DE3520064C2 - Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors.

Aus C.S. Sander, J.W. Knutti, J.D. Meindl, "IEEE Transaction on Electron Devices", Vol. ED-27 (1980), No. 5, Seiten 927-930, ist ein kapazitiver Sensor für Absolutdruck bekannt, der ein elastisches Bauteil aus Silizium und eine Glasplatte aufweist, welche miteinander durch ein Verfahren gemäß der US 3 397 278 verbunden sind. Zwischen dem elasti­ schen Bauteil und der Glasplatte verbleibt ein abgeschlos­ sener Raum, der als Vakuumkapsel des Sensors dient, wobei zwischen dem elastischen Bauteil und einem Metallfilm auf der Glasplatte eine Kapazität in Abhängigkeit von dem Druck erzeugt wird. Zur Kontaktierung des Metallfilms ist ein Leiter vorhanden, der auf das Silizium durch Diffusion auf­ gebracht ist und eine Leitfähigkeit aufweist, die sich von der des elastischen Bauelementes unterscheidet. Ein wesent­ licher Nachteil dieses Sensors ist die hohe und ausgespro­ chen stark temperaturabhängige Sperrkapazität, welche zwi­ schen dem eindiffundierten Leiter und dem elastischen Bau­ teil entsteht und die druckabhängige Kapazität des Sensors beeinflußt. Die relative Dynamik des Sensors nimmt ab und seine Temperaturempfindlichkeit steigt an.

In der US 4 261 086, AUS 4 386 453 und US 4 384 899 sind jeweils Sensoren mit einem ähnlichen Aufbau beschrieben. Der Anschluß erfolgt durch eine Bohrung in dem Glas, welche an der Innenseite mit Metall überzogen ist. Die Bohrung wird durch Einschmelzen von Metall (Löten) verschlossen. Somit hat der Anschluß keine parasitären Eigenschaften, aber das Verschließen der Bohrung ist insbesondere bei der Massenfertigung ein umständlicher Verfahrensschritt.

In der US 4 405 970 ist ein Sensor beschrieben, bei welchem Trägerplatten aus Silizium und das elastische Bau­ teil mittels eines dünnen Glasfilms, der durch Sputtern oder durch Vakuum-Aufdampfen erzeugt wird, miteinander "verklebt" werden. Hierdurch wird die Stärke des Glasfilms und somit der Abstand zwischen den Kondensatorplatten ge­ steuert. Ein großer Vorteil dieser bekannten Sensorkon­ struktion ist, daß das Herstellungsmaterial im wesentlichen vollständig Silizium ist. Eine gute Temperaturstabilität ist somit sichergestellt. Streukapazitäten aufgrund der Glasverbindung beeinflussen jedoch die Eigenschaften des Sensors nachteilig. Die Stärke des Glases kann maximal 10 µm sein, was dem Kapazitätswert eines Luftspaltes mit 2 µm entspricht. Samit dominiert die Verbindungszone den Kapazi­ tätswert des Sensors, solange die Fläche des Sensors selbst nicht sehr groß gemacht wird.

In der US-4 405 970 ist weiterhin ein Aufbau beschrie­ ben, in welchem eine relativ starke Glaswand die zwei Sili­ ziumstücke voneinander trennt. In diesem Fall treten keine Probleme bezüglich Streukapazitäten auf, jedoch ist die Ge­ nauigkeit des Luftspalts in dem Kondensator schwer zu regu­ lieren.

Aus der US-4 257 274, insbesondere Fig. 9, ist ein Drucksensor bekannt, bei dem am Rand eines Silizium­ substrats Glasmaterial aufgebracht ist, dessen Oberfläche über die Siliziumsubstrat-Oberfläche vorsteht. Auf diesem Glasmaterial stützt sich eine bewegliche Membran seitlich ab.

In SU-Sov. Inv. III. "Instruments, Control, Computa­ tion" 1975, Week W 27, S. 16 (SU 4,406,567, Abstract), ist ein kapazitiver Vibrationssensor bekannt, dessen bewegliche Membran über eine Kugel mit dem Vibrationskörper in Verbin­ dung steht. Die Membran und der sie umgebende Wandbereich bestehen aus becherförmig ausgestaltetem Metall, das auf einer Isolatorplatte abgestützt ist, in deren Mitte eine Gegenelektrode angebracht ist.

Aus der DE 29 38 205 A1 ist ein kapazitiver Druckgeber bekannt, bei dem eine metallische Membran auf einem Isolator aufliegt, der auf dem Trägersubstrat aufgebracht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors zu schaffen, dessen Kapazitätswert bei verhältnismäßig einfacher Her­ stellbarkeit definiert festlegbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den im Patenanspruch 1 angegebe­ nen Maßnahmen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, daß eine Schicht aus isolierendem Material, z. B. Glas, auf ein Substrat aus einem bearbeitbaren und leitfähigen Material, z. B. Silizi­ um, aufgeschmolzen oder -gegossen wird. Somit wird die Dicke der Isolierschicht im Bereich von Vertiefungen in dem Substrat stärker als in anderen Bereichen des Substrats. Wenn nun die Isolierschicht (und teilweise auch das Substrat) abgeschliffen wird, so daß die obersten Bereiche der Schicht und die verbleibenden Bereiche der Isolierschicht eine einheitliche und ebene Oberfläche bilden, wird ein durchgehender elektrisch leitender Bereich geschaffen, der sich von der unteren Oberfläche des Substrates zu dessen oberer Oberfläche erstreckt, wobei an der oberen Oberfläche dieser elektrischleitende Bereich von einer Isolierschicht umgeben ist. Aufgrund des elektrischen Durchganges ist es möglich, einen mechanischen Durchgang zu schaffen, indem durch den elektrischleitenden, durchgebenden Bereich beispielsweise ein Loch gebohrt wird.

Ein erster Vorteil der vorliegenden Erfin­ dung ist, daß ein Aufbau erhalten wird, in welchem para­ sitäre Kapazitäten zwischen dem elastischen Bauteil und dem Substrat wesentlich geringer sind als die Sensor-Kapazität. Weiterhin ist die Abhängigkeit der parasitären Kapazität von Temperaturänderungen ge­ ring.

Ein weiterer Vorteil ist, daß ein Aufbau erhalten wird, der hermetisch abgeschlossen ist und des­ sen Verformungen aufgrund von Temperaturänderungen gering sind.

Weiterhin zeichnet sich der Aufbau dadurch aus, daß der Abstand zwischen den Kondensatorplatten, der einige Mi­ krometer beträgt, von der Basis des elastischen Bauteiles bestimmt wird und somit in seinen Abmessungen äußerst präzise gefertigt werden kann.

Ein weiterer Vorteil des Aufbaus ist, daß die dem Substrat benachbarte Kondensatorplatte elek­ trisch außerhalb der Vakuumkammer ohne zusätzliche Ar­ beitsschritte angeordnet werden kann.

Schließlich ist der Aufbau für Massenfertigung äußerst gut geeignet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorlie­ genden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Substrates, das vollständig aus einem bearbeitbaren, leitfähigen Material ist;

Fig. 2 eine Darstellung ähnlich Fig. 1, nachdem eine Schicht aus isolierendem Material aufgebracht wurde;

Fig. 3 eine Darstellung gemäß Fig. 2, nachdem die Oberfläche plan geschliffen wurde;

Fig. 4 eine Darstellung ähnlich Fig. 3, nachdem eine Kapsel eines bearbeitbaren Materials hermetisch aufgebracht wurde; und

Fig. 5 eine Ansicht ähnlich Fig. 3, nachdem durch den leitfähigen Bereich ein mechanischer Durchgang in Form einer Bohrung geschaffen wurde.

Ein Körper 1 des Substrates ist aus einer Siliziumschei­ be gefertigt und weist typischerweise eine Stärke von ungefähr 1,3 mm auf. Die übrigen Abmessungen sind normalerweise etwa 5 × 6 m². Mittels geeigneter und be­ kannter Verfahrensweisen wird in dem Körper 1 eine Ver­ tiefung 5 ausgebildet, welche eine Tiefe von ungefähr 200 µm hat. In der Mitte des Körpers verbleibt somit ein Mesa-Bereich 6 mit einer Fläche von ungefähr 5 mm², welche eine Kondensatorplatte des Sensors bildet. Ein elasti­ sches Bauteil 3, das auf Druck reagiert, bildet die an­ dere Kondensatorplatte. Dieses Bauteil 3 muß hermetisch auf dem Substrat angeordnet werden und gleichzeitig elektrisch von diesem isoliert sein. Hierfür wird eine Glasschicht 2 mit ungefähr 300 µm, wie in Fig. 2 darge­ stellt, auf den Siliziumkörper 1 aufgeschmolzen. Für das Glas wird eine Sorte verwendet, dessen Temperaturausdeh­ nungskoeffizient dem von Silizium nahekommt. Somit sind die Verformungen des fertigen Sensors aufgrund von Tem­ peraturänderungen äußerst gering. Weiterhin sollte auch die Dielektrizitätskonstante des Glases stark unabhängig von der Temperatur sein. Derartige Glassorten sind z. B. Corning 7740, 7070 und Schott 8248. Nach dem Aufschmelzen wird das Glas bis auf eine Höhe A abgeschliffen, so daß auch die Oberfläche des Mesa-Bereichs 6 frei wird. Danach wird die geschliffene Oberfläche poliert, so daß das elasti­ sche Bauteil 3 auf die polierte Oberfläche 2′ beispiels­ weise durch Anoden-Bonden aufgebracht werden kann. Die elektrischen Anschlüsse zu dem elastischen Bauteil 3 und dem Substrat 1 und 2′ erfolgt durch bekannte Methoden.

Die Erfindung ist sowohl für einen Absolutdruck-Sensor als auch für einen Differenzdruck-Sensor geeignet. Im letzteren Fall wird eine Durchgangsöffnung 4 in dem Si­ liziumkörper 1 ausgebildet, wie in Fig. 5 dargestellt.

Die Substrate 1 und 2′ können durch Aussagen aus einer größeren Platte, welche auf die oben beschriebene Weise hergestellt wurde, geschaffen werden und haben einen Durchmesser von beispielsweise 7,6 cm. Die Siliziumbe­ reiche auf der geschliffenen Oberfläche A können mittels bekannten Verfahren mit Metall bedeckt werden, um elek­ trische Anschlüsse an geeigneten Stellen anzubringen. Die Durchgangsöffnung oder Bohrung 4 kann von unten oder oben durch Atzen geformt werden und weist einen Durchmesser von 10 bis 300 µm auf, wobei die Oberfläche des Mesa-Berei­ ches 6 beispielsweise 2 × 2 mm beträgt.

Die Materialien des Sensors sind vorzugsweise Silizium und Borsilikat-Glas. Der Sensor ist derart aufgebaut, daß die Platten des Kondensators, der auf Druck reagiert, innerhalb einer Vakuumkapsel angeordnet sind und nicht mit dem zu messenden Medium in Berührung kommen.

Aufgrund des Aufbaus des Substrates kann die Kapazität zwischen den Kondensatorplatten innerhalb der Vakuumkapsel von außen gemessen werden. Somit kann die Abhängig­ keit der Kapazität des Sensors von der Temperatur gering gemacht werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin möglich - wenn nötig - auf das Substrat eine Isolier­ schicht (nicht dargestellt) durch Sputtern, Abscheiden etc. aufzubringen, um unerwünschte chemische Reaktionen zwischen dem aufzuschmelzenden Material und dem Substrat zu verhindern. Das Ergebnis derartig unerwünschter Reak­ tionen kann beispielsweise die Ausbildung von Bläschen in dem aufgegossenen Material sein. Die Isolierschicht kann z. B. aus SiO₂ oder Si₃N₄ mit einer Stärke zwischen 10 und 100 nm sein. Diese Schicht wird von den Bereichen des elektrischen Durchgangs (Mesa-Bereich) abgeschliffen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksen­ sors, welches die folgenden Schritte aufweist:

• a) Ausbilden wenigstens einer Vertiefung (5) in der Oberfläche eines elektrisch leitfähigen Substrates (1);
• b) Aufschmelzen oder Aufgießen einer Schicht (2) aus elektrisch isolierendem Material auf die Oberfläche des Substrates (1) derart, daß die Schicht (2) die Oberfläche des Substrates vollständig bedeckt;
• c) Aushärten der Schicht (2);
• d) Entfernen des elektrisch isolierenden Materiales von der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Substrates (1) derart, daß eine einheitliche ebene Oberfläche ent­ steht, welche wenigstens einen als erste Kondensatorplatte dienenden, leitfähigen Mesa-Bereich (6′) aufweist, der von einem isolierenden Schichtbereich (2′) umgeben ist;
• e) Ausbilden einer Vertiefung in einem elektrisch leitfähigen, plattenförmigen, eine druckabhängig verlager­ bare zweite Kondensatorplatte ausbildenden Bauteil (3), und
• f) hermetisches Verbinden des Bauteils (3) mit dem isolierenden Schichtbereich (2′) derart, daß eine Kammer zwischen dem Mesa-Bereich (6) und der zweiten Kondensator­ platte gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substratmaterial Silizium verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß als Isoliermaterial Glas verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch das Ausbilden einer Durchtrittsöffnung (4), beispielsweise durch Ätzen, im Mesa-Bereich (6′).