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Patent Searching and Data


Title:
MICROMECHANICAL PRESSURE SENSOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/046535
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a micromechanical pressure sensor (100), comprising: - at least one media access (10; 10a) for a sensor membrane (20); and at least one protective device (11; 12; 13) for minimizing an effect of external particles (1) and/or external humidity (2) on the sensor membrane (20).

Inventors:
LINDEMANN TIMO (DE)
FRITZ JOACHIM (DE)
SCHWARZ MIKE (DE)
Application Number:
PCT/EP2017/072332
Publication Date:
March 15, 2018
Filing Date:
September 06, 2017
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
International Classes:
G01L19/06
Foreign References:
DE4207951A11993-09-23
EP1503197A22005-02-02
US20110138900A12011-06-16
US6626044B12003-09-30
US20030167852A12003-09-11
DE102004006197A12005-01-27
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Claims:
Ansprüche

1 . Mikromechanischer Drucksensor (100), aufweisend:

- wenigstens einen Medienzugang (10; 10a) für eine Sensormembran (20); und

- wenigstens eine Schutzeinrichtung (1 1 ; 12; 13) zum Minimieren einer

Einwirkung von externen Partikeln (1 ) und/oder externer Feuchte (2) auf die Sensormembran (20).

2. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung als eine Siphonstruktur (1 1 ) des

Medienzugangs (10) ausgebildet ist.

3. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung ein in definierter Nähe zum

Medienzugang (10) angeordnetes Heizelement (12) aufweist.

4. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach Anspruch 3, dadurch

gekennzeichnet, dass das Heizelement (12) wenigstens teilweise um einen definierten Bereich der Siphonstruktur (1 1 ) angeordnet ist.

5. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung eine in definierter Nähe zum Medienzugang (10) angeordnete Haftschicht (13) aufweist.

6. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach Anspruch 5, dadurch

gekennzeichnet, dass die Haftschicht (13) wenigstens abschnittsweise in einem definierten Bereich der Siphonstruktur (1 1 ) angeordnet ist.

7. Mikromechanischer Drucksensor (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, dass folgende geometrische Bedingungen erfüllt sind: tH > tP

tG > tP mit den Parametern:

^ lichte Weite eines unteren Abschnitts der Siphonstruktur (1 1 ) tp lichte Weite eines oberen Abschnitts der Siphonstruktur (1 1 ) tG Niveauunterschied zwischen einer oberen Ebene des unteren

Abschnitts der Siphonstruktur und einer unteren Ebene des oberen Abschnitts der Siphonstruktur

Mikromechanischer Drucksensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung wenigstens eine in definierter Nähe zum Medienzugang (10) angeordnete Kondensatorstruktur (30, 31 ) aufweist.

Mikromechanischer Drucksensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung eine auf dem Medienzugang (10) angeordnete mediendurchlässige Schicht aufweist.

Mikromechanischer Drucksensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Medienzugang (10) mit der Schutzeinrichtung (1 1 ; 12; 13) in einem Kappenwafer oder in einem ASIC- Wafer des Drucksensors (100) ausgebildet ist.

Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensors (100), aufweisend die Schritte:

Bereitstellen wenigstens eines Medienzugangs (10);

Bereitstellen einer Sensormembran (20); und

Bereitstellen wenigstens einer Schutzeinrichtung (1 1 ; 12; 13) derart, dass mittels der Schutzeinrichtung (1 1 ; 12; 13) eine Einwirkung von externen Partikeln (1 ) und/oder externer Feuchte (2) auf die Sensormembran (20) minimierbar ist.

Description:
Beschreibung Titel

Mikromechanischer Drucksensor

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drucksensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensors.

Stand der Technik

Mikromechanische Drucksensoren, bei denen eine Druckdifferenz in Abhängigkeit von einer Verformung einer Sensormembran gemessen wird, sind bekannt, beispielsweise aus DE 10 2004 006 197 A1 . Im Betrieb der bekannten mikromechanischen Drucksensoren können dadurch Probleme auftreten, dass im Laufe der Zeit externe Ablagerungen an der Sensormembran auftreten, wodurch eine Betriebscharakteristik der Drucksensoren verschlechtert sein kann.

Offenbarung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mikromechanischen Drucksensor mit verbessertem Betriebsverhalten bereit zu stellen.

Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Drucksensor, aufweisend:

- wenigstens einen Medienzugang für eine Sensormembran; und

wenigstens eine Schutzeinrichtung zum Minimieren einer Einwirkung von externen Partikeln und/oder externer Feuchte auf die Sensormembran.

Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Schutzwirkung für die empfindliche

Sensormembran des mikromechanischen Drucksensors realisiert. Fehlsignale können auf diese Weise weitgehend vermieden werden, wodurch eine

Betriebscharakteristik des Drucksensors verbessert ist.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensors, aufweisend die Schritte:

Bereitstellen wenigstens eines Medienzugangs;

Bereitstellen einer Sensormembran; und

Bereitstellen wenigstens einer Schutzeinrichtung derart, dass mittels der Schutzreinrichtung eine Einwirkung von externen Partikeln und/oder externer Feuchte auf die Sensormembran minimierbar ist.

Bevorzugte Ausführungsformen des mikromechanischen Drucksensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

Eine bevorzugte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors zeichnet sich dadurch aus, dass die Schutzeinrichtung als eine Siphonstruktur des Medienzugangs ausgebildet ist. Auf diese Weise wird eine einfach bereitzustellende und effizient wirkende Schutzeinrichtung für den mikromechanischen Drucksensor realisiert.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors zeichnet sich dadurch aus, dass die Schutzeinrichtung ein in definierter Nähe zum Medienzugang angeordnetes Heizelement aufweist. Vorteilhaft ist dadurch unterstützt, dass Feuchte schneller verdampft werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors zeichnet sich dadurch aus, dass das Heizelement wenigstens teilweise um einen definierten Bereich der Siphonstruktur angeordnet ist. Dadurch kann bereits in den Medienzugang eingedrungene Feuchtigkeit schneller verdampft werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors sieht vor, dass die Schutzeinrichtung eine in definierter Nähe zum Medienzugang angeordnete Haftschicht aufweist. Auf diese Weise wird ein weiterer Schutzmechanismus bereitgestellt, mit dem externe Partikel an der Haftschicht ankleben bzw. anhaften und dadurch an einem Eindringen in den Medienzugang bzw. an einem weiteren Vordringen im Medienzugang gehindert werden. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors sieht vor, dass die Haftschicht wenigstens abschnittsweise in einem definierten Bereich der Siphonstruktur angeordnet ist. Dadurch kann die Schutzwirkung der Siphonstruktur auf effiziente Weise erhöht werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors zeichnet sich dadurch aus, dass folgende geometrische Bedingungen erfüllt sind: mit den Parametern: ^ lichte Weite eines unteren Abschnitts der Siphonstruktur tp lichte Weite eines oberen Abschnitts der Siphonstruktur tG Niveauunterschied zwischen einer oberen Ebene des unteren

Abschnitts der Siphonstruktur und einer unteren Ebene des oberen Abschnitts der Siphonstruktur

Auf diese Weise werden für die Siphonstruktur günstige geometrische Abmessungen realisiert, mit denen ein Eindringen von schädlichen Feuchte bzw.

Partikeln in den Medienzugang bzw. ein weiteres Vordringen von Partikeln und Feuchte innerhalb des Medienzugangs minimiert werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors sieht vor, dass die Schutzeinrichtung wenigstens eine in definierter Nähe zum Medienzugang angeordneten Kondensatorstruktur aufweist. Auf diese Weise wird ein alternativer Schutzmechanismus in Form von elektrostatischen Kräften bereitgestellt, die die Partikel binden können.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors sieht vor, dass die Schutzeinrichtung eine auf den Medienzugang angeordnete mediendurchlässige Schicht aufweist. Auf diese Weise wird eine alternative Möglichkeit zum Schützen der Sensormembran bereitgestellt. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors sieht vor, dass der Medienzugang mit der Schutzeinrichtung in einem

Kappenwafer oder in einem ASIC-Wafer des Drucksensors ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die Schutzeinrichtung vorteilhaft auf unterschiedliche Weisen realisiert werden.

Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind. In den Figuren zeigt:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines mikromechanischen

Drucksensors gemäß Stand der Technik; Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines

mikromechanischen Drucksensors;

Fig. 3 eine Detailansicht der Anordnung von Fig. 2; Fig. 4 eine prinzipielle Detailansicht einer weiteren Ausführungsform des mikromechanischen Drucksensors;

Fig. 5 eine Detailansicht der Anordnung von Fig. 4; und

Fig. 6 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform eines

Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen

Drucksensors.

Beschreibung von Ausführungsformen Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten mikromechanischen Drucksensors, der gegenüber externen Umwelteinflüssen weniger empfindlich und damit robuster ist. Erreicht wird dies durch eine Schutzeinrichtung, die in effektiver Weise ein Vordringen von externen Partikeln bzw. externer Feuchte an die empfindliche Sensormembran weitgehend unterbindet bzw. minimiert.

Mit dem vorgeschlagenen Drucksensor wird mit unterschiedlichen technischen Schutzmechanismen, die einzeln oder kombiniert realisiert sein können, weitgehend verhindert, dass Partikel und Feuchte zum Membranbereich des

Drucksensors vordringen, sich auf diesem ablagern und im Laufe der Zeit in nachteiliger Weise aggregieren.

Fig. 1 zeigt ein Problem eines mikromechanischen Drucksensors gemäß Stand der Technik. Der Drucksensor 100 ist vorzugsweise ein Niederdrucksensor, beispielweise zur Anwendung in mobilen Endgeräten oder barometrischen Höhenmessgeräten zur Messung von Drücken im Bereich von ca. 0,3 bar bis ca. 1 ,4 bar. Denkbar ist aber auch, dass der Drucksensor 100 als ein Mittel- oder Hochdrucksensor ausgebildet ist, beispielsweise für den Einsatz im Automotive- Bereich.

Dargestellt ist eine Querschnittsansicht durch einen mikromechanischen Drucksensor 100 mit einem Medienzugang 10, der sich über einer Sensormembran 20 aufweitet, damit ein Medien- bzw. Luftaustausch stattfinden kann. Unterhalb der Sensormembran 20 ist eine Kavität 21 erkennbar. Mittels eines Pfeils wird ein Einfluss eines extern wirkenden Mediendrucks P, z.B. in Form von Luftdruck angedeutet. Erkennbar sind Partikel 1 (z.B. Staubpartikel) und Elemente von Feuchte 2 (z.B. in Form von Wasser), die durch den Medienzugang 10 gelangen und zur empfindlichen Sensormembran 20 vordringen und sich auf dieser in nachteiliger weise ablagern können. Dadurch kann im Laufe der Zeit eine nachteilige Beeinflussung der Sensormembran 20 stattfinden, wodurch unerwünschte Fehlsignale bzw. Fehlmessungen des mikromechanischen Drucksensors 100 bewirkt werden. Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Drucksensors 100. Man erkennt einen Medienzugang 10, der eine Siphon struktur 1 1 aufweist. Externe Partikel 1 (nicht dargestellt) können in einem tiefliegenden Abschnitt der Siphonstruktur 1 1 an einer Haftschicht 13 anhaften und an einem Vordringen zur Sensormembran 20 gehindert werden.

Erkennbar ist im tiefliegenden Abschnitt der Siphonstruktur 1 1 ferner ein

Heizelement 12, mit dem in den Medienzugang 10 eingedrungene Feuchte 2 verdampft werden bzw. ein Verdampfungsprozess von eingedrungener Feuchte 2 beschleunigt werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist auch denkbar, dass ein Heizelement 12 im hochliegenden Abschnitt der Siphonstruktur 1 1 angeordnet ist

(nicht dargestellt). Die integrierte Heizerstruktur in Form des Heizelements 12 soll das Eindringen von Feuchtigkeit verhindern, indem die Feuchte über eine entsprechende Erwärmung des Heizelements 12 verdampft wird bzw. eine Kondensation von Feuchtigkeit verhindert wird.

Man erkennt in Fig. 2 ferner eine im tiefliegenden Bereich der Siphonstruktur 1 1 angeordnete Klebe- bzw. Haftschicht 13, auf der die Partikel 1 anhaften und an einem Vordringen zur Sensormembran 20 gehindert werden. Die Haftschicht 13 kann alternativ oder zusätzlich in unmittelbarer Nähe des

Medienzugangs 10 strukturiert und aufgebracht werden.

Somit realisiert die Ausführungsform von Fig. 2 unterschiedliche Schutzwirkungen in Form der Siphonstruktur 1 1 , des Heizelements 12 und der Haft- schicht 13. Denkbar ist aber auch, dass als Schutzeinrichtung lediglich ein einziges der genannten Elemente vorgesehen ist.

Erkennbar ist in Fig. 2 ferner ein zweiter Medienzugang 10a einem Heizelement 12a. In nicht in Figuren dargestellten alternativen Varianten des mikromecha- nischen Drucksensors 100 ist auch denkbar, dass eine definierte Anzahl von mehr als zwei Medienzugängen 10, 10a mit jeweils wenigstens einer der beschriebenen Schutzeinrichtungen ausgestattet sind, wodurch vorteilhaft unterstützt ist, dass bei einer Verlegung einer der Medienzugänge 10, 10a mit externen Partikeln 1 und/oder externer Feuchte 2 immer noch ein ausreichender Schutz für die Sensormembran 20 realisiert ist. Ein langfristiges günstiges Betriebsverhalten des mikromechanischen Drucksensors 100 ist auf diese Weise unterstützt.

Fig. 3 zeigt die Anordnung von Fig. 2 in einem höheren Detaillierungsgrad. Man erkennt, dass Partikel 1 und Feuchte 2 an der Haftschicht 13 anhaften und dadurch eine Schutzwirkung für die Sensormembran 20 realisieren. Erkennbar sind qualitative Größenverhältnisse der vorgeschlagenen Siphonstruktur 1 1 , wobei eine Abmessung tH eine lichte Weite bzw. lichte Höhe eines unteren bzw. tiefliegenden Abschnitts der Siphonstruktur 1 1 bezeichnet. t.G bezeichnet einen Niveauunterschied zwischen einer Oberkante des unteren Abschnitts der Siphonstruktur 1 1 und eines unteren Abschnitts eines Verbindungskanals bzw. hochliegenden Abschnitts der Siphonstruktur 1 1 . Eine Abmessung tp repräsentiert eine lichte Weite bzw. lichte Höhe des oberen bzw. hochliegenden

Abschnitts der Siphonstruktur 1 1.

Die Siphonstruktur 1 1 stellt einen tiefliegenden Bereich mit ausreichendem Volumen bereit, sodass darin externe Partikel 1 und/oder externe Feuchte 2 gesammelt werden können. Ferner sollte ein Abstand zwischen der tiefliegen Abschnitt der Siphonstruktur 1 1 und dem hochliegenden Abschnitt der Siphonstruktur 1 1 derart dimensioniert sein, sodass etwaige externe Partikel 1 und/oder externe Feuchte 2 diese Barriere nicht überwinden können und somit nicht zum Membranbereich gelangen können.

Folgende geometrische Abmessungen der Siphonstruktur 1 1 sollten für eine effiziente Schutzwirkung der Sensormembran 20 realisiert sein: t H > t P (1 ) t G > t P (2) mit den Parametern: tH lichte Weite eines unteren Abschnitts der Siphonstruktur t P lichte Weite eines oberen Abschnitts der Siphonstruktur tG Niveauunterschied zwischen einer oberen Ebene des unteren

Abschnitts der Siphonstruktur und einer unteren Ebene des oberen Abschnitts der Siphonstruktur

Das Heizelement 12 kann beispielsweise aus stromführenden Leitungen bestehen und/oder aus hochohmigen Diffusionsgebieten ausgebildet sein.

Eine nicht in Figuren dargestellte Ausführungsform des mikromechanischen Drucksensors 100 umfasst eine direkt an der Oberfläche des Medienzugangs 10 angeordnete Haftschicht 13, wobei optional auch noch ein Heizelement 12 direkt an der Oberfläche des Medienzugangs 10 ausgebildet sein kann.

Alternativ oder zusätzlich kann anstelle der Haftschicht 13 das Prinzip der Elektrostatik angewendet werden, wodurch das Heizelement 12 nicht nur zum Heizen verwendet wird, sondern zusätzlich auch als Kondensator mit Elektroden auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen genutzt wird. Auf diese Weise ist vorteilhaft eine gleichzeitige Realisierung eines Heizelements 12 und einer Kondensatorstruktur möglich. Entsprechende Diffusionsgebiete können den Kondensator ausbilden, mit dem elektrostatische Kräfte generiert werden können, die die externen Partikel 1 absorbieren bzw. binden.

Fig. 4 zeigt eine Detailansicht einer entsprechenden Ausführungsform eines mikromechanischen Drucksensors 100. Erkennbar ist ein zu beiden Seiten des Medienzugangs 10 angeordneter Kondensator mit zwei Elektroden 30, 31 .

Zwischen den Elektroden 30, 31 wirkt ein elektrisches Feld mit entsprechenden elektrostatischen Effekten, sodass externe Partikel 1 (nicht dargestellt) an der oberen Elektrode 30 anhaften.

Erkennbar sind zwei Kondensatorstrukturen 30, 31 , denkbar ist jedoch auch eine andere Anzahl von Kondensatorstrukturen im Bereich des Medienzugangs 10.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf die Struktur von Fig. 4. Man erkennt eine obere Elektrode 30, die eine serpentinenartige elektrische Zuleitung 30a aufweist. Auf diese Weise kann eine elektrische Spannung mit geeigneter Spannungshöhe an die obere Elektrode 30 angelegt werden. Erkennbar ist eine untere Elektrode 31 , die vorzugsweise auf Massepotential liegt, wodurch sich zwischen der oberen Elektrode 30 und der unteren Elektrode 31 ein elektrisches Feld mit elektrischen Feldlinien von der oberen Elektrode 30 zur unteren Elektrode 31 ausbildet. Im Ergebnis ist dadurch eine elektrostatische Wirkung erzeugbar, mit der die externen Partikel 1 angezogen und damit im Bereich des Eingangs des Medienzu- gangs 10 fixiert und damit für die Sensormembran 20 unschädlich gemacht werden.

Die obere Elektrode 30 kann dabei auch als ein Heizelement vorgesehen sein.

Eine nicht in Figuren dargestellte Ausführungsform des mikromechanischen Drucksensors 100 sieht eine Schutzschicht über dem Medienzugang 10 vor, die die Sensormembran 20 ausreichend vor eindringenden externen Partikeln 1 schützt und dennoch eine Dynamik zur ausreichenden Druckversorgung der Sensormembran 20 ermöglicht. Für diese Variante der Schutzeinrichtung ist ein poröses Material oder ein einlagiges Material denkbar, welches medien- bzw. luftdurchlässig ist, beispielsweise in Form von GORE™-Membran, Graphen- Schichten oder organischen Materialien.

Die Realisierung der oben genannten Schutzeinrichtungen kann in einer Kappenstruktur oder auch in einer ASIC-Kappe des mikromechanischen Drucksensors 100 erfolgen, wodurch vorteilhaft unterschiedliche Realisierungsmöglichkeiten für die Schutzeinrichtung möglich sind.

Fig. 6 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensors 100.

In einem Schritt 200 wird wenigstens ein Medienzugang 10 bereitgestellt. In einem Schritt 210 wird eine Sensormembran 20 bereitgestellt.

In einem Schritt 220 wird ein Bereitstellen wenigstens einer Schutzeinrichtung 1 1 , 12, 13 derart durchgeführt, dass mittels der Schutzreinrichtung 1 1 , 12, 13 eine Einwirkung von externen Partikeln 1 und/oder externer Feuchte 2 auf die Sensormembran 20 minimierbar ist. Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen der Erfindung realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.