DE19750131C2

DE19750131C2 - Mikromechanische Differenzdrucksensorvorrichtung

Info

Publication number: DE19750131C2
Application number: DE19750131A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Werner; Hans-Joerg Timme
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1997-11-13
Filing date: 1997-11-13
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2017-11-14
Also published as: US6725725B1; KR20010032103A; JP2001523814A; DE19750131A1; EP1031017A1; WO1999026048A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mikromechanische Diffe renzdrucksensorvorrichtung zum Messen einer Druckdifferenz in zwei voneinander getrennten Räumen oder Medien.

Die Messung von Differenzdrücken, d. h. eines Unterschiedes zwischen den herrschenden Drücken in zwei voneinander ge trennten Räumen oder Medien, ist für viele Anwendungen von Drucksensoren von großer Bedeutung. Dabei ist es im allgemei nen nicht ausreichend, zwei Drücke p₁ und p₂ mit zwei separa ten Drucksensoren absolut zu messen und die gewonnenen Meß werte danach voneinander zu subtrahieren. Der Grund hierfür liegt in der zu geringen Meßgenauigkeit der allgemein zur Verfügung stehenden Absolutdruckmessvorrichtungen, die insbe sondere bei großen Druckbereichen bzw. hohen Absolutdrücken aber kleinen Differenzdrücken nicht genügt, die Druckdiffe renz Δp = p₂ - p₁ hinreichend genau zu liefern.

Die Messung eines Differenzdruckes Δp = p₂ - p₁ durch die Verwendung zweier unabhängiger Absolutdrucksensoren führt bei kleinen Differenzdrücken (bezogen auf den Messbereich des Ab solutdrucksensoren) zu erheblichen Meßfehlern. Bei einem Meß fehler der Absolutdrucksensoren von z. B. 1% ergibt sich bei einem Differenzdruck Δp von z. B. 5% des Meßbereiches be reits ein Fehler von 28%.

Zur Lösung dieses Problems wurden Halbleiter- Differenzdrucksensoren vorgeschlagen, bei denen eine einzige druckempfindliche Membran von der einen Seite mit dem ersten Druck p₁ und von der anderen Seite mit dem zweiten Druck p₂ beaufschlagt wird. Folglich wird bei einer derartigen Anord nung die Membran entsprechend der Druckdifferenz Δp = p₂ - p₁ ausgelenkt und ermöglicht damit eine entsprende Messung die ses Wertes.

Differenzdrucksensoren sind z. B. in DE 28 37 642 A1, JP 4- 72534 A, EP 714 017 A1 und in der Druckschrift von Werthschützky, R.: "Einsatz von Siliziumsensoren in Prozeßmeßgeräten zur Druckmessung - Stand und Tendenzen" in: Technisches Messen: tm 59 (1992) Nr. 9, S. 340-346, beschrieben.

Die Meßgenauigkeit eines Halbleiter-Differenzdrucksensors ist abhängig von der Auslegung des Sensors, d. h. der Membran, der Abtastung der Membranauslenkung und der elektrischen bzw. elektronischen Auswertung etc..

Ein wesentliches Problem dieses Lösungsansatzes ist aber, daß die Herstellung solcher Halbleiter-Differenzdrucksensoren in sogenannter Volumen-Mikromechanik-Technologie (bulk micromachining) erfolgen muß, bei der das Substratmaterial unterhalb der Membran vollständig entfernt (z. B. durch Ätzen) werden muß. Die entsprechenden Produktionsprozesse sind im allgemeinen nicht kompatibel mit modernen CMOS oder Bipolar-Halbleiterprozessen. Demzufolge ist es schwierig, zusätzlich zu der Drucksensorvorrichtung eine komplexe Auswerteschaltung direkt auf demselben Halbleiterchip zu integrieren.

Ein weiterer prinzipieller Nachteil der oben beschriebenen "bulk micromachining-Lösung" besteht darin, daß diese Differenzdrucksensoren ausgesprochen empfindlich auf die Montage- bzw. Gehäusebedingungen reagieren. Gewöhnlich wird dieses Problem durch einen Wafer-Bond-Prozeß (Verbinden zweier Wafer miteinander) gelöst, bei dem der Systemwafer, welcher die eigentliche Drucksensorvorrichtung trägt, mit einem Trägerwafer verbunden wird. Solche Trägerwafer können ihrerseits aus einem Halbleitermaterial oder aber auch aus thermisch angepaßten Gläsern oder Keramiken bestehen. Jeder Trägerwafer muß entweder vor oder nach dem Verbindungsprozeß mit dem Systemwafer strukturiert werden, damit eine Druckankopplung an die Membranunterseite erfolgen kann. Diese Strukturierung führt auf Justierprobleme, wenn sie vor dem Wafer-Bonden erfolgt. Erfolgt die Strukturierung dagegen nach dem Wafer-Bonden, so muß sie mit größter Vorsicht vorgenommen werden, da die empfindlichen Membranen sehr leicht beschädigt werden können, was entweder die Produktionsausbeute drastisch reduziert oder aber möglicherweise die Zuverlässigkeit und/oder Langzeitstabilität der Drucksensoren beeinträchtigen kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine mikromechanische Differenzdrucksensorvorrichtung zu entwickeln, die technisch einfach und gleichzeitig mit hoher Produktionsausbeute herstellbar ist und eine hohe Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Differenzdrucksensor gelöst, bei dem auf einem einzigen Trägerplättchen zwei Absolutdruckmeßvorrichtungen monolithisch integriert sind. Die beiden Absolutdruckmeßvorrichtungen werden gleichzeitig mittels Oberflächenmikromechanik-Technologie hergestellt.

Aufgrund der monolithischen Integration der beiden Absolutdruckmeßvorrichtungen, insbesondere deren Drucksensor- Membranen auf ein- und demselben Trägerplättchen sind die Absolutfehler der beiden Absolutdruckmeßvorrichtungen im wesentlichen gleich groß und besitzen zudem dasselbe Vorzeichen. Die Meßfehler sind folglich korreliert und heben sich durch die Differenzbildung der beiden Druckmeßwerte noch in der Meßbrücke am Eingang einer signalverarbeitenden Auswerteschaltungsanordnung praktisch auf.

Weiterhin weist mindestens einer der beiden Absolutdruckmeßvorrichtungen ein Druckanschlußteil (z. B. Kamin oder Schlauchstutzen) auf, über das einer der beiden Räume, in denen der Druck gemessen werden soll, an diese Absolutdruckmeßvorrichtung angekoppelt werden kann. Dadurch können auf einfache Weise die beiden Drücke getrennt voneinander an die Absolutdruckmeßvorrichtungen herangeführt werden.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Differenzdrucksensorvorrichtung sind in einem einzigen Halbleiterplättchen zwei voneinander getrennte dotierte Gebiete ausgebildet. Auf einer ersten Hauptfläche des Halbleiterplättchens (z. B. ein Si-Plättchen, beispielsweise bestehend aus einem Si-Substrat alleine oder aus einem Si- Substrat mit einer Si-Epitaxieschicht) ist eine isolierende Opferschicht (z. B. Feldoxid (Si-Oxid)) mit einer ersten und einer zweiten Ausnehmung angeordnet, die bis auf die erste Hauptfläche des Halbleiterplättchens reichen. Die erste Aus nehmung ist dem ersten dotierten Gebiet und die zweite Aus nehmung ist dem zweiten dotierten Gebiet zugeordnet, wobei sich die Ausnehmungen bevorzugt jeweils insgesamt im Bereich des zugeörigen dotierten Gebietes befinden. Die beiden Aus nehmungen sind jeweils mit einer elektrisch leitendem Membran (z. B. bestehend aus dotiertem Polysilizium) gasdicht abge deckt, so daß zwei voneinander getrennte Kammern ausgebildet sind, die jeweils von der ersten Hauptfläche des Halbleiter plättchens, der zugehörigen Membran und den Wänden der Aus nehmungen begrenzt sind. Die Kammern sind beispielsweise mit Luft oder einem anderen Gas oder Gasgemisch gefüllt oder mit einem Vakuum versehen. Jede Membran bildet zusammen mit dem zugehörigen dotierten Gebiet eine kapazitive Absolutdruckmeß vorrichtung aus, bei dem die Membran und das dotierte Gebiet die beiden Kondensatorplatten darstellen. Vorteilhafterweise ist mindestens einem der beiden Absolutdruckmeßvorrichtungen ein Druckanschlußteil (z. B. ein Kamin oder ein Schlauchan schlußstutzen) zugeordnet, das unmittelbar am Rand der Abso lutdruckmeßvorrichtung aufgesetzt gasdicht mit diesem verbun den ist. Bevorzugt sind beide Absolutdruckmeßvorrichtungen mit jeweils einem solchen Druckanschlußteil versehen.

Bei einer weiterhin bevorzugten Weiterbildung der erfindungs gemäßen Differenzdrucksensorvorrichtung ist auf dem Halblei terplättchen eine Auswerteschaltungsanordnung integriert aus gebildet, die an die beiden Absolutdruckmeßvorrichtungen an gekoppelt ist, die deren Ausgangssignale empfängt und weiter verarbeitet. Vorteilhafterweise wird noch in einer Eingangs brücke der Auswerteschaltungsanordnung die Differenz der bei den Ausgangssignale der beiden Absolut- Drucksensorvorrichtungen gebildet und nur noch dieses Differenzsignal von der Auswerteschaltung weiterverarbeitet. Durch diese Differenzbildung der Drucksensorsignale bereits am Ein gang der Auswerteschaltungsanordnung betreffen sämtliche durch die Auswerteschaltung verursachten Fehler vorteilhaf terweise nur noch das Differenzsignal Δp, nicht aber die Ein zelmessungen der Drücke p₁ und p₂.

Der Abgleich der aus zwei monolithisch integrierten Absolut drucksensorvorrichtungen aufgebauten Differenzdrucksensorvor richtung erfolgt vorteilhafterweise für die Differenzdruck kennlinie. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise eventuelle Unterschiede beider Absolutdrucksensorvorrichtungen hinsicht lich Offset und Empfindlichkeit kompensieren.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiter bildungen des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch das Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Auswerte- Schaltungsanordnung und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Auswerte- Schaltungsanordnung.

Bei dem Differenzdrucksensor gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 zur Messung der Differenz zwischen einem ersten Druck p₁ und einem zweiten Druck p₂ sind in einer Silizium schicht 1 benachbart zu einer ersten Hauptfläche dieser Sili ziumschicht 1 zwei voneinander getrennte, einen Abstand von einander aufweisende dotierte Gebiete 7a (im Folgenden "erstes dotiertes Gebiet genannt) und 7b (im Folgenden "zweites dotiertes Gebiet genannt), sogenannte "doped wells", ausgebildet. Die Siliziumschicht 1 ist z. B. ein Silizium substrat oder eine auf einem Siliziumsubstrat aufgebrachte Silizium-Epitaxieschicht. Die Dotiergebiete sind beispiels weise mittels Implantation und/oder Diffusion hergestellt.

Auf der ersten Hauptfläche 8 der Siliziumschicht 1 ist eine elektrisch isolierende Schicht 2 aufgebracht, die ein erstes 4a und ein zweites Fenster 4b aufweist, in denen die erste Hauptfläche 8 der Siliziumschicht 1 freigelegt ist. Sie be steht beispielsweise aus einem Feldoxid (Siliziumoxid). Das erste 4a und das zweite Fenster 4b befindet sich, von der Si liziumschicht 1 aus gesehen, über dem ersten 7a bzw. über dem zweiten dotierten Gebiet 7b. Das erste 4a und das zweite Fen ster 4b ist mit einer ersten 3a bzw. mit einer zweiten elek trisch leitenden Membran 3b gasdicht abgedeckt, die bei spielsweise im Wesentlichen aus dotiertem Polysilizium beste hen.

Die von den Seitenwänden der Fenster 4a und 4b, der Hauptflä che der Siliziumschicht 1 und den Membranen 3a und 3b be grenzten "Kammern" sind z. B. mit Luft oder einem anderen Gas oder Gasgemisch gefüllt oder mit einem Vakuum versehen.

Auf der elektrisch isolierenden Schicht 2 und auf dem Über lappungsbereich zwischen dieser und den Membranen 3a und 3b ist eine weitere elektrisch isolierende Schicht 6 (z. B. Si- Oxid oder Si-Nitrid) aufgebracht, derart, daß die Membranen 3a und 3b im Bereich der Fenster 4a und 4b frei bleiben.

Die erste Membran 3a und das erste dotierte Gebiet 7a sowie die zweite Membran 3b und das zweite dotierte Gebiet 7b bil den einen ersten bzw. einen zweiten "Platten"-Kondensator mit druckabhängiger Kapazität (abhängig vom Druck auf die zugehö rige Membran) C₁(p₁) bzw. C₂(p₂) aus. An den Rändern der Drucksensorbereiche dieser beiden jeweils aus einem dotierten Gebiet 7a, 7b und aus einer Membran 4a, 4b gebildeten Absolut drucksensorvorrichtungen 9a und 9b ist jeweils ein Druckan schlußteil 5a und 5b, z. B. ein Kunststoffkamin oder ein Kunststoff-Schlauchanschluß, gasdicht auf der weiteren elek trisch isolierenden Schicht 6 befestigt. Mittels dieser Druckanschlußteile 5a und 5b können auf einfache Weise die beiden zu messenden Drücke getrennt von einander der jeweils zugehörigen Absolutdrucksensorvorrichtungen 9a und 9b zuge führt werden.

Bei der in Fig. 2 schematisch dargestellten Schaltungsanord nung zur Auswertung der beiden Ausgangssignale der Absolut drucksensorvorrichtungen 9a, 9b handelt es sich um eine soge nannte Switched Capacitor-Schaltung zur Auswertung des Si gnals C₁-C₂. Hierbei werden die beiden Kapazitäten C₁ und C₂ mit gegenphasigen Signalen S₁ und S₂ angesteuert und über ei nen Schalter S, an den jeweils ein Anschluß der Kapazitäten C1 und C2 herangeführt ist, einem einfachen Integrator 10 (z. B. eines Sigma-Delta-Wandlers) zugeführt, dessen Ausgang 11 an eine weitere Auswerteschaltung angeschlossen ist. Diese Schaltungsanordnung und auch die weitere Auswerteschaltungs anordnung ist vorteilhafterweise zusammen mit der Differenz drucksensorvorrichtung auf ein und demselben Siliziumchip in tegriert. Dies läßt sich auf einfache Weise realisieren, weil die oberflächenmikromechanischen Prozeßschritte mit Prozeß schritten zum Herstellen von integrierten Schaltungen kompa tibel sind.

Bei der in Fig. 3 schematisch dargestellten Schaltungsanord nung zur Auswertung der beiden Ausgangssignale der Absolut drucksensorvorrichtungen 9a, 9b handelt es sich ebenfalls um eine sogenannte Switched Capacitor-Schaltung zur Auswertung des Signals C₁-C₂. Hierbei werden die beiden Kapazitäten C₁ und C₂ aber im Unterschied zur oben beschriebenen Schaltungs anordnung mit gleichphasigen Signalen S₁ und S₂ angesteuert und über zwei getrennte Schalter Sa und Sb einem differenti ellen Integrator 10 (z. B. einem Sigma-Delta-Wandler) zuge führt, dessen Ausgang 11 an eine weitere Auswerteschaltung angeschlossen ist. Hinsichtlich der Integration dieser Schal tungsanordnung zusammen mit der Differenzdrucksensorvorrich tung auf ein und demselben Siliziumchip gilt das im Zusammen hang mit Fig. 2 gesagte.

Claims

1. Mikromechanische Differenzdrucksensor-Vorrichtung zum Messen eines Druckunterschiedes zwischen zwei voneinander getrennten Räumen oder Medien,
bei der auf einem einzigen Trägersubstrat zwei gleichzeitig mittels Oberflächenmikromechanik-Technologie hergestellte Absolutdruck-Meßvorrichtungen (9a, 9b) monolithisch integriert sind,
bei der mindestens einer der beiden Absolutdruck- Meßvorrichtungen (9a, 9b) ein Druckanschlußteil (5a, 5b) aufweist, das auf die zugehörige Absolutdruck- Meßvorrichtung (9a, 9b) aufgesetzt ist und über das einer der beiden Räume, in denen der Druck (P₁, P₂) gemessen werden soll, an diese Absolutdruck-Meßvorrichtung (5a, 5b) ankoppelbar ist.

2. Mikromechanische Differenzdruck-Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, bei der:

- das Trägersubstrat ein Halbleiterplättchen (1) ist, in dem voneinander getrennte dotierte Gebiete (7a, 7b) ausgebildet sind,
- auf einer ersten Hauptfläche (8) des Halbleiterplättchens (1) eine isolierende Opferschicht (2) mit einer ersten (4a) und einer zweiten Ausnehmung (4b) angeordnet ist,
- die erste Ausnehmung (4a) dem ersten dotierten Gebiet (7a) und die zweite Ausnehmung (4b) dem zweiten dotierten Gebiet (7b) zugeordnet ist,
- die beiden Ausnehmungen (4a, 4b) jeweils mit einer elektrisch leitenden Membran (3a, 3b) gasdicht abgedeckt sind, so daß zwei voneinander getrennte Kammern ausgebildet sind, und
- jede Membran (3a, 3b) zusammen mit dem zugehörigen dotierten Gebiet (7a, 7b) eine kapazitive Absolutdruck- Meßvorrichtung ausbildet, bei der die Membran (3a, 3b) und das dotierte Gebiet (7a, 7b) die beiden Kondensatorplatten darstellen.

3. Mikromechanische Differenzdruck-Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Kammern mit Luft oder mit einem anderen Gas oder Gasgemisch gefüllt sind oder mit einem Vakuum versehen sind.

4. Mikromechanische Differenzdruck-Sensorvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der auf dem Halbleiterplättchen (1) eine Auswerteschaltungsanordnung integriert ist, die an die beiden Absolutdruck-Meßvorrichtungen angekoppelt ist und deren Ausgangssignale empfängt und weiterverarbeitet.

5. Mikromechanische Differenzdruck-Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Auswerteschaltungsanordnung eine Eingangsbrücke aufweist, die die Differenz der beiden Ausgangssignale der beiden Absolutdruck-Sensorvorrichtungen bildet und bei der die Auswerteschaltung nur noch dieses Differenzsignal weiterverarbeitet.