Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mikrosensoren, die mit je mindestens einer Siliziummembran versehen sind, und einen mit einer Siliziummembran versehenen Mikrosensor.

Eine Vielzahl von Mikrosensoren, welche mit mikromechanisch hergestellten Siliziummembranen versehen sind, wird heute erfolgreich zum Messen von Gaskonzentration, Durchfluss, Viskosität, Luftfeuchtigkeit, Druck, Schall und anderem mehr eingesetzt. Die Funktion der Siliziummembran besteht darin, erstens Wärmeverluste über die Kontaktstellen zu einem Substrat eines auf der Siliziummembran befindlichen Heizelementes zu reduzieren und zweitens die mechanische Steifigkeit des Wandlers zu verkleinern, beides mit dem Ziel, die Empfindlichkeit des Sensors zu optimieren. Ein Substrat dient als Träger der Siliziummembran und beeinflusst somit wesentlich die mechanische Stabi- lität und die Empfindlichkeit des Sensors auf mechanische Spannungen, wel¬ che oft beim Einbau des Sensors in seine Messumgebung auftreten. Eine weitere Funktion des Substrates ist es, die Siliziummembran elektrisch oder thermisch zu isolieren oder aber mit der Umgebung zu kontaktieren.

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Ein häufig verwendetes Verfahren zur Herstellung von Sensoren mit dünnen Siliziummembranen ist das anisotrope Atzen aus einkristallinen Siliziumschei¬ ben. Einkristallines Silizium verfugt über hervorragende mechanische Eigen¬ schaften und lässt sich mit geeigneten Ätzmitteln, beispielsweise Kaliumhydro- xid oder Äthylendiamin-Pyrocatechol, anisotrop ätzen. Dadurch können dün¬ ne, sehr genau reproduzierbare, mechanisch belastbare Siliziummembranen in Serienfertigung hergestellt werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch die schlechte Ausnützung der Sensorfläche. Beim anisotropen Ätzen eines (lOO)-orientierten Siliziumsubstrates bildet sich nämlich eine Ätzgrube, welche durch schräge (1 Umorientierte Wände begrenzt ist. Somit kann nur ein mit zunehmender Siliziumsubstratdicke abnehmender Bruchteil der Sensorfläche für die Siliziummembran genutzt werden. Da in Zukunft immer grossere und somit auch dickere Siliziumscheiben verwendet werden, wird dieses Problem immer wichtiger. Zwar kann die Dicke der Siliziumscheiben vor dem anisotro- pen Ätzen durch chemische oder mechanische Verfahren reduziert werden; dies erzeugt jedoch Schwierigkeiten im "Wafer-Handling" und führt zu erhöh¬ ten Produktionskosten.

Ein weiteres Problem zeigt sich, wenn eine anisotrop geätzte Siliziummem¬ branstruktur für die Bestimmung einer Durchflussrate von Fluiden eingesetzt wird. Bei dieser Verwendung soll einerseits gewährleistet sein, dass die mit elektronischen Funktionseinheiten versehene ("prozessierte") Seite der Sil¬ iziummembran von dem möglicherweise korrosiven Fluid getrennt ist. Somit folgt, dass das Fluid über die nicht-prozessierte Seite der Siliziummembran strömen muss. Andererseits sollte aber der Sensor beim Einbau möglichst keine Unebenheiten gegenüber der Wand des Strömungskanals aufweisen, um die Strömung nicht zu stören und Wirbelbildungen zu vermeiden. Wie bereits erwähnt, entsteht bei der Herstellung von Siliziummembranen durch anisotro- pes Ätzen auf der nicht-prozessierten Seite der Siliziummembran eine Ätzgru¬ be, welche die Strömung stark stören würde. Somit bietet sich für die Erfül-

lung des flächenbündigen Einbaus nur die prozessierte Seite der Siliziummem¬ bran an, was jedoch der ersten Forderung widerspricht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Siliziummembran versehenen Mikrosensors sowie den mit dem Verfahren herstellbaren Mikrosensor anzugeben, dessen Sensorfläche optimal genutzt wird und dessen dem Messignal auszusetzende Siliziummembranaus- senseite keine heiklen elektronischen Funktionseinheiten enthält und gleich- zeitig eben ist.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch das Verfahren und den Mikrosensor, wie sie in den entsprechenden unabhängigen Patentansprüchen definiert sind. Ein weiterer unabhängiger Patentanspruch betrifft ein mit dem erfindungs¬ gemässen Verfahren herstellbares Sensor-Zwischenprodukt.

Die Grundidee des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, eine Silizi- umscheibe so auf ein Substrat aufzubringen, dass ihre prozessierte Seite dem Substrat zugewandt und somit geschützt ist. Die Dicke der Siliziumscheibe kann danach von der Aussenseite her zu einer geringen Siliziummembrandik- ke reduziert werden.

Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren detaillierter erläutert. Das Ausgangsmaterial für die Siliziummembran ist - wie bei den bekannten Verfahren - eine einkristalline Siliziumscheibe. Auf deren mindestens eine Seite werden zunächst mit bekannten Prozessen die benötigten elektronischen Funktionseinheiten integriert. Es werden Abstandshalter auf einer Seite eines Substrates und/oder einer zu schützenden Seite der Siliziumscheibe anεe-

bracht oder aus Substrat und/oder Siliziummembran herausgeformt. Darauf¬ hin werden die Siliziumscheibe und das Substrat derart aneinandergefügt, dass die mindestens eine mit elektronischn Funktionseinheiten versehene Seite der Siliziumscheibe, im folgenden "Innenseite" genannt, dem Substrat zugewandt ist. Die Abstandshalter gewährleisten, dass zwischen Substrat und Silizium¬ scheibe Hohlräume entstehen. Danach kann die Dicke der gesamten Silizium¬ scheibe von der Aussenseite her zu einer geringen Siliziummembrandicke reduziert werden, so dass aus der Siliziumscheibe eine Siliziummembran ent¬ steht. Zuletzt können mit bekannten Verfahren die einzelnen Sensoren von- einander getrennt, in festen Baugruppen untergebracht und mit elektrischen Verbindungsmitteln versehen werden.

Ein erster Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht in der optima- len Nutzung der Sensorfläche. Praktisch die gesamte Sensorfläche kann für die Siliziummembran ausgenutzt werden, weil das Substrat keine hohen, schrägen Ätzwände aufzuweisen braucht. Ein zweiter Vorteil des erfindungs¬ gemässen Verfahrens ergibt sich insbesondere bei seiner Verwendung zur Herstellung von Mikrosensoren, welche Eigenschaften von Fluiden messen. Die erfindungsgemässen Mikrosensoren vereinigen die beiden Anforderungen der Trennung der prozessierten Siliziummembraninnenseite vom Fluid und des flächenbündigen Einbaus. Die Siliziummembranaussenseite weist keine Ätzgruben auf und ist flach. Deshalb kann das Fluid über die Siliziummem¬ branaussenseite strömen, ohne von ihr gestört zu werden, und gleichzeitig ist auch die prozessierte Siliziummembraninnenseite geschützt.

Beim erfindungsgemässen Verfahren weist das Substrat höchstens lokal Lö¬ cher auf; es muss nicht das gesamte Material unterhalb der Siliziummembran entfernt werden. Dadurch erhält das Substrat eine erhöhte mechanische Fe¬ stigkeit und wird somit weniger anfällig auf parasitäre Spannungen, die bei-

spielsweise beim Kleben auftreten - ein Problem, das besonders bei Drucksensoren eine wichtige Rolle spielt. Die Möglichkeit, mit dem erfin¬ dungsgemässen Verfahren ein Glassubstrat zu verwenden, eröffnet gegenüber herkömmlich anisotrop geätzten Siliziumsubstraten weitere Vorteile: Glas ist ein guter thermischer und elektrischer Isolator, was sich vor allem bei ther¬ mischen Sensoren positiv auswirkt.

Verschiedene Varianten des erfindungsgemässen Verfahrens und zum Ver- gleich auch der Stand der Technik werden anhand der Figuren detailliert beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen mit konventionellen

Verfahren hergestellten Mikrosensor gemäss dem Stand der Technik,

Fig. 2-8 schematische Querschnitte durch Ausgangs-, Zwischen- und End¬ produkte nach verschiedenen Schritten des erfindungsgemässen Verfahrens,

Fig. 9 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen piezoresistiven Drucksensor,

Fig. 10-13 schematische Querschnitte durch weitere Ausfuhrungsformen von gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Sensor-

Zwischenprodukten,

Fig. 14 eine schematische Aufsicht auf die Siliziummembraninnenseite eines erfindungsgemässen Durchflussensors und

Fig. 15 eine perspektivische, teilweise offengelegte schematische Ansicht eines erfindungsgemässen, in einen Strömungskanal eingebauten Durchflussensors.

In den Figuren 1-13 sowie 15 stehen aus Darstellungsgründen die Höhen der einzelnen Elemente nicht unbedingt im richtigen Verhältnis zueinander; eben¬ so entspricht das Verhältnis der Höhen zu den Längen nicht immer den wirk¬ lichen Verhältnissen.

Figur 1 illustriert den Stand der Technik mit einem Querschnitt durch einen schematisch dargestellten, nach bekannten Verfahren hergestellten Mikrosen¬ sor. Als Ausgangsmaterial für einen solchen Sensor wird typischerweise eine einkristalline (lOO)-orientierte Siliziumscheibe 1 verwendet. In deren eine Seite 2, im folgenden "Innenseite" genannt, werden zuerst die für Speisung, Wandlung, Signalverarbeitung und Ausgabe benötigten elektronischen Fun¬ ktionseinheiten 3 integriert; dies geschieht durch in der Mikroelektronik übli¬ che Prozesse wie Epitaxie, Oxidation, Photolithographie, Diffusion, Ionen¬ implantation, Metallisierung etc. Danach wird die Siliziumscheibe von der anderen Seite 4 her, im folgenden "Aussenseite" genannt, an bestimmten Stel¬ len 5 anisotrop bis auf eine gewünschte Dicke t (von typischerweise einigen bis einigen Zehn Mikrometern) heruntergeätzt, beispielsweise mit Kaliumhy¬ droxid (KOH) oder Äthylendiamin-Pyrocatechol (EDP). So entstehen Silizi¬ ummembranen 6 mit elektronischen Funktionseinheiten 3 an den Innenseiten 2. (Die elektronischen Funktionseinheiten 3 und die Siliziummembran 6 sind in allen Figuren aus didaktischen Gründen im Verhältnis zu den übrigen Elementen übertrieben dick gezeichnet.) Eventuell müssen zusätzlich spezielle Materialien, welche die eigentliche Wandlerfunktion ausüben oder verstärken, auf die Innenseite 2 aufgebracht werden. Zuletzt wird die Siliziumscheibe 1 in die einzelnen Sensoren aufgeteilt; diese werden anschliessend in geeigneten

festen Baugruppen 7 untergebracht und mit elektrischen Verbindungsmitteln 8 versehen.

Beim anisotropen Ätzen einer (lOO)-orientierteπ Siliziumscheibe bildet sich eine Ätzgrube 5, welche durch schräge (1 Umorientierte Wände 9 begrenzt ist; ihr Neigungswinkel zur Horizontalen beträgt arctan-/2 = 54.7°. Somit kann bei einer gegebenen Dicke T der Siliziumscheibe nur ein Teil der Oberfläche für die Siliziummembran 6 genutzt werden. Beispielsweise steht bei einem qua- dratischen Sensor der Seitenlänge L mit einer Siliziummembranlänge von 1 = 2 mm, einer Ausgangsdicke von T = 0.6 mm und einer Siliziummembrandicke t < < T bloss der Bruchteil

1 ² /L ² = 1 ² /(1 + 2T/V2) ² = 0.49 , d. h. weniger als die Hälfte der Sensorfläche, für die eigentliche Siliziummem- bran 6 zur Verfügung. Dieser Nachteil nach herkömmlichen Verfahren herge¬ stellter Mikrosensoren ist in Fig. 1 illustriert. Aus Fig. 1 ist ebenfalls ein wei¬ terer Nachteil ersichtlich. Wird die Siliziummembranstruktur beispielsweise für die Bestimmung der Durchflussrate eines Fluids verwendet, so kann das möglicherweise korrosive Fluid die elektronischen Funktionseinheiten 3 und elektrischen Verbindungsmittel 8 auf der Siliziurrunembraninnenseite 2 an¬ greifen und den Sensor zerstören. Lässt man das Fluid über die Ausseneite 4 strömen, um diesem Nachteil auszuweichen, so taucht ein neues Poblem auf: Die Ätzgrube 5 auf der Aussenseite 3 stört die Fluidströmung und führt zu Wirbelbildungen, welche die Sensorfunktion stark beeinträchtigen können.

Das erfindungsgemässe Verfahren beseitigt die oben geschilderten Nachteile. Die Figuren 2-8 zeigen jeweils im Querschnitt die Herstellung eines erfin¬ dungsgemässen Mikrosensors in einer bevorzugten Variante des erfindungs- gemässen Verfahrens. In diesem Beispiel besteht das Verfahren aus sieben Schritten. Davon sind bloss die ersten drei Schritte für das erfindungsgemässe

Verfahren notwendig; die anderen Verfahrensschritte sind fakultativ. Im hier abgehandelten Beispiel wird die Herstellung zweier identischer Sensoren dargestellt. Mit modernen, aus der Mikroelektronik bekannten Intergrations- verfahren ist es jedoch möglich, viele Sensoren gleichzeitig herzustellen; typi¬ sche Längenmasse L von Mikrosensoren liegen heute im Millimeterbereich und könnten in Zukunft noch reduziert werden.

Als Ausgangsmaterial für die Sensormembranen wird eine einkristalline Silizi- umscheibe 1 verwendet. In einem ersten Verfahrensschritt werden in deren eine Seite 2, im folgenden "Innenseite" genannt, die für Speisung, Wandlung, Signalverarbeitung und Ausgabe benötigten elektronischen Funktionseinheiten 3 integriert; dies geschieht durch in der Mikroelektronik übliche Prozesse wie Epitaxie, Oxidation, Photolithographie, Diffusion, Ionenimplantation, Metalli- sierung etc. Die Innenseite 2 ist diejenige Seite, welche bei der späteren Ver¬ wendung des Mikrosensors vor eventuell korrosiven Fluiden geschützt werden soll. Figur 2 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform der Siliziumscheibe 1 oder eines Teils davon nach dem ersten Verfahrensschritt. Die elektronischen Funktionseinheiten 3 sind beispielweise Diffusionsschichten 3.1, Metallschich- ten 3.2, Oxidschichten 3.3, Siliziumnitridschichten 3.4 etc.; sie sind in allen Figuren aus didaktischen Gründen im Verhältnis zur Siliziummembran über¬ trieben dick gezeichnet. Die Siliziumscheibe 1 kann in diesem Verfahrens¬ schritt zusätzlich noch auf andere Weise für eine spezielle Sensorfunktion vorkonditioniert werden. Wenn erwünscht, werden in diesem Verfahrensschritt beispielsweise zusätzliche spezielle Materialien, welche die eigentliche Wand¬ lerfunktion ausüben oder verstärken, auf die Innenseite 2 aufgebracht.

In einem zweiten Verfahrensschritt (welcher vom ersten zeitlich unabhängig ist), werden Abstandshalter 10 auf einer Seite 13 eines Substrates und/oder der Innenseite 2 der Siliziumscheibe 1 angebracht oder aus Substrat 11 und/-

oder Siliziummembran 6 herausgeformt. Diese gewährleisten erstens, dass die Siliziumscheibe 1 ein Substrat 11 an vorgesehenen Stellen nicht berührt, und stellen zweitens Kontaktflächen für das Aneinanderfügen von Siliziumscheibe 1 und Substrat 11 zur Verfügung. Die Abstandshalter 10 können beispiels- weise, wie in Fig. 3 dargestellt, aus dem Substrat 11 herausgeformt werden, in¬ dem eine Seite 12 des Substrates mit Vertiefungen 13 der Tiefe d (von typi¬ scherweise einigen bis einigen Hundert Mikrometern) versehen wird. Die Vertiefungen 13 werden nach dem Aneinanderfügen von Siliziumscheibe 1 und Substrat 11 (dritter Verfahrensschritt) Hohlräume zwischen Siliziummem- bran und Substrat bilden. Gleichzeitig mit den Vertiefungen 13 können auch durchgehende Löcher 14 im Substrat 11 angebracht werden. Diese dienen beispielsweise der Aufnahme von elektrischen Verbindungsmitteln. Lage und Grosse der Vertiefungen 13 und Löcher 14 auf dem Substrat 11 müssen auf die elektronischen Funktionseinheiten 3 auf der Siliziumscheibe 1 abgestimmt sein.

Das Substrat 11 kann bevorzugt aus Glas oder auch aus Keramik, Silizium oder einem anderen Material bestehen. Glas als Substratmaterial hat den Vorteil, dass es ein guter thermischer und elektrischer Isolator ist, was sich vor allem bei thermischen Sensoren positiv auswirkt. Die Vertiefungen 13 und Löcher 14 werden durch chemische oder mechanische Abtragungsverfahren wie beispielsweise isotropes Ätzen mit Flusssäure (HF, BHF) oder Bohren im Subsrat angebracht. Es ist möglich, mit diesen Bearbeitungsverfahren in ge- eigneten Materialien annähernd senkrechte Wände zu erhalten und praktisch die ganze Sensorfläche optimal auszunützen. Dadurch, dass das Substrat 11 nur lokal Löcher 14 aufweist und nicht das gesamte Material unterhalb der Siliziumscheibe 1 entfernt wird, erhält das Substrat eine erhöhte mechanische Festigkeit und wird somit weniger anfällig auf parasitäre mechanische Span- nungen, die beispielsweise beim Kleben im sechsten Verfahrensschritt auf¬ treten - ein Problem, das besonders bei Drucksensoren von Bedeutung ist.

In einem dritten Verfahrensschritt werden die Siliziumscheibe 1 und das Sub¬ strat 11 aneinandergefügt und -fixiert, d. h. miteinander verbunden, so dass die Abstandshalter 10 zwischen der Siliziumscheibe und dem Substrat liegen und zwischen der Siliziumscheibe dem Substrat Hohlräume 13 der Dicke d entstehen. Entscheidend ist, dass dabei die zu schützende Innenseite 2 der Siliziumscheibe 1 dem Substrat zugewandt ist, wie in Fig. 4 dargestellt; da¬ durch wird der Schutz der elektronischen Funktionseinheiten 3 vor einem eventuell korrosiven Fluid erzielt. Es muss darauf geachtet werden, dass Silizi- umscheibe 1 und Substrat 11 in der vorgesehenen Art und Weise bezüglich Verschiebung und Drehung aufeinander positioniert sind; dies kann beispiels¬ weise mit einem Waferstepper mit einer Genauigkeit in der Grössenordnung von Mikrometern oder besser bewerkstelligt werden. In der in Fig. 4 darge¬ stellten beispielsweisen Ausführungsform des Sensors haften Siliziumscheibe 1 und Substrat 11 nur am Rand eines jeden Sensors aneinander. Die restlichen Teile der Siliziumscheibe 1 hängen über den Hohlräumen 13.

Eine stabile, permanente Haftung zwischen der Siliziumscheibe 1 und einem Substrat 11 aus Glas wird beispielsweise durch die bekannte Technik des "anodischen Bondens" erreicht. Besteht das Substrat 11 aus Silizium, so kann die bekannte Technik des "Silicon Fusion Bonding" zur Fixierung angewandt werden. Eine andere Möglichkeit, Siliziumscheibe 1 und Substrat 11 anein¬ ander zu fixieren, besteht in der Anwendung von Lötverfahren. Siliziumschei- be 1 und Substrat 11 können wahlweise in Luft, einer anderen Atmosphäre oder im Vakuum aneinandergefügt werden; das entsprechende Gas bzw. Va¬ kuum wird in den Hohlräumen 13 zwischen Siliziumscheibe und Substrat bleiben, falls die Hohlräume abgeschlossen sind.

Eine interessante Möglichkeit, die mechanische Spannung der (im fünften Verfahrensschritt gebildeten) Siliziummembran 6 zu beeinflussen, besteht darin, dass man ein Glassubstrat 11 mit einem thermischen Ausdehnungskoef¬ fizienten verwendet, der sich von demjenigen von Silizium unterscheidet. Da der anodische Bondprozess frei von mechanischen Spannungen bei einer Temperatur von ca. 300 °C stattfindet, entsteht im abgekühlten Zustand eine mechanische Spannung, welche genutzt werden kann, um beispielsweise ur¬ sprüngliche mechanische Spannungen in der Siliziumscheibe 1 bzw. in der späteren Siliziummembran 6 zu kompensieren.

In einem vierten Verfahrensschritt wird die Dicke der gesamten Siliziumschei¬ be 1 von der Aussenseite 4 her bis auf eine gewünschte Dicke t (von typi¬ scherweise einigen bis einigen Zehn Mikrometern) reduziert, wie in Fig. 5 dargestellt. So wird aus der Siliziumscheibe 1 eine dünne Siliziummembran 6, deren prozessierte Innenseite 2 dem Substrat 11 zugewandt ist. (Die elektroni¬ schen Funktionseinheiten 3 und die Siliziummembran 6 sind aus didaktischen Gründen im Verhältnis zu den anderen Elementen übertrieben dick gezeich¬ net.) Die Siliziummembran 6 ist teilweise auf den Abstandshaltern 10 abge- stützt und befestigt. Falls die Hohlräume 13 zwischen Siliziummembran 6 und Substrat 11 dünn genug sind, dienen sie zusätzlich als Stopper und können das Brechen der Siliziummembran bei zu hohem Überdruck auf der Aussenseite 4 verhindern.

Zur Reduktion der Dicke der Siliziumscheibe 1 werden bevorzugt Ätzverfah¬ ren, beispielsweise anisotropes Ätzen in Kaliumhydroxid (KOH), in Äthylendi- amin-Pyrocatechol (EDP) oder Plasmaätzen, herangezogen. In diesem Fall kann die Siliziummembrandicke t durch bekannte Ätzstoppverfahren, für KOH beispielsweise das elektrochemische Ätzstoppverfahren, kontrolliert werden. Eine andere Möglichkeit zur Dickenreduktion bieten mechanische

Verfahren, beispielsweise Schleifen oder Polieren. Auf die Dickenreduktion, d. h. auf den vierten Verfahrensschritt, kann verzichtet werden, wenn von Anfang an eine genügend dünne Siliziumscheibe 1 verwendet wird. In diesem Fall können elektronische Funktionseinheiten 3 auf beide Seiten 2, 4 der Siliziumscheibe 1 aufgebracht werden.

Die einzelnen selbständigen Einheiten 15, bestehend aus mindestens einer prozessierten Siliziummembran 6 und einem Substrat 11, welche haftend über Abstandshalter 10 aneinandergefügt sind, werden im folgenden "Sensor-Zwi¬ schenprodukte" genannt. In einem fünften Verfahrensschritt werden die ein¬ zelnen Sensor-Zwischenprodukte 15 voneinander und von eventuellen Rest¬ stücken 16 getrennt. Figur 6 zeigt zwei getrennte Sensor-Zwischenprodukte 15. Das Trennen wird beispielsweise mit speziellen Sägen oder durch Brechen bewerkstelligt.

In einem sechsten Verfahrensschritt werden die einzelnen Sensor-Zwischen¬ produkte 15 in festen Baugruppen 7 untergebracht. Diese Baugruppen 7 ver- leihen den Sensoren mechanische Stabilität und schützen sie vor uner¬ wünschten Umwelteinflüssen; gleichzeitig müssen sie aber gewährleisten, dass das zu messende Eingangssignal den Sensorwandler auch wirklich erreicht. Die festen Baugruppen können beispielsweise Keramiksubstrate sein, auf wel¬ che die Sensor-Zwischenprodukte 15 aufgeklebt werden. In Figur 7 ist nur noch ein aufgeklebtes Sensor-Zwischenprodukt 15 dargestellt; mit allen ande¬ ren Sensor-Zwischenprodukten wird gleich verfahren.

In einem siebten, letzten Verfahrensschritt werden die Siliziummembranen 6 elektrisch kontaktiert und mit elektrischen Verbindungsmitteln 8 versehen.

Dies geschieht beispielsweise, indem im ersten Verfahrensschritt hergestellte

elektrische Kontakte 17 auf den Siliziummembraninnenseiten 2 durch die bekannte Technik des "Wire Bonding" mit den festen Baugruppen 7 verbun¬ den werden. Figur 8 zeigt einen fertigen, nach dem erfindungsgemässen Ver¬ fahren hergestellten Sensor. Elektrische Verbindungsmittel 8, beispielsweise Kontaktdrähte, können durch die Löcher 14 im Substrat 11 und durch Löcher 18 in der festen Baugruppe 7 von der Siliziummembraninnenseite 2 nach aussen verlaufen. Schon beim Entwurf der Masken für Siliziumscheibe 1 und Substrat 11 muss selbstverständlich darauf geachtet werden, dass die Lagen der Kontaktstellen 17 und der Löcher 14 aufeinander abgestimmt sind, so dass diese übereinander zu liegen kommen.

Als Beispiel für die Verwendung eines erfindungsgemässen Mikrosensors zeigt Fig. 9 einen piezoresistiven Drucksensor. In der Nähe der Abstandshalter 10 sind piezoresistive Dehnungsmessstreifen 3.1, 3.1' in die Siliziummembran 6 integriert; die Siliziummembran 6 kann beispielsweise aus n-leitendem Silizi¬ um und die Dehnungsmessstreifen 3.1, 3.1' aus p-leitendem Silizium bestehen. Durch einen äusseren Druck p erfährt die Siliziummembran 6 die schematisch dargestellte Verformung, welche zu einer Längenänderung der Dehnungs- messstreifen 3.1, 3.1' führt. Diese Längenänderung wird mittels des piezoresi¬ stiven Effektes in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt, welches ein Mass für den Druck p ist. Das Ausgangssignal wird mit elektrischen Verbin¬ dungsmitteln 8 durch ein durchgehendes Loch 14 nach aussen geleitet. Elek¬ trische Verbindungsmittel 8 und durchgehendes Loch 14 sind nur für einen Dehnungsmessstreifen 3.1 eingezeichnet; für den anderen Dehnungsmessstrei¬ fen 3.1' können sie in einer anderen Schnittebene liegen. Selbstverständlich können mehr als zwei Dehnungsmessstreifen auf der Siliziummembran 6 integriert werden.

Im folgenden werden anhand der Figuren 10-13 einige Varianten des erfin¬ dungsgemässen Verfahrens gezeigt. Dabei sind jeweils nur die Sensor-Zwi¬ schenprodukte 15 nach dem fünften Verfahrensschritt gezeichnet; auf die festen Baugruppen 7 und die elektrischen Verbindungsmittel 8 wird in diesen Figuren verzichtet.

In den bisher diskutierten Beispielen wurden die Abstandshalter 10 entlang der Ränder 19 der Sensoren hergestellt. Figur 10 zeigt dagegen ein Sensor- Zwischenprodukt 15 mit einem zusätzlichen Abstandshalter 10', welcher sich im Innern des Sensors, d. h. nicht an einem Sensorrand 19, befindet. Dieser Abstandshalter 10' stützt die Siliziummembran 6 und verleiht ihr zusätzliche mechanische Festigkeit, welche zum Beispiel in der Nähe der elektrischen Kontakte 17 erwünscht sein könnte. Alle Abstandshalter 10, 10' können bei- spielsweise im zweiten Verfahrensschritt durch geeignete Strukturierung des Substrates 11 hergestellt werden. Sie können als in zwei Dimensionen ausge¬ dehnte "Blöcke", als in einer Dimension ausgedehnte "Wände" oder als dünne "Säulen" ausgebildet sein.

In Fig. 11 gezeichnete Abstandshalter 10, 10' haben die gleiche Funktion wie die Abstandshalter in Fig. 9. Die Abstandshalter 10, 10' in Fig. 10 wurden aber gleichzeitig mit dem ersten Verfahrensschritt durch Aufbringen und Strukturieren einer zusätzlichen Schicht auf die Innenseite 2 der Siliziumschei- be 1 hergestellt. Diese zusätzliche Schicht kann beispielsweise aus einem Oxid, einem Metall oder aus poly- oder monokristallinem Silizium bestehen. Auf diese weise hergestellte Abstandshalter 10, 10' können auch auf das Sub¬ strat 11 statt auf die Siliziumscheibe 1 aufgebracht werden. In einer weiteren Variante des erfindungsgemässen Verfahrens können Abstandshalter 10, 10' sowohl auf die Siliziumscheibe 1 als auch auf das Substrat 11 aufgebracht werden. Die Herstellung von Abstandshaltern 10, 10' aus einer zusätzlichen

Schicht hat den Vorteil, dass sie das Herstellen von Vertiefungen 13 im Sub¬ strat 11 erspart.

Für bestimmte Verwendungen von Mikrosensoren ist das Messen von Ände¬ rungen Δd des Abstandes d zwischen Siliziummembran 6 und Substrat 11 erwünscht. Zu diesem Zweck werden im erfindungsgemässen Verfahren vor dem dritten Verfahrensschritt Mittel zur Abstandsmessung auf die Silizium¬ scheibe 1 und/oder das Substrat 11 angebracht. Als Beispiel zeigt Fig. 12 eine Anordnung zur kapazitiven Messung von Abstandsänderungen Δd. Die Mittel zur Messung von Abstandsänderungen Δd sind Elektroden 20 auf dem Sub¬ strat 11 und Gegenelektroden 20' auf der Siliziummembran 6. Die Elektroden 20 von beliebiger Form werden auf die ebene Substratoberfläche 12 aufge¬ bracht und werden ausserhalb der Siliziummembran 6 elektrisch kontaktiert. Die Gegenelektroden 20' werden im ersten Verfahrensschritt hergestellt. Der in Fig. 12 dargestellte Mikrosensor kann beispielsweise als kapazitiver Druck¬ sensor zur Messung von Änderungen Δp des Druckes p oder als Kondensator¬ mikrofon verwendet werden. Durch geeignete Wahl der Elektrodenform kön¬ nen die Abstandsänderungen Δd(Δp) linearisiert werden. In Fig. 12 sind als Beispiel zwei Löcher 14, 14' im Substrat 11 angebracht; die Löcher ermögli¬ chen das Ausströmen der Luft aus dem Hohlraum 13 und erhöhen die Nach¬ giebigkeit der Siliziummembran 6 und verkürzen die Reaktionszeit des Druck¬ sensors.

Eine andere (zeichnerisch nicht dargestellte) Möglichkeit zur Messung von Abstandsänderungen Δd bietet der Tunneleffekt. Um diese Möglichkeit zu realisieren, wird im ersten und/oder zweiten Verfahrensschritt auf der mit den elektronischen Funktionseinheiten 3 versehenen Seite 2 der Siliziumschei- be 1 und/oder auf einer Seite 12 des Substrates 11 mindestens eine ultrafeine Spitze hergestellt. Im Betrieb wird eine elektrische Spannung zwischen der

Spitze und dem gegenüberliegenden Teil (Siliziummembran 6 bzw. Substrat 11) angelegt. Der übertretende Tunnelstrom ist ein Mass für den Abstand zwischen Spitze und dem gegenüberliegenden Teil 6 bzw. 11.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 13 besteht das Substrat 11 nur aus Abstands¬ haltern 10 in Form von Wänden entlang den Sensorrändern 19. Das durch¬ gehende Loch 14 im Substrat 11 ist also grossflächig und befindet sich nicht nur unter den elektrischen Kontakten 17 der Siliziummembraninnenseite 2, sondern unter der ganzen Siliziummembran 6. Man kann diese Ausführungs¬ form auch als Grenzfall von Fig. 6 betrachten, in welchem die Tiefe d der Vertiefung 13 gleich der Substratdicke T ist. Die Massnahmen für diese Va¬ riante werden im zweiten Verfahrensschritt getroffen.

Die Figuren 14 und 15 zeigen schliesslich als weiteres Beispiel einen erfin¬ dungsgemässen Mikrosensor, welcher als Durchflussensor verwendet wird.

Figur 14 zeigt die Innenseite 2 der Siliziummembran 6 des Durchflussensors. Die Siliziummembran 6, beispielsweise aus n-leitendem Silizium, enthält im wesentlichen drei Elemente: zwei Heizwiderstände 21, 21' und eine Thermo- säule 22. Die Heizwiderstände 21 bestehen beispielsweise aus p-leitendem Silizium, die Thermosäule 22 beispielsweise aus Streifen aus p-leitendem Silizium 3.1 und Aluminium 3.2. Zum Kontaktieren dieser Elemente dienen Kontaktflächen 23 aus Aluminium. Im Sensorbetrieb soll das zu messende Fluid in der durch die Pfeile 24 angegebenen Richtung über die (nicht gezeig¬ te) Siliziummembranausenseite strömen; die Siliziummembran soll dünn sein, um eine optimale Wärmeübertragung zwischen Fluid und Siliziummembran- innenseite 2 zu gewährleisten.

Der Sensor funktioniert wie folgt: Die Heizwiderstände 21, 21' werden mit gleichen Heizströmen beheizt und das Ausgangssignal der Thermosäule 22 ausgelesen. Ist der Durchfluss 24 gleich Null, so ist auch die von der Thermo¬ säule 22 gemessene Temperaturdifferenz gleich Null. Fliesst ein Fluid über die Siliziummembranaussenseite, so wird auf seinem Weg zwischen den Heiz¬ widerständen 21 und 21' ein Teil der Wärme von der Siliziummembran 6 auf das Fluid übertragen. Dadurch entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Heizwiderständen 21, 21', welche mittels des thermoelektrischen Effektes von der Thermosäule 22 gemessen wird. Der Betrag dieser Tempera- turdifferenz ist ein Mass für die Durchflussrate 24, ihr Vorzeichen gibt die Durchflussrichtung an.

Figur 15 zeigt die perspektivische, teilweise offengelegte Ansicht des erfin- dungsgemässen Durchflussensors. Er ist in einem Strömungskanal 25 einge¬ baut und misst beispielsweise die Durchflussrate eines Fluids durch den Ka¬ nal, dargestellt durch die Pfeile 24. Zwei Vorteile des erfindungsgemässen Durchflussensors sind aus Fig. 15 klar ersichtlich: Die Sensormembran 6 ist flächenbündig in den Strömungskanal 21 eingebaut und stört den Fluss 22 durch den Strömungskanal nicht, und gleichtzeitig ist seine Elektronik auf der Siliziummembraninnenseite 2 vor dem möglicherweise korrosiven Fluid ge¬ schützt.

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren kann auch ein Sensor für verschiede¬ ne Grossen hergestellt werden, beispielsweise für Durchfluss und Druck. Zu diesem Zweck kann die Siliziummembran beispielsweise durch Abstandshalter 10' in mehrere Untermembranen aufgeteilt werden; jede Untermembran kann eine andere Grosse mittels eines geeigneten Wandlerprinzips messen. Auch die zur Signalverarbeitung benötigte Elektronik kann auf derselben Silizium¬ membran 6 integriert werden.

Zusammengefasst dient das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Mikrosensoren mit je einer Sensorfläche, die teilweise durch Aussenseiten 4 mindestens einer Siliziummembran 6 gebildet ist; die Siliziummembran 6 trägt elektronische Funktionseinheiten 3, wobei zur elektrischen Verbindung der elektronischen Funktionseinheiten 3 elektrische Verbindungsmittel 8 erstellt werden. Für jeden Mikrosensor wird eine mindestens auf einer Innenseite 2 mit elektronischen Funktionseinheiten 3 versehene Siliziumscheibe 1 mit ei¬ nem Substrat 11 verbunden. Dabei ist die Innenseite 2 der Siliziumscheibe 1 gegen das Substrat 11 gewandt, und zwischen Substrat und Siliziumscheibe sind Abstandhalter 10, 10' vorgesehen derart, dass zwischen Substrat 11 und Siliziumscheibe 1 Hohlräume 13 entstehen. Die Siliziumscheibe 1 weist ent¬ weder die Dicke t einer Siliziummembran 6 auf oder ist dicker als eine Silizi¬ ummembran 6 und wird nach dem Zusammenfügen mit dem Substrat 11 auf die Siliziummembrandicke t reduziert.

Ein durch das erfindungsgemässe Verfahren erhältlicher Mikrosensor weist eine Sensorfläche, die teilweise durch Aussenseiten mindestens einer Silizum- membran 6 gebildet ist, und elektrische Verbindungsmittel 8 auf. Die Silizi- ummembran 6 weist mindestens auf ihrer Innenseite 2 elektronische Funk¬ tionseinheiten 3 auf. Die Siliziummembran 6 ist auf einem Substrat 11 aufge¬ bracht, wobei zwischen Siliziummembran 6 und Substrat 11 Abstandhalter 10, 10' derart positioniert sind, dass sich zwischen Siliziummembran 6 und Sub¬ strat 11 Hohlräume 13 befinden.

Ein erfindungsgemässes Sensorzwischenprodukt weist eine auf einem Substrat 11 aufgebrachte Siliziumscheibe 1 mit elektronischen Funktionseinheiten 3 mindestens auf ihrer dem Substrat 11 zugewandten Innenseite 2 und mit Hohlräumen 13 und Abstandhaltern 10, 10' zwischen Siliziumscheibe 1 und Substrat 11 auf. Die Siliziumscheibe 1 und das Substrat 11 bilden zusammen eine Mehrzahl von Mikrosensoren ohne elektrische Verbindungsmittel 8.