodieren
erfolgen, so dass nach der Vereinzelung eine weitere Bearbeitung
der Drucksensorelemente nicht notwendig ist.
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Durch
Optimierung der Anordnung der Drucksensorelemente auf dem gemeinsamen
Nutzen kann der zur Verfügung
stehende Platz größtmöglichst
ausgenutzt werden, 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.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten
Merkmalen.
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Das
Verfahren wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Draufsicht und eine Schnittdarstellung durch ein einzelnes Drucksensorelement;
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2 eine
Draufsicht und eine Schnittdarstellung durch einen Nutzen zur Herstellung
der Drucksensorelemente;
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3 eine
Draufsicht auf einen Nutzen in einer weiteren Ausführungsvariante
und
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4 eine
Schnittdarstellung durch einen Drucksensor (Drucksensorelement auf
Druckanschluß);
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5 Rundstahlstange
zur Herstellung von Drucksensoren;
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6 Stahlsubstrate
zur Herstellung von Drucksensoren.
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1 zeigt
ein Drucksensorelement 10 in einer Draufsicht und einer
Schnittdarstellung. Das Drucksensorelement 10 besitzt einen
Grundkörper 12,
der beispielsweise kreisrund ausgebildet ist. Nach anderen – 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 Meßmembran 16 begrenzt
wird, so daß sich eine
Sacköffnung
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 hochfesten Edelstahl. Der Aufbau und die Funktionsweise
des in 1 gezeigten Drucksensorelementes 10 sind
allgemein bekannt.
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In 4 ist
beispielhaft der Einsatz eines Drucksensorelementes 10 verdeutlicht.
Dieser wird auf einem Druckanschluß 20 angeordnet, der
in einem Gehäuse 22 eine
Durchgangsöffnung 24 aufweist,
die mit einem zu messenden Medium, beispielsweise einem gasförmigen oder
flüssigen
Me dium, in Verbindung steht. Die Durchgangsöffnung 24 wird durch
das Drucksensorelement 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 Qualitätsansprüchen des mit
dem Drucksensor 10 erzielten Meßergebnisses 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 Auslenkung der Meßmembran 16 kann
mittels bekannter Verfahren, beispielsweise resistiv, (Wheatstone
Brücke),
ausgewertet werden. Die Auslenkung der Meßmembran 16 ist proportional
den sich einstellenden Druckverhältnissen
in der Meßöffnung 14,
so daß auf den
anliegenden Druck beziehungsweise Unterdruck geschlossen werden
kann.
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Nachfolgend
soll auf die Herstellung der Drucksensorelemente 10 eingegangen
werden. In 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 geometrische
Form, beispielsweise eine rechteckige Form, kreisförmige Form,
trapezförmige
Form usw. besitzen. Im gezeigten Beispiel in 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 Sacköffnungen 34 geringfügig größer gewählt ist als
der Durchmesser d der späteren
Drucksensorelemente 10.
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Auf
der den Sacköffnungen 34 abgewandten Seite
liegenden Oberfläche 36 der
Platte 30 werden nachfolgend die an sich bekannten Prozeßschritte zur
Strukturierung einer resistiven Dünnschicht 18 durchgeführt. Hierzu
erfolgt gegebenenfalls ein Polieren der Oberfläche 36, das anschließende Abscheiden
einer Isolationsschicht (in Dünnschicht- oder
Dickschichttechnik), das Abscheiden einer resistiven Dünnschicht,
beispielsweise Sputtern von Polysilizium oder Metallen, eine photolithographische Strukturierung,
ein Abscheiden einer Kontaktschicht, eine eventuelle Strukturierung
der Kontaktschicht und das anschließende Aufbringen einer Passivierungsschicht.
Das Erzeugen derartiger Schichtsysteme ist allgemein bekannt und
soll deshalb nicht detailliert beschrieben werden.
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Entscheidend
ist, daß das
Erzeugen des Schichtsystems über
die gesamte Oberfläche 36 des Nutzens 28 erfolgt.
Hierdurch bieten sich verfahrenstechnisch gegenüber dem Abscheiden 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.
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In
der in 2 gezeigten Draufsicht ist die Lage der einzelnen
Drucksensorelemente 10 jeweils angedeutet. Entsprechend
der gewählten
Geometrie der Drucksensorelemente 10, beispielsweise entsprechend
des Durchmessers d, erfolgt anschließend eine Vereinzelung aus
dem Nutzen 28. Hierzu können
hochpräzise
Schneidtechniken, beispielsweise Laserschneiden, Drahterodieren
oder Wasserstrahlschneiden, eingesetzt werden.
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Insgesamt
läßt sich
also mittels einfacher Verfahrensschritte gleichzeitig eine Vielzahl
von Drucksensorelementen 10 erzeugen, die sich durch hohe
Genauigkeit und geringe Toleranzunterschiede auszeichnen. Das erfindungsgemäße Verfahren
läßt sich
in für
eine Massenherstellung von beispielsweise mehreren Millionen Stück pro Jahr
in einfacher Weise kostengünstig
realisieren.
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Durch
die Vereinzelung des mit der resistiven Dünnschicht 18 versehenen
Nutzens 28 zu den einzelnen Drucksensorelementen 10 erfolgt
keine Verschmutzung von hilfsweise vorgesehenen Trägerelementen,
so daß bei
der Herstellung Hilfsverfahren, wie beispielsweise Bestücken der
Trägerelemente, Entnehmen
der fertigen Drucksensorelemente 10, sowie Reinigen der
Trägerelemente
vollkommen entfallen. Die nach Vereinzelung der Drucksensoren 10 verbleibenden
Reste des Nutzens 28 können
beispielsweise gesammelt, recycelt und einer anderen Verwendung
zugeführt
werden.
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Durch
Optimierung des Rasters 32, wie dies in 3 gezeigt
ist, wobei gleiche Teile wie in 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 Drucksensorelemente 10 verwertbarer Rest des
Nutzens 28. Gegenüber
dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel läßt sich
bei einem Nutzen 28 mit gleicher Kantenlänge a und
Drucksensorelementen 10 mit gleichen Durchmessern d eine
um zirka 5% höhere
Produktausbeute aufgrund der höheren Packungsdichte
erzielen. Der Nutzen 28 kann sehr vorteilhaft beispielsweise
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.
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Ein
besonders vorteilhaftes Verfahren wird nun anhand der 5 und 6 erläutert. In
der 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 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 Siliziumwafer bearbeitung
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 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.
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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.