WO2008113707A1 - Pressure sensor chip - Google Patents

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WO2008113707A1
WO2008113707A1 PCT/EP2008/052825 EP2008052825W WO2008113707A1 WO 2008113707 A1 WO2008113707 A1 WO 2008113707A1 EP 2008052825 W EP2008052825 W EP 2008052825W WO 2008113707 A1 WO2008113707 A1 WO 2008113707A1
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WO
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layer
pressure sensor
sensor chip
silicon
differential pressure
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/052825
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German (de)
French (fr)
Inventor
Dieter Stolze
Anh Tuan Tham
Original Assignee
Endress+Hauser Gmbh+Co.Kg
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Publication date
Application filed by Endress+Hauser Gmbh+Co.Kg filed Critical Endress+Hauser Gmbh+Co.Kg
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0054Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms

Definitions

  • the invention relates to a pressure sensor chip for measuring a differential pressure.
  • Differential pressure sensors are used to detect a pressure difference between a first and a second pressure acting on the sensor and are used for example in industrial metrology pressure gauges. There they are used for example for level measurement or flow measurement.
  • level measurement for example, the difference between a first pressure acting down in a container and a second pressure prevailing above the contents is measured. The difference is proportional to a level-dependent hydrostatic pressure in the tank and thus to the level.
  • flow measurement for example, a flow resistance is used in a line and determined by means of a Differenzdruckmessaufillons a difference of a prevailing before the first resistance and a pressure prevailing behind the resistance second pressure. This differential pressure is a measure of the flow through the pipe.
  • System pressure here refers to the outlet pressure to which the pressure difference is superimposed.
  • the system pressure is the lower of the two pressures whose difference is to be measured.
  • Differential pressure sensor chips comprise a differential pressure measuring diaphragm, one side of which is subjected to a first pressure during measuring operation and the second side to a second pressure.
  • the applied pressures cause a resulting deflection of the differential pressure measuring diaphragm, which corresponds to the differential pressure to be measured.
  • Pressure sensor chips are usually very sensitive and are therefore not directly exposed to a medium whose pressure is to be recorded. Instead, with a liquid filled diaphragm seals are connected upstream.
  • a force acting on the measuring diaphragm differential pressure causes a differential pressure dependent deflection of the differential pressure measuring diaphragm, which detects by means of the piezoresistive elements, and converted into an electrical signal that is then a further processing and / or evaluation available.
  • BESOI wafers bonded and etched silicon on insulator
  • BESOI wafers are manufactured using silicon direct bonding.
  • two oxidized silicon wafers are aligned against each other and bonded under pressure and high temperature. This results in a three-layered wafer, in which there is an oxide layer between two silicon layers.
  • the buried oxide layer known as BOX (buried oxide layer) has a thickness of a few nm to a few ⁇ m. This composite is thinned and polished from one side. The thinned polished side subsequently forms the active layer.
  • the active layer may be a few microns thick and is known in the English speaking art e.g. referred to as device wafer or as silicone overlayer (SOL).
  • SOL silicone overlayer
  • a major advantage of using BESOI wafers for the manufacture of pressure sensors is that the buried Oxide layer (BOX) forms a reliable etch stop. This is used primarily for the production of movable electrodes of capacitive pressure sensors.
  • BOX buried Oxide layer
  • the remaining after the etching outer edge of the silicon layer bounds the recess on the outside and forms a support for the exposed through the recess membrane. After this etching process, the area of the oxide layer serving as an etching stop is removed by a further etching process.
  • the piezoresistive elements are for example a positive doping elements, which are applied to a silicon layer having a negative doping.
  • a silicon layer having a negative doping As a result, there is a pn junction between the p-doped piezoresistive elements and the silicon layer, which results in that the temperature range in which these pressure sensor chips can be used is limited.
  • above temperatures of about 125 ° C sufficient electrical insulation between the piezoresistive elements and the substrate on which they are arranged is no longer guaranteed.
  • the object of the invention is a process for the preparation of this
  • the invention consists in a pressure sensor chip for measuring a differential pressure with [0014] a carrier made of silicon, an oxide layer arranged on the carrier, a silicon layer arranged on the oxide layer, [0017] ] - an insulating layer arranged on the silicon layer, and - a recess provided in the support which exposes a region of the oxide pressure layer, silicon layer and insulating layer which adjoins [0019] a differential pressure measuring membrane, - whose deflection, which is dependent on a differential pressure acting on it, is detected by at least one piezoresistive element, in that on the side of the insulating layer of the differential pressure measuring diaphragm facing away from the recess is arranged. [0025] According to a first development of the invention, the carrier made of silicon, an oxide layer arranged on the carrier, a silicon layer arranged on the oxide layer, [0017] ] - an insulating layer arranged on the silicon layer, and - a recess provided in the support which exposes
  • Pressure sensor chip additionally designed as a system pressure sensor
  • the oxide layer is arranged, [0027] on the oxide layer the silicon layer is arranged, [0028] on the silicon layer the insulating layer is arranged, and [0029] in the oxide layer one of the Differential pressure measuring membrane spaced recess is provided, which on its [0031] side facing away from the carrier of a one
  • the first development extends through the oxide layer, the silicon layer and the insulating layer, a section through which the differential pressure measuring membrane is mechanically decoupled from the system pressure measuring diaphragm.
  • the system pressure measuring diaphragm has a cylindrical opening arranged in its center, which is closed by a plug which extends through the opening and the recess in the oxide layer to the carrier and a spacer between the carrier and the system pressure measuring diaphragm forms.
  • an electronics is arranged on the side facing away from the carrier top of the pressure sensor chip, to which the arranged on the insulating layer piezoresistive elements are connected.
  • the piezoresistive elements for measuring the differential pressure and / or the piezoresistive elements for measuring the system pressure are each connected together to form a resistance bridge, and the electronics is used to a temperature that is exposed to the pressure sensor chip based derive an internal resistance of at least one resistance bridge and to provide compensation for temperature-dependent measurement error.
  • the invention consists in a method for producing a pressure sensor chip according to the invention, in which
  • the first silicon layer forms a support of silicon
  • the differential pressure measuring diaphragm is arranged.
  • the invention further comprises a first development of the method according to [0060] - in a region of the distance from the differential pressure measuring diaphragm
  • Pressure sensor chip is formed a cylindrical opening which penetrates the insulating layer and the silicon layer, - through the opening a recess spaced from the differential pressure measuring membrane [0064] is etched into the oxide layer, which is referred to [0065] FIG ] whose side facing away from the carrier is closed by a region of the composite of silicon layer and insulating layer which forms a system pressure measuring membrane, the temperature of which depends on a system pressure acting on it
  • piezoresisitive elements are generated by the silicon film is doped by implantation of ions, and a structuring of the doped silicon film is made in which only serving as piezoresistive elements regions of the doped silicon film remain on the insulating layer.
  • the cylindrical opening is sealed under vacuum by deposition of at least one material, wherein a plug is built from the material, which extends through the opening and the recess in the oxide layer to the carrier and forms a spacer between the carrier and the system pressure measuring membrane.
  • Deposition process carried out, in which at least one layer 33 of an insulating material on the side facing away from the carrier 1 surface of the pressure sensor chip with the piezoresisitive elements 13, 19 thereon is deposited, which is a primary passivation of the top of the pressure sensor chip and the thereon Piezoresistive elements causes.
  • the pressure sensor according to the invention has the advantage that it can be used at high temperatures of up to 250 ° C.
  • One reason for this is that the piezoresistive elements are electrically insulated by the insulating layer from the substrate on which they are located.
  • the insulation layer provides reliable insulation even at high temperatures of up to 250 ° C.
  • a further advantage is that the oxide layer arranged on the carrier serves as a reliable etch stop in the production of the recess through which the differential pressure measuring membrane is exposed.
  • the oxide layer arranged on the carrier serves as a reliable etch stop in the production of the recess through which the differential pressure measuring membrane is exposed.
  • thin differential pressure measuring membranes can be produced with a very homogeneous thickness over the entire surface of the membrane. This means that even very small differential pressures, esp. Differential pressures of less than 30 mbar can be detected with the pressure sensor chip of the invention high accuracy and reproducibility.
  • Fig. 1 shows a section through a differential pressure sensor
  • FIG. 2 shows a section through a differential pressure sensor and a
  • FIG. 3 is a view of the pressure sensor chip of FIG. 2;
  • FIG. Fig. 4 shows a section through a BESOI wafer with a thinned [0085] silicon layer;
  • Fig. 5 shows an implantation of an insulating layer, which is a thin
  • FIG. 6 shows a doping of the silicon film of Fig. 5 with boron
  • FIG. 7 shows a surface of the pressure sensor chip structured to produce the piezoresistive elements
  • FIG. Fig. 8 shows a recess in the carrier through which the
  • Fig. 9 shows one for generating the system pressure measuring membrane in the
  • Fig. 10 shows a recess etched through the aperture in the oxide layer, through which the system pressure sensing membrane is exposed;
  • Fig. 11 shows a stopper closing the opening and a layer of insulator applied on the pressure sensor chip; and FIG. 12 shows a metallization applied to the pressure sensor chip, which causes electrical connection of the piezoresistive elements and forms contact pads for contacting the elements interconnected [0101].
  • Fig. 1 shows a pressure sensor chip according to the invention.
  • Pressure sensor chip is a differential pressure sensor that can be used in particular for measuring low differential pressures, in particular of differential pressures of less than 30 mbar, at high temperatures, in particular at temperatures of up to 250 ° C.
  • FIG. 2 shows a section through a further development of the
  • FIG. 3 shows a view of the top of the
  • Pressure sensor chips of Fig. 2. This is a multifunctional pressure sensor chip, especially for measuring low differential pressures, in particular of differential pressures of less than 30 mbar, at high system pressures, in particular at system pressures of more than 100 bar, at high temperatures, in particular at temperatures of up to 250 ° C is usable.
  • the pressure sensor chip comprises a region I designed as a differential pressure sensor and a region II designed as a system pressure sensor.
  • the area I designed as a differential pressure sensor is identical to the differential pressure sensor shown in FIG. In the following, therefore, only the pressure sensor chip shown in FIGS. 2 and 3 will be described in detail.
  • the description contained therein of the area I designed as a differential pressure sensor apply in identical form to the pressure sensor chip shown in FIG. 1 and is therefore not listed twice. The same applies in analogous form for the associated manufacturing process described below.
  • Differential pressure sensor and a system pressure sensor it is very versatile.
  • the integration of these two sensors in a single pressure sensor chip has the advantage that it is very compact and allows a compensation of system pressure dependent measurement errors of the differential pressure sensor.
  • the measurement accuracy that can be achieved with the differential pressure sensor which can greatly depend on the system pressure, especially when measuring low differential pressures at high system pressures, can be significantly increased.
  • the pressure sensor chip has a carrier 1 made of silicon, on which an oxide layer 3 is arranged.
  • the carrier 1 is preferably a monocrystalline substrate with negative doping. Alternatively, however, it is also possible to use a monocrystalline substrate without doping or with positive doping.
  • the oxide layer 3 is made of silicon dioxide (SiO 2 ).
  • On the oxide layer 3 is another silicon layer 5, which preferably also has a negative doping. Alternatively, a monocrystalline substrate without doping or with positive doping can also be used here.
  • an insulating layer 7 is arranged, which preferably also consists of silicon dioxide (SiO 2 ).
  • the carrier 1 is formed in the as a differential pressure sensor
  • a recess 9 is provided which exposes a differential pressure measuring diaphragm 11 forming region of the adjacent thereto composite of oxide layer 3, silicon layer 5 and insulating layer 7.
  • the differential pressure measuring diaphragm 11 is exposed to a differential pressure, which causes a differential pressure-dependent deflection of the differential pressure measuring diaphragm 11.
  • a first pressure p1 of the side facing away from the carrier 1 side of the differential pressure measuring diaphragm 11 is supplied.
  • a second pressure p 2 is supplied through the recess 9 of the side facing the carrier 1 of the differential pressure measuring diaphragm 11.
  • the differential pressure to be measured corresponds to the difference between the first and the second pressure p1, p2.
  • the force acting on the differential pressure measuring diaphragm 11 differential pressure dependent deflection of the differential pressure measuring diaphragm 11 is detected by at least one piezoresistive element 13 that is arranged on the side facing away from the recess 9 side of the insulating layer 7 of the differential pressure measuring diaphragm 11.
  • the insulating layer 7 causes an electrical insulation of the piezoresistive elements 13 with respect to the underlying silicon layer 5. This makes it possible to use the pressure sensor chip at high temperatures, esp. At temperatures up to 250 ° C.
  • a plurality of piezoresistive elements 13 are provided for this purpose, which are interconnected to form a Wheatstone bridge.
  • FIG. 3 shows four piezoresistive elements 13, which are shown here only schematically, and which are combined by a connection, not shown in the figures, to form a Wheatstone bridge.
  • Wheatstone bridges have a temperature-dependent internal resistance, which can be determined via corresponding taps on the differential pressure measuring diaphragm 11, in a simple manner. This temperature-dependent internal resistance is then available Determining the temperature that is exposed to the pressure sensor chip is available. Based on the temperature compensation of temperature-dependent measurement errors of the differential pressure sensor can then be made. Likewise, based on the temperature compensation of temperature-dependent measurement errors of the system pressure sensor can be made.
  • the system pressure sensor is located in the second area II of the
  • a recess 15 is provided which is spaced from the differential pressure measuring diaphragm 11 and which faces away from the carrier 1 from a region of the composite of silicon layer 5 and forming a system pressure measuring diaphragm 17 Insulating layer 7 is completed.
  • the system pressure p sys to be measured is supplied to the side facing away from the carrier 1 side of the system pressure measuring diaphragm 17, and causes a system pressure p sys dependent deflection thereof.
  • at least one piezoresistive element 19 is likewise provided, that is arranged on the side of the insulating layer 7 of the system pressure measuring membrane 17 facing away from the recess 15.
  • the insulating layer 7 causes an electrical insulation of the piezoresistive elements 19 with respect to the underlying silicon layer 5, which makes it possible to use the pressure sensor chip at high temperatures, esp. At temperatures up to 250 ° C.
  • a plurality of piezoresistive elements 19 are also provided here, which are interconnected to form a Wheatstone bridge.
  • FIG. 3 shows four piezoresistive elements 19, which are shown here only schematically, and which are connected together by a connection, not shown in the figures, to form a Wheatstone bridge.
  • the temperature dependent internal resistance of the Wheatstone bridge can be detected and used to determine the temperature to which the pressure sensor chip is exposed. As a rule, it is sufficient to determine the temperature on the basis of one of the two pressure sensors integrated on the pressure sensor chip and for all desired compensations of temperature-dependent measuring errors.
  • the section 21 is a longitudinal section, which separates the two regions I, Il of the pressure sensor chip from each other and leads into the carrier 1 into it.
  • the system pressure measuring diaphragm 17 has a cylindrical opening disposed in the center thereof, which is closed by a plug 23 made of an insulator.
  • the plug 23 extends through the opening and the recess 15 in the oxide layer 3 through to the carrier 1 and forms a spacer between the carrier 1 and the system pressure measuring diaphragm 17.
  • the system pressure measuring diaphragm 17 is a rigid annular membrane, which is also at low Membrane thickness is able to take very high system pressures, for example system pressures of more than 100 bar.
  • the thicknesses of the differential pressure measuring diaphragm 11 and the system pressure measuring diaphragm 17 can be identical even up to the thickness of the oxide layer 5, if the differential pressure measuring diaphragm 11 is designed for low differential pressures, especially for differential pressures of less than 30 mbar, and System pressure measuring diaphragm 17 for the detection of high system pressures, esp. Of system pressures of up to 100 bar, is designed.
  • a differential pressure measuring diaphragm 11 with a size of 4 mm ⁇ 4 mm can be combined with a system pressure measuring diaphragm 17 with a diameter of 0.5 mm.
  • an electronics 25 is arranged on the side facing away from the carrier 1 top of the pressure sensor chip, to which the piezoresistive elements 13 for measuring the differential pressure and the piezoresistive elements 19 for measuring the system pressure are connected.
  • this electronics 25 is a simple amplifier circuit that processes the measurement signals for further processing and / or evaluation and provides them via a corresponding output. But it can also contain other signal processing and / or evaluation circuits. Examples include a circuit which is the temperature of the chip is exposed, based on the internal resistance of the Wheatstone bridge, and circuits for compensating temperature-dependent measurement errors of the two sensors and circuits for compensating a system pressure dependent measurement error of the differential pressure sensor.
  • the invention further comprises a method for producing a pressure sensor chip according to the invention. This is explained in detail below with reference to the pressure sensor chip shown in FIGS. 2 and 3 for measuring the differential pressure and the system pressure. Since the pressure sensor chip of FIG. 1 is part of this embodiment, this description also contains the description of the corresponding manufacturing method for the pressure sensor chip according to the invention shown in FIG. 1, which exclusively comprises the differential pressure sensor. The production of this pressure sensor chip is therefore not listed again separately.
  • the pressure sensor chip of the present invention is a silicon based semiconductor chip fabricated using silicon-on-insulator (SOI) technology.
  • the starting material is a commercially available BESOI wafer (bonded and etched silicon on insulator).
  • BESOI wafers are made from two oxidized silicon wafers, which are aligned and bonded under pressure and high temperature. This results in a three-layer wafer shown in FIG. 4, which has a first and a second silicon layer. Both layers have, for example, a negative doping and are designated in FIG. 4 with n-Si1 and n-Si2.
  • the negative doping can be achieved for example by phosphorus.
  • the two layers but also a positive doping or even have no doping.
  • n-Si2 is the oxide layer 3.
  • the known under the name BOX (buried oxide layer) buried oxide layer 3 has a thickness of a few nm to a few microns and consists for example made of silicon dioxide SiO 2 .
  • This composite is thinned and polished from one side.
  • the thinned polished side here the second layer n-Si2
  • SOL silicone overlayer
  • the thickness of this layer can already be produced very accurately and uniformly and with high reproducibility using today's production methods.
  • the first silicon layer n-Si1 forms the carrier 1 of the pressure sensor chip.
  • the insulating layer 7 and an overlying thin monocrystalline silicon film 27 covering the insulating layer 7 are formed.
  • the implantation of the ions is shown in FIG. 5 by arrows.
  • the implantation energy is preferably between 100 keV and 1000 keV.
  • the structure is tempered at a temperature of 1150 ° C to 1400 ° C. Implantation and subsequent annealing can be repeated several times. This results in the formation of an insulating layer 7 of silicon dioxide or silicon nitride arranged on the silicon layer 5, which is covered by the thin silicon film 27.
  • Oxygen implantation is known by the name Separation by implantation of oxygen (SIMOX).
  • SIMOX Separation by implantation of oxygen
  • the SIMOX technology makes it possible to produce the thin silicon film 27 with a thickness which can be precisely set and reproduced to within 5 nm.
  • the thickness of the silicon film 27 is preferably less than 500 nm.
  • the thin silicon film 27 becomes the piezoresistive elements 13, 19 generates.
  • This is preferably done by doping the silicon film 27 in a first operation by implantation of ions.
  • a positive doping is carried out in the silicon film 27 located on the insulating layer 7. This can be done, for example, as shown in Fig. 6 symbolically by arrows, by the implantation of boron. This results in the thin silicon film 27, a homogeneous layer 29 with uniform positive doping.
  • a structuring of the homogeneous layer 29 is carried out, in which only the areas of the layer 29 serving as piezoresistive elements 13, 19 remain on the insulating layer 7.
  • the remaining areas of the layer 29 are removed during structuring.
  • the structuring takes place for example by means of dry etching.
  • a plasma etching as it is known for example under the name Reactive Ion Etching (RIE).
  • RIE Reactive Ion Etching
  • the temperature coefficients of the resistances of these piezoresistive elements 13, 19 and the temperature coefficients of the piezoresistive constants of the piezoresistive elements 13, 19 are decisively determined by the dose used for the last implantation, here the boron.
  • the dimensions of the piezoresistive elements 13, 19 are selected as a function of these parameters.
  • a desired resistance of the piezoresistive element 13, 19 can be targeted be set.
  • Differential pressure measuring diaphragm 11 produced.
  • the recess 9 is etched into the carrier 1.
  • an anisotropic wet-chemical etching method in particular using a KOH etching solution, can be used.
  • the buried oxide layer 3 of the BESOI wafer serves as a reliable etch stop.
  • the region of the adjacent composite of oxide layer 3, silicon layer 5 and insulating layer 7 that forms the differential pressure measuring diaphragm 11 is uncovered.
  • a deflection of the differential pressure measuring membrane 11 which is dependent on a differential pressure acting thereon is detected by at least one of the piezoresistive element 13 as described above in connection with the pressure sensor chip according to the invention with reference to FIG. 2, that on the side facing away from the recess 9 Side of the differential pressure measuring diaphragm 11 is arranged.
  • the pressure sensor chip shown in Fig. 1 the pressure sensor chip shown in Fig. 1.
  • the system pressure sensor is generated in the second area II.
  • US-A 5 510 276 relates to a piezoresistive pressure sensor chip and related manufacturing method.
  • Starting material there is a silicon substrate with negative doping in the top side by an implantation of oxygen ions and subsequent annealing an oxide layer is introduced, which is covered by a silicon film.
  • On the silicon film is epitaxially deposited another silicon layer with negative doping.
  • the piezoresistive elements are produced by forming in the regions of the further silicon layer, which subsequently form the piezoresistive elements, a positive doping limited to these regions, e.g. by boron, is introduced.
  • a cylindrical opening 28 is created in a region II of the pressure sensor chip which is at a distance from the differential pressure measuring diaphragm 11 and penetrates the insulating layer 7 and the silicon layer 5. This is shown in FIG. 9.
  • the opening 28 is centered between the for measuring the System pressure p sys provided piezoresistive elements 19 arranged.
  • classical photolithography methods which are preferably used in conjunction with a plasma etching or an ion etching, for example a reactive ion etching (RIE), are suitable for the production of the opening 28.
  • the buried oxide layer 3 of the BESOI wafer just as in the generation of the differential pressure measuring membrane 11 exposing recess 9, serves as an etch stop.
  • a recess 29 spaced from the differential pressure measuring diaphragm 11 is etched into the oxide layer 3 through the opening 28.
  • the oxide layer 3 forms a sacrificial layer in this area, which is preferably removed by means of a selective etching solution, for example based on hydrofluoric acid (HF).
  • HF hydrofluoric acid
  • This lateral etching is perfectly reproducible and has a speed of the order of 1 ⁇ m / min at room temperature.
  • the recess 29 is on its side facing away from the carrier 1 side of a system pressure measuring membrane 17 forming region of the composite of silicon layer 5 and insulating layer 7 completed.
  • a deflection which is dependent on a system pressure p sys acting on the system pressure measuring diaphragm 17 is detected by the piezoresistive element 19, which are arranged on the side of the insulating layer 7 of the system pressure measuring diaphragm 17 facing away from the recess 29.
  • the recess 29 is evacuated and the opening 28 is closed under vacuum.
  • the opening 28 is closed by a deposition of a material, wherein from the material, a plug 31 is constructed, which extends through the opening 28 and the recess 29 in the oxide layer 5 through to the carrier 1.
  • the plug 31 hermetically seals the opening 28 and forms a spacer between the carrier 1 and the system pressure measuring diaphragm 17.
  • the plug 31 turns the system pressure measuring diaphragm 11 into a rigid annular diaphragm. This makes it possible even with relatively thin system pressure measuring membranes 11 to detect high static pressures of up to 100 bar.
  • the material is preferably an insulating material, such as. B.
  • the plug 31 is made up of layers of silicon dioxide (SiO 2 ) and silicon nitride (Si 3 N 4 ) deposited on one another.
  • the deposition of the material or the material layers is preferably carried out by chemical vapor deposition under vacuum (LPCVD) or by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). In this case, for example, classic photolithographic methods can be used to limit the deposition to the region of the opening 28.
  • At least one deposition process is carried out in which at least one layer 33 of an insulating material is deposited on the surface of the pressure sensor chip facing away from the carrier 1 with the piezoresisitive elements 13, 19 thereon.
  • a small area 34 is preferably recessed in the immediate vicinity of each piezoresistive element 13, 19, in which subsequently an electrical contacting of the piezoresistive elements 13, 19 can take place.
  • the regions 34 may be e.g. be covered by corresponding photolithographic processes by means of appropriately shaped masks during the deposition, which are then subsequently removed again. In principle, it would also be possible to provide the entire chip with the layer, and to subsequently remove these in the areas 34. However, this may be difficult depending on the material and may result in damage to the surface of the chip in the affected areas 34.
  • the large-area deposition of the layer 33 on the chip surface has the advantage that it causes a primary passivation of the chip surface and esp.
  • the passivation forms a protection of the piezoresistive elements 13, 19 from moisture and at the same time prevents a charge transport on the surface of the Pressure sensor chips.
  • silicon nitride (Si 3 N 4 ) or silicon oxynitride (SION) is used to form the layer 33. These materials offer the advantage of providing additional shielding from electromagnetic radiation.
  • the layer 33 preferably has a thickness of more than 50 nm. Ideally, the thickness of the layer 33 is between 80 nm and 100 nm.
  • a metallization 35 is applied to the pressure sensor chip, by which an electrical interconnection of the piezoresistive elements 13, 19 is effected and contact pads for contacting the interconnected elements 13, 19 are generated.
  • the contacting takes place in the previously recessed in the deposition of the layer 33 areas 34. This is shown in Fig. 12.
  • a contacting material system suitable for use at high temperatures such as e.g. TiWN / Au used.
  • the saw cut 21 already described above is then introduced into the pressure sensor chip, by means of which the differential pressure measuring diaphragm 11 is mechanically decoupled from the system pressure measuring diaphragm 17.

Abstract

The invention relates to a pressure sensor chip having as many applications as possible and being used for measuring differential pressure, said chip being usable at high temperatures, comprising a substrate (1) made of silicon, an oxide layer (3) disposed on the substrate (1), a silicon layer (5) disposed on the oxide layer (3), an insulating layer (7) disposed on the silicon layer (5), and a recess (9) provided in the substrate (1), said recess exposing a region of the adjacent composite comprising the oxide layer (3), silicon layer (5), and insulating later (7) to form a differential pressure measurement membrane (11), the deflection of said membrane, which is dependent upon the differential pressure acting thereon, being detected by at least one piezoresistive element (13) disposed on the side of the insulating layer (7) of the differential pressure measurement membrane (11) facing away from the recess (9).

Description

Beschreibung description
Drucksensor-ChipPressure sensor chip
[0001] Die Erfindung betrifft einen Drucksensor-Chip zur Messung eines Differenzdrucks.The invention relates to a pressure sensor chip for measuring a differential pressure.
[0002] Differenzdrucksensoren dienen zur Erfassung einer Druckdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten auf den Sensor einwirkenden Druck und werden beispielsweise in der industriellen Messtechnik verwendeten Druckmessgeräten eingesetzt. Dort werden sie beispielsweise zur Füllstandsmessung oder zur Durchflussmessung verwendet. Bei der Füllstandsmessung wird beispielsweise die Differenz zwischen einem unten in einem Behälter wirkenden ersten Druck und einem oberhalb des Füllguts herrschenden zweiten Druck gemessen. Die Differenz ist proportional zu einem füllstands-abhängigen hydrostatischen Druck im Behälter und damit zum Füllstand. Bei der Durchflussmessung wird beispielsweise ein Strömungswiderstand in eine Leitung eingesetzt und mittels eines Differenzdruckmessaufnehmers eine Differenz eines vor dem Widerstand herrschenden ersten Drucks und eines hinter dem Widerstand herrschenden zweiten Drucks ermittelt. Dieser Differenzdruck ist ein Maß für den Durchfluss durch die Leitung.Differential pressure sensors are used to detect a pressure difference between a first and a second pressure acting on the sensor and are used for example in industrial metrology pressure gauges. There they are used for example for level measurement or flow measurement. In the case of level measurement, for example, the difference between a first pressure acting down in a container and a second pressure prevailing above the contents is measured. The difference is proportional to a level-dependent hydrostatic pressure in the tank and thus to the level. In the flow measurement, for example, a flow resistance is used in a line and determined by means of a Differenzdruckmessaufnehmers a difference of a prevailing before the first resistance and a pressure prevailing behind the resistance second pressure. This differential pressure is a measure of the flow through the pipe.
[0003] Es gibt eine Vielzahl von industriellen Anwendungen, in denen an die Differenzdrucksensoren extreme Anforderungen gestellt werden. Sie sollten z.B. in der Lage sein sehr kleine Differenzdrücke, z.B. Differenzdrücke von weniger als 30 mbar, bei hohen Temperaturen, insb. bei Temperaturen von mehr als 125 °C mit hoher Genauigkeit und Langzeitstabilität zu messen.There are a variety of industrial applications in which extreme demands are placed on the differential pressure sensors. You should e.g. to be capable of very small differential pressures, e.g. Differential pressures of less than 30 mbar, at high temperatures, esp. To measure at temperatures of more than 125 ° C with high accuracy and long-term stability.
[0004] Häufig gilt es diese kleinen Differenzdrücke bei hohen Systemdrücken, insb. bei Systemdrücken von mehr als 100 bar, zu messen. Mit Systemdruck ist hier der Ausgangsdruck bezeichnet, dem die Druckdifferenz überlagert ist. Der Systemdruck ist beispielsweise der niedrigere der beiden Drücke, deren Differenz gemessen werden soll.Frequently, it is important to measure these small differential pressures at high system pressures, esp. At system pressures of more than 100 bar. System pressure here refers to the outlet pressure to which the pressure difference is superimposed. For example, the system pressure is the lower of the two pressures whose difference is to be measured.
[0005] In der Druckmesstechnik werden gerne Halbleiter-Chips, z.B. Silizium-Chips mit eindotierten piezoresistiven Elementen, als druckempfindliche Elemente eingesetzt. Derartige Differenzdrucksensor-Chips umfassen eine Differenzdruckmessmembran, deren eine Seite im Messbetrieb einem ersten Druck und deren zweite Seite einem zweiten Druck ausgesetzt wird. Die einwirkenden Drücke bewirken eine resultierende Auslenkung der Differenzdruckmessmembran, die dem zu messenden Differenzdruck entspricht. Drucksensor-Chips sind in der Regel sehr empfindlich und werden deshalb nicht direkt einem Medium ausgesetzt, dessen Druck aufgenommen werden soll. Stattdessen werden mit einer Flüssigkeit gefüllte Druckmittler vorgeschaltet.Semiconductor chips, eg silicon chips with doped piezoresistive elements, are used as pressure-sensitive elements in pressure measurement technology. such Differential pressure sensor chips comprise a differential pressure measuring diaphragm, one side of which is subjected to a first pressure during measuring operation and the second side to a second pressure. The applied pressures cause a resulting deflection of the differential pressure measuring diaphragm, which corresponds to the differential pressure to be measured. Pressure sensor chips are usually very sensitive and are therefore not directly exposed to a medium whose pressure is to be recorded. Instead, with a liquid filled diaphragm seals are connected upstream.
[0006] Ein auf die Messmembran einwirkender Differenzdruck bewirkt eine vom Differenzdruck abhängige Auslenkung der Differenzdruckmessmembran, die mittels der piezoresistiven Elemente erfasst, und in ein elektrisches Signal umgewandelt, dass dann einer weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.A force acting on the measuring diaphragm differential pressure causes a differential pressure dependent deflection of the differential pressure measuring diaphragm, which detects by means of the piezoresistive elements, and converted into an electrical signal that is then a further processing and / or evaluation available.
[0007] Halbleiter-Sensoren werden heute regelmäßig auf Siliziumbasis, z.B. unter Verwendung von Silicon-on-lnsulator (SOI) Technologie hergestellt. Dabei werden unter anderem BESOI-Wafer (Bonded and etchback Silicon on insulator) als Ausgangsmaterial verwendet. BESOI-Wafer werden mittels Siliziumdirektbonden hergestellt. Hierzu werden beispielsweise zwei oxidierte Silizium-Wafer gegeneinander ausgerichtet und unter Druck und hoher Temperatur gebonded. Hierdurch entsteht ein dreischichtiger Wafer, bei dem sich zwischen zwei Siliziumschichten eine Oxidschicht befindet. Die unter der Bezeichnung BOX (buried oxide layer) bekannte vergrabene Oxidschicht hat eine Dicke von wenigen nm bis zu wenigen μm. Dieser Verbund wird von einer Seite abgedünnt und poliert. Die abgedünnte polierte Seite bildet im Weiteren Verlauf die Aktivschicht. Die Aktivschicht kann wenige μm dick sein und wird in der englischsprachigen Fachwelt z.B. als device wafer oder als Silicon overlayer (SOL) bezeichnet. Die Dicke der Aktivschicht kann mit heutigen Herstellungsverfahren bereits sehr genau und gleichmäßig und mit hoher Reproduzierbarkeit hergestellt werden.Semiconductor sensors are now regularly silicon-based, e.g. manufactured using silicon-on-insulator (SOI) technology. Among other things, BESOI wafers (bonded and etched silicon on insulator) are used as starting material. BESOI wafers are manufactured using silicon direct bonding. For this purpose, for example, two oxidized silicon wafers are aligned against each other and bonded under pressure and high temperature. This results in a three-layered wafer, in which there is an oxide layer between two silicon layers. The buried oxide layer known as BOX (buried oxide layer) has a thickness of a few nm to a few μm. This composite is thinned and polished from one side. The thinned polished side subsequently forms the active layer. The active layer may be a few microns thick and is known in the English speaking art e.g. referred to as device wafer or as silicone overlayer (SOL). The thickness of the active layer can already be produced very accurately and uniformly and with high reproducibility using today's production methods.
[0008] Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung von BESOI-Wafern für die Herstellung von Drucksensoren besteht darin, dass die vergrabene Oxidschicht (BOX) einen zuverlässigen Ätzstopp bildet. Dies wird vor allem für die Herstellung beweglicher Elektroden von kapazitiven Drucksensoren ausgenutzt.A major advantage of using BESOI wafers for the manufacture of pressure sensors is that the buried Oxide layer (BOX) forms a reliable etch stop. This is used primarily for the production of movable electrodes of capacitive pressure sensors.
[0009] Es sind aber auch Verfahren bekannt, bei denen BESOI-Wafer für die Herstellung von piezoresistiven Drucksensoren eingesetzt werden.However, methods are also known in which BESOI wafers are used for the production of piezoresistive pressure sensors.
[0010] Ein solches Verfahren ist in dem im Jahr 2000 im Journal ofSuch a method is described in the Journal of
Micromechanical Engineering, Band 10, Seite 204 bis 208, erschienenen Artikel: 'Optimized technology for the fabrication of piezoresistive pressure sensors', von A. Merlos, J. Santander, M. D. Alvares und F. Campabadal beschrieben. Dort wurde gezeigt, dass man mit BESOI-Wafern Sensorchips produzieren kann, die eine genau definierte und über den gesamten Bereich der Membran konstante Membrandicke aufweisen. Insb. können piezoresistive Sensoren mit sehr dünnen Membranen mit geringsten Dickentoleranzen, von weniger als 1 μm, hergestellt werden. Hierzu wird in die der Aktivschicht gegenüberliegenden Siliziumschicht ein Ausnehmung eingeätzt, über die die Membran freigelegt wird. Dabei dient die vergrabene Oxidschicht als Ätzstopp. Der nach dem Ätzvorgang verbleibende äußere Rand der Siliziumschicht begrenzt die Ausnehmung außenseitlich und bildet einen Träger für die durch die Ausnehmung freigelegte Membran. Nach diesem Ätzvorgang wird der als Ätzstopp dienende Bereich der Oxidschicht durch einen weiteren Ätzvorgang entfernt.Micromechanical Engineering, Volume 10, pages 204-208, published article: 'Optimized technology for the fabrication of piezoresistive pressure sensors', described by A. Merlos, J. Santander, M.D. Alvares and F. Campabadal. There it was shown that with BESOI wafers it is possible to produce sensor chips which have a precisely defined membrane thickness which is constant over the entire area of the membrane. Esp. Piezoresistive sensors with very thin membranes with the smallest thickness tolerances of less than 1 μm can be produced. For this purpose, a recess is etched into the silicon layer opposite the active layer, via which the membrane is exposed. The buried oxide layer serves as etch stop. The remaining after the etching outer edge of the silicon layer bounds the recess on the outside and forms a support for the exposed through the recess membrane. After this etching process, the area of the oxide layer serving as an etching stop is removed by a further etching process.
[0011] Bei herkömmlichen Drucksensor-Chips sind die piezoresistiven Elemente beispielsweise eine positive Dotierung aufweisende Elemente, die auf einer eine negative Dotierung aufweisenden Siliziumschicht aufgebracht sind. Hierdurch besteht zwischen den p-dotierten piezoresistiven Elementen und der Siliziumschicht ein pn-Übergang, der dazu führt, dass der Temperaturbereich in dem diese Drucksensor-Chips eingesetzt werden können, begrenzt ist. Typischer Weise ist oberhalb von Temperaturen von ca. 125°C eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen den piezoresistiven Elementen und dem Substrat auf dem sie angeordnet sind nicht mehr gewährleistet.In conventional pressure sensor chips, the piezoresistive elements are for example a positive doping elements, which are applied to a silicon layer having a negative doping. As a result, there is a pn junction between the p-doped piezoresistive elements and the silicon layer, which results in that the temperature range in which these pressure sensor chips can be used is limited. Typically, above temperatures of about 125 ° C sufficient electrical insulation between the piezoresistive elements and the substrate on which they are arranged is no longer guaranteed.
[0012] Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen möglichst vielseitig einsetzbaren piezoresistiven Drucksensor-Chip zur Messung von Differenzdrücken anzugeben, der bei hohen Temperaturen einsetzbar ist. Eine weitereIt is an object of the invention as versatile as possible Specify piezoresistive pressure sensor chip for measuring differential pressures, which can be used at high temperatures. Another
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung diesesThe object of the invention is a process for the preparation of this
Drucksensor-Chips anzugeben. [0013] Hierzu besteht die Erfindung in einem Drucksensor-Chip zur Messung eines Differenzdrucks mit [0014] - einem Träger aus Silizium, [0015] - einer auf dem Träger angeordneten Oxidschicht, [0016] - einer auf der Oxidschicht angeordneten Siliziumschicht, [0017] - einer auf der Siliziumschicht angeordneten Isolierschicht, und [0018] - einer in dem Träger vorgesehenen Ausnehmung, die einen eine [0019] Differenzdruckmessmembran bildenden Bereich des daran angrenzenden [0020] Verbundes aus Oxidschicht, Siliziumschicht und Isolierschicht freilegt, [0021] -- deren von einem darauf einwirkenden Differenzdruck abhängige [0022] Auslenkung durch mindestens ein piezoresistives Element erfasst wird, [0023] dass auf der von der Ausnehmung abgewandten Seite der [0024] Isolierschicht der Differenzdruckmessmembran angeordnet ist. [0025] Gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung weist derSpecify pressure sensor chips. For this purpose, the invention consists in a pressure sensor chip for measuring a differential pressure with [0014] a carrier made of silicon, an oxide layer arranged on the carrier, a silicon layer arranged on the oxide layer, [0017] ] - an insulating layer arranged on the silicon layer, and - a recess provided in the support which exposes a region of the oxide pressure layer, silicon layer and insulating layer which adjoins [0019] a differential pressure measuring membrane, - whose deflection, which is dependent on a differential pressure acting on it, is detected by at least one piezoresistive element, in that on the side of the insulating layer of the differential pressure measuring diaphragm facing away from the recess is arranged. [0025] According to a first development of the invention, the
Drucksensor-Chip zusätzlich einen als Systemdrucksensor ausgebildetenPressure sensor chip additionally designed as a system pressure sensor
Bereich auf, in demArea on where
[0026] - auf dem Träger aus Silizium die Oxidschicht angeordnet ist, [0027] - auf der Oxidschicht die Siliziumschicht angeordnet ist, , [0028] - auf der Siliziumschicht die Isolierschicht angeordnet ist, und [0029] - in der Oxidschicht eine von der Differenzdruckmessmembran [0030] beabstandete Ausnehmung vorgesehen ist, die auf deren [0031] vom Träger abgewandten Seite von einem eine[0026] on the support of silicon the oxide layer is arranged, [0027] on the oxide layer the silicon layer is arranged, [0028] on the silicon layer the insulating layer is arranged, and [0029] in the oxide layer one of the Differential pressure measuring membrane spaced recess is provided, which on its [0031] side facing away from the carrier of a one
SystemdruckmessmembranSystem pressure measuring diaphragm
[0032] bildenden Bereich des Verbundes aus Siliziumschicht und Isolierschicht [0033] abgeschlossen ist, [0034] -- deren von einem darauf einwirkenden Systemdruck abhängige[0032] The forming region of the composite of silicon layer and insulating layer [0033] is completed, and its dependent on a system pressure acting thereon
Auslenkungdeflection
[0035] durch mindestens ein piezoresistives Element erfasst wird, dass auf der [0036] von der Ausnehmung abgewandten Seite der Isolierschicht der [0037] Systemdruckmessmembran angeordnet ist.Is detected by at least one piezoresistive element that on the [0036] side facing away from the recess side of the insulating layer of [0037] System pressure measuring membrane is arranged.
[0038] Gemäß einer Weiterbildung der ersten Weiterbildung verläuft durch die Oxidschicht, die Siliziumschicht und die Isolierschicht ein Schnitt, durch den die Differenzdruckmessmembran mechanisch von der Systemdruckmessmembran entkoppelt ist.According to one embodiment of the first development extends through the oxide layer, the silicon layer and the insulating layer, a section through which the differential pressure measuring membrane is mechanically decoupled from the system pressure measuring diaphragm.
[0039] Gemäß einer weiteren Weiterbildung der ersten Weiterbildung weist die Systemdruckmessmembran eine in deren Mitte angeordnete zylindrische Öffnung auf, die durch einen Stopfen verschlossen ist, der durch die Öffnung und die Ausnehmung in der Oxidschicht hindurch bis zum Träger reicht und einen Abstandshalter zwischen dem Träger und der Systemdruckmessmembran bildet.According to a further development of the first development, the system pressure measuring diaphragm has a cylindrical opening arranged in its center, which is closed by a plug which extends through the opening and the recess in the oxide layer to the carrier and a spacer between the carrier and the system pressure measuring diaphragm forms.
[0040] Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist auf der vom Träger abgewandten Oberseite des Drucksensor-Chips eine Elektronik angeordnet, an die die auf der Isolierschicht angeordneten piezoresistiven Elemente angeschlossen sind.According to a preferred embodiment, an electronics is arranged on the side facing away from the carrier top of the pressure sensor chip, to which the arranged on the insulating layer piezoresistive elements are connected.
[0041] Gemäß einer Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung sind die piezoresisitiven Elemente zur Messung des Differenzdrucks und/oder die piezoresistiven Elemente zur Messung des Systemdrucks jeweils zu einer Widerstandsbrücke zusammengeschaltet, und die Elektronik dient dazu eine Temperatur, der der Drucksensor-Chip ausgesetzt ist, anhand eines Innenwiderstandes mindestens einer Widerstandsbrücke abzuleiten und für eine Kompensation temperaturabhängiger Messfehler zur Verfügung zu stellen.According to a development of the latter development, the piezoresistive elements for measuring the differential pressure and / or the piezoresistive elements for measuring the system pressure are each connected together to form a resistance bridge, and the electronics is used to a temperature that is exposed to the pressure sensor chip based derive an internal resistance of at least one resistance bridge and to provide compensation for temperature-dependent measurement error.
[0042] Weiter besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensor-Chips, bei demFurthermore, the invention consists in a method for producing a pressure sensor chip according to the invention, in which
[0043] - ein eine erste und eine zweite Siliziumschicht und eineA first and a second silicon layer and a
[0044] dazwischen angeordnete Oxidschicht aufweisenden BESOI WaferInterposed oxide layer BESOI wafer
[0045] verwendet wird,Is used
[0046] - die erste Siliziumschicht einen Träger aus Silizium bildet,[0046] the first silicon layer forms a support of silicon,
[0047] - in der zweiten Siliziumschicht durch Implantation von Ionen undIn the second silicon layer by implantation of ions and
[0048] anschließendes Tempern eine Isolierschicht erzeugt wird, die von einemSubsequent annealing an insulating layer is generated, which is a
[0049] darüber liegenden Siliziumfilm abgedeckt ist,Is covered overlying silicon film,
[0050] - aus dem Siliziumfilm auf der Isolierschicht angeordnete piezoresisitive [0051] Elemente erzeugt werden,[0050] Piezoresisitive arranged from the silicon film on the insulating layer Elements are generated
[0052] - in den Träger eine Ausnehmung eingeätzt wird, die einen eine- In the carrier a recess is etched, the one
[0053] Differenzdruckmessmembran bildenden Bereich des daran angrenzendenDifferential pressure measuring membrane forming region of the adjacent thereto
[0054] Verbundes aus Oxidschicht, Siliziumschicht und Isolierschicht freilegt,Composite of oxide layer, silicon layer and insulating layer exposed,
[0055] -- deren von einem darauf einwirkenden Differenzdruck abhängige[0055] - their dependent on a differential pressure acting on it
[0056] Auslenkung durch mindestens eines der piezoresistives Element erfasstDeflection detected by at least one of the piezoresistive element
[0057] wird, dass auf der von der Ausnehmung abgewandten Seite derIs that on the side remote from the recess side of the
Isolierschichtinsulating
[0058] der Differenzdruckmessmembran angeordnet ist. [0059] Die Erfindung umfasst weiter eine erste Weiterbildung des Verfahren, gemäß der [0060] - in einem von der Differenzdruckmessmembran beabstandeten Bereich des[0058] The differential pressure measuring diaphragm is arranged. The invention further comprises a first development of the method according to [0060] - in a region of the distance from the differential pressure measuring diaphragm
[0061] Drucksensor-Chip eine zylindrische Öffnung erzeugt wird, die die [0062] Isolierschicht und die Siliziumschicht durchdringt, [0063] - durch die Öffnung hindurch eine von der Differenzdruckmessmembran [0064] beabstandete Ausnehmung in die Oxidschicht eingeätzt wird, die auf [0065] deren vom Träger abgewandten Seite von einem eine [0066] Systemdruckmessmembran bildenden Bereich des Verbundes aus [0067] Siliziumschicht und Isolierschicht abgeschlossen ist, [0068] -- deren von einem darauf einwirkenden Systemdruck abhängige[0063] Pressure sensor chip is formed a cylindrical opening which penetrates the insulating layer and the silicon layer, - through the opening a recess spaced from the differential pressure measuring membrane [0064] is etched into the oxide layer, which is referred to [0065] FIG ] whose side facing away from the carrier is closed by a region of the composite of silicon layer and insulating layer which forms a system pressure measuring membrane, the temperature of which depends on a system pressure acting on it
Auslenkungdeflection
[0069] durch mindestens ein piezoresistives Element erfasst wird, dass auf der [0070] von der Ausnehmung abgewandten Seite der Isolierschicht der [0071] Systemdruckmessmembran angeordnet ist, und [0072] - die Öffnung unter Vakuum verschlossen wird.Is detected by at least one piezoresistive element, that on the side facing away from the recess side of the insulating layer of the system pressure measuring membrane is arranged, and - the opening is closed under vacuum.
[0073] Gemäß einer Weiterbildung werden aus dem Siliziumfilm piezoresisitive Elemente erzeugt, indem der Siliziumfilm durch Implantation von Ionen dotiert wird, und eine Strukturierung des dotierten Siliziumfilms vorgenommen wird, bei der ausschließlich die als piezoresistive Elemente dienen Bereiche des dotierten Siliziumfilms auf der Isolierschicht verbleiben. [0074] Gemäß einer Weiterbildung der ersten Weiterbildung des Verfahren wird die zylindrische Öffnung unter Vakuum durch eine Abscheidung mindestens eines Materials verschlossen, wobei aus dem Material ein Stopfen aufgebaut wird, der durch die Öffnung und die Ausnehmung in der Oxidschicht hindurch bis zum Träger reicht und einen Abstandshalter zwischen dem Träger und der Systemdruckmessmembran bildet.According to a development of the silicon film piezoresisitive elements are generated by the silicon film is doped by implantation of ions, and a structuring of the doped silicon film is made in which only serving as piezoresistive elements regions of the doped silicon film remain on the insulating layer. [0074] According to a development of the first development of the method the cylindrical opening is sealed under vacuum by deposition of at least one material, wherein a plug is built from the material, which extends through the opening and the recess in the oxide layer to the carrier and forms a spacer between the carrier and the system pressure measuring membrane.
[0075] Gemäß einer weiteren Weiterbildung wird mindestens ein[0075] According to a further development, at least one
Abscheidungsvorgang vorgenommen, bei dem mindestens eine Schicht 33 aus einem isolierenden Material auf der vom Träger 1 abgewandten Oberfläche des Drucksensor-Chips mit den darauf befindlichen piezoresisitiven Elementen 13, 19 abgeschieden wird, die eine primäre Passivierung der Oberseite des Drucksensor-Chips und der darauf befindlichen piezoresistiven Elemente bewirkt.Deposition process carried out, in which at least one layer 33 of an insulating material on the side facing away from the carrier 1 surface of the pressure sensor chip with the piezoresisitive elements 13, 19 thereon is deposited, which is a primary passivation of the top of the pressure sensor chip and the thereon Piezoresistive elements causes.
[0076] Der erfindungsgemäße Drucksensor bietet den Vorteil, dass er bei hohen Temperaturen von bis zu 250°C einsetzbar ist. Ein Grund hierfür besteht darin, dass die piezoresisitiven Elemente durch die Isolationsschicht gegenüber dem Substrat, auf dem sie sich befinden elektrisch isoliert ist. Die Isolationsschicht bewirkt auch bei hohen Temperaturen von bis zu 250°C eine zuverlässige Isolierung.The pressure sensor according to the invention has the advantage that it can be used at high temperatures of up to 250 ° C. One reason for this is that the piezoresistive elements are electrically insulated by the insulating layer from the substrate on which they are located. The insulation layer provides reliable insulation even at high temperatures of up to 250 ° C.
[0077] Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die auf dem Träger angeordnete Oxidschicht bei der Herstellung der Ausnehmung, durch die die Differenzdruckmessmembran freigelegt wird, als zuverlässiger Ätzstopp dient. Hierdurch können insb. dünne Differenzdruckmessmembranen mit einer über die gesamte Fläche der Membran sehr homogenen Dicke hergestellt werden. Dies bewirkt, dass auch sehr geringe Differenzdrücke, insb. Differenzdrücke von weniger als 30 mbar mit dem erfindungsgemäßen Drucksensor-Chip hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erfasst werden können.A further advantage is that the oxide layer arranged on the carrier serves as a reliable etch stop in the production of the recess through which the differential pressure measuring membrane is exposed. As a result, in particular thin differential pressure measuring membranes can be produced with a very homogeneous thickness over the entire surface of the membrane. This means that even very small differential pressures, esp. Differential pressures of less than 30 mbar can be detected with the pressure sensor chip of the invention high accuracy and reproducibility.
[0078] 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.
[0079] Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen einen DifferenzdrucksensorFig. 1 shows a section through a differential pressure sensor
[0080] aufweisenden Drucksensor-Chip; [0081] Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen einen Differenzdrucksensor und einen[0080] having a pressure sensor chip; Fig. 2 shows a section through a differential pressure sensor and a
[0082] Systemdrucksensor umfassenden Drucksensor-Chip; [0083] Fig. 3 zeigt eine Ansicht des Drucksensor-Chips von Fig. 2; [0084] Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen BESOI-Wafer mit einer abgedünnten [0085] Siliziumschicht; [0086] Fig. 5 zeigt eine Implantation einer Isolationschicht, die von einem dünnenSystem pressure sensor comprising pressure sensor chip; FIG. 3 is a view of the pressure sensor chip of FIG. 2; FIG. Fig. 4 shows a section through a BESOI wafer with a thinned [0085] silicon layer; Fig. 5 shows an implantation of an insulating layer, which is a thin
Siliziumfilm abgedeckt ist;Silicon film is covered;
[0087] Fig. 6 zeigt eine Dotierung des Siliziumfilms von Fig. 5 mit Bor; [0088] Fig. 7 zeigt eine zur Erzeugung der piezoresisitiven Elemente strukturierte [0089] Oberfläche des Drucksensor-Chips; [0090] Fig. 8 zeigt eine Ausnehmung im Träger, durch die dieFig. 6 shows a doping of the silicon film of Fig. 5 with boron; FIG. 7 shows a surface of the pressure sensor chip structured to produce the piezoresistive elements; FIG. Fig. 8 shows a recess in the carrier through which the
Differenzdruckmessmembran freigelegt ist; [0091] Fig. 9 zeigt eine zur Erzeugung der Systemdruckmessmembran in denDifferential pressure measuring membrane is exposed; Fig. 9 shows one for generating the system pressure measuring membrane in the
Chipchip
[0092] eingebrachte Öffnung;[0092] introduced opening;
[0093] Fig. 10 zeigt eine durch die Öffnung in die Oxidschicht eingeätzte [0094] Ausnehmung, durch die die Systemdruckmessmembran freigelegt [0095] ist;Fig. 10 shows a recess etched through the aperture in the oxide layer, through which the system pressure sensing membrane is exposed;
[0096] Fig. 11 zeigt einen die Öffnung verschließenden Stopfen und eine auf dem [0097] Drucksensor-Chip aufgebrachte Schicht aus einem Isolator; und [0098] Fig. 12 zeigt eine auf dem Drucksensor-Chip aufgebrachte Metallisierung, [0099] die eine elektrische Verschaltung der piezoresisistiven [0100] Elemente bewirkt wird und Kontaktpads zur Kontaktierung der [0101] verschalteten Elemente bildet. [0102] Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Drucksensor-Chip. DerFig. 11 shows a stopper closing the opening and a layer of insulator applied on the pressure sensor chip; and FIG. 12 shows a metallization applied to the pressure sensor chip, which causes electrical connection of the piezoresistive elements and forms contact pads for contacting the elements interconnected [0101]. Fig. 1 shows a pressure sensor chip according to the invention. Of the
Drucksensor-Chip ist ein Differenzdrucksensor der insb. zur Messung geringer Differenzdrücke, insb. von Differenzdrücken von weniger als 30 mbar, bei hohen Temperaturen, insb. bei Temperaturen von bis zu 250°C einsetzbar ist. [0103] Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Weiterentwicklung desPressure sensor chip is a differential pressure sensor that can be used in particular for measuring low differential pressures, in particular of differential pressures of less than 30 mbar, at high temperatures, in particular at temperatures of up to 250 ° C. FIG. 2 shows a section through a further development of the
Drucksensor-Chips von Fig. 1. Fig. 3 zeigt eine Ansicht der Oberseite desPressure sensor chips of Fig. 1. Fig. 3 shows a view of the top of the
Drucksensor-Chips von Fig. 2. Dabei handelt es sich um einen multifunktionalen Drucksensor-Chip, der insb. zur Messung geringer Differenzdrücke, insb. von Differenzdrücken von weniger als 30 mbar, bei hohen Systemdrücken, insb. bei Systemdrücken von mehr als 100 bar, bei hohen Temperaturen, insb. bei Temperaturen von bis zu 250°C einsetzbar ist. Hierzu umfasst der Drucksensor-Chip einen als Differenzdrucksensor ausgebildeten Bereich I und einen als Systemdrucksensor ausgebildeten Bereich II.Pressure sensor chips of Fig. 2. This is a multifunctional pressure sensor chip, especially for measuring low differential pressures, in particular of differential pressures of less than 30 mbar, at high system pressures, in particular at system pressures of more than 100 bar, at high temperatures, in particular at temperatures of up to 250 ° C is usable. For this purpose, the pressure sensor chip comprises a region I designed as a differential pressure sensor and a region II designed as a system pressure sensor.
[0104] Der als Differenzdrucksensor ausgebildete Bereich I ist identisch zu dem in Fig. 1 dargestellten Differenzdrucksensor. Nachfolgend wird daher lediglich der in den Figuren 2 und 3 dargestellte Drucksensor-Chip ausführlich beschrieben. Die darin enthaltene Beschreibung des als Differenzdrucksensor ausgebildeten Bereichs I gelten in identischer Form für den in Fig. 1 dargestellten Drucksensor-Chip und wird daher nicht doppelt aufgeführt. Das gleiche gilt in analoger Form für das daran anschließend beschriebene zugehörige Herstellverfahren.The area I designed as a differential pressure sensor is identical to the differential pressure sensor shown in FIG. In the following, therefore, only the pressure sensor chip shown in FIGS. 2 and 3 will be described in detail. The description contained therein of the area I designed as a differential pressure sensor apply in identical form to the pressure sensor chip shown in FIG. 1 and is therefore not listed twice. The same applies in analogous form for the associated manufacturing process described below.
[0105] Da der in Fig. 2 und 3 dargestellte Drucksensor-Chip sowohl einenSince the pressure sensor chip shown in Figs. 2 and 3 both a
Differenzdrucksensor als auch einen Systemdrucksensor umfasst, ist er sehr vielseitig einsetzbar. Die Integration dieser beiden Sensoren in einem einzigen Drucksensor-Chip bietet den Vorteil, dass er sehr kompakt ist und eine Kompensation von vom Systemdruck abhängigen Messfehlern des Differenzdrucksensors erlaubt. Hierdurch lässt sich die mit dem Differenzdrucksensor erzielbare Messgenauigkeit, die gerade bei der Messung geringer Differenzdrücke bei hohen Systemdrücken stark vom Systemdruck abhängen kann, deutlich erhöhen.Differential pressure sensor and a system pressure sensor, it is very versatile. The integration of these two sensors in a single pressure sensor chip has the advantage that it is very compact and allows a compensation of system pressure dependent measurement errors of the differential pressure sensor. As a result, the measurement accuracy that can be achieved with the differential pressure sensor, which can greatly depend on the system pressure, especially when measuring low differential pressures at high system pressures, can be significantly increased.
[0106] Der Drucksensor-Chip weist einen Träger 1 aus Silizium auf, auf dem eine Oxidschicht 3 angeordnet ist. Der Träger 1 ist vorzugsweise ein monokristallines Substrat mit negativer Dotierung. Alternativ kann aber auch ein monokristallines Substrat ohne Dotierung oder mit positiver Dotierung eingesetzt werden. Die Oxidsschicht 3 besteht aus Siliziumdioxid (SiO2). Auf der Oxidschicht 3 befindet sich eine weitere Siliziumschicht 5, die vorzugsweise ebenfalls eine negative Dotierung aufweist. Alternativ kann auch hier ein monokristallines Substrat ohne Dotierung oder mit positiver Dotierung eingesetzt werden. Auf der Siliziumschicht 5 ist eine Isolierschicht 7 angeordnet, die vorzugsweise ebenfalls aus Siliziumdioxid (SiO2) besteht.The pressure sensor chip has a carrier 1 made of silicon, on which an oxide layer 3 is arranged. The carrier 1 is preferably a monocrystalline substrate with negative doping. Alternatively, however, it is also possible to use a monocrystalline substrate without doping or with positive doping. The oxide layer 3 is made of silicon dioxide (SiO 2 ). On the oxide layer 3 is another silicon layer 5, which preferably also has a negative doping. Alternatively, a monocrystalline substrate without doping or with positive doping can also be used here. On the Silicon layer 5, an insulating layer 7 is arranged, which preferably also consists of silicon dioxide (SiO 2 ).
[0107] In dem Träger 1 ist in dem als Differenzdrucksensor ausgebildetenIn the carrier 1 is formed in the as a differential pressure sensor
Bereich I des Drucksensor-Chips eine Ausnehmung 9 vorgesehen, die einen eine Differenzdruckmessmembran 11 bildenden Bereich des daran angrenzenden Verbundes aus Oxidschicht 3, Siliziumschicht 5 und Isolierschicht 7 freilegt. Im Messbetrieb wird die Differenzdruckmessmembran 11 einem Differenzdruck ausgesetzt, der eine vom Differenzdruck abhängige Auslenkung der Differenzdruckmessmembran 11 bewirkt. Hierzu wird ein erster Druck p1 der vom Träger 1 abgewandten Seite der Differenzdruckmessmembran 11 zugeführt. Ein zweiter Druck p2 wird durch die Ausnehmung 9 der dem Träger 1 zugewandten Seite der Differenzdruckmessmembran 11 zugeführt. Der zu messende Differenzdruck entspricht der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p1 , p2. Die vom dem auf die Differenzdruckmessmembran 11 einwirkenden Differenzdruck abhängige Auslenkung der Differenzdruckmessmembran 11 wird durch mindestens ein piezoresistives Element 13 erfasst, dass auf der von der Ausnehmung 9 abgewandten Seite der Isolierschicht 7 der Differenzdruckmessmembran 11 angeordnet ist.Region I of the pressure sensor chip, a recess 9 is provided which exposes a differential pressure measuring diaphragm 11 forming region of the adjacent thereto composite of oxide layer 3, silicon layer 5 and insulating layer 7. In measuring operation, the differential pressure measuring diaphragm 11 is exposed to a differential pressure, which causes a differential pressure-dependent deflection of the differential pressure measuring diaphragm 11. For this purpose, a first pressure p1 of the side facing away from the carrier 1 side of the differential pressure measuring diaphragm 11 is supplied. A second pressure p 2 is supplied through the recess 9 of the side facing the carrier 1 of the differential pressure measuring diaphragm 11. The differential pressure to be measured corresponds to the difference between the first and the second pressure p1, p2. The force acting on the differential pressure measuring diaphragm 11 differential pressure dependent deflection of the differential pressure measuring diaphragm 11 is detected by at least one piezoresistive element 13 that is arranged on the side facing away from the recess 9 side of the insulating layer 7 of the differential pressure measuring diaphragm 11.
[0108] Die Isolierschicht 7 bewirkt eine elektrische Isolierung der piezoresistiven Elemente 13 gegenüber der darunter befindlichen Siliziumschicht 5. Hierdurch ist es möglich, den Drucksensor-Chip bei hohen Temperaturen, insb. bei Temperaturen von bis zu 250°C, einzusetzen.The insulating layer 7 causes an electrical insulation of the piezoresistive elements 13 with respect to the underlying silicon layer 5. This makes it possible to use the pressure sensor chip at high temperatures, esp. At temperatures up to 250 ° C.
[0109] Vorzugsweise sind hierzu mehrere piezoresisitive Elemente 13 vorgesehen, die miteinander zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet sind. Fig. 3 zeigt vier hier lediglich schematisch dargestellte piezoresistive Elemente 13, die durch eine, in den Figuren nicht dargestellte Verschaltung zu einer Wheatstone-Brücke zusammen gefasst sind. Wheatstone-Brücken weisen einen von der Temperatur abhängigen inneren Widerstand auf, der über entsprechende Abgriffe auf der Differenzdruckmessmembran 11 , auf einfache Weise ermittelt werden kann. Dieser temperatur-abhängige innere Widerstand steht dann zur Ermittlung der Temperatur, der der Drucksensor-Chip ausgesetzt ist zur Verfügung. Anhand der Temperatur kann dann eine Kompensation von temperatur-abhängigen Messfehlern des Differenzdrucksensors vorgenommen werden. Ebenso kann anhand der Temperatur eine Kompensation von temperatur-abhängigen Messfehlern des Systemdrucksensors vorgenommen werden.Preferably, a plurality of piezoresistive elements 13 are provided for this purpose, which are interconnected to form a Wheatstone bridge. FIG. 3 shows four piezoresistive elements 13, which are shown here only schematically, and which are combined by a connection, not shown in the figures, to form a Wheatstone bridge. Wheatstone bridges have a temperature-dependent internal resistance, which can be determined via corresponding taps on the differential pressure measuring diaphragm 11, in a simple manner. This temperature-dependent internal resistance is then available Determining the temperature that is exposed to the pressure sensor chip is available. Based on the temperature compensation of temperature-dependent measurement errors of the differential pressure sensor can then be made. Likewise, based on the temperature compensation of temperature-dependent measurement errors of the system pressure sensor can be made.
[0110] Der Systemdrucksensor befindet sich im zweiten Bereich Il des[0110] The system pressure sensor is located in the second area II of the
Drucksensor-Chips. Zur Bildung des Systemdrucksensors ist im zweiten Bereich Il des Drucksensor-Chips in der Oxidschicht 3 eine von der von der Differenzdruckmessmembran 11 beabstandete Ausnehmung 15 vorgesehen, die auf deren vom Träger 1 abgewandten Seite von einem eine Systemdruckmessmembran 17 bildenden Bereich des Verbundes aus Siliziumschicht 5 und Isolierschicht 7 abgeschlossen ist. Der zu messende Systemdruck psys wird der vom Träger 1 abgewandten Seite der Systemdruckmessmembran 17 zugeführt, und bewirkt eine vom Systemdruck psys abhängige Auslenkung derselben. Zur Erfassung dieser Auslenkung ist ebenfalls mindestens ein piezoresistives Element 19 vorgesehen, dass auf der von der Ausnehmung 15 abgewandten Seite der Isolierschicht 7 der Systemdruckmessmembran 17 angeordnet ist.Pressure sensor chips. To form the system pressure sensor, in the second region II of the pressure sensor chip in the oxide layer 3, a recess 15 is provided which is spaced from the differential pressure measuring diaphragm 11 and which faces away from the carrier 1 from a region of the composite of silicon layer 5 and forming a system pressure measuring diaphragm 17 Insulating layer 7 is completed. The system pressure p sys to be measured is supplied to the side facing away from the carrier 1 side of the system pressure measuring diaphragm 17, and causes a system pressure p sys dependent deflection thereof. For detecting this deflection, at least one piezoresistive element 19 is likewise provided, that is arranged on the side of the insulating layer 7 of the system pressure measuring membrane 17 facing away from the recess 15.
[0111] Auch hier bewirkt die Isolierschicht 7 eine elektrische Isolierung der piezoresistiven Elemente 19 gegenüber der darunter befindlichen Siliziumschicht 5, die es ermöglicht, den Drucksensor-Chip bei hohen Temperaturen, insb. bei Temperaturen von bis zu 250°C, einzusetzen.Again, the insulating layer 7 causes an electrical insulation of the piezoresistive elements 19 with respect to the underlying silicon layer 5, which makes it possible to use the pressure sensor chip at high temperatures, esp. At temperatures up to 250 ° C.
[0112] Vorzugsweise sind auch hier mehrere piezoresisitive Elemente 19 vorgesehen, die miteinander zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet sind. Fig. 3 zeigt vier hier lediglich schematisch dargestellte piezoresistive Elemente 19, die durch eine, in den Figuren nicht dargestellte Verschaltung zu einer Wheatstone-Brücke zusammen gefasst sind. Auch hier kann der von der Temperatur abhängige innere Widerstand der Wheatstone-Brücke erfasst und zur Bestimmung der Temperatur, der der Drucksensor-Chip ausgesetzt ist herangezogen werden. In der Regel genügt es die Temperatur anhand eines der beiden auf dem Drucksensor-Chip integrierten Drucksensoren zur bestimmen und für alle gewünschten Kompensationen von temperatur-abhängigen Messfehlern heranzuziehen.Preferably, a plurality of piezoresistive elements 19 are also provided here, which are interconnected to form a Wheatstone bridge. FIG. 3 shows four piezoresistive elements 19, which are shown here only schematically, and which are connected together by a connection, not shown in the figures, to form a Wheatstone bridge. Again, the temperature dependent internal resistance of the Wheatstone bridge can be detected and used to determine the temperature to which the pressure sensor chip is exposed. As a rule, it is sufficient to determine the temperature on the basis of one of the two pressure sensors integrated on the pressure sensor chip and for all desired compensations of temperature-dependent measuring errors.
[0113] Vorzugsweise ist in dem Drucksensor-Chip ein durch die Oxidschicht 3, die Siliziumschicht 5 und die Isolierschicht 7 verlaufender Schnitt 21 vorgesehen, durch den die Differenzdruckmessmembran 11 mechanisch von der Systemdruckmessmembran 17 entkoppelt ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schnitt 21 ein Längsschnitt, der die beiden Bereiche I, Il des Drucksensor-Chips voneinander trennt und bis in den Träger 1 hinein führt.Preferably, in the pressure sensor chip a through the oxide layer 3, the silicon layer 5 and the insulating layer 7 extending section 21 is provided, through which the differential pressure measuring diaphragm 11 is mechanically decoupled from the system pressure measuring diaphragm 17. In the illustrated embodiment, the section 21 is a longitudinal section, which separates the two regions I, Il of the pressure sensor chip from each other and leads into the carrier 1 into it.
[0114] Die Systemdruckmessmembran 17 weist eine in deren Mitte angeordnete zylindrische Öffnung auf, die durch einen Stopfen 23 aus einem Isolator verschlossen ist. Der Stopfen 23 reicht durch die Öffnung und die Ausnehmung 15 in der Oxidschicht 3 hindurch bis zum Träger 1 und bildet einen Abstandshalter zwischen dem Träger 1 und der Systemdruckmessmembran 17. Durch diesen Stopfen 23 wird die Systemdruckmessmembran 17 zu einer steifen Ringmembran, die auch bei geringen Membrandicken in der Lage ist, sehr hohe Systemdrücke, beispielsweise Systemdrücke von mehr als 100 bar, aufzunehmen. Dies bietet den Vorteil, dass die Dicken der Differenzdruckmessmembran 11 und der Systemdruckmessmembran 17 bis auf die Dicke der Oxidschicht 5 auch dann identisch sein können, wenn die Differenzdruckmessmembran 11 für niedrige Differenzdrücke, insb. für Differenzdrücke von weniger als 30 mbar, ausgelegt ist und die Systemdruckmessmembran 17 für die Erfassung hoher Systemdrücke, insb. von Systemdrücken von bis zu 100 bar, ausgelegt ist. Hierzu kann beispielsweise bei einer Membrandicke für Differenzdruck- und Systemdruckmessmembran in der Größenordnung von 10 μm eine Differenzdruckmessmembran 11 mit einer Größe von 4 mm x 4 mm mit einer Systemdruckmessmembran 17 mit einem Durchmesser von 0,5 mm kombiniert werden.The system pressure measuring diaphragm 17 has a cylindrical opening disposed in the center thereof, which is closed by a plug 23 made of an insulator. The plug 23 extends through the opening and the recess 15 in the oxide layer 3 through to the carrier 1 and forms a spacer between the carrier 1 and the system pressure measuring diaphragm 17. Through this plug 23, the system pressure measuring diaphragm 17 is a rigid annular membrane, which is also at low Membrane thickness is able to take very high system pressures, for example system pressures of more than 100 bar. This offers the advantage that the thicknesses of the differential pressure measuring diaphragm 11 and the system pressure measuring diaphragm 17 can be identical even up to the thickness of the oxide layer 5, if the differential pressure measuring diaphragm 11 is designed for low differential pressures, especially for differential pressures of less than 30 mbar, and System pressure measuring diaphragm 17 for the detection of high system pressures, esp. Of system pressures of up to 100 bar, is designed. For this purpose, for example, in the case of a membrane thickness for differential pressure and system pressure measuring diaphragm in the order of magnitude of 10 μm, a differential pressure measuring diaphragm 11 with a size of 4 mm × 4 mm can be combined with a system pressure measuring diaphragm 17 with a diameter of 0.5 mm.
[0115] Vorzugsweise ist auf der vom Träger 1 abgewandten Oberseite des Drucksensor-Chips eine Elektronik 25 angeordnet, an die die piezoresistiven Elemente 13 zur Messung des Differenzdrucks und die piezoresistiven Elemente 19 zur Messung des Systemdrucks angeschlossen sind. Im einfachsten Fall ist diese Elektronik 25 eine einfache Verstärkerschaltung, die die Messsignale für eine weitere Verarbeitung und/oder Auswertung aufbereitet und über einen entsprechenden Ausgang zur Verfügung stellt. Sie kann aber auch weitere Signalverarbeitungs- und/oder Auswertungsschaltungen enthalten. Beispiele hierfür sind eine Schaltung, die die Temperatur der der Chip ausgesetzt ist, anhand des Innenwiderstandes der Wheatstonebrücke ableitet, sowie Schaltungen zur Kompensation von temperatur-abhängigen Messfehlern der beiden Sensoren und Schaltungen zur Kompensation eines vom Systemdruck abhängigen Messfehlers des Differenzdrucksensors.Preferably, an electronics 25 is arranged on the side facing away from the carrier 1 top of the pressure sensor chip, to which the piezoresistive elements 13 for measuring the differential pressure and the piezoresistive elements 19 for measuring the system pressure are connected. In the simplest case, this electronics 25 is a simple amplifier circuit that processes the measurement signals for further processing and / or evaluation and provides them via a corresponding output. But it can also contain other signal processing and / or evaluation circuits. Examples include a circuit which is the temperature of the chip is exposed, based on the internal resistance of the Wheatstone bridge, and circuits for compensating temperature-dependent measurement errors of the two sensors and circuits for compensating a system pressure dependent measurement error of the differential pressure sensor.
[0116] Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensor-Chips. Dies ist nachfolgend anhand des in den Figuren 2 und 3 dargestellten Drucksensor-Chips zur Messung des Differenzdrucks und des Systemdrucks ausführlich erläutert. Da der Drucksensor-Chip von Fig. 1 Bestandteil dieser Ausführungsform ist, enthält diese Beschreibung zugleich die Beschreibung des entsprechenden Herstellungsverfahrens für den in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Drucksensor-Chip, der ausschließlich den Differenzdrucksensor umfasst. Die Herstellung dieses Drucksensor-Chips ist daher nicht noch einmal separat aufgeführt.The invention further comprises a method for producing a pressure sensor chip according to the invention. This is explained in detail below with reference to the pressure sensor chip shown in FIGS. 2 and 3 for measuring the differential pressure and the system pressure. Since the pressure sensor chip of FIG. 1 is part of this embodiment, this description also contains the description of the corresponding manufacturing method for the pressure sensor chip according to the invention shown in FIG. 1, which exclusively comprises the differential pressure sensor. The production of this pressure sensor chip is therefore not listed again separately.
[0117] Der erfindungsgemäße Drucksensor-Chip ist ein Halbleiter-Chip auf Siliziumbasis, der unter Verwendung von Silicon-on-lnsulator (SOI) Technologie hergestellt wird. Als Ausgangsmaterial dient dabei ein handelsüblicher BESOI-Wafer (Bonded and etchback Silicon on insulator). BESOI-Wafer werden aus zwei oxidierten Silizium-Wafern hergestellt, die gegeneinander ausgerichtet und unter Druck und hoher Temperatur gebonded werden. Hierdurch entsteht ein in Fig. 4 dargestellter dreischichtiger Wafer, der eine erste und eine zweite Siliziumschicht aufweist. Beide Schichten weisen beispielsweise eine negative Dotierung auf und sind in Fig. 4 mit n-Si1 und n-Si2 bezeichnet. Die negative Dotierung kann beispielsweise durch Phosphor erzielt werden. Alternativ können die beiden Schichte aber auch eine positive Dotierung oder gar keine Dotierung aufweisen.The pressure sensor chip of the present invention is a silicon based semiconductor chip fabricated using silicon-on-insulator (SOI) technology. The starting material is a commercially available BESOI wafer (bonded and etched silicon on insulator). BESOI wafers are made from two oxidized silicon wafers, which are aligned and bonded under pressure and high temperature. This results in a three-layer wafer shown in FIG. 4, which has a first and a second silicon layer. Both layers have, for example, a negative doping and are designated in FIG. 4 with n-Si1 and n-Si2. The negative doping can be achieved for example by phosphorus. Alternatively, the two layers but also a positive doping or even have no doping.
[0118] Zwischen der ersten und der zweiten Siliziumschicht n-Si1 , n-Si2 befindet sich die Oxidschicht 3. Die unter der Bezeichnung BOX (buried oxide layer) bekannte vergrabene Oxidschicht 3 hat eine Dicke von wenigen nm bis zu wenigen μm und besteht beispielsweise aus Siliziumdioxid SiO2.Between the first and the second silicon layer n-Si1, n-Si2 is the oxide layer 3. The known under the name BOX (buried oxide layer) buried oxide layer 3 has a thickness of a few nm to a few microns and consists for example made of silicon dioxide SiO 2 .
[0119] Dieser Verbund wird von einer Seite abgedünnt und poliert. Die abgedünnte polierte Seite, hier die zweite Schicht n-Si2, wird in der englischsprachigen Fachwelt z.B. als Silicon overlayer (SOL) bezeichnet und kann eine Dicke von einigen nm bis zu einigen μm aufweisen. Die Dicke dieser Schicht kann mit heutigen Herstellungsverfahren bereits sehr genau und gleichmäßig und mit hoher Reproduzierbarkeit hergestellt werden.This composite is thinned and polished from one side. The thinned polished side, here the second layer n-Si2, is described in the English-speaking art e.g. referred to as silicone overlayer (SOL) and may have a thickness of a few nm to a few microns. The thickness of this layer can already be produced very accurately and uniformly and with high reproducibility using today's production methods.
[0120] Die erste Siliziumschicht n-Si1 bildet den Träger 1 des Drucksensor-Chips.The first silicon layer n-Si1 forms the carrier 1 of the pressure sensor chip.
[0121] Nachfolgend wird in der abgedünnten polierten zweiten Siliziumschicht n-Si2 durch Implantation von Ionen und anschließendes Tempern die Isolierschicht 7 und ein darüber liegender dünner monokristalliner die Isolierschicht 7 abdeckender Siliziumfilm 27 erzeugt. Die Implantation der Ionen ist in Fig. 5 durch Pfeile dargestellt. Hierzu werden beispielsweise Sauerstoff- oder Stickstoffionen mit starker Dosis, insb. einer Dosis von 10 16 bis 1018 Ionen/cm2, in das n-dotierte monokristalline Silizium der {100} - Orientierung der zweiten Siliziumschicht n-Si2 implantiert. Die Implantationsenergie liegt vorzugsweise zwischen 100 keV und 1000 keV. Anschließend wird die Struktur bei einer Temperatur von 1150°C bis 1400°C getempert. Implantation und anschließende Temperung können mehrfach wiederholt werden. Dies führt zur Bildung einer auf der Siliziumschicht 5 angeordneten Isolierschicht 7 aus Siliziumdioxid bzw. Siliziumnitrid, die von dem dünnen Siliziumfilm 27 abgedeckt ist. Die Sauerstoff-Implantation ist unter der englischen Bezeichnung Separation by implantation of oxygen (SIMOX) bekannt. Die SIMOX-Technologie ermöglicht es, den dünnen Siliziumfilm 27 mit einer bis auf 5 nm genau einstellbaren und reproduzierbaren Dicke herzustellen. Die Dicke des Siliziumfilms 27 beträgt vorzugsweise weniger als 500 nm.Subsequently, in the thinned polished second silicon layer n-Si 2, by implanting ions and then annealing, the insulating layer 7 and an overlying thin monocrystalline silicon film 27 covering the insulating layer 7 are formed. The implantation of the ions is shown in FIG. 5 by arrows. For this purpose, for example, oxygen or nitrogen ions with a high dose, esp. A dose of 10 16 to 10 18 ions / cm 2 , in the n-doped monocrystalline silicon {100} - orientation of the second silicon layer n-Si2 implanted. The implantation energy is preferably between 100 keV and 1000 keV. Subsequently, the structure is tempered at a temperature of 1150 ° C to 1400 ° C. Implantation and subsequent annealing can be repeated several times. This results in the formation of an insulating layer 7 of silicon dioxide or silicon nitride arranged on the silicon layer 5, which is covered by the thin silicon film 27. Oxygen implantation is known by the name Separation by implantation of oxygen (SIMOX). The SIMOX technology makes it possible to produce the thin silicon film 27 with a thickness which can be precisely set and reproduced to within 5 nm. The thickness of the silicon film 27 is preferably less than 500 nm.
[0122] In einem nächsten Schritt werden aus dem dünnen Siliziumfilm 27 die piezoresistiven Elemente 13, 19 erzeugt. Dies geschieht vorzugsweise, indem der Siliziumfilm 27 in einem ersten Arbeitsgang durch Implantation von Ionen dotiert wird. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel mit einer negativ dotierten Siliziumschicht 5 wird im auf der Isolierschicht 7 befindlichen Siliziumfilm 27 eine positive Dotierung vorgenommen. Diese kann beispielsweise, wie in Fig. 6 symbolisch durch Pfeile dargestellt, durch die Implantation von Bor erfolgen. Hierdurch entsteht aus dem dünnen Siliziumfilm 27 eine homogene Schicht 29 mit gleichmäßiger positiver Dotierung.In a next step, the thin silicon film 27 becomes the piezoresistive elements 13, 19 generates. This is preferably done by doping the silicon film 27 in a first operation by implantation of ions. In the described embodiment with a negatively doped silicon layer 5, a positive doping is carried out in the silicon film 27 located on the insulating layer 7. This can be done, for example, as shown in Fig. 6 symbolically by arrows, by the implantation of boron. This results in the thin silicon film 27, a homogeneous layer 29 with uniform positive doping.
[0123] Wurde alternativ eine positiv dotierte Siliziumschicht verwendet, so wird bei der Erzeugung der piezoresisitiven Elemente aus dem dünnen Siliziumfilm 27 eine homogene Schicht mit gleichmäßiger negativer Dotierung erzeugt. Bei einer undotierten Siliziumschicht kann sowohl eine positive als auch eine negative Dotierung der Schicht verwendet werden. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass Drucksensoren mit positiv dotierten piezoresistiven Elementen auf negativ dotierten Substraten einen geringeren Linearitätsfehler aufweisen, und deshalb zu bevorzugen sind.Alternatively, if a positively doped silicon layer was used, a homogeneous layer with uniform negative doping is generated when the piezoresistive elements are produced from the thin silicon film 27. For an undoped silicon layer, both a positive and a negative doping of the layer can be used. Investigations have shown, however, that pressure sensors with positively doped piezoresistive elements on negatively doped substrates have a lower linearity error, and are therefore to be preferred.
[0124] Im Anschluss an die Dotierung wird eine Strukturierung der homogenen Schicht 29 vorgenommen, bei der ausschließlich die als piezoresistive Elemente 13, 19 dienen Bereiche der Schicht 29 auf der Isolierschicht 7 verbleiben. Die übrigen Bereiche der Schicht 29 werden bei der Strukturierung entfernt. Die Strukturierung erfolgt beispielsweise mittels Trockenätzung. Hierzu eignet sich z.B. eine Plasmaätzung, wie sie beispielsweise unter der englischen Bezeichnung Reactive Ion Etching (RIE) bekannt ist. Die auf der Isolierschicht 7 verbleibenden piezoresistiven Elemente 13, 19 sind in Fig. 7 dargestellt. Die Temperaturkoeffizienten der Widerstände dieser piezoresistiven Elemente 13, 19 und die Temperaturkoeffizienten der piezoresisitiven Konstanten der piezoresistiven Elemente 13, 19 sind maßgeblich durch die für die letzte Implantation, hier des Bors, verwendete Dosis bestimmt. Vorzugsweise werden die Abmessungen der piezoresisitiven Elemente 13, 19 in Abhängigkeit von diesen Parametern gewählt. Hierdurch kann gezielt ein gewünschter Widerstandswert der piezoresisitven Element 13, 19 eingestellt werden. Die zwischen den p-dotierten piezoresistiven Elementen 13, 19 und der n-dotierten Siliziumschicht 5 angeordnete Isolierschicht 7 bewirkt eine sehr effektive und vor allem auch bei hohen Temperaturen wirksame Isolierung der piezoresistiven Elemente 13, 19. Aufgrund dieser Isolierung ist es möglich, den erfindungemäßen Drucksensor-Chip bei sehr hohen Temperaturen, insb. bei Temperaturen von bis zu 250°C und mehr, einzusetzen. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Isolierung sogar Temperaturen von bis zu 400°C stand hält.After the doping, a structuring of the homogeneous layer 29 is carried out, in which only the areas of the layer 29 serving as piezoresistive elements 13, 19 remain on the insulating layer 7. The remaining areas of the layer 29 are removed during structuring. The structuring takes place for example by means of dry etching. For this purpose, for example, a plasma etching, as it is known for example under the name Reactive Ion Etching (RIE). The remaining on the insulating layer 7 piezoresistive elements 13, 19 are shown in Fig. 7. The temperature coefficients of the resistances of these piezoresistive elements 13, 19 and the temperature coefficients of the piezoresistive constants of the piezoresistive elements 13, 19 are decisively determined by the dose used for the last implantation, here the boron. Preferably, the dimensions of the piezoresistive elements 13, 19 are selected as a function of these parameters. As a result, a desired resistance of the piezoresistive element 13, 19 can be targeted be set. The insulating layer 7, which is arranged between the p-doped piezoresistive elements 13, 19 and the n-doped silicon layer 5, effects a very effective insulation of the piezoresistive elements 13, 19 that is effective even at high temperatures. Because of this insulation, it is possible to use the invention Pressure sensor chip at very high temperatures, especially at temperatures of up to 250 ° C and more to use. Investigations have shown that the insulation even withstands temperatures of up to 400 ° C.
[0125] In einem nächsten, in Fig. 8 dargestellten, Arbeitsgang wird dieIn a next operation illustrated in FIG. 8, the
Differenzdruckmessmembran 11 hergestellt. Hierzu wird in den Träger 1 die Ausnehmung 9 eingeätzt. Hierzu kann beispielsweise ein anisotropes nasschemisches Ätzverfahren, insb. unter Verwendung einer KOH-Ätzlösung, eingesetzt werden. Dabei dient die vergrabenen Oxidschicht 3 des BESOI-Wafers als zuverlässiger Ätzstopp. Dies bietet den Vorteil, dass die Differenzdruckmessmembranen 11 zuverlässig und reproduzierbar mit einer vorgegebenen Dicke herstellbar sind, und die Dicke der Differenzdruckmembranen 11 über deren Gesamtfläche nur geringste Toleranzen, insb. Dickenabweichungen von weniger als einem μm, aufweist. Dünnere Differenzdruckmessmembranen 11 liefern dabei bei gleicher Größe eine höhere Empfindlichkeit. Es besteht damit aufgrund der erzielbaren Genauigkeit bei der Herstellung der Membrandicke die Möglichkeit, bei einer bestimmten erforderlichen Empfindlichkeit die Differenzdruckmessmembran 11 dünner und auch kleiner herzustellen, und dadurch eine Kostenersparnis zu erzielen.Differential pressure measuring diaphragm 11 produced. For this purpose, the recess 9 is etched into the carrier 1. For this purpose, for example, an anisotropic wet-chemical etching method, in particular using a KOH etching solution, can be used. The buried oxide layer 3 of the BESOI wafer serves as a reliable etch stop. This offers the advantage that the differential pressure measuring membranes 11 can be produced reliably and reproducibly with a predetermined thickness, and the thickness of the differential pressure membranes 11 has only the smallest tolerances, esp. Thickness deviations of less than one μm, over their total area. Thinner differential pressure measuring membranes 11 provide a higher sensitivity for the same size. Due to the achievable precision in the production of the membrane thickness, it is thus possible to produce the differential pressure measuring membrane 11 thinner and also smaller, with a certain required sensitivity, and thereby to achieve a cost saving.
[0126] Durch den Ätzvorgang wird der die Differenzdruckmessmembran 11 bildenden Bereich des daran angrenzenden Verbundes aus Oxidschicht 3, Siliziumschicht 5 und Isolierschicht 7 freilegt. Im Messbetrieb wird eine von einem darauf einwirkenden Differenzdruck abhängige Auslenkung der Differenzdruckmessmembran 11 , wie bereits eingangs im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Drucksensor-Chip anhand von Fig. 2 beschrieben, durch mindestens eines der piezoresistives Element 13 erfasst, dass auf der von der Ausnehmung 9 abgewandten Seite der Differenzdruckmessmembran 11 angeordnet ist. Das gleiche gilt natürlich auch für den in Fig. 1 dargestellten Drucksensor-Chip.As a result of the etching process, the region of the adjacent composite of oxide layer 3, silicon layer 5 and insulating layer 7 that forms the differential pressure measuring diaphragm 11 is uncovered. In measuring operation, a deflection of the differential pressure measuring membrane 11 which is dependent on a differential pressure acting thereon is detected by at least one of the piezoresistive element 13 as described above in connection with the pressure sensor chip according to the invention with reference to FIG. 2, that on the side facing away from the recess 9 Side of the differential pressure measuring diaphragm 11 is arranged. The same is true, of course also for the pressure sensor chip shown in Fig. 1.
[0127] Nachfolgend wird im zweiten Bereich Il der Systemdrucksensor erzeugt.Subsequently, the system pressure sensor is generated in the second area II.
[0128] Dabei werden unter anderem Verfahrensschritte ausgeführt, wie sie in ähnlicher Form in der US-A 5,510,276 beschrieben sind. Die US-A 5, 510, 276 betrifft einen piezoresisitiver Drucksensor-Chip und ein zugehöriges Herstellungsverfahren. Ausgangsmaterial ist dort ein Siliziumsubstrat mit negativer Dotierung, in dessen Oberseite durch eine Implantation von Sauerstoffionen und anschließendes Tempern eine Oxidschicht eingebracht wird, die von einem Siliziumfilm überdeckt ist. Auf dem Siliziumfilm wird epitaktisch eine weitere Siliziumschicht mit negativer Dotierung abgeschieden. Anschließend werden die piezoresistiven Elemente erzeugt, indem in den Bereichen der weiteren Siliziumschicht, die nachfolgend die piezoresisitiven Elemente bilden, eine auf diese Bereiche begrenzte positive Dotierung, z.B. durch Bor, eingebracht wird. Damit besteht ein pn-Übergang zwischen den piezoresistiven Elementen und der weiteren Siliziumschicht. Anschließend wird eine Öffnung erzeugt, die durch die weitere Siliziumschicht und den Siliziumfilm hindurch zur Oxidschicht führt. Durch diese Öffnung hindurch wird in die Oxidschicht eine Ausnehmung eingeätzt, die auf deren vom Substrat abgewandten Seite von einem die Absolutdruckmessmembran bildenden Bereich des Verbundes aus der Siliziumschicht und der weiteren Siliziumschicht abgeschlossen ist. Anschließend wird die Öffnung unter Vakuum durch eine Abscheidung eines Materials verschlossen, wobei aus dem Material ein Stopfen aufgebaut wird, der durch die Öffnung und die Ausnehmung in der Oxidschicht hindurch bis zum Substrat reicht und einen Abstandshalter zwischen dem Substrat und der Absolutdruckmessmembran bildet. Es ist beschrieben, den Stopfen aus aufeinander abgeschiedenen Schichten aus Siliziumdioxid (SiO2) und Siliziumnitrid (Si3N4) aufzubauen.Among other things, process steps are carried out as described in similar form in US-A 5,510,276. US-A 5 510 276 relates to a piezoresistive pressure sensor chip and related manufacturing method. Starting material there is a silicon substrate with negative doping, in the top side by an implantation of oxygen ions and subsequent annealing an oxide layer is introduced, which is covered by a silicon film. On the silicon film is epitaxially deposited another silicon layer with negative doping. Subsequently, the piezoresistive elements are produced by forming in the regions of the further silicon layer, which subsequently form the piezoresistive elements, a positive doping limited to these regions, e.g. by boron, is introduced. This results in a pn junction between the piezoresistive elements and the further silicon layer. Subsequently, an opening is created which leads through the further silicon layer and the silicon film to the oxide layer. Through this opening, a recess is etched into the oxide layer, which is closed on its side facing away from the substrate from an absolute pressure measuring diaphragm forming region of the composite of the silicon layer and the further silicon layer. Subsequently, the opening is sealed under vacuum by deposition of a material, wherein a plug is built from the material, which extends through the opening and the recess in the oxide layer to the substrate and forms a spacer between the substrate and the absolute pressure measuring diaphragm. It is described to construct the plug of successively deposited layers of silicon dioxide (SiO 2) and silicon nitride (Si 3 N 4).
[0129] Bei dem hier beschriebenen erfindungsgemäßen Drucksensor-Chip wird in einem von der Differenzdruckmessmembran 11 beabstandeten Bereich Il des Drucksensor-Chip eine zylindrische Öffnung 28 erzeugt, die die Isolierschicht 7 und die Siliziumschicht 5 durchdringt. Dies ist in Fig. 9 dargestellt. Die Öffnung 28 wird mittig zwischen die zur Messung des Systemdrucks psys vorgesehenen piezoresistiven Elemente 19 angeordnet. Zur Herstellung der Öffnung 28 eignen sich z.B. klassische Fotolithographieverfahren die bevorzugt in Verbindung mit einer Plasmaätzung oder einer lonenätzung, beispielsweise einer reactive ion etching (RIE), angewandt werden. Dabei dient die die vergrabene Oxidschicht 3 des BESOI Wafers, genau wie bei der Erzeugung der die Differenzdruckmessmembran 11 freilegenden Ausnehmung 9, als Ätzstopp.In the case of the pressure sensor chip according to the invention described here, a cylindrical opening 28 is created in a region II of the pressure sensor chip which is at a distance from the differential pressure measuring diaphragm 11 and penetrates the insulating layer 7 and the silicon layer 5. This is shown in FIG. 9. The opening 28 is centered between the for measuring the System pressure p sys provided piezoresistive elements 19 arranged. For example, classical photolithography methods which are preferably used in conjunction with a plasma etching or an ion etching, for example a reactive ion etching (RIE), are suitable for the production of the opening 28. In this case, the buried oxide layer 3 of the BESOI wafer, just as in the generation of the differential pressure measuring membrane 11 exposing recess 9, serves as an etch stop.
[0130] In einem nächsten Arbeitsgang wird durch die Öffnung 28 hindurch eine von der Differenzdruckmessmembran 11 beabstandete Ausnehmung 29 in die Oxidschicht 3 eingeätzt. Dabei bildet die Oxidschicht 3 in diesem Bereich eine Opferschicht, die vorzugsweise mittels einer selektiven Ätzlösung, z.B. auf der Basis von Flusssäure (HF), entfernt wird. Diese seitliche Ätzung ist vollkommen reproduzierbar und hat eine Geschwindigkeit in der Größenordnung von 1 μm/min bei Raumtemperatur. Die Ausnehmung 29 ist auf deren vom Träger 1 abgewandten Seite von einem die Systemdruckmessmembran 17 bildenden Bereich des Verbundes aus Siliziumschicht 5 und Isolierschicht 7 abgeschlossen. Im Messbetrieb wird eine von einem auf die Systemdruckmessmembran 17 einwirkenden Systemdruck psys abhängige Auslenkung durch die piezoresistiven Element 19 erfasst, die auf der von der Ausnehmung 29 abgewandten Seite der Isolierschicht 7 der Systemdruckmessmembran 17 angeordnet sind.In a next operation, a recess 29 spaced from the differential pressure measuring diaphragm 11 is etched into the oxide layer 3 through the opening 28. In this case, the oxide layer 3 forms a sacrificial layer in this area, which is preferably removed by means of a selective etching solution, for example based on hydrofluoric acid (HF). This lateral etching is perfectly reproducible and has a speed of the order of 1 μm / min at room temperature. The recess 29 is on its side facing away from the carrier 1 side of a system pressure measuring membrane 17 forming region of the composite of silicon layer 5 and insulating layer 7 completed. In measuring operation, a deflection which is dependent on a system pressure p sys acting on the system pressure measuring diaphragm 17 is detected by the piezoresistive element 19, which are arranged on the side of the insulating layer 7 of the system pressure measuring diaphragm 17 facing away from the recess 29.
[0131] Abschließend wird die Ausnehmung 29 evakuiert und die Öffnung 28 unter Vakuum verschlossen. Vorzugsweise wird die Öffnung 28 durch eine Abscheidung eines Materials verschlossen, wobei aus dem Material ein Stopfen 31 aufgebaut wird, der durch die Öffnung 28 und die Ausnehmung 29 in der Oxidschicht 5 hindurch bis zum Träger 1 reicht . Der Stopfen 31 verschließt die Öffnung 28 hermetisch dicht und bildet einen Abstandshalter zwischen dem Träger 1 und der Systemdruckmessmembran 17. Durch den Stopfen 31 wird aus der Systemdruckmessmembran 11 eine steife Ringmembran. Hierdurch ist es möglich auch mit vergleichsweise dünnen Systemdruckmessmembranen 11 hohe statische Drücke von bis zu 100 bar zu erfassen.Finally, the recess 29 is evacuated and the opening 28 is closed under vacuum. Preferably, the opening 28 is closed by a deposition of a material, wherein from the material, a plug 31 is constructed, which extends through the opening 28 and the recess 29 in the oxide layer 5 through to the carrier 1. The plug 31 hermetically seals the opening 28 and forms a spacer between the carrier 1 and the system pressure measuring diaphragm 17. The plug 31 turns the system pressure measuring diaphragm 11 into a rigid annular diaphragm. This makes it possible even with relatively thin system pressure measuring membranes 11 to detect high static pressures of up to 100 bar.
[0132] Das Material ist vorzugsweise ein isolierendes Material, wie z. B.The material is preferably an insulating material, such as. B.
Siliziumdioxid (SiO2), Siliziumnitrid (Si3N4) oder Siliziumoxinitrd (SION). Vorzugsweise wird der Stopfen 31 aus aufeinander aufgebrachten Schichten aus Siliziumdioxid (SiO2) und Siliziumnitrid (Si3N4) aufgebaut. Die Abscheidung des Materials bzw. der Materialschichten erfolgt vorzugsweise durch chemische Gasphasenabscheidungen unter Vakuum (low pressure chemical vapor deposition (LPCVD)) oder durch Plasma unterstützte chemische Gasphasenabscheidungen (Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)). Dabei können beispielsweise klassische Fotolitographieverfahren eingesetzt werden, um die Abscheidung auf den Bereich der Öffnung 28 zu begrenzen.Silicon dioxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ) or silicon oxynitride (SION). Preferably, the plug 31 is made up of layers of silicon dioxide (SiO 2 ) and silicon nitride (Si 3 N 4 ) deposited on one another. The deposition of the material or the material layers is preferably carried out by chemical vapor deposition under vacuum (LPCVD) or by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). In this case, for example, classic photolithographic methods can be used to limit the deposition to the region of the opening 28.
[0133] Vorzugsweise wird mindestens ein Abscheidungsvorgang vorgenommen, bei dem mindestens eine Schicht 33 aus einem isolierendes Material auf der vom Träger 1 abgewandten Oberfläche des Drucksensor-Chips mit den darauf befindlichen piezoresisitiven Elementen 13, 19 abgeschieden wird. Dabei wird vorzugsweise ein kleiner Bereich 34 in der unmittelbaren Umgebung jedes piezoresistiven Elementes 13, 19 ausgespart, in dem nachfolgend eine elektrische Kontaktierung der piezoresistiven Elemente 13,19 erfolgen kann. Die Bereiche 34 können z.B. durch entsprechende fotolithographischen Verfahren mittels entsprechend ausgeformter Masken während der Abscheidung abgedeckt werden, die dann nachfolgend wieder entfernt werden. Grundsätzlich wäre es auch möglich, den gesamten Chip mit der Schicht zu versehen, und diese in den Bereichen 34 nachfolgend zu entfernen. Dies kann jedoch je nach Material mit Schwierigkeiten verbunden sein und unter Umständen zu einer Beschädigung der Oberfläche des Chips in den betroffenen Bereichen 34 führen.Preferably, at least one deposition process is carried out in which at least one layer 33 of an insulating material is deposited on the surface of the pressure sensor chip facing away from the carrier 1 with the piezoresisitive elements 13, 19 thereon. In this case, a small area 34 is preferably recessed in the immediate vicinity of each piezoresistive element 13, 19, in which subsequently an electrical contacting of the piezoresistive elements 13, 19 can take place. The regions 34 may be e.g. be covered by corresponding photolithographic processes by means of appropriately shaped masks during the deposition, which are then subsequently removed again. In principle, it would also be possible to provide the entire chip with the layer, and to subsequently remove these in the areas 34. However, this may be difficult depending on the material and may result in damage to the surface of the chip in the affected areas 34.
[0134] Die großflächige Abscheidung der Schicht 33 auf der Chip-Oberfläche bietet den Vorteil, dass sie eine primäre Passivierung der Chip-Oberfläche und insb. der piezoresistiven Elemente 13, 19 bewirkt. Die Passivierung bildet einen Schutz der piezoresisitiven Elemente 13, 19 vor Feuchtigkeit und verhindert zugleich einen Ladungstransport auf der Oberfläche des Drucksensor-Chips. Vorzugsweise wird zur Erzeugung der Schicht 33 Siliziumnitrid (Si3N4) oder Siliziumoxinitrd (SION) verwendet. Diese Materialien bieten den Vorteil, dass sie eine zusätzliche Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung bewirken. Die Schicht 33 weist vorzugsweise eine Dicke von mehr als 50 nm auf. Idealer Weise liegt die Dicke der Schicht 33 zwischen 80 nm und 100 nm.The large-area deposition of the layer 33 on the chip surface has the advantage that it causes a primary passivation of the chip surface and esp. The piezoresistive elements 13, 19. The passivation forms a protection of the piezoresistive elements 13, 19 from moisture and at the same time prevents a charge transport on the surface of the Pressure sensor chips. Preferably, silicon nitride (Si 3 N 4 ) or silicon oxynitride (SION) is used to form the layer 33. These materials offer the advantage of providing additional shielding from electromagnetic radiation. The layer 33 preferably has a thickness of more than 50 nm. Ideally, the thickness of the layer 33 is between 80 nm and 100 nm.
[0135] Anschließend wird auf dem Drucksensor-Chip eine Metallisierung 35 aufgebracht, durch die eine elektrische Verschaltung der piezoresisistiven Elemente 13, 19 bewirkt wird und Kontaktpads zur Kontaktierung der verschalteten Elemente 13, 19 erzeugt werden. Die Kontaktierung erfolgt dabei in den zuvor bei der Abscheidung der Schicht 33 ausgesparten Bereichen 34. Dies ist in Fig. 12 dargestellt. Vorzugsweise wird für die Metallisierung 35 ein für den Einsatz bei hohen Temperaturen taugliches Kontaktierungs-Materialsystem wie z.B. TiWN/Au verwendet.Subsequently, a metallization 35 is applied to the pressure sensor chip, by which an electrical interconnection of the piezoresistive elements 13, 19 is effected and contact pads for contacting the interconnected elements 13, 19 are generated. The contacting takes place in the previously recessed in the deposition of the layer 33 areas 34. This is shown in Fig. 12. Preferably, for the metallization 35, a contacting material system suitable for use at high temperatures, such as e.g. TiWN / Au used.
[0136] In einem letzten Arbeitsgang wird dann in dem Drucksensor-Chip der oben bereits beschriebene Sägeschnitt 21 eingebracht, durch den die Differenzdruckmessmembran 11 mechanisch von der Systemdruckmessmembran 17 entkoppelt wird.In a final operation, the saw cut 21 already described above is then introduced into the pressure sensor chip, by means of which the differential pressure measuring diaphragm 11 is mechanically decoupled from the system pressure measuring diaphragm 17.
Tabelle 1Table 1
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[0137] [0137]

Claims

Ansprüche claims
1. 1. Drucksensor-Chip zur Messung eines Differenzdrucks mit1. 1. Pressure sensor chip for measuring a differential pressure with
- einem Träger (1) aus Silizium,a support (1) made of silicon,
- einer auf dem Träger (1) angeordneten Oxidschicht (3),- One on the support (1) arranged oxide layer (3),
- einer auf der Oxidschicht (3) angeordneten Siliziumschicht (5),a silicon layer (5) arranged on the oxide layer (3),
- einer auf der Siliziumschicht (5) angeordneten Isolierschicht (7), und- One on the silicon layer (5) arranged insulating layer (7), and
- einer in dem Träger (1) vorgesehenen Ausnehmung (9), die einen eine Differenzdruckmessmembran (11) bildenden Bereich des daran angrenzenden Verbundes aus Oxidschicht (3), Siliziumschicht (5) und Isolierschicht (7) freilegt,- One in the carrier (1) provided recess (9) which exposes a differential pressure measuring membrane (11) forming region of the adjoining composite of oxide layer (3), silicon layer (5) and insulating layer (7),
- deren von einem darauf einwirkenden Differenzdruck abhängige Auslenkung durch mindestens ein piezoresistives Element (13) erfasst wird, dass auf der von der Ausnehmung (9) abgewandten Seite der Isolierschicht (7) der Differenzdruckmessmembran (11) angeordnet ist.- Which is determined by a differential pressure acting thereon deflection by at least one piezoresistive element (13) that on the side facing away from the recess (9) side of the insulating layer (7) of the differential pressure measuring diaphragm (11) is arranged.
2. 2. Drucksensor-Chip nach Anspruch 1 , der zusätzlich einen als Systemdrucksensor ausgebildeten Bereich (II) aufweist, in dem2. 2. Pressure sensor chip according to claim 1, which additionally comprises a trained as a system pressure sensor area (II), in which
- auf dem Träger (1) aus Silizium die Oxidschicht (3) angeordnet ist,- On the support (1) made of silicon, the oxide layer (3) is arranged,
- auf der Oxidschicht (3) die Siliziumschicht (5) angeordnet ist,on the oxide layer (3) the silicon layer (5) is arranged,
- auf der Siliziumschicht (5) die Isolierschicht (7) angeordnet ist, und- On the silicon layer (5), the insulating layer (7) is arranged, and
- in der Oxidschicht (3) eine von der Differenzdruckmessmembran (11) beabstandete Ausnehmung (29) vorgesehen ist, die auf deren vom Träger (1) abgewandten Seite von einem eine Systemdruckmessmembran (17) bildenden Bereich des Verbundes aus Siliziumschicht (5) und Isolierschicht (7) abgeschlossen ist,- In the oxide layer (3) from the differential pressure measuring diaphragm (11) spaced recess (29) is provided on the side facing away from the carrier (1) side of a system pressure measuring membrane (17) forming region of the composite of silicon layer (5) and insulating layer (7) is completed,
- deren von einem darauf einwirkenden Systemdruck abhängige Auslenkung durch mindestens ein piezoresistives Element (19) erfasst wird, dass auf der von der Ausnehmung (29) abgewandten Seite der Isolierschicht (7) der Systemdruckmessmembran (17) angeordnet ist.- Which is determined by a system pressure acting thereon deflection by at least one piezoresistive element (19) that on the side facing away from the recess (29) side of the insulating layer (7) of the system pressure measuring diaphragm (17) is arranged.
3. 3. Drucksensor-Chip nach Anspruch 2, bei dem durch die Oxidschicht (3), die Siliziumschicht (5) und die Isolierschicht (7) ein Schnitt (21) verläuft, durch den die Differenzdruckmessmembran (11) mechanisch von der Systemdruckmessmembran (17) entkoppelt ist,3. Pressure sensor chip according to claim 2, in which through the oxide layer (3), the silicon layer (5) and the insulating layer (7) extends a section (21) through which the differential pressure measuring diaphragm (11) mechanically from the system pressure measuring membrane ( 17) is decoupled,
4. 4. Drucksensor-Chip nach Anspruch 2, bei dem - die Systemdruckmessmembran (17) eine in deren Mitte angeordnete zylindrische Öffnung (28) aufweist, und4. 4. Pressure sensor chip according to claim 2, wherein - The system pressure measuring diaphragm (17) has a cylindrical opening (28) arranged in its center, and
- diese Öffnung (28) durch einen Stopfen (31) verschlossen ist,- This opening (28) is closed by a plug (31),
-- der durch die Öffnung (28) und die Ausnehmung (29) in der Oxidschicht (3) hindurch bis zum Träger (1) reicht und einen Abstandshalter zwischen dem Träger (1) und der Systemdruckmessmembran (17) bildet.- which extends through the opening (28) and the recess (29) in the oxide layer (3) through to the carrier (1) and forms a spacer between the carrier (1) and the system pressure measuring diaphragm (17).
5. 5. Drucksensor-Chip nach Anspruch 1 oder 2, bei dem auf der vom Träger (1) abgewandten Oberseite des Drucksensor-Chips eine Elektronik (25) angeordnet ist, an die die auf der Isolierschicht (7) angeordneten piezoresistiven Elemente (13, 19) angeschlossen sind.5. 5. Pressure sensor chip according to claim 1 or 2, wherein on the side facing away from the carrier (1) top of the pressure sensor chip, an electronics (25) is arranged, to which on the insulating layer (7) arranged piezoresistive elements (13 , 19) are connected.
6. 6. Drucksensor-Chip nach Anspruch 5, bei dem die piezoresisitiven Elemente (13) zur Messung des Differenzdrucks und/oder die piezoresistiven Elemente (19) zur Messung des Systemdrucks jeweils zu eine Widerstandsbrücke zusammengeschaltet sind, und die Elektronik (25) dazu dient eine Temperatur, der der Drucksensor-Chip ausgesetzt ist, anhand eines Innenwiderstandes mindestens einer Widerstandsbrücke abzuleiten und für eine Kompensation temperaturabhängiger Messfehler zur Verfügung zu stellen.6. 6. pressure sensor chip according to claim 5, wherein the piezoresistive elements (13) for measuring the differential pressure and / or the piezoresistive elements (19) for measuring the system pressure are each connected together to form a resistance bridge, and the electronics (25) thereto is used to derive a temperature, which is exposed to the pressure sensor chip, based on an internal resistance of at least one resistance bridge and to provide compensation for temperature-dependent measurement errors.
7. 7. Verfahren zur Herstellung eines Drucksensor-Chips zur Messung eines Differenzdrucks, bei dem7. 7. A method of manufacturing a pressure sensor chip for measuring a differential pressure, wherein
- ein eine erste und eine zweite Siliziumschicht (n-Si1 , n-Si2) und eine dazwischen angeordnete Oxidschicht (3) aufweisenden BESOI Wafer verwendet wird,a BESOI wafer having a first and a second silicon layer (n-Si1, n-Si2) and an oxide layer (3) arranged therebetween is used,
- die erste Siliziumschicht (n-Si1) einen Träger (1) aus Silizium bildet,the first silicon layer (n-Si1) forms a carrier (1) made of silicon,
- in der zweiten Siliziumschicht (n-Si2) durch Implantation von Ionen und anschließendes Tempern eine Isolierschicht (7) erzeugt wird, die von einem darüber liegenden Siliziumfilm (27) abgedeckt ist,in the second silicon layer (n-Si 2), an insulating layer (7) is produced by implantation of ions and subsequent tempering, which is covered by an overlying silicon film (27),
- aus dem Siliziumfilm (27) piezoresisitive Elemente (13, 19) erzeugt werden,- From the silicon film (27) piezoresistive elements (13, 19) are generated,
- in dem Träger (1) eine Ausnehmung (9) eingeätzt wird, die einen eine Differenzdruckmessmembran (11) bildenden Bereich des daran angrenzenden Verbundes aus Oxidschicht (3), Siliziumschicht (5) und Isolierschicht (7) freilegt,- In the carrier (1) a recess (9) is etched exposing a differential pressure measuring membrane (11) forming region of the adjoining composite of oxide layer (3), silicon layer (5) and insulating layer (7),
- deren von einem darauf einwirkenden Differenzdruck abhängige Auslenkung durch mindestens eines der piezoresistives Element (13) erfasst wird, dass auf der von der Ausnehmung (9) abgewandten Seite der Isolierschicht (7) der Differenzdruckmessmembran (11) angeordnet ist.- whose deflection dependent on a differential pressure acting thereon by at least one of the piezoresistive element (13) is detected, that on the side facing away from the recess (9) side of the insulating layer (7) of the differential pressure measuring diaphragm (11) is arranged.
8. 8. Verfahren zur Herstellung eines Drucksensor-Chips gemäß Anspruch 7, bei dem8. 8. A method of manufacturing a pressure sensor chip according to claim 7, wherein
- in einem von der Differenzdruckmessmembran beabstandeten Bereich (II) des Drucksensor-Chip eine zylindrische Öffnung (28) erzeugt wird, die die Isolierschicht (7) und die Siliziumschicht (5) durchdringt,in a region (II) of the pressure sensor chip which is at a distance from the differential pressure measuring diaphragm, a cylindrical opening (28) is produced which penetrates through the insulating layer (7) and the silicon layer (5),
- durch die Öffnung (28) hindurch eine von der Differenzdruckmessmembran (11) beabstandete Ausnehmung (29) in die Oxidschicht (3) eingeätzt wird, die auf deren vom Träger (1) abgewandten Seite von einem eine Systemdruckmessmembran (17) bildenden Bereich des Verbundes aus Siliziumschicht (5) und Isolierschicht (7) abgeschlossen ist,- Through the opening (28) through one of the differential pressure measuring diaphragm (11) spaced recess (29) is etched into the oxide layer (3) on its side facing away from the carrier (1) side of a system pressure measuring membrane (17) forming region of the composite silicon layer (5) and insulating layer (7) is completed,
-- deren von einem darauf einwirkenden Systemdruck abhängige Auslenkung durch mindestens ein piezoresistives Element (19) erfasst wird, dass auf der von der Ausnehmung (29) abgewandten Seite der Isolierschicht (7) der Systemdruckmessmembran (17) angeordnet ist, und- Which is determined by a system pressure acting on it acting deflection by at least one piezoresistive element (19) that on the side facing away from the recess (29) side of the insulating layer (7) of the system pressure measuring diaphragm (17) is arranged, and
- die Öffnung (28) unter Vakuum verschlossen wird.- The opening (28) is closed under vacuum.
9. 9. Verfahren zur Herstellung eines Drucksensor-Chips gemäß Anspruch 7 oder 8, bei dem aus dem Siliziumfilm (27) piezoresisitive Elemente (13, 19) erzeugt werden, indem9. A method for producing a pressure sensor chip according to claim 7 or 8, wherein from the silicon film (27) piezoresistive elements (13, 19) are generated by
- der Siliziumfilm (27) durch Implantation von Ionen dotiert wird, und- The silicon film (27) is doped by implantation of ions, and
- eine Strukturierung des dotierten Siliziumfilms (29) vorgenommen wird, bei der ausschließlich die als piezoresistive Elemente (13, 19) dienen Bereiche des dotierten Siliziumfilms (29) auf der Isolierschicht (7) verbleiben.- A structuring of the doped silicon film (29) is made, in which only serve as the piezoresistive elements (13, 19) areas of the doped silicon film (29) remain on the insulating layer (7).
10. 10. Verfahren zur Herstellung eines Drucksensor-Chips gemäß Anspruch 8, bei dem die zylindrische Öffnung (28) unter Vakuum durch eine Abscheidung mindestens eines Materials verschlossen wird, wobei aus dem Material ein Stopfen (31) aufgebaut wird, der durch die Öffnung (28) und die Ausnehmung (29) in der Oxidschicht (3) hindurch bis zum Träger (1) reicht und einen Abstandshalter zwischen dem Träger (1) und der Systemdruckmessmembran (17) bildet.10. The method for manufacturing a pressure sensor chip according to claim 8, wherein the cylindrical opening (28) is sealed under vacuum by deposition of at least one material, wherein from the material, a plug (31) is constructed, which through the opening (28) and the recess (29) in the oxide layer (3) passes through to the carrier (1) and forms a spacer between the carrier (1) and the system pressure measuring diaphragm (17).
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem mindestens ein Abscheidungsvorgang vorgenommen, bei dem mindestens eine Schicht (33) aus einem isolierenden Material auf der vom Träger (1) abgewandten Oberfläche des Drucksensor-Chips mit den darauf befindlichen piezoresisitiven Elementen (13, 19) abgeschieden wird, die eine primäre Passivierung der Oberseite des Drucksensor-Chips und der darauf befindlichen piezoresistiven Elemente (13, 19) bewirkt. 11. The method according to claim 10, wherein at least one deposition process is carried out in which at least one layer (33) is deposited from an insulating material on the surface of the pressure sensor chip facing away from the carrier (1) with the piezoresistive elements (13, 19) thereon, which has a primary passivation of the upper side of the pressure sensor chip and of the piezoresistive elements (13, 13) thereon. 19) causes.
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