DE69305880T2 - Druckmikrosensor - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druck-Mikrosensor vom kapazitiven Typ, aus Silizium.
• In den letzten Jahren wurden neuartige Mikrosensoren aus Silizium entwickelt, unter Ausnutzung der Siliziumätzverfahren, wie sie im Rahmen der Herstellung elektronischer Halbleiterbauteile entwickelt wurden. Anfänglich bestanden derartige Mikrosensoren aus einem Aggregat von geeignet geätzten Siliziumplättchen und dünnen Glasplatten bzw. -folien, die als dicht schließender Behälter oder isolierende Trennplatten zwischen den Siliziumplättchen dienen, wobei diese Glasplatten bzw. -folien gegebenenfalls verschiedene metallische Elektrodenmuster tragen.
• Ein Beispiel eines derartigen Druck-Mikrosensors nach dem Stande der Technik ist die in der französischen Patentanmeldung 90/09 468 (EP-A-467 811) der gleichen Anmelderin beschriebene Vorrichtung. Bei diesem bekannten Sensor werden die aktiven Elemente von drei Siliziumplättchen gebildet, wobei jedoch das Gesamtgebilde durch zwei äußere Glasplättchen abgeschlossen wird, die eine Zone mit definierter Atmosphäre definieren.
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines neuen Druck-Mikrosensor-Gebildes, das einfacher herstellbar ist und dessen gesamten aktive Elemente von drei Siliziumplättchen gebildet werden, die auch einen dicht abgeschlossenen Hohlraum definieren.
• Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Druck-Mikrosensors mit verringerter parasitärer Kapazität (Streukapazität).
• Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Druck-Mikrosensors hoher Empfindlichkeit.
• Zur Erreichung dieser und anderer Ziele sieht die vorhegende Erfindung einen Druck-Mikrosensor vor, der aus einer Schichtung von drei Siliziumplättchen besteht, die an ihrem Umfang unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht miteinander in Kontakt stehen, zur Bildung eines inneren Hohlraums. Das untere Plättchen weist an seiner Innenoberfläche einen verdünnt ausgebildeten Bereich auf, der eine Membran bildet. Das mittlere Plättchen weist einen Umfangsbereich auf, der einen mit dem oberen und dem unteren Plättchen über eine Siliziumoxidschicht verbundenen Rahmen bildet, des weiteren einen ersten Block bzw. Stummel, der über dem verdünnt ausgebildeten Bereich des unteren Plättchens liegt, einen zweiten Block bzw. Stummel, der über einem dicken Bereich des unteren Plättchens liegt, sowie eine einen Resonator bildende Siliziumplatte bzw. -folie, die zwischen den Oberseiten des ersten und des zweiten Blocks und dem oberen Plättchen gegenüberliegend angeordnet ist. Die Blöcke bzw. Stummel sind von dem Rahmen elektrisch isoliert. Mit dem oberen Plättchen ist eine erste Elektrode, mit dem Rahmen eine zweite und mit dem zweiten Block eine dritte Elektrode verbunden.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die dritte Elektrode auch mit dem unteren Plättchen verbunden.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der erste Block bzw. Stummel an einer Stelle entsprechend im wesentlichen einem Drittel einer Abmessung der Membran angeordnet, und hält der zweite Block bzw. Stummel einen deutlichen Abstand von dieser Membran.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die zweite Elektrode mit einem Bezugspotential verbunden.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das obere Plättchen in Ausrichtung mit der den Resonator bildenden Platte bzw. Folie einen Bereich größerer Dicke auf.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die elektrische Verbindung zu dem zweiten Block vermittels einer Öffnung in dem unteren Plättchen und einer Metallisierung gewährleistet. Diese Metallisierung kann unter Vakuum ausgeführt werden und den genannten Hohlraum dicht verschließen.
• Diese und weitere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vor liegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele mit näheren Einzelheiten erläutert, in Verbindung mit den Zeichnungsfiguren; in diesen zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Druck- Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 ein elektrisches Schaltschema, das die verschiedenen Kapazitäten eines erfindungsgemäßen Sensors in Zuordnung zu einem Nachweis- bzw. Detektionssystem veranschaulicht;
• Fig. 3 ein Herstellungsdetail einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 4 in Schnittansicht eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors; und
• Figg. 5A, 5B und 5C perspektivische Schnittansichten von drei Plättchen, die nach Zusammenbau eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors bilden.
• In den verschiedenen Zeichnungsfiguren sind die relativen Dicken der verschiedenen Schichten und die seitlichen Abmessungen der verschiedenen Elemente nicht maßstabsgerecht, sondern im Sinne besserer Deutlichkeit und einfacherer Ausführung der Figuren frei gewählt.
• Des weiteren sind in den verschiedenen Figuren die Seitenflächen der verschiedenen Siliziumplättchen als in schräger Form geätzt dargestellt, da dies die Form ist, welche diese Seitenflächen bei Durchführung einer anisotropen Ätzung von Silizium entlang den Ebenen (1, 1, 1) annehmen. Jedoch sei darauf hingewiesen, daß dies einerseits keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung darstellt, und daß andererseits der in den Zeichnungsfiguren gewählte Winkel willkürlich ist. Ein reales Beispiel für diesen Winkel wäre ein Winkel von etwa 55 º.
• Fig. 1 zeigt in Schnittansicht den Gesamtaufbau eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieser Sensor geht in seinem Aufbau von drei Siliziumplättchen aus: einem mittleren Siliziumplättchen 1, einem unteren Siliziumplättchen 2 und einem oberen Siliziumplättchen 3.
• Das mittlere Siliziumplättchen 1 ist in zwei Teile unterteilt: einen einen Rahmen bildenden Randteil bzw. -bereich 11 und einen Mittelteil 12. Der Mittelteil weist einen ersten Block 13, einen zweiten Block 14 und eine diese beiden Blöcke miteinander verbindende dünne Platte bzw. Folie 15 auf. Dieser Mittelteil ist von dem den Rahmen bildenden Teil 11 elektrisch vollkommen getrennt. In der gezeigten Ausführungsform ist er von dem Rahmen sowohl elektrisch wie mechanisch getrennt. Man könnte einen Block 14 vorsehen, der mechanisch einstückig oder zusammenhängend mit dem Rahmen ausgebildet ist, jedoch von diesem durch einen isolierenden Bereich, beispielsweise einen das gesamte Plättchen durchsetzenden Siliziumoxidbereich, getrennt ist.
• Das untere Plättchen 2 weist einen eine Membran bildenden verdünnten Bereich 21 auf. Dieses untere Plättchen steht mit dem mittleren Plättchen über eine Siliziumoxidschicht 24 in Kontakt, die zwischen dem Rahmen des mittleren Plättchens und dem unteren Plättchen und unter jedem der Blöcke 13 und 14 vorgesehen ist. Der Block 13 ruht auf dem die Membran 21 bildenden verdünnten Teil und der Block 14 auf einem dicken Bereich des Plättchens 2 auf. Wie in der weiter oben genannten Patentanmeldung angegeben, ist der Block 13 vorzugsweise im wesentlichen an einer Stelle entsprechend einem Drittel der Länge der Membran 21 angeordnet. Falls diese Membran 21 rechteckigen Querschnitt besitzt, erhält der Block 13 in seiner Auflage- bzw. Abstützzone vorzugsweise eine längliche Form, wobei seine Längsabmessung sich längs einer Linie entsprechend einem Drittel der Membran erstreckt.
• Das obere Plättchen 3 ruht auf dem Rahmen 11 des mittleren Plättchens 1 auf und ist von diesem durch eine Siliziumoxidschicht 25 getrennt.
• Somit bilden das obere und das untere Plättchen zusammen mit dem Rahmen 11 insgesamt einen Hohlraum 27 mit einer kontrollierten Atmosphäre, vorzugsweise unter Vakuum. Bei einer Änderung des Außendrucks außerhalb des Sensors verformt sich die Membran 21, der Block 13 ist bestrebt, sich zu neigen, und die Spannung der Resonanzfolie bzw. -platte 15 ändert sich, was die Resonanzfrequenz der Folie bzw. Platte ändert.
• Mit dem Gesamtaggregat aus den Blöcken 13 und 14 und der Folie bzw. Platte 15 ist eine Elektrode 31 elektrisch verbunden. Wie gezeigt, kann diese Elektrode 31 in einer die Platte 2 durchsetzenden Öffnung gebildet sein, derart, daß sie in Kontakt mit der Innenfläche des Blocks 14 gelangt. In der gezeigten Ausführungsform besteht diese Elektrode 31 aus einer Metallisierung, welche den Block 14 und die Platte 2 in Kontakt miteinander bringt. Man kann auch eine Isolierung zwischen der Metallisierung und dem Plättchen 2 vorsehen. Mit der oberen Platte 3 ist eine Elektrode 32 verbunden und mit dem Rahmen 11 des mittleren Plättchens eine Elektrode 33. Die Folie bzw. Platte 15 und das obere Plättchen 3 bilden einen kapazitiven Resonator mit in Abhängigkeit von dem angelegten Druck variabler Resonanzfrequenz.
• Fig. 2 veranschaulicht das herkömmliche Schaltschema einer Kapazitätsmeßanordnung, in Anpassung an den erfindungsgemäßen Sensor. Man erkennt einen variablen Kondensator C1 zwischen den Elektroden 31 und 32, entsprechend der von der Folie bzw. Platte 15 und dem Plättchen 3 gebildeten Kapazität. Dieses Gebilde wird durch parasitgre oder Streukapazitäten beeinflußt, welche im wesentlichen den Kapazitäten zwischen jedem der äußeren Plättchen und dem Rahmen entspricht. Die Kapazität CP1 hat als Dielektrikum die Oxidschicht 25 und die Kapazität CP2 die Oxidschicht 24.
• Herkömmlicherweise wird an die Elektrode 32 in Überlagerung miteinander eine Gleichspannung und eine Wechselspannung angelegt und die Elektrode 31 mit dem ersten Eingang eines Operations- bzw. Funktionsverstärkers 35 verbunden, dessen zweiter Eingang mit einem Bezugspotential, vorzugsweise Masse, verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist über eine Impedanz 36 mit seinem einen Eingang verbunden. Somit befindet sich der erste Eingang 31 des Operationsverstärkers auf einem schwimmenden Potential entsprechend bzw. bezüglich dem Massepotential. Gemäß einem Aspekt der Erfindung verbindet man die Elektrode 33 mit dem gleichen Bezugspotential, nämlich Masse, wie der zweite Eingang des Operationsverstärkers 35. Auf diese Weise wird der Einfluß der parasitären bzw. Streukapazitäten CP1 und CP2 eliminiert (da beide Anschlüsse der Kapazität CP2 sich auf gleichem Potential befinden). Das ist ganz besonders bedeutsam, da aufgrund des Aufbaus der Vorrichtung die parasitären oder Streukapazitäten CP1 und CP2 normalerweise wesentlich größere Werte als die Kapazität C1 besitzen. Beispielsweise besitzt die Kapazität C1 einen Wert in der Größenordnung von 0,1 pF ± 10 %, während die Kapazitäten CP1 und CP2 Werte in der Größenordnung von 50 pF haben.
• Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung die Befreiung vom Einfluß der parasitären oder Streukapazitäten. Dies stellt einen um so bedeutsameren Vorteil dar, als diese Streukapazitäten variable Werte in Abhängigkeit von der Umgebungsatmosphäre und von den Herstellungsparametern haben können.
• In der bisherigen Beschreibung ist angegeben, daß der innere Teil bzw. Innenbereich des Sensors eine Zone mit gegenüber dem atmosphärischen Druck verringertem Druck ist. Zur Erzielung dieses Vakuums kann der Fachmann verschiedene Verfahren anwenden. Beispielsweise kann der Zusammenbau der Plgttchen in einer Vakuumkammer erfolgen, oder es kann nach dem Zusammenbau der Plättchen abgepumpt werden. Auch kann eine Füllung der Plättchen mit einem Gas, wie beispielsweise Sauerstoff, vorgesehen werden, das sodann mittels Ausglühen von dem Silizium absorbiert werden kann.
• Fig. 3 ist eine Detailschnittansicht des Gebildes aus Fig. 1 und veranschaulicht eine besondere Art der Durchführung der Vakuumversiegelung des Hohlraums 27. Fig. 3 zeigt einen Teil der unteren Platte 2 und des zweiten Blocks 14. Der Zusammenbau der Plättchen erfolgt in der Weise, daß das Plättchen 2 eine Öffnung 22 in Ausrichtung mit der Grundfläche des Blocks 14 aufweist; dieser Block wird auf dem Plättchen vermittels einer Isolierschicht 24 montiert, und in der Unterseite des zweiten Blocks wird ein Kanal 17 bis zu dem Be reich in Ausrichtung mit der Öffnung 22 vorgesehen. Bei diesem System kann der Zusammenbau der Plättchen unter normaler Atnosphäre erfolgen und sodann in einer ausgewählten Atmosphäre, beispielsweise einem Vakuum, das Material des Kontakts 31 abgeschieden werden, das den Block 14 und das Plättchen 2 kurzschließt und gleichzeitig den Kanal 17 verschließt und so den dichten Abschluß des Hohlraums 27 gewährleistet.
• Fig. 4 veranschaulicht in Schnittansicht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; hierbei sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeich net. Diese Figur veranschaulicht im einzelnen eine Art des Zugangs zu den Elektroden 31, 32 und 33 durch in den aufeinanderfolgenden Plättchen vorgesehene Einschnitte. Bei dieser Ausführungsform ist der Kontaktbereich zu dem Block 14 auf dem Plättchen 2 ausgebildet und ist elektrisch mit dem Block 14 über einen Teil des Plättchens 2 und der oben erwähnten Metallisierung 31 verbunden. Fig. 4 zeigt des weiteren, daß das obere Plgttchen 3 vor dem Zusammenbau geätzt wurde, um lediglich in Ausrichtung mit der Folie bzw. Platte 15 einen Reliefbereich 41 zu belassen. Diese Ausführungsform gestattet eine Verringerung der parasitären Kapazitäten zwischen den Oberseiten der Blöcke 13 und 14 und der Innenfläche des Plättchens 3.
• Aus den Figg. 1 und 4 ist auch die Tatsache ersichtlich, daß der Block 14 nicht bis an die Grenze der Membran 21 heranreicht, sondern bezüglich dieser deutlich zurückversetzt ist. Dies dient dazu, die Resonanzfolie bzw. -membran 15 so weit als möglich zu verlängern und so die Empfindlichkeit des Sensors zu verbessern.
• Die Figg. 5A, 5B und 5C sind perspektivische Schnittansichten zum Zweck eines noch besseren Verständnisses des Aufbaus des Druck-Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesen Figuren sind die drei Plättchen jeweils perspektivisch eine über der anderen wiedergegeben, wobei weder die Oxidschichten noch die Metallisierungen sichtbar sind. Man erkennt die auf der rechten Seite der Figur in den Plättchen 1 und 2 vorgesehenen Einkerbungen bzw. Einschnitte, die zur Kontaktierung mit den Metallisierungen der unteren Plättchen bestimmt sind.
• Bei einer Herstellungsweise einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung präpariert man anfänglich die Plättchen 2 und 3 wie weiter oben beschrieben. Das Plättchen 1 hingegen wird so ausgeführt und vorbereitet, daß es allgemein gesehen die vorstehend beschriebene Struktur besitzt, jedoch darüber hinaus dünne Siliziumlamellen aufweist, um den Rahmen 11 mechanisch mit dem Mittelteil 13, 14, 15 zu verbinden. Sodann wird das mittlere Plättchen auf das untere Plättchen aufgelegt, eine Silizium/Siliziumoxid-Verschweißung durchgeführt, und sodann erfolgt eine chemische Ätzung des Siliziums, um die Verbindungslamellen zu beseitigen. Selbstverständlich werden zuvor die verschiedenen Dicken bestimmt und festgelegt, um zu gewährleisten, daß diese letzte Ätzung vorgegebene Dickenwerte für die verschiedenen aktiven Elemente zurückläßt.
• Für den Fachmann ist klar, daß die vorliegende Erfindung für verschiedene Varianten und Abwandlungen zugänglich ist. Beispielsweise kann nach dem Zusammenbau der drei Plättchen die Außenoberfläche der äußeren Plättchen oxidiert und mit einer einen Schutzmantel bildenden Metallschicht überzogen werden, der mit Masse verbunden werden kann, um die Vorrichtung gegen parasitäre Überspannungen zu schützen.
• Vorstehend wurde schematisch die Herstellung eines Mikrosensors gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben und dargestellt. Für den Fachmann ist klar, daß in der Praxis diese Herstellung nach einem Kollektiv- oder Sammelverfahren erfolgt, wobei jedes Plättchen anfänglich Teil einer Platte von größerer Abmessung ist und die Trennung in einzelne Sensoren nach den abschließenden Montagevorgängen und gegebenenfalls Kontaktbildung erfolgt.
• Als Beispiel für die Größenordnungen kann eine spezielle Vorrichtung die folgenden Abmessungen besitzen:
• - Abmessung der Plättchen: 8 x 5 mm,
• - Abstand der Folie bzw. Membran 15 von dem Plättchen 3: 10 Mikrometer,
• - Abmessungen der Grundfläche des Blocks 13: 0,2 x 0,6 mm,
• - Dicke der Membran 21: 15 Mikrometer,
• - Seitenabmessungen der Membran: 1,6 x 1,6 mm.

Claims (7)

1. Ein Druck-Mikrosensor gebildet durch eine Sandwichanordnung aus drei Siliziumplättchen oder -platten, die durch ihren Umfang in Kontakt stehen und mit einer dazwischen angeordneten Isolierschicht zur Definition eines Innenhohlraums, dadurch gekennzeichnet,

daß die untere Platte (2) auf ihrer Innenseite eine dünnere, eine Membran bildende Region (21) aufweist, daß die Mittelplatte (1) folgendes aufweist: eine Umfangsregion (11), die einen Rahmen bildet, der mit oberen und unteren Platten durch eine Siliziumoxydschicht (24, 25) gekuppelt ist, einen ersten Stummel oder Anschluß (13) angebracht an der dünneren Region der erwähnten unteren Platte, einen zweiten Stummel oder Anschluß (14) angebracht an einer dicken Region der unteren Platte und einen Siliziumträger (15), der einen Resonator bildet und der zwischen den Oberseiten der ersten und zweiten Stummel vor der oberen Platte (3) angeordnet ist, wobei die Stummel elektrisch vom Rahmen isoliert sind, und

daß eine erste Elektrode (32) mit der oberen Platte, eine zweite Elektrode (33) mit dem Rahmen und eine dritte Elektrode (31) mit dem zweiten Stummel verbunden ist.

2. Druck-Mikrosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode ebenfalls mit der unteren Platte verbunden ist.

3. Druck-Mikrosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stummel an einer Position angeordnet ist, die annähernd einem Drittel einer Dimension der Membran entspricht, und daß der zweite Stummel gegenüber der Membran beabstandet angeordnet ist.

4. Druck-Mikrosensor nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode mit einer Bezugsspannung verbunden ist.

5. Druck-Mikrosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Platte (3) eine dickere Region (41) in in Ausrichtung mit der im Resonatorträger (15) aufweist.

6. Druck-Mikrosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung zum zweiten Stummel durch eine Öffnung in der unteren Platte und eine Metallisierung sichergestellt ist.

7. Druck-Mikrosensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierung unter einem Vakuum geformt ist und den Hohlraum abdeckt.