DE4115420A1 - Drucksensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor mit einem ersten Sensorkörper, der eine erste rückseitige Ausnehmung zur Festlegung eines Membranbereiches aufweist, und mit einem zweiten Sensorkörper, der eine zweite, rück­ seitige Ausnehmung aufweist und mit seiner Rückseite mit der Vorderseite des ersten Sensorkörpers zur Bildung eines Drucksensorhohlraumes verbunden ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Drucksensoren der eingangs genannten Art sind typischerweise als Absolutdrucksensoren eingesetzt und werden in der Regel aus Halbleitermaterialien mittels ätztechnischer Verfahren hergestellt. Bei Drucksensoren der eingangs genannten Art ist der erste Sensorkörper derart angeordnet, daß die Rück­ seite des Membranbereiches zum Meßmedium gerichtet ist, wäh­ rend deren Vorderseite mit Wandlerelementen versehen ist, die geschützt in dem Drucksensorhohlraum liegen, der als Referenzdruckkammer oder als Vakuumkammer ausgeführt sein kann.

Bei bekannten Drucksensoren dieser Art ist der Abstand der Wände des ersten Sensorkörpers, welche den Drucksensorhohl­ raum festlegen, in dem an den Membranbereich angrenzenden Bereich typischerweise ebenso groß wie die laterale Er­ streckung der ersten, rückseitigen Ätzausnehmung des ersten Sensorkörpers zwischen den Ätzkerben, die den Übergang des Membranbereiches zu dem sogenannten Bulkmaterial des ersten Sensorkörpers festlegen. Es hat sich gezeigt, daß derartige Drucksensorstrukturen nur eine relativ geringe Überlast­ festigkeit haben.

Daher liegt ausgehend von diesem Stand der Technik der vor­ liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß dessen Überlastfestigkeit weiter erhöht wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Drucksensor gemäß Patentan­ spruch 1 gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die unzu­ reichende Überlastfestigkeit von bekannten Drucksensoren mit der eingangs erläuterten Struktur im wesentlichen darauf zu­ rückzuführen ist, daß der erste Sensorkörper im Bereich der Kerbe der ersten rückseitigen Ausnehmung, welche die Membran festlegt, mit Zugspannungen beaufschlagt wird, die im Über­ lastfall zu einem Bruch des ersten Sensorkörpers ausgehend von der durch die erste rückseitige Ausnehmung festgelegten Kerbseite des Membranbereiches führt.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Überlastanlageein­ richtungen für den Membranbereich wird erreicht, daß im Überlastfall eine Verformung des Membranbereiches an der durch die erste rückseitige Ausnehmung festgelegten Kante mit Druckspannungen und nicht mehr mit Zugspannungen er­ folgt. Hierdurch erreicht die erfindungsgemäße Drucksensor­ struktur eine Beständigkeit gegen Überlastdrücke, die mehr als den Faktor 100 oberhalb der Meßdrücke liegen. Damit wird die Überlastfestigkeit der erfindungsgemäßen Drucksensor­ struktur gegenüber der Überlastfestigkeit bekannter Druck- Sensorstrukturen um mehr als den Faktor 10 verbessert.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Querschnittsdarstellungen einer ersten bis fünften bis 5 Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors.

Der erfindungsgemäße Drucksensor, der in Fig. 1 in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, umfaßt einen ersten Sensorkörper 2 und einen zweiten Sensorkörper 3. Der erste Sensorkörper 2 hat eine erste rückseitige Ätz­ ausnehmung 4 die in an sich bekannter Weise durch anisotro­ pes Ätzen ausgehend von einer Rückseite 5 zur Festlegung eines Membranbereiches 6 gebildet ist. Das Bulkmaterial 7 des ersten Sensorkörpers 2 weist daher eine den Membranbe­ reich 6 umschließende Ätzkerbe 8 auf.

Der zweite Sensorkörper 3 hat gleichfalls eine zweite, rück­ seitige Ätzausnehmung 9, die sich von der Rückseite 10 des zweiten Sensorkörpers erstreckt. Der erste Sensorkörper 2 ist mit dem zweiten Sensorkörper 3 mittels an sich in der Sensorik bekannten Verbindungstechniken verbunden. Hierzu kommt vor allem das sogenannte Anodic-Bonding und das Sili­ con-Fusion-Bonding in Betracht, wenn man, wie dies bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fall ist, die Sensor­ körper 2, 3 aus Silizium-Wafern durch Ätzen herstellt.

Bei diesen Verbindungstechniken wird eine Zwischenschicht 11 eingesetzt, die beispielsweise aus Pyrex-Glas oder aus Sili­ ziumoxid bestehen kann.

Wie in Fig. 1 verdeutlicht ist, bildet der an den Drucksen­ sorhohlraum 12 angrenzende Randbereich 13 der Zwischen­ schicht 11 ein Auflager für den Membranbereich 6 an dessen Rand 24. Die Randbereiche 13 haben einen kleineren gegen­ seitigen Abstand b in Membranrichtung als die Lateraler­ streckung a des Membranbereiches 6 zwischen den Ätzkerben 8. Mit anderen Worten sind die Randbereiche 13, die das Aufla­ ger für den Membranrand bilden, bezogen auf die Lateraler­ streckung a des Membranbereiches, welcher durch die erste Ätzausnehmung 4 festgelegt ist, zur Mitte des Membranberei­ ches 6 hin versetzt. Bei einer druckbedingten Durchbiegung des Membranbereiches, der in seinem durchgebogenen Zustand gestrichelt dargestellt und mit dem Bezugszeichen 6′ be­ zeichnet ist, kommt es im Bereich der Ätzkerben 8 zu Druck­ spannungen, so daß der Membranbereich an seinem besonders gefährdeten Übergang zum Bulkmaterial 7 des ersten Sensor­ körpers 2 entlastet wird.

Die Tiefe t des Drucksensorhohlraumes ist vorzugsweise der­ art festgelegt, daß der Membranbereich 6 sich zumindest im Bereich seiner Mitte im Überlastfall gegen den Bodenbereich 14 des Drucksensorhohlraumes 12 anlegt.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Durchbiegung des Membranbereiches 6 kapazitiv erfaßt werden. Dies kann entweder dadurch erfolgen, daß die Kapazität der leitfähig dotierten Sensorkörper 2, 3, die durch die nicht­ leitfähige Zwischenschicht 11 beabstandet sind, erfaßt wird, oder dadurch, daß der Membranbereich 6 und der Bodenbereich 14 mit Elektroden versehen sind, die zur kapazitiven Erfas­ sung der Membranbereichsdurchbiegung dienen.

Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 2 bis 5 stimmen mit Ausnahme der nachfolgend erwähnten Unterschiede mit dem Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Drucksensors nach Fig. 1 überein, so daß eine erneute Beschreibung gleicher oder ähnlicher Teile, die mit den in Fig. 1 bereits verwendeten Bezugszeichen bezeichnet sind, unterbleiben kann.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 weist der Membranbe­ reich 6 einen Versteifungskörper 15 auf, der dazu beiträgt, die Erfassungsempfindlichkeit der Membrandurchbiegung durch piezoresistive Elemente 16, 17, 18, 19 zu erhöhen.

In weiterer Abwandlung zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind bei dem dritten Ausführungsbeispiel des Drucksensors 1 gemäß Fig. 3 der erste und zweite Sensor­ körper 2, 3 lediglich durch eine Zwischenschicht 11 mitein­ ander verbunden, die nicht bis an den Drucksensorhohlraum 12 heranreicht. Bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors wird die Auflageeinrichtung für den Membranbe­ reich 6 durch einen Auflagerand 20 des zweiten Sensorkörpers 2 gebildet, der mit der Rückseite 10 des zweiten Sensorkör­ pers 3 an die Vorderseite des Membranbereiches 6 angrenzt und den Drucksensorhohlraum 12 umschließt. Bei diesem Aus­ führungsbeispiel erstreckt sich also die Zwischenschicht 11 von den Randbereichen der beiden Sensorkörper 2, 3 lediglich bis zu dem Auflagerand 20, so daß der Membranbereich 6 im Bereich des Auflagerandes 20 zwar an den zweiten Sensorkör­ per anliegt, nicht jedoch mit diesem verbunden ist. Diese Art der Ausgestaltung der Überlastanlageeinrichtung führt zu einer weiteren Verminderung von Zugspannungen aufgrund der bei Biegung auftretenden Druckspannungen im Bereich der Ätzkerben 8.

Bei dem vierten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 erstreckt sich im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 die Zwischenschicht 11 nicht bis zur Kante 21 der zweiten Ätz­ ausnehmung 9 mit der Rückseite 10 des zweiten Sensorkörpers 3, sondern bleibt in Lateralrichtung gegenüber der Kante 21 weiter vom Drucksensorhohlraum 12 beabstandet. Diese Ausge­ staltung der erfindungsgemäßen Drucksensorstruktur führt zu einer genauen Festlegbarkeit der Biegelinie des Membranbe­ reiches 6 ausgehend von dessen Rand bei den Ätzkerben 8 über die als Überlastanlageeinrichtung dienenden Kanten 21 bis zu einem Kontaktbereich 22, an dem der (hier verstärkt aus­ gebildete) Membranbereich 6 am Bodenbereich 14 der zweiten Ätzausnehmung 9 anliegt.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 stimmt bezüglich der Erstreckung der Zwischenschicht 11 und bezüglich der Ausge­ staltung der Kante 21 als Überlastanlageeinrichtung für den Membranbereich 6 mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 überein, wobei jedoch hier kein verstärkter Membranbereich mit einem Verstärkungskörper 15 vorgesehen ist, da die Biegungserfassung bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 kapazitiv erfolgen soll. Bei dem fünften Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist ebenfalls verdeutlicht, daß wiederum die Tiefe t des Drucksensorhohlraumes 12 so gewählt sein soll, daß der Membranbereich 6 an einem Kontaktbereich 22 mit dem Bodenbereich 14 der zweiten Ätzausnehmung 9 im Überlastfall zur Anlage kommt.

In Abweichung von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann der Drucksensor auch aus Metall gefertigt sein oder mit Dickschichttechnologie gebildet sein. In diesem Fall kann die Strukturierung auch durch Pressen, Spanabheben oder Drehen erfolgen.

Bei ätztechnischer Strukturierung kommt sowohl isotropes wie auch anisotropes Ätzen in Betracht.

Claims (9)

1. Drucksensor mit einem ersten Sensorkörper (2), der eine erste, rückseitige Ausnehmung (4) zur Festlegung eines Membranbereiches (6) aufweist, und mit einem zweiten Sensorkörper (3), der eine zweite, rückseitige Ausneh­ mung (9) aufweist und mit seiner Rückseite (10) mit der Vorderseite des ersten Sensorkörpers (2) zur Bildung eines Drucksensorhohlraumes (12) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Sensorkörper (3) Überlastanlageeinrich­ tungen (13, 20, 21) aufweist, die derart angeordnet sind, daß zumindest bei Beaufschlagung des Membranbe­ reiches (6) mit einem den Meßdruckbereich überschreiten­ den Überlastdruck dieser gegen die Überlastanlageein­ richtung (13, 20, 21) zur Anlage kommt, und daß die Überlastanlageeinrichtungen (13, 20, 21) gegenüber dem durch die erste rückseitige Ausnehmung (4) festgelegten Membranbereich (6) in Richtung zur Mitte des Mem­ branbereiches hin versetzt sind.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand von Wänden (13) des Druck­ sensorhohlraumes (12) in der Membranebene an ihrem an den Membranbereich (6) angrenzenden Bereich geringer ist als die Erstreckung (a) des durch die erste Ausnehmung (4) festgelegten Membranbereiches (6) in der Membran­ ebene.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine den ersten Sensorkörper (2) mit dem zweiten Sensorkörper (3) verbindende Zwischenschicht (11) sich in Richtung auf den Drucksensorhohlraum (12) hin bis zu den Wänden (13) des Drucksensorhohlraumes (12) erstreckt und einen Randbereich (24) des Membranbereiches (6) zur Bildung der Überlastanlageeinrichtung mit dem zweiten Sensorkörper (3) verbindet.

4. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine den ersten Sensorkörper (2) mit dem zweiten Sensorkörper (3) verbindende Zwischenschicht (11) sich in Richtung auf den Drucksensorhohlraum (12) hin bis zu dem durch die erste Ausnehmung (4) festgelegten Mem­ branbereich (6) erstreckt, und daß die Kanten (21) am Übergang der Wände des Drucksen­ sorhohlraumes (12) zu der Rückseite (10) des zweiten Sensorkörpers die Überlastanlageeinrichtung bilden.

5. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (21) im ungebogenen Zustand des Membran­ bereiches (6) von diesem um die Stärke der Zwischen­ schicht (11) beabstandet sind.

6. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (21) im ungebogenen Zustand des Membran­ bereiches (6) an diesem anliegen.

7. Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensorkörper (3) einen den Drucksensor­ hohlraum (12) umfassenden Auflagerand (20) aufweist, der in dem ungebogenen Zustand des Membranbereiches (6) an diesem anliegt.

8. Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (11) bezogen auf den Drucksen­ sorhohlraum (12) außerhalb des Auflagerandes (20) zwi­ schen den Sensorkörpern (2, 3) angeordnet ist.

9. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (t) des Drucksensorhohlraumes (12) senk­ recht zu der Membranebene derart gering ist, daß der Membranbereich (6) sich zumindest in seiner Mitte im Überlastfall gegen einen Bodenbereich (14) des Druck­ sensorhohlraumes (12) anlegt.