WO2024099937A1

WO2024099937A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: WO2024099937A1
Application number: PCT/EP2023/080781
Authority: WO
Inventors: Marcus Ahles; Torsten Kramer; Andreas Winden
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2022-11-08
Filing date: 2023-11-06
Publication date: 2024-05-16
Also published as: DE102022211792A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit einem mikromechanischen Sensorelement und einem Glassockel. Das mikromechanische Sensorelement weist einen Körper, eine Kaverne und eine die Kaverne überspannende Membran auf. Körper, Kaverne und Membran bestehen aus einem Material. Der Glassockel weist eine Durchgangsöffnung auf. Das mikromechanische Sensorelement ist derart am Glassockel befestigt, dass die Kaverne mit der Durchgangsöffnung verbunden ist. Das mikromechanische Sensorelement weist in einem an den Glassockel angrenzenden Übergangsbereich eine Entlastungsstruktur auf. Die Entlastungsstruktur beinhaltet eine Ausnehmung des Körpers. Eine Geometrie der Entlastungsstruktur ist derart gewählt, dass eine mechanische Spannung zwischen Glassockel und Körper reduziert ist.

Description

Beschreibung

Titel

Sensoranordnung

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung sowie ein Herstellungsverfahren für eine Sensoranordnung.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind Sensoranordnungen bekannt, die ein mikromechanisches Sensorelement aufweisen, das auf einem Träger angeordnet ist und über diesen Träger beispielsweise auf einem Metallsockel oder einem Gehäuse montiert wird. Das mikromechanische Sensoreiement weist eine Membran auf, die eine Kaverne mit einer rückseitigen Öffnung überspannt. Der T räger weist eine Durchgangsöffnung auf und ist mittels dieser so mit der Rückseite des Sensorelements verbunden, dass die Durchgangsöffnung in die rückseitige Öffnung der Kaverne mündet. Eine solche Sensoranordnung kann zum Erfassen von hohen Drücken geeignet sein.

Derzeitige mikromechanische (MMS-) oder mikroelektromechanische (MEMS-) Drucksensoren zur Erfassung von hohen Drücken (10-70bar) basieren auf einer Sensoranordnung eines mikromechanischen Sensorelements, das auf einem Glassockel angeordnet ist und über diesen auf einem Metallsockel oder in einem Gehäuse montiert wird. Das Sensorelement weist an seiner Rückseite eine Kaverne auf, die die Membran des Sensorelements definiert. Der Glassockel wiederrum weist eine Durchgangsöffnung auf, die mit der Kaverne des Sensorelements derart verbunden ist, dass das zu sensierende Druckmedium durch die Durchgangsöffnung des Glassockels hindurch an die Rückseite der Membran herangeführt wird. Eine derartige Sensoranordnung wird prinzipiell in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2004 006 199 A1 beschrieben. Auf der mittels Trenchätzen freigelegten Membran des Silizium-Sensorelementes befinden sich an deren Vorderseite Piezowiderstände, die bei Membranauslenkung eine Signalerfassung ermöglichen. Das Si-Sensorelement wird auf einen Glasträger gebondet. Dessen metallisierte Rückseite kann dann wiederrum auf einen Metallträger gelötet werden. Der Glassockel dient zum Abbau des bei Temperaturänderungen entstehenden mechanischen Stresses auf das Si-Sensorelement. Bei der Erfassung von hohen Drücken ist insbesondere die Überlastsicherheit aufgrund besonderer Stressbelastung der gesamten Sensoranordnung von zentraler Bedeutung.

Es hat sich gezeigt, dass in Folge der unterschiedlichen Bruchfestigkeiten der Materialien Glas und Silizium sowie der gegebenen Geometrie der Sensoranordnung ein Kontaktpunkt von Kavernenrand und Glasträgeroberfläche den höchsten Stressbelastungen ausgesetzt ist. Aufgrund von herstellungsbedingten Mikrodefekten in der Seitenwandung der Glas-Durchgangsöffnung tritt dort bevorzugt eine Rissbildung im Belastungsfall auf. Die Oberseite des Glasträgers wiederrum ist weitgehend frei von solchen Mikrodefekten, so dass eine höhere gewünschte Überlastfestigkeit der Sensoranordnung erreicht wird. Daher ist es vorteilhaft, den Durchmesser der Glasdurchgangsöffnung kleiner als die rückseitige Kavernenöffnung zu wählen.

In der Offenlegungsschrift DE 10 2009 002 004 A1 ist eine mögliche Verbesserung hinsichtlich der Druckfestigkeit einer solchen Sensoranordnung gezeigt, bei der eine ringförmige Vertiefung vorgeschlagen wird, die über den Randbereich der Durchgangsöffnung des Glasträgers angeordnet ist, so dass die Verbindungsfläche zwischen Si-Sensorelement und Glasträger niemals auf den Rand der Durchgangsöffnung zu liegen kommt. Bei gegebenem Druck wirken aufgrund der großen Fläche jedoch weiterhin große Kräfte auf den für die Überlastfestigkeit kritischen Kontaktpunkt von Si-Sensorelement und Glasträger.

Offenbarung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Sensoranordnung bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für eine solche verbesserte Sensoranordnung bereitzustellen. Die verbesserte Sen- soranordnung soll insbesondere für höhere Drücke geeignet sein, als die bisher im Stand der Technik beschriebenen Sensoranordnungen. Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Nach einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Sensoranordnung mit einem mikromechanischen Sensorelement und einem Glassockel. Das mikromechanische Sensorelement weist einen Körper, eine Kaverne und eine die Kaverne überspannende Membran auf. Körper, Kaverne und Membran bestehen aus einem Material. Der Glassockel weist eine Durchgangsöffnung auf. Das mikromechanische Sensorelement ist derart am Glassockel befestigt, dass die Kaverne mit der Durchgangsöffnung verbunden ist. Das mikromechanische Sensorelement weist in einem an den Glassockel angrenzenden Übergangsbereich eine Entlastungsstruktur auf. Die Entlastungsstruktur beinhaltet eine Ausnehmung des Körpers. Eine Geometrie der Entlastungsstruktur ist derart gewählt, dass eine mechanische Spannung zwischen Glassockel und Körper reduziert ist.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das mikromechanische Sensorelement mittels des Glassockels auf einem Metallsockel oder in einem Gehäuse montiert werden kann. Ein zu sensierendes Druckmedium kann durch die Durchgangsöffnung des Glassockels hindurch an die Membran herangeführt werden. Dadurch ergibt sich eine druckabhängige Auslenkung der Membran, die dann ausgewertet werden kann. Zum Auslesen der Auslenkung der Membran kann vorgesehen sein, dass in die Membran Piezoelemente integriert oder auf der Membran Piezoelemente angeordnet sind, die eine mechanische Auslenkung der Membran in eine Piezospannung umsetzen, wobei dann die Piezospannung entsprechend ausgewertet werden kann. Sind die Piezoelemente in die Membran integriert, kann das mikromechanische Sensorelement auch als mikroelektromechanisches Sensorelement bezeichnet werden.

Durch die Entlastungsstruktur, die die mechanische Spannung zwischen Glassockel und Körper reduziert, kann die Sensoranordnung mit - verglichen mit den aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen - höheren Drücken beaufschlagt werden. Die bisher aus dem Stand der Technik bekannten Sensoranordnungen sind für Drücke bis ca. 70 bar ausgelegt und werden bei anliegenden Drücken im Bereich 120 bis 150 bar zerstört. Durch die Entlastungsstruktur kann erreicht werden, dass eine Zerstörung erst bei etwa 200 oder auch erst bei etwa 300 bar auftritt und deshalb die Sensoranordnung für einen Druck bis zu 100 oder gegebenenfalls auch bis zu 140 bar ausgelegt sein kann.

Nach einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Sensorsystem mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung. Das Sensorsystem weist ferner eine Auslesevorrichtung auf. Mittels der Auslesevorrichtung kann eine mechanische Bewegung der Membran ausgewertet und ausgegeben werden. Beispielsweise kann die Auslesevorrichtung die bereits angesprochenen Piezoelemente umfassen, die die mechanische Auslenkung der Membran in die Piezospannung umsetzen. Ferner kann die Piezospannung ausgegeben werden, oder ein aus der Piezospannung ermittelter Druckwert ausgegeben werden. Dies kann dabei jeweils als Analogwert oder als Digitalwert erfolgen und von der Auslesevorrichtung durchgeführt werden.

Nach einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Sensoranordnung. Dabei wird ein mikromechanisches Sensorelement mit einem Körper, einer Kaverne und einer die Kaverne überspannenden Membran erzeugt. Ferner wird eine Entlastungsstruktur in einem Übergangsbereich erzeugt, wobei die Entlastungsstruktur eine Ausnehmung des Körpers beinhaltet. Dies kann gegebenenfalls im selben Schritt erfolgen, in dem auch das mikromechanische Sensorelement erzeugt wird. Anschließend wird ein Glassockel am mikromechanischen Sensorelement angebracht, wobei der Glassockel eine Durchgangsöffnung aufweist. Das mikromechanische Sensorelement wird derart am Glassockel befestigt, dass die Kaverne mit der Durchgangsöffnung verbunden ist. Der Glassockel wird außerdem derart am mikromechanischen Sensorelement angebracht, dass der Übergangsbereich an den Glassockel angrenzt. Eine Geometrie der Entlastungsstruktur ist derart gewählt, dass eine mechanische Spannung zwischen Glassockel und Körper reduziert ist.

Das mikromechanische Sensorelement kann beispielsweise aus Silizium oder aus einem anderen Halbleitermaterial bestehen. Das Erzeugen des mikromechanischen Sensorelements mit Körper, Kaverne und Membran und das Erzeugen der Entlastungsstruktur kann dann insbesondere mit den für Silizium bezie- hungsweise mit den für andere Halbleitermaterialien bekannten Techniken erfolgen. Insbesondere können Kaverne, Membran und die Entlastungsstruktur mittels eines Ätzprozesses erzeugt werden.

In einer Ausführungsform der Sensoranordnung ist ein Winkel zwischen der Entlastungsstruktur und einer Kavernenwand zwischen sechzig und einhundertzwanzig Grad. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Kraftaufnahme und erhöht so die Stabilität der Sensoranordnung.

In einer Ausführungsform der Sensoranordnung weist die Entlastungsstruktur zumindest eine mit der Kaverne verbundene Lamelle auf. Insbesondere können mehrere mit der Kaverne verbundene Lamellen vorgesehen sein. Die Lamelle oder die Lamellen können beispielsweise senkrecht zu einer Kavernenwand sein. Eine Ansammlung von Lamellen, insbesondere senkrechten Lamellen, kann derart in die Kavernenwand strukturiert werden, dass bei minimal größerer effektiver Fläche viel Körpervolumen aus der Kavernenwand herausstrukturiert wird. Dabei kann vorgesehen sein, sofern das Erzeugen des mikromechanischen Sensorelements mittels Ätzprozess erfolgt, dass die Kaverne und die Lamelle oder die Lamellen mittels eines Trenchätzprozesses erfolgt. Dabei kann eine öffnungsbe- dingte Selbstlimitierung einer Lamellentiefe in Richtung der Membran in Folge des ARDE-Effekts (aspect ratio dependent etching) auftreten. Dies ermöglicht insbesondere, Kaverne und Lamelle beziehungsweise Lamellen in einem Ätzprozess zu erzeugen. Alternativ kann die Lamelle oder können die Lamellen aber auch mittels eines Zweimasken-Lithographie-Prozesses erzeugt werden. Dabei wird zunächst die Kaverne erzeugt und anschließend die Lamelle oder die Lamellen.

In einer Ausführungsform der Sensoranordnung weist die Entlastungsstruktur zumindest eine mit der Lamelle verbundene Querlamelle auf. Die Querlamelle kann dabei insbesondere parallel zu einer Kavernenwand oder parallel zu einer Tangente der Kavernenwand ausgerichtet sein. Die Querlamelle kann im selben Schritt erzeugt werden wie die Lamelle.

In einer Ausführungsform der Sensoranordnung umfasst die Entlastungsstruktur zumindest einen von der Kaverne getrennten Hohlraum. Insbesondere kann die Entlastungsstruktur eine Mehrzahl von Hohlräumen umfassen. Diese erhöhen eine Dehnbarkeit eines Materials des Körpers in einem zugbelasteten Bereich deutlich, ohne die Stabilität des Körpers nennenswert zu beeinträchtigen. Bei dieser Anordnung kann die Wahrscheinlichkeit verringert sein, dass sich größere vertikale Flächen Verikalmembranen ausbilden, die sich bei Druckbelastung nach außen biegen können und somit zusätzliche mechanische Spannung in den Körper einbringen können.

In einer Ausführungsform der Sensoranordnung sind mehrere Hohlräume in einer hexagonalen Anordnung angeordnet. Dadurch kann eine mechanische Spannung im Körper weiter reduziert sein. Insbesondere können mehrere Hohlräume in einer Linie parallel zu einer Kavernenwand oder parallel zu einer Tangente der Kavernenwand angeordnet sein und mehrere weitere Hohlräume hinter diesen angeordnet sein.

In einer Ausführungsform der Sensoranordnung weist zumindest ein Hohlraum einen runden Querschnitt auf. Diese Hohlräume können dann insbesondere als Hohlraumkegel beziehungsweise Hohlraumzylinder ausgestaltet sein.

In einer Ausführungsform der Sensoranordnung weist zumindest ein Hohlraum einen trapezförmigen Querschnitt auf. Zwei parallele Seiten des trapezförmigen Querschnitts sind parallel zu einer Kavernenwand und/oder parallel zu einer Tangente der Kavernenwand angeordnet. Insbesondere kann in dieser Ausgestaltung vorgesehen sein, dass eine kürzere der parallelen Seiten des trapezförmigen Querschnitts näher an der Kavernenwand angeordnet ist als eine längere der parallelen Seiten des trapezförmigen Querschnitts.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen ersten Querschnitt durch eine erste Sensoranordnung;

Fig. 2 einen zweiten Querschnitt durch die erste Sensoranordnung; Fig. 3 einen dritten Querschnitt durch die erste Sensoranordnung;

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine zweite Sensoranordnung;

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine dritte Sensoranordnung;

Fig. 6 einen ersten Querschnitt durch eine vierte Sensoranordnung;

Fig. 7 einen zweiten Querschnitt durch die vierte Sensoranordnung;

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine fünfte Sensoranordnung;

Fig. 9 einen ersten Querschnitt durch eine sechste Sensoranordnung;

Fig. 10 einen zweiten Querschnitt durch die sechste Sensoranordnung; und

Fig. 11 einen Querschnitt durch eine siebte Sensoranordnung.

Fig. 1 zeigt einen ersten Querschnitt durch eine erste Sensoranordnung 100. Die Sensoranordnung 100 weist ein mikromechanisches Sensorelement 110 und einen Glassockel 150 auf. Der Glassockel 150 weist eine Durchgangsöffnung 151 auf. Das mikromechanische Sensorelement 110 weist einen Körper 111 und eine Kaverne 112 auf. Das mikromechanische Sensorelement 110 weist ferner eine Entlastungsstruktur 120 auf, die als Ausnehmungen 121 des Körpers 111 ausgestaltet ist. Die Ausnehmungen 121 sind als Lamellen 122 ausgestaltet. Um die Übersichtlichkeit zu erhöhen, sind nicht alle Ausnehmungen 121 beziehungsweise Lamellen 122 mit Bezugszeichen versehen.

Fig. 2 zeigt einen zweiten Querschnitt durch die erste Sensoranordnung 100 der Fig. 1. Aus dieser Darstellung ist ferner ersichtlich, dass das mikromechanische Sensorelement 110 eine die Kaverne 112 überspannende Membran 113 aufweist. Ferner ist das mikromechanische Sensorelement 110 derart am Glassockel 150 befestigt, dass die Kaverne 112 mit der Durchgangsöffnung 151 verbunden ist. Ferner ist Fig. 2 zu entnehmen, dass Körper 111 und Membran 113 aus einem Material bestehen. Optional können Körper 111 und Membran 113 einstückig ausgestaltet sein, wobei die Kaverne 112 durch Körper 111 und Membran 113 begrenzt wird. Das mikromechanische Sensorelement 110 weist einen an den Glassockel 150 angrenzenden Übergangsbereich 114 auf, wobei die Entlastungsstruktur 120 im Übergangsbereich 114 angeordnet ist. Eine Geometrie der Entlastungsstruktur 120 ist derart gewählt, dass eine mechanische Spannung zwischen Glassockel 150 und Körper 111 reduziert ist.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das mikromechanische Sensorelement 110 mittels des Glassockels 150 auf einem Metallsockel oder in einem Gehäuse montiert werden kann. Im Bereich der Membran 113 weist das mikromechanische Sensorelement 110 ferner optionale Piezoelemente 115 auf. Wird ein zu sensierendes Medium über die Durchgangsöffnung 151 in die Kaverne 112 geleitet, so wird die Membran 113 nach oben bewegt. Diese Bewegung kann mittels der Piezoelemente 115 in eine Piezospannung umgesetzt werden. Die Pie- zospannung kann beispielsweise mittels einer Auswerteschaltung 116 ausgelesen werden. Piezoelemente 115 und Auswerteschaltung 116 können also Teil einer Auslesevorrichtung sein. Grundsätzlich sind aber auch andere Auswertemöglichkeiten der Auslenkung der Membran möglich, beispielsweise mittels Laserstrahlung. Je größer ein Druck des zu senierenden Mediums ist, desto größer ist auch die Auslenkung der Membran 113. Daraus ergibt sich, dass die Sensoranordnung für einen Drucksensor verwendet werden kann. Durch die Entlastungsstruktur 120, die die mechanische Spannung zwischen Glassockel 150 und Körper 111 reduziert, kann die Sensoranordnung 100 mit höheren Drücken beaufschlagt werden verglichen mit den aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen. Die bisher aus dem Stand der Technik bekannten Sensoranordnungen sind für Drücke bis ca. 70 bar ausgelegt und werden bei anliegenden Drücken im Bereich 120 bis 150 bar zerstört. Durch die Entlastungsstruktur 120 kann erreicht werden, dass eine Zerstörung erst bei etwa 200 oder auch erst bei etwa 300 bar auftritt und deshalb die Sensoranordnung 100 für einen Druck bis zu 100 oder gegebenenfalls auch bis zu 140 bar ausgelegt sein kann.

Fig. 3 zeigt einen dritten Querschnitt durch die erste Sensoranordnung 100 der Fig. 1 und 2. In diesem sind Zwischenstege 123 zwischen den Lamellen 122 sichtbar. Die Lamellen 122 können insbesondere parallel zur Kavernenwand 117 eine kleinere Abmessung haben als in den anderen Richtungen, also insbesondere in Richtung zur Membran 113 und weg von der Kaverne 112. Der Körper 111 und die Membran 113 können beispielsweise aus Silizium bestehen oder Silizium aufweisen. Der Glassockel 150 kann aus Glas bestehen.

In den Fig. 1 bis 3 sind weitere optionale Merkmale gezeigt, die im Folgenden erläutert werden. Die Entlastungsstruktur 120 weist zumindest eine mit der Kaverne

112 verbundene Lamelle 122 auf. Insbesondere sind mehrere Lamellen 122 angeordnet. Somit kann das zu sensierende Medium in die Lamellen 122 gelangen. Die Kaverne 112 ist optional quadratisch, wobei die Lamellen 122 von einer Kavernenwand 117 ausgehen. In den Fig. 1 bis 3 ist dargestellt, dass die Lamellen 122 senkrecht zur Kavernenwand 117 stehen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Lamellen 122 in einem Winkel zwischen sechzig und einhundertzwanzig Grad zur Kavernenwand 117 stehen. Allgemein kann ein Winkel zwischen der Entlastungsstruktur 120 und der Kavernenwand 117 zwischen sechzig und einhundertzwanzig Grad betragen. Die Entlastungsstruktur 120 ist insbesondere an allen Seiten der Kaverne 112 angeordnet. Es ist ferner im Gegensatz zur Darstellung der Fig. 1 bis 3 denkbar, dass nicht alle Seiten der Kaverne 112 die Entlastungsstruktur 120 aufweisen. Ebenfalls ist es im Gegensatz zur Darstellung in Fig. 1 bis 3 ferner denkbar, dass nur ein Teil der Seiten der Kaverne 112 die Entlastungsstruktur 120 aufweisen. Die Durchgangsöffnung ist optional mittig zur Kaverne 112 angeordnet.

Optional kann eine Abmessung der Kaverne 112 und damit auch der Membran

113 etwa einen Millimeter betragen. Insbesondere kann eine quadratische Membran 113 eine Seitenlange und eine runde Membran 113 einen Durchmesser von etwa einem Millimeter haben. Die Membran 113 kann ferner etwa 200 Mikrometer dick sein. Die Durchgangsöffnung 151 kann insbesondere kleinere Abmessungen aufweisen verglichen mit der Membran 113 und beispielsweise rund sein.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite Sensoranordnung 100, die der ersten Sensoranordnung 100 der Fig. 1 bis 3 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Die Darstellung entspricht dabei derjenigen der Fig. 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kaverne 113 sechseckig, wobei ein Querschnitt der Kaverne 113 ein regelmäßiges Sechseck ist. Auch hier weisen alle Seiten der Kaverne 112 die Entlastungsstruktur 120 mit Ausnehmungen

121 auf, die in Form der bereits beschriebenen Lamellen 122 ausgestaltet ist. Es ist ferner im Gegensatz zur Darstellung der Fig. 4 denkbar, dass nicht alle Seiten der Kaverne 112 die Entlastungsstruktur 120 aufweisen. Ebenfalls ist ferner im Gegensatz zur Darstellung in Fig. 4 denkbar, dass nur ein Teil der Seiten der Kaverne 112 die Entlastungsstruktur 120 aufweisen. Alternativ kann die Kaverne 112 auch eine andere Form, beispielsweise ein beliebiges Polygon, aufweisen.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine dritte Sensoranordnung 100, die der ersten Sensoranordnung 100 der Fig. 1 bis 3 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Die Darstellung entspricht dabei derjenigen der Fig. 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kaverne 113 rund. Die Lamellen

122 der Entlastungsstruktur 120 sind hier ebenfalls senkrecht zur Kavernenwand 117, wobei die Kavernenwand 117 gebogen ist.

In den folgenden Figuren sind quadratische Kavernen 112 dargestellt. Die in den folgenden Figuren gezeigten Varianten können jedoch auch für die sechseckige Kaverne 112 der Fig. 4 oder für die runde Kaverne der Fig. 5 vorgesehen werden.

Fig. 6 zeigt einen ersten Querschnitt durch eine vierte Sensoranordnung 100, die der ersten Sensoranordnung 100 der Fig. 1 bis 3 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Die Darstellung entspricht dabei derjenigen der Fig. 1. Es sind weniger Lamellen 122 angeordnet verglichen mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3. Zusätzlich weist die Entlastungsstruktur 120 zumindest eine mit der Lamelle 122 verbundene Querlamelle 124 auf. Insbesondere sind an allen vier Seiten der Kaverne 112 die Lamellen 122 mit Querlamellen 124 verbunden. Ist die Kaverne sechseckig wie in Fig. 4, können ebenfalls alle Lamellen mit Querlamellen 124 verbunden sein. In der Ausgestaltung der Fig. 5 kann die Querlamelle 124 und konzentrisch zur Kavernenwand 117 sein.

Fig. 7 zeigt einen zweiten Querschnitt durch die vierte Sensoranordnung 100, bei der die Querlamellen 124 sichtbar sind. Die Darstellung entspricht dabei der Fig. 3. Der zweite Querschnitt ist nicht durch eine der Lamellen 122 geführt. Insbesondere sind die Querlamellen 124 aber über die Lamellen 122 mit der Kaverne 112 verbunden. Somit kann das zu sensierende Medium auch in die Querlamellen 124 gelangen.

Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch eine fünfte Sensoranordnung 100, die der ersten Sensoranordnung 100 der Fig. 1 bis 3 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Die Darstellung entspricht dabei derjenigen der Fig. 1. Die Entlastungsstruktur 120 weist wieder als Ausnehmungen 121 ausgestaltete Lamellen 122 auf, wobei die Lamellen 122 in diesem Ausführungsbeispiel nicht senkrecht zur Kavernenwand 117 angeordnet sind. Insbesondere kann Winkel zwischen der Kavernenwand 117 und den Lamellen 122 zwischen sechzig und einhundertzwanzig Grad betragen. An jeder Seite der Kaverne 112 sind dabei eine gerade Anzahl von Lamellen 122 angeordnet, wobei die Lamellen 122 jeweils symmetrisch zueinander sind. Insbesondere kann jeweils eine erste Hälfte der Lamellen 122 an jeder Seite der Kaverne 112 einen ersten Winkel und eine zweite Hälfte der Lamellen 122 an jeder Seite der Kaverne 112 einen zweiten Winkel aufweisen, wobei der erste Winkel und der zweite Winkel zusammen 180 Grad ergeben. Durch die schräge Anordnung der Lamellen 122 kann sich eine verbesserte mechanische Stabilität ergeben. Es kann ferner vorgesehen sein, dass in der Mitte jeder Seite der Kaverne 112 eine Anzahl an senkrechten Lamellen 122 analog zu Fig. 1 angeordnet ist.

Fig. 9 zeigt einen ersten Querschnitt durch eine sechste Sensoranordnung 100, die der ersten Sensoranordnung 100 der Fig. 1 bis 3 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Die Darstellung entspricht dabei derjenigen der Fig. 1. Die Entlastungsstruktur 120 weist in dieser Ausgestaltung keine Lamellen auf. Die Ausnehmungen 121 der Entlastungsstruktur 120 sind als von der Kaverne 112 getrennte Hohlräume 125 ausgestaltet. Dadurch kann eine Dehnbarkeit des Materials des Körpers 111 in einem zugbelasteten Bereich deutlich erhöht werden, ohne eine Stabilität des Körpers nennenswert zu beeinträchtigen. Optional sind ausgehend von der Kavernenwand 117 vier Reihen von Hohlräumen 125 angeordnet. Es kann aber auch eine andere Anzahl an Reihen vorgesehen sein. Die der Kaverne 112 nächstgelegene Reihe von Hohlräumen 125 kann zwischen 100 und 300 Mikrometer, insbesondere 200 Mikrometer von der Kavernenwand 117 entfernt sein.

Fig. 10 zeigt einen zweiten Querschnitt durch die sechste Sensoranordnung 100. Die Darstellung entspricht dabei der Fig. 3. Da die Hohlräume 125 der sechsten Sensoranordnung 100 optional in einer hexagonalen Anordnung 126 angeordnet sind, sind im zweiten Querschnitt nur jeweils zwei Hohlräume 125 sichtbar.

Wie in den Fig. 9 und 10 gezeigt, können die Hohlräume 125 einen runden Querschnitt aufweisen. Diese Hohlräume 125 können dann insbesondere als Hohlraumkegel beziehungsweise Hohlraumzylinder ausgestaltet sein. Es kann vorgesehen sein, dass alle Hohlräume 125 gleich tief sind. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass eine Tiefe der Hohlräume 125 ausgehend von der Kavernenwand 117 abnimmt. Das bedeutet, dass Hohlräume 125, die näher an der Kavernenwand 117 liegen, tiefer sind als Hohlräume 125 die weiter entfernt von der Kavernenwand 117 sind. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Durchmesser der runden Querschnitte der Hohlräume 125 ausgehend von der Kavernenwand 117 zunimmt. Das bedeutet, dass die Querschnittsfläche von Hohlräumen 125, die näher an der Kavernenwand 117 liegen, kleiner ist als die Querschnittsfläche von Hohlräumen 125, die weiter entfernt von der Kavernenwand 117 sind.

Fig. 11 zeigt einen Querschnitt durch eine siebte Sensoranordnung 100, die der sechsten Sensoranordnung 100 der Fig. 9 und 10 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Die Darstellung entspricht dabei derjenigen der Fig. 9. In dieser Ausgestaltung ist nur eine Reihe von Hohlräumen 125 vorgesehen. Es können jedoch auch mehrere solcher Reihen vorgesehen sein. Die Hohlräume 125 weisen einen trapezförmigen Querschnitt auf, wobei zwei parallele Seiten des trapezförmigen Querschnitts parallel zu den Kavernenwänden 117 angeordnet sind. Ist die Kaverne 112 rund, kann vorgesehen sein, dass zwei parallele Seiten des trapezförmigen Querschnitts parallel zu einer Tangente der Kavernenwand 117 sind.

Insbesondere kann in dieser Ausgestaltung vorgesehen sein, dass eine kürzere Seite 131 der parallelen Seiten des trapezförmigen Querschnitts näher an der Kavernenwand 117 angeordnet ist als eine längere Seite 132 der parallelen Sei- ten des trapezförmigen Querschnitts. Ein Abstand der Hohlräume 125 von der Kavernenwand kann beispielsweise zwischen 100 und 300 Mikrometer, insbesondere 200 Mikrometer betragen. Die kürzere Seite 131 kann beispielsweise zwischen 10 und 30 Mikrometer, insbesondere 20 Mikrometer lang sein. Die längere Seite 132 kann insbesondere 40 und 60 Mikrometer, insbesondere 50 Mikrometer lang sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass ein Abstand der Hohlräume 125 zueinander zwischen 80 und 120, insbesondere 100 Mikrometer, beträgt Außerdem kann vorgesehen sein, dass die kurze Seite 131 und die lange Seite 132 einen Abstand im Bereich zwischen 100 und 300 Mikrometer, insbesondere 200 Mikrometer, aufweisen.

Eine solche Sensoranordnung 100 kann in einem Sensorsystem 180 zum Einsatz kommen. Das Sensorsystem weist ferner eine Auslesevorrichtung 181 auf. Mittels der Auslesevorrichtung 181 kann eine mechanische Bewegung der Membran 113 ausgewertet und ausgegeben werden. Beispielsweise kann die Auslesevorrichtung 181 die bereits angesprochenen Piezoelemente 115 umfassen, die die mechanische Auslenkung der Membran 115 in die Piezospannung umsetzen. Ferner kann die Piezospannung ausgegeben werden, oder ein aus der Piezospannung ermittelter Druckwert ausgegeben werden. Dies kann dabei jeweils als Analogwert oder als Digitalwert erfolgen und von der Auslesevorrichtung 181 durchgeführt werden. Die Auswertevorrichtung 181 kann hierzu die Auswerteschaltung 116 beinhalten.

Eine Sensoranordnung100 kann mit dem folgenden Verfahren hergestellt werden. Dabei wird ein mikromechanisches Sensorelement 110 mit einem Körper 111 , einer Kaverne 112 und einer die Kaverne 112 überspannenden Membran 113 erzeugt. Ferner wird eine Entlastungsstruktur 120 in einem Übergangsbereich 114 erzeugt, wobei die Entlastungsstruktur 120 eine Ausnehmung 121 des Körpers 111 beinhaltet. Dies kann gegebenenfalls im selben Schritt erfolgen, in dem auch das mikromechanische Sensorelement 110 erzeugt wird. Anschließend wird ein Glassockel 150 am mikromechanischen Sensorelement 110 angebracht, wobei der Glassockel 150 eine Durchgangsöffnung 151 aufweist. Das mikromechanische Sensorelement 110 wird derart am Glassockel 150 befestigt, dass die Kaverne 112 mit der Durchgangsöffnung 151 verbunden ist. Der Glassockel 150 wird außerdem derart am mikromechanischen Sensorelement 110 angebracht, dass der Übergangsbereich 114 an den Glassockel 150 angrenzt.

Eine Geometrie der Entlastungsstruktur 120 ist derart gewählt, dass eine mechanische Spannung zwischen Glassockel 150 und Körper 111 reduziert ist.

Das mikromechanische Sensorelement 110 kann beispielsweise aus Silizium oder aus einem anderen Halbleitermaterial bestehen. Das Erzeugen des mikromechanischen Sensorelements 110 mit Körper 111 , Kaverne 112 und Membran 113 und das Erzeugen der Entlastungsstruktur 120 kann dann insbesondere mit den für Silizium beziehungsweise mit den für andere Halbleitermaterialien bekannten Techniken erfolgen. Insbesondere können Kaverne 112, Membran 113 und die Entlastungsstruktur 120 mittels eines Ätzprozesses erzeugt werden.

Die in den Fig. 1 bis 11 gezeigten Entlastungsstrukturen 120 können auch miteinander kombiniert werden und innerhalb einer Sensoranordnung 100 sowohl Lamellen 122 als auch Hohlräume 125 vorgesehen werden. Dies ermöglicht flexible Ausgestaltungen der Sensoranordnungen 100.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen hieraus können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche

1. Sensoranordnung (100) mit einem mikromechanischen Sensorelement (110) und einem Glassockel (150), wobei das mikromechanische Sensorelement (110) einen Körper (111), eine Kaverne (112) und eine die Kaverne (112) überspannende Membran (113) aufweist, wobei Körper (111), Kaverne (112) und Membran (113) aus einem Material bestehen, wobei der Glassockel (150) eine Durchgangsöffnung (151) aufweist, wobei das mikromechanische Sensorelement (110) derart am Glassockel (150) befestigt ist, dass die Kaverne (112) mit der Durchgangsöffnung (151) verbunden ist, wobei das mikromechanische Sensorelement (110) in einem an den Glassockel (150) angrenzenden Übergangsbereich eine Entlastungsstruktur (120) aufweist, wobei die Entlastungsstruktur (120) eine Ausnehmung (121) des Körpers (111) beinhaltet, wobei eine Geometrie der Entlastungsstruktur (120) derart gewählt ist, dass eine mechanische Spannung zwischen Glassockel (150) und Körper (111) reduziert ist.

2. Sensoranordnung (100) nach Anspruch 1 , wobei ein Winkel zwischen der Entlastungsstruktur (120) und einer Kavernenwand (117) zwischen sechzig und einhundertzwanzig Grad ist.

3. Sensoranordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Entlastungsstruktur (120) zumindest eine mit der Kaverne (112) verbundene Lamelle (122) aufweist.

4. Sensoranordnung (100) nach Anspruch 3, wobei die Entlastungsstruktur (120) zumindest eine mit der Lamelle (122) verbundene Querlamelle (124) aufweist.

5. Sensoranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Entlastungsstruktur (120) zumindest einen von der Kaverne (112) getrennten Hohlraum (125) umfasst.

6. Sensoranordnung (100) nach Anspruch 5, wobei mehrere Hohlräume (125) in einer hexagonalen Anordnung (126) angeordnet sind.

7. Sensoranordnung (100) nach Anspruch 5 oder 6, wobei zumindest ein Hohlraum (125) einen runden Querschnitt aufweist.

8. Sensoranordnung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei zumindest ein Hohlraum (125) einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, wobei zwei parallele Seiten (131 , 132) des trapezförmigen Querschnitts parallel zu einer Kavernenwand (117) und/oder parallel zu einer Tangente der Kavernenwand (117) angeordnet sind.

9. Sensorsystem (180) mit einer Sensoranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner aufweisend eine Auslesevorrichtung (181), wobei mittels der Auslesevorrichtung (181) eine mechanische Bewegung der Membran (113) ausgewertet und ausgegeben werden kann.

10. Verfahren zum Herstellen einer Sensoranordnung (100) mit den folgenden Schritten:

Erzeugen eines mikromechanischen Sensorelement (110)s mit einem Körper (111), einer Kaverne (112) und einer die Kaverne (112) überspannenden Membran (113);

Erzeugen einer Entlastungsstruktur (120) in einem Übergangsbereich, wobei die Entlastungsstruktur (120) eine Ausnehmung (121) des Körpers (111) beinhaltet;

Anbringen eines Glassockel (150)s am mikromechanischen Sensorelement (110), wobei der Glassockel (150) eine Durchgangsöffnung (151) aufweist, wobei das mikromechanische Sensorelement (110) derart am Glassockel (150) befestigt wird, dass die Kaverne (112) mit der Durchgangsöffnung (151) verbunden ist, wobei der Glassockel (150) derart am mikromechanischen Sensorelement (110) angebracht wird, dass der Übergangsbereich an den Glassockel (150) angrenzt; wobei eine Geometrie der Entlastungsstruktur (120) derart gewählt ist, dass eine mechanische Spannung zwischen Glassockel (150) und Körper (111) reduziert ist.