EP3052915A1

EP3052915A1 - Mems-chip, messelement und drucksensor zum messen eines drucks

Info

Publication number: EP3052915A1
Application number: EP14789767.2A
Authority: EP
Inventors: Stéphane KÜHNE; Claudio Cavalloni; Andreas Goehlich
Original assignee: Kistler Holding AG
Current assignee: Kistler Holding AG
Priority date: 2013-10-03
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2016-08-10
Also published as: BR112016006523A2; WO2015048916A1; CH708708A1; JP6655211B2; CN105593657A; KR20160065109A; US20160231189A1; JP2016540192A; MX360473B; MX2016004234A; US9927316B2; JP2019174478A; CA2924166A1

Abstract

Micro-Electro-Mechanical System Chip (MEMS-Chip) zum Messen eines Druckes in einem Druckraum (D), umfassend ein MEMS- Substrat (30) und ein Trägersubstrat (31), die flächig aufeinander gebondet sind, wobei der MEMS-Chip (3) stabförmig ausgestaltet ist und einen messenden Bereich (4) mit elektromechanischen Messmitteln, anschliessend einen Durchführungsbereich (11) anschliessend einen über Leitungen (8) mit dem messenden Bereich (4) verbundenen Kontaktierungsbereich (6) mit Kontakten (16) aufweist, und wobei der MEMS-Chip (3) im Durchführungsbereich (11) geeignet ist zur druckdichten Anordnung in einer Durchführung. Erfindungsgemäss sind die elektromechanischen Messmittel derart ausgestaltet, indem das MEMS Substrat (30) eine ein Sackloch bildende Kavität (5) aufweist, dessen Rand eine Membran (7) im MEMS Substrat (30) ausbildet und eine Messbrücke (19) aus piezoresistiven Elementen (2) auf der der Kavität (5) abgewandten Seite dieser Membran (7) angeordnet ist. Das MEMS-Substrat (30) ist mit der Seite der Kavität (5) dem Trägersubstrat (31) zugewandt auf das Trägersubstrat (31) gebondet, sodass das Trägersubstrat (31) eine Bodenwand (50) der unter der Membrane (7) gebildeten Kavität (5) ausbildet.

Description

MEMS-CHIP, MESSELEMENT UND DRUCKSENSOR ZUM MESSEN EINES

DRUCKS

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Micro-Electro- Mechanical System Chip ( EMS-Chip) zum Messen eines Druckes in einem Druckraum, umfassend ein MEMS-Substrat und ein Trägersubstrat, die flächig entlang ihrer Längsachse A aufeinander gebondet sind, wobei der MEMS-Chip einen messenden Bereich mit elektromechanischen Messmitteln und einen über Lei- tungen mit dem messenden Bereich verbundenen Kontaktierungs- bereich mit Kontakten aufweist. Der MEMS-Chip ist stabförmig ausgestaltet und der messende Bereich und der Kontaktierungs- bereich sind in Richtung Längsachse durch einen Durchführungsbereich voneinander beabstandet. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Messelement sowie einen Drucksensor umfassend einen solchen MEMS-Chip.

Stand der Technik

MEMS-Chips (Micro-Electro-Mechanical Systems) vereinen Elektron! k-e lernente und mikromechanische Strukturen auf einem Halbleiterchip und können elektrische und mechanische Infor^¬ mationen verarbeiten. Sie werden daher für Sensoren, Aktoren u. a. eingesetzt.

Im Betriebszustand werden MEMS-Chips oben beschriebener Art mit ihrem messenden Bereich dem Druckraum ausgesetzt, wobei entsprechende' Messsignale, die im Druckraum aufgenommen werden, von den Kontakten abnehmbar sind. Derartige MEMS-Chips sind geeignet zur druckdichten Anordnung in einer Durchfüh- rung, welche durch ein vollumfängliches Umhüllen der Oberfläche des Durchführungsbereichs 11 normal zur Längsachse Ä ausbildbar ist.

Bekannte Ausführungen solcher MEMS-Chips sind beispielsweise in der WO 2004/081510 AI oder auch in der Publikation von Birkelund K et al: „High pressure Silicon sensor with low- cost packaging", SENSORS AND ACTUATORS A, ELSEVIER SEQUOIA S.A., LAUSANNE, CH, Bd. 92, Nr. 1-3, S. 16-22 beschrieben. Solche MEMS Chips weisen im messenden Bereich eine Kavität im Trägersubstrat auf, die von einem Silicon-on-Insulator (SOI) Wafer geschlossen werden, wobei eine Messbrücke innerhalb der Kavität auf dem SOI Wafer angebracht ist. Der SOI Wafer ist zudem im gesamten vorderen Bereich des MEMS Chips mit einer reduzierten Dicke ausgestaltet, sodass dieser dort als Memb- ran wirkt.

Die Steifigkeit dieser Membran, die für die Empfindlichkeit des MEMS-Chips resp. des Messelements verantwortlich ist, wird nun über die verbleibende Restdicke des SOI Wafers im messenden Bereich angepasst. Dies ist relativ aufwändig, da die Dickenreduktion in der Regel durch gezieltes Abätzen der Siliziumschicht erzielt wird: je länger geätzt wird, desto dünner wird die Membranschicht. Da diese Ätzzeiten aber sehr kurz sind, gestaltet sich eine genaue Reproduktion einer vorgegebenen Membransteifigkeit als äusserst schwierig. Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein MEMS-Chip, ein Messelement und einen Drucksensor zur Druckmessungen bei hoher Umgebungstemperatur, besonders über 200 °C, zu beschreiben, wobei die Herstellung eines solchen MEMS-Chips verein- facht werden soll, bei gleichzeitiger Verbesserung der Reproduktion vorgegebener Empfindlichkeiten.

Gelöst wir diese Aufgabe durch einen MEMS-Chip, ein Messelement und einen Drucksensor gemäss den Merkmalen der Patentan- sprüche 1, 13 und 19.

Erfindungsgemäss wird ein eingangs beschriebener MEMS-Chip angegeben, dessen elektromechanische Messmittel derart ausgestaltet sind, indem das MEMS Substrat eine ein Sackloch bildende Kavität aufweist, dessen Rand eine Membran im MEMS Sub- strat ausbildet und eine Messbrücke aus piezoresistiven Elementen auf der der Kavität abgewandten Seite dieser Membran angeordnet ist, wobei das MEMS-Substrat mit der Seite der Kavität dem Trägersubstrat zugewandt auf das Trägersubstrat ge- bondet ist, sodass das Trägersubstrat eine Bodenwand der un- ter der Membrane gebildeten Kavität ausbildet.

Durch die Grösse, demnach die Fläche des Sacklochs im MEMS- Substrat, der die SOI Schicht bildet, lässt sich somit die Steifigkeit der Membran genau einstellen. Die Dicke der Membrane ist stets identisch, da sich das Sackloch bis zu einer Oxydschicht im MEMS Substrat erstreckt, die als Ätzstopp wirkt .

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im Trägersubstrat keine Kavität ausgebildet werden muss. Zudem können die Leitungen an der Oberfläche des MEMS-Substrates angeordnet wer- den, was sich als einfacher erwiesen hat als deren Führung zwischen den beiden Schichten.

Solche MEMS Chips lassen sich einfach als Wafer produzieren und in die einzelnen Teile zersägen, was zu Chips mit rechteckigen Querschnitten führt, die einfach zu handhaben sind. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart. Mittels eines erfindungsgemässen MEMS-Chips kann ein Messelement und daraus ein Drucksensor gebildet werden . Es ergibt sich ein kompakter Aufbau des MEMS-Chips und eines daraus gebildeten Messelementes, wobei als elektromechanische Messmittel eine Membran, eine Kavität abschliessend, verwendet wird. Zur Bestimmung des vorherrschenden Druckes wird die durch die Auslenkung der Membran induzierte mechanische Span- nung verwendet. Die Membran kann sich zu diesem Zweck durchbiegen, da sie an die Kavität angrenzt und nicht aufliegt. Durch die Druckmessung mittels der Membran muss lediglich ein kleiner Teil des MEMS-Chips nach Bildung des Messelementes in einem messenden Bereich frei dem Druckraum und damit dem Me- dium ausgesetzt werden. Die Steifigkeit der Membran wird durch die offene Fläche der Kavität definiert, an die die Membran angrenzt.

Die Medientrennung und die Passivierung werden deutlich vereinfacht. Die Medientrennung beim eingebauten Messelement er- folgt im Bereich eines Halterings, der Teil des Messelementes ist .

Das erfindungsgemässe Messelement ist unter anderem insbesondere für Hochtemperaturdrucksensoren im Automobilbau, in der Luftfahrt, für Gasturbinen, technische Prozesse in der Gas- und Ölförderung, und in der Geothermie einsetzbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen Fig. 1 ein erfindungsgemässen MEMS-Chip in einer Aufsicht;

Fig. 2a einen Längsschnitt eines erfindungsgemässen MEMS- Chips mit evakuierter Kavität, geeignet zur Absolutdruckmessung; Fig. 2b einen Längsschnitt eines weiteren erfindungsgemässen MEMS-Chips mit Kanal, geeignet zur Relativ- druckmessung;

Fig. 2c einen Längsschnitt eines weiteren erfindungsgemässen MEMS-Chips mit Kanal und weiterer geschlossenen Kavität;

Fig. 3a eine Aufsicht auf ein erfindungsgemässes Messelement mit MEMS-Chip und Haltering;

Fig. 3b eine Frontalansicht auf das Messelement gemäss Fig.

3a vom Kontaktierungsbereich, wie durch den Pfeil in Fig. 3a angedeutet;

Fig. 3c einen Teilschnitt durch einen erfindungsgemässen

Drucksensor, wobei ein Gehäuse das erfindungsgemäs- se Messelement umschliesst und ein Verbindungskabel vom Kontaktierungsbereich aus dem Gehäuse heraus verlegt ist;

Fig. 4a einen Längsschnitt eines erfindungsgemässen Messelementes mit einer Kavität und befestigtem Klemmkontakt ;

Fig. 4b einen Längsschnitt eines erfindungsgemässen Mes- selementes mit an der Kavität anschliessenden Kanal, sowie mit befestigtem Klemmkontakt. Wege zur Ausführung der Erfindung

Ein Teil des hier vorgestellten erfindungsgemässen Messelements zum Messen eines Drucks bei hohen Temperaturen, bevorzugt grösser als 200°C, ist ein MEMS-Chip 3 wie in Figur 1 dargestellt, welcher im Wesentlichen stabförmig ausgebildet ist. Der MEMS-Chip 3 umfasst im. Bereich eines ersten Endes einen messenden Bereich 4 und im Bereich eines zweiten Endes einen Kontaktierungsbereich 6. Im messenden Bereich 4 auf einer längsseitigen Fläche des MEMS-Chips 3 sind elektromecha- nische Messmittel angeordnet. Diese elektromechanischen Messmittel umfassen hier eine Membran 7, welche mit mehreren pie- zoresistiven Elementen 2 dotiert ist, die zu einer Messbrücke 19 ausgebildet sind. Von der Messbrücke 19 sind mehrere Leitungen 8 vom messenden Bereich 4 bis zum Kontaktierungsbe- reich 6 entlang der längsseitigen Fläche des MEMS-Chips 3 verlaufend angeordnet. Die Leitungen 8 münden in eine Mehrzahl von Kontakten 16 im Kontaktierungsbereich 6. Im Benutzungszustand liegt der Kontaktierungsbereich 6 ausserhalb des Druckraumes D, in welchem der Druck bestimmt werden soll. In den Schnittansichten entlang der Längsachse A des MEMS- Chips 3 sind in der Figuren 2 verschiedene Ausführungsformen des MEMS-Chips 3 dargestellt. Alle MEMS-Chips 3 sind jeweils vom einem MEMS-Substrat 30 und einem Trägersubstrat 31 gebildet. Der MEMS-Chip 3 ist hier ein SOI-Si-Chip, der aus dem MEMS-Substrat 30, bevorzugt als SOI-Substrat 30 ausgeführt und dem Trägersubstrat 31 in Form eines Si-Trägersubstrats 31 gebildet ist. Es ist aber ebenfalls möglich, das Trägersubstrat 31 aus Glas, insbesondere aus einem Borosilikatglas herzustellen . Das MEMS-Substrat 30 und das Trägersubstrat 31 sind flächig entlang ihrer Längsachse A aufeinander gebondet angeordnet.

Alle MEMS-Chips 3 weisen eine Kavität 5 im messenden Bereich 4 angeordnet auf, welche aus dem MEMS-Substrat 30 ausgespart bzw. aus diesem herausgeäzt ist. Die Kavität 5, die Membran 7 sowie die . piezoresistiven Elemente 2 sind durch Ätzen, Dotierung und/oder Beschichtung der Substrate 30, 31 hergestellt.

Erfindungsgemäss bildet die Membran 7 die Deckfläche der Kavität 5 und schliesst damit die Kavität 5 druckdicht zur dem Substrat 31 abgewandten Seite ab. Die Membran 7 ist in einer Ebene parallel zur Längsachse A des MEMS-Chips 3 verlaufend angeordnet. Die Bodenwand 50 der Kavität 5 ist von dem Trägersubstrat 31 gebildet. Da beide Substrate 30, 31 aufeinander druckdicht unlösbar verbunden sind, ist die Kavität 5 ge- schlössen. Die Wandstärke der Bodenwand 50 ist um ein Vielfaches grösser als die Dicke der Membran 7. Die Membran 7 mit der Messbrücke 19 ist bevorzugt als eine Dünnfilm-SOI-Membran mit Piezowiderständen 2 ausgebildet. Diese Messbrücke 19 ist ausserhalb der Kavität 5 angeordnet, auf der äusseren Ober- fläche der Membrane 7, dem Substrat 31 abgewandt.

Um den Absolutdruck zu messen, ist gemäss des MEMS-Chips 3 der Fig. 2a in der abgeschlossenen Kavität 5 ein Vakuum gebildet. Bei der Produktion des MEMS-Chips 3 wird zu diesem Zweck der Produktionsraum evakuiert und es werden Mittel vor- gesehen, damit das Vakuum in der Kavität langfristig gehalten wird .

In der Ausführung des MEMS-Chips 3 gemäss Fig . 2b ist die Kavität 5 nicht evakuiert, sondern mit einem Kanal 21 in Richtung Kontaktierungsbereich 6 verlaufend versehen, der durch eine Öffnung 210 zu Atmosphärenbedingungen geöffnet ist. Mit einem solchen MEMS-Chips 3 kann der Relativdruck bzw. Differenzdruck gemessen werden.

In der Ausführung des MEMS-Chips 3 gemäss Figur 2c endet der Kanal 21 in einer weiteren geschlossenen Kavität 12. Diese ist vorzugsweise im Kontaktierungsbereich 6 angeordnet und kann, entgegen der Darstellung, viel grösser ausgestaltet sein als die erste Kavität 5. Da der gesamte vakuumisierte Raum der Kavität 5 in dieser Anordnung viel grösser ist, ist das Vakuum stabiler, selbst wenn Gase vereinzelt in die Kavi- tät 5 hineindiffundieren. Zusätzlich kann in der weiteren Kavität 12 ein Getter 13 angeordnet sein, um das Vakuum möglichst lange zu erhalten.

Der Kanal 21 kann, entgegen der Darstellung in Fig. 2c, ebenfalls im MEMS-Substrat 30 angeordnet sein. Insbesondere kön- nen die weitere Kavität 12 und der Kanal 21 unabhängig voneinander wahlweise im MEMS-Substrat 30 oder im Trägersubstrat 30 angeordnet sein. Zudem besteht die Möglichkeit, den Kanal 21 gemäss Fig. 2b oder 2c auszubilden, indem in diesem Bereich kein Bondmaterial zwischen dem MEMS-Substrat 30 und dem Trägersubstrat 31 vorhanden ist. Somit bildet sich eine Lücke, die als Kanal 21 fungiert, und wahlweise in einer zweiten Kavität 12 oder als Öffnung 210 in die Umgebung endet.

Die Membran 7 ist stets aus dem MEMS-Substrat 30 ausgeformt, wodurch eine offene Kavität 5, ein Sackloch im MEMS-Substrat 30 gebildet ist. Das Sackloch im MEMS-Substrat 30 ist auf der, vom Trägersubstrat 31 abgewandten Seite der Membran 7 vorgesehen und weist vom Trägersubstrat 31 weg. Vorzugsweise ist die das Sackloch bildende Kavität 5 steilwandig, wobei die Wände im Wesentlichen senkrecht zur Membran 7 stehen. Dies hat den Vorteil, dass die Grösse der Kavität 5 genauer reproduziert werden kann und die Kavität 5 insgesamt weniger Platz beansprucht.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die Membran 7 zur Kavität 5 hin durch eine Oxydschicht begrenzt. In die- sem Fall dient die Oxydschicht als Ätzstopp, wodurch die Membrane 7 stets in derselben Dicke hergestellt werden kann.

Auf der der Kavität 5 abgewandten Seite der Membrane 7 ist angrenzend an die Oxydschicht in der Regel eine weitere Siliziumschicht angebracht, welche sich über das gesamte MEMS- Substrat 30 erstreckt. In dieser sind die piezoresistiven Elemente 2 als Widerstände in der Membran 7 ausgestaltet, insbesondere durch Dotierungen im Silizium. Um die Widerstände 2 vom umliegenden Silizium zu isolieren, kann dieses Silizium entweder weggeätzt werden, oder die Widerstände können durch eine Umrandung aus grabenförmigen Oxydschichten vom umliegenden Silizium isoliert werden.

Gemäss den Figuren 2 ist allgemein ersichtlich, dass erfin- dungsgemäss die elektromechanischen Messmittel stets derart ausgestaltet sind, indem das MEMS Substrat 30 eine Kavität 5 aufweist, dessen Boden eine Membran 7 im MEMS Substrat 30 ausbildet, wobei die Messbrücke 19 aus piezoresistiven Elementen 2 auf der der Kavität 5 abgewandten Seite dieser Membran 7 angeordnet ist. Sobald ein Druck auf die Membrane 7 auftritt verbiegt sich diese. Die Widerstände 2 können dieses Durchbiegen durch Änderung der mechanischen Spannung erfassen und entsprechende Signale über die Leitungen 8 zu den Kontakten 16 geben.

In Figur 3a ist ein erfindungsgemässes Messelement 10 umfassend einen MEMS-Chip 3 mit dem messenden Bereich 4 und dem Kontaktierungsbereich 6 dargestellt, welches hier in einem Haltering 1, der zwischen beiden Bereichen 4,6 platziert ist, angeordnet und unlösbar druckdicht befestigt ist. Der Haltering 1 ist geschlossen ausgeführt und bildet dabei einen Teil der Durchführung des Messelementes 10. Der MEMS-Chip 3 ist in Richtung seiner Längsachse A durch den Haltering 1 geführt, sodass ein Teil des MEMS-Chips 3 innerhalb des Halteringes 1 liegt bzw. von diesem umhüllt ist. Der messende Bereich 4 und der Kontaktierungsbereich 6 ragen in unterschiedlichen Richtungen aus dem Haltering 1 heraus und der Haltering 1 um- schliesst etwa den zentralen Bereich des MEMS-Chips 3.

Mit Blick auf den Kontaktierungsbereich 6 mit den Kontakten 16 des Messelements 10 in Figur 3b lässt sich der Haltering 1 erkennen, welcher den MEMS-Chip 3 vollständig umgibt.

Ein vollständiger erfindungsgemässer Drucksensor S ist in Fi- gur 3c dargestellt. Dieser umfasst ein Messelement 10 umfassend den MEMS-Chip 3 und den Haltering 1, ein umschliessendes Gehäuse 9 und eine Verkabelung 14. Das Gehäuse 9 erstreckt sich parallel zur Längsachse A des MEMS-Chips 3 und dient zum Schutz des Messelementes 10. Zwischen dem messenden Bereich 4 und dem Kontaktierungsbereich 6 hält der Haltering 1 den MEMS-Chip 3, den er in seinem Umfang umschliesst. Das Messelement 10 ist mit dem Gehäuse 9 unlösbar verbunden, insbesondere ist das Messelement 10 am Haltering 1 mit dem Gehäuse 9 druckdicht verschweisst . Der Haltering 1 und das Gehäuse 9 sind dazu bevorzugt aus Stahl ausgeführt. Das Gehäuse 9 weist in einer Stirnseite mindestens eine Gehäuseöffnung 90 auf, durch welche das Messelement 10 im messenden Bereich 4 mit dem Medium in einem Druckraum D in Kontakt gebracht werden kann. Bevorzugt wird eine Mehrzahl von Gehäuseöffnungen 90 aus der Stirnseitenwand des Gehäuses 9 ausgespart oder die Stirnseitenwand ist als Gitter oder Sieb ausgebildet. -

Da nur der messende Bereich 4 des MEMS-Chips 3 dem Medium im Druckraum D ausgesetzt wird, wird nur der entsprechende Abschnitt des Drucksensors S mit dem Druckraum D in Verbindung gebracht. Zur Befestigung des Drucksensors S ist hier ein Aussengewinde 91 vorgesehen, mit welchem der Drucksensor S in eine Wand des Druckraumes D einschraubbar ist. Damit der gesamte Drucksensor S dichtend einschraubbar ist, sind Dichtungsmittel vorgesehen, bevorzugt in Form einer Frontdichtung oder auch hinter dem Gewinde in Form einer Schulterdichtung ausgestaltet.

Eine Verkabelung 14 ist mit den Kontakten 16 am Kontaktie- rungsbereich 6 des Messelementes 10 verkabelt, wobei die Verkabelung 14 einen Teil des Drucksensors S bildet. Durch die Ausbildung des Drucksensors S mit der Verkabelung 14 kann der Drucksensor S direkt, beispielsweise in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, verbaut und eine Ausleseelektronik einfach ausserhalb des Druckraumes D und vom messenden Bereich 4 ausreichend störungsfrei beabstandet angeschlossen werden. Je nach Kundenwunsch kann ein Drucksensor S mit ver- kapseltem Messelement 10 und passenden Verbindungsmitteln am Gehäuse 9, beispielsweise in Form eines Aussengewindes 91, vollständig verkabelt und anschlussbereit hergestellt werden.

Zur Veranschaulichung der druckdichten Befestigung des Halteringes 1 am MEMS-Chip 3 dienen die Figuren 4a und 4b. Sie zeigen jeweils einen Längsschnitt durch ein Messelement 10 mit MEMS-Chip 3 und eingeformter Kavität 5, resp. einen Längsschnitt durch ein Messelement 10 mit MEMS-Chip 3, eingeformter Kavität 5 und angrenzenden Kanal 21. Ansonsten sind die Messelemente 10 baugleich ausgeführt. - -

Wie in Figur 4a erkennbar, ist der MEMS-Chip 3 mit einer Vergussmasse 20 in einem Haltering 1 eingegossen und damit mechanisch stabil gelagert. Die Vergussmasse 20 umgibt den MEMS-Chip 3 entlang des äusseren Umfangs in einem Durchfüh- rungsbereich 11 vollständig und dichtend. Die Vergussmasse 20 verbindet den MEMS-Chip 3 im Durchführungsbereich 11 unlösbar mit dem Haltering 1, wobei die Haltering 1 und die Vergussmasse 20 eine teilweise Verkapselung des MEMS-Chips 3 bilden. Der Durchführungsbereich 11 und damit die Vergussmasse 20 sind zwischen dem messendem Bereich 4 und dem Kontaktierungs- bereich 6 entlang der Längsachse A angeordnet. Der messende Bereich 4 liegt beim Einsatz in einem Druckraum D, der gemessen werden soll, während sich der Kontaktierungsbereich 6 beim Einsatz in einem Umfeld mit ümgebungsdruck befindet. Der Druckraum D ist durch eine Wandung, in den Figuren 4 durch einen grauen Balken dargestellt, vom Umfeld mit Umgebungsdruck getrennt. Der Haltering 1 und die Vergussmasse 20 bilden damit eine druckdichte Durchführung, wobei anstelle befestigter nachteiliger Bondingdrähte hier der gesamte Körper des MEMS-Chips 3 durch den Haltering 1 durchgeführt und mit der Vergussmasse 20 befestigt wird.

Der Haltering 1 dient hier zur einfachen Handhabung des Messelementes 10, da das Messelement 10 einfach durch^' Kontakt mit dem Haltering 1 in einen Druckraum D einführbar ist, ohne dass auf den messenden Bereich 4 eingewirkt wird. Das Messelement 10 kann direkt druckdicht an der Wand des Druckraumes D befestigt werden. Wenn ein Gehäuse 9, wie in Figur 3c gezeigt, am Haltering 1 befestigt wird, ist eine indirekte Befestigung des Halteringes 1 an der Wand des Druckraumes D über das Gehäuse 9 möglich. Der Haltering 1 ist in den Figuren 4 mit einer Verdickung 100 ausgeführt, welche als Anschlag bei der Befestigung des Gehäuses 9 am Haltering 1 oder der Fixierung des Halteringes 1 direkt an der Wand des Druckraumes D dient. Das Messelement 10 kann einfach und gefahrlos am Haltering 1 gegriffen und in eine Bohrung in der Wand des Druckraumes D eingebracht und dort am Haltering 1 befestigt werden.

Der Haltering 1 ist hier nur unwesentlich länger in Richtung Längsachse A verlängert ausgestaltet, als der Durchführungs- bereich 11, in dem die Vergussmasse 20 liegt. In weiteren Ausführungsformen kann der Haltering 1 über den Durchführungsbereich 11 deutlich in Richtung des messenden Bereiches 4 verlängert ragen, bzw. den gesamten messenden Bereich 4 überragen, womit der MEMS-Chip 3 zusätzlich geschützt wird. Als Vergussmasse 20 kann eine elektrisch isolierende oder leitfähige Masse mit möglichst kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten, insbesondere Glas, Keramik oder ein Kleber eingesetzt werden.

Um den MEMS-Chip 3 im messenden Bereich 4, welcher dem Medium des Druckraumes D bei hohen Temperaturen und hohen Drücken ausgesetzt ist, zu schützen, ist hier eine Passivierungs- schicht 32 angeordnet, insbesondere eine Atomic Layer Deposi- tion-Passivierungsschicht 32. Diese ALD-Passivierungsschicht 32 sollte auf empfindliche Oberflächen aufgebracht werden, die dem je nach Verwendungszweck aggressiven Medium ausgesetzt sind.

Da keine empfindlichen Bondingdrähte am Kontaktierungsbereich 6 angeordnet sind, kann hier ein Klemmkontakt 17 einfach und problemlos an der Atmosphärenseite des MEMS-Chips 3 mit den Kontakten 16 kontaktiert werden. Diese Klemmkontakte 17 kön- -

nen einfach zu einer Verkabelung führen, die hier nicht dargestellt ist.

Während das Messelement 10 gemäss Figur 4a zur Messung des Absolutdruckes benutzt werden kann, kann das bis auf den Ka- nal 21 baugleiche Messelement 10 gemäss Figur 4b zur Differenzdruckmessung genutzt werden.

Um ein erfindungsgemässes Messelement 10 herzustellen, wird zuerst ein MEMS-Chip 3, umfassend einen Halbleitermaterialverbund aus einem MEMS-Substrat 30 und einem Trägersubstrat 31 hergestellt. Die Kontakte 16, die Leitungen 8, die Messbrücke 19, die piezoresistiven Elemente 2, sowie die Membran 7 sind bei der Substratherstellung bereits anzuordnen und die Halbleitersubstrate 30, 31 aufeinander zu fixieren. Anschliessend wird der MEMS-Chip 3 durch den Haltering 1 in Richtung der Längsachse A geführt und der Haltering 1 mittels Vergussmasse 20 an der Oberfläche des MEMS-Chips 3 vollumfänglich druckdicht fixiert, wobei der Spalt zwischen Oberfläche des MEMS-Chips 3 und Innenfläche des Halteringes 1 komplett ausgefüllt ist, wodurch eine druckdichte Befestigung resultiert. Die Vergussmasse 20 wird dabei im Durchführungsbereich 11 zwischen dem messendem Bereich 4 und dem Kontak- tierungsbereich 6 angeordnet.

In den hier beschriebenen Figuren 1, 3a und 3c sind die äusseren Kantenflächen des MEMS-Chips 3 gebrochen ausgeführt dargestellt. Eine derartige optionale Ausgestaltung der äusseren Kantenflächen des MEMS-Chips 3 ist eine Möglichkeit, die Randspannungen, speziell auch im Bereich des Halteringes 1, zu reduzieren.

Es ist optional möglich, eine Verstärkungselektronik am MEMS- Chip 3 an einer Position im Verlauf des MEMS-Chips 3 entlang - -

5 Kavität

50 Bodenwand

6 Kontaktierungsbereich

7 Membran

8 Leitung

9 Gehäuse

90 Gehäuseöffnung

91 Aussengewinde

11 Durchführungsbereich

12 weitere Kavität

13 Getter

14 Verkabelung/Sensorkabel/äussere elektrische Zuleitung

16 Kontakt

17 Klemmkontakt

19 Messbrücke

20 Vergussmasse

21 Kanal

210 Öffnung

A Längsachse

D Druckraum

Claims

Patentansprüche

1. Micro-Elect ro-Mechanical System Chip (MEMS-Chip) zum

Messen eines Druckes in einem Druckraum (D) , umfassend ein MEMS-Substrat (30) und ein Trägersubstrat (31), die flächig entlang ihrer Längsachse (A) aufeinander gebon- det sind, wobei der MEMS-Chip (3) einen messenden Bereich (4) mit elektromechanischen Messmitteln und einen über Leitungen (8) mit dem messenden Bereich (4) verbundenen Kontaktierungsbereich (6) mit Kontakten (16) auf- weist, wobei der messende Bereich (4) im Betriebszustand dem Druckraum (D) aussetzbar ist und Messsignale von den Kontakten (16) abnehmbar sind, wobei der MEMS-Chip (3) stabförmig ausgestaltet ist und der messende Bereich (4) und der Kontaktierungsbereich (6) in Richtung Längsachse (Ä) durch einen Durchführungsbereich (11) voneinander beabstandet sind, und wobei der MEMS-Chip (3) geeignet ist zur druckdichten Anordnung in einer Durchführung, welche durch ein vollumfängliches Umhüllen der Oberfläche des Durchführungsbereichs (11) normal zur Längsachse (A) ausbildbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanischen Messmittel derart ausgestaltet sind, indem das MEMS Substrat (30) eine ein Sackloch bildende Kavität (5) aufweist, dessen Rand eine Membran (7) im MEMS Substrat (30) ausbildet und eine Messbrücke (19) aus piezoresistiven Elementen (2) auf der der Kavität

(5) abgewandten Seite dieser Membran (7) angeordnet ist, und wobei das MEMS-Substrat (30) mit der Seite der Kavität (5) dem Trägersubstrat (31) zugewandt auf das Trägersubstrat (31) gebondet ist, sodass das Trägersubstrat (31) eine Bodenwand (50) der unter der Membrane (7) gebildeten Kavität (5) ausbildet. MEMS-Chip nach Anspruch 1, wobei die Leitungen (8) zwischen dem messenden Bereich (4) und den Kontakten (16) auf der Oberfläche des MEMS-Chips (3) geführt sind.

MEMS-Chip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Bodenwand (50) um ein Vielfaches grösser ist als die Dicke der Membran (7).

MEMS-Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das MEMS-Substrat (30) ein SOI-Substrat (30) und das Trägersubstrat (31) ein Si- Trägersubstrat ist.

MEMS-Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (5) für Differenzdruckmessungen mit einem Kanal (21) verbunden ist, der sich in den Kontaktierungsbereich (6) erstreckt und dort eine Öffnung (210) aufweist.

MEMS-Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (5) mit einem Kanal (21) verbunden ist, der sich in den Kontaktie- rungsbereich (6) erstreckt und dort in einer weiteren geschlossenen Kavität (12) endet.

MEMS-Chip nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kavität (12) ein Getter (13) angeordnet ist.

MEMS-Chip nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (21) gebildet ist, indem in diesem Bereich kein Bondmaterial zwischen dem MEMS- Substrat (30) und dem Trägersubstrat (31) vorhanden ist.

9. MEMS-Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die das Sackloch bildende Kavität (5) steilwandig ist, wobei die Wände im Wesentlichen senkrecht zur Membran (7) stehen.

10. MEMS-Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (7) zur Kavität (5) hin durch eine Oxydschicht begrenzt wird.

MEMS-Chip nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoresistiven Elemente (2) als Widerstände in der Membran (7) angrenzend an die Oxydschicht ausgestaltet sind .

MEMS-Chip nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (2) in einer Siliziumschicht, die ausserhalb der Kavität (5) angrenzend an die Oxydschicht angeordnet ist, eingebettet sind, wobei jeweils Oxydschichten die Widerstände (2) von der Siliziumschicht isolieren .

Messelement umfassend einen MEMS-Chip (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-Chip (3) druckdicht in einer Durchführung angeordnet, welche durch eine den Durchführungsbereich (11) des MEMS-Chips (3) umgebende Vergussmasse (20) und einen die Vergussmasse (20) umschliessenden Haltering (1) gebildet ist.

14. Messelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (20) Glas, Lot oder ein Kleber ist .

15. Messelement nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-Chip (3) im messenden Bereich (4) mit einer Passivierungsschicht (32), bevorzugt mit einer Atomic Layer Deposition-Passivierungsschicht (32) umgeben ist.

16. Messelement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der messende Bereich (4) und der Kontaktierungsbereich (6) zu verschiedenen Seiten aus dem Haltering (1) ragen.

17. Messelement nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte (16) mit einem Klemmkontakt (17) klemmend einfach verbindbar sind.

18. Messelement nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Haltering (1) entlang der Längsachse (A) erstreckt und die Vergussmasse (20) in Richtung des messenden Bereichs (4) überragt.

19. Drucksensor (S) umfassend ein Messelement (10) gemäss einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (9) unlösbar am Haltering (1) des Messelementes (10) druckdicht befestigt, vorzugsweise ange- schweisst ist.

20. Drucksensor (S) gemäss Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aussengewinde (91) am Gehäuse (9) zur Verbindung mit einer Wand eines Druckraumes (D) angeordnet ist .

21. Drucksensor (S) nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Gehäuse (9) über den messenden Bereich (4) erstreckt und die Stirnseitenwand des Gehäuses (9) mindestens eine Gehäuseöffnung (90) aufweist, die offen oder als Gitter oder Sieb ausgestaltet ist .