DE69509751T2 - Kapazitiver drucksensor mit einem flächenmässig begrenzten dielektrischen distanzstück - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven (Silizium-)Drucksensor, und insbesondere auf einen kapazitiven (Silizium-)Drucksensor, der zwei durch ein dielektrisches (Glas-)Distanzstück getrennte (Silizium-)Platten hat, wobei das Distanzstück die Form von zwei getrennten, konzentrischen Ringen hat.
• Auf dem Gebiet der kapazitiven Silizium-Drucksensoren wird in bekannter Weise ein solcher Sensor als ein einzelnes Sensorelement vorgesehen. Die dem Stand der Technik entsprechenden, kapazitiven Silizium-Drucksensoren aus einem einzelnen Element weisen gewöhnlich zwei parallele, leitende Siliziumplatten auf. Auf eine der Platten wird ein Borsilikatglas-Distanzstück aufgebracht, und die zweite Platte wird mittels eines feldunterstützten Vakuumverbindungsprozesses an dem Glas-Distanzstück befestigt. Dadurch wird eine evakuierte Kammer innerhalb der einander gegenüberliegenden, leitenden Platten und des Distanzstücks gebildet. Die einander gegenüberliegenden Siliziumplatten weisen die Platten eines druckvariablen Kondensators auf. Siehe zum Beispiel die US-Patente Nr. 4415948, 4405970 und 4530029. Beispiele einer elektronischen Schaltung, die verwendet wird, um die Sensorausgangssignale, die den gemessenen Druck angeben, zu verarbeiten, werden in den US-Patenten Nr. 4743836 und 4517622 beschrieben und beansprucht.
• Bei einem kapazitiven Silizium-Drucksensor bildet eine leitende Siliziumplatte eine Membran, die sich nach innen durchbiegt, wenn ein Fluiddruck auf die äußere Oberfläche der Membran gegeben wird, der größer als der Druck (gewöhnlich Vakuum) in der Kammer ist. Die zweite leitende Siliziumplatte bildet ein Substrat, das normalerweise starr ist. Die Auslenkung der Membran ruft eine Veränderung des Abstandes zwischen den Platten hervor, wodurch die Kapazität der Platten variiert wird. Folglich bewirkt der kapazitive Drucksensor eine Umwandlung von Druckveränderungen in entsprechende kapazitive Veränderungen. Das Borsilikatglas-Distanzstück dient nicht nur dazu, die Platten auseinanderzuhalten, sondern auch dazu, die dazwischen gebildete Vakuumkammer abzudichten. Die Siliziummembran und das Siliziumsubstrat sind normalerweise dotiert, um sie in geeigneter Weise elektrisch leitend zu machen.
• Diese Drucksensor-Bauelemente sind infolge der genauen dimensionalen Steuerung, die bei Verwendung der Halbleiter- und Dünnfilm-Technologie erreichbar ist, besonders gut für die Miniaturisierung geeignet. Die Mikroschaltungstechnologie ermöglicht, aus einer einzigen Siliziumwafer eine große Anzahl von Drucksensoren herzustellen. Die Drucksensoren sind ebenfalls gut geeignet für die Messung von kleinen Differentialdrücken bei verschiedenen kommerziellen und Raumfahrtanwendungen.
• Bei einem kapazitiven Silizium-Drucksensor stellt jedoch die parasitäre Kapazität eine Begrenzung für die Genauigkeit des Sensors dar, weil eine solche parasitäre Kapazität eine Langzeit-Gesamtdrift (20 Jahre) des Sensor-Ausgangssignals zur Folge haben kann. Dies ist besonders zutreffend bei sehr genauen (0,05% oder 500 ppm) Druckmeßanwendungen bei hohen Temperaturen (120ºC). Infolge dieses begrenzenden Faktors können einige Sensorentwürfe ungeeignet sein für anspruchsvolle Raumfahrtanwendungen, wie elektronische Triebwerkssteuerungen ("EECs") und Flugdatencomputer ("ADCs").
• Die parasitäre Kapazität ist die natürliche Kapazität der nicht-druckempfindlichen Zwischenräume der Sensorstruktur. Zum Beispiel kann die parasitäre Kapazität des Borsilikatglas-Distanzstücks mehr als 50% der gesamten Kapazität des Sensors aufweisen. Eine solche parasitäre Kapazität verringert die Sensorverstärkung, weil sie parallel zu der druckempfindlichen Kapazität des Sensors gelegen ist. Dies verringert sowohl den dynamischen Bereich des Sensors, als auch sein Empfindlichkeit auf Druckänderungen. Daher wurden in der Vergangenheit große Anstrengungen unternommen, um diese Kapazität durch Veränderungen bei dem Entwurf der Sensorkonstruktion zu verringern.
• Eine parasitäre Kapazität ist jedoch mit jeder physischen Struktur verbunden, und es gibt einen minimalen praktisch erreichbaren Wert, der bei hochempfindlichen Sensoranwendungen immer noch unannehmbar sein kann. In dem US-Patent Nr. 4405970 wird eine Methode zur Verringerung der parasitären Kapazität bei einem kapazitiven Silizium- Drucksensor beschrieben, bei der spezifische Borsilikatglasstrukturen vorgesehen werden, die bestimmte Bereiche der zwei kapazitiven Platten in einem relativ großen Abstand voneinander halten. Eine weitere Methode zur Verringerung der parasitären Kapazität wird in dem US-Patent Nr. 4467394 beschrieben, wo eine Anordnung aus drei Platten verwendet wird, bei der, wenn sie mit einer geeigneten Signalverarbeitungsschaltung kombiniert wird, die parasitäre Kapazität bei der Messung eliminiert wird. Eine weitere Methode, um die parasitäre Kapazität zu eliminieren, wird in dem US-Patent Nr. 4951174 beschrieben.
• Auf dem Gebiet der kapazitiven Silizium-Drucksensoren ist eine Methode bekannt, bei der das dielektrische Glas-Distanzstück aufgebracht und mit einem Muster versehen wird, wobei eine einzelne. "ring"-ähnliche Struktur erhalten wird, die eine gewisse seitliche Breite oder Dicke hat. Es wurde jedoch Festgestellt, daß eine solche Struktur des dielektrischen Glas-Distanzstücks eine unerwünschte parasitäre Kapazität hat, die ungefähr gleich fünfzig (50) Prozent der gesamten Kapazität des Sensors ist. Das heißt, diese unerwünschte, nicht-druckempfindliche, parasitäre Kapazität ist ungefähr gleich der erwünschten, druckempfindlichen Kapazität des Sensors. Spezifische Anstrengungen, um die parasitäre Kapazität durch Veränderung des Entwurfs des dielektrischen Glas-Distanzstücks zu verringern, haben unterschiedlichen Erfolg gehabt. Siehe zum Beispiel das US-Patent Nr. 4954925, das die Basis für den Oberbegriff des angefügten Patentanspruchs 1 bildet.
• Daher ist ein hauptsächliches Ziel der vorliegenden Erfindung, einen kapazitiven Silizium-Drucksensor zu verwirklichen, der eine wesentlich verringerte, unerwünschte, nicht-druckempfindliche, parasitäre Kapazität des dielektrischen Glas-Distanzstück- Bereichs des Sensors hat.
• Ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen kapazitiven Silizium- Drucksensor zu verwirklichen, der zwei kapazitive Siliziumplatten hat, die durch ein dielektrisches Glas-Distanzstück getrennt sind, dass eine Bauweise mit geringer Fläche hat.
• Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen kapazitiven Silizium- Drucksensor zu verwirklichen, der ein dielektrisches Glas-Distanzstück mit geringer Fläche hat, das bei einem Herstellungsprozeß für den Sensor leicht realisierbar ist.
• Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine Langzeit-Funktionsstabilität (20 Jahre) eines kapazitiven Silizium-Drucksensors zu erreichen durch Verringerung der Drift des Sensors über die Reduzierung von einem der Faktoren, die zu der Drift des Sensors beitragen.
• Die obigen und weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter ersichtlich werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Um die Unzulänglichkeiten des Standes der Technik zu überwinden, und um die oben aufgeführten Ziele zu erreichen, haben die Anmelder einen verbesserten kapazitiven (Silizium-)Drucksensor verwirklicht, der ein dielektrisches Distanzstück mit geringer Fläche hat. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat der kapazitive Silizium-Drucksensor ein achteckiges Siliziumsubstrat, das eine Platte eines Parallelplattenkondensators bildet. Das dielektrische Glas-Distanzstück wird mittels eines Kathodenzerstäubungsprozesses mit einer gewünschten Dicke auf eine Oberfläche des Siliziumsubstrats aufgebracht. Das aufgebrachte Glas wird dann mittels Photolithographie- und Ätz-Standardtechniken mit einem Muster versehen, um zwei voneinander getrennte, konzentrische Distanzstück-"Ringe" zu bilden. Der äußere Ring ist achteckig, um mit der Form des Siliziumsubstrats übereinzustimmen. Der innere Ring ist kreisförmig. Dann wird mittels eines feldunterstützten Vakuumverbindungsprozesses eine quadratische Siliziummembran an den Distanzstückringen befestigt. Die vorliegende Erfindung bewirkt eine Verringerung des Anteils der parasitären Kapazität an der Gesamtkapazität des Sensors von ungefähr fünfzig (50) Prozent bei den Entwürfen des Standes der Technik auf ungefähr fünfzehn (15) Prozent.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Die Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht - die teilweise aufgebrochen ist, um eine Querschnittansicht wiederzugeben - eines kapazitiven Silizium-Drucksensors, der einen dielektrischen Glas-Distanzstückbereich hat, der durch Kathodenzerstäubung auf ein Siliziumsubstrat aufgebracht wurde, und dann mit einem Muster versehen wurde, um die konzentrischen Ringe der vorliegenden Erfindung zu bilden.
• Die Fig. 2 ist eine Draufsicht einer dem Stand der Technik entsprechenden, quadratischen Siliziummembran, auf die ein achteckiges, dielektrisches Glas-Distanzstück aufgebracht wurde und mit einem Muster versehen wurde, um wie bei dem Stand der Technik einen einzelnen Ring zu bilden.
• Die Fig. 3 ist eine Draufsicht der quadratischen Siliziummembran, auf der ein achteckiges, dielektrisches Glas-Distanzstück angeordnet wurde, und mit einem Muster versehen wurde, um die zwei konzentrischen Ringe gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden.
• Die Fig. 4-8 sind Querschnittansichten, die die verschiedenen aufeinanderfolgenden Schritte bei der Herstellung des kapazitiven Silizium-Drucksensors der Fig. 1 veranschaulichen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• In den Zeichnungen, auf die nun im einzelnen Bezug genommen wird, ist eine typische Ausführungsform eines kapazitiven Silizium-Drucksensors, der eine dielektrische Glas- Distanzstück-Struktur in Form von zwei konzentrischen Ringen gemäß der vorliegenden Erfindung hat, wiedergegeben und allgemein mit der Kennziffer 100 bezeichnet. Der Sensor 100 weist zwei parallele kapazitive Siliziumplatten (z. B. eine Membran 104 und ein Substrat 108) auf, die durch das dielektrische Borsilikatglas-Distanzstück 112 der vorliegenden Erfindung getrennt sind. Außerdem ist ein Silizium-Übergangsstück 116 vorgesehen, das über ein zweites dielektrisches Distanzstück 120 an dem Siliziumsubstrat 108 befestigt ist. Das Übergangsstück 116 hat eine darin gebildete Durchgangsbohrung 124, über die das Fluid, dessen Druck gemessen werden soll, auf die Membran 104 gegeben wird. Das Übergangsstück 116 kann auf einem Sockel 128 angebracht werden, und der gesamte Sensor 100 wird in einem Standardgehäuse (nicht wiedergegeben), zum Beispiel einem TO3-Gehäuse, eingekapselt. Eine elektronische Signalverarbeitungsschaltung (nicht wiedergegeben) kann auch in dem Gehäuse untergebracht werden.
• In der Fig. 1, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine perspektivische Ansicht wiedergegeben, die teilweise aufgebrochen ist, um einen kapazitiven Silizium-Drucksensor 100 im Querschnitt darzustellen. Der Sensor 100 kann eine ähnliche Struktur haben wie diejenige, die in den folgenden US-Patenten beschrieben ist, die alle dem Anmelder der vorliegenden Erfindung erteilt wurden, und die hier durch Verweisung einbezogen werden: 4879627; 4883768; 4951174; 4954925; 4513348; 4415948 und 4405970. Der Sensor 100 weist eine Siliziummembran 104 und ein Siliziumsubstrat 108 auf, die parallel angeordnet sind und durch ein dielektrisches Distanzstück 112 getrennt sind. Das Distanzstück 112 besteht gewöhnlich aus Borsilikatglas, das zum Beispiel das im Handel erhältliche Borsilikatglas. Typ 7070, von Corning aufweisen kann. Das Glas kann jedoch andere, im Handel erhältliche Borsilikatglas-Sorten aufweisen, wie das Borsilikatglas, Typ 7740, von Corning, das unter dem Warenzeichen PYREX® verkauft wird. Alternativ kann das Glas, wenn gewünscht, andere Glasarten, wie zum Beispiel Phosphorsilikatglas, aufweisen. Der Sensor 100 weist also ein Silizium-Glas-Silizium-Sandwich(SGS-Sandwich) auf, dessen äußere Konfiguration gewöhnlich quadratisch und/oder achteckig ist, aber dessen innere, wirksame Substruktur oft eine kreisförmige oder zylindrische Form haben kann.
• Die Membran 104 weist eine quadratische Scheibe oder Platte aus geeignet dotiertem Silizium auf, die ein wenig flexibel ist. Das Substrat 108 weist ebenfalls eine geeignet dotierte Scheibe aus Silizium auf. Das Substrat 108 ist gewöhnlich weniger flexibel als die Membran 104. Das zwischen der Membran 104 und dem Substrat 108 angeordnete dielektrische Distanzstück 112 erzeugt eine geschlossene, evakuierte, hermetisch abgedichtete Kammer 132 zwischen den zwei parallelen Siliziumplatten 104, 108. Die Kammer 132 wird gewöhnlich auf dem Vakuumwert Null gehalten, oder sie kann, wenn gewünscht, bei einem höheren Bezugsdruck verschlossen werden. Der Druck innerhalb der Kammer 132 hängt von dem gewünschten Druckwert ab, bei dem der Sensor 100 kleine Veränderungen oder Differentialwerte messen soll. Die Kammer 132 bietet dabei einen Bezugsdruck auf einer Seite der flexiblen Membran 104.
• Auf einer Oberfläche des Substrats 108 ist ein zentral angeordneter, gewöhnlich kreisförmiger Mesa 136 gebildet. Der Mesa 136 erstreckt sich in die im allgemeinen zylindrische Kammer 132. Der Mesa 136 dient als Gegenelektrode für die flexible Membran 104. Eine dünne, isolierende Glasschicht (nicht wiedergegeben) kann die Oberseite des Mesas 136 bedecken. Die obere Oberfläche des Mesas 136 ist als ebene Fläche dargestellt. Der Mesa 136 kann jedoch nicht-eben (z. B. konkav) sein, wie dies beschrieben und beansprucht wird in der US-Patentanmeldung mit dem Titel "A Capacitive Pressure Sensor Having A Substrate With A Curved Mesa", die an dem gleichen Datum unter der Docket No. H2377-ED eingereicht wurde, und an denselben Bevollmächtigten abgetreten wurde wie die vorliegende Erfindung (US-A-538/299, veröffentlicht am 10.1.95).
• Bei der typischen Ausführungsform des kapazitiven Silizium-Drucksensors 100 der Fig. 1 beträgt der Abstand zwischen der Unterseite der Siliziummembran 104 und der Oberseite des Mesas 136 ungefähr 2,5 Mikron, während die Dicke des Borsilikatglas- Distanzstücks 112 gewöhnlich 9 Mikron beträgt. Bei einem typischen Sensor 100, der entworfen ist, um Veränderungen des absoluten Drucks von fünfzig lbs. per square inch (50 psi) (350 kPa) zu messen, ist die Siliziummembran 104 ungefähr 8 tausendstel Zoll (0,008") (0,2 mm) dick, während das Substrat 108 ungefähr fünfzig tausendstel Zoll (0,050") (1,3 mm) dick ist.
• Wenn der auf eine äußere Oberfläche der Membran 104 gegebene Druck variiert, wird die Membran 104 zu dem Substrat 108 hin durchgebogen. Dadurch ändert sich der Abstand zwischen der Membran 104 und dem Substrat 108. Da die Membran 104 und das Substrat 108 als die Platten eines Parallelplattenkondensators dienen, nimmt bei der Durchbiegung der Membran 104 nach innen die Kapazität des Sensors 100 zu. Die Änderung der Kapazität infolge der Änderung des auf die Oberfläche der Membran 104 gegebenen Drucks wird als ein Maß für den auf den Sensor 100 gegebenen Druck verwendet.
• An die Membran 104 und das Substrat 108 sind zwei elektrische Leiter oder Drähte 140 angeschlossen zwecks Verbindung mit einer gut bekannten Signalverarbeitungsschaltung (nicht wiedergegeben), die außerhalb des Sensors 100 angeordnet ist. Die Schaltung kann innerhalb des Gehäuses (nicht wiedergegeben) des Sensors 100 angeordnet sein. Die Schaltung spricht gewöhnlich auf die Kapazität des Sensors 100 an, die sich in Abhängigkeit von dem auf die Membran 104 gegebenen Druck ändert. Der variierende Druck auf der äußeren Sensoroberfläche der flexiblen Siliziummembran 104 bewirkt, daß die Membran 104 sich durchbiegt. Eine solche Durchbiegung ändert den Wert der Kapazität zwischen der Membran 104 und dem Substrat 108, wodurch der auf den Sensor gegebene Druck in ein meßbares elektronisches Signal umgewandelt wird. Wie oben erwähnt wurde, ist zwischen der Unterseite der Membran 104 und der Oberseite des Mesas 136 ein Abstand von ungefähr 2,5 Mikron vorhanden, wenn der Sensor 100 bei seinem Bezugsdruck Null oder einem anderen Bezugsdruck ist. Ein solcher Abstand ist groß genug für die Durchbiegung der Membran 104 zu dem Mesa 136 hin, wenn der auf die äußere Oberfläche der Membran 104 gegebene Druck erhöht wird.
• In der Fig. 2, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine dem Stand der Technik entsprechende Struktur für das dielektrische Glas-Distanzstück 112 wiedergegeben. Das Distanzstück 112 ist als ein einzelner Ring gebildet, dessen Wand gewöhnlich eine horizontale Dicke von z. B. sechsunddreißig tausendstel Zoll (0,036") (0,9 mm) hat. Wie in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht, kann die Siliziummembran 104 gewöhnlich quadratisch sein, während das Siliziumsubstrat 108 eine achteckige Form haben kann. Die achteckige Form des Substrats 108 bietet Zugang für die Befestigung der elektrischen Drähte 140 an der Siliziummembran 104. Bei dem in der Fig. 2 wiedergegebenen Sensor des Standes der Technik hat das Siliziumsubstrat 108 eine Seitenlänge von zweihundertsechzig tausendstel Zoll (0,260"), während die Wand des Borsilikatglas-Distanzstücks 112 einen inneren Durchmesser von hundertneunzig tausendstel Zoll (0,190") hat. Die äußere Seitenoberfläche des Wand-Distanzstücks 112 kann entweder der grundlegenden quadratischen Konfiguration der Siliziummembran 104 folgen, oder sie kann, wie in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht, achteckig sein, ähnlich wie die achteckige Form des Substrats 108. Der Mesa 136 erstreckt sich von dem Siliziumsubstrat 108 bis zu einer Dimension von ungefähr 6,5 Mikron. Der Durchmesser des Mesas 136 kann hundertfünfzig tausendstel Zoll (0,150") betragen.
• In der Fig. 1 ist ein Übergangsstücks 116, das aus geeignet dotiertem Silizium besteht, mit dem zweiten Borsilikatglas-Distanzstück 120 zusammengebaut, das wiederum mit der äußeren Oberfläche der Siliziummembran 104 verbunden ist. Das Glas-Distanzstück 120 kann auch das Glas. Typ 7070, von Corning, oder ein anderes geeignetes Glas aufweisen. Das Übergangsstück 116 umfaßt eine Drucköffnung 124, die eine Durchgangsbohrung aufweist, durch die das Fluid, dessen Druck gemessen werden soll, auf die äußere Oberfläche der Membran 104 gegeben wird. Das Übergangsstück 116 geht unten konisch in die Podest form über zwecks Befestigung auf der Oberfläche des Sockels 128. Die Podestform gleicht den Temperaturkoeffizientenunterschied zwischen dem Silizium und dem Sockelmaterial aus. Das Übergangsstück 116 hat gewöhnlich eine Dicke von ungefähr hundertfünfundzwanzig tausendstel Zoll (0,125").
• In der Fig. 3, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine Draufsicht der Siliziummembran 104 mit dem dielektrischen Glas-Distanzstück 112 wiedergegeben, wobei das Distanzstück 112 auf einer Oberfläche der Membran 104 befestigt ist, und mit einem Muster versehen ist, um die zwei konzentrischen Ringe 141, 142 gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden. Die spezifischen Methoden zum Bilden der konzentrischen Ringe 141. 142 werden nachstehend ausführlicher beschrieben, wobei auf die Fig. 4-8 Bezug genommen wird, die die Aufeinanderfolge der Schritte bei der Herstellung des kapazitiven Silizium- Drucksensors 100 wiedergeben. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der innere Ring 141 kreisförmig, während der äußere Ring 142 achteckig ist. Der innere Durchmesser des kreisförmigen, inneren Rings 141 kann ungefähr hundertneunzig tausendstel Zoll (0,190") betragen, ähnlich wie bei dem in der Fig. 2 wiedergegebenen Sensor des Standes der Technik. Die Dicke der Ringe 141, 142 ist gleichmäßig und beträgt ungefähr hundertfünfzig Mikron (ein wenig weniger als 6 mils; 0,006"). Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, variiert der Abstand zwischen den Ringen 141, 142, weil der innere Ring 141 kreisförmig ist, während der äußere Ring 142 achteckig ist. Der minimale Abstand zwischen den Ringen 141, 142 beträgt ungefähr sechs mils (0,006"). Die obenerwähnten Abmessungen des inneren und äußeren Rings 141. 142 haben ein Siliziumsubstrat 108 mit einer Seitenlänge von ungefähr zweihundertfünfundzwanzig tausendstel Zoll (0,225") zur Folge, die ein wenig kleiner ist als die Seitenlänge von zweihundertsechzig tausendstel Zoll (0,260") bei dem in der Fig. 2 wiedergegebenen Sensor des Standes der Technik. Diese geringere Größe ergibt nicht nur eine geringere parasitäre Kapazität, sondern erhöht auch die Anzahl der Sensoren, die aus einer einzelnen Siliziumsubstratwafer und einer einzelnen Siliziummembranwafer hergestellt werden können, wobei die Verarbeitung nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 4-8 ausführlich beschrieben wird.
• Der innere Ring 141 ist aus strukturellen Gründen kreisförmig, wobei er sich an die kreisförmige Natur der inneren, wirksamen Substruktur des Sensors 100, wie zum Beispiel des Mesas 136, anpaßt. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der äußere Ring 142 achteckig, weil das Siliziumsubstrat 108 ebenfalls achteckig ist. Die achteckige Form des Substrats 108 und des äußeren Rings 142 werden durch Zerschneiden oder Zersägen des Substrats 108 und des äußeren Rings 142 gebildet. Dabei werden Bereiche des Substrats 108 und des äußeren Rings 142 entfernt, um Bereiche der Oberfläche der Siliziummembran 104 für den Anschluß der elektrischen Drähte 140 freizulegen. Das Zerschneiden oder Zersägen hat aneinandergrenzende, ebene, äußere Oberflächen des Substrats 112 und des äußeren Rings 142 zur Folge.
• Die vorliegende Erfindung nicht natürlich nicht darauf begrenzt, daß ein äußerer Ring 142 von achteckiger Form vorgesehen ist; wenn gewünscht, können auch andere Formen verwendet werden. Weiterhin können für den inneren Ring 141 ebenfalls andere Formen verwendet werden, ohne den weitesten Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Weiterhin ist bei den Ringen 141, 142 angegeben, daß sie einen gewissen Abstand voneinander haben. Es gilt jedoch als vereinbart, daß die zwei Ringe 141, 142 durch einen Bereich des dielektrischen Glas-Distanzstücks miteinander verbunden werden können. In der Praxis wurde festgestellt, daß bei völliger Trennung der zwei Ringe 141, 142 das Ziel, die parasitäre Kapazität des Sensors 100 so weit wie möglich zu verringern, am besten erreicht wird. In der Praxis wurde nachgewiesen, daß die zwei Ringe der vorliegenden Erfindung das Verhältnis der parasitären Kapazität zu der Gesamtkapazität des Sensors 100 von ungefähr fünfzig (50) Prozent bei dem in der Fig. 2 wiedergegebenen Entwurf des Standes der Technik bis auf ungefähr fünfzehn (15) Prozent bei dem in der Fig. 3 wiedergegebenen Entwurf mit den konzentrischen Ringen verringern.
• In den Fig. 4-8, auf die nun Bezug genommen wird, ist die Aufeinanderfolge der Schritte beim Herstellen des Sensors 100 der Fig. 1 in Querschnittsform veranschaulicht. Der Ausgangspunkt bei dem Herstellungsprozeß ist eine im Handel erhältliche Siliziumwafer 144 (Fig. 4), die das Substrat 108 eines zusammen gebauten Sensors 100 aufweist. Um die Wafer 144 elektrisch leitend zu machen, wird sie in geeigneter Weise dotiert, zum Beispiel mit Antimon. Die Substratwafer 144 kann jedoch mit Fremdstoffen vom N-Typ oder vom P-Typ dotiert werden, wobei eine Dotierungskonzentration von mindestens 10¹&sup5; Fremdatomen pro Kubikzentimeter erforderlich ist, um einen Widerstand von weniger als 1 Ohmzentimeter zu erreichen. Unter Verwendung gut bekannter Maskier-, Photolack- und Ätztechniken wird die Substratwafer 144 bei vorgegebenen Stellen geätzt, um eine Vielzahl von Mesas 136 zu bilden, wobei jeder Mesa 136 ungefähr 6,5 Mikron hoch ist.
• Als nächstes wird, wobei auf die Fig. 5 Bezug genommen wird, das Glas, das als Dielektrikum 112 zwischen der Membran 104 und dem Substrat 108 dient, auf die Silizium- Substratwafer 144 aufgebracht. Das Glas 112 kann mittels einer Technik, die aus einer Reihe von gut bekannten Techniken, wie Vakuumaufdampfen oder Kathodenzerstäubung, ausgewählt ist, auf die Wafer 144 aufgebracht werden. Eine Kathodenzerstäubungstechnik, die verwendet werden kann, um das Glas aufzubringen, ist eine Ionen-Frästechnik, wie sie beschrieben und beansprucht wird in der US-Patentanmeldung mit dem Titel "A Silicon Capacitive Pressure Sensor Having A Glass Dielectric Deposited Using Ion Milling", die am 2. Dezember 1993 unter der lfd. Nummer 08/161335 eingereicht wurde, und ebenfalls an den Beauftragten der vorliegenden Erfindung abgetreten wurde (US-A-5375034, veröffentlicht am 20.12.94). Das Glas 112 wird mit einer Dicke von ungefähr 9 Mikron aufgebracht. Das aufgebrachte Glas 112 erfüllt drei Zwecke: Es dient als dielektrisches Distanzstück 112, das eine geschlossene Vakuumkammer 132 zwischen dem leitenden Substrat 108 und der leitenden Membran 104 bildet; es dient als ein Mittel zum Bilden eines genauen Zwischenraums zwischen der Membran 104 und dem Substrat 108; und es dient als ein Mittel zum Verbinden des Siliziumsubstrats 108 und der Siliziummembran 104 mit dem Distanzstück 112.
• Die Art von Glas, die für das Distanzstück 112 verwendet wird, ist wichtig. Bei einer typischen Ausführungsform der vorliegende n Erfindung weist das Glas 112 das Borsilikatglas, Typ 7070, von Corning auf. Dieses Glas 112 hat ähnliche thermische Eigenschaften (z. B. Wärmeausdehnungskoeffizienten) wie das Siliziumsubstrat 108. Außerdem enthält dieser spezifische Typ des Glases 112 Lithium- und Kaliumionen, die verfügbar sind, um die Verbindung der Membran 104 mit dem Glas-Distanzstück 112 zu unterstützen, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Das Glas kann jedoch andere, im Handel erhältliche Borsilikatglas-Sorten aufweisen, wie das Borsilikatglas, Typ 7740, von Corning, das unter dem Warenzeichen PYREX® verkauft wird. Alternativ kann das Glas, wenn gewünscht, andere Glasarten, wie Phosphorsilikatglas, aufweisen. Die verwendete Glasart basiert zum Teil auf der (den) in dem Glas enthaltenen Alkali-Art(en).
• Der nächste Schritt bei dem Prozeß zur Herstellung des kapazitiven Silizium- Drucksensors 100 besteht darin, daß die Silizium-Substratwafer 144 mit dem darauf gebildeten Glas-Distanzstück 112 einer Wärmebehandlung, wie Glühen, unterworfen werden kann, um eventuelle Spannungen in dem Glas zu verringern. Wenn gewünscht, kann die Silizium-Substratwafer 144 einer Wärmebehandlung unterworfen werden, die beschrieben und beansprucht wird in der US-Patentanmeldung mit dem Titel "Thermal Processing of Deposited Glass", die am 21. Dezember 1993 unter der Docket No. H2324-Ed eingereicht wurde, und ebenfalls an den Bevollmächtigten der vorliegenden Erfindung abgetreten wurde (US-A- 5375034, veröffentlicht am 20.12.94) (kein Dokument verfügbar). Eine solche Wärmebehandlung des Glases stellt sicher, daß eventuelle Gaspartikel, die bei einem Kathodenzerstäubungsprozeß in dem Glas gebildet werden, aus dem Glas herausdiffundieren, und so nicht zu einer Langzeitdrift des Sensors beitragen. Außerdem stellt die Wärmebehandlung sicher, daß keine unerwünschten und schädlichen Hohlräume (d. h., "Blasen") infolge anderer Wärmebehandlungen des Standes der Technik in dem Glas gebildet werden.
• Nachdem die Substratwafer 144 mit dem Glas 112 einer Wärmebehandlung unterworfen wurde, wird die Borsilikatglasschicht 112 mittels gut bekannter Photolithographie- und Ätztechniken in geeigneter Weise geätzt oder mit einem Muster versehen (Fig. 6). Dabei werden die zwei konzentrischen Glasringe 141. 142 gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet. Bei diesen Musterbildungstechniken wird außerdem das Glas-Distanzstück 112 nur um den ungefähren Umfang des Bereichs der Silizium-Substratwafer 144 gebildet, der das Substrat 108 des zusammengebauten Sensors 100 aufweist.
• Nachdem die Substratwafer 144 wie oben beschrieben hergestellt wurde, kann eine zweite Siliziumwafer 160 durch geeignetes Läppen bis zu einer gewünschten Dicke, zum Beispiel in der Größenordnung von 200 Mikron (d. h. ungefähr acht mils (0,008")) hergestellt werden, um die flexible Membran 104 zu bilden (siehe Fig. 7). Ähnlich wie die Silizium-Substratwafer 144 kann die Silizium-Membranwafer 160 in geeigneter Weise mit den gewünschten Fremdstoffen dotiert werden. Die Silizium-Membranwafer 160 wird dann mittels bekannter elektrostatischer Verbindungstechniken mit dem dielektrischen Glas-Distanzstück 112 verbunden. Zum Beispiel kann die Membranwafer 160 mittels der bekannten feldunterstützten Abdichtungstechnik zum Verbinden von Glas mit Halbleitern mit dem Glas- Distanzstück 112 verbunden werden. Bei dieser Technik wird die Membranwafer 160 Temperaturen von ungefähr 300-500ºC unterworfen, um eine Ionenbeweglichkeit in dem Borsilikatglas hervorzurufen. Bei dem obenerwähnten Glas, Typ 7070, von Corning sind bei hoher Temperatur Lithium- und Kaliumionen verfügbar, die bei dieser elektrostatischen Verbindungstechnik verwendet werden können. Nachdem die Verbindungsstelle zwischen dem Glas-Distanzstück und der Membran bis auf einen hohen Grad der Leitfähigkeit erhitzt wurde, wird sie einem elektrischen Potential in der Größenordnung von 100 Volt GS unterworfen. Dadurch wird an der Grenzfläche zwischen dem Silizium und dem Glas eine Sperrschicht erzeugt. Wenn das elektrische Potential richtig gerichtet ist, wandern die positiven Lithium- und Kaliumionen von der Grenzfläche weg, und über dieser Grenzfläche wird ein hohes Feld erzeugt. Dies ruft einen engen Kontakt zwischen dem Glas-Distanzstück 112 und der Silizium-Membranwafer 160 hervor. Auf diese Weise wird eine hermetische Abdichtung zwischen dem Silizium und dem Glas gebildet. Dieser oben beschriebene Prozeß wird normalerweise in einem Vakuum ausgeführt, um einen Sensor für den absoluten Druck zu erhalten.
• Sowohl auf die Silizium-Substratwafer 144, als auch auf die Silizium-Membranwafer 160 kann eine dünne Metallisierungsschicht, zum Beispiel eine Schicht aus ungefähr fünftausend Dngström Aluminium, örtlich aufgebracht werden. Dies ergibt eine geeignete Oberfläche zum Bonden der elektrischen Drähte 140 auf der Membran 104 und dem Substrat 108.
• Als nächstes wird eine weitere Wafer 164 aus geeignet dotiertem Silizium vorgesehen. Diese Siliziumwafer weist das Übergangsstück 116 eines zusammengebauten Sensors 100 auf. Insbesondere sind bei der Wafer 164 die gewünschten Übergangsstücke 116 mittels der podestförmigen, äußeren Oberfläche und der Durchgangsbohrungen 124 bei geeigneten Stellen in der Wafer gebildet. Die Sockelformen und die Durchgangsbohrungen 124 können mittels verschiedener Techniken in die Übergangsstück-Siliziumwafer 164 geätzt werden. Zum Beispiel können die Sockelformen und die Durchgangsbohrungen 124 in dem Übergangsstück gebildet werden mittels der Techniken zur Bearbeitung durch elektrische Entladung, die beschrieben und beansprucht werden in der US-Patentanmeldung mit dem Titel "Fabricating Complex Silicon Pieces Using Electrical Discharge Machining", die am 2. Dezember 1993 unter der lfd. Nr. 08/161156 eingereicht wurde, und ebenfalls an den Bevollmächtigten der vorliegenden Erfindung abgetreten wurde. Die Übergangsstückwafer 164 kann eine Dicke in der Größenordnung von hundertfünfundzwanzig tausendstel Zoll (0,125") haben.
• Auf die Übergangsstückwafer 164 wird dann eine Schicht 120 aus dielektrischem Glas aufgebracht. Das auf die Siliziumwafer 164 aufgebrachte Glas kann auch das Borsilikatglas. Typ 7070, von Corning aufweisen. Die Glasschicht 120 kann auf die gleiche Weise wie das Glas-Distanzstück 112 auf das Siliziumsubstrat 108 aufgebracht werden. Die zweite Glasschicht 120 wird mittels eines photolithographischen Prozesses mit einem Muster versehen und geätzt, wobei nur ein Ring um den Umfang des sich ergebenden Übergangsstücks 116 gebildet wird. Die Glasschicht 120 wird dann mittels elektrostatischer Verbindungstechniken mit der Silizium-Membranwafer 160 verbunden. Die Glasschicht 120 berührt die Membranwafer 160, wie in der Fig. 8 veranschaulicht ist.
• Wenn die in den Fig. 4-8 veranschaulichten, obenerwähnten Schritte einmal ausgeführt sind, wird das sich ergebende Silizium-Glas-Mehrschichtelement in geeigneter Weise zerteilt, zum Beispiel durch Sägen, um eine Vielzahl von einzelnen Bauelementen zu erhalten, wie durch die gestrichelten Linien 168 angegeben ist. Außerdem können sowohl das Siliziumsubstrat 108, als auch das Glas-Distanzstück 112, wenn gewünscht, zu einer achteckigen Form zerschnitten werden, um die elektrischen Anschlußpunkte auf der Siliziummembran 104 freizulegen.
• Das einzelne kapazitive Silizium-Drucksensorelement 100 kann auf einer Oberfläche des Sockels 128 angebracht werden (Fig. 1). Der Sockel kann ein Material, das unter dem Warenzeichen KOVAR® verkauft wird, oder ein Material aus anderen, ähnlichen Legierungen aufweisen. Der Sockel hat eine Durchgangsbohrung 172, die als Drucköffnung dient, durch die das Fluid, dessen Druck von dem Sensor 100 gemessen werden soll, zugeführt wird. Die Durchgangsbohrung 124 des Übergangsstücks 116 steht in Verbindung mit der Oberfläche des Sockels 128. Das Übergangsstück 116 wird dann mittels eines eutektischen Verbindungsprozesses mit dem Sockel 128 verbunden. Bei diesem Prozeß wird die äußere Oberfläche des Silizium-Übergangsstücks 116, die den Sockel 128 berühren soll, mit Gold beschichtet. Dann werden der Sensor 100 und der Sockel 128 erhitzt, um den Sensor 100 mit dem Sockel 128 zu verbinden.

Claims (11)

1. Kapazitiver Drucksensor (100), aufweisend ein Substrat (108), ein dielektrisches Distanzstück (112), das auf eine Oberfläche des Substrats aufgebracht ist, und eine Membran (104), die an dem dielektrischen Distanzstück befestigt ist, wobei die Membran sich durchbiegen kann, wenn ein Fluiddruck auf sie einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Distanzstück eine vorgegebene Struktur aufweist, die einen äußeren Ring (142) von vorgegebener Form und Dicke und einen inneren Ring (141) von vorgegebener Form und Dicke hat, wobei der äußere Ring (142) durch einen vorgegebenen Abstand von dem inneren Ring physisch getrennt ist.

2. Kapazitiver Drucksensor (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (108) Silizium ist, die Membran (104) Silizium ist, und das dielektrische Distanzstück (112) zwischen dem Siliziumsubstrat und der Siliziummembran über deren äußere Umfangsbereiche angeordnet ist, um eine durch das Siliziumsubstrat, die Siliziummembran und das dielektrische Distanzstück begrenzte, geschlossene Kammer (132) zu bilden.

3. Kapazitiver Drucksensor (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumsubstrat (108) eben ist, und die Siliziummembran (104) eben ist, wobei das Siliziumsubstrat und die Siliziummembran die Platten eines Parallelplatten-Kondensators bilden, der jede Durchbiegung der Siliziummembran infolge des einwirkenden Fluiddrucks in einen entsprechenden Kapazitätswert umwandelt, der einen augenblicklichen Wert des auf die Siliziummembran einwirkenden Fluiddrucks angibt.

4. Kapazitiver Drucksensor (100) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Distanzstück (112) Glas aufweist.

5. Kapazitiver Drucksensor (100) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Distanzstück (112) Borsilikatglas aufweist.

6. Kapazitiver Drucksensor (100) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das dielektrische Distanzstück (112) durch Kathodenzerstäubung auf die Oberfläche des Substrats (108) aufgebracht ist.

7. Kapazitiver Drucksensor (100) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (104) mittels eines feldunterstützten Verbindungsprozesses an dem dielektrischen Distanzstück (112) befestigt ist.

8. Kapazitiver Drucksensor (100) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Form des äußeren Rings (142) achteckig ist.

9. Kapazitiver Drucksensor (100) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Form des inneren Rings (141) des Distanzstücks kreisförmig ist.

10. Kapazitiver Drucksensor (100) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Umfang des Substrats (108) eine achteckige Form hat.

11. Kapazitiver Drucksensor (100) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Umfang des Siliziumsubstrats (108) eine achteckige Form hat, und daß die vorgegebene Form des äußeren Rings (142) achteckig ist, wobei eine Oberfläche eines äußeren Randes des Siliziumsubstrats auf jeder der acht Seiten des Substrats koplanar mit einer Oberfläche eines äußeren Randes des äußeren Rings auf jeder der acht Seiten des äußeren Rings ist.