WO2016058744A1 - Drucksensor - Google Patents

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WO2016058744A1
WO2016058744A1 PCT/EP2015/070019 EP2015070019W WO2016058744A1 WO 2016058744 A1 WO2016058744 A1 WO 2016058744A1 EP 2015070019 W EP2015070019 W EP 2015070019W WO 2016058744 A1 WO2016058744 A1 WO 2016058744A1
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WO
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glass
metal
measuring
glass body
frit
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/070019
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anh Tuan Tham
Original Assignee
Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg filed Critical Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring 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
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0618—Overload protection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L13/00—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values
    • G01L13/02—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements
    • G01L13/025—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms

Definitions

  • the present invention relates to pressure sensors, with a pressure-sensitive and pressure-dependent elastically deformable measuring diaphragm, a glass body connected to an outer edge of a first side of the measuring diaphragm, a body enclosed in the glass body below the measuring diaphragm
  • Pressure sensors are used in industrial measurement technology to measure pressures. They regularly have a pressure membrane which can be acted upon by a pressure and which is elastically deformable in a pressure-sensitive manner and which is arranged with the inclusion of a pressure chamber on a base body carrying the measuring membrane. In addition, they include an electromechanical transducer for
  • Body arranged measuring membrane can be designed as absolute pressure sensors that measure a pressure to vacuum by the pressure chamber is evacuated.
  • they can be designed as relative pressure sensors, which measure a pressure relative to a pressure chamber through a leading through the body, leading into the pressure chamber channel supplied reference pressure, esp. At atmospheric pressure.
  • they can be designed as differential pressure sensors, the one
  • Measuring pressure difference between a first and a second pressure Measuring pressure difference between a first and a second pressure.
  • an identically constructed second main body is provided on a side facing away from the first body side of the measuring diaphragm, and the measuring membrane via a leading through the first body, opening into the first pressure chamber channel with the first, and a second through the second
  • Main body passing through the opening in the second pressure chamber channel with the second pressure.
  • the measuring diaphragm With pressure sensors there is a risk that the measuring diaphragm will be exposed to overload. In this case, pressures acting on the measuring membrane can become so great that the measuring membrane can be deflected too strongly and thereby damaged.
  • One possible measure to protect the measuring diaphragm from static overloads is to insert it in the pressure sensor under the measuring diaphragm Provide diaphragm Provide diaphragm bed, which supports the diaphragm in case of overload.
  • the membrane bed preferably has a geometry adapted to the bending line of the measuring membrane, on which the measuring membrane comes to rest in case of overload.
  • US Pat. No. 3,618,390 describes a differential pressure sensor comprising two metallic half-shells. Between the two half-shells a metallic measuring membrane is provided, which is clamped between the two half-shells, where it is welded to the two half-shells. The interiors of the half-shells are filled with the release of a subdivided by the measuring diaphragm into two pressure chambers portion with glass. In this case, the sides of the glass fillings facing the measuring membrane are ground in such a way that the glass fillings in the interior of the respective half-shell form a concave membrane bed which serves to support the measuring membrane in the event of an overload. Due to the manufacturing process, these pressure sensors are significantly larger than pressure sensor chips made from semiconductor materials. Miniaturization of these metallically encapsulated pressure sensors is not readily possible. Furthermore, the manufacture of these metallically encapsulated pressure sensors is not readily possible. Furthermore, the manufacturing process is provided.
  • the basic bodies of these pressure sensors can also be equipped with a correspondingly shaped diaphragm bed to protect the measuring diaphragm against overload.
  • Glass body described They are made by placing a thin sheet of glass on a recessed support, where it passes through a temperature profile, one above the recess in the support due to gravity, thereby obtaining the shape of a membrane bed.
  • the measuring membranes of these pressure sensors are made of semiconductor material, for example of silicon, and are connected by anodic bonding with an outer peripheral edge of the glass body enclosing the membrane bed on the outside.
  • a carrier made of silicon which connects to the glass pane during the course of the temperature for forming the membrane bed, where the glass pane rests on it. Furthermore, it is described, one on the side facing away from the measuring membrane side of the membrane bed in the carrier
  • a carrier made of graphite is used, which is removed again after the shaping of the measuring membranes.
  • an underside of the glass pane opposite the membrane bed is leveled after it has cooled down.
  • Measuring membranes made of semiconductors, such as silicon, are brittle, so that under dynamic pressurization voltage peaks can occur, which can lead to damage of the measuring membrane.
  • a pressure sensor with a pressure-sensitive elastically deformable measuring membrane, a glass body connected to an outer edge of a first side of the measuring membrane, a glass body enclosed under the measuring membrane
  • Pressure chamber and an electromechanical transducer for metrological detection of a pressure-dependent deformation of the measuring membrane, solved, whose Measuring membrane made of metal, esp. Invar, Kovar, molybdenum or tantalum, and is connected by a glass-metal joining with the glass body.
  • Measuring membrane made of metal, esp. Invar, Kovar, molybdenum or tantalum, and is connected by a glass-metal joining with the glass body.
  • a base plate in particular a base plate made of a semiconductor, esp. Of silicon, or a metal, esp. Invar, Kovar, molybdenum or tantalum is provided on a side facing away from the measuring membrane underside of the glass body.
  • the electromechanical converter is a capacitive converter which comprises an electrode formed by the metallic measuring diaphragm and a counter electrode formed by the base plate made of a semiconductor or a metal.
  • a first variant of the invention provides that
  • the vitreous consists of baked glass frit, and
  • the glass-metal joining between the glass body and the measuring membrane is a glass frit formed by the melting of the glass frit when the glass frit is melted.
  • An embodiment of a pressure sensor according to the first embodiment and the first variant provides that glass body and base plate by a
  • Second developments of the pressure sensor according to the first variant provide that
  • the glass body is a one-piece glass frit, esp. A one-piece membrane bed having a glass frit, or
  • the glass body is a two-part glass frit
  • Glass frit with arranged thereon forming a membrane bed webs comprises, and
  • a second glass frit of a Glasfrit having a melting point which is below a softening point of Glasfrits used for the first glass frit comprises.
  • a third development of the first variant provides that -
  • the glass body has a disc-shaped first glass frit and arranged thereon an annular second glass frit, and
  • the electromechanical transducer comprises a deposited on the first glass frit, esp. Sputtered counter electrode, which forms a capacitor with a dependent of a pressure-dependent deformation of the measuring membrane capacitance together with the serving as an electrode measuring membrane.
  • a second variant of the invention provides that
  • the glass body is a glass body made of a glass sheet, and the glass-metal joint between the measuring membrane and the glass body is a glass soldering, or
  • the glass body is a glass body made of a glass pane of an alkali-ion-containing borosilicate glass
  • the measuring membrane consists of a metal which can be connected to the borosilicate glass of the glass body by anodic bonding, in particular Invar or Kovar, and the glass-metal joint between
  • Glass body and measuring membrane is caused by anodic bonding joining.
  • a development of the first development provides that
  • the glass body is a glass body made of a glass plate, and
  • Base plate and glass body are connected by a glass soldering, or
  • the glass body is a glass body made of a glass pane of an alkali-ion containing borosilicate glass
  • the base plate is made of a semiconductor, esp. Of silicon, or of a connectable to the borosilicate glass of the glass body by anodic bonding metal, esp. Invar or Kovar, consists, and glass body and base plate are joined together by anodic bonding.
  • Another training provides that
  • the glass body is a glass body produced from a glass pane into which a membrane bed has been introduced by micromechanical processing or hot stamping, or
  • the glass body is a glass body made of a glass body, the one
  • Membrane bed has, which was generated by the fact that the glass has passed through a temperature profile on a carrier, in which a carrier of the carrier due to a recess provided in the support unsupported portion of the glass sheet has fallen due to gravity.
  • the invention comprises a pressure sensor according to the invention, which is designed as a differential pressure sensor by one with an outer edge of a second side of the measuring membrane connected second glass body is provided, which is identical to the first glass body.
  • the invention comprises a method, in particular in Wafer diagram executable method, for the production of pressure sensors, esp. Absolutdruck-,
  • Metal plate of the material of the base plates is printed with at least one structure of glass frit,
  • vitreous glass frits are produced by baking the structures
  • the glass-metal joints are caused by burning in the structures of the glass frit.
  • the invention comprises a method, in particular in Wafer diagram executable method, for the production of pressure sensors, esp. Absolutdruck-,
  • Metal plate made of the material of the base plates with at least one
  • the first glass frits are printed in particular with bar-shaped structures made of glass frit,
  • a metal foil made of the material of the measuring membrane having annular structures of glass frit, in particular a glass frit having a melting point below a softening point of the glass frit used for the first glass frits, are printed, and the printed metal foil is laid on the first glass frits in such a way, that annular structures fit snugly on the outer edges of the first glass frits, or
  • the first glass frits are printed with annular structures of glass frit, in particular a glass frit having a melting point below a softening point of the glass frit used for the first glass frits, and the metal foil on the frit annular structures is launched, and
  • the wafer, or the metal plate equipped with prefabricated each having a contact pin having vias or equipped with a contact pin having vias metal plate is used from the material of the base plates,
  • the invention further includes a method, in particular a method which can be carried out in the wafer assembly, for the production of pressure sensors according to the invention, in particular of absolute pressure, relative pressure or differential pressure sensors, characterized in that
  • a glass pane containing at least one glass body is produced
  • the metal foil from the material of the measuring membranes is placed on the glass body containing glass, and
  • the glass bodies consist of a borosilicate glass
  • the measuring membranes consist of a connectable to the borosilicate glass by anodic bonding metal
  • Glass bodies are caused by anodic bonding, or
  • the pressure sensors according to the invention have the advantage that the
  • Measuring membranes made of metal is a much more ductile material than brittle semiconductors used in the prior art, such as silicon, for measuring membranes of wafer-bondable semiconductor pressure sensors, such as silicon. In a metallic measuring membrane thus occur in dynamic overloads, in which the measuring membrane temporally fast
  • the pressure sensor has a higher overload resistance against dynamic overloads.
  • they have the advantage that no welding is required for the glass-metal joining of measuring diaphragm and glass body. Thermal stresses in the area of the measuring diaphragm caused by a welding process are thus avoided.
  • pressure sensors according to the invention can be produced inexpensively in the wafer assembly.
  • Fig. 1 shows: a pressure sensor with a one-piece glass body of glass frit and a metallic measuring membrane;
  • Fig. 2 shows: a differential pressure sensor with a one-piece glass body
  • FIG. 4 shows: a pressure sensor with a two-part glass body made of glass frit and a metallic measuring diaphragm;
  • FIG. 5 shows: a differential pressure sensor with glass body two-piece glass bodies;
  • FIG. 6 shows production steps for producing pressure sensors according to FIG. 4;
  • FIG. 6 shows production steps for producing pressure sensors according to FIG. 4;
  • Fig. 7 shows: manufacturing steps for the production of pressure sensors with two-part
  • FIG. 8 shows production steps of an alternative method for the production of
  • FIG. 1 shows an embodiment of a relative pressure sensor according to the invention.
  • Fig. 2 shows an analogously constructed differential pressure sensor.
  • the pressure sensors according to the invention comprise a measurement membrane 1, which can be acted upon externally with a pressure to be measured during measurement operation and which elastically deforms as a function of the pressure acting thereon.
  • the measuring diaphragm 1 is on one
  • Glass body 3 arranged.
  • an outer edge of a first side of the measuring diaphragm 1 is connected to an outer edge of the glass body 3 facing the measuring diaphragm 1.
  • a pressure chamber 5 formed by a recess in the glass body 3 is enclosed in the glass body 3, which is closed by the glass body 3 and the measuring membrane 1.
  • the glass body 3 is preferably a diaphragm bed 7 for supporting the
  • the membrane bed 7 preferably has a shape corresponding to the bending line of the measuring membrane 1.
  • the measuring membrane 1 consists of a metal and measuring membrane 1 and glass body 3 are by a the outer edge of the metallic
  • Metal is a brittle semiconductor, such as silicon, a much more ductile material than semiconductors used in measuring membranes of semiconductor wafers.
  • a metallic measuring membrane 1 thus occur at dynamic overloads, in which the measuring membrane 1 is exposed to temporally rapidly changing pressures on it, significantly less voltage spikes, and the peak voltages occurring are significantly lower than that of a measuring membrane of a brittle material, such as silicon that would be the case. Accordingly, the pressure sensor has a higher overload resistance due to the metallic measuring diaphragm 1
  • a measuring membrane 1 according to the invention with a diameter of 3 mm - 5 mm and a thickness of
  • the pressure sensor has an electromechanical transducer, which serves the Detect pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm 1 by measurement, and convert it into an electrical signal.
  • a capacitive transducer is used, the at least one by an electrode and a
  • Electrode and counter electrode are to be arranged such that the capacitance of the capacitor, starting from a given by the electrode spacing in the starting position of the measuring diaphragm 1 basic capacity in response to a pressure-dependent
  • the metallic measuring diaphragm 1 arranged on the insulating glass body 3 offers the advantage that it can be used directly as an electrode via a corresponding electrical connection.
  • the deflection of the measuring membrane 1 can then be detected on the basis of the capacitance of a capacitor which comprises the electrode formed by the measuring membrane 1 and a rigid counter-electrode arranged offset parallel to the starting position of the measuring membrane 1.
  • a base plate 9 which is connected by a joint to the glass body 3 is preferably provided, which can be used as a counterelectrode.
  • the base plate 9 is for this purpose preferably made of a semiconductor, esp. Of silicon. Alternatively, the base plate 9 may also be made of metal.
  • the use of measuring diaphragm 1 and base plate 9 as an electrode and counter electrode offers the advantage that, apart from the electrical connection of the two electrodes to an electronics, for. B. a capacitance measuring circuit, no additional steps for the realization of the converter are required.
  • the measuring membrane 1 is insulated from the base plate 9 by the glass body 3. Accordingly, it can still be electrically isolated from the base plate 9 and contacted when the base plate 9 is arranged by means of an electrically conductive mechanical fastening in a sensor housing, and thus lies at the electrical potential of the sensor housing.
  • the base plate 9 offers the advantage that it increases the rigidity of the base body carrying the measuring membrane 1, and thus contributes to an improvement in the overload resistance of the pressure sensor against static overloads.
  • the base plate 9 also consist of an insulator, for example made of ceramic.
  • the glass body 3 is a one-piece glass frit. 3 shows an exemplary embodiment of a method which can be used for producing such a pressure sensor, which method comprises the method steps illustrated in the partial images a) to d).
  • a plurality of pressure sensors are preferably manufactured in parallel in the wafer composite.
  • a wafer 11 is printed from the material intended for the base plates 9 with structures 13 made of glass frit.
  • a silicon wafer is used for this purpose.
  • metal base plates 9 a metal plate is used instead.
  • a graphite plate is used instead of the wafer 1 1, which can then be removed again, since graphite does not bind with glass frit.
  • the printed structures 13 have a shape that corresponds to the shape of the glass body 3. Preferably, this is a
  • Shaping provided, which comprises a bending line of the measuring membrane 7 correspondingly shaped diaphragm bed 7.
  • the glass frit is introduced, for example in the form of a glass solder paste, into prefabricated printing plates and pressed onto the wafer 11.
  • Corresponding glass solders are offered for example by the company Ferro Electronic Materials.
  • the thermal expansion coefficient of 3.4 10 "6 per ° C having under the name CF 7584 offered by the company Ferro Electronic Materials glass solder, or a thermal
  • a thin metal foil 15 made of the material of the measuring membrane 1 is placed plane-parallel to the wafer 11 on the printed structures 13.
  • the metal foil 15 has a predetermined thickness as a function of the pressure measuring range of the pressure sensor.
  • a metal foil 15 having a thickness in the order of 30 ⁇ is a metal foil 15 having a thickness in the order of 30 ⁇ .
  • a temperature profile is run through, in which the structures 13 are first dried at a drying temperature, in particular freed from solvents, and then dried, for example. are fired at a firing temperature above the drying temperature, whereby they are freed from organic components. Subsequently, a recrystallization process is triggered at a bonding temperature lying above the firing temperature and the glass-metal joint between the glass frit 3 forming glass frit and the metal foil 15, and between the glass frit and the wafer 13 causes. Drying temperature, firing temperature and joining temperature must be specified according to the material properties of the glass frit material.
  • the height of the structures 13 or the glass body 3 fired therefrom determines the distance between the measuring diaphragm 1 and the base plate 9.
  • distances in the range from 10 ⁇ m to 20 ⁇ m can be realized. This distance determines the basic capacitance of the capacitor.
  • the basic capacity can thus be optimally adapted depending on the pressure measuring range of the pressure sensor, or of the base area and thickness of the measuring diaphragm 1, by an appropriate choice of the height of the structures 13.
  • the comparatively small distances of 10 ⁇ to 20 ⁇ offer the advantage of a correspondingly high basic capacity, and thus a correspondingly high achievable measurement accuracy.
  • Glass frits in a next step c) prepared channels 17, each leading from the bottom of the composite through the base plate 9 and the glass body 3 from baked glass frit into the pressure chamber 5.
  • micromechanical preparation methods such as ultrasonic drilling, are used. In the production of absolute pressure sensors eliminates this step.
  • step d the pressure sensors made in the wafer assembly, e.g. by sawing along the vertical lines shown in step d), isolated.
  • Relative pressure sensor already provided on the first side of the measuring membrane 1 glass body 3 has an identically constructed second glass body 3.
  • the second glass body 3 has a planar outer edge, which with an outer edge of a second side of the measuring membrane 1 by a glass-metal joining
  • differential pressure sensors according to the invention are preferably in
  • Wafer dressing made.
  • the printed structures 13 are baked, whereby also by the
  • Base plates 9 forming wafer 1 1 is effected.
  • Baking the glass frits melting glass frit offer the advantage that the metal of the measuring membrane 1 is almost freely selectable. The same applies analogously to the material of the base plates 9. To reduce manufacturing-related thermal stresses within the pressure sensor, a metal is preferably used for the measuring membranes 1, the one to the thermal
  • invar, kovar, molybdenum or tantalum are suitable for this purpose.
  • a material having a coefficient of thermal expansion adapted to the thermal expansion coefficients of the glass body 3 is preferably used for the base plates 9.
  • the metals Invar, Kovar, molybdenum or tantalum mentioned above as material for the measuring membranes 1 are suitable for this purpose.
  • both the printing of the structures 13 and the subsequent baking of the glass frits may depend on the choice of the glass solder, more or less large, production-related tolerances of the dimensions of the glass body 3 and the membrane beds 7 integrated therein occur. These affect both the achievable measurement accuracy and the reproducibility of the manufacturing process.
  • Pressure sensor is made of two glass frits 19, 21 of simpler geometry constructed glass body 23 is used.
  • the glass body 23 is preferably formed as a two-part glass frit, which has a disk-shaped first glass frit 19 and an annular second glass frit 21 arranged thereon.
  • the second glass frit 21 surrounds the pressure chamber 5 on the outside, and has an end face facing the measuring diaphragm 1, which is connected to the measuring diaphragm 1 by a glass-metal joint.
  • Fig. 4 shows an embodiment of a corresponding relative pressure sensor.
  • Fig. 5 shows an embodiment of a corresponding differential pressure sensor. The latter differs from the relative pressure sensor shown in FIG.
  • a second identically constructed two-part glass body 23 is also provided on the second side of the measuring membrane 1.
  • the second glass body 23 has a planar, formed by the membrane-facing end of its second glass frit 21, outer edge, which is connected to an outer edge of the second side of the measuring membrane 1 by a glass-metal joining.
  • the two-part glass body 23 are preferably arranged on a base plate 9 made of a semiconductor or of metal, and preferably have a
  • Membrane bed for supporting the measuring membrane 1 in case of one
  • membrane beds are preferably concentric with each other and parallel to the surface normal to the
  • a wafer 1 1 or a metal disk made of the material of the base plates 9 is printed with the shape of the first glass frit 19 corresponding disc-shaped structures 27 made of glass frit, and the first glass frits 19 are produced by baking these structures 27.
  • Glass frits 19 and the base plates 9 forming wafer 1 1 causes.
  • the metal foil 15 made of the material of
  • the annular structures 31 may also be printed on the outer edge of the first glass frits 19.
  • the printed metal foil 15 in process step e) is placed on the wafer 1 1 provided with the first glass frits 19 and the web-shaped structures 29, or the metal disk provided therewith, such that the annular
  • Structures 31 fit exactly on the outer edges of the wafer 1 1 facing away from the front sides of the first glass frits 19. Subsequently, the webs 25 and the second glass frits 21 are produced by baking the web-shaped structures 29 and the annular structures 31 in a firing process. This results in a joint between the superimposed glass frits 19, 21, a
  • process step c) is omitted.
  • the metal foil 15 printed with the structures 31 may be instantaneous placed on the printed with the structures 27 wafer 1 1, and both glass frits 19, 21 are fired in a single firing process.
  • differential pressure sensors can be manufactured.
  • the production of the differential pressure sensors is preferably carried out in the wafer composite.
  • two wafers 11 or metal disks are processed in the manner illustrated in method step a) to c) of FIG.
  • the webs 25 are burned here immediately after the printing of the fired first glass frits 19 with the web-shaped structures 29.
  • a glass frit is preferably used for the annular structures 31 and the second glass frits 21 to be fired therefrom, the melting point of which is below the softening point of that for the first glass frits 19 and the webs 25 glass frits used.
  • two-part glass bodies 23 having a total height of 20 ⁇ -40 ⁇ , which determine the basic capacity of the capacitors formed by the measuring membrane 1 and the base plates 9, can be realized. Greater basic capacities can be achieved in conjunction with two-part glass bodies 23 by applying to the side of the first glass frits 19 facing the measuring membrane 1 a respective counter-electrode 33, e.g. sputtered, will. The counterelectrodes 33 then together with the respectively opposite electrode formed by the measuring membrane 1 form a capacitor with capacitance dependent on the pressure-dependent deflection of the measuring membrane 1.
  • Pressure sensors instead of the wafer used in Fig. 1 1 1 preferably equipped with prefabricated vias 35 wafer 37 or a metal plate equipped with plated through holes.
  • the plated-through holes 35 each comprise a contact pin 39 which is guided in an electrically insulated manner by the wafer 37 or the metal plate and projects out on both sides of the wafer 37 or the metal plate.
  • the production method essentially corresponds to the method explained with reference to FIG. 6, so that only differences resulting from the counter electrodes 33 are explained below.
  • the wafers 37 are printed in step a) with the disk-shaped structures 27, from which the first glass frits 19 are fired, and in process step b) the possibly required channels 17 are prepared.
  • step c) the upper sides of the first glass frits 19 are ground to such an extent that the ends of the contact pins 39 are exposed. This is shown in Fig. 7 by a dashed line. Subsequently, the counter electrodes 33 in process step d) on the
  • Glass-metal joining connected glass body 41 can be used. These may e.g. have the same structure as that shown in FIGS. 1 and 3
  • These Glass bodies have, for example, a thickness in the range of 100 ⁇ m to 1000 ⁇ m.
  • Carrier 45 made of graphite.
  • the glass sheet 43 has a thickness of more than 200 ⁇ , e.g. in the range of 800 ⁇ , on.
  • the carrier 45 has recesses 47 under all regions of the glass pane 43, which later form the membrane beds 7.
  • the membrane beds 7 are formed in that
  • Carrier 45 and glass 43 pass through a temperature profile, in which the carrier 45 due to the recesses 47 provided therein do not support areas fall due to gravity.
  • Carrier 45 and glass 43 are for this purpose preferably under vacuum over a period of time on the above
  • step c) the carrier 45 is removed and a
  • the preformed glass sheet 43 leveled on the underside is placed with its planar underside on a wafer 11 made of the semiconductor material, esp. Of silicon, provided for the base plates 9.
  • a metal plate is used instead of the silicon wafer.
  • the surface joint of glass sheet 43 and wafer 1 1 or metal plate is preferably carried out by anodic bonding.
  • anodic bonding consists of the glass plate 43, and thus also made of it Base 41, made of an alkali metal ion, in particular sodium or potassium, containing borosilicate glass.
  • borosilicate glass are, for example, under the trade name Pyrex offered by the company Cornin glasses under the
  • the anodic bonding of boron nitrate glass and silicon is preferably carried out at an applied voltage in the range of 900 V to 1100 V.
  • the bonding temperature is preferably between 300 ° C and 500 ° C.
  • the bonding mechanism is based on the chemical bonding of O ions with silicon atoms, which leads to corresponding Si0 2 bonds between glass and silicon.
  • the resulting bonding compound is tight and cohesive without interlayer between glass and silicon.
  • base plates 9 made of metal is preferably a
  • Metal alloys such as e.g. Invar and Kovar. Corresponding anodic
  • Bonding methods are described in the article "Bonding properties of metals anodically bonded to glass” published in 2004 in Sensors and Actuators A: Physical 1 14, Issue 2-3, 543-549 by Danick Briand, Patrick Weber and Nicolaas F. de Rooij.
  • channels 17 are prepared, which in each case pass through the base plate 9 and the main body 43 into the
  • Vitreous body 41 joined.
  • a metal foil 15 is placed on the top of the molded and bottom-leveled glass sheet 43, and both are in the surrounding the membrane beds 7 areas in which the metal foil 15 rests on the membrane beds 7 surrounding areas of the glass sheet 43, through a glass-metal Joining together.
  • glass body 41 is used for measuring membranes 1 and glass body 41 is preferably a combination of materials of the metal
  • Measuring membrane 1 and the glass of the glass body 41 chosen which allows the addition of measuring membrane 1 and glass body 41 caused by anodic bonding.
  • Anodic bonding compounds can be effected in particular between glass bodies 41 made of borosilicate glass and measuring membranes 1 made of Invar or Kovar.
  • Wafer dressing are made, followed by a separation of the
  • Pressure sensors for example by sawing along the vertical lines shown in step g) of FIG. 8.
  • differential pressure sensors can be produced which have the same basic structure as the differential pressure sensor shown in FIG. 3.
  • the differential pressure sensor is preferably produced in the wafer association.
  • two glass sheets 43 leveled on the underside are stacked on top of each other with the interposition of the metal foil 15 in such a way that the membrane beds 7 of the two glass panes 43 lie exactly opposite on both sides of the metal foil 15.
  • Both glass panes 43 of this stack are connected to the metal foil 15 in a bonding process by anodic bonding.
  • a wafer 1 1 made of the semiconductor material of the base plates 9 and for metal base plates 9, a metal disc is applied to both outer sides of this composite each, and each connected by a glass soldering surface with the respective glass 43.

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Abstract

Es ist ein Drucksensor, mit einer mit einem Druck beaufschlagbaren und druckabhängig elastisch verformbaren Messmembran (1), einem mit einem äußeren Rand einer ersten Seite der Messmembran (1) verbundenen Glaskörper (3, 23, 41), einer im Glaskörper (3, 23, 41) unter der Messmembran (1) eingeschlossenen Druckkammer (5), und einem elektromechanischen Wandler, zur messtechnischen Erfassung einer druckabhängige Verformung der Messmembran (1), beschrieben, der einen verbesserten Schutz gegenüber dynamischen Überlasten aufweist, der dadurch bewirkt wird, dass die Messmembran (1) aus Metall, insb. aus Invar, Kovar, Molybdän oder Tantal, besteht, und Messmembran (1) und Glaskörper (3, 23, 41) durch eine Glas-Metall Fügung verbunden sind.

Description

Drucksensor
Die vorliegende Erfindung betrifft Drucksensoren, mit einer mit einem Druck beaufschlagbaren und druckabhängig elastisch verformbaren Messmembran, einem mit einem äußeren Rand einer ersten Seite der Messmembran verbundenen Glaskörper, einer im Glaskörper unter der Messmembran eingeschlossenen
Druckkammer, und einem elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer druckabhängige Verformung der Messmembran, sowie
Herstellungsverfahren zur Herstellung derartiger Drucksensoren.
Drucksensoren werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Drücken eingesetzt. Sie weisen regelmäßig eine mit einem Druck beaufschlagbare und druckabhängig elastisch verformbare Messmembran auf, die unter Einschluss einer Druckkammer auf einem die Messmembran tragenden Grundkörper angeordnet ist. Darüber hinaus umfassen sie einen elektromechanischen Wandler zur
messtechnischen Erfassung der druckabhängigen Verformung der Messmembran.
Drucksensoren mit einer unter Einschluss einer Druckkammer auf einem
Grundkörper angeordneten Messmembran können als Absolutdrucksensoren ausgebildet werden, die einen Druck gegenüber Vakuum messen, indem die Druckkammer evakuiert wird. Alternativ können sie als Relativdrucksensoren ausgebildet werden, die einen Druck gegenüber einem der Druckkammer durch einen durch den Grundkörper hindurch führenden, in der Druckkammer mündenden Kanal zugeführten Referenzdruck, insb. einem Atmosphärendruck, messen. Darüber hinaus können sie als Differenzdrucksensoren ausgebildet werden, die eine
Druckdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten Druck messen. Hierzu wird auf einer vom ersten Grundkörper abgewandten Seite der Messmembran ein identisch aufgebauter zweiter Grundkörper vorgesehen, und die Messmembran über einen durch den ersten Grundkörper hindurch führenden, in der ersten Druckkammer mündenden Kanal mit dem ersten, und über einen zweiten durch den zweiten
Grundkörper hindurchführenden in der zweiten Druckkammer mündenden Kanal mit dem zweiten Druck beaufschlagt.
Bei Drucksensoren besteht die Gefahr, dass die Messmembran einer Überlast ausgesetzt wird. Dabei können auf die Messmembran einwirkende Drücke so groß werden, dass die Messmembran zu stark ausgelenkt und hierdurch beschädigt werden kann. Eine mögliche Maßnahme zum Schutz der Messmembran vor statischen Überlasten besteht darin, im Drucksensor unter der Messmembran ein Membranbett vorzusehen, das die Messmembran im Überlastfall abstützt. Hierzu weist das Membranbett vorzugsweise eine an die Biegelinie der Messmembran angepasste Geometrie auf, auf der die Messmembran im Überlastfall zur Auflage kommt.
In der US 3, 618,390 ist ein Differenzdrucksensor beschrieben, der zwei metallische Halbschalen umfasst. Zwischen den beiden Halbschalen ist eine metallische Messmembran vorgesehen, die zwischen die beiden Halbschalen eingespannt, und dort mit den beiden Halbschalen verschweißt ist. Die Innenräume der Halbschalen sind unter Freilassung eines durch die Messmembran in zwei Druckkammern unterteilten Teilbereichs mit Glas gefüllt. Dabei sind die der Messmembran zugewandten Seiten der Glasfüllungen derart abgeschliffen, dass die Glasfüllungen im Inneren der jeweiligen Halbschale ein konkaves Membranbett bildet, das dazu dient, die Messmembran im Überlastfall abzustützen. Diese Drucksensoren sind aufgrund des Herstellungsverfahrens deutlich größer als aus Halbleiter-Materialien hergestellte Drucksensor-Chips. Eine Miniaturisierung dieser metallisch gekapselten Drucksensoren ist nicht ohne weiteres möglich. Des Weiteren sind die
Herstellungskosten dieser Drucksensoren vergleichsweise hoch, da die Halbschalen jeweils einzeln gefertigt, mit Glas vergossen, die Membranbetten geschliffen, und die Messmembranen jeweils zwischen zwei Halbschalen eingespannt und verschweißt werden müssen. Dabei können sich aufgrund der lokalen Einwirkung hoher
Temperaturen beim Verschweißen der Messmembranen im Drucksensor
Verspannungen ausbilden, die sich nachteilig auf die Messgenauigkeit auswirken.
Im Hinblick auf eine gegebenenfalls gewünschte Miniaturisierung und eine Reduktion der Herstellungskosten ist es vorteilhaft Drucksensoren unter Verwendung von aus der Halbleitertechnologie bekannten Prozessen im Waferverband herzustellen. Auch die Grundkörper dieser Drucksensoren können zum Schutz der Messmembran vor Überlast mit einem entsprechend ausgeformten Membranbett ausgestattet werden.
Da eine möglichst präzise und reproduzierbare Formgebung des Membranbetts in Grundkörpern aus Silizium technisch problematisch sein kann, sind
Alternativlösungen entwickelt worden, bei denen der das Membranbett bildende Grundkörper aus Glas besteht. In der DE 10 2009 046 229 A1 und der DE 10 201 1 084 457 A1 sind Drucksensoren mit einem ein Membranbett aufweisenden
Glaskörper beschrieben. Sie werden hergestellt, indem eine dünne Glasscheibe auf einem mit einer Ausnehmung versehenen Träger angeordnet wird, und dort ein Temperaturprofil durchläuft, bei dem ein über der Ausnehmung im Träger befindlicher, nicht durch den Träger unterstützter Bereich der Glasscheibe aufgrund der Schwerkraft absinkt, und auf diese Weise die Formgebung eines Membranbetts erlangt. Die Messmembranen dieser Drucksensoren bestehen aus Halbleitermaterial, z.B. aus Silizium, und werden durch anodisches Bonden mit einem äußeren das Membranbett außenseitlich umschließenden planaren Rand des Glaskörpers verbunden.
Zur Herstellung der in der DE 10 2009 046 229 A1 beschriebenen Drucksensoren wird ein Träger aus Silizium verwendet, der sich während des zur Formung des Membranbetts durchlaufenen Temperaturverlaufs, dort wo die Glasscheibe auf ihm aufliegt, mit der Glasscheibe verbindet. Des Weiteren ist beschrieben, einen auf der von der Messmembran abgewandten Seite des Membranbetts im Träger
verbleibender Hohlraum zur weiteren Abstützung des Membranbetts mit einer Glasfritte auszufüllen.
Zur Herstellung der in der DE 10 201 1 084 457 A1 beschriebenen Drucksensoren wird ein Träger aus Graphit verwendet, der nach der Formung der Messmembranen wieder entfernt wird. Hier wird eine dem Membranbett gegenüberliegende Unterseite der Glasscheibe nach deren Erkalten eingeebnet.
Diese Drucksensoren sind klein und kostengünstig herstellbar und bieten
zuverlässigen Schutz gegenüber statischen Überlasten. Im Hinblick auf dynamische Überlasten, bei denen die Messmembran sich zeitlich sehr schnell verändernden Druckbelastungen ausgesetzt ist, besteht jedoch das Problem, dass
Messmembranen aus Halbleitern, wie Silizium, spröde sind, so dass bei dynamischer Druckbeaufschlagung Spannungsspitzen auftreten können, die zur Beschädigung der Messmembran führen können.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen kostengünstig herstellbaren Drucksensor mit verbessertem Schutz gegenüber dynamischen Überlasten, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung, anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Drucksensor, mit einer mit einem Druck beaufschlagbaren und druckabhängig elastisch verformbaren Messmembran, einem mit einem äußeren Rand einer ersten Seite der Messmembran verbundenen Glaskörper, einer im Glaskörper unter der Messmembran eingeschlossenen
Druckkammer, und einem elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer druckabhängige Verformung der Messmembran, gelöst, dessen Messmembran aus Metall, insb. aus Invar, Kovar, Molybdän oder Tantal, besteht und durch eine Glas-Metall Fügung mit dem Glaskörper verbunden ist.
Gemäß einer ersten Weiterbildung ist auf einer von der Messmembran abgewandten Unterseite des Glaskörpers eine Grundplatte, insb. eine Grundplatte aus einem Halbleiter, insb. aus Silizium, oder aus einem Metall, insb. aus Invar, Kovar, Molybdän oder Tantal vorgesehen.
Gemäß einer Weiterbildung der ersten Weiterbildung ist der elektromechanische Wandler ein kapazitiver Wandler, der eine durch die metallische Messmembran gebildete Elektrode und eine durch die Grundplatte aus einem Halbleiter oder einem Metall gebildete Gegenelektrode umfasst.
Eine erste Variante der Erfindung sieht vor, dass
- der Glaskörper aus eingebranntem Glasfrit besteht, und
- die Glas-Metall Fügung zwischen dem Glaskörper und der Messmembran eine durch beim Einbrennen des Glasfrits aufschmelzendes Glasfrit gebildete Glas- Metall Fügung ist. Eine Ausgestaltung eines Drucksensors gemäß der ersten Weiterbildung und der ersten Variante sieht vor, dass Glaskörper und Grundplatte durch eine beim
Einbrennen des Glasfrits durch aufschmelzendes Glasfrit bewirkte Fügung miteinander verbunden sind. Zweite Weiterbildungen des Drucksensors gemäß der ersten Variante sehen vor, dass
- der Glaskörper eine einteilige Glasfritte, insb. eine einteilige ein Membranbett aufweisende Glasfritte, ist, oder
- der Glaskörper eine zweiteilige Glasfritte ist,
- die eine scheibenförmige erste Glasfritte, insb. eine scheibenförmige erste
Glasfritte mit darauf angeordneten ein Membranbett bildenden Stegen, umfasst, und
- die eine auf der ersten Glasfritte angeordnete ringförmige zweite Glasfritte, insb. eine zweite Glasfritte aus einem Glasfrit, das einen Schmelzpunkt aufweist, der unterhalb eines Erweichungspunkts des für die erste Glasfritte verwendeten Glasfrits liegt, umfasst.
Eine dritte Weiterbildung der ersten Variante sieht vor, dass - der Glaskörper eine scheibenförmige erste Glasfritte und eine darauf angeordnete ringförmige zweite Glasfritte aufweist, und
- der elektromechanische Wandler eine auf die erste Glasfritte aufgebrachte, insb. aufgesputterte, Gegenelektrode umfasst, die zusammen mit der als Elektrode dienenden Messmembran einen Kondensator mit einer von einer druckabhängigen Verformung der Messmembran abhängigen Kapazität bildet.
Eine zweite Variante der Erfindung sieht vor, dass
- der Glaskörper ein aus einer Glasscheibe gefertigter Glaskörper ist, und die Glas- Metall Fügung zwischen Messmembran und Glaskörper eine Glaslötung ist, oder
- der Glaskörper aus ein aus einer Glasscheibe aus einem Alkali-Ionen enthaltenden Borosilikatglas gefertigter Glaskörper ist, die Messmembran aus einem mit dem Borsilikatglas des Glaskörpers durch anodisches Bonden verbindbaren Metall, insb. aus Invar oder Kovar, besteht, und die Glas-Metall Fügung zwischen
Glaskörper und Messmembran eine durch anodisches Bonden bewirkte Fügung ist.
Eine Weiterbildung der ersten Weiterbildung sieht vor, dass
- der Glaskörper ein aus einer Glasscheibe gefertigter Glaskörper ist, und
Grundplatte und Glaskörper durch eine Glaslötung verbunden sind, oder
- der Glaskörper ein aus einer Glasscheibe aus einem Alkali-Ionen enthaltenden Borosilikatglas gefertigter Glaskörper ist, die Grundplatte aus einem Halbleiter, insb. aus Silizium, oder aus einem mit dem Borsilikatglas des Glaskörpers durch anodisches Bonden verbindbaren Metall, insb. aus Invar oder Kovar, besteht, und Glaskörper und Grundplatte durch anodisches Bonden miteinander gefügt sind.
Eine weitere Weiterbildung sieht vor, dass
- der Glaskörper ein aus einer Glasscheibe gefertigter Glaskörper ist, in den mittels mikromechanischer Bearbeitung oder Heißprägung ein Membranbett eingebracht wurde, oder
- der Glaskörper ein aus einer Glasscheibe gefertigter Glaskörper ist, der ein
Membranbett aufweist, das dadurch erzeugt wurde, dass die Glasscheibe auf einem Träger ein Temperaturprofil durchlaufen hat, bei dem ein vom Träger aufgrund einer im Träger vorgesehenen Ausnehmung nicht unterstützter Bereich der Glasscheibe aufgrund der Schwerkraft abgesunken ist.
Weiter umfasst die Erfindung einen erfindungsgemäßen Drucksensor, der als Differenzdrucksensor ausgebildet ist, indem ein mit einem äußeren Rand einer zweiten Seite der Messmembran verbundener zweiter Glaskörper vorgesehen ist, der identisch zu dem ersten Glaskörper ausgebildet ist.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren, insb. im Waferverband ausführbares Verfahren, zur Herstellung von Drucksensoren, insb. von Absolutdruck-,
Relativdruck- oder Differenzdrucksensoren, gemäß der ersten Alternative der zweiten Weiterbildungen des Drucksensors gemäß der ersten Variante, das sich dadurch auszeichnet, dass
- eine Graphitscheibe, ein Wafer aus dem Material der Grundplatten, oder eine
Metallplatte aus dem Material der Grundplatten mit mindestens einer Struktur aus Glasfrit bedruckt wird,
- eine Metallfolie aus dem Metall der Messmembranen auf die aufgedruckten
Strukturen aufgelegt wird,
- die Glaskörper bildende Glasfritten durch Einbrennen der Strukturen erzeugt werden, und
- die Glas-Metall Fügungen durch beim Einbrennen der Strukturen aufschmelzendes Glasfrit bewirkt werden.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren, insb. im Waferverband ausführbares Verfahren, zur Herstellung von Drucksensoren, insb. von Absolutdruck-,
Relativdruck- oder Differenzdrucksensoren, gemäß der zweiten Alternative der zweiten Weiterbildungen des Drucksensors gemäß der ersten Variante, das sich dadurch auszeichnet, dass
- eine Graphitscheibe, ein Wafer aus dem Material der Grundplatten oder eine
Metallplatte aus dem Material der Grundplatten mit mindestens einer
scheibenförmigen Struktur aus Glasfrit bedruckt wird, aus denen durch Einbrennen jeweils eine erste Glasfritte erzeugt wird,
- die ersten Glasfritten insb. mit stegförmigen Strukturen aus Glasfrit bedruckt, werden,
- eine Metallfolie aus dem Material der Messmembran mit ringförmigen Strukturen aus Glasfrit, insb. einem Glasfrit mit einem Schmelzpunkt, der unterhalb eines Erweichungspunkts des für die ersten Glasfritten verwendeten Glasfrits liegt, bedruckt werden, und die bedruckte Metallfolie derart auf die ersten Glasfritten aufgelegt wird, dass ringförmigen Strukturen passgenau auf den äußeren Rändern der ersten Glasfritten aufliegen, oder
- die ersten Glasfritten mit ringförmigen Strukturen aus Glasfrit, insb. einem Glasfrit mit einem Schmelzpunkt, der unterhalb eines Erweichungspunkts des für die ersten Glasfritten verwendeten Glasfrits liegt, bedruckt werden, und die Metallfolie auf die ringförmigen Strukturen aufgelegt wird, und
- aus den ringförmigen Strukturen durch Einbrennen die zweiten Glasfritten erzeugt werden. Eine Weiterbildung des letztgenannten Verfahrens zur Herstellung von
Drucksensoren gemäß der dritten Weiterbildung der ersten Variante sieht vor, dass
- anstelle der Graphitscheibe, des Wafer, oder der Metallplatte ein mit vorgefertigten jeweils einen Kontaktstift aufweisenden Durchkontaktierungen ausgestatteter Wafer oder eine mit jeweils einen Kontaktstift aufweisenden Durchkontaktierungen ausgestattet Metallplatte aus dem Material der Grundplatten eingesetzt wird,
- die Oberseiten der ersten Glasfritten soweit abgeschliffen werden, dass die Enden der Kontaktstifte frei liegen, und
- auf die ersten Glasfritten jeweils eine Gegenelektrode aufgebracht, insb.
aufgesputtert, wird.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren, insb. ein im Waferverband ausführbares Verfahren, zur Herstellung von erfindungsgemäßen Drucksensoren, insb. von Absolutdruck-, Relativdruck- oder Differenzdrucksensoren, dass sich dadurch auszeichnet, dass
- eine mindestens einen Glaskörper enthaltende Glasscheibe gefertigt wird,
- die Metallfolie aus dem Material der Messmembranen auf die die Glaskörper enthaltende Glasscheibe aufgelegt wird, und
a) die Glaskörper aus einem Borosilikatglas bestehen, die Messmembranen aus einem mit dem Borosilikatglas durch anodisches Bonden verbindbaren Metall bestehen, und die Glas-Metall Fügungen zwischen Messmembranen und
Glaskörpern durch anodisches Bonden bewirkt werden, oder
b) die Glas-Metall Fügungen zwischen Messmembranen und Glaskörpern
Glaslötungen bewirkt werden. Die erfindungsgemäßen Drucksensoren weisen den Vorteil auf, dass die
Messmembranen aus Metall bestehen. Metall ist ein im Vergleich zu den für Messmembranen von im Waferverband herstellbaren Halbleiter-Drucksensoren im Stand der Technik verwendeten spröden Halbleitern, wie Silizium, wesentlich duktilerer Werkstoff. In einer metallischen Messmembran treten somit bei dynamischen Überlasten, bei denen die Messmembran zeitlich schnell
veränderlichen darauf einwirkenden Drücken ausgesetzt ist, deutlich weniger Spannungsspitzen auf, und die auftretenden Spitzenspannungen sind deutlich geringer, als dies bei einer Messmembran aus einem spröderen Werkstoff, wie Silizium, der Fall ist. Dementsprechend weist der Drucksensor aufgrund der metallischen Messmembran eine höhere Überlastfestigkeit gegenüber dynamischen Überlasten auf. Darüber hinaus weisen sie den Vorteil auf, dass für die Glas-Metall Fügung von Messmembran und Glaskörper keine Schweißung erforderlich ist. Durch einen Schweißvorgang bedingte thermische Verspannungen im Bereich der Messmembran werden somit vermieden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass erfindungsgemäße Drucksensoren kostengünstig im Waferverband herstellbar sind.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen vier Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt: einen Drucksensor mit einem einteiligen Glaskörper aus Glasfrit und einer metallischen Messmembran; Fig. 2 zeigt: einen Differenzdrucksensor mit einem einteiligen Glaskörper aus
Glasfrit;
Fig. 3 zeigt: Fertigungsschritte zur Herstellung von Drucksensoren gemäß Fig. 1 Fig. 4 zeigt: einen Drucksensor mit einem zweiteiligen Glaskörper aus Glasfrit und einer metallischen Messmembran;
Fig. 5 zeigt: einen Differenzdrucksensor mit zweiteiligen Glaskörpern aus Glasfrit; Fig. 6 zeigt: Fertigungsschritte zur Herstellung von Drucksensoren gemäß Fig. 4;
Fig. 7 zeigt: Fertigungsschritte zur Herstellung von Drucksensoren mit zweiteiligen
Glaskörpern aus Glasfrit mit darauf aufgebrachten Gegenelektroden; und
Fig. 8 zeigt: Fertigungsschritte eines alternativen Verfahrens zur Herstellung von
Drucksensoren gemäß Fig. 1 mit aus einer Glasscheibe gefertigten Glaskörpern. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Relativdrucksensors. Fig. 2 zeigt einen analog aufgebauten Differenzdrucksensor. Die erfindungsgemäßen Drucksensoren umfassen eine im Messbetrieb von außen mit einem zu messenden Druck beaufschlagbare Messmembran 1 , die sich in Abhängigkeit von dem darauf einwirkenden Druck elastisch verformt. Die Messmembran 1 ist auf einem
Glaskörper 3 angeordnet. Dabei ist ein äußerer Rand einer ersten Seite der Messmembran 1 mit einem der Messmembran 1 zugewandten äußeren Rand des Glaskörpers 3 verbunden. Unter der Messmembran 1 ist im Glaskörper 3 eine durch eine Ausnehmung im Glaskörper 3 gebildete Druckkammer 5 eingeschlossen, die durch den Glaskörper 3 und die Messmembran 1 abgeschlossen ist.
Im Glaskörper 3 ist vorzugsweise ein Membranbett 7 zur Abstützung der
Messmembran 1 im Falle einer von außen auf die Messmembran 1 einwirkenden Überlast vorgesehen. Das Membranbett 7 weist hierzu vorzugsweise eine der Biegelinie der Messmembran 1 entsprechende Formgebung auf.
Erfindungsgemäß besteht die Messmembran 1 aus einem Metall und Messmembran 1 und Glaskörper 3 sind durch eine den äußeren Rand der metallischen
Messmembran 1 mit dem äußeren Rand des Grundkörpers 3 verbindende Glas- Metall Fügung verbunden.
Metall ist ein im Vergleich zu den für Messmembranen von im Waferband herstellbaren Halbleitersensoren verwendeten spröden Halbleitern, wie Silizium, wesentlich duktilerer Werkstoff. In einer metallischen Messmembran 1 treten somit bei dynamischen Überlasten, bei denen die Messmembran 1 zeitlich schnell veränderlichen darauf einwirkenden Drücken ausgesetzt ist, deutlich weniger Spannungsspitzen auf, und die auftretenden Spitzenspannungen sind deutlich geringer, als dies bei einer Messmembran aus einem spröderen Werkstoff, wie Silizium, der Fall wäre. Dementsprechend weist der Drucksensor aufgrund der metallischen Messmembran 1 eine höhere Überlastfestigkeit gegenüber
dynamischen Überlasten auf. So kann eine erfindungsgemäße Messmembran 1 mit einem Durchmesser von 3 mm - 5 mm und einer Dicke von
20 μιη - 30 μιη dynamischen Überlasten standhalten, bei denen der auf die
Messmembran 1 einwirkende Druck innerhalb kürzester Zeit, z.B. innerhalb von 3 bis 5 Millisekunden, auf einen hohen Überdruck, z.B. ein Überdruck von bis zu 250 bar, ansteigt.
Der Drucksensor weist einen elektromechanischen Wandler auf, der dazu dient die druckabhängige Verformung der Messmembran 1 messtechnisch zu erfassen, und in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
Vorzugsweise wird in dem erfindungsgemäßen Drucksensor hierzu ein kapazitiver Wandler eingesetzt, der mindestens einen durch eine Elektrode und eine
Gegenelektrode gebildeten Kondensator aufweist. Elektrode und Gegenelektrode sind derart anzuordnen, dass sich die Kapazität des Kondensators ausgehend von einer durch den Elektrodenabstand in der Ausgangslage der Messmembran 1 gegebenen Grundkapazität in Abhängigkeit von einer druckabhängigen
Durchbiegung der Messmembran 1 verändert. Dabei bietet die auf dem isolierenden Glaskörper 3 angeordnete metallische Messmembran 1 den Vorteil, dass sie über einen entsprechenden elektrischen Anschluss unmittelbar als Elektrode eingesetzt werden kann. Die Durchbiegung der Messmembran 1 kann dann anhand der Kapazität eines Kondensators erfasst werden, der die durch die Messmembran 1 gebildete Elektrode und eine parallel zur Ausgangslage der Messmembran 1 versetzt angeordnete starre Gegenelektrode umfasst.
Vorzugsweise wird hierzu auf der von der Messmembran 1 abgewandten Unterseite des Glaskörpers 3 eine durch eine Fügung mit dem Glaskörper 3 verbundene Grundplatte 9 vorgesehen, die als Gegenelektrode einsetzbar ist. Die Grundplatte 9 besteht hierzu vorzugsweise aus einem Halbleiter, insb. aus Silizium. Alternativ kann die Grundplatte 9 auch aus Metall bestehen. Die Verwendung von Messmembran 1 und Grundplatte 9 als Elektrode und Gegenelektrode bietet den Vorteil, dass abgesehen vom elektrischen Anschluss der beiden Elektroden an eine Elektronik, z. B. eine Kapazitätsmessschaltung, keine zusätzlichen Arbeitsschritte zur Realisierung des Wandlers erforderlich sind. Die Messmembran 1 ist durch den Glaskörper 3 gegenüber der Grundplatte 9 isoliert. Dementsprechend kann sie auch dann noch elektrisch isoliert gegenüber der Grundplatte 9 angeordnet und kontaktiert werden, wenn die Grundplatte 9 mittels einer elektrisch leitfähigen mechanischen Befestigung in einem Sensorgehäuse angeordnet wird, und somit auf dem elektrischen Potential des Sensorgehäuses liegt.
Darüber hinaus bietet die Grundplatte 9 den Vorteil, dass sie die Steifigkeit des die Messmembran 1 tragenden Grundkörpers erhöht, und somit zu einer Verbesserung der Überlastfestigkeit des Drucksensors gegenüber statischen Überlasten beiträgt. Zu diesem Zweck kann die Grundplatte 9 natürlich auch aus einem Isolator, z.B. aus Keramik, bestehen. Gemäß einer ersten Variante der Erfindung ist der Glaskörper 3 eine einteilige Glasfritte. Fig. 3 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel eines zur Herstellung eines solchen Drucksensors einsetzbaren Verfahrens, das die in den Teilbildern a) bis d) dargestellten Verfahrensschritte umfasst.
Dabei werden vorzugsweise mehrere Drucksensoren parallel im Waferverbund gefertigt.
In einem ersten Verfahrensschritt a) wird ein Wafer 1 1 aus dem für die Grundplatten 9 vorgesehenen Material mit Strukturen 13 aus Glasfrit bedruckt. Für Grundplatten 9 aus Silizium wird hierzu ein Siliziumwafer verwendet. Für Grundplatten 9 aus Metall wird stattdessen eine Metallplatte eingesetzt. Zur Herstellung von Drucksensoren ohne Grundplatte 9 wird anstelle des Wafers 1 1 eine Graphitplatte eingesetzt, die anschließend wieder entfernt werden kann, da Graphit mit Glasfrit keine Bindung eingeht. Die aufgedruckten Strukturen 13 weisen eine Formgebung auf, die der Formgebung des Glaskörpers 3 entspricht. Vorzugsweise wird hierzu eine
Formgebung vorgesehen, die ein der Biegelinie der Messmembran 7 entsprechend geformtes Membranbett 7 umfasst. Das Glasfrit wird, z.B. in Form einer Glaslotpaste, in vorgefertigte Druckformen eingebracht und auf dem Wafer 1 1 verpresst. Entsprechende Glaslote werden z.B. von der Firma Ferro Electronic Materials angeboten. So kann zum Beispiel das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 3,4 10"6 pro °C aufweisende unter den Bezeichnung CF 7584 von der Firma Ferro Electronic Materials angebotene Glaslot, oder das einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten von 4,9 10"6 pro °C aufweisende unter der Bezeichnung EG 2807 von der Firma Ferro Electronic Materials angebotene Glaslot, verwendet werden.
Im nächsten Verfahrensschritt b) wird eine dünne Metallfolie 15 aus dem Material der Messmembran 1 planparallel zum Wafer 1 1 auf die aufgedruckten Strukturen 13 aufgelegt. Die Metallfolie 15 weist eine in Abhängigkeit vom Druckmessbereich des Drucksensors vorgegebene Dicke auf. Für einen in einem Druckmessbereich von 10 mbar einsetzbaren Drucksensor mit einem Membrandurchmesser von 5 mm eignet sich z.B. eine Metallfolie 15 mit einer Dicke in der Größenordnung von 30 μιη. Anschließend werden die Glaskörper 3 aus den Strukturen 13 aus Glasfrit gebrannt. Dabei wird durch das Aufschmelzen der dabei in unmittelbarem Kontakt zu dem Wafer 1 1 und der Metallfolie 15 stehenden Glasfrits eine Glas-Metall Fügung zwischen der den Glaskörper 3 bildenden Glasfritte und der die Messmembran 1 bildenden Metallfolie 15, sowie eine Fügung zwischen der den Glaskörper 3 bildenden Glasfritte und dem die Grundplatte 9 bildenden Wafer 1 1 bewirkt.
Beim Einbrennen des Glasfrits wird beispielsweise ein Temperaturprofil durchlaufen, bei dem die Strukturen 13 zunächst bei einer Trocknungstemperatur getrocknet, insb. von Lösungsmitteln befreit, werden, und dann z.B. bei einer oberhalb der Trocknungstemperatur liegenden Brenntemperatur gebrannt werden, wodurch sie von organischen Bestandteilen befreit werden. Anschließend wird bei einer oberhalb der Brenntemperatur liegenden Fügetemperatur ein Rekristallisationsprozess ausgelöst und die Glas-Metall Fügung zwischen der den Glaskörper 3 bildenden Glasfritte und der Metallfolie 15, sowie zwischen der Glasfritte und dem Wafer 13 bewirkt. Trocknungstemperatur, Brenntemperatur und Fügetemperatur sind entsprechend den zugehörigen Materialeigenschaften des Materials des Glasfrits vorzugeben.
Die Höhe der Strukturen 13 bzw. der daraus gebrannten Glaskörper 3 bestimmt den Abstand zwischen Messmembran 1 und Grundplatte 9. Je nach Wahl des verwendeten Glasfrits sind Abstände im Bereich von 10 μιη bis 20 μιη realisierbar. Dieser Abstand bestimmt die Grundkapazität des Kondensators. Die Grundkapazität kann somit in Abhängigkeit vom Druckmessbereich des Drucksensors, bzw. von Grundfläche und Dicke der Messmembran 1 , durch eine entsprechende Wahl der Höhe der Strukturen 13 optimal angepasst werden. Dabei bieten die vergleichsweise geringen Abstände von 10 μιη bis 20 μιη den Vorteil einer entsprechend hohen Grundkapazität, und damit einer entsprechend hohen erzielbaren Messgenauigkeit.
Zur Herstellung von Relativdrucksensoren werden nach dem Abkühlen der
Glasfritten in einem nächsten Arbeitsschritt c) Kanäle 17 präpariert, die jeweils von der Unterseite des Verbunds durch die Grundplatte 9 und den Glaskörper 3 aus eingebrannter Glasfritte hindurch in die Druckkammer 5 führen. Hierzu können mikromechanische Präparationsmethoden, wie z.B. das Ultraschallbohren, eingesetzt werden. Bei der Herstellung von Absolutdrucksensoren entfällt dieser Arbeitsschritt.
Abschließend werden die im Waferverband hergestellten Drucksensoren, z.B. durch Sägen entlang der in Verfahrensschritt d) dargestellten senkrechten Linien, vereinzelt.
Auf analoge Weise kann auch der in Fig. 2 dargestellte Differenzdrucksensor hergestellt werden. Dieser unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Relativdrucksensor lediglich dadurch, dass er zusätzlich zu dem im
Relativdrucksensor bereits auf der ersten Seite der Messmembran 1 vorgesehenen Glaskörper 3 einen identisch aufgebauten zweiten Glaskörper 3 aufweist. Der zweite Glaskörper 3 weist einen planaren äußeren Rand auf, der mit einem äußeren Rand einer zweiten Seite der Messmembran 1 durch eine Glas-Metall Fügung
verbundenen ist.
Auch erfindungsgemäße Differenzdrucksensoren werden vorzugsweise im
Waferverband hergestellt. Dabei werden zwei Wafer 1 1 - wie in Verfahrensschritt a) dargestellt - mit den Strukturen 13 aus Glasfrit bedruckt, und unter Zwischenfügung der Metallfolie 15 derart aufeinander gestapelt, dass sich die Strukturen 15 zu beiden Seiten der Metallfolie 15 genau gegenüber liegen. Anschließend werden die aufgedruckten Strukturen 13 eingebrannt, wobei auch hier durch das
aufschmelzende Glasfrit an den Auflageflächen eine Glas-Metall Fügung zwischen den die Glaskörper 3 bildenden Glasfritten und der die Messmembranen 1 bildenden Metallfolie 15, sowie eine Fügung zwischen den Glaskörpern 3 und dem die
Grundplatten 9 bildenden Wafer 1 1 bewirkt wird. Die Glas-Metall Fügung von Glaskörper 3 und Metallfolie 15 durch das beim
Einbrennen der Glasfritten aufschmelzende Glasfrit bieten den Vorteil, dass das Metall der Messmembran 1 nahezu frei wählbar ist. Das gilt analog auch für das Material der Grundplatten 9. Zur Reduktion von fertigungsbedingten thermischen Verspannungen innerhalb des Drucksensors wird für die Messmembranen 1 vorzugsweise ein Metall eingesetzt, das einen an den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Glaskörpers 3 angepassten thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Hierzu eignen sich insb. Invar, Kovar, Molybdän oder Tantal. Genauso wird für die Grundplatten 9 vorzugsweise ein Material mit einem an die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Glaskörper 3 angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten eingesetzt. Hierzu eignen sich insb. neben dem bereits genannten Silizium auch die oben als Werkstoff für die Messmembranen 1 genannten Metalle Invar, Kovar, Molybdän oder Tantal.
Aufgrund der durch die Form des Membranbetts 7 mit bedingten Formgebung der Strukturen 13 können sowohl beim Bedrucken der Strukturen 13, sowie beim nachfolgenden Einbrennen der Glasfritten von der Wahl des Glaslots abhängige, mehr oder weniger große, fertigungsbedingte Toleranzen der Abmessungen der Glaskörper 3 und der darin integrierten Membranbetten 7 auftreten. Diese wirken sich sowohl auf die erzielbare Messgenauigkeit, als auch auf die Reproduzierbarkeit des Fertigungsprozesses aus.
Diese fertigungsbedingten Toleranzen können reduziert werden, in dem im
Drucksensor ein aus zwei Glasfritten 19, 21 einfacherer Geometrie aufgebauter Glaskörper 23 eingesetzt wird. Hierzu ist der Glaskörper 23 vorzugsweise als zweiteilige Glasfritte ausgebildet, die eine scheibenförmige erste Glasfritte 19 und eine darauf angeordnete ringförmige zweite Glasfritte 21 aufweist. Die zweite Glasfritte 21 umschließt die Druckkammer 5 außenseitlich, und weist eine der Messmembran 1 zugewandte Stirnseite auf, die durch eine Glas-Metall Fügung mit der Messmembran 1 verbunden ist. Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines entsprechenden Relativdrucksensors. Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines entsprechenden Differenzdrucksensors. Letzterer unterscheidet sich von dem in Fig. 4 dargestellten Relativdrucksensor dadurch, dass zusätzlich zu dem auch im Relativdrucksensor auf der ersten Seite der Messmembran 1 vorgesehenen Glaskörper 23 auch auf der zweiten Seite der Messmembran 1 ein zweiter identisch aufgebauter zweiteiliger Glaskörper 23 vorgesehen ist. Der zweite Glaskörper 23 weist einen planaren, durch die membran-zugewandte Stirnseite von dessen zweiter Glasfritte 21 gebildeten, äußeren Rand auf, der mit einem äußeren Rand der zweiten Seite der Messmembran 1 durch eine Glas-Metall Fügung verbundenen ist.
Auch die zweiteiligen Glaskörper 23 sind vorzugsweise auf einer Grundplatte 9 aus einem Halbleiter oder aus Metall angeordnet, und weisen vorzugsweise ein
Membranbett zur Abstützung der Messmembran 1 im Falle einer darauf
einwirkenden Überlast auf. Diese Membranbetten werden vorzugsweise durch konzentrisch zueinander und zu einer parallel zur Flächennormalen auf die
Messmembran 1 durch die Mitte der Messmembran 1 verlaufenden
Sensorlängsachse auf den ersten Glasfritten 19 aufgebrachte Stege 25 gebildet, deren Höhe von der Sensormitte zum Sensorrand hin entsprechend der Biegelinie der Messmembran 1 zunimmt.
Ein vorzugsweise im Waferverband ausgeführtes Herstellungsverfahren zur Herstellung dieser Drucksensoren ist in Fig. 6 am Beispiel eines Relativdrucksensors dargestellt. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt a) ein Wafer 1 1 bzw. eine Metallscheibe aus dem Material der Grundplatten 9 mit der Formgebung der ersten Glasfritte 19 entsprechenden scheibenförmigen Strukturen 27 aus Glasfrit bedruckt, und die ersten Glasfritten 19 durch Einbrennen dieser Strukturen 27 erzeugt.
Hierdurch wird zugleich eine Fügung zwischen den scheibenförmigen ersten
Glasfritten 19 und dem die Grundplatten 9 bildenden Wafer 1 1 bewirkt. Für
Drucksensoren ohne Grundplatte 9, wird auch hier anstelle des Wafers 1 1 ein Graphitträger eingesetzt, der nachfolgend wieder entfernt wird. Bei der Herstellung von Relativdrucksensoren werden nach dem Abkühlen der Glasfritten 19 in einem nächsten Arbeitsschritt b) auf die in Verbindung mit Arbeitsschritt c) von Fig. 3 beschriebene Weise Kanäle 17 präpariert. Die frühzeitige Präparierung der Kanäle 17 bietet den Vorteil, dass das dabei entfernte Material gut abtransportiert werden kann, und dass die Kanäle 17 in den nachfolgenden Arbeitsschritten als räumliche Bezugspunkte für die Ausrichtung der zu bearbeitenden Teile zur Verfügung stehen.
In einem nächsten Arbeitsgang c) werden die ersten Glasfritten 19 mit der
Formgebung der Stege 27 entsprechenden stegformigen Strukturen 29 aus Glasfrit bedruckt.
Parallel dazu oder nachfolgend wird die Metallfolie 15 aus dem Material der
Messmembran 1 in Verfahrensschritt d) mit der Formgebung der zweiten Glasfritten 21 entsprechenden ringförmigen Strukturen 31 aus Glasfrit bedruckt. Alternativ können die ringförmigen Strukturen 31 auch auf den äußeren Rand der ersten Glasfritten 19 aufgedruckt werden.
Nachfolgend wird die bedruckte Metallfolie 15 in Verfahrensschritt e) derart auf den mit den ersten Glasfritten 19 und den stegformigen Strukturen 29 versehenen Wafer 1 1 bzw. die damit versehene Metallscheibe aufgelegt, dass die ringförmigen
Strukturen 31 passgenau auf den äußeren Rändern der vom Wafer 1 1 abgewandten Stirnseiten der ersten Glasfritten 19 aufliegen. Anschließend werden die Stege 25 und die zweiten Glasfritten 21 erzeugt, indem die stegformigen Strukturen 29 und die ringförmigen Strukturen 31 in einem Brennvorgang eingebrannt werden. Hierdurch entsteht eine Fügung zwischen den aufeinander liegenden Glasfritten 19, 21 , eine
Glas-Metall Fügung zwischen den ringförmigen zweiten Glasfritten 21 und der darauf aufliegenden Metallfolie 15, sowie eine Fügung zwischen den Stegen 27 und den ersten Glasfritten 19. Abschließend werden die im Waferverband hergestellten Drucksensoren, z.B. durch Sägen entlang der in Verfahrensschritt f) dargestellten senkrechten Linien, vereinzelt.
Wird kein aus Stegen 25 aufgebautes Membranbett benötigt entfällt Verfahrensschritt c). In dem Fall kann die mit den Strukturen 31 bedruckte Metallfolie 15 unmittelbar auf den mit den Strukturen 27 bedruckten Wafer 1 1 aufgelegt, und beide Glasfritten 19, 21 in einem einzigen Brennvorgang gebrannt werden.
Auf analoge Weise können auch entsprechende Differenzdrucksensoren hergestellt werden. Auch die Herstellung der Differenzdrucksensoren erfolgt vorzugsweise im Waferverbund. Hierzu werden zwei Wafer 1 1 bzw. Metallscheiben auf die in Verfahrensschritt a) bis c) von Fig. 6 dargestellte Weise bearbeitet. Um eine möglichst stabile Fügung zwischen den Stegen 25 und den ersten Glasfritten 19 zu erzielen, werden die Stege 25 hier unmittelbar nach dem Bedrucken der gebrannten ersten Glasfritten 19 mit den stegförmigen Strukturen 29 gebrannt.
Im Anschluss daran werden die auf den beiden Wafern 1 1 angeordneten ersten Glasfritten 19 mit den ringförmigen Strukturen 31 bedruckt, und unter
Zwischenfügung der Metallfolie 15 derart aufeinander gestapelt, dass sich die ringförmigen Strukturen 31 auf beiden Seiten der Metallfolie 15 genau gegenüber liegen. Im Anschluss daran werden die Strukturen 31 gebrannt. Um eine
Beeinträchtigung der Fügungen zwischen den oberen ersten Glasfritten 19 und den daran über Kopf hängenden Stegen 25 zu vermeiden, wird für die ringförmigen Strukturen 31 bzw. die daraus zu brennenden zweiten Glasfritten 21 vorzugsweise ein Glasfrit verwendet, dessen Schmelzpunkt unterhalb des Erweichungspunkts des für die ersten Glasfritten 19 und die Stege 25 verwendeten Glasfrits liegt.
Je nach Wahl des verwendeten Glaslots sind zweiteilige Glaskörper 23 mit einer die Grundkapzität der durch die Messmembran 1 und die Grundplatten 9 gebildeten Kondensatoren festlegenden Gesamthöhe von 20 μιη - 40 μιη realisierbar. Größere Grundkapazitäten lassen sich in Verbindung mit zweiteiligen Glaskörpern 23 dadurch erzielen, dass auf die der Messmembran 1 zugewandte Seite der ersten Glasfritten 19 jeweils eine Gegenelektrode 33 aufgebracht, z.B. aufgesputtert, wird. Die Gegenelektroden 33 bilden dann zusammen mit der jeweils gegenüberliegenden durch die Messmembran 1 gebildeten Elektrode einen Kondensator mit von der druckabhängigen Durchbiegung der Messmembran 1 abhängiger Kapazität.
Diese Gegenelektroden 33 müssen elektrisch kontaktiert werden. Hierzu wird als Ausgangspunkt des in Fig. 7 dargestellten Herstellungsverfahrens dieser
Drucksensoren anstelle des in Fig. 6 verwendeten Wafers 1 1 vorzugsweise ein mit vorgefertigten Durchkontaktierungen 35 ausgestatteter Wafer 37 bzw. eine mit Durchkontaktierungen ausgestattet Metallplatte eingesetzt. Die Durchkontaktierungen 35 umfassen jeweils einen elektrisch isoliert durch den Wafer 37 bzw. die Metallplatte hindurch geführten Kontaktstift 39, der zu beiden Seiten des Wafers 37 bzw. der Metallplatte heraus ragt.
Das Herstellungsverfahren entspricht im Wesentlichen dem anhand von Fig. 6 erläuterten Verfahren, so dass nachfolgend lediglich sich durch die Gegenelektroden 33 ergebende Unterschiede erläutert sind. Auch hier werden die Wafer 37 in Verfahrensschritt a) mit den scheibenförmigen Strukturen 27 bedruckt, hieraus die ersten Glasfritten 19 gebrannt, und in Verfahrensschritt b) die ggfs. benötigten Kanäle 17 präpariert.
Im nachfolgenden Verfahrensschritt c) werden die Oberseiten der ersten Glasfritten 19 soweit abgeschliffen, dass die Enden der Kontaktstifte 39 frei liegen. Dies ist in Fig. 7 durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Anschließend werden die Gegenelektroden 33 in Verfahrensschritt d) auf die
Oberseiten der ersten Glasfritten 19 aufgebracht, z.B. ausgesputtert. Hierdurch wird zugleich eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Gegenelektroden 33 und den jeweils darunter befindlichen Kontaktstiften 39 bewirkt. Im Anschluss daran wird das Verfahren auf die bereits anhand von Fig. 6 erläuterte Weise fortgesetzt, wobei alle oder zumindest eine oder mehrere der stegförmigen Strukturen 29 in Verfahrensschritt e) auf die Gegenelektrode 33 aufgedruckt werden. Bezüglich der nachfolgenden Verfahrensschritte e) bis h) wird auf die Beschreibung der entsprechenden Verfahrensschritte c) -f) von Fig. 6 verwiesen. Auch die Herstellung von mit Gegenelektroden 33 ausgestatten Differenzdrucksensoren erfolgt, abgesehen von den in Verbindung mit Fig. 7 erläuterten Unterschieden, auf die in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben Weise.
Anstelle der aus gebranntem Glasfrit bestehenden Glaskörper 3 bzw. 23, können alternativ auch auf andere Weise gefertigte, mit der Messmembran 1 durch eine
Glas-Metall Fügung verbunden Glaskörper 41 eingesetzt werden. Diese können z.B. den gleichen Aufbau aufweisen, wie die in Fig. 1 und 3 dargestellten
Ausführungsbeispiele, so dass in Fig. 1 und 3 das Bezugszeichen der auf andere Weise gefertigten Glaskörper 41 als Alternative angegeben ist.
Im einfachsten Fall können als Glaskörper 41 aus einer Glasscheibe vorgefertigte Glaskörper eingesetzt werden, in die die Membranbetten 7 mittels
mikromechanischer Bearbeitung oder Heißprägung eingebracht wurden. Diese Glaskörper weisen z.B. eine Dicke im Bereich von 100 μιη bis 1000 μιη auf.
Vorzugsweise werden zur Herstellung dieser Glaskörper 41 jedoch die in der DE 10 201 1 084 A1 und der DE 10 2009 046 229 A1 beschriebenen Verfahren eingesetzt. Fig. 8 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel eines zur Herstellung eines solchen Drucksensors einsetzbares Verfahren, das die in den Teilbildern a) bis g) dargestellten Verfahrensschritte umfasst. Dabei werden auch hier vorzugsweise mehrere Drucksensoren parallel im Waferverbund gefertigt. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt a) eine Glasscheibe 43 auf einen
Träger 45 aus Graphit aufgelegt. Die Glasscheibe 43 weist eine Dicke von mehr als 200 μιη, z.B. im Bereich von 800 μιη, auf. Der Träger 45 weist unter allen Bereichen der Glasscheibe 43, die später die Membranbetten 7 bilden, Ausnehmungen 47 auf. In einem nächsten Schritt b) werden die Membranbetten 7 dadurch geformt, dass
Träger 45 und Glasscheibe 43 ein Temperaturprofil durchlaufen, bei dem vom Träger 45 aufgrund der darin vorgesehenen Ausnehmungen 47 nicht unterstützen Bereiche aufgrund der Schwerkraft absinken. Träger 45 und Glasscheibe 43 werden hierzu vorzugsweise unter Vakuum über einen Zeitraum auf eine über dem
Erweichungspunkt des Glases liegende Prozesstemperatur aufgeheizt, und über einen weiteren Zeitraum auf dieser Prozesstemperatur gehalten. Dabei bildet sich in jedem dieser Bereiche eine Kontur aus, die im Wesentlichen der Biegelinie der Messmembran 1 entspricht, und nach einem Abkühlen der auf diese Weise geformten Glasscheibe 43 erhalten bleibt.
Im nachfolgenden Verfahrensschritt c) wird der Träger 45 entfernt und eine
Unterseite der Glasscheibe 43 durch Entfernung der zu den die Membranbetten 7 bildenden Konturen komplementären Auswölbungen auf der Unterseite eingeebnet. Dies kann durch Schleifen, Polieren oder Läppen erfolgen.
In einem nächsten Arbeitsgang d) wird die vorgeformte unterseitig eingeebnete Glasscheibe 43 mit deren planaren Unterseite auf einen Wafer 11 aus dem für die Grundplatten 9 vorgesehenen Halbleitermaterial, insb. aus Silizium, aufgelegt. Für Grundplatten 9 aus Metall wird statt des Siliziumwafers eine Metallplatte eingesetzt.
Die flächige Fügung von Glasscheibe 43 und Wafer 1 1 bzw. Metallplatte erfolgt vorzugsweise durch anodisches Bonden. Um eine Fügung durch anodisches Bonden zu ermöglichen besteht die Glasscheibe 43, und damit auch die daraus gefertigten Grundkörper 41 , aus einem Alkali-Ionen, insb. Natrium oder Kalium, enthaltenden Borosilikatglas. Besonders geeignete Borosilikatglaser sind beispielsweise unter dem Handelsnamen Pyrex von der Firma Cornin angebotene Gläser, unter den
Handelsnamen Borofloat 33 und Foturan von der Firma Schott angebotene Gläser, sowie von der Firma Hoya unter der Bezeichnung SD-2 angebotene Gläser.
Das anodische Bonden von Borsilitkatglas und Silizium erfolgt vorzugsweise bei einer angelegten Spannung im Bereich von 900 V bis 1 100 V. Dabei liegt die Bondtemperatur vorzugsweise zwischen 300°C und 500°C. Der Bondmechanismus beruht auf der chemischen Verbindung von O- Ionen mit Siliziumatomen, was zu entsprechenden Si02 Bonds zwischen Glas und Silizium führt. Die dadurch erzielte Bond-Verbindung ist ohne Zwischenschicht zwischen Glas und Silizium dicht und stoffschlüssig. In Verbindung mit Grundplatten 9 aus Metall wird vorzugsweise eine
Materialkombination vom Metall der Grundkörper 9 und dem Borosilikatglas des Glaskörpers 41 gewählt, die es erlaubt die Fügung von Grundkörpern 9 und
Glaskörpern 41 durch anodisches Bonden zu bewirkten. Für das anodische Bonden in Verbindung mit den oben genannten Borosilikatgläsern eignen sich insb.
Metalllegierungen wie z.B. Invar und Kovar. Entsprechende anodische
Bondverfahren sind in dem 2004 in Sensors and Actuators A: Physical 1 14, Ausgabe 2-3, 543-549 veröffentlichten Artikel„"Bonding properties of metals anodically bonded to glass" von Danick Briand, Patrick Weber und Nicolaas F. de Rooij beschrieben.
Zur Herstellung von Relativdrucksensoren werden, genau wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel in einem nächsten Verfahrensschritt e) Kanäle 17 präpariert, die jeweils durch die Grundplatte 9 und den Grundkörper 43 hindurch in die
Druckkammer 5 führen.
Abschließend werden in Verfahrensschritt f) die Messmembranen 1 und die
Glaskörper 41 gefügt. Hierzu wird eine Metallfolie 15 auf die Oberseite der geformten und unterseitig eingeebneten Glasscheibe 43 aufgelegt, und beide werden in den die Membranbetten 7 umgebenden Bereichen, in denen die Metallfolie 15 auf den die Membranbetten 7 umgebenden Bereichen der Glasscheibe 43 aufliegt, durch eine Glas-Metall Fügung miteinander verbunden.
Unabhängig davon, ob durch mikromechanische Bearbeitung oder Heißpressung von Glasscheiben oder durch das in den Verfahrensschritten a) bis c) beschriebene Verfahren hergestellte Glaskörper 41 eingesetzt werden, wird für Messmembranen 1 und Glaskörper 41 vorzugsweise eine Materialkombination vom Metall der
Messmembranen 1 und dem Glas des Glaskörpers 41 gewählt, die es erlaubt die Fügung von Messmembran 1 und Glaskörper 41 durch anodisches Bonden zu bewirkten. Insoweit gelten die obigen Ausführungen zur Bondverbindung zwischen den Glaskörpern 41 und den metallischen Grundplatten 9 entsprechend. Anodische Bondverbindungen können insb. zwischen Glaskörpern 41 aus Borosilikatglas und Messmembranen 1 aus Invar oder Kovar bewirkt werden.
Alternativ kann die Glas-Metall Fügung von Messmembran 1 und Glaskörper 41 , sowie die Fügung von Glaskörper 41 und Grundplatte 9 durch eine
Glaslotverbindung bewirkt werden. Glaslotfügungen sind jedoch aufgrund des zwischen zu fügenden Glaslots im Hinblick auf die Abstände zwischen den zu fügenden Elemente weniger präzise ausführbar, als das anodische Bonden.
Werden, wie hier dargestellt, eine Vielzahl von Drucksensoren parallel im
Waferverband gefertigt werden, folgt abschließend ein Vereinzeln der
Drucksensoren, beispielsweise durch Sägen entlang der in Verfahrensschritt g) von Fig. 8 dargestellten vertikalen Linien.
Auch auf der Basis des anhand von Fig. 8 beschriebenen Herstellungsverfahren können Differenzdrucksensoren hergestellt werden, die den gleichen Grundaufbau aufweisen, wie der in Fig. 3 dargestellte Differenzdrucksensor.
Auch der Differenzdrucksensor wird vorzugsweise im Waferverband hergestellt. Hierzu werden zwei unterseitig eingeebnete Glasscheiben 43 unter Zwischenfügung der Metallfolie 15 derart aufeinander gestapelt, dass sich die Membranbetten 7 der beiden Glasscheiben 43 zu beiden Seiten der Metallfolie 15 genau gegenüber liegen. Beide Glasscheiben 43 dieses Stapels werden in einem Bondvorgang durch anodisches Bonden mit der Metallfolie 15 verbunden. Anschließend wird auf beide Außenseiten dieses Verbunds jeweils ein Wafer 1 1 aus dem Halbleitermaterial der Grundplatten 9 bzw. für metallische Grundplatten 9 eine Metallscheibe aufgebracht, und jeweils durch eine Glaslötung flächig mit der jeweiligen Glasscheibe 43 verbunden.
Wo aufgrund der gewählten Materialkombination der Materialien für Messmembran 1 und Grundkörper 43 eine Fügung der Glasscheiben 43 und der Metallfolie 15 durch anodisches Bonden nicht möglich ist, werden auch diese Fügungen durch flächige Glaslötungen bewirkt.
Messmembran
Glaskörper
Druckkammer
Membranbettt
Glaskörper
Wafer
Struktur aus Glasfrit
Metallfolie
Kanal
erste Glasfritte zweite Glasfritte
Glaskörper
Stege
Struktur aus Glasfrit
Struktur aus Glasfrit
Struktur aus Glasfrit
Gegenelektrode
Durchkontaktierung
Wafer
Kontaktstift
Glaskörper
Glasscheibe
Träger
Ausnehmung

Claims

Patentansprüche:
1. Drucksensor, mit
- einer mit einem Druck beaufschlagbaren und druckabhängig elastisch
verformbaren Messmembran (1 ),
- einem mit einem äußeren Rand einer ersten Seite der Messmembran (1 ) verbundenen Glaskörper (3, 23, 41 ),
- einer im Glaskörper (3, 23, 41 ) unter der Messmembran (1 ) eingeschlossenen Druckkammer (5), und
- einem elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer druckabhängige Verformung der Messmembran (1 ),
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Messmembran (1 ) aus Metall, insb. aus Invar, Kovar, Molybdän oder
Tantal, besteht, und
- Messmembran (1 ) und Glaskörper (3, 23, 41 ) durch eine Glas-Metall Fügung verbunden sind.
2. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
auf einer von der Messmembran (1 ) abgewandten Unterseite des Glaskörpers (3, 23, 41 ) eine Grundplatte (9), insb. eine Grundplatte (9) aus einem Halbleiter, insb. aus Silizium, oder aus einem Metall, insb. aus Invar, Kovar, Molybdän oder Tantal vorgesehen ist.
3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
elektromechanische Wandler ein kapazitiver Wandler ist, der eine durch die metallische Messmembran (1 ) gebildete Elektrode und eine durch die
Grundplatte (9) aus einem Halbleiter oder einem Metall gebildete
Gegenelektrode umfasst.
4. Drucksensor nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Glaskörper (3, 23) aus eingebranntem Glasfrit besteht, und
- die Glas-Metall Fügung zwischen dem Glaskörper (3) und der Messmembran (1 ) eine durch beim Einbrennen des Glasfrits aufschmelzendes Glasfrit gebildete Glas-Metall Fügung ist.
5. Drucksensor nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass
Glaskörper (3, 23) und Grundplatte (9) durch eine beim Einbrennen des Glasfrits durch aufschmelzendes Glasfrit bewirkte Fügung miteinander verbunden sind.
6. Drucksensor nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass
- der Glaskörper (3) eine einteilige Glasfritte, insb. eine einteilige ein
Membranbett (7) aufweisende Glasfritte, ist, oder
- der Glaskörper (23) eine zweiteilige Glasfritte ist,
- die eine scheibenförmige erste Glasfritte (19), insb. eine scheibenförmige erste
Glasfritte (19) mit darauf angeordneten ein Membranbett bildenden Stegen (25), umfasst, und
- die eine auf der ersten Glasfritte (19) angeordnete ringförmige zweite Glasfritte (21 ), insb. eine zweite Glasfritte (21 ) aus einem Glasfrit, das einen
Schmelzpunkt aufweist, der unterhalb eines Erweichungspunkts des für die erste Glasfritte (19) verwendeten Glasfrits liegt, umfasst.
7. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Glaskörper (23) eine scheibenförmige erste Glasfritte (19) und eine darauf angeordnete ringförmige zweite Glasfritte (21 ) aufweist, und
- der elektromechanische Wandler eine auf die erste Glasfritte (19)
aufgebrachte, insb. aufgesputterte, Gegenelektrode (33) umfasst, die zusammen mit der als Elektrode dienenden Messmembran (1 ) einen
Kondensator mit einer von einer druckabhängigen Verformung der
Messmembran (1 ) abhängigen Kapazität bildet.
8. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- der Glaskörper (41 ) ein aus einer Glasscheibe gefertigter Glaskörper ist, und die Glas-Metall Fügung zwischen Messmembran (1 ) und Glaskörper (41 ) eine Glaslötung ist, oder
- der Glaskörper (41 ) ein aus einer Glasscheibe aus einem Alkali-Ionen
enthaltenden Borosilikatglas gefertigter Glaskörper ist, die Messmembran (1 ) aus einem mit dem Borsilikatglas des Glaskörpers (41 ) durch anodisches Bonden verbindbaren Metall, insb. aus Invar oder Kovar, besteht, und die Glas- Metall Fügung zwischen Glaskörper (41 ) und Messmembran (1 ) eine durch anodisches Bonden bewirkte Fügung ist.
9. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Glaskörper (41 ) ein aus einer Glasscheibe gefertigter Glaskörper ist, und Grundplatte (9) und Glaskörper (41 ) durch eine Glaslötung verbunden sind, oder
- der Glaskörper (41 ) ein aus einer Glasscheibe aus einem Alkali-Ionen
enthaltenden Borosilikatglas gefertigter Glaskörper (41 ) ist, die Grundplatte (9) aus einem Halbleiter, insb. aus Silizum, oder aus einem mit dem Borsilikatglas des Glaskörpers (41 ) durch anodisches Bonden verbindbaren Metall, insb. aus Invar oder Kovar, besteht, und Glaskörper (41 ) und Grundplatte (9) durch anodisches Bonden miteinander gefügt sind.
10. Drucksensor nach Anspruch 1 , 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Glaskörper (41 ) ein aus einer Glasscheibe gefertigter Glaskörper ist, in den mittels mikromechanischer Bearbeitung oder Heißprägung ein Membranbett (7) eingebracht wurde, oder
- der Glaskörper (41 ) ein aus einer Glasscheibe (43) gefertigter Glaskörper (41 ) ist, der ein Membranbett (7) aufweist, das dadurch erzeugt wurde, dass die Glasscheibe (43) auf einem Träger (45) ein Temperaturprofil durchlaufen hat, bei dem ein vom Träger (45) aufgrund einer im Träger (45) vorgesehenen Ausnehmung (47) nicht unterstützter Bereich der Glasscheibe (43) aufgrund der Schwerkraft abgesunken ist.
1 1. Drucksensor gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er als
Differenzdrucksensor ausgebildet ist, indem ein mit einem äußeren Rand einer zweiten Seite der Messmembran (1 ) verbundener zweiter Glaskörper (3, 23, 41 ) vorgesehen ist, der identisch zu dem ersten Glaskörper (3, 23, 41 ) ausgebildet ist.
12. Verfahren, insb. im Waferverband ausführbares Verfahren, zur Herstellung von Drucksensoren, insb. von Absolutdruck-, Relativdruck- oder
Differenzdrucksensoren, gemäß der ersten Alternative von Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Graphitscheibe, ein Wafer (1 1 ) aus dem Material der Grundplatten (9), oder eine Metallplatte aus dem Material der Grundplatten (9) mit mindestens einer Struktur (13) aus Glasfrit bedruckt wird,
- eine Metallfolie (15) aus dem Metall der Messmembranen (1 ) auf die
aufgedruckten Strukturen (13) aufgelegt wird,
- die Glaskörper (3) bildende Glasfritten durch Einbrennen der Strukturen (13) erzeugt werden, und
- die Glas-Metall Fügungen durch beim Einbrennen der Strukturen (13) aufschmelzendes Glasfrit bewirkt werden.
13. Verfahren, insb. im Waferverband ausführbares Verfahren, zur Herstellung von Drucksensoren, insb. von Absolutdruck-, Relativdruck- oder Differenzdrucksensoren, gemäß der zweiten Alternative von Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Graphitscheibe, ein Wafer (1 1 ) aus dem Material der Grundplatten (9) oder eine Metallplatte aus dem Material der Grundplatten (9) mit mindestens einer scheibenförmigen Struktur (27) aus Glasfrit bedruckt wird, aus denen durch Einbrennen jeweils eine erste Glasfritte (19) erzeugt wird,
- die ersten Glasfritten (19) insb. mit stegförmigen Strukturen (29) aus Glasfrit bedruckt, werden,
- eine Metallfolie (15) aus dem Material der Messmembran (1 ) mit ringförmigen Strukturen (31 ) aus Glasfrit, insb. einem Glasfrit mit einem Schmelzpunkt, der unterhalb eines Erweichungspunkts des für die ersten Glasfritten (19) verwendeten Glasfrits liegt, bedruckt werden, und die bedruckte Metallfolie (15) derart auf die ersten Glasfritten (19) aufgelegt wird, dass ringförmigen
Strukturen (31 ) passgenau auf den äußeren Rändern der ersten Glasfritten (19) aufliegen, oder
- die ersten Glasfritten (19) mit ringförmigen Strukturen (31 ) aus Glasfrit, insb. einem Glasfrit mit einem Schmelzpunkt, der unterhalb eines
Erweichungspunkts des für die ersten Glasfritten (19) verwendeten Glasfrits liegt, bedruckt werden, und die Metallfolie (15) auf die ringförmigen Strukturen (31 ) aufgelegt wird, und
- aus den ringförmigen Strukturen (31 ) durch Einbrennen die zweiten Glasfritten (21 ) erzeugt werden.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, zur Herstellung von Drucksensoren gemäß
Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
- anstelle der Graphitscheibe, des Wafer (1 1 ), oder der Metallplatte ein mit vorgefertigten jeweils einen Kontaktstift (41 ) aufweisenden
Durchkontaktierungen (35) ausgestatteter Wafer (37) oder eine mit jeweils einen Kontaktstift aufweisenden Durchkontaktierungen ausgestattet
Metallplatte aus dem Material der Grundplatten (9) eingesetzt wird,
- die Oberseiten der ersten Glasfritten (19) soweit abgeschliffen werden, dass die Enden der Kontaktstifte (39) frei liegen, und
- auf die ersten Glasfritten (19) jeweils eine Gegenelektrode (33) aufgebracht, insb. aufgesputtert, wird.
15. Verfahren, insb. im Waferverband ausführbares Verfahren, zur Herstellung von Drucksensoren, insb. von Absolutdruck-, Relativdruck- oder
Differenzdrucksensoren, nach Anspruch 1 , 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine mindestens einen Glaskörper (41 ) enthaltende Glasscheibe gefertigt wird,
- die Metallfolie (15) aus dem Material der Messmembranen (1 ) auf die die
Glaskörper (41 ) enthaltende Glasscheibe (43) aufgelegt wird, und
a) die Glaskörper (41 ) aus einem Borosilikatglas bestehen, die Messmembranen
(1 ) aus einem mit dem Borosilikatglas durch anodisches Bonden verbindbaren Metall bestehen, und die Glas-Metall Fügungen zwischen Messmembranen (1 ) und Glaskörpern (41 ) durch anodisches Bonden bewirkt werden, oder b) die Glas-Metall Fügungen zwischen Messmembranen (1 ) und Glaskörpern (41 ) Glaslötungen bewirkt werden.
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