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DE102008043171A1 - Pressure sensor, in particular pressure sensor technology - Google Patents

Pressure sensor, in particular pressure sensor technology Download PDF

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DE102008043171A1
DE102008043171A1 DE102008043171A DE102008043171A DE102008043171A1 DE 102008043171 A1 DE102008043171 A1 DE 102008043171A1 DE 102008043171 A DE102008043171 A DE 102008043171A DE 102008043171 A DE102008043171 A DE 102008043171A DE 102008043171 A1 DE102008043171 A1 DE 102008043171A1
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DE
Germany
Prior art keywords
pressure sensor
glass layer
measuring
pressure
membrane
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102008043171A
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German (de)
Inventor
Anh Tuan Tham
Frank PÄßLER
Dieter Stolze
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00Details 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
    • G01L19/06Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0618Overload protection

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Abstract

Ein Drucksensor 20 umfasst einen Grundkörper, eine Messmembran 7, und einen Wandler, wobei die Messmembran 7 ein Halbleitermaterial aufweist, wobei die Messmembran 7 unter Einschluss einer Druckkammer 6 an dem Grundkörper befestigt ist, wobei die Messmembran mit mindestens einem Druck beaufschlagbar ist und druckabhängig elastisch verformbar ist, wobei der Wandler ein von der Verformung der Messmembran abhängiges elektrisches Signal bereitstellt, wobei der Grundkörper ein Membranbett aufweist, an welchem die Messmembran im Falle einer Überlast anliegt, um die Messmembran abzustützen, wobei das Membranbett eine Glasschicht 2 aufweist, deren Oberfläche 3 der Messmembran zugewandt ist, und eine Wand der Druckkammer bildet, und wobei die Oberfläche der Glasschicht mit einer Kontur 3 versehen ist, die geeignet ist, die Messmembran im Falle einer Überlast abzustützen.A pressure sensor 20 comprises a base body, a measuring diaphragm 7, and a transducer, wherein the measuring diaphragm 7 comprises a semiconductor material, wherein the measuring diaphragm 7 is fastened to the base body including a pressure chamber 6, wherein the measuring diaphragm can be acted upon by at least one pressure and elastically dependent on pressure deformable, wherein the transducer provides an electrical signal dependent on the deformation of the measuring diaphragm, the base body having a diaphragm bed against which the measuring diaphragm rests in the event of an overload in order to support the measuring diaphragm, the diaphragm bed having a glass layer 2 whose surface 3 the measuring membrane faces, and forms a wall of the pressure chamber, and wherein the surface of the glass layer is provided with a contour 3, which is adapted to support the measuring diaphragm in the event of an overload.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere einen Differenzdrucksensor.The The present invention relates to a pressure sensor, in particular a Differential pressure sensor.

Drucksensoren umfassen einen Grundkörper, eine Messmembran und einen Wandler, wobei die Messmembran an dem Grundkörper befestigt ist, wobei die Messmembran mit mindestens einem Druck beaufschlagbar ist und eine druckabhängige elastische Verformung aufweist, und wobei der Wandler ein von der Verformung der Messmembran abhängiges elektrisches Signal bereitstellt, wobei der Grundkörper ferner ein Membranbett aufweist, an welchem die Messmembran im Falle einer Überlast anliegt, um die Messmembran abzustützen.pressure sensors comprise a main body, a measuring membrane and a Transducer, wherein the measuring diaphragm attached to the base body is, wherein the measuring membrane acted upon by at least one pressure is and has a pressure-dependent elastic deformation, and wherein the transducer is dependent on the deformation of the measuring diaphragm provides electrical signal, wherein the main body further comprises a membrane bed, on which the measuring membrane in the case an overload is applied to support the measuring diaphragm.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Membranbett eine Kontur annähernd der natürlichen druckabhängigen Verformung, der so genannten Biegelinie, aufweist. Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, ein solches Membranbett reproduzierbar und kostengünstig herzustellen.there it is advantageous if the membrane bed approximates a contour the natural pressure-dependent deformation, the so-called bending line has. The difficulty, however, exists therein, such a membrane bed reproducible and inexpensive manufacture.

Die Gestaltung des Bettes sowie dessen Herstellung hängen davon ab, welches Material das Membranbett und das Substrat, welches das Membranbett trägt, aufweist, und was für eine Verbindungstechnik des Grundkörpers bzw. des Membranbetts mit der Membran gewählt wird.The Design of the bed and its production depend on it which material is the membrane bed and the substrate which the Membrane bed wears, has, and what a Connection technology of the main body or the membrane bed with the membrane is selected.

Für die Messung von Differenzdrücken, z. B. bei Füllstand- oder Durchflussmessungen, werden Si-Grundkörper bevorzugt, da diese statischem Druck gut standhalten. Für die Verbindung von zwei Siliziumscheiben gibt es verschiedene Verfahren, wie z. B. eutektisches Ronden oder Siliziumdirektbonden. Angesichts der Anforderungen nach einer hermetisch dichten, festen und trotzdem rückwirkungsarmen Chip-Substrat-Verbindung liefern diese Bondverfahren nach dem Stand der Technik noch ungenügende Ausbeute und Reproduzierbarkeit. Zudem ist die Herstellung von beispielsweise sphärischen konkaven Betten nach US7360431 B2 von YAMATAKE in Silizium nicht ohne weiteres möglich. Bekannt sind derzeit entweder die nicht etablierten Methoden der Graustufenlithographie oder ein direktes Schleifen/Polieren des Siliziums, was schwierig zu reproduzierbaren Ergebnissen führt.For the measurement of differential pressures, z. B. in level or flow measurements, Si base body are preferred because they withstand static pressure well. For the connection of two silicon wafers, there are various methods, such as. B. eutectic blanks or silicon direct bonding. In view of the requirements for a hermetically sealed, solid and yet low-backlash chip-substrate connection, these prior art bonding methods still provide insufficient yield and reproducibility. In addition, the production of, for example, spherical concave beds after US7360431 B2 of YAMATAKE in silicon is not readily possible. Currently, either the non-established methods of grayscale lithography or a direct grinding / polishing of the silicon are known, which leads to difficult to reproducible results.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Drucksensor, insbesondere einen Differenzdrucksensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen, das mit verbesserter Ausbeute und verbesserter Reproduzierbarkeit kostengünstig durchgeführt werden kann.The The object of the invention is a pressure sensor, in particular to provide a differential pressure sensor and a method for its manufacture, that with improved yield and improved reproducibility can be carried out inexpensively.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, und das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12.The The object is achieved by the pressure sensor according to the independent claim 1, and the method according to the independent Claim 12.

Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst mindestens einen Grundkörper, mindestens eine Messmembran, und einen Wandler, wobei die Messmembran ein Halbleitermaterial aufweist, wobei die Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer an dem Grundkörper befestigt ist, wobei die Messmembran mit mindestens einem Druck beaufschlagbar ist und druckabhängig elastisch verformbar ist, wobei der Wandler ein von der Verformung der Messmembran abhängiges elektrisches Signal bereitstellt, wobei der Grundkörper ein Membranbett aufweist, an welchem die Messmembran im Falle einer Überlast anliegt, um die Messmembran abzustützen, wobei erfindungsgemäß das Membranbett eine Glasschicht aufweist, deren Oberfläche der Messmembran zugewandt ist, und eine Wand der Druckkammer bildet.Of the Pressure sensor according to the invention comprises at least a main body, at least one measuring membrane, and a Converter, wherein the measuring membrane comprises a semiconductor material, wherein the measuring diaphragm including a pressure chamber on the Main body is attached, the measuring diaphragm with at least a pressure can be acted upon and pressure-dependent elastic deformable, the transducer being one of the deformation of the measuring diaphragm provides dependent electrical signal, wherein the Base body has a membrane bed, on which the measuring membrane in case of overload, to support the diaphragm, according to the invention, the membrane bed a glass layer has, whose surface faces the measuring membrane, and forms a wall of the pressure chamber.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Grundkörper ein Substrat, auf dem das Material des Membranbetts in Form einer Glasschicht aufgebracht ist, wobei die Oberfläche der Glasschicht mit einer Kontur versehen ist, die geeignet ist, die Messmembran im Falle einer Überlast abzustützen.In a development of the invention comprises the main body a substrate on which the material of the membrane bed in the form of a Glass layer is applied, the surface of the glass layer provided with a contour which is suitable, the measuring diaphragm in case of overload.

Die Oberfläche der Glasschicht kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung mikromechanisch bearbeitet sein.The Surface of the glass layer can according to a Be further developed micromechanical development of the invention.

In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Glasschicht eine Oberflächenkontur auf, die mittels Heißprägen präpariert ist.In a presently preferred embodiment of the invention, the Glass layer on a surface contour, by means of hot stamping is prepared.

Das Substrat kann beispielsweise ein Halbleitermaterial aufweisen, insbesondere Si.The Substrate may for example comprise a semiconductor material, in particular Si.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Glasschicht mittels anodischen Bondens mit der Messmembran und/oder dem Substrat verbunden.In A development of the invention is the glass layer by means of anodic Bonding connected to the measuring membrane and / or the substrate.

Die Glasschicht weist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Stärke von nicht mehr als 10 μm, vorzugsweise nicht mehr als 7 μm und besonders bevorzugt nicht mehr als 5 μm auf.The Glass layer has according to a development of Invention a thickness of not more than 10 microns, preferably not more than 7 μm, and more preferably not more than 5 μm.

Die Glasschicht weist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Materialstärke von nicht weniger als 2 μm auf.The Glass layer has according to a development of Invention a material thickness of not less than 2 microns on.

In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Halbleitermaterial Si, wobei das Glas des Membranbetts ein Borosilikatglas, aufweist, das an den Ausdehnungskoeffizienten von Si angepasst ist, um den beim Bondvorgang induzierten thermomechanischen Stress so klein wie möglich zu halten. Besonders geeignete Gläser sind beispielsweise Pyrex 7740, TEMPAX oder Hoya SD-2.In a presently preferred embodiment of the invention includes Semiconductor material Si, wherein the glass of the membrane bed comprises a borosilicate glass, which is adapted to the coefficient of expansion of Si to the thermomechanical stress induced during the bonding process is so small as possible. Particularly suitable glasses are for example Pyrex 7740, TEMPAX or Hoya SD-2.

Weiterhin ist es derzeit bevorzugt, wenn das Membranbett eine Oberflächenkontur aufweist, welche der Biegelinie der Messmembran angenähert ist oder dieser entspricht.Farther it is presently preferred if the membrane bed has a surface contour which approximates the bending line of the measuring diaphragm is or corresponds to this.

Der erfindungsgemäße Drucksensor kann ein Absolutdrucksensor der einen Druck gegenüber Vakuum misst, oder ein Relativdrucksensor sein, der einen Druck gegenüber dem Atmosphärendruck misst.Of the Pressure sensor according to the invention can be an absolute pressure sensor which measures a pressure against vacuum, or a relative pressure sensor be, which measures a pressure against the atmospheric pressure.

Ganz besonders relevant ist die vorliegende Erfindung aber für Differenzdrucksensoren, welche die Differenz zwischen einem ersten Druck und einem zweiten Druck erfassen. Denn gerade bei Differenzdrucksensoren ist die Gefahr von großen statischen einseitigen Überlasten gegeben, da die zu messende Druckdifferenz gewöhnlich erheblich kleiner ist als der erste bzw. zweite Druck, dessen Differenz zu erfassen ist. Daher ist der erfindungsgemäße Drucksensor in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung ein Differenzdrucksensor, der eine Messmembran, einen ersten Grundkörper und einen zweiten Grundkörper aufweist,
wobei die Messmembran zwischen dem ersten Grundkörper und dem zweiten Grundkörper angeordnet und mit jedem der beiden Grundkörper unter Einschluss einer ersten Druckkammer und einer zweiten Druckkammer verbunden ist, wobei die erste Druckkammer und die zweite Druckkammer jeweils mindestens einen Kanal durch den ersten bzw. zweiten Grundkörper aufweisen, wobei die Messmembran durch die Kanäle mit einem ersten und einem zweiten Druck beaufschlagbar ist. Die Auslenkung der Membran hängt dann von der Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck ab.
However, the present invention is especially relevant for differential pressure sensors which detect the difference between a first pressure and a second pressure. Because especially with differential pressure sensors, the risk of large static unilateral overloads is given because the pressure difference to be measured is usually considerably smaller than the first or second pressure whose difference is to be detected. Therefore, in a currently preferred embodiment, the pressure sensor according to the invention is a differential pressure sensor which has a measuring diaphragm, a first main body and a second main body,
wherein the measuring diaphragm is arranged between the first base body and the second base body and connected to each of the two base bodies including a first pressure chamber and a second pressure chamber, wherein the first pressure chamber and the second pressure chamber each have at least one channel through the first and second base body , wherein the measuring membrane can be acted upon by the channels with a first and a second pressure. The deflection of the membrane then depends on the difference between the first pressure and the second pressure.

Das Prinzip des anodischen Bondens kann im Zusammenhang mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert zum Einsatz gebracht werden. Hierzu wird zunächst die Substratscheibe aus Silizium ganzflächig mit einer dünnen Schicht aus Glas versehen. Die Erzeugung der Membranbetten erfolgt mit Heißprägen bzw. Abformung des Glases mit einem hochpräzisen Prägewerkzeug aus härterem Material. Anschließend folgt das anodische Ronden des Stapels mit der Schichtfolge Silizium, Glas und Silizium für einen Absolutdruck- bzw. Relativdrucksensor sowie Silizium, Glas, Silizium, Glas und Silizium für einen Differenzdrucksensor.The Principle of anodic bonding may be related to the process modified according to the present invention Be used. For this purpose, first the substrate wafer made of silicon over the entire surface with a thin layer made of glass. The production of the membrane beds is carried out with hot stamping or impression of the glass with a high-precision stamping tool harder material. Then follows the anodic Round blanks of the stack with the layer sequence silicon, glass and silicon for an absolute pressure or relative pressure sensor as well as silicon, Glass, silicon, glass and silicon for a differential pressure sensor.

Die erzielte Verbindung ist dicht und stoffschlüssig ohne Zwischenschicht zwischen Glas und Silizium. Die Bondtemperatur liegt zwischen 300 und 500°C, und ist daher für ein Metallisierungssystem gut geeignet.The achieved connection is tight and cohesively without interlayer between glass and silicon. The bonding temperature is between 300 and 500 ° C, and is therefore good for a metallization system suitable.

Der Bondmechanismus beruht auf der chemischen Verbindung von O Ionen mit Siliziumatomen, was zu entsprechenden SiO2-Bonds zwischen Glas und Silizium führt.The bonding mechanism is based on the chemical bonding of O - ions with silicon atoms, which leads to corresponding SiO2 bonds between glass and silicon.

Da es sich um eine Verbindung von einer Glasschicht zwischen zwei Siliziumscheiben handelt, sind verschiedene Kompromisse einzugehen, und zwar einerseits wegen des Unterschieds in den Elastizitätsmodulen von Silizium (ca. 170 GPa) und Glas (ca. 70 GPa), und andererseits wegen der restlichen Fehlpassung in den Wärmeausdehnungskoeffizienten. Denn der Bondprozess bei den genannten hohen Temperaturen kann im Einsatzbereich des Drucksensors zu Restverspannungen führen. Um dadurch entstandene potentielle Einflüsse auf die Sensorperformance zu minimieren, sollte die Schichtdicke möglichst gering sein. Die für eine zuverlässige anodische Anbindung erforderlichen Schichtdicken betragen beispielsweise etwa 2–5 μm.There it is a compound of a glass layer between two silicon wafers There are various compromises to be made, on the one hand because of the difference in the moduli of elasticity of silicon (about 170 GPa) and glass (about 70 GPa), and on the other hand because of residual mismatch in the thermal expansion coefficient. Because the bonding process at the mentioned high temperatures can in Use of the pressure sensor lead to residual tension. The resulting potential influences on the sensor performance To minimize, the layer thickness should be as low as possible be. The for a reliable anodic connection required layer thicknesses are for example about 2-5 microns.

Die Glasschichtdicke wird in Abhängigkeit von der Membrangeometrie gewählt. Da Wafer mit identischen Materialeigenschaften verwendet werden können und die benötigten Zwischenglasdicken sehr dünn sind, resultieren nur geringe Restverspannungen im Sensorchip. Damit ein homogen sauberer Bondvorgang möglich ist, sollte die Glasschicht, insbesondere in Form eines Glasdünnfilms, insbesondere eine möglichst geringe Defektdichte, eine räumlich homogene Zusammensetzung und eine weitgehend homogene Schichtspannung aufweisen.The Glass layer thickness becomes dependent on the membrane geometry selected. Because wafers with identical material properties can be used and the required intermediate glass thicknesses very are thin, resulting in only low residual stresses in the Sensor chip. This allows a homogeneous, clean bonding process if the glass layer, in particular in the form of a glass thin film, in particular the lowest possible defect density, a spatially homogeneous composition and a largely homogeneous Have layer stress.

Abhängig von der Form der Membran (polygonal, insbesondere hexagonal, rechteckig, quadratisch oder elliptisch bzw. kreisförmig) kann das Bett mit entsprechend geformtem Prägewerkzeug hergestellt werden.Dependent of the shape of the membrane (polygonal, especially hexagonal, rectangular, square or elliptical or circular) can Bed made with appropriately shaped embossing tool become.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfasst die Schritte: (a) Bereitstellen eines Halbleiter-Wafers, insbesondere eines Si-Wafers; (b) Aufbringen einer Glasschicht; (c) Präparieren der Form von Membranbetten mittels Heißprägens in die Glasschicht, wobei sich die Form der Membranbetten insbesondere der Biegelinie der Messmembranen im Falle einer Überlast annähert; (d) Präparieren von Druckkanälen durch das Substrat und die Glasschicht; und (e) Verbinden des zweiten Wafers und der Glasschicht mittels anodischen Bondens.The inventive method for producing a Pressure sensor, in particular according to one of the preceding claims, comprises the steps of: (a) providing a semiconductor wafer, in particular a Si wafer; (b) applying a glass layer; (c) Dissecting the shape of membrane beds by means of hot stamping in the glass layer, wherein the shape of the membrane beds in particular the bending line of the measuring membranes in case of overload approaches; (d) preparing pressure channels the substrate and the glass layer; and (e) connecting the second one Wafers and the glass layer by means of anodic bonding.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren (f) Abdünnen des zweiten Wafers insbesondere mittels eines Ätzverfahrens.In a development of the invention comprises the method (f) thinning of the second wafer, in particular by means of an etching process.

In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung betrifft das Verfahren das von Differenzdrucksensoren, wobei es weiterhin die folgenden Schritte umfasst: (g) Aufbringen einer nach den Schritten (a) bis (d) vorgefertigten Baugruppe mit einer weiteren Glasschicht, welche heiß geprägte Membranbettkonturen aufweist, und einer weiteren Substratschicht, wobei die vorgefertigte Baugruppe durch die weitere Glasschicht und die weitere Substratschicht durchgehende Druckkanäle aufweist, und Verbinden der Schicht der Messmembranen mit der weiteren Glasschicht mittels anodischen Bondens.In a presently preferred embodiment of the invention, the method relates to that of differential pressure sensors, wherein it further comprises the following steps: (g) applying a pre-fabricated according to steps (a) to (d) assembly with a further glass layer, which hot-stamped Having membrane bed contours, and a further substrate layer, wherein the prefabricated assembly through the further glass layer and the further substrate layer has continuous pressure channels, and connecting the layer of the measuring membranes with the further glass layer by means of anodic bonding.

Sofern eine Vielzahl von Sensoren parallel im Waferverbund gefertigt werden, folgt abschließend ein Vereinzeln der Sensoren, beispielsweise durch Sägen.Provided a plurality of sensors are manufactured in parallel in the wafer composite, Finally, a separation of the sensors follows, for example by Saws.

Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.The Invention will now be described with reference to an illustrated in the drawings Embodiment explained.

Es zeigt:It shows:

1: Schnittansichten von Schichtfolgen zur Fertigung von erfindungsgemäßen Differenzdrucksensoren in verschiedenen Fertigungsstadien. 1 : Section views of layer sequences for the production of differential pressure sensors according to the invention in various stages of production.

Die in 1 dargestellte Reihenfolge von Fertigungsschritten beginnt in Schritt (a) mit einem Si-Wafer 1, beispielsweise im 4-Zoll-Format, auf den in Schritt (b) eine Glasschicht 2 mit einer Stärke von einigen wenigen μm aufgebracht wird, wobei die Stärke der Glasschicht 2 von dem angestrebten Messbereich und der gewählten Geometrie der Messmembran abhängt. In einem dritten Schritt (c) wird mittels Heißprägen die Form der Membranbetten 3 in die Glasschicht eingebracht, wobei diese Form die Biegelinie der Messmembranen im Falle einer einseitigen Überlast annähern soll. In einem daran anschließenden Verfahrensschritt (d) werden die Druckkanäle 4 durch das Substrat 1 und die Glasschicht 2 präpariert, beispielsweise mit Ultraschallbohrern. Nun wird in Schritt (e) eine Schichtfolge, welche die zuvor beschriebenen Lagen und einen zweiten Si-Wafer 5 umfasst, der auf der Glasschicht 2 liegt, mittels anodischen Bondens verbunden. Anschließend wird der zweite Wafer 5 in Schritt (f) so weit in einem Ätzverfahren abgedünnt, bis eine Messmembran 7 gewünschter Stärke stehen bleibt, welche eine Druckkammer 6 im Innern der Schichtfolge einschließt, wobei die Druckkammer über die Bohrung 4 mit der Umgebung kommuniziert und mit einem Druck beaufschlagbar ist.In the 1 The illustrated sequence of manufacturing steps begins in step (a) with a Si wafer 1 For example, in the 4-inch format on the in step (b) a glass layer 2 with a thickness of a few microns is applied, the thickness of the glass layer 2 depends on the desired measuring range and the selected geometry of the measuring diaphragm. In a third step (c) is by hot stamping the shape of the membrane beds 3 introduced into the glass layer, which form should approximate the bending line of the measuring membranes in the case of a one-sided overload. In a subsequent process step (d), the pressure channels 4 through the substrate 1 and the glass layer 2 prepared, for example with ultrasonic drills. Now, in step (e), a layer sequence comprising the above-described layers and a second Si wafer 5 that covers the glass layer 2 is connected by anodic bonding. Subsequently, the second wafer 5 in step (f) thinned so far in an etching process until a measuring membrane 7 desired strength stops, which is a pressure chamber 6 in the interior of the layer sequence, wherein the pressure chamber via the bore 4 communicates with the environment and can be acted upon by a pressure.

In diesem Zustand wäre die Schichtfolge für einen Absolutdrucksensor oder einen Relativdrucksensor verwendbar, wobei die Messmembran typischer Weise über den Druckkanal mit einem Referenzdruck beaufschlagt wird, während der Messdruck auf die der Druckkammer 6 abgewandte Seite der Messmembran 7 wirkt.In this state, the layer sequence for an absolute pressure sensor or a relative pressure sensor would be used, wherein the measuring membrane is typically applied via the pressure channel with a reference pressure, while the measuring pressure to that of the pressure chamber 6 opposite side of the measuring diaphragm 7 acts.

Zur Herstellung von Differenzdrucksensoren werden in Schritt (g) noch eine Glasschicht 12 und ein Substrat 11 in dem in Schritt d gezeigten Zustand auf die Schicht der Messmembranen 7 aufgebracht und mit anodischem Ronden mit der Schicht der Messmembranen 7 verbunden.For the production of differential pressure sensors in step (g) still a glass layer 12 and a substrate 11 in the state shown in step d on the layer of the measuring membranes 7 applied and with anodic discs with the layer of measuring membranes 7 connected.

Einzelne Differenzdrucksensoren 20 werden durch Vereinzelung entlang der vertikalen gestrichelten Linien in 1g erhalten.Single differential pressure sensors 20 are separated by dicing along the vertical dashed lines 1g receive.

Für den Fachmann ist selbstverständlich das ein Drucksensor noch einen Wandler zum erzeugen eines verformungsabhängigen elektrischen Signals aufweist, welches beispielsweise ein kapazitiver oder ein resistiver, insbesondere ein piezoresistiver Wandler sein kann. Die dazu erforderlichen Elektroden bzw. Widerstandselemente sind hier nicht im einzelnen dargestellt und können in üblicher Weise präpariert werden.For the skilled person is of course the one pressure sensor nor a converter for generating a deformation-dependent electrical signal, which, for example, a capacitive or a resistive, in particular a piezoresistive transducer can. The required electrodes or resistive elements are not shown here in detail and can in usual Be prepared.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - US 7360431 B2 [0005] - US 7360431 B2 [0005]

Claims (15)

Drucksensor (20), umfassend: mindestens einen Grundkörper, mindestens eine Messmembran (7), und einen Wandler, wobei die Messmembran (7) ein Halbleitermaterial aufweist, wobei die Messmembran (7) unter Einschluss einer Druckkammer (6) an dem Grundkörper befestigt ist, wobei die Messmembran mit mindestens einem Druck beaufschlagbar ist und druckabhängig elastisch verformbar ist, Wandler ein von der Verformung der Messmembran abhängiges elektrisches Signal bereitstellt, wobei der Grundkörper ein Membranbett aufweist, an welchem die Messmembran im Falle einer Überlast anliegt, um die Messmembran abzustützen dadurch gekennzeichnet, dass das Membranbett eine Glasschicht (2) aufweist, deren Oberfläche (3) der Messmembran zugewandt ist, und eine Wand der Druckkammer bildet.Pressure sensor ( 20 ), comprising: at least one main body, at least one measuring membrane ( 7 ), and a transducer, wherein the measuring membrane ( 7 ) comprises a semiconductor material, wherein the measuring membrane ( 7 ) including a pressure chamber ( 6 ) is attached to the base body, wherein the measuring membrane can be acted upon by at least one pressure and elastically deformable pressure-dependent converter provides a dependent of the deformation of the measuring diaphragm electrical signal, the base body having a diaphragm bed against which the measuring diaphragm in case of overload to support the measuring membrane, characterized in that the membrane bed has a glass layer ( 2 ) whose surface ( 3 ) faces the measuring membrane, and forms a wall of the pressure chamber. Drucksensor (20) nach Anspruch 1, wobei der Grundkörper ein Substratmaterial (1) umfasst, auf die Glasschicht (2) aufgebracht ist, wobei die Oberfläche der Glasschicht mit einer Kontur (3) versehen ist, die geeignet ist, die Messmembran im Falle einer Überlast abzustützen.Pressure sensor ( 20 ) according to claim 1, wherein the base body is a substrate material ( 1 ), on the glass layer ( 2 ), the surface of the glass layer having a contour ( 3 ), which is suitable for supporting the measuring diaphragm in the event of an overload. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberfläche der Glasschicht (2) mikromechanisch bearbeitet ist.Pressure sensor according to claim 1 or 2, wherein the surface of the glass layer ( 2 ) is micromechanically processed. Drucksensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Glasschicht (2) eine Oberflächenkontur (3) aufweist, die mittels Heißprägen präpariert ist.Pressure sensor according to claim 1, 2 or 3, wherein the glass layer ( 2 ) a surface contour ( 3 ), which is prepared by hot stamping. Drucksensor nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei das Substratmaterial (1) ein Halbleitermaterial umfasst.A pressure sensor according to claim 2, 3 or 4, wherein the substrate material ( 1 ) comprises a semiconductor material. Drucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Glasschicht (2) mittels anodischen Bondens mit dem Substrat (1) und der Messmembran (7) verbunden ist.Pressure sensor according to one of claims 2 to 5, wherein the glass layer ( 2 ) by means of anodic bonding with the substrate ( 1 ) and the measuring membrane ( 7 ) connected is. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Glasschicht eine Stärke von nicht mehr als 10 μm, vorzugsweise nicht mehr als 7 μm und besonders bevorzugt nicht mehr als 5 μm aufweist.Pressure sensor according to one of claims 1 to 6, wherein the glass layer has a thickness of not more than 10 μm, preferably not more than 7 μm, and more preferably not more than 5 μm. Drucksensor nach einem der vorhergehen Ansprüche, wobei die Glasschicht eine Materialstärke von nicht weniger als 2 μm aufweist.Pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the glass layer has a material thickness of not less than 2 microns. Drucksensor nach Anspruch 2 oder einem davon Abhängigen Anspruch, wobei das Substratmaterial Si umfasst, und das Glas des Membranbetts ein Borosilikatglas, aufweist.Pressure sensor according to claim 2 or one dependent thereof Claim, wherein the substrate material comprises Si, and the glass of the Membranbetts a borosilicate glass having. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Membranbett eine Oberflächenkontur aufweist, welche der Biegelinie der Messmembran angenähert ist oder dieser entspricht.Pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the membrane bed has a surface contour, which approximates the bending line of the measuring diaphragm or this corresponds. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Drucksensor ein Differenzdrucksensor ist, der eine Messmembran, einen ersten Grundkörper und einen zweiten Grundkörper aufweist, wobei die Messmembran zwischen dem ersten Grundkörper und dem zweiten Grundkörper angeordnet und mit jedem der beiden Grundkörper entlang einer umlaufenden Fügestelle unter Einschluss einer ersten Druckkammer und einer zweiten Druckkammer verbunden ist, wobei die erste Druckkammer und die zweite Druckkammer jeweils mindestens einen Kanal durch den ersten bzw. zweiten Grundkörper aufweisen, wobei die Messmembran durch die Kanäle mit einem ersten und einem zweiten Druck beaufschlagbar ist.Pressure sensor according to one of claims 1 to 10, in which the pressure sensor is a differential pressure sensor comprising a measuring diaphragm, a first base body and a second base body having, wherein the measuring diaphragm between the first base body and the second base body and arranged with each of the Both basic body along a circumferential joint including a first pressure chamber and a second pressure chamber connected is, wherein the first pressure chamber and the second pressure chamber in each case at least one channel through the first or second base body exhibit, the measuring diaphragm through the channels can be acted upon with a first and a second pressure. Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Halbleiter-Wafers, insbesondere eines Si-Wafers; (b) Aufbringen einer Glasschicht; (c) Präparieren der Form von Membranbetten mittels Heißprägens in die Glasschicht eingebracht, wobei die Form der Membranbetten insbesondere die Biegelinie der Messmembranen im Falle einer Überlast annähert; (d) Präparieren von Druckkanälen durch das Substrat 1 und die Glasschicht 2; und (e) Verbinden des Wafers und der Glasschicht mittels anodischen Bondens.Method for producing a pressure sensor, in particular according to one of the preceding claims, comprising the steps: (a) providing a semiconductor wafer, in particular a Si wafer; (b) applying a glass layer; (c) preparing the shape of membrane beds by means of hot stamping into the glass layer, the shape of the membrane beds in particular approximating the bending line of the measuring membranes in the event of an overload; (d) preparing pressure channels through the substrate 1 and the glass layer 2 ; and (e) bonding the wafer and the glass layer by anodic bonding. Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend (f) Abdünnen des zweiten Wafers insbesondere mittels eines Ätzverfahrens.The method of claim 12, further comprising (f) thinning of the second wafer, in particular by means of an etching process. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13 zum Herstellen eines Differenzdrucksensors, insbesondere nach Anspruch 11, weiterhin umfassend: (g) Aufbringen einer nach den Schritten (a) bis (d) vorgefertigten Baugruppe mit einer weiteren Glasschicht, welche heiß geprägte Membranbettkonturen aufweist, und einer weiteren Substratschicht, wobei die vorgefertigte Baugruppe durch die weitere Glasschicht und die weitere Substratschicht durchgehende Druckkanäle aufweist, und Verbinden der Schicht der Messmembranen mit der weiteren Glasschicht mittels anodischen Bondens.Method according to one of claims 12 or 13 for the manufacture a differential pressure sensor, in particular according to claim 11, further full: (g) applying one after the steps (a) to (D) prefabricated assembly with a further glass layer, which has hot embossed membrane bed contours, and a further substrate layer, wherein the prefabricated assembly through the further glass layer and the further substrate layer continuous Having pressure channels, and connecting the layer of the measuring membranes with the further glass layer by means of anodic bonding. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, weiterhin umfassend: Vereinzeln der Sensoren.The method of any one of claims 12 to 15, further comprising: seperate the sensors.
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