Mikromechanische Drucksensorvorrichtung und entsprechendes Herstellungsverfahren

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung und ein

entsprechendes Herstellungsverfahren.

Stand der Technik

Obwohl auf beliebige mikromechanische Drucksensorvorrichtungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von mikromechanischen Drucksensorvorrichtungen auf Siliziumbasis erläutert, wie z.B. aus der WO 2013/152 901 A1 bekannt.

Fig. 5a)-c) sind schematische Darstellungen einer beispielhaften mikromechanischen Drucksensorvorrichtung zur Erläuterung der der vorliegenden Erfindung

zugrundeliegenden Problematik, und zwar Fig. 5a), 5b) im Querschnitt und Fig. 5c) in Draufsicht.

In Fig. 5a) und 5b) bezeichnet Bezugszeichen F eine mikromechanische

Funktionsschicht, beispielsweise eine Siliziumschicht. In der mikromechanischen

Funktionsschicht F ist eine Membran M mit einer darunter angeordneten Kaverne A ausgebildet. Die Kaverne A ist rückseitig durch eine Verschlussschicht V verschlossen.

Bezugszeichen P1 bis P4 bezeichnen eine in oder auf der Membran M angeordnete Verbiegungserfassungseinrichtung, beispielsweise piezoresistive Elemente, zum Erfassen einer Verbiegung der Membran M aufgrund einer daran anliegenden externen

Druckänderung. Fig. 5a) bezeichnet den Zustand, in dem der äußere Druck P gleich Pa ist, wobei der Druck P = Pa dem Druck innerhalb der Kaverne A entspricht. In diesem Zustand gibt die Verbiegungserfassungseinrichtung mit den piezoresistiven Elementen P1 bis P4 einen ersten Messwert, beispielsweise über eine Brückenschaltung, aus. Wird der äußere Druck P auf einen höheren Druck P = Pb erhöht, so deformiert sich die Membran M nach innen in die Kaverne A, wobei die Verbiegungserfassungseinrichtung P1 bis P4 einen zweiten unterschiedlichen Messwert ausgibt. Somit lässt sich die anliegende externe Druckänderung erfassen.

Wie in Fig. 5c) dargestellt, sind beispielsweise vier piezoresistive Elemente P1 bis P4 an vier gegenüberliegenden Rändern der Membran M vorgesehen.

Bei der bekannten Drucksensorvorrichtung sind jedoch mechanische Verbiegungen der Membran M nicht ausschließlich auf die externe Druckänderung zurückzuführen, sondern auch auf externe Einflüsse, welche die mikromechanische Drucksensorvorrichtung unter mechanische Spannung bringen, z.B. Verbiegung durch mechanische Verspannung aufgrund eines Verpackungsprozesses (nicht dargestellt), durch Aufbau mit einem

Materialmix mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder durch Spannung von Lötverbindungen des aufgebauten und verpackten Sensors auf einer (nicht dargestellten) Montage-Leiterplatte.

Dadurch dass entweder der mechanische Stress in der Drucksensorvorrichtung in das Druckmesssignal eingekoppelt wird oder mechanische Stressentlastungsstrukturen zu einer Verringerung der mechanischen Robustheit führen, sind die bekannten

Drucksensoren in gewisser Weise fehlerbelastet.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 10.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Vorteile der Erfindung Die mikromechanische Drucksensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bzw. das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ermöglichen eine Erhöhung der

Genauigkeit von mikromechanischen Drucksensoren. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße mikromechanische Drucksensorvorrichtung einen Aufbau, dessen Messsignal unempfindlich gegenüber Chipverbiegungen ist, welche beispielsweise durch Temperaturänderungen in der Umgebung hervorgerufen werden, die aber gleichzeitig eine hohe mechanische Stabilität aufweist, da keine Federn zur Stressentkopplung notwendig sind.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee beruht darauf, eine zusätzliche Verbiegungserfassungseinrichtung vorzusehen, welche lediglich die Verbiegung der Drucksensorvorrichtung, welche durch mechanischen Stress hervorgerufen wird, misst. Dieses Zusatzsignal lässt sich vom Messsignal der eigentlichen

Verbiegungserfassungseinrichtung abziehen, sodass ein unverfälschtes

Druckmesssignal, welches lediglich durch Druckunterschiede hervorgerufen wird, ausgebbar ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind die erste Membran und die daran angrenzende erste Kaverne in einer ersten mikromechanischen Funktionsschicht gebildet, wobei die zweite Membran in einer zweiten mikromechanischen Funktionsschicht, welche beabstandet von der ersten mikromechanischen Funktionsschicht angeordnet ist, gebildet ist. So lassen sich beide Membranen unabhängig voneinander herstellen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die zweite mikromechanische Funktionsschicht auf einer Seite der ersten Membran der ersten mikromechanischen Funktionsschicht angeordnet, wobei die erste Membran geschlossen ist, wobei die zweite Membran eine Durchgangsöffnung aufweist, und wobei die zweite Kaverne zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet ist und mit der

Durchgangsöffnung fluidisch kommuniziert. So lassen sich die beiden Membranen eng beieinander anordnen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist zwischen der zweiten

mikromechanischen Funktionsschicht und der ersten mikromechanischen

Funktionsschicht eine Abstandshalterschicht angeordnet ist. So lässt sich die zweite Kaverne leicht über die Abstandshalterschicht definieren.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die erste Kaverne auf einer der ersten Membran gegenüberliegenden Seite der ersten mikromechanischen

Funktionsschicht durch eine Verschlussschicht verschlossen, wobei die zweite

mikromechanische Funktionsschicht auf der Verschlussschicht angeordnet ist, wobei die erste Membran geschlossen ist, wobei die zweite Membran eine Durchgangsöffnung aufweist, und wobei die zweite Kaverne zwischen der zweiten Membran und der Verschlussschicht angeordnet ist und mit der Durchgangsöffnung fluidisch kommuniziert. So lassen sich beide Membranen in etwa symmetrisch zur ersten Kaverne realisieren.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Verschlussschicht eine zweite Durchgangsöffnung auf. So lassen sich zwei Medienzugänge realisieren.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die erste Membran und die daran angrenzende erste Kaverne in einer ersten mikromechanischen Funktionsschicht gebildet sind, wobei die zweite Membran und die daran angrenzende zweite Kaverne in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht lateral beabstandet von der ersten Membran und der daran angrenzenden ersten Kaverne gebildet sind, und wobei die erste Kaverne und die zweite Kaverne auf einer der ersten Membran und zweiten Membran

gegenüberliegenden Seite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht verschlossen sind. So lassen sich beide Membranen und Kavernen in einer einzigen

mikromechanischen Funktionsschicht realisieren.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die erste Membran geschlossen, wobei die zweite Membran eine Durchgangsöffnung aufweist. So bildet die erste Kaverne ein Referenzdruckvolumen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die erste

Verbiegungserfassungseinrichtung und/oder die zweite

Verbiegungserfassungseinrichtung ein oder mehrere piezoresistive Elemente auf. Eine derartige Verbiegungserfassungseinrichtung ist leicht realisierbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 a), b) schematische Darstellungen einer mikromechanischen

Drucksensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 1 a) im Querschnitt und Fig. 1 b)

Draufsicht; Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen

Drucksensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen

Drucksensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen

Drucksensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 5a)-c) schematische Darstellungen einer beispielhaften mikromechanischen

Drucksensorvorrichtung zur Erläuterung der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Problematik, und zwar Fig. 5a), 5b) im Querschnitt und Fig. 5c) in Draufsicht.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche

Elemente.

Fig. 1 a), b) sind schematische Darstellungen einer mikromechanischen

Drucksensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung, und zwar Fig. 1 a) im Querschnitt und Fig. 1 b) Draufsicht.

In Fig. 1 a), b) bezeichnet Bezugszeichen 2 eine erste mikromechanische

Funktionsschicht, beispielsweise eine Siliziumschicht, in der eine erste Membran 3 und eine daran angrenzende Kaverne 4 ausgebildet sind. Auf der der Membran 3

gegenüberliegenden Seite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 2 ist eine Verschlussschicht 1 vorgesehen, beispielsweise ebenfalls eine Siliziumschicht, mittels der die erste Kaverne 4 verschlossen ist. Im vorliegenden Fall ist die erste Membran 3 ebenfalls geschlossen, sodass in der ersten Kaverne 4 ein konstanter Druck

eingeschlossen ist. Eine erste Verbiegungserfassungseinrichtung 6 mit piezoresistiven Elementen ist in und/oder auf der ersten Membran 3 vorgesehen und dient zum Erfassen einer Verbiegung der ersten Membran 3 aufgrund einer daran anliegenden externen Druckänderung und aufgrund einer internen mechanische Verbiegung der Drucksensorvorrichtung aufgrund von Stress.

Die Messung der Verbiegung über die Verbiegungserfassungseinrichtung 6 erfolgt, wie im Zusammenhang mit Fig. 5a)-c) beschrieben, beispielsweise über eine (nicht dargestellte) Brückenschaltung.

Aufgelagert auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 2 ist eine zweite mikromechanische Funktionsschicht 7, beispielsweise ebenfalls eine Siliziumschicht, welche über eine Abstandshalterschicht 8 mit der ersten mikromechanischen

Funktionsschicht 2 verbunden ist. Innerhalb der zweiten mikromechanischen

Funktionsschicht 7 und oberhalb der ersten Membran 3 befindet sich eine zweite

Membran 9, welche eine Durchgangsöffnung 10 aufweist. Zwischen der ersten Membran 3 und der zweiten Membran 9 ist eine zweite Kaverne 5 gebildet. In und/oder auf der zweiten Membran 9 ist eine zweite Verbiegungserfassungseinrichtung 1 1 mit

piezoresistiven Elementen angeordnet, welche zum Erfassen einer Verbiegung der zweiten Membran 9 aufgrund der internen mechanischen Verbiegung der

Drucksensorvorrichtung dient. Dabei ist die zweite Membran 9 derart gestaltet, dass sie aufgrund der externen Druckänderung nicht verbiegbar ist. Insbesondere ermöglicht die Durchgangsöffnung 10 einen Druckausgleich zwischen der ersten Kaverne 4 und der zweiten Kaverne 5.

Mittels des beschriebenen Aufbaus liefert die erste Verbiegungserfassungseinrichtung 6 ein erstes Messsignal, das proportional zum äußeren Druck und proportional zu internen mechanischen Verbiegungen der Drucksensorvorrichtung ist. Darüber hinaus liefert die zweite Verbiegungserfassungseinrichtung 1 1 ein zweites Messsignal, das nur proportional zu einer Verbiegung der zweiten Membran aufgrund der internen mechanischen

Verbiegung der Drucksensorvorrichtung ist. Subtrahiert man das zweite Messsignal vom ersten Messsignal, so erhält man ein korrigiertes Messsignal, welches nur noch proportional zum äußeren Druck ist. Das Eliminieren des ungewünschten Störanteils, z.B. aufgrund von Stress-Spannungen, aufgrund interner mechanischer Verbiegungen funktioniert umso genauer, wenn die Verbiegung der Drucksensorvorrichtung an den Positionen der piezoresistiven Elemente der ersten Verbiegungserfassungseinrichtung 6 und an den Positionen der piezoresistiven Elemente der zweiten Verbiegungserfassungseinrichtung 1 1 gleich ist, weshalb die entsprechenden piezoresistiven Elemente möglichst nahe beieinander angeordnet werden sollten.

Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen

Drucksensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung.

Bei der zweiten Ausführungsform entspricht der Aufbau der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 2, der ersten Membran 3, der ersten Kaverne 4 und der ersten

Verbiegungserfassungseinrichtung 6 dem bereits mit Bezug auf Fig. 1 a), b)

beschriebenen Aufbau.

Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist bei der zweiten Ausführungsform die zweite mikromechanische Funktionsschicht 7' über einer Abstandshalterschicht 8' vorgesehen, welche auf der Verschlussschicht 1 angeordnet ist, die mit der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 2 auf der der ersten Membran 3

gegenüberliegenden Seite verbunden ist.

Die zweite Membran 9' weist eine zweite Verbiegungserfassungseinrichtung 1 1 ' mit piezoresistiven Elementen auf, wobei eine zweite Kaverne 5' zwischen der zweiten Membran 9' und der Verschlussschicht 1 vorgesehen ist.

Die Funktionsweisen der ersten Verbiegungserfassungseinrichtung 6 und der zweiten Verbiegungserfassungseinrichtung 1 1 ' sind analog zur Funktionsweise der oben beschriebenen ersten Verbiegungserfassungseinrichtung 6 und der zweiten

Verbiegungserfassungseinrichtung 1 1. Ebenso wie bei der ersten Ausführungsform ist eine Durchgangsöffnung 10' in der zweiten Membran 9' vorgesehen, welche einen Druckausgleich schafft, sodass die zweite Verbiegungserfassungseinrichtung 1 1 ' wiederum nur eine Verbiegung der zweiten Membran 9' aufgrund der internen

mechanischen Verbiegung der Drucksensorvorrichtung erfasst. Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen

Drucksensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung. Bei der dritten Ausführungsform ist eine einzelne mikromechanische Funktionsschicht 2 vorgesehen, in welcher die erste Membran 3 und die darunterliegende erste Kaverne 4 und die zweite Membran 9" mit der darunterliegenden zweiten Kaverne 5" integriert sind.

Die erste Membran 3 weist die erste Verbiegungserfassungseinrichtung 6 auf, und die zweite Membran 9" weist die zweite Verbiegungserfassungseinrichtung 1 1 " auf.

Wiederum weist die zweite Membran 9" eine Durchgangsöffnung 10" auf, sodass sie lediglich auf Verbiegungen aufgrund von internen mechanischen Stress sensitiv ist und nicht auf äußere Druckdifferenzen sensitiv ist. Beide Kavernen 4, 5" sind auf der den Membranen 3, 9" gegenüberliegenden Seite durch die Verschlussschicht 1 verschlossen.

Auch hier ist die Funktionsweise der ersten Verbiegungserfassungseinrichtung 6 und der zweiten Verbiegungserfassungseinrichtung 1 1 " identisch zu der Funktion der ersten Verbiegungseinrichtung 6 und der zweiten Verbiegungserfassungseinrichtung 1 1 der ersten Ausführungsform.

Bei der dritten Ausführungsform ist insbesondere keine zweite mikromechanische Funktionsschicht notwendig, und auch keine Abstandshalterschicht. Somit ist diese dritte Ausführungsform kostengünstiger als die erste bzw. zweite Ausführungsform. Da die zweite Verbiegungserfassungseinrichtung 1 1 " mit den piezoresistiven Elementen räumlich stärker von der ersten Verbiegungserfassungseinrichtung 6 mit den piezoresistiven Elementen getrennt ist, ist die Eliminierung des Störsignals etwas ungenauer, was für spezielle Anwendungen mit geringeren Anforderungen jedoch unkritisch ist.

Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen

Drucksensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung.

Der Aufbau der vierten Ausführungsform entspricht dem Aufbau der ersten

Ausführungsform, wobei bei der vierten Ausführungsform eine weitere

Durchgangsöffnung 12 in der Verschlussschicht vorgesehen ist, sodass die

entsprechende Drucksensorvorrichtung eine Differenzdruck-Drucksensorvorrichtung mit zwei Medienzugängen in Form der beiden Durchgangsöffnungen 10, 12 ist, wobei in der ersten Kaverne 4 kein konstanter Druck eingeschlossen ist.

Ansonsten ist die Funktionsweise der vierten Ausführungsform analog zur Funktionsweise der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.

Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ein oder mehrere piezoresistive Elemente als Verbiegungserfassungseinrichtung vorgesehen sind, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern prinzipiell für beliebige Verbiegungserfassungseinrichtungen anwendbar.

Auch sind die gezeigten Geometrien und Materialien nur beispielhaft und nicht auf die angeführten Beispiele beschränkt.