EP2205955A2 - Pressure measuring device - Google Patents

Pressure measuring device

Info

Publication number
EP2205955A2
EP2205955A2 EP08846746A EP08846746A EP2205955A2 EP 2205955 A2 EP2205955 A2 EP 2205955A2 EP 08846746 A EP08846746 A EP 08846746A EP 08846746 A EP08846746 A EP 08846746A EP 2205955 A2 EP2205955 A2 EP 2205955A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
intermediate piece
base
pressure
silicon
measuring device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08846746A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Igor Getman
Dieter Stolze
Anh Tuan Tham
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP2205955A2 publication Critical patent/EP2205955A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/147—Details about the mounting of the sensor to support or covering means

Definitions

  • the invention relates to a pressure-measuring device with a mounted on a base semiconductor pressure sensor.
  • Pressure measuring devices are used to detect pressures, in particular of absolute pressures, relative pressures and differential pressures, and are used in industrial measurement technology.
  • Semiconductor pressure sensors used. Semiconductor sensors are now regularly silicon-based, e.g. manufactured using silicon-on-insulator (SOI) technology. They are designed as a pressure sensor chip, which typically has a carrier and a measuring diaphragm arranged on a carrier. In measuring mode, a first pressure is supplied to a first side of the measuring diaphragm.
  • SOI silicon-on-insulator
  • a second pressure is supplied for detecting differential pressures of the first side opposite the second side of the measuring diaphragm.
  • the existing pressure difference between the first and the second pressure causes a dependent of the differential pressure to be measured deflection of the measuring diaphragm.
  • Measuring membrane a reference pressure, e.g. an ambient pressure supplied.
  • the existing pressure difference between the first pressure and the reference pressure causes a dependent of the relative pressure to be measured deflection of the measuring diaphragm.
  • a closed evacuated chamber is regularly provided under the measuring diaphragm on the side remote from the first side second side.
  • the first pressure acting on the first side of the measuring diaphragm causes a deflection of the measuring diaphragm which is dependent on the absolute pressure to be measured.
  • the resulting deflection of the measuring diaphragm is detected in all three cases via arranged on the diaphragm sensor elements, such as piezoresistive resistors, and converted into an electrical output signal that then further processing and / or Evaluation is available.
  • the diaphragm sensor elements such as piezoresistive resistors
  • the semiconductor pressure sensors are very sensitive and are therefore used in a housing, via which the supply of the respective pressures, the output of the measurement result and the mounting of the pressure-measuring device takes place at the measuring location.
  • the semiconductor pressure sensor is mounted, for example, on a socket located in the housing such that a side facing away from the base first side of the measuring membrane has a first measuring chamber located in the housing, which is fed to the first pressure.
  • the second pressure or the reference pressure of the second side of the measuring diaphragm is additionally supplied via a bore extending in the interior of the base, which opens into a second measuring chamber enclosed by the measuring diaphragm carrier below the measuring diaphragm.
  • the chamber located under the measuring diaphragm is closed and evacuated.
  • the supply of the first and the second pressure takes place for example via integrated into the housing or upstream of this filled with a pressure-transmitting liquid diaphragm seal.
  • the reference pressure is supplied, for example, via a reference pressure supply integrated in the housing.
  • the base is, for example, a cylindrical extension piece or a pedestal, which is formed as an integral part of the housing or as a separate component fixed in the housing.
  • housing and base made of a mechanically stable material, esp. Of metal.
  • Socket and semiconductor pressure sensor thus necessarily consist of different materials that have very different physical properties, esp. Different thermal expansion coefficients. Due to the mechanical connection between the base and the semiconductor pressure sensor therefore mechanical stresses can occur, which affect the transmission behavior of the measuring membrane, and thus the achievable measurement accuracy and their reproducibility deteriorate. This applies esp. For temperature-dependent voltages.
  • an intermediate piece which consists of the same material as the semiconductor pressure sensor, is usually inserted between the base and the semiconductor pressure sensor.
  • an intermediate piece which consists of the same material as the semiconductor pressure sensor.
  • Such a measuring device comprises a semiconductor pressure sensor 1 with a measuring diaphragm 5 carried by a carrier 3.
  • the carrier 3 is mounted on an intermediate piece 7 which is arranged on a metallic base 9.
  • a bore is provided which leads through the base 9 and the intermediate piece 7 into a measuring chamber enclosed below the measuring diaphragm 5.
  • the intermediate piece 7 is circular disk-shaped and has a matched to the outer diameter of the semiconductor pressure sensor 1 outer diameter.
  • the base 9 is hollow cylindrical and has a much smaller outer diameter.
  • annular circumferential groove 11 is provided, which is directly adjacent to the base 9.
  • the groove 11 serves to absorb mechanical stresses caused by the connection between the base 9 and the intermediate piece 7 and to avoid their reaction to the measuring membrane 5.
  • this measuring device has the disadvantage that the mechanical stability of the measuring device is limited by the adhesive strength of the connection between the base 9 and the intermediate piece 7. Insb. This is limited in differential pressure measuring devices, the maximum pressure that can be fed through the base of the measuring diaphragm.
  • this connection must ensure that the semiconductor pressure sensor remains on the base even if an overpressure is supplied via the base.
  • the thickness of the intermediate piece could be increased and / or the depth of the groove can be increased.
  • a deeper groove leads to a reduced breakage.
  • the increase in the thickness of the intermediate piece in turn leads to an increase in the production costs, esp. When the intermediate piece is made of silicon.
  • the invention in a pressure-measuring device, with
  • the second cylindrical portion has a base facing the resting on an exposed end face of the base end face having a
  • Connecting surface forms over which the intermediate piece with the base is mechanically firmly connected.
  • Pressure measuring device for detecting differential pressures
  • Pressure measuring device for recording absolute pressures. It has one of the measuring diaphragm, its carrier and the Intermediate completely closed evacuated chamber on.
  • a parallel to the longitudinal axis extending base side opening blind hole is provided in the intermediate piece.
  • the semiconductor pressure sensor is a silicon-based sensor.
  • the intermediate piece is made of silicon, and the base is made of metal or ceramic. According to a further embodiment, the intermediate piece and the
  • the invention consists in a method for producing a pressure-measuring device according to the invention, in which the
  • Silicon wafer is produced in the
  • the first and the second silicon wafer are placed flush on one another and joined together by bonding,
  • this area has an outer diameter, the same
  • Outer diameter of the recess is, and has an inner diameter which is equal to the outer diameter of the first cylindrical
  • Section of the intermediate piece is,
  • a third silicon wafer is placed flush on the second silicon wafer and bonded thereto by bonding
  • this area has an outer diameter, the same
  • Outer diameter of the recess is, and an inner diameter which is equal to the outer diameter of the second cylindrical portion of the intermediate piece, and
  • the semiconductor pressure sensor is mounted on a side remote from the second silicon layer side of the first silicon layer.
  • the first and / or the second silicon wafer on one or both outer surfaces of an oxide layer, and the first and the second silicon wafer are connected to each other by high-temperature wafer bonding, wherein at least one of the oxide layers between the first and second silicon wafer is located.
  • the second and / or third silicon wafers have an oxide layer on one or both outer surfaces, and the second and third silicon wafers are bonded together by high temperature wafer bonding with at least one of the oxide layers between the second and third silicon wafers.
  • the attachment of the semiconductor pressure sensor is such that
  • Low-temperature silicon direct bonding is attached to the polished surface.
  • the intermediate piece is glued to the base by means of an epoxy resin adhesive.
  • the inventive design of the recess ensures a reliable mechanical decoupling of the measuring diaphragm. Esp. the effects of mechanical stresses caused by the connection between the base and the intermediate piece to the measurement properties of the measuring membrane are largely avoided.
  • a significant advantage of the pressure-measuring device is that it ensures a high mechanical stability. Due to the subdivision of the recess according to the invention in the intermediate piece into a recess enclosing the thin first cylindrical portion and a groove adjacent thereto on the base side surrounding the thicker second cylindrical portion, there is a large connection surface for the mechanical attachment of the intermediate piece to the base on the base side. At the same time there is a reliable decoupling of the measuring membrane by the socket-side opening of the recess and the comparatively thin first cylindrical portion. Mechanical stresses caused by the connection between the base and the intermediate piece have virtually no effect on the transmission behavior and the measuring properties of the measuring diaphragm. Accordingly, the achievable measurement accuracy is ensured with a high long-term stability and high reproducibility.
  • Fig. 1 shows a section through a known from the prior art pressure measuring device
  • FIG. 2 shows a section through a pressure measuring device according to the invention for detecting relative or differential pressures
  • FIG. 3 shows a double-sided oxidized silicon wafer used for producing the pressure measuring device according to the invention with a central bore;
  • FIG. Fig. 4 shows a first and a second silicon wafer connected thereto;
  • Fig. 5 shows the composite shown in Fig. 4, in which a recess has been etched in the second silicon wafer;
  • Fig. 6 shows the composite of Fig. 5 with a third silicon wafer applied thereto;
  • Fig. 7 shows the composite of Fig. 6 with a groove etched in the third silicon wafer
  • Fig. 8 shows the composite of Fig. 7 with the outer two oxide layers removed
  • Fig. 9 shows the intermediate piece of the pressure-measuring device shown in Figure 2 with the mounted thereon semiconductor pressure sensor.
  • FIG. 10 shows a pressure measuring device according to the invention for detecting absolute pressures
  • Fig. 11 shows the intermediate piece of the pressure measuring device of Fig. 10 together with the semiconductor pressure sensor mounted thereon.
  • Fig. 2 shows a section through a first embodiment of a pressure-measuring device according to the invention.
  • the variant of the invention shown here is suitable for the detection of differential pressures as well as for the detection of relative pressures. It comprises a metallic base 13, an intermediate piece 15 made of a semiconductor arranged on the base 13 and connected to the base 13, and a semiconductor pressure sensor 17 arranged on the intermediate piece 15 and connected to the intermediate piece 15.
  • the intermediate piece 15 is preferably made of the same material which is also used for the production of the semiconductor pressure sensor 17, esp. Of silicon.
  • the base 13 is made of metal or ceramic, for example, and serves to mount the semiconductor pressure sensor 17 in a housing 18 which is only partially shown.
  • the base 13 is, for example, a cylindrical extension piece or a pedestal, which may be formed as an integral part of the housing 18 or as a separate component fixed in the housing 18.
  • the semiconductor pressure sensor 17 is a silicon-based pressure sensor chip, and has a carrier 19 and a measuring diaphragm 21 carried by the carrier 19.
  • the carrier 19 has an annular disc-shaped end face, which rests on a similar outer edge of the intermediate piece 15 and is firmly connected thereto.
  • a second pressure p2 is supplied to the opposite second side of the measuring diaphragm 21.
  • the first pressure p1 corresponds to the pressure to be measured and the second pressure p2 corresponds to the reference pressure to which the pressure to be measured is related.
  • the first and the second pressure p1, p2 the two pressures whose pressure difference is to be measured.
  • the output signal is then available via connecting lines 25 connected to the sensor elements 21 for further processing and / or evaluation.
  • the first pressure p1 is supplied to the first side of the measuring diaphragm 21 from the outside. This can be done in many ways.
  • the semiconductor pressure sensor 17 is mounted on the base 13 located in the housing 18 such that the side facing away from the base 13 first side of the measuring diaphragm 21 in a housing 18 located in the interior 27, to which the first pressure p1 is supplied.
  • the second pressure p2 is supplied to the second side of the measuring diaphragm 21 via a pressure feed line 28 which passes through the base 13 and the intermediate piece 15 and in a pressure measuring chamber 31 enclosed by the carrier 19 and the intermediate piece 15 and enclosed under the measuring diaphragm 21 empties.
  • the pressure supply line 28 is through a bore 29 in the intermediate piece 15 and a thereto subsequent further bore 30 formed in the base 13.
  • the bore 29 is arranged centrally in the intermediate piece 15. It runs parallel to its longitudinal axis L and opens on the base side.
  • the bore 29 passes through the intermediate piece 15 and opens into the enclosed under the measuring diaphragm 21 of the support 19 and the intermediate piece 15 completed pressure measuring chamber 31.
  • the further bore 30 passes through the base 13 therethrough.
  • the intermediate piece 15 has an inside of the base 13, runs parallel to its longitudinal axis L, and opens into the bore 29 in the intermediate piece 15. Both holes 29, 30 extend along the longitudinal axis L of the respective component, which coincides with the longitudinal axis L of the measuring device and preferably through the middle of the measuring membrane 21 leads.
  • the intermediate piece 15 has an inside of the
  • FIG. 8 shows the intermediate piece 15 of the embodiment shown in Fig. 2 in detail.
  • the recess 33 is formed in such a way that a first cylindrical section 35 of the intermediate piece 15 and a second cylindrical section 37 adjoining the base side thereof are formed in the interior of the recess 33.
  • the second cylindrical portion 37 has a larger outer diameter than the first cylindrical portion 35.
  • the recess 33 surrounds the thinner first cylindrical portion 35 and the base side adjacent thereto thicker second cylindrical portion 37.
  • the recess 33 consists of a bore 29 concentrically surrounding Cylindrical groove 39 adjacent to the side facing away from the base 13 side a hollow cylindrical recess 41, whose outer diameter is equal to the outer diameter of the groove 39, and whose inner diameter is smaller than the inner diameter of the groove 39. Accordingly, the outer diameter of the first portion 35 exposed through the recess 33 is smaller than the outer diameter of the second cylindrical portion 37 exposed through the recess 33.
  • the second portion 37 has a the base 13 facing circular disc-shaped resting on an exposed identical end face of the base 13 end face 43, which forms a connection surface via which the intermediate piece 15 is mechanically fixedly connected to the base 13.
  • the connection is preferably made by gluing or soldering.
  • the outer diameter of the base 13 is preferably equal to the outer diameter of the second portion 37, so that the recess 33 is opened via the base-side mouth of the groove 39 down. Through the recess 33, an outer socket-free section 40 is separated from the first and second sections 35, 37.
  • the inventive shape of the recess 33 ensures that the outer diameter of the socket-side second portion 37 can be dimensioned independently of the outer diameter of the first portion 35.
  • the thinner first portion 35 together with the socket-side opening of the recess 33 causes a reliable decoupling of the measuring diaphragm 21 caused by the mechanical connection of the intermediate piece 15 with the base 13 mechanical stresses.
  • the outer diameter of the first portion 35 is smaller than the outer diameter of the measuring diaphragm 21.
  • the larger outer diameter of the second portion 37 ensures that a large connection surface for the mechanical connection between the base 13 and the intermediate piece 15 is available.
  • the production of the pressure measuring devices according to the invention is preferably carried out using processes used in MEMS technology.
  • the production method according to the invention is first explained in more detail here with reference to the pressure measuring device for measuring differential or relative pressures shown in FIG. 2.
  • the central element is the production of the intermediate piece 15.
  • the intermediate piece 15 is preferably made up of three identical silicon wafers 45, 47, 49.
  • the base of the silicon wafers 45, 47, 49 is the geometry of the Semiconductor pressure sensor 17 adapted. That is, in conjunction with a semiconductor pressure sensor 17 with a rectangular base silicon wafers 45, 47, 49 are used with a rectangular base, in conjunction with a semiconductor pressure sensor 17 with a circular base corresponding to those with a circular base.
  • the silicon wafers 45, 47, 49 have, for example, a diameter or a side length of about 100 mm and a thickness of about 500 ⁇ m.
  • Silicon wafers 45, 47, 49 oxidized on both sides, so that they each have an oxide layer 51 on the two disc-shaped outer sides. However, this is not mandatory.
  • each silicon wafer 45, 47, 49 is provided with a central bore 53.
  • This condition is shown in FIG.
  • the center bores 53 can be generated mechanically. Preferably, however, they are produced by a dry chemical etching process.
  • Silicon wafer 45 and the second silicon wafer 47 flush with each other and connected to each other by bonding. This is shown in Fig. 4.
  • the alignment of the two silicon wafers 45, 47 preferably takes place via the central bores 53 of the two silicon wafers 45, 47.
  • the bonding is preferably carried out by means of wafer direct bonding at high temperature, esp. At a temperature of 1000 ° C to 1100 ° C, wherein at least one oxide layer 51 between the first and the second silicon wafer 45, 47 is located.
  • the area 55 is shown in dashed lines in FIG. 4. It has an outer diameter equal to the outer diameter of the recess 33, and has an inner diameter equal to the outer diameter of the thinner first cylindrical portion 35 of the intermediate piece 15.
  • the outer oxide layer 51 present on the side of the second silicon layer 47 facing away from the first silicon layer 45 is preferably structured by means of lithography, and the region 55 is removed by means of a dry chemical deep etching. This offers the advantage that the outer oxide layer 51 is available as a mask for the subsequent dry deep etching.
  • a further advantage is that the oxide layers 51 enclosed between the first and the second silicon layer 45, 47 form an effective etch stop due to the high etching selectivity between silicon and silicon oxide.
  • Silicon wafer 47 as shown in Fig. 6, flush mounted.
  • the third silicon wafer 49 is then located on the side facing away from the first silicon wafer 45 side of the second silicon slide 47.
  • the alignment (alignment) of the third silicon wafer 49 with respect to the composite of the two other silicon wafers 45, 47 preferably takes place via the central bores 53 of the silicon wafers 45, 47, 49.
  • the third silicon wafer 49 will now be connected to the second silicon wafer 47 by bonding.
  • the bond is also here preferably by means of wafer direct bonding at high temperature, esp. At a temperature of 1000 ° C to 1100 ° C, wherein at least oxide layer 51 between the second and the third silicon wafer 47, 49 is located.
  • the total thickness of the wafer composite formed in this way is now about 1.5 mm, for example.
  • the area 57 is shown in dashed lines in FIG. It has an outer diameter which is the same as the outer diameter of the recess 33, and has an inner diameter equal to the outer diameter of the second cylindrical portion 37 is.
  • the outer oxide layer 51 present on the side of the third silicon layer 49 facing away from the second silicon layer 47 is preferably structured by means of lithography, and the region 57 is removed by means of a dry chemical deep etching. This offers the advantage that the outer oxide layer 51 is available as a mask for the subsequent dry deep etching.
  • the bore 29 is formed by the in the final state adjacent center bores 53 of the silicon wafers 45, 47, 49.
  • the diameter of the bore 29 is preferably at least 0.8 mm, and the wall thicknesses of the first and second cylindrical sections 35, 37 surrounding the bore 29 are preferably at least 2 mm.
  • the semiconductor differential pressure sensor 17 is mounted on a side remote from the second silicon layer 47 side of the first silicon layer 45.
  • a bonding method is preferably used. The choice of the method is dependent on the temperature resistance of the semiconductor pressure sensor 17.
  • the connection is preferably carried out by means of low-temperature silicon direct bonding.
  • the oxide layer 51 located on the side of the first silicon layer 45 facing away from the second silicon layer 47 is removed, and the side of the first silicon layer 45 facing away from the second silicon layer 47 is chemically polished. This is preferably done by means of a successive isotropic wet or dry chemical etching.
  • the semiconductor pressure sensor 17 is fixed on the polished surface by means of low-temperature silicon direct bonding at temperatures below 400 ° C.
  • the connection is preferably effected by means of high-temperature wafer bonding, in which case the oxide layer is on the side of the first silicon wafer 45 facing the semiconductor pressure sensor 17 51 is provided.
  • the bonding can be done for example by means of an epoxy resin adhesive.
  • the oxide layer 51 optionally located on the side of the third silicon layer 47 facing away from the second silicon layer 47 is removed, and the intermediate piece 15 is adhesively bonded to the base 13 with epoxy resin.
  • the oxide layer 51 can be removed, for example, by means of an etching process. In this case, an etching process is preferably selected which produces a rough surface, since epoxy resin adhesive adheres better to rough surfaces.
  • the bond can also be done by means of a silicone rubber.
  • the oxide layer 51 optionally located on the side of the third silicon layer 49 remote from the second silicon layer 47 is removed, and the side of the third silicon layer 49 remote from the second silicon layer 47 is chemically polished. Both processes are preferably carried out in a single operation by means of a successive wet or dry chemical isotropic etching. Finally, the intermediate piece 15 is glued to the base 13 with silicone rubber.
  • Silicone rubber is preferably used for pressure gauges to detect pressures less than 100 mbar.
  • epoxy resin adhesive can also be used for higher pressure measuring ranges.
  • oxide layers 51 to be removed are now provided on both outer sides of the composite shown in FIG. 7, it is advisable to make the removal of both oxide layers 51 in one operation before the semiconductor pressure sensor 17 is applied. The result is shown in FIG.
  • the invention is not limited to pressure measuring devices for detecting differential pressures or relative pressures. It can also be used analogously in pressure measuring devices for detecting absolute pressures. 10 shows an exemplary embodiment of a pressure measuring device according to the invention for detecting absolute pressures. Due to the great agreement with the embodiment described above, only the existing differences will be explained in more detail below.
  • the pressure measuring device shown in Fig. 10 for detecting absolute pressures comprises a base 13 ', an arranged on the base 13' with the base 13 'connected intermediate piece 15' of a semiconductor, and arranged on the intermediate piece 15 'with the Intermediate piece 15 'connected semiconductor pressure sensor 17 with the carrier 19 and the measuring diaphragm 21st
  • the measuring diaphragm 21 is supplied only to be measured pressure p. This is done in the same way as the supply of the pressure p1 in the previous embodiment. Accordingly, a through the base 13 'and the intermediate piece 15' passing through leading into a pressure measuring chamber 31 pressure supply line 28 is not required. Instead, located under the measuring diaphragm 21 of the measuring diaphragm 21, the support 19 and the intermediate piece 15 'completely completed evacuated chamber 61. A bore in the intermediate piece 15' is not required for the pressure supply. However, since the bore reinforces the mechanical decoupling, a hole in the intermediate piece 15 'can be provided even with absolute pressure measuring devices. In contrast to the bore 29, this bore is a socket-side opening blind hole 59 here.
  • the provided in the previous embodiment bore 30 in the base 13 'omitted.
  • the manufacturing method is analogous to the manufacturing method described above for the pressure sensor shown in Fig. 2. The only difference is that, instead of the first silicon wafer 45, a first silicon wafer 45 'having an oxide layer 51 on both sides and having no central bore 53 is used. This silicon wafer 45 'forms the rear wall of the blind hole 59 in the intermediate piece 15' and closes off the chamber 61 on the socket side completely. The resulting layer composite forming the intermediate piece 15 'is shown in FIG. 11 together with the semiconductor pressure sensor 17 arranged thereon.

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Abstract

The invention relates to a pressure measuring device comprising a base (13, 13'), an intermediate piece (15, 15') that is arranged on the base (13, 13') and connected thereto, comprising a semiconductor, and a semiconductor pressure sensor (17) that is arranged on the intermediate piece (15, 15') and connected thereto, comprising a carrier (19) and a measuring membrane (21). Said pressure measuring device can protect the sensitive measuring membrane (21) against mechanical strains in a reliable manner. The inside of the intermediate piece (15;15') comprises an annular-shaped peripheral recess (33 ) that surrounds a first cylindrical section (35) and a second cylindrical section (37) of the intermediate piece (15, 15') that is adjacent to first base-side thereof. The second cylindrical section (37) has a larger outer diameter than the first cylindrical section (35), and the recess is open towards the side of the intermediate piece (15, 15') that is oriented towards the base (13, 13'). The second cylindrical section (37) has a front surface that is oriented towards the base (13, 13'), that rests on an exposed front surface of the base (13, 13'), that forms a connection surface by means of which the intermediate piece (15, 15') can be mechanically connected in a rigid manner to the base (13, 13').

Description

Beschreibung description
Druck-MesseinrichtungPressure-measuring device
[0001] Die Erfindung betrifft eine Druck-Messeinrichtung mit einem auf einem Sockel montierten Halbleiter-Drucksensor. Druck-Messeinrichtungen dienen zur Erfassung von Drücken, insb. von Absolutdrücken, Relativdrücken und Differenzdrücken, und werden in der industriellen Messtechnik verwendet.The invention relates to a pressure-measuring device with a mounted on a base semiconductor pressure sensor. Pressure measuring devices are used to detect pressures, in particular of absolute pressures, relative pressures and differential pressures, and are used in industrial measurement technology.
[0002] In der Druckmesstechnik werden gerne so genannteIn the pressure measurement are like so-called
Halbleiter-Drucksensoren eingesetzt. Halbleiter-Sensoren werden heute regelmäßig auf Siliziumbasis, z.B. unter Verwendung von Silicon-on-lnsulator (SOI) Technologie hergestellt. Sie werden als Drucksensor-Chip ausgebildet, der typischer Weise einen Träger und eine auf einem Träger angeordnete Messmembran aufweist. Im Messbetrieb wird ein erster Druck einer ersten Seite der Messmembran zugeführt.Semiconductor pressure sensors used. Semiconductor sensors are now regularly silicon-based, e.g. manufactured using silicon-on-insulator (SOI) technology. They are designed as a pressure sensor chip, which typically has a carrier and a measuring diaphragm arranged on a carrier. In measuring mode, a first pressure is supplied to a first side of the measuring diaphragm.
[0003] Zur Erfassung von Differenzdrücken wird einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Messmembran ein zweiter Druck zugeführt. Die bestehende Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck bewirkt eine vom zu messenden Differenzdruck abhängige Auslenkung der Messmembran.For detecting differential pressures of the first side opposite the second side of the measuring diaphragm, a second pressure is supplied. The existing pressure difference between the first and the second pressure causes a dependent of the differential pressure to be measured deflection of the measuring diaphragm.
[0004] Zur Erfassung von Relativdrücken wird der zweiten Seite derFor detecting relative pressures, the second side of the
Messmembran ein Referenzdruck, z.B. ein Umgebungsdruck, zugeführt. Die bestehende Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck und dem Referenzdruck bewirkt eine vom zu messenden Relativdruck abhängige Auslenkung der Messmembran.Measuring membrane a reference pressure, e.g. an ambient pressure supplied. The existing pressure difference between the first pressure and the reference pressure causes a dependent of the relative pressure to be measured deflection of the measuring diaphragm.
[0005] Zur Erfassung von Absolutdrücken ist unter der Messmembran auf deren von der ersten Seite abgewandten zweiten Seite regelmäßig eine abgeschlossene evakuierte Kammer vorgesehen. Damit bewirkt der auf die erste Seite der Messmembran einwirkende erste Druck eine vom zu messenden Absolutdruck abhängige Auslenkung der Messmembran.For the detection of absolute pressures, a closed evacuated chamber is regularly provided under the measuring diaphragm on the side remote from the first side second side. Thus, the first pressure acting on the first side of the measuring diaphragm causes a deflection of the measuring diaphragm which is dependent on the absolute pressure to be measured.
[0006] Die resultierende Auslenkung der Messmembran wird in allen drei Fällen über auf der Messmembran angeordnete Sensorelemente, z.B. piezoresistive Widerstände, erfasst und in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt, dass dann einer weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.The resulting deflection of the measuring diaphragm is detected in all three cases via arranged on the diaphragm sensor elements, such as piezoresistive resistors, and converted into an electrical output signal that then further processing and / or Evaluation is available.
[0007] Die Halbleiter-Drucksensoren sind sehr empfindlich und werden deshalb in ein Gehäuse eingesetzt, über das die Zufuhr der jeweiligen Drücke, die Ausgabe des Messergebnisses und die Montage der Druck-Messeinrichtung am Messort erfolgt.The semiconductor pressure sensors are very sensitive and are therefore used in a housing, via which the supply of the respective pressures, the output of the measurement result and the mounting of the pressure-measuring device takes place at the measuring location.
[0008] Dabei wird der Halbleiter-Drucksensor beispielsweise auf einen im Gehäuse befindlichen Sockel derart montiert, dass eine vom Sockel abgewandte erste Seite der Messmembran in eine erste im Gehäuse befindliche Messkammer weist, der der erste Druck zugeführt ist. Bei Differenz- bzw. Relativdrucksensoren wird zusätzlich der zweite Druck bzw. der Referenzdruck der zweiten Seite der Messmembran über eine im Inneren des Sockels verlaufende Bohrung zugeführt, die in einer unter der Messmembran von dem Messmembranträger eingeschlossenen zweiten Messkammer mündet. Bei Absolutdruck-Messeinrichtungen ist die unter der Messmembran befindliche Kammer abgeschlossen und evakuiert. Die Zufuhr des ersten und des zweiten Drucks erfolgt beispielsweise über in das Gehäuse integrierte oder diesem vorgeschaltete mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllte Druckmittler. Die Zufuhr des Referenzdrucks erfolgt beispielsweise über eine in das Gehäuse integrierte Referenzdruckzufuhr.In this case, the semiconductor pressure sensor is mounted, for example, on a socket located in the housing such that a side facing away from the base first side of the measuring membrane has a first measuring chamber located in the housing, which is fed to the first pressure. In differential or relative pressure sensors, the second pressure or the reference pressure of the second side of the measuring diaphragm is additionally supplied via a bore extending in the interior of the base, which opens into a second measuring chamber enclosed by the measuring diaphragm carrier below the measuring diaphragm. For absolute pressure measuring devices, the chamber located under the measuring diaphragm is closed and evacuated. The supply of the first and the second pressure takes place for example via integrated into the housing or upstream of this filled with a pressure-transmitting liquid diaphragm seal. The reference pressure is supplied, for example, via a reference pressure supply integrated in the housing.
[0009] Der Sockel ist beispielsweise ein zylindrisches Ansatzstück oder ein Podest, das als integraler Bestandteil des Gehäuses oder als ein separates im Gehäuse befestigtes Bauteil ausgebildet ist.The base is, for example, a cylindrical extension piece or a pedestal, which is formed as an integral part of the housing or as a separate component fixed in the housing.
[0010] Um eine ausreichend hohe mechanische Stabilität zu gewährleisten bestehen Gehäuse und Sockel aus einem mechanisch stabilen Werkstoff, insb. aus Metall.In order to ensure a sufficiently high mechanical stability consist housing and base made of a mechanically stable material, esp. Of metal.
[0011] Sockel und Halbleiter-Drucksensor bestehen damit zwangsläufig aus verschiedenen Materialien, die sehr unterschiedliche physikalische Eigenschaften, insb. unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Aufgrund der mechanischen Verbindung zwischen dem Sockel und dem Halbleiter-Drucksensor können daher mechanische Spannungen auftreten, die sich auf die das Übertragungsverhalten der Messmembran auswirken, und damit die erzielbare Messgenauigkeit und deren Reproduzierbarkeit verschlechtern. Dies gilt insb. für temperatur-abhängige Spannungen.Socket and semiconductor pressure sensor thus necessarily consist of different materials that have very different physical properties, esp. Different thermal expansion coefficients. Due to the mechanical connection between the base and the semiconductor pressure sensor therefore mechanical stresses can occur, which affect the transmission behavior of the measuring membrane, and thus the achievable measurement accuracy and their reproducibility deteriorate. This applies esp. For temperature-dependent voltages.
[0012] Zur Reduzierung der auftretenden Spannungen ist üblicher Weise zwischen dem Sockel und dem Halbleiter-Drucksensor ein Zwischenstück eingefügt, das aus dem gleichen Material besteht, wie der Halbleiter-Drucksensor. Auch dann treten jedoch noch durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Sockel und Zwischenstück verursachte, insb. temperatur-abhängige, mechanische Verspannungen auf, die sich auf das Übertragungsverhalten der Messmembran auswirken.In order to reduce the voltages occurring, an intermediate piece, which consists of the same material as the semiconductor pressure sensor, is usually inserted between the base and the semiconductor pressure sensor. However, even then occur due to the different thermal expansion coefficients of base and adapter caused, esp. Temperature-dependent, mechanical stresses that affect the transmission behavior of the measuring diaphragm.
[0013] In der DE- 34 36 440 ist eine Lösung dieses Problems beschrieben, die eine Reduzierung der nachteiligen Auswirkungen der mechanischen Spannungen ermöglicht. Eine solche Messeinrichtung ist in Fig. 1 dargestellt. Sie umfasst einen Halbleiter-Drucksensor 1 mit einer von einem Träger 3 getragenen Messmembran 5. Der Träger 3 ist auf einem Zwischenstück 7 montiert, dass auf einem metallischen Sockel 9 angeordnet ist. Es ist eine Bohrung vorgesehen, die durch den Sockel 9 und das Zwischenstück 7 hindurch in eine unter der Messmembran 5 eingeschlossene Messkammer führt. Das Zwischenstück 7 ist kreisscheibenförmig und weist einen an den Außendurchmesser des Halbleiter-Drucksensors 1 angepassten Außendurchmesser auf. Der Sockel 9 ist hohlzylindrisch und weist einen deutlich geringeren Außendurchmesser auf. Zur Reduzierung von mechanischen Spannungen ist auf der dem Sockel 9 zugewandten Unterseite des Zwischenstücks 7 eine ringförmig umlaufende Nut 11 vorgesehen, die unmittelbar an den Sockel 9 angrenzt. Die Nut 11 dient dazu, durch die Verbindung zwischen Sockel 9 und Zwischenstück 7 verursachte mechanische Spannungen aufzunehmen und deren Rückwirkung auf die Messmembran 5 zu vermeiden.In DE-34 36 440 a solution to this problem is described which allows a reduction of the adverse effects of mechanical stresses. Such a measuring device is shown in Fig. 1. It comprises a semiconductor pressure sensor 1 with a measuring diaphragm 5 carried by a carrier 3. The carrier 3 is mounted on an intermediate piece 7 which is arranged on a metallic base 9. A bore is provided which leads through the base 9 and the intermediate piece 7 into a measuring chamber enclosed below the measuring diaphragm 5. The intermediate piece 7 is circular disk-shaped and has a matched to the outer diameter of the semiconductor pressure sensor 1 outer diameter. The base 9 is hollow cylindrical and has a much smaller outer diameter. To reduce mechanical stresses on the base 9 facing the underside of the intermediate piece 7, an annular circumferential groove 11 is provided, which is directly adjacent to the base 9. The groove 11 serves to absorb mechanical stresses caused by the connection between the base 9 and the intermediate piece 7 and to avoid their reaction to the measuring membrane 5.
[0014] Diese Messeinrichtung weist jedoch den Nachteil auf, dass die mechanische Stabilität der Messeinrichtung durch die Haftfestigkeit der Verbindung zwischen dem Sockel 9 und dem Zwischenstück 7 begrenzt ist. [0015] Insb. ist dadurch bei Differenzdruck-Messeinrichtungen der maximale Druck, der durch den Sockel hindurch der Messmembran zugeführt werden kann, begrenzt.However, this measuring device has the disadvantage that the mechanical stability of the measuring device is limited by the adhesive strength of the connection between the base 9 and the intermediate piece 7. Insb. This is limited in differential pressure measuring devices, the maximum pressure that can be fed through the base of the measuring diaphragm.
[0016] Aus Sicherheitsgründen muss diese Verbindung gewährleisten, dass der Halbleiter-Drucksensor auch dann auf dem Sockel verbleibt, wenn über den Sockel ein Überdruck zugeführt wird.For security reasons, this connection must ensure that the semiconductor pressure sensor remains on the base even if an overpressure is supplied via the base.
[0017] Die Haftfestigkeit der Verbindung zwischen dem Sockel und demThe adhesive strength of the connection between the base and the
Zwischenträger könnte theoretisch dadurch verbessert werden, dass die zur Verfügung stehende Verbindungsfläche zwischen dem Sockel und dem Zwischenstück vergrößert wird. Dies führt jedoch dazu, dass die Wanddicke zwischen der Bohrung und der Ringnut ansteigt, und die Lage der Ringnut radial nach außen verschoben wird. Dadurch verliert die Ringnut jedoch ihre Wirkung als mechanische Entkopplung. Dieser Effekt ist besonders stark ausgeprägt bei Druck-Messeinrichtungen, die für höhere Druck-Messbereiche ausgelegt sind, da diese typischer Weise Halbleiter-Drucksensoren mit Messmembranen mit geringerem Durchmesser aufweisen.Intermediate support could theoretically be improved by increasing the available interface between the pedestal and the spacer. However, this causes the wall thickness between the bore and the annular groove increases, and the position of the annular groove is displaced radially outward. As a result, however, the annular groove loses its effect as a mechanical decoupling. This effect is particularly pronounced in pressure gauges designed for higher pressure ranges, as they typically have semiconductor pressure sensors with smaller diameter sensing diaphragms.
[0018] Alternativ oder zusätzlich könnte die Dicke des Zwischenstücks erhöht und/oder die Tiefe der Nut vergrößert werden. Eine tiefere Nut führt jedoch zu einer reduzierten Bruchsicherheit. Die Erhöhung der Dicke des Zwischenstücks führt wiederum zu einer Erhöhung der Herstellungskosten, insb. dann, wenn das Zwischenstück aus Silizium besteht.Alternatively or additionally, the thickness of the intermediate piece could be increased and / or the depth of the groove can be increased. A deeper groove, however, leads to a reduced breakage. The increase in the thickness of the intermediate piece in turn leads to an increase in the production costs, esp. When the intermediate piece is made of silicon.
[0019] Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Druck-Messeinrichtung mit einem auf einem Sockel montierten Halbleiter-Drucksensor anzugeben, die einen zuverlässigen Schutz der empfindlichen Messemembran vor mechanischen Verspannungen bietet.It is an object of the invention to provide a pressure measuring device with a base mounted on a semiconductor pressure sensor, which provides a reliable protection of the sensitive measuring membrane from mechanical tension.
[0020] Hierzu besteht die Erfindung in einer Druck-Messeinrichtung, mitFor this purpose, the invention in a pressure-measuring device, with
- einem Sockel,- a pedestal,
- einem auf dem Sockel angeordneten mit dem Sockel verbundenen Zwischenstück aus einem Halbleiter, und- An arranged on the base connected to the socket intermediate piece of a semiconductor, and
- einem auf dem Zwischenstück angeordneten mit dem Zwischenstück verbundenen Halbleiter-Drucksensor mit - einem Träger und einer Messmembran, bei dem- A arranged on the intermediate piece with the spacer connected semiconductor pressure sensor with a support and a measuring membrane in which
- im Zwischenstück eine im Inneren des Zwischenstücks verlaufende ringfömig umlaufende Ausnehmung vorgesehen ist,in the intermediate piece a ring-shaped circumferential recess running in the interior of the intermediate piece is provided,
-- die einen ersten zylindrischen Abschnitt und einen sockelseitig daran angrenzenden zweiten zylindrischen Abschnitt des Zwischenstücks umschließt, wobei der zweite zylindrische Abschnitt einen größeren Außendurchmesser aufweist als der erste zylindrische Abschnitt, und- Which encloses a first cylindrical portion and a base side adjacent second cylindrical portion of the intermediate piece, wherein the second cylindrical portion has a larger outer diameter than the first cylindrical portion, and
- die zu einer dem Sockel zugewandten Seite des Zwischenstücks hin offen ist, und- Which is open to a side facing the base of the intermediate piece, and
- der zweite zylindrische Abschnitt eine dem Sockel zugewandte auf einer freiliegenden Stirnfläche des Sockels aufliegende Stirnfläche aufweist, die eine- The second cylindrical portion has a base facing the resting on an exposed end face of the base end face having a
Verbindungsfläche bildet über die das Zwischenstück mit dem Sockel mechanisch fest verbunden ist. [0021] Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung dient dieConnecting surface forms over which the intermediate piece with the base is mechanically firmly connected. [0021] According to a first embodiment of the invention, the
Druck-Messeinrichtung zur Erfassung von Differenzdrücken oderPressure measuring device for detecting differential pressures or
Relativdrücken, wobeiRelativdrücken, where
- im Zwischenstück eine mittig angeordnete parallel zu dessen Längsachse verlaufende sockelseitig mündende Bohrung vorgesehen ist,- In the intermediate piece a centrally disposed parallel to the longitudinal axis extending socket-side opening bore is provided,
- die Bohrung durch das Zwischenstück hindurch führt und in einer unter der- The bore passes through the spacer and in a below the
Messmembran von der Messmembran, deren Träger und dem Zwischenstück eingeschlossenen Druckmesskammer mündet,Measuring membrane of the measuring diaphragm, the carrier and the intermediate piece of the enclosed pressure measuring chamber opens,
- im Sockel eine mittig angeordnete parallel zu dessen Längsachse verlaufenden weitere Bohrung vorgesehen ist, die in die Bohrung im Zwischenstück mündet, und- In the base a centrally disposed parallel to the longitudinal axis extending further bore is provided, which opens into the bore in the intermediate piece, and
- die Bohrung im Zwischenstück und die damit verbundene Bohrung im Sockel eine Druckzufuhrleitung bilden.- The hole in the spacer and the associated hole in the socket form a pressure supply line.
[0022] Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung dient die[0022] According to a second embodiment of the invention, the
Druck-Messeinrichtung zur Erfassung von Absolutdrücken. Sie weist unter der Messmembran eine von der Messmembran, deren Träger und dem Zwischenstück vollständig abgeschlossene evakuierte Kammer auf.Pressure measuring device for recording absolute pressures. It has one of the measuring diaphragm, its carrier and the Intermediate completely closed evacuated chamber on.
Zusätzlich ist im Zwischenstück eine parallel zu dessen Längsachse verlaufende sockelseitig mündende Sacklochbohrung vorgesehen. [0023] Gemäß einer Weiterbildung ist der Außendurchmesser des durch dieIn addition, a parallel to the longitudinal axis extending base side opening blind hole is provided in the intermediate piece. According to one embodiment, the outer diameter of the by
Ausnehmung freiliegenden ersten zylindrischen Abschnitts geringer als der Außendurchmesser der Messmembran. [0024] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Halbleiter-Drucksensor ein Sensor auf Siliziumbasis. Das Zwischenstück besteht aus Silizium, und der Sockel besteht aus Metall oder aus Keramik. [0025] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind das Zwischenstück und derRecess exposed first cylindrical portion smaller than the outer diameter of the measuring diaphragm. According to a preferred embodiment, the semiconductor pressure sensor is a silicon-based sensor. The intermediate piece is made of silicon, and the base is made of metal or ceramic. According to a further embodiment, the intermediate piece and the
Sockel miteinander durch eine Klebung oder eine Lötung mechanisch fest verbunden. [0026] Des Weiteren besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Druck-Messeinrichtung, bei dem dasBase mechanically bonded together by gluing or soldering. Furthermore, the invention consists in a method for producing a pressure-measuring device according to the invention, in which the
Zwischenstück aus einer ersten, einer zweiten und einer drittenIntermediate piece of a first, a second and a third
Siliziumscheibe hergestellt wird, in demSilicon wafer is produced in the
- die erste und die zweite Siliziumscheibe bündig aufeinander gesetzt und durch Bonden miteinander verbunden werden,the first and the second silicon wafer are placed flush on one another and joined together by bonding,
- ein konzentrisch zur Scheibenmitte angeordneter ringscheibenförmiger Bereich der zweiten Siliziumschicht weggeätzt wird,etching away an annular disk-shaped region of the second silicon layer, which is arranged concentrically to the middle of the disk,
-- wobei dieser Bereich einen Außendurchmesser aufweist, der gleiche dem- Wherein this area has an outer diameter, the same
Außendurchmesser der Ausnehmung ist, und einen Innendurchmesser aufweist, der gleich dem Außendurchmesser des ersten zylindrischenOuter diameter of the recess is, and has an inner diameter which is equal to the outer diameter of the first cylindrical
Abschnitts des Zwischenstücks ist,Section of the intermediate piece is,
- eine dritte Siliziumscheibe auf die zweite Siliziumscheibe bündig aufgesetzt und mit dieser durch Bonden verbunden wird,a third silicon wafer is placed flush on the second silicon wafer and bonded thereto by bonding,
- ein konzentrisch zur Scheibenmitte angeordneter hohlzylindrischer Bereich der dritten Siliziumschicht weggeätzt wird,etching away a hollow-cylindrical region of the third silicon layer which is arranged concentrically to the middle of the disk,
- wobei dieser Bereichs einen Außendurchmesser aufweist, der gleiche dem- Wherein this area has an outer diameter, the same
Außendurchmesser der Ausnehmung ist, und einen Innendurchmesser aufweist, der gleich dem Außendurchmesser des zweiten zylindrischen Abschnitts des Zwischenstücks ist, undOuter diameter of the recess is, and an inner diameter which is equal to the outer diameter of the second cylindrical portion of the intermediate piece, and
- der Halbleiter-Drucksensor auf einer von der zweiten Siliziumschicht abgewandten Seite der ersten Siliziumschicht befestigt wird.- The semiconductor pressure sensor is mounted on a side remote from the second silicon layer side of the first silicon layer.
[0027] Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens weist die erste und/oder die zweite Siliziumscheibe auf einer oder auf beiden Außenflächen eine Oxidschicht auf, und die erste und die zweite Siliziumscheibe werden miteinander durch Hochtemperatur-Waferbonden verbunden, wobei sich mindestens eine der Oxidschichten zwischen der ersten und der zweiten Siliziumscheibe befindet. Ebenso weist die zweite und/oder die dritte Siliziumscheibe auf einer oder auf beiden Außenflächen eine Oxidschicht auf, und die zweite und die dritte Siliziumscheibe werden miteinander durch Hochtemperatur-Waferbonden verbunden, wobei sich mindestens eine der Oxidschichten zwischen der zweiten und der dritten Siliziumscheibe befindet.According to one embodiment of the method, the first and / or the second silicon wafer on one or both outer surfaces of an oxide layer, and the first and the second silicon wafer are connected to each other by high-temperature wafer bonding, wherein at least one of the oxide layers between the first and second silicon wafer is located. Likewise, the second and / or third silicon wafers have an oxide layer on one or both outer surfaces, and the second and third silicon wafers are bonded together by high temperature wafer bonding with at least one of the oxide layers between the second and third silicon wafers.
[0028] Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens erfolgt die Befestigung des Halbleiter-Drucksensors derart, dassAccording to one embodiment of the method, the attachment of the semiconductor pressure sensor is such that
- die von der zweiten Siliziumschicht abgewandten Seite der ersten Siliziumschicht, insb. mittels einer isotropen Ätzung, chemisch poliert wird, und- The side remote from the second silicon layer side of the first silicon layer, esp. By means of an isotropic etching, is chemically polished, and
- der Halbleiter-Drucksensor mittels- The semiconductor pressure sensor means
Niedertemperatur-Siliziumdirektbonden auf der polierten Oberfläche befestigt wird.Low-temperature silicon direct bonding is attached to the polished surface.
[0029] Gemäß einer ersten Variante des Verfahrens wird[0029] According to a first variant of the method
- die die von der zweiten Siliziumschicht abgewandten Seite der dritten Siliziumschicht, insb. mittels einer isotropen Ätzung, chemisch poliert, und- Which the side facing away from the second silicon layer side of the third silicon layer, esp. By means of an isotropic etching, chemically polished, and
- das Zwischenstück auf den Sockel mittels eines Silikonkautschuks aufgeklebt.- glued the spacer on the base by means of a silicone rubber.
[0030] Gemäß einer zweiten Variante des Verfahrens wird das Zwischenstück auf den Sockel mittels eines Epoxidharzklebers aufgeklebt. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Ausnehmung ist eine zuverlässige mechanische Entkopplung der Messmembran gewährleistet. Insb. werden Auswirkungen von durch die Verbindung zwischen dem Sockel und dem Zwischenstück verursachten mechanischen Verspannungen auf die Messeigenschaften der Messmembran weitgehend vermieden.According to a second variant of the method, the intermediate piece is glued to the base by means of an epoxy resin adhesive. The inventive design of the recess ensures a reliable mechanical decoupling of the measuring diaphragm. Esp. the effects of mechanical stresses caused by the connection between the base and the intermediate piece to the measurement properties of the measuring membrane are largely avoided.
[0031] Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Druck-Messeinrichtung besteht darin, dass sie eine hohe mechanische Stabilität gewährleistet. Durch die erfindungsgemäße Unterteilung der Ausnehmung im Zwischenstück in eine den dünnen ersten zylindrischen Abschnitt umschließende Ausnehmung und eine sockelseitig daran angrenzende den dickeren zweiten zylindrischen Abschnitt umschließende Nut, steht sockelseitig eine große Verbindungsfläche für die mechanische Befestigung des Zwischenstücks auf dem Sockel zur Verfügung. Gleichzeitig besteht durch die sockelseitige Öffnung der Ausnehmung und den vergleichsweise dünnen ersten zylindrischen Abschnitt eine zuverlässige Entkopplung der Messmembran. Mechanische Verspannungen, die durch die Verbindung zwischen dem Sockel und dem Zwischenstück verursacht werden, haben damit praktisch keine Auswirkungen mehr auf das Übertragungsverhalten und die Messeigenschaften der Messmembran. Dementsprechend ist die erzielbare Messgenauigkeit mit einer hohen Langzeitstabilität und großer Reproduzierbarkeit gewährleistet.A significant advantage of the pressure-measuring device according to the invention is that it ensures a high mechanical stability. Due to the subdivision of the recess according to the invention in the intermediate piece into a recess enclosing the thin first cylindrical portion and a groove adjacent thereto on the base side surrounding the thicker second cylindrical portion, there is a large connection surface for the mechanical attachment of the intermediate piece to the base on the base side. At the same time there is a reliable decoupling of the measuring membrane by the socket-side opening of the recess and the comparatively thin first cylindrical portion. Mechanical stresses caused by the connection between the base and the intermediate piece have virtually no effect on the transmission behavior and the measuring properties of the measuring diaphragm. Accordingly, the achievable measurement accuracy is ensured with a high long-term stability and high reproducibility.
[0032] Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.The invention and its advantages will now be explained in more detail with reference to the figures of the drawing, in which two embodiments are shown. Identical elements are provided in the figures with the same reference numerals.
[0033] Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannt Druckmesseinrichtung;Fig. 1 shows a section through a known from the prior art pressure measuring device;
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Druck- Messeinrichtung zur Erfassung von Relativ- oder Differenzdrücken;FIG. 2 shows a section through a pressure measuring device according to the invention for detecting relative or differential pressures; FIG.
Fig. 3 zeigt eine zur Herstellung der erfindungsgemäßen Druck- Messeinrichtung verwendete beidseitig oxidierte Siliziumscheibe mit einer Mittelbohrung; Fig. 4 zeigt eine erste und eine damit verbundene zweite Siliziumscheibe; Fig. 5 zeigt den in Fig. 4 dargestellten Verbund, bei dem in der zweiten Siliziumscheibe eine Ausnehmung eingeätzt wurde; Fig. 6 zeigt den Verbund von Fig. 5 mit einer darauf aufgebrachten dritten Siliziumscheibe;FIG. 3 shows a double-sided oxidized silicon wafer used for producing the pressure measuring device according to the invention with a central bore; FIG. Fig. 4 shows a first and a second silicon wafer connected thereto; Fig. 5 shows the composite shown in Fig. 4, in which a recess has been etched in the second silicon wafer; Fig. 6 shows the composite of Fig. 5 with a third silicon wafer applied thereto;
Fig. 7 zeigt den Verbund von Fig. 6 mit einer in der dritten Siliziumscheibe eingeätzten Nut;Fig. 7 shows the composite of Fig. 6 with a groove etched in the third silicon wafer;
Fig. 8 zeigt den Verbund von Fig. 7, bei dem die äußeren beiden Oxidschichten entfernt wurden;Fig. 8 shows the composite of Fig. 7 with the outer two oxide layers removed;
Fig. 9 zeigt das Zwischenstück der in Fig. 2 dargestellten Druck- Messeinrichtung mit dem darauf montierten Halbleiter- Drucksensor;Fig. 9 shows the intermediate piece of the pressure-measuring device shown in Figure 2 with the mounted thereon semiconductor pressure sensor.
Fig. 10 zeigt eine erfindungsgemäße Druck-Messeinrichtung zur Erfassung von Absolutdrücken; und10 shows a pressure measuring device according to the invention for detecting absolute pressures; and
Fig. 11 zeigt das Zwischenstück der Druck-Messeinrichtung von Fig. 10 zusammen mit dem darauf montierten Halbleiter- Drucksensor.Fig. 11 shows the intermediate piece of the pressure measuring device of Fig. 10 together with the semiconductor pressure sensor mounted thereon.
[0034] Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäße Druck-Messeinrichtung. Die hier dargestellte Variante der Erfindung ist für die Erfassung von Differenzdrücken sowie für die Erfassung von Relativdrücken geeignet. Sie umfasst einen metallischen Sockel 13, ein auf dem Sockel 13 angeordnetes mit dem Sockel 13 verbundenes Zwischenstück 15 aus einem Halbleiter, und einen auf dem Zwischenstück 15 angeordneten mit dem Zwischenstück 15 verbundenen Halbleiter-Drucksensor 17. Das Zwischenstück 15 besteht vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff, der auch für die Herstellung des Halbleiter-Drucksensors 17 verwendet wird, insb. aus Silizium.Fig. 2 shows a section through a first embodiment of a pressure-measuring device according to the invention. The variant of the invention shown here is suitable for the detection of differential pressures as well as for the detection of relative pressures. It comprises a metallic base 13, an intermediate piece 15 made of a semiconductor arranged on the base 13 and connected to the base 13, and a semiconductor pressure sensor 17 arranged on the intermediate piece 15 and connected to the intermediate piece 15. The intermediate piece 15 is preferably made of the same material which is also used for the production of the semiconductor pressure sensor 17, esp. Of silicon.
[0035] Der Sockel 13 besteht beispielsweise aus Metall oder aus Keramik und dient dazu, den Halbleiter-Drucksensor 17 in einem nur Ausschnittweise dargestellten Gehäuse 18 zu montieren. Der Sockel 13 ist beispielsweise ein zylindrisches Ansatzstück oder ein Podest, das als integraler Bestandteil des Gehäuses 18 oder als ein separates im Gehäuse 18 befestigtes Bauteil ausgebildet sein kann. [0036] Der Halbleiter-Drucksensor 17 ist ein Drucksensor-Chip auf Siliziumbasis, und weist einen Träger 19 und eine von dem Träger 19 getragene Messmembran 21 auf. Der Träger 19 weist eine ringscheibenförmige Stirnfläche auf, die auf einem formgleichen äußeren Rand des Zwischenstück 15 aufliegt und mit diesem fest verbunden ist.The base 13 is made of metal or ceramic, for example, and serves to mount the semiconductor pressure sensor 17 in a housing 18 which is only partially shown. The base 13 is, for example, a cylindrical extension piece or a pedestal, which may be formed as an integral part of the housing 18 or as a separate component fixed in the housing 18. The semiconductor pressure sensor 17 is a silicon-based pressure sensor chip, and has a carrier 19 and a measuring diaphragm 21 carried by the carrier 19. The carrier 19 has an annular disc-shaped end face, which rests on a similar outer edge of the intermediate piece 15 and is firmly connected thereto.
[0037] Im Messbetrieb wird ein erster Druck p1 einer ersten Seite derIn measuring operation, a first pressure p1 a first side of the
Messmembran 21 zugeführt. Ein zweiter Druck p2 wird der dieser gegenüberliegenden zweiten Seite der Messmembran 21 zugeführt. Bei einer Relativdruckmessung entspricht der erste Druck p1 dem zu messenden Druck und der zweite Druck p2 dem Referenzdruck, auf den der zu messende Druck zu beziehen ist. Bei einer Differenzdruckmessung sind der erste und der zweite Druck p1 , p2, die beiden Drücke, deren Druckdifferenz gemessen werden soll. Die zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p1 , p2 bestehende Druckdifferenz Δp:= p1 - p2 bewirkt eine vom zu messenden Differenzdruck bzw. vom zu messenden Relativdruck abhängige Auslenkung der Messmembran 21 , die über auf der Messmembran 21 angeordnete Sensorelemente 23, z.B. piezoresistive Widerstände, erfasst und in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt wird. Das Ausgangssignal steht dann über an die Sensorelemente 21 angeschlossene Anschlussleitungen 25 einer weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung.Metering 21 supplied. A second pressure p2 is supplied to the opposite second side of the measuring diaphragm 21. In a relative pressure measurement, the first pressure p1 corresponds to the pressure to be measured and the second pressure p2 corresponds to the reference pressure to which the pressure to be measured is related. In a differential pressure measurement, the first and the second pressure p1, p2, the two pressures whose pressure difference is to be measured. The pressure difference Δp: = p1-p2 existing between the first and the second pressure p1, p2 effects a deflection of the measuring diaphragm 21 which depends on the differential pressure to be measured or on the relative pressure to be measured and which is transmitted via sensor elements 23 arranged on the measuring diaphragm 21, e.g. Piezoresistive resistors, detected and converted into an electrical output signal. The output signal is then available via connecting lines 25 connected to the sensor elements 21 for further processing and / or evaluation.
[0038] Der erste Druck p1 wird der ersten Seite der Messmembran 21 von außen zugeführt. Dies kann auf vielfältige Weise geschehen. In dem dargestellten Beispiel ist der Halbleiter-Drucksensor 17 derart auf den im Gehäuse 18 befindlichen Sockel 13 montiert, dass die vom Sockel 13 abgewandte erste Seite der Messmembran 21 in einem im Gehäuse 18 befindlichen Innenraum 27 weist, dem der erste Druck p1 zugeführt ist.The first pressure p1 is supplied to the first side of the measuring diaphragm 21 from the outside. This can be done in many ways. In the illustrated example, the semiconductor pressure sensor 17 is mounted on the base 13 located in the housing 18 such that the side facing away from the base 13 first side of the measuring diaphragm 21 in a housing 18 located in the interior 27, to which the first pressure p1 is supplied.
[0039] Der zweite Druck p2 wird der zweiten Seite der Messmembran 21 über eine Druckzuleitung 28 zugeführt, die durch den Sockel 13 und das Zwischenstück 15 hindurch führt und in einer unter der Messmembran 21 eingeschlossenen von dem Träger 19 und dem Zwischenstück 15 abgeschlossenen Druckmesskammer 31 mündet. Die Druckzuleitung 28 ist durch eine Bohrung 29 im Zwischenstück 15 und eine daran anschließende weitere Bohrung 30 im Sockel 13 gebildet. Die Bohrung 29 ist mittig im Zwischenstück 15 angeordnet. Sie verläuft parallel zu dessen Längsachse L und mündet sockelseitig. Die Bohrung 29 führt durch das Zwischenstück 15 hindurch und mündet in der unter der Messmembran 21 eingeschlossenen von dem Träger 19 und dem Zwischenstück 15 abgeschlossenen Druckmesskammer 31. Die weitere Bohrung 30 führt durch den Sockel 13 hindurch. Sie ist mittig im Sockel 13 angeordnet , verläuft parallel zu dessen Längsachse L, und mündet in die Bohrung 29 im Zwischenstück 15. Beide Bohrungen 29, 30 verlaufen entlang der Längsachse L des jeweiligen Bauteils, die mit der Längsachse L der Messeinrichtung zusammen fällt und vorzugsweise durch die Mitte der Messmembran 21 führt. Erfindungsgemäß weist das Zwischenstück 15 eine im Inneren desThe second pressure p2 is supplied to the second side of the measuring diaphragm 21 via a pressure feed line 28 which passes through the base 13 and the intermediate piece 15 and in a pressure measuring chamber 31 enclosed by the carrier 19 and the intermediate piece 15 and enclosed under the measuring diaphragm 21 empties. The pressure supply line 28 is through a bore 29 in the intermediate piece 15 and a thereto subsequent further bore 30 formed in the base 13. The bore 29 is arranged centrally in the intermediate piece 15. It runs parallel to its longitudinal axis L and opens on the base side. The bore 29 passes through the intermediate piece 15 and opens into the enclosed under the measuring diaphragm 21 of the support 19 and the intermediate piece 15 completed pressure measuring chamber 31. The further bore 30 passes through the base 13 therethrough. It is arranged centrally in the base 13, runs parallel to its longitudinal axis L, and opens into the bore 29 in the intermediate piece 15. Both holes 29, 30 extend along the longitudinal axis L of the respective component, which coincides with the longitudinal axis L of the measuring device and preferably through the middle of the measuring membrane 21 leads. According to the invention, the intermediate piece 15 has an inside of the
Zwischenstücks 15 verlaufende ringförmig umlaufende Ausnehmung 33 auf, die zu einer dem Sockel 13 zugewandten Seite des Zwischenstücks 15 hin offen ist. Fig. 8 zeigt das Zwischenstück 15 des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels im Detail. Die Ausnehmung 33 ist derart ausgebildet, dass durch sie im Inneren der Ausnehmung 33 ein erster zylindrischer Abschnitt 35 des Zwischenstücks 15 und ein sockelseitig daran angrenzender zweiter zylindrischer Abschnitt 37 entsteht. Der zweite zylindrische Abschnitt 37 weist einen größeren Außendurchmesser auf als der erste zylindrische Abschnitt 35. Die Ausnehmung 33 umschließt den dünneren ersten zylindrischen Abschnitt 35 und den sockelseitig daran angrenzenden dickeren zweiten zylindrischen Abschnitt 37. Hierzu besteht die Ausnehmung 33 aus einer die Bohrung 29 konzentrisch umgebenden zylindrischen Nut 39 an die auf deren vom Sockel 13 abgewandten Seite eine hohlzylinderförmige Ausnehmung 41 angrenzt, deren Außendurchmesser gleich dem Außendurchmesser der Nut 39 ist, und deren Innendurchmesser geringer als der Innendurchmesser der Nut 39 ist. Entsprechend ist der Außendurchmesser des durch die Ausnehmung 33 freiliegenden ersten Abschnitts 35 geringer als der Außendurchmesser des durch die Ausnehmung 33 freiliegenden zweiten zylindrischen Abschnitts 37. [0041] Der zweite Abschnitt 37 weist eine dem Sockel 13 zugewandte kreisringscheibenförmige auf einer freiliegenden formgleichen Stirnfläche des Sockels 13 aufliegende Stirnfläche 43 auf, die eine Verbindungsfläche bildet über die das Zwischenstück 15 mit dem Sockel 13 mechanisch fest verbunden ist. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise durch eine Klebung oder eine Lötung. Dabei ist der Außendurchmesser des Sockels 13 vorzugsweise gleich dem Außendurchmesser des zweiten Abschnitts 37, so dass die Ausnehmung 33 über die sockelseitige Mündung der Nut 39 nach unten geöffnet ist. Durch die Ausnehmung 33 ist ein äußerer sockelseitig frei liegender Teilabschnitt 40 von dem ersten und dem zweiten Abschnitt 35, 37 abgetrennt.Intermediate piece 15 extending annular circumferential recess 33 which is open to a the base 13 facing side of the intermediate piece 15. Fig. 8 shows the intermediate piece 15 of the embodiment shown in Fig. 2 in detail. The recess 33 is formed in such a way that a first cylindrical section 35 of the intermediate piece 15 and a second cylindrical section 37 adjoining the base side thereof are formed in the interior of the recess 33. The second cylindrical portion 37 has a larger outer diameter than the first cylindrical portion 35. The recess 33 surrounds the thinner first cylindrical portion 35 and the base side adjacent thereto thicker second cylindrical portion 37. For this purpose, the recess 33 consists of a bore 29 concentrically surrounding Cylindrical groove 39 adjacent to the side facing away from the base 13 side a hollow cylindrical recess 41, whose outer diameter is equal to the outer diameter of the groove 39, and whose inner diameter is smaller than the inner diameter of the groove 39. Accordingly, the outer diameter of the first portion 35 exposed through the recess 33 is smaller than the outer diameter of the second cylindrical portion 37 exposed through the recess 33. The second portion 37 has a the base 13 facing circular disc-shaped resting on an exposed identical end face of the base 13 end face 43, which forms a connection surface via which the intermediate piece 15 is mechanically fixedly connected to the base 13. The connection is preferably made by gluing or soldering. In this case, the outer diameter of the base 13 is preferably equal to the outer diameter of the second portion 37, so that the recess 33 is opened via the base-side mouth of the groove 39 down. Through the recess 33, an outer socket-free section 40 is separated from the first and second sections 35, 37.
[0042] Durch die erfindungsgemäße Form der Ausnehmung 33 wird erreicht, dass der Außendurchmesser des sockelseitigen zweiten Abschnitts 37 unabhängig von dem Außendurchmesser des ersten Abschnitts 35 dimensioniert werden kann. Dabei bewirkt der dünnere erste Abschnitt 35 zusammen mit der sockelseitigen Öffnung der Ausnehmung 33 eine zuverlässige Entkopplung der Messmembran 21 von durch die mechanische Verbindung des Zwischenstücks 15 mit dem Sockel 13 verursachten mechanischen Spannungen. Vorzugsweise ist der Außendurchmesser des ersten Abschnitts 35 geringer als der Außendurchmesser der Messmembran 21.The inventive shape of the recess 33 ensures that the outer diameter of the socket-side second portion 37 can be dimensioned independently of the outer diameter of the first portion 35. The thinner first portion 35 together with the socket-side opening of the recess 33 causes a reliable decoupling of the measuring diaphragm 21 caused by the mechanical connection of the intermediate piece 15 with the base 13 mechanical stresses. Preferably, the outer diameter of the first portion 35 is smaller than the outer diameter of the measuring diaphragm 21.
[0043] Die größere Außendurchmesser des zweiten Abschnitts 37 gewährleistet, dass eine große Verbindungsfläche für die mechanische Verbindung zwischen dem Sockel 13 und dem Zwischenstück 15 zur Verfügung steht.The larger outer diameter of the second portion 37 ensures that a large connection surface for the mechanical connection between the base 13 and the intermediate piece 15 is available.
[0044] Die Herstellung der erfindungsgemäßen Druck-Messeinrichtungen erfolgt vorzugsweise unter Verwendung von in der MEMS Technologie verwendeten Prozessen. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist hier zunächst anhand der in Fig. 2 dargestellten Druck-Messeinrichtung zur Messung von Differenz- oder Relativdrücken näher erläutert.The production of the pressure measuring devices according to the invention is preferably carried out using processes used in MEMS technology. The production method according to the invention is first explained in more detail here with reference to the pressure measuring device for measuring differential or relative pressures shown in FIG. 2.
[0045] Zentrales Element ist dabei die Herstellung des Zwischenstücks 15. Das Zwischenstück 15 wird vorzugsweise aus drei formgleichen Siliziumscheiben 45, 47, 49 aufgebaut. Die Grundfläche der Siliziumscheiben 45, 47, 49 ist die an die Geometrie des Halbleiter-Drucksensors 17 angepasst. D.h., in Verbindung mit einem Halbleiter-Drucksensor 17 mit rechteckiger Grundfläche werden Siliziumscheiben 45, 47, 49 mit rechteckiger Grundfläche eingesetzt, in Verbindung mit einem Halbleiter-Drucksensor 17 mit kreisförmiger Grundfläche entsprechend solche mit kreisförmiger Grundfläche. Die Siliziumscheiben 45, 47, 49 weisen beispielsweise einen Durchmesser bzw. eine Seitenlänge von ca. 100 mm und eine Dicke von ca. 500 μm auf.The central element is the production of the intermediate piece 15. The intermediate piece 15 is preferably made up of three identical silicon wafers 45, 47, 49. The base of the silicon wafers 45, 47, 49 is the geometry of the Semiconductor pressure sensor 17 adapted. That is, in conjunction with a semiconductor pressure sensor 17 with a rectangular base silicon wafers 45, 47, 49 are used with a rectangular base, in conjunction with a semiconductor pressure sensor 17 with a circular base corresponding to those with a circular base. The silicon wafers 45, 47, 49 have, for example, a diameter or a side length of about 100 mm and a thickness of about 500 μm.
[0046] In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden alleIn the embodiment described here, all
Siliziumscheiben 45, 47, 49 beidseitig oxidiert, so dass sie auf deren beiden scheibenförmigen Außenseiten jeweils eine Oxidschicht 51 aufweisen. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.Silicon wafers 45, 47, 49 oxidized on both sides, so that they each have an oxide layer 51 on the two disc-shaped outer sides. However, this is not mandatory.
[0047] Anschließend wird jede Siliziumscheibe 45, 47, 49 mit einer Mittelbohrung 53 versehen. Dieser Zustand ist in Fig. 3 dargestellt. Die Mittelbohrungen 53 können mechanisch erzeugt werden. Vorzugsweise werden sie jedoch durch einen trockenchemischen Ätzvorgang hergestellt.Subsequently, each silicon wafer 45, 47, 49 is provided with a central bore 53. This condition is shown in FIG. The center bores 53 can be generated mechanically. Preferably, however, they are produced by a dry chemical etching process.
[0048] Nachfolgend werden zwei der Siliziumscheiben, hier die ersteBelow are two of the silicon wafers, here the first
Siliziumscheibe 45 und die zweite Siliziumscheibe 47 bündig aufeinander gesetzt und miteinander durch Bonden verbunden. Dies ist in Fig. 4 dargestellt. Die Ausrichtung (Alignment) der beiden Siliziumscheiben 45, 47 erfolgt dabei vorzugsweise über die Mittelbohrungen 53 der beiden Siliziumscheiben 45, 47.Silicon wafer 45 and the second silicon wafer 47 flush with each other and connected to each other by bonding. This is shown in Fig. 4. The alignment of the two silicon wafers 45, 47 preferably takes place via the central bores 53 of the two silicon wafers 45, 47.
[0049] Die Bondverbindung erfolgt vorzugsweise mittels Waferdirektbonden bei hoher Temperatur, insb. bei einer Temperatur von 1000°C bis 1100° C, wobei sich mindestens eine Oxidschicht 51 zwischen der ersten und der zweiten Siliziumscheibe 45, 47 befindet.The bonding is preferably carried out by means of wafer direct bonding at high temperature, esp. At a temperature of 1000 ° C to 1100 ° C, wherein at least one oxide layer 51 between the first and the second silicon wafer 45, 47 is located.
[0050] In einem nachfolgenden Arbeitsgang wird ein konzentrisch zurIn a subsequent operation, a concentric to
Scheibenmitte angeordneter ringscheibenförmiger Bereich 55 der zweiten Siliziumschicht 47 weggeätzt. Der Bereich 55 ist in Fig. 4 gestrichelt dargestellt. Er weist einen Außendurchmesser auf, der gleiche dem Außendurchmesser der Ausnehmung 33 ist, und er weist einen Innendurchmesser auf, der gleich dem Außendurchmesser des dünneren ersten zylindrischen Abschnitts 35 des Zwischenstücks 15 ist. [0051] Zur Entfernung des Bereichs 55 wird vorzugsweise die auf der von der ersten Siliziumschicht 45 abgewandten Seite der zweiten Siliziumschicht 47 vorhandene äußere Oxidschicht 51 mittels Lithographie strukturiert und der Bereich 55 mittels einer trocken chemischen Tiefenätzung entfernt. Dies bietet den Vorteil, dass die äußere Oxidschicht 51 als Maske für die nachfolgende Trockentiefenätzung zur Verfügung steht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die zwischen der ersten und der zweiten Siliziumschicht 45, 47 eingeschlossenen Oxidschichten 51 aufgrund der hohen Ätzselektivität zwischen Silizium und Siliziumoxid einen wirksamen Ätzstopp bilden.Disk center arranged annular disk-shaped portion 55 of the second silicon layer 47 etched away. The area 55 is shown in dashed lines in FIG. 4. It has an outer diameter equal to the outer diameter of the recess 33, and has an inner diameter equal to the outer diameter of the thinner first cylindrical portion 35 of the intermediate piece 15. To remove the region 55, the outer oxide layer 51 present on the side of the second silicon layer 47 facing away from the first silicon layer 45 is preferably structured by means of lithography, and the region 55 is removed by means of a dry chemical deep etching. This offers the advantage that the outer oxide layer 51 is available as a mask for the subsequent dry deep etching. A further advantage is that the oxide layers 51 enclosed between the first and the second silicon layer 45, 47 form an effective etch stop due to the high etching selectivity between silicon and silicon oxide.
[0052] Durch die Entfernung des Bereichs 55 entsteht die in Fig. 5 dargestellte ringscheibenförmige Ausnehmung 41 , die im Endzustand den ersten zylindrischen Abschnitt 35 umgibt.The removal of the region 55 results in the annular disk-shaped recess 41 shown in FIG. 5, which surrounds the first cylindrical section 35 in the final state.
[0053] Anschließend wird die dritte Siliziumscheibe 49 auf die zweiteSubsequently, the third silicon wafer 49 on the second
Siliziumscheibe 47, wie in Fig. 6 dargestellt, bündig aufgesetzt. Die dritte Siliziumscheibe 49 liegt dann auf der von der ersten Siliziumscheibe 45 abgewandten Seite der zweiten Siliziumschiebe 47 auf. Die Ausrichtung (Alignment) der dritten Siliziumscheibe 49 gegenüber dem Verbund der beiden anderen Siliziumscheiben 45, 47 erfolgt dabei vorzugsweise über die Mittelbohrungen 53 der Siliziumscheiben 45, 47, 49. Die dritte Siliziumscheibe 49 wird nun mit der zweiten Siliziumscheibe 47 durch Bonden verbunden werden. Die Bondverbindung erfolgt auch hier vorzugsweise mittels Waferdirektbonden bei hoher Temperatur, insb. bei einer Temperatur von 1000°C bis 1100° C, wobei sich mindestens Oxidschicht 51 zwischen der zweiten und der dritten Siliziumscheibe 47, 49 befindet. Die Gesamtdicke des auf diese Weise gebildeten Waferverbundes beträgt nun beispielsweise ca. 1 ,5 mm.Silicon wafer 47, as shown in Fig. 6, flush mounted. The third silicon wafer 49 is then located on the side facing away from the first silicon wafer 45 side of the second silicon slide 47. The alignment (alignment) of the third silicon wafer 49 with respect to the composite of the two other silicon wafers 45, 47 preferably takes place via the central bores 53 of the silicon wafers 45, 47, 49. The third silicon wafer 49 will now be connected to the second silicon wafer 47 by bonding. The bond is also here preferably by means of wafer direct bonding at high temperature, esp. At a temperature of 1000 ° C to 1100 ° C, wherein at least oxide layer 51 between the second and the third silicon wafer 47, 49 is located. The total thickness of the wafer composite formed in this way is now about 1.5 mm, for example.
[0054] In einem nachfolgenden Arbeitsgang wird ein konzentrisch zurIn a subsequent operation, a concentric to
Scheibenmitte angeordneter hohlzylindrischer Bereich 57 der dritten Siliziumschicht 49 weggeätzt. Der Bereich 57 ist in Fig. 6 gestrichelt dargestellt. Er weist einen Außendurchmesser auf, der gleiche dem Außendurchmesser der Ausnehmung 33 ist, und er weist einen Innendurchmesser auf, der gleich dem Außendurchmesser des zweiten zylindrischen Abschnitts 37 ist.Disk center arranged hollow cylindrical portion 57 of the third silicon layer 49 etched away. The area 57 is shown in dashed lines in FIG. It has an outer diameter which is the same as the outer diameter of the recess 33, and has an inner diameter equal to the outer diameter of the second cylindrical portion 37 is.
[0055] Zur Entfernung des Bereichs 57 wird vorzugsweise die auf der von der zweiten Siliziumschicht 47 abgewandten Seite der dritten Siliziumschicht 49 vorhandene äußere Oxidschicht 51 mittels Lithographie strukturiert und der Bereich 57 mittels einer trocken chemischen Tiefenätzung entfernt. Dies bietet den Vorteil, dass die äußere Oxidschicht 51 als Maske für die nachfolgende Trockentiefenätzung zur Verfügung steht.To remove the region 57, the outer oxide layer 51 present on the side of the third silicon layer 49 facing away from the second silicon layer 47 is preferably structured by means of lithography, and the region 57 is removed by means of a dry chemical deep etching. This offers the advantage that the outer oxide layer 51 is available as a mask for the subsequent dry deep etching.
[0056] Durch die Entfernung des Bereichs 57 entsteht die in Fig. 7 dargestellte zylindrische Nut 39, die im Endzustand den zweiten zylindrischen Abschnitt 37 des Zwischenstücks 15 umgibt. Die zylindrische Nut 39 bildet zusammen mit der daran angrenzenden ringscheibenförmigen Ausnehmung 41 die Ausnehmung 33.By the removal of the region 57, the cylindrical groove 39 shown in Fig. 7, which surrounds the second cylindrical portion 37 of the intermediate piece 15 in the final state. The cylindrical groove 39, together with the annular disk-shaped recess 41 adjacent thereto, forms the recess 33.
[0057] Die Bohrung 29 wird durch die im Endzustand aneinander angrenzenden Mittelbohrungen 53 der Siliziumscheiben 45, 47, 49 gebildet. Der Durchmesser der Bohrung 29 beträgt vorzugsweise mindestens 0,8 mm und die Wandstärken der die Bohrung 29 umgebenden ersten und zweiten zylindrischen Abschnitts 35, 37 betragen vorzugsweise mindestens 2 mm.The bore 29 is formed by the in the final state adjacent center bores 53 of the silicon wafers 45, 47, 49. The diameter of the bore 29 is preferably at least 0.8 mm, and the wall thicknesses of the first and second cylindrical sections 35, 37 surrounding the bore 29 are preferably at least 2 mm.
[0058] Anschließend wird der Halbleiter-Differenzdrucksensor 17 auf einer von der zweiten Siliziumschicht 47 abgewandten Seite der ersten Siliziumschicht 45 befestigt. Hierzu wird vorzugsweise ein Bondverfahren eingesetzt. Die Wahl des Verfahrens ist dabei abhängig von der Temperaturbeständigkeit des Halbleiter-Drucksensors 17. Ist der Halbleiter-Drucksensor 17 in diesem Herstellungsstadium ein bereits vollständig strukturierter und metallisierter Chip, so erfolgt die Verbindung vorzugsweise mittels Niedertemperatur- Siliziumdirektbonden. Hierzu wird die auf der von der zweiten Siliziumschicht 47 abgewandten Seite der ersten Siliziumschicht 45 befindliche Oxidschicht 51 entfernt und die von der zweiten Siliziumschicht 47 abgewandte Seite der ersten Siliziumschicht 45 chemisch poliert. Dies geschieht vorzugsweise mittels einer sukzessiven isotropen nass- oder trockenchemischen Ätzung.Subsequently, the semiconductor differential pressure sensor 17 is mounted on a side remote from the second silicon layer 47 side of the first silicon layer 45. For this purpose, a bonding method is preferably used. The choice of the method is dependent on the temperature resistance of the semiconductor pressure sensor 17. If the semiconductor pressure sensor 17 in this production stage, an already fully structured and metallized chip, the connection is preferably carried out by means of low-temperature silicon direct bonding. For this purpose, the oxide layer 51 located on the side of the first silicon layer 45 facing away from the second silicon layer 47 is removed, and the side of the first silicon layer 45 facing away from the second silicon layer 47 is chemically polished. This is preferably done by means of a successive isotropic wet or dry chemical etching.
[0059] Anschließend wird der Halbleiter-Drucksensor 17 auf der polierten Oberfläche mittels Niedertemperatur-Siliziumdirektbonden bei Temperaturen unterhalb von 400°C befestigt. [0060] Kann der Halbleiter-Drucksensor 17 dagegen auch nach dessen Befestigung auf dem Zwischenstück 15 strukturiert und metallisiert werden, so erfolgt die Verbindung vorzugsweise mittels Hochtemperatur- Waferbonden, wobei hierzu auf der dem Halbleiter-Drucksensor 17 zugewandten Seite der ersten Siliziumscheibe 45 die Oxidschicht 51 vorzusehen ist. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass die Fügeflächen nicht die hohen für das Direktbonden erforderlichen Anforderungen zu erfüllen haben, und dass eine festere Bindung erzielt wird.Subsequently, the semiconductor pressure sensor 17 is fixed on the polished surface by means of low-temperature silicon direct bonding at temperatures below 400 ° C. On the other hand, if the semiconductor pressure sensor 17 can be patterned and metallized even after its attachment to the intermediate piece 15, the connection is preferably effected by means of high-temperature wafer bonding, in which case the oxide layer is on the side of the first silicon wafer 45 facing the semiconductor pressure sensor 17 51 is provided. This method offers the advantage that the joining surfaces do not have to meet the high requirements for direct bonding and that a stronger bond is achieved.
[0061] Abschließend wird das Zwischenstück 15 auf den Sockel 13 aufgeklebt oder aufgelötet.Finally, the intermediate piece 15 is glued or soldered to the base 13.
Die Klebung kann beispielsweise mittels eines Epoxidharzklebers erfolgen. Hierzu wird die auf der von der zweiten Siliziumschicht 47 abgewandten Seite der dritten Siliziumschicht 47 gegebenenfalls befindliche Oxidschicht 51 entfernt, und das Zwischenstück 15 auf den Sockel 13 mit Epoxidharz aufgeklebt. Die Oxidschicht 51 kann beispielsweise mittels eines Ätzvorganges entfernt werden. Dabei wird vorzugsweise ein Ätzverfahren gewählt, dass eine raue Oberfläche erzeugt, da Epoxidharzkleber auf rauen Oberflächen besser haftet.The bonding can be done for example by means of an epoxy resin adhesive. For this purpose, the oxide layer 51 optionally located on the side of the third silicon layer 47 facing away from the second silicon layer 47 is removed, and the intermediate piece 15 is adhesively bonded to the base 13 with epoxy resin. The oxide layer 51 can be removed, for example, by means of an etching process. In this case, an etching process is preferably selected which produces a rough surface, since epoxy resin adhesive adheres better to rough surfaces.
[0062] Die Klebung kann aber auch mittels eines Silikonkautschuks erfolgen. Hierzu wird die auf der von der zweiten Siliziumschicht 47 abgewandten Seite der dritten Siliziumschicht 49 gegebenenfalls befindliche Oxidschicht 51 entfernt, und die von der zweiten Siliziumschicht 47 abgewandten Seite der dritten Siliziumschicht 49 chemisch poliert. Beide Vorgänge werden vorzugsweise in einem einzigen Arbeitsgang mittels einer sukzessiven nass- oder trockenchemischen isotropen Ätzung ausgeführt. Abschließend wird das Zwischenstück 15 auf den Sockel 13 mit Silikonkautschuk aufgeklebt.The bond can also be done by means of a silicone rubber. For this purpose, the oxide layer 51 optionally located on the side of the third silicon layer 49 remote from the second silicon layer 47 is removed, and the side of the third silicon layer 49 remote from the second silicon layer 47 is chemically polished. Both processes are preferably carried out in a single operation by means of a successive wet or dry chemical isotropic etching. Finally, the intermediate piece 15 is glued to the base 13 with silicone rubber.
[0063] Silikonkautschuk wird vorzugsweise für Druck-Messeinrichtungen zur Erfassung von Drücken von weniger als 100 mbar verwendet. Epoxidharzkleber ist dagegen auch für höhere Druckmessbereiche einsetzbar.Silicone rubber is preferably used for pressure gauges to detect pressures less than 100 mbar. In contrast, epoxy resin adhesive can also be used for higher pressure measuring ranges.
[0064] Wenn auf beiden Außenseiten des in Fig. 7 dargestellten Verbundes nun zu entfernende Oxidschichten 51 vorgesehen sind, so empfiehlt es sich, die die Entfernung beider Oxidschichten 51 in einem Arbeitsgang vorzunehmen, bevor der Halbleiter-Drucksensor 17 aufgebracht wird. Das Ergebnis ist in Fig. 8 dargestellt.If oxide layers 51 to be removed are now provided on both outer sides of the composite shown in FIG. 7, it is advisable to to make the removal of both oxide layers 51 in one operation before the semiconductor pressure sensor 17 is applied. The result is shown in FIG.
[0065] Die Erfindung ist nicht auf Druck-Messeinrichtungen zur Erfassung von Differenzdrücken oder von Relativdrücken beschränkt. Sie ist in analoger Weise auch in Druck-Messeinrichtungen zur Erfassung von Absolutdrücken einsetzbar. Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druck-Messeinrichtung zur Erfassung von Absolutdrücken. Aufgrund der großen Übereinstimmung mit dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel werden nachfolgend lediglich die bestehenden Unterschiede näher erläutert.The invention is not limited to pressure measuring devices for detecting differential pressures or relative pressures. It can also be used analogously in pressure measuring devices for detecting absolute pressures. 10 shows an exemplary embodiment of a pressure measuring device according to the invention for detecting absolute pressures. Due to the great agreement with the embodiment described above, only the existing differences will be explained in more detail below.
[0066] Der grundsätzliche Aufbau ist identisch zu dem in Fig. 2 dargestellten. Dementsprechend umfasst die in Fig. 10 dargestellte Druck-Messeinrichtung zur Erfassung von Absolutdrücken einen Sockel 13', ein auf dem Sockel 13' angeordnetes mit dem Sockel 13' verbundenes Zwischenstück 15' aus einem Halbleiter, und einen auf dem Zwischenstück 15' angeordneten mit dem Zwischenstück 15' verbundenen Halbleiter-Drucksensor 17 mit dem Träger 19 und der Messmembran 21.The basic structure is identical to that shown in Fig. 2. Accordingly, the pressure measuring device shown in Fig. 10 for detecting absolute pressures comprises a base 13 ', an arranged on the base 13' with the base 13 'connected intermediate piece 15' of a semiconductor, and arranged on the intermediate piece 15 'with the Intermediate piece 15 'connected semiconductor pressure sensor 17 with the carrier 19 and the measuring diaphragm 21st
[0067] Im Unterschied zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Messmembran 21 nur der zu messende Druck p, zugeführt. Dies erfolgt auf die gleiche Weise, wie die Zufuhr des Druckes p1 im vorherigen Ausführungsbeispiel. Dementsprechend ist eine durchgängig durch den Sockel 13' und das Zwischenstück 15' hindurchführende in einer Druckmesskammer 31 mündende Druckzufuhrleitung 28 nicht erforderlich. Stattdessen befindet sich unter der Messmembran 21 eine von der Messmembran 21 , deren Träger 19 und dem Zwischenstück 15' vollständig abgeschlossene evakuierte Kammer 61. Eine Bohrung im Zwischenstück 15' ist für die Druckzufuhr nicht erforderlich. Da die Bohrung jedoch die mechanische Entkopplung verstärkt, kann auch bei Absolutdruck-Messeinrichtungen eine Bohrung im Zwischenstück 15' vorgesehen werden. Im Unterschied zur Bohrung 29 ist diese Bohrung hier eine sockelseitig mündende Sacklochbohrung 59.In contrast to the embodiment described above, the measuring diaphragm 21 is supplied only to be measured pressure p. This is done in the same way as the supply of the pressure p1 in the previous embodiment. Accordingly, a through the base 13 'and the intermediate piece 15' passing through leading into a pressure measuring chamber 31 pressure supply line 28 is not required. Instead, located under the measuring diaphragm 21 of the measuring diaphragm 21, the support 19 and the intermediate piece 15 'completely completed evacuated chamber 61. A bore in the intermediate piece 15' is not required for the pressure supply. However, since the bore reinforces the mechanical decoupling, a hole in the intermediate piece 15 'can be provided even with absolute pressure measuring devices. In contrast to the bore 29, this bore is a socket-side opening blind hole 59 here.
[0068] Zur mechanischen Entkopplung der Messmembran 21 von temperatur-abhängigen Verspannungen, wie sie durch die mechanische Verbindung zwischen dem Sockel 13' und dem Zwischenstück 15' hervorgerufen werden können, ist auch hier erfindungsgemäß im Zwischenstück 15' eine im Inneren des Zwischenstücks 15' verlaufende ringfömig umlaufende Ausnehmung 33 vorgesehen, die derart geformt ist, das ein dünner erster zylindrischer Abschnitt 35 und ein sockelseitig daran angrenzender dickerer zweiter zylindrischer Abschnitt 37 entsteht. Die Ausnehmung 33 umschließt die beiden Abschnitte 35, 37, und ist zu einer dem Sockel 13' zugewandten Seite des Zwischenstücks 15' hin offen. Sockel 13' und Zwischenstück 15' sind auf die zuvor bereits anhand der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels beschriebene Weise mechanisch fest miteinander verbunden. Im Unterschied zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die im vorherigen Ausführungsbeispiel vorgesehene Bohrung 30 im Sockel 13' entfallen. Das Herstellungsverfahren erfolgt analog zu dem zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren für den in Fig. 2 dargestellten Druck-Messaufnehmer. Der einzige Unterschied besteht darin, dass anstelle der ersten Siliziumscheibe 45 eine beidseitig eine Oxidschicht 51 aufweisende erste Siliziumscheibe 45' verwendet wird, die keine Mittelbohrung 53 aufweist. Diese Siliziumscheibe 45' bildet die Rückwand der Sacklochbohrung 59 im Zwischenstück 15' und schließt die Kammer 61 sockelseitig vollständig ab. Der resultierende das Zwischenstück 15' bildende Schichtenverbund ist in Fig. 11 zusammen mit dem darauf angeordneten Halbleiter-Drucksensor 17 dargestellt.For mechanical decoupling of the measuring membrane 21 from Temperature-dependent tension, as they can be caused by the mechanical connection between the base 13 'and the intermediate piece 15' is here also in the intermediate piece 15 'in the interior of the intermediate piece 15' extending annular circumferential recess 33 is provided, which is shaped is that a thin first cylindrical portion 35 and a base side adjacent thereto thicker second cylindrical portion 37 is formed. The recess 33 encloses the two sections 35, 37, and is open towards a side of the intermediate piece 15 'facing the base 13'. Base 13 'and intermediate piece 15' are mechanically fixed to each other in the manner already described above with reference to the embodiment shown in FIG. 2. In contrast to the embodiment described above, the provided in the previous embodiment bore 30 in the base 13 'omitted. The manufacturing method is analogous to the manufacturing method described above for the pressure sensor shown in Fig. 2. The only difference is that, instead of the first silicon wafer 45, a first silicon wafer 45 'having an oxide layer 51 on both sides and having no central bore 53 is used. This silicon wafer 45 'forms the rear wall of the blind hole 59 in the intermediate piece 15' and closes off the chamber 61 on the socket side completely. The resulting layer composite forming the intermediate piece 15 'is shown in FIG. 11 together with the semiconductor pressure sensor 17 arranged thereon.
Tabelle 1Table 1
[0070] [0070]

Claims

Ansprüche claims
1. 1. Druck-Messeinrichtung, mit1. 1. pressure measuring device, with
- einem Sockel (13, 13'),a pedestal (13, 13 '),
- einem auf dem Sockel (13, 13') angeordneten mit dem Sockel (13, 13') verbundenen Zwischenstück (15, 15') aus einem Halbleiter, und- one on the base (13, 13 ') arranged with the base (13, 13') connected intermediate piece (15, 15 ') made of a semiconductor, and
- einem auf dem Zwischenstück (15, 15') angeordneten mit dem Zwischenstück (15, 15') verbundenen Halbleiter-Drucksensor (17) mit- One on the intermediate piece (15, 15 ') arranged with the intermediate piece (15, 15') connected to the semiconductor pressure sensor (17)
- einem Träger (19) und einer Messmembran (21), bei dem- A support (19) and a measuring diaphragm (21), in which
- im Zwischenstück (15;15') eine im Inneren des Zwischenstücks (15, 15') verlaufende ringfömig umlaufende Ausnehmung (33) vorgesehen ist,- in the intermediate piece (15, 15 ') in the interior of the intermediate piece (15, 15') extending annular annular recess (33) is provided,
- die einen ersten zylindrischen Abschnitt (35) und einen sockelseitig daran angrenzenden zweiten zylindrischen Abschnitt (37) des Zwischenstücks (15, 15') umschließt, wobei der zweite zylindrische Abschnitt (37) einen größeren Außendurchmesser aufweist als der erste zylindrische Abschnitt (35), und- which encloses a first cylindrical portion (35) and a second cylindrical portion (37) of the intermediate piece (15, 15 ') adjacent thereto on the base side, the second cylindrical portion (37) having a larger outer diameter than the first cylindrical portion (35) , and
- die zu einer dem Sockel (13, 13') zugewandten Seite des Zwischenstücks (15, 15') hin offen ist, und- which is open to a the base (13, 13 ') facing side of the intermediate piece (15, 15'), and
- der zweite zylindrische Abschnitt (37) eine dem Sockel (13, 13') zugewandte auf einer freiliegenden Stirnfläche des Sockels (13, 13') aufliegende Stirnfläche aufweist, die eine Verbindungsfläche bildet über die das Zwischenstück (15, 15') mit dem Sockel (13, 13') mechanisch fest verbunden ist.- The second cylindrical portion (37) has a said base (13, 13 ') facing on an exposed end face of the base (13, 13') resting end face which forms a connecting surface via which the intermediate piece (15, 15 ') with the Base (13, 13 ') is mechanically firmly connected.
2. 2. Druck-Messeinrichtung nach Anspruch 1 , zur Erfassung von Differenzdrücken oder Relativdrücken, bei dem2. Pressure measuring device according to claim 1, for detecting differential pressures or relative pressures, wherein
- im Zwischenstück (15) eine mittig angeordnete parallel zu dessen Längsachse (L) verlaufende sockelseitig mündende Bohrung (29) vorgesehen ist,- In the intermediate piece (15) has a centrally disposed parallel to the longitudinal axis (L) extending base side opening bore (29) is provided,
- die Bohrung (29) durch das Zwischenstück (15) hindurch führt und in einer unter der Messmembran (21) von der Messmembran (21), deren Träger (19) und dem Zwischenstück (15) eingeschlossenen Druckmesskammer (31) mündet,- The bore (29) through the intermediate piece (15) passes through and in a below the measuring diaphragm (21) of the measuring diaphragm (21), the support (19) and the intermediate piece (15) enclosed pressure measuring chamber (31) opens,
- im Sockel (13) eine mittig angeordnete parallel zu dessen Längsachse (L) verlaufenden weitere Bohrung (30) vorgesehen ist, die in die Bohrung (29) im Zwischenstück (15) mündet, und- In the base (13) has a centrally disposed parallel to the longitudinal axis (L) extending further bore (30) is provided, which in the bore (29) opens in the intermediate piece (15), and
- die Bohrung (29) im Zwischenstück (15) und die damit verbundene Bohrung- The bore (29) in the intermediate piece (15) and the associated bore
(30) im Sockel (13) eine Druckzufuhrleitung (28) bilden.(30) in the base (13) form a pressure supply line (28).
3. 3. Druck-Messeinrichtung nach Anspruch 1 zur Erfassung von Absolutdrücken, mit3. Pressure measuring device according to claim 1 for detecting absolute pressures, with
- einer unter Messmembran (21) von der Messmembran (21), deren Träger (19) und dem Zwischenstück (15') vollständig abgeschlossenen evakuierten Kammer (61), und- An under evacuated chamber (61) under measuring diaphragm (21) of the measuring diaphragm (21), the support (19) and the intermediate piece (15 ') completely closed, and
- einer im Zwischenstück (15') vorgesehenen parallel zu dessen Längsachse (L) verlaufenden eine sockelseitig mündenden Sacklochbohrung.- One in the intermediate piece (15 ') provided parallel to the longitudinal axis (L) extending a socket side opening blind hole.
4. 4. Druck-Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Außendurchmesser des durch die Ausnehmung freiliegenden ersten zylindrischen Abschnitts (35) geringer als der Außendurchmesser der Messmembran (21) ist.4. Pressure-measuring device according to one of the preceding claims, wherein the outer diameter of the exposed by the recess first cylindrical portion (35) is smaller than the outer diameter of the measuring diaphragm (21).
5. 5. Druck-Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem5. 5. pressure measuring device according to one of the preceding claims, wherein
- der Halbleiter-Drucksensor (17) ein Sensor auf Siliziumbasis ist,the semiconductor pressure sensor (17) is a silicon-based sensor,
- das Zwischenstück (15, 15') aus Silizium besteht, und- The intermediate piece (15, 15 ') consists of silicon, and
- der Sockel (13, 13') aus Metall oder aus Keramik besteht.- The base (13, 13 ') made of metal or ceramic.
6. 6. Druck-Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Zwischenstück (15, 15') und der Sockel (13, 13') miteinander durch eine Klebung oder eine Lötung mechanisch fest verbunden sind.6. Pressure-measuring device according to one of the preceding claims, wherein the intermediate piece (15, 15 ') and the base (13, 13') are mechanically firmly connected to each other by an adhesive bond or a soldering.
7. 7. Verfahren zur Herstellung einer Druck-Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Zwischenstück aus einer ersten, einer zweiten und einer dritten Siliziumscheibe (45, 45', 47, 49) hergestellt wird, in dem7. The method for producing a pressure-measuring device according to one of the preceding claims, wherein the intermediate piece of a first, a second and a third silicon wafer (45, 45 ', 47, 49) is prepared, in which
- die erste und die zweite Siliziumscheibe (45, 45', 47) bündig aufeinander gesetzt und durch Bonden miteinander verbunden werden,the first and the second silicon wafers (45, 45 ', 47) are placed flush on one another and joined together by bonding,
- ein konzentrisch zur Scheibenmitte angeordneter ringscheibenförmiger Bereich (55) der zweiten Siliziumschicht (47) weggeätzt wird,a circular disk-shaped region (55) of the second silicon layer (47) arranged concentrically to the middle of the disk is etched away,
-- wobei dieser Bereich (55) einen Außendurchmesser aufweist, der gleiche dem Außendurchmesser der Ausnehmung (33) ist und ein Innendurchmesser aufweist, der gleich dem Außendurchmesser des ersten zylindrischen Abschnitts (35) ist, - eine dritte Silliziumscheibe (49) auf die zweite Siliziumscheibe (47) bündig aufgesetzt und mit dieser durch Bonden verbunden wird,- said region (55) having an outer diameter equal to the outer diameter of said recess (33) and having an inner diameter equal to the outer diameter of said first cylindrical portion (35), a third silicon wafer (49) is placed flush on the second silicon wafer (47) and joined thereto by bonding,
- ein konzentrisch zur Scheibenmitte angeordneter hohlzylindrischer Bereich (57) der drittenSiliziumschicht (49) weggeätzt wird,etching away a hollow-cylindrical area (57) of the third silicon layer (49) arranged concentrically with the center of the pane,
-- wobei dieser Bereich (57) einen Außendurchmesser aufweist, der gleich dem Außendurchmesser der Ausnehmung (33) ist, und einen Innendurchmesser aufweist, der gleich dem Außendurchmesser des zweiten zylindrischen Abschnitts (37) ist, und- This region (57) has an outer diameter which is equal to the outer diameter of the recess (33) and has an inner diameter which is equal to the outer diameter of the second cylindrical portion (37), and
- der Halbleiter-Drucksensor (17) auf einer von der zweiten Siliziumschicht (47) abgewandten Seite der ersten Siliziumschicht (45) befestigt wird.- The semiconductor pressure sensor (17) on one of the second silicon layer (47) facing away from the first silicon layer (45) is attached.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem8. The method of claim 7, wherein
- die erste und/oder die zweite Siliziumscheibe (45, 47) auf einer oder auf beiden Außenflächen eine Oxidschicht (51) aufweist, und die erste und die zweite Siliziumscheibe (45, 47) miteinander durch Hochtemperatur- Waferbonden verbunden, wobei sich mindestens eine der Oxidschichten (51) zwischen der ersten und der zweiten Siliziumscheibe (45, 47) befindet, und- The first and / or the second silicon wafer (45, 47) on one or both outer surfaces of an oxide layer (51), and the first and the second silicon wafer (45, 47) connected to each other by high-temperature wafer bonding, wherein at least one the oxide layers (51) between the first and the second silicon wafer (45, 47) is located, and
- die zweite und/oder die dritte Siliziumscheibe (47, 49) auf einer oder auf beiden Außenflächen eine Oxidschicht (51) aufweist, und die zweite und die dritte Siliziumscheibe (47, 49) miteinander durch Hochtemperatur- Waferbonden verbunden werden, wobei sich mindestens eine der Oxidschichten (51) zwischen der zweiten und der dritten Siliziumscheibe (47, 49) befindet.- The second and / or the third silicon wafer (47, 49) on one or both outer surfaces of an oxide layer (51), and the second and the third silicon wafer (47, 49) are interconnected by high-temperature wafer bonding, wherein at least one of the oxide layers (51) is located between the second and third silicon wafers (47, 49).
9. 9. Verfahren zur Herstellung einer Druck-Messeinrichtung nach9. 9. A method for producing a pressure-measuring device according to
Anspruch 7, bei dem die Befestigung des Halbleiter-Drucksensors (17) derart erfolgt, dassClaim 7, wherein the attachment of the semiconductor pressure sensor (17) takes place such that
- die von der zweiten Siliziumschicht (47) abgewandten Seite der ersten Siliziumschicht (45, 45'), insb. mittels einer isotropen Ätzung, chemisch poliert wird, und- The second silicon layer (47) facing away from the first silicon layer (45, 45 '), esp. By means of an isotropic etching, is chemically polished, and
- der Halbleiter-Drucksensor (17) mittels Niedertemperatur- Siliziumdirektbonden auf der polierten Oberfläche befestigt wird.- The semiconductor pressure sensor (17) is fixed by means of low-temperature silicon direct bonding on the polished surface.
10. 10. Verfahren zur Herstellung einer Druck-Messeinrichtung nach Anspruch 7, bei dem10. 10. A method for producing a pressure-measuring device according to Claim 7, wherein
- die von der zweiten Siliziumschicht (47) abgewandten Seite der dritten Siliziumschicht (49), insb. mittels einer isotropen Ätzung, chemisch poliert wird, und- The second silicon layer (47) facing away from the third silicon layer (49), esp. By means of an isotropic etching, is chemically polished, and
- das Zwischenstück (15, 15') auf den Sockel (13, 13') mittels eines Silikonkautschuks aufgeklebt wird.- The intermediate piece (15, 15 ') is glued to the base (13, 13') by means of a silicone rubber.
11. 11. Verfahren zur Herstellung einer Druck-Messeinrichtung nach11. 11. A method for producing a pressure-measuring device according to
Anspruch 7, bei dem das Zwischenstück (15, 15') auf dem Sockel (13, 13') mittels eines Epoxidharzklebers aufgeklebt wird. Claim 7, wherein the intermediate piece (15, 15 ') on the base (13, 13') is adhered by means of an epoxy resin adhesive.
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