DE4028402A1

DE4028402A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE4028402A1
Application number: DE19904028402
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl Phys Dr Seipler; Jiri Dr Ing Dr Marek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-09-07
Filing date: 1990-09-07
Publication date: 1992-03-12
Also published as: GB9117531D0; GB2247953A; JPH04245484A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drucksensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es sind bereits verschiedene Drucksensoren bekannt mit einem Sili ziumsensorelement, aus dem eine dünne, verbiegbare Membran heraus strukturiert ist. Zwischen der Membran und einer oberhalb oder unterhalb des Siliziumsensorelementes aufgebrachten Abdeckung befindet sich eine Kaverne, in der ein Referenzdruck herrscht. Das Meßmedium wird von oben oder unten an die Membran herangeführt. Somit lassen sich zwei Typen von Absolutdrucksensoren unterscheiden. Bei dem einen Typ wird das Meßmedium an die Seite der Membran heran geführt, auf der elektronische Schaltungselemente zur Signaler fassung integriert sind. Bei dieser Variante ist eine Passivier schicht auf der dem Meßmedium ausgesetzten Oberseite der Membran erforderlich, um ein Driften der elektronischen Schaltungselemente zu verhindern. Das Aufbringen von Passivierschichten hat oftmals eine mechanische Verspannung der Membran zur Folge, so daß ein On-Chip-Abgleich der elektronischen Schaltungselemente vor dem Auf bringen der Passivierschicht problematisch ist. Bei Drucksensoren vom zweiten Typ wird das Meßmedium an die Rückseite, also die Seite der Membran, auf der keine elektronischen Schaltungslemente inte griert sind, herangeführt. Dies erfolgt durch einen Durchbruch in der unteren Abdeckung des Siliziumsensorelements. Dieser Aufbau erfordert eine justierte Montage des Siliziumsensorelements gegen die untere Abdeckung.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß sich durch die Ausbildung einer seitlichen Druckzuführung die Montage des Sensors vereinfacht. Eine justierte Montage auf den Substratträger ist nicht erforderlich. Eine Passivierung der Oberfläche des Siliziumsensorelementes, in die elektronische Bauelemente integriert sind, ist nicht notwendig, so daß ein On-Chip-Abgleich unproblematisch ist und auch eine voll ständige Integration der Auswerteschaltung auf dem Siliziumsensor element möglich ist. Ferner läßt sich der erfindungsgemäße Druck sensor mit Materialien und Verfahren realisieren, die aus der Mikro elektronik und Mikromechanik bekannt und sehr gut handhabbar sind.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1a, b und 2a, b verschiedene Ausführungsformen des erfin dungsgemäßen Sensors und die Fig. 3 die Aufsicht auf ein Silizium sensorelement entsprechend den Fig. 1a und 2a.

Beschreibung der Erfindung

In den Fig. 1a, b und 2a, b sind verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Drucksensors dargestellt. Allen Ausgestaltun gen gemeinsam ist der dreischichtige Aufbau, wobei auf ein Silizium sensorlelement 10 eine obere Abdeckung 21 und eine untere Abdeckung 22 aufgebracht sind. Das Siliziumsensorelement 10 weist eine dünne, verbiegbare Membran 11 auf. Die Abdeckungen 21 und 22 können ent weder aus strukturierten oder unstrukturierten Glasträgern oder Siliziumträgern bestehen. In die Oberfläche des Siliziumsensor elements können Teile der Auswerteschaltung integriert sein, was hier allerdings nicht dargestellt ist. Bei den in den Fig. 1a, b dargestellten Siliziumsensorelementen 10 ist die Membran 11 durch einseitiges Einätzen von der Rückseite des Siliziumsensorelements 10 ausgehend entstanden. Die Membran 11 ist also innerhalb der Vorder seite des Siliziumsensorelements 10 ausgebildet. Um die Verbiegbar keit der Membran 11 zu gewährleisten, ist in der oberen Abdeckung 21 im Bereich der Membran 11 eine Ausnehmung erzeugt, die nach Auf bringen auf das Siliziumsensorelement 10 eine Kaverne 26 bildet. Bei den in den Fig. 1a und b dargestellten Ausführungsformen ist die Kaverne 26 vollständig abgeschlossen; in ihr herrscht ein definier ter Referenzdruck. Die durch das Einätzen von der Rückseite des Siliziumsensorelements 10 erzeugte Ausnehmung bildet nach Aufbringen der unteren Abdeckung 22 eine weitere Kaverne 15, die in den in Fig. 1a und b dargestellten Ausführungsformen als Meßkaverne dient. Die Druckzuführung erfolgt seitlich entweder durch einen im Sili ziumsensorelement 10 ausgebildeten Ätzgraben 13, der von der Außen seite des Sensors in die Meßkaverne 15 mündet, wie in Fig. 1a dargestellt, oder durch eine rillenförmige Ausnehmung 23 in der unteren Abdeckung 22, die von der Außenseite des Sensors bis in den Bereich der Meßkaverne 15 reicht. Dies ist in Fig. 1b dargestellt.

Die in den Fig. 2a und b dargestellten Sensorelemente 10 weisen ebenfalls eine Membran 11 auf, die allerdings durch zweiseitiges Einätzen von der Vorderseite und von der Rückseite des Silizium sensorelements 10 ausgehend erzeugt ist. Die dadurch entstandenen Ausnehmungen in dem Siliziumsensorelement 10 bilden zusammen mit der oberen Abdeckung 21 und der unteren Abdeckung 22 Kavernen 15 und 16.

Die Abdeckungen 21 und 22 können dabei unstruktiert wie in Fig. 2a oder aber auch strukturiert wie in Fig. 2b sein. Beispielhaft ist hier ein Sensorelement 10 dargestellt, das bezüglich seiner Vorder seite und seiner Rückseite symmetrisch ausgebildet ist. Die abge schlossene Kaverne 16 dient als Referenzkaverne; die Kaverne 15 dient als Meßkaverne und weist dementsprechend eine Druckzuführung auf. Diese kann entweder durch einen Ätzgraben 13 realisiert sein, was in Fig. 2a dargestellt ist, wobei der Ätzgraben 13 im Silizium sensorelement 10 ausgebildet ist und von der Außenseite des Sensors in die Kaverne 15 mündet. Eine andere Möglichkeit, die Druckzufüh rung zu realisieren, stellt eine rillenförmige Ausnehmung 23 in der unteren Abdeckung 22 dar, die von der Außenseite des Sensors bis in den Bereich der Meßkaverne 15 reicht oder aber in eine Ausnehmung in der unteren Abdeckung 22 mündet, die im Bereich der Membran 11 er zeugt ist.

In der Fig. 3 ist die Aufsicht auf die Rückseite eines Silizium sensorelementes 10 dargestellt, das aus einem (100)-Siliziumträger durch anisotropes Ätzen heraustrukturiert ist. Die Membran 11 ist durch Einätzen in die Rückseite des Siliziumträgers erzeugt. Dabei haben sich entsprechend der Kristallorientierung des Siliziumträgers (111)-Ebenen als schräg stehende Seitenwände der Rückseitenätzung gebildet. Gleichzeitig wurde ein Ätzgraben 13 zur Druckzuführung erzeugt, der ebenfalls schräg stehende (111)-Seitenwände aufweist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß zum Erzeugen der Meß kaverne keine justierte Montage einer Abdeckung erforderlich ist, da das Siliziumsensorelement 10 die Druckzuführung schon in Form des Ätzgrabens 13 beinhaltet.

Im Rahmen der Erfindung liegen auch Sensorelemente, die aus Sili ziumträgern mit anderer Kristallorientierung oder -struktur ge fertigt sind. Der Ätzgraben wird dann analog in anderer Kristall orientierung realisiert.

Claims

1. Drucksensor mit einem Siliziumsensorelement und mit auf die beiden Hauptoberflächen des Siliziumsensorelements aufgebrachten Abdeckungen, wobei das Siliziumsensorelement mindestens eine dünne, verbiegbare Membran aufweist, an deren erste Oberfläche sich eine Referenzkaverne anschließt, in der ein Referenzdruck herrscht, und auf deren zweite Oberfläche der zu messende Druck einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die zweite Oberfläche der mindestens einen Membran (11) eine Meßkaverne (15, 26) anschließt mit min destens einer seitlichen Druckzuführung (13, 23), die zwischen einer der beiden Abdeckungen (21, 22) und dem Siliziumsensorelement (10) ausgebildet sind.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Membran (11) durch Einätzen einer ersten Ausnehmung in die eine Oberfläche des Siliziumsensorelements, die eine erste Kaverne (15) bildet, und durch Einätzen einer zweiten Ausnehmung in die andere Oberfläche des Siliziumsensorelements, die eine zweite Kaverne (16) bildet, in dem Siliziumsensorelement (10) erzeugt ist.

3. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Membran (11) durch einseitiges Einätzen einer ersten Ausnehmung, die eine erste Kaverne (15) bildet, in dem Silizium sensorelement (10) erzeugt ist und daß die erste Abdeckung (21), die auf die Oberfläche des Siliziumsensorelementes (10) aufgebracht ist, in der die mindestens eine Membran (11) ausgebildet ist, im Bereich der mindestens einen Membran (11) eine zweite Ausnehmung aufweist, die eine zweite Kaverne (26) bildet.

4. Drucksensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kaverne (15) die Meßkaverne bildet und die zweite Kaverne (16, 26) die Referenzkaverne bildet.

5. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Druckzuführung durch mindestens einen von der Außenseite des Sensors bis in die erste Ausnehmung mündenden Ätzgraben (13) in der Oberfläche des Siliziumsensorelementes (10) gebildet ist.

6. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Druckzuführung durch mindestens eine von der Außenseite des Sensors bis in den Bereich der Meßkaverne (15) reichende rillen artige Ausnehmung (23) in der dem Sensorelement (10) zugewandten Oberfläche der zweiten Abdeckung (22) gebildet ist.

7. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckungen (21, 22) strukturierte oder unstrukturierte Glas- oder Siliziumträger sind.

8. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf oder in eine Oberfläche der Membran (11) elektronische Schaltungselemente als Teile einer Auswerteschaltung angeordnet sind.