WO2008040656A2 - Mikro-elektro-mechanischer system (mems) sensor für extreme umgebungsbedingungen - Google Patents

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WO2008040656A2
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Oliver Freudenberg
Ingo KÜHNE
Matthias Rebhan
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0055—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements bonded on a diaphragm

Definitions

  • Micro-electro-mechanical system (MEMS) sensor for extreme environmental conditions
  • the present invention relates to an electronic component, in particular a micro-electro-mechanical system (MEMS) sensor according to the preamble of the main claim or the independent claim and a corresponding method for the manufacture of such an electronic component and a specific use.
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • MEMS pressure sensors that can detect pressures up to a size of about 10 bar. These pressure sensors have epitaxial layers. Conventional sensors with metal diaphragms are suitable for pressure sensing up to several hundred bars. These sensors require an external power supply.
  • extreme environmental conditions exist. These are, for example, high pressures up to several hundred or a thousand bar, high temperatures up to several hundred degrees Celsius and / or aggressive, corrosive gases. All electronic components and sensors integrated into these devices must have materials that are adapted to these extreme environmental conditions. In addition, these should have a small volume and require little energy, so that they can self-supply self-sufficient energy and data, if necessary.
  • MEMS microelectromechanical system
  • the electronic or electromechanical component should only have a small volume and require little power for operation.
  • the electronic or electromechanical component should be able to be produced in a simple manner and advantageously used in measurements in compressors and turbines.
  • the object is achieved by an electronic or electromechanical component according to the main claim and the independent claim.
  • the electronic or electromechanical component can be produced in a simple manner according to the method claims. According to the use claim, the electronic or electro-mechanical component is particularly advantageous for use in measuring inside compressors and turbines.
  • Claimed is an electronic or electro-mechanical component, in particular a microelectromechanical system sensor, with a substrate, on the surfaces of the substrate applied electrical contact layers, wherein the substrate has at least one semiconductor compound, in particular silicon compound, for example SiC.
  • semiconductor compound in particular silicon compound, for example SiC.
  • a pressure sensor according to the invention has on a membrane layer a meander-shaped conductor track, in particular a nickel conductor track, the ends of which are electrically contacted.
  • the pressure detection is piezoresistive. Piezoresistivity means that due to a mechanical deformation, a resistance change of the conductor is generated.
  • An alternative pressure sensor measures capacitively.
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • Si serves as the standard MEMS material.
  • semiconductor compounds in particular silicon compounds, are used.
  • a substrate and / or a membrane layer has at least one semiconductor compound, in particular a silicon compound, in particular silicon carbide (SiC), such as, for example, 4H-SiC.
  • SiC silicon carbide
  • conventional MEMS technology is combined with silicon carbide (SiC).
  • electronic components in particular temperature sensors and pressure sensors, can be provided for very extreme environmental conditions.
  • high temperature MEMS sensors and high pressures can be provided.
  • high-temperature MEMS sensors in particular silicon carbide sensors and / or sensors for extreme environments can be provided.
  • Passivation and bonding layer of silicon dioxide and / or silicon nitride In this way, particularly advantageous a passivation of the electronic component can be provided.
  • the electrical contact layers nickel and / or titanium.
  • titanium provides a particularly good adhesion of the contact layers produced.
  • the passivation and bonding layer has been applied directly to the substrate and in the recess. In this way, the passivation and bonding layer is produced particularly stable and independent of membrane vibrations.
  • the passivation and bonding layer was applied directly to the membrane layer.
  • the passivation and bonding layer has been produced particularly easily in this way. Filling out recesses is not necessary.
  • a temperature sensor is applied to the substrate. Due to a change in temperature, there is a change in the conductivity of a conductor track or resistance track.
  • the temperature measurement is carried out by resistance measurement, for example a nickel conductor track whose electrical resistance is temperature-dependent.
  • Particularly advantageous is the resistance of the temperature sensor of the piezo-resistive resistance path, so that the influence of temperature on the piezo-resistive pressure sensor can be compensated.
  • the layer thickness of the membrane layer is reduced before the application of the electrical contact layers.
  • the electronic component is attached to its measuring range. fits.
  • the measuring range is determined in particular also by the dimensioning of the recess.
  • the passivation and bonding layer may be produced as a first on the front surface of the substrate and in the recess and / or as a second on the membrane layer on the side of the substrate applied layer. In this way, a mechanically stable and easy passivation can be provided.
  • the substrate is a wafer, in particular a 3 "SiC wafer, wherein a multiplicity of pressure sensors are generated on the wafer in a simple manner.
  • conventional methods such as, for example, lithography, dry etching, wafer bonding and the like can be used to produce the MEMS components.
  • the electrical contacts are produced by means of sputtering. For example, first a good adhesion titanium layer and then a nickel layer can be applied.
  • Components produced according to the invention are particularly suitable for use in the measurement of physical quantities in compressors and / or turbines.
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of an electronic component according to the present invention
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a method for producing an electronic component according to the present invention
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a wafer according to the invention, specifically after the recesses have been produced or after the membrane layer has been applied;
  • Figure 6 shows an embodiment of a use of the component according to the invention in a compressor
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a sensor concept
  • FIG. 8 shows a further embodiment of the use of an electronic component according to the sensor concept of the present invention.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a microelectromechanical system pressure sensor 7.
  • the measuring principle of the pressure sensor can be based on a change in the capacitance due to the applied pressure p. This changes the distance d and thus the capacitance generated by the capacitive pressure sensor.
  • the capacity is with the formula
  • FIG. 1 also shows the cross section of a
  • MEMS pressure sensor 7 having a substrate 1, with a recess 2 formed in a front surface of the substrate 1.
  • a membrane layer 3 extends over the recess 2 on the front surface of the substrate 1.
  • substrate 1 and Membrane layer 3 comprise silicon carbide SiC. Comparable semiconductors, in particular silicon compounds, are also usable.
  • a passivation and bonding layer 4 extends between the substrate 1 with the recess 2 and the membrane layer 3.
  • This passivation and bonding layer 4 is applied to the layer of the substrate 1 that surrounds the recess 2.
  • the passivation and bonding layer 4 preferably comprises silicon dioxide SiO 2.
  • the pressure sensor 7 can operate on the piezo-resistive principle, in which pressure changes are converted into resistance changes.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of an electronic component according to the invention.
  • a MEMS pressure sensor 7 and a temperature sensor 8 are combined.
  • FIG. 2 shows a plan view of both sensors.
  • a pressure sensor 7 is arranged, as has been shown in Figure 1.
  • a temperature sensor 8 is provided. This has an integrated on a substrate 1 conductor 11, preferably consisting of nickel, which extends meandering on the substrate surface.
  • the temperature sensor 8 is provided as a temperature-dependent electrical resistance. So that the temperature sensor 8 as well as the pressure sensor 7 can be used at high temperatures, has that common
  • Substrate 1 a semiconductor compound, in particular silicon compound, in particular silicon carbide SiC. Temperature and pressure can be recorded simultaneously with the combined sensor. If the pressure sensor 7 is a piezo-resistive, then the temperature influence on this can be compensated by the temperature measurement of the temperature sensor 8.
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of an electronic component according to the invention, in particular a MEMS pressure sensor 7.
  • a substrate 1 with a recess 2 is provided.
  • a membrane layer 3 is applied.
  • the passivation and bonding layer 4 is applied directly to the substrate 1 and in the recess 2.
  • the passivation and bonding layer 4 can be applied directly to the membrane layer 3.
  • electrical contact layers 5 are applied.
  • the substrate 1 preferably comprises 4H-SiC silicon carbide.
  • the passivation and bonding layer 4 preferably comprises silicon dioxide SiO 2. Likewise, the passivation and bonding layer 4 may comprise silicon nitride.
  • the electrical contact layers 5 are nickel layers applied to titanium. Other metals are also usable. In particular, an N-type wafer with 0.015 ⁇ / cm can be used as the wafer. 6H-SiC is also usable.
  • xH designates a proportion of hydrogen for conductivity doping
  • the recess 2 can be produced by means of RIE etching, for example.
  • the insulation layer 4 can be applied as a 0.25 ⁇ m thick SiO 2 layer
  • contact layers 5 are produced by sputtering of nickel on titanium (500 nanometers / 10 nanometers) .
  • a thickness d of 100 microns, a Area A of 1 mm and a gap g of 4 ⁇ m generated by calculations, the capacity is Co 2.214 pF with a maximum bending of 3.47 ⁇ m (at 600 bar) and the sensitivity e ⁇ 3.0 fF / bar.
  • FIG. 4 shows a method for producing an electronic component, namely a MEMS pressure sensor 7, according to the present invention.
  • a substrate 1 which preferably comprises silicon carbide SiC.
  • Reference numeral 1 denotes, for example, a
  • a recess 2 is produced in a front surface of the substrate 1.
  • the recesses 2 can be used with conventional MEMS Procedures are generated.
  • the recesses 2 can be produced by means of lithography and subsequent dry etching.
  • a membrane layer 3 extending over the recess 2 and on the front surface of the substrate 1 is applied by means of a passivation and bonding layer 4 extending between the substrate 1 and the recess 2 in the membrane layer 3.
  • the application For example, by means of chemical vapor deposition (CVD), by means of deposition from the gas phase.
  • the bonding takes place by means of bonding.
  • Step S4 namely, at step S3, the passivation and bonding layer 4 is applied as a first on the front O ber Diagram of the substrate 1 and in the recess 2 and / or as a second on the membrane layer 3 on the side of the substrate 1 Layer generated.
  • Step S5 the layer thickness of the membrane layer 3 is reduced.
  • an application of electrical contact layers 5 takes place on the surfaces of the substrate 1 facing away from the recess 2 and / or the membrane layer 3.
  • FIG. 5 shows a wafer as substrate 1. A multiplicity of pressure sensors 7 can be generated on this wafer.
  • the upper illustration according to FIG. 5 shows the wafer 1 after the recesses 2 have been produced.
  • the lower illustration according to FIG. 5 shows the wafer 1 after the application of the membrane layer 3.
  • FIG. 6 shows a compressor 10.
  • an energy-autonomous pressure sensor 7 and temperature sensor 8 are integrated.
  • the measurement data is transmitted to an external data processing device 12 for operation. Since the compressor 10 is hermetically sealed during operation, instead of an electromagnetic transmission system, ultrasonic transducers 9 or ultrasonic transducers 9 for data and information transmission are suitable. Based on the measurement results, a simple lifetime prediction is possible. In this way, also the available operating time of the compressor 10 can be increased. The above applies as well for turbines.
  • FIG. 6 shows the sensors and the external data processing device 12 in the compressor 10.
  • FIG. 7 shows a preferred sensor concept.
  • An energy source in the form of a microgenerator is provided. This is preferably an inductive converter 6. This is positioned in the compressor 10 and operates as a magnetic generator.
  • the inductive transducer 6 may comprise a coil and induced by means of ferromagnetic / paramagnetic compressor blades or small magnets on compressor blades
  • the microgenerator 6 supplies the capacitive pressure sensor 7 according to the invention and the temperature sensor 8 with energy.
  • the measured values recorded by means of the sensors are determined by means of an ultrasonic transducer or
  • Ultraschallmesswertumformers 9 transmitted to an external data processing device 12. In this way, wireless data transmission is possible. Electromagnetic waves are shielded by the compressor or turbine housing. In addition, an energy store can be provided. Other Application Specific Integrated Circuits ASICs may also be provided.
  • Figure 8 shows the hardware implementation of the sensor concept according to Figure 7. Accordingly, an inductive transducer or a
  • Microgenerator designated by the reference numeral 6.
  • the inductive converter 6 supplies the pressure sensor 7 and the temperature sensor 8 such that pressure and temperature values are detected and transmitted to an external data processing device 12 by means of an ultrasound transducer 9.
  • an ultrasound transducer 9 On the left side of Figure 8, a compressor 10 is shown.
  • Inductive transducer 6, pressure sensor 7 and temperature sensor 8 form with the intended as a transmitter Ultraschallmessumfor- 9 a unit that can be easily integrated into a turbine 10 or a compressor.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement, insbesondere einen Mikro-elektro-mechanisches-System-Drucksensor (7) oder allgemein MEMS-Sensoren, die für hohe Drücke und hohe Temperaturen und extreme Umgebungsbedingungen verwendbar sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass als Substrat eine besonders temperaturbeständige Halbleiterverbindung, und zwar Siliziumkarbid (SiC) verwendet wird. Auf diese Weise können hohe Drücke und Temperaturen, insbesondere in Turbinen und Kompressoren (10) erfasst werden. Zusätzlich wird zur Datenübertragung ein Ultraschallmesswertumformer (9) vorgeschlagen.

Description

Beschreibung
Mikro-elektro-mechanischer System (MEMS) Sensor für extreme Umgebungsbedingungen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement, insbesondere einen Mikro-elektro-mechanischer-System (MEMS) Sensor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs oder des Nebenanspruchs und ein entsprechendes Verfahren zur Her- Stellung eines derartigen elektronischen Bauelements sowie eine bestimmte Verwendung.
Es existieren herkömmliche Mikro-elektro-mechanischer-System (MEMS) Drucksensoren, die Drücke bis zu einer Größe von ca. 10 Bar erfassen können. Diese Drucksensoren weisen epitaktische Schichten auf. Herkömmliche Sensoren, die Metallmembranen aufweisen, eignen sich zur Druckerfassung bis zu einer Höhe von mehreren hundert Bar. Diese Sensoren benötigen eine externe Stromversorgung.
Insbesondere im Inneren von Kompressoren und Turbinen liegen extreme Umgebungsbedingungen vor. Diese sind beispielsweise hohe Drücke bis mehrere hundert oder tausend Bar, hohe Temperaturen bis mehrere hundert Grad Celsius und/oder aggressive, korrosive Gase. Alle elektronischen Komponenten und Sensoren, die in diese Vorrichtungen integriert werden, müssen Materialien aufweisen, die diesen extremen Umgebungsbedingungen an- gepasst sind. Zusätzlich sollen diese ein kleines Volumen aufweisen und wenig Energie erfordern, so dass diese sich ggf. energieautonom selbst versorgen und Daten übertragen können .
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches beziehungsweise elektromechanisches Bauelement, insbesondere einen Mikro-elektro-mechanischer-System (MEMS) Drucksensor, derart bereitzustellen, dass dieses ebenso bei extremen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise bei hohen Drücken und/oder Temperaturen und/oder aggressiven und/oder korrosi- ven Gasen, sicher und zuverlässig physikalische Größen, insbesondere Drücke oder Temperaturen, erfasst. Des Weiteren soll das elektronische beziehungsweise elektromechanische Bauelement lediglich ein kleines Volumen aufweisen und wenig Energie zum Betrieb benötigen. Das elektronische beziehungsweise elektromechanische Bauelement soll auf einfache Weise herstellbar und vorteilhaft bei Messungen in Kompressoren und Turbinen verwendbar sein.
Die Aufgabe wird durch ein elektronisches beziehungsweise elektromechanisches Bauelement gemäß dem Hauptanspruch und dem Nebenanspruch gelöst. Das elektronische beziehungsweise elektromechanische Bauelement kann gemäß den Verfahrensansprüchen auf einfache Weise erzeugt werden. Gemäß dem Verwen- dungsanspruch eignet sich das elektronische beziehungsweise elektro-mechanische Bauelement besonders vorteilhaft zur Verwendung beim Messen im Inneren von Kompressoren und Turbinen.
Beansprucht wird ein elektronisches beziehungsweise elektro- mechanisches Bauelement, insbesondere ein mikro-elektro- mechanischer System-Sensor, mit einem Substrat, auf den Oberflächen des Substrats aufgebrachten elektrischen Kontaktschichten, wobei das Substrat mindestens eine Halbleiterverbindung, insbesondere Siliziumverbindung, beispielsweise SiC aufweist.
Ein erfindungsgemäßer Drucksensor weist auf einer Membranschicht eine mäanderförmige Leiterbahn, insbesondere Nickelleiterbahn auf, deren Enden elektrisch kontaktiert sind. Die Druckerfassung erfolgt piezo-resistiv. Piezoresistivität bedeutet, dass aufgrund einer mechanischen Verformung eine Widerstandsänderung der Leiterbahn erzeugt wird.
Ein alternativer Drucksensor misst kapazitiv.
Die Herstellung besonders kleiner elektronischer Bauelemente lässt sich besonders vorteilhaft auf der Grundlage der so genannten MEMS- (Mikro-elektro-mechanisches-System) Technologie verwirklichen. Auf herkömmliche Wiese dient Silizium (Si) als Standard-MEMS-Material . Dieses ist jedoch für extreme Umgebungsbedingungen ungeeignet, da es bei hohen Temperaturen seine halbleitenden Eigenschaften verliert, und es in aggres- siven Gasen korrodiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Halbleiterverbindungen, insbesondere Siliziumverbindungen verwendet .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es besonders vor- teilhaft, wenn ein Substrat und/oder eine Membranschicht mindestens eine Halbleiterverbindung, insbesondere eine Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumkarbid (SiC), wie beispielsweise 4H-SiC aufweist. Auf diese Weise wird die herkömmliche MEMS-Technologie mit dem Siliziumkarbid (SiC) kom- biniert. Auf diese Weise können elektronische Bauelemente, insbesondere Temperatursensoren und Drucksensoren, für sehr extreme Umgebungsbedingungen bereitgestellt werden. Auf diese Weise können im Unterschied zum Stand der Technik, MEMS- Sensoren für hohe Temperaturen und hohe Drücke bereitgestellt werden.
Durch Verwendung der vorgeschlagenen Materialien ist eine Verwendung von elektronischen Bauelementen bei Drücken bis über 2000 Bar, bei Temperaturen über 400° Celsius, bei Ein- satz in aggressiven und/oder korrosiven Gasen, bei kleinem Volumen und geringem Energieverbrauch geeignet.
Auf diese Weise können Hochtemperatur-MEMS-Sensoren, insbesondere Siliziumkarbid-Sensoren und/oder Sensoren für extreme Umgebungen bereitgestellt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die
Passivierungs- und Verbindungsschicht Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid auf. Auf diese Weise kann besonders vorteil- haft eine Passivierung des elektronischen Bauelements bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die elektrischen Kontaktschichten Nickel und/oder Titan auf. Dabei stellt Titan eine besonders gute Haftung der erzeugten Kontaktschichten bereit. Mittels der elektrischen Kontaktschichten wird das elektronische Bauelement elektrisch kontaktiert .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wurde die Passivierungs- und Verbindungsschicht direkt auf dem Substrat und in der Ausnehmung aufgebracht. Auf diese Weise ist die Passivierungs- und Verbindungsschicht besonders stabil und unabhängig von Membranschwingungen erzeugt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wurde die Passivierungs- und Verbindungsschicht direkt auf der Membranschicht aufgebracht. Die Passivierungs- und Verbindungs- schicht wurde auf diese Weise besonders einfach erzeugt. Ein Ausfüllen von Ausnehmungen ist nicht notwendig.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Temperatursensor auf dem Substrat aufgebracht. Aufgrund einer Temperaturänderung erfolgt eine Änderung der Leitfähigkeit einer Leiterbahn beziehungsweise Widerstandsbahn. Die Temperaturmessung erfolgt durch Widerstandsmessung, beispielsweise einer Nickelleiterbahn, deren elektrischer Widerstand temperaturabhängig ist. Besonders vorteilhaft gleicht die Wider- Standsbahn des Temperatursensors der piezo-resistiven Widerstandsbahn, so dass der Temperatureinfluss auf den piezo- resistiven Drucksensor kompensiert werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Verringern der Schichtdicke der Membranschicht vor dem Aufbringen der elektrischen Kontaktschichten. Auf diese Weise wird das elektronische Bauelement an seinen Messbereich ange- passt. Der Messbereich wird insbesondere ebenso durch die Dimensionierung der Ausnehmung bestimmt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Passivierungs- und Verbindungsschicht als eine erste auf der vorderen Oberfläche des Substrats und in der Ausnehmung und/oder als eine zweite auf der Membranschicht auf der Seite zum Substrat aufgebrachte Schicht erzeugt sein. Auf diese Weise kann eine mechanisch stabile und einfache Passivierung bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Substrat ein Wafer, insbesondere ein 3 ' ' SiC-Wafer, wobei eine Vielzahl von Drucksensoren auf dem Wafer auf einfache Weise erzeugt wird.
Gemäß weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen können zur Herstellung der MEMS-Bauteile herkömmliche Verfahren wie beispielsweise Lithografie, Trockenätzen, Waferbonden und der- gleichen verwendet werden.
Besonders vorteilhaft werden Ausnehmungen lithografisch und mittels Trockenätzen auf einfache Weise exakt erzeugt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt das Erzeugen der elektrischen Kontaktierungen mittels Sputtern. Beispielsweise kann zuerst eine eine gute Haftung erzeugende Titanschicht und darauf eine Nickelschicht aufgebracht werden .
Erfindungsgemäß hergestellte Bauelemente eignen sich insbesondere für eine Verwendung zur Messung von physikalischen Größen in Kompressoren und/oder Turbinen.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen : Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektronischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsge- mäßen elektronischen Bauelements;
Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines elektronischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines elektronischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wa- fers, und zwar nach Erzeugen der Ausnehmungen bzw. nach Aufbringung der Membranschicht;
Figur 6 ein Ausführungsbeispiel einer Verwendung des erfindungsgemäßen Bauteils in einem Kompressor;
Figur 7 ein Ausführungsbeispiel eines Sensorkonzepts; und
Figur 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Verwendung eines elektronischen Bauteils gemäß dem Sensorkonzept der vorliegenden Erfindung.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines mikro- elektro-mechanischen-System Drucksensors 7. Das Messprinzip des Drucksensors kann auf einer Veränderung der Kapazität aufgrund des einwirkenden Druckes p beruhen. Dieser verändert den Abstand d und damit die durch den kapazitiven Drucksensor erzeugte Kapazität. Die Kapazität ist mit der Formel
C = ££Q-— bestimmt. Figur 1 zeigt zudem den Querschnitt eines
MEMS-Drucksensors 7 mit einem Substrat 1, mit einer in einer vorderen Oberfläche des Substrats 1 erzeugten Ausnehmung 2. Eine Membranschicht 3 erstreckt sich über der Ausnehmung 2 auf der vorderen Oberfläche des Substrats 1. Substrat 1 und Membranschicht 3 weisen Siliziumkarbid SiC auf. Vergleichbare Halbleiter, insbesondere Siliziumverbindungen, sind ebenso verwendbar. Zwischen dem Substrat 1 mit der Ausnehmung 2 und der Membranschicht 3 erstreckt sich eine Passivierungs- und Verbindungsschicht 4. Diese Passivierungs- und Verbindungsschicht 4 ist auf der die Ausnehmung 2 umlaufenden Schicht des Substrats 1 aufgebracht. Die Passivierungs- und Verbindungsschicht 4 weist bevorzugt Siliziumdioxid Siθ2 auf. Alternativ kann der Drucksensor 7 nach dem piezo-resistiven Prinzip arbeiten, bei dem Druckänderungen in Widerstandsänderungen umgewandelt werden.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements. Dabei sind ein MEMS- Drucksensor 7 und ein Temperatur-Sensor 8 kombiniert. Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf beide Sensoren. Auf der rechten Seite ist ein Drucksensor 7 angeordnet, wie er in Figur 1 dargestellt worden ist. Benachbart zu diesem Drucksensor 7 ist ein Temperatursensor 8 bereitgestellt. Dieser weist eine auf einem Substrat 1 integrierte Leiterbahn 11, bevorzugt bestehend aus Nickel, auf, die sich mäanderförmig auf der Substratoberfläche erstreckt. Der Temperatursensor 8 ist als temperaturabhängiger elektrischer Widerstand bereitgestellt. Damit der Temperatursensor 8 ebenso wie der Drucksensor 7 bei großen Temperaturen verwendbar sind, weist dass gemeinsame
Substrat 1 eine Halbleiterverbindung, insbesondere Siliziumverbindung, insbesondere Siliziumkarbid SiC auf. Mit dem kombinierten Sensor können Temperatur und Druck gleichzeitig er- fasst werden. Ist der Drucksensor 7 eine piezo-resistiver, so kann der Temperatureinfluss auf diesen durch die Temperaturmessung des Temperatursensors 8 kompensiert werden.
Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements, insbesondere eines MEMS-Drucksensors 7. Es ist ein Substrat 1 mit einer Ausnehmung 2 bereitgestellt. Auf einer vorderen Oberfläche des Substrats 1 mit der Ausnehmung 2 ist eine Membranschicht 3 aufgebracht. Zwischen dem Substrat 1 mit der Ausnehmung 2 und der Membranschicht 3 erstreckt sich eine Passivierungs- und Verbindungsschicht 4. Dabei ist die Passivierungs- und Verbindungsschicht 4 direkt auf dem Substrat 1 und in der Ausnehmung 2 aufgebracht. Alternativ oder kumulativ kann die Passivierungs- und Verbindungsschicht 4 direkt auf der Membranschicht 3 aufgebracht werden. Auf den der Ausnehmung 2 abgewandten Oberflächen des Substrats 1 und/oder der Membranschicht 3 sind elektrische Kontaktschichten 5 aufgebracht. Das Substrat 1 weist bevorzugt 4H-SiC Siliziumkarbid auf. Die Passivierungs- und Verbindungsschicht 4 weist bevorzugt Siliziumdioxid Siθ2 auf. Ebenso kann die Passivierungs- und Verbindungsschicht 4 Siliziumnitrid aufweisen. Die elektrischen Kontaktschichten 5 sind auf Titan aufgebrachte Nickelschichten. Andere Metalle sind ebenso verwendbar. Als Wafer kann insbesondere ein N-Typ Wafer mit 0,015 Ω/cm verwendet werden. 6H-SiC ist ebenso verwendbar. „xH" bezeichnet insbesondere einen Anteil von Wasserstoff zur Leitfähigkeitsdotierung. Die Ausnehmung 2 kann beispielsweise mittels RIE-Ätzen erzeugt werden. Die Isolationsschicht 4 kann als 0,25 μm dicke Siθ2~ Schicht aufgebracht werden. Das Verbinden von der Membranschicht 3 mit dem Substrat 1 erfolgt, beispielsweise unter Vakuum, und mittels Tempern. Abschließend wird die Membranschicht 3 verdünnt. Kontaktschichten 5 werden durch Sputtern von Nickel auf Titan (500 Nanometer/ 10 Nanometer) erzeugt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 wird eine Dicke d von 100 μm, eine Fläche A von 1 mm und eine Lücke g von 4 μm erzeugt. Aufgrund von Berechnungen ist die Kapazität Co=2,214 pF mit einer maximalen Biegung von 3,47 μm (bei 600 Bar) und die Empfindlichkeit e ~ 3,0 fF/Bar.
Figur 4 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements, und zwar eines MEMS-Drucksensors 7, gemäß der vorliegenden Erfindung. Gemäß einem Schritt Sl wird ein Substrat 1 bereitgestellt, das bevorzugt Siliziumkarbid SiC aufweist. Bezugszeichen 1 bezeichnet beispielsweise einen
3' 'SiC Siliziumkarbid-Wafer . Gemäß einem Schritt S2 wird eine Ausnehmung 2 in eine vordere Oberfläche des Substrats 1 erzeugt. Die Ausnehmungen 2 können mit herkömmlichen MEMS- Verfahren erzeugt werden. Die Ausnehmungen 2 können mittels Lithografie und anschließendem Trockenätzen erzeugt werden. Mit einem Schritt S4 erfolgt das Aufbringen einer sich über der Ausnehmung 2 und auf der vorderen Oberfläche des Sub- strats 1 erstreckenden Membranschicht 3 mittels einer sich zwischen dem Substrat 1 mit der Ausnehmung 2 in der Membranschicht 3 erstreckenden Passivierungs- und Verbindungsschicht 4. Das Aufbringen erfolgt beispielsweise mittels Chemical Va- por Deposition (CVD) , und zwar mittels Abscheidung aus der Gasphase. Das Verbinden erfolgt mittels Bonding. Vor dem
Schritt S4, und zwar bei Schritt S3, wird die Passivierungs- und Verbindungsschicht 4 als eine erste auf der vorderen O- berfläche des Substrats 1 und in der Ausnehmung 2 und/oder als eine zweite auf der Membranschicht 3 auf der Seite zum Substrat 1 aufgebrachte Schicht erzeugt. Mittels eines
Schrittes S5 wird die Schichtdicke der Membranschicht 3 verringert. Bei einem nicht dargestellten Abschlussschritt erfolgt ein Aufbringen von elektrischen Kontaktschichten 5 auf den der Ausnehmung 2 abgewandten Oberflächen des Substrat 1 und/oder der Membranschicht 3.
Figur 5 zeigt einen Wafer als Substrat 1. Auf diesem Wafer ist eine Vielzahl von Drucksensoren 7 erzeugbar. Die obere Darstellung gemäß Figur 5 zeigt den Wafer 1 nach dem Erzeugen der Ausnehmungen 2. Die untere Darstellung gemäß Figur 5 zeigt den Wafer 1 nach dem Aufbringen der Membranschicht 3.
Figur 6 zeigt einen Kompressor 10. In diesen Kompressor 10 sind ein energieautonomer Drucksensor 7 und Temperatursensor 8 integriert. Die Messdaten werden an eine externe Datenverarbeitungseinrichtung 12 zur Bedienung übertragen. Da der Kompressor 10 im Betrieb hermetisch abgeschlossen ist, eignen sich anstelle eines elektromagnetischen Übertragungssystems, Ultraschall-Transducer 9 bzw. Ultraschall-Messwertumformer 9 zur Daten- und Informationsübertragung. Auf der Grundlage der Messergebnisse ist eine einfache Lebensdauervorhersage möglich. Auf diese Weise kann ebenso die verfügbare Betriebszeit des Kompressors 10 erhöht werden. Das vorstehend Gesagte gilt ebenso für Turbinen. Figur 6 zeigt im Kompressor 10 die Sensoren und die externe Datenverarbeitungseinrichtung 12.
Figur 7 zeigt ein bevorzugtes Sensorkonzept. Es wird eine Energiequelle in Form eines Mikrogenerators bereitgestellt. Dieser ist bevorzugt ein induktiver Wandler 6. Dieser ist in dem Kompressor 10 positioniert und arbeitet als Magnetgenerator. Der induktive Wandler 6 kann eine Spule aufweisen und mittels ferro-/paramagnetischer Kompressorschaufeln oder kleinen Magneten auf Kompressorschaufeln eine induzierte
Spannung erzeugen. Damit wird auf einfache Weise eine Energieversorgung bereitgestellt. Die zur Verfügung gestellte Energie ist sehr viel größer als die durch den Drucksensor 7 und den Temperatursensor 8 und den Ultraschallmesswertumfor- mer 9 notwendige Energie. Damit ist eine Energieversorgung ohne Batterie geschaffen. Ebenso können Niedrigleistungs- MEMS-Sensoren verwendet werden. Der Mikrogenerator 6 versorgt den erfindungsgemäßen kapazitiven Drucksensor 7 und den Temperatursensor 8 mit Energie. Die mittels der Sensoren erfass- ten Messwerte werden mittels eines Ultraschallwandlers oder
Ultraschallmesswertumformers 9 an eine externe Datenverarbeitungseinrichtung 12 übertragen. Auf diese Weise ist eine drahtlose Datenübertragung möglich. Elektromagnetische Wellen werden durch das Kompressor- oder Turbinengehäuse abge- schirmt. Zusätzlich kann ein Energiespeicher bereitgestellt werden. Weitere Application Specified Integrated Circuits ASICs können ebenso bereitgestellt sein.
Figur 8 zeigt die hardwaremäßige Umsetzung des Sensorkonzepts gemäß Figur 7. Demnach ist ein induktiver Wandler bzw. ein
Mikrogenerator mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet. Der induktive Wandler 6 versorgt den Drucksensor 7 und den Temperatursensor 8 derart, dass Druck- und Temperaturwerte erfasst und mittels eines Ultraschallmesswertumformers 9 an eine externe Datenverarbeitungseinrichtung 12 übertragen werden. Auf der linken Seite der Figur 8 ist ein Kompressor 10 dargestellt. Induktiver Wandler 6, Drucksensor 7 und Temperatursensor 8 bilden mit dem als Sender vorgesehenen Ultraschallmessumfor- mer 9 eine Einheit, die auf einfache Weise in eine Turbine 10 oder einen Kompressor integriert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Elektro-mechanisches Bauelement, insbesondere ein piezo- resistiver Mikro-elektro-mechanischer-System (MEMS) Drucksen- sor (7) , mit
- einem Substrat (1) mit einer Ausnehmung (2) in einer vorderen Oberfläche des Substrats (1),
- einer sich über der Ausnehmung (2) und auf der vorderen Oberfläche des Substrats (1) erstreckenden Membranschicht (3),
- einer sich zwischen dem Substrat (1) mit der Ausnehmung (2) und der Membranschicht (3) erstreckenden Passivierungs- und/oder Verbindungsschicht (4'),
- mindestens einer auf einer, insbesondere der Ausnehmung (2) abgewandten, Oberfläche der Membranschicht (3) aufgebrachten piezo-resistiven Widerstandsbahn, die mittels elektrischen Kontaktschichten (5) elektrisch kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) und/oder die Membranschicht (3) mindestens eine Halbleiterverbindung, insbesondere Siliziumverbindung aufweisen .
2. Elektro-mechanisches Bauelement, insbesondere ein kapazitiver Mikro-elektro-mechanischer-System (MEMS) Drucksensor (7), mit
- einem Substrat (1) mit einer Ausnehmung (2) in einer vorderen Oberfläche des Substrats (1),
- einer sich über der Ausnehmung (2) und auf der vorderen Oberfläche des Substrats (1) erstreckenden Membranschicht (3),
- einer sich zwischen dem Substrat (1) mit der Ausnehmung (2) und der Membranschicht (3) erstreckenden Passivierungs- und Verbindungsschicht (4),
- auf den der Ausnehmung (2) abgewandten Oberflächen des Sub- strats (1) und/oder der Membranschicht (3) aufgebrachten elektrischen Kontaktschichten (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) und/oder die Membranschicht (3) mindestens eine Halbleiterverbindung, insbesondere Siliziumverbindung aufweisen .
3. Elektro-mechanisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumverbindung SiC, insbesondere 4H-SiC, ist.
4. Elektro-mechanisches Bauelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungs- und/oder Verbindungsschicht (4, 4') Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid aufweist.
5. Elektro-mechanisches Bauelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontaktschichten (5) Nickel und/oder Titan aufweisen .
6. Elektro-mechanisches Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungs- und/oder Verbindungsschicht (4, 4') direkt auf dem Substrat (1) und in der Ausnehmung (2) aufgebracht wurde.
7. Elektro-mechanisches Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungs- und/oder Verbindungsschicht (4, 4') direkt auf der Membranschicht (3) aufgebracht wurde.
8. Elektro-mechanisches Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (8) auf dem Substrat (1) aufgebracht ist, wobei insbesondere dessen Widerstandsbahn der piezo- resistiven Widerstandsbahn entspricht, so dass der Tempera- tureinfluss auf den piezo-resistiven Drucksensor (7) kompensiert werden kann.
9. Verfahren zur Herstellung eines elektro-mechanischen Bauelements, insbesondere eines piezo-resistiven Mikro-elektro- mechanischer-System (MEMS) Drucksensors (7), nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 3 bis 8, mit den Schritten - Bereitstellen eines Substrats (1),
- Ausbilden einer Ausnehmung (2) in eine vordere Oberfläche des Substrats (1),
- Aufbringen einer sich über der Ausnehmung (2) und auf der vorderen Oberfläche des Substrats (1) erstreckenden Membranschicht (3) , mittels einer sich zwischen dem Substrat (1) mit der Ausnehmung (2) und der Membranschicht (3) erstreckenden Passivierungs- und/oder Verbindungsschicht (4, 4'),
- Aufbringen mindestens einer auf einer, insbesondere der Ausnehmung (2) abgewandten, Oberfläche der Membranschicht (3) aufgebrachten piezoresistiven Widerstandsbahn, die mittels elektrischen Kontaktschichten (5) e- lektrisch kontaktiert ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines elektro-mechanischen Bauelements, insbesondere eines kapazitiven Mikro-elektro- mechanischer-System (MEMS) Drucksensors (7) nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, mit den Schritten
- Bereitstellen eines Substrats (1), - Ausbilden einer Ausnehmung (2) in eine vordere Oberfläche des Substrats (1),
- Aufbringen einer sich über der Ausnehmung (2) und auf der vorderen Oberfläche des Substrats (1) erstreckenden Membranschicht (3), mittels einer sich zwischen dem Sub- strat (1) mit der Ausnehmung (2) und der Membranschicht (3) erstreckenden Passivierungs- und Verbindungsschicht (4), Aufbringen von elektrischen Kontaktschichten (5) auf den der Ausnehmung (2) abgewandten Oberflächen des Substrats (1) und/oder der Membranschicht (3).
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch vor dem Aufbringen der elektrischen Kontaktschichten (5) beziehungsweise piezoresistiven Widerstandsbahn erfolgendes Verringern der Schichtdicke der Membranschicht (3) .
12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungs- und/oder Verbindungsschicht (4, 4') als eine erste auf der vorderen Oberfläche des Substrats (1) und in der Ausnehmung (2) und/oder als eine zweite auf der Membranschicht (3) auf der Seite zum Substrat (1) aufgebrachte Schicht erzeugt wurde.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden An- sprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) ein Wafer, insbesondere ein 3' ' SiC-Wafer, ist, und eine Vielzahl von Sensoren (7, 8) auf dem Wafer erzeugt wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (2) lithographisch und mittels Trockenätzen erzeugt werden.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontaktschichten (5) mittels Sputtern erzeugt werden.
16. Verwendung mindestens eines elektro-mechanischen Bauelements, insbesondere eines Mikro-elektro-mechanischer-System (MEMS) Drucksensors (7) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, zusammen mit einem Temperatursensor (8,) zur Erfassung von Messdaten in einem Kompressor (10) und/oder einer Turbine, zusammen mit einem als Energiequelle funktionierenden induktiven Wandler (6) und einen Ultraschall-Messwertumformer (9) zur Übertragung der erfassten Messdaten an eine externe Datenverarbeitungseinrichtung (12).
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