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Stand der
Technik
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Die nachfolgende Erfindung beschreibt
einen mikromechanisch herstellbaren kapazitiven Drucksensor, der
aus zwei unterschiedlich prozessierten Komponenten besteht, wobei
die erste Komponente aus einem Halbleitermaterial und die zweite Komponente
wenigstens teilweise aus Metall besteht.
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Zur Erfassung eines Druckes sind
Sensoren unterschiedlicher Bauart denkbar. Besonders in der mikromechanischen
Bauweise haben sich in den letzten Jahren verschiedene Messprinzipien
herausgebildet. Eine gängige
Methode der mikromechanischen Druckmessung stellt die Messung von
Kapazitätsänderungen
in einem als Kondensator ausgebildeten mikromechanischen Drucksensor
dar. Ein kapazitiver Drucksensor, der in der mikromechanischen Bauweise
hergestellt werden kann, ist beispielsweise aus der
DE 101 21394 A1 bekannt.
Dabei wird der mikromechanische Drucksensor durch ein Halbleiterbauelement
realisiert, wobei der Drucksensor aus einer Membranelektrode, einer
Bodenelektrode und einem zwischen den beiden Elektroden befindlichen Hohlraum
besteht. Durch eine Druckdifferenz zwischen dem im Hohlraum herrschenden
Druck und dem Außendruck
kommt es zu einer Verbiegung der Membran und somit zu einer Veränderung
des Abstands zwischen der elektrisch leitenden Membran und der dieser
Membran gegenüberliegenden
Kondensatorplatten.
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Ein ebenfalls als Drucksensor verwendbares mikromechanisches
Bauelemente ist aus der
DE
100 24 266 A1 bekannt. Dabei wird auf ein Substrat aus einem
Halbleitermaterial epitaktisch eine Funktionsschicht ebenfalls aus
Halbleitermaterial aufgebracht, wobei teilweise zwischen dem Substrat
und der Funktionsschicht ein Hohlraum vorgesehen ist, der einen
Membranbereich der Funktionsschicht definiert. Mit der Funktionsschicht,
dem Hohlraum und einer im Substrat erzeugten Elektrode kann anschließend eine
Kapazitätsmessung
bei unterschiedlichen äußeren Drücken durchgeführt werden.
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Die Erfindung beschreibt ein Herstellungsverfahren
eines mikromechanischen Drucksensors bzw. einen mit diesem Herstellungsverfahren
hergestellten mikromechanischen Drucksensor. Die Druckmessung in
dem aus wenigstens zwei Komponenten bestehenden Drucksensor erfolgt über eine
Kapazitätsmessung
eines Kondensators, wobei der Drucksensor wenigstens eine erste
Elektrode und eine erste Membran aufweist. Durch die Bewegung der
Membran wird eine Kapazitätsänderung
des Kondensator hervorgerufen, welche in der Kapazitätsmessung
als Maß für die zu
messende Druckgröße verwendet werden
kann. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die erste und die
zweite Komponente des Drucksensors durch separate Herstellungsprozesse prozessiert
werden, bevor sie zusammengesetzt werden. Dabei ist besonders vorgesehen,
dass die erste Komponente wenigstens ein Halbleitermaterial und
die erste Elektrode aufweist, wohingegen die zweite Komponente wenigstens
teilweise aus Metall besteht und wenigstens die erste Membran enthält.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird die Kapazitätsmessung
des Drucksensors mittels einer zweiten Elektrode eines Kondensators durchgeführt. Dabei
kann die zweite Elektrode Teil der ersten Komponente oder der zweiten
Komponenten sein. In einer besonderen Ausgestaltung des Drucksensors
ist weiterhin vorgesehen, dass die zweite Elektrode in der zweiten
Komponenten durch die erste Membran realisiert wird.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die zweite
Komponente eine Metallmembran aufweist. Durch diese Metallmembran
kann gegenüber
den herkömmlichen
Drucksensoren mit Halbleitermembranen eine erhöhte Steifigkeit der Membran
und damit ein höherer
messbarer Druckbereich bei kompakter Bauweise erreicht werden. Darüber hinaus
ist in einer besonderen Ausgestaltungsform der Erfindung vorgesehen,
die Metallmembran als Stahlmembran zu realisieren.
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Vorteilhafterweise weist die erste
Komponente wenigstens einen Teil einer Schaltung zur Auswertung
der Kapazitätsmessung
auf, wobei als Teil der Schaltung auch einzelne Schaltelemente angesehen
werden können.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass sich die Schaltung auf der
der ersten Elektrode gegenüberliegenden
Seite der ersten Komponenten befindet. Weiterhin ist vorgesehen, den
Teil der Schaltung auf bzw. in der ersten Komponenten durch eine
elektrische Verbindungen, die innerhalb der ersten Komponenten verläuft, mit
der ersten Elektrode zu kontaktieren.
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In einer Weiterbildung der Erfindung
werden die erste und die zweite Komponente durch ein nicht leitfähiges Material
miteinander verbunden. Durch dieses nicht leitfähige Material kann erreicht
werden, dass die Kombination aus erster und zweiter Komponente fest
zusammenhält,
ohne einen elektrischen Kontakt zwischen den beiden Komponenten
hervorzurufen.
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In einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Elektrode in der ersten
Komponente bezüglich
der ersten Elektrode beweglich ausgestaltet ist. Dabei ist insbesondere
vorgesehen, dass ein elektrischer Kontakt von der zweiten Elektrode
durch die erste Komponente zur Schaltung geleitet wird. Vorteilhafterweise
folgt die Bewegung der zweiten Elektrode der Bewegung der Membran,
wobei insbesondere vorgesehen ist, dass sich die zweite Elektrode
während
der Bewegung nicht verbiegt. Dies hat den Vorteil, dass die Bewegung
der Membran eine parallele Annäherung
der zweiten Elektrode an die erste Elektrode erzeugt.
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Weitere Vorteile der Erfindung insbesondere Vorteile,
die das Herstellungsverfahren des kapazitiven mikromechanischen
Drucksensors betreffen, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
bzw. aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Zeichnungen
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Die 1 bis 4 stellen unterschiedliche
Ausführungsbeispiele
dar, die durch die vorliegende Erfindung realisiert werden können.
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Die Erfindung betrifft einen kapazitiven
mikromechanischen Drucksensor bzw. ein Verfahren zur Herstellung
eines kapazitiven mikromechanischen Drucksensors. Der Drucksensor
besteht dabei aus wenigstens zwei Komponenten, wobei eine erste Komponente
wenigstens ein Halbleitermaterial und eine zweite Komponente wenigstens
teilweise ein Metall aufweist. Der Kern der Erfindung besteht nun darin,
dass die erste und die zweite Komponente in einem ersten Schritt
mittels unterschiedlicher Herstellungsverfahren separat prozessiert
werden und anschließend
in einem zweiten Schritt zum Drucksensor kombiniert werden.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
als Grundelement ein Stahlsubstrat als zweite Komponente 100 verwendet.
Dieses Stahlsubstrat weist nach einer entsprechenden Herstellung
in einem Bereich eine dünne
Stahlmembran 170 auf, wie beispielsweise in der 1b in einem Querschnitt durch
das Stahlsubstrat 100 dargestellt ist. Auf diese Stahlmembran 170 wirkt
bei einer Druckmessung der äußere Druck 180,
der ein Durchbiegen der Stahlmembran 170 bewirkt.
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Als erste Komponente wird in dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ein Halbleitersubstrat 120 derart hergestellt, dass auf
der Unterseite des Substrats 120 ein dotierter Bereich
als Gegenelektrode 130 wirken kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist vorgesehen, dass als Halbleitersubstrat 120 Silizium verwendet
wird, wobei auch jedes andere halbleitende Material verwendet werden
kann, das mit den hier beschriebenen Verfahren bearbeitet werden
kann. Auf der der Gegenelektrode 130 gegenüberliegenden
Seite ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel wenigstens
ein Teil der Schaltung 150 zur Auswertung der durch den
Drucksensor erzeugten Messgrößen untergebracht.
Dabei kann es sich neben der kompletten Auswerteschaltung auch um
einzelne Schaltelemente handeln. Über eine Kontaktdurchführung (Via) 140 wird
die als Kondensatorplatte ausgebildete Gegenelektrode 130 mit
den Schaltelementen bzw. der Auswerteschaltung 150 auf
der Substratoberseite verbunden. Zur kompletten Auswertung der Messsignale
in der Auswerteschaltung 150 ist eine elektrische Verbindung
zwischen der Schaltung 150 und der Stahlmembran 170 nötig. Diese
Verbindung kann entweder über
Bondverbindungen oder Metallkontakte hergestellt werden, wie sie
in 1a als Block 160 dargestellt
werden. Über
eine weitere Bondverbindung bzw. einen weiteren Metallkontakt kann
anschließend
das ausgewertete Messsignal zur weiteren Verarbeitung genutzt werden.
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Ein einfaches Ausführungsbeispiel
zur Herstellung eines kapazitiven mikromechanischen Drucksensors
gemäß der vorliegenden
Erfindung besteht darin, dass die erste Komponente aus einer flachen
runden Platte aus Silizium 120 mit einer dotierten Unterseite 130,
einer Kontaktdurchführung 140 und
einer Oberseite mit Zuleitungen, Metallkontakte 160 und
eventuell mit einer Auswerteschaltung 150 besteht und diese
erste Komponente zusammen mit dem als Stahlsubstrat ausgebildeten
zweiten Komponenten 100 zu dem kapazitiven mikromechanischen Drucksensor
kombiniert werden. Die Kombination erfolgt dabei durch das Aufbringen
der ersten Komponente 120 auf die zweite Komponente 100,
wobei vorgesehen ist, dass die beiden Komponenten beispielsweise
durch strukturierte Sealglas-Elemente 110 elektrisch voneinander
isoliert werden. Eine weitere Funktion der Sealglas-Elemente 110 besteht
darin, dass mit diesen Sealglas-Elementen 110 ein definierter
Abstand zwischen dem als Kondensatorelektrode nutzbaren Stahlsubstrats
und der Gegenelektrode 130 sichergestellt werden kann.
Das Sealglas enthält
dabei Spacer (Glaskugeln) für
eine definierte Einstellung des Abstandes zwischen den beiden Elektroden
. Die Sealglas-Elemente 110 müssen dabei so positioniert
werden, dass die Auslenkung der Stahlmembran 170 nicht
behindert wird. Gleichzeitig soll sichergestellt sein, dass die
Siliziumsplatte 120 nicht durchgebogenen wird. Der Siliziumrand
muss daher auf dem Idealerweise unbelasteten Rand des Stahlsubstrats 100 sitzen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Stahlmembran 170, die
Sealglas-Elemente 110 sowie
das Halbleitersubstrat 120 einen Hohlraum 200 mit
einem definierten Gasdruck einschließen. Dies kann beispielsweise dadurch
erreicht werden, dass mit einem Sealglas-Element 110 auf
dem Stahlsubstrat 100 die Stahlmembran 170 komplett
umschlossen wird und mit einem entsprechenden dichtenden Kleber
die erste und die zweite Komponente verbunden wird, so dass der
entstandene Hohlraum 200 nach außen abgeschlossen wird.
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Wird der hergestellte kapazitive
Drucksensor einem äußeren Druck 180 ausgesetzt,
d. h. wirkt der äußere Druck 180 auf
die Stahlmembran 170, so verbiegt sich die Stahlmembran 170 entsprechend
der Druckverhältnisse
von äußerem Druck 180 zum Druck
im Hohlraum. Durch das Durchbiegen der Stahlmembran 170 kann
somit im Drucksensor eine Kapazitätsänderung gemessen werden, die
proportional zum anliegenden äußeren Druck 180 ein
Messsignal liefert.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel besteht darin,
dass das Substrat 120 neben der Gegenelektrode 130 im
Substrat strukturierte Abstandshalter aufweist, wie es beispielsweise
in 2 im Bereich 210 angedeutet
ist. Durch diese Abstandshalter wird ein Hohlraum 200 erzeugt,
der mit einem Referenzdruck ausgestattet sein kann. Weiterhin kann
am Rand der Kondensatorplatten im Halbleitersubstrat eine Aufnahmerille
für das
Sealglas strukturiert werden. Diese kann bedeutend tiefer sein,
als der Plattenabstand zwischen den beiden Elektroden, um größere Mengen
Sealglas aufzunehmen. Der Abstand ist bei diesem Ausführungsbeispiel
nicht durch die Spacer (Sealglas-Glaskugeln 110), sondern
durch die Struktur 210 des Substrats 120 gegeben.
Die Aufnahmerillen sind seitlich offen, sodass überschüssiges Sealglas an Rand gedrückt wird
und seitlich entweichen kann. Die Herstellung der Struktur 210 kann mit
herkömmlichen
mikromechanischen Prozessen erfolgen. Die Fertigung der Aufnahmerillen
und der Abstandshalter erfolgt beispielsweise mittels Hochratenätzen (Trenchen)
von der Rückseite.
In einem separaten Prozess kann die Metallisierung und die Auswerteschaltung
auf der Vorderseite strukturiert werden.
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Während
bei den bisher vorgestellten und in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispielen
eine Elektrode des Plattenkondensatoren zur kapazitiven Druckmessung
durch das Stahlsubstrat 100 und die zweite Elektrode als
Gegenelektrode 130 im Substrat 120 ausgeführten wurden,
besteht in weiteren Ausführungsbeispielen
die Möglichkeit,
beide Elektroden des Plattenkondensatoren im Substrat 120 unterzubringen.
So kann beispielsweise neben der Gegenelektrode 130 die
Elektrode 330 derart im Substrat 120 ausgebildet
sein, dass die Elektrode 330 an mikrostrukturierten Federn 310 gegenüber der
Gegenelektrode 130 aufgehängt ist. Eine mögliche Ausgestaltung
dieser Aufhängung 310 ist
in 3a und 3b dargestellt. Zur Übertragung
der Positionsänderungen
der Stahlmembran 170 auf die Elektrode 330 ist
in diesem besonderen Ausführungsbeispiel
eine Stempel vorgesehen, wie er in dem Bereich 300 in 3a dargestellt ist. Bei
einem Durchbiegen der Stahlmembran 170 wird die Positionsänderung
direkt über
den Stempel 300 auf die Elektrode 330 übertragen,
sodass sich eine Kapazitätsänderung
im Drucksensor nachweisen lässt.
Die Federn 310 sind mit einer geringen Vorspannung ausgestattet,
sodass der Stempel 300 auf die Stahlmembran 170 gedrückt wird.
Dies erlaubt bei Abnahme des äußeren Drucks 180 eine
Aufrechterhaltung des Kontakts des Stempels 300 zur Stahlmembran 170.
Die Vorspannung kann dabei über
das Verhältnis
der äußeren Abstandshalter
zur Stempellänge
in der Mitte eingestellt werden. Zur Befestigung des Substrats 120 mit
Sealglas sind wiederum Aufnahmerillen am Rand des Substrats 120 vorgesehen. Dieses
Ausführungsbeispiel
hat bei entsprechender Dimensionierung den Vorteil, dass durch die
Auslenkung der Membranmitte die gesamte Elektrode 330 parallel
verschoben wird. Die Kapazitätsänderung
ist damit größer als
bei der Messung mittels einer Stahlmembran 170 als Elektrode,
bei der die Ränder
immer in der Ursprungsposition bleiben. Zur Kontaktierung der Elektroden 330 mit
der Auswerteschaltung 150 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
eine separate elektrische Verbindung 340 durch das Substrat
vorgesehen.
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Zur Darstellung einer möglichen
Ausführung der
Aufhängung
der Elektrode 330 ist in 3b eine Aufsicht
des Querschnitts 320 durch die 3a dargestellt. In dieser Aufsicht ist
die Elektrode 330 mit dem darunter liegenden Stempel 300 und
den Aufhängefedern 310 zu
sehen.
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In 4 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt,
wie die vorliegende Erfindungen ausgestaltet sein kann. Dabei wird
in dem Halbleitersubstrat 120 eine zweite starre Elektrode
410 erzeugt.
Diese zweite Elektrode 410 befindet sich unmittelbar gegenüber der
Gegenelektrode 130 und schließt den Hohlraum bzw. die Kaverne 430 ein.
Dabei wird die zweite Elektrode 410 über eine separate Kontaktierung 420 durch
das Substrat 120 hindurch mit der Auswerteschaltung 150 auf
der Oberseite des Substrats 120 verbunden. Die so strukturierte
erste Komponente 120 wird beispielsweise mittels Sealglas
auf die Stahlmembran bzw. auf das Stahlsubstrat 100 gebondet.
Eine Auslenkung der Stahlmembran 170 verbiegt damit auch
die Siliziummembran 410 während die bedeutend dickere
Gegenelektrode 130 im wesentlichen eben bleibt. Die Annäherung der
Siliziummembran 410 an die Gegenelektrode 130 bewirkt wiederum
eine Kapazitätsänderung.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird die Gegenelektrode 130 nicht als dotierter Bereich des
Halbleitersubtrats 120 erzeugt, sondern separat durch eine
leitfähige
Schicht aufgebracht. Ebenso ist denkbar, dass lediglich die Membran 170 der
zweiten Komponenten wenigstens teilweise aus Stahl besteht, wobei
das übrige
Material der zweiten Komponenten aus einem halbleitenden oder nichtleitenden Material
bestehen kann.